Thiết kế thông số bộ lọc cho thiết bị khôi phục điện áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  - NGUYỄN TRỌNG MINH THIẾT KẾ THÔNG SỐ BỘ LỌC CHO THIẾT BỊ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP Chuyên ngành: Kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS TRƯƠNG NGỌC MINH Hà nội – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố Nếu sai với lời cam đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn NGUYỄN TRỌNG MINH LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu với nỗ lực thân, giúp đỡ tận tình thầy cô giáo môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Trương Ngọc Minh, tác giả hồn thành luận văn với đề tài “Thiết kế thơng số lọc cho thiết bị khôi phục điện áp” Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc giúp đỡ tận tình thầy giáo TS.Trương Ngọc Minh, xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Hệ thống điện - Trường đại học Bách khoa Hà Nội Viện Đào tạo sau đại học - Trường đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thời gian thực đề tài Do kiến thức cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận dẫn, góp ý thầy giáo, giáo để luận văn hồn thiện Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 LỜI CẢM ƠN .2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN 13 1.1 Chất lượng điện 13 1.1.1 Độ tin cậy cung cấp điện 13 1.1.2 Chất lượng tần số .13 1.1.3 Chất lượng điện áp 14 1.2 Hiện tượng sụt giảm điện áp 15 1.3 Nguyên nhân gây sụt áp ngắn hạn 15 1.4 Các ảnh hưởng cố sụt áp ngắn hạn 15 1.5 Các đặc điểm tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn .16 1.6 Các biện pháp hạn chế sụt giảm điện áp 16 1.7 Kết luận 17 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR .18 2.1 Cấu tạo thiết bị DVR .18 2.1.1 Bộ phận cấp lượng 18 2.1.2 Bộ biến đổi .21 2.1.3 Bộ lọc tần số chuyển mạch 28 2.1.4 Máy biến áp ghép nối tiếp 28 2.1.5 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc cho DVR 28 2.2 Phương pháp xác định giá trị điện áp bù DVR 29 2.2.1 Phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp 30 2.2.2 Phương pháp điều khiển tối ưu biên độ điện áp 30 2.2.3 Phương pháp điều khiển tối ưu lượng .30 2.3 Phương pháp Clark Park 31 2.4 Khóa pha PLL 34 2.5 Kết luận 37 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH THƠNG SỐ L, C CỦA BỘ LỌC .38 3.1 Chức , nhiệm vụ lọc tần số chuyển mạch 38 3.2 Lựa chọn lọc dùng cho DVR 40 3.3 Phương pháp tính tốn thơng số lọc 41 3.3.1 Cấu hình sơ đồ lọc 41 3.3.2 Phân tích tín hiệu đầu lọc LC 42 3.3.3 Tính tốn thơng số L,C 43 3.3.4 Đề xuất bước tính thơng số lọc .44 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA DVR 45 4.1 Sơ đồ mô 45 4.2 Thiết bị DVR 46 4.2.1 Bộ phận lưu trữ lượng .47 4.2.2 Mạch nghịch lưu 47 4.2.3 Mạch lọc 48 4.2.5 Bộ điều khiển điện áp .49 4.3 Kết mô chưa lắp DVR 51 4.4 Kết mơ có lắp DVR hệ thống 53 4.4.1 Ngắn mạch ba pha chạm đất điện áp ba pha sụt giảm đến 45% giá trị danh định 53 4.4.2 Ngắn mạch hai pha A,B chạm đất gây sụt giảm đến 45% điện áp danh định 54 4.4.3 Ngắn mạch hai pha A với B gây sụt giảm đến 40% điện áp danh định 55 4.4.4 Ngắn mạch chạm đất pha A gây sụt giảm 40% điện áp danh định 57 4.4.5 Khi điện áp nguồn thay đổi 58 4.5 Đánh giá ảnh hưởng lọc LC tới hiệu làm việc DVR 60 4.6 Kết luận 63 KẾT LUẬN CHUNG 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 DANH MỤC HÌNHẢNH Hình 1.1 Sụt áp pha sụt áp ba pha 15 Hình 1.2 Cấu trúc DVR 17 Hình 2.1 DVR với nguồn bổ sung điện áp chiều khơng đổi 18 Hình 2.2 DVR với nguồn bổ sung điện áp chiều thay đổi .19 Hình 2.3 DVR khơng sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía nguồn 19 Hình 2.4 DVR khơng sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía tải 20 Hình 2.5 Cấu trúc biến đổi nửa cầu kết nối MBA kiểu sao/sao hở .23 Hình 2.6 Cấu trúc biến đổi cầu ba pha kết nối MBA kiểu tam giác/sao hở 23 Hình 2.7 Các cấu trúc biến đổi kết nối trực tiếp pha 24 Hình 2.8 Cấu trúc biến đổi kết nối trực tiếp hệ thống ba pha 24 Hình 2.9 Mạch nghịch lưu cầu pha 26 Hình 2.10 Tín hiệu điều khiển van điện áp pha .26 Hình 2.11 Điện áp dây điện áp pha 27 Hình 2.12 Nguyên tắc tạo xung thuật toán điều chế SPWM 27 Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc DVR kết nối lưới phân phối 29 Hin ̀ h 2.14 Ba phương pháp tính điện áp bù DVR .29 Hình 2.15 Phép biến đổi Clark 31 Hình 2.16 Phép biến đổi Park 32 Hình 2.17 Điện áp hệ tọa độ ba pha ABC (Hình a) hệ tọa độ dq (Hình b) cố ba pha .33 Hình 2.18 Điện áp hệ tọa độ ba pha ABC (Hình a) hệ tọa độ dq (Hình b) cố pha A 34 Hình 2.19 Mơ hình vịng khóa pha PLL 35 Hình 2.20 Cấu trúc vịng khóa pha thực hệ tọa độ dq 35 Hình 2.21 Giản đồ vectơ điện áp tọa độ αβ dq 36 Hình 3.1 Tụ điện kết nối phía nguồn 38 Hình 3.2 Tụ điện kết nối phía nguồn tải .39 Hình 3.3 Cấu trúc lọc có tụ điện kết nối song song với biến đổi 39 Hình 3.4 Cấu trúc lọc LC phía biến đổi 40 Hình 3.5 Cấu trúc lọc RC phía nguồn 40 Hình 3.6 Mạch điện pha tương đương hệ thống 40 Hình 3.7 Mạch điện pha tương đương không tải 42 Hình 3.8 Mạch điện pha tương đương có tải 43 Hình 4.1 Sơ đồ mơ 45 Hình 4.2 Sơ đồ mơ thiết bị DVR 46 Hình 4.3 Thơng số lưu trữ lượng .47 Hình 4.4 Mạch nghịch lưu cầu ba pha 47 Hình 4.5 Sơ đồ thơng số mạch điều chế xung SPWM 48 Hình 4.6 Thơng số mạch lọc thơng số thấp LC 49 Hình 4.7 Thơng số máy biến áp ghép 49 Hình 4.8 Khối biến đổi điện áp từ hệ tọa độ abc sang dq0 .50 Hình 4.9 Khối biến đổi điện áp từ hệ hệ tọa độ dq0 sang abc 50 Hình 4.10 Mơ hình khối PLL 51 Hình 4.11 Bộ điều khiển PI DVR .51 Hình 4.12 Điện áp ba pha nguồn 51 Hình 4.13 Điện áp ba pha tải 52 Hình 4.14 Hệ số méo tổng THD (%) 52 Hình 4.15 Điện áp ba pha nguồn 53 Hình 4.16 Điện áp ba pha tải 53 Hình 4.17 Điện áp bơm vào lưới DVR .53 Hình 4.18 Hệ số méo tổng THD (1,02%) 54 Hình 4.19 Điện áp ba pha nguồn 54 Hình 4.20 Điện áp ba pha tải 54 Hình 4.21 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .55 Hình 4.22 Hệ số méo tổng THD (1,04%) 55 Hình 4.23 Điện áp ba pha nguồn 55 Hình 4.24 Điện áp ba pha tải 56 Hình 4.25 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .56 Hình 4.26 Hệ số méo tổng THD (%) 56 Hình 4.27 Điện áp ba pha nguồn .57 Hình 4.28 Điện áp ba pha tải 57 Hình 4.29 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .57 Hình 4.30 Hệ số méo tổng THD (%) 58 Hình 4.31 Điện áp ba pha nguồn 58 Hình 4.32 Điện áp ba pha tải 59 Hình 4.33 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .59 Hình 4.34 Hệ số méo tổng THD (%) 59 Hình 4.35 Thông số lọc LC 60 Hình 4.36 Điện áp ba pha tải 60 Hình 4.37 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .61 Hình 3.38 Hệ số méo tổng THD (%) 61 Hình 4.39 Thơng số lọc LC 62 Hình 4.40 Điện áp ba pha tải 62 Hình 4.41 Hệ số méo tổng THD (%) 62 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt Viết tắt cho DVR Dynamic Voltage Restorer Thiết bị khôi phục điện áp động VSC Voltage Source Converter Bộ nghịch lưu nguồn áp THD Total Harmonic Distortion Hệ số méo tổng PWM Pulse Width Modullation Điều chế độ rộng xung PLL Phase Locked Loop Bộ khóa pha MBA Máy biến áp Ký hiệu Ý nghĩa Upre-dip Giá trị điện áp nguồn trước xảy sụt áp Udip Giá trị điện áp nguồn xảy sụt áp Φdip Góc nhảy pha điện áp θLoad Góc pha tải Psupply Công suất nguồn PDVR Công suất bơm vào DVR UDVR Điện áp bơm vào DVR θSupply Góc pha nguồn θPLL Góc pha khối PLL CDC Tụ điện phía chiều UDC Điện áp tụ THD: Là đại lượng thể mức độ biến dạng dòng điện hay điện áp Theo tiêu chuẩn IEEE 519-1992 cấp điện áp 69kV giá trị THD (%) khơng vượt q 5% Hình 4.10 Mơ hình khối PLL Bộ điều khiển sử dụng điều khiển PI có thơng số sau: Hình 4.11 Bộ điều khiển PI DVR 4.3 Kết mơ chưa lắp DVR Hình 4.12 Điện áp ba pha nguồn 51 Hình 4.13 Điện áp ba pha tải Hình 4.14 Hệ số méo tổng THD (16,81%) Nhận xét :Khi chưa lắp DVR, có xảy ngắn mạch pha hệ thống điện áp tải bị sụt giảm 45% so với định mức, THD = 16,81% > 5% (tiêu chuẩn IEEE) 52 4.4 Kết mô phỏngkhi có lắp DVR hệ thống 4.4.1 Ngắn mạch ba pha chạm đất điện áp ba pha sụt giảm đến 45% giá trị danh định Hình 4.15 Điện áp ba pha nguồn Hình 4.16 Điện áp ba pha tải Hình 4.17 Điện áp bơm vào lưới DVR 53 Hình 4.18 Hệ số méo tổng THD (1,02%) 4.4.2 Ngắn mạch hai pha A,B chạm đất gây sụt giảm đến 45% điện áp danh định Hình 4.19 Điện áp ba pha nguồn Hình 4.20 Điện áp ba phacủa tải 54 Hình 4.21 Điện áp bơm vào lưới điện DVR Hình 4.22 Hệ số méo tổng THD (1,04%) 4.4.3 Ngắn mạch hai pha A với B gây sụt giảm đến 40% điện áp danh định Hình 4.23 Điện áp ba pha nguồn 55 Hình 4.24 Điện áp ba pha tải Hình 4.25 Điện áp bơm vào lưới điện DVR Hình 4.26 Hệ số méo tổng THD (1.07%) 56 4.4.4 Ngắn mạch chạm đất pha A gây sụt giảm 40% điện áp danh định Hình 4.27 Điện áp ba pha nguồn Hình 4.28 Điện áp ba pha tải Hình 4.29 Điện áp bơm vào lưới điện DVR 57 Hình 4.30 Hệ số méo tổng THD (0,90%)  Nhận xét Với trường hợp cố ngắn mạch trên, điện áp nguồn vừa bị sụt giảm biên độ lại vừa bị nhảy pha Tuy vậy, điện áp ba pha tải đối xứng giữ ổn định suốt thời gian cố Điều cho thấy hiệu làm việc cao DVR chống sụt giảm điện áp ngắn hạn gây cố ngắn mạch hệ thống điện 4.4.5 Khi điện áp nguồn thay đổi Để xét hoạt động DVR điện áp nguồn thay đổi ta cho điện áp nguồn thay đổi bảng sau : Thời gian Giá trị điện áp 0÷0,1 0,1÷0,15 0,15÷0,2 0,2÷0,3 0,8 1,2 Kết mơ sau : Hình 4.31 Điện áp ba pha nguồn 58 Hình 4.32 Điện áp ba pha tải Hình 4.33 Điện áp bơm vào lưới điện DVR Hình 4.34 Hệ số méo tổng THD (0.92%) 59  Nhận xét Với trường hợp điện áp nguồn thay đổi, điện áp nguồn bị dao động biên độ độ lớn Tuy vậy, điện áp ba pha tải đối xứng giữ ổn định suốt thời gian dao động điện áp nguồn Từ ta thấy hiệu làm việc chống sụt giảm điện áp thiết bị DVR không trường hợp ngắn mạch hệ thống điện mà trường hợp có dao động điện áp nguồn lưới điện 4.5 Đánh giá ảnh hưởng lọc LC tới hiệu làm việc DVR Để xem xét ảnh hưởng lọc LC tới hiệu làm việc DVR ta sét trường hợp :  Thay đổi giá trị C giữ nguyên giá trị L Ta thay đổi giá trịC≥1,6.10−6 Fnhư hình 4.35 với cố ngắn mạch pha A gây sụt giảm điện áp tới 40% điện áp danh định Hình 4.35 Thông số lọc LC Các kết mơ thu sau: Hình 4.36 Điện áp ba pha tải 60 Hình 4.37 Điện áp bơm vào lưới điện DVR Hình 3.38 Hệ số méo tổng THD (0.93%) Nhận xét: Từ kết thu trên, ta thấy, việc giữ nguyên giá trị cuộn cảm L tăng giá trị tụ điện C lọc làm cho hệ số méo tổng tăng (0,93%)  Thay đổi giá trị L giữ nguyên giá trị C Ta thay đổi giá trịL≤ 0.015Hvà giữ nguyên giá trị C hình 4.39 với cố ngắn mạch pha A gây sụt giảm điện áp tới 40% điện áp danh định 61 Hình 4.39 Thơng số lọc LC Các kết mơ thu sau: Hình 4.40 Điện áp ba pha tải Hình 4.41 Hệ số méo tổng THD (0.83%) 62 Nhận xét: Từ kết thu trên, ta thấy, việc giảm giá trị cuộn cảm L giữ nguyên giá trị tụ điện C lọc làm cho điện áp tải, điện áp bơm vào DVR bị méo nhiều (độ khơng sin) Cùng với đó, biên độ điện áp tải (pha A) bị sụt giảm hệ số méo tổng tăng cao ( 0,83% vượt giá trị thu mô với giá trị L=1,5e-2 (H)) 4.6 Kết luận Các trường hợp cố ngắn mạch không đối xứng trên, biên độ điện áp bị sụt giảm, điện áp bị nhảy pha, mà điện áp ba pha nguồn khơng cịn đối xứng, xuất thành phần thứ tự nghịch thứ tự không chạy hệ thống Điện áp cần bù thay đổi theo pha yêu cầu điều khiển phải tính tốn xác điện áp cần bù pha Các kết mô cho thấy điều khiển DVR đáp ứng yêu cầu Điện áp ba pha tải DVR đưa trở lại thành đối xứng mà mặt biên độ mà góc pha điện áp phục hồi Bằng cách thay đổi thông số lọc để đánh giá hiệu làm việc DVR Với kết thu được, ta khẳng định thơng số cài đặt cho DVR mà tác giả đưa giúp nâng cao hiệu làm việc DVR lưới phân phối hạ áp 63 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn đề xuất phương pháp tính tốn thơng số lọc thiết bị DVR nhằm nâng cao hiệu ngăn chặn sụt giảm điện áp ngắn hạn hệ thống điện Các kết mơ chứng tỏ tính đắn phương phápđược đề xuất việc ngăn ngừa ảnh hưởng sụt giảm điện áp ngắn hạn điện áp tải Các dạng sụt giảm điện áp xảy ra, điện áp tải giữ ổn định biên độ góc pha Với thời gian tác động nhỏ, kĩ thuật phát tính tốn sụt giảm điện áp sử dụng biến đổi Clark Park có khả phát gần tức thời dạng sụt giảm điện áp đối xứng không đối xứng xảy hệ thống Đồng thời tính tốn nhanh chóng, xác mức độ điện áp cần bù pha theo thuật toán tối ưu chất lượng điện áp Kết hợp với điều khiển hồi tiếp điện áp đảm bảo chất lượng điện áp lý tưởng tải kể tình cố sụt giảm điện áp ngắn hạn nặng nề Điện áp tải điện áp đầu DVR ln dạng hình sin với số THD nhỏ cho thấy hiệu làm việc cấu hình mạch nghịch lưu cầu ba pha sử dụng thuật toán điều chếPWM kết hợp với mạch lọc LC Các kết nghiên cứu luận văn khẳng định DVR thiết bị tốt để bảo vệ cho phụ tải nhạy cảm trước tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn hệ thống điện 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Trần Duy Trinh (2014) Nghiên cứu điều khiển khôi phục điện áp động (DVR) để bù lõm điện áp cho phụ tải quan trọng xí nghiệp công nghiệp Luận án tiến sĩ điều khiển tự động hóa- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [2] Phạm Quốc Hải (2009) Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất.NXB Khoa học kĩ thuật [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2004) Điện tử công suất.NXB Khoa học kĩ thuật [5] Nguyễn Phùng Quang (2007) MATLAB &Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động.NXB Khoa học kĩ thuật Tài liệu nước [6] M.V.Kasuni Perera (2007) Control of a Dynamic Voltage Restorer to compensate single phase voltage sags Master of Science Thesis, Stockholm, Sweden [7] John Godsk Nielsen (2004) Design and Control of a Dynamic Voltage Restorer Aalborg University, Denmark Institute of Energy Technology Marts [8] Michael H Bierhoff and Friedrich Wilhelm Fuchs (2009) Active Damping for Three-Phase PWM Rectifiers With High-Order Line-Side Filters IEEE Transactions on industrial electronics, vol.56, no.2, February 2009 [9]Hyosung Kim and Seung-Ki Sul (2011) A Novel Filter Design for Output LC Filters of PWM Inverters, Applied Mechanics & Materials 65 ... cho chi phí lọc lớn[8]: Phương án lựa chọn dùng lọc dải thông- bộ lọc thơng thấp Với loại lọc ta lựa chọn lọc thông thấp LC, lọc RC, lọc tụ C…Ta chọn thiết kế lọc LC 40  Ưu điểm lọc LC - Bộ lọc. .. 2.1.3 chương 2, lọc có tác dụng lọc bỏ sóng hài thiết bị điện tử cơng suất gây ra, làm cho điện áp đầu thiết bị DVR điện áp tải dạng hình sin với trị số THD nhỏ Hiệu lọc điện áp đầu biến đổi... vệ.Thơng số máy biến áp hình 4.7 Hình 4.7 Thông số máy biến áp ghép 4.2.5 Bộ điều khiển điện áp Bộ điều khiển điện áp vượt trướcđược chọn để điều khiển điện ápbù bao gồm khối biến đổi điện áp từ