Hiện nay các phương pháp điều chế độ rộng xung PWM đối với bộ biến đổi ba pha bao gồm cả điều khiển dòng và áp bên xoay chiều. Do đó phân ra làm hai
46
cấu trúc điều khiển PWM là kiểu điều khiển điện áp PWM vòng hở và điều khiển dòng điện PWM vòng kín. 3.2.1.1. Điều khiển điện áp PWM vòng hở usc Udc Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển điện áp PWM vòng hở
Trong thuật toán điều khiển điện áp PWM vòng hở lại được chia ra làm nhiều phương pháp như :
• PWM kiểu sóng mang (Carrier-based PWM) gồm : điều chế với tín hiệu chuẩn dạng sin (Sinusoidal PWM) và điều chế kiểu thêm thành phần bậc không (CB-PWM with zero sequence signal).
• Phương pháp điều chế véctơ không gian (Space vector modulation) gồm kiểu véctơ không đối xứng SVPWM (Symmetrical placement of zero vectors); kiểu xung điều chế gián đọan DPWM (Discontinuous puls width modulation) hay chính là kiểu SVM hai pha (two-phase SVM). Và kiểu điều chế thích nghi véctơ không gian ASVM (Adaptive space vector modulation).
• PWM kiểu ngẫu nhiên (Random PWM).
Ta có thể tổng kết các phương pháp điều khiển điện áp PWM vòng hở bằng sơ đồ
47
Hình 3.4. Các phương pháp điều khiển điện áp PWM 3.2.1.2. Điều khiển dòng điện PWM vòng kín
Hầu hết các ứng dụng của bộ biến đổi PWM nguồn áp ba pha như: truyền
động động cơ, bộ lọc tích cực, bộ biến đổi AC/DC có hệ số công suất cao, nguồn cấp liên tục UPS, nguồn cấp xoay chiều,…đều có cấu trúc bao gồm một vòng phản hồi dòng điện bên trong. Do đó chất lượng của bộ biến đổi phụ thuộc vào thuật toán
điều khiển dòng. So với bộ biến đổi dùng phương pháp điều khiển điện áp PWM vòng hở thì bộ biến đổi dùng phương pháp điều khiển dòng PWM (CC-PWM) có những ưu điểm sau : • Điều khiển chính xác dòng điện tức thời. • Bảo vệ quá dòng điện. • Loại bỏ hiện tượng quá tải. • Có đặc tính quá độ với chất lượng tốt.
• Bù ảnh hưởng do thông số tải thay đổi (điện trở, điện kháng).
• Bù sụt áp trên van bán dẫn và thời gian trễ của bộ biến đổi.
• Bù thay đổi của điện áp phía xoay chiều và điện áp trên đường nối một chiều.
Cấu trúc điều khiển của bộ biến đổi theo phương pháp điều khiển dòng như
48
Nhiệm vụ chính của bộđiều khiển trong phương pháp điều khiển dòng là giữ
cho dòng xoay chiều ba pha bám theo tín hiệu dòng đặt. Thực hiện điều này bằng cách so sánh dòng điều khiển (iAc, iBc, iCc) và giá trị dòng đo tức thời (iA, iB, iC). Bộ điều khiển dòng tạo ra trạng thái chuyển mạch (SA, SB, SC) cho bộ biến đổi để làm giảm sai lệch dòng (ε ,ε , ε ). Do vậy bộ điều khiển dòng thực hiện hai nhiệm vụ
là bù sai lệch dòng (làm giảm ε ,ε , ε ) và điều biên (xác định trạng thái chuyển mạch SA, SB, SC).
Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển dòng điện PWM vòng kín
Phương pháp điều khiển dòng có thể được phân loại bằng nhiều cách, ở đây ta phân ra làm hai loại là : loại có bộđiều khiển kiểu on-off và loại có bộđiều khiển có khối PWM kiểu vòng hở. Ta có sơđồ như sau :
49
Hình 3.6. Các phương pháp điều khiển dòng PWM
Khác với bộ điều khiển on-off thì bộ điều khiển với khối PWM vòng hở có sự phân biệt rõ ràng giữa phần bù sai lệch dòng và phần điều biên điện áp. Do vậy nó cho phép khai thác được những ưu điểm của phương pháp điều biên vòng hở
(SPWM, SVM, optimal PWM) là : có tần số chuyển mạch là hằng số, cho sóng hài thấp, tối ưu hóa trạng thái chuyển mạch, sử dụng tối đa được đường nối một chiều.
vc SA SB SC ic i ε - + SA SB SC ic i ε - +
50
3.2.2. Bộ điều khiển dòng kiểu trễ (Hysteresis PWM current control)
Điều khiển dòng kiểu trễ là một kỹ thuật của PWM, nó thực hiện rất đơn giản. Việc chuyển mạch được xác định bởi ba bộ điều khiển trễ cho mỗi pha. Phương pháp này cũng được gọi là phương pháp điều khiển kiểu bang - bang và
được thực hiện riêng rẽ trong mỗi pha. Mỗi bộ điều khiển xác định trạng thái chuyển mạch của một nửa cầu tương ứng với dòng được duy trì trong dải trễ Äi.
Hình 3.8. Nguyên lý của bộđiều khiển dòng kiểu trễ
Để tăng dòng của một pha, điện áp pha so với trung tính bằng nửa điện áp của đường dẫn một chiều cho tới khi vượt quá giới hạn trên. Sau đó điện áp - Udc/2 cấp cho tới khi chạm giới hạn dưới.Điện áp trên điện cảm cho biết tần số chuyển mạch và tần số này có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng của dải trễ. Điện cảm
đầu vào càng nhỏ thì dòng điện sai khác càng lớn, dẫn đến tăng độ dốc của răng cưa.
Ưu điểm của bộ điều khiển kiểu điều khiển dòng kiểu trễ là :
• Thực hiện đơn giản.
• Tốc độ dòng đáp ứng nhanh.
• Cho độ chính xác cao và không cần điều kiện ổn định cho hệ thống.
51
Những nhược điểm chính :
• Không có tần số PWM xác định : nó tạo ra sóng hài bậc thấp một cách ngẫu nhiên.
• Không giới hạn một cách chặt chẽ dòng điện sự cố.
• Không có sự tương tác giữa các pha : do đó không có cách để tạo ra phaso
điện áp không.
• Tăng tần số chuyển mạch (tăng tổn thất).
• Làm chậm pha của dòng điện cơ bản (hiện tượng này tăng khi tần số tăng).
• Có thể phải thêm mạch giới hạn tần số chuyển mạch.
Ứng dụng: thường dùng khi hoạt động với tần số chuyển mạch cao (điều này bù cho chất lượng thấp của điều biến). Tổn thất chuyển mạch hạn chế ứng dụng của nó
đối với mức công suất thấp.
3.3. Xây dựng và thiết kế bộ bùáp nhanh (DVR)
3.3.1. Cấu trúc hệ thống DVR
52
DVR là thiết bị bù theo kiểu nối tiếp, nó tương tác với mạch thông qua một máy biến áp. DVR ổn định lưới điện bằng cách bắn vào lưới điện áp bù VrDVR
. Tuỳ
vào yêu cầu của phụ tải hay chất lượng lưới điện ta có thể có các phương án khác nhau cho VrDVR
.
DVR sử dụng một phần năng lượng điện để bù năng lượng cho lưới khi cần thiết. Vecto điện áp VrDVR
có thể bù biên độ hoặc bù cả pha và biên độ cho điện áp của lưới.
DVR hoạt động độc lập với các lỗi và sự kiện xảy ra trong hệ thống trong điều kiện là toàn bộ hệ thống vẫn kết nối với lưới điện cung cấp, các bộ ngắt dòng không tác
động.Đối với phần lớn các trường hợp thực tế, một thiết bị kinh tế hơn có thể đạt
được bởi bù tích cực hay tiêu cực của các thành phần nhiễu điện áp của chuỗi được thấy tại đầu vào của DVR.Tùy chọn là hợp lý bởi cấu trúc mạng phân phối điển hình, thành phần nhiễu không qua được máy biến áp giảm áp bởi trong trường hợp này điện trở kháng rất lớn.
Hai tính năng cụ thể giải quyết vấn đề sụt áp đã được thực hiện trong thiết kế, đó là một máy biến áp với một trở kháng thấp, và các thiết bị bán dẫn được sử dụng để
chuyển mạch.
• Khối dự trữ năng lượng :
Năng lượng cần để bù lại cho điện áp của tải trong suốtquá trình sụt điện áp có thểđược lấy từ nguồn hiện có như Pin hoặc từ dòng bù nối tiếp thông qua một bộ
chỉnh lưu và một tụđiện
• Mạch biến đổi điện :
Từ khi ảnh hưởng của sự sụt điện áp càng ngày càng lớn (hầu hết ở trên một pha riêng biệt), VSC được sử dụng để bảo vệ và hoạt động với một công tác không
đối xứng tức là nó sẽ bù lên mỗi pha một cách riêng biệt. Hơn nữa,khi có sự sụt
53
khả năng vừa khắc phục được sự sụt điện áp lẫn sự tăng quá biên độ. Và DVR là bộ
biến đổi có khả năng đó
• Khối lọc :
Đặc tính phi tuyến của các thiết bị bán dẫn đó là làm méo sóng cùng với sự xuất hiện của cácthành phần điều hoà bậc cao ởđầu ra của bộ biến đổi.Để khắc phục các vấn đề này và cung cấp một nguồn điện chất lượng,một khối biến đổi điều hoà sẽ được sử dụng. Nó có thể khắc phục được hiện tượng rơi điện áp và sự chuyển pha trong thành phần đầu ra của bộ biến đổi, và nó có thể tính toán được để phục hồi tổn thất điện áp.
• Hệ thống máy biến áp:
Biến áp 3 pha đưa vào được sử dụng để đưa phần điện áp thiếu hụt vào lưới
điện để bù lại tổn thất tại đường truyền tải. Để tích hợp đúng vào DVR, điện áp và dòng điện định mức ở cuộn sơ cấp phải tỉ lệ nghịch với các giá trị trở kháng ngắn mạch của máy biến áp yêu cầu.Sự tồn tại của biến áp cho phép ta thiết kế DVR ở điện áp thấp, tuỳ thuộc vào hệ số ta chọn.
• Điều khiển và mạch phụ thêm :
Khoá chuyển mạch, cầu dao, rơle bảo vệ hay các thiết bịđo là các phần phụ
thêm trong khối DVR, được đưa vào để nhằm điều khiển cho DVR.
3.3.2. Hệ thống điều khiển điện áp của DVR
Bộ điều khiển điện áp được kết nối nối tiếp với tải được bảo vệ như trong
hình 3.10.Điện áp tại tải bằng với tổng điện áp lưới điện và điện áp cung cấp của hệ
thống DVR.Bộ chuyển đổi điện năng tạo ra công suất phản kháng cần thiết, đồng thời công suất tác dụng được tạo ra từ bộ dự trữ năng lượng.
Bộ dự trữ năng lượng có thể khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu bù điện áp của bộ DVR.DVR thường có những hạn chế về độ sụt và thời gian của sụt điện áp lưới những thành phần có thểđược bù.
54
Hình 3.10. Cấu trúc cơ bản của hệ thống DVR
Hình 3.11. Cấu trúc hoạt động của hệ thống DVR
Mạch bên trái của DVR là mạch tương đương theo định luật Thevenin của hệ
thống. Trở kháng Zth của hệ thống phụ thuộc vào mức độ lỗi tại tải. Khi điện áp hệ
thống Vth sụt xuống thì DVR sẽ cung cấp 1 điện áp VDVR thông qua các máy biến áp kết nối giúp cho điện áp tại tải VL có thể được duy trì và ổn định. Điện áp cung cấp của DVR được tính theo công thức :
DVR L th L th
V = V + Z I − V Trong đó : - VL là giá trịđiện áp tại tải
55 - IL là dòng điện qua tải - Vth là điện áp hệ thống khi xảy ra sự cố Dòng điện tải được tính theo: ( L L) L L P j Q I V + ∗ ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⇒ VDVR∠ = ∠α V 0+Z IL th L∠(β θ− )− ∠Vth δ
Trong đó α β, and δ là góc của DVR, Zth và Vth, tương ứng với θ là hệ số
công suất :θ= tan ( QL/PL−1 ).Công suất của DVR có thể tính theo:SDVR = VDVR LI Vấn đề được đề cập ởđây là khi điện áp cung cấp VDVR vuông góc với với IL, công suất tác dụng được cung cấp bởi DVR phải đúng với điện áp. Hệ thống đòi hỏi chỉ cung cấp công suất phản kháng và DVR có khả năng tạo ra công suất phản kháng. Lưu ý rằng DVR có thể được giữ vuông góc với IL tăng tới một giá trị nhất
định của điện áp sụt và xa hơn mối quan hệ vuông góc không thể được duy trì để
sửa điện áp sụt. Đối với trường hợp này, công suất tác dụng được cung cấp vào hệ
thống là điều cần thiết.Công suất tác dụng phải được cung cấp bởi hệ thống lưu trữ
năng lượng DVR.
3.3.3. Ứng dụng điều khiển PWM vào bộ bù áp nhanh DVR
Mục đích của phương pháp này là duy trì giá trịđiện áp liên tục tại điểm mà tải nhạy cảm được kết nối, theo sự cố hệ thống. Hệ thống điều khiển chỉ là biện pháp điện áp rms tại điểm tải, tức là, không yêu cầu tính toán công suất phản kháng.Hệ thống chuyển đổi VSC được dựa trên công nghệ PWM hình sin, một hệ
thống vừa cung cấp đơn giản lại đáp ứng tốt.PWM cung cấp một tùy chọn linh hoạt hơn so với hệ thống biến đổi tần số cơ bản (FFS) một phương pháp ưa chuộng trong các ứng dụng FACTS.Bên cạnh đó, biến đổi tần số cao có thể được sử dụng để cải thiện hiệu quả chuyển đổi mà không gánh chịu thiệt hại đáng kể.
56
Các đầu vào bộ điều khiển là một tín hiệu báo lỗi thu được từ điện áp tham chiếu và giá trị rms của điện áp ở cực cần đo. Sự cố như vậy được xử lý bằng bộ điều khiển PI mà đầu ra là các góc δ , cung cấp đến bộ phát tín hiệu PWM. Điều quan trọng cần lưu ý trong trường hợp này, gián tiếp điều khiển bộ biến đổi, có công suất phản kháng và công suất tác dụng trao đổi với hệ thống cùng lúc: tín hiệu báo lỗi được thu bằng cách so sánh điện áp tham chiếu với điện áp rms đo tại điểm tải. Quá trình điều khiển PI các sự cố tín hiệu tạo ra góc cần thiết để điều khiển sự
cố về không, tức là điện áp tải rms được đưa trở lại điện áp tham chiếu.
Hình 3.12. Cấu trúc cơ bản điều khiển DVR
Trong đó:
VS : điện áp nguồn
Vabc : điện áp ba pha của lưới trung thế
Vref : giá trịđiện áp đặt (=1p.u)
57
δ : góc phục vụ bộ PWM
* Vcontrolgồm 3 tín hiệu điều khiển hìnhsin được tính theo công thức :
( ) = s 2 - 3 2 = s 3 R Y B V in t V sin t V in t ω δ π ω δ π ω δ ⎧ ⎪ + ⎪ ⎪ ⎛ ⎞ = + ⎨ ⎜⎝ ⎟⎠ ⎪ ⎪ ⎛ ⎞ + + ⎪ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎩ (3.3) * Cấu trúc bộđiều khiển PI : ( ) i p K PI s K s = + * Cấu trúc bộ biến đổi: 2 2 V +Vα β Hình 3.13.Cấu trúc bộ biến đổi
58
Hình 3.14.Điện áp trên đường dây truyền tải
Ta có công thức chuyển đổi
1 12 12
0 √23 √23 (3.4)
3.3.4. Tính toán và lựa chọn cấu hình DVR
3.3.4.1. Giả thiết tham số hệ thống truyền tải
- Máy phát 13kV, 50Hz, công suất định mức100MVA, cung cấp cho 2 đường dây truyền tải thông qua 1 máy biến áp 3 cuộn dây loại Y/ /∆ ∆, 13kV/115kV/115kV. Đường dây truyền tải như vậy trên 200km là nguồn cấp cho 2 mạng lưới phân phối thông qua 2 máy biến áp loại ∆/Y, 115kV/11kV.
- Để khảo sát khả năng làm việc của DVR sử dụng để tránh sụt điện áp trong thời gian ngắn mạch, một lỗi sự cố ngắn mạch chạm đất được đặt tại vị trí cách nguồn phát 200km như hình 3.15 thông qua 1 điện trở 0,4Ω, trong khoảng thời gian 200ms. Công suất biểu kiến của thiết bị dự trữ là 650V.
59
3.3.4.2. Tính toán thông số máy biến áp [PL1] 3.3.4.3. Tính toánắc quy [PL2] 3.3.4.3. Tính toánắc quy [PL2]
Chọn : - dung lượng tụđiện của ắc qui : Cstore= 608,17.103(F) - điện trở trong của ắc qui :R1=0,1Ω
- điện trở trong của ắc qui :R2 =10000Ω
Hình 3.16.Sơđồắc quy 3.3.4.4. Chọn van bán dẫn và cấu trúc driver [PL3]
Từ tính toán thông số máy biến áp, ta chọn van bán dẫn IGBT 1MBI3600U4D-170 (3600A/1700V). Thông số của IGBT theo Phụ lục.
60
61
Chương 4: MÔ PHỎNG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP VỚI DVR 4.1. Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink/Simpower
Matlab là phần mềm phục vụ thiết kế mô phỏng quen thuộc đối với kỹ sư điều khiển - tựđộng hoá.Phần mềm cung cấp môi trường cần thiết cho mô phỏng hệ
thống bao gồm tập hợp các công cụ tính toán, đồ hoạ 2D, 3D.Đây cũng là phần mềm có thể lập trình được, đặc điểm này làm cho môi trường Matlab ngày càng trở
nên phong phú.
Simulink là phần mềm hoạt động trong môi trường Matlab, chuyên dùng cho việc mô hình hoá, mô phỏng và phân tích hệ thống.Có thể sử dụng công cụ này cho việc mô phỏng tuyến tính, phi tuyến… trong miền liên tục hay gián đoạn.
Simpower là một toolbox làm việc tương thích với môi trường simulink trong matlab. Toolbox này cho cung cấp cho người sử dụng thư viện vềđiện tử công suất