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 và hệ truyền động rất phong phú, dễ dàng mô hình vật lý đối tượng sau đó áp dụng thuật toán đã được xây dựng đểđiều khiển mô hình này. Điều này cho phép việc mô hình hoá gần với thực tế.Bộđiều khiển của hệ thống DVR được mô phỏng bằng phần mềm matlab/Simulink/Simpower.
Các phần tử có sẵn trong thư viện của Matlab :
- Điện trở, tụ điện, cuộn dây, MBA, các cặp cuộn dây, cáp, đường truyền, nguồn dòng, áp, các thiết bị đóng cắt, rơle, các thiết bị bảo vệ, diode, thyristor, IGBT, các hàm điều khiển số, tương tự, máy điện 1 chiều, xoay chiều, các thiết bị đo, hiển thị, các thiết bị của FACTS : HVDC, SVC …..
4.2. Cấu trúc mô phỏng
Với các thông số tính toán nhưở phần thông sốcụ thểở chương trước, ta thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink cho hệ thống DVR trong trường hợp sự
cố ngắn mạch chạm đất.
62
63
4.2.2. Khái quát các khối trong mô hình mô phỏng
4.2.2.1. Khối nguồn
Hình 4.2. Cấu trúc khâu nguồn
Mô hình của khối nguồn bao gồm :
+ Máy phát điện đồng bộ có dung lượng 100MVA, điện áp đầu cực là 13kV và tần số máy phát là 50Hz.
+ Do ở đâykhông đi sâu vào điều khiển máy phát điện nên ta không xét nhiều tới hệ thống điều tốc tuabin và hệ thống kích từ.Do đó ta chỉ đặt các thông số cố định cho máy phát hoặc coi thay đổi là tức thời mà không xét đến hằng số thời gian của tuabin. Trong mô hình ta cũng không xét đến hệ thống ổn định công suất điện áp PSS (Power system stabilizer) cho lưới điện.Giá trị của Pm và E được giữ cốđịnh đối với máy phát.
+ Điện áp đầu cực của máy phát là 13KV được đưa tới một biến áp để nâng điện áp lên 115KV truyền tải đi đến các hộ tiêu thụ điện. Hộ tiêu thụ cách xa nhà máy là
64
200km .Cuối đường dây có một máy biến áp hạ điện áp từ 115 KV xuống còn 11KV cung cấp cho các phụ tải nơi đây.
+ Máy biến áp tăng áp được mắc theo kiểuY /∆ ∆/ , 13kV/115kV, công suất 250MVA.
+ Máy biến áp hạ áp được mắc theo kiểu ∆/Y , 115kV/11kV, công suất 250MVA.
4.2.2.2. Khối DVR
Hình 4.3. Cấu trúc khối DVR
Hình 4.3 là cấu trúc bên trong của khối DVR gồm mạch cầu ba pha IGBT/Diode. Phía một chiều là ắcquy .Ắcquy được nối với tụ một chiều C1 đểổn định điện áp.Xung điều khiển đóng mở các van IGBT được đưa vào đầu Pulse.
65
4.2.2.3. Khối điều khiển phát xung cho DVR
Hiện nay các phương pháp điều chế độ rộng xung PWM đối với bộ biến đổi ba pha bao gồm cảđiều khiển dòng và áp bên xoay chiều. Do đó phân ra làm hai cấu trúc điều khiển PWM là kiểu điều khiển điện áp PWM vòng hở và điều khiển dòng điện PWM vòng kín.Ởđây, ta dùng bộđiều khiển điện áp PWM vòng hở.
66
a) Khâu chuyển hệ tọa độ abc→αβ và tính toán độ lớn
Hình 4.5. Cấu trúc khâu tính toán độ lớn điện áp Xuất phát từ công thức: 1 12 12 0 √23 √23 (4.1) ta có:
67
Hình 4.6. Khâu chuyển hệ tọa độ abc
b) Khâu đồng pha
* 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 ⎧ ⎪ + ⎪ ⎪ ⎛ ⎞ = + ⎨ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎪ ⎪ ⎛ ⎞ + + ⎪ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎩ (4.2)
68
69
c) Khối điều khiển PI
Hình 4.8. Khối điều khiển PI
Bộđiều khiển PI ở đây là bộđiều khiển số
1 1 (z) = 1 P I R K K z G z − − + + (4.3)
70
d) Khối tạo xung
Hình 4.9. Khối tạo xung cho mạch cầu IGBT
71
e) Khâu dò sự cố trên đường dây truyền tải
Hình 4.10. Khối phát hiện sự cố trên đường dây truyền tải
f) Khâu xác định biên độ điện áp từng pha
72
4.2.2.4. Khối máy biến áp
Hình 4.12. Khối máy biến áp 4.2.2.5. Khối tải
73
4.3. Kết quả mô phỏng với sự cố sụt điện áp cả 3 pha
4.3.1. Khi lưới điện trung áp chưa có hệ thống DVR
Bước 1: Lập các giá trị ban đầu và khai báo tham số hệ thống bằng cách gọi: >>Parasys
Bước 2: Khởi động mô phỏng mô hình: DVR_Sag_Model Bước 3: Xem các đáp ứng bằng cách gọi:
>> Plot
Xét sự cố ngắn mạch 3 pha thông qua 1 điện trở là 0,4ohm trong khoảng thời gian từ 400-600 (ms), từ kết quả mô phỏng ta thấy, giá trị điện áp tại tải sụt 35 - 40% so với điện áp nguồn cung cấp như trong hình dưới. Tổng thời gian mô phỏng là1s.
74
Điện áp sụt 35-40% xảy ra tại thời điểm 400ms và kéo dài đến 600ms, tổng thời gian xảy ra sụt áp là 0,2s. Hiện tượng sụt áp xảy ra trên cả 3 pha.
75
Hình 4.16. Đồ thị điện áp, dòng điện của nguồn và tải trong sự cố sụt áp ba pha
Khi hiện tượng ngắn mạch 3 pha xảy ra sẽ ảnh hưởng tới điện áp và dòng điện trên cả lưới điện
76
4.3.2.Khi lưới điện trung áp có hệ thống DVR
Hình 4.17. Đồ thị điện áp, dòng điện của nguồn và tải khi có hệ thống DVRtrong sự cố
77
Nhận xét:
+ Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, nhờ hệ thống DVR, hiện tượng sụt điện áp giảm gần như hoàn toàn và điện áp tải xoay chiều duy trì ở 98% như trong hình 4.18. Tuy nhiên tại thời điểm 400ms vẫn xảy hiện tượng quá độ trong khoảng thời gian là 4,5ms do trong quá trình điều khiển của hệ thống DVR.Khoảng thời gian này là khá nhỏđảm bảo khả năng bù áp nhanh cho lưới điện trung áp.
+ Tuy nhiên, trong thời gian xảy ra sự cố, điện áp nguồn vẫn bị sụt áp 35-40% như trong trường hợp chưa có hệ thống DVR.
78
Nhận xét: Nhờ bộđiều khiển PI trong hệ thống DVR, biện độđiện áp tải bám sát theo giá trịđặt. Từđó giúp hệ thống DVR đảm bảo việc cung cấp 1 điện áp để bù phần điện áp sụt đi cho lưới điện, giúp nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo bù áp nhanh cho lưới điện.
4.3.3. Vấn đề sóng hài
Dùng công cụ phân tích sóng hài FFT trong khối powergui ta phân tích được sóng hài của điện áp phía nguồn.
79
Tổng độ biến dạng sóng hài (THD) là tỷ lệ của giá trị điện áp hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản, biểu diễn bằng đơn vị phần trăm (%), theo công thức sau: 2 2 1 100% i V THD V = ∑ × (4.4) Trong đó: THD : Tổng độ biến dạng sóng hài của điện áp Vi: : Thành phần điện áp tại sóng hài bậc i V1: : Thành phần điện áp tại tần số cơ bản (50Hz)
Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá giới hạn quy định trong bảng sau:
Bảng 4.1: Quy đinh độ biến dạng sóng hài điện áp
Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ
110kV 3,0% 1,5%
Trung và hạ áp 6,5% 3,0%
Cho phép đỉnh nhọn điện áp bất thường trên lưới điện phân phối trong thời gian ngắn vượt quá tổng mức biến dạng sóng hài quy định tại khoản 2 Điều này nhưng không được gây hư hỏng thiết bị của khách hàng sử dụng lưới điện phân phối.
80
Nhận xét:Do VSI là một thiết bị điện tử công suất, là một thiết bị đóng cắt nhanh nên nó làm tăng các sóng hài trong điện áp hệ thống và làm tăng tổng độ biến dạng sóng hài (THD) của hệ thống. Tuy nhiên THD = 0,08% < 6,5% do đó độ biến dạng sóng hài điện áp nằm trong giới hạn cho phép.
81
Khi đưa bộ DVR vào hệ thống thì tổng độ biến dạng sóng hài điện ápcó giá trị là: THD = 29,34% > 6,5%.
Thành phần sóng hài trong hệ thống có thể tạo ra vấn đề bão hòa hệ thống và nó có thể gây ra tổn thất không mong muốn. Vấn đề này có thể là kết quả của việc làm nóng lõi thép và cuộn dây máy biến áp do tổn thất trên lõi và dòng từ hóa tăng quá mức. Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp cũng ảnh hưởng tới việc bù sụt áp thông thông qua tác động của bộ DVR lên máy biến áp. Để độ méo sóng hài tổng nằm trong một giới hạn cho phép thì cần bổ sung khối lọc vào hệ thống.
82
Khi bổ sung khối lọc vào hệ thống, tổng độ biến dạng sóng hài điện ápcó giá trị là: THD = 5,86% < 6,5% và độ biến dạng sóng hài điện áp bậc 25 có giá trị khá nhỏ và nhỏ hơn 3,0%. Như vậy khi bổ sung bộ lọc vào hệ thống dùng DVR thì đã đảm bảo bù áp nhanh cho lưới điện, nâng cao chất lượng của lưới điện, đảm bảo độ biến dạng sóng hài điện áp nằm trong giới hạn cho phép.
4.4. Kết quả mô phỏng với sự cố sụt điện áp một pha
4.4.1. Khi lưới điện trung áp chưa có hệ thống DVR
Xét sự cố sụt điện áp chỉ trên một pha thông qua 1 điện trở là 0,4 ohm trong khoảng thời gian từ 400-600 (ms), từ kết quả mô phỏng ta thấy, giá trị điện áp tại tải sụt 20 - 25% so với điện áp nguồn cung cấp như trong hình dưới. Tổng thời gian mô phỏng là1s.
83
Điện áppha B sụt 50-55% xảy ra tại thời điểm 400ms và kéo dài đến 600ms, tổng thời gian xảy ra sụt áp là 0,2s.
84
Khi sự cố ngắn mạch xảy ra, thì chỉ có điện áp pha B bị ảnh hưởng (biên độ điện áp pha B bị giảm).
85
4.4.2. Khi lưới điện trung áp có hệ thống DVR
Hình 4.25. Đồ thị điện áp, dòng điện của nguồn và tải khi có hệ thống DVRtrong sự cố
86
Nhận xét:
+ Khi xảy ra sự cố sụt áp một pha, nhờ hệ thống DVR, hiện tượng sụt điện áp pha B giảm gần như hoàn toàn và điện áp tải xoay chiều duy trì ở 98% như trong hình 4.25. Tuy nhiên tại thời điểm 400ms vẫn xảy hiện tượng quá độ trong khoảng thời gian là 4,5 ms do trong quá trình điều khiển của hệ thống DVR.
Hình 4.26. Biên độđiện áp tải khi có hệ thống DVR trong sự cố sụt áp một pha
Nhận xét: Nhờ bộđiều khiển PI trong hệ thống DVR, biện độđiện áp tải bám sát theo giá trịđặt. Từđó giúp hệ thống DVR đảm bảo việc cung cấp 1 điện áp để bù phần điện áp sụt đi cho lưới điện, giúp nâng cao chất lượng điện năng .
87
4.4.3. Vấn đề sóng hài
Dùng công cụ phân tích sóng hài FFT trong khối powergui ta phân tích được sóng hài của điện áp phía nguồn
Hình 4.27. Phân tích sóng hài của điện áp phía nguồn
Nhận xét:Do VSI là một thiết bị điện tử công suất, là một thiết bị đóng cắt nhanh nên nó làm tăng các sóng hài trong điện áp hệ thống và làm tăng tổng độ biến dạng sóng
88
hài (THD) của hệ thống. Tuy nhiên THD = 0,28% < 6,5% do đó độ biến dạng sóng hài điện áp nằm trong giới hạn cho phép.
Hình 4.28. Phân tích sóng hài của điện áp phía tải khi có DVR
Khi đưa bộ DVR vào hệ thống thì tổng độ biến dạng sóng hài điện ápcó giá trị là: THD = 87,20% > 6,5%.
Thành phần sóng hài trong hệ thống có thể tạo ra vấn đề bão hòa hệ thống và nó có thể gây ra tổn thất không mong muốn. Vấn đề này có thể là kết quả của việc làm
89
nóng lõi thép và cuộn dây máy biến áp do tổn thất trên lõi và dòng từ hóa tăng quá mức. Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp cũng ảnh hưởng tới việc bù sụt áp thông thông qua tác động của bộ DVR lên máy biến áp. Để độ méo sóng hài tổng nằm trong một giới hạn cho phép thì cần bổ sung khối lọc vào hệ thống.
Hình 4.29. Phân tích sóng hài của điện áp phía tải khi có DVR và bộ lọc
Khi bổ sung khối lọc vào hệ thống, tổng độ biến dạng sóng hài điện ápcó giá trị là: THD = 3,34% < 6,5% và độ biến dạng sóng hài điện áp bậc 25 có giá trị khá nhỏ và
90
nhỏ hơn 3,0%. Độ biến dạng sóng hài bậc 0 rất nhỏ gần như không có, do sóng hài bậc 0 tương ứng thành phần một chiều và tác dụng của bộ lọc. Như vậy khi bổ sung bộ lọc vào hệ thống dùng DVR thì đã đảm bảo bù áp nhanh cho lưới điện, nâng cao chất lượng của lưới điện, đảm bảo độ biến dạng sóng hài điện áp nằm trong giới hạn cho phép.
4.5. Kết quả mô phỏng với sự cố tăng điện áp cả 3 pha
4.5.1. Khi lưới điện trung áp chưa có hệ thống DVR
Bước 1: Lập các giá trị ban đầu và khai báo tham số hệ thống bằng cách gọi: >>Parasys
Bước 2: Khởi động mô phỏng mô hình: DVR_Swell_Model Bước 3: Xem các đáp ứng bằng cách gọi:
91
Hình 4.30. Biên độđiện áp tải khi chưa có hệ thống DVRtrong sự cố tăng áp 3 pha
Xét sự cố làm điện áp 3 pha tăng lên đột ngột trong khoảng thời gian từ 400-600 (ms), từ kết quả mô phỏng ta thấy, giá trị điện áp tại tải tăng 25% so với điện áp nguồn cung cấp như trong hình dưới. Tổng thời gian mô phỏng là 1s.
92
93
Hình 4.32. Đồ thịđiện áp, dòng điện của nguồn và tải trong lưới điện trung áptrong sự
cố tăng áp 3 pha
Khi hiện tượng ngắn mạch 3 pha xảy ra sẽ ảnh hưởng tới điện áp và dòng điện trên cả lưới điện
94
4.5.2. Khi lưới điện trung áp có hệ thống DVR
Hình 4.33. Đồ thị điện áp, dòng điện của nguồn và tải khi có hệ thống DVRtrong sự cố