Máy biến áp ghép nối là biến áp được thiết kế đặc biệt dùng để biến đổi điện áp cung cấp bởi VSC thành điện áp lớn hơn cung cấp cho tải và cách ly mạch DVR với lưới điện có điện áp cao hơn. Đối với máy biến áp ghép nối của DVR, phía cao áp được nối nối tiếp với lưới điện còn phía hạ áp được nối với mạch nghịch lưu. DVR ba pha có thể sử dụng ba máy biến áp ghép nối một pha hoặc một máy biến áp ghép ba pha. Tổ đấu dây phía mạch sơ cấp của máy biến áp ghép ba pha có thể là Y hoặc Δ.
N gu ồ n cấ p P hụ tả i T ừ b ộ b iế n đ iệ n á p N gu ồ n cấ p P hụ tả i T ừ b ộ b iế n đ iệ n á p D / hở Y/ hở
Hình 2.7. Sơ đồ đấu dây cuộn dây sơ cấp máy biến áp ghép
Nếu máy biến áp của lưới điện phân phối được đấu Δ-Y với trung tính nối đất, khi một sự cố không đối xứng hoặc chạm đất tại phía cao áp, sẽ không có dòng điện thứ tự không tại cuộn thứ cấp. Thiết bị DVR chỉ cần bù cho các thành phần thứ tự thuận và nghịch. Cấu hình đấu dây của máy biến áp ghép nối sẽ là phía bộ nghịch lưu nguồn áp đấu hình Δ, phía đường dây đấu hở (Hình 2.8, bên trái).
Các trường hợp đấu dây khác của lưới điện phân phối (như Y/Y nối đất), khi xảy ra sự cố không đối xứng, cả ba thành phần thứ tự (thuận, nghịch và không) đều chảy vào mạch thứ cấp. Vì vậy, cấu hình đấu dây được sử dụng cho máy biến áp ghép nối sẽ là phía bộ nghịch lưu nguồn áp đấu Y và phía
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
29 đường dây đấu hở (Hình 2.8, bên phải), chúng có thể cho phép mọi thành phần thứ tự chạy qua.
2.3. Ứng dụng thiết bị DVR để nâng cao chất lƣợng điện năng
Với kết cấu trên đây, DVR rất phù hợp để khắc phục các vấn đề về chất lượng điện năng được biểu diễn dưới dạng các biến thiên hoặc biến dạng điện áp. Khi đó, thực chất thiết bị DVR sẽ được sử dụng như một giải pháp bù điện áp. Để sử dụng thiết bị DVR cần quan tâm đến các vấn đề chính sau
2.3.1. Lựa chọn vị trí đặt thiết bị DVR trên lưới điện
Như một biện pháp khắc phục chất lượng điện năng, việc sử dụng DVR để khắc phục SANH có thể theo hai nguyên tắc ứng với hai cách chọn vị trí đặt DVR.
- Bảo vệ tải nhạy cảm: Theo nguyên tắc này, tại vị trí kết nối các tải nhạy cảm với lưới điện sẽ đặt DVR. Các biến động chất lượng điện áp trên lưới điện sẽ được bù bởi DVR sao cho điện áp tại đầu ra của DVR hay tại đầu vào phụ tải đảm bảo yêu cầu chất lượng điện áp. Hình 2.9 minh hoạ cách sử dụng DVR để bảo vệ các tải nhạy cảm.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
30 Theo nguyên tắc này, điện áp tại phụ tải sẽ được tính theo công thức sau: DVR S L V V V (2.1) Trong đó
VL: Điện áp đầu cực tải nhạy cảm cần được bảo vệ. VS: Điện áp lưới điện
VDVR: Lượng bù điện áp của DVR
- Ngăn chặn phát và truyền các hiện tượng chất lượng điện năng: Theo
nguyên tắt này, thiết bị DVR có thể đặt tại ngay đầu cực của các nguồn phát sinh các hiện tượng chất lượng điện năng như sóng hài, biến thiên điện áp, dao động điện áp. DVR sẽ có tác dụng ngăn không cho các hiện tượng này tác dụng ra ngoài lưới, và giữ điện áp tại điểm kết nối (PCC) giữa nguồn phát sinh các hiện tượng chất lượng điện năng với lưới luôn đảm bảo chất lượng. Nguyên tắc chọn vị trí này được minh hoạ như Hình 2.10.
Hình 2.9. DVR ứng dụng để ngăn chặn phát sinh các hiện tượng chất lượng điện năng.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
31 Theo nguyên tắc này, điện áp tại phụ tải sẽ được tính theo công thức sau DVR PCC PQ V V V (2.2) Trong đó
VPQ: Điện áp đầu cực nguồn phát sinh các hiện tượng chất lượng điện
VPCC: Điện áp tại điểm kết nối với phụ tải nhạy cảm VDVR: Lượng bù điện áp của DVR
2.3.2. Các chế độ làm việc của DVR
a. Chế độ dừng hoạt động (Protection Mode)
Nếu dòng điện bên phía phụ tải vượt giá trị cho phép do nguyên nhân ngắn mạch hoặc dòng điện sự cố lớn từ phía phụ tải, thiết bị DVR sẽ được cô lập ra khỏi lưới điện bằng việc sử dụng các cầu dao đấu tắt như Hình 2.9 (cầu dao S2 và S3 sẽ mở, cầu dao S1 sẽ đóng). Khi đó thiết bị DVR, với các cấu kiện điện tử nhạy cảm, sẽ được bảo vệ khỏi dòng điện sự cố từ lưới điện.
Nguồn cấp S3 S2 S1 Phụ tải Máy biến áp ghép
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ dừng của thiết bị DVR
b. Chế độ chờ
Trong chế độ chờ, lưới điện vận hành bình thường, thiết bị DVR sẽ không bù bất cứ một lượng điện áp nào cho hệ thống. Trong trường hợp này,
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
32 thiết bị DVR sẽ hoạt động ở chế độ chờ và chế độ tự nạp năng lượng của bộ tích năng một chiều. Bộ tích năng một chiều có thể được nạp từ nguồn điện của chính DVR hoặc từ một nguồn điện khác. Đây cũng là chế độ hoạt động chủ yếu của DVR. Bộ lọc Phụ tải Nguồn cấp Máy biến áp ghép Cuộn dây hạ áp Bộ biến điện áp
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ chờ của thiết bị DVR
c. Chế độ bù điện áp
Khi phát hiện có một sự kiện chất lượng điện áp xảy ra trên lưới, DVR sẽ tạo một điện áp bù để bù lượng điện áp thiếu hụt nhằm đảm bảo chất lượng điện áp của tải. Đối với trường hợp bù SANH, có thể có các phương pháp bù điện áp sử dụng DVR như sau [2]: i. bù theo điện áp trước sự cố, ii. bù đồng pha, iii. bù pha sớm và iv.bù tối thiểu theo dung sai điện áp.
- Bù theo điện áp trước sự cố (Pre-Sag/Dip Compensation Method):
Bù theo điện áp trước sự cố là phương pháp trong đó thiết bị DVR theo dõi điện áp cung cấp liên tục và nếu phát hiện bất kỳ biến thiên điện áp nào thì sẽ bơm một điện áp bù để bù cho sự khác nhau giữa điện áp tại thời điểm trước và khi xảy ra sự cố (SANH). Bằng cách này, điện áp tải có thể được khôi phục lại bình thường như trước khi xảy ra sự cố. Trong phương pháp này, việc bù điện áp cho SANH sẽ được thực hiện cả đối với góc pha và độ lớn. Thiết bị DVR sẽ bơm một điện áp bù tương ứng với độ lệch giữa điện áp
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
33 trước và khi xảy ra hiện tượng sụt giảm điện áp nhằm đưa điện áp chở về bình thường cả về độ lớn và góc pha.
Hình 2.12. Sơ đồ vector phương pháp bù theo điện áp trước sự cố
Hình 2.10 minh họa lý thuyết làm việc của phương pháp theo điện áp trước sự cố : Trước khi xảy ra hiện tượng sụt điện áp ngắn hạn, điện áp lưới điện sẽ bằng điện áp phụ tải và được gọi là điện áp trước sự cố Vpresag. Khi xảy ra sự cố, điện áp phụ tải sẽ chỉ còn là Vsag và góc pha dịch chuyển như trên hình vẽ. Thiết bị DVR sẽ bơm một điện áp bù VDVR để phục hồi điện áp phụ tải cả về độ lớn và góc pha để về lại Vpresag.
- Bù đồng pha (In-Phase Compensation Method)
Đây là một phương pháp trực tiếp. Trong phương pháp này, điện áp bù Vinj cùng pha với điện áp trong lúc sự cố Vsag và thiết bị DVR chỉ bù độ lệch điện áp. Góc pha của điện áp trước sự cố và điện áp của phụ tải là khác nhau và mục tiêu của phương pháp này là giữ điện áp của phụ tải không đổi về độ lớn trước và sau khi sự cố. Do đó phương pháp này thích hợp đối với những phụ tải tuyến tính không cần phải bù góc pha. Trong thực tế, phương pháp
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
34 này được áp dụng đối với những phụ tải không nhạy cảm đối với biến động góc pha.
Hình 2.13. Sơ đồ vector hương pháp bù pha
Phương pháp này rất đơn giản trong thực hiện và điện áp bù có thể được tính toán nhanh chóng theo công thức sau:
sag presag DVR V V V sag DVR
Điểm bất lợi chính của phương pháp này là nó yêu cầu công suất hữu công trong quá trình thực hiện bù như phương pháp bù theo điện áp trước sự cố.
- Bù pha sớm (In-Phase Advanced Compensation Method)
Trong phương pháp này, công suất hữu công cần thiết cho thiết bị DVR sẽ được giảm tối thiểu. Công suất hữu công sẽ được bơm vào hệ thống trong quá trình xảy ra sự cố gây sụt áp. Lượng công suất hữu công này sẽ lại phụ thuộc vào khả năng của bộ tích trữ năng lượng một chiều, là một trong những
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
35 phần đắt nhất của thiết bị DVR. Việc tối thiểu hóa năng lượng được cấp bởi DVR sẽ đạt được bằng cách để điện áp bù VDVR có góc pha vuông góc với dòng điện phụ tải Iload.
Trong phương pháp này, giá trị của cả dòng điện phụ tải và điện áp phụ tải là cố định vì vậy chỉ cần thay đổi góc pha của điện áp trong khi sự cố (Vsag). Phương pháp bù pha sớm chỉ sử dụng công suất vô công để thực hiện bù, tuy nhiên không phải tất cả các trường hợp sụt giảm điện áp ngắn hạn đều có thể được xử lý bù mà không có sự tham gia của công suất hữu công. Vì vậy, phương pháp bù pha sớm này chỉ phù hợp với một vài trường hợp sụt điện áp ngắn hạn.
Hình 2.14. Sơ đồ vector phương pháp bù pha sớm
Tuy nhiên, phương pháp này sẽ có điện áp bù VDVR có giá trị cao hơn điện áp bù của phương pháp bù đồng pha. Do đó phương pháp bù pha sớm sẽ yêu cầu máy biến áp và bộ nghịch lưu nguồn áp có công suất lớn hơn so với phương pháp bù đồng pha và phương pháp bù theo điện áp trước sự cố. Bên cạnh đó, điện áp sau khi bù sẽ có giá trị phục hồi như giá trị của điện áp trước khi sụt giảm điện áp ngắn hạn nhưng với góc pha bị dịch chuyển.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
36
- Bù tối thiểu theo dung sai điện áp (Voltage Tolerance Method with Minimum Energy Injection)
Điện áp của hệ thống thường dao động trong khoảng 90%-110% điện áp định mức với góc pha dao động giữa 5%-10%. Với dung sai điện áp và góc pha này sẽ không làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc bình thường của phụ tải. Phương pháp bù tối thiểu theo dung sai điện áp nhằm mục đích duy trì điện áp và góc pha trong vùng hoạt động cho phép với một năng lượng bù tối thiểu. Hình 2.10 minh họa sơ đồ vector nguyên lý hoạt động của phương pháp bù tối thiểu theo dung sai điện áp.
Vsag Vcompensat ed VDVR Vpre-sag Vùng điện áp cho phép
Hình 2.15. Sơ đồ vector phương pháp bù tối thiểu theo dung sai điện áp
2.4. Các thuật toán điều khiển áp dụng trong DVR
Trong ứng dụng DVR để nâng cao chất lượng điện năng, mục đích của hệ thống điều khiển nhằm duy trì điện áp không đổi về độ lớn, tại điểm mà phụ tải nhạy cảm đấu nối, trong điều kiện có dao động điện áp xuất hiện trên lưới điện. Hệ thống điều khiển đo lường điện áp tại điểm phụ tải được đấu nối mà không đo lường mức công suất phản kháng tiêu thụ. Hệ thống điều khiển của thiết bị DVR phát hiện sự sụt giảm điện áp ngắn hạn (thời điểm bắt đầu, thời điểm kết thúc, mức độ sụt giảm) bằng thuật toán giám sát thời gian thật thích hợp. Sự sụt giảm điện áp ngắn hạn có thể kết thúc trong một vài mili
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
37 giây cho đến một vài chu kỳ với độ sụt về biên độ dao động trong khoảng 90% đến 50% của điện áp định mức.
Bộ nghịch lưu nguồn áp là một phần tử quan trọng của thiết bị DVR. Hoạt động của thiết bị DVR chịu ảnh hưởng trực tiếp từ thuật toán điều khiển của bộ nghịch lưu nguồn áp. Đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học về thuật toán điều khiển áp dụng cho thiết bị DVR. Tuy nhiên, các thuật toán điều khiển có thể được tóm lược thành hai nhóm chính sau:
(a) Thuật toán điều khiển tuyến tính; và (b) Thuật toán điều khiển phi tuyến.
2.4.1. Thuật toán điều khiển tuyến tính
Thuật toán điều khiển tuyến tính có thể được coi là thuật toán điều khiển chủ đạo đối với các thiết bị DVR hiện hành. Trong các thuật toán điều khiển tuyến tính được sử dụng, có thể phân biệt thành thuật toán điều khiển tín hiệu giao trước, thuật toán điều khiển tín hiệu hồi tiếp và thuật toán điều khiển hỗn hợp.
Thuật toán điều khiển feed-forward control (FFC) là một thuật toán điều khiển đơn giản của thiết bị DVR. Phương pháp này không thực hiện dò đọc điện áp phụ tải mà nó tính toán điện áp bù dựa trên điện áp trước và điện áp xảy ra trong quá trình sụt áp. Thuật toán điều khiển FFC tiến hành kiểm tra độ sai khác giữa điện áp danh định và điện áp thực tế của phụ tải để đưa ra mức điện áp bù cần thêm vào.
Thuật toán điều khiển tín hiệu hồi tiếp (feed-back control) được xây dựng trên cơ sở hệ thống khoảng trống tình trạng được tạo ra từ các điểm cực trong chu trình kín với mục đích tạo ra các phản ứng nhanh hơn khi xuất hiện sự dao động điện áp. Cả hai thuật toán điều khiển tín hiệu giao trước và điều khiển tín hiệu hồi tiếp đều được thực hiện bởi thuật toán điều khiển vô hướng và thuật toán điều khiển vector.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
38 Thuật toán điều khiển hỗn hợp (composite control) là thuật toán điều khiển kết hợp tín hiệu feed-forward của điện áp của lưới và tín hiệu feed-back của điện áp phụ tải. Phương pháp này tập hợp điểm mạnh của cả hai phương pháp, thuật toán điều khiển tín hiệu giao trước và thuật toán điều khiển tín hiệu hồi tiếp, vì vậy nó có hiệu quả cao hơn trong việc bù điện áp. Nếu mạch điều khiển tín hiệu hồi tiếp được xây dựng trong thuật toán điều khiển hỗn hợp là hệ thống hai mạch vòng, nó có thể nâng cao tính ổn định, linh hoạt và hiệu quả đối với phụ tải động lực. Việc kết hợp với thuật toán điều khiển tín hiệu giao trước có thể nâng cao khả năng tác động của hệ thống, làm giảm thời gian bù một cách hiệu quả. Thuật toán điều khiển, với tín hiệu giao trước của dòng điện phản kháng và tín hiệu hồi tiếp của dòng điện phụ tải, được thiết kế không cần máy biến ghép nối tiếp sẽ làm giảm đáng kể kích thước và chi phí của thiết bị DVR.
2.4.2. Thuật toán điều khiển phi tuyến
Thuật toán điều khiển phi tuyến được phát triển dựa trên việc ứng dụng bộ chuyển mạch bán dẫn công suất trong Bộ biến đổi điện áp của thiết bị DVR. Trong trường hợp hệ thống mất ổn định, những phương pháp tuyến tính đã được phát triển không thể hoạt động một cách hoàn hảo để đạt mục tiêu điều khiển một cách rõ ràng do giới hạn của bản thân phương pháp.
- Thuật toán mạng nơ-ron nhân tạo (Articficial neural network control- ANN): Một trong những thuật toán điều khiển phi tuyến là thuật toán mạng nơron nhân tạo với khả năng tự thích nghi và năng lực tự tổ chức. thuật toán mạng nơron nhân tạo có thể giám sát mối quan hệ phi tuyến dựa trên thông số