Để có một cấu trúc cho DVR phù hợp, việc phân tích các thành phần trong cấu trúc là điều không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu. Qua các phân tích có thể đưa ra các điều kiện cần thiết khi lựa chọn thiết kế cấu trúc cho DVR như sau:
- Vị trí của DVR trong hệ thống điện.
- Khả năng DVR cần thiết để bù cho các thành phần điện áp nào (thành phần thứ tự thuận, nghich và thứ tự không)
- Đặc tính của tải.
- Đặc điểm của lõm điện áp tại vị trí cần đặt DVR để bảo vệ. (kết quả khảo sát của lõm điện áp tại vị trí tải được bảo vệ)
Sau khi cân nhắc các điều kiện cùng với các kết quả khảo sát lõm điện áp tại hệ thống điện của một xí nghiệp công nghiệp điển hình là nhà máy xi măng Hoàng Mai (kết quả khảo sát được trình bày ở chương 4 của luận án này), một cấu trúc phần cứng của DVR được lựa chọn như ở hình 2.25.
Trên sơ đồ cấu trúc các ký hiệu được giải thích như sau: usa(t), usb(t), usc(t) là các điện áp pha nguồn. Các điện áp lưới tại điểm nối chung PCC và dòng điện lưới được ký hiệu tương ứng bởi ug,a(t), ug,b(t), ug,c(t) và ig,a(t), ig,b(t), ig,c(t). Điện áp và dòng điện 3 pha của bộ biến đổi VSC tương ứng được ký hiệu: uinva(t), uinvb(t), uinvc(t) và ifa(t), ifb(t), ifc(t). Điện áp và dòng điện tụ lọc được ký hiệu: uc,a(t), uc,b(t), uc,c(t) và ic,a(t), ic,b(t), ic,c(t). Điện áp và dòng điện chèn vào thông qua máy biến áp nối tiếp tương ứng được ký hiệu bởi: uinj,a(t), uinj,b(t),uinj,c(t) và iinj,a(t), iinj,b(t),iinj,c(t). Điện áp phía một chiều (DC-Link) được ký hiệu là: udc(t). Điện áp tải được ký hiệu là: uL,a(t), uL,b(t), uL,c(t).
US Tải UL =uinj Uinj Us 0 Hệ thống DVR ~ ~ ~ US =Ud U0=kUinj UL=(1-k)Uinj Hệ thống DVR Tải1 Tải2 US ~ ~ ~
44
Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc của DVR nối lưới ở cấp MV
Cấu trúc phần cứng của DVR được lựa chọn cho DVR làm việc tại cấp MV. Cấu trúc tạo cho DVR có khả năng bù được cả thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch khi xảy ra một lõm điện áp không cân bằng. Với cấu trúc lựa chọn nếu được kết hợp với một thuật toán điều khiển hợp lý sẽ tạo nên khả năng bù được cả độ lớn và góc pha trong một lõm điện áp để bảo vệ được đa số các tải nhạy cảm.
2.8 Tóm tắt và kết luận
Trong chương hai các thành phần trong cấu trúc của bộ khôi phục điện áp động đã được phân tích cụ thể, trong đó đã làm rõ những vẫn đề liên quan đến hệ thống mạch lực của DVR đồng thời đã chỉ ra các cách thức kết nối giữa các thành phần của cấu trúc DVR và đặc biệt là kết nối của DVR với lưới điện. Đây là cơ sở quan trọng để chỉ ra các khả năng làm việc của DVR, cũng là các cơ sở để xây dựng thuật toán điều khiển cho DVR thực hiện tốt các khả năng đó. Cuối cùng là lựa chọn một cấu trúc phần cứng của DVR trên hình 2.25 được áp dụng để bù lõm điện áp ở cấp trung áp (MV) của hệ thống điện ba pha ba dây. Với cấu trúc này khá đơn giản, nhưng đủ để áp dụng cho DVR với khả năng có thể bù được cả lõm điện áp cân bằng và không cân bằng và các nhiễu loạn điệp áp khác như dao động điện áp hay méo dạng điện áp. Với cấu trúc này, thuật toán và cấu trúc điều khiển sẽ được nghiên cứu phát triển tiếp ở chương 3 trong của luận án.
Zdd Grid usb(t) usc(t) uga(t) ugb(t) ugc(t) uLa(t) uLb(t) uLc(t) VSC Bộ lọc Lf Cf MBA nối tiếp
iga(t) igb(t) igc(t) iinja(t) iinjb(t) iinjc(t) ica(t) icb(t) icc(t) ifa(t) ifb(t) ifc(t) uca(t) ucb(t) ucc(t) sa sb sc uconv,a(t) uconv,b(t) uconv,c(t) Tải nhạy cảm + - + - + - + - + - + - ~ ~ ~ + - + - + - usa(t) + - ES_DC-link control DC-link AC/DC
45
Chương 3: ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG
Mục tiêu của DVR là khôi phục điện áp trên tải theo giá trị mong muốn để tải nhạy cảm không bị sự cố khi gặp phải tác động của lõm điện áp từ lưới nguồn cung cấp. Vì vậy hệ thống điều khiển DVR có nhiệm vụ tạo ra giá trị điện áp chèn vào lưới uinj(t) với biên độ, tần số và góc pha để thỏa mãn mục tiêu điều chỉnh đó. Trong điều khiển hệ thống DVR bao gồm điều khiển điện áp tải, điều khiển điện áp DC-link, điều khiển đồng bộ điện áp lưới và điều khiển phát hiện lõm điện áp. Trong đó điều khiển điện áp tải là phức tạp và quan trọng nhất, vì nó quyết định trực tiếp đến khả năng làm việc hiệu quả của DVR trong bù lõm điện áp để bảo vệ tải nhạy cảm. Vì vậy trọng tâm của chương này là nghiên cứu phát triển cấu trúc và thuật toán điều khiển điện áp tải của DVR.
Đầu tiên các chế độ hoạt động và những hạn chế của DVR được chỉ ra. Tiếp theo là phân tích các phương pháp tạo điện áp chèn vào của DVR đối với lõm điện áp cân bằng và không cân bằng, trong đó một phương pháp được lựa chọn để tiếp tục nghiên cứu điều khiển cho một DVR điển hình. Mô hình toán học của DVR sẽ được xây dựng trước khi nghiên cứu phần điều khiển điện áp tải. Cuối cùng là các nghiên cứu điều khiển khác liên quan như, ổn định hệ thống, đồng bộ điện áp lưới, phát hiện lõm điện áp và điều khiển DC- link cũng được trình bày trong chương này. Trong chương này một số hình vẽ và công thức được tham khảo từ các tài liệu [3,5,7,27, 29,39,50,51,57,60,62].
3.1 Các chế độ hoạt động và hạn chế của DVR
Các chế độ hoạt động của DVR liên quan đến những yêu cầu đối với việc xây dựng thuật toán điều khiển, nên được xem xét từ đầu. Đồng thời, những hạn chế của DVR cần thiết được chỉ ra để có những giới hạn nhất định trong điều khiển DVR.
Chế độ hoạt động.
DVR cơ bản được vận hành trong ba chế độ hoạt động khác nhau, được mô tả sau đây. - Chế độ By-pass: DVR được nối tắt bằng khoá cơ khí hoặc điện tử, khi có dòng tải cao và dòng ngắn mạch phía dưới. Trong chế độ này các DVR không thể đưa vào một điện áp để cải thiện chất lượng điện áp.
- Chế độ chờ: Nguồn điện áp cung cấp ở mức định mức và DVR đã sẵn sàng để bù cho một lõm điện áp. Trong chế độ này DVR có thể nạp năng lượng để sẳn sàng cho chế độ bù hoặc có thể thức hiện chức năng bù hài, nếu DVR được tích hợp thêm khả năng đó.
- Chế độ bù: Một lõm điện áp đã được phát hiện và DVR ngay lập tức thực hiện chèn vào điện áp thiếu để điện áp tải được khôi phục có giá trị ở mức cần thiết, đảm bảo cho tải nhạy cảm không bị sự cố. Đây là chế độ hoạt động chính mà trong nghiên cứu điều khiển sẽ tập trung chủ yếu vào chế độ này.
Hạn chế của DVR
Một DVR có những hạn chế nhất định trong khi hoạt động, nó có thể đối mặt với một lõm điện áp ngoài phạm vi mà DVR có thể bù. Bốn hạn chế quan trọng đối với một DVR là:
- Giới hạn điện áp: Một DVR được thiết kế tương đương với một độ sâu lõm điện áp nhất định nó bị hạn chế khi gặp phải những lõm điện áp có độ sâu lõm vượt qua khả năng của nó.
- Giới hạn dòng điện: DVR có một giới hạn trong khả năng dẫn dòng để giữ cho các tổn thất giảm xuống.
- Hạn chế công suất: Năng lượng đã được lưu trữ trong DC-link, nhưng phần lớn toàn bộ năng lượng thường được chuyển đổi từ nguồn cung cấp hoặc từ các thiết bị lưu trữ DC
46
lớn hơn. Một bộ biến đổi đưa vào thường được sử dụng để duy trì một điện áp DC-link không đổi và công suất định mức của bộ biến đổi có thể dẫn đến một giới hạn công suất của DVR.
- Giới hạn năng lương: Năng lượng được sử dụng để duy trì điện áp tải không đổi và bộ lưu trữ năng lượng thông thường có độ lớn càng thấp càng tốt để giảm chi phí. Một số lõm điện áp sẽ làm cạn kiệt nhanh chóng năng lượng trong bộ lưu trữ.
- Các hạn chế khác:
Điện áp được chèn vào có thể được thực hiện ngay lập tức nếu đó là một DVR lý tưởng, nhưng với một DVR thực tế thì phản ứng đề chèn điện áp vào luôn có thời gian hữu hạn. Một phản ứng chậm của DVR sẽ giảm nguy cơ của dòng điện khởi động và giảm mức độ bão hòa của biến áp. Trong khi một phản ứng nhanh của DVR sẽ làm giảm ảnh hưởng của lõm điện áp từ phía tải. Có thể chỉ ra các các hạn chế khác như sau:
Bảo hoà: Mức điện áp chèn vào cao quá dẫn đến các máy biến áp có thể bắt đầu bão hòa, làm giảm các điện áp tải được tạo ra và làm tăng dòng điện của bộ biến đổi nối tiếp.
Khởi động: Tại thời điểm đầu của việc bù có thể gây ra các dòng khởi động cao.
Băng thông: Một băng thông hệ thống hữu hạn đối với DVR làm khó khăn trong điều khiển bù.
Trở kháng lọc: Bộ lọc là cần thiết, nhưng nó có thể gây sụt áp không mong muốn qua DVR và dao động dòng điện trong các thành phần bộ lọc.