thống điện
1.4.1. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị bù cosφ kết hợp lọc sóng hài
Đề tài [3] được nghiên cứu bởi Đào Đức Huy Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại Học Thái Nguyên.
Kết luận của đề tài:
- Đưa ra cơ sở lý thuyết cơ về công suất, hệ số công suất, các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất.
- Trình bày tính chất phụ tải ảnh hưởng tới cosφ.
- Trình bày tính chất của phụ tải ảnh hưởng tới sóng hài.
- Trình bày phương pháp bù công suất phản kháng theo các chỉ tiêu khác nhau.
- Trình bày chi tiết việc thiết kế hệ thống bù công suất phản kháng kết hợp lọc sóng hài, mơ phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink.
- Tiến hành xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống bù công suất phản kháng kết hợp lọc sóng hài một pha, ba pha tại câu lạc bộ sóng hài – Khoa Điện tử – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
- Tuy nhiên đề tài còn hạn chế là chưa áp dụng được rộng rãi trong thực tế - Hướng phát triển của đề tài: Nghiên cứu và hồn chỉnh những thiếu sót, đồng thời hồn thiện mơ hình hệ thống bù cơng suất phản kháng kết hợp lọc sóng hài, và tiến hành áp dụng vào trong thực tiễn sản xuất.
1.4.2. Nghiên cứu điều khiển thiết bị bù tĩnh (SVC) và ứng dụng trong việc nâng cao ổn định chất lượng hệ thống điện
Đề tài nghiên cứu [2]. Nguyễn Thế Vĩnh Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại Học Thái Nguyên.
Kết luận của đề tài:
- Thiết bị bù có điều khiển SVC làm cho hệ thống điện vận hành linh hoạt trong các chế độ bình thường và sự cố đồng thời làm tăng độ tin cậy và tính kinh tế trong vận hành của hệ thống điện lên rất nhiều. Hơn nữa, việc sử dụng SVC trong
quan trọng cần yêu cầu cao về độ ổn định điện áp.
- Nhược điểm thiết bị bù có điều khiển SVC: Xảy ra hiện tượng cộng hưởng sinh ra trong quá trình làm việc của thiết bị bù có điều khiển
+ Việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù ngang SVC trong hệ thống điện Việt Nam sẽ cải thiện được việc ổn định điện áp tại nút có đặt SVC. Đặc biệt là hệ thống điều khiển góc mở của các van của SVC dùng bộ vi điều khiển PIC 16f877.
- Bộ vi điều khiển PIC16f877 thực hiện nhiệm vụ điều khiển trung tâm có chương trình cài đặt theo luật điều khiển PID, điều khiển các van của SVC đã được nghiên cứu và có những ứng dụng ban đầu.
Hướng phát triển của đề tài: Nghiên cứu sâu chương trình mơ phỏng ISIS áp dụng vào các bài tốn mơ phỏng thiết bị trong hệ điều khiển của các thiết bị bù trong hệ thống điện.
1.4.3. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải 3 pha không đối xứng
Đề tài nghiên cứu [1] của Nguyễn Ngọc Kiên cùng với các thành viên Bộ mơn Tự động hóa trường Đai học kỹ thuật cơng nghiệp - Đại Học Thái Nguyên
Sản phẩm thực: Hệ thống gồm tủ điều khiển và tủ tải thay đổi được cos .
Hình 1.16: Tủ phụ tải thay đổi cos
Hình 1.17: Tủ điều khiển hệ thống bù cos
Hệ thống này khi áp dụng mơ hình bù cho phụ tải dải hệ số cơng suất được điều chỉnh và có thể giữ ổn định từ cos = (0,9 ÷ 1.0). Thay đổi cos của tải, hệ thống tự động điều chỉnh và bám giá trị cos đặt. Bộ điều chỉnh được sử dụng trong hệ thống này là bộ điều chỉnh PID kinh điển.
1.4.4. Nghiên cứu bộ điều khiển PI Mờ từ thiết kế đến ứng dụng
Nghiên cứu [4] của Nguyễn Trí Ngơn Trường Đại Học Cần Thơ đăng trên Tạp chí khoa học năm 2011.
Kết quả nghiên cứu:
- Ưu điểm của phương pháp này là thiết kế và thực hiện bộ quan sát mờ rất đơn giản mà không cần quan tâm đến cấu trúc bên trong của đối tượng điều khiển.
- Khoảng tinh chỉnh các thông số của bộ điều khiển PI được thiết lập đủ rộng xung quanh giá trị đạt được từ phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols.
- Kết quả kiểm nghiệm trên các thiết bị RT010, RT020 và RT030 của hãng GuntHamburg, CHLB Đức cho thấy bộ điều khiển được đề xuất trong nghiên cứu này tỏ ra hiệu quả; đáp ứng của các thiết bị có thời gian tăng và thời gian xác lập phù hợp, độ vọt không đáng kể và sai số xác lập được triệt tiêu. Ngồi ra, bộ điều khiển cịn đáp ứng được yêu cầu về thời gian thực, cũng như sự ổn định trước tác động của nhiễu vào hệ thống.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Theo các nghiên cứu [Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị bù cosφ kết hợp lọc sóng hài], [Thiết kế, chế tạo, lắp đặt hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải 3 pha không đối xứng],[ Điều khiển thiết bị bù tĩnh (SVC) và ứng dụng trong việc nâng cao ổn định chất lượng hệ thống điện], bài báo [Bộ điều khiển PI Mờ: Từ thiết kế đến ứng dụng] và một số nghiên cứu khác có thể thấy trong hệ thống SVC bù cosphi, bộ điều chỉnh mờ có nhiều ưu điểm. Vì vậy, dựa trên hệ thống thực đang có tại trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, luận văn sẽ đi mô phỏng lại hệ này khi sử dụng bộ điều chỉnh PID kinh điển (sẽ được đề cập trong Chương 2); sau đó sử dụng bộ điều chỉnh mờ (Chương 3) để từ đó so sánh, làm rõ hơn về chất lượng đầu ra hệ thống khi sử dụng các bộ điều chỉnh khác nhau.
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ COSPHI VÔ CẤP CHO PHỤ TẢI BA PHA KHƠNG ĐỐI XỨNG
2.1. Mơ hình SVC trong tính tốn chế độ xác lập của hệ thống điện
Do các thiết bị bù ngang có điều khiển tác động gần như tức thời nên trong tính tốn chế độ xác lập của hệ thống khi các q trình diễn ra tương đối chậm có thể xét các SVC thơng qua đặc tính làm việc hay đặc tính Vơn - Ampe của chúng. Đặc tính làm việc ở đây là quan hệ thay đổi của điện kháng (hay công suất phản kháng) của thiết bị bù ngang có điều khiển theo điện áp nút đặt thiết bị bù, cịn đặc tính Vơn - Ampe là quan hệ thay đổi của dịng điện qua thiết bị bù ngang có điều khiển theo điện áp nút đặt SVC. Dưới đây là một số phương pháp mơ phỏng thiết bị bù ngang có điều khiển thường dùng.
2.1.1. Mơ hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi
Trước hết, xét luật điều khiển của SVC ở chế độ xác lập. Luật này có thể được biểu diễn bằng đặc tính Vơn - Ampe có dạng như sau:
U = Uref + XSL.I
Trong đó, U là điện áp tại nút đặt SVC, I là dòng điện qua SVC, Uref là điện áp đặt, XSL là điện kháng dốc của SVC.
Điện kháng XSL được sử dụng để tránh vi phạm vào các giới hạn khi có các biến động điện áp nhỏ tại nút đặt SVC. XSL thường có giá trị từ 2% đến 5%. Độ lệch của điện áp được điều khiển thường nằm trong khoảng 5% của điện áp đặt Uref. Tại các giới hạn của góc mở thiristor, điện kháng của SVC sẽ được giữ ở một giá trị cố định.
Khi thay đổi góc mở của thiristor, điện dẫn Be = -1/Xtđ thể hiện được sự thay đổi một cách rõ ràng hơn điện kháng tương đương Xtđ của SVC. Nói cách khác, đường biểu diễn Be() khơng dốc như đường Xtđ(). Do đó khi mơ hình hóa các thiết bị bù có điều khiển, người ta thường dùng các công thức liên hệ thường sử dụng điện dẫn tương đương Be hơn là các công thức liên hệ sử dụng điện kháng Xtđ,
Phương pháp được đề cập đến ở mục này mơ hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi. Xét các phương trình mơ tả hoạt động ở chế độ quá độ của SVC : [𝑥𝑐̇ 𝛼̇] = 𝑓(𝑥𝑐, 𝛼, 𝑈, 𝑈𝑟𝑒𝑓) (2.1) 0 = [ 𝐼 − 𝑈𝑖. 𝐵𝑒 𝑄 − 𝑈𝑖2. 𝐵𝑒 𝜋. 𝑋𝐶. 𝑋𝐿. 𝐵𝑒 + 𝑠𝑖𝑛2𝛼 − 2𝛼 + 𝜋(2 −𝑋𝐿 𝑋𝐶) ] = 𝑔(𝛼, 𝑈, 𝑈𝑖, 𝐼, 𝑄, 𝐵𝑒) (2.3)
Trong đó, XC biểu diễn các biến và f biểu diễn các phương trình của hệ thống điều khiển.
Mơ hình hoạt động của SVC ở chế độ xác lập được suy ra từ các phương trình mơ hình hóa chế độ q độ bằng cách thay thế phương trình vi phân bằng phương trình đặc tính Vơn - Ampe ở chế đơ xác lập của SVC. Các phương trình mơ tả hoạt động của SVC ở chế độ xác lập:
0 = [𝑔(𝛼, 𝑈, 𝑈𝑈 − 𝑈𝑟𝑒𝑓+ 𝑋𝑆𝐿. 𝐼
𝑖, 𝐼, 𝑄, 𝐵𝑒)] (2.4)
Chương trình tính tốn lúc này sử dụng phép lặp với thông số được rời rạc hoá, với một giả thiết ban đầu về mức điện kháng đẳng trị. Giá trị ban đầu này được chọn dựa trên suy đoán mặc định ban đầu của người sử dụng hoặc dựa trên giá trị ban đầu của các biến xoay chiều và đặc tính của điện dẫn Be().
Lúc này q trình tính tốn cho phép xác định được điện áp tại nút đặt SVC. Nếu điện áp cao hơn trị số đặt, phép lặp sẽ giảm trị số điện kháng tức tăng công suất tiêu thụ (hay giảm công suất phát) của SVC. Ngược lại, nếu điện áp thấp hơn trị số đặt thì phép lặp sẽ tăng trị số điện kháng tức giảm công suất tiêu thụ (hay tăng công suất phát) của SVC. Do lúc này các hệ số của ma trận tổng dẫn Y khơng cịn là hằng số mà cần phải được xác định lại sau mỗi bước lặp nên nhược điểm của phương pháp này là có khả năng khơng hội tụ nếu có nhiều vị trí đặt SVC và khơng tận dụng được các chương trình tính tốn chế độ xác lập cũ.
2.1.2. Mơ hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng
Mơ hình này dựa vào đặc tính làm việc của SVC, mô phỏng SVC theo một tổ hợp của nguồn công suất phản kháng và phụ tải công suất phản kháng cung cấp qua
máy biến áp điều áp dưới tải. Khi đó có thể sử dụng thuật tốn thơng thường để giải bài toán và do vậy rất thuận tiện khi vẫn sử dụng các chương trình tính chế độ xác lập cũ.
Hình 2.1: Đặc tính làm việc của nguồn cơng suất phản kháng
Hình 2.2: Đặc tính của phụ tải cơng suất phản kháng qua máy biến áp điều áp dưới tải
Đặc tính làm việc của nguồn phát cơng suất phản kháng và của phụ tải công suất phản kháng cung cấp qua máy biến áp điều áp dưới tải có dạng như trên hình 2.1 và 2.2. Trong đó đối với đặc tính làm việc của nguồn, U0 là điện áp đặt của nguồn, Qmax và Qmin là các giới hạn điều chỉnh công suất phản kháng. Đối với đặc tính của phụ tải, U0 là điện áp đặt tương ứng với điện áp cần giữ ở phía hạ áp của máy biến áp điều áp dưới tải, U là phạm vi điều chỉnh của các đầu phân áp của máy biến áp, Q0 công suất phản kháng không đổi trong phạm vi điều chỉnh của các
Hình 2.3: Đặc tính làm việc của SVC
𝑄 = {
𝑄0[𝑏0+ 𝑏1(𝑈∗+ ∆𝑈𝑚𝑎𝑥∗ ) + 𝑏2(𝑈∗+ ∆𝑈𝑚𝑎𝑥∗ )2] 𝑘ℎ𝑖 𝑈 < 𝑈0− ∆𝑈𝑚𝑎𝑥 𝑄0 𝑘ℎ𝑖 𝑈0− ∆𝑈𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝑈 ≤ 𝑈0+ ∆𝑈𝑚𝑎𝑥
𝑄0[𝑏0+ 𝑏1(𝑈∗− ∆𝑈𝑚𝑎𝑥∗ ) + 𝑏2(𝑈∗− ∆𝑈𝑚𝑎𝑥∗ )2] 𝑘ℎ𝑖 𝑈 > 𝑈0 + ∆𝑈𝑚𝑎𝑥
Dễ dàng nhận thấy rằng khi phối hợp đặc tính của một nguồn cơng suất phản kháng và hai phụ tải cơng suất phản kháng thích hợp sẽ có được đặc tính làm việc của SVC. Các thơng số của nguồn và phụ tải công suất phản kháng được chọn như sau:
- Nguồn công suất phản kháng:
+ Chọn điện áp giữ của nguồn bằng điện áp giữ của SVC: U0 = U0SVC + Giới hạn điều chỉnh công suất phản kháng:
QmaxN = - QminNSVC QminN = - QmaxNSVC Phụ tải công suất phản kháng:
- Phụ tải thứ nhất: Công suất phản kháng không đổi bằng công suất phản kháng lớn nhất mà SVC có thể phát được :
𝑄01= 𝑄𝑚𝑎𝑥𝑆𝑉𝐶 = 𝑈0𝑆𝑉𝐶2
𝑋𝑚í𝑛𝑉𝐶
Hình 2.4: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng
Các thông số của đặc tính tĩnh phụ tải: b0 = b1= 0; b2 = 1
- Phụ tải thứ hai: Công suất phản kháng không đổi bằng công suất phản kháng nhỏ nhất mà SVC có thể phát (hay cơng suất phản kháng lớn nhất mà SVC có thể tiêu thụ):
𝑄02= 𝑄𝑚𝑖𝑛𝑆𝑉𝐶 = 𝑈0𝑆𝑉𝐶2
𝑋𝑚𝑎𝑥𝑉𝐶
Phạm vi điều chỉnh điện áp: U2max = U0SVC – U02 Các thơng số của đặc tính tĩnh phụ tải: b0 = b1= 0 ; b2 = 1
Các trị số U01, U02 được chọn tùy ý với khoảng cách đủ xa so với U0SVC sao cho đặc tính thu được phù hợp với hoạt động thực tế của SVC trong vùng làm việc.
Kết luận:
- Thiết bị TCR có ứng dụng rất rộng rãi và là phần tử chính trong các thiết bị bù dọc, bù ngang và các thiết bị khác nhằm tăng cường tính linh hoạt của đường dây truyền tải trong hệ thống điện.
- Khi dịng điện đi qua thyristor, ngồi thành phần cơ bản nó sẽ sinh ra các thành phần sóng hài bậc cao. Các thành phần này sẽ ảnh hưởng không tốt đến các chế độ vận hành của hệ thống điện và khi sử dụng các thiết bị bù điều khiển bằng thyristor hoặc triắc, để khắc phục hiệu ứng phụ này, ta phải đặt kèm theo chúng bộ lọc các sóng hài bậc cao.
- Dựa vào nguyên lý hoạt động của SVC bằng cách khai triển Fourier có thể xây dựng được đặc tính Z(U) hoặc Q(U) của nó. Các đặc tính Z(U) hoặc Q(U) nói chung có dạng phi tuyến, gián đoạn.
- Việc chọn tỷ lệ giữa giá trị XL và XC trong thiết bị bù là rất quan trọng bởi nó quyết định đến góc làm việc giới hạn của thiết bị. Đối với từng hệ thống điện cụ thể, ta phải có những tính tốn, phân tích kỹ hơn để đưa ra giá trị tối ưu của chúng. Ngồi ra, cần phải có phương thức vận hành, điều khiển các thiết bị bù trong trường hợp khi góc mở đạt giá trị tới hạn mà các thông số bù chưa đạt giá trị tối ưu.
- SVC được lắp đặt trong hệ thống điện có tác dụng tăng tính linh hoạt của hệ thống trên nhiều khía cạnh như: điều chỉnh điện áp tại chỗ SVC mắc vào lưới, làm tăng ổn định hệ thống, tăng khả năng truyền tải công suất, giảm tức thời quá điện áp, hạn chế khả năng cộng hưởng tần số và giảm dao động công suất…
- Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC đóng một vai trị quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện. Nó hoạt động trong hệ thống như một phần tử thụ động nhưng lại phản ứng của đối tượng tự thích nghi với thơng số chế độ.
2.2. Sơ đồ SVC ứng dụng điều khiển bù công suất phản kháng
2.2.1. Sơ đồ
Các linh kiện điện tử công suất lớn được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị bù của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh kiện linh hoạt (SVC) ở các nước phát triển trên thế giới.
Kỹ thuật truyền tải điện hiện đại đó sử dụng các thiết bị bù, dịch pha được điều khiển bằng các linh kiện điện tử công suất để cung cấp nguồn năng lượng khi cần thiết để đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện. Các thiết bị này kết hợp với các bộ vi điều khiển cho phép điều khiển nguồn năng lượng một cách linh hoạt, khả năng tự động hóa cao đảm bảo độ tin cậy và độ ổn định của hệ thống, trong đó hệ thống điều khiển đóng một vai trị quan trọng.
Hình 2.5: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van SVC
2.2.2. Chức năng hệ điều khiển
Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ đầu của điện áp trên anốt- catốt của Thyristor.
Tạo ra được các xung có đủ điều kiện mở được thyristor. Xung điều khiển thường có biên độ từ 2V đến 10V, độ rộng xung tx = 20 – 100 ms đối với cặp Thyristor đấu song song ngược hoặc .