Cấu trúc FC-TCR được cấu tạo gồm nhánh chỉnh cảm sử dụng Thyristor (TCR) và một nhánh tụ cố định (FC).Nhánh tụ cố định cung cấp lượng công suất phản kháng nhằm loại bỏ lượng công suất phản kháng gây ra bởi tải cảm.Khi mà phụ tải thay đổi dẫn tới lượng công suất phản kháng của nhánh tụ cố định bù thừa, thì nhánh TCR sẽ tiêu thụ lượng công suất phản kháng bù thừa đó bằng cách thay đổi góc kích mở Thyristor (α).
( ) 2 2 2 2sin L X fL (3.3)
Điểm mạnh của phương pháp bù FC-TCR là nó có thể bù chính xác lượng CSPK gây ra bởi phụ tải, nhưng phương pháp này yêu cầu tụ bù cố định lớn để có thể thích nghi được với sự thay đổi của phụ tải, hay nói cách khác là nó chỉ phù hợp với tải thay đổi nhỏ. Giả sử rằng phụ tải gây ra lượng công suất phản kháng Qload, tụ bù cố định cần cung cấp lượng công suất phản kháng nhỏ nhất là QCfixed = QLfixed hoặc lớn hơn (trong trường hợp phụ tải gia tăng lượng công suất phản kháng). Khi công suất phản kháng gây ra bởi phụ tải giảm xuống giá trị nhỏ nhất (QLoadmin) bằng 1/3 giá trị của QLfixed, thì giá trị lớn nhất của cuộn cảm ở nhánh TCR sẽ được tính bởi công thức sau.
min 2 2 2 Fixed L C C X L f f (3.4) 3.2.3. Phương pháp bù lai DSVC
Để loại bỏ nhược điểm của hai phương pháp bù động (DVC) và bù tĩnh (FC-TCR), trong luận văn này đề xuất giải pháp bù lai (Hình 3.4). Hệ thống bù lai không những thay đổi giá trị của tụ bù thông qua việc đóng cắt các chuyển
mạch giống với phương pháp bù DVC, mà đồng thời thay đổi giá trị của điện cảm giống với nhánh TCR của phương pháp bù FC-TCR.
Loads POWER FACTOR DEVICE CONTROLLER CAPACITOR BANK CBs Voltage sensor Current sensor TRANSFORMER TCR L REACTOR
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc bù lai DSV
- Nguyên lý làm việc cụ thể của hệ thống như sau:
Giả sử bộ tụ điện có 5 cấp, với tổng dung lượng là 5 Q (Q là dung lượng của 1 bộ tụ, điện dung các bộ tụ được chọn bằng nhau). Nếu công suất phản kháng tiêu thụ của tải ≤ Q, thì hệ thống điều khiển cho phép đóng 1 bộ tụ, khi công suất phản kháng của tải (Qt) thay đổi trong phạm vi trên, thì hệ thống điều khiển sẽ tự điều chỉnh góc mở Thyristor, để thay đổ dung lượng điện cảm đưa vào trong hệ thống, đảm bảo nguyên tắc bù lại phần công suất phản kháng của tải giảm đi, để giữ ổn định hệ số công suất theo yêu cầu. Trường hợp Q < Qt ≤ 2Q, hệ thống điều khiển sẽ đóng 2 bộ tụ (thêm 1 so với trường hợp trước), còn bộ biến đổi xoay chiều xoay chiều điều khiển dung lượng cuộn kháng vẫn làm việc tương tự như trên. Trường hợp 2Q < Qt ≤ 3Q, hệ thống đóng 3 bộ tụ vào
làm việc; tương tự 3Q < Qt ≤ 4Q, hệ thống đóng 4 bộ tụ vào làm việc; còn khi 4Q < Qt ≤ 5Q, hệ thống đóng 5 bộ tụ vào làm việc. Khi công suất phản kháng của tải thay đổi tùy theo mức độ tiêu thụ hệ thống điều khiển sẽ tự động đóng hoặc cắt 1 một số bộ tụ theo nguyên tắc như trên.
Từ nguyên tắc hoạt đông trên thì có thể thấy tổng dung lượng cuộn kháng chỉ bằng dung lượng của một bộ tụ, điều đó cho phép giảm nhỏ công suất của cuộn kháng và bộ biến đổi xoay chiều xoay chiều. Tuy nhiên hệ thống điều khiển có độ phức tạp lớn hơn.
3.3. Kết luận chương 3
Chương 3 đưa ra cơ sở lý thuyết thực hiện việc bù công suất phản kháng kiểu bù tụ điện tĩnh.Trong chương này đã trình bày chi tiết về bù công suất phản kháng với các cấu trúc kiểu SVC và đề xuất cấu trúc bù lai kiểu DSVC, trên cơ sở cấu trúc đề xuất này tác giả sẽ đi xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống và đánh giá chất lượng bù công suất phản kháng (nâng cao hệ số công suất cos) thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÙ COS TĨNH
4.1. Thiết kế hệ thống điều khiển bù công suất phản kháng kiểu tĩnh FC-TCR TCR
4.1.1.Mô hình hóa hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR
Hình 4.1. Mô hình hóa của hệ thống bù CSPK FC-TCR
Hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR là một trong các phương pháp bù công suất phản kháng kiểu tĩnh SVC (như đã được trình bày ở chương 3), trong đó bao gồm hai thành phần chính là nhánh tụ bù cố định và nhánh cảm thay đổi thông qua việc thay đổi góc kích mở Thyristors.
Trong đó thiết bịTCR (Thyristor Controlled Reactor): Là thiết bị dùng điều khiển một cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với tụ tĩnh và lưới bằng cách điều khiển góc kích của thyristor và được nối vào thanh cái điện áp thấp.
Sơ đồ mạch một pha của bộ TCR, bao gồm cặp thyristor mắc song song, ngược chiều nhau và nối tiếp với cuộn cảm kháng tuyến tính.
Hình 4.2. Sơ đồ mạch FC-TCR
Trong đó:
XL: Cảm kháng chính.
T: Thyristor có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR. G: Cực kích của thyristor.
Đóng ngắt có điều khiển các thyristor kết hợp với đáp ứng của cuộn kháng tuyến tính cho phép điện kháng hiệu dụng tần số cơ bản của TCR, mà nó là hàm số của góc kích, thay đổi một cách liên tục từ giá trị điện kháng xác định của cuộn kháng (ứng với trạng thái dẫn hoàn toàn của Thyristor) đến một giá trị vô hạn (ứng với trạng thái ngắt của thyristor).
FC (fixed capacitor): là thành phần tụ có giá trị lớn đủ để tạo ra lượng
CSPK đủ để bù cho lượng công suất phản kháng lớn nhất mà phụ tải gây ra.
4.1.2. Tính toán giá trị tụ bù cố định FC
Tụ điện tĩnh là thành phần chính cung cấp lượng dung kháng để tạo ra công suất phản kháng bù trái dấu với CSPK của phụ tải. Bởi vì thông thường, hầu hết các phụ tải mang tính cảm, do đó điện áp sớm pha hơn so với dòng điện, điều này dẫn tới việc tồn tại hệ số công suất trễ. Để hệ số công suất tiến tới giá trị mong muốn thì ta cần bù lượng CSPK bằng đúng giá trị CSPK phụ tải gây ra, và bất kỳ việc bù thừa hoặc bù thiếu đều dẫn tới hệ số công suất nhỏ
hơn 1. Do đó ta có công thức tính giá trị tụ bù cho hệ thống bù công suất phản kháng sau:
C = Qc
2πf. |Vrms|2 = PLoad(tan φ1− tan φ2) 2πf. |Vrms|2
(4.1)
Trong đó:
𝑉𝑟𝑚𝑠: Giá trị điện áp hiệu dụng đặt trên tụ (đơn vị là V)
𝑄𝑐: Giá trị của tụ điện (đơn vị là Var)
𝑃𝐿𝑜𝑎𝑑: Công suất tác dụng của phụ tải (đơn vị là W)
φ1: Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện trước khi thực hiện bù CSPK
φ2: Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện mong muốn sau khi thực hiện việc bù CSPK
𝑓: Tần số của lưới điện (đơn vị là Hz)
Trong thực tế sản xuất, thì tải có thể thay đổi phụ thuộc vào yêu cầu của các nhà máy. Để thích ứng với việc thay đổi đó, thì giá trị tụ bù cố định nên được chọn lớn hơn sao cho đủ để cung cấp cho lượng CSPK lớn nhất có thể gây ra bởi phụ tải.
CFixed > Cright compensated
Hoặc QC Fixed > QC right compensated
Trong đó CSPK gây ra bởi phụ tải tại thời điểm hoạt động sản xuất bình thường sẽ bằng lượng công suất phản kháng mà tụ bù cần cung cấpQLoad = QC right compensated.
4.1.3. Tính toán giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR
Bộ SVC không trao đổi lượng công suất phản kháng với lưới điện khi mà hệ số công suất bằng 1, và dưới điều kiện hoạt động đó lượng công suất phản kháng mà nhánh tụ cố định bù thừa sẽ được hấp thụ bởi điện cảm trên nhánh TCR.Giá trị điện cảm (L) ở nhánh TCR được tính bởi công thức sau.
L = XL 2πf =
|XCFixed − XC| 2πf
(4.2)
Trong đó: XL, XCFixed, XC tương ứng sẽ là trở kháng của điện cảm (L) ở nhánh TCR, dung kháng của tụ bù cố định, và giá trị dung kháng bù đủ trong điều kiện phụ tải không tăng CSPK.
4.1.4 Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor (α), và việc bù CSPK và việc bù CSPK
Sự phụ thuộc của điện cảm (L) vào góc kích mở thyristors (α)
Bản chất việc điều chỉnh cảm kháng của nhánh TCR là điều khiển góc kích mở Thyristor để điều chỉnh dòng điện đi qua điện cảm, từ đó điều khiển lượng công suất phản kháng hấp thụ bởi nhánh TCR. Dòng điện qua điện cảm có thể được điều khiển bằng cách thay đổi góc kích mở Thyristor (α) và được tính theo công thức sau.
IL = V 2πfL∗
2π − 2α + 2 sin α π
(4.3)
Cảm kháng biến đổi và điện cảm (L) được biểu diễn bởi hàm số của góc kích mở thyristor như phương trình sau.
XL(α) = 2πfL ∗ π 2π − 2α + 2 sin α (4.4) L(α) = L ∗ π 2π − 2α + 2 sin α (4.5) Trong đó:
IL: là dòng điện chạy qua nhánh TCR (đơn vị A)
α: là góc kích mở Thyristor, có giới hạn nằm trong khoảng (0, π) ( đơn vị rad)
L(α)là hàm số biểu thị giá trị điện cảm theo góc kích mở thyristor (đơn vị H)
XL(α)là hàm số biểu diễn hàm cảm kháng thay đổi của nhánh TCR ứng với góc kích mở thyristor (đơn vị Ω).
Ta có thể thấy rằng cảm kháng của nhánh TCR là một hàm phụ thuộc và nó tỷ lệ với góc kích mở thyristor (α).
Cơ sở của việc bù công suất phản kháng
Công suất phản kháng gây ra bởi phụ tải được bù bởi nhánh bù FC-TCR được mắc song song với phụ tải.Tổng công suất phản kháng của bộ FC-TCR được tính bởi công thức sau.
Q(α) = Vrms2(BCFixed − BL(α)) (4.6) Trong đó:
BCFixed là điện dẫn của tụ bù cố định và được tính bởi công thức sau.
BCFixed = 1 XCFixed
(4.7)
BL(α)là điện dẫn của nhánh TCR được xác định như là một hàm phụ thuộc vào góc kích mở Thyristor và được mô tả bởi phương trình sau.
BL(α) = 1 2πfL∗
2π − 2α + 2 sin α π
(4.8)
4.1.5. Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols
Phương pháp Ziegler-Nichols là pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dự vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển. Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng, Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển [2]:
Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất:
Phương pháp này áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (Hình 4.6) như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ…
Hình 4.3.Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S
Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:
Bảng 4.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất
Thông số BĐK k p TI TD P T2/(k.T1) - - PI 0,9T2/(k.T1) T1/0,3 - PID 1,2T2/(k.T1) 2T1 0,5T1
Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai:
Phương pháp này áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ… Đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vô cùng. Phương pháp này được thực hiện như sau:
- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại (hình 4.5). - Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa.
- Xác định chu kỳ Tth của dao động.
Hình 4.5. Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth
Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:
Bảng 4.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2
Thông số
BĐK kp TI TD
P 0,5kth - -
PI 0,45kth 0,85Tth -
PID 0,6kth 0,5Tth 0,125Tth
Thiết kế bộ điều khiển của hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR
Giá trị tụ điện bù đủ đối với phụ tải tương ứng được tính bởi công thức sau:
C = PLoad(tan 𝜑1− tan 𝜑2)
2πf. |Vrms|2 = 0.1476mF (4.9)
Giá trị tụ bù cố định được lựa chọn sao cho có thể thích ứng với lượng công suất phản kháng tăng lên 2.5 lần.
Suy ra ta có: CFixed = 2.5C = 0.369mF
Ứng với giá trị của tụ bù cố định ở nhánh FC, thì ta tính được giá trị điện cảm (L) trên nhánh TCR theo công thức sau:
L = XL 2πf =
|CFixed − C|
(2πf)2 = 41.4677mH (4.10)
Thông số của bộ điều khiển PID được xác định thông qua thực nghiệm theo phương pháp Zigler-nichol. Bộ điều khiển được áp dụng là dạng tỷ lệ - tích phân (PI), và có hàm truyền như phương trình sau:
𝑃𝐼(𝑠) = 𝐾𝑝 + 𝐾𝑖.1 𝑠
(4.11)
Trong đó: Kp = 7.5, và Ki = 150
4.2.Kết quả mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink
4.2.1. Sơ đồ mô phỏng
Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển hệ thống bù CSPK FC-TCR
Để xây dựng sơ đồ mô phỏng, ta xuất phát từ cấu trúc điều khiển cho bởi hình 4.6. Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển hình 4.6, ta đi xây dựng các khối trong Matlab/Simulink như sau:
- Khối nguồn:
Hình 4.7. Khối nguồn một pha cung cấp cho phụ tải
- Khối Thyristor:
Hình 4.8. Khối Thyristor và thông số (gồm 2 Thyristor mắc song song ngược)
- Khối mô hình đối tượng điều khiển
Khối này bao gồm nguồn, thyristor, tụ bù, tải, v.v... và ta có sơ đồ khối này trên Matlab/Simulink như hình 4.9:
Hình 4.9. Khối mô hình đối tượng điều khiển
- Khối phát sung điều khiển
- Khối tính công suất P, Q
Hình 1.11. Khối tính toán công suất tác dụng, phản kháng P, Q
Từ các khối cơ bản trên ta có sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink của toàn hệ thống bù công suất phản kháng như hình 4.12:
4.2.2. Kết quả mô phỏng
Giả thiết rằng thiết kế hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR cho hệ thống điện một pha với thông số sau:
Công suất phụ tải (động cơ) PLoad=2.2KW
Điện áp định mức hiệu dụng của phụ tải: Vrms= 220V; Hệ số công suất trên nhãn động cơ: cos𝜑 = 0.7
Cấu trúc điều khiển được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng hệ trên công cụ Matlab/Simulink.Với mục đích kiểm tra tính đúng đắn của hệ thống, hệ số công suất mong muốn được đặt ban đầu là 0.85, tiếp đến tăng lên 0.9 tại thời điểm 0.4s, và sau đó lại giảm xuống 0.85 ở thời điểm 0.8s. Đối với phụ tải có thông số: P = 2kW; U = 220V; Cos𝜑 =0.7; f =50Hz, thì đáp ứng
cos của hệ thống và điện áp điều khiển Udk (V) được thể hiện qua hình 4.13 và hình 4.14.
Hình 4.17: Đáp ứng cos của hệ thống
Hình 4.14. Đáp ứng điện áp điều khiển
Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng phương pháp bù CSPK kiểu FC-TCR cho chất lượng rất tốt, mặc dù khi tải thay đổi và gây ra lượng thay đổi về công suất phản kháng thì hệ thống bù vẫn duy trì được hệ số công suất bám theo hệ số công suất đặt như ở hình 4.15.
Hình 4.19 Đáp ứng cos của hệ thống (khi tải thay đổi)
Cả hai kết quả mô phỏng ở hình 4.13 và hình 4.15 chứng minh rằng đáp ứng của hệ thống là tương đối tốt mặc dù vẫn còn dao động nhưng với kết quả này cho thấy hoàn toàn có thể triển khai vào thực tế.
Hình 4.16. Xung kích mở thyristors và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh TCR
Hình 4.17. Xung kích mở thyristors và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh TCR(Khi thay đổi tải)
Xung kích mở thyristor và điện áp trên điện cảm thuộc nhánh TCR được đưa ra ở Hình 4.16 và Hình 4.17 tương ứng với phụ tải cố định và phụ tải thay đổi.
Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng cấu trúc điều khiển đề xuất có chất lượng tương đối tốt mặc dù vẫn còn một số hạn chế về dao động nhưng hệ thống đã đáp ứng tốt theo yêu cầu thay đổi cosphi cũng như khi thay đổi tải thì hệ thống điều khiển vẫn duy trì được hệ số công suất thực bám hệ số công suất đặt.
4.3. Kết luận chương 4
Chương 4 đưa ra các bước mô hình hóa hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR trên Matlab/Simulink, tính toán các tham số của hệ thống đối