L ỜI NÓI ĐẦU
2.4. Hệ thống bảo vệ cho DVR và một số thiết bị khác trong hệ thống DVR
Phương pháp bảo vệ ngắn mạch BBĐ trong hệ thống DVR có thể được tiếp cận theo hai hướng đó là phương pháp thụ động và phương pháp tích cực, tài liệu [12], [13]:
• Các phương pháp thụ động: Không ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch dựa trên việc rẽ mạch dòng điện lưới để nó không chạy qua các phần tử nhạy cảm. Phương pháp bảo vệ đơn giản và phổ biến nhất là dựa trên sự đảm bảo đường thay thế cho dòng điện lưới, tạo đường nối tắt biến áp nối tiếp, hình 2.12:
Hình 2.12: Sơ đồ bảo vệ thụ động hệ thống ngắn mạch biến áp nối tiếp
Mạch bảo vệ hệ thống DVR phải hoạt động không chậm trễ, bảo vệ hệ thống đến thời gian bảo vệ lưới tác động. Do đó, bộ chuyển mạch phải sử dụng các linh kiện bán dẫn, ví dụ hai thyristor SCR mắc song song ngược.
Biến áp chèn được mắc nối tiếp, là làm việc tương tự như bộ biến đổi dòng điện (biến dòng). Cũng vì lẽ đó trong hoạt động bảo vệ phía bộ biến đổi không thể để hở mạch.
Chương 2: Bộ khôi phục điện áp động.
38
Trên hình 2.13 giới thiệu một phương pháp bảo vệ bằng cách rẽ mạch bộ biến đổi. Mạch bảo vệ gồm varistor mắc song song với bộ chuyển mạch thyristor ở phía cuộn thứ cấp của biến áp nối tiếp. Hiệu ứng áp dụng là trong khi dòng điện ngắn mạch chạy qua máy biến áp, làm lõi biến áp đi vào trạng thái bão hòa, trong tình trạng này điện áp trên hai đầu cuộn thứ cấp biến áp bị méo dạng và có giá trị lớn, đồng thời lúc này hệ thống điều khiển đo dòng điện trong nhánh varistor được xác định và nếu nó vượt quá giá trị giới hạn nhất định, thì tạo ra các xung kích mở thyristor, dòng điện ngắn mạch chạy qua các thyristor rẽ mạch cho tới khi bảo vệ lưới tác động. Chỉ có bộ biến đổi được bảo vệ, biến áp chèn phải được thiết kế có tính đến dòng ngắn mạch. Thiết kế mạch bảo vệ kiểu này cần thiết phải chọn hợp lý varistor về phương diện giá trị năng lượng tỏa ra xung quanh.
• Các phương pháp tích cực: Có ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch, nó được thực hiện bằng việc điều khiển thích hợp các chuyển mạch của bộ biến đổi sao cho hạn chế dòng điện chạy qua và không cho phép sự tăng lên quá mức điện áp trên các tụ điện phía DC của bộ biến đổi.
Hình 2.14: Đường đi dòng điện trong trạng thái ngắn mạch: a) Trạng thái OFF khi ngắt mạch tất cả các chuyển mạch BBĐ, b) Trạng thái NULL các chuyển mạch ngắn
mạch ở phía AC của BBĐ
2.4.2. Bảo vệ hở mạch lưới
Hệ thống DVR có thể coi là nguồn năng lượng bổ sung trong hệ thống khi có biến cố lõm điện áp, nó không thể làm việc đúng nếu hở mạch phía lưới nguồn hoặc phía tải.Trường hợp hở mạch nguồn, thông qua tải bên cạnh chiều dòng điện sẽ ngược
Chương 2: Bộ khôi phục điện áp động.
39
lại, hình 2.15a. Để kịp thời bảo vệ hở mạch phải phát hiện thời điểm xảy ra hở mạch. Chỉ riêng đo điện áp có thể là không đủ, do có hồi tiếp giữa các pha qua biến áp lưới hoặc các tải bên cạnh. Trong trường hợp này sự hở mạch trong một pha có thể coi như sự giảm điện áp. Giải pháp là khống chế chiều chuyển công suất, nếu xảy ra thay đổi chiều, hệ thống DVR phải được ngắt, tài liệu [13].
Hình 2.15: Các tình trạng hỏng hóc với sự có mặt của hệ thống DVR: (a) hở mạch phía nguồn, (b) ngắn mạch phía nguồn, trong đó k là hệ số chia điện áp phụ thuộc vào
trở kháng các tải
Nếu một trong các chức năng của hệ thống DVR là đảm bảo tính liên tục của nguồn, cần sử dụng hệ thống các chuyển mạch với mục đích thay cấu trúc nguồn của tải được bảo vệ, ngắt mạch nó khỏi lưới nguồn và đảm bảo đường chạy hợp lý của dòng điện trong vòng hệ thống DVR, tải được bảo vệ.
Hình 2.15b là trường hợp ngắn mạch phía nguồn điện áp Us ≈ 0 hệ thống sẽ cố gắng duy trì điện áp danh định trên tải thông qua các mạch hình thành qua các tải bên cạnh hoặc các nhánh ngắn mạch.
2.4.3. Bộ lọc tần số chuyển mạch.
Để cải thiện dạng điện áp chèn tạo ra bởi bộ biến đổi người ta sử dụng bộ lọc thụ động. Bộ lọc thường được sử dụng là mạch cộng hưởng LC. Tuy nhiên cũng xuất hiện những vấn đề nhất định khi sử dụng bộ lọc loại này như sau, tài liệu [13], [22], [24]:
- Các trạng thái không xác lập trong điện áp và dòng điện của bộ biến đổi, của tải hoặc trong đường nguồn có thể làm mạch LC dao động cộng hưởng. Hiệu ứng tương tự có thể gây ra các hài bậc cao trong điện áp lưới.
Chương 2: Bộ khôi phục điện áp động.
40
- Sự có mặt của bộ lọc dẫn đến động học bổ sung bậc như bậc của bộ lọc, sự cần thiết phải bù động học này gây phức tạp điều khiển hệ thống DVR.
Việc lọc điện áp ra của bộ biến đổi đạt được những hiệu quả khác nhau thông qua các cách mắc 2 phần tử L và C. Một số cấu trúc có thể kể ra như :
- Cấu trúc có tụ điện ở phía nguồn
- Cấu trúc có tụ điện ở phía nguồn và phía tải - Cấu trúc có tụ điện song song với bội biến đổi
Mỗi dạng cấu trúc đều có những ưu nhược điểm khác nhau. Ở cấu trúc có tụ điện ở phía nguồn, do điện áp chèn bị méo nên điện áp trên tải cũng bị méo và chứa tất cả các thành phần liên quan đến tần số chuyển mạch của bộ biến đổi. Còn cấu trúc có tụ điện ở phía nguồn và tải cho kết quả là điện áp tải không chứa thành phần liên quan đến tần số chuyển mạch. Với cấu trúc có tụ điện song song với bộ biến đổi điện áp bộ biến đổi được lọc các thành phần hài do chuyển mạch của bộ biến đổi, do vậy trong phạm vi đề tài cấu trúc này được dùng để tối ưu do hạn chế tối thiểu độ méo điện áp trên tải. Trong cấu trúc tụ điện kết nối song song với bộ biến đổi (ở đây là DVR) , ta thường lựa chọn một trong hai cấu trúc sau:
a. Bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi.
Cấu trúc của bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi mô tả ở hình 2.16, các tính chất đặc trưng khi bố trí bộ lọc ở phía bộ biến đổi :
Hình 2.16: Bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi.
- Điện áp danh định của các linh kiện nhỏ hơn, được xác định bởi điện áp cực đại của bộ biến đổi, thường nhỏ hơn mức điện áp trên tải.
Chương 2: Bộ khôi phục điện áp động.
41
- Các hài bậc cao của dòng điện không chạy qua biến áp chèn - Giảm tốc độ gia tăng điện áp.
- Các phần bộ lọc gây ra giảm điện áp và dịch pha của thành phần cơ bản
b. Bộ lọc LC ở phía nguồn
Cấu trúc bộ lọc LC phía nguồn được mô tả trên hình 2.17, các đặc trưng khi bố trí bộ lọc ở phía nguồn :
Hình 2.17: Bộ lọc LC phía nguồn.
Sự giảm điện áp và dịch pha của điện áp chèn hài cơ bản chỉ liên quan đến điện cảm tản của biến áp nối tiếp.
- Các hài bậc cao dòng điện chạy qua biến áp chèn, gây tổn hao lớn có thể cần thiết, buộc phải sử dụng lõi làm bằng vật liệu đặc biệt hoặc tăng công suất biến áp.
- Tốc độ gia tăng điện áp không bị hạn chế bởi bộ lọc. Nhận xét:
Mỗi phương pháp bố trí bộ lọc LC lại có những ưu nhược điểm nhất định, nhưng việc bố trí bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi đem lại nhiều lợi thế hơn với cấu trúc DVR. Trong luận văn này, phương pháp bố trí bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi sẽ được sử dụng.
2.4.4. Các phương pháp tích trữ năng lượng.
Vai trò kho năng lượng dựa trên việc tăng khả năng của hệ thống DVR trong bù lõm điện áp. Do đó phải có mật độ công suất cao trên đơn vị khối lượng, khả năng nạp điện và phóng điện nhanh. Trong các áp dụng đối với hệ thống DVR và các hệ thống nối tiếp thường gặp các phương án sau đây, tài liệu tham khảo [12], [13], [14], [23]:
Chương 2: Bộ khôi phục điện áp động.
42
• Bảng tụ điện: là phương pháp tích trữ năng lượng thường hay dùng nhất. Ưu
điểm của các tụ điện là công suất tức thời có thể đạt được lớn, trên 1kW/kg. Hiện nay, các tụ điện gốm được sử dụng có thể làm việc với điện áp cố định tới 1kV. Các giải pháp được công bố mô tả việc áp dụng các tụ điện có điện dung tổng từ 2mF đến 16mF khi điện áp danh định phía DC vào khoảng 600 V. Năng lượng tích trữ trong các bảng tụ điện trong khoảng từ 320J đến 800 kJ.
• Các siêu tụ điện là một giải pháp thay thế lớn đối với các tụ điện do có điện dung lớn (từ 50 F đến 5000 F) và giá trị năng lượng tích trữ trên đơn vị khối lượng lớn (điển hình 500-2000 W/kg, thậm chí 6 kW/kg). Hiệu suất của chúng (đo trong chu kỳ nạp-phóng) dao động trong khoảng 90%-95%. Nhưng yêu cầu khi làm việc với điện áp thấp, điển hình từ 2,5V đến 5,5V trên phần tử đơn, có nghĩa là cần phải sử dụng hệ thống thích phối hoặc mắc nối tiếp các đơn vị làm giảm đồng thời điện áp danh định phía DC của bộ biến đổi. Hệ thống đặc trưng là không có biến áp chèn.
• Các ắc quy axit-chì: Ắc quy rẻ hơn các tụ điện khi tính cho năng lượng tích trữ theo kJ nhưng đặc trưng bởi trở kháng trong cao và động học phóng điện phức tạp. Thường dùng nhất là các ắc quy axit-chì, trong một số trường hợp có sử dụng nikel- kim loại-hydrua và nikel-ion và chủ yếu chỉ thích hợp cho các hệ thống duy trì điện áp như UPS.
Ắc quy có đặc trưng là mật độ công suất nhỏ hơn của tụ điện, cỡ 200 đến 400W/kg, chứng tỏ sự thay thế mật độ năng lượng tích trữ lớn, từ 20 đến 36Wh/kg, chúng có điện áp làm việc tương đối thấp, khoảng 12V và yêu cầu thủ tục nạp điện đặc biệt. Như vậy cần sử dụng hệ thống biến đổi trong mạch trung gian DC.
Do ắc quy là các hệ thống điện hóa, chúng có ảnh hưởng xấu đến môi trường tự nhiên và đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên. Các tính chất này làm cho ắc quy ít được sử dụng trong các hệ thống nói chung và DVR nói riêng.
• Các cuộn cảm siêu dẫn (SMES) là phần tử tích trữ năng lượng điện trong từ trường tạo ra bởi dòng điện một chiều chạy trong cuộn siêu dẫn. Chúng yêu cầu duy trì nhiệt độ thấp cho cuộn dây, lõi và hệ thống làm mát. Điều đó chứng tỏ rằng nhiệt độ làm việc của cuộn cảm là hiệu ứng trung hòa nhất định giữa giá cả và các yêu cầu. Các
Chương 2: Bộ khôi phục điện áp động.
43
cuộn cảm siêu dẫn nhiệt độ thấp tiếp cận được hiện nay nhưng các cuộn cảm siêu dẫn nhiệt độ cao đang trong thời kỳ thử nghiệm.
Các cuộn cảm đặc trưng bởi cấu trúc gọn, tuổi thọ cao và tiếp cận tức thời công suất. Nhược điểm của chúng là giá thành đơn vị cao. Trong các hệ thống DVR công suất lớn, giá thành để thực hiện bộ biến đổi có thể lớn hơn nhiều lần so với giá thành của hệ thống SMES và trong các hệ thống này sử dụng SMES sẽ kinh tế hơn.
• Các giải pháp điện cơ: Các giải pháp điện cơ dựa trên việc sử dụng bánh quay (Bánh đà) nơi mà năng lượng tích trữ ở dạng động năng của khối lượng quay. Giá trị năng lượng này phụ thuộc vào mô men quán tính và tốc độ quay của bánh quay. Các hệ thống sử dụng hiện nay có thể phân làm hai nhóm:
Các hệ thống quay tự do, sử dụng bánh quay có tốc độ quay khoảng 10000 vòng/phút và khối lượng tương đối lớn (mô men quán tính lớn).Các hệ thống quay nhanh, tốc độ bánh cỡ 100000 vòng/phút, bản thân bánh có khối lượng không lớn.
Nhược điểm của chúng là tổn thất năng lượng lớn do cọ xát với sức cản của không khí, có thể loại bỏ chỉ bằng cách áp dụng hộp chân không. Nhưng giải pháp như thế làm tăng giá thành chung cả hệ thống.
2.5. Tóm tắt và kết luận.
Trong chương này ta đã phân tích các thành phần cụ thể của bộ khôi phục điện áp động, trong đó đã chỉ rõ ưu nhược điểm của từng cấu trúc mạch lực của hệ thống DVR cũng như phương pháp kết nối hệ thống vào lưới điện. Đây là cơ sở quan trọng để đưa ra đánh giá về khả năng làm việc của hệ thống DVR, phương pháp xây dựng thuật toán điều khiển cho DVR. Cuối cùng ta lựa chọn cấu trúc DVR có bộ biến đổi AC/DC nằm phía tải kết nối với lưới thông qua máy biến áp như trong hình 2.8. Cấu trúc này có thiết kế tương đối đơn giản cả về phần điều khiển và cấu trúc mạch lực, có khả năng bù được cả các lõm điện áp cân bằng và lõm điện áp không cân bằng và các nhiễu loạn điện áp khác nhau như dao động điện áp hay méo điện áp. Mặt khác cấu trúc này còn phù hợp để bù các lõm điện áp xảy ra trong thời gian dài. Ta sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển cấu trúc này ở trong chương 3 của luận án này.
Chương 3: Thiết kế phần mạch lực cho hệ thống DVR.
44
Chương 3
THIẾT KẾ PHẦN MẠCH LỰC CHO HỆ THỐNG DVR
Với những ưu điểm đã được trình bày trong chương 2, chương này ta sẽ sử dụng cấu trúc DVR cấu trúc DVR sử dụng nguồn cung cấp từ nguồn chỉnh lưu phía tải để tính toán. Phương pháp này khắc phục được các nhược điểm giới hạn năng lượng của phương pháp cấp nguồn sử dụng bộ lưu trữ năng lượng. Ngoài ra nó còn phù hợp với nhiều loại lõm điện áp khác nhau, đặc biệt là các lõm điện áp có thời gian kéo dài, các lõm sâu yêu cầu công suất bù lớn. Ngoài ra còn một số các thành phần khác như: Máy biến áp nối tiếp, bộ lọc tần số chuyển mạch,… Các thành phần này cấu trúc bộ khôi phục điện áp động liên kết theo những cách khác nhau, liên quan chặt chẽ đến khả năng khôi phục điện áp tải của DVR và chiến lược xây dựng thuật toán điều khiển của nó trong việc bù lõm điện áp và bù các biến động điện áp trên lưới điện. Các tài liệu tham khảo đã sử dụng trong chương này tài liệu [1], [2], [3], [13], [18], [22], [24].
3.1. Các thông số đầu vào ban đầu để tính toán DVR
Hình 3.1: Sơ đồ mạch nguồn và tải
Luận văn này sẽ đi sâu vào việc thiết kế DVR cho một tải cụ thể có các tham số như trong bảng dưới đây:
Bảng 3.1: Các thông số đầu vào nguồn và tải của hệ thống Thông số phía nguồn
Điện áp dây VS 380 V
Tần số f 50Hz
Thống số tải:
Chương 3: Thiết kế phần mạch lực cho hệ thống DVR.
45
Điện cảm tải AC LL 2mH
Điện dung tải DC CL 2mF
Điện trở tải RL 15Ω
3.2. Cấu trúc mạch lực của DVR và tính toán các tham số cần thiết.
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc mạch lực cho DVR sử dụng ba bộ biến đổi một pha, có bộ biến đổi AC/DC mắc phía tải.
Cấu trúc chi tiết mạch lực của DVR được lựa chọn như trên hình 3.2, cấu trúc được lựa chon để đáp ứng các yêu cầu bảo vệ tải nhạy cảm bao gồm các thành phần sau :
- Nguồn cung cấp cho DVR được chình lưu từ phía tải thông qua bộ lọc. - Bộ biến đổi VSC sử dụng cấu trúc nghịch lưu ba pha dùng ba BBĐ một pha.