L ỜI NÓI ĐẦU
4.1. Quá trình khởi động, các chế độ hoạt động và hạn chế của DVR
Các chế độ hoạt động của DVR có liên quan đến yêu cầu về xây dựng thuật toán điều khiển, DVR có 3 chế độ hoạt động cơ bản khác nhau được trình bày dưới đây, tài liệu [13]:
• 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. Trong chế độ chờ, DVR có thể có phần việc thứ hai và hoạt động dưới các chế độ hoạt động như dưới đây:
- Chế độ tổn hao thấp: DVR không thực hiện các chuyển đổi và các hao phí trên DVR là nhỏ nhất.
- Chế độ chặn sóng hài và cân bằng điện áp: DVR cải thiện điện áp tải và bù cho một điện áp có chất lượng thấp. DVR có thể thực hiện các chuyển đổi và nó được dự kiến sẽ chèn một điện áp tương đối nhỏ.
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
57
- Chế độ tụ: DVR được điều khiển để hoạt động như một tụ điện nối tiếp, do đó, nó có thể bù cho một điện cảm đường dây lớn.
• 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 của DVR.
4.1.2. Quá trình khởi động của DVR.
Khi DVR được kết nối vào lưới điện thông qua các khóa cơ khí hoặc khóa điện từ, năng lượng từ lưới sẽ được lấy để nạp cho tụ điện DC-link ở mức định mức. Trong quá trình này bộ nghịch lưu nguồn áp sẽ không được kết nối với lưới để tranh tạo các dao động vào lưới.
Sau khi tụ điện đã được nạp đầy, DVR sẽ được đưa về chế độ chờ sẵn sàng chuyển về chế độ bù để ngay lập tức bù một sự cố lõm điện áp từ nguồn cung cấp. Việc này sẽ rút ngắn thời gian tác động của DVR khi xảy ra sự cố lõm điện áp.
4.1.3. Những hạn chế của DVR trong quá trình hoạt động.
Trong quá trình hoạt động, DVR có thể gặp phải những hạn chế, việc giải quyết những hạn chế của DVR có ảnh hưởng chặt chẽ đến việc đưa ra các chiến lược điều khiển cho DVR. Dưới đây sẽ trình bày về bốn hạn chế chính của DVR, tài liệu [13]:
• 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.
• Giới hạn về 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 lớn hơn.
• Giới hạn năng lượng: 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.
Ngoài bốn hạn chế chính kể trên còn một số hạn chế khác có thể ảnh hưởng đến hoạt động của DVR như sau:
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
58
• Hạn chế về thời gian phản ứng của DVR, khi đó một DVR phản ứng bù lõm chậm có thể gây ra những nguy hiểm đối với tải. Trong khi đó phản ứng nhanh của DVR sẽ làm giảm ảnh hưởng của lõm điện áp từ phía tải.
• Ngoài ra DVR còn bị hạn chế bởi các tác nhân khác như : Bão hòa điện áp, dòng khởi động cao, giới hạn băng thông hệ thống, trở kháng lọc.
Từ các yêu cầu về chế độ hoạt động của DVR và những hạn chế còn gặp phải của DVR ta xây dựng thuật toán điều khiển DVR được trình bày sau đây.
4.2. Phương pháp tạo điện áp chèn.
4.2.1. Phương pháp tạo điện áp chèn với lõm điện áp cân bằng.
Rất nhiều phương pháp điều khiển khác nhau đã được đánh giá để điều khiển DVR, tuy nhiên phương pháp thường được sử dụng nhất là đặt các điện áp của DVR cùng pha với nguồn cung cấp, bất kể góc pha thực tế của dòng điện tải. Một lõm điện áp đối xứng được đặc trưng bởi thời gian lõm, giảm biên độ và nhảy góc pha. Một số phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu, trong đó, biên độ điện áp là yếu tố phải đảm bảo phục hồi, còn góc pha là sự khác nhau giữa các phương pháp. Có 3 phương pháp điều khiển góc pha của điện áp sau phục hồi đó là, tài liệu [13]:
• Phương pháp điều khiển trước lõm: Đồng pha với điện áp trước khi lõm. • Phương pháp điều khiển đồng pha: Đồng pha với điện áp trong khi lõm.
• Phương pháp điều khiển tối ưu hóa năng lượng: Điều khiển sao cho công suất tác dụng chèn vào là thấp nhất.
a. Phương pháp điều khiển trước lõm.
Nguyên lý của phương pháp “Trước lõm” được thể hiện trên hình 4.1. Khi hệ thống điện hoạt động trong điều kiện bình thường, độ lớn điện áp nguồn cung cấp Us được xác định như điện áp trước lõm và được ký hiệu US-presag.
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
59
Hình 4.1. Đồ thị vector của phương pháp trước lõm.
Trong trường hợp này, DVR không chèn bất kỳ điện áp nào vào lưới điện, điện áp tải UL và điện áp nguồn cung cấp sẽ được xem là bằng nhau. Khi xảy ra lõm điện áp, độ lớn và góc pha của điện áp nguồn cung cấp có thể thay đổi và gọi là điện áp trong khi lõm được ký hiệu là |Uspost,sag|. Khi đó DVR hoạt động và tạo ra một điện áp |Uinj| để chèn vào lưới, điện áp này được gọi là điện áp chèn vào và được ký hiệu là Uinj. Nếu lõm điện áp được bù đủ bởi DVR, thì điện áp tải sẽ bằng điện áp trước khi lõm US-presag.
Trên hình 4.1, các vector được ký hiệu như sau: Us-Postsag là vector điện áp nguồn trong khi lõm, US-Presag là vector điện áp nguồn trước khi lõm, Uinj là vector điện áp được chèn vào bởi DVR, UL là vector điện áp tải định mức, UL’ là vector điện áp tải sau khi được phục hồi, IL là dòng điện tải; IL’ dòng điện tải sau khi phục hồi, θS-postsag là góc pha trong khi lõm, θS-Presag là góc pha trước khi lõm, θinj góc của điện áp chèn vào của DVR, δ góc nhảy pha trong khi lõm (δ = θS- postsag - θS-Presag).
Phương pháp "Trước lõm" có khả năng bù cả độ lớn điện áp và góc pha. Trong kỹ thuật này, điện áp Uinj do DVR phát ra được tính toán trong hai trường hợp:
- Trường hợp lõm điện áp không có dịch góc pha δ = 0 biên độ điện áp Uinj bằng hiệu giữa độ lớn điện áp nguồn trước khi lõm US-presag và điện áp nguồn trong khi lõm US-postsag:
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
60
- Trường hợp các lõm điện áp có dịch góc pha δ ≠ 0, độ lớn điện áp Uinj tăng khi góc giảm δ tăng và có thể tính nó từ công thức:
�𝑈𝑖𝑛𝑗�
=�𝑈𝑆−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑔2 +𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔2 −2𝑈𝑆−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑔𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔cos (𝜃𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔 − 𝜃𝑆−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑔)
(4.2)
Góc pha được tính toán để tạo ra vector điện áp chèn vào đảm bảo mục tiêu của chiến lược được xác định theo biểu thức:
𝜃𝑖𝑛𝑗 = tan−1 𝑈𝑆−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑔sin (𝜃𝑆−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑔)
𝑈𝑆−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑔cos�𝜃𝑆−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑔� − 𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔cos (𝜃𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔)
(4.3) Công suất tác dụng cần thiết bơm vào lưới khi sử dụng phương pháp này được xác định theo biểu thức:
𝑃𝑖𝑛𝑗 =√3�𝑈𝑖𝑛𝑗�|𝐼𝐿|𝑐𝑜𝑠(𝜃𝐿 +𝜃𝑖𝑛𝑗) (4.4) Từ (4.4) cho biết công suất Pinj phụ thuộc và các tham số độ lớn điện áp chèn vào, góc pha 𝜃𝑖𝑛𝑗 và còn phụ thuộc vào góc pha 𝜃𝐿 và IL, tức là phụ thuộc vào công suất tải và đặc tính của từng loại phụ tải khác nhau.
Từ quan điểm chất lượng điện năng thì phương pháp này được coi là phương pháp bù tốt nhất, nó cho kết quả về sự biến dạng sóng điện áp tải thấp, do điện áp tải được bù không bị thay đổi cả độ lớn và góc pha so với điện áp trước khi lõm xảy ra. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này có độ lớn điện áp chèn vào tương đối lớn, dẫn đến một lượng công suất tác dụng Pinj khá lớn tương ứng được sử dụng để bơm vào lưới, điều này tác động đến khả năng của bộ lưu trữ năng lượng hoặc năng lượng được lấy từ lưới cung cấp trong khi một lõm điện áp xảy ra. Máy biến áp nối tiếp trong phương pháp này cũng yêu cầu có công suất định mức cao hơn. Chiến lược “Trước lõm” được áp dụng phù hợp nhất trong trường hợp có tải đặc biệt nhạy cảm với sự thay đổi của góc pha và độ lớn điện áp (ví dụ: các bộ biến tần, hệ thống thông tin công nghiệp, thiết bị lập trình PLC).
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
61
Hình 4.2. Đồ thị vector của phương pháp đồng pha.
Đồ thị vector thể hiện nguyên lý của phương pháp đồng pha ở hình 4.2. Nếu một lõm điện áp xảy ra thì hệ thống bù sử dụng phương pháp "Đồng pha" sẽ phát ra điện áp tương tự như điện áp trong khi lõm nhưng có độ lớn và góc pha được xác định theo các biểu thức sau:
- Độ lớn điện áp được chèn vào bằng:
�𝑈𝑖𝑛𝑗� =�𝑈𝑆−𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑔� − �𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔� (4.5)
- Góc pha điện áp chèn vào
∠𝑈𝑖𝑛𝑗 =𝜃𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔 =𝜃𝐿′ (4.6)
- Công suất cần thiết chèn vào được xác định theo biểu thức sau.
𝑃𝑖𝑛𝑗 =√3�𝑈𝑖𝑛𝑗�|𝐼𝐿|𝑐𝑜𝑠(𝜃𝐿) (4.7)
𝑃𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦 =√3�𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔�|𝐼𝐿|𝑐𝑜𝑠(𝜃𝐿) (4.8)
Một trong những ưu điểm của phương pháp này là độ lớn của điện áp chèn vào được giảm so với chiến lược ''Trước lõm'' vì không phải bù góc pha, do vậy làm giảm bớt yêu cầu bơm vào công suất tác dụng Pinj. Hạn chế của phương pháp điều khiển này là, nếu xảy ra một lõm điện áp mà gây ra một góc nhảy pha trong điện áp lưới thì điện áp tải được bù sẽ chịu cùng một giá trị của góc nhảy pha đó, tức là sự biến dạng điện áp/dòng điện do góc pha thay đổi là không được giảm thiểu. Do vậy, hoạt động của các tải nhạy cảm với sự thay đổi góc pha có thể bị ảnh hưởng, vì thế phương pháp này không phù hợp cho việc bù các tải nhạy cảm với góc nhảy pha.
Hai phương pháp nêu trên phải luôn bơm công suất tác dụng vào tải trong suốt thời gian xảy ra lõm. Tuy nhiên do giới hạn của bộ lưu trữ năng lượng, các hệ thống phục hồi điện áp động trong hai phương pháp trên bị hạn chế bởi yếu tố thời gian
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
62
và hiệu suất bù. Do vậy, mong muốn phát triển một phương pháp có khả năng giảm thiểu năng lượng trong khi bù cho một biến cố lõm điện áp đó chính là phương pháp “Giảm năng lượng”.
c. Phương pháp điều khiển tối ưu hóa năng lượng.
Hình 4.3. Đồ thị vector của phương pháp tối ưu hóa năng lượng.
Đồ thị vector của phương pháp “Giảm năng lượng” được minh họa trong hình 4.3. Trong phương pháp điều khiển đặc biệt này việc sử dụng công suất tác dụng có thể thấp nhất (hoặc bằng không). Trong phương pháp này cần phân biệt hai trường hợp sau đây:
Trường hợp thứ nhất đề cập đến độ lớn lõm điện áp: Nếu độ lớn của điện áp lõm US- Postsag > U’L.cosθL, (ở đây θL là góc pha công suất tải). Khi đó có thể điều khiển vectơ điện áp chèn vào Uinj vuông góc với vectơ dòng điện tải I'L để độ lớn điện áp tải nhận được UL = U'L, đây có thể xem điện áp U'L bằng điện áp định mức tải) và góc dịch bằng góc lựa chọn tối ưu là θ=θopt, được xác định theo biểu thức sau.
𝛼𝑜𝑝𝑡 =𝜑𝐿 ±𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 �𝑈 𝑈𝐿
𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿� (4.9)
Lúc này chỉ cần bơm công suất phản kháng vào lưới, do đó sẽ không có bất kỳ lo ngại về khả năng lưu trữ năng lượng và thời gian bù, như vậy chúng ta có khả năng phục hồi lại điện áp tải với công suất tác dụng Pinj = 0.
Trường hợp thứ hai là trường hợp không có giới hạn nào cả, khi đó điện áp chèn vào có thể được tính toán với độ lớn điện áp theo công thức.
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR. 63 𝑈𝑖𝑛𝑗 = ⎩ ⎨ ⎧�𝑈𝐿′2+𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔2 −2𝑈𝐿′𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿′ 𝑘ℎ𝑖𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔 <𝑈𝐿′𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿′ 𝑈𝐿′𝑠𝑖𝑛𝜑 − �𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔2 − 𝑈𝐿′2𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿′2 𝑘ℎ𝑖𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔 ≥ 𝑈𝐿′𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿′ (4.10) Góc sớm pha β được xác định bằng: 𝛽 = ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧arcsin 𝑈𝐿′𝑠𝑖𝑛𝜑 �𝑈𝐿′2+𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔2 −2𝑈𝐿′𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿′ 𝑘ℎ𝑖𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔 <𝑈𝐿′𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿′ 𝜋 2− 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 𝑈𝐿′𝑐𝑜𝑠𝜑 2𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔 𝑘ℎ𝑖𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔 ≥ 𝑈𝐿′𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿′ (4.11 )
Công suất tác dụng hệ thống bơm vào lưới:
𝑃𝑖𝑛𝑗
=�0 𝑈𝐿′𝐼𝐿𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿 − 𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔𝐼𝐿cos(𝜑𝐿 − 𝛿)𝑘ℎ𝑖𝑘ℎ𝑖𝑈𝑈𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔 <𝑈𝐿′𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿′
𝑆−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑠𝑎𝑔 ≥ 𝑈𝐿′𝑐𝑜𝑠𝜑𝐿′
(4.12)
Bên cạnh những lợi thế rất lớn của chiến lược trong trường hợp một là không đòi hỏi công suất tác dụng, trong phương pháp thứ hai này tồn tại hai nhược điểm lớn đó là, sự biến dạng góc pha và biên độ điện áp chèn vào là khá cao. Hơn nữa, việc bù với thành phần công suất phản kháng thuần túy chỉ có thể dành cho các lõm cạn. Nếu một lõm sâu xảy ra, một phần công suất tác dụng cần thiết được cung cấp, trong một trường hợp lõm xấu nhất nó sẽ trở thành như bù ''Trước lõm''. Theo tìm hiểu thì cho đến thời điểm này không có công trình nào viết về ứng dụng của chiến lược này trong thực tế.
4.2.2. Phương pháp tạo điện áp chèn với lõm điện áp không cân bằng.
Trong các hệ thống ba pha, sự cố lõm điện áp xảy ra có thể là lõm điện áp đối xứng hoặc lõm điện áp không đối xứng. Theo khảo sát của EPRI (Electric Power Research Institute) thì có tới 68% là lỗi một pha, lỗi hai pha chiếm 19% và chỉ có 13% là lỗi ba pha, và có đến 87% là các lỗi không đối xứng. Khi đó điện áp trên lưới ngoài thành phần thứ tự thuận còn xuất hiện cả thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không, độ
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
64
sâu lõm điện áp cũng như thời gian tồn tại lõm trên các pha không giống nhau, nhảy góc pha trên các pha điện áp trong biến cố lõm điện áp cũng có thể khác nhau trên cả ba pha, tài liệu [12], [23].
Hình 4.4 dưới đây mô tả sơ đồ vector của ba phương pháp tạo điện áp chèn vào trên lưới điện ba pha. Các vector được ký hiệu trên hình: Us1, Us2, Us3 là các vector điện áp pha nguồn bị lõm, UL1, UL2, UL3 là các vector điện áp pha tải, Uinj1, Uinj2, Uinj3 là các vector điện áp pha chèn vào lưới, IL1, IL2, IL3là các vector dòng điện pha của tải. Về cơ bản các phương pháp tạo điện áp chèn đối với lõm điện áp không cân bằng tương tự như các phương pháp của lõm điện áp cân bằng tuy nhiên điện áp chèn được xác định riêng theo từng pha. Vấn đề cần được quan tâm để giải quyết là đồng bộ điện áp chèn vào của hệ thống bù với điện áp lưới. Điều này thực hiện nhờ trợ giúp của vòng khóa pha PLL áp dụng cho trường hợp điện áp lưới không đối xứng.
Hình 4.4: Sơ đồ vector mô tả a phương pháp tạo điện áp chèn vào trên lưới điện ba pha.a) Phương pháp “Trước lõm”; b) Phương pháp “Đồng pha; c)Phương pháp “Tối
ưu năng lượng”.
• Phương pháp trước lõm: Trong hệ thống ba pha phương pháp này được sử dụng