L ỜI NÓI ĐẦU
4.5. Điều khiển đồng bộ lưới
Sau khi hệ thống DVR tạo ra được điện áp chèn theo như mong muốn, việc đồng bộ với nguồn cung là một trong những vấn đề quan trọng quyết định khả năng đưa vào lưới một điện áp đã được DVR tính toán và tạo ra, sao cho điện áp tải được khôi phục giống như điện áp trước khi lõm. Vấn đề nằm ở chỗ là bằng cách nào đó phải xác định được góc pha trước khi biến cố lõm điện áp xảy ra và giữ lại các thông tin đó để tính toán xác định lượng đặt của điện áp để điều chế được điện áp chèn vào của DVR cùng pha hoặc lệch một góc pha nào đó với điện áp lưới thì điện áp trên tải sẽ được duy trì một cách nguyên vẹn. Như vậy, vấn đề đồng bộ ở đây được hiểu là điều khiển điện áp chèn vào của DVR sao cho góc pha của nó có mối liên hệ với góc pha của điện áp lưới.
Trong thực tế có nhiều phương pháp để xác định góc pha điện áp lưới như thuật toán phát hiện điểm qua không, sử dụng hàm arctan hay kỹ thuật vòng khóa pha PLL (Phase Locked Loop). Tuy nhiên kỹ thuật vòng khóa pha PLL thường được lựa chọn sử dụng nhiều hơn do có độ chính xác cao hơn về thông tin góc pha của điện áp. Trong luận văn này cũng sẽ chỉ tập trung nghiên cứu vào phương pháp vòng khóa pha cho hệ thống 3 pha – 3 dây, tài liệu [13], [20].
• Cấu trúc vòng khóa pha PLL.
PLL là chữ viết tắt của ‘Phase-Locked Loop’, về cơ bản là một hệ thống điều khiển tần số khép kín dựa trên việc phát hiện sai khác pha giữa tín hiệu lối vào và lối ra của bộ giao động điều khiển (CO). Hình 4.21 thể hiện sơ đồ cấu trúc một vòng khóa pha PLL, tài liệu [20]:
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
84
Hình 4.21: Sơ đồ cấu trúc vòng khóa pha PLL
- Phase detector: Bộ phát hiện pha là một mạch điện dùng để phát hiện sự sai khác về pha giữa hai tín hiệu đưa vào. Mức điện áp lối ra sẽ phản ánh sự sai khác về pha của hai tần số ở lối vào mạch này.
- Low pass filter: Bộ lọc thông thấp để lọc gợn điện áp ra để thành điện áp biến đổi chậm.
- Voltage Controlled Oscillator là mạch dao động điều khiển bởi điện áp mà tần số lối ra được điều khiển nhờ điện áp ở lối vào. Một cách đơn giản để đạt được mục đích này là dùng tụ biến dung lắp vào một mạch dao động LC. Điện dung của tụ điện thay đổi nhờ điện áp phân cực ngược đặt vào nó dẫn đến thay đổi tích LC làm thay đổi tần số phát của mạch dao động.
Bộ phát hiện pha là một thiết bị so sánh các tần số ở lối vào, tín hiệu lối ra phản ánh sự khác nhau về pha giữa chúng (ví dụ, nếu như chúng khác nhau về tần số, nó sẽ tạo ra ở lối ra một dao động tuần hoàn có tần số bằng hiệu hai tần số). Nếu fIN không bằng fVCO, tín hiệu sai pha từ Phase detector, sau khi được lọc và khuyếch đại, được đưa đến VCO. Điều khiển tần số của VCO hướng tới fIN. Cứ thế, bộ VCO sẽ nhanh chóng “khoá” vào fIN duy trì một mối liên hệ vững chắc với tín hiệu lối vào.
• Thuật toán cho vòng khóa pha PLL thực hiện trên hệ trục tọa độ cực dq ứng dụng trong hệ thống DVR, tài liệu [13].
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
85
Để tránh phát sinh hài và điện áp mất đối xứng, sai lệch góc pha giữa nguồn cung cấp và góc pha đầu ra của PLL cần được giảm thiểu, góc này có thể được xác định như sau:
∆𝜃=𝜃𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦 − 𝜃𝑃𝐿𝐿 (4.40)
Thay vì giảm thiểu Δθ, sin(Δθ) được điều khiển bằng một bộ điều khiển PI. Hàm lượng giác với sinΔθ có thể được viết như sau:
sin�𝜃𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦 − 𝜃𝑃𝐿𝐿�
=−sin�𝜃𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦�cos�𝜃𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦�
+ sin(𝜃𝑃𝐿𝐿) cos(𝜃𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦)
(4.41)
Góc θsupply của nguồn cung cấp được tìm thấy thông qua:
sin�𝜃𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦�= 𝑢𝑑
�𝑢𝑑2 +𝑢𝑞2 (4.42)
cos�𝜃𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦�= 𝑢𝑞
�𝑢𝑑2 +𝑢𝑞2 (4.43)
Góc pha PLL được xác định qua một khâu tích phân của góc danh định 𝜔0 và sai lệch khác nhau giữa góc pha nguồn cung cấp và góc pha đầu ra PLL ∆𝜔0:
𝜃𝑃𝐿𝐿 =�∞(𝜔0+∆𝜔)𝑑𝑡
0
(4.44)
Để thực hiện việc lựa chọn và chỉnh định các tham số của bộ điều chỉnh PLL cần thực hiện theo các bước như sau:
- Tuyến tính hóa vòng khóa pha.
- Tổng hợp tham số cho bộ điều chỉnh PLL. - Điều chỉnh vòng khóa pha.
Việc chỉnh định bộ điều khiển cụ thể là khâu PI được thực hiện tùy thuộc vào chất lượng của lưới điện, và đặc điểm của các kiểu lõm điện áp. Đối với các lưới điện và lõm điện áp có tần số ít biến đổi, thành phần thứ tự nghịch không đáng kể, ít bị méo hài, ít bị nhiễu thì bộ điều chỉnh P nên được chỉnh định với tốc độ đáp ứng nhanh. Còn
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
86
đối với các lưới yếu và các lõm điện áp có các pha bị mất cân bằng đáng kể, bị méo hài và nhiễu thì bộ điều chỉnh P nên được chỉnh định với tốc độ đáp ứng chậm hơn nhằm mục đích lọc nhiễu tốt hơn.
• Một số vấn đề ảnh hưởng đến độ chính xác của PLL, tài liệu [13], [20].
- Tín hiệu đầu ra PLL không ổn định dẫn đến sự méo điện áp có thể ảnh hưởng đến đầu ra vòng khóa pha PLL, gây mất ổn định tín hiệu đầu ra, từ đó có thể gây méo điện áp bơm vào lưới và hậu quả chính là điện áp tải. Hiệu ứng như vậy gây ra mất đối xứng điện áp. Phương pháp đơn giản nhất khắc phục hiện tượng này là sử dụng bộ lọc thông thấp bổ sung.
- Sự mất các tính chất động học của vòng khóa pha PLL là do phần tử PI mà cụ thể là các tham số bộ điều khiển được chọn lựa. Các tham số này được chọn dựa vào giá trị điện áp nguồn cụ thể thường là điện áp chuẩn. Sự thay đổi biên độ do giảm điện áp hoặc không ổn định điện áp chứng tỏ sự điều chỉnh của phần tử không đúng. Hậu quả thường xảy ra nhất là làm tăng sai lệch bám trong trạng thái động.
- Sai lệch bám chế độ tĩnh là kết quả của sự không ổn định tần số hoặc nhảy góc pha (hậu quả của giảm). Giải pháp xử lý là điều chỉnh hợp lý các tham số phần tử PI hoặc sử dụng các bộ điều chỉnh bậc cao.
- Sự trễ liên quan đến lọc hoặc lấy mẫu điện áp. Mỗi một bộ lọc sử dụng trong đường truyền tín hiệu tạo thêm sự dịch pha bổ sung, có thể gây trễ đồng bộ. Loại bỏ hiện tượng này bằng cách thiết kế hợp lý bộ lọc có tính đến việc bản thân vòng P cũng có tính chất lọc nhất định.
Chương 5: Mô phỏng hệ thống DVR.
87
Chương 5
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DVR
Sau khi tính toán được các tham số cần thiết của hệ thống DVR, ta cần mô phỏng để kiểm tra lại khả năng hoạt động của DVR trong điều kiện xảy ra sự cố lõm điện áp và các yếu tố khác có thể xảy ra trên lưới điện. Từ kết quả mô phỏng đạt được ta có thể xây dựng mô hình thực nghiệm và ứng dụng hệ thống vào trong thực tế. Mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm mô phỏng được xây dựng dựa trên phần mềm Matlab – Simulink. Các tham số cài đặt cho phần mạch lực của mô hình hệ thống DVR, lưới và tải sẽ được lấy từ kết quả tính toán trong chương 3, thuật toán và cấu trúc điều khiển của hệ thống sẽ được xây dựng dựa trên đề xuất từ chương 4.
Các trường hợp sự cố lõm điện áp được tạo ra để kiểm tra khả năng hoạt động của DVR đó là:
- Lõm điện áp ba pha chạm đất. - Lõm điện áp hai pha chạm đất. - Lõm điện áp một pha chạm đất.