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. Khảo sát và tổng hợp về các hệ thống tích trữ năng lượng trong các ứng dụng cho điện tử công suất được tham khảo trong các tài liệu [27,28, 30, 31,45]. Trong các áp dụng đối với hệ thống DVR và các hệ thống nối tiếp thường gặp các phương án sau đây:
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 [45] 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. 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. Trong công trình [27,45] có trình bày hệ thống nối tiếp một pha được xây dựng dựa trên bộ biến đổi đa mức, trong đó năng lượng tích trữ trong siêu tụ điện có điện dung 67F và điện áp danh định 42V. Hệ thống đặc trưng là không có biến áp chèn. Các siêu tụ điện cũng được khảo sát trong tài liệu [27,45] như là giải pháp thay thế cho ắc quy.
Các ắc quy axit-chì. Ắc quy rẽ 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 [27,45].
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. 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 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, tài liệu [27,45].
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.
Sử dụng SMES như kho năng lượng cho các hệ thống nối tiếp được mô tả trong, tài liệu [27,45], nơi sử dụng SMES có điện cảm 200mH và dòng điện danh định 1000A, như vậy cho phép tích trữ năng lượng 100kJ.
40
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, tài liệu [45]. 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.[45].
2.6 Bảo vệ bộ khôi phục điện áp động
Bộ biến đổi trong hệ thống DVR cần bảo vệ trong các tình trạng được coi là khẩn cấp xảy ra trong khi làm việc. Các tình trạng sau đây được coi là không an toàn cho DVR.
a) Ngắn mạch hoặc quá dòng ở phía tải, dòng điện chạy qua lưới điện và qua tất cả các phần tử của hệ thống DVR, gây nóng cuộn dây biến áp và các linh kiện bán dẫn.
b) Ngắn mạch hoặc hở mạch phía nguồn , trong trường hợp này đường dây với hệ thống DVR bị cắt khỏi nguồn cung cấp, khi đó, nguồn năng lượng được sử dụng để duy trì cho tải duy nhất đó là hệ thống DVR, hình 2.25.
c) Điện áp phía DC–link tăng cao, thông thường nhất là tại các thời điểm bù sự tăng điện áp hoặc bù điện áp không cân bằng và cả dòng điện quá độ quá mức danh định và ngắn mạch phía tải. Bị hỏng trước hết là các tụ điện phía DC và các linh kiện bán dẫn.
d) Hỏng bộ chuyển mạch bán dẫn, tình trạng có ý nghĩa đặc biệt trong các hệ thống không có biến áp do hở mạch dòng điện và tải được bảo vệ mất nguồn.
Nội dung phần này được nghiên cứu và tổng hợp thông qua tham khảo các tài liệu , tài liệu [27,39,45,46,63,64].
2.6.1 Bảo vệ ngắn mạch
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:
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 tắtbiến áp nối tiếp, hình 2.20.
Hình 2.20 Sơ đồ bảo vệ thụ động hệ thống ngắn mạch biến áp nối tiếp[39]
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.
~ ~ ~ Is UL Hệ thống DVR Tải US
41
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.
Hình 2.21 Sơ đồ mạch bảo vệ bộ biến đổi [66]
Trên hình 2.21 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 [34,59].
Trên hình 2.22 thể hiện đường dòng điện trong trạng thái ngắn mạch, tài liệu [63,46].
a) b)
Hình 2.22 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
- Trạng thái OFF, tất cả các bộ chuyển mạch được đưa vào trạng thái khóa. Đây là phương pháp bảo vệ cổ điển bộ biến đổi, nhưng trong trường hợp đối với hệ thống DVR là không đủ, nó vẫn tồn tại dòng chảy ngắn mạch qua điốt phóng hình 2.22a. Dòng điện ngắn mạch có thể dẫn đến không chỉ làm nóng các linh kiện bán dẫn mà còn nạp điện quá mức cho tụ phía một chiều và làm tăng điện áp phía DC lên quá giá trị cho phép.
- Trạng thái NULL, các bộ chuyển mạch thực hiện ngắn mạch phía AC bộ biến đổi và ngắt mạch tụ điện ra khỏi đường dòng điện ngắn mạch. Có thể có hai tổ hợp nối:
Nhánh rẽ mạch Varistor Chuyển mạch Thyristo r Lf Cf T1 OFF UDC T2 OFF T3 OFF T4 OFF T1 OFF UDC T2 OFF T3 OFF T4 ON
42
Cặp nối T2, T4 chứa điểm điện thế âm của tụ điện (đường dòng điện NULL- n được chỉ trên hình 2.22b).
Cặp nối T1, T3 chứa điểm điện thế dương của tụ điện (NULL-p).
Dòng điện ngắn mạch chạy qua các bộ chuyển mạch bán dẫn vì vậy chúng phải được lựa chọn để không vượt quá dòng giới hạn của chúng.
2.6.2 Bảo vệ trước sự tăng điện áp phía DC-link
Điện áp trên tụ điện phía DC của bộ biến đổi có thể tăng trong các tình trạng sau đây.
Bù sự tăng điện áp, nó phụ thuộc vào góc giữa các vector dòng điện lưới Is và điện áp chèn Uinj trong pha.
Sử dụng phương pháp bù dẫn đến lệch vectơ điện áp nguồn và điện áp tải, giá trị tích vô hướng IL và Uinj có thể âm do nạp điện cho tụ điện.
Dòng điện ngắn mạch có giá trị lớn, ngay cả trong thời gian rất ngắn (đến thời gian bảo vệ tác động) có thể gây ra sự tăng nhanh điện áp trên tụ điện.
a) b)
Hình 2.23 Đường phóng của tụ điện DC: a) đường phóng qua biến áp và bộ lọc LC b) phóng qua điện trở phóng,[46,63];
Nếu các tụ điện không cần phóng điện ngay, có thể giảm điện áp bằng cách cho năng lượng quay về lưới nguồn qua việc điều khiển vị trí vector điện áp chèn vào uinj so với dòng điện is hay dẫn đến lệch pha giữa các vectơ điện áp nguồn và tải.
Nếu điện áp trên tụ điện tăng quá giá trị cho phép của nó, cần phải ngắn mạch các bộ chuyển mạch rẽ mạch và ngắt bộ biến đổi, hình 2.23(a). Bản thân việc rẽ mạch hệ thống nối tiếp có thể không đủ bởi vì tiếp tục tồn tại mạch kín trong đó có dòng điện chạy. Bởi vì các phần tử bộ lọc LC và biến áp nối tiếp có khả năng giải tỏa năng lượng hạn chế, có thể dẫn đến làm nóng các phần tử đó.
Một phương pháp có thể sử dụng tương tự hệ thống hãm áp dụng trong truyền động, hình 2.23(b). Bộ chuyển mạch bán dẫn (transistor IGBT) nối qua điện trở phóng điện Rb đảm bảo làm giảm điện áp DC. Tốc độ phóng điện có thể kiểm soát qua điều chế độ rộng xung kèm theo transistor phóng điện. Giá trị điện trở Rb có thể tính theo công thức, [27].
N DC DC DC dis b U U C T R , max , ln (2.14)
trong đó, Tdis là thời gian phóng điện yêu cầu, UDC, max, UDC, N là điện áp cực đại và điện áp danh định phía dòng một chiều bộ biến đổi.
2.6.3 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.
UDC Rb T1 T2 T3 T4 Cf UDC Lf T1 T2 T3 T4
43
Trường hợp hở mạch nguồn, thông qua tải bên cạnh chiều dòng điện sẽ ngược lại, hình 2.24a. 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 [64,66].
a) b)
Hình 2.24 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 2.24b là trường hợp ngắn mạch phía nguồn điện áp Us0 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.
2.7 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc cho DVR
Để có một cấu trúc cho DVR phù hợp, việc phân tích các thành phần trong cấu trúc là điều không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu. Qua các phân tích có thể đưa ra các điều kiện cần thiết khi lựa chọn thiết kế cấu trúc cho DVR như sau:
- Vị trí của DVR trong hệ thống điện.
- Khả năng DVR cần thiết để bù cho các thành phần điện áp nào (thành phần thứ tự thuận, nghich và thứ tự không)
- Đặc tính của tải.
- Đặc điểm của lõm điện áp tại vị trí cần đặt DVR để bảo vệ. (kết quả khảo sát của lõm điện áp tại vị trí tải được bảo vệ)
Sau khi cân nhắc các điều kiện cùng với các kết quả khảo sát lõm điện áp tại hệ thống điện của một xí nghiệp công nghiệp điển hình là nhà máy xi măng Hoàng Mai (kết quả khảo sát được trình bày ở chương 4 của luận án này), một cấu trúc phần cứng của DVR được lựa chọn như ở hình 2.25.
Trên sơ đồ cấu trúc các ký hiệu được giải thích như sau: usa(t), usb(t), usc(t) là các điện áp pha nguồn. Các điện áp lưới tại điểm nối chung PCC và dòng điện lưới được ký hiệu tương ứng bởi ug,a(t), ug,b(t), ug,c(t) và ig,a(t), ig,b(t), ig,c(t). Điện áp và dòng điện 3 pha của bộ biến đổi VSC tương ứng được ký hiệu: uinva(t), uinvb(t), uinvc(t) và ifa(t), ifb(t), ifc(t). Điện áp và dòng điện tụ lọc được ký hiệu: uc,a(t), uc,b(t), uc,c(t) và ic,a(t), ic,b(t), ic,c(t). Điện áp và dòng điện chèn vào thông qua máy biến áp nối tiếp tương ứng được ký hiệu bởi: uinj,a(t), uinj,b(t),uinj,c(t) và iinj,a(t), iinj,b(t),iinj,c(t). Điện áp phía một chiều (DC-Link) được ký hiệu là: udc(t). Điện áp tải được ký hiệu là: uL,a(t), uL,b(t), uL,c(t).
US Tải UL =uinj Uinj Us 0 Hệ thống DVR ~ ~ ~ US =Ud U0=kUinj UL=(1-k)Uinj Hệ thống DVR Tải1 Tải2 US ~ ~ ~
44
Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc của DVR nối lưới ở cấp MV
Cấu trúc phần cứng của DVR được lựa chọn cho DVR làm việc tại cấp MV. Cấu trúc