Bàn thí nghiệm được thiết kế để bảo vệ tải có công suất là 5kVA điện áp định mức là 220/380V.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống bàn thí nghiệm DVR ứng dụng bù lõm điện áp như ở hình 5.1
Bàn thí nghiệm được xây dựng dựa trên:
- Phần lực: Bao gồm tải, máy biến áp nguồn, máy biến áp nối tiếp, bộ lọc LC, bộ biến đổi VSC, bộ chỉnh lưu không điều khiển, các phần tử tạo lõm.
- Phần điều khiển: Bao gồm máy tính, bộ điều khiển dSPACE, Panen kết nối, Phần mềm điều khiển hệ thống dSPACE
5.1.1 Phần động lực của hệ thống.
Các tham số của các phần tử trên mô hình thực nghiệm được tính toán thiết kế được liệt kê trong bảng 5.1
Bảng 5.1 Các tham số cơ bản của hệ thống thực nghiệm DVR
Tham số Giá trị Số lượng Tham số lưới
Điện áp dây hiệu dụng định mức của lưới: Ud,đm = 400V Điện áp pha hiệu dụng định mức của lưới: Up,đm = 230V Tần số lưới định mức: fG = 50Hz
Tham số bộ biến đổi 5KVA 1 bộ
Van lực: IGBT loại SKM400GB128 VCE=1200V, IC = 400A Dòng điện pha hiệu dụng bộ biến đổi: Ip,C = 50A
Điều chế: Điều chế vector không gian.
Tần số điều chế: fC = 5kHz
Tần số chuyển mạch: fsw = 5kHz
Tụ điện phía một chiều: Cdc = 1600F Điện áp định mức phía một chiều: Vdc = 700V
Bộ lọc đầu ra LC 3 bộ
Điện cảm bộ lọc: Lf = 2mH 3 cuộn
Tụ điện bộ lọc: Cf = 1000F 3 cái
Tham số, máy biến áp 3 cái
Công suất định mức: Str = 2KVA
Điện áp dây sơ cấp định mức: Upri = 230V Dòng điện định mức sơ cấp: Ipri = 7,217A
Hệ số biến áp : n = 1:2
Điện áp thứ cấp định mức: Upri = 230V Dòng điện định mức thứ cấp: Ipri = 7,217A
127
Điện cảm tản mba: Lpri = 0.007058H
Điện trở mba: Rpri = 0.00120
Tham số của tải 3 bộ
Điện cảm tải: Lt = 0.007058H 3 cuộn
Điện trở tải: Rt= 0.00120 3 cái
Tham số điện trở, điện cảm tạo lõm Llom, Rlom 3 bộ
Điện trở, điện cảm tạo lõm điện áp: Rlom /Xlom = 1; Rlom = 4; Iđm = 115A 3 cái Điện trở, điện cảm tạo lõm điện áp: Rlom /Xlom = 1; Llom = 0,01274H; Iđm = 115A 3 cuộn
Tham số của các thiết bị khác
1) Côngtắctơ: Loại 3 pha Uđm = 600V; Iđm = 15A 2 cái
2) Áttômát: Loai 3 pha Uđm = 600V; Iđm = 15A 3 cái 3) Điện trở sụt áp phía một chiều: Rb =; Iđm = A 1 cái
4) Nút ấn điều khiển lõm: Uđm =380V; Iđm =5A 3 cái
5) Rơle thời gian: Uđm =380V; Iđm =5A 3 cái
6) Cảm biến dòng điện: LEM 6 bộ
7) Mạch đo áp 3 pha: Ac-380V 3 bộ
Tải được DVR bảo vệ: Tải được bảo vệ dự kiến gồm 3 loại:
a) Tải tuyến tính đối xứng có điện trở RL = 33 Ω và điện cảm LL= 5 mH, như vậy dẫn đến trở kháng với hài cơ bản điện áp xoay chiều bằng Z = 33.03 2.725º.
b) Tải tuyến tính không đối xứng có các thông số như trên đối với trường hợp 1 nhưng trong pha thứ ba sử dụng linh kiện với điện trở RL = 90 Ω và điện cảm LL= 5 mH.
c) Tải phi tuyến được thực hiện bởi một máy biến áp ba pha kết nối với bộ chỉnh lưu cầu ba pha để tạo tải phi tuyến dòng hoặc áp.
Máy biến áp nối tiếp (máy biến áp chèn): Bàn thí nghiệm sử dựng ba máy biến áp, mỗi cái có công suất 2kVA, có tỉ số n = 400V/200V. Phía cao áp nối nối tiếp với nguồn và tải, phía hạ áp nối với bộ biến đổi thông qua bộ lọc LC.
Bộ lọc LC: Được sử dụng 3 cuộn cảm có điện cảm 2mH và ba tụ điện có điện áp 250V, 1000F.
Bộ biến đổi VSC: Bộ biến đổi được sử dụng bằng Baumuller Servo-Power-Unit BUS 621, 622,623,624, có điện áp 600V, dòng định mức 20A. Bộ biến đổi cầu đủ ba nhánh được kết cấu dựa vào các transistor IGBT cùng với các điốt mắc ngược nhau. Hệ thống điều khiển tạo ra các xung cổng và đưa các transistor vào trạng thái dẫn hoặc khóa phụ thuộc vào mức điện áp điều khiển. Baumuller có tích hợp có cảm biến đo dòng 'LEM' để đo dòng đầu ra của bộ biến đổi. Ngoài ra trong đó có tích hợp bộ điều khiển thực hiện bảo vệ chống quá tải, quá áp và tăng nhiệt quá mức. Các transistor được áp dụng tới tần số chuyển mạch tối đa là 20 kHz. Các xung đóng mạch và khóa các transistor của mô đun được tạo ra bởi hệ thống dSPACE, được thực hiện bởi thuật toán điều khiển. Do các mức điện áp khác nhau nên cần giao diện ngăn cách hệ thống dSPACE với Baumuller thông qua khối các cổng vào/ra.
128
Hình 5.1Sơ đồ thiết kế thực nghiệm hệ thống điều khiển DVR
dSPACE AP1 uC(uinj) iL ug if Control breaker TẢI 5KVA Khối tạo lõm Control Breaker Zlõm ilõm ilõm BA2 BA1_5KVA Lf Cf ES-DC-Line Nguồn UDC iL1 iL2 iL2 K1 K1 K2 K2 BA3 BA4 Bộ lọc LC AP2 AP3 Rb A B C Máy tính ĐK Baumuller_5KVA MBA TN
129
Bộ chỉnh lưu không điều khiển và tụ điện phía DC-Line: Đây là bộ chỉnh lưu không điều khiển cầu ba pha thông thường. Về phía DC-Line của bộ biến đổi có mắc bảng 5 tụ điện của hãng Kendeil có tổng điện dung 5 mF. Điện áp cực đại của các tụ điện này là 450V, như vậy tạo thành giới hạn trên điện áp cho phép phía DC của bộ biến đổi.
Khối tạo lõm điện áp: Được xây dựng như trên sơ đồ nguyên lý. Để tạo ra một lõm điện áp thực hiện bằng việc tạo ra một ngắn mạch ba pha hoặc hai pha hoặc 1 pha thông qua các điện trở, điện kháng ngắn mạch được tính toán. Điện áp của hệ thống sẽ bị sụt xuống khoảng 50%Uđm nhờ có sự giới hạn công suất của máy biến áp tự ngẫu có công suất 5kVA được đặt ngay phía đầu nguồn.
Bảo vệ hệ thống: Tất cả bảo vệ thực hiện qua hệ thống dSPACE như là một chương trình điều khiển dành cho bảo vệ hệ thống. Trong trường hợp có sai hỏng, bộ biến đổi (tần số) được đưa về trạng thái NULL. Trong các mục tiêu bảo vệ hạn chế điện áp cực đại trên tụ điện tới giá trị 250V. Giá trị này xác định giới hạn điện áp danh định làm việc của hệ thống nối tiếp và tải được chấp nhận ở mức 400V.
Ngoài ra các tín hiệu phản hồi đến hệ thống điều khiển được thực hiện qua đo điện áp và dòng điện bằng các hệ thống đặc biệt của các bộ biến đổi LEM. Để đo điện áp sử dụng các hệ thống các mạch đo được thiết kế chế tạo có điện áp đo cực đại 400V. Phải thực hiện các phép đo điện áp nguồn cung cấp và trên tải trong tất cả các pha và điện áp DC của bộ biến đổi, như vậy tổng số là 5 bộ biến đổi đo. Các tín hiệu điện áp và dòng điện từ các mạch đo và các bộ biến đổi LEM được đưa đến các bộ biến đổi A/D của hệ thống dSPACE.
Bàn thí nghiệm được thực hiện thể hiện trên hình 5.2
Hình 5.2 Mô hình thực nghiệm DVR được triển khai tại Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Trường ĐHBK Hà Nội
130
5.1.2 Phần điều khiển
Phần điều khiển bao gồm các thiết bị sau đây:
Bộ hoặc Card với bộ xử lý tín hiệu được gọi là dSPACE, phụ thuộc vào phiên bản và cấu trúc. Là các hệ thống một tấm (thực hiện ở dạng một Card tổng hợp, ví dụ DS1103, DS11040 hoặc mô đun, xây dựng kết hợp các Card chuyên dùng: Các bộ tính, Card vào và ra.
Máy tính điều khiển: được dùng để phục vụ bộ điều khiển dSPACE. Trên máy tính này có trang bị chương trình phục vụ hệ thống dSPACE và Matlab, nhờ đó xây dựng được tất cả các mô hình các hệ thống điều khiển.
Panen với các kết nối: panen có nhiệm vụ giúp dễ dàng kết nối hệ thống dSPACE với các thiết bị bên ngoài trang bị theo dãy kết nối với nhiều tiêu chuẩn.
Phần mềm điều khiển hệ thống dSPACE: Phần mềm này được trang bị trên máy tính. Bao gồm chương trình Control Desk, dùng để điều khiển hệ thống dSPACE. Bổ sung thêm các bộ dịch ngôn ngữ C theo mã máy Card đã cho, phần mở rộng (toolbox) của Matlab và các chương trình hỗ trợ.
Phần tách rời của hệ thống là thư viện mở rộng của Matlab và Simulink, cho phép sử dụng phần mềm này để thực hiện hệ thống điều khiển. Nhờ đó thủ tục thiết kế và thực hiện hệ thống điều khiển có thể biểu diễn theo các bước sau:
a) Xây dựng thuật toán điều khiển trên cơ sở mô phỏng mô hình liên tục hoặc rời rạc áp dụng phần mềm Matlab.
b) Chuẩn bị mô hình bộ điều khiển và tạo mã máy cho thẻ dSPACE. Đối với các bộ điều khiển rời rạc là thủ tục tự động dựa trên chuyển đổi mô hình Simulink chuẩn bị thích hợp đầu tiên tới mức chương trình theo ngôn ngữ C, sau đó dịch chương trình đó sang mã máy của bộ xử lý trang bị trên thẻ dSPACE.
c) Chuẩn bị giao diện đồ họa của người dùng cho phép tiếp cận và thay đổi biến của bộ điều khiển và quan sát các tín hiệu đo hoặc tạo ra bởi hệ thống dSPACE.
Trong mô hình bộ khôi phục điện áp động đã xây dựng, sử dụng hệ thống DS1104 bao gồm các phần tử như sau:
- Có 8 đầu vào tương tự ADC với chân cắm trực tiếp trên vỏ hộp điều khiển. - Có 8 đầu ra tương tự DAC với chân cắm trực tiếp trên vỏ hộp điều khiển. - Có 2 encoder cắm trực tiếp trên vỏ hộp điều khiển.
- Có 20 đầu vào ra số (Digital I/O). - Có 4 PWM một pha và 1 PWM ba pha. - Có 4 ngắt ngoài (External interrtupt). - Có 3 bộ định thời gian (Timer).
- Có 1 cổng giao tiếp RS232, 1 cổng RS422 hoặc RS485 (do chia sẻ tài nguyên). Để xây dựng và thực hiện hệ thống điều khiển áp dụng các chương trình sau:
Phần mềm Matlab và Simulink với phần mở rộng chuẩn Real Time Workshop, tạo khả năng xây dựng mô hình hệ thống điều khiển và thử nghiệm nó trong môi trường liên tục và rời rạc.
Phần mở rộng Real Time Interface chuẩn bị để cùng làm việc với hệ thống DS1104, bao gồm các khối đại diện các tập con của hệ thống DS1103, đặc biệt các hệ thống vào và ra, như vậy tạo điều kiện kiểm soát các bộ biến đổi A/D và D/A.
Ứng dụng Control Desk, phục vụ cho cấu hình và khởi tạo hệ thống dSPACE, xây dựng giao diện đồ họa của người sử dụng làm thuận tiện việc điều khiển đối tượng kết nối với hệ thống dSPACE (trong trường hợp này là bộ biến đổi của bộ khôi phục điện áp động DVR), thu thập và ghi các tín hiệu đo hoặc tạo ra bởi hệ thống dSPACE.
131
Quá trình xây dựng hệ thống điều khiển có thể chia làm ba giai đoạn:
a) Xây dựng và kiểm tra hệ thống dựa trên mô hình số liên tục của hệ thống DVR, lưới nguồn cung cấp, tải và các phần tử còn lại của lưới.
b) Tách riêng hệ thống điều khiển, tạo ra phương án rời rạc (rời rạc hóa) và xây dựng các khối vào/ra phần mở rộng Real Time Interface.
c) Chuẩn bị giao diện đồ họa trong chương trình Control Desk với mục tiêu kiểm soát dễ hơn và quan sát tính ổn định của hệ thống DVR.
5.2 Cài đặt thuật toán điều khiển.
Thuật toán điều khiển của DVR chính là thuật toán điều khiển được nghiên cứu đề xuất ở chương 3. Thuật toán được triển khai trên Matlab/Simulink được thể ở hình 5.3, sau đó được phiên dịch dưới dạng chương trình và cài đặt thực hiện thông qua hệ thống dSPACE 1104. Chương trình sau khi dịch thực hiện trong thời gian cho phép xác lập chu kỳ lấy mẫu 25 μs.
Hình 5.3a Sơ đồ cấu trúc Matlab/Simulink mô tả thuật toán điểu khiển DVR trên hệ tọa độ dq
132
5.3 Kết quả nghiên cứu thí nghiệm
5.3.1 Kiểm tra khả năng đồng bộ lưới
Đồng bộ điện áp chèn vào uinj của DVR với điện áp lưới khi thực hiện bù lõm điện áp, bù méo dạng điện áp hay bù mất đối xứng điện áp được thực hiện bằng vòng khóa pha PLL đã được trình bày ở chương 3. Bộ điều khiển cho PLL là bộ điều khiển PI. Các tham số của nó được tính toán thiết kế trên lý thuyết đã được điều chỉnh lại trong thí nghiệm này nhằm cho đặc tính của PLL là tốt nhất. Các kết quả về kiểm tra khả năng đồng bộ lưới của DVR cho bởi hình 5.4.
Hình 5.4 Kết quả kiểm tra đồng bộ lưới của DVR qua việc áp dụng vòng khóa pha PLL (Khoảng thời gian lõm bắt đầu từ 1.6805s đến 3.208s)
Qua kết quả đồng bộ lưới của DVR cho thấy tại thời điểm bắt đầu lõm và kết thúc lõm điện áp tín hiệu ra thêta(=t) của PLL vẫn đảm bảo tính ổn định, chứng tỏ khả năng bám góc pha lưới của PLL để đảm bảo đồng bộ điện áp chèn của DVR vào lưới là tốt.
5.3.2 Kiểm tra khả năng bù lõm của DVR ở chế độ tĩnh
Điện áp lõm được bàn thí nghiệm tạo ra 50% điện áp danh định của điện áp lưới tức là điện áp của lưới trong khi lõm với khoảng thời gian bắt đầu từ 1,6805s đến 3,208s điên áp nguồn bị sụt từ 380V xuống 190V. Trong khoảng thời gian lõm DVR phải có khả năng tạo ra điện áp thêm vào lưới kịp thời để đảm bảo điện áp trên tải bằng điện áp tải đặt, tiếp tục duy trì hoạt động cho tải. Các kết quả kiểm tra khả năng bù lõm điện áp của DVR ở chế độ tĩnh được thể hiện ở hình 5.5.
Hình 5.4a Điện áp nguồn us,abc tại thời điểm đầu của lõm điện áp
Hình 5.4d Điện áp nguồn us,abc tại thời điểm kết thúc lõm điện áp
Hình 5.4b Thành phần αβ của điện áp nguồn usαβ
tại thời điểm đầu của lõm điện áp
Hình 5.4e Thành phần αβ của điện áp nguồn usαβ
tại thời điểm đầu của lõm điện áp
Hình 5.4c Tín hiệu đầu ra thêta(=t) PLL tại thời điểm đầu của lõm điện áp
Hình 5.4f Tín hiệu đầu ra Thêta(=t) PLL tại thời điểm kết thúc lõm điện áp
133
Hình 5.5a,b,c,d,e,f,g,h Các đặc tính của hệ thống ở chế độ tĩnh trong khi bù lõm điện áp với điện áp lõm là 50% so với điện áp định mức của lưới.
5.3.3 Kiểm tra khả năng bù lõm của DVR ở chế độ động.
Khả năng làm việc ở chế độ động của DVR rất được quan tâm vì đây là thiết bị chuyên được dùng bù động các biến cố điện áp phức tạp trên lưới điện. Động lực học của hệ thống phải đảm bảo trong điều kiện là tải nhạy cảm chấp nhận được, đó là tốc độ đáp ứng của DVR phải đủ nhanh, lượng quá điều chỉnh trước và sau khi kết thúc lõm không được quá lớn, không gây nhảy góc pha, không gây mất đối xứng điện áp và lượng hài trên lưới được hạn chế.
Hình 5.5b Điện áp thêm vào của DVR uinj
abc
trong khi bù lõm điện áp
Hình 5.5f Thành phần dq của điện áp thêm vào bởi DVR uinj
dq
trong khi bù lõm điện áp
Hình 5.5c Điện áp tải uL,abc được duy trì trong khi điện áp nguồn bị sụt xuống còn 50% do lõm
Hình 5.5g Thành phần dq của điện áp tải uL dq
được duy trì khi điện áp nguồn bị sụt còn 50% do lõm
Hình 5.5d Dòng điện qua cuộn cảm bộ lọc LC if,abc trong khi bù lõm điện áp
Hình 5.5h Thành phần dq của dòng điện qua cuộn cảm bộ lọc LC if
dq
trong khi bù lõm điện áp
Hình 5.5a Điện áp nguồn us,abc trong khi lõm điện áp
Hình 5.5e Thành phần dq của điện áp nguồn us
dq
trong khi lõm điện áp