CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC ỨNG DỤNG CỦA MMC
4.2 Ứng dụng D-STATCOM bù CSPK dựa trên MMC
4.2.1 Giới thiệu về STATCOM và bù công suất phản kháng
Công suất phản kháng là một trong những thành phần chính tạo nên trong hệ thống điện. Đây là công suất cần thiết để duy trì điện áp ổn định của lưới điện, cung cấp năng lượng và nâng cao hiệu suất hoạt động các thiết bị điện có tính cảm kháng.
Việc bù CSPK có thể mang lại nhiều lợi ích như: giảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được CSPK truyền tải trên đường dây; giảm được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần tổn thất điện áp CSPK gây ra; giảm dự phòng chung của cả hệ thống điện liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư vào các công trình nguồn điện; tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp, tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn phát có giá thành sản xuất điện năng thấp…[13], [67]. Quản lý CSPK hiệu quả là một mục tiêu quan trọng để nâng cao hiệu suất truyền tải, tiết kiệm điện. Việc bù CSPK sẽ cải thiện hệ số công suất, điều chỉnh điện áp tốt hơn cung cấp cho phụ tải. Trong vận hành, người ta mong muốn sử dụng CSPK của lưới điện càng ít càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt động bình thường. Mặt khác, trong quá trình truyền tải điện năng từ nơi sản xuất điện đến nơi tiêu thụ điện sẽ có tổn hao công suất trong đó có CSPK và làm điện áp tại các điểm cách xa nguồn bị suy giảm đáng kể, để tránh việc tổn thất công suất và sự suy giảm điện áp tại các nút thì phương án tối ưu là giảm lượng CSPK được truyền tải. Lượng CSPK cần thiết để đảm bảo điện áp hoạt động tại các nút sẽ được bổ sung bởi các thiết bị bù công suất phản kháng như máy bù đồng bộ, tụ bù, SVC, STATCOM hoặc D-STATCOM… Trong đó, D-STATCOM là hệ thống bù đồng bộ tĩnh ứng dụng trong hệ thống lưới phân phối, ở cấp điện áp trung thế và hạ thế. D-STATCOM là hệ thống bù song song, có tác dụng điều chỉnh CSPK tại điểm kết nối, được thực hiện thông qua việc điều chỉnh biên độ và góc pha giữa điện áp rơi trên D-STATCOM và điện áp trên hệ thống điện để dòng điện đi qua D- STATCOM có thể chậm pha hoặc nhanh pha hơn điện áp đầu nguồn. Nhờ đó mà có chức năng ổn định điện áp, cân bằng phụ tải cho các pha. Hệ thống bù trong lưới điện trung thế đang trở nên có vai trò quan trọng vì sự phát triển của các lưới điện nhỏ, tích hợp các nguồn phát phân tán dùng năng lượng tái tạo như điện sức gió, pin mặt trời, pin nhiên liệu. Do phụ tải thường là phi tuyến vì có nhiều các BBĐ bán dẫn công suất, nhiều phụ tải là một pha, dẫn đến những vấn đề về sóng hài cao, hệ số công suất thấp và biến động, tải không cân bằng. Các phương pháp bù
Chương 4: Hệ thống điều khiển cho các ứng dụng của MMC
thụ động như đóng cắt các bộ tụ, lắp đặt các mạch lọc LC không phải là giải pháp mà có thể làm cho các vấn đề trên trở nên trầm trọng hơn. Mặt khác trong xu thế phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo có công suất ngày càng lớn. Những lý do trên đây giải thích cho xu hướng quan tâm nghiên cứu đặc biệt về D-STATCOM cho lưới điện trung thế trong những năm gần đây. Ưu điểm của D-STATCOM là khả năng điều chỉnh tốt, có thể đảm bảo một lượng công suất bù không đổi trong phạm vi rất rộng của điện áp đặt vào [68]. Do đó, D-STATCOM được biết đến như một thiết bị cải thiện chất lượng điện áp, không tạo ra các thành phần sóng hài bậc ba lớn như các thiết bị bù khác.
Trong phần này sẽ phân tích, thiết kế điều khiển và mô phỏng hệ thống D- STATCOM dựa trên BBĐ MMC.
4.2.2 Cấu trúc DSTATCOM dựa trên MMC
i
DC
+ SM1 SM1 SM1 D-STATCOM
VHA SM2 SM2 SM2
_ SMN SMN SMN I
_ LA
Ro Ro Ro
Lo Lo Lo I
V2A iA LB
VDC V2B iB
iC
V2C ILC
Ro Ro Ro
+ L
o L
o L
o
+ SM
N+1
SMN+1 SM
N+1
v
LB
SMN+2 SM
N+2 SMN+2
_ SM
2N
SM2N SM
2N
V1A V1B V1C
Nút hệ thống điện
Hình 4.15 Cấu trúc hệ thống D-STATCOM
Cấu trúc D-STATCOM được thể hiện trong Hình 4.15. D-STATCOM xây dựng trên cơ sở BBĐ MMC, được kết nối với lưới thông qua điện cảm L. Trong trường hợp D-STATCOM nối với lưới qua máy biến áp phối hợp thì điện cảm L chính là điện cảm tản của cuộn dây máy biến áp. Bộ phận chính của D-STATCOM là BBĐ nguồn áp MMC ba pha có chức năng chuyển đổi điện năng từ DC sang AC và ngược lại thông qua các luật điều khiển. Một đầu D-STATCOM được nối với phía thứ cấp máy biến áp, đầu còn lại được nối với một thiết bị lưu trữ năng lượng DC. Các thiết bị lưu trữ năng lượng DC mô tả ở đây được giả thiết như trường hợp cơ bản của D-STATCOM chính là các thiết bị lưu trữ điện một chiều lý tưởng (có điện
100
Chương 4: Hệ thống điều khiển cho các ứng dụng của MMC
áp VDC ổn định, chưa kể đến các trường hợp nguồn có tính chất biến động) có thể là một pin, ắc qui, hoặc tụ điện có điện áp đầu ra là không đổi.
Phạm vi ứng dụng:
- Đặt tại các nút của lưới điện để bù công suất phản kháng.
- Đặt trong các nhà máy điện dùng sức gió nhằm ổn định điện áp lưới, điều chỉnh hằng số công suất, giảm nhấp nháy điện áp.
- Đặt tại các nhà máy luyện kim để hạn chế sóng hài trong công nghệ luyện kim của các lò hồ quang, lò cao tần hoặc các dây truyền sản xuất tự động.
- Đặt ở những tòa nhà nhằm giảm méo tín hiệu, nâng cao chất lượng điện năng, tăng cường độ tin cậy hoạt động của các thiết bị như: máy tính, thang máy, thiết bị điện tử…
4.2.3 Nguyên lý làm việc D-STATCOM
D-STATCOM được kết nối song song với lưới điện phân phối và có khả năng ứng biến với các nguồn điện có nhiều biến động. Hoạt động của D-STATCOM là sử dụng BBĐ nguồn áp để tạo ra điện áp đầu ra AC từ nguồn điện áp một chiều DC. Điện áp xoay chiều AC của BBĐ được đấu nối với hệ thống điện. Sơ đồ nguyên lý D-STATCOM dựa trên MMC được thể hiện ở Hình 4.16.
i
DC V1
điện V1 V2 IL
thống V
DC
hệ XLNút Máy biến áp
MMC V2
Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý của D-STATCOM
Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại thanh cái 1 thể hiện bởi (4.15).
VV sin V1V1V2cos (4.15)
P 1 2 ; Q
1 X
L
1 X
L
Trong đó:
V1 và 1 : là biên độ điện áp và góc pha tại nút hệ thống điện.
V2 và 2 : là biên độ điện áp và góc pha của D-STATCOM.
: là góc lệch pha giữa lưới điện và bộ bù.
XL: là điện kháng giữa lưới điện và bộ bù.
Từ phương trình (4.15), thấy rằng có thể điều chỉnh CSPK bằng cách điều chỉnh biên độ của điện áp hoặc góc pha đầu ra phía AC để D-STATCOM có thể điều
101
Chương 4: Hệ thống điều khiển cho các ứng dụng của MMC
chỉnh hấp thu hay phát ra công suất phản kháng cho lưới điện. Mong muốn của D- STATCOM là chỉ cung cấp hay tiêu thụ công suất phản kháng. Vì vậy nếu điều chỉnh góc pha sẽ ảnh hưởng đến trào lưu trao đổi công suất tác dụng. Do đó, điều chỉnh công suất phản kháng bằng việc điều khiển góc lệch pha của pha của V1 và V2 bằng không, đồng thời điều chỉnh biên độ điện áp của V2. Khi đó, trong chế độ hoạt động bù công suất phản kháng thì V2 cùng pha với V1 ( = 0), tại nút điện áp chỉ có công suất phản kháng truyền tải phương trình (4.15) trở thành (4.16):
P 0; Q V1V1 V2 (4.16)
1 1 X L
Từ phương trình (4.16) trên ta thấy được công suất Q tỷ lệ với (V1-V2).
Nếu V1 = V2 thì Q = 0, MMC không hấp thụ hay phát ra công suất phản kháng.
Nếu V1 > V2 thì Q ˃ 0 tồn tại thành phần điện áp V12, tương ứng dòng cảm kháng IL chậm pha so với V1, V2 một góc / 2 . Khi đó, D-STATCOM hấp thụ CSPK như Hình 4.17a.
Nếu V1 < V2 thì Q < 0 tồn tại thành phần điện áp V12, tương ứng dòng điện dung IC sớm pha so với một góc / 2 , lưới sẽ nhận công suất phản kháng từ bộ bù.
Khi đó D-STATCOM phát ra công suất phản kháng vào lưới như Hình 4.17b.
V1 IL V12 V2 V1 V2
V12
V2 I
L
V1 V12=0
IL= 0 0
a) 0 b) 0 c)
Hình 4.17 a) Trạng thái hấp thu công suất phản kháng; b) Trạng thái phát ra công suất phản kháng; c) Trạng thái không trao đổi công suất phản kháng
Hình 4.18 là đồ thị thể hiện trạng thái làm việc của D-STATCOM khi có sự thay đổi biên độ điện áp nguồn điện tại điểm nút hệ thống điện sử dụng D-STATCOM.
Biên độ Biên độ
V2 V1
V1 V2
t t
0 0
IL IL
a) b)
Hình 4.18 Sóng dòng điện, điện áp của D-STATCOM
a) D-STATCOM ở chế độ điện dung; b) D-STATCOM ở chế độ điện cảm Trong Hình 4.18a điện áp thứ cấp V2 được tạo ra bởi BBĐ MMC cao hơn điện áp sơ cấp V1 tại nút của hệ thống điện và cùng pha với điện áp V2, dòng điện sơ cấp ở trạng thái sớm pha hơn điện áp một góc 90°. Khi đó, D-STATCOM sẽ tạo ra công
102
Chương 4: Hệ thống điều khiển cho các ứng dụng của MMC
suất phản kháng cung cấp cho lưới điện (hoạt động ở chế độ điện dung). Trong Hình 4.18b điện áp thứ cấp V2 được tạo ra bởi BBĐ MMC thấp hơn điện áp sơ cấp V1 tại nút của hệ thống điện và cùng pha với điện áp V2, dòng điện sơ cấp ở trạng thái trễ pha hơn điện áp một góc 90°. Khi đó, D-STATCOM sẽ tiêu thụ CSPK cung cấp cho lưới điện (hoạt động ở chế độ điện cảm).
4.2.4 Thiết kế điều khiển D-STATCOM dựa trên MMC
Thiết kế điều khiển nghịch lưu đa mức MMC trong D-STATCOM ở phần này phải giải quyết những vấn đề như: Áp dụng cấu trúc điều khiển D-STATCOM trên cơ sở điều chế SVM có sử dụng các cấu trúc điều khiển cân bằng điện áp tụ điện và suy giảm thành phần sóng hài trong dòng điện vòng; Sử dụng các mạch vòng điều khiển lượng công suất phản kháng cần bù trong hệ tọa độ dq để đạt được. Quá trình thiết kế phải đảm bảo điều khiển được công suất phản kháng huy động theo lượng đặt một cách tức thời. Lượng đặt công suất phản kháng được tính toán tức thời từ sai lệch giữa giá trị điện áp tại điểm kết nối hệ thống điện với điện áp chuẩn mong muốn tại đầu ra của MMC.
Từ quá trình phân tích nguyên lý bù công suất phản kháng ở trên, trong hệ thống điều khiển công suất tác dụng luôn được điều khiển bằng không, tức là BBĐ sẽ không trao đổi công suất tác dụng với lưới điện [69]. Khi đó, trong hệ thống điều khiển chỉ thiết kế mạch điều khiển phát ra hay hấp thụ CSPK, quá trình hấp thụ và phát ra CSPK phụ thuộc vào việc so sánh giá trị điện áp của đầu ra BBĐ và điện áp lưới như đã phân tích ở mục 4.13. Việc so sánh điện áp với giá trị đặt của điện áp lưới được thể hiện bởi đường đặc tính V-I như Hình 4.19 [68].
V
Độ dốc Xs V
ref
I
-Imax 0 Imax
Dòng điện dung Dòng điện cảm
Hình 4.19 Đặc tính V-I của D-STATCOM
Theo tài liệu [68], đường đặc tính V-I có độ dốc giới hạn trọng phạm vi 1% và 4% và được thể hiện bởi phương trình (4.17).
V Vref X S I (4.17)
Trong đó:
V : điện áp thứ tự thuận.
I : dòng phản kháng ( I > 0 là dòng điện cảm, I < 0 là dòng điện dung).
Chương 4: Hệ thống điều khiển cho các ứng dụng của MMC
XS: kháng dốc.
Giá trị điện áp V luôn được đo từ hệ thống và được so sánh với điện áp đặt Vref. Dòng phản kháng sẽ được điều chỉnh trong phạm vi giá trị dòng điện (- IMax, IMax).
Khi V < Vref thì bộ điều khiển sẽ tác động nâng điện áp V tới giá trị Vref. Ngược lại, khi V > Vref thì bộ điều khiển sẽ điều chỉnh hệ thống đến khi V = Vref. Điều này tương đương với việc công suất phản kháng được điều chỉnh tại nút lưới điện có đặt D-STATCOM. Do đó, để thiết kế bù CSPK thì việc thiết kế bộ điều khiển điện áp phía một chiều là cần thiết khi MMC hoạt động trong chế độ D-STATCOM. Khi hoạt động trong chế độ D-STATCOM, BBĐ MMC đã có sẵn các tụ điện trong các SM, các tụ điện này có tác dụng ổn định điện áp phía một chiều, lưu trữ năng lượng khi MMC hấp thụ CSPK và phát năng lượng khi MMC phát ra CSPK. Biểu thức liên hệ giữa điện áp một chiều và công suất tác dụng phía xoay chiều có dạng như (4.18) và (4.19).
V 2C 3 v i P (4.18)
DC DC
2 d d
i ref 3vd 1 V ref (4.19)
d 2VDC sCDC DC
Vòng điều khiển điện áp một chiều được điều chỉnh để giữ cho trao đổi công suất tác dụng giữa phần một chiều và xoay chiều luôn bằng không. Kết hợp với mạch vòng dòng điện id đã thiết kế ở mục 4.2.2.2, phần này sẽ thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp một chiều. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp một chiều như Hình 4.20.
+ id V
DC
_
Hình 4.20 Sơ đồ mạch vòng điều khiển điện áp DC
Hàm truyền hệ hở có dạng:
G
HO _ DC
K p _DC (1sT
i _DC ) 1 3v 1 (4.20)
sT C
i _DC 1 sTeq 2VDC sCDC
Áp dụng công thức bộ điều khiển tối ưu đối xứng ta xác định được tham số bộ điều khiển như (4.21).
T 2 a T
(4.21)
i _DC eq
2VDCCDC
K p
3v
C T
eq
Cấu trúc hệ thống điều khiển MMC hoạt động trong chế độ D-STATCOM được thể hiện như Hình 4.21.
104
Chương 4: Hệ thống điều khiển cho các ứng dụng của MMC
S(k)
i
DC
iA L
Af R
Af
iB L
Bf R
Bf
LCf
iC R
Cf V
DC
Lưới điện u
A,B,C
i
A,B,C
MMC
Điều khiển dòng điện
Điều khiển + ud +
điện áp _ PI + _
_ PI
+ id L vA S(k)
VDCref
id dq/ vB Thực hiện chiến
lược điều chế abc vC
iq Tính SVM hình 3.45
abc/ Q
ud công suất Qref i
q L
dq uq Q theo +
(4.16) _ PI _ +
+
PLL Điều khiển + PI +
u
q
công suất
Hình 4.21 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển D-STATCOM dựa trên BBĐ MMC Các đại lượng trong hệ tọa độ abc được chuyển về hệ tọa độ đồng bộ dq nên có hai kênh điều khiển cho tạo độ trục d và trục q riêng rẽ. Hệ thống gồm hai mạch vòng điều khiển. Mạch vòng điều khiển bên ngoài để điều khiển điện áp một chiều và công suất phản kháng, đầu ra của bộ điều khiển công suất phản kháng là dòng iqref, đây chính là dòng điện vuông góc với điện áp mà điều khiển dòng chảy công suất phản kháng. Đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp DC là dòng điện idref, và đây là dòng điện cùng pha với điện áp mà điều khiển dòng công suất tác dụng. Mạch vòng điều khiển bên trong để điều khiển dòng điện dựa vào các thông số bộ điều khiển bên ngoài cung cấp. Sau khi thực hiện điều khiển các tín hiệu. Giá trị đầu ra bộ điều khiển là lượng đặt cần thiết để đưa vào khâu điều chế để xác định trạng thái đóng cắt van của BBĐ. So với các cấu trúc bù dùng VSC thì cấu trúc này có một số ưu điểm như: Dễ thực hiện vì sử dụng những bộ điều chỉnh PI tuyến tính đơn giản, có độ bền vững tương đối tốt. Các thành phần công suất tác dụng, công suất phản kháng được điều chỉnh độc lập. Có mạch vòng công suất tác dụng đảm bảo ổn định được điện áp trên tụ DC. Có thể đảm bảo độ méo sóng hài của dòng từ phía nguồn hoàn toàn trong phạm vi cho phép. Điều này có được là do băng thông của bộ điều chỉnh dòng điện có ngưỡng đạt được đến tần số khá cao.
4.2.5 Mô phỏng hệ thống D-STATCOM dựa trên MMC
Chương 4: Hệ thống điều khiển cho các ứng dụng của MMC
150100
(A)
50
Dòngđiện
0 -50 -100 -150 0 3000
2000
Điệnáp(V) 1000
0 -1000 -2000 -3000 0 6010
(V)Điệnáp 6000
5990
0
x 105 5
Q (VAr) 4
3
suất 2Công 1
0 0
0
(A) -50điện -100
Dòng -150
-200 0
0.1 0.2 0.3 Thời gian (s)
Hình 4.22 Hình dạng dòng điện đầu ra của D-STATCOM
0.1 0.2 0.3 Thời gian (s)
Hình 4.23 Hình dạng điện áp đầu ra của D-STATCOM
Giá trị VDC thực
Giá trị VDC đặt
0.1 0.2 0.3 Thời gian (s)
Hình 4.24 Hình dạng điện áp nguồn một chiều DC
Giá trị Q đặt
Giá trị Q thực
0.1 0.2 0.3 Thời gian (s)
Hình 4.25 Hình dạng đáp ứng công suất Q đầu ra MMC
0.1 0.2 0.3 Thời gian (s)
Hình 4.26 Hình dạng dòng điện trên trục d và trục q
106
Chương 4: Hệ thống điều khiển cho các ứng dụng của MMC
Điện áp (V) 1008
1004
1000
996
992 0 0.1 0.2 0.3
Thời gian (s)
Hình 4.27 Hình dạng điện áp tụ điện pha A của MMC
Nhận xét: Hình 4.22 và Hình 4.25 là kết quả của dòng điện và điện áp đầu ra của BBĐ MMC khi hoạt động ở chế độ bù công suất phản kháng, kết quả cho thấy dòng điện và điện áp có dạng sin chuẩn. Hình 4.24 là đáp ứng của điện áp một chiều đáp ứng nhanh, bám giá trị đặt trong khoảng thời gian 1,3s và luôn giao động ổn định quanh giá trị định mức là 6000V ở khoảng thời gian tiếp theo. Hình 4.25 là đáp ứng công suất phản kháng của hệ thống điện, kết quả cho thấy rằng, ở thời điểm khảo sát từ 0 đến 0,3s cho thấy công suất phản kháng được bù luôn bám giá trị đặt sau 0,03s. Do MMC hoạt động ở chế độ bù công suất phản kháng vì vậy công suất tác dụng cung cấp cho lưới điện luôn có giá trị bằng không theo một lượng đặt từ trước.
Hình 4.26 là dòng điện trên trục d và trục q trong hệ tọa độ dq, giá trị của hai dòng điện này sẽ tương ứng với lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống, kết quả cho thấy rằng, công suất tác dụng bám giá trị đặt là 0, do đó dòng điện trục d cũng có giá trị tương ứng là 0. Dòng điện trục q có giá trị âm, tương ứng với giá trị công suất phản kháng được bơm cho lưới điện. Hình 4.27 là điện áp các tụ điện pha A của BBĐ MMC, điện áp tụ điện hoạt động ổn định quanh vị trí đặt của nó là 1000V, độ lệch so với giá trị cân bằng là gần 8V tương ứng 0,8%.
So với kết quả thực hiện bù CSPK ở một số nghiên cứu [35], [68] khi sử dụng MMC để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện mang lại những hiệu quả nhất định về độ ổn định của hệ thống điện được bù như: dải điều chỉnh công suất phản kháng rộng, phản ứng nhanh để phát ra công suất phản kháng nhằm điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù; giá trị nguồn một chiều luôn ổn định quanh giá trị định mức trong chế độ hoạt động bình thường; có thể ngăn chặn sự chập chờn của lưới điện do sự thiếu hụt công suất phản kháng gây nên, từ đó nâng cao độ ổn định và chất lượng điện năng của lưới phân phối. Trong chế độ bù công suất phản kháng, các thông số và chỉ tiêu kỹ thuật của MMC được đảm bảo ổn định trong suốt quá trình làm việc.