Chương 3: ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG
3.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp tải đáp ứng điều kiện điện áp mất cân bằng
Trong thực tế, một lỗi trên lưới điện ba pha dẫn đến một lõm điện áp cân bằng, thì hầu hết các cấu trúc điều khiển thông thường của DVR dùng một mạch vòng điện áp với bộ điều khiển PI trên hệ tọa độ đồng bộ, điều khiển thành phần điện áp thứ tự thuận để bù lõm cân bằng đã cho kết quả tốt. Nếu một lổi dẫn đến lõm điện áp không cân bằng, với các cấu trúc điều khiển thông thường như đã nêu gần như không đáp ứng được vì trong điều khiển không có giải pháp để bù thành phần thứ tự nghịch hoặc thứ tự không, dẫn đến điện áp do bộ điều khiển tính toán để chèn vào lưới thiếu chính xác và bị biến dạng hoặc bị mất đồng bộ, điều đó đã phát sinh các dao động trên lưới trong quá trình bù và hậu quả là các tải nhạy cảm không những không được bảo vệ mà còn phải chịu sự tác động không tốt từ hệ thống bù. Vì vậy phát triển cấu trúc và thuật toán điều khiển điện áp tải cho DVR có thể xử lý được các thành phần thứ tự xuất hiện trong tất cả các kiểu lõm điện áp cân bằng và không cân bằng là điều rất cần thiết. Tuy nhiên trong điều khiển bù các lõm điện áp không cân bằng cần xem xét có nên bù thành phần thứ tự không nữa hay không. Đối với một DVR được đặt ở cấp MV, là một vị trí mà thành phần thứ tự không có thể xuất hiện nhưng không cần thiết phải bù bởi vì tất cả các tải được kết nối tam giác, thành phần thứ tự không có thể bị triệt tiêu. Mặt khác, để loại bỏ thành phần thứ tự không dẫn đến hệ thống điều khiển trở nên phức tạp và cần phải có thêm thiết bị để đo thành phần thứ tự này, các DVR phải có khả năng phát ra một điện áp thứ tự không và điều khiển phải được thiết kế để xử lý bù thành phần thứ tự này. Vì những lý do đó, trong chương này tập trung vào các phương pháp điều khiển để xử lý các thành phần điện áp thứ tự thuận và thứ tự nghịch, điều đó là đủ để đáp ứng bảo vệ hầu hết các trường hợp tải nhạy cảm kết nối trong lưới điện phân phối.
3.4.1 Cấu trúc điều khiển dùng một mạch vòng điện áp
Bộ điều khiển điện áp tải được xây dựng xuất phát từ nguyên lý điều khiển vector và thực hiện trong cấu trúc vòng kín hoặc hở. Hai cấu trúc cơ bản trình bày sau đây được vận dụng để phát triển cấu trúc điều khiển cho DVR, tài liệu [3,5,7].
Đi hiển tr n th ng ng hở
Đây là cấu trúc điều khiển đơn giản nhất có thể áp dụng cho DVR. Hình 3.9 là sơ đồ cấu trúc mô tả nguyên lý điều khiển.
nh 3.9 Điều khiển vector Feedforward cho DVR [7]
Giả thiết nếu lượng đặt điện áp chèn vào của DVR được xác định bằng cách lấy giá trị điện áp tải đặt trừ đi điện áp lưới.
) (
*
* dq
g dq L dq
inj u u
u (3.24) trong đó uL*dqlà điện áp đặt của tải trong hệ tọa độ (d,q.0), UN giá trị hiệu dụng định mức của của tải.
Các điện áp lưới (ua, ub, uc) được đo và chuyển đổi vào hệ toạ độ tĩnh (uαβ). Một bộ khoá pha (PLL) được sử dụng để tính toán chuyển đổi góc (θ), đó là cần thiết để biến đổi điện áp lưới điện từ toạ độ cố định đến toạ độ đồng bộ (udq). Sau đó, điện áp lưới đã được
ug(abc)
udq
uinj*dq
abcαβ αβ
dq αβabc PWM uinv(abc)
uL*dq
uinj*αβ dq αβ PLL
uαβ
- +
56
trừ bởi giá trị đặt của điện áp tải (uL*dq) để tính toán giá trị đặt của điện áp chèn vào (uinj*dq
). Một chuyển đổi ngược từ toạ độ đồng bộ đến ba pha được thực hiện để có được các giá trị đặt của điện áp chèn vào (uia *, uib *, uic *) được phát ra bởi các VSC. Việc điều khiển vector truyền thẳng là nhanh nhưng không đảm bảo sự ổn định hệ thống v hi làm việc với lưới điện sự ảnh hưởng của nhi u c ng như sự thay đổi các tham số của quá tr nh là h để iết r , mặt hác mô h nh của lưới c ng như của VR hông thể chính xác tuyệt đối và hông phải nhi u nào trên lưới điện c ng đo được nên với điều hiển truyền thẳng hi nào c ng tồn tại sai lệch t nh Một hệ thống điều khiển như hình 3.10 có nhiều hạn chế và để đáp ứng được các yêu cầu điều khiển cho DVR.
Đi hiển phản hồi ng n
Hình 3.10 là sơ đồ khối một pha, mô tả phương pháp điều khiển phản hồi có thể áp dụng cho hệ thống DVR. Điện áp chèn vào của DVR được đo liên tục và được phản hồi về bộ điều khiển dưới một vòng lặp đơn hay một đa vòng lặp của cấu trúc điều khiển.
nh 3.10 Điều khiển phản hồi cho VR [7]
Tín hiệu báo sai lệch (Δu) được tạo ra bằng cách lấy giá trị đặt của điện áp chèn vào (uinj*) trừ điện áp chèn vào thực tế (uinj), tín hiệu sai lệch này được đưa đến bộ điều khiển điện áp (ví dụ bộ điều khiển PI), đầu ra bộ điều khiển đưa vào khâu điều chế độ rộng xung của bộ biến đổi VSC để tạo ra điện áp xoay chiều, sau đó điện áp được lọc qua bộ lọc trước khi chèn vào lưới.
Điều hiển vector phản hồi là phương pháp tốt để đảm ảo ổn định hệ thống, c hả năng loại nhi u mà hông phụ thuộc vào nhi u của hệ thống c đo được hay hông c ng như sự hiểu iết về nhi u c rõ ràng hay hông Đ y là nh ng ưu điểm mà ộ điều hiển truyền thẳng hông c được
Để tận dụng những ưu điểm và hạn chế những nhược điểm của điều khiển phản hồi và điều khiển truyền thẳng, một kết hợp của hai phương pháp để có thể xây dựng cấu trúc điều khiển cho DVR. Hình 3.11 là cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng. Với sự kết hợp này điều khiển phản hồi có vai trò ổn định hệ thống và triệt tiêu sai lệch tĩnh, thì điều khiển truyền thẳng có tác dụng bù nhiễu để giúp hệ thống đáp ứng nhanh hơn.
nh . 1 Cấu trúc điều hiển phản hồi và truyền thẳng được ết hợp [7]
Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng có thể thực hiện dưới nhiều hình thức khác nhau, ở đây bộ điều khiển vòng trong có thể là một bộ điều khiển phản hồi, trong khi bộ điều khiển vòng ngoài là một bộ điều khiển truyền thẳng.
3.4.2 Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng
Đây là kiểu điều khiển được phát triển từ điều khiển đa vòng lặp, tài liệu [3,5,7, 52,53].
Thông thường một cấu trúc điều khiển đa vòng có thể bao gồm hai hay nhiều vòng điều khiển trong đó có ít nhất một vòng điều khiển phản hồi. Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng ở hình 3.12 được áp dụng để phát triển cấu trúc điều khiển cho DVR.
Bộ lọc Bộ điều
khiển PWM
uinj*
uinj
uinj
u
-
+ uinj
Bộ lọc C uinj
*
+ + PWM P
PI uinj
57
nh .12 ấu trúc điều hiển hai mạch vòng [7]
Trong cấu trúc này có hai giá trị đo, được phản hồi về hai bộ điều khiển đó là giá trị điện áp chèn vào (uinj) và dòng điện cuộn cảm bộ lọc (iinj) của DVR, nhưng chỉ có một biến điều khiển đó là điện áp bộ biến đổi uinv). Tuy nhiên, bậc của hệ thống không hề tăng lên nên hai bộ điều khiển không hoàn toàn độc lập với nhau. Đầu ra của bộ điều khiển điện áp đóng vai trò là giá trị đặt cho bộ điều khiển dòng. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc này như sau: Giả sử có nhiễu dòng điện tác động lên hệ thống gây ảnh hưởng, ngay lập tức nó được nhận diện nhanh hơn qua biến đo từ khâu phản hồi dòng, bộ điều khiển dòng sẽ có tác dụng loại trừ hoặc ít ra là giảm thiểu đáng kể ảnh hưởng của nó tới biến đầu ra thực là uinj. Bộ điều khiển điện áp có chức năng đáp ứng với giá trị đặt thay đổi và loại trừ ảnh hưởng của những nguồn nhiễu còn lại, nhằm duy trì biến cần điều khiển là điện áp chèn vào uinj của DVR tại giá trị đặt uinj* của nó. Tóm lại, vòng điều khiển ngoài có nhiệm vụ phản ứng với mệnh lệnh phía trên giá trị đặt uinj*) và với nhiễu mang tính toàn cục, còn vòng điều khiển trong có trách nhiệm với nhiễu cục bộ.
3.4.3 Cấu trúc điều khiển của DVR
Cấu trúc điều khiển của DVR được phát triển trên cơ sở phương pháp điều khiển vector thực hiện trên hệ tọa độ quay dq và trên hệ tọa độ tĩnh αβ với hai mạch vòng điều khiển.
Để có thể điều khiển bù lõm điện áp cân bằng và không cân bằng, trong cấu trúc điều khiển vận dụng phương pháp tách thành phần thứ tự thuận và thành phần thứ tự nghịch thành hai kênh và điều khiển độc lập trước khi tổng hợp hai thành phần này để đưa ra lượng đặt cho khâu điều chế của bộ biến đổi VSC, mỗi kênh được áp dụng cấu trúc điều khiển hai mạch vòng, tương ứng với bộ điều khiển dòng điện và bộ điều khiển điện áp. Cấu trúc điều khiển của DVR được xây dựng trên hình 3.13 đã được nghiên cứu và tham khảo từ nhiều tài liệu khác nhau trong đó có các tài liệu [21,29,39,62].
Trong sơ đồ 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 tải được ký hiệu là: uL,a(t), uL,b(t), uL,c(t). Điện áp 3 pha của bộ biến đổi VSC và dòng điện qua điện cuộn cảm lọc tương ứng được ký hiệu: uinv,abc(t), và if,abc(t). Điện áp tụ lọc được ký hiệu: uc,abc(t). Điện áp và dòng điện chèn vào thông qua máy biến áp nối tiếp tương ứng được ký hiệu bởi:
uinj,abc(t) và iinj,abc(t). Điện áp phía một chiều (DC- ine) được ký hiệu là udc(t). Các ký hiệu trong bộ điều khiển BĐK): BĐK TTT, BĐK TTN là bộ điều khiển thứ tự thuận và bộ điều khiển thứ tự nghịch. up*, un* là điện áp đặt cho thành phần thứ tự thuận và nghịch.
Tín hiệu đầu vào điều khiển được xác định là điện áp bộ biến đổi (uinv,abc), các biến được điều khiển là dòng điện qua cuộn cảm lọc Lf (if,abc) và điện áp chèn vào thực tế (uinj,abc), biến nhiễu loạn là dòng điện chèn vào (iinj,abc).
ượng đặt của điện áp tải u*L,abc được lựa chọn để phù hợp với đặc điểm của tải và hạn chế được tiêu hao năng lượng là nhỏ nhất trong khi bù một lõm điện áp.
ượng đặt điện áp chèn vào của DVR bằng giá trị u*L,abc trừ đi điện áp lưới ug,abc.
abc g abc L abc
inj u u
u* , *, , (3.25) iinj
BĐK1 BĐK2
- -
uinj
uinj
* uinv
uinj
iinj
PWM VSC+LC
58
Điện áp chèn vào của DVR chính bằng điện áp trên tụ lọc Cf. uinj,abc = uc,abc
Để điều khiển điện áp chèn vào của DVR chính là điều chỉnh điện áp trên tụ điện Cf. Dòng điện chèn vào iinj,abc=n.ig,abc.
Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của DVR [21,29,39,62]
Cấu trúc điều khiển điện áp tải cũng như các biến điều khiển, các biến phản hồi, các biến nhiễu đã được xác định, tiếp theo là xây dựng thuật toán điều khiển.