Chương 2: CẤU TRÚC BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG
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 tắt biến 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
UDC OFF
T2 OFF
T3 OFF
T4 OFF
T1
UDC OFF
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 C U R T
, 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.