Chương 2: CẤU TRÚC BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG
2.5 Năng lượng hệ thống DVR
Để bù lõm điện áp hệ thống DVR cần tạo ra điện áp chèn và công suất tác dụng để cung cấp cho tải. Năng lượng cần thiết cho mục đích đó cần được tích lũy ở phía DC-link của bộ
Zs
US Tải
Uinv
Cf
Lf UL
~
UZ
Uinj Zs
UZ
Uf Tải Rf Cf
UL
~ Us
36
biến đổi hoặc bằng một phương pháp khác. Có thể phân loại hệ thống năng lượng DVR theo hai kiểu, tài liệu [27,28, 45].
Các kiểu DVR được cấp nguồn từ bộ tích trữ năng lượng, hình 2.14 và hình 2.15.
Tồn tại kho năng lượng nào đó được bổ sung trong thời gian lưới hoạt động bình thường.
Để đạt mục đích này thường sử dụng bảng tụ điện, ắcquy nhưng cũng có thể gặp các phương án khác. Ví dụ: cuộn cảm siêu dẫn, siêu tụ điện và các thứ khác.
Các kiểu DVR không có bộ lưu trữ năng lượng. Hệ thống trung gian DC-link được cấp nguồn suốt thời gian qua bộ chỉnh lưu và trong khi lõm điện áp năng lượng phía DC được bổ sung trực tiếp từ lưới.
2.5.1 Các kiểu DVR cấp nguồn từ bộ lưu trữ năng lượng
Các kiểu DVR sử dụng bộ lưu trữ năng lượng điện khi cần thiết để bù lõm điện áp, mà đặc biệt là các lõm sâu, khi đó điện áp nguồn cung cấp bị sụt giảm vượt quá 40-50%. Nếu với lõm điện áp có thời gian tồn tại không quá dài thì cấu trúc liên kết hình 2.14 là đủ để áp dụng cho một DVR, mà một điện áp DC-link thay đổi đặc trưng [27,28].
Hình 2.14 Kiểu DVR điện áp DC-link thay đổi [27] Hình 2.15 Kiểu DVR điện áp DC-link không đổi [27]
Để khôi phục điện áp tải có thể tiêu hao một lượng năng lượng E phát ra bởi DVR đến tải, mà không gây ra một sự thay đổi của điện áp UDC trên tụ CDC, dưới mức thấp nhất UDC(min), dưới mức này VSC không thể chèn điện áp Uinj theo yêu cầu. Như vậy năng lượng E được giới hạn bởi sự thay đổi, [27].
) 2(
1 2
(min) 2
) 0
( DC
DC
DC U U
C
E
(2.2) Ở đây UDC(0) là điện áp DC-link định mức.
Nếu giả sử điện áp lõm ở điểm cực nguồn cung cấp, mà thời gian dài hơn, thì khuyến khích áp dụng cấu trúc liên kết 2 (hình 2.15). Một bộ lưu trữ năng lượng độc lập và một bộ biến đổi DC/DC đảm bảo duy trì điện áp trên DC-link không đổi. Trong quá trình phục hồi năng lượng được truyền từ bộ lưu trữ năng lượng đến DC-link thông qua bộ biến đổi DC/DC.
Lợi thế của cấu trúc liên kết 1 khi áp dụng cho DVR là công suất định mức của bộ biến đổi thấp nhất [ 27]. Trong đó hệ số suy giảm của điện áp đầu cực nguồn cung cấp như sau.
rated sag rated
U U
U
và ta xem Urated=U'L. (2.3) Trong đó: Urated là điện áp nguồn định mức. Usag là điện áp nguồn cung cấp trong khi lõm. U'L là điện áp tải sau khi phục hồi.
Khi đó công suất định mức của DVR đối với cấu trúc liên kết 1 có thể được tính toán bởi:
SDVR(1) = SVSC = UC.IC =.SL (2.4) ở đây, UC = Urated = U'L và IC = IL = IS.
Is
US UL
Tải IC Uinj
DVR
ES
DC/DC
VSC_L C
IL
~
Us
2 UL
Is
US
Tải IC Uinj
DVR ES CDC
VSC_L C
IL
~
Us
1
37
Đối với cấu trúc liên kết 2 công suất định mức của DVR cung đươc xác định theo:
SDVR(2) = SVSC + SDC/DC = .SL + SDC/DC = 2..SL (2.5) Ở đây công suất định mức của bộ biến đổi DC/DC bơm vào được tính. SDC/DC = SVSC =
.SL, nó được tính toán cho trường hợp nghiêm trọng nhất (tải cảm kháng). Khi đó giá trị thấp nhất có thể của VSC bằng công suất tích cực PC, được chuyển từ bộ lưu trữ năng lượng đến tải thông qua bộ biến đổi DC/DC và VSC, tài liệu [27].
2.5.2 Các kiểu DVR không có bộ lưu trữ năng lượng
Các DVR kiểu này đặc trưng là không có hệ thống riêng để lưu trữ năng lượng, xem hình 2.16 và hình 2.17, tài liệu [27,28,39]. Tụ điện phía một chiều bộ biến đổi chỉ phục vụ như bộ lọc làm giảm dao động điện áp. Các hệ thống này lợi dụng thực tế là trong khi lõm điện áp, tồn tại một phần nhất định điện áp nguồn còn lại (như là điện áp dư), nhờ đó hệ thống có thể được cấp nguồn liên tục. Hạn chế của các kiểu hệ thống năng lượng này đó là tăng tiêu thụ dòng trong khi lõm điện áp, do tiêu thụ thêm dòng điện bởi hệ thống DVR làm tăng mức độ sâu hơn của sự giảm điện áp do lõm. Do vậy các kiểu liên kết này phù hợp với các lõm điện áp có thời gian tồn tại lâu, nhưng không phù hợp với các lõm điện áp sâu.
a) b)
Hình 2.16 DVR có BBĐ-AC/DC mắc phía nguồn [27] Hình 2.17 DVR có BBĐ-AC/DC mắc phía tải [27]
Phần quan trọng của các hệ thống này là bộ chỉnh lưu đảm bảo cấp nguồn cho phía DC- link, trong các phương án thực tế hệ thống dùng bộ biến đổi không điều khiển chiếm ưu thế. Trên phương diện điểm nối nguồn bộ chỉnh lưu có thể phân biệt hai kiểu hệ thống.
- Bộ chỉnh lưu mắc phía lưới nguồn, hình 2.16.
- Bộ chỉnh lưu mắc phía tải, hình 2.17.
Đối với cấu trúc 3 (hình 2.16) khi điện áp phía tải U'L=Urated, thì điện áp một chiều UDC
được xác định, [27].
UDC = k1.(1-).Urated và Uinj = .Urated (2.6) Trong khi các bất đẳng thức sau phải luôn được thỏa mản.
Uinj n.k2.UDC (2.7) ở đây k1 và k2 là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc của chỉnh lưu diode và VSC, n là hệ số máy biến áp nối tiếp. Từ phương trình (2.6) và (2.7) chúng ta có thể kết luận rằng, để phục hồi đầy đủ điện áp phía tải, hệ số của máy biến áp phải được lựa chọn phù hợp với công thức sau đây, [27].
n k1.k2./(1-) (2.8) Giả sử rằng k1.k2 = 1, với = 0.5 chúng ta có được n = 1/2. Như vậy hệ số máy biến áp được lựa chọn phù hợp cho DVR. Hạn chế về khả năng của nó là chỉ phục hồi được đầy đủ điện áp tải với những thay đổi của hệ số trong giới hạn 0-0,3, được thể hiện trong hình 2.18, tài liệu [27,28].
Is
US
Tải
IC Uinj
IC2
DVR
AC/DC
VSC_L C
IC1 IL
~
Us
UL
3
Is
US UL
Tải IC
Uinj
IC2
DVR
AC/DC
VSC_L C
IC1 IL
~
Us
4
38
Hình 2.18 Điện áp đầu ra của một DVR điển hình [27]
Như có thể thấy, dòng điện IC1 qua VSC trong trường hợp liên kết 3 của DVR bằng dòng điện tải IC1 = IL, trong khi trường hợp liên kết 4 của DVR được đặc trưng bởi bộ chỉnh lưu diode kết nối bên phía tải, dòng điện này bằng IC1 = IL/(1-). Do vậy, khi điện áp được chèn vào Uinj = .U'L bởi các DVR thì công suất định mức của các cấu trúc VSC là khác nhau và được cho bởi, [27]:
Cấu trúc liên kết 3: SSVC = .SL (2.9)
Cấu trúc liên kết 4: SSVC = .SL/(1-) (2.10) Tuy nhiên, công suất định mức của bộ biến đổi song song AC/DC (bộ chỉnh lưu điốt), đã được xác định trên cơ sở giá trị lớn nhất của dòng điện và điện áp, là đều giống nhau và lên tới, tài liệu [27]
SAC/DC = .SL/(1-) (2.11) Thông qua phương trình (2.9)-(2.11), công suất định mức tổng thể của DVR liên kết không có bộ lưu trữ năng lượng SDVR=SSVC+S(AC/DC) được tính toán như sau:
Cấu trúc liên kết 3:
SDVR(3) = (2-)..SL/(1-) (2.12)
Cấu trúc liên kết 4:
SDVR(4) = 2..SL/(1-) (2.13) Qua phân tích các cấu trúc liên kết của hệ thống năng lượng một kết quả so sánh về công suất của DVR như được thể hiện ở hình 2.19 cho thấy bao gồm công suất toàn phần định mức của bộ biến đổi thay đổi với sự thay đổi của hệ số đối với bốn cấu trúc liên kết của DVR, tài liệu [27,28,39].
Hình 2.19 Công suất toàn phần của các kiểu liên kết DVR (chỉ các bộ biến đổi) và hệ số [39]
Từ đồ thị hình 2.19 cho thấy cấu trúc liên kết 4 của DVR, mô tả bởi một kết nối bộ biến đổi AC/DC phía tải, yêu cầu công suất định mức cao nhất khi so với các cấu trúc liên kết khác của DVR. Nhược điểm quan trọng của cấu trúc liên kết này cũng chính là dòng điện lớn hơn và hy vọng sẽ được khắc phục bởi VSC. Ngoài ra tải có thể bị nhiễu loạn bởi dòng điện phi tuyến bởi chỉnh lưu diode song song (bộ biến đổi AC/DC). Tuy nhiên một DVR với cấu trúc liên kết 4 có thể là một giải pháp trong điều kiện thiết kế bộ biến đổi song song, khi đó điện áp DC-link có thể được giữ không đổi.
Liên kết 4 Liên kết 3 Liên kết 2 Liên kết 1
39
2.5.3 Các phương pháp tích trữ năng lượng
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].