a) Mô phỏng khi không có SVC
Nhìn vào hình vẽ đáp ứng mô phỏng dưới đây ta thấy rằng, khi không có SVC, điện áp lưới không đạt yêu cầu. Tại thời điểm t=0.4s điện áp tại nút bị sụt xuống giá trị 0.94pu và không có khả năng điều chỉnh trở lại mức điện áp cho phép là từ 0.95pu đến 1.05pu. Công suất phản kháng đưa vào lưới điện là Q = 0.
Như vậy khi không mắc SVC,điện áp của lưới biên thiên khá mạnh và vượt qua dải điện áp cho phép (0.95pu đến 1.05pu) . Điều này ảnh hưởng rất xấu đến sự hoạt động của toàn bộ hệ thống . Hình 4.12 và 4.13 là kết quả thu được khi mô phỏng hệ thống có và không sử dụng SVC:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.9. Mô phỏng hệ thống khi không có SVC
b) Mô phỏng khi hệ thống kết nối SVC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trên Hìn h 4.14, hệ thống TSC luôn dẫn như một FC luôn phát lên một lượng công suất phản kháng là 60 MVAr, tại bất kỳ thời điểm nào.
Lúc đầu đi ện áp nguồn được đặt ở 1,0 pu. Tại thời điểm t = 0,1(s) điện áp đột ngột tăng lên 1,025 pu, lưới thừa công suất phản kháng , TCR phản ứng bằng cách điều chỉnh góc α = 90º để mở hoàn toàn Thyristor tiêu thụ một lượng 108 MVAr, mặt khác các bộ FC luôn phát lên lưới 60 MVAr như vậy cả bộ SVC sẽ tiêu thụ từ lưới 48 MVAr , điện áp sẽ giảm xuống . Tại thời điểm t = 0,4( s) khi điện áp lưới giảm xuống 0,94 p.u, lưới thiếu công suất phản kháng , khi đó TCR sẽ được ngắt bằng cách điều chỉnh góc mở α = 180º và phát hoàn toàn 60 MVAr công suất phản kháng của 3 bộ FC lên, điện áp sẽ tăng lên trong khoảng cho phép trên 0,95 p.u. Tại thời điểm t = 0,7(s) cũng tương tự tại thời điểm t = 0,1(s), khi điện áp tăng lên 1,035 p.u, TCR sẽ mở hoàn toàn bằng cách điều chỉnh góc mở α = 90º hút xuống một lượng công suất 108 MVAr và FC luôn phát một lượng 60 MVAr, lượng công suất cả bộ SVC tiêu thụ sẽ là 48 MVAr, nhờ đó điện áp sẽ giảm xuống dưới 1,035 p.u .
Khi có SVC, thời gian quá áp của điện áp lưới giảm chỉ còn (50ms). Sau đó điện áp tại nút mà SVC mắc vào được đưa trở lại nằm trong giá trị cho phép từ 0.95pu đến 1.05pu. Như vậy kết quả mô phỏng hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của lưới .
c) Phân tích các thành phần sóng hài trong hệ thống
Hệ thống của chúng ta dùng cấu hình TCR/FC. Với các Fixed Capacitor, ngoài nhiệm vụ phát công suất phản kháng vào hệ thống, còn để lọc các thành phần sóng hài. Hệ thống có ba FC, tương ứng lọc các sóng hài bậc 3, 5, và 7.
Để phân tích sóng hài bậc cao , ta dùng khối Discrete Fourier trong SimPowerSystem của Simulink . Khối này sẽ khai triển Fourier một tín hiệu bất kỳ , do đó nó có thể dùng để phân tích các thành phần sóng hài .
Ở đây ta sẽ phân tích thành phần sóng hài dòng điện phát lên sơ cấp (Primary) biến áp khi dòng điện iprimđược đo lường . Như vậy, đầu vào của khối được lấy từ tín
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
hiệu iprim để phân tích sóng hài , đầu ra Mag của khối đưa vào Scope để quan sát sóng hài. Chọn tham số Hamonic n lần lượt bằng 3, 5 7.
Hình 4.11. Sơ đồ mô phỏng khối đo thành phần sóng hài
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.13. Sóng hài bậc 3 sau khi lọc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.15. Sóng hài bậc 7 sau khi lọc
Nhận xét:
Nhìn vào đồ thị của từng thành phần sóng hài khi không mắc bộ lọc bậc n ( n= 3, 5, 7) và khi mắc cả ba bộ lọc, dễ dàng thấy được tác dụng của từng bộ lọc FC khi biên độ sóng hài giảm đi đáng kể . Tại thời điểm có sự biến động t = 0,7(s) ; biên độ sóng hài bậc 3, 5, 7 lần lượt là 0,119 ; 0,168 ; 0,061 ; sau khi được lọc biên độ của sóng hài bậc 3 , 5, 7 là 0,092; 0,12 ; 0,056.
Tiếp theo ta tiếp tục phân tích vai trò của từng bộ lọc bằng cách mô phỏng phân tích FFT đo tỷ lệ sóng hài khi tách ra từng bộ lọc:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.16. Đo THD dòng điện khi bỏ lọc bậc 7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.18. Đo THD dòng điện khi bỏ lọc bậc 3
Ta có thể nhận thấy khi không sử dụng một trong các bộ lọc, tỷ lệ THD đều vượt quá tiêu chuẩn 4% quy định IEEE std 519.
4.2. Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực
Ở các chương trước, ta đã phân tích tác dụng bù công suất phản kháng cũng như lọc sóng hài bậc cao của bộ lọc tích cực khi được kết nối với lưới điện. Trong chương này sẽ xây dựng mô hình mô phỏng theo yêu cầu thực tế và tiến hành kiểm chứng chức năng lọc sóng hài bậc cao của thiết bị lọc tích cực.
Với mục tiêu kết hợp và khắc phục những nhược điểm của mô hình SVC, bộ lọc tích cực cần phát huy khả năng bù dòng sóng hài bậc cao. Điều này được bộ lọc thực hiện bằng cách phát lên lưới một dòng điện có cùng biên độ nhưng ngược pha với dòng sóng hài bậc cao từ đó triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc cao trên lưới. Phương pháp này có ưu điểm lớn là bù được nhiều sóng hài bậc cao so với bù tĩnh thông thường, hiệu quả bù tốt hơn. Xét mô hình mô phỏng như trên hình 4.9:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4.2.1. Cấu trúc mô phỏng
Giả thiết nguồn phát sinh sóng hài trên lưới được tạo ra bởi 2 tải phi tuyến có sử dụng các bộ biến đổi công suất. Nguồn điện 3 pha hoàn toàn khả trình, các tải được nối với nguồn thông qua biến áp và tải 2 được điều khiển đóng vào nguồn chậm hơn so với tải 1 để tạo ra biến động về nhu cầu tải trên lưới điện. Khối lọc tích cực là bộ lọc tích cực kiểu lai được mắc song song với tải
Hình 4.19. Mô hình mô phỏng hệ thống điện với thiết bị lọc tích cực AHF (Active Harmonic Filter)
Các khối sử dụng trong mô hình được giới thiệu trong bảng 4.3: Bảng 4.3. Các khối sử dụng trong mô hình mô phỏng
Khối Tham số
Nguồn 1 pha thay đổi được 3 bộ nguồn 1 pha như trên hợ thành hệ thống điện bap ha, điện áp và tần
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
số có thể thay đổi được. Nguồn không điều khiển
Điện cảm xoay chiều Ls1 Điện cảm xoay chiều Ls1 mắc trước
tải và khối lọc tích cực có tác dụng hạn chế sự biến thiên quá nhanh của dòng điện trên lưới
Tải tĩnh 3 pha Tải phi tuyến – bộ biến đổi công suất
với các van bán dẫn, tiêu thụ điện năng và gây ra sóng hài bậc cao trên lưới, nối với nguồn thông qua biến áp 3 pha hai cuôn dây nối kiểu ∆-∆
Thiết bị đo dòng, áp ba pha Đo dòng và áp của hệ thống điện ba pha; sử dụng 2 bộ: đo dòng/áp phía nguồn và đo dòng áp phía tải sau khi được bù sóng hài
Khối lọc tích cực Khối lọc tích cực với thiết bị lọc tích
cực mắc song song với tải thực hiện bù dòng sóng hài bậc cao trên lưới.
Cầu dao đóng mở ba pha Sử dụng để thao tác đóng bằng tay tải
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
động về nhu cầu công suất cũng như biến động về sóng hài trên lưới.
Mô hình khối lọc tích cực và bộ lọc tích cực được thể hiện trong hình 4.20
Hình 4.20. Mô hình khối lọc tích cực
Khối lọc tích cực mắc song song với tải bao gồm: nghịch lưu sử dụng van IGBT, hệ thống tụ 1 chiều, điện cảm xoay chiều và mạch phản hồi dòng. Từ khối đo điện áp, dòng điện ba pha phía tải, tín hiệu dòng điện được phản hồi về bộ điều khiển mạch nghịch lưu theo ba luồng như trên hình . Khối PLL (Phase Locked Loop) có chức năng tạo ra một dòng chuẩn hình sin cùng pha và tỉ lệ với dòng điện tải. Sự sai lệch về dòng điện giữa dòng điện tải và dòng chuẩn được tính bởi cầu IGBT thông qua khâu trễ Hysteresis. Từ sự sai lệch này, khối điều khiển nghịch lưu sẽ thực hiện chức năng lọc sóng hài.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4.2.2. Mô hình sử dụng bộ lọc tích cực kết hợp SVC
Theo tiêu chuẩn về thành phần sóng hài trên lưới điện IEEE std 519 (tham khảo chương 2 về nội dung tiêu chuẩn), với hệ thống điện được sử dụng với mục đích đặc biệt, hệ số sóng hài cho phép là THD không được vượt quá 5%. Đối chiếu với kết quả mô phỏng ở trên, ta có thể thấy bộ lọc tích cực không những thực hiện được nhiệm vụ lọc sóng hài bậc cao như ở hệ SVC mà nó còn thực hiện rất tốt nhiệm vụ này khi hệ số THD trên lưới luôn được đảm bảo nhỏ hơn 3%. Kết quả khả quan này cho phép ta nghĩ tới việc ứng dụng rộng rãi bộ lọc tích cực cho lưới điện nước ta.
Sơ đồ mô phỏng sự kết hợp bộ lọc tích cực với SVC được thể hiện trong hình 4.21.
Các khối chức năng trên sơ đồ vẫn được giữ như trong mô hình mô phỏng hệ thống bù tĩnh SVC; bộ lọc tích cực được mắc song song với hệ thống bù tĩnh có điều khiển SVC ban đầu. Do công suất của các thiết bị bán dẫn bị hạn chế bởi giới hạn dòng và áp nên bộ lọc tích cực chưa thể thay thế toàn bộ các bộ lọc thụ động mà chỉ có thể thay thế một trong các bộ lọc hay góp phần lọc sóng hài cùng các bộ lọc thụ động.
Hệ thống điện này có điện áp nguồn được điều khiển thay đổi theo thời gian, tại các thời điểm nhất đinh (0,1s; 0,4s; 0,7s) nguồn sẽ cấp những giá trị điện áp khác nhau (1,025pu; 0,92 pu; 1,0 pu) từ đó tạo ra những biến động về điện áp trên lưới. Nhiệm vụ của hệ thống SVC-AF này là thực hiện ổn định điện áp trên lưới đồng thời lọc các thành phần sóng hài bậc cao của tải, và sóng hài sinh ra do chính khối TCR.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.21. Bộ lọc tích cực sử dụng cùng thiết bị SVC
Nhằm tìm hiểu ưu điểm của sự kết hợp này, ta tiến hành phân tích hai trường hợp sau: bộ lọc tích cực không được nối với hệ thống SVC và bộ lọc tích cực mắc song song hệ thống SVC, thu được kết quả mô phỏng về dòng điện và điện áp.
4.2.3 Kết quả mô phỏng lọc AF
Tiến hành mô phỏng mô hình trên với trình tự như sau:
Đầu tiên chỉ có tải phi tuyến I được nối với lưới điện sau đó tới thời điểm 5/60s tải II được nối với lưới điện nhằm tại ra biến động về nhu cầu công suất cũng như biến đông về sóng hài trên lưới. Ta thu được biên dạng điện áp và dòng điện của nguồn, tải và bộ lọc tích cực cũng như hệ tụ một chiều như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Như được biểu diễn trên hình 4.22, biên dạng điện áp phía nguồn cũng như phía tải được giữ cho gần dạng sin nhất; biên dạng dòng điện có sự can thiệp của các sóng hài bậc cao nên có độ méo nhất định, ta sử dụng bộ lọc AF để giảm độ méo này xuống nhỏ nhất có thể. Tại thời điểm bắt đầu khảo sát, AF mất 1 chu kỳ để có thể điều chỉnh bù hợp lý cho dòng điện tại nguồn và tải. Khi có biến động về tải (tải 2 được đấu với nguồn), yêu cầu dòng điện trên lưới tăng, AF phản ứng kịp thời để dòng điện trên lưới tăng đủ yêu cầu nhưng vẫn đảm bảo các chỉ tiêu sóng hài.
Kết quả thu được như trong các hình sau:
Hình 4.22. Biên dạng điện áp và dòng điện của nguồn .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.24. Biên dạng điện áp và dòng điện của tải.
Hình 4.25. Biên dạng điện áp và dòng điện của tụ.
Đánh giá sóng hài.
Ở thời điểm ban đầu chỉ có tải phi tuyến thứ nhất được đóng vào lưới, ở chu kỳ thứ 3, bộ lọc tích cực góp phần giảm tỷ lệ THD ở tải từ 22,40% ở phía tải xuống còn 0,64% khi về tới nguồn.
(a) (b)
Hình 4.26. Sóng hài ở tải a) và nguồn b) tại thời điểm chỉ có tải I được đấu vào lưới điện
Ở thời điểm t =5/60s, phụ tải phi tuyến thứ 2 được đóng vào nguồn điện. tải này hoạt động và làm tăng hệ số THD tại nguồn điện lên 12,18% do thiết bị lọc tích cực không thể ngay lập tức bù dòng song hài mới phát sinh mà phải ở chu kỳ sau đó, tác dụng bù của bộ lọc mới được thể hiện khi giảm hệ số THD tại nguồn xuống còn 3,73%.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
a) b)
Hình 4.27. Sóng hài ở tải (a) và nguồn (b) khi cả 2 tải được đấu vào lưới điện
Và khi hệ thống đã hoạt động ở chế độ xác lập, hệ số THD ở tải ổn định hơn
đồng thời bộ lọc tích cực cũng bù được hầu hết thành phần dòng song hài bậc cao trên lưới: giảm THD ở phía tải là 4,82 % xuống còn 3,02% ở phía nguồn.
a) b)
Hình 4.28.Sóng hài ở tải a) và nguồn b) khi lưới đã hoạt động ổn định
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.29. Kết quả mô phỏng lưới điện khi chỉ có hệ thống bù SVC
Hình 4.30. Kết quả mô phỏng với lưới điện khi có bộ lọc tích cực tham gia lọc sóng hài cùng SVC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
a) b)
Hình 4.31. Hệ số THD tại TCR trong trường hợp có AF a) và không có AF b) Từ kết quả mô phỏng lưới điện ứng với hai trạng thái làm việc như trên ta có thể nhận thấy: về cơ bản, hệ thống bù tĩnh có điều khiển SVC đảm bảo được quá trình bù công suất phản kháng, ổn định điện áp hệ thống khi xảy ra các biến động về tải hay điện áp đường dây thông qua bộ TCR và bộ lọc thụ động FC. Tuy nhiên, hệ quả của quá trình lọc này là có một lượng sóng hài từ thiết bị phát lên lưới làm giảm độ ổn định của lưới điện khi hoạt động (dòng điện phía thứ cấp biến áp có chứa nhiều thành phần sóng hài nên biên dạng không sin như biểu đồ I_sec trên hình (4.27).
Đối với khả năng thực hiện bù công suất phản kháng và lọc sóng hài trên lưới, kết quả được cải thiện rõ rệt, hệ thống không những đảm nhiệm tốt nhiệm vụ bù công suất phản kháng và ổn định điện áp mà nhiệm vụ lọc sóng hài bậc cao cũng thu được