Luận án Tiến sĩ Điểu khiển và tự động hóa: Nghiên cứu điều khiển bộ khôi phục điện áp động (DVR) để bù lõm điện áp cho phụ tải quan trọng trong xí nghiệp công nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:170

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về cấu trúc phần lực và điều khiển DVR nhằm đảm bảo cho các phụ tải nhạy cảm hoàn toàn không bị chịu tác động của các loại sự cố kiểu lõm-dâng điện áp ngắn hạn từ nguồn; nghiên cứu chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị DVR một cách hiệu quả nhất đối với các xí nghiệp công nghiệp thông qua áp dụng cho một trường hợp thực tế điển hình.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Điểu khiển và tự động hóa: Nghiên cứu điều khiển bộ khôi phục điện áp động (DVR) để bù lõm điện áp cho phụ tải quan trọng trong xí nghiệp công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------- TRTRẦN DUY TRINH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) ĐỂ BÙ LÕM ĐIỆN ÁP CHO PHỤ TẢI QUAN TRỌNG TRONG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình của tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Cáckết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất cứ một luận án nào khác. Tác giả luận án LUẬN ÁN TIẾN SĨTrần ĐIỂUDuyKHIỂN Trinh VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI-2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------- TRTRẦN DUY TRINH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) ĐỂ BÙ LÕM ĐIỆN ÁP CHO PHỤ TẢI QUAN TRỌNG TRONG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP Chuyên nghành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn 2. TS. Trần Trọng Minh 3. S.TS. Nguyễn Văn Liễn HÀ NỘI-2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình của tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng trong bất cứ một luận án nào khác. Tác giả luận án Trần Duy Trinh
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đề tài, tác giả đã gặp nhiều khó khăn. Một mặt do trình độ còn hạn chế, một mặt do thông tin tư liệu và tài liệu tham khảo không thật đầy đủ, song tác giả đã rất cố gắng và được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ của các GS, PGS, TS trong Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp Công nghiệp, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè đồng nghiệp, luận án đến nay đã hoàn thành. Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp Công nghiệp-Viện Điện, Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã dành thời gian và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian thực hiện đề tài. Chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của Nhà máy Xi măng Hoàng Mai, Tỉnh Nghệ An đã dành cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình khảo sát thực tế, thực hiện luận án. Chân thành cảm ơn Viện Đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và động viên tác giả trong thời gian nghiên cứu hoàn thành luận án. Tác giả vô cùng biết ơn PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn và TS. Trần Trọng Minh những người đã định hướng, hướng dẫn, giúp tác giả hoàn thành các nhiệm vụ đặt ra cho luận án. Chân thành cảm ơn các GS, PGS, TS, các thầy cô giáo đã dành thời gian đọc và đóng góp những ý kiến quý báu làm luận án có tính khoa học hơn. Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án. Tác giả luận án
MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa............................................................................................................... ............ Lời cam đoan................................................................................................................ ........... Lời cảm ơn................................................................................................................... ............ Mục lục....................................................................................................................... ............. Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt............................................................................ ....... Danh mục các bảng biểu.......................................................................................................... Danh mục các hình vẽ, đồ thị......................................................................................... ......... Mở đầu............................................................................................................................ .. ....1 Chƣơng 1: GIẢM THIỂU ẢNH HƢỞNG CỦA LÕM BẰNG BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) .................................................................................................. 5 1.1 Chất lượng điện năng và vấn đề lõm điện áp............................................................. 5 1.1.1 Chất lượng điện năng .......................................................................................... 5 1.1.2 Lõm điện áp .................................................................................................. 6 1.2 Bộ khôi phục điện áp động (DVR) ........................................................................... 13 1.2.1 Các thiết bị giảm thiểu lõm điện áp .................................................................. 13 1.2.2 Giảm thiểu lõm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp động (DVR) .................... 15 1.3 Điều khiển DVR ................................................................................................ 20 1.3.1 Điểu khiển trong hệ tọa độ tự nhiên ................................................................. 20 1.3.2 Điều khiển vector .............................................................................................. 25 1.4 Tóm tắt và kết luận .................................................................................................. 27 Chƣơng 2: CẤU TRÚC BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG........................................ 28 2.1 Các thành phần cơ bản của bộ khôi phục điện áp động ............................................ 28 2.2 Bộ biến đổi ................................................................................................ 28 2.2.1 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp ....................................... 29 2.2.2 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới trực tiếp .............................................................. 31 2.2.3 Các phương pháp điều chế ................................................................................ 32 2.3 Bộ lọc tần số chuyển mạch ....................................................................................... 33 2.4 Máy biến áp nối tiếp ................................................................................................ 34 2.5 Năng lượng hệ thống DVR ....................................................................................... 34 2.5.1 Các kiểu DVR cấp nguồn từ bộ lưu trữ năng lượng ......................................... 35 2.5.2 Các kiểu DVR không có bộ lưu trữ năng lượng ............................................... 36 2.5.3 Các phương pháp tích trữ năng lượng ............................................................... 38 2.6 Bảo vệ DVR .............................................................................................................. 39 2.6.1 Bảo vệ ngắn mạch ............................................................................................. 39 2.6.2 Bảo vệ trước sự tăng điện áp phía DC-link ....................................................... 41 2.6.3 Bảo vệ hở mạch lưới ......................................................................................... 41 2.7 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc cho DVR ............................................................................ 42 2.8 Tóm tắt và kết luận ................................................................................................... 43 Chƣơng 3: ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG .................................... 44 3.1 Các chế độ hoạt động và hạn chế của DVR ............................................................. 44 3.2 Các phương pháp tạo điện áp chèn vào ................................................................... 45 3.2.1 Phương pháp tạo điện áp chèn với lõm điện áp cân bằng ................................ 45 3.2.2 Phương pháp tạo điện áp chèn với lõm điện áp không cân bằng ..................... 49 3.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng và những đặc điểm của tải cần quan tâm khi lựa chọn phương pháp ................................................................................................ 50 3.3 Mô hình toán học của VSC và bộ lọc LC nối lưới .................................................. 52 3.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp tải đáp ứng điều kiện điện áp mất cân bằng ........................................................................................................... 54
3.4.1 Cấu trúc điều khiển dùng một mạch vòng điện áp ........................................... 54 3.4.2 Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng .................................................................. 55 3.4.3 Cấu trúc điều khiển DVR ................................................................................. 56 3.5 Xây dựng thuật toán điều khiển ............................................................................... 57 3.5.1 Mô hình DVR trên hệ tọa độ tĩnh αβ và tọa độ quay dq .................................. 58 3.5.2 Thuật toán điều khiển trên hệ tọa độ quay dq ................................................... 61 3.5.3 Thuật toán điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ .................................................... 66 3.6 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ............................................................................ 70 3.6.1 Dẫn xuất bộ điều khiển PR ............................................................................... 70 3.6.2 Cấu trúc bộ điều khiển PR ................................................................................ 73 3.6.3 Tính toán tham số bộ điều khiển PR................................................................. 74 3.7 Thiết kế bộ điều khiển điện áp SDR ........................................................................ 76 3.8 Nghiên cứu ổn định ................................................................................................ 80 3.9 Đồng bộ lưới ................................................................................................ 85 3.9.1 Phương pháp điểm qua không .......................................................................... 86 3.9.2 Phương pháp Arctangent .................................................................................. 86 3.9.3 Kỹ thuật PLL ................................................................................................ 87 3.10 Phát hiện lõm điện áp ............................................................................................ 89 3.11 Điều khiển DC-link ............................................................................................... 90 3.12 Tóm tắt và kết luận ................................................................................................ 91 Chƣơng 4: GIẢI PHÁP ÁP DỤNG DVR CHO XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP .......... 94 4.1 Ảnh hưởng của lõm điện áp đến các xí nghiệp công nghiệp .................................. 94 4.1.1 Ảnh hưởng của lõm điện áp đến các thiệt bị điện công nghiệp. ....................... 94 4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của lõm điện áp đối với một xí nghiệp công nghiệp điển hình ....................................................................................... 97 4.2 Ứng dụng DVR vào thực tế ..................................................................................... 99 4.2.1 Kết quả khảo sát và các tham số ban đầu. ........................................................ 99 4.2.2 Thiết kế các thành phần của DVR .................................................................. 102 4.3 Mô phỏng ............................................................................................................... 107 4.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng ......................................................................... 103 4.3.2 Kết quả mô phỏng........................................................................................... 111 4.4 Tóm tắt và kết luận ................................................................................................ 124 Chƣơng 5: XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM DVR.......................................................... 125 5.1 Xây dựng bàn thí nghiệm....................................................................................... 125 5.1.1 Phần động lực hệ thống. ................................................................................. 125 5.1.2 Phần điều khiển .............................................................................................. 129 5.2 Cài đặt thuật toán điều khiển ................................................................................. 130 5.3 Kết quả nghiên cứu thí nghiệm.................................. ............................................ 131 5.3.1 Kiểm tra khả năng đồng bộ lưới. .................................................................... 131 5.3.2 Kiểm tra khả năng bù lõm của DVR ở chế độ tĩnh......................................... 131 5.3.3 Kiểm tra khả năng của DVR ở chế độ động ................................................... 132 5.4 Tóm tắt kết luận.................................. ................................................................... 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................... 141 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 142 Phụ lục 1: Chuyển đổi các hệ trục tọa độ .................................................................... 142 Phụ lục 2: Kết quả khảo sát thực trạng lưới điện 220/110kV Nghi Sơn và các biến cố điện áp trên lưới điện 110kV Hoàng Mai ...................................... 145 Phụ lục 3: Một số hình ảnh về mô hình thực nghiệm .................................................. 152
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Bảng 1: Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Tên gọi usa(t), usb(t), usc(t) Các điện áp pha nguồn ug,a(t), ug,b(t), ug,c(t) Các điện áp pha lưới ig,a(t), ig,b(t), ig,c(t) Các dòng điện pha lưới uinja(t), uinjb(t), uinjc(t) Các điện áp pha chèn vào của DVR. iinj,a(t), iinj,b(t),iinj,c(t) Các dòng điện pha chèn vào uinj,ref Điện áp chèn vào đặt uinv,a(t),uinv,b(t),uinv,c(t) Các điện áp pha của bộ biến đổi uc,a(t), uc,b(t), uc,c(t) Các điện áp pha trên tụ điện Cf của bộ lọc uL,a(t), uL,b(t), uL,c(t) Các điện áp pha tải u*L Điện áp tải đặt usabc Điện áp nguồn trên hệ tọa độ tự nhiên abc. ugabc Điện áp lưới trên hệ tọa độ tự nhiên abc. iinjabc Dòng điện chèn vào trên hệ tọa độ tự nhiên abc. ifabc Dòng điện cuộn cảm bộ lọc LC trên hệ tọa độ tự nhiên uLabc* Điện áp tải đặt trên hệ tọa độ tự nhiên abc. uinjabc* Điện áp chèn vào đặt trên hệ tọa độ tự nhiên abc. uinvabc Điện áp bộ biến đổi trên hệ tọa độ tự nhiên abc. usαβ Vector điện áp nguồn trên hệ tọa độ tĩnh αβ. ugαβ Vector điện áp lưới trên hệ tọa độ tĩnh αβ iinjαβ Vector dòng điện chèn vào trên hệ tọa độ tĩnh αβ ifαβ Vector dòng điện cuộn kháng bộ lọc LC trên hệ tọa độ tĩnh uLαβ* Vector điện áp tải đặt trên hệ tọa độ tĩnh αβ uinjαβ* Vector điện áp chèn vào đặt trên hệ tọa độ tĩnh αβ uinvαβ Vector điện áp bộ biến đổi trên hệ tọa độ tĩnh αβ usdq Vector điện áp nguồn trên hệ tọa độ quay dq. ugdq Vector điện áp lưới trên hệ tọa độ quay dq iinjdq Vector dòng điện chèn vào trên hệ tọa độ quay dq ifdq Vector dòng điện cuộn kháng bộ lọc LC trên hệ tọa độ quay uLdq* Vector điện áp tải đặt trên hệ tọa độ quay dq uinjdq* Vector điện áp chèn vào đặt trên hệ tọa độ quay dq uinvdq Vector điện áp bộ biến đổi trên hệ tọa độ quay dq ig,a(t), ig,b(t), ig,c(t) Các dòng điện pha lưới udc(t) Điện áp phía một chiều. Cf Tụ điện bộ lọc đầu ra Lf Điện cảm bộ lọc đầu ra Rf Điện trở bộ lọc đầu ra ff Tần số cộng hưởng của bộ lọc CDC Tụ điện phía một chiều E Năng lượng phát ra của DVR trong khi bù lõm  Hệ số giảm điện áp của điện áp nguồn cung cấp m Hệ số điều chế U(1) Điện áp cơ bản  Hệ số tắt dần
D Độ sâu lõm điện áp uL Vector điện áp tải ug Vector điện áp lưới uinj Vector điện áp chèn vào Sinj Công suất toàn phần bơm vào lưới Sload Công suất toàn phần của tải. Pinj Công suất tác dụng bơm vào lưới Qinj Công suất phản kháng bơm vào lưới SDVR Công suất toàn phần của DVR XDVR Điện kháng của DVR RDVR Điện trở của DVR ZDVR Tổng trở của DVR SVSC Công suất bộ biến đổi VSC n Hệ số máy biến áp Rb Điện trở phóng điện Zsupply,before Tổng trở nguồn trước khi lõm điện áp Zsupply,affter Tổng trở nguồn sau khi lõm điện áp
Bảng 2: Danh mục các chữ viết tắt Ký hiệu Viết tắt cho Nghĩa tiếng Việt MBA - Máy biến áp BANT - Biến áp nối tiếp BBĐ - Bộ biến đổi BĐK - Bộ điều khiển LC - Bộ lọc LC XNCN - Xí nghiệp công nghiệp DVR Dynamic Voltage Restorer Bộ khôi phục điện áp động VSC Voltage Source Conveter Bộ biến đổi nguồn áp ES Energy storage Bộ lưu trữ năng lượng PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha DVR Dynamic voltage restore Bộ phục hồi điện áp động Controlled Reactance khiển bằng thyristor tử nguồn cung cấp UPS Uninterruptible power supply Bộ nguồn liên tục SDR Sequence-decoupled resonant Bộ điều khiển cộng hưởng tách Controller riêng thành phần thứ tự HSTS Hybrid static transfer switch Bộ chuyển mạch lai PR Resonant Controller Bộ điều khiển cộng hưởng LV Low Voltage Điện áp thấp MV High Voltage Điện áp cao
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Tên các bảng biểu Trang 1 Bảng 1.1: Định nghĩa của lõm điện áp theo tiêu chuẩn IEEE std 1159-1995, tiêu chuẩn IEEE std 1250-1995 và tiêu chuẩn IEC 6100-2-1 1990 7 2 Bảng 1.2: Lan truyền của lõm điện áp thông qua máy biến áp Dy 12 3 Bảng 4.1: Tổng hợp các tham số của hệ thống DVR và lưới 106 4 Bảng 4.2: Tham số bộ điều khiển 111 5 Bảng 5.1: Các tham số cơ bản của hệ thống thực nghiệm DVR 125
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Tên hình vẽ, đồ thị Trang 1 Hình 1.1 : Các vấn đề chất lượng điện xảy ra phổ biến được xác định tại 1400 địa điểm ở 8 quốc gia 5 2 Hình 1.2 : Tỷ lệ phần trăm các biến cố điện áp 5 3 Hình 1.3: Định nghĩa của biến cố điện áp dựa trên các tiêu chuẩn 7 4 Hình 1.4: Lõm điện áp một pha và lõm điện áp ba pha 7 5 Hình 1.5: Điện áp tại điểm O1,O2 và O3 khi ngắn mạch tại SC 9 6 Hình 1.6: Ngắn mạch ba pha của một lỗi ''phase-to-phase'' 10 7 Hình 1.7: Lõm điện áp do các lỗi trên lưới trong hệ thống ba pha 11 8 Hình 1.8 : Lõm điện áp kiểu C với D 11 9 Hình 1.9: Lan truyền của một lõm điện áp 12 10 Hình 1.10: Lan truyền lõm điện áp đến ba điểm kết nối 12 11 Hình 1.11 : Sơ đồ ba pha của bộ máy phát - động cơ với bánh đà để giảm thiểu lõm điện áp 13 12 Hình 1.12: Sơ đồ một dây của thiết bị giảm thiểu dựa trên máy biến áp 14 13 Hình 1.13: Sơ đồ một dây công tắc chuyển tĩnh STS 14 14 Hình 1.14: Sơ đồ ba pha của UPS 15 15 Hình 1.15: DVR bảo vệ một tải nhạy cảm 16 16 Hình 1.16: Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của DVR 16 17 Hình 1.17: Đồ thị vector thể hiện nguyên lý bù lõm của DVR 17 18 Hình 1.18: Mô hình hoá đơn giản một pha của DVR 17 19 Hình 1.19: Vị trí DVR tại cấp MV trong hệ thống phân phối 18 20 Hình 1.20: Vị trí DVR cấp điện áp LV trong hệ thống phân phối 18 21 Hình 1.21: Sơ đồ cấu trúc các thành phần chính của DVR 19 22 Hình 1.22: Sơ đồ cấu trúc điều khiển một pha của phương pháp điều khiển vô hướng 21 23 Hình 1.23: Sơ đồ cấu điều khiển trong hệ thống hở 21 24 Hình 1.24: Sơ đồ cấu trúc điều khiển trong hệ thống kín 22 25 Hình 1.25: Sơ đồ cấu trúc điều khiển có hồi tiếp âm từ dòng điện bộ biến đổi 23 26 Hình 1.26: Cấu trúc điều khiển có các vòng hồi tiếp âm kép 24 27 Hình 1.27: Cấu trúc điều khiển hồi tiếp dòng từ bộ biến đổi và dòng tải 25 28 Hình 1.28: Cấu trúc điều khiển vector phản hồi kết hợp truyền thẳng trên hệ tọa độ quay dq 26 29 Hình 2.1: Cấu trúc BBĐ nửa cầu kết nối MBA 29 30 Hình 2.2: Cấu trúc BBĐ cầu ba pha kết nối MBA 29 31 Hình 2.3: Cấu trúc nghịch lưu ba pha dùng ba BBĐ một pha 30 32 Hình 2.4: Cấu trúc bộ biến đổi đa mức diode nối máy biến áp 30 33 Hình 2.5: Các cấu trúc bộ biến đổi đa mức tụ kẹp nối máy biến áp 30 34 Hình 2.6: Cấu trúc cascade đa bậc nối máy biến áp sao hở/sao hở 31 35 Hình 2.7: Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp một pha. 31 36 Hình 2.8: Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp hệ thống ba pha 31 37 Hình 2.9: Các cấu trúc tụ điện kết nối phía nguồn 33 38 Hình 2.10: Các cấu trúc tụ điện kết nối phía nguồn và tải 33 39 Hình 2.11: Cấu trúc bộ lọc có tụ điện kết nối song song với BBĐ 33
40 Hình 2.12: Các cấu trúc bộ lọc LC phía bộ biến đổi 34 41 Hình 2.13: Các cấu trúc bộ lọc RC phía nguồn 34 42 Hình 2.14: Kiểu DVR điện áp DC-link thay đổi 35 43 Hình 2.15: Kiểu DVR điện áp DC-Link không đổi 35 44 Hình 2.16: Kiểu DVR có BBĐ-AC/DC mắc phía nguồn 36 45 Hình 2.17: Kiểu DVR có BBĐ-AC/DC mắc phía tải 36 46 Hình 2.18: Điện áp đầu ra của một DVR điển hình 37 47 Hình 2.19: Công suất toàn phần của các kiểu liên kết DVR 37 48 Hình 2.20: Sơ đồ bảo vệ thụ động hệ thống ngắn mạch biến áp nối tiếp 39 49 Hình 2.21: Sơ đồ mạch bảo vệ bộ biến đổi 40 50 Hình 2.22: Đường đi dòng điện trong trạng thái ngắn mạch 40 51 Hình 2.23: Đường phóng của tụ điện DC 41 52 Hình 2.24: Các tình trạng hỏng hóc với sự có mặt của hệ thống DVR 42 53 Hình 2.25: Sơ đồ cấu trúc của DVR nối lưới ở cấp MV 43 54 Hình 3.1: Đồ thị vector của phương pháp "Trước lõm" 46 55 Hình 3.2: Đồ thị phasor của phương pháp "Đồng pha" 47 56 Hình 3.3: Đồ thị phasor của phương pháp “Giảm năng lượng” 48 57 Hình 3.4: Sơ đồ vector mô tả ba phương pháp tạo điện áp chèn trên lưới điện ba pha 49 58 Hình 3.5: Sơ đồ một dây VSC và bộ lọc LC nối lưới 52 59 Hình 3.6: Mô hình tương đương VSC và bộ lọc LC nối lưới 52 60 Hình 3.7: Mô hình của VSC và bộ lọc LC nối lưới 53 61 Hình 3.8: Sơ đồ tương đương VSC và bộ lọc LC nối lưới 53 62 Hình 3.9: Điều khiển vector Feedforward cho DVR 54 63 Hình 3.10: Điều khiển phản hồi cho DVR 55 64 Hình 3.11: Cấu trúc điều khiển phản hồi và truyền thẳng được kết hợp 55 65 Hình 3.12: Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng 56 66 Hình 3.13: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của DVR 57 67 Hình 3.14: Mô hình của VSC và bộ lọc LC trên hệ tọa độ tĩnh αβ 59 68 Hình 3.15: Mô hình của VSC và bộ lọc LC trên hệ tọa độ quay dq 60 69 Hình 3.16: Đồ thị vector không gian của điện áp nguồn trong một lõm điện áp không cân bằng 61 70 Hình 3.17: Cấu trúc vòng điều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ quay dq 62 71 Hình 3.18: Cấu trúc vòng điều chỉnh điện áp trên hệ tọa độ quay dq 63 72 Hình 3.19: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống phục hồi điện áp động trên hệ tọa độ động dq 63 73 Hình 3.20: Sơ đồ cấu trúc điều khiển DVR trên hệ tọa độ quay dq 64 74 Hình 3.21: Đồ thị vector điện áp và vector không gian 65 75 Hình 3.22: Đồ thị vector mô tả nguyên lý làm việc BĐK SDR 66 76 Hình 3.23: Cấu trúc vòng điều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ 67 77 Hình 3.24: Cấu trúc vòng điều chỉnh điện áp trên hệ tọa độ tĩnh αβ 67 78 Hình 3.25: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống phục hồi điện áp động trên hệ tọa độ tĩnh αβ. 68 79 Hình 3.26: Sơ đồ cấu trúc điều khiển DVR trên hệ tọa độ tĩnh αβ 69 80 Hình 3.27: Sơ đồ chuyển đổi khâu tích phân từ hệ tọa độ dq về hệ tọa độ tĩnh αβ 70 81 Hình 3.28: Đồ thị Bode thành phần thứ tự thuận-nghịch của BĐK PR 71
82 Hình 3.29: Biểu đồ Bode của các bộ bù PR lý tưởng và thực tế 72 83 Hình 3.30: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PR 73 84 Hình 3.31: Bộ điền khiển cộng hưởng PR thực tế 73 85 Hình 3.32: Mô hình điều khiển dòng một pha 74 86 Hình 3.33: Bộ điều khiển SDR trên hệ tọa độ αβ. 77 87 Hình 3.34: Sơ đồ mạch thực hiện của bộ điều khiển SDR thực tế 79 88 Hình 3.35: Đồ thị đặc tính bộ điều khiển SDR trong miền tần số 80 89 Hình 3.36: Mô hình vòng kín hệ thống với hai mạch vòng 80 90 Hình 3.37: Sơ đồ đơn giản hóa mô hình hệ thống 81 91 Hình 3.38: Đồ thị Pole-Zero của hệ thống vòng hở-vòng kín 82 92 Hình 3.39: Đồ thị Bobe của hệ thống vòng hở - vòng kín 82 93 Hình 3.40: Đồ thị Bode của hệ thống vòng hở trong trường hợp lựa chọn các dải thông khác nhau 82 94 Hình 3.41: Đồ thị đặc tính vào ra của tính hiệu đặt và tín hiệu thực khi lựa chọn băng thông khác nhau cho bộ điều khiển 83 95 Hình 3.42: Đồ thị Bode của hệ hở cho 3 trường hợp lựa chọn hệ số ki trong cùng một dải thông. 84 96 Hình 3.43: Đặc tính vào ra của hệ kín giữa giá trị đặt và giá trị thực tế khi thay đổi hệ số ki của bộ điều khiển SDR 85 97 Hình 3.44: Phương pháp đồng bộ sử dụng bộ lọc trong hệ tọa độ đồng bộ dq 86 98 Hình 3.45: Phương pháp đồng bộ sử dụng bộ lọc trong HTĐ tĩnh αβ 86 99 Hình 3.46: Cấu trúc vòng khóa pha cơ bản thực hiện trên HTĐ tĩnh αβ 87 100 Hình 3.47: Cấu trúc vòng khóa pha trên hệ tọa độ quay đồng bộ. 88 101 Hình 3.48: Phát hiện một lõm điện áp không đối xứng 90 102 Hình 3.49: Nguyên tắc hoạt động của mạch phát hiện có khả năng Ngăn ngừa xung ngắn và tín hiệu rơle on và off. 90 103 Hình 3.50: Lượng đặt của điện áp chèn vào u*dqinj và lượng thực tế của nó udqinj trong trường hợp xảy ra một lõm điện áp không cân bằng trên hệ trục tọa độ dq 91 104 Hình 3.51: Sai lệch điện áp chèn vào lưới được điều chỉnh bởi hai cấu trúc điều khiển 92 105 Hình 4.1: Sơ đồ hệ truyền động động cơ xoay chiều bằng biến tần 95 106 Hình 4.2: Sơ đồ mạch truyền động một chiều động cơ kích thích độc lập 95 107 Hình 4.3: Hình ảnh tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt ID 142-FN1 100 108 Hình 4.4: Sơ đồ các thành cơ bản trong cấu trúc tổ hợp Biến tần-Động cơ ID 142-FN1 101 109 Hình 4.5: DVR kết nối lưới tại vị trí có cấp điện áp 6,3 kV 102 110 Hình 4.6: Sơ đồ tương đương một pha đối với DVR sử dụng BBĐ nửa cầu 104 111 Hình 4.7: Sơ đồ tương đương để chọn các phần tử bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi 105 112 Hình 4.8: Mô hình Matlapb-Simulink hệ thống DVR kết nối lưới điện bảo vệ tải nhạy cảm điển hình tại một xí nghiệp công nghiệp 110 113 Hình 4.9: Các đặc tính của trường hợp lõm điện áp cân bằng 111
114 Hình 4.10: Các đặc tính của lõm điện áp không cân bằng 112 115 Hình 4.11: Các đặc tính của dao động và méo dạng điện áp do đóng cắt hệ thống tụ bù 114 116 Hình 4.12: Các đặc tính của lõm điện áp do khởi động động cơ công suất lớn ở phía nguồn 116 117 Hình 5.1: Sơ đồ thiết kế thực nghiệm hệ thống điều khiển DVR 127 118 Hình 5.2: Mô hình thực nghiệm DVR được triển khai tại Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Trường ĐHBK Hà Nội 128 119 Hình 5.3: Sơ đồ cấu trúc Matlab/Simulink mô tả thuật toán điểu khiển cặp vector nối tầng tách riêng thành phần thứ tự trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ 130 120 Hình 5.4: Các đặt tính kiểm tra khả năng đồng bộ lưới của DVR 131 121 Hình 5.5: Đặt tính của hệ thống ở chế độ tĩnh trong bù lõm điện áp 132 122 Hình 5.6: Các đặc tính của hệ thống ở chế độ động trong khi bù lõm điện áp điện áp lõm là 50% so với điện áp định mức của lưới 132
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn trong điều khiển hệ thống điện đưa đến những khả năng to lớn trong đảm bảo vận hành hệ thống một cách linh hoạt, khai thác hệ thống một cách hiệu quả nhất. Điều này đã trở nên vô cùng quan trọng trong các điều kiện chi phí để xây dựng các hệ thống mới hoặc cải tạo các hệ thống hiện hành ngày càng tăng. Bên cạnh đó việc đảm bảo chất lượng điện năng cũng ngày càng trở nên cấp thiết do điện năng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sản xuất kinh doanh của các khách hàng ngành điện, những người trả tiền cho yêu cầu năng lượng của mình và có quyền yêu cầu được đảm bảo nguồn điện cung cấp một cách liên tục với chất lượng điện áp đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn. Bộ khôi phục điện áp động (Dynamic Voltage Restorer–DVR) xây dựng trên cơ sở bộ biến đổi bán dẫn là thiết bị nhằm đảm bảo khôi phục điện áp trên các phụ tải nhạy cảm khi có sự lõm điện áp ngắn hạn, có thời gian kéo dài từ khoảng nửa chu kỳ điện áp lưới 0,01s đến cỡ dưới 60s, từ phía nguồn cấp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các biến động điện áp kiểu này thuộc loại sự cố xảy ra có tần xuất lớn nhất trong các loại sự cố khác về nguồn điện, so với các loại sự cố khác như mất điện ngắn hạn, cỡ trên 60s đến 5 phút, hoặc mất hẳn điện, từ 5 phút trở lên, hoặc dao động điện áp với tần số rất thấp, 0,1Hz đến 1Hz, còn gọi là hiện tượng “flicker”–nhấp nháy điện. Mặc dù lõm điện áp xảy ra trong một thời gian rất ngắn, một số phụ tải như các hệ thống điều khiển, các loại biến tần điều khiển động cơ đã có thể bị dừng. Trong một số trường hợp các thiết bị này có thể đóng vai trò chủ chốt trong toàn bộ dây truyền hoạt động của nhà máy, khi bị dừng dẫn tới phải dừng toàn bộ dây truyền mà sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài. Nếu là hệ thống điều khiển hoặc xử lý số liệu có thể dẫn tới gián đoạn hoặc mất thông tin, cũng dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng. Hệ thống cung cấp nguồn liên tục (UPS), là một giải pháp thông dụng hiện nay có thể bảo vệ tải nhạy cảm khỏi bị tác động của lõm điện áp, nhưng chỉ áp dụng cho các phụ tải công suất nhỏ và điện áp thấp, với các hệ thống công suất lớn thì UPS là thiết bị quá đắt tiền vì UPS phải đảm bảo hoàn toàn công suất tải. Trong trường hợp này DVR là giải pháp tiết kiệm, có thể được lắp đặt để bảo vệ các tải nhạy cảm quan trọng, những hệ thống thiết bị có sẵn và đang bị ảnh hưởng của những sự cố lõm điện áp ngắn hạn, kéo dài dưới một phút. Lý do phải dùng DVR là vì việc khắc phục bằng cách cải tạo hệ thống phân phối là không thể thực hiện được, có thể do không đủ kinh phí hoặc không thể gián đoạn sản xuất hoặc hệ thống điện nằm ngoài tầm quản lý của doanh nghiệp. Trong thực tế lõm điện áp là dạng nhiễu loạn xuất hiện không biết trước và tồn tại trong thời gian ngắn, bao gồm cả biến động về biên độ điện áp cũng như góc pha, có đặc điểm phức tạp và tính chất lõm thay đổi liên tục trong thời gian xảy ra biến cố. Do đó yêu cầu đặt ra đối với DVR là phải có cấu trúc phù hợp, đảm bảo được khả năng khôi phục điện áp nhất định trên tải khi nguồn đầu vào có biến động. DVR là bộ biến đổi bán dẫn dùng để tạo ra nguồn áp, đưa qua máy biến áp phối hợp, tạo ra bộ bù điện áp nối tiếp giữa tải và nguồn. Hệ thống điều khiển phải có khả năng phát hiện các sai lệch điện áp về biên độ và góc pha, từ đó đưa ra lượng đặt đến bộ biến đổi điện tử công suất nhằm tạo ra điện áp có giá trị đủ để bù phần sụt áp phía nguồn, giữ cho điện áp phía tải trong phạm vi cho phép. Hệ thống điều khiển phải đảm bảo yêu cầu về tác động nhanh, độ chính xác cao để có thể khôi phục điện áp trên tải ngay trong khoảng thời gian từ một nửa chu kỳ đến hai chu kỳ điện áp lưới (0.01s0.04s) đối với các kiểu lõm điện áp. Mặt khác, DVR cần đảm bảo 1
các chế độ hoạt động, đó là chế độ bù, chế độ chờ, chế độ by-pass, trong phạm vi giới hạn của công suất thiết kế. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về cấu trúc phần lực và điều khiển DVR nhằm đảm bảo cho các phụ tải nhạy cảm hoàn toàn không bị chịu tác động của các loại sự cố kiểu lõm-dâng điện áp ngắn hạn từ nguồn. Nghiên cứu chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị DVR một cách hiệu quả nhất đối với các xí nghiệp công nghiệp thông qua áp dụng cho một trường hợp thực tế điển hình. 3. Mục tiêu đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Các mục tiêu nghiên cứu sau đây sẽ thực hiện trong luận án.  Tìm hiểu về đặc điểm lõm điện áp, nguyên nhân và những ảnh hưởng của nó đối với xí nghiệp công nghiệp và các giải pháp giảm thiểu.  Nghiên cứu cấu trúc mạch lực bộ khôi phục điện áp động (DVR) để đảm bảo khả năng đưa ra điện áp bù ứng với toàn giải thay đổi của phụ tải và biên độ lõm điện áp cũng như thời gian biến động.  Nghiên cấu các cấu trúc và thiết kế tham số cho hệ thống điều khiển đảm bảo tính tác động nhanh và chính xác của DVR  Nghiên cứu áp dụng DVR trong lưới điện của xí nghiệp công nghiệp thông qua một trường hợp thực tế điển hình.  Xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm để kiểm tra chất lượng thuật toán điều khiển đề xuất và khả năng khôi phục điện áp của DVR. Trên cơ sở mục tiêu của luận án, đối tượng nghiên cứu của đề tài sẽ được tập trung hướng đến giải quyết các vấn đề về: - Nhiểu loạn lõm điện áp, ảnh hưởng của lõm điện áp đối với xí nghiệp công nghiệp, phương pháp giảm thiểu lõm điện áp và giải pháp DVR. - Cấu hình của DVR bao gồm; bộ biến đổi bán dẫn công suất, bộ lọc phía xoay chiều, máy biến áp nối tiếp, bộ lưu trữ năng lượng và DC-link, các cấu trúc liên kết giữa các phần tử. - Các mạch vòng và thuật toán điều khiển của DVR bao gồm; Xây dựng các mạch vòng dòng điện, điện áp, thuật toán điều khiển điện áp tải của DVR, thuật toán điều khiển phát hiện lõm, áp dụng thuật toán điều khiển đồng bộ lưới (PLL), thiết kế các bộ điều khiển được áp dụng. - Mô hình mô phỏng bao gồm; mô hình hóa lưới điện, mô hình hóa DVR, mô hình hóa đối tượng được bảo vệ là tải nhạy cảm quan trọng, mô hình hóa các biến cố điện áp trên lưới, mô hình mô phỏng thực hiện trên phần mềm Matlap/Simulink. - Mô hình thực nghiệm DVR bảo vệ tải nhạy cảm Pđm=5kW, điện áp 380V xây dựng tại phòng thí nghiệm. - Trường hợp áp dụng kết nối DVR với lưới điện thực tế gồm; tìm hiểu lưới điện thực tế của nhà máy xi măng Hoàng Mai, các biến cố điện áp trên lưới, phụ tải nhạy cảm quan trọng bị ảnh hưởng tại nhà máy, ví trí lắp đặt DVR. Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi là tìm hiểu về lõm điện áp và ảnh hưởng của nó đến các xí nghiệp công nghiệp. Phân tích lựa chọn cấu hình phần lực và nghiên cứu phát triển các thuật toán điều khiển DVR để khôi phục điện áp trên tải, bảo vệ tải nhạy cảm. Đưa ra các điều kiện và thủ tục để áp dụng DVR trong các xí nghiệp công nghiệp, thông qua một trường hợp cụ thể trong thực tế. Các kết quả nghiên cứu của luận án được 2
kiểm tra đánh giá thông qua mô phỏng và xây dựng một mô hình thực nghiệm ở phòng thí nghiệm. 4. Phương pháp nghiên cứu: Các phương pháp nghiên cứu sẽ được vận dụng trong đề tài này. - Khảo sát thực tế, thống kê, phân tích và đánh giá thực trạng. - Sử dụng mô hình mạch điện, lý thuyết điều khiển vector, lý thuyết điều khiển tuyến tính trong xây dựng vòng điều chỉnh và thiết kế bộ điều khiển. - Mô phỏng trên máy tính thông qua phần mềm Matlab-Simulink, thực nghiệm kiểm tra và khẳng định các kết quả nghiên cứu lý thuyết. 5. Nội dung của luận án: Nội dung của luận án được trình bày theo các chương sau đây: Mở đầu: Nêu mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Chương 1: Giảm thiểu ảnh hưởng của lõm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp động. Trình bày tổng quan về lõm điện áp và các phương pháp giảm thiểu lõm điện áp, trong đó trọng tâm nghiên cứu phương pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là sử dụng bộ khôi phục điện áp động (DVR). Các phương pháp điều khiển DVR đã được nghiên cứu đến nay trong các công trình sẽ được tóm tắt ngắn gọn, qua đó chỉ ra những hạn chế trong điều khiển bù lõm cần được khắc phục, đồng thời chỉ ra hướng nghiên cứu phát triển điều khiển DVR. Chương 2: Cấu trúc bộ khôi phục điện áp động Trình bày chức năng nhiệm vụ của các thành phần trong hệ thống, các kiểu kết nối, phương pháp bảo vệ cho DVR và cuối cùng là lựa chọn một cấu trúc phần cứng điển hình của DVR đủ để tiếp tục nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển của hệ thống. Chương 3: Điều khiển bộ khôi phục điện áp động Tập trung nghiên cứu điều khiển DVR, bao gồm; điều khiển khôi phục điện áp tải, điều khiển đồng bộ điện áp lưới, điều khiển phát hiện lõm điện áp và điều khiển điện áp DC- link. Trong đó, trọng tâm nghiên cứu phát triển điều khiển khôi phục điện áp tải của DVR, bao gồm các chiến lược điều khiển, mô hình toán học, các cấu trúc và thuật toán điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ, các bộ điều khiển và thiết kế bộ điều khiển được trình bày. Cuối cùng là các nghiên cứu ổn định hệ thống. Chương 4: Giải pháp áp dụng DVR cho xí nghiệp công nghiệp. Trình bày các điều kiện áp dụng DVR cho các xí nghiệp công nghiệp, các bước thực hiện thiết kế cụ thể, thông qua một trường hợp áp dụng DVR bảo vệ một tải nhạy cảm quan trọng thực tế là tổ hợp Biến tần-Động cơ ID 142-FN1 trong ngành công nghiệp xi măng. Xây dựng mô hình mô phỏng DVR kết nối hệ thống lưới điện như đã được thiết kế, thuật toán điều khiển đề xuất ở chương 3 cũng được áp dụng cài đặt trong mô hình. Chương 5: Xây dựng mô hình thực nghiệm DVR Chương này trình bày cách thức xây dựng bàn thí nghiệm, cài đặt thuật toán điều khiển đề xuất, thực hiện thí nghiệm và lấy kết quả. Kết Luận và kiến nghị Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của toàn bộ luận án, khẳng định lại những kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, những tồn tại và hướng phát triển của đề tài. 3
6. Dự kiến các kết quả nghiên cứu mới:  Đưa ra cấu trúc và thuật toán điều khiển cho bộ khôi phục điện áp động (DVR) trong bù lõm điện áp cân bằng và không cân bằng. Nó được dựa trên phương pháp điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ với hai vòng điều khiển tương ứng cho mỗi thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch được điều khiển riêng biết.  Khảo sát và phân tích được nguyên nhân sự cố lõm điện áp và ảnh hưởng của nó đến phụ tải nhạy cảm quan trọng trong ngành công nghiệp xi măng như tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt ID. Kết quả khảo sát đã chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị DVR một cách hiệu quả nhất thông qua một trường hợp thực tế điển hình  Một mô hình mô phỏng kết hợp lưới điện, các phụ tải và DVR nối lưới ở cấp trung áp 6,3kV để bảo vệ tải nhạy cảm quan trọng là tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt công nghệ 142-FN1. Mô hình được phát triển và thực hiện trong phần mềm Matlap/Simulink.  Thực hiện thành công mô hình thực nghiệm (trong phòng thí nghiệm) với các thuật toán điều khiển được cài đặt trên bộ xử lý tín hiệu dSPACE card DS11040 để đánh giá khả năng làm việc của DVR trong bù lõm điện áp và giảm thiểu nhiễu loạn điện áp. 4
Chương1: GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA LÕM ĐIỆN ÁP BẰNG BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về lõm điện áp và các phương pháp giảm thiểu lõm điện áp, trong đó trọng tâm nghiên cứu phương pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là sử dụng bộ khôi phục điện áp động (DVR), được dựa trên việc điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất. Các phương pháp điều khiển DVR đã được nghiên cứu đến nay trong các công trình sẽ được tóm tắt ngắn gọn, qua đó chỉ ra những hạn chế trong điều khiển bù lõm cần được khắc phục, đồng thời chỉ ra hướng nghiên cứu phát triển điều khiển DVR nhằm mục đích khôi phục điện áp tải khi gặp phải bất cứ nhiễu loạn lõm điện áp nào xuất hiện từ phía nguồn cấp. Nội dung trong chương một được tham khảo trong các tài liệu [1,3,8,9,14,15,16,17,18,19,25,29,32,39,62]. 1.1 Chất lượng điện năng và vấn đề lõm điện áp 1.1.1 Chất lượng điện năng Vấn đề chất lượng điện bao gồm một loạt các rối loạn liên quan đến điện áp, dòng điện và độ lệch tần số. Các nhiễu loạn đó có thể là.  Gián đoạn ngắn  Lõm/dâng điện áp  Quá độ dòng điện và điện áp  Sự méo dạng của các sóng dòng điện và điện áp  Nháy điện  Mất cân bằng  Thay đổi tần số nguồn Các vấn đề chất lượng điện năng đã được xác định trong một số tiêu chuẩn như; IEC 61000, IEEE 1159-1995 và EN 50160, hoặc được định nghĩa trong các tài liệu [14,15]. Tình trạng treo máy tính Nhấp nháy ánh sáng Sự cố thiết bị Thiết bị xử lý dữ liệu Quá tải PFC vấn đề đóng cắt tải nặng overloading Các Quá nhiệt dây trung tính Các vấn đề với đường dây dài Các bộ phận máy dừng hoạt động Sai lệch trong hệ thống đo lường 0% 5% 10% 15% 20% 25% Hình 30% 1.1 Các vấn đề thường xảy ra liên quan Hình 1.2 Tỷ lệ phần trăm các đến chất lượng điện kém được xác định tại 1400 biến cố điện áp[14] địa điểm ở 8 quốc gia [14]. Những tổn thất từ chất lượng điện năng kém đối với khách hàng dùng điện, đặc biệt là các xí nghiệp công nghiệp, từ lâu đã được biết đến, nhưng để giảm thiểu nó còn gặp nhiều khó khăn. Một nghiên cứu thực hiện bởi Hội đồng châu Âu [25], bao gồm 1400 vị trí trong 8 quốc gia về các biến cố điện áp tại các địa điểm khác nhau trong hệ thống điện. Kết quả thu được thể hiện ở đồ thị hình 1.1, chỉ ra những vấn đề gặp phải từ chất lượng điện áp 5
kém tại các địa điểm khác nhau trong hệ thống điện và đồ thị hình 1.2 cho biết tỷ lệ phần trăm của các nhiễu loạn trên lưới điện phân phối. Hiện nay cả công ty điện lực và khách hàng dùng điện đang ngày càng quan tâm đến vấn đề chất lượng điện năng vì những lý do: - Công nghiệp hiện đại phát triển, thiết bị thế hệ mới tạo ra quá trình tự động hóa cao trong hoạt động sản xuất như; bộ điều khiển vi xử lý, máy vi tính, robot công nghiệp, các hệ truyền động có điều khiển tốc độ, các thiết bị điều khiển trong hệ thống thông tin công nghiệp.v.v. chúng nhạy cảm với các biến động của chất lượng điện năng hơn là thiết bị được sử dụng trong quá khứ. - Các chú trọng hơn về vận hành và khai thác hiệu quả hệ thống năng lượng điện đã dẫn đến sự gia tăng trong việc áp dụng các thiết bị hiệu suất cao như; bộ điều chỉnh tốc độ động cơ, tụ điện song song hiệu chỉnh hệ số công suất để giảm tổn thất hoặc phát triển các hệ thống nguồn phân tán nối lưới như; hệ thống điện mặt trời, hệ thống điện gió... Điều này có thể dẫn đến hậu quả tăng mức độ hài trên các hệ thống điện, tăng các biến cố như dao động điện áp hoặc thay đổi tần số. - Người dùng điện có một nhận thức tốt hơn về các vấn đề chất lượng điện năng. Họ nhận thức tốt hơn về các vấn đề như gián đoạn, lõm điện áp, sóng hài, quá độ và đang yêu cầu cung cấp nguồn năng lượng có độ tin cậy và chất lượng cao từ nhà cung cấp. Ngược lại nhà cung cấp năng lượng luôn chịu một áp lực từ những đòi hỏi của khách hàng và những tổn thất do chất lượng điện kém gây nên trong truyền tải điện năng. Trong số các nhiễu loạn trên hệ thống điện thì lõm điện áp là loại nhiễu loạn nghiêm trọng nhất và có tần suất xuất hiện lớn nhất, theo kết quả khảo sát ở hình 1.2 chiếm 31%. Lõm điện áp xảy ra trong thời gian ngắn, liên quan đến suy giảm điện áp và nhảy góc pha. Khi có một biến cố trên lưới điện (ví dụ ngắn mạch) có thể ở vị trí rất xa so với thiết bị đầu cuối, dẫn đến xuất hiện một lõm điện áp lan truyền đến nhiều vị trí khác nhau trên lưới điện và có thể đến các vị trí kết nối của tải nhạy cảm để gây ảnh hưởng, tài liệu [21,22,24]. Trong các xí nghiệp công nghiệp các tải nhạy cảm quan trọng thường có ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ hoạt động của các dây chuyền sản xuất. Trong khi đó chính những tải này lại rất nhạy cảm với tác động của lõm điện áp gây ra dừng máy, mất hoặc sai lệch thông tin, dẫn đến các bộ phận khác của dây chuyển cũng bị dừng theo, sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài. Vì vậy, lõm điện áp là nhiễu loạn được lựa chọn trong số các nhiễu loạn liên quan đến chất lượng điện năng để nghiên cứu giảm thiểu trong luận án này. Để có thể đưa ra các phương pháp giảm thiểu, cần thiết phải phân tích rõ về nguyên nhân, đặc điểm của nó. 1.1.2 Lõm điện áp a) Định nghĩa lõm điện áp Theo IEEE Std. 1159-1995, lõm điện áp là hiện tượng suy giảm điện áp tức thời đột ngột tại một thời điểm mà giá trị điện áp hiệu dụng (RMS) của nó giữa 10% đến 90% so với điện áp chuẩn, tiếp theo đó điện áp được phục hồi trong một thời gian rất ngắn, từ một nửa chu kỳ của điện áp lưới (10ms) đến một phút. Trong khi dâng điện áp là sự tăng đột ngột giá trị RMS lên quá một giá trị ngưỡng nhất định. Thông thường giá trị ngưỡng này bằng 110% giá trị định mức điện áp nguồn[14]. Ở hình 1.3 lõm điện áp được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEEE Std 1159-1995 và EN 50160, trong đó chỉ ra sự khác nhau giữa lõm điện áp và gián đoạn ngắn. Tuy nhiên thuật ngữ được sử dụng trong các tiêu chuẩn đối với lõm điện áp có sự khác nhau. Ví dụ: cùng 6