Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển thiết bị khôi phục điện áp động trong hệ thống cung cấp điện trong công nghiệp theo nguyên lý dựa trên véc tơ điện áp lưới

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu điều khiển thiết bị khôi phục điện áp động trong hệ thống cung cấp điện trong công nghiệp theo nguyên lý dựa trên véc tơ điện áp lưới" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về hiện tượng biến động điện áp ngắn hạn và các giải pháp chống biến động điện áp ngắn hạn; Xây dựng mô hình toán học và điều khiển bộ biến đổi phía tải AVC; Nâng cao chất lượng điều khiển bằng cách đề xuất thiết kế mạch vòng điện áp theo cấu trúc hai vòng điều khiển song song.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển thiết bị khôi phục điện áp động trong hệ thống cung cấp điện trong công nghiệp theo nguyên lý dựa trên véc tơ điện áp lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THỊ NGỌC VÂN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN TRONG CÔNG NGHIỆP THEO NGUYÊN LÝ DỰA TRÊN VÉC TƠ ĐIỆN ÁP LƯỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THỊ NGỌC VÂN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN TRONG CÔNG NGHIỆP THEO NGUYÊN LÝ DỰA TRÊN VÉC TƠ ĐIỆN ÁP LƯỚI Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Huy Phương 2. TS. Phạm Quang Đăng Hà Nội – 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2023 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS. Nguyễn Huy Phương TS. Phạm Quang Đăng Vũ Thị Ngọc Vân 1
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu luận án, tác giả đã gặp nhiều khó khăn, thử thách. Chủ quan là do khả năng nghiên cứu còn hạn chế. Khách quan là do thông tin tư liệu và tài liệu tham khảo không thật đầy đủ, đặc biệt là sự ảnh hưởng của đại dịch Covid-19 trên thế giới nói chung và lan tới Việt Nam từ 22/01/2020 đến nay, dẫn đến Chính phủ Việt Nam đã phải thực hiện nhiều đợt cách ly toàn xã hội và giãn cách xã hội, làm cho quá trình nghiên cứu, trao đổi học thuật, xây dựng mô hình thực nghiệm, mô phỏng và chạy thử nghiệm kết quả nghiên cứu của luận án gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên, nhờ sự cố gắng của bản thân và được sự giúp đỡ tận tình của hai thầy giáo hướng dẫn, các gợi ý, chỉ bảo của các thầy/cô trong Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (KTĐK&TĐH) và Trường Điện-Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội, sự động viên tận tình của gia đình, đồng nghiệp, bạn bè, luận án đến nay đã hoàn thành. Trước tiên, tác giả xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới hai thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Huy Phương và TS. Phạm Quang Đăng, đã giúp định hướng, hướng dẫn và có nhiều gợi ý cho tác giả hoàn thành các nhiệm vụ đặt ra của luận án. Tác giả chân thành cảm ơn Viện KTĐK&TĐH, Trường Điện-Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là PGS.TS. Nguyễn Quang Địch, Giám đốc Viện KTĐK&TĐH đã dành thời gian và tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như hỗ trợ các nguồn tài liệu cho tác giả trong thời gian thực hiện nghiên cứu tại Viện, những lời động viên kịp thời của Thầy đã giúp tác giả có thêm niềm tin để hoàn thành luận án. Chân thành cảm ơn Ban đào tạo, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hỗ trợ tác giả hoàn thành các thủ tục của luận án. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS. Bùi Quốc Khánh, PGS.TS. Trần Trọng Minh, PGS.TS. Phạm Hồng Phúc, PGS.TS. Vũ Hoàng Phương và các thầy/cô đã dành thời gian hướng dẫn, đọc và đóng góp những ý kiến quý báu giúp luận án có tính khoa học hơn. Những buổi thảo luận và seminar khoa học bổ ích cùng với các thầy/cô, các bạn nghiên cứu sinh, thạc sỹ tại Viện định kỳ hàng tuần đã giúp tác giả có thêm sự say mê, kinh nghiệm nghiên cứu cũng như phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu phục vụ cho luận án tiến sĩ. Cảm ơn các bạn nghiên cứu sinh, thạc sỹ và kỹ sư của Viện KTĐK&TĐH vì sự hỗ trợ quý báu cho tác giả trong quá trình làm nghiên cứu của luận án. Cảm ơn Lãnh đạo Bộ Khoa học và Công nghệ, Lãnh đạo và các đồng nghiệp Vụ Công nghệ cao, Bộ Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện về thời gian, đặc biệt đã hỗ trợ tác giả san sẻ bớt công việc của Vụ trong những thời điểm cần nhiều thời gian nghiên cứu tại Viện. Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người bạn đời tri kỷ, các con của tác giả đang tuổi mới lớn đôi khi bị thiếu tình cảm và thiếu bàn tay chăm sóc của tác giả, người thân, đồng nghiệp và bạn bè đã dành những tình cảm, động viên giúp tác giả vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh 2
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................... 6 DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... 11 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ ...................................................... 12 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 16 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................... 16 2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 18 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 18 4. Phương pháp nguyên cứu ............................................................................. 19 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................... 19 6. Nội dung của luận án .................................................................................... 19 7. Những đóng góp mới của luận án ................................................................ 20 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỘNG ĐIỆN ÁP VÀ CHỐNG BIẾN ĐỘNG ĐIỆN ÁP ..................................................................................................... 21 1.1 Hiện tượng biến động điện áp ngắn hạn và các giải pháp chống biến động điện áp ngắn hạn được sử dụng trong thực tế ........................................................... 21 1.2 Nguyên tắc hoạt động và các chế độ làm việc của AVC ........................ 26 1.2.1 Nguyên tắc hoạt động ....................................................................... 26 1.2.2 Các chế độ làm việc của AVC.......................................................... 27 1.3 Cấu tạo của AVC và các nghiên cứu liên quan tới AVC ........................ 29 1.3.1 Cấu trúc của AVC ............................................................................ 29 1.3.2 Bộ biến đổi phía lưới của AVC ........................................................ 29 1.3.3 Bộ biến đổi phía tải của AVC .......................................................... 32 1.3.4 Các nghiên cứu về AVC ................................................................... 38 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA TẢI AVC SỬ DỤNG NGHỊCH LƯU BA PHA BỐN NHÁNH ......................... 41 2.1 Xây dựng mô hình toán học và điều khiển bộ biến đổi phía tải AVC .... 41 2.1.1 Cấu trúc của AVC sử dụng nghịch lưu 3 pha 4 nhánh và biến áp nối tiếp sơ cấp đấu sao ............................................................................................ 41 2.1.2 Mô hình máy biến áp nối tiếp trong AVC ........................................ 43 2.1.3 Mô hình bộ lọc đầu ra nghịch lưu .................................................... 46 3
2.1.4 Mô hình toán học toàn bộ mạch đầu ra của biến đổi phía tải ........... 49 2.2 Điều khiển bộ biến đổi phía tải của AVC................................................ 50 2.2.1 Phân tích hàm truyền đối tượng điều khiển bộ biến đổi phía tải của AVC 51 2.2.2 Thiết kế điều khiển theo cấu trúc điều khiển nối tầng ..................... 53 2.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá ................................................................ 56 2.3.1 Tham số mô phỏng ........................................................................... 56 2.3.2 Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink ......................................... 57 2.3.3 Mô phỏng thời gian thực .................................................................. 61 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ................................... 66 3.1 Kịch bản thử nghiệm ............................................................................... 66 3.1.1 Thiết kế bộ thí nghiệm AVC sử dụng nghịch lưu ba pha bốn nhánh66 3.1.2 Kịch bản 1......................................................................................... 67 3.1.3 Kịch bản 2......................................................................................... 68 3.1.4 Kịch bản 3......................................................................................... 68 3.2 Lắp đặt hệ thống thử nghiệm ................................................................... 70 3.2.1 Lắp đặt trong phòng thí nghiệm ....................................................... 70 3.3 Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm........................................... 72 3.3.1 Kết quả thử nghiệm bộ AVC 5kVA ................................................. 72 CHƯƠNG 4. NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA TẢI CỦA AVC .................................................................................... 83 4.1 Thiết kế mạch vòng điện áp theo cấu trúc hai vòng điều khiển song song 83 4.1.1 Thiết kế bộ điều khiển điện áp theo cấu trúc hai mạch vòng song song 84 4.1.2 Khử tác động xen kênh ..................................................................... 87 4.2 Thiết kế hệ điều khiển trong điều kiện không đối xứng .......................... 89 4.2.1 Nguyên nhân gây mất đối xứng điện áp cho tải ............................... 89 4.2.2 Phân tích điện áp thành các thành phần đối xứng ............................ 89 4.2.3 Cấu trúc điều khiển trong điều kiện không đối xứng của nguồn và của tải 91 4.2.4 Feed-forward điện áp lưới để tăng tốc độ đáp ứng .......................... 93 4
4.3 Mô phỏng và kiểm chứng ........................................................................ 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 107 PHỤ LỤC 1 ........................................................................................................... 119 PHỤ LỤC 2 ........................................................................................................... 122 1. Thiết kế phần cứng ..................................................................................... 122 2. Thiết kế mạch đo lường phản hồi tín hiệu tương tự ................................... 122 3. Thiết kế mạch chỉnh lưu-nghịch lưu........................................................... 124 4. Thiết kế mạch driver điều khiển IGBT và mạch đảo ................................. 127 5. Kết quả thực nghiệm................................................................................... 132 5
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng anh Ý nghĩa tiếng việt 1 AVC Active Voltage Conditioner Bộ điều áp tích cực 2 APLC Active Power Line Thiết bị điều hòa đường Conditioner truyền tải điện tích cực 3 APF, AF Active Power Filter Bộ lọc tích cực 4 BBĐ Bộ biến đổi 5 BANT Biến áp nối tiếp 6 DDSRF- Mạch tách đồng bộ kép PLL 7 DC link Mạch một chiều trung gian 8 DVR Dynamic Voltage Restorer Bộ khôi phục điện áp động 9 FB Full Bridge Mạch cầu hoàn chỉnh 10 HB Half Bridge Mạch nửa cầu 11 IGBT Isolated Gate Bipolar Transitor cách ly cực cửa Transitor 12 LF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp 13 PI bộ điều khiển PI 14 PLL Phase Lock Loop Vòng khóa pha 15 PR Bộ điều khiển khuếch đại- cộng hưởng 16 PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung 17 R Bộ điều khiển cộng hưởng 18 RST Bộ điều khiển RST 19 STATCOM Static Compensator Thiết bị bù tĩnh 20 SiC Silicon Carbide MOSFET MOSFET 21 SVM Space Vector Modulation Điều chế véc-tơ không gian 22 THD Total Harmonic Distortion Tổng méo sóng hài 6
23 UPS Uninterruptible Power Bộ cấp nguồn liên tục Supplier 24 UPQC Unified Power Quality Thiết bị điều hòa chất lượng Conditioner điện hợp nhất 25 VCO Voltage Controller Ossillator Khối tạo ra tín hiệu xoay chiều 7
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU STT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 1 Ug, Ug(t) V Véc-tơ điện áp lưới 2 Ig(t) A Véc-tơ dòng điện lưới 3 Uinj(t) V Véc-tơ điện áp chèn vào từ bộ AVC 4 UL(t) V Véc-tơ điện áp tải Uout(t) V Véc-tơ điện áp ra của AVC 6 ω rad/s Tần số góc điện lưới 7 i1a, i1b, i1c A Dòng điện cuộn sơ cấp pha a, b, c của máy biến áp 8 Uout*, V Véc-tơ điện áp đặt đầu ra và điện áp đặt thành phần uoutd*, trên hệ tọa độ quay d-q-0 uoutq*, uout0*, 9 i2d*, i2q*, A Dòng điện tải hay dòng thứ cấp của máy biến áp i20* trên hệ tọa độ quay d-q-0 11 uid*, uiq*, V Điện áp đặt đầu ra của nghịch lưu trên hệ tọa độ d- ui0*, q-0 12 iLd, iLq, A Dòng điện tải trên hệ tọa độ quay d-q-0 iL0 13 iLa, iLb, A Dòng điện tải pha a, b, c iLc 14 Uout, V Điện áp ra AVC cấp cho tải uoutd, uoutq, uout0, 15 R1 Ω Điện trở cuộn dây sơ cấp 16 L1 mH Điện cảm tản phía sơ cấp 17 R’ 2 Ω Điện trở cuộn dây thứ cấp quy đổi về sơ cấp 18 L’2 mH Điện cảm tản phía thứ cấp quy đổi về sơ cấp 19 RM Ω Điện trở tương đương cho tổn hao sắt từ 20 LM mH Hỗ cảm 21 RT Ω Điện trở tương đương của máy biến áp 22 LT mH Điện cảm tương đương 23 Ug ’ Điện áp lưới quy đổi về phía sơ cấp 8
24 fsw Tần số PWM 25 Udc Điện áp mạch một chiều 26 ∆IL-max Độ nhấp nhô của dòng điện 27 VAVC ref Sai lệch giữa lượng đặt điện áp 28 is* Lượng đặt về dòng điện 29 Via, Vib, V Điện thế các đầu ra nhánh a, b, c và x của nghịch Vic, Vix lưu ba pha bốn nhánh 30 V1a, V1b, V Điện thế các đầu vào pha a, b, c và điểm trung tính V1c và VG của máy biến áp 31 IL Véc-tơ dòng điện đầu ra của nghịch lưu 32 I1 Véc-tơ dòng điện sơ cấp máy biến áp 33 Ui Véc-tơ điện áp đầu ra của cầu nghịch lưu ba pha bốn nhánh 34 U1 Véc tơ điện áp sơ cấp của máy biến áp 35 ZT Trở kháng tương đương của máy biến áp 36 u1d, u1q, Điện áp sơ cấp u10 37 u 2d, u’2q, ’ Điện áp thứ cấp u’20 38 iMd, iMq, Dòng từ hóa iM0 39 Un V Điện áp dây 40 Pn W Công suất định mức 41 Cf F Điện dung của tụ lọc 42 ωres Tần số cộng hưởng 43 Ri(s) Bộ điều khiển dòng điện 44 Ru(s) Bộ điều khiển điện áp 45 Hu(s) Hàm truyền điện áp đầu ra 46 Hi(s) Hàm truyền dòng điện 47 GSVM(s) Hàm truyền trễ điều khiển và khâu điều chế véc-tơ không gian 48 Fid(s) Hàm truyền kín của vòng điều khiển dòng điện kênh d 9
49 Gud(s) Hàm truyền hở của vòng điều khiển điện áp trong cấu trúc nối tầng 50 Uui(s) Hàm truyền giữa điện áp đầu ra nghịch lưu và dòng điện 10
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thông số các bộ điều chỉnh của bộ biến đổi phía tải AVC ................. 56 Bảng 2.2 Tham số mạch lực bộ điều áp tích cực AVC thí nghiệm .................... 56 Bảng 3.1 Thông số của Oscilloscope .................................................................. 69 Bảng 3.2 Thông số CW140 ................................................................................. 70 11
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực ............................................. 23 Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của UPS online [17] .......................................... 24 Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ chống sụt điện áp ................................... 25 Hình 1.4 Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của AVC ....................................... 26 Hình 1.5 Đồ thị véc-tơ thể hiện nguyên lý bù lồi/lõm của AVC ........................ 26 Hình 1.6 Hoạt động của AVC khi điện áp lưới bình thường .............................. 27 Hình 1.7 Hoạt động của AVC khi điện áp lưới thấp hơn điện áp định mức ...... 27 Hình 1.8 Hoạt động của AVC khi điện áp lưới cao hơn điện áp định mức ........ 28 Hình 1.9 Hoạt động của AVC ở chế độ nối tắt (Bypass) khi có sự cố ............... 28 Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc các thành phần chính của AVC ................................. 29 Hình 1.11 Cấu trúc mạch lực bộ chỉnh lưu tích cực sử dụng cho AVC ............. 30 Hình 1.12 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới sử dụng chỉnh lưu tích cực .................................................................................................................................. 31 Hình 1.13 Cấu trúc bộ biến đổi phía lưới sử dụng ba cầu H .............................. 34 Hình 1.14 Cấu trúc bộ biến đổi phía tải kết nối máy biến áp kiểu tam giác/sao hở .................................................................................................................................. 34 Hình 1.15 Cấu trúc bộ biến đổi phía tải kết nối máy biến áp kiểu sao/sao hở ... 35 Hình 1.16 Bộ biến đổi phía tải của AVC sử dụng nghịch lưu ba pha bốn nhánh van ............................................................................................................................ 35 Hình 1.17 Cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ a-b-c cho bộ biến đổi phía tải ..... 37 Hình 1.18 Sơ đồ điều khiển trên hệ tọa độ d-q-0 bộ biến đổi phía tải của AVC 38 Hình 2.1 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi phía tải sử dụng nghịch lưu ba pha bốn nhánh .................................................................................................................................. 41 Hình 2.2 Sơ đồ tương đương máy biến áp .......................................................... 43 Hình 2.3 Mô hình toán học máy biến áp nối tiếp của AVC ............................... 45 Hình 2.4 Sơ đồ mạch lọc đầu ra nghịch lưu của AVC........................................ 47 Hình 2.5 Sơ đồ tương đương mạch đầu ra AVC qui đổi về sơ cấp máy biến áp 49 Hình 2.6 Mô hình toán học mạch đầu ra AVC ................................................... 50 Hình 2.7 Cấu trúc điều khiển nối tầng ................................................................ 53 Hình 2.8 Mạch vòng điều khiển dòng điện ......................................................... 54 12
Hình 2.9 Mô tả toán học mạch vòng điều chỉnh điện áp .................................... 55 Hình 2.10 Kịch bản mô phỏng trên Matlab ........................................................ 58 Hình 2.11 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 1 pha còn 55% tại thời điểm đầu 58 Hình 2.12 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 2 pha còn 55% tại thời điểm đầu 58 Hình 2.13 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 3 pha còn 70% tại thời điểm đầu 59 Hình 2.14 Dạng điện áp khi điện áp lưới lồi 110% tại thời điểm đầu ................ 59 Hình 2.15 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 1 pha còn 55% tại thời điểm cuối .................................................................................................................................. 59 Hình 2.16 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 2 pha còn 55% tại thời điểm cuối .................................................................................................................................. 59 Hình 2.17 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 3 pha còn 70% tại thời điểm cuối .................................................................................................................................. 60 Hình 2.18 Sai lệch giữa điện áp đặt và điện áp ra bộ biến đổi phía tải của AVC .................................................................................................................................. 60 Hình 2.19 Kết quả phân tích Fourier điện áp pha A ........................................... 61 Hình 2.20 Giao tiếp giữa HIL402 và DSP TMS320F2808 ................................ 62 Hình 2.21 Sơ đồ mô phỏng trên Typhoon HIL402 ............................................. 62 Hình 2.22 Mô hình mô phỏng thời gian thực trên thiết bị Typhoon HIL402 ..... 63 Hình 2.23 Kết quả mô phỏng trên HIL: điện áp lưới, điện áp bù, điện áp tải, điện áp trên tụ ................................................................................................................... 63 Hình 2.24 Kết quả HIL khi lưới điện lõm 1 pha còn 55% .................................. 64 Hình 2.25 Kết quả HIL khi lưới điện lõm 2 pha còn 55% .................................. 64 Hình 2.26 Kết quả HIL khi lưới điện lõm 3 pha còn 70% .................................. 64 Hình 2.27 Kết quả HIL khi lưới điện lồi 3 pha 110% ........................................ 64 Hình 2.28 Kết quả HIL của điện áp trên tụ ......................................................... 65 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm bộ AVC với bộ biến đổi phía tải sử dụng nghịch lưu cầu ba pha bốn nhánh ............................................................................. 66 Hình 3.2 Hệ thống thử nghiệm bộ AVC với bộ tạo lõm điện áp ....................... 68 Hình 3.3 Hệ thống thử nghiệm bộ AVC với trường hợp tạo lồi điện áp ........... 68 Hình 3.4 Hệ thống thử nghiệm bộ AVC với động cơ ........................................ 69 Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm bộ AVC với bộ tạo lõm điện áp ............. 70 Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm bộ AVC với trường hợp lồi điện áp ....... 71 Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm bộ AVC 5kVA với động cơ.................... 71 13
Hình 3.8 Dạng điện áp phía lưới khi xảy ra lõm điện áp 3 pha ......................... 72 Hình 3.9 Dạng điện áp quá độ phía tải trong lúc xảy ra lõm điện áp 3 pha ...... 73 Hình 3.10 Dạng điện áp lưới và tải trong lúc xảy ra lõm điện áp 3 pha khi xác lập .................................................................................................................................. 73 Hình 3.11 Điện áp hiệu dụng phía tải hiển thị trên phần mềm giám sát CW140 khi bộ AVC chưa hoạt động với lõm ba pha ............................................................ 74 Hình 3.12 Điện áp hiệu dụng phía tải hiển thị trên phần mềm giám sát CW140 khi bộ AVC hoạt động với lõm ba pha ..................................................................... 74 Hình 3.13 Dạng điện áp phía lưới khi xảy ra lõm điện áp một pha ................... 75 Hình 3.14 Dạng điện áp quá độ phía tải trong lúc xảy ra lõm điện áp một pha 76 Hình 3.15 Giá trị điện áp lưới và tải pha A đo trên Oscilloscope khi lõm điện áp một pha khi đã xác lập .............................................................................................. 76 Hình 3.16 Điện áp hiệu dụng phía tải hiển thị trên phần mềm giám sát CW140 khi bộ AVC chưa hoạt động với lõm một pha ......................................................... 77 Hình 3.17 Điện áp hiệu dụng phía tải hiển thị trên phần mềm giám sát CW140 khi bộ AVC hoạt động với lõm một pha .................................................................. 77 Hình 3.18 Dạng điện áp phía lưới khi xảy ra lồi điện áp .................................. 78 Hình 3.19 Dạng điện áp phía tải trong lúc xảy ra lồi điện áp ............................ 78 Hình 3.20 Giá trị của điện áp lưới và tải đo trên Oscilloscope khi xảy ra lồi điện áp .............................................................................................................................. 79 Hình 3.21 Điện áp hiệu dụng phía tải hiển thị trên phần mềm giám sát CW140 khi bộ AVC chưa tác động ....................................................................................... 79 Hình 3.22 Điện áp hiệu dụng phía tải hiển thị trên phần mềm giám sát CW140 khi bộ AVC tác động ................................................................................................ 79 Hình 3.23 Dạng điện áp lưới trong quá trình khởi động động cơ ....................... 80 Hình 3.24 Dạng điện áp phía tải trong quá trình sụt áp do khởi động động cơ . 81 Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển song song ............................................................. 84 Hình 4.2 Đồ thị bode hàm truyền Hud(s), Huq(s) ................................................. 85 Hình 4.3 Đồ thị bode sau khi có bộ điều khiển của kênh d-q. ............................ 86 Hình 4.4 Đồ thị bode hàm truyền Hu0(s) khi không có bộ điều khiển ............... 86 Hình 4.5 Hàm truyền đối tượng kênh 0 sau khi có bộ điều khiển ...................... 87 Hình 4.6 Biểu diễn tác động xen kênh trên sơ đồ mạch ..................................... 88 Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển tách kênh d-q ....................................................... 88 14
Hình 4.8 Phân tích điện áp không đối xứng thành các thành phần đối xứng (nguồn [16]) .......................................................................................................................... 89 Hình 4.9 Sơ đồ khối tính số phức α .................................................................... 91 Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển kết hợp điều khiển PI và điều khiển cộng hưởng .................................................................................................................................. 92 Hình 4.11 Cấu trúc điều khiển sử dụng hai hệ tọa độ quay thuận và ngược ...... 93 Hình 4.12 Cấu trúc vòng điều khiển điện áp với feedforward điện áp lưới ...... 94 Hình 4.13 Mô hình mô phỏng trên Matlab-Simulink và Plecs ........................... 95 Hình 4.14 Điện áp lưới khi sụt áp 1 pha tại thời điểm 0,36s ............................. 96 Hình 4.15 Điện áp sau bộ nghịch lưu bù khi sụt áp 1 pha trên lưới tại thời điểm 0,36s .......................................................................................................................... 96 Hình 4.16 Điện áp tải trường hợp sụt áp 1 pha trên lưới ................................... 97 Hình 4.17 Điện áp tải trên hệ tọa độ d-q-0 ........................................................ 97 Hình 4.18 Đánh giá THD điện áp đầu ra bộ nghịch lưu khi bù điện áp lưới..... 97 Hình 4.19 Điện áp lưới khi sụt áp 2 pha tại thời điểm 0,36s ............................. 98 Hình 4.20 Điện áp sau bộ nghịch lưu bù khi sụt áp 2 pha trên lưới tại thời điểm 0,36s .......................................................................................................................... 99 Hình 4.21 Điện áp tải trường hợp sụt áp 2 pha trên lưới ................................... 99 Hình 4.22 Điện áp tải trên hệ tọa độ dq0 ......................................................... 100 Hình 4.23 Đánh giá THD điện áp đầu ra bộ nghịch lưu khi bù điện áp lưới... 100 Hình 4.24 Điện áp lưới khi sụt 3 pha tại thời điểm 0,36s ................................ 101 Hình 4.25 Điện áp sau bộ nghịch lưu bù khi sụt áp 3 pha trên lưới tại thời điểm 0,36s ........................................................................................................................ 101 Hình 4.26 Điện áp tải trường hợp sụt áp 3 pha trên lưới ................................. 102 Hình 4.27 Điện áp tải trên hệ tọa độ dq0 ......................................................... 102 Hình 4.28 Đánh giá THD điện áp đầu ra bộ nghịch lưu khi bù điện áp lưới... 103 Equation Chapter 0 Section 1 15
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Chất lượng điện năng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của các nhà máy và dây chuyền sản xuất trong công nghiệp. Sự gián đoạn cho dù trong khoảng thời gian vô cùng ngắn có thể gây ra những thiệt hại to lớn đối với mỗi nhà máy công nghiệp. Sự thiệt hại ở mức độ nhẹ có thể là tăng chi phí sản xuất do việc suy giảm chất lượng sản phẩm, tăng lượng phế phẩm, tăng suất tiêu hao nguyên vật liệu và nhiên liệu, còn ở mức độ nặng hơn có thể gây gián đoạn sản xuất do phải khởi động lại dây chuyền sản xuất hoặc do sự cố đối với các thiết bị sản xuất. Chính vì lý do này việc đảm bảo chất lượng điện áp cho các phụ tải trong các nhà máy công nghiệp luôn là nhiệm vụ có tính ưu tiên cao, nhất là với các phụ tải quan trọng. Trước yêu cầu về chất lượng điện năng, trên thế giới nhiều phương án sản xuất và truyền tải điện năng đã được xây dựng nhằm giảm thiểu các sự cố đối với nguồn điện. Lưới điện Việt Nam trong gần ba mươi năm trở lại đây cũng có sự phát triển và dần nâng cao sự ổn định. Tuy vậy việc truyền tải điện năng từ nhà máy tới phụ tải là một khoảng cách lớn, lưới điện ngày càng phát triển phủ rộng khắp cả nước nên không thể tránh khỏi những sự cố làm ảnh hưởng tới chất lượng điện năng. Sự ảnh hưởng của các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa, bão, sét đánh,... các tác động do sự cố của phụ tải này tới phụ tải khác trên cùng lưới điện, cộng với các sự cố thiết bị và quá trình quá độ do vận hành của bản thân hệ thống điện sẽ gây ra sự cố đối với nguồn điện cho các phụ tải công nghiệp như thăng giáng của điện áp trên lưới điện thường được gọi là sự lồi/lõm điện áp, mất điện ngắn hạn (dưới 5 phút) hoặc dài hạn (trên 5 phút), dao động điện áp,... Lồi hoặc lõm điện áp là sự thăng giáng điện áp ngắn hạn, kéo dài từ khoảng nửa chu kỳ điện áp lưới tới dưới 60 giây. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự cố thăng giáng điện áp ngắn hạn có thời gian kéo dài từ khoảng nửa chu kỳ điện áp lưới (0,01 giây) đến cỡ dưới một giây có tần suất xảy ra lớn nhất trong các loại sự cố về nguồn điện. Hiện tượng lồi/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. Mặc dù lồi/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,... có thể bị dừng và trong trường hợp các thiết bị này có vai trò quan trọng với hoạt động của dây chuyền sản xuất thì khi nó bị dừng sẽ phải dừng toàn bộ dây chuyền và sự khởi động trở lại sẽ rất tốn kém về cả kinh tế và thời gian. Nếu là hệ thống điều khiển hoặc xử lý số liệu có thể dẫn tới gián đoạn hoặc mất thông tin có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Hiện tượng lồi, lõm điện áp có thể được hạn chế nếu nó được tính tới trong quá trình quy hoạch, thiết kế và vận hành hệ thống điện và điều này thường dẫn tới chi phí lớn cho việc xây dựng hệ thống điện và chỉ có thể thực hiện được ở những nước công nghiệp phát triển khi hệ thống điện đã ổn định và tiềm lực tài chính mạnh. Về mặt kỹ thuật, ngày nay để giải quyết vấn đề chất lượng điện áp trên lưới truyền tải và phân phối người ta phát triển các kỹ thuật dựa trên thành tựu của điện tử công suất và được xếp vào nhóm các thiết bị điều hòa đường truyền tải điện tích 16
cực (Active Power Line Conditioner – APLC) [1]. Thuộc nhóm APLC có thể kể tới thiết bị bù tĩnh (Static Compensator – STATCOM) [1] [2], bộ lọc tích cực (Active Power Filter) với một bộ biến đổi công suất nối song song với tải để lọc sóng hài dòng điện và cải thiện hệ số công suất và thiết bị khôi phục điện áp động (Dynamic Voltage Restorer – DVR) với mạch lực nối nối tiếp với tải để cải thiện chất lượng điện áp ở phía tải khi có sự lồi/lõm điện áp lưới. Với hệ thống điện còn đang liên tục mở rộng nhưng quy hoạch lại liên tục bị thay đổi và nguồn lực tài chính hạn hẹp như Việt Nam thì trong tương lai gần chưa thể thực hiện được việc giải quyết chất lượng điện áp trên toàn lưới điện mà giải pháp khắc phục vẫn là bảo vệ có chọn lọc các phụ tải nhạy cảm quan trọng trong hệ thống cung cấp điện của các nhà máy công nghiệp. Trong phạm vi nhà máy công nghiệp, các phụ tải rất quan trọng và nhạy cảm với hiện tượng lồi/lõm điện áp lưới sẽ được cấp điện từ hệ thống cung cấp nguồn liên tục (UPS). UPS đảm bảo có thể chống lại không chỉ sự lồi/lõm điện áp mà còn cả với các sự cố khác như mất điện, dao động điện áp và là lựa chọn hàng đầu cho các phụ tải rất quan trọng. Tuy vậy UPS là một thiết bị rất đắt tiền, chi phí vận hành lớn và việc sử dụng nó cho các phụ tải có công suất lớn sẽ đòi hỏi chi phí rất lớn tới mức không còn hiệu quả về mặt kinh tế. Vì lý do kinh tế, trừ những trường hợp rất quan trọng, bắt buộc phải sử dụng UPS thì trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp, để ngăn ảnh hưởng của hiện tượng lồi/lõm điện áp tới các phụ tải ít quan trọng hơn người ta thường sử dụng thiết bị khôi phục điện áp động (DVR). Theo đặc điểm hoạt động DVR được phân chia thành hai loại chính là DVR hoạt động gián đoạn (DVR offline) và DVR hoạt động liên tục (DVR online). Với loại DVR offline, DVR sẽ không làm việc (hay là ở trạng thái chờ) khi điện áp lưới còn trong dải cho phép và chỉ được kích hoạt khi điện áp lưới ra ngoài khoảng cho phép. Điều này làm cho DVR offline có hiệu suất cao hơn do nó chỉ hoạt động trong khoảng thời gian rất ngắn của hiện tượng lồi/lõm điện áp và mức tiêu thụ điện năng trong trạng thái chờ là không đáng kể. Chính vì vậy DVR offline được sử dụng phổ biến để nâng cao chất lượng điện áp trên lưới điện truyền tải và phân phối ở cả phía nối từ nguồn phát lên lưới, đặc biệt là nguồn phát năng lượng tái tạo có điện áp không ổn định, và phía từ lưới truyền tải xuống lưới phân phối. Khi nói đến DVR mà không có chú thích gì thêm thì người ta mặc định hiểu là loại DVR offline. Trong hệ thống cung cấp điện của các nhà máy công nghiệp, DVR offline cũng được sử dụng để ngăn ảnh hưởng của lồi/lõm điện áp đối với các phụ tải ít nhạy cảm hơn khi mà sự gián đoạn điện áp trong một khoảng thời gian nhỏ còn chấp nhận được như các phụ tải có phần tử tích lũy năng lượng (ví dụ chỉnh lưu không điều khiển có tụ một chiều) hoặc động cơ không đồng bộ,… Một số loại phụ tải nhạy cảm hơn sẽ đòi hỏi chất lượng điện áp cao hơn như các thiết bị chuyển mạch theo điện áp lưới (ví dụ chỉnh lưu có điều khiển thyristor, các bộ biến đổi tựa theo điện áp lưới,…) [3] hoặc động cơ đồng bộ,… có thể vẫn không hoạt động được với DVR offline. Giải pháp hạn chế ảnh hưởng của lồi/lõm điện áp lưới đối với các phụ tải như vậy là sử dụng DVR online. Về mặt cấu trúc mạch lực thì DVR online không có gì khác biệt so với DVR offline. Sự khác biệt là ở chỗ DVR online 17
hoạt động liên tục để cung cấp cho tải điện áp bằng điện áp đặt và do vậy nó có thời gian đáp ứng nhanh hơn với DVR offline, giảm thiểu sự gián đoạn điện áp cung cấp cho tải. Nhược điểm chính của nó là do hoạt động liên tục nên mức độ tiêu tán điện năng của nó cao hơn DVR offline dẫn tới hiệu suất thấp hơn. Khác với DVR sử dụng trên lưới truyền tải và phân phối điện năng, DVR sử dụng trong hệ thống cung cấp điện công nghiệp phải hoạt động với tải không đối xứng và yêu cầu chất lượng điện áp không chỉ là giá trị hiệu dụng mà là cả biên độ và dạng sóng. Để đáp ứng yêu cầu này DVR sử dụng trong hệ thống cung cấp điện của các nhà máy công nghiệp ngoài đặc điểm hoạt động theo kiểu DVR online, còn đòi hỏi phải có một cấu trúc điều khiển thích hợp và một trong số đó là DVR sử dụng phương pháp bù điện áp tích cực (Active Voltage Compensate) và thường được gọi là bộ điều áp liên tục hay bộ điều áp tích cực (Active Voltage Conditioner - AVC). Thực tế thì AVC có thể lựa chọn chế độ làm việc theo kiểu DVR offline (offline mode), khi sử dụng cho các phụ tải ít nhạy cảm hơn, hay DVR online (online mode) khi sử dụng cho các phụ tải nhạy cảm hơn. Vì vậy đề tài luận án lựa chọn đối tượng nghiên cứu là AVC để bao trùm được các mức độ ứng dụng khác nhau của DVR trong hệ thống cung cấp điện trong công nghiệp. Việc bảo vệ được các phụ tải quan trọng trước ảnh hưởng của lồi lõm điện áp lưới có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo sản xuất, tiết kiệm chi phí và góp phần nâng cao khả năng cạnh tranh của các nhà máy công nghiệp. Điều này sẽ tạo nên nhu cầu lớn đối với thiết bị khôi phục điện áp động DVR ứng dụng trong hệ thống cung cấp điện công nghiệp và đặt ra tính cấp thiết trong việc nâng cao chất lượng hoạt động cũng như giảm giá thành đối với DVR. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng cấu trúc mạch động lực nghịch lưu ba pha bốn nhánh, mô hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển véc-tơ trên hệ tọa độ d-q-0 tựa theo điện áp lưới cho bộ biến đổi phía tải DVR kiểu điều áp tích cực (AVC) ứng dụng trong hệ thống cung cấp điện trong công nghiệp hoạt động trong trường hợp nguồn điện và/hoặc tải không đối xứng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là: - Xây dựng cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi phía tải AVC sử dụng nghịch lưu 3 pha bốn nhánh van; - Mô hình hóa bộ biến đổi phía tải AVC sử dụng nghịch lưu ba pha bốn nhánh van trên hệ tọa độ d-q-0 tựa theo điện áp lưới; - Xây dựng cấu trúc điều khiển véc-tơ trên hệ tọa độ d-q-0 tựa theo điện áp lưới cho bộ biến đổi phía tải sử dụng nghịch lưu 3 pha bốn nhánh van có thể điều khiển được cả thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không khi điện áp lưới và/hoặc tải không đối xứng nhằm nâng cao chất lượng điều khiển. 18