Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm 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.... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN 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 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 62520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội-2014 1
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn 2. TS. Trần Trọng Minh Phản biện 1:................................................................... Phản biện 2:................................................................... Phản biện 3:................................................................... Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường, họp tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi...........giờ, ngày........tháng........năm......... Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia 2
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Trần Duy Trinh, Trần Trọng Minh; Thiết kế bộ điều chỉnh cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện của bộ biến đổi nguồn áp nối lưới trong điều kiện điện áp không cân bằng; Hội nghị điều khiển và tự động hóa toàn quốc lần thứ nhất,11- 2011. 2. Trần Duy Trinh, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh; Bộ điều khiển Vector nối tầng cho hệ thống phục hồi điện áp động giảm thiễu lõm điện áp trên lưới điện phân phối; Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học kỹ thuật, số 91, trang 23-29, 2013. 3. Trần Duy Trinh, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh; Một phương pháp điều khiển mới cho hệ thống phục hồi điện áp động để giảm thiểu lõm điện áp trên lưới điện. Hội nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6,từ ngày 14 đến 15 năm 2012. 4. Trần Duy Trinh, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh; Những ảnh hưởng của lõm điện áp đối với xí nghiệp công nghiệp và giải pháp giảm thiểu; Hội nghị điều khiển và tự động hóa toàn quốc lần thứ 2, 11- 2013. 3
MỞ ĐẦU 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. 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. 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. 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. 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 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. Như vậy luận án sẽ 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 cũng 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. 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. 1
 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 lưới điện, mô hình 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 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 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. Nội dung của luận án bao gồm phần mở đầu, 5 chương nội dung nghiên cứu và phần kết luận, kiến nghị. Toàn bộ nội dung trình bày trong 141 trang, trong đó có 5 bảng và 122 đồ thị và hình vẽ. Chương1: GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA LÕM ĐIỆN ÁP BẰNG BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) 1.1 Chất lượng điện năng và vấn đề lõm điện áp 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, hay đổi tần số nguồn. Ảnh hưởng của các nhiễu loạn gây nên các sự cố và gián đoạn hoạt động của các tải nhạy cảm quan trọng trong công nghiệp, dẫn đến những tổn thất về kinh tế trong sản xuất. 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 với 31%. 2
Theo IEEE Std. 1159-1995, lõm điện áp là hiện tượng giảm điện áp tức thời 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. Hình 1.4 Lõm điện áp một pha và lõm điện áp ba pha,[22]  Nguồn gốc lõm điện áp: Các lỗi hệ thống nguồn, khởi động thiết bị công suất lớn, đóng mạch biến áp năng lượng vào hệ thống, các biến động của tải  Đặc điểm lõm điện áp: - Độ lớn lõm điện áp: Là điện áp hiệu dụng theo phần trăm hoặc trên một đơn vị tương đối (p.u) còn lại trong ''biến cố'' của điện áp trước khi có lỗi. - Khoảng thời gian lõm điện áp: Là khoảng thời gian giảm điện áp hiệu dụng dưới 90% của lõm điện áp danh định - Nhảy góc pha: Nhảy góc pha được xem như là một sự dịch chuyển điểm qua không của điện áp tức thời. - Các kiểu của lõm điện áp ba pha: Lõm điện áp cân bằng và lõm điện áp không cân bằn. - Lan truyền của lõm điện áp: Một lõm điện áp không cân bằng khi truyền qua máy biến áp ba pha đang được kết nối sử dụng trong hệ thống điện sẽ dẫn đến làm phát sinh các kiểu mới của lõm điện áp. 1.2 Bộ khôi phục điện áp động (DVR) Bộ khôi phục điện áp động là một trong số các thiết bị có khả năng bảo vệ tải nhạy cảm tốt nhất trước những tác động của lõm điện áp. 1.2.1 Các thiết bị giảm thiểu lõm điện áp  Giảm thiểu bằng các thiết bị thụ động  Các hệ thống giảm thiểu dựa trên BBĐ điện tử côngsuất 1.2.2 Giảm thiểu lõm điện áp bằng DVR  Nguyên tắc hoạt động của DVR: Về cơ bản, DVR được thiết kế để tự động chèn vào một điện áp uinj vào lưới điện như thể hiện trong hình 1.16. Grid us(t) Rg Lg ug(t) ig(t) PCC uinj(t) ul(t) il(t) Load Hình 1.16 Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của DVR[32] trong đó, ug là điện áp lưới, uinj điện áp chèn vào từ DVR, và uL là điện áp tải. 3
Hình 1.17. Đồ thị vector thể hiện nguyên lý chèn điện áp của DVR, trên đó điện áp trên tải được khôi phục sẽ là: uL = ug,sag + uinj. UL ψ φ Uinj Il Ug,sag Hình 1.17 Đồ thị vector thể hiện nguyên lý bù lõm của DVR [32] Để có thể khôi phục cả độ lớn và góc pha của điện áp tải như điều kiện trước lỗi, ở đây, DVR phải chèn vào cả công suất tác dụng và công suất phản kháng, tài liệu [32].  U g .sag cos(   )  (1.6)  U g .sag sin(   )  (1.7) Pinj  1   Pload Qinj  1  Qload  cos    sin    Vị trí của DVR trong hệ thống phân phối: DVR có thể được kết nối ở cấp MV hoặc ở cấp LV trong lưới điện phân phối như minh họa ở hình 1.19 và ở hình 1.20. 10/0.4k 10/0.4k V Tải 1 V DVR Tải 1 50/10kV 50/10kV DVR Tải 2 Tải 2 10/0.4k Tải 3 V Tải 3 Hình.1.19 Vị trí DVR tại cấp MV Hình 1.20 Vị trí DVR cấp điện áp LV trong hệ thống phân phối[39] trong hệ thống phân phối[39]  Cấu trúc chung của DVR: Cấu trúc của DVR gồm các thành phần chính sau: máy biến áp nối tiếp, bộ lọc đầu ra, bộ biến đổi và bộ lưu trữ năng lượng như được trình bày ở hình 1.21. by-pass disconnection Grid uinj us Rg Lg ug ig PCC u L iL Tải NC MBA chèn Thyristor By-pass Cf Bộ DC-Line VSC Rf lọc Bộ Lf lưu NL Hình 1.21 Sơ đồ cấu trúc một pha gồm các thành phần chính của DVR[19] 4
1.3 Điều khiển DVR Các cấu trúc và thuật toán điều khiển bộ khôi phục điện áp động đã được nghiên cứu và công bố trong nhiều công trình gần đây có thể kể đến như các công trình nghiên cứu trong các tài liệu [34, 57, 53, 51], trong đó, có thể phân thành hai dạng điều khiển chủ yếu sau đây.  Cấu trúc điều khiển trong hệ thống tự nhiên.  Cấu trúc điều khiển vector. Phát hiện lõm Phát u*L PLL *  uL ug(abc) udqg -+ (Feedfoword) abc αβ αβ dq *  u*inv uL(abc) - + u inj abc dq + udqinj - + + dq αβ αβ dq PI αβ abc PWM  (Feed-back) Hình 1.28 Cấu trúc điều khiển vector phản hồi kết hợp truyền thẳng trên hệ tọa độ quay dq,[41] - Mạch vòng điều khiển điện áp được viết bởi phương trình. i f  i inj  jCF u inj  Gu (u inj  u inj ) *d d q *d d (1.33) i f  i inj  jCF u inj  Gu (u inj  u inj ) *q q d *q q (1.34) dq trong đó: u inj – lượng điện áp chèn vào thực tế của DVR, – lượng u*dqinj đặt của điện 1.4 Tóm tắt và kết luận Lõm điện áp là loại nhiễu loạn nghiêm trọng, chỉ xảy ra trong thời gian rất ngắn và tính chất của lõm điện áp biến đổi phức tạp trong một biến cố. DVR là thiết bị có khả năng hạn chế tốt nhất những tác động của lõm điện áp để bảo vệ tải nhạy cảm trong các xí nghiệp công nghiệp. Để điều khiển DVR khôi phục điện áp trên tải chính xác và kịp thời, các bộ điều khiển được nghiên cứu trước đây thực hiện trong hệ thống tự nhiên và điều khiển vector. Điều khiển trong hệ thống tự nhiên có khả năng điều khiển độc lập và linh hoạt theo từng pha riêng biệt. Tuy nhiên nó là phức tạp vì phải thực hiện trên cả ba pha và khó khăn hơn nữa là nếu hệ thống điều khiển cho cả thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không trong trường hợp bù lõm điện áp không cân bằng. Điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq có sử dụng vòng khóa pha PLL để đồng bộ điện áp chèn vào của DVR với điện áp lưới. Cấu trúc điều khiển đã được áp dụng đơn giản với chỉ một vòng điều chỉnh điện áp thứ tự thuận được được thực hiện. Với cấu trúc điều khiển như vậy DVR có khả năng bảo vệ các tải nhạy cảm có công suất nhỏ, điện áp thấp, thường bảo vệ cho một tải độc lập và cơ bản đáp ứng được cho điều khiển bù lõm điện áp cân bằng. 5
Tuy nhiện, những hạn chế dẫn đến phát sinh các vấn đề nghiêm trọng khi bù lõm của các cấu trúc điều khiển trên được chỉ ra trong các trường hợp sau đây: - Đối với các lõm điện áp mất cân bằng và tồn tại nhiều thành phần nhiễu loạn trong một lõm điện áp (ví dụ một lõm điện áp gồm giảm độ lớn+nhảy góc pha+mất cân bằng+méo dạng điện áp) thì sẽ dẫn đến làm chậm trể thời gian khôi phục điện áp tải, làm mất đồng bộ và sai lệch giá trị điện áp chèn của DVR gây ra bị biến dạng và dao động điện áp tải, làm tăng lượng quá điều chỉnh tại thời điểm đầu và thời điểm kết thúc của quá trình bù, cuối cùng tải nhạy cảm không những được bảo vệ mà còn ảnh hưởng bởi các nhiễu loạn do chính DVR gây nên. - Các cấu trúc điều khiển vector thường được đơn giản bằng việc chỉ có vòng điều chỉnh điện áp mà không có vòng điều chỉnh dòng điện, Tuy nhiên, điều này sẽ không đảm bảo an toàn cho bộ biến đổi điện tử công suất nối lưới của DVR, khi làm việc mà gặp phải ngắn mạch tải hay quá tải sẽ dẫn đến nguy cơ hỏng bộ biến đổi. - Sụt áp trên bộ biến đổi và các phần tử nối tiếp với bộ biến đổi như bộ lọc, máy biến áp nối tiếp không được bù, dẫn đến điện áp chèn vào lưới bị sai lệch, đặc biệt với các hệ thống công suất lớn và điện áp thấp. Để khôi phục điện áp tải một cách nhanh chóng, kịp thời và chính xác, đồng thời khắc phục được một số tồn tại của các cấu trúc điều khiển trước đây thì việc có một cấu trúc phần cứng phù hợp và một thuật toán điều khiển cho DVR đủ tốt, để cải thiện đặc tính động học của DVR trong bù tất cả các kiểu lõm điện áp là điều rất quan trọng. Chính vì vậy phân tích lựa chọn cấu trúc phần lực và phát triển thuật toán điều khiển của DVR, cũng như đưa ra giải pháp áp dụng DVR cho các xí nghiệp công nghiệp là mục tiêu nghiên cứu mà đề tài cần hướng đến. Chương 2: CẤU TRÚC HỆ THỐNG PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP ĐỘNG Các thành phần trong cấu trúc DVR liên kết theo những cách khác nhau, liên quan chặt chẽ đến khả năng khôi phục điện áp tải của DVR và chiến lược xây dựng thuật toán điều khiển của nó trong việc bù lõm điện áp và bù các biến động điện áp trên lưới điện. 2.1 Các thành phần cơ bản của DVR Sơ đồ cấu trúc chung của DVR đã được trình bày ở hình 1.21, tại mục 1.4.3 của chương một, trong đó đã chỉ ra các thành cơ bản của DVR bao gồm: Máy biến áp nối tiếp, Bộ lọc LfCf, Bộ biến đổi VSC, Hệ thống năng lượng DC-Link và bộ lưu trữ năng lượng ES. Sau đây sẽ trình bày chi tiết các thành phần đó. 2.2 Bộ biến đổi 2.2.1 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp Hình 2.1 là cấu trúc BBĐ nửa cầu kết nối máy biến áp sao/sao hở. Hình 2.2 Cấu trúc BBĐ cầu ba pha kết nối máy biến áp nối tam giác/sao hở. 6
Phía Phía tải Phía Phía tải nguồn nguồn BANT BANT UDC/2 UDC/2 UDC DC-Like VSC DC-Like VSC Hình 2.1 Cấu trúc BBĐ nửa cầu kết Hình 2.2 Cấu trúc BBĐ cầu ba pha nối máy biến áp kiểu sao/sao hở[27] kết nối máy biến áp kiểu tam giác/sao hở[27] - Hình 2.3 là cấu trúc nghịch lưu ba pha dùng ba cầu một pha. Phía nguồn Phía tải BANT UDC DC-Line VSC Hình 2.3 Cấu trúc nghịch lưu ba pha dùng ba BBĐ một pha[39] - Hình 2.4, hình 2.5, hình 2.6 là các cấu trúc sử dụng BBĐ đa mức Phía nguồn Phía tải Phía nguồn Phía tải BANT BANT + + UDC/2 E - UDC + UDC/2 E- - DC-Line VSC DC-Line VSC Hình 2.4 Cấu trúc bộ biến đổi đa mức Hình 2.5 Cấu trúc bộ biến đổi đa mức diode kẹp nối máy biến áp tam giác/sao hở[28] tụ kẹp nối máy biến áp sao/sao hở[28] Phía nguồn Phía tải BANT-1 BANT-2 BANT-3 UDC UDC UDC UDC UDC UDC DC-Line VSC_11 DC-Line VSC_2 DC-Line VSC_3 Hình 2.6 Cấu trúc cascade đa bậc nối máy biến áp sao hở/sao hở[63,64] 7
2.2.2 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới trực tiếp Trên hình 2.7 trình bày các cấu trúc BBĐ nối lưới trực tiếp liên kết một pha và ba pha. L1 L1 Nguồn Nguồn Tải N Hình 2.7 Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp một pha[64] L1 Cf L2 Cf L3 Cf Lf Lf Lf CDC CDC CDC Cầu 1 Cầu 2 Cầu 3 Hình 2.8 Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp hệ thống ba pha[27] 2.2.3 Các phương pháp điều chế 2.3 Bộ lọc tần số chuyển mạch Để cải thiện dạng điện áp chèn tạo ra bởi bộ biến đổi người ta sử dụng bộ lọc thụ động. Thông thường nhất sử dụng bộ lọc là mạch cộng hưởng LC có tụ điện kết nối song song với bộ biến đổi, trong thực tế thường được lựa chọn một trong hai cấu trúc sau đây. Rf Cf Zs Uinj Zs UZ UZ ~ US Cf Tải ~ Us Uf Tải Lf UL UL Uinv Hình 2.12 Cấu trúc bộ lọc LC phía bộ biến đổi Hình 2.13 Cấu trúc bộ lọc RC phía nguồn 2.4 Máy biến áp nối tiếp Trong phần lớn các giải pháp thực tế sử dụng biến áp nối tiếp cho hệ thống DVR. Do yêu cầu sự độc lập từ thông trong khi bù nhiễu loạn không cân bằng nên thường áp dụng ba biến áp một pha. 8
2.5 Năng lượng hệ thống DVR Để bù lõm điện áp hệ thống DVR cần tạo ra điện áp chèn và công suất tác dụng để cung cấp cho tải. Năng lượng cần thiết cho mục đích đó cần được tích lũy ở phía DC-link của bộ biến đổi hoặc bằng một phương pháp khác. Có thể phân loại hệ thống năng lượng DVR theo hai kiểu, tài liệu [27,28].  Các kiểu DVR được cấp nguồn từ bộ tích trữ năng lượng.  Các kiểu DVR không có bộ lưu trữ năng lượng. 2.6 Bảo vệ hệ thống phục hồi điện áp động Hệ thống DVR cần bảo vệ trong các tình trạng được coi là khẩn cấp xảy ra trong khi làm việc. Các tình trạng sau đây được coi là không an toàn cho DVR:  Bảo vệ ngắn mạch  Bảo vệ trước sự tăng điện áp phía DC-link  Bảo vệ hở mạch lưới 2.7 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc cho DVR Grid Zdd MBA nối tiếp - + usa(t) uga(t) iga(t) uLa(t) - + ~ iinja(t) Tải - + usb(t) ugb(t) igb(t) uLb(t) - + nhạy ~ iinjb(t) cảm igc(t) - + usc(t) ugc(t) - + uLc(t) ~ iinjc(t) uca(t) sa + - ica(t) ucb(t) sb ES_DC-link control VSC + - sc icb(t) + ucc(t) + - icc(t) ifa(t) ifb(t) ifc(t) uconv,a(t uconv,b(t Bộ lọc Lf Cf ) uconv,c(t) ) AC/DC DC-link - Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc của DVR nối lưới ở cấp MV Cấu trúc phần cứng của DVR được lựa chọn cho DVR làm việc tại cấp MV. Cấu trúc tạo cho DVR có khả năng bù được cả thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch khi xảy ra một lõm điện áp không cân bằng. Với cấu trúc lựa chọn nếu được kết hợp với một thuật toán điều khiển hợp lý sẽ tạo nên khả năng bù được cả độ lớn và góc pha trong một lõm điện áp để bảo vệ được đa số các tải nhạy cảm. 2.8 Tóm tắt và kết luận Trong chương hai các thành phần trong cấu trúc của bộ khôi phục điện áp động đã được phân tích cụ thể, trong đó đã làm rõ những vẫn đề liên quan đến hệ thống mạch lực của DVR đồng thời đã chỉ ra các cách thức kết nối giữa các 9
thành phần của cấu trúc DVR và đặc biệt là kết nối của DVR với lưới điện. Đây là cơ sở quan trọng để chỉ ra các khả năng làm việc của DVR, cũng là các cơ sở để xây dựng thuật toán điều khiển cho DVR thực hiện tốt các khả năng đó. Cuối cùng là lựa chọn một cấu trúc phần cứng của DVR trên hình 2.25 được áp dụng để bù lõm điện áp ở cấp trung áp (MV) của hệ thống điện ba pha ba dây. Với cấu trúc này khá đơn giản, nhưng đủ để áp dụng cho DVR với khả năng có thể bù được cả lõm điện áp cân bằng và không cân bằng và các nhiễu loạn điệp áp khác như dao động điện áp hay méo dạng điện áp. Với cấu trúc này, thuật toán và cấu trúc điều khiển sẽ được nghiên cứu phát triển tiếp ở chương 3 trong của luận án. Chương 3: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP ĐỘNG Trong điều khiển hệ thống DVR bao gồm điều khiển điện áp tải, điều khiển điện áp DC-link, điều khiển đồng bộ điện áp lưới và điều khiển phát hiện lõm điện áp. Trong đó điều khiển điện áp tải là phức tạp và quan trọng nhất, vì nó quyết định trực tiếp đến khả năng làm việc hiệu quả của DVR trong bù lõm điện áp để bảo vệ tải nhạy cảm. 3.1 Các chế độ hoạt động và hạn chế của DVR  Chế độ hoạt động.  Hạn chế của DVR 3.2 Các phương pháp tạo điện áp chèn vào - Phương pháp tạo điện áp chèn vào với lõm điện áp cân bằng. - Phương pháp tạo điện áp chèn vào với lõm điện áp không cân bằng. 3.3 Mô hình toán học của VSC và bộ lọc LC nối lưới Từ sơ đồ cấu trúc các thành phần của DVR ở hình 2.25 ta xây dựng sơ đồ một dây hình 3.5 trong đó DVR được đại diện bởi bộ biến đổi VSC và bộ lọc LC. Grid ug Rg Lg ug i g PCC uL iL Load Tra,NT uc=ui DC-Line VSC nj Cf if R f Lf ES Hình. 3.5 Sơ đồ một dây VSC và bộ lọc LC nối lưới Từ mô hình một dây hình 3.5 chuyển thành mô hình các phần tử tương đương, hình 3.7. 10
idc Rf,x Lf,x if,x iinj,x rdc ic,x Cdc Ucd ~ uinv,x Cf uinj,x ~ ES Hình. 3.7 Mô hình VSC và bộ lọc LC nối lưới[62] Từ sơ đồ ở hình 3.7, ta viết các phương trình trạng thái của VSC và bộ lọc LC như sau.  Rf 1     1   0  d i fx   L f L f  i fx    i fx  (3.21)    dt u injx  1             L f  u invx   1  iinjx ; u injx  0 1   u  u injx   0   injx   0   C f    C f  3.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp tải đáp ứng điều kiện điện áp mất cân bằng. Phát triển cấu trúc và thuật toán điều khiển mà có thể xử lý các được thành phần thứ tự xuất hiện trong một biến cố lõm điện áp không cân bằng là điều rất cần thiết để cải thiên đặc tính động học, đảm bảo chính xác và làm việc ổn định của DVR. 3.4.3 Cấu trúc điều khiển của DVR Cấu trúc điều khiển của DVR được xây dựng trên hình 3.13. Trong sơ đồ các ký hiệu được giải thích như sau: usa(t), usb(t), usc(t) là các điện áp pha nguồn. Các điện áp lưới tại điểm nối chung PCC và dòng điện lưới được ký hiệu tương ứng bởi ug,a(t), ug,b(t), ug,c(t) và ig,a(t), ig,b(t), ig,c(t). Điện áp tải được ký hiệu là: uL,a(t), uL,b(t), uL,c(t). Điện áp 3 pha của bộ biến đổi VSC và dòng điện qua điện cuộn cảm lọc tương ứng được ký hiệu: uinv,abc(t), và if,abc(t). Điện áp tụ lọc được ký hiệu: uc,abc(t). Điện áp và dòng điện chèn vào thông qua máy biến áp nối tiếp tương ứng được ký hiệu bởi: uinj,abc(t) và iinj,abc(t). Điện áp phía một chiều (DC-Line) được ký hiệu là udc(t). Các ký hiệu trong bộ điều khiển (BĐK): BĐK_TTT, BĐK_ TTN là bộ điều khiển thứ tự thuận và bộ điều khiển thứ tự nghịch. up*, un* là điện áp đặt cho thành phần thứ tự thuận và nghịch. Tín hiệu đầu vào điều khiển được xác định là điện áp bộ biến đổi (uinv,abc), các biến được điều khiển là dòng điện qua cuộn cảm lọc Lf (if,abc) và điện áp chèn vào thực tế (uinj,abc), biến nhiễu loạn là dòng điện chèn vào (iinj,abc). Lượng đặt của điện áp tải u*L,abc , lượng đặt điện áp chèn vào của DVR được xác định. , abc  u L , abc  u g , abc * * uinj (3.25) 11
Điện áp chèn vào của DVR chính bằng điện áp trên tụ lọc Cf, uinj,abc = uc,abc. Để điều khiển điện áp chèn vào của DVR chính là điều chỉnh điện áp trên tụ điện Cf. Dòng điện chèn vào iinj,abc= n.ig,abc. Grid us,a Zs,a ug,a ig,a n.uinj, uL,a ~ L us,b Zs,b ug,b ig,b a uL,b ~ o us,c Zs,c ug,c ig,c uL,c a ~ d iinj,abc Cf uinj,abc if,abc uinj,abc =uc,abc if,abc Lf ug,abc/n up* u αβ uinv,abc inv,p BĐK Chuyển TTT Chuyển u αβ inv đổi PLL   đổi PWM VSC abc/αβ sang αβ abc/dq BĐK + udc - TTN u αβ un* inv,n DC-link CDC BĐK Energy storage Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của DVR 3.5 Xây dựng thuật toán điều khiển 3.5.1 Mô hình DVR trên hệ tọa độ tĩnh αβ và hệ tọa độ quay dq - Áp dụng định luật Kirchhoff cho điện áp và dòng điện ba pha ta có các phương trình như sau : d d i fa (t )  iCfa (t )  iinja (t )  C f uinja (t )  iinja (t ) uinva (t )  uinja (t )  R f i fa (t )  L f i fa (t )  0 dt dt (3.26) (3.27) d d i fb (t )  iCfb (t )  iinjb (t )  C f uinjb (t )  iinjb (t ) uinvb (t )  uinjb (t )  R f i fb (t )  L f i fb (t )  0 dt dt d d i fc (t )  iCfc (t )  iinjc (t )  C f uinjc (t )  iinjc (t ) uinvc (t )  uinjc (t )  R f i fc (t )  L f i fc (t )  0 dt dt - Áp dụng chuyển đổi Clacrke từ các phương trình (3.26) và (3.27) có thể viết trên hệ tọa độ tĩnh αβ như sau: 12
 T  1  s  ( ) T   0  i (f ) (k  1)   L f i f (k )   s  ( )  ( )          L f uinv (k )   Ts  iinj  ( )  (k ) (3.34)   uinj (k  1)  Ts 1  uinj (k )   ( )  C  0  C f   f  Áp dụng phép chuyển đổi tọa độ Park từ hệ tọa độ tĩnh αβ sang tọa độ quay dq với một PLL đồng bộ với vector điện áp lưới, các phương trình (3.34) được biến đổi thành (3.49).  Rf 1     0   Lf Lf  1  0 0  i f   i (f d )   L 0  0   (d ) R 0 (3.39)  ( q )     f 0  1   (q)   f    (d ) d f i   Lf Lf  i f   1  u (d )   1  iinj   (d )     (d )    0   ( q )     (q)  inv  0 dt uinj   1  uinj   L f  uinv   C f  iinj  0 0   (q)   C f   ( q )  0 0   1  uinj    uinj    0    0 1  0 0   C   0 f  C   f  3.5.2 Thuật toán điều khiển trên hệ trục tọa độ quay dq Thuật toán điều khiển điện áp tải được mô tả dưới dạng các phương trình toán học và các sơ đồ sau đây.  Bộ điều chỉnh dòng điện - Đối với thành phần thứ tự thuận: Lf (3.42) f ( k )  jL f i f ( k )  G PI dq dq  dq * dq uinv (k )  uinj (k )  R f i dq TTT (i dq f (k  1)  iinj (k )) Ts - Đối với thành phần thứ tự nghịch: Lf (3.43) f ( k )  jL f i f ( k )  G PI dq dq  dq * dq uinv (k )  uinj (k )  R f i dq TTN (i dq f (k  1)  iinj (k )) Ts  Bộ điều chỉnh điện áp - Đối với thành phần thứ tự thuận: Cf (3.44) i dq f  dq (k  1)  iinj (k )  G PI TTT dq* (u inj dq (k )  u inj (k ))  jC f u inj dq (k ) Ts - Đối với thành phần thứ tự nghịch: C f dq* i dq f  dq (k  1)  iinj (k )  G PI TTN dq (u inj (k )  u inj (k ))  jC f u inj dq (k ) (3.45) Ts Cấu trúc hệ thống điều khiển được tổng hợp dựa trên hai bộ điều chỉnh tương ứng các thành phần thứ tự thuận, nghịch như ở hình 3.19. 13
Chuyển đổi Vòng điều chỉnh điện áp Vòng điều chỉnh dòng điện TTT-TTN Điều chế vetor không abc/αβ và αβ/dq thành phần TTT-TTN gian PLL    ug(abc) abc αβ  uinvαβ* dq*+ αβ dq uinj TTT + ifdq*+ TTT + uinvdq*+ dq GPI + αβ Điều chế uF,abc uL*(abc) GPI + + - vector dq*- uinvdq*-  uinjdq*- TTN + if TTN + dq không gian αβ (abc) GPI GPI uinj  + - + uinvαβ*   uinjdq-   14 (abc) iinj  uinjdq+ iinjdq+  iinjdq- if(abc) ifdq-  ifdq+ uinj(abc) abc αβ uinjdq- αβ dq uinjdq+
3.5.3 Thuật toán điều khiển dựa trên hệ trục tọa độ tĩnh αβ Từ phương trình 3.35 ta viết lại phương trình mô tả bộ điều chỉnh dòng điện khi có bộ điều công hưởng PR như sau:  Bộ điều chỉnh dòng điện L f  * (3.53) u * (k  1)  u  (k )  G inv (i (k )  i  (k )) inj PR f f Ts  Bộ điều chỉnh điện áp Cf Cf (3.54) i  f *  (k  1)  iinj (k )  (GSDR TTT  * (u inj  (k )  u inj (k ))  GSDR TTN  * (u inj  (k )  u inj (k ))) Ts Ts Tổng hợp cấu trúc điều chỉnh cho cả hai vòng trên hệ tọa độ tĩnh αβ được thể hiện ở sơ đồ của hình 3.25. Hình 3.25 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của DVR trên hệ tọa độ tĩnh αβ 3.6 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện PR s GPRh ( s)  K Ph  K1h (3.59) s  h 2 21 2 3.7 Thiết kế bộ điều khiển điện áp SDR y1 ( s )  K I .e ( s)  1 . y 1 ( s) y  ( s)  K I .e ( s)  1 . y 1 ( s) 1 1 s (3.85)  1 s (3.86) y 1 ( s)  K I .e ( s)  1 . y1 ( s) y 1 ( s)  K I .e ( s)  1 . y1 ( s) 1 1 s s 3.8 Nghiên cứu ổn định Để thực hiện việc phân tích ổn định cho hệ thống, mô hình vòng kín của hệ thống được bắt nguồn từ bộ điều khiển đã đề nghị như đã trình bày ở mục trên. us* uc* uc is uc* Ts / L f Ts / C f uc SDR PR Ginv z 1 z 1  uc if Hình 3.36 Mô hình vòng kín của hệ thống với hai mạch vòng Hình 3.39 là đồ thị Bode mô tả đặc tính biên-tần của hệ hở và hệ kín hệ thống 15
Hình 3.39 Đồ thị Bode của hệ thống vòng hở - vòng kín 3.9 Điều khiển đồng bộ lưới Đồng bộ ở đây được hiểu là điều khiển điện áp chèn vào của DVR sao cho góc pha của nó có mối liên hệ với góc pha của điện áp lưới. Có ba phương pháp, trong đó phương pháp PLL được lựa chọn áp dụng.  Phương pháp điểm qua không  Phương pháp Arctangent  Kỹ thuật PLL 3.10 Điều khiển phát hiện lõm điện áp Một phần quan trọng trong điều khiển của DVR là điều khiển phát hiện lõm. Một biến cố lõm điện áp phải được phát hiện điểm đầu và điểm cuối của nó một cách nhanh chóng để kịp thời đưa hệ thống DVR ở chế độ chờ sang chế độ bù và ngược lạ. 3.11 Điều khiển điện áp DC-link Trong điều khiển điện áp DC-link gồm điều khiển nạp điện cho bộ lưu trữ năng lượng và điều khiển điện áp trên DC-link. Nội dung này đối với DVR cũng được thực hiện tương tự như trong các hệ thống nối tiếp, tài liệu [29]. 3.12 Tóm tắt và kết luận Trong chương này đã nghiên cứu phát triển hai cấu trúc điều khiển DVR. Cấu trúc điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq làm việc với lượng một chiều, có khả năng tách riêng thành thứ tự thuận và ngược của điện áp lưới để điều chỉnh độc lập dựa trên góc pha của điện áp lưới như là đại lượng cơ bản để thực hiện. Trong khi, cấu trúc điều khiển vector trên hệ tọa độ tĩnh αβ làm việc với lượng xoay chiều có khả năng lựa chọn được các thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp lưới để điều chỉnh dựa trên tần số của điện áp lưới. Hai cấu trúc điều khiển được đưa ra ở trên đã có những phát triển mới so với các cấu trúc trước đây, từ đó đã giải quyết được những hạn chế mà các cấu trúc trước đây chưa thực hiện được cụ thể là: - Bổ sung thêm giải pháp điều chỉnh cả thành phần thứ tự nghịch trong hai cấu trúc điều khiển, giảm sai lệch và nâng cao độ chính xác điện áp chèn vào của DVR, tránh được hiện tượng mất đồng bộ trong khi bù, giảm đáng kể sự dao động và méo dạng điện áp tải, đảm bảo yêu cầu làm việc ổn định của 16
DVR tương ứng với toàn giải thay đổi của phụ tải và biên độ lõm điện áp cũng như thời gian biến động. - Với việc mạch vòng dòng điện được bổ sung trong cấu trúc điều khiển đã cải thiện được đặc tính động học của DVR; thời gian đáp ứng nhanh hơn từ 0,002s đến 0,02s, lượng quá điều chỉnh được giới hạn trong phạm vi cho phép. Dòng điện qua VSC luôn được kiểm soát, đảm bảo bộ biến đổi không bị quá dòng trong trường hợp có sự biến động của tải hoặc ngắn mạch phía tải. - Hai cấu trúc điều khiển đề xuất được thực hiện trên tọa độ quay dq với lượng một chiều và trên hệ tọa độ tĩnh αβ với lượng xoay chiều, nhưng cho kết quả về chất lượng điều khiển tương đương nhau, phù hợp với điều kiện thực tế khác nhau. Qua những kết quả nghiên cứu lý thuyết, có thể khẳng định cấu trúc điều khiển làm việc ổn định, đáp ứng điều khiển DVR khôi phục điện áp tải, bảo vệ tải nhạy cảm trong điều kiện lõm điện áp cân bằng và không cân bằng. Chương 4: GIẢI PHÁP ÁP DỤNG DVR CHO XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP 4.1 Ảnh hưởng của lõm điện áp đối với xí nghiệp công nghiệp Để tạo ra một phần hoặc toàn bộ quá trình tự động trong sản xuất, các thiết bị điện quan trọng trong nhà máy thường được tích hợp từ các phần tử điều khiển điện, điện tử, các thiết bị đó có thể là các 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. Tuy nhiên các thiết bị này rất nhạy cảm với các nhiễu loạn điện áp, đặc biệt là lõm điện áp đã gây nên sự dừng máy móc, thiết bị trong các xí nghiệp công nghiệp và hậu quả cuối cùng là tổn thất về mặt tài chính. Những vẫn đề đó đã trở nên thách thức đối với nhà cung cấp năng lượng điện và cả phía khách hàng là các xí nghiệp công nghiệp. 4.2 Ứng dụng DVR trong thực tế Các điều kiện và thủ tục để ứng dụng DVR được thực hiện thông qua một trường hợp thực tế đó là; thiết kế DVR bảo vệ cho một phụ tải nhạy cảm quan trọng ở cấp trung áp 6,3kV, công suất 2400kVA tại một xí nghiệp công nghiệp thuộc ngành xi măng. Hình 4.5 sơ đồ DVR kết nối lưới điện bảo vệ phụ tải nhạy cảm quan trọng là tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt ID 142 trong nhà máy xi măng Hoàng Mai. 4.3 Mô phỏng Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink, bao gồm hệ thống lưới điện từ trạm nguồn Nghi Sơn đến các trạm huyện và lưới điện nhà máy xi măng Hoàng Mai theo sơ đồ lưới điện thực tế (xem hình pl2.2 của phụ lục 2), trong đó mô hình DVR đặt tại vị trí cấp trung áp 6,3kV bảo vệ phụ tải nhạy cảm quan trọng là tổ hợp Biến tần-Động cơ 142-FN1 trong nhà máy được xây dựng như sơ đồ thiết kế hình 4.5. Các tham số cài đặt trong mô hình sẽ được lấy từ kết quả thiết kế và kết quả khảo sát 17