Tài liệu 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 4

Chương 4: GIẢI PHÁP ÁP DỤNG DVR CHO XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP Ảnh hưởng của lõm điện áp đến các tải nhạy cảm quan trọng trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp hiện đại càng ngày càng trở nên nghiêm trọng, nhất là trong các nhà máy thuộc các ngành công nghiệp như: Ngành sản xuất dệt may, ngành sản xuất xi măng, ngành sản xuất giấy, ngành công nghiệp nhựa, ngành công nghiệp thủy tinh, ngành công nghiệp bán dẫn. Để đảm bảo hoạt động cho các phụ tải nhạy cảm quan trọng trong các nhà máy này, các giải pháp đã được đưa ra như đã trình bày ở chương một, trong số đó giải pháp duy nhất mà khách hàng lựa chọn và kiểm soát được tình hình đó là áp dụng DVR. DVR có khả năng khôi phục điện áp trên tải nhạy cảm tốt nhất để các phụ tải này không bị ngừng hoạt động trước những tác động của lõm điện áp. Mặt khác DVR là thiết bị có vị trí kết nối ở cả cấp MV và LV trong lưới phân phối, phù hợp với lưới điện của các xí nghiệp công nghiệp, nó có thể bảo vệ cho một phụ tải độc lập quan trọng trong nhà máy hoặc được kết nối tại vị trí trong lưới điện mà có thể bảo vệ cho một nhóm các phụ tải nhạy cảm quan trọng. Trong chương này trình bày những ảnh hưởng của lõm điện áp đối với xí nghiệp công nghiệp thông qua phân tích các thiết bị điện nhạy cảm có nguy cơ lớn chịu ảnh hưởng bởi lõm điện áp và một khảo sát thực tế về tác động của lõm điện áp và các nhiễu loạn điện áp đối với một xí nghiệp công nghiệp điển hình thuộc ngành xi măng ở Việt Nam. Tiếp theo ứng dụng DVR cho các xí nghiệp công nghiệp thông qua một trường hợp thực tế là thiết kế DVR bảo vệ cho một phụ tải nhạy cảm quan trọng ở cấp trung áp 6,3kV, công suất 2400kVA. Cuối cùng là xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống DVR nối lưới bảo vệ tải nhạy cảm quan trọng như đã thiết kế. 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 do các biến cố trên lưới điện gây nên như: Hài điện áp, điện áp mất đối xứng, quá độ điện áp... mà đặc biệt là lõm điện áp là những yếu tố nghiêm trọng, 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. 4.1.1 Ảnh hưởng của lõm điện áp đến thiết bị điện công nghiệp Các thiết bị điện tử đòi hỏi chất lượng điện cao hơn so với hầu hết các tải khác, nó nhạy cảm với các các nhiễu loạn điện áp, đặc biệt là lõm điện áp, chỉ cần nhiễu loạn điện áp đủ lớn, ngắn từ 0,5 chu kỳ cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tải điện tử nhạy cảm. Bên cạnh đó những thiết bị đã có từ lâu như động cơ cảm ứng, máy biến áp, thiết bị chiếu sáng...cũng không tránh khỏi sự tác động từ lõm điện áp. Các phân tích cụ thể sau đây về ảnh hưởng của lõm điện áp đến các nhóm thiết bị quan trọng và thường gặp trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp hiện nay. 95  Hệ truyền động điều khiển dòng xoay chiều Các mạch truyền động này thông thường nhất là các bộ biến đổi tần số hình 4.1. Khi xuất hiện suy giảm điện áp tức thời do lõm điện áp gây ra trong lưới cung cấp, dẫn đến điện áp ra của bộ biến tần cũng bị ảnh hưởng giảm điện áp. Sự giảm điện áp này phụ thuộc vào điện dung của tụ điện của biến tần, sự tiêu thụ năng lượng qua động cơ và độ sâu giảm điện áp. BBĐ AC/DC BBĐ DC/AC Bộ lọc AC Nguồn Tụ DC Hình 4.1 Sơ đồ hệ truyền động động cơ xoay chiều bằng biến tần [2,63] Sự giảm điện áp qua bộ biến đổi trung gian có thể gây ra tác động của mạch bảo vệ thấp áp của hệ thống và gây ngừng hoạt động động cơ. Sự giảm điện áp cũng có thể là nguyên nhân thay đổi tốc độ góc động cơ, như vậy trong một số áp dụng có thể gây hỏng sản phẩm. Do sự tích năng lượng của tụ điện sau khi kết thúc giảm áp xảy ra sự tiêu thụ dòng điện lớn, như vậy có thể gây tác động (các phần tử) bảo vệ dòng quá tải và làm ngừng hoạt động mạch truyền động. Các kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy sự nhạy cảm rất lớn của mạch truyền động có bộ biến đổi với sự giảm điện áp [14]. Trong một số trường hợp các mạch truyền động này còn nhạy cảm hơn các thiết bị điện tử thỏa mãn các yêu cầu quy định bởi các đặc tính của tiêu chuẩn CBEMA hoặc ITIC. Đã có nhiều đề xuất cho phương pháp tăng khả năng chống giảm điện áp. Các phương pháp thường dùng nhất là: - Tăng điện dung của tụ điện trong mạch trung gian bộ biến tần. Nhưng, phương pháp này có thể không kinh tế đối với mạch truyền động công suất lớn. - Mắc cuộn chặn nối tiếp trên đầu vào mạch có giá trị 3%-5%. - Cải tiến hệ chỉnh lưu sao cho có thể tích lũy bổ sung năng lượng cho tụ điện trong khi giảm điện áp.  Hệ truyền động điều khiển dòng một chiều Sơ đồ mạch truyền động một chiều cung cấp từ bộ chỉnh lưu có điều khiển được trình bày ở hình 4.2. BBĐ AC/DC BBĐ AC/DC_KT Nguồn Hình 4.2 Sơ đồ mạch truyền động điện một chiều với động cơ kích thích độc lập, [2]. Lõm điện áp ảnh hưởng đối với các bộ truyền động kiểu này còn hơn các bộ mạch truyền động dòng xoay chiều cung cấp từ các bộ biến đổi trung gian như trường hợp trên. Sự giảm điện áp dẫn đến sự giảm tức thời từ thông, do hằng số thời gian cuộn kích thích là lớn, việc trở về của điện áp sau khi giảm gây ra dòng lớn trong mạch cuộn dây phần ứng và 96 thay đổi đột ngột tốc độ. Ngoài ra có thể dẫn đến phát hiện nhầm điểm chuyển mạch tự nhiên, như vậy kết quả là có thể dẫn đến hoạt động chuyển mạch không đúng, thậm chí có thể làm hỏng bộ biến đổi. Thiết bị được cung cấp từ các bộ chỉnh lưu cũng có thể nhạy cảm với sự thay đổi điện áp DC gây ra sự giảm điện áp nguồn. Trong trường hợp bất lợi nhất có thể dẫn đến ngắt mạch thiết bị này bởi hệ thống bảo vệ.  Các động cơ cảm ứng cấp nguồn trực tiếp từ lưới Đối với các động cơ cảm ứng kết nối trục tiếp từ lưới điện, khi lõm xảy ra sự suy giảm điện áp tức thời dẫn đến sự thay đổi tốc độ góc, dòng điện lớn và sự thay đổi đột ngột mô men quay, vì mômen của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp. Yếu tố ảnh hưởng bổ sung vào sự thay đổi của động cơ là sự không đối xứng của nguồn trong khi giảm điện áp và thời điểm xảy ra giảm áp do chuyển pha điện áp qua không. Các mạch truyền động này thể hiện sự nhạy cảm đặc biệt từ việc khởi động qua các hệ thống khởi động mềm (softstart), hoặc chuyển đổi sao–tam giác. Các điều kiện làm việc của động cơ trong khi giảm gần với trạng thái khởi động trực tiếp và các dòng điện có thể vượt quá nhiều lần so với dòng điện cho phép. Trong nhiều công trình cũng khẳng định ảnh hưởng xấu của sự thay đổi pha điện áp nguồn đến hoạt động của động cơ không đồng bộ. Các động cơ đồng bộ cũng bị nhạy cảm với sự giảm điện áp. Sự xuất hiện không cân bằng trong điện áp nguồn gây ra mômen bổ sung liên quan đến thành phần thứ tự ngược của điện áp. Điều này gây ra sự giảm mô men có ích trên trục động cơ, sự tỏa nhiệt tăng trong các cuộn dây và tăng tổn hao công suất liên quan đến các dòng điện cảm ứng trong phần tĩnh và phần động. Trong các điều kiện như thế dòng điện động cơ có thể lớn hơn dòng điện danh định nhiều lần (phụ thuộc vào mức độ không đối xứng). Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm khẳng định rằng các động cơ không đồng bộ chịu đựng được sự không đối xứng liên tục tới 2%, theo[14].  Ảnh hưởng đến thiết bị đo lường điện tử, tự động công nghiệp và thiết bị văn phòng Trong các thiết bị kiểu này hệ thống nguồn có phần mạch chỉnh lưu không điều khiển với tụ điện một chiều. Như vậy, nhạy cảm với sự suy giảm điện áp tức thời từ lõm điện áp liên quan đến lượng năng lượng được tích trữ trong tụ điện và sự tiêu thụ tức thời năng lượng này bởi thiết bị. Với mục tiêu đảm bảo hoạt động đúng quy định để nhiễu loạn điện áp không gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị, quan trọng là đảm bảo được các đặc tính của ITIC [20] (Information Technology Industry Coucil), CBEMA (Computer Business Manufacturers Association) và SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International Group) [27]. Theo các báo cáo khác nhau, với các hệ PLC (programmable logic controller) thì giá trị điện áp trong thời gian giảm có thể từ 50% đến 60% . Tuy nhiên đó là các giá trị điển hình, nhưng một số thiết bị có thể có độ nhạy cảm lớn hơn. Các hiệu ứng khác nhau của sự giảm điện áp là làm nhiễu hoạt động hệ thống qua việc thay đổi một hoặc nhiều trạng thái logic. Sự giảm điện áp cũng có thể gây ra ngắt mạch các tiếp điểm của công tằc tơ. Sự giảm điện áp dưới 90% giá trị định mức trong thời gian dài hơn một chu kỳ có thể gây hở tiếp điểm. Ngoài ra, một số thiết bị chính xác như các rôbốt công nghiệp yêu cầu điện áp nguồn một chiều có sai số rất nhỏ. Sự thay đổi điện áp này do giảm điện áp dẫn đến ngắt mạch các thiết bị này qua mạch bảo vệ. Một số lượng lớn thiết bị đo lường được định chuẩn trong điều kiện điện áp nguồn hình sin. Như vậy, việc cung cấp điện áp thiếu và méo dạng sẽ dẫn đến tăng lỗi đo của các thiết bị đó. 97  Ảnh hưởng đến các biến áp năng lượng Sự xuất hiện giảm điện áp nguồn trên cuộn sơ cấp của biến áp dẫn đến xuất hiện thành phần từ thông một chiều. Giá trị của nó phụ thuộc vào thời điểm xảy ra sự giảm trên đường cong điện áp. Như vậy, việc trở lại của điện áp có thể dẫn đến tăng giá trị tức thời từ thông trên giá trị tối đa đối với phần đường đặc tính từ hóa, như vậy, máy biến áp sẽ đi vào trạng thái bão hòa [23].  Ảnh hưởng đến các đèn phóng điện và sợi nung Các đèn cao áp hơi và thủy ngân đòi hỏi giá trị điện áp cực tiểu nhất định để duy trì khả năng tạo phóng hồ quang. Giá trị điện áp đó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và khó đưa ra một giá trị cụ thể. Trong tài liệu thông thường nhất đưa ra 45% điện áp danh định trong thời gian dài hơn hai chu kỳ. Nhưng, một số kiểu đèn đã tắt khi điện áp giảm dưới 80% điện áp danh định . Sự đóng lại nguồn cho đèn đòi hỏi thời gian từ một đến vài phút để nguội và nung nóng trở lại. Các dữ liệu rất chi tiết có thể tìm thấy trong công bố các kết quả thử nghiệm các đèn có khí. Sự dao động điện áp cũng có ảnh hưởng nhất định đến cường độ ánh sáng tạo ra bởi các đèn đó [23]. 4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của lõm điện áp đối với một xí nghiệp công nghiệp điển hình. Để có những kết quả phản ánh sát thực hơn về những ảnh hưởng của lõm điện áp đối với các ngành công nghiệp trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đồng thời để có những giải pháp cho các xí nghiệp công nghiệp trước sự tác động của các biến cố điện áp trên lưới, một khảo sát thực tế về các biến cố điện áp đối với một xí nghiệp công nghiệp điển hình là điều rất cần thiết cho nghiên cứu áp dụng trong luận án này. Khảo sát được lựa chọn thực hiện tại hệ thống cung cấp điện của một xí nghiệp công nghiệp điển hình thuộc ngành xi măng, đó là nhà máy xi măng Hoàng Mai thuộc tĩnh Nghệ An. Nhà máy xi măng Hoàng Mai sử dụng dây chuyền sản xuất xi măng, trong đó có nhiều thiết bị làm việc với yêu cầu về chất lượng điện áp theo tiêu chuẩn châu Âu. Tính từ đầu năm 2008 đến nay nhà máy bị dừng hoạt động khoảng 150 lần, với mỗi lần dừng lò tổn thất lên đến từ 100.000000 đồng VN đến 120.000000 đồng VN, tài liệu [13]. Những biến cố từ lưới điện đã làm một số thiết bị điện nhạy cảm quan trọng trong nhà máy ngừng hoạt động, đặc biệt trong đó có động cơ quạt ID 142 kết nối biến tần, được dùng để tạo áp suất âm trong hệ thống lò nung Clinker bị liên tục ngừng hoạt động, dẫn đến các công đoạn khác trong dây chuyền sản xuất cũng bị dừng theo. Các sản phẩm của nhà máy vì thế mà bị kém chất lượng, trở thành phế phẩm, quá trình sản xuất của nhà máy bị đình trệ và cuối cùng là những tổn thất về tài chính đối với nhà máy là rất lớn. Cuộc khảo sát được bắt đầu từ tháng 5 năm 2008 đến tháng 12 năm 2012 và được chia làm hai giai đoạn, với các nội dung như sau. - Khảo sát đánh giá thực trạng hệ thống lưới điện của nhà máy. - Khảo sát tìm nguyên nhân dẫn đến các biến cố điện áp trên lưới điện tác động đến hoạt động của thiết bị nhà máy. Mục tiêu của cuộc khảo sát là để: - Xác định hiện trạng lưới điện hiện tại của nhà máy. Chỉ ra nguyên nhân, đặc điểm và mức độ ảnh hưởng của biến cố điện áp trên lưới điện, gây dừng máy ở một số thiết bị điện nhạy cảm quan trọng, tác động đến hoạt động bình thường của toàn nhà máy. - Đưa ra các giải pháp giảm thiểu tác động của các nhiễu loạn điện áp, trong đó đề xuất giải pháp nghiên cứu áp dụng DVR để khôi phục điện áp trên tải nhạy cảm quan trọng tại lưới điện Hoàng Mai. 98 4.1.2.1 Mô tả hệ thống và kết quả khảo sát  Mô tả hệ thống cấp điện thông qua sơ đồ vị trí địa lí, các sơ đồ của các tuyến đường dây, các trạm biến áp trong hệ thống cung cấp điện được giới hạn khảo sát từ trạm 220kV Nghi Sơn Thanh Hóa đến trạm nhà máy xi măng Hoàng Mai, được tác giả thống kê đưa vào phụ lục 2 của luận án này, tài liệu [13].  Kết quả khảo sát bao gồm. - Thống kê các số liệu kỹ thuật của hệ thống bao gồm tham số các tuyến đường dây, các trạm biến áp, hệ thống tụ bù và tham số tải nhạy cảm điển hình là động cơ quạt ID-142. - Thống kê các biến cố điện áp trên lưới điện Hoàng Mai ở vị trí có cấp điện áp 110kV. Tất cả các kết quả khảo sát được tác giả tổng hợp cho ở phần phụ lục 2 của luận án này. Sau đây hiện trang của lưới điện 220kV Nghi Sơn và lưới điện Hoàng Mai được xác định thông qua kết quả khảo sát thực tế. 4.1.2.2 Hiện trạng lưới điện 220/110kV Nghi Sơn và các biến cố điện áp trên lưới điện Hoàng Mai Hiện trạng của lưới điện 220kV Nghi Sơn và lưới điện nhà máy xi măng Hoàng Mai đã được tác giả khảo sát tổng hợp từ số liệu thực tế cũng như nắm bắt thông tin từ các kỹ thuật viên đang vận hành hệ thống để đưa ra các kết quả sau đây.  Về trạm nguồn và lưới 220kV. Trạm 220kV Nghi Sơn Thanh Hóa là trạm nguồn cấp điện cho trạm 110 kV của nhà máy xi măng Hoàng Mai, 5 trạm của 5 huyện phía bắc Nghệ An và 3 trạm của 3 huyện phía nam Thanh Hóa. Đến năm 2009 trạm Nghi Sơn đã mang tải là 95% và thường quá tải trong những giờ cao điểm, đến đầu năm 2010 đã bị quá tải 10%.  Về các trạm và lưới điện 110kV. Các trạm 110kV Quỳnh Lưu, Diễn Châu đã bị quá tải, các trạm khác không bị quá tải, dây dẫn của các tuyến vẫn được đảm bảo. Điện áp trên lưới điện 110kV thường xuyên thiếu ổn định đặc biệt vào các giờ cao điểm trong ngày, điện áp thay đổi trong phạm vi từ 82,5kV đến 118 kV. Hệ thống tụ bù lắp đặt và bù phía 110kV của trạm nguồn Nghi Sơn và được sữ dụng thường xuyên vào những giờ cao điểm.  Về các trạm và lưới điện nhà máy xi măng Hoàng Mai. Các trạm và các tuyến đường dây của nhà máy không bị quá tải. Điện áp phía 110kV tại trạm nguồn của nhà máy thường xuyên xuất hiện các nhiễu loạn điện áp gây ngừng các thiết bị quan trọng của nhà máy.  Xuất hiện những nhiễu loạn điện áp trên lưới 110kV. Có thể phân ra ba dạng nhiễu loạn điển hình thường xuyên xuất hiện trên lưới 110kV như sau: - Thay đổi điện áp trên hệ thống lưới điện, nguyên nhân đầu tiên là trạm nguồn Nghi Sơn Thanh Hóa bị quá tải dẫn đến tại các giờ cao điểm điện áp lưới bị giảm xuống. Thứ hai là do các thao tác của nhà vận hành lưới điện như: đóng cắt điều chỉnh phụ tải, chuyển đổi nấc trên máy biến áp để điều chỉnh điện áp dưới tải hay thay đổi các lộ phụ tải trên lưới với mục đích đảm bảo điện áp của lưới và giảm quá tải tại những giờ cao điểm do nhu cầu dùng điện. Điện áp trên các trạm 110kV thường bị thay đổi từ 82,5kV đến 118 kV. - Dao động và thay đổi điện áp tại thời điểm đóng hoặc cắt hệ thống tụ bù tại trạm Nghi Sơn. Hệ thống tụ bù tại đầu ra cấp 110kV (hạ áp) được đưa vào hoạt động tại các giờ cao điểm. Tuy nhiên hoạt động của hệ thống tụ bù ở đây lại không hợp lý, việc đóng cắt hệ thống tụ bù chỉ ở một cấp duy nhất dẫn đến tại thời điểm đóng hoặc cắt tụ bù gây ra chênh lệch và xáo trộn điện áp lưới lớn, cụ thể là gây dao động điện áp lưới với sự xuất hiện các hài có tần số cao hơn tần số cơ bản thường là hài bậc 3 và bậc 5, gây nên méo dạng điện áp lớn. Chênh lệch điện áp từ 8,25kV đến 16,5kV và thời gian dao động khoảng 1,5s. - Lõm (sag) điện áp mà nguyên nhân đặc trưng là do ngắn mạch hoặc khởi động các phụ tải công suất lớn, hoặc do thao tác vận hành đóng cắt trên lưới điện, chuyển đổi nấc 99 điều chỉnh điện áp ở các trạm điện lân cận. Lõm điện áp ở đây xuất hiện với mật độ khá lớn, thường vào mùa hè và tại những giờ cao điểm điện áp nguồn bị thấp. Theo tài liệu mà hệ thống giám sát ghi được trong tháng 9 năm 2009 xuất hiện 15 lần trong đó có đến 5 lần gây dừng các thiết bị nhà máy, một lần gây dừng toàn bộ các công đoạn nhà máy vào ngày 24 tháng 6 năm 2010 với chênh lệch điện áp trước và trong khi lõm lên đến 73,05 kV, trong khoảng thời gian 2s. Thông thường các lõm điện áp xảy ra ở đây có sai lệch điện áp so với điện áp trước khi lõm từ 18,6 kV đến 26,4kV, sau khi lõm điện áp quá độ tăng lên trong khoảng từ 5 đến 12kV so với điện áp trước khi lõm. Những kết quả khảo sát thực tế trên đây là điều kiện quan trọng để phân tích áp dụng giải pháp DVR cho nhà máy một cách có hiệu quả. Sau đây là trường hợp áp dụng DVR để bảo vệ cho một phụ tải nhạy cảm quan trọng trong nhà máy xi măng Hoàng Mai, đây cũng là dạng phụ tải nhạy cảm điển hình thường có trong các xí nghiệp công nghiệp. 4.2 Ứng dụng DVR trong thực tế Tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt ID 142-FN1 là thiết bị được dùng để tạo áp suất âm trong hệ thống lò nung Clinker tại nhà máy xi măng Hoàng Mai, đây là thiết bị quan trọng liên quan chặt chẻ đến các công đoạn khác nhau trong dây chuyền sản xuất xi măng, thiết bị này thường xuyên bị dừng hoạt động do ảnh hưởng của lõm điện áp dẫn đến các công đoạn khác của dây chuyền sản xuất cũng bị dừng theo, để khởi động lại hệ thống lò nung không thể thực hiện ngay được, dẫn đến nhiệt độ của lò giảm xuống, các phế phẩm và tổn thất nhiên liệu để duy trì nhiệt độ của lò như ban đầu là quá lớn, ước tính một lần dừng lò tổn thất ít nhất từ 100.000000 đồng đến 120.000000 đồng Việt nam. Thiết kế DVR để bảo vệ cho phụ tải nhạy cảm quan trọng là tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt ID 142-FN1 trên đây là điều cần thiết. Để thiết kế một DVR phù hợp và có đủ khả năng bảo vệ tải nhạy cảm một cách có hiệu quả, trước khi thiết kế cần thiết thực hiện các điều kiện sau đây: - Khảo sát để có thông tin về thực trạng lưới điện và các biến cố gây ảnh hưởng đến tải cần được bảo vệ như: Sơ đồ lưới điện, tình trạng hoạt động của lưới, công suất nguồn cấp, cấp điện áp, đặc tính và chế độ hoạt động của các phụ tải có công suất lớn kết nối với lưới điện, các nhiễu loạn điện áp trên lưới, các kiểu của lõm điện áp, thời gian và tần suất xuất hiện lõm, biên độ điện áp lõm... - Thông tin về đặc tính tải nhạy cảm cần được bảo vệ, tải có thể bị nhạy cảm bởi lõm điện áp có liên quan đến mức suy giảm của biên độ điện áp, góc nhảy pha hay sự mất đối xứng của lõm... Thông tin các tham số của tải là cần thiết để làm cơ sơ thiết kế các thành phần trong cấu trúc của DVR. - Phân tích và lựa chọn vị trí kết nối và cấp điện áp của DVR trên lưới điện để bảo vệ tải. 4.2.1 Kết quả khảo sát và các tham số ban đầu Các kết quả khảo sát ban đầu trước khi thực hiện thiết kế DVR đã được tác giả thực hiện tại lưới điện nhà máy xi măng Hoàng Mai.  Hiện trạng của lưới điện nhà máy xi măng Hoàng mai Các kết quả khảo sát bao gồm: Sơ đồ lưới điện, các tham số đường dây và các máy biến áp, công suất của trạm nguồn 220kV Nghi sơn Thanh Hóa, các phụ tải, các biến cố điện áp trên lưới điện...Phần này đã được trình bày ở phần trên và kết quả tổng hợp ở phụ luc 2 của luận án. 100  Tải nhạy cảm Biến tần-Động cơ quạt ID 142-FN1 Đây là loại phụ tải nhạy cảm có tính chất điển hình trong công nghiệp, nó có thể bị ảnh hưởng bởi chất lượng điện áp mà liên quan đến sự suy giảm của biên độ điện áp, thay đổi của góc pha điện áp lưới hoặc có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi tần số và méo dạng điện áp. Khi có biến cố điện áp xảy ra, các tham số của nguồn thay đổi quá mức, dẫn đến sự thay đổi điện áp, dòng điện hoặc tần số của biến tần vượt quá giá trị cài đặt của nó, ngay tức khắc các chế độ bảo vệ của biến tần được kích hoạt và động cơ có thể bị dừng hoạt động. Hình 4.3 mô tả tổ hợp Biến tần-động cơ ID 142-FN1 tại nhà máy xi măng Hoàng Mai. b) Động cơ CT560Y6: Pđm=1975kW, Uđm=610V, Iđm=2264A, nđm=1000v/p a) Biến tần SVTL 2K4, Sđm=2400kVA Hình 4.3 Hình ảnh tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt ID 142-FN1 tại nhà máy xi măng Hoàng Mai[13] Hình 4.4 sơ đồ mô tả các thành phần cấu trúc cơ bản trong tổ hợp Biến tần-Động cơ 142-FN1.[14] Tổ hợp Biến tần-Động cơ 142-FN1 được cấp nguồn bởi máy biến áp ba cuộn dây (nối dây kiểu Dd0yn11) có Sđm=2800kVA; Uđm= 6,3/0,69kV. - Biến tần: SVTL 2K4, công suất Sđm=2400kVA của hãng ANSALDO (ITALIA), điện áp vào 690V. Biến tần được sữ dụng có cấu trúc hai nhánh song song, mỗi nhánh kết cấu như một biến tần độc lập bao gồm phần chỉnh lưu kết nối với nghịch lưu cầu ba pha như được mô tả trong sơ đồ hình 4.4. + Phần chỉnh lưu: Gồm 02 bộ chỉnh lưu là 16RECT1 và 16RECT2; loại B6U 750/1000, chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển (Điốt), Điốt 750A-1000V của hãng Semikron. Mỗi bộ chỉnh lưu được làm mát cưởng bức bởi 01 quạt 1pha-220V. + Phần nghịch lưu: Nghịch lưu bao gồm 02 bộ, SVTL 1K2KN (Master) và SVPW 1K2K (Slave), sử dụng van bán dẫn IGBT + Các module và Card điều khiển: Module nguồn GA1, GA2: Cung cấp nguồn cho INTVEC (interface Card) và các cảm biến đo (CT, PT load, encoder...) Module nguồn ALIM: Cung cấp nguồn cho CONVEC Card. 101 INTVEC Card: Có nhiệm vụ kết nối với các CT(biến dòng), PT load, chuyển đổi điệnquang cho tín hiệu điều khiển IGBT và ngược lại cho tín hiệu sự cố pha của nghịch lưu. CONVEC Card: Thành phần chính là vi xử lí VECON, là nơi xữ lý và chứa chương trình điều khiển nghịch lưu. Các module và Card điều khiển đều nằm trên modunle nghịch lưu Master. Phần còn lại của 02 module SVTL 1K2KN và SVPW 1K2K là giống nhau, chúng bao gồm 03 trụ, mỗi trụ cho một pha điện áp, các trụ có thể tháo rời và thay thế độc lập, trên mỗi trụ có 06 cặp van IGBT loai FF600 R16KF4 600A-1600V, chúng được nối song song với nhau để tăng khả năng chịu dòng tải; 06 tụ điện 1100V-900F; 01 Card TGUN (Card khuếch đại và phân phối xung điều khiển đến các van IGBT) Hình 4.4 Sơ đồ các thành phần cơ bản trong cấu trúc tổ hợp Biến tần-Động cơ ID 142-FN,[13] + Kháng lọc sau biến tần: Gồm 02 bộ, loại 3 pha, 28H, 1340A + Quạt làm mát nghịch lưu: Gồm 02 cái cho 02 bộ là loại động cơ 3 pha công suất 2,2kW, điện áp định mức 400V. - Động cơ: CT560Y6, công suất Pđm=1975kW; Uđm=610V; Iđm=2264A; nđm=1000v/p; fđm=50,3Hz; cos = 0,86; đm=96,0%; Hãng sản xuất: ANSALDO (YTALIA) với số sản xuất là 68188, năm sản xuất 1999, tiêu chuẩn IEC34-1, chứng chỉ IP55; Momen quán tính: WR2=128,5kg.m2; Tổng khối lượng: 8000kg; Kiểu nối dây:  ; Cách điện F.  Lựa chọn vị trí của DVR Tải được bảo vệ là tổ hợp Biến tần-Động cơ ID 142-FN1, có công suất lớn (2400KVA), trong khi điện áp định mức lại thấp (610V), như vậy việc đặt DVR tại cấp LV là không hợp lý vì như thế tổn thất trên DVR sẽ rất lớn, do đó vị trí của DVR được lựa chọn đặt tại cấp điện áp 6,3 kV, vị trí phía trước máy biến áp có Sđm=2800kVA, Uđm= 6,3/0,96kV như được mô tả ở hình vẽ 4.5. 102 Trên hình 4.5 các ký hiệu được giải thích như sau: Điện áp và dòng điện 3 pha của bộ biến đổi VSC tương ứng được ký hiệu: uinva(t), uinvb(t), uinvc(t) và ifa(t), ifb(t), ifc(t). Điện áp và dòng điện tụ lọc được ký hiệu: ec,a(t), ec,b(t), ec,c(t). Điện áp và dòng điện thêm vào thông qua máy biến áp nối tiếp tương ứng được ký hiệu bởi: uinj,a(t)=ec,a(t), uinj,b(t)=ec,b(t), uinj,c(t)=ec,c(t) và iinj,a(t), iinj,b(t),iinj,c(t). Điện áp phía một chiều (DC-Line) được ký hiệu là: udc(t). Tuyến 110kV Nghi sơn Tuyến 110kV Ba chè MBAT1:25MV A/110/6.3kV - iinja Tr. Hoàng Mai MBA NT - eca + - Lfa iinjb + - ecb ES_DC-link control + Lfb - VSC ifb Lfc uinva(t) iinjc + - ecc + AC/DC DC-link ifa ifc uinvb(t) uinvc(t) - + + MBAT2:2800kVA/ 6,3/0.690kV MBA_142FN1-M01 INVERTER 2340KVA /0,61kV DC_142FN1-M01 Tải nhạy cảm Hình 4.5 DVR kết nối lưới điện tại vị trí có cấp điện áp 6,3 kV 4.2.2 Thiết kế các thành phần của DVR Sau đây là các thiết kế chi tiết các thành phần trong cấu trúc của DVR  Lựa chọn cấu trúc phần lực của DVR Cấu trúc của DVR được lựa chọn như trên hình 4.5 đảm bảo đáp ứng yêu cầu bảo vệ cho tải nhạy cảm Biến tần-Động cơ ID 142-FN1(theo những phân tích ở chương 2)  Công suất của DVR. Lựa chọn khả năng bù điện áp của DVR là 50%. Từ đó ta xác định công suất của DVR thông qua hệ số suy giảm điện áp như sau: Xác định hệ số giảm điện áp của điện áp nguồn theo. 103  U rated  U T  0,5 U rated (4.1) Vậy theo (4.1) công suất của DVR được xác định: SDVR = SVSC = Uinj.Iinj = SLoad = 0,5.2800 = 1400kVA Các thông số thiết kế chính cho DVR là khả năng chèn điện áp, khả năng điều chỉnh dòng và kích cỡ của bộ lưu trữ năng lượng. + Khả năng chèn điện áp có thể được thể hiện như: U DVR U DVR,%  100% (4.2) U sup ply,đm + Khả năng chèn điện áp nên được lựa chọn thấp hơn mức cần thiết để giảm tổn thất, trong đó các tổn thất trong DVR gồm tổn thất trong biến áp, bộ lọc và bộ biến đổi. + Khả năng điều chỉnh dòng điện của DVR có thể được định nghĩa là: I iDVR,%  DVR 100% (4.3) I load,đm + Tiêu hao năng lượng cho một lõm điện áp đối xứng trong trường hợp một tải đối xứng có thể được tính: (4.4) EDVR,%  3 U sup ply, Pr e  U sag I load cos(load ).tsag trong đó, tsag là thời gian tồn tại lõm, Usag là điện áp nguồn trong khi lõm, Usupply,Pre là điện áp nguồn trước khi lõm, IDVR là dòng điện DVR. Thiết kế các thành phần trong cấu trúc DVR được thực hiện như sau.  Thiết kế máy biến áp bù + Xác định điện áp danh định phía sơ cấp. Nếu hệ thống DVR được dùng để bù toàn bộ sự giảm, khi đó, điện áp thêm vào lưới là lớn nhất được xác định dựa trên hệ độ sâu tương đối cực đại của sự giảm được xác định trước thông qua hệ số suy giảm được lựa chọn. Trong trường hợp áp dụng phương pháp bù ''Trước lõm'', giá trị danh định cực đại được xác định bởi công thức. (4.5) U dm1  U L2  (1  D) 2 U s2  2U L' (1  D)U s cos D US (4.6) U sag trong đó, Us là điện áp nguồn danh định, U'L là điện áp mà hệ thống DVR sẽ ổn định trên tải, D là độ sâu lõm cực đại, cosφ là hệ số công suất tải. + Xác định dòng điện danh định ở phía sơ cấp biến áp nối tiếp: Dòng điện qua cuộn dây sơ cấp, cung cấp dòng điện toàn bộ của tải. Có nghĩa là dòng danh định phía này của biến áp bằng dòng danh định của tải ILdm. Trong trường hợp sử dụng bộ lọc tần số chuyển mạch phía lưới, dòng danh định phải tăng thêm các thành phần hài bậc cao dòng điện bộ biến đổi. M 2 I dm1  I Ldm   I L2 max,( h ) (4.7) n l trong đó, ILdm là dòng điện tải danh định hài cơ bản, ILmax(h) là thành phần cực đại h trong phổ dòng điện tải. + Xác định công suất danh định của biến áp. (4.8) S dm1  k qtU dm1 I dm1 trong đó, kqt là hệ số quá tải chấp nhận được. 104 + Hệ số của biến áp. Tham số này có thể được xác định theo khả năng chèn vào của VSC và mức mong muốn chèn vào hệ thống. Tỷ lệ này có thể được xác định theo: n U dm1 U DVR  U dm2 U conv (4.9) + Xác định trở kháng ngắn mạch máy biến áp. Trở kháng MBA có ảnh hưởng trước hết đến sự sụt áp gây ra bởi dòng điện lưới chạy qua máy biến áp. Giá trị này cũng phụ thuộc vào các tham số của bộ lọc tần số chuyển mạch. Giả thiết rằng bộ lọc LC đặt ở phía bộ biến đổi (phía cuộn thứ cấp biến áp) giá trị cực đại giảm điện áp ΔUd không được vượt quá giá trị mong muốn khi 2 Rnm   2 ( Lnm  Lf 1  2Lf C f )2  U d I dm1 (4.10) trong đó, Rnm, Lnm là các tham số ngắn mạch của biến áp. Tổng điện trở và điện cảm cuộn sơ cấp và thứ cấp Rnm = Rnm1 + R’nm2, Lnm = Lnm1 +L’nm2. Khi sử dụng bộ lọc LC phía lưới (phía sơ cấp biến áp) tụ điện Cf mắc song song với hệ thống nối tiếp và ảnh hưởng của nó tới điện áp nguồn có thể bỏ qua. Điều kiện sự giảm cực đại điện áp được đơn giản như sau: U d 2 (4.11) Rnm   2 L2nm  I dm1 trong đó tất cả các thông số được định nghĩa như các công thức trên.  Thiết kế bộ biến đổi. Hình 4.6 mô tả một pha của VSC với một bộ lọc LC và biến áp bù. Trong đó bộ biến đổi lựa chọn module IGBT 1200V và DC-link có điện áp được lựa chọn là 500V-700V. + uinj BA-NT iinj Lf Id Udc/ 2 Cf icf + uconv iVSC Udc/ 2 Hình 4.6 Sơ đồ tương đương một pha đối với DVR sử dụng BBĐ nửa cầu + Điện áp ra của bộ biến đổi xác định tương ứng xét với hài bậc 1: U conv(t )  4U DC  sin t  U1m sin  + Điện áp RMS tối đa là: U conv  4U DC (4.12) (4.13)  2 + Các dòng điện đi qua bộ chuyển đổi là tổng của các sóng dòng điện tạo ra bởi các chuyển mạch, dòng từ hóa của máy biến áp và tải dòng điện. (4.14) iVSC  iCf (t )  imagnitization (t )  niL (t ) + Dòng điện trung bình qua các van: 105 I Tr  ID  1 2 1 2  I  sin(   )d  I 1m (1  cos  )d 2 (4.15) sin(   )d  I1m (1  cos  )d 2 (4.16) m 1 1 I  m Trong đó,  là góc pha tải, U1m, I1m điện áp, dòng điện cực đại của hài bậc 1, UDC-điện áp phía một chiều.  Thiết kế bộ lọc LC Thiết kế của một bộ lọc LC cho một DVR đã được xem xét tại [6]. Giả sử bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi, dẫn đến sơ đồ tương đương một pha của hệ thống được sử dụng để tính chọn tham số bộ lọc hình 4.7. Lf IL Cf Uconv LL+Ls RL Uinj = Uc ~ Us Hình 4.7 Sơ đồ tương đương để chọn các phần tử bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi. Trên sơ đồ bộ biến đổi được biểu diễn như nguồn điện áp méo Uinv, còn mô hình tải được mô tả ở dạng nối tiếp với hai thành phần điện trở và điện cảm RL, LL. Điện cảm lưới Ls có thể lưu ý cộng thêm nó với điện cảm tải LL. Nhiệm vụ của tụ điện là tạo điều kiện thoát đối với các hài cao tần, tức là phải thỏa mãn điều kiện: Z 0,( nm in )  K f Z c ,( nm in ) (4.17) trong đó Zo,(n) là trở kháng của tải đối với thành phần n, còn Zc,(n) là trở kháng tụ điện bằng –j/(n ω(1)Cf. Hệ số Kf >> 1 tương đương tỷ số trở kháng bộ lọc và hệ thống đối với thành phần nmin, trong đó nmin là bậc thành phần hài cực tiểu suy hao bởi bộ lọc. Hệ số này trực tiếp liên quan đến các thông số công suất của bộ biến đổi cùng với ảnh hưởng của tải. Giá trị của nó có thể xác định tùy chọn. Hệ số truyền đạt đối với thành phần hài bậc n được mô tả bởi công thức: K ( n)  U inj,( n ) U conv,( n )  1  L f C f 1 2 ( n) (4.18) Biết giá trị cho phép cực đại nmax, có thể xác định độ suy hao KN và tiếp đó tính điện cảm Lf từ công thức: Lf  1  1/ K N (n) C f (4.19) Áp dụng công thức (4.17) đến (4.19) có thể đưa vấn đề chọn các phần tử bộ lọc đến việc xác định hệ số Kf và KN. Các thông số này có thể chấp nhận tùy chọn nhưng chúng cũng có ảnh hưởng đến các tham số của hệ thống DVR như công suất, sự suy giảm điện áp đối với hài cơ bản và sự ổn định của hệ thống điều khiển. Trong nghiên cứu [61] có đề xuất thủ tục chọn các hệ số Kf và KN. Các tham số của các thành phần trong cấu trúc DVR được áp dụng tính toán theo các thủ tục ở trên, kết quả được tổng hợp trong bảng 4.1. 106 Bảng 4.1 Tổng hợp các tham số của DVR và và hệ thống Tham số Giá trị Tham số nguồn: Trạm biến áp T1_110/6,3kV nhà máy xi măng Hoàng Mai Công suất nguồn cấp: S,đm = 25MVA Điện áp định mức của lưới: Uđm1/Uđm2 =110/6,3 kV Dòng điện định mức: Iđm1/Iđm2 = 131,2/2107,1A Điện trở điện cảm nguồn: Rs=0,05; Ls=0,001H Tham số tải nhạy cảm: Chính là tham số của biến áp T2_6,3/0,705kV, cấp nguồn cho tổ hợp Biến tần - Động cơ quạt công nghệ 142-FN1-M01  Tham số MBA:-------------------------------------------------------------------MBA 04-TF.02 Công suất định mức: ST1= 2800kVA Điện áp dây định mức: UT1,cao/UT1,ha=6,3/ (0,63-0,69)kV Dòng điện định mức: IT1,cao/IT1,ha=257/2570A  Tham số biến tần: --------------------------------------------------------------SVTL 2K4 (ITALYA) Công suất định mức: SINV142= 2400kVA Điện áp dây định mức: UINV142= 0,690kV Van bán dẫn gồm 06 cặp loại IGBT-FF600 R16KF4 600A-1600V  Tham số động cơ: --------------------------------------------------------------CT560Y6 (YTALYA) Công suất định mức: Pdc142= 1975kW Điện áp dây định mức: Udc142= 0,610kV Dòng điện tải: Idc142=2264A Tốc độ định mức: ndc142 = 1000v/p; Cosđm=0,86 Tham số DVR Công suất danh định: SDVR=1400kVA Điện áp định mức: UDVR= 3,15kV Dòng điện DVR: IDVR = 257A Bộ Biến Đổi Công Suất Công suất danh định: Sconv=1400kVA Điện áp dây: Uconv=560V Dòng điện dây: Iconv=2570A Điều chế: Điều chế vector không gian hoặc sóng sin tam giác. Tần số điều chế: fC = 5kHz Tần số chuyển mạch: fsw =5kHz Tụ điện phía một chiều: Cdc = 26mF Điện áp định mức phía một chiều: Vdc = 700V Bộ lọc đầu ra LC Điện cảm bộ lọc: Lf = 7,109mH Tụ điện bộ lọc: Cf = 6,942F Tần số cộng hưởng: fres = 717,27Hz Tham số máy biến áp nối tiếp Công suất định mức: Str = 1400kVA Điện áp dây sơ cấp định mức: U1 = 3,15kV Dòng điện định mức sơ cấp: Itr1 = 257A Hệ số biến áp : n = 10 Điện áp thứ cấp định mức: U2 = 0,63kV Dòng điện định mức thứ cấp: I2 = 2570A Điện trở, điện cảm tản mba: LMBA = 0,007058H; RMBA = 0,00120 107 4.3 Mô phỏng Mô phỏng là công việc rất quan trọng để kiểm tra khả năng hoạt động của DVR và thuật toán điều khiển sau thiết kế trong điều kiện xảy ra lõm điện áp và các biến cố khác nhau trên lưới điện. 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 thực tế tại lưới điện Hoàng Mai. Phần điều khiển DVR sẽ được xây dựng bằng thuật toán và cấu trúc điều khiển nghiên cứu đề xuất ở chương 3. Các biến cố điện áp tại lưới điện Hoàng Mai sẽ được tái hiện lại nhờ các khối tạo lỗi trong mô hình, trên cơ sở đó kiểm tra khả năng phản ứng hiệu quả của DVR để bảo vệ tải nhạy cảm trước các biến cố điện áp như đã xảy ra tại lưới điện Hoàng Mai. Các trường hợp đưa ra để kiểm tra đó là:  Bù sự lõm điện áp tại vị trí trung áp 6,3kV - Bù lõm điện áp cân bằng. - Bù lõm điện áp không cân bằng.  Bù dao động và méo dạng điện áp tại vị trí 6,3kV do tác động của việc đóng cắt hệ thống tụ bù trên lưới 110kV.  Bù khởi động động cơ cảm ứng trong điều kiện lưới điện có công suất ngắn mạch nhỏ mắc ở phía nguồn cung cấp. Để thực hiện các công việc đã nêu, đầu tiên cần thiết xây dựng mô hình mô phỏng. 4.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 4.3.1.1. Môi trường tính toán Môi trường để thực hiện nghiên cứu mô phỏng được chọn là phần mềm Matlab của hãng Mathwork. Matlab là môi trường lập trình tương tác dành cho thực hiện tính toán ở mức độ phức tạp cao. Nó được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học khác nhau như mô hình và phân tích tài chính, xử lý tín hiệu và hình ảnh, sinh học, khoa học kỹ thuật, v.v… Trong thành phần của phần mềm có ngôn ngữ lập trình vạn năng mức cao cho phép xây dựng các thuật toán tính toán phức tạp, xử lý, phân tích và quan sát dữ liệu, thực hiện kiểm thử v.v. Nhờ đó, phần mềm này rất dễ mở rộng để tăng thêm khả năng áp dụng nó. Các phần mở rộng này được lưu giữ trong toolbox. Simulink là một phần rất quan trọng trong phần mềm. Đây là môi trường đồ họa để mô hình hóa các hệ thống động liên tục, rời rạc và lai. Tương tự Matlab, Simulink được cũng mở rộng qua thư viện các khối (blockset), trong số đó có ý nghĩa nhất cho nghiên cứu này là SimPowerSystem, cho phép mô hình và mô phỏng các mạch điện có độ phức tạp cao. Để thực hiện các công việc mô phỏng tác giả đã áp dụng phần mềm Matlab có phiên bản 10.0 (số phát hành R2010a), Simulink và SimPowerSystem phiên bản tương ứng. 4.3.1.2 Thực hiện mô hình phần hệ thống điện Mô hình hệ thống nghiên cứu bao gồm các thành phần sau: - Mô hình lưới nguồn cung cấp - Mô hình tải gây nhiễu - Mô hình bộ khôi phục điện áp động (DVR) - Mô hình tải được bảo vệ 108  Mô hình lưới nguồn cung cấp Được xây dựng dựa trên sơ đồ lưới điện và các kết quả khảo sát thực tế được giới hạn từ trạm nguồn Nghi sơn đến các trạm huyện và hệ thống lưới điện nhà máy xi măng Hoàng Mai. Các kết quả khảo sát được liệt kê trong các bảng pl2.1; pl2.2; pl2.3 pl2.4; pl2.5; pl2.6; pl2.7; Sơ đồ lưới điện hình pl2.2 của phần phụ lục 2. Các tham số cài đặt trên mô hình cũng được lấy từ kết quả khảo sát thực tế.  Mô hình tải gây nhiễu Gồm ba mô hình cần được xây dựng để tạo ra các biến cố điển hình và phổ biến trên lưới, nhằm kiểm tra khả năng đáp ứng của DVR trong ba trường hợp bù đã nêu ra ở trên. - Mô hình tạo lõm điện áp: Để tạo lõm điện áp trên lưới, ở đây áp dụng tải ba pha nối hình sao được mô hình hóa thông qua các khóa đóng cắt để tạo ra các lõm điện áp do quá dòng như một lỗi ngắn mạch. Để có thể tạo ra lõm điện áp cân bằng và không cân bằng thực hiện thay đổi trạng thái đóng ngắt của các khóa như thể tạo ra các kiểu lỗi ngắn mạch khác nhau hoặc thay đổi vị trí các lỗi trên hệ thống để tạo ra các kiểu nhiễu loạn điện áp trên hệ thống. - Mô hình tạo dao động và méo dạng điện áp: Mô hình được tạo bằng việc mô hình hóa lại hệ thống tụ bù có công suất 57,8MVAR tại phía 110kV trạm Nghi Sơn. Khi thực hiện đóng cắt hệ thống tụ bù sẽ tạo ra các dao động và méo dạng điện áp trên lưới 110kV và lan truyền đến các vị trí khác nhau trên lưới điện, trong đó ảnh hưởng đến vị trí kết nối tải nhạy cảm như đã xảy ra trong thực tế. - Mô hình tạo lõm điện áp do khởi động động cơ cảm ứng có công suất lớn. Mô hình được xây dựng bởi động cơ không đồng bộ có công suất 2340kVA được kết nối tại thanh cái HM-B2 (6,3kV) phía trước DVR. Khi động cơ khởi động gây lõm điện áp và lan truyền đến vị trí của tải nhạy cảm.  Mô hình bộ khôi phục điện áp động DVR Trong mô hình này có thể phân biệt các thành phần chính như sau: DVR được đặt tại vị tri có cấp điện áp là 6,3kV để bảo vệ phụ tải nhạy cảm quan trọng là tổ hợp Biến tần-Động cơ 142-FN1 trong hệ thống lưới điện Hoàng Mai. - Mô hình hệ thống DVR gồm biến áp nối tiếp và chuyển mạch liên quan. Các biến áp được áp dụng mô hình biến áp hai cuộn dây có lõi bão hòa. Mô hình này là một phần của thư viện SimPowerSystem. Các chuyển mạch liên quan được bố trí ở phía cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của từng biến áp và cũng áp dụng các phần tử trong thư viện. - Mô hình bộ lọc tần số chuyển mạch, mô hình thực hiện sử dụng các linh kiện tiếp cận được của mô hình chuẩn gồm cuộn cảm, điện trở và tụ điện. - Mô hình bộ biến đổi, áp dụng mô hình bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha kết nối máy biến áp theo sơ đồ nối dây sao/sao hở. Ba cuộn sơ cấp của máy biến áp được đấu nối tiếp theo từng pha với các pha của lưới, Các cuộn thứ cấp được nối gián tiếp với bộ nghịch lưu nguồn áp thông qua bộ lọc LC. Trong các mô hình bộ biến đổi áp dụng các mô hình chuyển mạch lý tưởng và các điốt lý tưởng. Tất cả các linh kiện có thể tiếp cận trong thư viện SimPowerSystem. Các tổn hao trong hệ thống mô hình nhờ các điện trở mắc song song, giá trị của chúng có thể chọn tùy ý. - Phía dòng điện một chiều là chung cho tất cả các bộ biến đổi và mô hình gồm tụ điện lý tưởng kết nối với nguồn một chiều lý tưởng. Tất cả tham số cài đặt trong các thành phần của mô hình DVR được lấy theo kết quả tính toán thiết kế ở trên. 109  Mô hình tải được bảo vệ Tải nhạy cảm quan trọng được bảo vệ là tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt công nghệ 141FN1 với công suất Sđm=1975kW, Uđm=0.61kV, tải này được cấp nguồn từ máy biến áp T2 có công suất 2,8MVA, điện áp 6,3/0,690kV là một lộ được lấy từ trạm chính của nhà máy. Tuy nhiên tải nhạy cảm có công suất lớn nhưng làm việc với điện áp thấp nên DVR được lựa chọn ở vị trí 6,3kV phía sơ cấp máy biến áp T2 để tránh tổn thất quá lớn. Như vậy tải được bảo vệ ở đây bao gồm tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt công nghệ 141-FN1 và cả máy biến áp T2. 4.3.1.3 Thực hiện mô hình hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển gồm ba phần: - Bộ điều chỉnh điện áp tải của DVR. - Phần điều khiển phát xung điều khiển đến các chuyển mạch của bộ biến đổi. - Phần điều khiển phát hiện lõm điện áp và phát điện áp tải đặt. - Phần điều khiển đồng bộ lưới.  Bộ điều khiển điện áp tải Hệ thống này có nhiệm vụ tạo ra điện áp thích hợp của bộ biến đổi uinv sao cho điện áp tải uL bám giá trị mẫu cho trước uL, ref. Hệ thống đó chính là cấu trúc bộ điều khiển vector nối tầng tách riêng thành phần thứ tự trên hệ tọa tĩnh αβ và trên hệ tọa đồ quay dq, đã được đề xuất và trình bày ở chương 3 của luận án. Bộ điều khiển cần 5 tín hiệu đo: điện áp nguồn lưới ug(t), điện áp tải uL(t), dòng điện cảm bộ lọc if(t) và điện áp trên tụ điện Cf và dòng điện thêm vào iinj. Tổng cộng có 15 đầu đo cả điện áp và dòng điện.  Điều khiển các chuyển mạch bộ biến đổi. Các xung điều khiển các chuyển mạch bộ biến đổi được tạo ra trong hệ thống điều chế PWM với phương pháp điều chế vector không gian.  Phát hiện lõm và phát điện áp tải đặt. Mục tiêu là phát hiện các lõm điện áp dựa trên việc đo các điện áp tức thời để so sánh với điện áp tải đặt đưa ra lượng sai lệch giữa điện áp tải và điện áp nguồn. Nếu lượng sai lệch này vượt quá giá trị ngưỡng sẽ kích hoạt cho hệ thống DVR hoạt động và ngược lại nếu điện áp trở lại bình thường thì có nhiệm vụ đưa hệ thống phục hồi về chế độ chờ. Việc phát điện áp tải đặt được điều khiển bằng việc đo mức độ lõm điện áp, góc pha nhảy và điều kiện năng lượng tích lũy để đưa ra vector điện áp tải đặt tối ưu cho hệ thống.  Điều khiển đồng bộ lưới. Điều khiển đồng bộ lưới được thực hiện bởi mô hình vòng khóa pha PLL. Qua các bước tiến hành xây dựng cuối cùng mô hình mô phỏng Matlab_Simulink của hệ thống điện và DVR nối lưới Hoàng Mai bảo vệ cho phụ tải nhạy cảm quan trọng là tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt công nghệ 141-FN1 ở cấp điện áp 6,3kV được thể hiện như trên hình 4.8. Các tham số cài đặt trong mô hình: - Các tham số phần công suất được lấy thông qua kết quả thiết kế ở bảng 4.1 - Các tham số bộ điều khiển được tính toán theo chỉ dẫn ở chương 3 và theo [2] được tổng hợp ở bảng 4.2 110 111 Bảng 4.2 Tham số bộ điều khiển Bộ điều khiển tương ứng thành phần thứ tự trên hệ tọa độ dq/αβ Tham số bộ điều khiển điện áp kp Tham số bộ điều khiển dòng điện ki kp ki GPITTT_dq kp1=0,9693 ki1=1,1895e-004 kp2= 1,4539 ki2=1,7842e-004 GPITTN_dq kp1=0,4846 ki1=5,9473e-005 kp2= 0,7269 ki2=8,9210e-005 GSDRTTT_αβ/GPRTTT_αβ kp-SDR=39,649 ki-SDR =0,1038 kp-PR= 1,4539 ki-PR =0,0057 GSDRTTN_αβ/GPRTTN_αβ kp-SDR=6,6082 ki-SDR =0,0173 kp-PR=1,4539 Bộ điều khiển PLL kp=0,2908; ki= 2,7688e-004 ki-PR= 0,0057 PI1 Trong đó: G TTT_dq, GPITTN_dq- Bộ điều khiển cặp vector nối tầng tách riêng thành phần thứ tự trên hệ tọa độ dq điều chỉnh cho thành phần thứ tự thuận và thứ tự ngược. GSDRCTTT_αβ, GSDRCTTN_αβ - Bộ điều khiển cặp vector nối tầng tách riêng thành phần thứ tự trên hệ tọa độ tĩnh αβ điều chỉnh cho thành phần thứ tự thuận và thứ tự ngược. 4.3.2 Kết quả mô phỏng 4.3.2.1 Mô phỏng khiển tra khả năng của DVR với cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ quay dq. a) Mô phỏng trường hợp 1: Bù lõm điện áp  Tạo lỗi: Các lỗi ngắn mạch đối xứng và không đối xứng được tạo ra trong khoảng thời gian 0,1s (5 chu kỳ điện áp lưới) tại vị trí trên tuyến đường dây 110kV từ Quỳ Hợp đến Truông Bành cách trạm nguồn Nghi sơn khoảng 130km, cách vị trí của DVR và tải được bảo vệ tại lưới điện nhà máy xi măng Hoàng Mai khoảng 120km. Ngắn mạch gây lõm điện áp trên lưới điện 110kV và lan truyền đến các vị trí khác nhau trong đó có vị trí kết nối 6,3kV của DVR và tổ hợp Biến tần-Động cơ 142-FN1 (xem hình 4.8).  Lõm điện áp cân bằng Kiểu lỗi Vị trí lỗi Khoảng Tải được Vị trí bảo vệ của DVR thời gian bảo vệ Ngắn mạch trên tuyến đường dây tlõm = 0.1s ba pha đối 110kV từ Quỳ Hợp (từ 2s2.1s) xứng đến Truông Bành Tổ hợp Biến Tại vị trí 6,3kV, phía sơ cấp tần-Động cơ của máy biến áp nguồn 142-FN1 cấp cho tải nhạy cảm Các kết quả mô phỏng của lõm điện áp cân bằng được lấy tại vị trí trước DVR (phía nguồn, tại thanh cái HM-B3) và sau DVR (phía tải, tại thanh cái HM-B4): - Đặc tính điện áp lưới tại thanh cái HM-B3 (phía nguồn) xem hình 4.9a. Đặc tính điện áp chèn vào lưới của DVR xem hình 4.9b. Đặc tính điện áp tải được khôi phục ổn định tại thanh cái HM-B4(phía tải), xem hình 4.9c. ug,abc ug,dq ug,d ug,q Hình 4.9a Điện áp lưới với thành phần abc ug,abc và thành phần dq ug,dq 112 uinj,dq uinj,abc uinj,abc uinj,d uinj,q Hình 4.9b Điện áp chèn vào của DVR với thành phần abc uinj,abc và thành phần dq uinj,dq uL,abc uL,dq uL,d uL,q Hình 4.9c Điện áp tải được khôi phục với thành phần abc uL,abc và thành phần dq uL,dq - Hình 4.9d,e,f là quỹ đạo của vector không gian điện áp lưới ug (hình 4.9d), điện áp chèn vào lưới của DVR uinj ( hình 4.9e), điện áp tải được khôi phục uL (hình 4.9f). Điện áp nguồn trước khi lõm Điện áp nguồn trong khi lõm Hình 4.9d Hình 4.9e Hình 4.9f - Hình 4.9g,h, tín hiệu sai lệch giữa lượng đặt của điện áp chèn vào u*inj,dq và lượng thực uinjdq trong khi DVR bù một lõm điện áp cân bằng. u*inj,d u*inj,d uinj,d Hình 4.9g Lượng đặt u*inj,d và lượng thực uinjd của thành phần d u*inj,q u*inj,q uinj,q Hình 4.9h Lượng đặt u*inj,q và lượng thực uinjq của thành phần q  Lõm điện áp không cân bằng Kiểu lỗi Vị trí lỗi Khoảng thời gian Tải được bảo vệ Ngắn mạch không đối Trên tuyến đường tlõm = 0.1s Tổ hợp Biến xứng: ua giảm 35%Uđm, ub dây 110kV từ Quỳ (từ 2s2.1s) tần-Động cơ 142-FN1 giảm 0%,uc giảm 40%Uđm Hợp đến Truông Bành Vị trí bảo vệ của DVR Tại vị trí 6,3kV, phía sơ cấp của máy biến áp nguồn cấp cho tải nhạy cảm - Hình 4.10, các đặc tính điện áp trong khi xảy ra lõm điện áp không cân bằng với lượng xoay chiều abc và lượng một chiều dq: Đặc tính điện áp lưới tại thanh cái HM-B3 113 (phía trước DVR) hình 4.10a, đặc tính điện áp chèn vào lưới của DVR, hình 4.10b, đặc tính điện áp tải được khôi phục ổn định tại thanh cái HM-B4(phía sau DVR), hình 4.10c. ug,dq ug,abc: ua giảm 35%uđm. ub giảm 0%. uc giảm 40%uđm ug,d ug,q Hình 4.10a Điện áp lưới với thành phần abc ug,abc và thành phần dq ug,dq uinj,dq uinj,d uinj,abc uinj,q Hình 4.10b Điện áp chèn vào của DVR với thành phần abc uinj,abc và thành phần dq uinj,dq uL,dq uL,abc uL,d uL,q Hình 4.10c Điện áp tải được phục hồi với thành phần abc uL,abc và thành phần dq uL,dq - Hình 4.10d,e,f, quỹ đạo vector không gian của điện áp lưới ug,dq (hình 4.10d), điện áp chèn vào lưới của DVR uinj,dq (hình 4.10e), điện áp tải được phục hồi uL,dq (hình 4.10f). Điện áp nguồn trước khi lõm Điện áp nguồn trong khi lõm Hình 4.10d Hình 4.10e - Hình 4.10g,h, sai lệch giữa lượng đặt của điện áp chèn vào trong khi DVR bù một lõm điện áp không cân bằng. Hình 4.10f u*inj,dq và lượng thực uinjdq u*inj,d, uinj,d u*inj,d uinj,d Hình 4.10g Lượng đặt u*inj,d và lượng thực uinjd của thành phần d u*inj,d u*inj,q, uinj,q uinj,d Hình 4.10h Lượng đặt u*inj,q và lượng thực uinjq của thành phần q 114