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

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn trong điều khiển hệ thống điện đưa đến những khả năng to lớn trong đảm bảo vận hành hệ thống một cách linh hoạt, khai thác hệ thống một cách hiệu quả nhất. Điều này đã trở nên vô cùng quan trọng trong các điều kiện chi phí để xây dựng các hệ thống mới hoặc cải tạo các hệ thống hiện hành ngày càng tăng. Bên cạnh đó việc đảm bảo chất lượng điện năng cũng ngày càng trở nên cấp thiết do điện năng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sản xuất kinh doanh của các khách hàng ngành điện, những người trả tiền cho yêu cầu năng lượng của mình và có quyền yêu cầu được đảm bảo nguồn điện cung cấp một cách liên tục với chất lượng điện áp đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn. Bộ khôi phục điện áp động (Dynamic Voltage Restorer–DVR) xây dựng trên cơ sở bộ biến đổi bán dẫn là thiết bị nhằm đảm bảo khôi phục điện áp trên các phụ tải nhạy cảm khi có sự lõm điện áp ngắn hạn, có thời gian kéo dài từ khoảng nửa chu kỳ điện áp lưới 0,01s đến cỡ dưới 60s, từ phía nguồn cấp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các biến động điện áp kiểu này thuộc loại sự cố xảy ra có tần xuất lớn nhất trong các loại sự cố khác về nguồn điện, so với các loại sự cố khác như mất điện ngắn hạn, cỡ trên 60s đến 5 phút, hoặc mất hẳn điện, từ 5 phút trở lên, hoặc dao động điện áp với tần số rất thấp, 0,1Hz đến 1Hz, còn gọi là hiện tượng “flicker”–nhấp nháy điện. Mặc dù lõm điện áp xảy ra trong một thời gian rất ngắn, một số phụ tải như các hệ thống điều khiển, các loại biến tần điều khiển động cơ đã có thể bị dừng. Trong một số trường hợp các thiết bị này có thể đóng vai trò chủ chốt trong toàn bộ dây truyền hoạt động của nhà máy, khi bị dừng dẫn tới phải dừng toàn bộ dây truyền mà sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài. Nếu là hệ thống điều khiển hoặc xử lý số liệu có thể dẫn tới gián đoạn hoặc mất thông tin, cũng dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng. Hệ thống cung cấp nguồn liên tục (UPS), là một giải pháp thông dụng hiện nay có thể bảo vệ tải nhạy cảm khỏi bị tác động của lõm điện áp, nhưng chỉ áp dụng cho các phụ tải công suất nhỏ và điện áp thấp, với các hệ thống công suất lớn thì UPS là thiết bị quá đắt tiền vì UPS phải đảm bảo hoàn toàn công suất tải. Trong trường hợp này DVR là giải pháp tiết kiệm, có thể được lắp đặt để bảo vệ các tải nhạy cảm quan trọng, những hệ thống thiết bị có sẵn và đang bị ảnh hưởng của những sự cố lõm điện áp ngắn hạn, kéo dài dưới một phút. Lý do phải dùng DVR là vì việc khắc phục bằng cách cải tạo hệ thống phân phối là không thể thực hiện được, có thể do không đủ kinh phí hoặc không thể gián đoạn sản xuất hoặc hệ thống điện nằm ngoài tầm quản lý của doanh nghiệp. Trong thực tế lõm điện áp là dạng nhiễu loạn xuất hiện không biết trước và tồn tại trong thời gian ngắn, bao gồm cả biến động về biên độ điện áp cũng như góc pha, có đặc điểm phức tạp và tính chất lõm thay đổi liên tục trong thời gian xảy ra biến cố. Do đó yêu cầu đặt ra đối với DVR là phải có cấu trúc phù hợp, đảm bảo được khả năng khôi phục điện áp nhất định trên tải khi nguồn đầu vào có biến động. DVR là bộ biến đổi bán dẫn dùng để tạo ra nguồn áp, đưa qua máy biến áp phối hợp, tạo ra bộ bù điện áp nối tiếp giữa tải và nguồn. Hệ thống điều khiển phải có khả năng phát hiện các sai lệch điện áp về biên độ và góc pha, từ đó đưa ra lượng đặt đến bộ biến đổi điện tử công suất nhằm tạo ra điện áp có giá trị đủ để bù phần sụt áp phía nguồn, giữ cho điện áp phía tải trong phạm vi cho phép. Hệ thống điều khiển phải đảm bảo yêu cầu về tác động nhanh, độ chính xác cao để có thể khôi phục điện áp trên tải ngay trong khoảng thời gian từ một nửa chu kỳ đến hai chu kỳ điện áp lưới (0.01s0.04s) đối với các kiểu lõm điện áp. Mặt khác, DVR cần đảm bảo 1 các chế độ hoạt động, đó là chế độ bù, chế độ chờ, chế độ by-pass, trong phạm vi giới hạn của công suất thiết kế. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về cấu trúc phần lực và điều khiển DVR nhằm đảm bảo cho các phụ tải nhạy cảm hoàn toàn không bị chịu tác động của các loại sự cố kiểu lõm-dâng điện áp ngắn hạn từ nguồn. Nghiên cứu chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị DVR một cách hiệu quả nhất đối với các xí nghiệp công nghiệp thông qua áp dụng cho một trường hợp thực tế điển hình. 3. Mục tiêu đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Các mục tiêu nghiên cứu sau đây sẽ thực hiện trong luận án.  Tìm hiểu về đặc điểm lõm điện áp, nguyên nhân và những ảnh hưởng của nó đối với xí nghiệp công nghiệp và các giải pháp giảm thiểu.  Nghiên cứu cấu trúc mạch lực bộ khôi phục điện áp động (DVR) để đảm bảo khả năng đưa ra điện áp bù ứng với toàn giải thay đổi của phụ tải và biên độ lõm điện áp cũng như thời gian biến động.  Nghiên cấu các cấu trúc và thiết kế tham số cho hệ thống điều khiển đảm bảo tính tác động nhanh và chính xác của DVR  Nghiên cứu áp dụng DVR trong lưới điện của xí nghiệp công nghiệp thông qua một trường hợp thực tế điển hình.  Xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm để kiểm tra chất lượng thuật toán điều khiển đề xuất và khả năng khôi phục điện áp của DVR. Trên cơ sở mục tiêu của luận án, đối tượng nghiên cứu của đề tài sẽ được tập trung hướng đến giải quyết các vấn đề về: - Nhiểu loạn lõm điện áp, ảnh hưởng của lõm điện áp đối với xí nghiệp công nghiệp, phương pháp giảm thiểu lõm điện áp và giải pháp DVR. - Cấu hình của DVR bao gồm; bộ biến đổi bán dẫn công suất, bộ lọc phía xoay chiều, máy biến áp nối tiếp, bộ lưu trữ năng lượng và DC-link, các cấu trúc liên kết giữa các phần tử. - Các mạch vòng và thuật toán điều khiển của DVR bao gồm; Xây dựng các mạch vòng dòng điện, điện áp, thuật toán điều khiển điện áp tải của DVR, thuật toán điều khiển phát hiện lõm, áp dụng thuật toán điều khiển đồng bộ lưới (PLL), thiết kế các bộ điều khiển được áp dụng. - Mô hình mô phỏng bao gồm; mô hình hóa lưới điện, mô hình hóa DVR, mô hình hóa đối tượng được bảo vệ là tải nhạy cảm quan trọng, mô hình hóa các biến cố điện áp trên lưới, mô hình mô phỏng thực hiện trên phần mềm Matlap/Simulink. - Mô hình thực nghiệm DVR bảo vệ tải nhạy cảm Pđm=5kW, điện áp 380V xây dựng tại phòng thí nghiệm. - Trường hợp áp dụng kết nối DVR với lưới điện thực tế gồm; tìm hiểu lưới điện thực tế của nhà máy xi măng Hoàng Mai, các biến cố điện áp trên lưới, phụ tải nhạy cảm quan trọng bị ảnh hưởng tại nhà máy, ví trí lắp đặt DVR. Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi là tìm hiểu về lõm điện áp và ảnh hưởng của nó đến các xí nghiệp công nghiệp. Phân tích lựa chọn cấu hình phần lực và nghiên cứu phát triển các thuật toán điều khiển DVR để khôi phục điện áp trên tải, bảo vệ tải nhạy cảm. Đưa ra các điều kiện và thủ tục để áp dụng DVR trong các xí nghiệp công nghiệp, thông qua một trường hợp cụ thể trong thực tế. Các kết quả nghiên cứu của luận án được 2 kiểm tra đánh giá thông qua mô phỏng và xây dựng một mô hình thực nghiệm ở phòng thí nghiệm. 4. Phương pháp nghiên cứu: Các phương pháp nghiên cứu sẽ được vận dụng trong đề tài này. - Khảo sát thực tế, thống kê, phân tích và đánh giá thực trạng. - Sử dụng mô hình mạch điện, lý thuyết điều khiển vector, lý thuyết điều khiển tuyến tính trong xây dựng vòng điều chỉnh và thiết kế bộ điều khiển. - Mô phỏng trên máy tính thông qua phần mềm Matlab-Simulink, thực nghiệm kiểm tra và khẳng định các kết quả nghiên cứu lý thuyết. 5. Nội dung của luận án: Nội dung của luận án được trình bày theo các chương sau đây: Mở đầu: Nêu mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Chương 1: Giảm thiểu ảnh hưởng của lõm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp động. Trình bày tổng quan về lõm điện áp và các phương pháp giảm thiểu lõm điện áp, trong đó trọng tâm nghiên cứu phương pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là sử dụng bộ khôi phục điện áp động (DVR). Các phương pháp điều khiển DVR đã được nghiên cứu đến nay trong các công trình sẽ được tóm tắt ngắn gọn, qua đó chỉ ra những hạn chế trong điều khiển bù lõm cần được khắc phục, đồng thời chỉ ra hướng nghiên cứu phát triển điều khiển DVR. Chương 2: Cấu trúc bộ khôi phục điện áp động Trình bày chức năng nhiệm vụ của các thành phần trong hệ thống, các kiểu kết nối, phương pháp bảo vệ cho DVR và cuối cùng là lựa chọn một cấu trúc phần cứng điển hình của DVR đủ để tiếp tục nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển của hệ thống. Chương 3: Điều khiển bộ khôi phục điện áp động Tập trung nghiên cứu điều khiển DVR, bao gồm; điều khiển khôi phục điện áp tải, điều khiển đồng bộ điện áp lưới, điều khiển phát hiện lõm điện áp và điều khiển điện áp DClink. Trong đó, trọng tâm nghiên cứu phát triển điều khiển khôi phục điện áp tải của DVR, bao gồm các chiến lược điều khiển, mô hình toán học, các cấu trúc và thuật toán điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ, các bộ điều khiển và thiết kế bộ điều khiển được trình bày. Cuối cùng là các nghiên cứu ổn định hệ thống. Chương 4: Giải pháp áp dụng DVR cho xí nghiệp công nghiệp. Trình bày các điều kiện áp dụng DVR cho các xí nghiệp công nghiệp, các bước thực hiện thiết kế cụ thể, thông qua một trường hợp áp dụng DVR bảo vệ một tải nhạy cảm quan trọng thực tế là tổ hợp Biến tần-Động cơ ID 142-FN1 trong ngành công nghiệp xi măng. Xây dựng mô hình mô phỏng DVR kết nối hệ thống lưới điện như đã được thiết kế, thuật toán điều khiển đề xuất ở chương 3 cũng được áp dụng cài đặt trong mô hình. Chương 5: Xây dựng mô hình thực nghiệm DVR Chương này trình bày cách thức xây dựng bàn thí nghiệm, cài đặt thuật toán điều khiển đề xuất, thực hiện thí nghiệm và lấy kết quả. Kết Luận và kiến nghị Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của toàn bộ luận án, khẳng định lại những kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, những tồn tại và hướng phát triển của đề tài. 3 6. Dự kiến các kết quả nghiên cứu mới:  Đưa ra cấu trúc và thuật toán điều khiển cho bộ khôi phục điện áp động (DVR) trong bù lõm điện áp cân bằng và không cân bằng. Nó được dựa trên phương pháp điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ với hai vòng điều khiển tương ứng cho mỗi thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch được điều khiển riêng biết.  Khảo sát và phân tích được nguyên nhân sự cố lõm điện áp và ảnh hưởng của nó đến phụ tải nhạy cảm quan trọng trong ngành công nghiệp xi măng như tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt ID. Kết quả khảo sát đã chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị DVR một cách hiệu quả nhất thông qua một trường hợp thực tế điển hình  Một mô hình mô phỏng kết hợp lưới điện, các phụ tải và DVR nối lưới ở cấp trung áp 6,3kV để bảo vệ tải nhạy cảm quan trọng là tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt công nghệ 142-FN1. Mô hình được phát triển và thực hiện trong phần mềm Matlap/Simulink.  Thực hiện thành công mô hình thực nghiệm (trong phòng thí nghiệm) với các thuật toán điều khiển được cài đặt trên bộ xử lý tín hiệu dSPACE card DS11040 để đánh giá khả năng làm việc của DVR trong bù lõm điện áp và giảm thiểu nhiễu loạn điện áp. 4 Chương1: GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA LÕM ĐIỆN ÁP BẰNG BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về lõm điện áp và các phương pháp giảm thiểu lõm điện áp, trong đó trọng tâm nghiên cứu phương pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là sử dụng bộ khôi phục điện áp động (DVR), được dựa trên việc điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất. Các phương pháp điều khiển DVR đã được nghiên cứu đến nay trong các công trình sẽ được tóm tắt ngắn gọn, qua đó chỉ ra những hạn chế trong điều khiển bù lõm cần được khắc phục, đồng thời chỉ ra hướng nghiên cứu phát triển điều khiển DVR nhằm mục đích khôi phục điện áp tải khi gặp phải bất cứ nhiễu loạn lõm điện áp nào xuất hiện từ phía nguồn cấp. Nội dung trong chương một được tham khảo trong các tài liệu [1,3,8,9,14,15,16,17,18,19,25,29,32,39,62]. 1.1 Chất lượng điện năng và vấn đề lõm điện áp 1.1.1 Chất lượng điện năng Vấn đề chất lượng điện bao gồm một loạt các rối loạn liên quan đến điện áp, dòng điện và độ lệch tần số. Các nhiễu loạn đó có thể là.  Gián đoạn ngắn  Lõm/dâng điện áp  Quá độ dòng điện và điện áp  Sự méo dạng của các sóng dòng điện và điện áp  Nháy điện  Mất cân bằng  Thay đổi tần số nguồn Các vấn đề chất lượng điện năng đã được xác định trong một số tiêu chuẩn như; IEC 61000, IEEE 1159-1995 và EN 50160, hoặc được định nghĩa trong các tài liệu [14,15]. Tình trạng treo máy tính Nhấp nháy ánh sáng Sự cố thiết bị Thiết bị xử lý dữ liệu Quá tải PFC overloading Các vấn đề đóng cắt tải nặng Quá nhiệt dây trung tính Các vấn đề với đường dây dài Các bộ phận máy dừng hoạt động Sai lệch trong hệ thống đo lường 0% 5% 10% 15% 20% 25% Hình 30% 1.1 Các vấn đề thường xảy ra liên quan đến chất lượng điện kém được xác định tại 1400 địa điểm ở 8 quốc gia [14]. Hình 1.2 Tỷ lệ phần trăm các biến cố điện áp[14] Những tổn thất từ chất lượng điện năng kém đối với khách hàng dùng điện, đặc biệt là các xí nghiệp công nghiệp, từ lâu đã được biết đến, nhưng để giảm thiểu nó còn gặp nhiều khó khăn. Một nghiên cứu thực hiện bởi Hội đồng châu Âu [25], bao gồm 1400 vị trí trong 8 quốc gia về các biến cố điện áp tại các địa điểm khác nhau trong hệ thống điện. Kết quả thu được thể hiện ở đồ thị hình 1.1, chỉ ra những vấn đề gặp phải từ chất lượng điện áp 5 kém tại các địa điểm khác nhau trong hệ thống điện và đồ thị hình 1.2 cho biết tỷ lệ phần trăm của các nhiễu loạn trên lưới điện phân phối. Hiện nay cả công ty điện lực và khách hàng dùng điện đang ngày càng quan tâm đến vấn đề chất lượng điện năng vì những lý do: - Công nghiệp hiện đại phát triển, thiết bị thế hệ mới tạo ra quá trình tự động hóa cao trong hoạt động sản xuất như; bộ điều khiển vi xử lý, máy vi tính, robot công nghiệp, các hệ truyền động có điều khiển tốc độ, các thiết bị điều khiển trong hệ thống thông tin công nghiệp.v.v. chúng nhạy cảm với các biến động của chất lượng điện năng hơn là thiết bị được sử dụng trong quá khứ. - Các chú trọng hơn về vận hành và khai thác hiệu quả hệ thống năng lượng điện đã dẫn đến sự gia tăng trong việc áp dụng các thiết bị hiệu suất cao như; bộ điều chỉnh tốc độ động cơ, tụ điện song song hiệu chỉnh hệ số công suất để giảm tổn thất hoặc phát triển các hệ thống nguồn phân tán nối lưới như; hệ thống điện mặt trời, hệ thống điện gió... Điều này có thể dẫn đến hậu quả tăng mức độ hài trên các hệ thống điện, tăng các biến cố như dao động điện áp hoặc thay đổi tần số. - Người dùng điện có một nhận thức tốt hơn về các vấn đề chất lượng điện năng. Họ nhận thức tốt hơn về các vấn đề như gián đoạn, lõm điện áp, sóng hài, quá độ và đang yêu cầu cung cấp nguồn năng lượng có độ tin cậy và chất lượng cao từ nhà cung cấp. Ngược lại nhà cung cấp năng lượng luôn chịu một áp lực từ những đòi hỏi của khách hàng và những tổn thất do chất lượng điện kém gây nên trong truyền tải điện năng. Trong số các nhiễu loạn trên hệ thống điện thì lõm điện áp là loại nhiễu loạn nghiêm trọng nhất và có tần suất xuất hiện lớn nhất, theo kết quả khảo sát ở hình 1.2 chiếm 31%. Lõm điện áp xảy ra trong thời gian ngắn, liên quan đến suy giảm điện áp và nhảy góc pha. Khi có một biến cố trên lưới điện (ví dụ ngắn mạch) có thể ở vị trí rất xa so với thiết bị đầu cuối, dẫn đến xuất hiện một lõm điện áp lan truyền đến nhiều vị trí khác nhau trên lưới điện và có thể đến các vị trí kết nối của tải nhạy cảm để gây ảnh hưởng, tài liệu [21,22,24]. Trong các xí nghiệp công nghiệp các tải nhạy cảm quan trọng thường có ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ hoạt động của các dây chuyền sản xuất. Trong khi đó chính những tải này lại rất nhạy cảm với tác động của lõm điện áp gây ra dừng máy, mất hoặc sai lệch thông tin, dẫn đến các bộ phận khác của dây chuyển cũng bị dừng theo, sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài. Vì vậy, lõm điện áp là nhiễu loạn được lựa chọn trong số các nhiễu loạn liên quan đến chất lượng điện năng để nghiên cứu giảm thiểu trong luận án này. Để có thể đưa ra các phương pháp giảm thiểu, cần thiết phải phân tích rõ về nguyên nhân, đặc điểm của nó. 1.1.2 Lõm điện áp a) Định nghĩa lõm điện áp Theo IEEE Std. 1159-1995, lõm điện áp là hiện tượng suy giảm điện áp tức thời đột ngột tại một thời điểm mà giá trị điện áp hiệu dụng (RMS) của nó giữa 10% đến 90% so với điện áp chuẩn, tiếp theo đó điện áp được phục hồi trong một thời gian rất ngắn, từ một nửa chu kỳ của điện áp lưới (10ms) đến một phút. Trong khi dâng điện áp là sự tăng đột ngột giá trị RMS lên quá một giá trị ngưỡng nhất định. Thông thường giá trị ngưỡng này bằng 110% giá trị định mức điện áp nguồn[14]. Ở hình 1.3 lõm điện áp được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEEE Std 1159-1995 và EN 50160, trong đó chỉ ra sự khác nhau giữa lõm điện áp và gián đoạn ngắn. Tuy nhiên thuật ngữ được sử dụng trong các tiêu chuẩn đối với lõm điện áp có sự khác nhau. Ví dụ: cùng 6 một dạng nhiễu loạn thì trong EN 50.160 được gọi là ''voltage dips'' trong khi trong IEEE Std. 1159 nó được gọi là ''voltage sag''. Thuật ngữ ''voltage sags'' hay ''voltage dips'' được coi là từ đồng nghĩa vì nó được dùng để chỉ một dạng nhiễu loạn. Trong luận án này thuật ngữ ''lõm điện áp'' được lựa chọn sử dụng. Hình 1.3 Định nghĩa của biến cố điện áp dựa trên các tiêu chuẩn [25] Tóm tắt của các định nghĩa lõm điện áp được đưa ra trong các tiêu chuẩn được trình bày trong bảng 1.1 [14]. Bảng 1.1 Định nghĩa của lõm điện áp theo tiêu chuẩn IEEE std 1159-1995, tiêu chuẩn IEEE std. 1250-1995 và tiêu chuẩn IEC 6100-2-1 1990, tài liệu[14]. Standard EN 50160 Magnitude 1% - 90% Duration 0.5 cycles to 1 min IEEE Std 1159-1995 IEEE Std 1250-1995 IEC 6100-2-1-1990 10% - 90% Reduction of voltage ---------------- 0.5 cycles to 1 min 0.5 cycles to few sec 0.5 cycles to few sec Applicability LV and MV (up to 35 kV) LV, MV, HV LV, MV, HV LV, MV, HV Một số hình ảnh mô tả của lõm điện áp được thể hiện ở hình 1.4 Hình 1.4 Lõm điện áp một pha và lõm điện áp ba pha [22] 7 b) Nguồn gốc của lõm điện áp Trong hệ thống năng lượng có thể phân biệt các nguyên nhân gây lõm điện áp như sau, tài liệu [14, 15, 21,23,24]:  Các lỗi hệ thống nguồn; sét, gió, băng tuyết, nhiễm bẩn của thiết bị cách điện, động vật tiếp xúc, tai nạn giao thông, xây dựng. Các lỗi kể trên thường dẫn đến ngắn mạch. Dòng ngắn mạch gây lõm điện áp trong suốt thời gian ngắn mạch và lan truyền đến các vị trí khác nhau trên lưới điện. Thông thường nhất là ngắn mạch kiểu một pha, do đó gây nên sự giảm điện áp một pha có độ sâu phụ thuộc vào điểm đo so với vị trí xảy ra ngắn mạch.  Khởi động thiết bị có công suất lớn so với công suất ngắn mạch của hệ thống tại điểm kết nối. Sự giảm gây ra bởi sự khởi động mạch truyền động công suất lớn thông thường nhất là ba pha đối xứng có giá trị lõm điện áp tương đối lớn trong thời gian giảm kéo dài tương đối lâu.  Giảm điện áp gây ra bởi đóng mạch các biến áp năng lượng vào hệ thống, dẫn đến lõm điện áp không đối xứng kết hợp với sự có mặt của các hài bậc hai và bậc bốn.  Các biến động của tải; trong các lưới ba pha sự giảm điện áp có thể phân loại theo tính không đối xứng điện áp trong khi nhiễu loạn. Độ không đối xứng này cũng như điện áp trong các pha riêng biệt phụ thuộc vào kiểu ngắn mạch và phương pháp đấu nối các cuộn biến áp năng lượng giữa chỗ ngắn mạch và điểm kết nối thiết bị [14, 19]. Lõm điện áp thường xảy ra do hậu quả ngắn mạch, các lỗi chạm đất, máy biến áp năng lượng, kết nối của các động có cảm ứng công suất lớn. c) Đặc điểm lõm điện áp Độ lớn và khoảng thời gian là hai đặc điểm quan trọng nhất của lõm điện áp, mà theo IEEE Std 1159 (1995), độ lớn lõm nằm trong khoảng từ 10% đến 90% điện áp danh định và thời gian lõm từ nửa chu kỳ đến một phút.  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, [22] Điện áp hiệu dụng dùng để xác định mức độ lõm điện áp được tính theo (1.1). Vrm s (k )  1 N k v 2 i i  k  N 1 (1.1) N là số lượng mẫu trên mỗi chu kỳ, vi là điện áp tức thời lấy mẫu và k là thời điểm khi tính điện áp hiệu dụng. Ở đây, điện áp hiệu dụng được tính toán với N mẫu điện áp tức thời trước đó. Ngoài ra nó có thể ước tính giá trị điện áp hiệu dụng chỉ bằng một nửa chu kỳ của giá trị tức thời, [22]. Vrm s(1 / 2) (k )  2 N k v 2 i i  k ( N / 2 ) 1 (1.2) Các thuật toán nửa chu kỳ là nhạy và chính xác hơn với những thay đổi trong điện áp, có phản ứng nhanh hơn để phát hiện một biến cố. Tuy vậy nó cho thấy dao động khi có một thành phần hài bậc 2 trong các tín hiệu điện áp [23]. Độ lớn của các lõm điện áp phụ thuộc bởi khoảng cách của các điểm quan sát từ vị trí ngắn mach và nguồn cung cấp. Mức điện áp rơi tại một điểm quan sát cụ thể trong các lõm là một giá trị ngẫu nhiên, tùy thuộc vào vị trí của nó trong mạng điện liên quan đến một ngắn mạch. Xét trường hợp một lỗi ngắn mạch với trở kháng tại điểm ngắn mạch bằng không, hệ thống có thể được đại diện bởi một mạch tương đương một pha như trong hình 1.5. 8 Điện áp tại các điểm xem xét O1, O2 hay O3 phụ thuộc vào trở kháng tương đương kết nối điểm đó đến vị trí ngắn mạch (SC) và nguồn. Tùy thuộc vào độ lớn tương đối của các trở kháng, độ sâu của các lõm điện áp có thể khác nhau trên phạm vi 0-100%, tài liệu [14]. s z4 o3 z3 o2 z2 o1 z1 Us=1 U 03  Z1  Z 2  Z 3 Z1  Z 2  Z 3  Z 4 U 02  U 01  Z1 Us=0 Z1  Z 2  Z 3  Z 4 Z1  Z 2 Z1  Z 2  Z 3  Z 4 Hình 1.5 Điện áp tại các điểm O1,O2 và O3 đối với ngắn mạch tại điểm SC và một nguồn tương đương (thể hiện trong điều kiện điện áp pu);Z, trở kháng tương đương [14] Điểm cần được xem xét gần vị trí ngắn mạch thì điện áp còn lại là thấp hơn. Mặt khác, gần các điểm được coi là nguồn cung cấp (thông thường, một nguồn năng lượng, mà cũng có thể là một bảng các tụ điện, pin, máy quay, vv), điện áp sụt giảm ít hơn trong thời gian xảy ra biến cố. Ngắn mạch trên hệ thống truyền tải có thể dẫn đến một sự sụt giảm điện áp được quan sát thấy trên một khu vực rất rộng, khoảng cách có thể lên đến vài trăm kilometer. Một ngắn mạch trong một mạch điện phân phối có ảnh hưởng trong phạm vi nhỏ hơn nhiều.  Khoảng thời gian lõm điện áp: là khoảng thời gian giảm điện áp hiệu dụng dưới 90% của lõm điện áp danh định, tài liệu [14,22] Thời gian lõm điện áp chủ yếu được xác định bởi thời gian hoạt động của thiết bị bảo vệ để loại bỏ ngắn mạch từ hệ thống, chủ yếu là cầu chì, máy cắt và rơle bảo vệ. Các đặc tính thời gian của các thiết bị bảo vệ sẽ được được phân chia và phối hợp với nhau, do đó, một lỗi được phát hiện bởi một số thiết bị bảo vệ sẽ được hủy bỏ tại điểm thích hợp nhất của hệ thống, thông thường, gần nhất với vị trí lỗi.[14] Nhiều lỗi được hủy bỏ trong phạm vi thời gian khác nhau. Với thời gian nhanh hơn có thể đạt được đối với ngắn mạch trên đường dây truyền tải (từ 60 đến 150 ms), trong khi lỗi hủy bỏ trên các mạch phân phối có thể chậm hơn đáng kể (với cấp MV từ 0,5 đến 2s, cấp LV, tùy thuộc vào đặc điểm cầu chì) [14]. Khi một biến cố khác với một ngắn mạch, thời gian được điều chỉnh bởi nguyên nhân gây ra biến cố đó.  Nhảy góc pha Một biến cố xảy ra trên lưới điện chẳng hạn như một lỗi ngắn mạch sẽ tạo các lõm điện áp khác nhau trên các vị khác nhau của lưới điện. Ảnh hưởng đó không chỉ liên quan đến độ lớn của các điện áp pha mà còn gây ra hiện tượng thay đổi góc pha. Sự thay đổi trong góc pha được gọi là nhảy góc pha. Nhảy góc pha được xem như là một sự dịch chuyển điểm qua không của điện áp tức thời và đó là nguyên nhân dẫn đến sự cố đối với các bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng góc pha làm thông tin để phát xung điều khiển, [22].  Các kiểu của lõm điện áp ba pha Tùy thuộc vào kiểu lỗi trên lưới điện và kiểu kết nối của máy biến áp năng lượng cùng với đường dây nguồn, dẫn đến các kiểu lõm điện áp khác nhau và có thể được phân biệt như sau, tham khảo tài liệu [8,9,32] . 9 - Lõm điện áp cân bằng: là lõm có cùng độ lớn (Vsag), khoảng thời gian lõm và nhảy cùng một góc pha trên cả ba pha. - Lõm điện áp không cân bằng: là các lõm điện áp khi xảy ra có độ lớn (Vsag), khoảng thời gian lõm (tsag) và góc nhảy pha (sag ) khác nhau trên cả ba pha. Khi một lõm không cân bằng xảy ra, ngoài thành phần thứ tự thuận còn xuất hiện cả thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không, [14]. Hình 1.6 Ngắn mạch trong lưới ba pha của một lỗi ''phase-to-phase''[32]   Xét một lỗi ngắn mạch ''phase-to-phase'', hình 1.6. Trong đó Z F , Z F là trở kháng của  thành phần thứ tự thuận, nghịch ở phía bên lỗi. ZS là trở kháng của thành phần thứ tự thuận phía bên nguồn, tài liệu [8,9,32]. Mức độ nghiêm trọng của lỗi có thể nhìn thấy từ điểm kết nối PCC, nó được đánh giá bởi tham số lõm D , trong đó xác định mối quan hệ giữa trở kháng đường dây tại phía bên lỗi và phía bên nguồn, tức là [29].  D  DD   (Z F  Z F ) 2Z S  ( Z  F  F (1.3) Z ) Điều cho thấy ở đây là độ lớn của điện áp bị lỗi phụ thuộc vào khoảng cách từ PCC đến điểm lỗi, cụ thể là nó chủ yếu phụ thuộc vào độ lớn của D . Sự khác biệt trong các góc pha giữa điện áp trước lỗi và điện áp bị lỗi phụ thuộc vào góc pha của D . Nếu tỷ lệ X/Z của trở kháng tại cả hai bên của PCC vẫn không đổi, tức là nếu góc pha của ZS bằng với của   Z F  Z F , không có nhảy góc pha giữa điện áp trước lỗi và điện áp bị lỗi. Hình 1.7 cho thấy bốn kiểu của lõm điện áp kết quả từ các lỗi khác nhau trên lưới điện, trong đó chỉ số nhảy góc pha giả định bằng 0, tài liệu [8,9,29]. Lõm kiễu A: Lỗi ba pha và lỗi ba pha chạm đất (Three-phase fault and three-phase-toground fault), hình 1.7a. Lõm kiễu B: Lỗi một pha chạm đất (Single-phase-to-ground fault) 10 Lõm kiễu C: Lỗi hai pha (Phase-to-phase fault) Lõm kiểu D: Lỗi hai pha chạm đất (Two-phase to ground fault) Hình 1.7 Lõm điện áp do các lỗi trên lưới trong hệ thống ba pha với D , tài liệu [29]  Kết quả DV Sa được biết như ''chỉ số điện áp'' của lõm điện áp và đại diện cho một trong hai điện áp pha trong các lỗi ''phase-to-ground'' hoặc điện áp ''line-to-line'' trong các lỗi ''phase-to-phase''. Tương tự như vậy góc pha của D được biết như chỉ số "nhảy góc pha'' của lõm điện áp. Hình 1.8 Lõm điện áp kiểu C với D = 0,5∠-30 [29] Có rất nhiều trường hợp trong thực tế, tỷ lệ X/R của trở kháng ở cả hai phía của PCC ở hình 1.6 không giữ cố định trong một lỗi, điều này hàm ý một bước nhảy góc pha là khác không. Điều này là đúng khi sự cố ảnh hưởng đến đường dây nguồn bao gồm các thành phần với trở kháng khác nhau, hoặc khi động cơ cảm ứng lớn được kết nối với lưới điện. 11 Trong trường hợp này, các pha điện áp trong lưới lỗi mất đối xứng, thể hiện bởi các kiểu lõm ở hình 1.7. còn trong hình 1.8 cho thấy một ví dụ của lõm điện áp kiểu C có góc nhảy pha với D = 0,5∠-30.  Lan truyền của lõm điện áp Độ lớn và góc pha của điện áp không cân bằng do một lỗi nhất định trên lưới sẽ được thay đổi khi truyền qua máy biến áp ba pha đang được kết nối sử dụng trong hệ thống điện, tài liệu [8,9,29]. Hình 1.9 Lan truyền của một lõm điện áp kiểu C ( D = 0,5∠-00) thông qua máy biến áp Dy [29] Điều này sẽ dẫn đến làm phát sinh các kiểu mới của lõm điện áp khác nhau thể hiện trong hình 1.7. mặt khác, các thành phần thứ tự không, thường có mặt trong các lỗi 'phaseto-ground', có thể sẽ được loại bỏ. Một ví dụ ở 1.9 cho thấy với điện áp 'line-to-line' của một lõm kiểu C từ phía cuộn dây sơ cấp của một máy biến áp Dy được lan truyền sang cuộn dây thứ cấp với góc pha và độ lớn khác nhau mà kết quả xuất hiện một kiểu mới của lõm điện áp (kiểu D) Để xác định các kiểu khác nhau của lõm điện áp hiện có trong hệ thống điện nói chung, xét ví dụ hình 1.10. Hình 1.10 Lan truyền lõm điện áp đến ba điểm kết nối (PCC1, PCC2, PCC3) trong lưới điện với kết nối hai cặp máy biến áp Dy [29] Trong đó các máy biến áp kết nối kiểu Dy, các điện áp lõm sẽ được đo trên các điểm kết nối PCC1, PCC2 và PCC3 khi xuất hiện một lỗi tại F. Qua phân tích các điện áp đo trên PCC2 and PCC3 đã xác nhận xuất hiện ba kiểu mới của lõm điện áp (kiểu D, F và G) từ các lõm điện áp ban đầu (kiểu A, B, C và E) trên thanh cái PCC1. Mối quan hệ giữa các kiểu khác nhau của lõm điện áp được tóm tắt trong bảng 1.2. Bảng 1.2 Lan truyền của lõm điện áp thông qua máy biến áp Dy Kiểu lỗi 3 pha/3pha chạm đất 1 pha chạm đất 2 pha 2 pha chạm đất Điểm kết nối PCC1 PCC2 PCC3 A A A B C D C D C E F G 12 1.2 Bộ khôi phục điện áp động (DVR) Để chống lại những ảnh hưởng của lõm điện áp, đảm bảo hoạt động cho các tải nhạy cảm, đặc biệt là các tải nhạy cảm quan trọng trong các xí nghiệp công nghiệp hiện đại, như một điều tự nhiên từ lâu đã được nghiên cứu. Có nhiều giải pháp khác nhau để giảm thiểu lõm điện áp, có thể phân biệt ba giải pháp sau đây, tài liệu [14,15,39,40,44,45,62].  Cải tạo hệ thống điện: Là giải pháp giảm thiểu thông qua việc can thiệp vào hệ thống điện, xem xét cả những thay đổi trong các thành phần điện của hệ thống và trong cấu trúc của nó, [27].  Tăng khả năng "miễn dịch" của thiết bị: Tăng khả năng chịu đựng của thiết bị điện trước những ảnh hưởng của lõm điện áp các nhiễu loạn điện áp, [24].  Thiết bị giảm thiểu: Lắp đặt thiết bị có khả năng giảm thiểu lõm điện áp vào điểm kết nối của hệ thống điện, trước các phụ tải nhạy cảm để bảo vệ tải, [27]. Một trong ba giải pháp trên, khách hàng dùng điện duy nhất có thể lựa chọn là giải pháp lắp đặt thiết bị giảm thiểu, vì họ có thể kiểm soát được tình hình. Có thể phân chia các thiết bị giảm thiểu làm hai nhóm chính: - Giảm thiểu bằng các thiết bị thụ động, dựa trên các thiết bị kỹ thuật cổ điển như máy biến thế hoặc máy điện quay. - Thiết bị giảm thiểu dựa trên bộ biến đổi điện tử công suất. Trong số các thiết bị của giải pháp giảm thiểu, DVR là thiết bị tiết kiệm và đưa lại hiệu quả tốt nhất trong khôi phục điện áp tải để chống lại ảnh hưởng của lõm điện áp. Sau đây sẽ trình bày tóm tắt các phương pháp giảm thiểu trước khi đi sâu vào tìm hiểu kỷ hơn về DVR. 1.2.1 Các thiết bị giảm thiểu lõm điện áp  Bộ máy phát - động cơ Bộ lưu trữ năng lượng của hệ máy phát – động cơ thông qua một bánh đà như thể hiện trong hình 1.11, tài liệu [32]. Contactor Máy phát ~ Nguồn lưới Motor Tải nhạy cảm Hình 1.11 Sơ đồ ba pha của bộ máy phát - động cơ với bánh đà để giảm thiểu lõm điện áp [32] Hệ thống bao gồm một động cơ (có thể là động cơ cảm ứng hoặc một máy đồng bộ), một máy phát điện đồng bộ cung cấp cho tải nhạy cảm và một bánh đà, tất cả được nối đồng trục với nhau. Năng lượng tích trữ dưới dạng quán tính của bánh đà được chuyển đổi sử dụng để thực hiện điều chỉnh điện áp ở trạng thái xác lập hoặc bù điện áp trong quá trình rối loạn. Trong trường hợp các lõm điện áp, hệ thống có thể bị ngắt kết nối từ nguồn điện bằng cách mở contactor nằm ở phía trước nguồn động cơ nhưng tải nhạy cảm vẫn có thể được cung cấp điện thông qua máy phát điện. Khả năng giảm thiểu của thiết bị này phụ thuộc đến quán tính và tốc độ quay của bánh đà. Hệ thống này có hiệu quả cao, chi phí ban đầu thấp và cho phép đáp ứng trong khoảng thời gian vài giây nhưng chỉ có thể được sử dụng trong môi trường công nghiệp, do kích thước của nó, tiếng ồn và yêu cầu bảo trì. 13  Các thiết bị giảm thiểu dựa trên biến áp Máy biến áp cộng hưởng sắt từ làm việc một cách tương tự như máy biến áp với tỷ số 1:1 lần lượt được kích thích ở một điểm cao trên đường cong bão hòa của nó, do đó sẽ cung cấp một điện áp đầu ra không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của điện áp đầu vào. Trong thiết kế thực tế, như trong hình 1.12a, một tụ điện, kết nối với các cuộn dây thứ cấp có tác dụng để thiết lập các điểm làm việc trên chỗ uốn của đường cong bão hòa. Giải pháp này là thích hợp cho công suất thấp (ít hơn 5 kVA [32]), tải không đổi. Với tải biến đổi có thể gây ra một số vấn đề, do sự hiện diện của mạch điều chỉnh ở đầu ra của hệ thống này, tài liệu [32]. Mặt khác do có bảo hòa nên hình dáng điện áp ra bị méo dạng. Nguồn ~ Nguồn Nguồn MBA Nguồn Tải nhạy cảm ~ Nguồn MBA Tải nhạy cảm Nguồn Các chuyển mạch bán dẫn a) b) Hình 1.12 Sơ đồ một dây của thiết bị giảm thiểu dựa trên máy biến áp[32] Hình 1.12b là cấu trúc có bổ sung các phân nhánh điện tử được gắn trên một máy biến áp chuyên dụng cho tải nhạy cảm. Để thay đổi tỷ lệ lần lượt theo những thay đổi trong điện áp đầu vào bằng việc tự động điều khiển đóng cắt các phân nhánh điện tử của máy biến áp. Các phân nhánh điện tử được kết nối nối tiếp trên các đầu ra phân phối và được đặt giữa nguồn cung cấp và tải. Một phần của cuộn dây thứ cấp cung cấp tải được chia thành một số đoạn, được kết nối hoặc ngắt kết nối bằng các thiết bị chuyển mạch tĩnh nhanh, do đó cho phép điều chỉnh điện áp thứ cấp theo các bước. Điều này sẽ cho phép điện áp đầu ra được đưa trở lại mức trên 90% giá trị danh định, ngay cả đối với các lõm điện áp nghiêm trọng. Nếu thiết bị chuyển mạch là các van bán dẫn thyristor được sử dụng, chúng chỉ có thể được bật một lần trên mỗi chu kỳ và do đó bù sẽ được thực hiện với thời gian trễ của nó ít nhất một nửa chu kỳ. Một vấn đề nữa là dòng điện trong cuộn dây sơ cấp tăng khi điện áp thứ cấp được tăng lên để bù cho lõm trong điện áp lưới, vì vậy chỉ có các bước nhỏ ở phía bên thứ cấp của biến áp được phép điều chỉnh và phải đảm bảo dòng điện tải là liên tục.  Bộ chuyển mạch tĩnh Bộ chuyển mạch tĩnh (STS) bao gồm các chuyển mạch tĩnh ba pha, cấu tạo lần lượt của mỗi pha với hai thyristors nối song song ngược với nhau, như thể hiện trong hình 1.13, tài liệu [27,32]. Nguồn 1 Chuyển mạch 1 Chuyển mạch 2 Nguồn 2 Tải nhạy cảm Hình 1.13 Sơ đồ một dây công tắc chuyển tĩnh (STS) [27]. 14 Mục đích của thiết bị này là để chuyển tải từ một nguồn chính sang một nguồn phụ tự động và nhanh chóng khi điện áp lõm xuất hiện từ phía nguồn chính và trong khi nguồn thứ hai có khả năng đáp ứng yêu cầu về công suất và chất lượng nhất định. Trong quá trình hoạt động bình thường, nguồn chính cấp điện cho tải qua các bộ chuyển đổi thyristors 1, trong khi nguồn thứ hai được ngắt kết nối (bộ chuyển mạch 2 mở). Trong trường hợp xuất hiện các lõm điện áp hoặc bị gián đoạn trong nguồn chính, tải sẽ được chuyển từ nguồn chính đến nguồn dự phòng. Phương pháp điều khiển để có được chuyển đổi tức thời của tải có thể được thông qua. Tuy nhiên, sự kết nối song song giữa hai nguồn trong lúc chuyển đổi phải được tránh.Vì lý do này, thời gian chuyển đổi có thể mất đến một nửa chu kỳ [17]. Điều này có nghĩa là tải vẫn sẽ bị ảnh hưởng bởi lõm, nhưng thời gian của nó sẽ được giảm đến thời gian cần thiết để chuyển đổi tải từ nguồn chính đến nguồn thứ hai. Nhược điểm của STS là nó không thể giảm nhẹ nguồn phát các lõm điện áp do các lỗi trong hệ thống truyền tải, trong khi các kiểu lõm thường ảnh hưởng đến cả nguồn chính và nguồn thứ hai. Hơn nữa, nó liên tục dẫn dòng điện tải, dẫn đến tổn thất dẫn đáng kể.  Nguồn cung cấp liên tục (UPS) Nguồn cung cấp liên tục (UPS), bao gồm một chỉnh lưu diode theo sau là bộ biến tần, như thể hiện trong hình 1.14, tài liệu [20,32]. Bộ phận lưu trữ năng lượng thường là một acquy kết nối để liên kết DC. Trong quá trình hoạt động bình thường (on line), nguồn điện đến từ nguồn cung cấp AC đã được chỉnh lưu và sau đó qua bộ biến đổi nghịch lưu trở thành nguồn xoay chiều trở lại cung cấp cho tải. Acquy vẫn còn ở chế độ chờ và chỉ giữ điện áp DC - thanh cái không đổi. Nếu một lõm điện áp hoặc gián đoạn xuất hiện, năng lượng được cung cấp bằng acquy giữ điện áp tại thanh cái DC không đổi. Tùy thuộc vào dung lượng lưu trữ của acquy, nó có thể cung cấp cho tải một vài phút hoặc thậm chí vài giờ. BBĐ _AC/DC BBĐ _DC/AC Nguồn ~ ~ = = ~ Tải nhảy cảm ES Hình 1.14 Sơ đồ ba pha của UPS[20] Vận hành đơn giản, các UPS là giải pháp cho tải có công suất và điện áp thấp. Đối với các tải công suất cao hơn các chi phí liên quan với tổn thất do hai bộ chuyển đổi và bảo trì của acquy trở nên quá cao, do đó, UPS ba pha công suất cao là không khả thi về mặt kinh tế. 1.2.2 Giảm thiểu lõm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp động (DVR) Đây là thiết bị được tạo ra với vai trò chủ yếu để bù lõm/dâng điện áp, thực hiện dựa trên ý tưởng là chèn vào một điện áp uinj(t) có biên độ, tần số và góc pha mong muốn vào giữa điểm kết nối chung PCC và tải, tài liệu [39,40,44,45, 62]. Qua kết quả nghiên cứu và so sánh đã chỉ ra, DVR là thiết bị có khả năng khôi phục điện áp trên tải nhạy cảm trước những ảnh hưởng của lõm điện áp có hiệu quả nhất vì những lý do: - Cấu trúc liên kết nối tiếp với hệ thống có hiệu quả chống lại lõm điện áp. - Phản ứng bù có thể hỗ trợ trên tất cả các pha và có thể bù trong điều kiện lõm điện áp mất cân bằng và méo dạng. 15 - Công suất tác dụng được tích lũy từ bộ lưu trữ năng lượng hoặc từ các pha không bị lỗi. Năng lượng được tích lũy khi điện áp đầy đủ để cung cấp khi lõm điện áp. - Áp dụng linh hoạt trong hệ thống phân phối đối với các kiểu phụ tải nhạy cảm và quan trọng khác nhau. - Giá thành hợp lý thường $200 - 250/kVA, thấp hơn so với UPS hoặc Statcom [19]. Tình hình nghiên cứu hiện nay ở các nước cho thấy nhiều năm trở lại đây việc nghiên cứu bộ khôi phục điện áp động để giảm thiểu lõm điện áp trên lưới điện bảo vệ tải nhạy cảm đã được các tác giả ở các cơ sở nghiên cứu trên các quốc gia khác nhau thực hiện như Nhật bản, Đức, Đan Mạch, Pháp... đặc biệt là trong lĩnh vực đảm bảo nguồn năng lượng điện có chất lượng cao và trong các lưới điện thông minh, trong đó có thể kể đến công trình nghiên cứu của tác giả Hirofumi Akagi, Takushi Jimichi, Hideaki Fujita, (2008) với hai công trình; ''Design and Experimentation of a Dynamic Voltage Restorer Capable of Significantly Reducing an Energy-Storage Element'' và "An Approach to Eliminating DC Magnetic Flux From the Series Transformer of a Dynamic Voltage Restorer", trong các công trình này đã đề cập đến cấu trúc các thành phần bộ khôi phục điện áp động (DVR), bao gồm các bộ biến đổi nối tiếp, song song kết nối kiểu back-to-back. Đề cập đến hai cấu trúc của DVR có bộ biến đổi kết nối phía nguồn và DVR có bộ biến đổi kết nối phía tải. Công trình củng đưa ra một phương pháp điều khiển để loại bỏ thành phần từ thông một chiều trong máy biến áp nối tiếp của DVR. Công trình nghiên cứu của tác giả John Godsk Nielsen, (2004) ''Design and Control of a Dynamic Voltage Restorer'', tác giả đã tập trung thực hiện các thiết kế đối với các thành phần của DVR, thiết kế bộ điều khiển vector cho thành phần thứ tự thuận phù hợp với các lõm điện áp cân bằng. Tác giả Krischonme Bhumkittipich*1 and Nadarajah Mithulananthan2, (2011), có bài viết ''Performance Enhancement of DVR for Mitigating Voltage Sag/Swell using Vector Control Strategy, tại hội nghị Energy Procedia 9 ( 2011 ), trong đó đã đề cập đến bộ điều khiển cho DVR với phương pháp điều khiển vector trên hệ tọa độ dq với khâu PI, ở bài viết này đang dừng lại ở việc chỉ điểu khiển mỗi thành phần thứ tự thuận và chủ yếu chỉ phù hợp với lõm cân bằng (lõm chiếm tỉ lệ 13%). Nhóm nghiên cứu gồm: Reshmi V, Mabel Ebenezer, Jayasree M.S, với công trình "Mitigation of Voltage Sag, Harmonics and Voltage Unbalances Using Dynamic Voltage Restorer", báo cáo tại hội nghị ''National Conference on Technological Trends'' (2009). Nhóm tác giả đã đưa ra một giải pháp trong điều khiển để mở rộng khả năng của DVR ngoài việc bù lõm điện áp còn có thể bù hài với cấu trúc điều khiển được vận dụng bởi bộ điểu khiển PI, PR và bộ điều khiển lặp. Tuy vậy với lõm không cân bằng ở đây nhóm tác giả cũng đang dừng lại với việc điều khiển mỗi thành phần thứ tự thuận, ngoài ra việc bổ sung chức năng bù hài của DVR điều quan trọng cần thiết phải cân nhắc kỷ lưởng không sẽ dẫn đến đặc tính động học trong khi bù của hệ thống bị chậm trể, đồng thời cần thiết phải xác định vị trí của DVR trên lưới điện để đưa ra quyết định có nên tăng thêm chức năng bù hài cho DVR hay không trong khi các bộ lọc hài tích cực thực hiện tốt vấn đề này. Ngoài những công trình nghiên cứu ở trên, các công trình nghiên cứu trong thời gian 5 năm trở lại đây đối với DVR trong việc giảm thiểu lõm điện áp để bảo vệ tải nhạy cảm được tác giả tìm hiểu và tổng hợp trong số 66 tài liệu được liệt kê ở mục tài liệu tham khảo. 16 Tình hình nghiên cứu về DVR ở trong nước, theo tìm hiểu của tác giả cho thấy việc nghiên cứu DVR để giảm thiểu các biến cố điện áp và lõm điện áp ở Việt nam cho đến nay chưa có công trình nào được nghiên cứu và công bố. Những tìm hiểu sâu hơn về DVR thông qua những nghiên cứu trong và ngoài nước được tác giả phân tích tổng hợp đưa ra sau đây để làm cơ sở cho nghiên cứu tiếp theo trong luận án này. 1.2.2.1 Nguyên tắc hoạt động của bộ khôi phục điện áp động Ở hình 1.15 là ví dụ của một sơ đồ cấu trúc hệ thống lưới điện có kết nối DVR để bảo vệ tải nhạy cảm, tài liệu [62]. 115kV 50Hz 115/22 kV CB CB CB B VS CB CB 22 kV 50Hz CB PCC CB CB Uinj Vdc DVR C Vload 100% Tải nhạy cảm A 0% Fault Tải thường Hình 1.15 DVR bảo vệ một tải nhạy cảm [62] Giả sử một lỗi ngắn mạch xảy ra tại điểm A hình 1.15, điện áp tại A bị giảm xuống 0V, điện áp tại điểm B cũng sẽ bị giảm xuống khoảng 64% [62]. Với điều kiện này chắc chắn bất kỳ tải nhạy cảm nào cũng sẽ bị ảnh hưởng với lõm điện áp. Để đảm bảo cho tải nhạy cảm tiếp tục hoạt động, một DVR được lắp đặt tại điểm nối chung (PCC). Điện áp tại đường trục này sẽ được duy trì ở giá trị định mức do có sự hiện diện của DVR. Điều này có nghĩa là khi một lõm điện áp xảy ra, một bộ khôi phục điện áp lõm tự động phát hiện và bơm vào các thành phần điện áp để bù lại một phần hoặc toàn bộ lượng điện áp bị mất mát do lỗi để duy trì độ lớn cũng như góc pha của điện áp lưới, đảm bảo cho tải hoạt động bình thường. Về cơ bản, DVR được thiết kế để tự động chèn vào một điện áp uinj vào lưới như thể hiện ở hình 1.16. Ở đây DVR có thể là đại diện như một nguồn áp với độ lớn, góc pha và tần số có thể được điều chỉnh, trong đó ug là điện áp lưới, uinj là điện áp chèn vào từ DVR và uL là điện áp tải. 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] 17 Hình 1.17. Đồ thị vector thể hiện nguyên lý chèn điện áp vào lưới điện của DVR để khôi phục điện áp tải. trên đó Il là dòng điện tải,  là góc lệch pha giữa điện áp tải và dòng điện tải. Giả sử, một lõm điện áp xảy ra với độ lớn và một góc nhảy pha được xác định, nó biểu thị bằng vector ug,sag . Khi đó, mục đích là để duy trì độ lớn của điện áp tải và ngăn chặn nhảy pha, DVR sẽ tính toán tạo ra một vector điện áp uinj với độ lớn, góc pha được xác định và chèn lưới. Khi đó theo đồ thị vector, điện áp trên tải sẽ là: uL = ug,sag + uinj. UL ψ φ Uinj Il Ug,sa g hiện nguyên lý bù lõm của DVR [32] Hình 1.17 Đồ thị vector thể 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]. Giả sử điện áp và dòng điện tải trong điều kiện trước khi lỗi cả hai bằng 1pu, công suất được chèn vào bởi thiết bị trong giảm thiểu lõm điện áp là bằng, theo tài liệu [32]. S inj  U inj I l  (U l  U g .sag ) I l  (1  U g .sag e j )e j * *  cos  j sin   (U g .sag cos(   )  jU g .sag sin(   ) Công suất hấp thụ bởi tải được cho bởi: * S load  Pload  jQload  U l I l  e j  cos   j sin  Công suất tác dụng và công suất phản kháng được chèn vào,[32].  U g .sag cos(   )  Pinj  1   Pload cos     U g .sag sin(   )  Qinj  1  Qload sin    (1.4) (1.5) (1.6) (1.7) 1.2.2.2 Vị trí của DVR trong hệ thống phân phối Vị trí của các DVR được xác định ở một trong hai cấp, cấp phân phối MV hoặc cấp điện áp thấp LV, cấp gần với các tải hạ áp. Vị trí của DVR liên quan đến trở kháng, tổn thất trong DVR và cả giá thành của nó, tài liệu [27,39]. Vì vậy, để có những tính toán chính xác các thông số và có thể giúp để đánh giá vị trí tốt nhất của một DVR ta xét một mô hình đơn giản của DVR kết nối lưới, như hình 1.18. UDVR Zsupply Usupply Uinj R DVR XDVR Itai ~ ~ Tải Hình 1.18 Mô hình đơn giản một pha của DVR. DVR có thể được biểu diễn như là một nguồn áp lý tưởng (Uinj) với một thành phần điện kháng được đưa vào XDVR, đại diện chủ yếu cho các thành phần điện kháng các máy biến áp nối tiếp và các bộ lọc dòng, còn thành phần điện trở RDVR, đại diện cho tổn thất bên 18 trong DVR. Giá trị của các trở kháng đưa vào có liên quan chặt chẽ đến giá trị điện áp DVR (UDV R) và công suất DVR (SDVR) theo tài liệu [39]. 2 2 2 (1.8) U DVR U DVR U DVR X DVR  .u DVR , X ; RDVR  .u DVR , R ; Z DVR  .u DVR ,Z S DVR S DVR S DVR u DVR ,Z  u DVR , R  ju DVR , X uDVR, Z phụ thuộc vào loại biến áp được sử dụng, bộ lọc dòng, tổn thất trong VSC v.v… Một DVR với khả năng bơm vào điện áp cao (UDVR cao) và chỉ bảo vệ một tải có công suất nhỏ (SDVR thấp) thường có một trở kháng (ZDVR) DVR tương đương lớn. Một DVR ở vị trí mức điện áp thấp LV lên một vị trí mức điện áp cao hơn, giá trị điện kháng của DVR (uDV R,X) có xu hướng tăng, và giá trị điện trở (uDV R, R) có xu hướng giảm. Điện trở DVR cao làm tổn thất năng lượng do bị tiêu tán trên DVR và các tổn hao liên quan đến tổn thất chung. Toàn bộ tổng trở DVR được chèn vào cao làm tăng lên khả năng biến dạng điện áp tải và dao động điện áp tải nếu tải là phi tuyến hoặc tải có hành vi biến động.  DVR được kết nối ở cấp MV Kết nối ở cấp MV, DVR bảo vệ được các hộ tiêu thụ lớn hoặc một nhóm các hộ tiêu thụ. Trong hình 1.19 thể hiện một DVR kết nối ở vị trí trong hệ thống phân phối trung thế. 10/0.4kV 10/0.4kV DVR Tải 1 50/10kV Tải 1 50/10kV DVR Tải 2 Tải 2 10/0.4kV Tải 3 Tải 3 Hình 1.20 Vị trí DVR cấp điện áp LV trong hệ thống phân phối [39] Hình 1.19 Vị trí DVR tại cấp MV trong hệ thống phân phối [39] Việc đưa vào một DVR lớn ở cấp MV sẽ chỉ làm tăng trở kháng nguồn cung cấp như một tải LV nhỏ không đáng kể. Giả sử, một thanh cái bất kỳ ở mức 50 kV, trở kháng cho một tải LV bao gồm các tổng trở kháng từ máy biến áp 50/10 kV, cáp và đường dây trên không cấp 10 kV, các biến áp phân phối 04/10 kV và cuối cùng là cấp LV cáp đến tải LV. Trở kháng và sự tăng lên của nó với việc đưa vào một DVR có thể xác định theo [39]. (1.9) Z sup ply,before  Z 50 / 10  Z line,10 Z10 / 0.4  Z line,0.4 Z sup ply,after  Z DVR  Z sup ply,before Z increa,%  Z DVR 100% Z sup ply,before Đối với một tải LV trở kháng chủ yếu là trở kháng đường dây LV (Zline, 0,4) và trở kháng của biến áp phân phối (Z10/0.4). Nếu việc bảo vệ một tải MV lớn mà gần với DVR thì việc gia tăng trở kháng của tải có thể là đáng kể. Việc chèn vào một DVR ở cấp độ MV có những lợi thế nhất định: - Các trở kháng tăng lên được chèn vào với một DVR được xem như một tải LV là tương đối nhỏ nếu một DVR lớn được đặt ở cấp MV. - Các hệ thống phân phối ba dây không nối đất sẽ thuận lợi cho DVR chỉ điều khiển chèn vào điện áp thành phần thứ tự thuận và thứ tự ngược là đủ nên dẫn đến cấu trúc của DVR được đơn giản hơn. 19 Các chi phí cho mỗi MVA để bảo vệ dự kiến sẽ thấp hơn nếu một DVR có vị trí ở trong những trung tâm như tải lớn so với một DVR chèn vào ở cấp điện áp thấp và phụ tải không tập trung. Một số những bất lợi có thể được tóm tắt: - Để bảo vệ một tải lớn yêu cầu một DVR đặt ở cấp trung áp nếu không tổn thất trong DVR sẽ cao. - Các lỗi chạm đất trong hệ thống MV với điện áp pha chạm đất có thể tăng √3 lần, và yêu cầu mức độ cách ly cao hơn của máy biến áp nối tiếp cần phải được đảm bảo. - DVR được kết nối đòi hỏi mức độ cách ly cao hơn và mức độ ngắn mạch cao hơn.  DVR được kết nối tại cấp điện áp thấp LV Hình 1.20 minh họa một DVR kết nối ở vị trí cấp điện áp thấp ba pha bốn dây 400V. Việc tăng trở kháng khi đưa vào một DVR công suất định mức nhỏ là đáng kể cho tải được bảo vệ từ các lõm điện áp, dẫn đến sự thay đổi phần trăm trong trở kháng. Khi kết nối một DVR ở cấp LV có những lợi thế nhất định sau, tài liệu [39]. - DVR có thể được đáp ứng đúng mục tiêu cụ thể hơn cho các tải nhạy cảm với điện áp lõm. - Mức độ ngắn mạch giảm đáng kể cho các biến áp phân phối và DVR dễ dàng hơn để bảo vệ. Những bất lợi khi kết nối DVR ở cấp LV. - Tăng trở kháng sau khi kết thúc chèn của DVR đối với tải được bảo vệ có thể lớn, dẫn đến một biến dạng của điện áp tải có thể tăng lên. - Các lõm điện áp với thành phần chuỗi thứ tự không có thể xuất hiện và để có thể bù thành phần này bằng việc thay đổi cấu trúc liên kết của DVR và lưới, đồng thời cần đưa ra các phương pháp điều khiển cho chuỗi các thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không trong hệ thống điều khiển, [39]. 1.2.2.3 Cấu trúc chung của DVR. Cấu trúc của DVR được cấu thành từ các thành phần chính gồm 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. mechanically by-pass disconnection Source u Rg Lg u s g ig uinj PCC uLiL Tải NC MBA chèn Thyristor By-pass DC-Link Cf Rf Lf VSC Bộ lọc Bộ lưu NL Hình 1.21 Sơ đồ cấu trúc một pha gồm các thành phần chính của DVR [19]  Máy biến áp nối tiếp: Tạo khả năng cách ly về điện giữa hệ thống DVR và lưới, đồng thời nâng điện áp chèn vào khi cần thiết. Đơn giản hóa cấu trúc liên kết và bảo vệ thiết bị. 20