Tài liệu Nghiên cứu hệ thống phục hồi nhanh sự cố tăng, giảm điện áp ngắn hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN ANH VĂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHỤC HỒI NHANH SỰ CỐ TĂNG, GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN ANH VĂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHỤC HỒI NHANH SỰ CỐ TĂNG, GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: ĐKTĐH15B-08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN TRỌNG MINH Hà Nội – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này là công trình của riêng tôi do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Trần Trọng Minh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn trung thực. Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 09 tháng 9 năm 2017 Học viên thực hiện Trần Anh Văn Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC ....................................................................................................................... i DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... iii DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................... vii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... viii Chương 1: GIẢI PHÁP SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU ÁP TÍCH CỰC (AVC) TRONG PHỤC HỒI SỰ CỐ TĂNG, GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN ................................... 12 1.1 Chất lượng điện năng và các vần đề về tăng/giảm điện áp ngắn hạn .............. 12 1.1.1 Chất lượng điện năng ................................................................................ 12 1.1.2 Lồi, lõm điện áp ........................................................................................ 15 1.2 Các giải pháp khắc phục sự cố biến động điện áp ngắn hạn. .......................... 16 1.2.1 Giải pháp sử dụng bộ cấp nguồn liên tục (UPS - Uninterruptible Power Supplier) ................................................................................................................ 16 1.2.2 Giải pháp dùng lọc tích cực (Active Filter) .............................................. 18 1.2.3 Giải pháp sử dụng bộ điều áp tích cực (AVC) với chỉnh lưu diode (chống sụt áp) 18 1.2.4 Giải pháp sử dụng bộ điều áp tích cực (AVC) dùng chỉnh lưu tích cực .. 19 1.3 Áp dụng bộ điều áp tích cực (AVC) bảo vệ nguồn điện cho hệ thống thiết bị kỹ thuật công trình Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh. ..................................................... 24 1.3.1 Hệ thống cung cấp điện cho Công trình Lăng .......................................... 24 1.3.2 Lịch sử tiêu thụ năng lượng Công trình Lăng........................................... 28 1.3.3 Các hộ tiêu thụ năng lượng và chỉ số năng lượng Công trình Lăng ......... 29 1.4 Kết luận............................................................................................................ 30 Chương 2: CẤU TRÚC BỘ PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP ĐỘNG ................................... 31 2.1 Nguyên tắc của bộ phục hồi điện áp động AVC ............................................. 31 2.2 Cấu trúc chung của hệ thống AVC .................................................................. 32 2.3 Bộ biến đổi....................................................................................................... 33 2.3.1 Bộ biến đổi phía lưới (Shunt converter) ................................................... 33 2.3.2 Bộ biến đổi phía tải (Series converter) ..................................................... 34 2.4 Máy biến áp ..................................................................................................... 39 2.5 Bộ lọc ............................................................................................................... 39 2.6 Kết luận............................................................................................................ 42 i Mục lục Chương 3: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP TẢI CỦA AVC .............................................................................................................................. 43 3.1 Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp một pha và phương pháp điều chế .................... 43 3.1.1 Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp một pha .......................................... 43 3.1.2 3.2 Phương pháp điều chế ............................................................................... 45 Xây dựng cấu trúc vòng khóa pha ................................................................... 47 3.2.1 Tổng quan về mạch vòng khóa pha PLL trong các hệ điều khiển bộ biến đổi làm việc đồng bộ với lưới ............................................................................... 47 3.2.2 Các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ .......................................................... 48 3.2.3 3.2.4 3.2.5 Cấu trúc vòng khóa pha cơ bản ................................................................ 49 Mạch vòng khóa pha một pha ................................................................... 54 Cấu trúc PLL dành cho việc tính toán thành phần thứ tự thuận của điện áp và góc pha của nó .................................................................................................. 56 3.3 Tính giá trị điện áp hiệu dụng (RMS) ............................................................. 57 3.4 Mô hình hóa bộ biến đổi Series và bộ lọc LC nối lưới ................................... 58 3.5 Tổng hợp các bộ điều chỉnh ............................................................................ 59 3.5.1 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện.............................................................. 61 3.5.2 Mạch vòng điều chỉnh điện áp .................................................................. 64 3.6 Kết luận............................................................................................................ 65 Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG AVC ......................................... 66 4.1 Tham số mô phỏng và cấu trúc của hệ thống khi nối lưới trong Matlab ........ 66 4.1.1 Tham số mô phỏng ................................................................................... 66 4.1.2 Cấu trúc bộ khôi phục điện áp động trong Matlab Simulink.................... 67 4.2 Kết quả mô phỏng............................................................................................ 69 4.3 Kết luận............................................................................................................ 73 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 74 ii Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 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. ..................................................................................... 13 Hình 1.2. Tỷ lệ phần trăm các biên cố điện áp.............................................................. 13 Hình 1.3. Phân loại các biến cố điện áp dựa theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995 ........... 15 Hình 1.4. Nguyên lý hoạt động của UPS loại on-line ................................................... 17 Hình 1.5. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực ...................................................... 18 Hình 1.6. Nguyên lý hoạt động của bộ điều áp tích cực dùng chỉnh lưu diode ............ 19 Hình 1.7. Hoạt động của bộ điều áp tích cực khi điện áp lưới bình thường ................. 21 Hình 1.8. Hoạt động của điều áp tích cực khi điện áp lưới thấp hơn điện áp định mức ....................................................................................................................................... 21 Hình 1.9. Hoạt động của điều áp tích cực khi điện áp lưới cao hơn điện áp định mức 22 Hình 1.10. Chế độ hoạt động By-pass của điều áp tích cực ......................................... 22 Hình 1.11. Sơ đồ hệ thống cung cấp điện công trình Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh ..... 26 Hình 1.12. Biểu đồ tiêu thụ điện hàng tháng năm 2012, 2013 và 2014. ........................ 28 Hình 2.1. Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của AVC ............................................... 31 Hình 2.2. Đồ thị vector thể hiện nguyên lý bù lõm và lồi điện áp của AVC ................ 32 Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc các thành phần chính của AVC ............................................. 32 Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc tổng quan bộ AVC ................................................................ 33 Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc tổng quan bộ biến đổi phía lưới và mạch lọc đầu vào. ......... 34 Hình 2.6. Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp một pha ....................................... 34 Hình 2.7. Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp hệ thống ba pha ........................... 35 Hình 2.8.Cấu trúc bộ biến đổi phía tải kết nối máy biến áp kiểu sao/sao hở ................ 37 Hình 2.9. Cấu trúc bộ biến đổi phía tải kết nối máy biến áp kiểu tam giác/sao hở. ..... 37 Hình 2.10. Cấu trúc nghịch lưu ba pha dùng ba BBĐ một pha. ................................... 38 Hình 2.11. Sơ đồ mạch lực một pha của bộ biến đổi phía tải có mạch bybass. ............ 40 iii Danh mục hình vẽ Hình 2.12. Tụ điện kết nối phía nguồn ......................................................................... 40 Hình 2.13. Tụ điện kết nối phía nguồn và tải ................................................................ 40 Hình 2.14. Cấu trúc bộ lọc có tụ điện kết nối song song với bộ biến đổi ..................... 41 Hình 2.16. Cấu trúc bộ lọc RC phía nguồn ................................................................... 41 Hình 3.1. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi Series dùng 3 mạch NLNA 1 pha .................... 43 Hình 3.2. Mô hình nghịch lưu nguồn áp một pha được mô tả bởi khóa chuyển mạch. 44 Hình 3.3. Điều chế đơn cực cho cầu H. ........................................................................ 46 Hình 3.4. Dạng sóng điều chế theo phương pháp đơn cực. .......................................... 46 Hình 3.5. Cấu trúc vòng khóa pha cơ bản ..................................................................... 49 Hình 3.6. Mô hình tuyến tính hóa của vòng khóa pha .................................................. 50 Hình 3.7. Cấu trúc vòng khóa pha một pha .................................................................. 54 Hình 3.8. Cấu trúc khối chuyển đổi .............................................................................. 55 Hình 3.9. Cấu trúc vòng khóa pha nâng cao để tính toán thành phần thứ tự thuận ...... 56 Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc của khối tính điện áp hiệu dụng .......................................... 57 Hình 3.11. Sơ đồ mạch điện tương đương NLNA 1 pha và mạch lọc LC .................... 58 Hình 3.12. Mô hình toán học bộ Series và bộ lọc LC ................................................... 59 Hình 3.13. Sơ đồ mạch điều khiển cho bộ khôi phục điện áp động ............................. 60 Hình 3.14. Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp ...... 61 Hình 3.15. Mô tả toán học mạch vòng điều khiển dòng điện ....................................... 62 Hình 3.16. Mô tả toán học mạch vòng điều chỉnh điện áp ........................................... 64 Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống khi nối lưới trong Matlab Simulink ....................... 67 Hình 4.2. Khối “Controller” .......................................................................................... 68 Hình 4.3. Phần tính toán lượng đặt cho mạch vòng điều chỉnh điện áp ....................... 68 Hình 4.4. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi Series ................................................................ 69 Hình 4.5. Dạng điện áp và dòng điện trong TH1 .......................................................... 70 Hình 4.6. Dạng điện áp và dòng điện trong TH2 .......................................................... 70 Hình 4.7. Dạng điện áp và dòng điện trong TH3 .......................................................... 71 iv Danh mục hình vẽ Hình 4.8. Dạng điện áp và dòng điện trong TH4 .......................................................... 71 Hình 4.9. Phân tích Fourie dạng điện áp trên tải pha A ................................................ 72 v Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Điện năng tiêu thụ và chi phí tiền điện năm 2012, 2013 và 2014 ................ 28 Bảng 1.2. Điện năng tiêu thụ của các thành phần phụ tải năm 2014 ............................ 29 Bảng 3.1. Giá trị băng thông của bộ điều chỉnh dòng điện ........................................... 64 Bảng 3.2. Giá trị băng thông của bộ điều chỉnh điện áp ............................................... 64 Bảng 4.1. Tham số mạch lực và bộ điều khiển ............................................................. 66 vi Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Ý nghĩa Ghi chú Tiếng Anh AVC Bộ bù điện áp động Active Voltage Conditioner NLNA Nghịch lưu nguồn áp PLL Vòng khóa pha Phase Locked Loop ĐC/ĐK Điều chỉnh/Điều khiển Control PWM Điều chế độ rộng xung Pulse Width Modulation MBA Máy biến áp Transfomer BBĐ Bộ biến đổi Converter VSC Bộ biến đổi Series vii Mở đầu 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 điều áp tích cực (Active Voltage Conditioner- AVC) xây dựng trên cơ sở bộ biến đổi bán dẫn là thiết bị nhằm đảm bảo phục hồi nhanh điện áp trên các phụ tải nhạy cảm khi có sự cố tăng (giảm) 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. Trong số các sự cố trên hệ thống điện thì sự cố do tăng, giảm điện áp ngắn hạn là loại sự cố nghiêm trọng nhất và có tần suất xuất hiện lớn nhất. Mặc dù 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 chuyền 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 AVC là giải pháp tiết kiệm, có thể được lắp đặt để bảo vệ các tải nhạy cảm quan viii Mở đầu trọng, những hệ thống thiết bị có sẵn và đang bị ảnh hưởng của những sự tăng, giảm điện áp ngắn hạn, kéo dài dưới một phút. Lý do phải dùng AVC 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 biến động điện áp ngắn hạn 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 AVC 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. AVC 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 biến động điện áp. Mặt khác, AVC cần đảm bảo các chế độ hoạt động, đó là chế độ bù, chế độ chờ, chế độ by-pass, trong phạm vi giới hạn của công suất thiết kế. 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 AVC nhằm đảm bảo cho các phụ tải quan trọng nhạy cảm không bị chịu tác động của các loại sự cố biến động điện áp ngắn hạn từ nguồn. Nghiên cứu chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị AVC một cách hiệu quả nhất thông qua việc áp dụng cho một trường hợp thực tế bảo vệ nguồn cung cấp điện cho hệ thống thiết bị kỹ thuật công trình Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh. 3. Mục tiêu đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Tìm hiểu giải pháp sử dụng bộ điều áp tích cực (AVC) trong phục hồi nhanh sự cố tăng giảm điện áp. ix Mở đầu - Nghiên cứu cấu trúc bộ khôi phục điều áp tích cực (AVC) để đảm bảo khả năng đưa ra điện áp phục hồi ứng với thay đổi của phụ tải và biên độ điện áp cũng như thời gian biến động. - Nghiên cứu áp dụng AVC trong bảo vệ nguồn cung cấp điện cho hệ thống thiết bị kỹ thuật công trình Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh. - Xây dựng mô hình mô phỏng để kiểm tra chất lượng thuật toán điều khiển đề xuất và khả năng khôi phục điện áp của AVC. 4. Phương pháp nghiên cứu - 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, 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: Chương 1: Giải pháp sử dụng bộ điều áp tích cực (AVC) trong phục hồi nhanh sự cố tăng, giảm điện áp ngắn hạn. Trình bày tổng quan về biến động điện áp ngắn hạn trên lưới điện và các phương pháp giảm thiểu biến động điện áp ngắn hạn, trong đó trọng tâm nghiên cứu phương pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là sử dụng bộ điều áp tích cực (AVC). Trình bày các điều kiện áp dụng AVC thông qua một trường hợp áp dụng AVC bảo vệ một tải nhạy cảm quan trọng thực tế là Hệ thống kỹ thuật Công trình Lăng Chủ Tịch Hồ Chí Minh. Chương 2: Cấu trúc bộ điều áp tích cực AVC Trình bày chức năng nhiệm vụ của các thành phần trong hệ thống, các kiểu kết nối, phương pháp bảo vệ cho AVC và cuối cùng là lựa chọn một cấu trúc phần cứng điển hình của AVC để tiếp tục nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển của hệ thống. x Mở đầu Chương 3: Nghiên cứu điều khiển bộ phục hồi điện áp tải của AVC. Tiến hành xây dựng cấu trúc điều khiển và mô phỏng bộ khôi phục điện áp động (hay còn gọi là bộ biến đổi Series) hoạt động trong điều kiện điện áp nguồn có biến cố lồi lõm. Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng AVC. Kết luận và kiến nghị Hà Nội, ngày 09 tháng 9 năm 2017 Học viên thực hiện Trần Anh Văn xi Chương 1: Giải pháp sử dụng bộ điều áp tích cực AVC Chương 1: GIẢI PHÁP SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU ÁP TÍCH CỰC (AVC) TRONG PHỤC HỒI SỰ CỐ TĂNG, GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN 1.1 Chất lượng điện năng và các vần đề về tăng/giảm điện áp ngắn hạn 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/lồi điện áp: 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 (60s). Trong khi lồi 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. Trong đó các biến động điện áp dưới một phút được coi là các biến động ngắn hạn. • 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, 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, 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 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. Tình trạng treo máy tính 12 Chương 1: Giải pháp sử dụng bộ điều áp tích cực AVC Nhấp nháy ánh sáng Sự cố thiết bị Thiết bị xử lý dữ liệu Quá tải PFC 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% Hình 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. Hình 1.2. Tỷ lệ phần trăm các biên cố điện áp 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: 13 Chương 1: Giải pháp sử dụng bộ điều áp tích cực AVC • 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 vv... 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. 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. 14 Chương 1: Giải pháp sử dụng bộ điều áp tích cực AVC 1.1.2 Lồi, lõm điện áp Trong số các sự cố trên hệ thống điện thì sự cố do tăng, giảm điện áp ngắn hạn là loại sự cố nghiêm trọng nhất và có tần suất xuất hiện lớn nhất, theo kết quả khảo sát bởi Hội đồng châu Âu ở 1400 vị trí trong 8 quốc gia thì sự cố giảm điện áp (VSAVoltage Sags) chiếm 31% và sự cố tăng điện áp (VSW-Voltage SWell) chiếm 13% trong tổng số sự cố liên quan đến hệ thống cung cấp điện. Do sự tăng hay giảm điện áp diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn rồi lại phục hồi nên cũng gọi là sự lồi, lõm điện áp một cách ngắn gọn. 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 (60s). Trong khi lồi 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. Các hiện tượng biến động điện áp này được mô tả chi tiết ở Hình 1.3, trong đó các biến động điện áp dưới một phút được coi là các biến động ngắn hạn. Hình 1.3. Phân loại các biến cố điện áp dựa theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995 Các nguyên nhân dẫn tới sự biến động điện áp ngắn hạn trên lưới có thể tổng kết lại như sau: • Do sự vận hành của lưới điện: Trong vận hành của lưới điện việc đóng cắt hệ thống tụ bù trên đường dây truyền tải (đặc biệt trên các đường truyền tải dài như đường dây trung và cao áp) thường dẫn tới biến thiên điện áp ngắn hạn. 15 Chương 1: Giải pháp sử dụng bộ điều áp tích cực AVC • Do tác động của các phụ tải phi tuyến: Sự hoạt động của các phụ tải phi tuyến mạnh (điển hình là các hệ thống nấu, luyện kim loại bằng điện) gây ra sự biến động công suất tiêu thụ lớn và phát các sóng hài dòng điện vào lưới truyền tải cũng sẽ gây ra sự biến động điện áp ngắn hạn trên lưới. • Do ảnh hưởng của sét khi trời mưa: Các đường dây truyền tải thường được trang bị hệ thống chống, cắt sét để bảo vệ thiết bị. Khi xuất hiện sét đánh vào đường truyền tải các hệ thống chống, cắt sét sẽ hoạt động để dẫn năng lượng do sét đánh xuống đất và hoạt động này sẽ gây sụt áp ngắn hạn. Các biến động điện áp ngắn hạn này thường gây hư hỏng hoặc tạm dừng làm việc hoặc hoạt động sai qui trình công nghệ đối với một số thiết bị điện và điện tử. Trong một số trường hợp các thiết bị này có thể đóng vai trò chủ chốt trong toàn bộ dây chuyền 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. Ngoài ra nếu phụ tải là hệ thống điều khiển hoặc xử lý số liệu có thể dẫn tới gián đoạn hoặc mất thông tin, điều này cũng dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng. Những phụ tải dễ bị ảnh hưởng của lồi, lõm điện áp, mà lại thường đóng một vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất, gọi là các phụ tải nhạy cảm. Do vậy việc khắc phục nhanh các sự cố biến động điện áp ngắn hạn đang là đòi hỏi cấp thiết được nhiều nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm. Các giải pháp cho khắc phục sự cố biến động điện áp ngắn hạn có thể tổng kết như sau: 1.2 Các giải pháp khắc phục sự cố biến động điện áp ngắn hạn. 1.2.1 Giải pháp sử dụng bộ cấp nguồn liên tục (UPS - Uninterruptible Power Supplier) Trong những năm trước đây giải pháp dùng UPS để chống biến thiên điện áp lưới cho phụ tải quan trọng được sử dụng khá nhiều, đặc biệt là khi có sự mất điện ngắn hạn. Có hai loại thiết bị cấp nguồn liên tục (UPS) là loại on-line và loại off-line. Trong ứng dụng ngăn ngừa biến động điện áp chỉ có UPS loại on-line là đáp ứng được nên ở đây ta từ “UPS” được nói tới là các UPS loại on-line. Trong giải pháp sử dụng UPS, điện cấp cho các phụ tải quan trọng không được cấp trực tiếp từ lưới mà được cấp từ bộ nghịch lưu bán dẫn nên có thể nói chất lượng điện áp hoàn toàn phụ thuộc vào chất lượng điện áp tạo ra bởi UPS. Điện áp tạo ra của UPS được “cách ly” với điện áp lưới bởi mạch một chiều (DC) trung gian có dàn ắc-quy nối vào nên các ảnh hưởng của sự biến thiên điện áp lưới sẽ tự động được bù bởi hệ thống ắc quy này. Do vậy, điện áp cấp cho phụ tải là có thể điều chỉnh được và sẽ hoàn toàn tránh được các ảnh hưởng của biến thiên điện áp lưới. Ngay cả khi mất điện lưới hoàn toàn thì UPS 16 Chương 1: Giải pháp sử dụng bộ điều áp tích cực AVC vẫn có thể duy trì điện áp cấp cho phụ tải từ năm phút tới hàng chục phút tùy theo dung lượng của ắc-quy. Trên Hình 1.4 là nguyên lý hoạt động của UPS loại on-line. Hình 1.4. Nguyên lý hoạt động của UPS loại on-line Tuy nhiên chi phí vận hành của UPS khá cao do các nguyên nhân sau: • Dàn ắc-quy của UPS đòi hỏi chế độ bảo dưỡng khá ngặt nghèo và chỉ có tuổi thọ cũng chỉ từ 3 tới 5 năm nếu bảo dưỡng tốt. • Ắc quy hoạt động sẽ phát nhiệt nhưng lại yêu cầu nhiệt độ tiêu chuẩn 250C mới đảm bảo tuổi thọ ắc quy nên thường phải lắp thêm điều hòa cho phòng chứa ắc quy. • Do các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu hoạt động đồng thời và 100% công suất cho tải được cấp thông qua các bộ biến đổi này nên hiệu suất của UPS không cao chỉ vào khoảng 89% tới 94%. • Không gian lắp đặt yêu cầu lớn do cần không gian riêng cho dàn ắc-quy. Đối chiếu với các biến động điện áp ngắn hạn dưới một phút thì UPS không phát huy được thế mạnh của nó nên ngày này người ta ít sử dụng UPS cho việc bảo vệ phụ tải trước biến động điện áp ngắn hạn mà chỉ sử dụng UPS trong trường hợp phụ tải yêu cầu hoạt động liên tục trong khi chuyển nguồn chính sang nguồn dự phòng lúc mất điện. 17