Tài liệu Nghiên cứu thiết kế bộ bù lấp lõm điện áp dùng cấu trúc hai bộ biến đổi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------TRẦN HÀ BÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ BÙ LẤP LÕM ĐIỆN ÁP DÙNG CẤU TRÚC HAI BỘ BIẾN ĐỔI Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Điều khiển và Tự động hóa NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Dương Minh Đức Hà Nội – Năm 2016 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ......................................................................................... 1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. 2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... 3 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................... 6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LÕM ĐIỆN ÁP VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 8 1.1. Lõm điện áp............................................................................................................. 8 1.1.1. Định nghĩa lõm điện áp ....................................................................................8 1.1.2. Ảnh hưởng của lõm điện áp .............................................................................9 1.1.3. Nguyên nhân của lõm điện áp .......................................................................10 1.1.4. Đặc điểm của lõm điện áp..............................................................................11 1.2. Các thiết bị giảm lõm điện áp .............................................................................. 15 1.2.1. Bộ máy phát - động cơ ...................................................................................15 1.2.2. Các thiết bị giảm thiểu dựa trên biến áp ........................................................16 1.2.3. Bộ chuyển mạch tĩnh (STS) ...........................................................................17 1.2.4. Nguồn cung cấp liên tục (UPS) .....................................................................18 1.2.5. Bộ khôi phục điện áp động (DVR) ................................................................19 1.3. Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp và kết luận. .......................... 24 Chương 2 BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG ............................................................ 25 2.1. Các cấu trúc cho hệ thống DVR. ......................................................................... 25 2.1.1. Cấu trúc DVR sử dụng bộ lưu trữ năng lượng. .............................................25 2.1.2. Cấu trúc DVR hai bộ biến đổi không sử dụng bộ lưu trữ năng lượng. .........27 2.1.3. So sánh các cấu trúc. ......................................................................................30 2.2. Bộ biến đổi cho DVR. ........................................................................................... 31 2.2.1. Bộ biến đổi chỉnh lưu AC/DC. ......................................................................31 2.2.2. Bộ biến đổi nghịch lưu DC/AC. ....................................................................32 2.2.3. So sánh các cấu trúc và kết luận. ...................................................................34 2.3. Phương pháp kết nối DVR với lưới điện. ........................................................... 35 2.3.1. Cấu trúc DVR có bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp. ....................35 i 2.3.2. Cấu trúc DVR có bộ biến đổi nối lưới trực tiếp. ...........................................36 2.4. Hệ thống bảo vệ cho DVR và một số thiết bị khác trong hệ thống DVR. ....... 37 2.4.1. Bảo vệ ngắn mạch ..........................................................................................37 2.4.2. Bảo vệ hở mạch lưới ......................................................................................38 2.4.3. Bộ lọc tần số chuyển mạch. ...........................................................................39 2.4.4. Các phương pháp tích trữ năng lượng. ..........................................................41 2.5. Tóm tắt và kết luận. ............................................................................................. 43 Chương 3 THIẾT KẾ PHẦN MẠCH LỰC CHO HỆ THỐNG DVR ....................... 44 3.1. Các thông số đầu vào ban đầu để tính toán DVR ............................................. 44 3.2. Cấu trúc mạch lực của DVR và tính toán các tham số cần thiết. .................... 45 3.2.1. Thiết kế bộ biến đổi nguồn áp (VSC) sử dụng trong DVR. .............................46 3.2.2. Thiết kế tụ điện DC-link. ..................................................................................48 3.2.3. Thiết kế máy biến áp nối tiếp. ..........................................................................50 3.2.4. Thiết kế bộ lọc LC. ...........................................................................................51 3.2.5. Tính toán công suất của DVR. ..........................................................................53 3.3. Tổng hợp thông số mạch lực của hệ thống và DVR. ......................................... 54 Chương 4 ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG DVR ...................................................... 56 4.1. Quá trình khởi động, các chế độ hoạt động và hạn chế của DVR. .................. 56 4.1.1. Các chế độ hoạt động của DVR. .......................................................................56 4.1.2. Quá trình khởi động của DVR. .........................................................................57 4.1.3. Những hạn chế của DVR trong quá trình hoạt động. .......................................57 4.2. Phương pháp tạo điện áp chèn. ........................................................................... 58 4.2.1. Phương pháp tạo điện áp chèn với lõm điện áp cân bằng. ...............................58 4.2.2. Phương pháp tạo điện áp chèn với lõm điện áp không cân bằng. ....................63 4.2.3. Phương pháp tạo điện áp chèn đối với các loại tải khác nhau. .........................65 4.2.4. Tổng kết và nhận xét các phương pháp điều khiển. .........................................67 4.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển DVR. ..................................................................... 67 4.3.1. Xây dựng mô hình toán học của DVR..............................................................67 4.3.2. Cấu trúc điều khiển DVR. ................................................................................71 4.3.3. Thuật toán điều khiển DVR. .............................................................................74 ii 4.3.4. Cấu trúc điều khiển cho hệ thống DVR. ...........................................................76 4.3.5. Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống DVR. ...................................................77 4.4. Điều khiển phát hiện lõm điện áp. ...................................................................... 80 4.5. Điều khiển đồng bộ lưới. ...................................................................................... 83 Chương 5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DVR .................................................................. 87 5.1. Xây dựng mô hình mô phỏng. ............................................................................. 87 5.1.1. Tham số của hệ thống. ......................................................................................87 5.1.2. Mô hình hệ thống DVR và lưới. .......................................................................89 5.1.3. Mô hình hệ thống điều khiển DVR...................................................................89 5.1.4. Tổng hợp sơ đồ mô phỏng trên Matlab – Simulink. .........................................90 5.2. Kết quả mô phỏng và nhận xét............................................................................ 92 5.2.1. Trường hợp sự cố lõm điện áp ba pha chạm đất...............................................92 5.2.3. Trường hợp sự cố lõm điện áp hai pha chạm đất. ............................................93 5.2.4. Trường hợp sự cố lõm điện áp một pha chạm đất. ...........................................95 5.3. Nhận xét chung. .................................................................................................... 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 99 iii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 3.1: Các thông số đầu vào nguồn và tải của hệ thống ......................................... 44 Bảng 3.2: Bảng tham số của hệ thống DVR sau khi tính toán...................................... 54 Bảng 5.1: Bảng thông số mô phỏng. ............................................................................. 88 1 Danh mục các từ viết tắt DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DVR Dynamic Voltage Restorer Bộ khôi phục điện áp động UPS Uninterruptible Power Supply Nguồn cung cấp liên tục RMS Root Mean Square Điện áp hiệu dụng LV Low Voltage Cấp điện áp thấp MV MediumVoltage Cấp trung áp AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều STS Static Transfer Switch Bộ chuyển đổi mạch tĩnh VSC Voltage Source Converters Bộ chuyển đổi nguồn điện áp IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly PWM Pulse-Width Modulation Phương pháp điều chế độ rộng xung PLL Phase-Locked Loop Vòng khóa pha 2 Danh mục các hình vẽ, đồ thị DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các sự cố điện áp định nghĩa theo IEEE Std. 1159-1995; [27]. .................... 8 Hình 1.2. Lõm điện áp một pha 60% và xảy ra trong 4 chu kỳ [27] .............................. 9 Hình 1.3. Điện áp tại các điểm O1,O2 và O3 đối với ngắn mạch tại điểm SC và một nguồn tương đương. ...................................................................................................... 12 Hình 1.4. Bộ máy phát- động cơ 3 pha. ........................................................................ 15 Hình 1.5. Sơ đồ thiết bị giảm lõm điện áp sử dụng máy biến áp ferro - resonant. ....... 16 Hình 1.6. Sơ đồ thiết bị giảm lõm điện áp sử dụng máy biến áp với các khóa chuyển đổi bán dẫn .................................................................................................................... 17 Hình 1.7. Sơ đồ bộ chuyển mạch tĩnh. .......................................................................... 18 Hình 1.8. Sơ đồ UPS ba pha.......................................................................................... 19 Hình 1.9. Bộ khôi phục điện áp động DVR. ................................................................. 19 Hình 1.10: a) Sơ đồ miêu tả nguyên hoạt động của DVR; b) Sơ đồ đơn giản hóa hoạt động của DVR ............................................................................................................... 20 Hình 1.11. Đồ thị vectơ thể hiện nguyên lý bù lõm, [14] ............................................. 21 Hình 1.12: Cấu trúc chung của bộ khôi phục điện áp động. ......................................... 21 Hình 1.13: DVR được kết nối tại cấp trung áp trong hệ phân phối, [13]. .................... 23 Hình 1.14: DVR được kết nối tại cấp hạ áp trong hệ phân phối, [13]. ......................... 23 Hình 2.1: Cấu trúc DVR có bộ lưu trữ năng lượng với điện áp DC biến đổi, [13]. ..... 26 Hình 2.2: Cấu trúc DVR có điện áp DC-link không đổi, [13]. ..................................... 27 Hình 2.3: Cấu trúc DVR có bộ biến đổi AC/DC mắc phía nguồn, [13]. ...................... 28 Hình 2.4: Cấu trúc DVR có bộ biến đổi AC/DC mắc phía tải, [13]. ............................ 29 Hình 2.5: Bộ biến đổi chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng cho DVR.................................... 31 Hình 2.6: Bộ biến đổi nghịch lưu cầu ba pha kết nối với máy biến áp kiểu sao/sao hở. ....................................................................................................................................... 32 Hình 2.7: Bộ biến đổi nghịch lưu cầu ba pha kết nối với máy biến áp kiểu tam giác/sao hở, [13]. ......................................................................................................................... 33 Hình 2.8. Bộ biến đổi dùng ba bộ biến đổi cầu một pha kết nối với máy biến áp kiểu sao/sao hở, [13]. ............................................................................................................ 33 Hình 2.9. Bộ biến đổi đa mức (diode kẹp điểm trung tính) nối máy biến áp kiểu tam giác/sao hở, [13]. ........................................................................................................... 34 3 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 2.10: Ví dụ về cấu trúc DVR có bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp, [13] ....................................................................................................................................... 35 Hình 2.11: Ví dụ về một cấu trúc DVR có bộ biến đổi nối lưới trực tiếp, [13]. ........... 36 Hình 2.12: Sơ đồ bảo vệ thụ động hệ thống ngắn mạch biến áp nối tiếp ..................... 37 Hình 2.13: Sơ đồ bảo vệ hệ thống biến đổi ................................................................... 37 Hình 2.14: Đường đi dòng điện trong trạng thái ngắn mạch: a) Trạng thái OFF khi ngắt mạch tất cả các chuyển mạch BBĐ, b) Trạng thái NULL các chuyển mạch ngắn mạch ở phía AC của BBĐ ...................................................................................................... 38 Hình 2.15: Các tình trạng hỏng hóc với sự có mặt của hệ thống DVR: (a) hở mạch phía nguồn, (b) ngắn mạch phía nguồn, trong đó k là hệ số chia điện áp phụ thuộc vào trở kháng các tải .................................................................................................................. 39 Hình 2.16: Bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi. ..................................................................... 40 Hình 2.17: Bộ lọc LC phía nguồn. ................................................................................ 41 Hình 3.1: Sơ đồ mạch nguồn và tải ............................................................................... 44 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc mạch lực cho DVR sử dụng ba bộ biến đổi một pha, có bộ biến đổi AC/DC mắc phía tải. ....................................................................................... 45 Hình 3.3. Cấu trúc 1 pha bộ biến đổi DC/AC của DVR. .............................................. 46 Hình 3.4: Sơ đồ tương đương một pha của hệ thống sử dụng bộ lọc LC. .................... 51 Hình 4.1. Đồ thị vector của phương pháp trước lõm. ................................................... 59 Hình 4.2. Đồ thị vector của phương pháp đồng pha. .................................................... 61 Hình 4.3. Đồ thị vector của phương pháp tối ưu hóa năng lượng................................. 62 Hình 4.4: Sơ đồ vector mô tả a phương pháp tạo điện áp chèn vào trên lưới điện ba pha.a) Phương pháp “Trước lõm”; b) Phương pháp “Đồng pha; c)Phương pháp “Tối ưu năng lượng”. ............................................................................................................. 64 Hình 4.5: Sơ đồ đơn giản hóa bộ biến đổi VSC và bộ lọc LC. ..................................... 68 Hình 4.6. Mô hình tương đương của bộ biến đổi VSC và bộ lọc LC ........................... 68 Hình 4.7. Mô hình đơn giản bộ biến đổi VCS và bộ lọc LC ........................................ 69 Hình 4.8: Sơ đồ cấu trúc mạch tương đương của bộ biến đổi VCS và bộ lọc LC. ....... 69 Hình 4.9: Mô hình DVR trên hệ trục tọa độ dq. ........................................................... 70 Hình 4.10: Cấu trúc điều khiển truyền thẳng cho DVR. ............................................... 71 Hình 4.11: Điều khiển phản hồi cho DVR .................................................................... 72 Hình 4.12: Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng cho DVR. ........................................... 73 4 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 4.13: Minh họa một cấu trúc điều khiển hệ thống DVR trên hệ tọa độ cực. ....... 75 Hình 4.14: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống DVR. ............................................ 76 Hình 4.15: Mạch vòng điều khiển dòng điện ................................................................ 78 Hình 4.16: Sơ đồ cấu trúc mô hình bộ điều khiển dòng điện. ...................................... 78 Hình 4.17: Mạch vòng điều khiển điện áp. ................................................................... 79 Hình 4.18: Cấu trúc bộ điều khiển điện áp. .................................................................. 80 Hình 4.19: Phát hiện một lõm điện áp không đối xứng: a) Điện áp nguồn ba pha với các lỗi nét liền) và không lỗi (nét chấm gạch); b) Phương pháp 1 Độ lớn của vector không gian; c) Phương pháp 2 ước tính các thành phần d và q; d) Phương pháp 3, độ lớn của sai lệch vector, [13]. ......................................................................................... 82 Hình 4.20. Nguyên tắc hoạt động của mạch phát hiện có khả năng ngăn ngừa xung ngắn và tín hiệu rơle on và off, [13]. ............................................................................. 83 Hình 4.21: Sơ đồ cấu trúc vòng khóa pha PLL ............................................................. 84 Hình 4.22: Mô hình hóa cấu PLL để đồng bộ DVR vào lưới, [13]. ............................. 84 Hình 5.1: Sơ đồ mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink. ................................... 91 Hình 5.2: Điện áp nguồn trong quá trình xảy ra lõm ba pha chạm đất. ........................ 92 Hình 5.3: Điện áp ra mỗi nghịch lưu cầu H Va, Vb, Vc. .............................................. 92 Hình 5.4: Điện áp DVR bù vào lưới trong trường hợp xảy ra lõm ba pha chạm đất.... 93 Hình 5.5: Điện áp tải sau khi được khôi phục trong trường hợp xảy ra lõm ba pha chạm đất. ....................................................................................................................... 93 Hình 5.6: Điện áp nguồn trong quá trình xảy ra lõm hai pha chạm đất. ....................... 94 Hình 5.7. Điện áp ra mỗi nghịch lưu cầu H Va, Vb...................................................... 94 Hình 5.8. Điện áp DVR chèn vào lướ trong trường hợp lõm hai pha chạm đất. .......... 94 Hình 5.9. Điện áp tải sau khi được bù lõm trong trường hợp xảy ra lõm hai pha chạm đất. ................................................................................................................................. 95 Hình 5.10: Điện áp lõm một pha chạm đất. .................................................................. 95 Hình 5.11: Điện áp ra mỗi nghịch lưu cầu H Va. ......................................................... 96 Hình 5.12: Điện áp bù của DVR trong trường hợp xảy ra lõm một pha chạm đất. ...... 96 Hình 5.13: Điện áp tải sau khi được khôi phục trường hợp lõm một pha chạm đất. .... 96 5 Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Lõm điện áp là một hiện tượng suy giảm điện áp tức thời đột ngột trên hệ thống lưới điện, tuy chỉ xảy ra trong một khoảng thời gian rất ngắn những lõm điện áp là một trong những mối quan tâm hàng đầu trong vấn đề chất lượng điện năng. Nó có thể là nguyên nhân gây ra vấn đề về điện áp cho một số phụ tải nhạy cảm hoặc cuộn dây của rơle. 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, hoặc trong 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. Một trong những giải pháp hiệu quả để khắc phục lõm điện áp đó là sử dụng bộ khôi phục điện áp động DVR, đây là một giải pháp tiết kiệm hoặc áp dụng đối với những hệ thống không thể thực hiện được việc cải tạo. Một cấu trúc DVR truyền thống chủ yếu bao gồm các bộ biến đổi được nối liên tiếp với nhau thông qua một tụ điện dc, được sử dụng như một bộ lưu trữ năng lượng, hoặc có thể sử dụng một bộ lưu trữ năng lượng riêng như cuộn cảm siêu dẫn, acquy, tụ điện hai lớp… để cung cấp năng lượng cho hệ thống DVR. Khi so sánh với các hệ thống cấp nguồn liên tục UPS, DVR rất có ưu thế về hiệu suất cũng như giá thành, tuy vậy kích thước vật lý của các bộ biến đổi, bộ lưu trữ năng lượng và máy biến áp nối tiếp lại là một hạn chế để DVR có thể được ứng dụng rộng rãi. Gần đây, sự tiến bộ đáng kể trong công nghệ bán dẫn đặc biệt là sự ra đời của các van IGBT thế hệ mới đã làm giảm đáng kể kích thước và giá thành của các bộ biến đổi tuy nhiên các yếu tố về bộ lưu trữ năng lượng và biến áp nối tiếp vẫn chưa được khắc phục. Do đó luận văn này sẽ trình bày về cấu trúc DVR sử dụng hai bộ biến đổi trong đó bộ biến đổi AC/DC được kết nối ở phía tải và bộ biến đổi DC/AC bù điện áp được kết nối phía nguồn. Hai bộ biến đổi này được kết nối thông qua một tụ điện dc rất nhỏ, tụ điện này không đóng bất cứ vai trò nào trong việc cung cấp năng lượng cho hệ thống mà chỉ có tác dụng làm mịn điện áp ra của bộ biến đổi nghịch lưu. Mặt khác cấu trúc này không sử dụng bộ lưu trữ năng lượng mà lấy năng lượng trực tiếp từ nguồn để bù lõm điện áp do đó có thể giảm đáng kể kích thước cũng như giá thành cho hệ thống. Đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu thiết kế bộ bù lấp lõm điện áp dùng cấu trúc hai bộ biến đổi” tập trung nghiên cứu thiết kế một DVR không sử dụng kho tích trữ 6 Lời nói đầu năng lượng có khả năng tự động bù lõm điện áp trong một khoảng thời gian tương đối dài, đảm bảo các hoạt động an toàn cho các tải nhạy cảm. Luận văn được trình bày gồm 5 chương với nội dung như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về lõm điện áp, ảnh hưởng, nguyên nhân, đặc điểm và các biện pháp khắc phục lõm điện áp. Chỉ ra ưu nhược điểm của từng biện pháp và đi sâu vào phân tích hệ thống khôi phục điện áp động DVR. Chương 2: Trình bày chi tiết các thành phần cấu tạo nên bộ khôi phục điện áp động DVR, phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp khác nhau. Từ đó lựa chọn cấu trúc DVR không sử dụng bộ tích trữ năng lượng xây dựng một hệ thống DVR làm nền tảng để tính toán trong chương tiếp theo. Chương 3: Trình bày phương pháp phân tích cấu trúc phần lực của DVR và tính chọn mạch lực. Chương 4: Giới thiệu về các vấn đề cần điều khiển trong hệ thống DVR: Điều khiển điện áp chèn, điều khiển đồng bộ lưới, điều khiển phát hiện lõm điện áp. Từ đó xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống DVR dựa trên cấu trúc mạch lực trong chương 3 và các chiến lược điều khiển điện áp được trình bày trong chương 4. Chương 5: Mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/Simulink, đưa ra các kết quả mô phỏng phục vụ nghiên cứu thực nghiệm DVR trong thực tế. Để hoàn thành đề tài này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Dương Minh Đức và thầy giáo TS. Phạm Việt Phương người đã tạo điều kiện để em tiếp xúc với luận văn này. Trong quá trình thực hiện luận văn, thầy đã tận tình định hướng, hướng dẫn, cung cấp những kiến thức cần thiết. Đặc biệt thầy luôn theo dõi sát sao tiến độ làm việc cũng như quá trình làm việc, kết quả hàng tuần để giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2016 Học viên thực hiện Trần Hà Bình 7 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LÕM ĐIỆN ÁP VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục lõm điện áp. Trong đó ta sẽ so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp trên và nêu bật được tính hiệu quả của bộ khôi phục điện áp (DVR). Và tập trung nghiên cứu về bộ khôi phục điện áp động (DVR) dựa trên việc điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất. Nội dung trong chương này được tham khảo từ các tài liệu [1], [3], [6], [7], [9], [10], [11], [12], [13], [14]. 1.1. Lõm điện áp 1.1.1. 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. Hình 1.1 thể hiện sự phân loại giữa lõm điện áp và các sự cố khác theo IEEE Std. 1159-1995. Trong hình trên thuật ngữ “Voltage dip” hay “Voltage sag” được sử dụng để chỉ lõm điện áp, tài liệu [27]. Hình 1.1. Các sự cố điện áp định nghĩa theo IEEE Std. 1159-1995; [27]. 8 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. Ví dụ về một lõm điện áp một pha có độ suy giảm điện áp chỉ còn lại 60% so với điện áp chuẩn và kéo dài trong 4 chu kỳ được thể hiện ở hình 1.2 dưới đây. Hình 1.2. Lõm điện áp một pha 60% và xảy ra trong 4 chu kỳ [27] 1.1.2. Ảnh hưởng của lõm điện áp Các thiết bị như máy biến áp, động cơ cảm ứng, thiết bị chiếu sáng… và đặc biệt là các thiết bị điện tử rất nhạy cảm với các biến động điện áp đặc biệt là lõm điện áp, chúng đòi hỏi chất lượng điện áp cao hơn các loại tải khác. Sự cố lõm điện áp có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị dưới đây, tài liệu [10], [13], [27]: • Hệ truyền động điều khiển dòng xoay chiều, thường sử dụng các biến tần. Sự giảm điện áp tức thời do sự cố lõm điện áp có thể gây ra tác động của mạch bảo vệ thấp áp của hệ thống từ đó dẫn đến ngừng động cơ. Sự giảm điện áp cũng là nguyên nhân gây thay đổi vận tốc góc của động cơ, từ đó dẫn đến việc làm hỏng một số sản phẩm trong quá trình sản xuất. • Hệ truyền động điều khiển dòng một chiều, sự giảm điện áp tức thời do lõm điện áp gây ra có thể dẫn đến sự giảm tức thời từ thông, tốc độ động cơ thay đổi đột ngột, gây ra dòng lớn trong phần ứng động cơ. Ngoài ra sự cố này có thể gây nhầm điểm chuyển mạch tự nhiên, dẫn đến hoạt động của bộ chuyển mạch không chính xác, thậm chí có thể gây ra hỏng bộ biến đổi. • Các động cơ cảm ứng cấp nguồn trực tiếp từ lưới, khi xảy lõm điện áp có thể dẫn đến sự thay đổi vận tốc góc, dòng điện lớn và thay đổi đột ngột momen quay. 9 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. Ngoài ra việc mất cân bằng điện áp nguồn còn gây giảm momen có ích trên trục động cơ, tỏa nhiệt tăng trong các cuộn dây và tăng tổn hao công suất do sinh ra các dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần tĩnh và phần động. • Ảnh hưởng đến các thiết bị đo lường điện tử, lõm điện áp xảy ra sẽ dễ gây nhiễu loạn, sai số trong các phép đo. • Ảnh hưởng đến các biến áp năng lượng, sự giảm điện áp nguồn trên cuộn sơ cấp của biến áp dẫn đến việc hình thành từ thông một chiều dẫn đến tăng giá trị tức thời từ thông trên giá trị tối đa đối với một đường đặc tính từ hóa, máy biến áp sẽ đi vào trạng thái bão hòa. • Ảnh hưởng đến thiết bị chiếu sáng và các thiết bị văn phòng: sự giảm điện áp tức thời có thể gây nên tình trạng nhấp nháy đèn và tình trạng giảm cường độ sáng của đèn, có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị văn phòng. 1.1.3. Nguyên nhân của lõm điện áp Lõm điện áp có thể xảy ra do hậu quả của ngắn mạch, các lỗi chạm đất, máy biến áp năng lượng hoặc các động cơ cảm ứng có công suất lớn kết nối vào lưới. Ta có thể đưa ra một số nguyên nhân gây lõm điện áp như sau, tài liệu [9], [10], [13]: • Việc đóng hay ngắt của các máy cắt tại các trạm phân phối điện năng sẽ làm cho đường dây bị ngắt kết nối tức thời. Tất cả các đường dây được cung cấp bởi các trạm tương đương sẽ xuất hiện lõm điện áp. Độ sâu của lõm điện áp tại các nơi sảy ra phụ thuộc vào điện áp cung cấp và khoảng cách đến nơi xảy ra sự đóng cắt. • Sự quá tải hay lỗi của các thiết bị điện có công suất lớn cũng có thể gây ra lõm điện áp cho các đường dây khác thông qua hệ thống cung cấp. • Thời tiết xấu: sét đánh vào một đường dây điện và tiếp tục dẫn xuống đất, gió mạnh có thể làm đổ cây vào đường dây hay tuyết rơi cũng có thể gây hiện tượng chạm đất cho đường dây, gây ra lõm điện áp cho các vị trí khác nhau trong hệ thống cung cấp. • Một số động vật như sóc, chồn, rắn hay một số loài chim lớn đi vào đường dây điện hay máy biến áp, có thể gây ra ngắn mạch hai pha hoặc chạm đất. • Phương tiện giao thông có thể va chạm với các đường dây chạy dọc theo đường làm cho các máy cắt hoạt động và gây ra lõm điện áp. 10 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. • Một số hoạt động xây dựng cũng có thể gây lỗi cho đường dây điện ngầm dưới lòng đất. • Các hoạt động của một nhà máy công nghiệp cũng có thể gây ra lõm điện áp cho các khu vực địa phương như việc khởi động các động cơ lớn cùng lúc… 1.1.4. Đặc điểm của lõm điện áp a. Độ lớn lõm điện áp: là điện áp hiệu dụng theo phần trăm hoặc một đơn vị tương đối (p.u) còn lại khi sự cố lõm điện áp xảy ra. Điện áp hiệu dụng này được tính theo (1.1), tài liệu [14]. 1 𝑉𝑟𝑚𝑠 (𝑘 ) = � ∑𝑘𝑖=𝑘−𝑁+1 𝑣𝑖2 𝑁 (1.1) Trong đó: 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. 2 𝑉𝑟𝑚𝑠(1/2) (𝑘 ) = � ∑𝑘𝑖=𝑘−𝑁/2+1 𝑣𝑖2 𝑁 (1.2) Độ lớn của lõm điện áp là một giá trị ngẫu nhiên, phụ thuộc vào khoảng cách của lõm tới vị trí xảy ra sự cố ngắn mạch và nguồn cung cấp. 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 1.3. 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%. 11 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. Hình 1.3. Điện áp tại các điểm O1,O2 và O3 đối với ngắn mạch tại điểm SC và một nguồn tương đương. 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, …), điện áp sụt giảm ít hơn trong thời gian xảy ra biến cố, tài liệu [14]. 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. b. Khoảng thời gian lõm điện áp: Là khoảng thời gian giảm điện áp hiệu dụng từ 10% đến 90% của lõm điện áp danh định, tài liệu [10], [14]. 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. 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). Khi một biến cố khác với một ngắn mạch, thời gian được điều chỉnh bởi nguyên nhân gây ra biến cố đó. 12 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. c. 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 trí 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, tài liệu [14]. d. Phân loại lõm điện áp ba pha. Do trong thực tế có thể xảy ra rất nhiều kiểu sự cố khác nhau cũng như kiểu kết nối của máy biến áp năng lượng với đường dây nguồn do đó có thể xuất hiện rất nhiều những kiểu lõm khác nhau. Ta có thể phân loại chúng như sau, tài liệu [9], [11], [13], [14]: • Lõm điện áp cân bằng: là lõm có cùng độ lớn, 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 có độ lớn, khoảng thời gian xảy ra lõm và nhảy góc pha khác nhau trên 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 thành phần thứ tự không. Bốn kiểu của lõm điện áp kết quả từ các lỗi khác nhau trên lưới điện, trong đó trị số nhảy góc pha giả định bằng 0: • Lõm kiểu A: Lỗi ba pha và lỗi ba pha chạm đất (Three-phase fault and threephase-to-ground fault) 13 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. • Lõm kiểu B: Lỗi một pha chạm đất (Single-phase-to-ground fault) • Lõm kiểu C: Lỗi pha chạm pha (Phase-to-phase fault) • Lõm kiểu D: Lỗi hai pha chạm đất (Two-phase to ground fault) 14 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. 1.2. Các thiết bị giảm lõm điện áp Có nhiều giải pháp khác nhau để giảm thiểu ảnh hưởng của lõm điện áp, có thể phân biệt ba giải pháp sau đây. 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.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. 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, tài liệu [10], [12], [13], [23]. Trong số những giải pháp trên, khách hàng dùng điện chỉ 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 kỹ hơn về DVR. 1.2.1. 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 1.4, tài liệu [23]. Hình 1.4. Bộ máy phát- động cơ 3 pha. 15 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. 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. 1.2.2. 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 1.5, 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), 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. Mặt khác do có bão hòa nên hình dáng điện áp ra bị méo dạng, tài liệu [23]. Hình 1.5. Sơ đồ thiết bị giảm lõm điện áp sử dụng máy biến áp ferro - resonant. 16