Mô hình tải cho việc phân tích trạng thái xác lập và quá độ hệ thống điện hạ áp DC

Nội dung text: Mô hình tải cho việc phân tích trạng thái xác lập và quá độ hệ thống điện hạ áp DC

1. MÔ HÌNH TẢI CHO VIỆC PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI XÁC LẬP VÀ QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN HẠ ÁP DC PGS.TS Quyền Huy Ánh, ThS Võ Thị Hồng Dúng Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM TÓM TẮT Bài báo này trình bày nghiên cứu thử nghiệm các tải AC thông dụng sử dụng trong các hộ gia đình và văn phòng khi được cung cấp với nguồn DC và xây dựng mô hình tải phù hợp với trạng thái xác lập và quá độ của tải trong môi trường Matlab. Độ chính xác của mô hình được kiểm tra dựa trên kết quả đo thử trực tiếp và kết quả mô phỏng. Kết quả phân tích việc sử dụng trực tiếp nguồn DC cho thấy khả năng áp dụng là phù hợp cho các hộ sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời ở khu vực nông thôn, vùng xa lưới điện. LOAD MODELS FOR ANALYZING STEADY AND TRANSIENT STATE OF DC POWER SUPPLY ABSTRACT This paper presents experimental study of AC loads commonly used in households and offices to be provided with DC power and building load models according to steady state and transient states in the Matlab environment. The accuracy of the models is tested on the analyze of the directly test and simulation results. The analytical results indicate the ability to using direct DC power supply for load facility using direct solar-electrical energy in rural areas, remote grids. 1. Giới thiệu Nên việc truyền tải DC và cấp điện DC trực Hiện nay, giá của các thiết bị điện tử và thiết tiếp cho các tải dân dụng được quan tâm bị bán dẫn đã giảm xuống một cách nhanh nhiều hơn, đặc biệt cho các hộ phụ tải sử chóng. Ngoài ra, việc sử dụng trực tiếp điện dụng nguồn năng lượng tái tạo (Hình 1). DC (không sử dụng Inverter công suất lớn) Để phân tích một hệ thống phân phối DC, cũng làm giảm một phần sóng hài đưa lên cần phải có các mô hình chính xác của các lưới. tải, mô tả cả trạng thái ổn định và quá độ khi Thanh cái DC tải được cung cấp với nguồn DC. Chất lượng các mô hình được xây dựng trong môi Tải tuyến tính Nguồn AC DC trường Matlab được đánh giá thông qua việc AC so sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực DC Thiết bị tế. điện tử DC Pin 2. Qui trình đo DC Thiết bị Cài đặt phép đo và độ chính xác điện tử Tất cả các tải thử nghiệm được đo kiểm đặc Pin quang điện DC tính ngõ vào và ngõ ra ở điều kiện hoạt động bình thường khi cấp nguồn AC. Kết quả đo Pin nhiện liệu Các tải khác được sử dụng để đánh giá và so sánh khi thiết bị thử nghiệm được cấp nguồn DC, đồng thời để xác định mối quan hệ giữa dòng DC AC Tải AC Tua bin nhỏ (nếu có) và áp của tải thử nghiệm. Phổ tần của các tải AC DC thử nghiệm được phân tích dưới điều kiện Hình 1. Hệ thống phân phối DC. điện áp danh định. Để phân tích trạng thái
2. quá độ của tải thử nghiệm cần thay đổi mức Mô hình toán điện áp cung cấp. Thiết bị đo được liệt kê Mô hình tải là một sự biểu diễn quan hệ giữa trong Bảng 1 cùng với sai số định mức trong điện áp và dòng điện hoặc giữa công suất và phạm vi cho phép. điện áp. Quan hệ giữa điện áp theo dòng điện Thiết bị đo Đại lượng Sai số Dãy đo được mô tả theo biểu thức: LeCroy Current Probe Dòng điện ± 1 % DC – 120 kHz 2 AP011 U(I) = Rp2I + Rp1I + Rp0 (1) LeCroy Differential Điện áp ± 2 % DC – 15 MHz Trong đó: Rp2, Rp1, và Rp0 là các hệ số cần Probe AP032 xác định. Dạng phương trình quan hệ giữa Fluke 77 Điện áp ± 0.3 % - Fluke 87 Dòng điện ± 0.2 % - dòng điện theo điện áp mô tả theo biểu thức: 2 Bảng 1. Độ chính xác của phép đo và băng tần của I(U) = Yp2U + Yp1U + Yp0 (2) các thiết bị đo. Trong đó: Yp2, Yp1 và Yp0 là các hệ số cần Đầu tiên, các tải được phân loại theo nguyên xác định. lý hoạt động của chúng và thành phần cấu Quan hệ giữa công suất theo điện áp được tạo. Những loại này bao gồm: các tải thuần mô tả theo biểu thức: 2 trở như: các điện trở đơn giản; các tải quay P(U) = Ap2U + Ap1U + Ap0 (3) như: động cơ và các tải điện tử (gồm các Trong đó: Ap2, Ap1 và Ap0 là các hệ số cần thiết bị tích cực và thụ động). Mạch đo được xác định. trình bày ở Hình 2. Trong mạch đo này, Phương trình này có thể được xây dựng nguồn DC thay đổi được, Fluke 77 và Fluke trong hệ p.u: 2 87 được sử dụng để đo dòng điện và điện áp PUUU() a2 a 1 a 0 (4) tương ứng. Hai tụ mỗi tụ có dung lượng PUU 3000μF được nối mắc song song với nguồn 0 0 0 DC để lọc nhiễu và tạo tín hiệu điện áp DC Phương pháp khoảng cách bình phương tối phẳng. Để tìm được mối quan hệ giữa dòng thiểu được sử dụng để xác định các hệ số và áp, cho điện áp thay đổi từ 110V đến trong phương trình (1), (2), (3) và (4). 350V và ghi lại các giá trị đo của dòng và áp. Để xác định độ chính xác của các mô hình này, sai số để được đánh giá bởi phương trình (5): ε = |(giá trị đo – giá trị mô phỏng)/ giá trị mô Tải phỏng| (5) 3. Phân tích dữ liệu đo Tải thuần trở Hình 2. Mạch đo đối với các phép đo DC ở trạng thái Gia nhiệt ổn định. Trạng thái xác lập: Để xác định đáp ứng quá độ của tải, phép đo Để xây dựng mô hình tải thuần trở, phạm vi được thực hiện trên một mạch thay đổi điện điện áp được thay đổi từ 110V đến 350V. áp. Sơ đồ mạch đo được mô tả trong Hình 3. Mỗi lần đo, mức điện áp tăng lên 10V. Tất Những tụ mắc song song đã được tháo bỏ cả, cả điện áp và dòng điện được ghi lại. trong mạch kiểm tra này. Mỗi tải được đặt Từ các phép đo, tìm được đặc tính tải các vào 3 hoặc 4 biên độ điện áp khác nhau (tùy thiết bị gia nhiệt cần được chú ý đến hằng số thuộc vào đặc điểm tải), thay đổi trong điện trở. Đối với các thiết bị gia nhiệt, biểu khoảng 0.60 – 1.0 pu, với điện áp danh định thức (1) có thể được sử dụng với Rp2= Rp0= 0. là 230VDC. Khi đó: U(I) = Rp1I (6) Mạch Hay R = Rp1 Tải thay đổi Hình 4 trình bày đặc tính dòng áp của tải điện áp điển hình. Hình 3. Mạch đo đối với phép đo quá độ.
3. n n áp (V) n n áp (V) ệ ệ Đi Đi O Dữ liệu đo O Dữ liệu đo Mô hình tuyến tính Mô hình tuyến tính Mô hình bậc hai Mô hình bậc hai Dòng điện (A) Dòng điện (A) Hình 6. Đặc tính đèn nung sáng công suất 25W. Hình 4. Đặc tính của máy pha cà phê 1. Trạng thái quá độ: Trạng thái quá độ: Phân tích quá độ được thực hiện để đánh giá phản ứng của tải khi điện áp đột ngột thay đổi. Mỗi tải được cấp điện với 4 mức điện áp khác nhau, mỗi mức giảm 15% so với điện áp định mức. Hình 5 trình bày đặc tính quá độ của tải điển hình. Hình 7. Trạng thái quá độ của đèn nung sáng - 25W khi cấp điện áp 0.85 pu. Nhận xét về các mô hình tải thuần trở Các thiết bị gia nhiệt R Pđm Sai số (W) (Ω) (%) Hình 5. Trạng thái quá độ của máy pha cà phê 1 khi Máy pha cà phê 1 1000 52.90 ± 1.38 cấp điện áp 0.85 pu. Máy pha cà phê 2 850 62.24 ± 2.38 Đèn Máy uốn tóc 11 4809.1 ± 1.67 Trạng thái xác lập: Bình đun siêu tốc 2025 26.12 ± 2.95 Đèn nung sáng 25W được đo thử với dãy Máy nướng bánh 800 66.13 ± 4.02 Thiết bị chiếu sáng điện áp từ 110V – 380V, mỗi lần đo thì điện P Sai số đm R (Ω) áp tăng lên 10V. Kết quả được thể hiện Hình (W) (%) 6. Từ Hình 6 nhận thấy mối quan hệ giữa 25 13540I + 852.2 ± 1.55 Đèn nung sáng 40 5791I + 521.7 ± 0.94 điện áp và dòng điện phi tuyến với Rp0= 0. 60 2485I + 329.8 ± 0.95 Mô hình được xây dựng cho đèn là: 2 75 1483I + 249.4 ± 0.97 U(I) = Rp2I + Rp1I + Rp0 (7) 100 822.4I + 227.8 ± 1.03 Hay R = R I + R Đèn halogen p2 p1 150 335.1I + 192.4 ± 1.34 Hình 7 trình bày đặc tính quá độ của đèn tungsten nung sáng. Bảng 2. Các thông số mô hình các tải thuần trở. So sánh kết quả đo dòng và áp của thiết bị thử nghiệm và của mô hình nhận thấy. Mô
4. hình có độ chính xác chấp nhận được (Bảng 2). 4. Động cơ quay Trạng thái xác lập: Để xây dựng mô hình động cơ quay, phạm vi điện áp được thử nghiệm từ 110V đến 350V, mỗi lần đo thì điện áp tăng lên 10V. Đối với mỗi bước điện áp và dòng điện được ghi nhận với các thiết bị và trình tự được mô tả trong qui trình đo. Hình 8 trình bày đặc tính của động cơ quay điển hình. Kết quả cho thấy quan hệ giữa điện áp và dòng điện phù hợp với dạng biểu thức (2). Ngoài ra, quan hệ công suất và điện áp phù Hình 9. Trạng thái quá độ của máy xay sinh tố khi cấp điện áp ở 0.85 pu. hợp với dạng biểu thức (3). Nhận xét về các mô hình động cơ quay Khi so sánh hai dạng quan hệ này, có các Mô hình động cơ vạn năng sử dụng các nhận xét như sau: thông số thực đươc kiểm tra bằng công cụ + Nếu quan hệ dòng điện và điện áp là quan Simulink có các đáp ứng giống như trong đo hệ bậc hai thì Yp2 0, Yp1 0 và Yp0 0; khi lường thực tế. Và các kết quả mô phỏng đó quan hệ giữa công suất và điện áp là quan được lập trong Bảng 3. hệ bậc ba. Và điều này cho thấy tải không Các động cơ vạn năng thể đặc trưng với dạng biểu thức (3). Mô hình (il = ) Sai số (%) -3 + Nếu quan hệ giữa công suất và điện áp là Máy xay sinh tố 1.12.10 u + 0.370 ± 1.44 Máy đánh trứng 8.44.10-4u+ 0.3153 ± 0.94 quan hệ bậc hai thì Yp2 = 0, Yp1 = Ap2, Yp0 = Máy hút bụi 1 0.0156u + 0.558 ± 0.35 Ap1 và Ap0 = 0. Khi đó, quan hệ giữa điện áp Máy hút bụi 2 0.0172u + 0.616 ± 0.13 và dòng điện sẽ là quan hệ tuyến tính. Các động cơ khác Mô hình (R = ) Sai số (%) Máy sấy tóc 1 26.89 ± 1.36 Máy sấy tóc 2 40.33 ± 4.9 Bảng 3. Các thông số mô hình của các động cơ quay. 5. Tải điện tử n n (A) ệ Trạng thái xác lập: Dòng Dòng đi Để xây dựng đặc tính tải của các thiết bị, cần xây dựng quan hệ giữa điện áp cung cấp và dòng điện tiêu thụ. Việc đo thử được tiến O Dữ liệu đo Mô hình tuyến tính hành bằng cách cho điện áp thay đổi từ 110 Mô hình bậc hai đến 350 V (tùy theo loại tải), mỗi lần đo thì Điện áp (V) điện áp tăng lên 10V và đo dòng tải tương Hình 8. Đặc tính của máy xay sinh tố. ứng với phương thức đo. Từ các kết quả đo dòng và áp của các đèn Trạng thái quá độ: được thử nghiệm, sử dụng phương pháp bình Phân tích quá độ được thực hiện để đánh giá phương tới thiểu để tìm quan hệ giữa dòng phản ứng của tải khi điện áp đột ngột thay và áp của đèn được thử nghiệm, với sự giúp đổi. Mỗi tải được cấp điện với 4 mức điện áp đỡ của công cụ Cftool – phần mềm Matlab. khác nhau, mỗi mức giảm 15% so với điện Mô hình tuyến tính cho các loại đèn được áp định mức. Điều này là phù hợp với các cài khảo sát đều không đạt, để có sai số một giá đặt đo lường được trình bày ở trên. Hình 9 trị cho phép. Vì vậy, cần phải xây dựng mô trình bày đặc tính quá độ của động cơ quay hình phi tuyến mô tả quan hệ dòng áp của điển hình. các tải điện tử thử nghiệm trong các phân đoạn khác nhau. Hình 10 trình bày đặc tính tải điện tử điển hình.
5. 210 – 340 V: 8.728.10-5u + 0.04655 ± 2.26 120 – 270 V: 10-6u + 0.035 ± 0.24 Philips 9W 270 – 340 V: -9.663.10-5u + ±2.15 0.05877 110 – 350 V: 2.723.10-9u3 – Philips 2.149.10-6u2 + 4.699.10-4u + ± 2.62 11W n n (A) 0.01491 ệ 160 – 180 V: -1.439.10-4u + ± 4.9 0.06933 Dòng Dòng đi 190 – 230 V: 2.484.10-7u3 – ± 0.32 Philips 1.602.10-4u2 + 0.03444u – 2.415 15W 240 – 260 V: 4.79.10-6u2 – ± 0.25 2.446.10-3u + 0.3659 O Dữ liệu đo 270 – 350 V: 3.139.10-7u2 – ± 0.68 Mô hình tuyến tính -4 Mô hình bậc hai 3.267.10 u + 0.9932 150 – 220 V: 10-6u + 0.035 ± 0.10 Ballast Điện áp (V) 220 – 290V: 9.918.10-4u + 0.5465 ± 0.65 Hình 10. Đặc tính của đèn Osram. Thiết bị điện tử 110 – 300 V: 9.984.10-7u2 – Charger ± 2.62 Trạng thái quá độ: 5.797.10-4u + 0.1097 Để phân tích quá độ của các tải, ở đây thử LCD 130 – 330 V: 2.83.10-6u2 – ± 0.55 nghiệm với sự thay đổi đột ngột 3 mức điện Monitor 1.933.10-3u + 0.4248 áp (230V, 210V và 190V), mỗi mức cách Bảng 4. Các thông số mô hình của các tải điện tử. nhau 20V. Hình 11 trình bày đặc tính quá độ 6. Kết luận của tải điện tử điển hình. + Phương pháp xây dựng mô hình, với sự trợ giúp của công cụ Cftool/Matlab, cho 26 tải dân dụng hoạt động ở hệ thống điện hạ áp DC và kiểm tra trạng thái xác lập và quá độ của các tải khảo sát đã được đề xuất. + Kết quả phân tích chỉ ra rằng các mô hình được đề xuất có mức độ tương thích cao so với nguyên mẫu (sai số ε% ≤ 5%). + Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng sử dụng điện DC cấp nguồn trực tiếp cho hầu hết các thiết bị điện và điện tử dân dụng là khả thi. Đặc biệt đối với trường hợp sử dụng trực tiếp điện mặt trời từ các panel pin quang điện cho các hộ phụ tải ở vùng nông thôn, vùng xa lưới điện. Tài liệu tham khảo [1]. Salomonsson, D.; Soder, L.; Sannino, A. Hình 11. Trạng thái quá độ của đèn Osram khi cấp "Protection of Low-Voltage DC điện áp ở 0.85 pu Microgrids", Power Delivery, IEEE Nhận xét về các mô hình tải điện tử Transactions on, July 2009 Mô hình tải điện tử là phức tạp hơn so với [2]. Browne, T.J.; Browne, N.R. "Power mô hình các loại tải đã khảo sát, để đảm bảo quality considerations for utilities supplying độ chính xác của mô hình, một số trường residential DC installations", Harmonics and hợp phải phân đoạn vùng điện áp khảo sát. Quality of Power, 2008. Kết quả được thể hiện trong Bảng 4. [3]. M. Baran and N. Mahajan, "Dc Distribution for Industrial Systems: Quan hệ dòng điện với điện áp Sai số Opportunities and Challenges," IEEE Trans. Tải Thiết bị chiếu sáng (%) Ind. Applicat, Nov./Dec. 2003. -4 110 – 140V: 1.896.10 u + 0.04157 ± 4.63 [4]. D. Salomonsson and A. Sannino "Low- Đèn Osram 150 – 200V: 1.364.10-8u4 – ± 1.60 9.879.10-6u3 +2.678.10-3u2 -0.3221u voltage dc distribution system for + 14.57 commercial power systems with sensitive
6. electronic loads", IEEE Trans. Power [6]. L. M. Faulkenberry and W. Coffer, Del., 2007 Electrical Power Distribution and [5]. D. Salomonsson and A. Transmission. Prentice Hall, 1996. Sannino "Centralized ac/dc power conversion for electronic loads in a low- voltage dc power system", Proc. IEEE Power Electron. Specialists Conf., pp.3155 - 3161 2006
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.