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

Nội dung text: 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

1. 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 CONTROL OF DYNAMIC VOLTAGE RESTORER FOR PROTECTION OF INDUSTRIAL SENSITIVE LOAD FROM VOLTAGE SAGS Trương Việt Anh (1), Hồ Minh Nhất Bảo (2), (1) Trường ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh, hmnbao@kgtec.edu.vn TÓM TẮT 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. Điều này ảnh hưởng lên 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 chuyền mà sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài. Nếu là hệ thống điều khiển hoặc hệ thống xử lý số liệu thì có thể dẫn tới gián đoạn hoặc mất thông tin, nên chúng gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Bài báo đề xuất một cấu trúc và phương án điều khiển bộ khôi phục điện áp động thông qua mô hình mô phỏng; từ đó, dựa trên các số liệu và phân tích kết quả đạt được. Kết quả nghiên cứu nghiên cứu đã được mô phỏng, kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink. Từ khóa: khôi phục điện áp động, lồi lõm điện áp. ABSTRACT In fact, the voltage sags is is a form of turbulence appeared suddenly and in a short time, including fluctuations in amplitude and phase angle voltage, characterized by complex and changing nature concave continuously during the event occurs. This effect on some of the load as the control system, the type of motor control inverter could have been stopped. In some cases these devices can play a key role in the entire chain of factory activity, leading to freezes to stop the entire line that the launch back to costly and prolonged. If the control system or data processing system, it can lead to interruption or loss of information, so they cause serious consequences. This paper proposes a structure and a plan to restore control of dynamic voltage through simulation models; since, based on data and analysis of results achieved. Research results have been simulated and verified on the Matlab/Simulink Software. Key words:: dynamic voltage restorer, sags and swells.
2. 1. GIỚI THIỆU 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 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 HÌNH 1: Sơ đồ cấu trúc đơn tuyến gồm các RMS lên quá một giá trị ngưỡng nhất thành phần chính của DVR định. Thông thường giá trị ngưỡng này Cấu trúc chung của DVR gồm: máy biến bằng 110% giá trị định mức điện áp áp nối tiếp, bộ lọc tần số chuyển mạch, nguồn [1] bộ biến đổi, thiết bị by-pass, thiết bị ngắt Trong hệ thống điện có thể phân kết nối, DC-link và bộ lưu trữ năng biệt các nguyên nhân gây lõm điện áp lượng. như sau: - Máy biến áp nối tiếp: Tạo khả năng - Các lỗi hệ thống nguồn: sét, gió, cách ly về điện giữa hệ thống DVR và băng tuyết, nhiễm bẩn của thiết bị cách lưới, đồng thời nâng điện áp chèn vào khi điện, động vật tiếp xúc, tai nạn giao thông, cần thiết. Đơn giản hóa cấu trúc liên kết xây dựng. Các lỗi kể trên thường dẫn đến và bảo vệ thiết bị. ngắn mạch. Dòng ngắn mạch gây lõm - Bộ lọc tần số chuyển mạch: để làm điện áp trong suốt thời gian ngắn mạch và giảm các hài chuyển mạch phát ra bởi lan truyền đến các vị trí khác nhau trên PWM của VSC, cải thiện dạng sóng điện lưới điện. áp chèn vào của DVR. - Khởi động thiết bị có công suất - Bộ biến đổi: thông thường nhất là bộ lớn so với công suất ngắn mạch của hệ biến đổi nguồn áp ba pha (VSC) xây thống tại điểm kết nối. dựng dựa trên các transistor IGBT (cũng - Giảm điện áp gây ra bởi đóng có thể sử dụng cả thyristor hoặc GTO), mạch các biến áp năng lượng vào hệ được điều khiển bằng áp dụng điều chế thống, dẫn đến lõm điện áp không đối PWM. xứng kết hợp với sự có mặt của các hài - DC-link và bộ lưu trữ năng lượng: có bậc 2 và bậc 4. khả năng lưu trữ năng lượng và kết nối - Các biến động của tải: trong các với VSC để có thể tạo ra điện áp xoay lưới ba pha sự giảm điện áp có thể phân chiều cần thiết bù cho một biến cố lõm loại theo tính không đối xứng điện áp điện áp khi nó xảy ra. trong khi nhiễu loạn.[ 2] - Thiết bị by-pass: bảo vệ quá tải của 2. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN TẮC DVR, hoặc ngắn mạch phía tải. HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ KHÔI PHỤC - Thiết bị ngắt kết nối: để đảm bảo ngắt ĐIỆN ÁP ĐỘNG kết nối DVR ra khỏi hệ thống khi cần thiết hoặc khi có các trường hợp khẩn cấp cần phải ngắt mạch để đảm bảo an toàn cho hệ thống DVR.
3. 3. ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG Hệ thống điều khiển DVR có nhiệm vụ tạo ra giá trị điện áp chèn vào lưới uinj(t) để thỏa mãn mục tiêu điều chỉnh là khôi phục điện áp trên tải theo giá trị mong muốn để duy trì hoạt động cho tải nhạy cảm trong khi điện áp nguồn cấp bị lõm/dâng. Cho đến nay các nghiên cứu về điều khiển DVR vẫn luôn hướng đến các mục tiêu chính đó là phục hồi điện áp nhanh chống, chính xác và luôn làm việc ổn định trong trường hợp xảy ra biến cố ở HÌNH 2: DVR bảo vệ một tải nhạy cảm trên lưới, ngoài ra các mục tiêu khác như Giả sử một lỗi ngắn mạch xảy ra tại điều khiển tối ưu năng lượng, điều khiển điểm A, như hình 2. Điện áp tại A bị giảm DVR với chức năng bù hài cũng được xuống 0V, điện áp tại điểm B cũng sẽ bị nghiên cứu. Trong đó, có thể phân thành giảm xuống khoảng 64% [3]. Với điều hai dạng điều khiển chủ yếu sau đây: điều kiện này chắc chắn bất kỳ tải nhạy cảm khiển trong hệ tọa độ tự nhiên và điều nào cũng sẽ bị ảnh hưởng với lõm điện áp. khiển vector Để đảm bảo cho tải nhạy cảm tiếp tục Khác với các cấu trúc điều khiển hoạt động, một DVR được lắp đặt trước trên hệ tọa độ tự nhiên, điều khiển vector tải nhạy cảm. được áp dụng cho DVR dựa trên nguyên Điện áp tại đường trục này sẽ được lý điều khiển vector không gian tương tự duy trì ở giá trị định mức do có sự hiện như đã được áp dụng trong điều khiển diện của DVR. Điều này có nghĩa là khi động cơ điện trình bày trong tài liệu [4]. một lõm điện áp xảy ra, một bộ khôi phục Đại diện cho phương pháp điều khiển này điện áp lõm tự động phát hiện và bơm đối với DVR có thể kể đến cấu trúc điều vào các thành phần điện áp để bù lại một khiển vector trên hệ tọa độ quay dq. phần hoặc toàn bộ lượng điện áp bị mất Trong tài liệu [4] giới thiệu một cấu mát do lỗi để duy trì độ lớn cũng như góc trúc điều khiển vector phản hồi kết hợp pha của điện áp lưới, đảm bảo cho tải truyền thẳng trên hệ tọa độ quay dq ứng hoạt động bình thường. dụng cho DVR như ở hình 3.7. Cấu trúc điều khiển gồm vòng điều khiển truyền Về cơ bản, DVR được thiết kế để tự * thẳng của điện áp tải mẫu u L với bộ điều động chèn vào một điện áp uinj vào lưới khiển tỷ lệ, kết hợp vòng điều khiển phản như thể hiện ở hình 3. Ở đây DVR có thể hồi của điện áp chèn uinj với bộ điều là đại diện như một nguồn áp với độ lớn, khiển PI. góc pha và tần số có thể được điều chỉnh, trong đó ug là điện áp lưới, uinj là điện áp Các tín hiệu điện áp lưới ug,abc, chèn vào từ DVR và uL là điện áp tải. điện áp tải uL,abc xoay chiều ba pha được chuyển đổi về dưới dạng vector không gian thông qua phép chuyển đổi Clack và tiếp tục được chuyển đổi vào hệ tọa độ HÌNH 3: Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt quay đồng bộ dq, nơi mà chúng trở thành động của DVR lượng một chiều. Bộ điều khiển PI được
4. bố trí và thực hiện với lượng một chiều. Phương trình (3.23) được viết lại với Cấu trúc thực hiện bởi vòng truyền thẳng hai thành phần d và q như sau. đảm bảo làm tắt nhanh các quá trình quá ∗ 푞 ∗ 푖 = 푖푖푛 ± 푗휔 푖푛푗 + ( 푖푛푗 − 푖푛푗) độ, đồng thời cùng với điện áp uDC xác định hệ số điều chế PWM. Vòng kín phản (4) hồi có nhiệm vụ bù sai lệch điện áp chèn 푖∗푞 = 푖푞 ± 푗휔 + ( ∗푞 − 푞 ) vào (đối với sóng cơ bản), các sai lệch 푖푛 푖푛푗 푖푛푗 푖푛푗 tĩnh có thể được loại bỏ hiệu quả thông (5) qua bộ điều khiển PI làm việc với các Trong đó: udq – lượng điện áp chèn thành phần một chiều trên hệ tọa độ quay inj vào thực tế của DVR, u*dq – lượng đặt dq, vòng này cũng có tác dụng làm tắt inj của điện áp chèn vào, G hàm truyền bộ dao động cộng hưởng của bộ lọc LC, các u điều khiển PI, bộ điều khiển tỷ lệ với hệ dao động này phụ thuộc chặt chẽ vào trở số tỷ lệ bằng 1. kháng tương đương của tải. Để hạn chế hiện tượng bão hòa lõi máy biến áp chèn, trong sơ đồ có áp dụng khâu hạn chế biên độ tín hiệu đặt của điện áp chèn vào. Với giải pháp này đơn giản, giảm kinh phí hơn là tăng công suất HÌNH 4: Cấu trúc điều khiển vector phản máy biến áp, nhưng nhược điểm là làm hồi kết hợp truyền thẳng trên hệ tọa độ cho động học hệ thống bị chậm đi nhiều quay dq trong những mili giây đầu tiên của quá trình khởi động bù. Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống, thuật toán điều khiển của nó cũng 4. MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ MÔ đã được xây dựng. Để điện áp tải ổn định, PHỎNG DVR cần phát hiện ra một lõm điện áp trên lưới ba pha, đồng thời tính toán đưa ra vector tín hiệu đặt của điện áp chèn vào bởi DVR, lượng đặt đó được xác định. ∗ 푞 ∗ 푞 푞 푖푛푗 = 퐿 − (1) HÌNH 5: Mô hình hệ thống điện với bộ Sai lệch giữa điện áp tải và điện áp DVR nguồn phản hồi về bộ điều khiển được Thông số nguồn: tính toán theo biểu thức: - Biên độ điện áp hiệu dụng: 380 V - Góc pha ban đầu: 00 푞 푞 푞 푖푛푗 = 퐿 − (2) - Tần số: 50 Hz Để điện áp tải được điều chỉnh bằng Tạo sự cố trên nguồn với giá trị biên độ *dq đúng điện áp đặt uL thì điện áp chèn điện áp lấy mẫu (theo hệ đơn vị tương đối vào cần được bù sai lệch thông qua bộ pu) lần lượt là 1, 0.5, 1, 1.5, 1 ứng với điều khiển PI có hàm truyền đạt Gu, khi thời gian lấy mẫu tại 0s, 0.5s, 0.9s, 1.7s, đó, mạch vòng điều khiển điện áp được 1.9s. Tạo sự cố lõm điện áp không cân viết bởi phương trình. bằng trên lưới với biên độ điện áp là 0.2 ∗ 푞 푞 푞 ∗ 푞 pu, pha ban đầu 0, và thời gian bắt đầu 푖 = 푖푖푛 ± 푗휔 푖푛푗 + ( 푖푛푗 − nhảy pha là 0.2s và kết thúc ở 0.4s 푞 푖푛푗) (3) Thông số tải: R=60(Ω); L=0.15e-3(H)
5. 5. KẾT LUẬN Tạo lỗi trên lưới: HÌNH 6: Điện áp trên nguồn khi lõm xảy - Thời điểm xảy ra hiện tượng lõm điện áp ra tại 0.5s đến 0.9s. Trong khoảng thời gian đó, giá trị biên độ điện áp giảm 0.5 lần so với điện áp danh định - Thời điểm xảy ra hiện tượng dâng điện HÌNH 7: Giá trị điện áp của DVR khi áp tại 1.7s đến 1.9s. Trong khoảng thời phát hiện lõm gian này, giá trị biên độ điện áp tăng 1.5 lần so với điện áp danh định. - Thời điểm xảy ra hiện tượng nhảy góc HÌNH 8: Điện áp trên tải đã được phục pha tại 0.2s đến 0.4s. hồi Khi có hiện tượng lõm điện áp xảy ra: - Khi điện áp lưới bị sự cố làm giá trị biên độ điện áp bị giảm xuống 0.5 lần, bộ DVR HÌNH 9: Điện áp trên nguồn khi dâng lập tức bơm một lượng điện áp bằng với điện áp xảy ra lượng điện áp bị tụt do sự cố trên nguồn trong khoảng thời gian 0.001s. - Như hình 8, ta thấy ở khoảng thời điểm HÌNH 10: Giá trị điện áp của DVR khi từ 0.5s đến 0.501s, giá trị biên độ điện áp phát hiện sự cố dâng điện áp đã được phục hồi. Khi có hiện tượng dâng điện áp xảy ra: HÌNH 11: Điện áp trên tải đã được phục - Khi điện áp lưới bị sự cố làm giá trị biên hồi độ điện áp bị tăng lên 1.5 lần, bộ DVR lập tức rút một lượng điện áp bằng với lượng điện áp bị dâng do sự cố trên nguồn trong khoảng thời gian 0.002s. HÌNH 12: Điện áp trên nguồn khi dâng - Như hình 11, ta thấy ở khoảng thời điện áp không cân bằng xảy ra điểm từ 1.7s đến 1.702s, giá trị biên độ điện áp đã được phục hồi. Khi có hiện tượng dâng điện áp không cân bằng xảy ra: HÌNH 13: Giá trị điện áp của DVR khi phát hiện sự cố dâng điện áp không cân - Khi điện áp lưới bị sự cố làm giá trị biên bằng độ điện áp bị giảm xuống 0.2 lần, bộ DVR lập tức bơm một lượng điện áp bằng với lượng điện áp bị tụt do sự cố trên nguồn trong khoảng thời gian 0.001s. HÌNH 14: Điện áp trên tải đã được phục - Như hình 14, ta thấy ở khoảng thời hồi điểm từ 0.5s đến 0.501s, giá trị biên độ điện áp đã được phục hồi.
6. Qua các kết quả mô phỏng đưa ra dạng hài THD của sóng cơ bản trong các kết luận như sau: phạm vi cho phép. - Đối với các lõm điện áp cân bằng và - Vậy có thể kết luận các lựa chọn, tính không cân bằng do các lỗi ngắn mạch hoặc toán thiết kế các thành phần lực trong cấu do khởi động của động cơ cảm ứng công hình DVR hoàn toàn phù hợp và chính suất lớn ở phía nguồn tạo nên. Bộ khôi xác, cấu trúc và thuật toán điều khiển phục điện áp động đều có khả năng bù điện áp được nghiên cứu đề xuất cho nhanh chóng trong khoảng thời gian một DVR hoàn toàn có đủ khả năng để điều chu kỳ điện áp lưới, với mức độ chính xác khiển DVR khôi phục điện áp trên tải điện áp khá cao, độ quá điều chỉnh của nhạy cảm, đảm bảo cho tải nhạy cảm điện áp tại thời điển xuất hiện và thời điểm không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ các tác kết thúc lõm được hạn chế tốt. Độ méo động của các kiểu lõm điện áp khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Liễn, Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006) Điều chỉnh tự động truyền động điện. NXB Khoa học & Kỹ thuật. [2] Võ Minh chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2004) Điện tử công suất. NXB Khoa học & Kỹ thuật. [3] Nguyễn Phùng Quang (2006) Truyền động điện thông minh. NXB Khoa học & Kỹ thuật. [4] Nguyễn Phùng Quang (2007) MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động. NXB Khoa học & Kỹ thuật. [5] Nguyễn Doãn Phước (2005) Lý thuyết điều khiển tuyến tính. NXB Khoa học & Kỹ thuật. [6] Nguyễn Doãn Phước (2003) Lý thuyết điều khiển phi tuyến. NXB Khoa học & Kỹ thuật. [7] Hoàng Minh Sơn (2009) Điều khiển quá trình. NXB Bách khoa Hà Nội. [8] Richard Roeper (1996) Ngắn mạch trong hệ thống điên. NXB Khoa học & Kỹ thuật. [9] Lã Văn Út (2012) Ngắn mạch trong hệ thống điện. NXB Khoa học và kỹ thuật [10] Phan Đăng Khải (2009) Cơ sở lý thuyết tính toán và thiết kế hệ thống cung cấp điện. NXB Giáo dục Việt Nam. [11] Trần Bách (2004) Lưới điện và hệ thống điện. NXB Khoa học & Kỹ thuật. [12] Phan Đăng Khải (2003) Bù công suất phản kháng lưới cung cấp và phân phối. NXB Khoa học & Kỹ thuật. [13] Angelo Baggini (2008) Handbook of Power Quality. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England [14] C.Sankaran (2002) Power Quality. Copyright © 2002 by CRC Press LLC [15] A. de Almeida, L. Moreira. J. Delgado(2005) Power Quality Problems and New Solutions. www.icrepq.com
7. [16] R.C.Dugan, M.F.McGranaghan, S.Santoso, H.W.Beaty (2002) Electric power systems quality, MCGrawHill [17] Mahmoud S. Awad (2012) Review Power Quality Issues. Modern Applied Science, Vol. 6, No. 2; February 2012 [18] D.S. Dorr (1995) Point of Utilization Power Quality Study results, IEEE Trans on Industry Applications, vol. 3, no. 4, July/August 1995, pp. 658-666. [19] D.S. Dorr (1995) Point of Utilization Power Quality Study results, IEEE Trans on Industry Applications, vol. 3, no. 4, July/August 1995, pp. 658-666. [20] M.H.J.Bollen, Understanding Power Quality Problems: Voltage Sags and Interruptions, IEEE Press Series on Power Engineering, New York. 2000 [21] Gabriel Olguin (2005) Voltage Dip (Sag) Estimation in Power Systems based on Stochastic Assessment and Optimal Monitoring. Thesis for the degree of doctor of philosophy, Electric Power Engineering Chalmers University of Technology. [22] JovicaV.Milanović (2006) Voltage Sags. School of Electrical & Electronic Engineering [23] Alexis Polycarpou (2011) Power Quality and Voltage Sag Indices in Electrical Power Systems. University Campus STeP Ri Slavka Krautzeka 83/A 51000 Rijeka, Croatia. [24] Yan Zhang, B.Sc., M.Sc (2008) Techno-economic Assessment of Voltage Sag Performance and Mitigation. Thesis submitted to The University of Manchester for the degree of PhD [25] Project co-funded by the European Community under the Sixth Framework Programme – Priority 6.1.ii (2006) Report on Control Strategie, European Power Electronics and Drives Association Giáo viên hướng dẫn Học viên thực hiện PGS.TS. Trương Việt Anh Hồ Minh Nhất Bảo
8. 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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.