Mô phỏng hệ thống điều khiển các thiết bị bù trong hệ thống truyền tải điện xoay chiều linhhoạt

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CÁC THIẾT BỊ BÙ TRONG HỆ THỐNG
TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT
SIMULATION OF THE CONTROL SYSTEM IN THE COMPENSATORS
OF THE FLEXIBLE AC TRANSMISSION SYSTEM


NGUYỄN HỒNG ANH - NGUYỄN BÊ
Đại học Đà Nẵng


TÓM TẮT
Các linh kiện điện tử công suất lớn được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị bù của hệ thống
truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) ở các nước phát triển trên thế giới. Bài báo trình
bày một hệ thống phát xung để kích mở cho các cặp Thyristor nối song song ngược trong các
thiết bị FACTS.
ABSTRACT
The power electronics applied in the compensators of FACTS are widely used in the
developed countries. This article presents a system which springs up the pulse for opening
two thyristors connected parallel - opposite in the FACTS.


1. Đặt vấn đề
Kỹ thuật truyền tải điện hiện đại đã sử dụng các thiết bị bù, dịch pha được điều khiển
bằng các linh kiện điện tử công suất để cung cấp nguồn năng lượng khi cần thiết để bảo đảm
tính ổn định của hệ thống điện. Các thiết bị này kết hợp với các bộ vi xử lý cho phép điều
khiển nguồn năng lượng một cách linh hoạt, khả năng tự động hoá cao đảm bảo độ tin cậy và
độ ổn định của hệ thống, trong đó hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng. Việc
thiết kế và tính toán chính xác hệ thống điều khiển sẽ bảo đảm sự làm việc tin cậy của hệ
thống bù, góp phần nâng cao tính ổn định của hệ thống điện.

2. Điều khiển Thyristor
Thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anôt và xung
điện áp dương đặt lên cực điều khiển. Sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn
tác dụng, dòng điện chảy qua Thyristor do thông số của mạch động lực quyết định.
2.1. Sơ đồ cấu trúc
Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor như hình 1.
Mạch điều khiển có các chức năng sau:
- Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp
trên anôt- catôt của Thyristor.
- Tạo ra được các xung có đủ điều kiện mở được Thyristor. Xung điều khiển thường
có biên độ từ 2 đến 10V, độ rộng xung t
x
= 20-100μs đối với thiết bị chỉnh lưu hoặc cặp
Thyristor đấu song song ngược.
Độ rộng xung được xác định theo biểu thức:

dt
di
I
t
dt
x
=

Trong đó:
I
dt
là dòng duy trì của Thyristor;
di/dt là tốc độ tăng trưởng của dòng tải.
Cấu trúc của một mạch điều khiển Thyristor gồm 3 khâu chính sau đây:

- Khâu đồng bộ (ĐB): tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp anôt-catôt của Thyristor cần
mở. Tín hiệu này là điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối song song với
Thyristor cần mở.
- Khâu so sánh-tạo xung (SS-TX): làm nhiệm vụ so sánh giữa điện áp đồng bộ thường
đã được biến thể với tín hiệu điều khiển một chiều để tạo ra xung kích mở Thyristor.
- Khâu khuếch đại xung (KĐ): tạo ra xung mở có đủ điều kiện để mở Thyristor.

Khi thay đổi giá trị điện áp một chiều U
đk
thì góc mở α sẽ thay đổi.

2.2. Nguyên tắc điều khiển
Sử dụng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” như hình 2 để thực hiện điều
chỉnh vị trí đặt xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Thyristor.
Theo nguyên tắc này, ở khâu so sánh có hai điện áp đặt vào:
- Điện áp đồng bộ sin, sau khi ra khỏi khâu ĐB được tạo thành tín hiệu cos
- Điện áp điều khiển là áp một chiều có thể biến đổi được

Điện áp u
đb
= U
m
sinωt thì: U
c
= U
m
cosωt
Giá trị α được tính theo phương trình sau: U
m
cosα = U
đk

Do đó: α = arccos(U
dk
/U
m
)
- khi U
dk
= U
m
thì α = 0
- khi U
dk
= 0 thì α =Л/2
- khi U
dk
= -U

m
thì α = Л
Như vậy, khi điều chỉnh U
dk
từ trị -U
m
đến +U
m
, ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0
đến Л.
2.3. Khâu so sánh sử dụng khuếch đại thuật toán OA
Sơ đồ nối khuếch đại thuật toán làm khâu so sánh được mô tả trên hình 3.
ĐB

SS-TX

KĐ

U
đk

U
đb

Hình 1. Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor

α
Л 2Л
ωt
U

c

Udb
Udk
U
dk
U
c
U
db
Hình 2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”


3. Mô phỏng sơ đồ phát xung điều khiển Thyristor
3.1. Sơ đồ nguyên lý
Trong phần này trình bày một sơ đồ điều khiển cho hai Thyristor nối song song ngược
như hình 4 đã được thiết kế và lắp ráp thực tế.
Sơ đồ làm việc theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”, trong đó khâu tạo
hàm cosωt và khâu so sánh sử dụng OA loại µA741, so sánh theo kiểu hai tín hiệu cùng dấu.
Khâu khuếch đại xung sử dụng một Transistor và biến áp xung. Khâu khuếch đại có thể tính
chọn khác nhau tuỳ thuộc vào Thyristor được chọn.





Sơ đồ gồm hai kênh kích mở cho hai Thyristor T1 và T2 nối song song ngược. Mỗi
kênh gồm có 3 khâu: khâu tạo hàm cosωt, khâu so sánh và khâu khuếch đại.
+
-

M
U
+
U
-
V
p
-
V
p
+
+
-
M
U
+
U
-
S

S

V
1
-
V
1
+
U
d

U
d

V
2

V
sat
▪
▪ -V
sat

Hình 3. Khâu so sánh tín hiệu
V
2

Hình 4. Sơ đồ hệ thống điều khiển cặp Thyristor nối song song ngược
- Khâu tạo hàm kích mở cho T1gồm: OA1, R1, R2, R3, R4 và tụ C1. Khâu tạo hàm
kích mở cho T2 gồm: OA3, R11, R12, R13, R14 và tụ C2.
- Khâu so sánh cho kênh kích mở T1 là OA2 và cho T2 là OA4. Tín hiệu ra của
các khâu tạo hàm sẽ đưa vào cổng không đảo của các OA và cổng đảo được cấp bằng nguồn
áp [-V1÷ +V1]. Thay đổi điện áp điều khiển bằng cách thay đổi biến trở BT.
- Khâu khuếch đại xung cho kênh T1 gồm: Tr1, R5, R6, R7, R8, BAX1, D2, D3.
- Khâu khuếch đại xung cho kênh T2 gồm: Tr2, R15, R16, R17, R18, BAX2, D12,
D13.
3.2. Sơ đồ mô phỏng trên chương trình Workbench
Dựa vào sơ đồ mạch được thiết kế, sơ đồ mô phỏng đo các dạng sóng tại các đầu ra
của các khâu như các hình vẽ 5, 7, 11. Kết quả mô phỏng được thực hiện trên chương trình
Workbench như các hình vẽ 6,8, 9, 10, 12, 13, 14.

Hình 5. Sơ đồ mô phỏng (đo dạng sóng khâu tạo hàm)


Dạng sóng đo tại điểm A là tín hiệu của điện áp lưới.
Dạng sóng đo tại điểm B là tín hiệu ra của khâu tạo hàm. (hình 6)



Hình 6. Dạng sóng vào-ra của khâu tạo hàm


Hình 7. Sơ đồ mô phỏng (đo dạng sóng trên khâu so sánh-tạo xung)



Hình 8. Dạng xung đo tại C khi U
dk
= 0



Hình 9. Dạng xung đo tại C khi U
dk
>0
u
A
u
B

u
A
u
C