Nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù điện áp động (DVR) để nâng cao chất
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.04 MB, 76 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN MỸ DUNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BÙ ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR)
ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG
TRONG LƢỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. BẠCH QUỐC KHÁNH
HÀ NỘI - 2013
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo của Bộ môn Hệ Thống Điện
và Viện Điện ,Viện Đào tạo sau Đại học đã giúp đỡ Tôi trong quá trình học
tập tại trường và đặc biệt là thầy giáo TS.Bạch Quốc Khánh.
Lời cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn sự động viên khích của bạn bè
trong lớp Thạc sĩ kỹ thuật điện 2010, những người bạn thân thiết đã đồng
hành cùng tôi trong suốt chặng đường học tập đã qua.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Mỹ Dung, học viên cao học lớp 11BKTĐHTĐ chuyên
ngành Kỹ Thuật Điện khóa 2011B. Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Tôi đã nghiên cứu và thực hiện đề tài:
“ Nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù điện áp động DVR để nâng cao chất
lượng điện năng trong lưới phân phối điện”
Tôi xin cam đoan bản luận văn này được thực hiện bởi chính bản thân
dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS.Bạch Quốc Khánh cùng với các tài liệu
được trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo.
HỌC VIÊN
Nguyễn Mỹ Dung
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
ii
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
: Chữ viết tắt
AC
: Alternating Current
DC
: Direct Current
DSTATCOM : Distribution Static Compensator
DVR
: Dynamic Voltage Restore
GTO
: Gate turn–off Thyristor
SANH
: Sụt giảm điện áp ngắn hạn
ITIC
: Information Technology Industry Council
UPS
: Bộ lưu điện
PLL
: Phase-Locked Loop
SMES
: Superconducting magnetic energy storage
PWM
: Pulse Width Modulation
pu
: Per unit
VSC
: Voltage Source Converter
IGBT
: Insulated Gate Bipolar Transistor
MOSFET
: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors
IGCT
: Integrated Gate Commutated Thyristors
FFC
: feed-forward control
ANN
: Articficial neural network control
FL
: Fuzzy logic control
SVPWM
: Space Vector pulse width modulation control
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1.Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1
2.Tên đề tài .................................................................................................................. 2
3.Tóm tắt nội dung luận văn ........................................................................................ 2
4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................. 2
CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ ......................... 4
SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN.............................................................................. 4
1.1. Tổng quan về chất lượng điện năng...................................................................... 4
1.1.1. Sự cần thiết phải quan tâm đến chất lượng điện năng................................... 4
1.1.2. Các hiện tượng chất lượng điện năng ............................................................ 5
1.2.Phân loại biến thiên điện áp ngắn hạn: .................................................................. 8
1.3. Tiêu chuẩn đánh giá .............................................................................................. 9
1.4. Nguyên nhân gây sụt áp ngắn hạn trong hệ thống .............................................. 11
1.5. Ảnh hưởng của sụt giảm điện áp ngắn hạn ......................................................... 12
1.6. Các biện pháp khắc phục .................................................................................... 13
1.7. Kết luận ............................................................................................................... 15
CHƢƠNG II THIẾT BỊ PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) .............................. 17
2.1 Tổng quan ............................................................................................................ 17
2.2 Cấu trúc của DVR:............................................................................................... 17
2.2.1. Bộ nguồn một chiều .................................................................................... 18
2.2.2. Bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Inverter) .................................... 19
2.2.3. Bộ lọc........................................................................................................... 26
2.2.4. Máy biến áp ghép nối .................................................................................. 28
2.3. Ứng dụng thiết bị DVR để nâng cao chất lượng điện năng ................................ 29
2.3.1. Lựa chọn vị trí đặt thiết bị DVR trên lưới điện ........................................... 29
2.3.2. Các chế độ làm việc của DVR..................................................................... 31
2.4. Các thuật toán điều khiển áp dụng trong DVR ................................................... 36
2.4.1. Thuật toán điều khiển tuyến tính ................................................................. 37
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
iv
2.4.2. Thuật toán điều khiển phi tuyến .................................................................. 38
2.5. Kết luận ............................................................................................................... 41
CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG MATLAB/SIMULINK SỬ DỤNG THIẾT BỊ DVR
KHẮC PHỤC SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN DO KHỞI ĐỘNG TRỰC
TIẾP ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ...................................................... 42
3.1. Xây dựng mô hình DVR cho khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi
động trực tiếp động cơ không đồng bộ ...................................................................... 42
3.1.1. Các giả thiết chung (Case Study) ................................................................ 42
3.1.2 Chiến lược điều khiển .................................................................................. 44
3.2. Mô phỏng MATLAB/SIMULINK và kết quả .................................................... 47
3.2.1. Thông số các phần tử trong mô phỏng ........................................................ 47
3.2.2. Mô phỏng hệ thống thử nghiệm bù SANH do khởi động động cơ không
đồng bộ ba pha ...................................................................................................... 48
3.2.3 Mô phỏng SIMULINK hệ thống thử nghiệm bù SANH do khởi động
động cơ không đồng bộ ba pha.............................................................................. 49
3.2.4. Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 51
3.2.5. Phân tích ảnh hưởng của công suất động cơ ............................................... 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 66
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995)..................... 7
Hinh 1.2. Đường cong chịu đựng điện áp ITIC ............................................................ 11
Hình 1.3. SANH khi động cơ không đồng bộ công suất lớn khởi động ........................ 12
Hình 1.4. Biến thiên điện áp khi đóng lò luyện nhôm lớn ............................................. 12
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý thiết bị DSTATCOM .......................................................... 14
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý thiết bị DVR ........................................................................ 15
Hình 2.1. Sơ đồ mạch điện một sợi của thiết bị DVR.................................................... 18
Hình 2.2. Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của GTO ........................................................... 20
Hình 2.3. Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET (kênh dẫn n) .............................. 22
Hình 2.4 Cấu trúc bán dẫn, sơ đồ tương đương và ký hiệu của IGBT .......................... 24
Hình 2.5. Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET (kênh dẫn n) .............................. 26
Hình 2.6. Vị trí đặt bộ lọc .............................................................................................. 27
Hình 2.7. Sơ đồ đấu dây cuộn dây sơ cấp máy biến áp ghép......................................... 28
Hình 2.8. DVR ứng dụng để bảo vệ tải nhay cảm. ........................................................ 29
Hình 2.9. DVR ứng dụng để ngăn chặn phát sinh các hiện tượng chất lượng điện
năng. ............................................................................................................................... 30
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ dừng của thiết bị DVR ......................... 31
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ chờ của thiết bị DVR ............................ 32
Hình 2.12. Sơ đồ vector phương pháp bù theo điện áp trước sự cố............................... 33
Hình 2.13. Sơ đồ vector hương pháp bù pha ................................................................. 34
Hình 2.14. Sơ đồ vector phương pháp bù pha sớm ........................................................ 35
Hình 2.15. Sơ đồ vector phương pháp bù tối thiểu theo dung sai điện áp ..................... 36
Hình 2.16. Sơ đồ khối giản thiểu của thuật toán vòng khóa pha (Phase Locked
Loop-PLL)...................................................................................................................... 40
Hình 3.1. Các cấu trúc cấp nguồn 1 chiều cuả DVR được xét trong luận văn .............. 43
Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển của thiết bị DVR ................................................................ 46
Hình 3.3. Mô hình hệ thống thử nghiệm dùng thiết bị DVR bù SANH do khởi động
động cơ không đồng bộ ba pha ...................................................................................... 48
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
vi
Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng SIMULINK thử nghiệm thiết bị DVR với khởi động
động cơ không đồng bộ ba pha ...................................................................................... 50
Hình 3.5. Hệ thống kiểm tra các thông số khi động cơ bắt đầu mà không có DVR ..... 52
Hình 3.6. Kết quả mô phỏng khi động cơ khởi động có bù DVR sử dụng cấp nguồn
một chiều bằng ắc qui .................................................................................................... 53
Hình 3.7. Trị số điện áp tại các phía của DVR cung cấp bằng ắc qui ........................... 54
Hình 3.8. Điện áp đầu ra của DVR và điện áp động cơ khi ngưỡng phát hiện SANH
được thiết lập đến 0,9Uđm ............................................................................................... 55
Hình 3.9. Nguồn một chiều điện áp và dòng điện được ghi hình cung cấp bởi pin ...... 56
Hình 3.10. Trào lưu công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn, DVR
và động cơ khởi động ..................................................................................................... 57
Hình 3.11. Kết quả mô phỏng khi động cơ khởi động có bù DVR sử dụng cấp
nguồn một chiều bằng nguồn chỉnh lưu ......................................................................... 58
Hình 3.12. Điện áp một chiều khi sử dụng tụ điện có điện dung khác nhau ................. 59
Hình 3.13. Kết quả mô phỏng khi động cơ khởi động có bù DVR sử dụng cấp
nguồn một chiều bằng ắc qui, công suất động cơ là 4kW.............................................. 60
Hình 3.14. Trị số điện áp tại các phía của DVR cung cấp bằng ắc qui, công suất
động cơ là 4kW .............................................................................................................. 61
Hình 3.15. Kết quả mô phỏng khi động cơ khởi động có bù DVR sử dụng cấp
nguồn một chiều bằng ắc qui, công suất động cơ là 15kW............................................ 62
Hình 3.16. Trị số điện áp tại các phía của DVR cung cấp bằng ắc qui, công suất
động cơ là 15kW ............................................................................................................ 63
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong ..................... 6
Bảng 3.1. Các thông số của mô hình.............................................................................. 47
Bảng 3.2. So sánh các thông số mô phỏng khi thay đổi công suất động cơ .................. 63
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
viii
MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Chất lượng điện năng là bất cứ hiện tượng nào liên quan đến sai lệch
điện áp, dòng điện hoặc tần số làm cho các thiết bị dùng điện bị sự cố hoặc
làm việc không đúng.
Việc sử dụng ngày càng nhiều thiết bị điện tử công suất, thiết bị điều
khiển dựa trên bộ vi sử lý… đã làm các thiết bị dùng điện trở nên nhạy cảm
hơn với chất lượng điện năng và đồng thời sự làm việc của các thiết bị này
cũng lại là nguyên nhân làm xấu chất lượng điện năng của hệ thống điện. Đặc
biệt, trong các ngành công nghiệp có mức độ tự động hoá cao, bất kỳ sự nhiễu
loạn nào trong lưới điện cũng có thể gây ảnh hưởng đến sự làm việc của các
thiết bị dùng điện và có thể gây ra những thiệt hại kinh tế lớn. Những khách
hàng này luôn yêu cầu được cung cấp điện năng với chất lượng đảm bảo (các
thoả thuận về chất lượng điện năng được ghi rõ trong hợp đồng mua bán
điện).
Khi xem xét đến vấn đề chất lượng điện năng, quan tâm chủ yếu
thường là chất lượng điện áp, Hiện tượng sụt áp ngắn hạn (SANH) là một
trong những nguyên nhân gây ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng điện áp bởi
tần suất xảy ra thường xuyên, có khả năng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến
sự làm việc bình thường của rất nhiều thiết bị trong hệ thống. Hiện nay các
vấn đề về SANH đang được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi trên thế giới
cũng như ở Việt Nam.
Có rất nhiều đề tài nghiên cứu ảnh hưởng và các biện pháp ngăn ngừa
hiện tượng SANH đã được thực hiện. Một trong những biện pháp ngăn ngừa
hiệu quả là sử dụng các thiết bị ngăn ngừa SANH dựa trên ứng dụng các thiết
bị điện tử công suất. Luận văn này sẽ nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị điều
áp động (Dynamic Voltage Restorer – DVR) nhằm khắc phục ảnh hưởng của
SANH trong hệ thống điện công nghiệp do khởi động các động cơ. Luận văn
xác định cấu trúc và thuật toán điều khiển ứng dụng mô phỏng hoạt động của
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
1
DVR trên phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng sẽ minh chứng
hiệu quả sử dụng DVR nhằm ngăn ngừa SANH do sự làm việc của các phụ
tải động (như các động cơ không đồng bộ 3 pha) trong hệ thống điện công
nghiệp.
2.Tên đề tài
Nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù điện áp động (DVR) để nâng cao chất
lượng điện năng (khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn) trong lưới phân phối.
3.Tóm tắt nội dung luận văn
Luận văn trình bày việc ứng dụng DVR như một giải pháp nhằm khắc
phục SANH do khởi động động cơ không đồng bộ ba pha trong lưới điện
công nghiệp. Hoạt động và hiệu quả sử dụng DVR được mô phỏng trên phần
mềm Matlab/Simulink.
Nội dung luận văn được sắp xếp theo trình tự sau đây:
+ Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, lý do chọn đề tài, đối tượng nghiên
cứu và giới thiệu nội dung của luận văn.
+ Chương 1: Tổng quan về biến thiên điện áp ngắn hạn.
+ Chương 2: Tổng quan về thiết bị điều áp động và ứng dụng.
+ Chương 3: Mô phỏng DVR để khắc phục biến thiên điện áp do khởi
động các động cơ không đồng bộ 3 pha.
4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Luận văn xem xét vấn đề chất lượng điện năng gây ra do khởi động các
động cơ và khắc phục sử dụng thiết bị điều áp động. Toàn bộ bài toán được
mô phỏng trên Matlab/Simulink cho phép hiểu rõ sự ảnh hưởng của các yếu
tố khác nhau đến hiệu quả khắc phục SANH của DVR. Các kết quả mô phỏng
cho thấy phương pháp sử dụng DVR cho hiệu qủa bù điện áp tốt hơn so với
giải pháp sử dụng STASCOM vì SANH có thể được bù hoàn toàn. Trong lưới
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
2
điện công nghiệp, do số lượng các động cơ thường được sử dụng rất lớn nên
việc xuất hiện SANH do quá trình mở máy các động cơ là rất thường xuyên.
Hơn nữa, nếu các động cơ có công suất lớn, khi khởi động sẽ gây SANH sâu.
Do đó SANH là vấn đề cần được xem xét giải quyết trong lưới điện công
nghiệp. Kết quả nghiên cứu của luận văn có thể dùng làm tài liệu tham khảo
mô phỏng giải pháp khắc phục SANH nhằm nâng cao chất lượng điện năng
trên toàn hệ thống.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
3
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ
SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN
1.1. Tổng quan về chất lƣợng điện năng
1.1.1. Sự cần thiết phải quan tâm đến chất lượng điện năng
Cùng với việc phải đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, yêu cầu về chất
lượng điện năng của các khách hàng dùng điện đối với ngành điện lực ở Việt
Nam cũng như trên thế giới ngày càng tăng. Sự phát triển của ứng dụng các
thiết bị và linh kiện điện tử công suất ngày càng rộng rãi nhằm nâng cao hiệu
suất sử dụng năng lượng cũng đồng thời làm cho các thiết bị điện ngày càng
dễ bị “thương tổn” khi gặp phải một sự nhiễu loạn (hiện tượng chất lượng
điện năng) trong hệ thống điện. Trong hợp đồng mua bán điện của các Công
ty điện lực luôn có những điều khoản về chất lượng điện năng, đặc biệt là về
chất lượng điện áp. Các lý do chính thường là:
- Ngày càng có nhiều thiết bị điện nhạy cảm với sự thay đổi cuả chất
lượng điện năng hơn so với các thiết bị điện trong quá khứ. Rất nhiều thiết bị
mới có chứa bộ vi sử lý, vi điều khiển, thiết bị điện tử công suất đã được sử
dụng. Trong quá trình hoạt động, các thiết bị này rất nhạy cảm với các loại
nhiễu loạn trong hệ thống điện, hay nói cách khác chúng là các thiết bị rất
nhạy cảm với các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng như là các hiện
tượng về điện áp, dòng điện cũng như là tần số.
- Đối với hệ thống phân phối điện, người ta đã sử dụng các thiết bị bù
nhằm làm giảm tổn thất và tăng hệ số công suất. Việc áp dụng các thiết bị mới
này sẽ gây ra các sóng hài trong hệ thống điện và có rất nhiều quan tâm đến
các tác động của chúng trong tương lai đối với khả năng hoạt động của hệ
thống.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
4
- Khách hàng sử dụng điện ngày càng nhận thức được về những vấn đề
về chất lượng điện năng. Họ ngày càng hiểu biết nhiều hơn về những hiện
tượng như mất điện, sụt giảm điện áp, các dao động do việc đóng cắt mạch
điện.
- Ngày càng nhiều sự liên kết trong hệ thống điện. Quá trình liên kết
cũng cho thấy rằng nếu có sự cố ở bất kỳ phần tử nào cũng đều gây nên
những hậu quả nghiêm trọng.
Từ thập niên 1980, chất lượng điện năng trở thành một trong những
tiêu chí quan trọng của ngành điện. Khái niệm chất lượng điện năng chủ yếu
giải quyết các vấn đề liên quan đến độ tin cậy, chất lượng cung cấp và dịch vụ
khách hàng. Có rất nhiều định nghĩa về chất lượng điện năng từ nhiều phía
(bên cấp điện, bên sản xuất thiết bị điện, khách hàng sử dụng điện). Tuy nhiên
suy cho cùng, vấn để chất lượng điện là vấn đề liên quan chất lượng cung cấp
dịch vụ và định nghĩa từ phía hộ dùng điện luôn được ưu tiên: chất lượng điện
năng liên quan đến sai lệch về dòng điện, điện áp, tần số mà những sai lệch
này đều dẫn đến sự cố hoặc vận hành sai cho các thiết bị của khách hàng sử
dụng điện.
1.1.2. Các hiện tượng chất lượng điện năng
Cùng với sự phát triển của quá trình tự động hóa trong hệ thống điện và
trong các trang thiết bị sử dụng điện, sự phát triển của khoa học công nghệ,
ngày càng nhiều thiết bị điện nhạy cảm với các nhiễu loạn xảy ra trong hệ
thống điện. Do vậy khái niệm về chất lượng điện năng ngày càng được mở
rộng và đi cùng với nó là hàng loạt các thật ngữ kỹ thuật được phát triển để
phản ánh bản chất các hiện tượng, nguyên nhân cơ bản ảnh hưởng đến chất
lượng điện năng.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
5
Bảng 1.1. Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong
hệ thống điện theo IEEE 1159-1995
Nhóm
1. Quá độ
1.1 Xung
1.1.1 Nano giây
1.1.2 Micro giây
1.1.3 Mili giây
1.2 Dao động
1.2.1 Tần số thấp
1.2.2 Tần số trung bình
1.2.3 Tần số cao
Phạm vi phổ
tần điển hình
Khoảng thời gian
điển hình
5 ns
1 s
< 50 ns
50 ns – 1 ms
> 1 ms
0,1 ms
0,3 – 50 ms
20 s
Độ lớn điện áp
điển hình
5 s
0 – 4 pu
0 – 8 pu
0 – 4 pu
0.5 – 30 chu kỳ
0.5 – 30 chu kỳ
0,5 – 30 chu kỳ
< 0,1 pu
0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,8 pu
30 chu kỳ - 3 s
30 chu kỳ - 3 s
30 chu kỳ - 3 s
<0,1 pu
0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,4 pu
3 s – 1 phút
3 s – 1 phút
3 s – 1 phút
< 0,1 pu
0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,2 pu
> 1 phút
> 1 phút
> 1 phút
0.0 pu
0.8 – 0.9 pu
1,1 – 1,2 pu
4. Mất cân bằng điện áp
Trạng thái ổn định
0,5 – 2 %
5. Biến dạng sóng
5.1 Một chiều
5.2 Sóng hài
5.3 Đa sóng hài
5.4 Vết cắt trên dạng sóng
5.5 Noise
Trạng thái ổn định
Trạng thái ổn đinh
Trạng thái ổn định
Trạng thái ổn định
Trạng thái ổn định
0 – 1%
< 5 kHz
5 – 500 kHz
0,5 – 5 MHz
2. Biến thiên điện áp ngắn hạn
2.1 Tức thời
2.1.1 Mất điện áp
2.1.2 Sụt áp (Sag)
2.1.3 Tăng áp (Swell)
2.2 Thoáng qua
2.2.1 Mất điện áp
2.2.2 Sụt áp
2.2.3 Tăng áp
2.3 Tạm thời
2.3.1 Mất điện áp
2.3.2 Sụt áp
2.3.3 Tăng áp
3. Biến đổi dài hạn
3.1 Mất điện áp duy trì
3.2 Thiếu điện áp
3.3 Qúa điện áp
6. Dao động điện áp
0 – 6 kHz
Băng thông
0,1 – 7%
< 25 Hz
7. Các biến thiên tần số
< 10 s
Hệ thống thuật ngữ được trình bày dưới đây (Bảng 1.1) phản ánh
những nỗ lực quốc tế trong thời gian gần đây nhằm định nghĩa một cách
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
6
Quá điện áp ngắn hạn
Qúa điện áp
110%
Điện áp làm việc bình thƣờng
90%
Quá độ
Biên độ điện áp (Uđm)
Quá độ
chuẩn hóa các thuật ngữ chất lượng điện năng. Việc phân loại các hiện tượng
điện từ trường sử dụng để đo lường và đánh giá chất lượng điện năng một
cách chuẩn xác hơn cũng như đề ra các giải pháp hữu hiệu để loại bỏ hoặc
giảm thiểu đối với từng hiện tượng. Những hiện tượng được liệt kê trong bảng
có thể được mô tả với những tính chất phù hợp. Các nhóm cùng với sự miêu
tả của chúng là quan trọng để có thể phân nhóm các kết quả đo lường và để
mô tả hiện tượng điện – từ trường, những hiện tượng có thể gây nên các vấn
đề về chất lượng điện năng.
Sụt giảm điện áp ngắn hạn
(sag)
10%
Tức thời
Thoáng qua
0.5 cycle
3 sec
Điện áp thấp
Ngắt điện duy trì
1 min
Thời gian
Hình 1.1. Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995)
Trong các hiện tượng điện từ trường nêu trên, có hai hiện tượng được
xác định là quan trọng đối với khách hàng sử dụng điện, đó là biến thiên điện
áp và sóng hài. Đối với hiện tượng biến thiên điện áp, theo IEEE 1159-1995,
nếu điện áp tăng vượt 10% so với điện áp định mức được coi là hiện tượng
quá điện áp, nếu điện áp dưới 10% so với điện áp định mức được thì gọi là sụt
giảm điện áp, nếu hiện tượng xảy ra trong vòng từ 0,5 chu kỳ đến 1 phút được
coi là biến thiên điện áp ngắn hạn, nếu vượt 1 phút là biến thiên điện áp duy
trì (Hình 1.1).
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
7
1.2.Phân loại biến thiên điện áp ngắn hạn:
Theo biên độ, các hiện tượng biến điện áp ngắn hạn được phân thành:
- Sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH): Là hiện tượng giảm của biên độ
điện áp xuống còn từ 10-90% của điện áp định mức trong thời gian từ 0.5 chu
kỳ đến 1 phút.
- Quá điện áp ngắn hạn: Là hiện tượng tăng biên độ điện áp từ 110180% điện áp trong khoảng thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1 phút.
- Mất điện ngắn hạn: Là hiện tượng giảm biên độ điện áp xuống dưới
10% mức điện áp định mức trong thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1 phút.
Theo thời gian tồn tại, có thể phân thành
- Sự kiện tức thời (Instantaneous): Là sự kiện biến thiên điện áp tồn tại từ
0,5 đến 30 chu kỳ
- Sự kiện thoảng qua (Momentary): Là sự kiện biến thiên điện áp tồn tại
từ 30 chu kỳ đến 3s
- Tạm thời (Temporary): Là sự kiện biến thiên điện áp tồn tại từ 3s đến 1
phút.
Theo hình dạng của thiên hiệu dụng của biên độ sự kiện, có thể phân
thành
- Sự kiện chữ nhật: Khi biên độ điện áp không thay đổi trong thời gian
tồn tại biến thiên điện áp ngắn hạn,
- Sự kiện không chữ nhật: Khi biên độ điện áp thay đổi trong thời gian
tồn tại biến thiên điện áp ngắn hạn.
Luận văn chỉ tập trung giải quyết đưa ra các đánh giá về các vấn đề ảnh
hưởng của SANH trên lưới phân phối, tức là các hiện tượng điện áp bị tụt
dưới 10% điện áp định mức và xảy ra trong thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
8
phút, cũng như các biện pháp khắc phục tác động của hiện tượng chất lượng
điện năng này sử dụng thiết bị DVR (Chương 2).
1.3. Tiêu chuẩn đánh giá
SANH được đặc trưng bởi hai tham số:
- Biên độ SANH: sai khác giữa điện áp định mức và điện áp còn lại khi
sụt giảm.
Biên độ SANH phụ thuộc chủ yếu vào những yếu tố sau:
+ Phụ thuộc vào vị trí điểm đo đến điểm sự cố.
+ Phụ thuộc vào tổ đấu dây máy biến áp.
+ Tùy thuộc dạng sự cố xảy ra trong hệ thống...
Dựa theo quan điểm này, nhiều định nghĩa chia ra với 7 dạng SANH
khác nhau.
- Thời gian tồn tại SANH được tính từ khi điện áp xuống dưới ngưỡng
(0,9Uđm) đến khi phục hồi trở lại.
Thời gian tồn tại SANH phụ thuộc:
+ Thời gian loại trừ sự cố của bảo vệ.
+ Nguyên nhân gây sụt áp.
Trong lưới phân phối thường sử dụng các 2 chỉ tiêu sau để đánh giá
SANH.
Chỉ tiêu SARFIx:
Trong đó:
x: Giá trị điện áp ngưỡng (10%-90%)Uđm.
i: Sự kiện thứ i gây ra SANH.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
9
Ni: Số lượng phụ tải chịu sụt áp dưới x%.
NT: Số lượng phụ tải tại khu vực khảo sát.
Công thức này có nghĩa là khi điện áp sụt giảm tới ngưỡng x% thì sẽ có
bao nhiêu phần trăm số phụ tải bị ảnh hưởng trong tổng số phụ tải. Chỉ tiêu
này có thể được đánh giá với nhiều mức biên độ SANH (x) khác nhau .
Tuy nhiên trong công thức này chưa xét đến tham số thời gian tồn tại
SANH trong một sự kiện. Cách thức đánh giá tiếp sau sẽ đề cập tới cả tham số
thời gian.
Chỉ tiêu SARFIx-curve
Trong đó:
x: Giá trị điện áp ngưỡng (10%-90%)Uđm
i: Sự kiện thứ i gây ra SANH
Ni’: Số lượng phụ tải chịu sụt áp trong miền nguy hiểm của các
đường cong tiêu chuẩn SEMI, ITIC, CBEMA.
NT: Số lượng phụ tải tại khu vực khảo sát.
CURVE: Đường cong chịu đựng điện áp.
Công thức này được đưa ra để đánh giá mức độ ảnh hưởng của SANH
đến các thiết bị điện nhạy cảm (thiết bị bán dẫn, thiết bị viễn thông, công nghệ
thông tin...) đã được chế tạo với khả năng chịu điện áp theo thời gian. Thông
thường, nếu mức độ sụt giảm điện áp càng lớn thì thời gian chịu đựng được
của thiết bị càng ngắn và ngược lại.Các đường cong tiêu chuẩnSEMI, ITIC,
CBEMA tiêu chuẩn hóa mối quan hệ này. Hình 1.7 là ví dụ đường cong ITIC
(Information Technology Industry Council).
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
10
0,5 chu kỳ
Điện áp phần trăm
Đường quá áp
Vùng làm
việc được
Đường thấp áp
Thời gian (s)
Hinh 1.2. Đường cong chịu đựng điện áp ITIC
Do vậy, chỉ tiêu SARFIx-curve có ý nghĩa là tại mức độ sụt áp x% thì sẽ có
bao nhiêu phần trăm số lượng phụ tải bị ảnh hưởng, tính cả đến khả năng chịu
sụt áp theo thời gian của thiết bị.
1.4. Nguyên nhân gây sụt áp ngắn hạn trong hệ thống
Có nhiều nguyên nhân có thể gây ra SANH trong hệ thống điện, tuy
nhiên phổ biến nhất vẫn là do ngắn mạch gây ra. Các nguyên nhân có thể liệt
kê như sau:
- Sự cố ngắn mạch gây sụt áp tại thanh cái phụ tải.
- Đóng cắt các phụ tải lớn, khởi động động cơ lớn.
- Trục trặc trong hệ thống tự động điều chỉnh kích từ của các máy phát
điện, hư hỏng tại các bộ tự động điều chỉnh đầu phân áp các máy biến
áp.
- Dao động công suất phản kháng do hoạt động máy hồ quang lò nấu
thép…
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
11
Hình 1.3 là ví dụ SANH khi có động cơ không đồng bộ công suất lớn khởi
động
Điện áp (%)
Biến thiên giá trị hiệu dụng
Thời gian (s)
Hình 1.3. SANH khi động cơ không đồng bộ công suất lớn khởi động
Hình 1.4. Biến thiên điện áp khi đóng lò luyện nhôm lớn
1.5. Ảnh hƣởng của sụt giảm điện áp ngắn hạn
Các thiết bị hiện đại hiện nay ngày càng nhạy cảm với điện áp, hơn nữa
sụt giảm điện áp là một trong những nguyên nhân chính gây nhiễu loạn quá
trình điện từ:
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
12
- Các quá trình điều khiển các thiết bị điện tử công suất, cảm biến, điều
khiển máy tính, PLCs điều khiển tốc độ động cơ, hoạt động các rơle dễ bị ảnh
hưởng bởi sụt điện áp. Nhiều thiết bị phải ngừng hoạt động khi điện áp sụt
giảm xuống dưới 90% điện áp danh định chỉ trong thời gian 2 chu kỳ.
- Các quá trình điều khiển công nghiệp rất nhạy cảm với sự thay đổi điện
áp. Việc bị ngừng do sụt giảm điện áp dẫn đến phá hỏng cả quá trình sản xuất
liên tục. Vì thế hầu hết các quá trình sản xuất công nghiệp đều được trang bị
bảo vệ chống sụt điện áp.
- Các bộ điều khiển tốc độ động cơ thường lấy điện qua các bộ chỉnh lưu.
Điện áp phía một chiều thường được trang bị các bảo vệ điện áp thấp và điện
áp cao. Khi điện áp giảm dưới 85% giá trị bình thường tín hiệu cắt sẽ được
gửi đi sau vài chu kỳ. Vì thế quá trình điều khiển tốc độ cũng rất nhạy cảm
với điện áp.
- Động cơ đồng bộ, không đồng bộ có thể ngừng máy khi điện áp sụt
giảm trong thời gian kéo dài hoặc tốc độ và momen thay đổi gây mất đồng bộ.
Sụt điện áp làm cho động cơ không thể khởi động do điện áp thấp.
1.6. Các biện pháp khắc phục
Các giải pháp chính để khắc phục SANH trong hệ thống bao gồm:
- Tăng cường thêm các đường dây, trạm biến áp khiến hệ thống trở lên
“khỏe” hơn, SANH tại lân cận điểm sự cố sẽ giảm thấp hơn.
- Sử dụng các thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch để giảm độ lớn dòng
ngắn mạch, qua đó giảm mức độ sụt áp khi sự cố xảy ra.
- Sử dụng các bảo vệ với thời gian cắt nhanh hơn để giảm thời gian tồn
tại sụt áp ngắn hạn
- Sử dụng các thiết bị bù chủ động để duy trì điện áp.
- Sử dụng các bộ lưu điện (UPS) để chủ động tự duy trì điện áp tại phụ
tải. Giải pháp này, tuy nhiên, chỉ thực hiện chủ yếu với các phụ tải công suất
thấp, ở cấp hạ áp....
Trong các giải pháp trên, giải pháp dùng các thiết bị bù chủ động như
(i) thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator-DSTATCOM); (ii) thiết
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
13
bị bù áp nhanh (Dynamic Voltage Restorer-DVR) thường cho hiệu quả cao
hơn và đồng thời có thể khắc phục được nhiều hiện tượng chất lượng điện
năng.
- Thiết bị DSTATCOM là loại thiết bị bù tĩnh dựa trên bộ nghịch lưu nối
song song vào hệ thống. Thiết bị này kiểm soát điện áp điểm nối bằng cách
bù một dòng điện có điều khiển vào điểm nối thông qua máy biến áp ghép.
Thiết bị này được lắp đặt để ngăn chặn sự lan tỏa của các sóng hài từ lưới
điện vào thiết bị của khách hàng.
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý thiết bị DSTATCOM
- Thiết bị DVR là loại thiết bị được thiết kế với chức năng cơ bản là khi
xảy ra biến động điện áp trên lưới, thiết bị sẽ thêm một lượng điện áp được
điều khiển bởi nghịch lưu qua máy biến áp ghép vào nút tải để khôi phục lại
điện áp cấp của phụ tải. Do được ghép nối tiếp vào hệ thống nên điện áp trên
tải sẽ bằng tổng điện áp cung cấp từ nguồn và điện áp DVR thêm vào.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
14
Vnguồn
Bộ nguồn
một chiều
VDVR
Vtải
Phụ tải
nhạy cảm
Bộ biến điện áp
Mạch điều khiển
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý thiết bị DVR
Ưu điểm nổi trội của DVR là khả năng phản ứng nhanh, thuật toán điều
khiển tương đối đơn giản, hiệu quả hoạt động cao,thích hợp với nhiều dạng tải
và điều kiện lưới điện khác nhau.
1.7. Kết luận
Biến thiên điện áp ngắn hạn là một trong những hiện tượng chất lượng
điện năng rất hay xảy ra trong hệ thống điện có nhiều sự cố ngắn mạch hoặc
hệ thống điện công nghiệp khi các quá trình khởi động các phụ tải động công
suất lớn xảy ra thường xuyên. SANH gây tác động đến sự làm việc của các
phụ tải nhạy cảm như các bộ điều tốc, máy tính cá nhân và các thiết bị ứng
dụng điện tử công suất khác.
Để ngăn ngừa SANH, giải pháp sử dụng thiết bị DVR là một trong
những giải pháp hiệu quả nhất bởi thiết bị này có khả năng khôi phục điện áp
trên tải đến giá trị mong muốn với thuật toán điều khiển tương đối đơn giản,
dải hoạt động rộng, điện áp từ vài trăm V đến hàng chục kV, công suất hàng
chục MVA, thích ứng với nhiều loại tải khác nhau, khả năng hoạt động ổn
định và tin cậy, hiệu suất cao.
Trong luận văn này, sẽ đi sâu vào nghiên cứu, phân tích và mô phỏng
hiệu quả hoạt động của DVR ngăn ngừa SANH trong lưới điện trung áp công
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
15
nghiệp. Luận văn xác định cấu trúc và thuật toán điều khiển tối ưu ứng dụng
mô phỏng hoạt động của DVR trên phần mềm Matlab/Simulink. Qua đó đưa
ra những kết luận về việc phân tích hiệu quả hoạt động của thiết bị DVR trong
ngăn ngừa SANH trong hệ thống điện.
Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ
16
