Nghiên cứu, xây dựng bộ bù áp nhanh cho lưới điện trung áp sử dụng nghịch lưu 6 bậc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.44 MB, 106 trang )
Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO
TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI
-----------------------------------------
Nguyễn văn bàng
Nghiên cứu, xây dựng bộ bù áp nhanh cho
lới điện trung áp sử dụng nghịch lu 6 bậc
LUậN VĂN THạC Sĩ KHOA HọC
điều khiển & Tự ĐộNG HóA
Ngời hớng dẫn khoa học:
PGS.TS. NGUYễN VĂN LIễN
Hà Nội 2011
Mục lục
Chơng 1: TổNG QUAN Về hệ thống điện và lới điện
.......................................................
1
.........................................................................................................................................................................................................................................................................
1
...........................................................................................................................................................................................................................................................................................
1
1.1 Hệ thống điện
1.2 Lới điện
1.2.1 Lới hệ thống
.........................................................................................................................................................................................................................................
1.2.2 Lới truyền tải
......................................................................................................................................................................................................................................
1.2.3 Lới phân phối
.....................................................................................................................................................................................................................................
1
1
2
...........................................................................................................................................................................................................
2
.....................................................................................................................................................................................................................
3
1.3.1 Lới điện 35 kV
...............................................................................................................................................................................................................................
3
1.3.2 Lới điện 22 kV
...............................................................................................................................................................................................................................
3
1.3.3 Lới điện 15 kV
...............................................................................................................................................................................................................................
4
1.2.4 Điện áp của lới điện
1.3 Cấu trúc lới điện trung áp
1.3.4 Lới điện 10 kV, 6 kV
......................................................................................................................................................................................................
..............................................
4
..............................................................................................................................................................................................
5
...........................................................................................................................................................................................................................
5
1.4 Một số đặc điểm và nguyên nhân của việc suy giảm chất lợng điện
1.4.1 Quá điện áp Điện áp lõm
1.4.2 Biến thiên điện áp
......................................................................................................................................................................................
5
..................................................................................................................................................................................................................................................................
6
1.4.3 Điện áp bị lõm (SAG, DIP)
1.4.4 Sóng hài
1.4.5 Điện áp không đối xứng
..................................................................................................................................................................................................
1.5.1 Đảm bảo đồng bộ
8
..........................................................................................................................
9
............................................................................................................................................................................................................................
9
1.5 Yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điện truyền tải
1.5.2 Đảm bảo biên dạng điện áp
.....................................................................................................................................................................................
1.5.3 Đáp ứng tối đa nhu cầu phụ tải cực đại
.......................................................................................................................................
9
9
......................................................................................
10
.................................................................................................................................
10
............................................................................................................................................................................................................
10
.............................................................................................................................................................................................................................................................................................
11
1.5.4 Đảm bảo cung cấp điện liên tục và độ tin cậy cao
1.5.5 Đảm bảo chất lợng điện năng tốt nhất
1.5.6 Hiệu quả kinh tế cao
1.6 kết luận
4
Chơng 2: nghịch lu và phơng pháp điều khiển
X
...............................................................
12
2.1 Nghịch lu
................................................................................................................................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................................................
12
...........................................................................................................................................................................................................................
13
2.1.1 Vai trò của bộ nghịch lu
2.1.2 Bộ nghịch lu áp
12
2.1.3 Phân tích bộ nghịch lu áp 1 pha
..........................................................................................................................................................
13
.....................................................................................................................................................
17
......................................................................................................................................................
22
2.1.4 Phân tích bộ nghịch lu áp ba pha
2.2 Phơng pháp điều khiển bộ nghịch lu áp
.................................................
23
........................................................................................................................................
25
2.2.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lu
2.2.2 Phơng pháp điều khiển theo biên độ
2.2.3 Phơng pháp điều chế độ rộng xung sin (SIN PWM)
.........................................................................
.................
31
.................................
33
2.2.4 Phơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MODIFIED SPWM
2.2.5 Điều chế theo mẫu (REGULAR SAMPLING TECHNIQUES)
28
2.2.6 Phơng pháp điều chế độ rộng xung tối u (OPTIMUM PWM)
.............................
34
2.2.7 Phơng pháp điều rộng (SINGLE PUSLE WIDTH MODULATION) 36
.......
2.2.8 Phơng pháp điều chế vectơ không gian (SPACE VECTOR
.........................................................................................
37
.............................................................................................................................
45
MODULATION hoặc SPACE VECTOR PWM)
2.2.9 Quá điều chế (OVERMODULATION)
2.2.10 Phơng pháp điều khiển PWM dòng điện
....................................................................................................................
49
2.2.11 Phơng pháp điều khiển véctơ dòng điện(Space vector
Current Control)
...........................................................................................................................................................................................................................
Chơng 3: XÂY DựNG Hệ THốNG Bù áP NHANH
3.1 Nhiệm vụ của điều chỉnh điện áp
51
.....................................................................................................
54
......................................................................................................................................................................................
54
3.1.1 Nguyên tắc chung điều chỉnh điện áp trên lới điện
................................................................................
..........................................................................
55
................................................................................................................................................................
56
................................................................................................................................................................................
56
3.1.2 Vấn đề bù công suất phản kháng trong hệ thống điện
3.2 Các phơng phá p điều chỉnh điện áp
3.2.1 Điều chỉnh điện áp theo cấp
54
3.2.2 Điều chỉnh điện áp bằng bộ bù tĩnh - SVC (Static Var Compensator) 60
.........
..........
62
.....................................................................................................................................................................................................................................................
67
3.2.3 Bộ bù đồng bộ tĩnh - STATCOM (Static synchronous Compensator)
3.2.4 Bộ khống chế dòng công suất- UPFC (Unified Power Flow
Controller)
3.2.5 Bộ bù áp nhanh - Dynamic Voltage Rertorer (DVR)
XI
..............................................................................
68
3.2.5.1 Các phơng pháp điều khiển DVR
.................................................................................................................
.................................................................
74
............................................................................
75
............................................................................................................................................................................................
80
3.2.5.2 Các loại DVR với hệ thống lu trữ năng lợng
3.2.5.3 Các loại DVR không có lu trữ năng lợng
3.3 Xây dựng hệ thống bù áp nhanh
.......................................................................................................................................
80
............................................................................................................................................................
81
.........................................................................................................................................................................................................................
83
3.3.1 Giả thiết tham số hệ thống truyền tảI
3.3.2 Tính toán thông số máy biến áp
3.3.3 Tính toán ắc quy
....................................................................................................................................................................................................................
85
............................................................................................................................................................................................................................................
85
3.3.4 Chọn van bán dẫn
3.3.5 Chọn bộ lọc
..............................................................................................................
86
............................................................................................................................................................................................................................
86
Chơng 4: xây dựng mô hình và mô phỏng
4.1 giới thiệu về simulink
............................................................
87
................................................................................................................................................................................................
88
.........................................................................................................................................................................................................................................
88
4.1.1 Khả năng mô phỏng hệ thống điện trong simulink
4.2 Xây dựng mô hìn mô phỏng
4.2.1 Đặt vấn đề
...............................................................................................
89
................................................................................................................................................................................................
89
....................................................................................................................................................................................................
89
4.22 Xây dựng các khối trong mô hìn mô phỏng
4.2.2.1 Khối nguồn
4.2.2.2 Khối DVR
.............................................................................................................................................................
91
...........................................................................................................................................................................
95
.................................................................................................................................................................................................................
95
...........................................................................................................................................................................................................................................
96
4.2.2.3 Bộ điều khiển DVR
4.2.2.4 Kối máy biến áp
4.2.2.5 Khối tải
4.3 Kết quả mô phỏng
70
4.3.1 Mô phỏng trờng hợp điện áp lới sụt 40%
XII
..........................................................................................
96
Chơng 1
Tổng quan về hệ thống điện và lới điện
1.1 hệ thống điện
Hệ thống điện bao gồm các nhà máyđiện, trạm biến áp, các đờng dây tải điện
và các thiết bị khác (nh thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ) đợc nối liền với
nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện.
1.2 Lới điện
1.2.1 Lới hệ thống
Tập hợp các bộ phận của hệ thống điện gồm đờng dây tải điện và các trạm
biến áp gọi là lới điện hệ thống, có các đặc điểm sau:
- Lới có nhiều mạch vòng kín để khi ngắt điện bảo quản đờng dây hoặc sự cố 1
đến 2 đờng dây vẫn đảm bảo liên lạc hệ thống.
- Vận hành kín để đảm bảo liên lạc thờng xuyên và chắc chắn giữa các nhà máy
điện với nhau và với phụ tải.
- Điện áp từ 110 kV đến 500 kV.
- Lới đựơc thực hiện chủ yếu bằng các đờng dây trên không.
1.2.2 Lới truyền tải
Lới truyền tải làm nhiệm vụ tải điện từ các trạm khu vực đến các trạm trung
gian, lới điện này có các đặc điểm sau:
- Sơ đồ kín có dự phòng: 2 lộ song song từ cùng một trạm khu vực, 2 lộ từ 2 trạm khu
vựckhác nhau, 1 lộ nhng có dự phòng ở lới phân phối. Vận hành hở vì lý do hạn chế
dòng ngắn mạch, có thiết bị tự đóng nguồn khi sự cố.
- Điện áp 220,500 kV.
- Thực hiện bằng đờng dây trên không là chính, trong các trờng hợp không thể
làm đờng dây trên không thì dùng cáp ngầm.
XIII
- Lới 110 kV trở lên trung tính máy biến áp nối đất trực tiếp.
1.2.3 Lới phân phối
Lới phân phối làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian trạm
khu vực hoặc thanh cái nhà máy điện cho các phụ tải.
* Lới phân phối gồm 2 phần:
- Lới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối cho các trạm
phân phối trung áp/ hạ áp và các phụ tải trung áp.
- Lới hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220V.
Điện áp 35 kVcó thể dùng cho lới điện truyền tải và lới điện phân phối. Mỗi
loại lới có các tính chất vật lý và quy luật hoạt động khác nhau, do đó các phơng
pháp tính đợc sử dụng khác nhau, các bài toán đặt ra để nghiên cứu cũng khác
nhau.
1.2.4 Điện áp của lới điện
Trên thế giới cũng nh ở Việt Nam điện áp định mức thờng đợc chia thành
các cấp:
- Siêu cao áp: 330, 400, 500, 750 kV ( 220 kV cũng có thể xếp vào lới điện siêu cao áp).
- Cao áp: 60, 90, 110, 220 kV.
- Trung áp: 6, 10, 15, 22, 35 kV.
- Hạ áp: lới phân phối hạ áp cho đồng thời 2 loại điện áp: điện áp dây 380 V và
điện áp pha 220 V. Một số nơi còn dùng điện áp cấp 220/110 V.
Cấp điện áp 380/220 kV là cấp điện áp chính để cấp điện năng cho các thiết bị
dùng điện. Sở dĩ có nhiều cấp điện áp khác nhau là vì ứng với mỗi công suất phụ tải
và độ dài tải điện khác nhau cần có cấp điện áp tải điện tơng ứng cho hiệu quả kinh
tế cao nhất. Trong phạm vi đề tài này chỉ đề cập đến lới điện trung áp. Vì vậy ta
nghiên cứu cấu trúc lới điện trung áp.
XIV
1.3 cấu trúc lới điện trung áp
1.3.1 Lới điện 35 kV
Trớc đây lới điện 35 kV đợc coi là truyền tải với các đờng dây rất dài, kết
nối với các đờng dây này là các trạm biến áp trung gian, các trạm biến áp tơng đối
lớn cung cấp cho nông nghiệp và công nghiệp tại các địa phơng. Toàn bộ lới điện
vận hành chế độ 3 pha dây trung tính cách điện. Hiện nay lới điện 35 kV trải rộng
khắp cả nớc với mật độ cao từ thành thị tới nông thôn, từ đồng bằng tới vùng trung
du và miền núi. Theo quy hoạch thì lới điện 35 kV còn duy trì lâu trong hệ thống
truyền tải và phân phối điện Việt Nam, đặc biệt sử dụng ở những khu vực tải phân
bố rộng và phân tán nh ở vùng núi, vùng sâu, vùng xa dân c tha. Tại khu vực
đồng bằng bắc bộ do có phụ tải nông nghiệp vàcác phụ tải công nghiệp địa phơng
chiếm tỷ trọng lớn cùng đó dân c sinh hoạt đông đúc theo mô hình cộng đồng làng
xã, giao thông không thuận lợi nhỏ bé. Do vậy việc đa đờng dây 35 kV vào sâu
trong khu vực dân c gặp khá nhiều khó khăn cho nên các đờng dây 35 kV vẫn chủ
yếu làm việc nh là đờng dây truyền tải cung cấp cho các trạm biến áp trung gian.
Các trạm biến áp phục vụ công nghiệp, thủy lợi và các trạm biến áp cấp điện sinh
hoạt có quy mô lớn. Các đờng dây 35 kV đã và đang đợc kết nối với dạng mạch
vòng kín vận hành hở để tăng độ an toàn trong cung cấp điện cho diện rộng và kết
nối hỗ trợ giữa các trạm 110 kV với nhau. Với khu vực miền núi và trung du do phụ
tải phân tán, bán kính cung cấp điện xa, dân c tha thớt cho phép đờng dây 35 kV
vào sâu trong khu vực dân c. Do đó hầu hết các khu vực miền núi, trung du đều
đợc cấp điện bằng đờng dây 35 kV và làm việc nh đơng dây phân phối. Do
đờng dây dài, phụ tải phân tán và nhỏ nên đờng dây 35 kV khu vực miền núi và
trung du thờng có dạng hình tia một mạch nên độ an toàn cung cấp điện thấp.
1.3.2 Lới điện 22 kV
Lới điện 22 kV đợc đa vào vận hành và sử dụng khoảng (6 8) năm gần
đây, mục đích nhằm chuyển đổi lới điện áp ( 6,10,15) kV ở khu vực thành phố, thị
xã và khu vực đồng bằng về cùng cấp 22 kV. Lới 22 kV có trung tính trực tiếp nối
đất và phần lớn là cấp điện cho các khu vực phụ tải quan trọng nên hầu hết các
XV
đờng dây 22 kV đều dợc xây dựng dạng mạch vòng kín vận hành hở nên độ an
toàn cung cấp điện cao, tổn thất trên lới thấp.
1.3.3 Lới điện 15 kV
Lới điện 15 kV đợc thiết kế, sử dụng theo tiêu chuẩn của Mỹ đã đợc phát
triển mạnh mẽ và cấp điện áp phân phối chủ yếu ở miền Nam.
1.3.4 Lới điện (6, 10) kV
Hầu hết các phụ tải dùng nh sinh hoạt, phụ tải công nghiệp địa phơng, dịch
vụ tại các thành phố lớn và các thị xã đều đợc cung cấp điện thông qua hệ thống
điện (6, 10) kV. Lới điện này sử dụng để cung cấp điện ở miền bắc nớc ta từ
những năm 1950 cùng với cấp điện áp 35 kV, cho đến nay vẫn còn sử dụng rộng rãi.
Toàn bộ lới này đều thiết kế 3 pha 3 dây làm việc ở chế độ trung tính cách điện,
đựợc xây dựng sau các trạm biến áp 35/6 kV, 35/10 kV và có một số xây dựng sau
các trạm biến áp 110/35/6 kV hay 110/10/6 kV nhằm đa điện tới sâu các tâm phụ
tải. Với điện áp này có thể cung cấp điện sâu cho các khu vực dân c, len lỏi vào các
khu vực chật hẹp giảm bán kính cung cấp điện hạ áp. Những năm trớc do phụ tải sử
dụng điện phát triển thấp với bán kính cung cấp (5 10) km thì lới điện cấp này
phát huy tốt. Ngày nay do phụ tải sử dụng điện phát triển mạnh nên lới điện này
bộc lộ nhiều nhợc điểm không thích ứng đặc biệt với khu vực thành thị và các khu
vực kinh tế phát triển. Mặt khác các đờng dây lới điện này đều xây dựng theo
mạng hình tia một mạch nên độ an toàn trong cung cấp điện không cao. Xu hớng
thay thế dần lới điện này bằng lới điện 22 kV trung tính trực tiếp nối đất đang
đợc thực hiện.
1.4 một số đặc điểm và Nguyên nhân của việc suy giảm
chất lợng điện
Hệ thống điện làm việc trong thời gian thực, sự suy giảm chất lợng điện có
thể đợc đánh giá bằng ảnh hởng của chúng tới biên độ, dạng sóng, tần số và sự
đối xứng của điện áp.
XVI
Các hiện tợng bất thờng này có thể mang đặc tính ngẫu nhiên (ngắn mạch,
sét, thao tác), hoặc thờng xuyên (do máy hàn, lò hồ quang làm việc liên tục).
1.4.1 Quá điện áp
Ngời ta chia quá điện áp làm 3 loại :
- Quá điện áp tức thời ở tần số công nghiệp : do các thiết bị trả năng lợng về lới
làm điện áp trên lới tăng
- Quá điện áp khí quyển : do sét đánh vào đờng dây chuyền tải chẳng hạn, trong
trờng hợp này thiết bị bảo vệ nh van chống sét sẽ tác động dẫn dòng điện xuống
đất
- Quá điện áp thao tác : trong quá trình đóng cắt các thiết bị sinh ra các xung điện
áp( do quá trình quá độ sinh ra các điện áp xung)
1.4.2 Biến thiên điện áp
Biến thiên điện áp là biến thiên trị hiệu dụng hay biên độ điện áp theo thời gian
nhỏ hơn 10% điện áp định mức. Dao động điện áp thờng có tính chu kỳ và đợc
đặc trng bởi biến thiên biên độ và chu kỳ.
1.4.3 Điện áp bị lõm (SAG, DIP)
Điện áp bị lõm là sự suy giảm điện áp tức thời đột ngột tại một thời điểm, giá
trị của nó dao động giữa 90% và l0% so với điện áp quy chuẩn, tiếp theo điện áp
đợc phục hồi trong một thời gian rất ngắn, từ một nửa chu kỳ của điện áp lới
(10ms) đến 60s. Hình 1.1a mô tả diễn biến chỗ lõm của điện áp theo đơn vị tơng
đối Vpu.
* Nguyên nhân của lõm điện áp:
Sự cố trong lới truyền tải và phân phối. Lõm kéo dài phụ thuộc vào việc chỉnh
định thời gian của các hệ thống bảo vệ.
Để cách ly sự cố cần có thiết bị cắt. Nguyên nhân chủ yếu gây lõm điện áp là
dòng điện qua tổng trở của mạch tăng đột ngột, làm tăng điện áp rơi trên lới do đó
điện áp tại điểm quan sát giảm đi. Mặc dù khi sự cố nguồn cung cấp bị cắt nhng
XVII
vẫn còn điện áp d trên động cơ không đồng bộ và đồng bộ trong quá trình giảm tốc
(từ 0,3 đến ls) hoặc điện áp tồn d trong tụ điện.
- Đóng cắt tải công suất lớn nh động cơ không đồng bộ, lò hồ quang, máy hàn
cũng dẫn tới suy giảm đột ngột điện áp.
- Sự suy giảm điện áp quá độ (T < T/2) do đóng cắt tụ điện, đóng cắt máy cắt, cháy
cầu chì, chuyển mạch của các bộ biến đổi nhiều pha.
a)
b)
Hình 1.1: Chỗ lõm điện áp
1.4.4 Sóng hài
Các sóng hài làm méo điện áp lới có thể do các nguyên nhân sau đây:
- Các tải công nghiệp: các thiết bị điện tử công suất, lò hồ quang, máy hàn, bộ khởi
động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn.
XVIII
- Các tải dân dụng: đèn phóng điện trong chất khí, lò vi sóng, tivi, máy phôtôcopy.
- Nhiễu do tác động của môi trờng xung quanh.
Bảng 1.1: Dạng sóng và phổ của một số tải phi tuyến
Tải phi
Dạng sóng dòng điện
Phân tích phổ
tuyến
Hệ số
méo
Bộ biến
44%
đổi tốc
độ
Bộ nạp
(chỉnh
28%
lu)
Tải tin
học
115%
Đèn
huỳnh
53%
quang
Bảng 1.1 trình bày dạng sóng của một số tải phi tuyến và hệ số méo của chúng.
Độ méo điều hòa phụ thuộc vào chế độ vận hành của thiết bị. Do sự đối xứng của
XIX
dạng sóng dòng điện, phân tích phổ của chúng chỉ chứa các điều hòa mức lẻ)... Phổ
có thể gián đoạn hoặc liên tục, có tính ngẫu nhiên (lò hồ quang) hoặc lặp lại (máy
hàn)
Bảng 1.2: Các hiện tợng bất thờng ảnh hởng đến chất lợng điện năng:
Hiện
Lõm điện
Quá điện
tợng bất
áp
áp
Sóng hài
Không đối
Dao động
xứng
điện áp
thờng
Dạng sóng
điện áp
Từ những đặc điểm và nguyên nhân của việc suy giảm chất lợng điện năng
ta có các biện pháp và dùng các bộ bù để nâng cao chất lợng điện năng nh:
- Bộ bù tĩnh SVC (Static Var Compensator).
- Bộ bù nghịch lu Statcom.
- Bộ khống chế dòng công suất.
- Bộ bù áp nhanh (Bộ phục hồi điện áp động) - DVR (Dynamic Voltage Restorer).
- Bộ lọc tích cực.
Để phân tích và lựa chọn các phơng pháp trên phù hợp với yêu cầu của đề
tài, chơng 3 sẽ đề cập nội dung này cụ thể hơn.
1.4.5 Điện áp không đối xứng
Hệ thống ba pha không đối xứng khi biên độ điện áp các pha không bằng nhau
hoặc góc lệch pha không bằng 1200.
Nguyên nhân là do hoạt động của các máy hàn, lò hồ quang, ...
XX
Hình 1.2: Đồ thị điện áp 3 pha không đối xứng
1.5 yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điện truyền tải
1.5.1 Đảm bảo đồng bộ
Là yêu cầu các máy phát đều đa ra tần số chính xác với độ sai lệch cho phép
trong phạm vi +/_0,1 Hz
1.5.2 Đảm bảo biên dạng điện áp
Là giữ đợc điện áp tại mọi điểm kết nối trên hệ truyền tải trong phạm vi cho
phép. Có thể thấy rằng biến động điện áp liên quan đến dòng công suất phản kháng,
thay đổi theo diễn biến của phụ tải và chế độ hoạt động của hệ thống nh kết nối
nguồn, sa thải phụ tải hoặc chuyển hớng đờng truyềnMọi diễn biến quá điện áp
hoặc thấp áp đều dẫn đến những hậu quả về kinh tế, kỹ thuật. Giữa hai trờng hợp
tới hạn là không tải và ngắn mạch đòi hỏi những biện pháp bảo vệ khẩn cấp có rất
nhiều biện pháp điều chỉnh để đảm bảo biên dạng điện áp.
1.5.3 Đáp ứng tối đa nhu cầu phụ tải cực đại
Mọi hệ thống điện đợc thiết kế và xây dựng nhằm mục đích thoả mãn nhu
cầu lớn nhất của các hộ dùng điện ở mọi thời điểm bất kỳ. Sự thiếu hụt về công suất
có thể dẫn đến những thiệt hại lớn về kinh tế.
XXI
1.5.4 Đảm bảo cung cấp điện liên tục và độ tin cậy cao
Thực tế sản xuất có những hộ dùng điện không đợc phép mất điện vì nếu mất
điện có thể dẫn đến nguy hiểm đến tính mạng con ngời, làm rối loạn quy trình
công nghệ sản xuất, phá vỡ sự hoạt động bình thờng của các lĩnh vực quan trọng.
Độ tin cậy và liên tục cung cấp điện đợc xét đến xuất phát từ quan điểm kinh tế.
Quyền lợi của toàn bộ nền kinh tế quốc dân đòi hỏi không phải mức tin cậy tùy ý
nào đó, càng không phải mức tin cậy cao nhất mà là mức tin cậy tối u đảm bảo tính
kinh tế tổng hợp cho toàn bộ nền kinh tế quốc dân.
1.5.5 Đảm bảo chất lợng điện năng tốt nhất
Đặc điểm của điện năng là các đặc tính của nó phụ thuộc đồng thời vào việc
sản xuất, truyền tải, phân phối điện, vào các nhà chế tạo thiết bị lẫn ngời vận hành
sử dụng. Chất lợng điện là một chủ đề có ý nghĩa chiến lợc đối với toàn ngành
điện, tới các nhân viên kỹ thuật vận hành, khai thác, bảo dỡng, các nhà chế tạo
thiết bị, vì các lý do:
- Tính chất cạnh tranh của nền kinh tế đòi hỏi điện năng phải đợc đảm bảo thờng
xuyên với chất lợng tốt.
- Việc sử dụng ngày càng rộng rãi các phụ tải nhạy cảm với chất lợng điện nh
máy tính, thiết bị đo lờng - điều khiển, hệ thống thông tin liên lạc đòi hỏi phải
đợc cung cấp điện với chất lợng cao.
- Việc suy giảm chất lợng điện làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp, tuổi
thọ bị giảm.
1.5.6 Hiệu quả kinh tế cao
Cũng nh bất cứ một hệ thống nào, hệ thống điện có mục đích cuối cùng là
mang lại lợi nhuận cao, các thiết bị phải làm với hiệu quả cao nhất. Tính kinh tế của
hệ thống điện đợc đặc trng bởi chi phí cực tiểu cho sản xuất, truyền tải và phân
phối điện năng. Bởi vì chi phí này phụ thuộcvào mức độ yêu cầu điện năng , nên chỉ
tiêu kinh tế của chế độ hệ thống điện đặc trng cho suất chi phí chứ không phải là
lợng chi phí tuyệt đối. Những yêu cầu kinh tế của chế độ hệ thống điện liên quan
XXII
đến sự phân bố công suất, sự lựa chọn thiết bị và các phần của hệ thống. Đồng thời
tính kinh tế của hệ thông điện còn thể hiện ở mức lợi nhuận cao nhất có thể đạt
đợcvà đáp ứng đầy đủ nhu cầu của các hộ dùng điện. Để đảm bảo tính kinh tế của
hệ thống điện cần sử dụng các biện pháp thích hợp nh hạn chế sự cố, giảm dòng
ngắn mạch, trang bị các thiết bị và cơ cấu tự động, nâng cao độ tin cậy của các phần
tử hệ thống điện, dự phòng các công suất tác dụng và phản kháng, áp dụng các công
nghệ tiên tiến trong hệ thống điện vvChỉ tiêu về kinh tế có thể xem xét dới góc
độ của giá thành một kW.h điện năng hữu ích. Chỉ tiêu này phụ thuộc vào các yếu tố
nh giá nhiên liệu, thiết bị, yêu cầu của các hộ dùng điện về công suất và điện năng
cũng nh đồ thị phụ tải, vào các điều kiện khác của môi trờng xung quanh.
Tất cả các yêu cầu trên có thể dẫn đến những mâu thuẫn, vì vậy cần phối hợp hài
hòa các nguyên tắc để thực hiện. Nhìn chung tính kinh tế của hệ thống không thể thực
hiện bằng cách giảm độ tin cậy và chất lợng điện dới mức cho phép tối u. Cơ sở
của luận điểm này là thiệt hại kinh tế quốc dân lớn hơn nhiều so với phần tiết kiệm
đợc do giảm chi phí trong hệ thống điện.
1.6 kết luận
Từ những yêu cầu trên ta thấy rằng việc đảm bảo cung cấp điện liên tục và tin
cậy cũng nh đảm bảo chất lợng điện năng tốt nhất là một yêu cầu rất quan trọng,
không thể thiếu đợc trong hệ thống cung cấp điện. Luận văn này sẽ đề cập vấn đề
đảm bảo chất lợng điện năng của lới điện đó là bù áp nhanh cho lới điện
trung áp.
XXIII
Chơng 2
nghịch lu và phơng pháp điều khiển
2.1 Nghịch lu
2.1.1 Vai trò của bộ nghịch lu
Bộ nghịch lu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lợng từ nguồn điện một chiều
không đổi sang dạng năng lợng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Đại lợng đợc điều khiển ở đầu ra là điện áp hoặc dòng điện. Nguồn một chiều
cung cấp cho bộ nghịch lu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch
lu dòng có tính nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lu tơng ứng đợc gọi là bộ
nghịch lu áp nguồn áp và bộ nghịch lu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch
lu áp và bộ nghịch lu dòng. Trong trờng hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lợng
ở đầu ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lu cung cấp dòng điện xoay chiều từ
nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lu điều khiển dòng điện từ
nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lu dòng nguồn áp.
Các bộ nghịch lu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần.
ứng dụng quan trọng và tơng đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền
động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ
nghịch lu đợc dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần.
Bộ nghịch lu còn đợc dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm
nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lu còn đợc ứng dụng
vào lĩnh vực bù công suất phản kháng.
Các tải xoay chiều thờng mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng
bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển
mạch tự nhiên. Do đó, mạch bộ nghịch lu thờng chứa linh kiện tự kích ngắt để có
thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện. Trong các trờng hợp đặc biệt nh mạch tải
cộng hởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ d), dòng điện
qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào
XXIV
điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó, linh kiện bán dẫn có thể
chọn là thyristor (SCR).
2.1.2 Bộ nghịch lu áp
Bộ nghịch lu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở đầu ra. Trong
các trờng hợp khảo sát dới đây ta xét bộ nghịch lu áp với quá trình chuyển mạch
cỡng bức sử dụng linh kiện có khả năng điều khiển ngắt dòng điện. Nguồn điện áp
một chiều có thể ở dạng đơn giản nh ắc qui, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gồm
điện áp xoay chiều đợc chỉnh lu và lọc phẳng.
Linh kiện trong bộ nghịch lu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng
điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng dụng công suất nhỏ và
vừa, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công
suất lớn có thể sử dụng GTO, IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.
Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó.
Các diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lu cầu không điều khiển có
chiều dẫn điện ngợc lại với chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ
chỉnh lu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo
giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi
kích ngắt các công tắc.
2.1.3 Phân tích bộ nghịch lu áp 1 pha
Ta có thể phân tích điện áp tải của bộ nghịch lu áp một pha dạng mạch cầu
tơng tự nh bộ nghịch lu áp ba pha. Hai cặp công tắc (S1,S4) và (S2, S3) tơng
ứng với hệ thống hai pha tải đối xứng nh hình 2.1
ut1 =
ut u10 u20
=
2
2
ut 2 =
ut u20 u10
=
2
2
Rõ ràng :
XXV
(2.1)
ut =
ut1
u
= t 2 = u10 u20
2
2
(2.2)
Nếu các công tắc đợc kích theo qui tắc đối nghịch, ta có thể xác định dạng áp
trên tải dựa trên giản đồ kích công tắc và điện áp nguồn.
u10 = +
U
2
nếu kích S1 ngắt S4
u10 =
U
2
nếu kích S4, ngắt S1
u20 = +
U
2
nếu kích S3, ngắt S2
u20 =
U
2
nếu kích S2, ngắt S3
(2.3)
S 1S 2
u/2
S1
S3
u20
u
1
0 u10
u/2
S 1S 2
2
u
S4
S2
ut
it
ut
u
NO
L/2
L/2
R/2
R/2
-u
R/2
a)
b)
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bộ nghich lu áp một pha
*Phân tích điện áp tải của bộ nghịch lu áp một pha dạng cầu:
Xét quá trình các đại lợng trong một chu kỳ hoạt động ở chế độ xác lập. Giả thiết
rằng tại thời điểm t = 0, thực hiện đóng S1 và S2, ngắt S3 và S4. Điện áp tải bằng U,
dòng điện tải chạy qua mạch (U-S1-S2) tăng lên theo phơng trình:
XXVI
0t
ut = U
ut = R.it + L
dit
dt
(2.4)
Nghiệm dòng điện có dạng:
it =
A là hằng số; =
t
U
+ A.e
R
(2.5)
L
là hằng số thời gian.
R
Tại thời điểm t = T/2, thực hiện ngắt S1, S2 và đóng S3, S4. Điện áp xuất hiện
trên tải bằng U, dòng điện qua mạch (U, RL, S3, S4) giảm theo phơng trình:
T /2t
ut = U
ut = R.it + L
Với nghiệm có dạng:
it =
dit
dt
(2.6)
t T /2
U
+ A.e
R
(2.7)
ở trạng thái xác lập, dòng điện biến đổi theo dạng xoay chiều, tuần hoàn. Các
hằng số A, B có thể xác định từ điều kiện dòng điện tải tại các thời điểm
t = 0, t = T/2 và t = T.
Lúc đó, tại thời điểm t = 0:
U
U
+ A.e0 = I min A = I min
R
R
(2.8)
Tại thời điểm t = T/2:
T
U
U
U T
+ A.e 2 = I max + I min .e 2 = I max
R
R
R
U
U
+ A.e0 = I max A = + I max
R
R
XXVII
(2.9)
(2.10)
Tại thời điểm t = T:
T /2
U
+ A.e = I min
R
(2.11)
Nh vậy, quá trình dòng tải trong một chu kỳ hoạt động sẽ có thể biểu diễn
nh sau:
U
U 2T
+ I min .e
R
R
it =
t T /2
U + I + U .e 2
R max R
0t
T /2t
(2.12)
Giá trị Imin và Imax có thể xác định từ quá trình đối xứng của hai nửa chu kỳ
điện áp và dòng điện tải, từ đó suy ra rằng Imax = -Imin. áp dụng quan hệ trên vào
các hệ thức tính I, ta thu đợc:
I max = I min
T
U 1 e 2
=
T
R
1 + e 2
(2.13)
* Công suất tải:
Công suất tiêu thụ trên tải R-L có thể xác định theo hệ thức R.I t2 , với I t là
trị hiệu dụng dòng điện qua tải đợc tính theo biểu thức:
T
1 2
1
It =
it .dt =
T 0
T
T /2
0
2
U
U t
+ I min .e .dt
R
R
(2.14)
Công suất tải có thể xác định theo trị trung bình dòng qua nguồn một chiều I s
nếu ta bỏ qua tổn hao của linh kiện bộ nghịch lu:
Is =
1
T
T /2
0
U
U t
+
I
min
.e
R
R
(2.15)
* Phân tích sóng hài:
Quá trình điện áp tải qua phép phân tích Fourier có dạng:
vt (t ) =
4.U
.sin(n..t )
n =1,3,5 n
XXVIII
(2.16)
Điện áp tải chỉ chứa các thành phần hài mức lẻ.
Độ méo dạng điện áp đợc tính theo hệ thức sau:
THDU =
U
n=2
2
t (n)
U t (1)
U t2 U t2(1)
=
(2.17)
U t (1)
Dễ dàng suy ra rằng
2
THDU =
U t2 U t2(1)
U t (1)
4
U2
U
2
=
= 0, 483 = 48,3% ;
4
U
2
Ut = U
(2.18)
Độ méo dạng điện áp của bộ nghịch lu cầu một pha khá lớn trong trờng hợp
áp ra dạng vuông nên có tác dụng không tốt. Vì thế loại điện áp này không đợc sử
dụng phổ biến trong thực tiễn.
Độ méo dạng dòng điện phụ thuộc vào tải và xác định theo hệ thức:
THDI =
I
n=2
2
t ( n)
I t (1)
=
I t2 I t2(1)
(2.19)
I t (1)
2.1.4 Phân tích bộ nghịch lu áp ba pha, TL[5].
U10
Ud
2
Ud
0
b
S1
a
S5
S3
Ut1
b
c
Ud S4
2
Ut2
S2
S6
U20
U30
Ut3
N
a
c
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch lực biến tần nguồn áp
Chuyển mạch của bộ nghịch lu nguồn áp ba pha mô tả trên hình 2.2 bao gồm
các khối chức năng sau đây: nguồn điện một chiều phổ biến nhất là chỉnh lu điốt,
XXIX
mạch lọc, nghịch lu nguồn áp: (gồm sáu van S1, S2, S3, S4, S5, S6 và sáu điốt
ngợc Đ1, Đ2, Đ3, Đ4, Đ5, Đ6 nh trên hình vẽ. Các điốt ngợc có vai trò giúp cho
quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa tải và nguồn), tải là động cơ không
đồng bộ ba pha rôto lồng sóc có thể nối hình sao hoặc hình tam giác [5].
Nửa trái của Hình 2.3 mô tả luật chuyển mạch của các khóa bán dẫn để tạo
thành điện áp xoay chiều ba pha, mỗi khoá dẫn khoảng một nửa chu kỳ chuyển
mạch. Điện áp dây của nghịch lu có dạng xung chữ nhật với độ rộng là hai phần ba
chu kỳ và thoả mãn điều kiện phân tích thành chuỗi điều hòa
Uub(t) =
+
1
k
Ud. .sin ket +
6
k
2 3
(2.20)
Trong đó: k =1- 6c; c= 0, 1, 2, ..., e =2 /T
Thành phần điều hòa một (sóng cơ bản, khi c= 0) có biên độ:
1
Uabm
=
2 3
Ud = 1,103Ud
(2.21)
Giá trị hiệu dụng của chuỗi là :
Uab= 0,816Ud
(2.22)
Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức:
ut1 + ut 2 + ut 3 = 0
(2.23)
Ta tởng tợng nguồn áp U đợc phân chia làm hai nửa bằng nhau với điểm
nút phân thế 0 (một cách tổng quát, điểm phân thế 0 có thể chọn ở vị trí bất kỳ trên
mạch nguồn một chiều)
Gọi N là điểm nút của tải ba pha dạng sao. Điện áp pha tải ut1 , ut 2 , ut 3 . Ta có:
ut1 = u10 u N 0
ut 2 = u20 u N 0
(2.23)
ut 3 = u30 u N 0
XXX
T
S1
S2
S3
a)
S4
S5
S6
UaN
Ud
2
0
UbN
Ud
2
0
Uab
Ud
0
2Ud
3
Ua
U1a
b)
c)
0
a
c
b
d)
V6
a
a
b
b
c
c
V1
V2
a
c
b
b
a
c
V3
V4
c
a
b
V5
V7
V0
Hình 2.3: Nguyên lý tạo điện áp xoay chiều ba pha
a) Chuyển mạch của các van bán dẫn;
b) Đồ thị điện áp dây và pha;
c) Sơ đồ nối tơng ứng;
d) Ký hiệu các véctơ điện áp.
XXXI
Điện áp u10 , u20 , u30 đợc gọi là các điện áp pha, tâm nguồn của các pha 1, 2,
3. Các điện áp ut1 , ut 2 , ut 3 ; u10 , u20 , u30 và u N 0 có chiều dơng qui ớc vẽ trên hình
2.2. Cộng các hệ thức trên, ta có:
0 = u10 + u20 + u30 3.u NO
Từ đó:
Điện áp dây trên tải:
u NO =
u10 + u20 + u30
3
ut1 =
2u10 u20 u30
3
ut 2 =
2u20 u30 u10
3
ut 3 =
2u30 u10 u10
3
(2.24)
(2.25)
(2.26)
ut12 = u10 u20
ut 23 = u20 u30
(2.27)
ut 31 = u30 u10
* Hệ quả: Quá trình điện áp (và do đó quá trình dòng điện) đầu ra của bộ nghịch lu
áp ba pha sẽ đợc xác định khi ta xác định đợc các điện áp trung gian u10 , u20 , u30 .
Xác định điện áp pha - tâm nguồn cho bộ nghịch lu áp. Cặp công tắc cùng pha:
gồm hai công tắc cùng mắc chung vào một pha tải, ví dụ (S1, S4), (S3, S6) và (S5,
S2) là các cặp công tắc cùng pha.
* Qui tắc kích đóng đối nghịch: cặp công tắc cùng pha đợc kích đóng theo qui tắc
đối nghịch nếu nh hai công tắc trong cặp luôn ở trạng thái một đợc kích đóng và
một đợc kích ngắt. Trạng thái cả hai cùng kích đóng (trạng thái ngắn mạch điện áp
nguồn ) hoặc cùng kích ngắt không đợc phép. Nếu biểu diễn trạng thái đợc kích
của linh kiện bằng giá trị 1 và trạng thái khóa kích bằng 0, ta có thể viết phơng
trình trạng thái kích của các linh kiện trong mạch nghịch lu áp 3 pha nh sau:
Thay u NO vào biểu thức tính điện áp mỗi pha tải, ta có:
XXXII
S1 + S4 = 1;
S3 + S6 = 1;
S5 + S2 = 1
(2.28)
* Qui tắc: Giả thiết bộ nghịch lu áp ba pha có cấu tạo mạch và chiều điện thế của
các phần tử trong mạch cho nh hình 2.3. Giả thiết các công tắc cùng pha đợc kích
đóng theo qui tắc đối nghịch và giả thiết dòng điện của các pha tải có khả năng đổi
dấu. Điện áp pha tải đến tâm nguồn của một pha nguồn nào đó có giá trị +
công tắc lẻ của pha đợc kích đóng và
U
nếu
2
U
nếu công tắc chẵn đợc kích không phụ
2
thuộc trạng thái dòng điện.
* Hệ quả: - Điện áp trên tải đợc xác định hoàn toàn nếu ta biết đợc giản đồ kích
đóng các công tắc và điện áp nguồn. Do đó, ta có thể điều khiển điện áp đầu ra của
bộ nghịch lu áp bằng cách điều khiển giản đồ xung kích đóng các công tắc.
- Nếu các cặp công tắc cùng pha không đợc kích đóng theo qui tắc đối nghịch, dạng
điện áp tải sẽ thay đổi phụ thuộc vào trạng thái dòng điện tải (và tham số tải). Đây
là trờng hợp kích đóng do ý muốn đối với tải dạng cộng hởng. Dòng điện có thể ở
trạng thái liên tục hoặc gián đoạn. Ta cần chú ý rằng, một công tắc đợc kích đóng
không có nghĩa là nó sẽ dẫn điện. Phụ thuộc vào chiều dòng điện dẫn qua tải có thể
xảy ra trờng hợp công tắc kích đóng không dẫn điện mà dòng điện lại dẫn qua điốt
mắc đối song với công tắc đợc kích đóng.
- Dạng dòng điện đợc xác định dựa trên phơng trình mạch tải. Ví dụ đối với tải
đối xứng ba pha gồm RL mắc nối tiếp, ta có phơng trình dòng điện ba pha tải
ut1 , ut 2 , ut 3 .
ut1 = R.it1 + L
dit1
;
dt
ut 2 = R.it 2 + L
dit 2
;
dt
ut 3 = R.it 3 + L
dit 3
dt
(2.29)
Thời gian chết (dead- time): là khoảng thời gian cần thiết áp đặt trong giản đồ đóng
ngắt cặp linh kiện cùng pha tải, trong khoảng thời gian này hai công tắc cùng pha tải sẽ
bị khóa kích (ví dụ S1, S4). Thời gian chết bắt đầu quá trình chuyển mạch của hai công
XXXIII
