Nghiên cứu hiệu quả chống sụt giảm điện áp ngắn hạn của thiết bị khôi phục điện áp DVR

MỞ ĐẦU
Điện năng là một nhân tố quan trọng đảm bảo cho sự phát triển kinh tế
của bất kì quốc gia nào. Ngày nay, do mức độ phức tạp về cấu trúc, nguồn điện và
phụ tải của các hệ thống điện lớn, vấn đề về chất lượng điện năng ngày càng thu hút
được sự quan tâm rộng rãi:
• Nhiều thiết bị điện hiện nay sử dụng các mạch điện tử công suất, mạch điều
khiển dựa trên bộ vi xử lý ... các thiết bị này rất nhạy cảm với các nhiễu loạn
trên lưới điện.
• Yêu cầu nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện và vận hành của hệ thống
điện đòi hỏi phải ứng dụng các kĩ thuật điều khiển nâng cao hiệu suất như
các bộ điều tốc, các bộ tụ có điều khiển nhằm giảm tổn thất.. Điều này dẫn
đến sự gia tăng sóng hài và nhiễu loạn trong hệ thống điện.
• Sự quan tâm ngày càng lớn của người sử dụng. Người sử dụng điện ngày càng
nhận thức được về tầm quan trọng của chất lượng điện năng và yêu cầu được
cung cấp điện năng với chất lượng đảm bảo hơn. Đây cũng là thách thức đối
với nhà cung cấp nhằm cải thiện chất lượng điện năng phân phối.
• Các hệ thống ngày càng có sự liên hệ và thống nhất cao hơn. Điều đó có nghĩa
rằng bất cứ một sự cố xảy ra ở một phần tử nào trong hệ thống cũng đều có
thể gây ra hậu quả lớn đối với cả hệ thống.
Chất lượng điện năng bao gồm các vấn đề về độ tin cậy cung cấp điện, chất
lượng tần số, chất lượng dòng điện, chất lượng điện áp. Tuy vậy khi xem xét đến
vấn đề điều chỉnh chất lượng điện năng, ta chủ yếu xem xét đến điều chỉnh chất
lượng điện áp. Trong đó, hiện tượng sụt áp ngắn hạn là một trong những hiện tượng
gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện năng do tần suất xảy ra thường xuyên, có
khả năng gây ảnh hưởng nghiêm trọng. Bởi vậy, sụt giảm điện áp ngắn hạn đang
được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam.
Đề tài tốt nghiệp em được giao: “Nghiên cứu hiệu quả chống sụt giảm điện áp
ngắn hạn của thiết bị khôi phục điện áp DVR”.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn TS.Trương Ngọc
Minh cùng các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện đã hướng dẫn một cách tận tình
để em có thể hoàn thành đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 5 tháng 6 năm 2015
Sinh viên thực hiện

TRƯƠNG VŨ HUY

1


MỤC LỤC

HÌNH ẢNH

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
DVR
VSC
THD
PWM
PLL
MBA

Viết tắt cho
Dynamic Voltage Restorer
Voltage Source Converter
Total Harmonic Distortion
Pulse Width Modullation
Phase Locked Loop

2

Nghĩa tiếng Việt
Thiết bị khôi phục điện áp động
Bộ nghịch lưu nguồn áp
Hệ số méo tổng
Điều chế độ rộng xung
Vòng khóa pha
Máy biến áp


Ký hiệu
Upre-dip
Udip
Φdip
θLoad
Psupply
PDVR
UDVR
θSupply
θPLL
CDC
UDC

Ý nghĩa
Giá trị điện áp nguồn trước khi xảy ra sụt áp
Giá trị điện áp nguồn trong khi xảy ra sụt áp
Góc nhảy pha điện áp
Góc pha của tải
Công suất nguồn
Công suất bơm vào của DVR

Điện áp bơm vào của DVR
Góc pha của nguồn
Góc pha khối PLL
Tụ điện phía một chiều
Điện áp trên tụ

* THD: Là đại lượng thể hiện mức độ biến dạng của dòng điện hay điện áp. Theo
tiêu chuẩn IEEE 519-1992 đối với cấp điện áp dưới 69kV thì giá trị THD (%) không
được vượt quá 5%.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM
ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN
1.1 Chất lượng điện năng
Chất lượng điện năng bao gồm các hiện tượng liên quan đến nhiễu loạn điện
áp, dòng điện và độ lệch tần số. Một số hiện tượng cụ thể là:
•
•
•
•
•
•

Sụt giảm và dâng điện áp.
Quá độ dòng điện và điện áp.
Độ không sin của dòng điện và điện áp
Nhấp nháy điện.
Mất cân bằng công suất.
Thay đổi tần số hệ thống.

1.1.1 Độ tin cậy cung cấp điện

Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống bao gồm:
• Xác suất thiếu điện cho phụ tải, là xác suất công suất phụ tải lớn hơn công suất
nguồn điện.

3


• Xác suất thiếu điện trong thời gian phụ tải cực đại.
• Điện năng thiếu (hay điện năng mất) cho phụ tải do hỏng hóc hệ thống trong
một năm.
• Thiệt hại kinh tế tính bằng tiền do mất điện.
• Thời gian mất điện trung bình cho một phụ tải trong một năm.
• Số lần mất điện cho một phụ tải trong một năm.
1.1.2 Chất lượng tần số
Chất lượng tần số được đánh giá bằng:
a, Độ lệch tần số (Δf) so với tần số định mức
∆f =

f − f dm
.100
f dm

(1.1)

Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép:
∆f min ≤ ∆f ≤ ∆f max

(1.2)

Hay tần số luôn phải nằm trong giới hạn cho phép:

fmin≤ f ≤ fmax
Trong đó:

fmin=fdm-Δfmin
fmax=fdm-Δfmax

(1.3)
(1.4)
(1.5)

b, Dao động tần số
Dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tần
số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0.1%. Độ dao động tần số không
được lớn hơn giá trị cho phép.
1.1.3 Chất lượng điện áp
Chất lượng điện áp gồm các tiêu chí sau:
a, Độ lệch điện áp so với điện áp định mức của lưới điện:

δU =

U − U dm
.100
U dm

(1.6)

U là điện áp thực tế trên các thiết bị dùng điện, δU phải thỏa mãn điều kiện:

δU − ≤ δU ≤ δU +
δU-, δU+ là giới hạn dưới và giới hạn trên của độ lệch điện áp.

b, Độ dao động điện áp
4

(1.7)


Sự biến thiên của điện áp (ΔU) được tính theo công thức:
∆U =

U max − U min
.100
U dm

(1.8)

Tốc độ biến thiên từ Umin đến Umax không được nhỏ hơn 1%/s.
c, Độ không đối xứng
Phụ tải không đối xứng dẫn đến điện áp các pha không đối xứng. Sự không
đối xứng này được đặc trưng bởi thành phần thứ tự nghịch U 2 của điện áp. Điện áp
không đối xứng làm giảm hiệu quả hoạt động, giảm tuổi thọ của thiết bị điện và
tăng tổn thất điện năng.
d, Độ không sin
Các thiết bị có đặc tính phi tuyến như máy biến áp không tải, thiết bị điện tử
công suất, thiết bị điều khiển … làm biến dạng điện áp khiến cho nó không còn hình
sin và xuất hiện các sóng hài bậc cao. Các sóng hài bậc cao này làm tăng tổn thất sắt
từ trong động cơ, tăng tổn thất trong lưới điện và thiết bị sử dụng điện.

1.2 Khái niệm về hiện tượng sụt giảm điện áp
Tiêu chuẩn IEEE 1159-1995, định nghĩa sụt giảm điện áp ngắn hạn là “hiện
tượng suy giảm điện áp xuống còn 0.1 đến 0.9 điện áp định mức ở tần số công

nghiệp trong khoảng thời gian từ 0.5 chu kì đến 1 phút”.
Một số hình ảnh mô tả sụt áp được thể hiện ở hình 1.1

Hình 1.1 Sụt áp một pha và sụt áp ba pha [2]

1.3 Nguyên nhân gây ra sụt áp ngắn hạn
Trong hệ thống điện sụt áp ngắn hạn được hình thành do các nguyên nhân sau:
• Có sự cố (ngắn mạch, chạm đất…) trong hệ thống điện.
• Đóng điện không tải máy biến áp lực.
• Đưa phụ tải có công suất lớn vào sử dụng.

5


1.4 Ảnh hưởng của sụt áp ngắn hạn
Khi xảy ra sụt áp ngắn hạn có thể gây ra những ảnh hưởng trên diện rộng đến
rất nhiều thiết bị trong hệ thống điện:
• Đối với các thiết bị điện tử thông thường sử dụng trong sinh hoạt, khi sụt áp
ngắn hạn xảy ra có thể gây ra nguy cơ khởi động lại thiết bị và nếu tần suất
xảy ra nhiều có thể gây ra giảm tuổi thọ cho thiết bị.
• Đối với các thiết bị điện tử trong công nghiệp, khi xảy ra sụt áp ngắn hạn có
thể gây ra lỗi sản phẩm trong dây chuyền sản xuất, gây hư hỏng hoặc làm
giảm tuổi thọ thiết bị. Nghiêm trọng hơn có thể gây ra việc tạm ngừng dây
chuyền sản xuất dẫn đến thiệt hại nặng nề.

1.5 Các đặc trưng của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn
Các đặc tính chính của một hiện tượng sụt giảm điện áp là biên độ dao động
và khoảng thời gian tồn tại sụt áp. Bên cạnh đó, với sự phát triển của khoa học kĩ
thuật, các thiết bị điện tử ra đời thì ta còn quan tâm đến một số đặc tính khác như:
• Không cân bằng ba pha.

• Nhảy góc pha.
• Ảnh hưởng của phụ tải đến sụt áp.

1.6 Các biện pháp hạn chế sụt giảm điện áp
1.6.1 Hạn chế sự cố xảy ra trên hệ thống
Hạn chế sự cố xảy ra trên hệ thống không những giảm tần suất sụt áp mà còn
giảm tần suất mất điện. Đây là cách rất hiệu quả và thường ít tốn kém để cải thiện
chất lượng điện năng cung cấp.
1.6.2 Giảm thời gian loại trừ sự cố
Giảm thời gian loại trừ sự cố làm giảm mức độ nghiêm trọng của sự cố. Nó
không thay đổi được số lần mất điện nhưng có thể giảm đáng kể khoảng thời gian
sụt áp.
1.6.3 Thay đổi kết cấu lưới
Bằng cách thay đổi kết cấu lưới, mức độ nghiêm trọng của sự cố được giảm
bớt, điều này dẫn đến mức độ sụt giảm điện áp cũng giảm theo. Nhược điểm của
phương pháp này là giá thành thực hiện rất tốn kém.
1.6.4 Cải thiện khả năng chịu đựng sụt áp của các thiết bị
Cải thiện khả năng chịu đựng sụt áp của thiết bị là phương pháp hiệu quả nhất
chống lại hiện tượng sụt giảm điện áp. Ngoài ra, cần xem xét kỹ về khả năng chịu
đựng điện áp sụt với toàn bộ contactor, rơle, cảm biến,...

6


1.6.5 Giảm thiểu sụt giảm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp (DVR)
DVR là thiết bị điện tử công suất mắc nối tiếp với hệ thống bao gồm bốn bộ
phận chính, tài liệu [7]:
• Bộ phận cấp năng lượng: Có khả năng lưu trữ năng lượng và kết nối với VSC
để có thể tạo ra điện áp xoay chiều cần thiết bù cho một sự cố sụt giảm điện
áp.

• Bộ biến đổi: Phổ biến hiện nay là bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha (VSC) xây
dựng dựa trên các van bán dẫn IGBT, được điều khiển bằng áp dụng điều chế
PWM.
• Bộ lọc tần số chuyển mạch: Làm giảm các hài chuyển mạch phát ra bởi PWM
của VSC, cải thiện dạng sóng điện áp bơm vào của DVR.
• Máy biến áp ghép: Cách ly về điện giữa hệ thống DVR và lưới, đồng thời
nâng điện áp cung cấp bởi DVR khi cần thiết.
DVR được sử dụng với vai trò chủ yếu để bù sụt áp, dựa trên ý tưởng là bơm
vào một điện áp có biên độ, tần số và góc pha mong muốn vào giữa điểm kết nối
chung và tải. Trong điều kiện bình thường DVR không hoạt động hoặc chỉ bơm một
lượng điện áp rất nhỏ để bù điện áp rơi trên các bộ phận. Cấu trúc cơ bản của DVR
được thể hiện trên hình 1.2:

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của DVR [7]

Ưu điểm 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 Tóm tắt và kết luận
Sụt giảm điện áp ngắn hạn là một trong những hiện tượng gây ảnh hưởng lớn
đến chất lượng điện năng trong hệ thống điện. Hiện nay, việc sử dụng các thiết bị

7


điện tử công suất, máy vi tính, các dây chuyền sản xuất tự động hóa ..., đã đặt ra vấn
đề hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn trên lưới phân phối
càng trở nên quan trọng.
Trong các giải pháp chống sụt giảm điện áp ngắn hạn, thiết bị khôi phục điện

áp động DVR là biện pháp hiệu quả bởi thiết bị này có thể đảm bảo điện áp phụ tải
đạt giá trị cho phép với khả năng phản ứng nhanh trước các sự cố gây sụt giảm điện
áp và thuật toán điều khiển DVR tương đối đơn giản.
Mục tiêu của chuyên đề là đi sâu nghiên cứu, phân tích mô phỏng hiệu quả
hoạt động của DVR ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới điện phân
phối. Do đó chuyên đề được bố cục thành ba chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn.
Chương 2: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của DVR.
Chương 3: Kết quả mô phỏng hoạt động của DVR.

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
CỦA DVR
Chương này sẽ trình bày chức năng, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động của các
thành phần trong thiết bị DVR điển hình.

2.1 Phương pháp xác định giá trị điện áp bù của DVR
Khi xảy ra sụt áp, điện áp tải thay đổi về biên độ và có thể thay đổi cả góc pha.
Tuỳ thuộc vào yêu cầu điện áp tải, đặc trưng của sụt áp (điện áp sụt, nhảy góc pha,
đối xứng hay không đối xứng), khả năng bơm của DVR (điện áp, công suất, năng
lượng) mà chúng ta chọn phương pháp tính điện áp bù cho DVR khác nhau. Các
phương pháp tính điện áp bù được sử dụng [7]:
• Phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp ( ).
• Phương pháp điều khiển tối ưu biên độ điện áp ( ).
• Phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng ().

8


Hình 2.1 Ba phương pháp tính điện áp bù DVR [7]

2.1.1 Phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp
Khi sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp, điện áp tải
được bù cho đến biên độ và pha trước khi xảy ra sụt áp. Xét Upre-dip là giá trị điện áp
nguồn trước khi xảy ra sụt áp, Udip là giá trị điện áp nguồn trong khi xảy ra sụt áp,
U pre− dip = 1∠0

θdip là góc nhảy pha điện áp. Giả sử
bơm vào được tính theo biểu thức [7]:
*

(pu) khi đó điện áp và công suất

*

U DVR = 1 − U dip = 1− | U dip | ∠φdip
(2.1)
| U DVR |= (1 − U dip cos(φdip )) 2 + (U dip sin (φdip )) 2

(2.2)
φDVR = tan −1

−U dip sin(φdip )
1 − U dip cos(φdip )

(2.3)
*

*

PDVR = 3 | U DVR | .| U load | .cos(φload + φDVR )

(2.4)

Ta thấy công suất bơm vào của DVR khi xảy ra sụt áp phụ thuộc vào hệ số
công suất tải và sự nhảy pha. Điện áp bơm vào không chịu ảnh hưởng của hệ số
công suất, nhưng khi có nhảy pha sẽ tăng điện áp DVR bơm vào. Ngay cả khi biên
độ điện áp trên tải là 1pu, nếu xảy ra nhảy pha thì DVR vẫn phải hoạt động bơm
một lượng điện áp vào mạch để phục hồi lại giá trị góc pha điện áp tải.
2.1.2. Phương pháp điều khiển tối ưu biên độ điện áp
Phương pháp này phục hồi giá trị biên độ điện áp tải trong khi xảy ra sụt áp
bằng với biên độ điện áp ở chế độ bình thường. Điện áp bơm vào bởi DVR cùng
9


pha với điện áp nguồn trong khi xảy ra sụt áp và có thể được tính theo biểu thức sau
sau[7]:
U DVR =|1− | U dip || ∠φdip

(2.5)
PDVR = 3 | U DVR | . | I load | .cos(φload )

(2.6)

2.1.3 Phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng
Phương pháp này được đưa ra để giảm thiểu dung lượng của bộ phận lưu trữ
năng lượng đến mức nhỏ nhất có thể hoặc trong điều kiện nguồn năng lượng lưu trữ
hạn chế. Phương pháp này dựa trên nguyên lý: công suất lớn nhất có thể được cung
cấp bởi nguồn đạt được khi dòng tải và điện áp nguồn đồng pha. Như vậy có thể
tăng lượng năng lượng cung cấp bởi nguồn bằng cách giảm góc pha của điện áp
nguồn và dòng điện tải. Hệ số công suất của tải sẽ quyết định lượng công suất có

thể tăng thêm từ nguồn. Công suất nguồn [7]:
Psupply = 3 U supply I load cos (φload )
(2.7)
Lượng công suất tác dụng có thể tăng thêm được tính theo biểu thức [10]:

∆P = Psupply ,max − Psupply , pre−dip
(2.8)

Psupply = 3 | U supply || I load | (1 − cos(φload ))
(2.9)
Kết luận: Ta thấy được phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện
áp phù hợp với tất cả loại tải khi xảy ra sụt áp. Vì thế đây là phương pháp
được chọn để mô phỏng trong đồ án.
Để áp dụng phương pháp tối ưu chất lượng điện áp cần phải phát hiện được
sụt áp, xác định được biên độ điện áp và góc pha tải khi xảy ra sụt áp. Một trong
những phương pháp được áp dụng phổ biến hiện nay là phương pháp biến đổi Clark
và Park.

2.2 Phương pháp Clark và Park
Mục tiêu của phương pháp này là biến đổi điện áp từ hệ toạ độ ABC sang hệ
toạ độ dq để đơn giản trong tính toán và điều khiển. Trong hệ toạ độ ABC điện áp
gồm 3 thành phần hình sin và biến đổi theo thời gian. Hệ toạ độ tĩnh αβ là hệ toạ độ
đề-các vuông góc hai chiều, trục hoành là trục α, trục tung là trục β, chọn trục α
trùng với trục OA. Sử dụng phép biến đổi Clark biến đổi từ hệ toạ độ ABC sang hệ
toạ độ αβ [6]:

10




1
uα  2 
u  = 
 β  3 0


−1
−1  u
 A
2
2  
 uB
3
3 
u 
−
2
2   C 

(2.10)

Hình 2.2 Phép biến đổi Clark [6]

Trong hệ toạ độ αβ điện áp vẫn là hình sin biến đổi theo thời gian,việc tính
toán và điều khiển vẫn còn phức tạp. Sử dụng phép biến đổi Park để chuyển tín hiệu
điện áp sang hệ toạ độ quay dq. Hệ toạ độ dq là hệ toạ độ đề-các vuông góc gốc toạ
độ trùng với gốc toạ độ hệ trục toạ độ tĩnh αβ; các trục hoành d trục tung q cùng

θ = ωt

quay với vận tốc góc
. Vì các trục d, q cùng quay với vận tốc góc bằng tốc
độ quay của vector điện áp trong hệ toạ độ αβ nên điện áp trong hệ toạ độ dq là điện
áp một chiều. Điều này giúp đơn giản trong tính toán. Phép biến đổi Park [6]:

cosθ
u
 d 2
u  = 
 q  3  − sin θ


2π
)
3
2π
− sin (θ − )
3
cos(θ −

2π  u 
)
A
3  
 uB
2π   
− sin (θ + ) uC 
3 
cos(θ +

11

(2.11)


Hình 2.3 Phép biến đổi Park [6]

Công thức biến đổi từ hệ toạ độ dq sang hệ toạ độ ABC:


cosθ
u A  
u  = cos(θ − 2π )
 B 
3
uC  
2π
cos(θ + )
3


− sin θ
2π
)
3
2π
− sin (θ + )
3

− sin (θ −



 u 
 d
 uq 




Để rõ hơn về biến đổi Clark và Park ta xét 2 ví dụ:
• VD1: Xét trường hợp khi có sự cố ba pha phía nguồn cấp
- Từ 0s đến 0,1s hệ thống hoạt động bình thường,
- Từ 0,1s đến 0,2s xảy ra sụt áp cả ba pha xuống 0.8 pu.
- Từ 0.2s đến 0.3s xảy ra tăng áp cả ba pha lên 1,2 pu.
- Từ 0.3s sự cố được loại trừ hệ thống trở lại hoạt động bình thường.
Kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 2.4.

Hình a

12

(2.12)


Hình b
Hình 2.4 Điện áp trên hệ toạ độ ba pha ABC (Hình a) và hệ tọa độ dq (Hình b) khi sự cố ba pha

Khi sự cố ba pha, điện áp ba vẫn đối xứng nên khi chuyển sang hệ tọa độ dq
thì giá trị điện áp Ud, Uq có dạng như điện áp một chiều không đổi với U d có giá trị

bằng biên độ điện áp còn Uq bằng 0.
Xét một ví dụ khác:
• VD2: Xét trường hợp sự cố 1 pha phía nguồn cấp (pha A)
- Từ 0s đến 0,1s hệ thống hoạt động bình thường,
- Từ 0,1s đến 0,2s xảy ra sụt áp pha A xuống 0.8 pu.
- Từ 0.2s đến 0.3s xảy ra tăng áp pha A lên 1,2 pu.
- Từ 0.3s sự cố được loại trừ hệ thống trở lại hoạt động bình thường.
Kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 2.5.

Hình a

Hình b
Hình 2.5 Điện áp trên hệ toạ độ ba pha ABC (Hình a) và hệ tọa độ dq (Hình b) khi sự cố pha A

Khi sự cố pha A, điện áp ba pha mất đối xứng. Lúc này trên tọa độ dq cả hai
thành phần Ud, Uq có dạng dao động hình sin, Ud dao động quanh giá trị biên độ
điện áp và Uq dao động quanh giá trị 0.
• Nhận xét: Qua hai ví dụ trên ta thấy bất kì sự biến đổi nào của điện áp ba pha
sẽ kéo theo sự biến đổi ngay lập tức của hai thành phần Ud, Uq.

13


Trong một số trường hợp, người ta đưa thêm thành phần thứ tự không vào hệ
toạ độ dq. Công thức biến đổi từ hệ toạ độ ABC sang hệ toạ độ dq0:
2π
)
3
2π
− sin (θ −

)
3
1
2


 cosθ
 ud 

  2
uq  = 3  − sin θ
u 

 0
 1
 2

cos(θ −

2π 
)
3  u 
 A
2π   
− sin (θ +
) uB
3  
 uC 
1


2

cos(θ +

(2.13)

2.3 Vòng khoá pha PLL
Để thực hiện được phép biến đổi Clark và Park cần xác định được góc pha θ.
Một trong những phương pháp xác định góc pha là sử dụng vòng khoá pha PLL
(Phase Lock Loop).
PLL là một hệ thống điều khiển phản hồi vòng khép kín tạo ra một tín hiệu
cùng tần số và góc pha của tín hiệu đầu vào, bao gồm 3 giai đoạn: tách pha, tạo dao
động và vòng phản hồi. Khi có sự thay đổi của tần số và góc pha của tín hiệu đầu
vào, bộ tạo dao động thay đổi tần số góc pha tạo ra bằng với tần số góc pha của tín
hiệu đầu vào. Mô hình khối PLL:

Hình 2.6 Mô hình vòng khóa pha PLL [6]

Góc pha

ϕ1

của tín hiệu đầu vào được so sánh với góc pha

ϕ2

của tín hiệu đầu

∆ϕ

ra. Sai lệch
của phép so sánh được biến đổi sang dạng điện áp V 1. Tín hiệu điện
áp V1 bao gồm nhiều thành phần sóng hài, do đó cần bộ lọc thông thấp loại bỏ các
sóng hài bậc cao. Nhưng bộ lọc này gây ra trễ cho quá trình phát hiện sụt áp một
điều chúng ta không mong muốn. Tín hiệu điện áp V 2 sau bộ lọc được đưa vào bộ
tạo dao động. Kết quả sau bộ này là tín hiệu góc pha

ϕ2

mong muốn.

Để đơn giản trong tính toán và giảm thời gian trễ cho khối PLL, người ta áp
dụng phương pháp tính toán góc pha trên hệ tọa độ dq.

14


Hình 2.7 Cấu trúc vòng khóa pha thực hiện trên hệ tọa độ dq [6]

Cấu trúc này bao gồm khối biến đổi từ hệ toạ độ ABC sang hệ toạ độ dq, khối
điều khiển PLL. Nó làm việc theo nguyên tắc điều khiển vận tốc góc quay của hệ
trục toạ độ dq sao cho hình chiếu của vecto điện áp lưới lên trục q bằng 0. Nhờ vậy,
tốc độ quay của hệ toạ độ dq sẽ bám theo tốc độ quay của vecto điện áp lưới. Ta xác
định tốc độ quay và góc quay của hệ toạ độ dq sẽ xác định được tần số và góc quay
của điện áp lưới.

Hình 2.8 Giản đồ vecto điện áp trong tọa độ αβ và dq [6]

Trong đó:

Vsn

là vectơ điện áp được chọn làm tham chiếu.

Vsdn ,Vsqn

là vectơ hình chiếu của

Vsn

trên hệ tọa độ dq.

Theo giản đồ vecto điện áp ta có :
V 
σ = tan −1  sβ n ÷
 Vsα n 

(2.14)

( σ − θ ) ≈ sin ( σ − θ ) = sin(γ )

15

(2.15)


Vsqn

sin(γ ) =

Vsdn 2 + Vsqn 2

(2.16)
Vsqn → 0

Khi

thì sin(γ)=0

→

γ=0

→θ =σ

.

Các bước tính toán góc pha của cấu trúc PLL thực hiện trên hệ tọa độ dq [6]:
• Bước 1: Sử dụng biến đổi Clark biến đổi tín hiệu điện áp từ hệ tọa độ ABC
sang hệ tọa độ αβ [6]:
−1
−1  u
 sa 
2
2  
 usb
3
3 
u 
−

2
2   sc 


1
usα  2 
 = 
u sβ  3  0


(2.17)

• Bước 2: Sử dụng biến đổi Park biến đổi tín hiệu điện áp từ hệ tọa độ αβ sang
hệ tọa độ dq [6]:
usd  cosθ
u  = 
 sq   − sin θ

• Bước 3: Tính toán
Vsdn =

sinθ 
cosθ 

usα 
u 
 sβ 

(2.18)

Vsdn ,Vsqn

[6]:
Vsd

Vsd 2 + Vsq 2
(2.19)

Vsqn =

Vsq
Vsd 2 + Vsq 2

(2.20)
Vsqn

• Bước 4: Góc θ được xác định bằng cách cho
tiến tới giá trị 0. Sau đó sử
dụng bộ điều khiển PI giảm thời gian đáp ứng hệ thống. Tín hiệu đầu ra của
PI được kết hợp với góc quay ωs của điện áp nguồn danh định. Cuối cùng để
triệt tiêu sai số, ta sử dụng thêm một khâu tích phân.

2.4 Cấu trúc của DVR
2.4.1 Bộ phận cấp năng lượng
Chức năng của bộ phận này là cung cấp năng lượng cần thiết để DVR, bù điện
áp thiếu hụt trên tải trong quá trình xảy ra sụt áp. Đây là bộ phận quyết định khả
năng làm việc, chất lượng điện áp bù bởi DVR. Tùy theo chất lượng lưới điện, loại
16

tải, mức độ nghiêm trọng của sụt áp mà người ta lựa chọn cấu hình bộ phận cấp
năng lượng phù hợp từ các cấu hình dưới đây:
2.4.1.1 DVR sử dụng nguồn cấp bổ sung
Khi DVR có nguồn cấp bổ sung thì giá thành tăng đáng kể nhưng chất lượng
điện áp của phụ tải được đảm bảo tốt hơn, độ méo giảm đi, ngăn ngừa được các sụt
áp nghiệm trọng (nguồn cấp bị sụt giảm vượt quá 40-50%) và dòng điện chạy qua
bộ nghịch lưu không vượt quá dòng định mức của tải. Dựa vào đặc điểm của nguồn
một chiều mà ta chia làm 2 loại:
• DVR với nguồn cấp bổ sung một chiều thay đổi (Variable DC-link)
• DVR với nguồn cấp bổ sung một chiều không đổi (Constant DC-link)
Sơ đồ nguyên lý của hai loại nguồn này được thể hiện trên hình 2.9 và hình 2.10:

Hình 2.9 DVR với nguồn bổ sung là điện áp một chiều không đổi [7]

Hình 2.10 DVR với nguồn bổ sung là điện áp một chiều thay đổi [7]

Với các sụt áp trong thời gian ngắn ta có thể sử dụng cấu trúc 1. Hiệu quả cấu
hình này giảm đi đối với các dạng sụt áp trong thời gian dài bởi năng lượng của
nguồn này suy giảm dần theo thời gian. Khi quá trình sụt áp kết thúc, năng lượng
trên tụ được nạp lại nhờ biến đổi dòng điện từ lưới (thông qua bộ nghịch lưu) hoặc
sử dụng bộ nạp.
Cấu trúc 2 được sử dụng khi sụt áp xảy ra ở xa nguồn cấp và thời gian dài hơn.
Ở cấu hình này một bộ lưu trữ năng lượng độc lập và một bộ biến đổi DC/DC đảm
bảo duy trì điện áp trên DC-link không đổi. Trong qúa trình phục hồi, năng lượng
được truyền từ bộ lưu trữ năng lượng đến DC-link thông qua bộ biến đổi DC/DC.

17


2.4.1.2 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung

Kiểu DVR này có đặc trưng không có hệ thống riêng để lưu trữ năng lượng,
tài liệu [1,7]. Tụ điện phía một chiều bộ biến đổi chỉ phục vụ như bộ lọc làm giảm
dao động điện áp. Các hệ thống này lợi dụng thực tế là trong khi sụt áp, tồn tại một
phần nhất định điện áp nguồn còn lại. Nhờ đó hệ thống có thể được cấp nguồn liên
tục. Hạn chế của kiểu này đó là khi có sụt áp dòng điện qua bộ nghịch lưu và chỉnh
lưu tăng nhanh, hơn nữa bộ chỉnh lưu có thể gây méo dạng sóng dòng điện dẫn đến
ảnh hưởng xấu đến điện áp tải. Do vậy kiểu liên kết này phù hợp với các sụt áp có
thời gian dài, nhưng không phù hợp với các sụt áp sâu.

Hình 2.11 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía nguồn [7]

Hình 2.12 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía tải [7]

Bộ phận quan trọng của các hệ thống này là bộ chỉnh lưu phải đảm bảo cấp
nguồn cho phía DC-link. Trong các phương án thực tế, hệ thống dùng bộ biến đổi
không điều khiển chiếm ưu thế. Trên phương diện điểm nối nguồn bộ chỉnh lưu, ta
có thể phân biệt hai kiểu cấu trúc:
• Bộ chỉnh lưu nối về phía nguồn (Suppy side) hình 2.11.
• Bộ chỉnh lưu nối về phía tải (Load side) hình 2.12.
2.4.1.3 So sánh và lựa chọn cấu hình bộ phận cấp năng lượng DVR
Dựa trên đặc điểm của các bộ phận cấp năng lượng được nêu trên, ta thấy cấu
hình không sử dụng nguồn cấp bổ sung chỉ phù hợp với trường hợp giảm sụt áp tại
phụ tải có biên độ sụt áp không lớn hoặc trong thời gian dài. Với các trường hợp sụt
áp trong khoảng thời gian ngắn và biên độ sụt áp lớn, thì cấu hình sử dụng nguồn
cấp bổ sung hoạt động tốt hơn.
18


Nhìn chung, cấu hình không dùng nguồn cấp bổ sung và sử dụng chỉnh lưu nối
phía tải mang lại hiệu quả cao với giá thành thấp, đơn giản trong điều khiển và khả

năng chống sụt áp trong thời gian dài. Nhược điểm của cấu hình này là công suất
của bộ nghịch lưu lớn và khi bù sụt áp có thể gây ảnh hưởng đến lưới.
Cấu hình nguồn cấp bổ sung một chiều thay đổi có khả năng bù các sụt áp với
biên độ và thời gian rất hạn chế. Tuy vậy sự đơn giản của cấu hình này và yêu cầu
công suất cho bộ nghịch lưu cũng như bộ nạp thấp nhất nên trong một số trường
hợp các hạn chế này có thể chấp nhận được. Cấu hình không dùng nguồn cấp bổ
sung và sử dụng chỉnh lưu nối phía nguồn mang lại hiệu quả thấp nhất và chỉ có thể
áp dụng trong một số rất ít các trường hợp.
Cấu hình nguồn bổ sung một chiều không đổi có khả năng bù được các sụt áp
có biên độ lớn nhất và đem lại một chất lượng điện năng tốt nhất cho tải.
Với mong muốn khi DVR hoạt động ảnh hưởng của sụt áp đến điện áp tải
là ít nhất, nên đồ án lựa chọn mô phỏng bộ DVR có nguồn bổ sung một chiều
không đổi (Constant DC-link).
2.4.1.2 Các phương pháp tích trữ năng lượng cho Constant DC-link
Lựa chọn được phương pháp tích trữ năng lượng phù hợp giúp tăng khả năng
của hệ thống DVR trong việc bù sụt áp trên lưới điện. Các hệ thống tích trữ năng
lượng dùng cho mạch điện tử công suất đòi hỏi phải có khả năng nạp điện và phóng
điện nhanh. Dưới đây là các phương án thường gặp [1,6]:
• Bảng tụ điện: Là phương pháp tích trữ năng lượng hay dùng nhất. Ưu điểm
của các tụ điện là công suất tức thời có thể đạt được lớn. Hiện nay các tụ điện
gốm được sử dụng có thể làm việc với điện áp cố định tới 1kV.
• Các siêu tụ điện: Các siêu tụ điện là một giải pháp thay thế lớn đối với các tụ
điện do có điện dung và giá trị năng lượng tích trữ trên đơn vị khối lượng
lớn. Hiệu suất (đo trong chu kì nạp-phóng) dao động trong khoảng 90-95%.
• Các ắc quy axit chì: Giá thành của ắc-quy rẻ hơn các tụ điện khi xét trên khả
năng tích trữ năng lượng trên đơn vị khối lượng nhưng có trở kháng cao và
động học phóng điện phức tạp. Do ắc-quy là hệ thống điện hóa, chúng có ảnh
hưởng xấu đến môi trường tự nhiên và đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên. Các
tính chất này làm cho ắc-quy ít được sử dụng trong các hệ thống DVR.
• Các cuộn cảm siêu dẫn: Các cuộn cảm siêu dẫn (SMES) là phần tử tích trữ

năng lượng điện trong từ trường tạo ra bởi dòng điện một chiều chạy trong
cuộn siêu dẫn. Đăc điểm của các cuộn cảm là cấu trúc gọn, tuổi thọ cao và
tiếp cận tức thời công suất. Tuy nhiên chúng có giá thành cao.
• Các giải pháp điện cơ: Các giải pháp điện cơ dựa trên việc sử dụng bánh
quay (Bánh đà) nơi mà năng lượng tích trữ ở dạng động năng của khối lượng

19


quay. Giá trị năng lượng này phụ thuộc vào mô-men quán tính và tốc độ
quay của bánh quay. Nhược điểm của chúng là tổn thất năng lượng lớn do cọ
xát với sức cản của không khí, có thể loại bỏ bằng cách áp dụng hộp chân
không. Nhưng giải pháp này làm tăng giá thành chung của cả hệ thống.
2.4.2 Bộ biến đổi
Khi hoạt động DVR bơm điện áp nối tiếp với nguồn cung cấp. Điện áp này
được tạo ra từ bộ biến đổi VSC kết nối với DC-link và hệ thống lưu trữ năng lượng.
Do đồ án tập trung nghiên cứu đánh giá hiệu quả làm việc của DVR trên lưới hạ áp,
vì thế bộ biến đổi phải có khả năng tạo ra điện áp ba pha với thành phần thứ tự
thuận và thứ tự nghịch. Mặt khác bộ biến đổi phải có khả năng trao đổi công suất
trên cả hai chiều, chịu được điện áp cao và tổn hao thấp. Các giải pháp thực tế hiện
nay, bộ biến đổi thường được xây dựng từ các linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn
toàn như IGBT.
Bộ biến đổi của DVR khi làm việc với lưới thông thường được sử dụng là bộ
biến đổi nguồn áp kết nối gián tiếp thông qua máy biến áp, hoặc có thể kết nối trực
tiếp không qua máy biến áp. Tuy nhiên tiếp cận qua máy biến áp có nhiều ưu điểm
hơn, tài liệu [1,2,3,7].
2.4.2.1 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp
a, Những ưu điểm của cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp [1].
• Biến áp có thể được sử dụng để đảm bảo cách ly về điện cho DVR với lưới
điện.

• Tỷ lệ biến áp được chọn để giảm điện áp yêu cầu cho bộ biến đổi.
• Máy biến áp có thể được sử dụng như là một phần của bộ lọc đầu ra, hoặc là
điện cảm thứ nhất gần bộ biến đổi hoặc là một điện cảm gần với tải trong
một cấu trúc bộ lọc LCL.
• Điều khiển đơn giản hơn so với cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp.
b, Một số nhược điểm khi sử dụng máy biến áp ghép nối tiếp [1].
• Tổn thất của máy biến áp có tính chất phi tuyến, là yếu tố hạn chế về lựa chọn
băng thông của hệ thống DVR.
• Các máy biến áp nối tiếp tần số thấp thường cồng kềnh và có giá thành cao.
c, Một số cấu trúc tiêu biểu của bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp
• Cấu trúc bộ biến đổi nửa cầu kết nối máy biến áp nối sao/sao hở, [1,7].

20


Hình 2.13 Cấu trúc bộ biến đổi nửa cầu kết nối MBA kiểu sao/sao hở

Cấu trúc trên sử dụng 6 van chuyển mạch, tạo ra ba mức điện áp –U DC/2, 0, +
UDC/2, luôn có 3 van chuyển mạch trong đường dẫn dòng điện. Cấu trúc này có khả
năng tạo ra các thành phần điện áp thứ tự thuận ,thứ tự nghịch. Để có thể tạo ra
thành phần thứ tự không, tụ điện phía DC-link được phân tách và điểm giữa được
nối tới dây trung tính của máy biến áp nối tiếp.
• Cấu trúc bộ biến đổi cầu ba pha kết nối máy biến nối tam giác/sao hở [1,7].

Hình 2.14 Cấu trúc bộ biến đổi cầu ba pha kết nối MBA kiểu tam giác/sao hở

Bộ biến đổi có 6 van chuyển mạch chỉ tạo ra hai mức điện áp –UDC, +UDC. Phía
DC-link chỉ có một tụ điện với điện áp dễ dàng khống chế vì không phải điều khiển
để đảm bảo cân bằng điện áp như sơ đồ nửa cầu. Sơ đồ này có khả năng tạo ra các
thành phần điện áp thứ tự thuận và thứ tự nghịch. Nên có thể sử dụng trong trường

hợp cần bù các sự cố mất cân bằng điện áp với ảnh hưởng của dòng thứ tự không

21


không đáng kể hoặc cấu trúc liên kết được đặt ở vị trí lưới trung áp không có dây
trung tính
Hai cấu trúc trên đây khá đơn giản, số lượng các van bán dẫn nhỏ, điều khiển
đơn giản.
2.4.2.2 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới trực tiếp
Cấu trúc bộ biến đổi kết nối lưới trực tiếp được biết đến như một sự cải tiến về
mặt kĩ thuật từ bộ biến đổi kết nối máy biến áp. Kết nối trực tiếp là tốt nhất và phù
hợp cho các thiết bị nối tiếp mà chỉ trao đổi công suất phản kháng với lưới điện, do
hoạt động nạp năng lượng cho DC-link là riêng biệt. Đặc trưng của cấu trúc này là
không có hệ thống lưu trữ năng lượng riêng, khả năng bù sụt áp phụ thuộc vào điện
áp nguồn cực đại của bộ biến đổi (trong đó có tỉ số biến áp nguồn) [1].

Hình 2.15 Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp một pha

Hình 2.16 Cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp hệ thống ba pha

a, Những ưu điểm của bộ biến đổi kết nối lưới trực tiếp
• Đặc tính động học sẽ được cải thiện, vì băng thông không bị giảm bởi các máy
biến áp ( các ảnh hưởng phi tuyến, tổn thất điện áp gây ra bởi các máy biến
áp được loại bỏ).
• Tránh được sự cồng kềnh của máy biến áp, giúp DVR nhỏ gọn, giá thành thấp,
trọng lượng nhẹ…
b, Một số nhược điểm của bộ biến đổi kết nối lưới trực tiếp

22

• Bảo vệ các bộ biến đổi điện tử công suất là phức tạp hơn và cách điện phải bảo
đảm tốt hơn.
• Cấu trúc liên kết của bộ biến đổi sẽ phức tạp dẫn đến yêu cầu cách ly cao với
đất.
Trong các cấu trúc bộ biến đổi kết nối biến áp nối tiếp, điện áp tạo ra của bộ
biến đổi được lựa chọn với điện áp thấp, thường nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị cực
đại của điện áp lưới cần bơm vào. Trong khi cấu trúc bộ biến đổi không máy biến
áp, điện áp này phải gần bằng điện áp lưới cần bơm vào. Như thế, nó yêu cầu phải
sử dụng các linh kiện có khả năng chịu được điện áp cao tăng giá thành của DVR.
Như vậy, sử dụng cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp
ghép mang lại hiệu quả cao hơn và sẽ được sử dụng mô phỏng trong đồ án này.
2.4.2.3 Các phương pháp điều chế
Phương pháp điều chế phổ biến hiện này là sử dụng điều chế độ rộng xung
(PWM) với sóng mang dạng răng cưa. Nguyên lý của phương pháp PWM là so
sánh tín hiệu (sóng điều chế) cho trước u(t) với tín hiệu răng cưa bất kì (sóng
mang). Tỷ số biên độ điện áp của sóng điều chế và sóng mang được gọi là hệ số
điều chế m, tài liệu [2]:
m=

U mdc
U mc

(2.21)

Thông thường ta chọn m≤1. Nếu m>1 là điều chế làm giảm chất lượng điện áp
ra.
Phương pháp PWM cần quan tâm đến: Tần số chuyển mạch, sóng mang có thể
bám tín hiệu cho trước (trong một phạm vi hẹp của tần số) và không có thành phần

chuyển mạch bậc thấp trong phổ điện áp. Nhược điểm của phương pháp này là phải
sử dụng tần số chuyển mạch lớn làm tăng tổn hao, nhất là trong các hệ thống công
suất lớn.
Phương pháp điều chế vector cũng thường được sử dụng. Phương pháp này có
thể cho tần số chuyển mạch thấp hơn với so với phương pháp PWM. Ưu điểm của
phương pháp này là khai thác tốt điện áp một chiều và dễ dàng áp dụng khi sử dụng
các bộ xử lý tín hiệu.
2.4.2.4 Điều khiển bộ nghịch lưu
Dựa trên việc tìm hiểu các ưu nhược điểm của hai bộ nghịch lưu đã trình bày ở
mục 2.4.2.1 đồ án sẽ lựa chọn mạch nghịch lưu cầu ba pha để mô phỏng.
Cấu trúc của bộ nghịch lưu cầu ba pha được thể hiện như trên hình 2.14. Pha A
của bộ nghịch lưu gồm có 2 khóa bán dẫn S1 và S4 và 2 điôt mắc song song ngược,
tài liệu [2,3]:

23


Hình 2.17 Mạch nghịch lưu cầu 3 pha

• Các tín hiệu điều khiển van, trình tự chuyển mạch và điện áp pha so với trung
tính một chiều N (VaN, VbN, VcN ):

Hình 2.18 Tín hiệu điều khiển van và điện áp các pha

Trình tự chuyển mạch như sau:
→
→
→
→
→

→
561(V1) 612(V2) 123(V3) 234(V4) 345(V5) 456(V6) 561(V1)
Trong đó 561 là: S5, S6, S1 dẫn/mở/on
• Điện áp dây và điện áp pha bộ nghịch lưu cầu 3 pha
- Điện áp dây: Vab, Vbc, Vca được xác định theo:
Vab= VaN – VbN
Vbc= VbN – VcN
Vca= VcN – VaN

24


- Điện áp pha: Van, Vbn, Vcn được xác định theo:
Van= 2/3VaN–1/3VbN –1/3VcN
Vbn= -1/3VaN +2/3VbN –1/3VcN
Vcn= -1/3VaN–1/3VbN +2/3VcN

Hình 2.19 Điện áp dây và điện áp pha

Để nâng cao chất lượng điện áp đầu ra nghịch lưu và giảm kích thước bộ lọc
các thuật toán điều chế được sử dụng để điều khiển các chuyển mạch. Một phương
pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp là phương pháp điều chế độ
rộng xung theo luật điều khiển SPWM
Nguyên tắc tạo xung điều khiển của SPWM: Tín hiều điều khiển có tần số
bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện áp ra của nghịch lưu sẽ được so sánh
với tín hiệu dạng răng cưa và tạo các xung có độ rông tương ứng với các thời điểm
mà = .
- Khi > , VA0=VDC/2
- Khi < , VA0=-VDC/2

25