Nghiên cứu cấu trúc điều khiển cho bộ điều áp liên tục khắc phục sự cố tăng giảm điện áp ngắn hạn cho phụ tải

BỘ GIÁO
GIÁO DỤC
DỤC VÀ
VÀ ĐÀO
ĐÀO TẠO
TẠO
BỘ
TRƯỜNG ĐẠI
ĐẠI HỌC
HỌC BÁCH
BÁCH KHOA
KHOA HÀ
HÀ NỘI
NỘI
TRƯỜNG
---------------

TRHỒNG THÀNH
NAM
TRNGUYỄN
ĐÌNH NGỌC

NGHIÊN
CỨU
PHƯƠNG
PHÁP
ĐIỀU
KHIỂN
DỰ BỘ
BÁO
CHO

NGHIÊN
CỨU
CẤU TRÚC
ĐIỀU
KHIỂN
CHO
ĐIỀU
BỘ NGHỊCH
LƯU
MỨCGIẢM ĐIỆN ÁP
ÁP LIÊN TỤC KHẮC
PHỤC SỰ
CỐĐA
TĂNG
NGẮN HẠN CHO PHỤ TẢI
RESEARCH ON MODEL PREDICTIVE CONTROL FOR
MULTILEVEL CONVERTERS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI-2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ ĐẠI
GIÁO
DỤC

VÀ ĐÀO
TẠO
TRƯỜNG
HỌC
BÁCH
KHOA
HÀ NỘI
-
----KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI ---HỌC
BÁCH
--------

TRHỒNG THÀNH NAM
TRNGUYỄN ĐÌNH NGỌC

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO
NGHIÊN CỨU CẤU
TRÚC ĐIỀU
CHO BỘ ĐIỀU ÁP
BỘ NGHỊCH
LƯUKHIỂN
ĐA MỨC
LIÊN TỤC KHẮC PHỤC SỰ CỐ TĂNG GIẢM ĐIỆN ÁP
NGẮN HẠN CHO PHỤ TẢI
RESEARCH ON MODEL PREDICTIVE CONTROL FOR
MULTILEVEL CONVERTERS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỂU
KHIỂN
VÀ TỰ
ĐỘNG
HÓA
NGƯỜI
HƯỚNG
DẪN
KHOA
HỌC
PGS. TS. TRẦN TRỌNG MINH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. VŨ HOÀNG PHƯƠNG

HÀ NỘI-201
HÀ NỘI-2018


Lời cảm ơn

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu cấu trúc điều khiển cho bộ điều
áp liên tục để khắc phục sự cố tăng giảm điện áp ngắn hạn cho phụ tải” do tôi thực
hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Vũ Hoàng Phương. Các số liệu và kết quả là
hoàn toàn trung thực.
Để hồn thành luận văn này tơi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện
có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2018
Học viên

Nguyễn Đình Ngọc


Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Vũ Hoàng Phương. Thầy là người đã dìu
dắt hướng dẫn tơi từ những năm tơi cịn là sinh viên trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Những kiến thức chun mơn mà tơi có được hiện tại đến từ sự dìu dắt và hướng dẫn của
thầy rất nhiều.
Luận văn này được thực hiện như một phần công việc trong Đề tài khoa học cấp nhà
nước “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống khắc phục nhanh sự cố tăng/giảm điện áp
ngắn hạn cho phụ tải”, mã số KC.05.03/16-20, thực hiện tại Viện Kỹ Thuật Điều Khiển Tự
Động Hóa (ICEA), Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin cảm ơn Đề tài và Viện
ICEA.
Tôi xin cảm ơn tới các anh chị làm việc tại Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự Động
Hóa. Xin cảm ơn tới anh Nguyễn Văn Tiệp và bạn Hoàng Thành Nam đã cùng tôi thiết kế
chế tạo hệ thống phần cứng và phần mềm. Đặc biệt, tơi xin cảm ơn tồn thể các bạn sinh
viên nhóm PE-LAB do thầy Vũ Hồng Phương hướng dẫn đã hỗ trợ rất nhiều trong việc
lắp ráp phần cứng.


Mục lục

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................
MỤC LỤC ............................................................................................................................
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT...........................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................................
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ................................................................................................
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU ÁP LIÊN TỤC .............................................. 3
1.1 Chất lượng điện năng và hiện tượng lồi, lõm điện áp ............................................... 3
1.1.1 Chất lượng điện năng ......................................................................................... 3
1.1.2 Hiện tượng lồi, lõm điện áp ................................................................................ 3
1.2 Giải pháp khắc phục sự cố lồi, lõm điện áp .............................................................. 5
1.2.1 Giải pháp sử dụng bộ nguồn cấp liên tục ........................................................... 6
1.2.2 Giải pháp sử dụng bộ điều áp liên tục ................................................................ 7
Chương 2: CẤU TRÚC MẠCH LỰC CỦA BỘ ĐIỀU ÁP LIÊN TỤC ..................... 11
2.1 Cấu trúc mạch lực của bộ điều áp liên tục............................................................... 11
2.1.1 Bộ biến đổi phía lưới ........................................................................................ 11
2.1.2 Bộ biến đổi phía tải........................................................................................... 12
2.1.3 Máy biến áp nối tiếp ......................................................................................... 13
2.1.4 Bộ biến đổi bypass sử dụng Thyristor .............................................................. 14
2.2 Tính tốn mạch lực cho bộ điều áp liên tục............................................................. 14
2.2.1 Tính chọn van bán dẫn ..................................................................................... 14
2.2.2 Tính chọn tụ DC-link........................................................................................ 16
2.2.3 Tính chọn bộ lọc phía lưới ............................................................................... 17
2.2.4 Tính chọn mạch lọc phía tải ............................................................................. 18
2.2.5

Tính tốn máy biến áp nối tiếp ...................................................................... 19

Chương 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ....... 20

Mục lục

3.1 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi phía lưới ........................................... 20
3.1.1 Thành phần điện áp thứ tự thuận, thứ tự nghịch .............................................. 21
3.1.2 Cấu trúc vịng khóa pha .................................................................................... 24
3.2.3 Cấu trúc mạch vịng dịng điện ......................................................................... 25
3.1.4 Tổng hợp tham số bộ điều chỉnh điện áp ......................................................... 31
3.2 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi phía tải.............................................. 33
3.2.1 Tổng hợp tham số bộ điều chỉnh ...................................................................... 34
3.2.2 Tổng hợp vịng khóa pha một pha .................................................................... 37
Chương 4: MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ ĐIỀU ÁP LIÊN TỤC...... 39
4.1 Tham số mô phỏng .................................................................................................. 39
4.2 Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink ................................................................ 40
4.3 Mô phỏng thời gian thực ......................................................................................... 45
4.3.1 Cấu trúc hệ thống thời gian thực ...................................................................... 45
4.3.2 Kết quả mô phỏng thời gian thực ..................................................................... 46
Chương 5: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM ................................................ 49
5.1 Xây dựng mơ hình ................................................................................................... 49
5.1.1 Phần trang bị điện ............................................................................................. 49
5.1.2 Phần mạch lực .................................................................................................. 49
5.1.3 Phần điều khiển ................................................................................................ 50
5.2 Kết quả thử nghiệm ................................................................................................. 52
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 56
CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ ............................................................... 58
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 59
A. Mơ hình mơ phỏng trên Matlab ................................................................................ 59

Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Chữ viết tắt
AVC
BBĐ
PWM
SVM
DC
AC
PLL
IGBT
DC-link
RMS
EPRI
NF
LPF
Shunt
Series
HIL
THD
UPS
DDSRF
PR
DSP
FPGA

Ý nghĩa
Điều áp liên tục

Bộ biến đổi
Pulse Width Modulation
Điều chế độ rộng xung
Space Vector Modulation
Điều chế vector không gian
Direct Current
Dòng điện một chiều
Alternating Current
Dòng điện xoay chiều
Phase Looked Loop
Vịng khóa pha
Insulated Gate Bipolar Transistors Van bán dẫn
Điện áp một chiều
Root Mean Square
Giá trị hiệu dụng
Electric Power Research Institue
Viện nghiên cứu năng lượng điện
Notch Filter
Khâu lọc notch
Low Pass Filter
Bộ lọc thơng thấp
Bộ biến đổi phía lưới
Bộ biến đổi phía tải
Hardware in the loop
Thiết bị mô phỏng thời gian thực
Total Harmonic Distortion
Tổng độ méo sóng hài
Uninterruptible Power Supply
Bộ nguồn cấp liên tục
Decoupled Double Synchronous Mạng tách các phần tử lưới điện

Reference Frame
Proportional Resonant
Bộ điều khiển cộng hưởng
Digital Signal Processor
Xử lý tín hiệu số
Field-Programmable Gate Array
Thiết bị lập trình logic
Tên tiếng anh
Active Voltage Conditioner


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tỷ lệ phần trăm các sự cố điện áp trong lưới điện [5] ......................................... 4
Hình 1.2 Nguyên lý của UPS on-line ................................................................................. 7
Hình 1.3 Sơ đồ mơ tả ngun tắc hoạt động của AVC ....................................................... 7
Hình 1.4 Đồ thị véc-tơ thể hiện nguyên lý bù lõm của AVC ............................................. 8
Hình 1.5 Bộ điều áp hoạt động ở chế độ chờ khi điện áp lưới bình thường ....................... 8
Hình 1.6 Bộ điều áp hoạt động ở chế độ bù lõm khi điện áp lưới thấp hơn định mức....... 9
Hình 1.7 Bộ điều áp hoạt động ở chế độ bù lồi khi điện áp lưới cao hơn định mức .......... 9
Hình 1.8 Bộ điều áp liên tục hoạt động ở chế độ Bypass khi có sự cố............................... 9
Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc các thành phần chính của AVC ................................................. 10
Hình 2.1 Cấu trúc bộ chỉnh lưu tích cực ........................................................................... 11
Hình 2.2 Cấu trúc bộ biến đổi phía lưới sử dụng ba cầu H .............................................. 13
Hình 2.3 Sơ đồ bảo vệ hệ thống ngắn mạch biến áp nối tiếp ........................................... 14
Hình 2.4 Mạch điện thay thế đơn giản của máy biến áp và tụ lọc .................................... 18
Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống bộ điều áp liên tục ................................................................ 20
Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển bộ chỉnh lưu tích cực trong điều kiện lưới mất cân bằng .. 21
Hình 3.3 Các vector điện áp trên hệ đồng bộ kép. ............................................................ 21

Hình 3.4 Mạng triệt tiêu thành phần xoay chiều trên trục dqn .......................................... 23
Hình 3.5 Cấu trúc hệ đồng bộ kép tách rời DDSRF ......................................................... 24
Hình 3.6 Cấu trúc vịng khóa pha trên hệ đồng bộ kép DDSRF ...................................... 24
Hình 3.7 Cấu trúc điều khiển dựa trên khung đồng bộ DDSRF ....................................... 26
Hình 3.8 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện trong DDSRF cải thiện ................................ 27
Hình 3.9 Mạch vịng điều chỉnh dịng điện....................................................................... 28
Hình 3.10 Mơ hình điều khiển điện áp phía một chiều. ................................................... 32
Hình 3.11 Cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi Series ..................................................... 34
Hình 3.12 Sơ đồ tương đương của máy biến áp một pha nối với bộ Series ..................... 35
Hình 3.13 Mơ tả tốn học mạch vịng điều chỉnh điện áp ................................................ 36
Hình 3.14 Cấu trúc vịng khóa pha một pha ..................................................................... 37
Hình 3.15 Thuật tốn tính thành phần điện áp 𝛼𝛽 từ điện áp lưới ................................... 38


Danh mục hình vẽ

Hình 4.1 Kịch bản mơ phỏng trên Matlab ........................................................................ 41
Hình 4.2 Kết quả mơ phỏng bộ điều áp liên tục với 4 trường hợp biến động điện áp ..... 41
Hình 4.3 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 1 pha còn 55% tại thời điểm đầu ............... 42
Hình 4.4 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 2 pha còn 55% tại thời điểm đầu ............... 42
Hình 4.5 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 3 pha cịn 70% tại thời điểm đầu ............... 42
Hình 4.6 Dạng điện áp khi điện áp lưới lồi 110% tại thời điểm đầu ................................ 42
Hình 4.7 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 1 pha còn 55% tại thời điểm cuối .............. 43
Hình 4.8 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 2 pha còn 55% tại thời điểm cuối .............. 43
Hình 4.9 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 3 pha còn 70% tại thời điểm cuối .............. 43
Hình 4.10 Sai lệch giữa điện áp đặt và điện áp ra bộ Series của các pha ......................... 44
Hình 4.11 Kết quả phân tích Fourier điện áp pha A ......................................................... 44
Hình 4.12 Giao tiếp giữa HIL 402 và DSP TMS320F2808 ............................................. 45
Hình 4.13 Sơ đồ mơ phỏng trên Typhoon HIL 402.......................................................... 46
Hình 4.14 Mơ hình mơ phỏng thời gian thực trên thiết bị Typhoon HIL 402 .................. 46

Hình 4.15 Kết quả mô phỏng trên HIL: điện áp lưới, điện áp bù, điện áp tải, điện áp trên
tụ ........................................................................................................................................ 47
Hình 4.16 Kết quả HIL khi lưới điện lõm 1 pha cịn 55% ............................................... 47
Hình 4.17 Kết quả HIL khi lưới điện lõm 2 pha cịn 55% ............................................... 47
Hình 4.18 Kết quả HIL khi lưới điện lõm 3 pha còn 70% ............................................... 48
Hình 4.19 Kết quả HIL khi lưới điện lồi 3 pha 110% ...................................................... 48
Hình 4.20 Kết quả HIL của điện áp trên tụ ....................................................................... 48
Hình 5.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống bộ điều áp liên tục .................................................... 49
Hình 5.2 Mơ hình thực nghiệm bộ điều áp liên tục .......................................................... 52
Hình 5.3 Quá trình khởi động chỉnh lưu tích cực lên 600V ............................................. 53
Hình 5.4 Điện áp lưới và điện áp tải khi xảy ra lõm điện áp ............................................ 53
Hình 5.5 Điện áp lưới và điện áp tải tại thời điệm bắt đầu xảy ra lõm điện áp ................ 54
Hình 5.6 Điện áp lưới và điện áp tải tại thời điểm kết thúc quá trình lõm điện áp .......... 54


Danh sách bảng biểu

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Phân loại hiện tượng lồi, lõm điện áp .................................................................. 4
Bảng 2.1 Thông số van IGBT SKM 400GB176 ............................................................... 15
Bảng 2.2 Thông số máy biến áp nối tiếp........................................................................... 19
Bảng 4.1 Tham số mạch lực bộ điều áp liên tục ............................................................... 39
Bảng 4.2 Thông số các bộ điều chỉnh của bộ Shunt ......................................................... 40
Bảng 4.3 Thông số bộ điều chỉnh của bộ Series ............................................................... 40
Bảng 5.1 Tham số mạch lực hệ thống thực nghiệm.......................................................... 50

10


Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ở các nước cơng nghiệp phát triển có mạng lưới điện hiện đại. Mặc dù, các nhà cung
cấp điện luôn lỗ lực cung cấp một nguồn điện chất lượng cao nhưng hiện tượng quá áp đột
ngột và sụt áp đột ngột vẫn luôn xảy ra. Các q trình tự động hóa ngày càng cao trong
cơng nghiệp hiện đại, đi kèm với nó là sự nhạy cảm về chất lượng điện càng tăng.
Trong số các nhiễu loạn trên hệ thống điện thì lõm điện áp là loại nhiễu loạn nghiêm
trọng nhất. Lõm điện áp là hiện tượng suy giảm điện áp tức thời đột ngột tại một thời điểm
mà giá trị điện áp hiệu dụng của nó giữa 10% đến 90% so với điện áp chuẩn, tiếp theo đó
điện áp được phục hồi trong một thời gian rất ngắn. Mặc dù lõm điện áp xảy ra trong một
thời gian rất ngắn nhưng một số phụ tải như các hệ thống điều khiển, các loại biến tần điều
khiển động cơ đã có thể bị dừng.
Bộ điều áp liên tục (Active Voltage Conditioner – AVC) là thiết bị nhằm đảm bảo
khôi phục điện áp trên các tải nhạy cảm khi có sự cố lồi, lõm điện áp ngắn hạn từ phía
nguồn cung cấp, có thời gian kéo dài từ khoảng nửa chu kỳ điện áp lưới 0.01s đến cỡ dưới
60s. Đặc điểm của bộ AVC có thể khắc phục gần như triệt để sự cố lồi, lõm điện áp ngắn
hạn, ngay cả khi điện áp đầu vào sụt cịn 60% điện áp danh định thì điện áp đầu ra sau bộ
AVC vẫn đảm bảo điện áp tiêu chuẩn ổn định trong ngưỡng ± 1% hoặc ± 2%.
Hiện nay, bộ AVC đang được nhiều nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm nghiên
cứu phát triển. Trong nước, sự cố biến động điện áp cũng đang nhận được nhiều sự quan
tâm từ các nhà khoa học, các doanh nghiệp và cơ quan quản lý nhà nước. Đã có một số giải
pháp được đưa ra giải quyết vấn đề trên nhưng hiện tại chưa có nghiên cứu nào về bộ AVC.

2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Các mục tiêu nghiên cứu sau đây sẽ thực hiện trong luận văn:
 Tìm hiểu về sự cố lồi, lõm điện áp, nguyên nhân, ảnh hưởng của sự cố đối trong
công nghiệp và một số giải pháp.
 Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạch lực bộ điều áp liên tục khắc phục sự cố lồi, lõm
điện áp ngắn hạn cho phụ tải.

 Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ AVC đảm bảo đáp ứng nhanh.
 Xây dựng mơ hình mơ phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng thuật toán điều khiển.
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu, nội dung cần nghiên cứu của đề tài là:
 Nhiễu loạn điện áp, ảnh hưởng trong công nghiệp và giải pháp khắc phục.
 Cấu trúc của bộ AVC.
 Thiết kế thuật toán điều khiển các bộ biến đổi bán dẫn cho bộ điều áp liên tục.
1


Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục

 Mơ hình mơ phỏng của bộ AVC trên Matlab/Simulink và mô phỏng thời gian thực
(hardware in the loop) trên thiết bị Typhoon.
 Mơ hình thực nghiệm bộ AVC cho tải có cơng suất 150kVA, điện áp 380V trong
phịng thí nghiệm.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu về các sự cố lồi, lõm điện áp, ảnh hưởng
trong công nghiệp. Tính tốn, thiết kế mạch lực cho bộ điều áp liên tục, đồng thời thiết kế
cấu trúc điều khiển. Đánh giá thiết kết quả mô phỏng trên Matlab và thực nghiệm.
3. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu trong đề tài:





Thu thập, khảo sát và thống kế dữ liệu.
Phân tích, thiết kế mạch.
Lý thuyết điều khiển.
Mơ phỏng và lập trình.

4. Nội dung luận văn
Quyển luận văn này được trình bày theo các chương như sau:
Mở đầu: Nêu ra tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu cũng như nội dung nghiên cứu cần
phải đạt được.
Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục.
Trong chương trình sẽ giới thiệu về các sự cố lồi, lõm điện áp nguyên nhân cũng như
cách khắc phục. Đồng thời, nêu ra lý do lựa chọn bộ điều áp liên tục.
Chương 2: Cấu trúc của bộ điều áp liên tục.
Nêu ra cấu trúc, thành phần của bộ điều áp liên tục và tính toán lựa chọn các thành
phần của bộ điều áp liên tục có cơng suất 150kVA.
Chương 3: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho các bộ biến đổi.
Bộ điều áp liên tục được cấu thành từ các bộ biến đổi. Chính vì vậy, cần phải thiết kế
cấu trúc điều khiển cho các bộ biến đổi. Chương này sẽ giải quyết vấn đề đó
Chương 4: Mơ hình mơ phỏng.
Đưa ra các kết quả mô phỏng kiếm chứng thiết kế trên Matlab và trên thiết bị điều
khiển thời gian thực Typhoon HIL 402.
Chương 5: Xây dựng mơ hình thực nghiệm.
Chương này trình bày hệ thống thực nghiệm bộ điều áp liên tục.
Kết luận
Đánh giá kết quả đã đạt được và những tồn tại.
2


Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU ÁP LIÊN TỤC
Trong chương 1 sẽ trình bày chất lượng điện năng, hiện tượng lồi, lõm điện áp và các
giải pháp nhằm mục đích giảm thiểu các hiện tượng đó. Đồng thời, cũng nêu lên tổng quan
về bộ điều áp liên tục.

1.1 Chất lượng điện năng và hiện tượng lồi, lõm điện áp
1.1.1 Chất lượng điện năng
Chất lượng điện năng là một vấn đề quan trọng đối với cả nhà sản xuất điện và người
sử dụng điện.
Chất lượng điện năng thường được quan tâm nhiều nhất bao gồm các vấn đề liên quan
đến điện áp, tần số, dịng điện, sóng hài …. Có nhiều tác nhân gây ảnh hưởng đến chất
lượng điện năng, theo tài liệu [8] các nhiễu loạn đó có thể là:
-

Quá độ dòng điện và điện áp
Mất cân bằng
Lồi, lõm điện áp
Thay đổi tần số
Sự méo dạng các sóng dịng điện và điện áp

Trong số các nhiễu loạn trên hệ thống điện thì lõm điện áp là loại nhiễu loạn nghiêm
trọng nhất và có tần suất xuất hiện lớn nhất. Hiện tượng lõm điện áp xảy ra trong thời gian
ngắn, liên quan đến suy giảm điện áp và nhảy góc pha. Khi có một biến cố trên lưới điện
(ví dụ ngắn mạch) có thể ở vị trí rất xa so với thiết bị đầu cuối, dẫn đến xuất hiện một lõm
điện áp lan truyền đến nhiều vị trí khác nhau trên lưới điện và có thể đến các vị trí kết nối
của tải nhạy cảm để gây ảnh hưởng. Trong các xí nghiệp cơng nghiệp các tải nhạy cảm
quan trọng thường có ảnh hưởng rất lớn đến tồn bộ hoạt động của các dây chuyền sản
xuất. Trong khi đó chính những tải này lại rất nhạy cảm với tác động của lõm điện áp gây
ra dừng máy, mất hoặc sai lệch thông tin, dẫn đến các bộ phận khác của dây chuyển cũng
bị dừng theo, sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài.
1.1.2 Hiện tượng lồi, lõm điện áp
a) Định nghĩa lồi, lõm điện áp
Theo IEEE Std. 1159-1995, “lõm điện áp là hiện tượng suy giảm điện áp tức thời đột
ngột tại một thời điểm mà giá trị điện áp hiệu dụng (RMS) của nó giữa 10% đến 90% so
với điện áp chuẩn, tiếp theo đó điện áp được phục hồi trong một thời gian rất ngắn, từ một

nửa chu kỳ của điện áp lưới (10ms) đến một phút. Trong khi lồi điện áp là sự tăng đột ngột
giá trị RMS lên quá một giá trị ngưỡng nhất định. Thông thường giá trị ngưỡng này bằng
110% giá trị định mức điện áp nguồn” [7][9].

3


Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục

Asymmetrical,
18%

Harmonics,
18%

Short voltage,
13%

Voltage sags,
31%

Voltage
transient,
8%
Voltage swell,
13%

Hình 1.1 Tỷ lệ phần trăm các sự cố điện áp trong lưới điện [5]

Hiện tượng lồi, lõm điện áp được phân loại dựa vào khoảng thời gian theo IEEE 1159

bao gồm: tức thời, thời gian ngắn và tạm thời.
Bảng 1.1 Phân loại hiện tượng lồi, lõm điện áp
Phân loại

Hiện tượng

Thời gian

Biên độ điện áp

Tức thời

Lõm

0.5 – 3 chu kì

0.1 – 0.9 pu

Lồi

0.5 – 3 chu kì

1.1 – 1.8 pu

Gián đoạn

0.5 – 3 s

< 0.1 pu

Lõm

0.5 – 3 s

0.1 – 0.9 pu

Lồi

0.5 – 3 s

1.1 – 1.8 pu

Gián đoạn

3 – 60 s

< 0.1 pu

Lõm

3 – 60 s

0.1 – 0.9 pu

Lồi

3 – 60 s

1.1 – 1.8 pu

Thời gian ngắn

Tạm thời

* pu: đơn vị tương đối

b) Nguyên nhân lồi, lõm điện áp
Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng lồi, lõm điện áp, trong đó có thể phân biệt
các nguyên nhân như sau:
 Các lỗi hệ thống nguồn: sét, gió, băng tuyết, nhiễm bẩn của thiết bị cách điện... Các
lỗi kể trên thường dẫn đến ngắn mạch. Dòng ngắn mạch gây lõm điện áp trong suốt
thời gian ngắn mạch và lan truyền đến các vị trí khác nhau trên lưới điện. Thông
thường nhất là ngắn mạch kiểu một pha, do đó gây nên sự giảm điện áp một pha có
độ sâu phụ thuộc vào điểm đo so với vị trí xảy ra ngắn mạch.
4


Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục

 Khởi động thiết bị có cơng suất lớn so với công suất ngắn mạch của hệ thống tại
điểm kết nối. Sự sụt giảm điện áp gây ra bởi khởi động mạch truyền động công suất
lớn thông thường nhất là ba pha đối xứng, có giá trị lõm điện áp tương đối lớn trong
thời gian kéo dài tương đối lâu.
 Giảm điện áp gây ra bởi đóng mạch các biến áp năng lượng vào hệ thống, dẫn đến
lõm điện áp không đối xứng, kết hợp với sự có mặt của các hài bậc hai và bậc bốn.
 Các biến động của tải, trong các lưới ba pha sự giảm điện áp có thể phân loại theo
tính khơng đối xứng điện áp trong khi nhiễu loạn. Độ không đối xứng này cũng như
điện áp trong các pha riêng biệt phụ thuộc vào kiểu ngắn mạch và phương pháp đấu
nối các cuộn biến áp năng lượng giữa chỗ ngắn mạch và điểm kết nối thiết bị.
Lõm điện áp thường xảy ra do hậu quả ngắn mạch, các lỗi chạm đất, máy biến áp năng

lượng, kết nối của các động có cảm ứng cơng suất lớn.
c) Đặc điểm của lồi, lõm điện áp
Độ lớn và khoảng thời gian là hai đặc điểm quan trọng nhất của hiện tượng lồi, lõm
điện áp, mà theo IEEE Std 1159 (1995), độ lớn lõm nằm trong khoảng từ 10% đến 90%
điện áp danh định, độ lớn lồi điện áp trên 110% điện áp danh định và thời gian từ nửa chu
kỳ đến một phút.
Độ lớn lồi, lõm điện áp là điện áp hiệu dụng theo phần trăm hoặc trên một đơn vị
tương đối (p.u) còn lại trong “biến cố” của điện áp trước khi có lỗi. Khoảng thời gian lồi,
lõm điện áp là khoảng thời gian điện áp hiệu dụng dưới 90% hoặc trên 110% của điện áp
danh định.
Nhảy góc pha là hiện tượng thay thay đổi góc pha khi có biến cố xảy ra trên lưới điện.
Nhảy góc pha được xem như là một sự dịch chuyển điểm qua khơng của điện áp tức thời
và đó là nguyên nhân dẫn đến sự cố với các bộ biến đổi điện tử cơng suất sử dụng góc pha
để phát xung điều khiển.
Các kiểu lõm điện áp ba pha: tùy thuộc vào kiểu lỗi trên lưới điện và kiểu kết nối của
máy biến áp năng lượng cùng với đường dây nguồn, dẫn đến các kiểu lõm điện áp khác
nhau và có thể được phân biệt như sau:
 Lõm điện áp cân bằng: là lõm có cùng độ lớn (Vsag), là khoảng thời gian lõm (tsag)
và nhảy cùng một góc pha (sag) trên cả ba pha.
 Lõm điện áp không cân bằng: là các lõm điện áp khi xảy ra có độ lớn (Vsag), khoảng
thời gian lõm (tsag) và góc nhảy pha (sag) khác nhau trên ba pha.

1.2 Giải pháp khắc phục sự cố lồi, lõm điện áp
Để chống lại những ảnh hưởng biến động điện áp ngắn hạn đảm bảo hoạt động cho
các tải nhạy cảm, đặc biệt là các tải nhạy cảm quan trọng trong các xí nghiệp cơng nghiệp

5


Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục

hiện đại, hiện nay đã được nghiên cứu. Có nhiều giải pháp khác nhau để khắc phục các
biến động điện áp, một số phương pháp được đề xuất như sau:
-

-

Cải tạo hệ thống điện: Là giải pháp giảm thiểu thông qua việc can thiệp vào hệ thống
điện, xem xét cả những thay đổi trong các thành phần điện của hệ thống và trong
cấu trúc của nó.
Tăng khả năng chịu đựng của thiết bị điện trước những ảnh hưởng của lõm điện áp
các nhiễu loạn điện áp.
Thiết bị bảo vệ: Lắp đặt thiết bị có khả năng chống lại sự biến thiên điện áp vào
điểm kết nối của hệ thống điện, trước các phụ tải nhạy cảm để bảo vệ tải.

Một trong ba giải pháp trên, khách hàng dùng điện chỉ có thể lựa chọn giải pháp lắp
đặt thiết bị bảo vệ, vì họ có thể kiểm sốt được tình hình. Có thể phân chia các thiết bị bảo
vệ làm hai nhóm chính:
-

Giảm thiểu bằng các thiết bị thụ động, dựa trên các thiết bị kỹ thuật cổ điển như
máy biến thế hoặc máy điện quay.
Thiết bị bảo vệ dựa trên bộ biến đổi điện tử công suất.

1.2.1 Giải pháp sử dụng bộ nguồn cấp liên tục
Hiện nay, giải pháp dùng nguồn cấp liên tục (UPS - Uninterruptible Power Supply)
để khắc phục các sự cố về điện áp lưới cho phụ tải quan trọng được sử dụng nhiều. UPS
hay bộ lưu điện là thiết bị có thể cung cấp điện năng trong một khoảng thời gian tương ứng
với công suất thiết kế nhằm duy trì hoạt động của thiết bị điện khi điện lưới gặp sự cố.
Nguyên tắc hoạt động của UPS dựa trên việc biến đổi điện áp một chiều từ ắc quy sang

điện xoay chiều. UPS có hai loại chính là loại off-line và on-line.
Bộ UPS off-line hoạt động theo nguyên tắc là điện áp lưới đầu vào đi qua khóa chuyển
mạch trước khi cung cấp cho tải. Lúc này, UPS chỉ sử dụng bộ sạc đề nạp đầy điện cho ắc
quy. Trong trường hợp lưới điện không ổn định tho bộ UPS sẽ tự động chuyển mạch, dùng
nguồn từ ắc-quy cấp cho thiết bị.
Đối với UPS on-line, nguồn điện lưới không cung cấp trực tiếp cho phụ tải quan trọng
mà được biến đổi thành dòng điện một chiều nạp cho ắc-quy và bộ nghịch lưu. Bộ nghịch
lưu sẽ cấp điện cho phụ tải. Điện áp tạo ra của UPS được cách ly với điện áp lưới bởi mạch
một chiều trung gian có dàn ắc-quy nối vào nên khơng bị ảnh hưởng của sự biến thiên điện
áp lưới. Với nguyên lý như vậy, bộ UPS on-line có thể cấp điện cho phụ tải mà không mất
một khoảng thời gian trễ nào. UPS có thể cấp điện ổn định cho phụ tải phụ thuộc rất nhiều
vào dung lượng của ắc quy.

6


Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục

ByPass

LOAD
Supply

Batteries

Hình 1.2 Nguyên lý của UPS on-line

Tuy nhiên, UPS tồn tại một số nhược điểm sau:
- Do sử dụng ắc quy nên cần có chế độ bảo dưỡng hợp lý, tuổi thọ của ắc-quy chỉ
được 3 đến 5 năm.

- Cần nhiều không gian cho dàn ắc quy.
- Đối với các tải công suất lớn, tổn thất do hai bộ chuyển đổi lớn dẫn đến hiệu suất
của UPS không cao chỉ khoảng 90 %.
Đối với những sự cố biến động điện áp ngắn hạn dưới 1 phút thì UPS khơng phát huy
được lợi thế của nó nên UPS khơng được sử dụng nhiều cho việc khắc phục sự cố biến
động điện áp ngắn hạn.
1.2.2 Giải pháp sử dụng bộ điều áp liên tục
Trong số các thiết bị để khắc phục sự biến động điện áp ngắn hạn, bộ điều áp liên tục
(AVC - Active Voltage Conditioner) là thiết bị tiết kiệm và đưa lại hiệu quả tốt nhất.
a) Nguyên lý hoạt động của bộ điều áp liên tục
Bộ AVC được thiết kế để tự động chèn vào một điện áp uinj vào lưới như thể hiện ở
Hình 1.3 để đảm bảo điện áp trên tải luôn ở định mức. Ở đây bộ AVC có thể coi như một
nguồn áp với độ lớn, góc pha và tần số có thể được điều chỉnh, trong đó ug là điện áp lưới,
uinj là điện áp chèn vào từ bộ AVC và ul là điện áp tải.

Us(t)

Rg Lg

Ug(t) Ig(t)

Uinj (t)
PCC

Ul(t)

il(t)
Load

Hình 1.3 Sơ đồ mơ tả ngun tắc hoạt động của AVC

Đồ thị véc-tơ thể hiện nguyên lý chèn điện áp vào lưới điện của AVC để khơi phục
điện áp tải. Trên đó il là dịng điện tải,  là góc lệch pha giữa điện áp tải và dòng điện tải.
Giả sử, một lõm điện áp xảy ra với độ lớn và một góc nhảy pha được xác định, nó biểu thị
bằng véc-tơ ug,sag . Khi đó mục đích là để duy trì độ lớn của điện áp tải và ngăn chặn nhảy
7


Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục

pha, AVC sẽ tính tốn tạo ra một véc-tơ điện áp uinj với độ lớn, góc pha được xác định và
chèn lưới. Khi đó theo đồ thị véc-tơ, điện áp trên tải sẽ là:

ul  ug,sag  uinj



(1.1)
UL



U inj

U gsa

I1

Hình 1.4 Đồ thị véc-tơ thể hiện nguyên lý bù lõm của AVC
Thông thường, bộ điều áp liên tục sẽ phải thực hiện được đầy đủ các chế độ sau:

- Chế độ đợi: Khi nguồn cấp ổn định (khơng có lồi hoặc lõm điện áp) thì bộ AVC hoạt động
ở chế độ đợi (idle) và mạch bybass được mở ra. Bộ AVC luôn sẵn sàng để bù biến động
điện áp.
- Chế độ bù lõm: Khi nguồn cấp bị sụt giảm so với giá trị mong muốn, thì bộ AVC có nhiệm
vụ tạo ra điện áp hiệu chỉnh để đảm bảo điện áp cấp cho phụ tải vẫn bằng giá trị mong
muốn. Mức của điện áp hiệu chỉnh phụ thuộc vào mức sụt giảm điện áp nguồn và năng
lượng sử dụng cho việc hiệu chỉnh điện áp này hoàn toàn được lấy từ nguồn cấp.
- Chế độ bù lồi: Khi nguồn cấp bị dâng cao so với giá trị mong muốn, thì bộ AVC có nhiệm
vụ tạo ra điện áp hiệu chỉnh để đảm bảo điện áp cấp cho phụ tải vẫn bằng giá trị mong
muốn. Mức của điện áp hiệu chỉnh phụ thuộc vào mức dâng cao điện áp nguồn và năng
lượng sử dụng cho việc hiệu chỉnh điện áp này hoàn toàn được lấy từ nguồn cấp.
- Chế độ chạy tắt (Bypass): Trong trường hợp bộ AVC có sự cố hoặc cần bảo dưỡng, sửa
chữa, khi đó mạch bybass được đưa vào hoạt động để đảm bảo việc cấp nguồn trực tiếp
cho phụ tải.
Utility Supply

AVC compensating voltage

3-phase
Utility Supply

Output voltage

3-phase
Load
By pass
OPEN

Hình 1.5 Bộ điều áp hoạt động ở chế độ chờ khi điện áp lưới bình thường
8

Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục
Utility Supply

AVC compensating voltage

3-phase
Utility Supply

Output voltage

3-phase
Load
By pass
OPEN

Hình 1.6 Bộ điều áp hoạt động ở chế độ bù lõm khi điện áp lưới thấp hơn định mức
Utility Supply

AVC compensating voltage

3-phase
Utility Supply

Output voltage

3-phase
Load
By pass

OPEN

Hình 1.7 Bộ điều áp hoạt động ở chế độ bù lồi khi điện áp lưới cao hơn định mức
Utility Supply

AVC compensating voltage

3-phase
Utility Supply

Output voltage

3-phase
Load
By pass
CLOSE

Hình 1.8 Bộ điều áp liên tục hoạt động ở chế độ Bypass khi có sự cố

9


Chương 1: Tổng quan về bộ điều áp liên tục
Hiệu suất của bộ AVC hoàn toàn đạt được ở mức trên 98% trong toàn dải làm việc. Ngoài
ra hoạt động on-line của bộ AVC cho phép đáp ứng của nó nhanh hơn và giữ cho điện áp trên tải
gần như khơng có biến động.

b) Cấu trúc chung của bộ điều áp liên tục
isupply

AVC

Supply
ishunt

Shunt
converter

iload

- uavc +
+
uload
-

+

usupply
-

+
-

Load

Series
converter

Udc
Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc các thành phần chính của AVC

Bộ điều áp liên tục được thể hiện trên Hình 1.9 gồm hai thành phần chính là bộ biến
đổi phía lưới (bộ Shunt) và bộ biến đổi phía tải (bộ Series). Ngồi ra cịn có bộ lọc, máy
biến áp nối tiếp, tụ DC-Link và thiết bị Bypass.
- Bộ biến đổi phía lưới: có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều từ lưới điện để tạo
ra điện áp một chiều phục vụ cho bộ biến đổi phía tải.
- Bộ biến đổi phía tải: có nhiệm vụ tạo ra điện áp thích hợp để chèn vào lưới điện
thông qua máy biến áp nối tiếp.
- Máy biến áp nối tiếp: tạo khả năng cách ly về điện giữa hệ thống AVC và lưới,
đồng thời nâng điện áp chèn vào khi cần thiết. Đơn giản hóa cấu trúc liên kết và
bảo vệ thiết bị.
- Bộ lọc tần số chuyển mạch: để làm giảm các hài chuyển mạch phát ra bởi BBĐ
Series, cải thiện dạng sóng điện áp chèn vào của AVC.
- Tụ DC-Link: có khả năng lưu trữ năng lượng và ổn định điện áp đầu ra từ bộ chỉnh
lưu.
- Thiết bị Bypass: bảo vệ cho các lỗi quá tải của AVC, lỗi ngắn mạch phía tải hoặc
dùng để đóng ngắt bộ AVC và lưới điện phục vụ cho cơng tác bảo trì, bảo dưỡng.

10


Chương 2: Cấu trúc mạch lực của bộ điều áp liên tục

Chương 2: CẤU TRÚC MẠCH LỰC CỦA BỘ ĐIỀU ÁP
LIÊN TỤC
Trong chương này, cấu trúc mạch lực của bộ AVC được nghiên cứu và đề xuất. Trọng
tâm cấu trúc mạch lực là hai bộ biến đổi phía lưới và bộ biến đổi phía tải. Do vậy, nhiệm
vụ là cần đưa ra cấu trúc mạch lực cho hai bộ biến đổi đó. Sau khi đã xác định rõ cấu trúc,
tiến hành tính tốn thơng số mạch lực cho hệ thống có cơng suất 150kVA.

2.1 Cấu trúc mạch lực của bộ điều áp liên tục
Theo sơ đồ hình 1.9, nhiệm vụ cần đề ra là xác định cấu trúc mạch lực các bộ biến
đổi của bộ AVC.
2.1.1 Bộ biến đổi phía lưới
Để bù lồi, lõm điện áp trong hệ thống điện, bộ AVC cần tạo ra điện áp chèn và công
suất tác dụng đề cung cấp cho tải. Năng lượng cần thiết cho mục đích đó cần được lấy từ
lưới điện cung cấp thơng qua bộ biến đổi phía lưới và tích lũy trong mạch một chiều trung
gian (DC link).
Do phải có khả năng bù lồi và bù lõm nên bộ biến đổi phía lưới phải có khả năng trao
đổi năng lượng theo hai chiều. Trong quá trình bù lõm, năng lượng từ lưới được cấp cho
tải qua bộ biến đổi phía lưới, ngược lại khi bù lồi, năng lượng từ tải dư thừa được nạp vào
tụ điện DC-link rồi quay trở lại về lưới. Do vậy, bộ biến đổi phía lưới phải có cấu trúc của
bộ chỉnh lưu tích cực.

Ua

LG

LI

+

Ub

UDC

Uc

-

CF

RD

LCL Filter

Hình 2.1 Cấu trúc bộ chỉnh lưu tích cực

Bộ biến đổi phía lưới sử dụng cấu trúc chỉnh lưu tích cực có một số ưu điểm sau:
- Điện áp một chiều đầu ra có thể thay đổi được trong dải rộng.
- Hệ số cơng suất có thể điều chỉnh được (có thể gần bằng 1).

11


Chương 2: Cấu trúc mạch lực của bộ điều áp liên tục

- Dịng điện phía lưới có dạng hình Sin với hệ số méo dạng sóng hài thấp (THD <
5%).
- Năng lượng được trao đổi theo hai chiều qua bộ biến đổi.
2.1.2 Bộ biến đổi phía tải
Bộ biến đổi phía tải thông thường được sử dụng là bộ nghịch lưu nguồn áp được nối
vào lưới thông qua biến áp. Việc kết hợp này có thể đem lại các ưu điểm như sau:
- Biến áp có thể được sử dụng để đảm bảo cách ly về điện giữa AVC và lưới điện.
- Tỷ lệ biến áp có thể được chọn thay vì một cách tùy ý, qua đó, bộ biến đổi cho
phép sử dụng điện áp nhỏ hơn so với mức điện áp lưới.
- Máy biến áp có thể được sử dụng như là một phần của bộ lọc đầu ra, hoặc như điện
cảm thứ nhất gần bộ biến đổi hoặc như một điện cảm gần với tải trong một cấu
trúc bộ lọc LC.
- Chỉ cần một mạch DC-link, kết quả là mạch nạp và điều khiển điện áp DC-link dễ

đảm bảo an toàn hơn.
- Điều khiển đơn giản hơn so với các hệ thống bộ biến đổi kết nối trực tiếp.
Tuy nhiên, khi sử dụng máy biến áp nối tiếp cũng đem lại một số bất lợi sau:
- Máy biến áp nối tiếp được đặt kín cố định trong vỏ, thiết kế khác với các máy biến
áp song song và điện áp định mức khác nhau theo yêu cầu điện áp chèn vào.
- Các tổn thất máy biến áp tăng, có tính chất phi tuyến, có thể là một yếu tố hạn chế
về lựa chọn băng thông của hệ thống AVC.
- Các máy biến áp nối tiếp tần số thấp thường cồng kềnh và có giá thành cao.
Việc lựa chọn cấu trúc cho bộ biến đổi phía tải thường có ý nghĩa rất lớn trong việc
đảm bảo khả năng hoạt động của bộ AVC, để đảm bảo khả năng kết hợp được với biến áp,
các bộ biến đổi phía tải thường được xây dựng dựa trên cấu trúc nửa cầu (HB-Half Bridge)
hoặc cấu trúc cầu (FB – Full Bridge). Việc lựa chọn này thường được đánh giá thông qua
các yếu tố sau:
Ảnh hưởng của tần số chuyển mạch đến kích thước của bộ lọc: Với tần số chuyển
mạch phù hợp thì kích thước của bộ lọc sẽ được giảm.
- Số lượng van phải hoạt động đồng thời trong một trạng thái: Điều này sẽ ảnh
hưởng đến tổn hao công suất và tổn thất điện áp trên van.
- Số lượng phần tử chủ động và thụ động trong bộ biến đổi: Số lượng càng ít thì
độ tin cậy càng cao, giá thành thấp và ngược lại
- Khả năng tạo ra dòng điện thứ tự 0 và chèn điện áp thứ tự 0
- Khả năng điều khiển mạch DC link và phương pháp dẫn công suất tác dụng tới
mạch DC link
Qua khảo sát và phân tích ở tài liệu [9], bộ biến đổi phía lưới sử dụng ba mạch nghịch
lưu cầu H một pha được đề xuất.
-

12


Chương 2: Cấu trúc mạch lực của bộ điều áp liên tục

Cf
Lf

+

Cdc

-

Hình 2.2 Cấu trúc bộ biến đổi phía lưới sử dụng ba cầu H

Hình 2.2 là cấu trúc nghịch lưu ba pha dùng ba cầu một pha nối lưới thông qua máy
biến áp. Cấu trúc gồm ba hệ thống một pha có chung phía DC-link, có 12 chuyển mạch
hoạt động, tạo ra ba mức điện áp chèn -UDC/2, 0, +UDC/2 và ln ln có hai chuyển mạch
trên mỗi pha trong đường dẫn dòng điện. Với một sơ đồ chuyển mạch uni-polar bộ biến
đổi có thể phát ra ba mức điện áp và cho kết quả tần số chuyển mạch gấp đôi tần số chuyển
mạch thực tế. Điều này tạo ra ít biến dạng điện áp, dẫn đến kích cỡ của đường lọc có thể
được giảm xuống.
2.1.3 Máy biến áp nối tiếp
Trong phần lớn các giải pháp thực tế sử dụng biến áp nối tiếp cho hệ thống AVC. Do
yêu cầu cần sự độc lập từ trong khi bù nhiễu lỗn khơng cân bằng nên thường áp dụng ba
biến áp một pha.
Ưu điểm của việc sử dụng biến áp nối tiếp:
- Tạo cách lý điện giữa phía lưới và bộ biến đổi.
- Tạo khả năng áp dụng trong các hệ thống ba pha, chung dịng điện phía một chiều
cho tất cả các pha.
- Tạo điều kiện để áp dụng bộ biến đổi có mức điện áp khác nhau với lưới.
- Triệt tiêu các hài bậc cao (qua việc thêm điện cảm phân bố) và cả tắt dần dao động
(qua trở kháng cuộn dây).

- Máy biến áp được sử dụng như một phần của bộ lọc đầu ra bằng cách sử dụng điện
cảm tản của máy biến áp kết hợp với tụ lọc để tạo thành mạch lọc LC ở đầu ra của
bộ nghịch lưu.
- Tỷ lệ máy biến áp có thể được lựa chọn thích hợp cho phép giảm dịng điện đi qua
van của bộ biến đổi.
Tuy được lợi như vậy, song sử dụng biến áp cũng tồn tạt mặt hạn chế sau:

13


Chương 2: Cấu trúc mạch lực của bộ điều áp liên tục

- Chiếm phần lớn chi phí xây dựng, lắp ráp hệ thống do trọng lượng và kích thước
của nó.
- Để tranh sự nguy hiểm do bị bão hòa lõi thép nên biến áp chèn phải có cơng suất
lớn hơn.
2.1.4 Bộ biến đổi bypass sử dụng Thyristor
Bộ Bypass có chức năng chính là bảo vệ hệ thống AVC, có nghĩa là nó sẽ sa thải bộ
AVC ra khỏi hệ thống khi hệ thống bị sự cố hoặc quá tải.

Hình 2.3 Sơ đồ bảo vệ hệ thống ngắn mạch biến áp nối tiếp

Bộ bypass phải hoạt động không chậm trễ, bảo vệ hệ thống đến thời gian bảo vệ lưới
tác động. Do đó, bộ chuyển đổi mạch phải sử dụng các linh kiện bán dẫn. Ở đây, mạch sử
dụng hai van Thyristor mắc song song ngược.

2.2 Tính tốn mạch lực cho bộ điều áp liên tục
Tính tốn thiết kế cho hế thống có cơng suất 150kVA, điện áp 380V. Các thơng số
cần tính tốn bao gồm van bán dẫn, tụ DC-Link, bộ lọc phía tải và lưới, máy biến áp.
2.2.1 Tính chọn van bán dẫn

a) Van IGBT cho bộ biến đổi Shunt
Bộ biến đổi Shunt là bộ chỉnh lưu tích cực cầu 3 pha, sử dụng 6 van IGBT. Điện áp
đầu ra của bộ chỉnh lưu là 700 VDC. Công suất lớn của bộ biến đổi khi xảy ra hiện tượng
lõm điện áp còn 70% là 50 kVA.
Điện áp dây khi lưới điện còn 70% điện áp định mức là:

Vout  380.0,7  266(V)
Dòng điện điện chạy qua van như sau:

14

(2.1)


Chương 2: Cấu trúc mạch lực của bộ điều áp liên tục

Iout 

P
50000

 110(A)
3.Vout
3.266

(2.2)

Dịng điện trung bình qua van:
T

I tbV 

1
i V (t) dt  35(A)
T 0

(2.3)

Dịng điện trung bình qua diode:
T

I tbD 

1
i D (t) dt  15(A)
T 0

(2.4)

Điện áp trên van lúc khóa bằng điện áp một chiều và bằng 700 VDC.
Chọn hệ số dự trữ dòng điện cho van là kIv = 2, ta có dịng trung bình qua van:

I v  k Iv .k tbV  2.35  70(A)

(2.5)

Điện áp van chính là điện áp trên tụ DC-link. Chọn hệ số dự trữ điện áp kUv = 2, ta có
điện áp trên van:

U V  k Uv .U DClink  2.700  1400(V)

(2.6)

Từ các thông số trên, ta lựa chọn van SKM 400GB176D của hãng Semikron có các
thơng số như sau:
Bảng 2.1 Thơng số van IGBT SKM 400GB176

Đại lượng

Điều kiện

Giá trị

VCES
IC
IF
Tvj op

Tj = 25 o C
Tc = 25 o C , Tj = 125 o C
Tc = 25 o C , Tj = 25 o C

1700 (V)
430 (A)
440 (A)
-40 o C - 150 o C

b) Van IGBT cho bộ biến đổi Series
Bộ biến đổi Series gồm 3 bộ nghịch lưu cầu H độc lập cho từng pha. Để chọn được
van bán dẫn IGBT, thông số quan trọng nhất cần quan tâm là dòng điện và điện áp qua van.

Dòng điện tải (dòng điện đi qua cuộn thứ cấp máy biến áp):
Iload 

P
150000

 228(A)
3U cos 
3.380.1

(2.7)

Dòng điện đầu ra bộ biến đổi Series (dòng điện đi qua cuộn sơ cấp máy biến áp):
Io 

I load I load

 114(A)
k
2

15

(2.8)