Nghiên cứu thiết kế bộ khôi phục điện áp động DVR không sử dụng kho tích trữ năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐINH KHẮC LONG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG DVR
KHƠNG SỬ DỤNG KHO TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG
Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Điều khiển và Tự động hóa

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Phạm Việt Phương

Hà Nội – Năm 2016


MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ iv
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ viii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1. LÕM ĐIỆN ÁP VÀ CÁC THIẾT BỊ GIẢM LÕM ..................................3
1.1. Chất lượng điện năng ....................................................................................... 3
1.2. Lõm điện áp ...................................................................................................... 4
1.2.1. Định nghĩa.................................................................................................. 4
1.1.2. Nguyên nhân của lõm điện áp ................................................................... 5
1.1.3. Đặc điểm của lõm điện áp ......................................................................... 5
1.1.4. Phân loại lõm điện áp ................................................................................ 7

1.2. Các thiết bị giảm lõm điện áp ........................................................................... 7
Chương 2. CẤU TRÚC CỦA BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG .........................11
2.1. Cấu trúc chung của DVR................................................................................ 11
2.2. Vị trí của DVR................................................................................................ 12
2.2.1. DVR đặt ở MV ........................................................................................ 13
2.2.2. DVR đặt ở LV.......................................................................................... 15
2.3. Phương pháp kết nối với lưới điện ................................................................. 15
2.3.1. Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp ............................. 16
2.3.2. Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới không qua máy biến áp ............................ 17
2.4. Cấu trúc bộ biến đổi ....................................................................................... 17

i


2.5. Nguồn cung cấp cho DVR.............................................................................. 21
2.5.1. Cấu trúc DVR có bộ tích trữ năng lượng................................................. 21
2.5.2. Cấu trúc DVR khơng có bộ dự trữ năng lượng ....................................... 23
2.5.3. So sánh giữa các cấu trúc. ........................................................................ 25
2.6. Bảo vệ cho DVR ............................................................................................. 26
2.6.1. Bảo vệ ngắn mạch .................................................................................... 27
2.6.2. Bảo vệ mất kết nối lưới điện .................................................................... 28
Chương 3. THIẾT KẾ BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG ....................................30
3.1. Lựa chọn thông số nguồn và tải ..................................................................... 30
3.2. Thiết kế DVR ................................................................................................. 31
3.2.1. Nguồn cấp cho DVR ................................................................................ 31
3.2.2. Thiết kế bộ biến đổi ................................................................................. 33
3.2.3. Thiết kế máy biến áp nối tiếp .................................................................. 35
3.2.4. Thiết kế bộ lọc ......................................................................................... 36
Chương 4. ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG ...............................40
4.1. Các chế độ hoạt động ..................................................................................... 40

4.2. Chiến lược điều khiển cho các dạng lõm điện áp ........................................... 41
4.2.1. Lõm điện áp đối xứng .............................................................................. 41
4.2.2. Lõm điện áp không đối xứng ................................................................... 44
4.3. Điều khiển điện áp tải ..................................................................................... 45
4.3.1. Lựa chọn cấu trúc điều khiển ................................................................... 45
4.3.2. Mô hình tốn học bộ biến đổi và bộ lọc .................................................. 51
4.3.3. Thiết kế bộ điều khiển ............................................................................. 53

ii


4.4. Đồng bộ lưới ................................................................................................... 56
4.5. Phát hiện lõm điện áp ..................................................................................... 58
Chương 5. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ..................................................................62
5.1. Xây dựng mơ hình mơ phỏng ......................................................................... 62
5.1.1. Xây dựng mơ hình hệ thống điện ............................................................ 62
5.1.2. Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển................................................... 62
5.2. Kết quả mơ phỏng .......................................................................................... 66
Kết luận .....................................................................................................................71
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................72

iii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Thiệt hại do các sự cố điện áp gây ra [1]. ...................................................3
Hình 1.2. Các sự cố điện áp định nghĩa theo IEEE Std. 1159-1995 [2]. ...................5
Hình 1.3. Lõm điện áp gây ra bởi các lỗi trên lưới điện. ............................................7
Hình 1.4. UPS với hai BBĐ và nguồn dự trữ [7]. .......................................................8
Hình 1.5. DVR nối tiếp [7]..........................................................................................8

Hình 1.6. SSTS để chuyển đổi giữa hai nguồn cung cấp [7]. .....................................9
Hình 1.7. Nguyên lý hoạt động của DVR. ................................................................10
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc một pha của DVR..............................................................11
Hình 2.2. Mơ hình đơn giản của DVR trong hệ thống điện. .....................................12
Hình 2.3. DVR đặt ở MV. .........................................................................................13
Hình 2.4. DVR đặt ở LV. ..........................................................................................13
Hình 2.5. DVR sử dụng MBA [9]. ............................................................................16
Hình 2.6. DVR nối lưới trực tiếp [9].........................................................................16
Hình 2.7. Cấu trúc có BBĐ nửa cầu nối lưới qua MBA sao hở/sao [8]. ..................18
Hình 2.8. Cấu trúc có BBĐ nửa cầu nối lưới qua MBA sao hở/tam giác [8]. ..........18
Hình 2.9. Cấu trúc có BBĐ cầu lưới qua MBA sao hở/sao hở [8]. ..........................18
Hình 2.10. Cấu trúc có BBĐ nửa cầu đa mức nối lưới qua MBA sao hở/tam giác
[8]. .............................................................................................................................18
Hình 2.11. DVR có DC-link khơng đổi [8]...............................................................22
Hình 2.12. DVR có DC-link biến đổi [8]. .................................................................22
Hình 2.13. DVR có BBĐ AC/DC mắc phía nguồn [8]. ............................................23
Hình 2.14. DVR có BBĐ AC/DC mắc phía tải [8]. ..................................................25
iv


Hình 2.15. Tỉ lệ cơng suất của các cấu trúc DVR sử dụng nguồn cung cấp khác nhau
đối với lõm điện áp [8]. .............................................................................................26
Hình 2.16. DVR với thiết bị bảo vệ trong 1 pha. ......................................................28
Hình 2.17. Sự cố hở mạch phía nguồn [10]. .............................................................29
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc của DVR để bảo vệ tải nhạy cảm. .....................................30
Hình 3.2. Cấu trúc 1 pha của DVR. ..........................................................................34
Hình 3.3. Sơ đồ tương đương một pha của hệ thống sử dụng bộ lọc LC. ................36
Hình 3.4. Sơ đồ tương đương một pha của hình 3.3. ................................................37
Hình 4.1. Đồ thị vector của các phương pháp điều khiển [8]. ..................................42
Hình 4.2. Bộ điều khiển feedforward. .......................................................................46

Hình 4.3. Bộ điều khiển feedback sử dụng điện áp tải. ............................................46
Hình 4.4. Bộ điều khiển feedback sử dụng điện áp DVR. ........................................47
Hình 4.5. Cấu trúc bộ điều khiển hai mạch vịng. .....................................................48
Hình 4.6. Sơ đồ cấu trúc điều khiển điện áp tải trong hệ tọa độ quay dq. ................51
Hình 4.7. Sơ đồ một pha VSC và bộ lọc LC nối lưới. ..............................................51
Hình 4.8. Mơ hình bộ biến đổi và bộ lọc LC trên hệ tọa độ dq. ...............................53
Hình 4.9. Cấu trúc của bộ điều khiển dịng điện. ......................................................55
Hình 4.10. Cấu trúc của bộ điều khiển điện áp. ........................................................56
Hình 4.11. Cấu trúc PLL cơ bản [8] [10]. .................................................................57
Hình 4.12. Phát hiện một lõm điện áp khơng đối xứng [8]: ...................................60
Hình 4.13. Nguyên tắc hoạt động của mạch phát hiện có khả năng ngăn ngừa xung
ngắn và tín hiệu rơle on và off [8]. ............................................................................61
Hình 5.1. Sơ đồ mơ phỏng trên Matlab – Simulink. .................................................65

v


Hình 5.2. Lõm điện áp 1 pha. ....................................................................................66
Hình 5.3. Lõm điện áp 2 pha. ....................................................................................67
Hình 5.4. Lõm điện áp 3 pha. ....................................................................................68
Hình 5.5. Lõm điện áp 2 pha chạm nhau. .................................................................69

vi


DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1. Tỉ lệ xuất hiện của các sự cố .......................................................................4
Bảng 1.2. Ưu nhược điểm của UPS, DVR và SSTS. ..................................................9
Bảng 3.1. Thông số của tải nhạy cảm .......................................................................31
Bảng 3.2. Các tham số của nguồn và DVR ...............................................................38

Bảng 5.1. Bảng tham số mô phỏng ...........................................................................63

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DVR

Dynamic Voltage Restorer

Bộ khôi phục điện áp động

UPS

Uninterruptible Power Supply

Nguồn cung cấp liên tục

RMS

Root Mean Square

Điện áp hiệu dụng

LV

Low Voltage

Cấp điện áp thấp

MV

MediumVoltage

Cấp trung áp

AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

STS

Static Transfer Switch

Bộ chuyển đổi mạch tĩnh

VSC

Voltage Source Converters

Bộ chuyển đổi nguồn điện áp

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

Transistor có cực điều khiển cách ly

PWM

Pulse-Width Modulation

Phương pháp điều chế độ rộng xung

PLL

Phase-Locked Loop

Vịng khóa pha

viii


MỞ ĐẦU
Vấn đề chất lượng điện năng từ lâu đã được quan tâm đến từ các công ty
cung cấp điện và các khách hàng dùng điện do những tổn thất rất lớn từ chất lượng
điện năng kém không đảm bảo cho việc vận hành hệ thống một cách linh hoạt, khai
thác hệ thống một cách hiệu quả nhất. Hiện nay, cơng nghiệp phát triển, những tổn
thất này cịn ngày càng tăng. Nguyên nhân là do mức độ tự động hóa trong hoạt
động sản xuất tăng, các thiết bị thế hệ mới được sử dụng nhiều hơn như bộ điều
khiển vi xử lý, máy vi tính, robot cơng nghiệp, các hệ truyền động có điều khiển tốc

độ, các thiết bị điều khiển trong hệ thống thông tin công nghiệp,… chúng nhạy cảm
với các biến động của chất lượng điện năng hơn là thiết bị được sử dụng trước đây.
Mặt khác, việc chú trọng hơn về vận hành và khai thác hiệu quả hệ thống năng
lượng điện đã dẫn đến sự gia tăng trong việc áp dụng các thiết bị hiệu suất cao như
bộ điều chỉnh tốc động động cơ, tụ điện song song điều chỉnh hệ công suất để giảm
tổn thất hoặc phát triển các hệ thống nguồn năng lượng mới như hệ thống điện mặt
trời, hệ thống điện gió… Điều này có thể dẫn đến hậu quả tăng mức độ hài trên các
hệ thống điện, tăng các biến cố như dao động điện áp hoặc thay đổi tần số…
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. Lõm điện áp xảy ra trong
thời gian ngắn, liên quan đến suy giảm điện áp và nhảy góc pha, gây ảnh hưởng lớn
đến các tải nhạy cảm, gây ra dừng máy, mất hoặc sai lệch thông tin, dẫn đến các bộ
phận khác của dây chuyền cũng bị dừng theo hay hoạt động sai… Vì vậy, lõm điện
áp là nhiễu loạn được lựa chọn trong số khác nhiễu loạn liên quan đến chất lượng
điện năng để nghiên cứu giảm thiểu trong luận văn này.
Một giải pháp thơng dụng hiện nay có thể bảo vệ tải nhạy cảm khỏi lõm điện
áp là hệ thống cung cấp nguồn liên tục (UPS). Tuy nhiên, phương pháp này chỉ áp
dụng cho các phụ tải công suất nhỏ và điện áp thấp, với các hệ thống cơng suất lớn
thì UPS q đắt tiền vì UPS phải đảm bảo hồn tồn cơng suất tải. trong trường hợp

1


này thì bộ khơi phục điện áp động là giải pháp tiết kiệm, có thể được lắp đặt để bảo
vệ tải nhạy cảm quan trọng.
Bộ khôi phục điện áp động (Dynamic Voltage Restorer – DVR) xây dựng
trên cơ sở bộ biến đổi bán dẫn. DVR tạo ra nguồn áp, đưa qua máy biến áp phối
hợp, tạo ra bộ bù điện áp nối tiếp giữa tải và nguồn. Hệ thống điều khiển có khả
năng phát hiện các sai lệch điện áp về biên độ và góc pha, từ đó đưa ra lượng đặt
đến bộ biến đổi điện tử công suất nhằm tạo ra điện áp có giá trị đủ để bù phần sụt áp

phía nguồn, giữ cho điện áp phía tải trong phạm vi cho phép. Việc nghiên cứu thiết
kế DVR sẽ được trình bày cụ thể trong luận văn này. Nội dung gồm có các chương
sau đây:
Chương 1: Lõm điện áp và các thiết bị giảm lõm: Trình bày tổng quan về
vấn đề chất lượng điện năng, trong đó tập chung vào vấn đề xảy ra nhiều nhất là
lõm điện áp, đồng thời tìm hiểu về đặc điểm và phương pháp giảm thiểu lõm hiệu
quả nhất là sử dụng bộ khôi phục điện áp động – DVR.
Chương 2: Cấu trúc của bộ khôi phục điện áp động: Đưa ra sơ đồ cấu trúc
của DVR, chức năng, nhiệm vụ và các kiểu kết nối của các thành phần trong hệ
thống, nhận xét ưu điểm, nhược điểm của từng kiểu và lựa chọn một cấu trúc phù
hợp nhất.
Chương 3: Thiết kế bộ khơi phục điện áp động: Trình bày các bước thiết kế
chính, lựa chọn thơng số kỹ thuật cho DVR.
Chương 4: Điều khiển bộ khôi phục điện áp động: Xây dựng mơ hình tốn
học, các cấu trúc và thuật tốn điều khiển, thiết kế các bộ điều khiển cho DVR bao
gồm: điều khiển khôi phục điện áp tải, điều khiển điện áp DC-link, điều khiển đồng
bộ với lưới, điều khiển phát hiện lõm.
Chương 5: Mô phỏng và kết quả: Xây dựng mơ hình mơ phỏng bằng phần
mềm MATLAB, thực hiện thí nghiệm và lấy kết quả.

2


Chương 1. Lõm điện áp và các phương pháp giảm lõm

Chương 1
LÕM ĐIỆN ÁP VÀ CÁC THIẾT BỊ GIẢM LÕM
1.1. Chất lượng điện năng
Chất lượng điện năng kém đã gây ra nhiều tổn thất cho các khách hàng dùng
điện. các biến cố có thể xảy ra như hiện tượng lõm/dâng điện áp, gián đoạn

ngắn/dài, thời gian quá độ, nhấp nháy, mất cân bằng,… Theo khảo sát tại châu Âu
từ năm 2005 đến năm 2006 của nhóm Leonardo Power Quality Initiative (LPQI),
tổng thiệt hại do các vấn đề chất lượng điện năng gây ra lên tới trên 150 tỉ Euro,
trong đó ngành cơng nghiệp chịu hơn 90% tổng thiệt hại, cịn lại là ngành dịch vụ
[1]. Thống kê cụ thể được trình bày trong hình 1.1.
100
90

86.5

85

80
70
60
50

Lõm và gián đoạn ngắn
53.4

51.2

Nhiễu sóng hài

40

Quá độ và quá điều chỉnh

30

Các biến cố khác

20
10
0

Gián đoạn dài

2.60.2 4.1
Cơng nghiệp

1.51.81.12.1 0
Dịch vụ

6.4
4.2
1.3
Tổng

Hình 1.1. Thiệt hại do các sự cố điện áp gây ra [1].
Báo cáo của nhóm LPQI cũng chỉ ra tỉ lệ các biến cố xảy ra trong hệ thống
cung cấp điện như bảng 1.1. Trong đó, lõm điện áp là lỗi nghiêm trọng nhất, chiếm
23,6% theo thống kê ở bảng 1.1 [1]. Lõm điện áp mặc dù xảy ra trong thời gian
ngắn, nhưng các tải nhạy cảm vẫn có thể bị ảnh hưởng, gây ra dừng hệ thống, mất
hoặc sai lệch thông tin, thời gian khởi động lại rất tốn kém và kéo dài. Do đó, lõm

3


Chương 1. Lõm điện áp và các phương pháp giảm lõm

điện áp được lựa chọn trong số những sự cố liên quan đến chất lượng điện năng để
nghiên cứu giảm thiểu trong luận văn này.
Bảng 1.1. Tỉ lệ xuất hiện của các sự cố [1].
Tên biến cố

Tỉ lệ (%)

Lõm điện áp

23,6

Gián đoạn ngắn

18,8

Gián đoạn dài

12,5

Nhiễu sóng hài

5,4

Quá độ và quá điều chỉnh

29

Các vấn đề khác

10,7

1.2. Lõm điện áp
1.2.1. Định nghĩa
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
[2].
Hình 1.1 thể hiện sự phân loại giữa lõm điện áp và các sự cố khác theo IEEE
Std. 1159-1995.

4


Chương 1. Lõm điện áp và các phương pháp giảm lõm

Hình 1.2. Các sự cố điện áp định nghĩa theo IEEE Std. 1159-1995 [2].
1.1.2. Nguyên nhân của lõm điện áp
Nguyên nhân chính gây ra lõm điện áp là ngắn mạch xảy ra trên hệ thống
cung cấp điện [3] [4]. Ngắn mạch gây ra một dòng điện rất lớn, và điều này cũng
gây nên một điện áp lớn rơi trên trở kháng của hệ thống cung cấp. Lỗi ngắn mạch là
một sự cố không thể tránh khỏi của hệ thống cung cấp. Chúng có nhiều nguyên
nhân, nhưng về cơ bản chúng bị gây bởi các sự cố cách điện, quá nhiệt, sét, tai nạn
giao thơng…
Lõm điện áp cũng có thể được gây ra bởi việc khởi động các thiết bị có công
suất lớn so với công suất ngắn mạch của hệ thống [3]. Một số loại tải có cơng suất
lớn, đặc biệt là cơng suất phản kháng như lị hồ quang, máy hàn,…và chúng có thể
gây ra những biến đổi lớn cho dòng điện, tương tự như ảnh hưởng của trạng thái
ngắn mạch. Sự ảnh hưởng của những tải trọng loại này nên được giới hạn ở mức

chấp nhận được tùy thuộc vào tình trạng thực thế của hệ thốn cung cấp.
1.1.3. Đặc điểm của lõm điện áp
Lõm điện áp được đặc trưng bởi ba thơng số đó là: Độ lớn lõm, thời gian xảy
ra lõm và nhảy góc pha.

5


Chương 1. Lõm điện áp và các phương pháp giảm lõm

Độ lớn của lõm điện áp: Là điện áp hiệu dụng theo phần trăm hoặc trên một
đơn vị tương đối (pu) còn lại trong sự cố lõm điện áp của điện áp trước khi có lỗi
[5].
Điện áp hiệu dụng dùng để xác định mức độ lõm điện áp được tính theo cơng
thức sau:
( )

√

∑

(1.1)

Trong đó, N là số lượng mẫu trên mỗi chu kỳ,

là điện áp tức thời lấy mẫu

và k là thời điểm khi tính điện áp hiệu dụng. Ở đây, điện áp hiệu dụng được tính
tốn với N mẫu điện áp tức thời trước đó.
Ngồi ra, độ lớn của các lõm điện áp còn phụ thuộc bởi khoảng cách của các

điểm quan sát từ vị trí ngắn mạch và nguồn cung cấp.
Khoảng thời gian lõm điện áp: Là khoảng thời gian điện áp hiệu dụng
giảm xuống dưới 90% điện áp danh định [3] [5]. Thông thường được xác định bởi
thời gian từ lúc xảy ra ngắn mạch đến lúc các thiết bị bảo vệ tác động, như cầu chì,
máy cắt và rơle bảo vệ. Tùy thuộc vào vị trí xảy ra lỗi mà thời gian này ngắn hay
dài. Thông thường, ngắn mạch trên đường dây truyền tải sẽ được xử lý nhanh hơn
(60-150ms), trên hệ thống phân phối thì chậm hơn nhiều (MV: 0.5-2s; LV: phụ
thuộc vào đặc tính của cầu chì). Khi lõm điện áp khơng phải do ngắn mạch gây ra,
thời gian lõm cũng phụ thuộc vào nguyên nhân gây ra sự cố đó.
Nhảy góc pha: Một sự cố xảy ra trên lưới điện chẳng hạn như một lỗi ngắn
mạch sẽ tạo các lõm điện áp khác nhau trên các vị khác nhau của lưới điện. Ảnh
hưởng đó khơng chỉ liên quan đến độ lớn của các điện áp pha mà còn gây ra hiện
tượng thay đổi góc pha. Sự thay đổi trong góc pha được gọi là nhảy góc pha [5].
Nhảy góc pha được xem như là một sự dịch chuyển điểm qua không của điện áp

6


Chương 1. Lõm điện áp và các phương pháp giảm lõm

tức thời và đó là nguyên nhân dẫn đến sự cố đối với các bộ biến đổi điện tử công
suất sử dụng góc pha làm thơng tin để phát xung điều khiển.
1.1.4. Phân loại lõm điện áp
Lõm điện áp thường được gây ra bởi các lỗi ngắn mạch trên lưới điện. Do
đó, dựa vào các kiểu lỗi này, người ta thường phân chia lõm thành hai loại như sau:
-

Lõm điện áp đối xứng: Là lõm có cùng độ lớn điện áp lõm, cùng khoảng thời
gian lõm và cùng lệch một góc pha trên cả ba pha.

-

Lõm điện áp khơng đối xứng: Là các lõm điện áp khi xảy ra có độ lớn điện
áp lõm, khoảng thời gian lõm và góc nhảy pha khác nhau trên các pha. Khi
lõm không đối xứng xảy ra, ngồi thành phần thứ tự thuận cịn xuất hiện
thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không.
Lõm điện áp đối xứng và không đối xứng gây ra bởi các lỗi được minh họa

như hình 1.3.

a, Lỗi 3 pha

b, Lỗi 1 pha

c, Lỗi 2 pha

d, Lỗi 2 pha chạm đất

Hình 1.3. Lõm điện áp gây ra bởi các lỗi trên lưới điện.
1.2. Các thiết bị giảm lõm điện áp
Có nhiều giải pháp khác nhau để giảm thiểu ảnh hưởng của lõm điện áp, có
thể phân biệt ba giải pháp sau đây.

7


Chương 1. Lõm điện áp và các phương pháp giảm lõm

-

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 [6].

-

Tăng khả năng "miễn dịch" của thiết bị: Tăng khả năng chịu đựng của thiết
bị điện trước những ảnh hưởng của lõm điện áp các nhiễu loạn điện áp [6].

-

Thiết bị giảm thiểu: Lắp đặt thiết bị có khả năng giảm thiểu lõm điện áp vào
điểm kết nối của hệ thống điện, trước các phụ tải nhạy cảm để bảo vệ tải [6].
Trong số những giải pháp trên, khách hàng dùng điện chỉ có thể lựa chọn là

giải pháp lắp đặt thiết bị giảm thiểu, vì họ có thể chủ động kiểm sốt và giảm thiểu
được lõm. Trên thị trường, có rất nhiều thiết bị được cung cấp, nhưng phổ biến là ba
loại dưới đây [7]:
-

UPS: Uninterruptible Power Supply. Đây là bộ chuyển đổi tĩnh với hai bộ
biến đổi để giảm thiểu hầu hết các vấn đề về chất lượng điện năng. Cấu trúc
của UPS được minh họa trong hình 1.4.

-

DVR: Dynamic Voltage Restorer. Đây là một thiết bị kết nối nối tiếp, để
phục hồi điện áp tải khi xảy ra lõm điện áp. Cấu trúc của DVR được mơ tả
trong hình 1.5.

-

SSTS: Solid State Transfer Switch để thay đổi nguồn cung cấp cho tải sang
nguồn mạnh ổn định hơn, cấu trúc được mơ tả ở hình 1.6.
Supply

AC/DC

DC/AC

Load

Supply

DC/AC

Load

Storage

Energy
Supply

Hình 1.4. UPS với hai BBĐ và nguồn dự trữ [7].

Hình 1.5. DVR nối tiếp [7].

8

Chương 1. Lõm điện áp và các phương pháp giảm lõm

Supply 1

Supply 1

Solid
State
Transfer
Switch
(SSTS)

Load

Hình 1.6. SSTS để chuyển đổi giữa hai nguồn cung cấp [7].
Một vài ưu nhược điểm của ba giải pháp trên được trình bày trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Ưu nhược điểm của UPS, DVR và SSTS.
Thiết bị

Ưu điểm

Nhược điểm

UPS

- Có thể bù được ngắt.

- Giá thành cao với mỗi kW.
- Tổn thất lớn.

DVR

- Tổn thất nhỏ.

- Bảo vệ khó.

- Chỉ chèn điện áp vào những - Khơng thể bù cho sự cố ngắt.
nơi bị lõm.
- Giá thành hiệu quả.
SSTS

- Tổn thất ở chế độ chờ thấp.

- Cần một nguồn cung cấp không bị

- Giá thành cả hệ thống nhỏ.

sự cố.

- Có thể bù cho cả sự cố ngắt và - Khó đảm bảo cho một nguồn khơng
bị sự cố.
lõm điện áp.
- Đáp ứng chậm.

- Tỉ lệ lợi ích/giá thành cao.

So sánh lợi ích kinh tế trong 3 giải pháp trên trong các chỉ tiêu về sự tiết
kiệm điện, giá thành trên kVA, chi phí vận hành hàng năm, tổng chi phí hàng năm
và tỉ lệ lợi ích/chi phí, SSTS là giải pháp hiệu quả nhất. Tuy nhiên, với những
nhược điểm khó được khắc phục như yêu cầu của nguồn cung cấp thứ hai phải đảm

bảo không bị sự cố, thời gian đáp ứng chậm, SSTS đang dần bị thay thế bởi DVR
[7].

9


Chương 1. Lõm điện áp và các phương pháp giảm lõm

DVR – Dynamic Voltage Restorer là một thiết bị kết nối nối tiếp, có thể điều
khiển được điện áp tải bằng điện áp chèn vào. Trong trường hợp có lõm điện áp,
DVR sẽ chèn phần điện áp bị mất và tránh cho tải nhạy cảm khỏi bị ảnh hưởng bởi
lõm. Nguyên lý hoạt động của DVR được minh họa trong hình 1.7.
Load voltage

Voltage dip
Injected voltage

Supply

Energy
Supply

Load

DVR

Hình 1.7. Nguyên lý hoạt động của DVR.
Mặc dù, ngày nay là thiết bị thương mại, nhưng DVR không phải là một
công nghệ trưởng thành, một số lĩnh vực liên quan đến việc thiết kế và điều khiển
vẫn đang ở mức độ nghiên cứu cơ bản. Một số nghiên cứu tập chung vào cấu trúc

và thiết kế bộ lọc dòng cho DVR, một số nghiên cứu đề cập đến chiến lược kiểm
soát nguồn dự trữ cho DVR hay nghiên cứu giải quyết những khó khăn về bảo vệ và
tránh nhiễu cho DVR.
Trong luận văn này, tác giả sẽ tập chung thiết kế và điều khiển cho một DVR
chèn điện áp vào hệ thống lưới điện phân phối để giảm thiểu tác động đến tải nhạy
cảm khi có lõm điện áp xảy ra.

10


Chương 2. Cấu trúc của bộ khôi phục điện áp động

Chương 2
CẤU TRÚC CỦA BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG
2.1. Cấu trúc chung của DVR
Cấu trúc của DVR được cấu thành từ các thành phần chính gồm máy biến
áp nối tiếp, bộ lọc đầu ra, bộ biến đổi và nguồn năng lượng như được trình bày ở
hình 2.1.
Mechanically
by-pass and
disconnection

Supply

Load
Transformer
Thyristor
by-pass
Cf

Lf

Enegy
Supply

Line-filter

Cdc

VSC

Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc một pha của DVR.
Máy biến áp nối tiếp: Tạo khả năng cách ly về điện giữa hệ thống DVR 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
PWM của VSC, cải thiện dạng sóng điện áp chèn vào của DVR.

11


Chương 2. Cấu trúc của bộ khôi phục điện áp động

Bộ biến đổi: Thông thường nhất là bộ biến đổi nguồn áp ba pha (VSC) xây
dựng dựa trên các transistor IGBT (cũng có thể sử dụng cả thyristor hoặc GTO),
được điều khiển bằng phương pháp điều chế PWM.
DC-link và bộ cung cấp năng lượng: Có khả năng cung cấp năng lượng
và kết nối với VSC để có thể tạo ra điện áp xoay chiều cần thiết bù cho một lõm
điện áp khi nó xảy ra.
Thiết bị by-pass: Bảo vệ cho các lỗi quá tải của DVR, hoặc lỗi ngắn mạch

phía nguồn.
Thiết bị ngắt kết nối: Để đảm bảo ngắt kết nối DVR ra khỏi hệ thống khi
cần thiết hoặc khi có các trường hợp khẩn cấp cần phải ngắt mạch để đảm bảo an
tồn cho hệ thống DVR.
2.2. Vị trí của DVR
DVR có thể được đặt ở cấp điện áp trung thế hoặc hạ thế trong lưới điện
phân phối. Phần này sẽ tập trung trình bày sự khác nhau giữa hai trường hợp trên.
UDVR
Zsupply

Uconv

RDVR

Usupply

XDVR

Iload

Zload

Uload

Hình 2.2. Mơ hình đơn giản của DVR trong hệ thống điện.
Mơ hình đơn giản của DVR được mơ tả ở hình 2.2 và có thể giúp đánh giá
được vị trí tốt nhất cho DVR [8]. DVR có thể được biểu diễn như một nguồn áp lý
tưởng (Uconv) với một thành phần điện kháng (XDVR), đại diện cho thành phần phản
kháng của máy biến áp và bộ lọc, một thành phần điện trở (RDVR), đại diện cho tổn
thất bên trong DVR. Giá trị của các trở kháng đưa vào có liên quan chặt chẽ đến giá

trị điện áp DVR (UDVR) và công suất của DVR (SDVR) theo các công thức:

12


Chương 2. Cấu trúc của bộ khôi phục điện áp động

(2.1)

(2.2)

(2.3)
(2.4)

Trong đó, uDVR,Z phụ thuộc vào loại biến áp được sử dụng, bộ lọc, tổn thất
trong VSC v.v… Một DVR với khả năng bơm vào điện áp cao (UDVR cao) và chỉ
bảo vệ một tải có cơng suất nhỏ (SDVR thấp) thường có một trở kháng (ZDVR) tương
đương lớn. Một DVR ở mức LV lên một vị trí mức điện áp cao hơn, giá trị điện
kháng của DVR (uDVR,X) có xu hướng tăng, và giá trị điện trở (uDV R, R) có xu hướng
giảm. Điện trở DVR cao làm tăng tổn thất năng lượng do bị tiêu tán trên DVR
và qua đó làm tăng tổn thất chung. Tổng trở DVR được chèn vào cao làm tăng khả
năng biến dạng và dao động của điện áp tải nếu tải là phi tuyến hoặc tải dao động.
10/0.4kV

10/0.4kV

Load 1
50/10kV

DVR

Load 1

50/10kV

DVR

Load 2

Load 3

Hình 2.3. DVR đặt ở MV.

Load 2

Hình 2.4. DVR đặt ở LV.

2.2.1. DVR đặt ở MV
Hình 2.3 mơ tả vị trí của DVR khi được đặt ở đường dây trung thế MV.
DVR có thể bảo vệ được một nguồn tiêu thụ lớn hoặc một nhóm các nguồn tiêu thụ.
Việc đặt một DVR lớn ở cấp MV sẽ chỉ làm tăng không đáng kể điện kháng của
nguồn cung cấp, giống như một tải LV.

13


Chương 2. Cấu trúc của bộ khôi phục điện áp động

Ban đầu, điện kháng của nguồn cung cấp được tính bằng tổng điện kháng
của các thành phần trong hệ thống gồm có máy biến áp 50/10kV, đường dây 10kV,

máy biến áp 10/0,4kV, đường dây 0,4kV [8]. Điện kháng của tải LV khơng đáng kể
nên có thể bỏ qua.
(2.5)
Sau khi chèn DVR, điện kháng của nguồn tăng lên một lượng bằng điện
kháng của DVR:
(2.6)
Tỉ lệ % điện kháng tăng lên sẽ bằng:
(2.7)
Việc kết nối DVR ở MV có thể thấy một số ưu điểm như:
-

Nếu một DVR lớn đặt ở MV sẽ được xem như một tải LV, do đó trở kháng
tăng lên là tương đối nhỏ.

-

Trong hệ thống phân phối MV ba dây không nối đất, DVR chỉ cần điều
khiển chèn vào điện áp thành phần thứ tự thuận và thứ tự ngược là đủ, nên
dẫn đến cấu trúc của DVR được đơn giản hơn.

-

Chi phí cho mỗi MVA để bảo vệ dự kiến sẽ thấp hơn so với việc sử dụng
DVR đặt ở LV và phụ tải không tập trung.
Tuy nhiên, cũng có một số bất lợi ở trường hợp này như là:

-

Để bảo vệ một tải lớn, DVR đặt ở cấp trung áp sẽ có tổn thất trong DVR
cao.

-

Các lỗi chạm đất trong hệ thống MV với điện áp pha chạm đất có thể tăng
√3 lần, nên yêu cầu mức độ cách ly cao hơn của máy biến áp nối tiếp.

-

DVR được kết nối đòi hỏi mức độ cách ly và mức độ bảo vệ ngắn mạch cao
hơn.

14


Chương 2. Cấu trúc của bộ khôi phục điện áp động

2.2.2. DVR đặt ở LV
Hình 2.4 minh họa một DVR kết nối ở vị trí cấp điện áp thấp ba pha bốn dây
400V. Việc sử dụng một DVR có cơng suất định mức nhỏ để bảo vệ tải khỏi lõm
điện áp khiến cho trở kháng trên đường dây tăng lên đáng kể, sự thay đổi trong
(2.7) có thể lên tới vài trăm phần trăm. Một số ưu điểm của việc dùng DVR ở LV
như sau [8]:
-

Tải nhạy cảm được DVR bảo vệ khỏi lõm điện áp sẽ cụ thể hơn, chính
xác hơn.

-

Khách hàng dùng điện chỉ có thể can thiệp được vào cấp điện áp hạ thế, do

đó, việc lắp đặt DVR ở LV dễ dàng hơn, thuận tiện hơn.

-

Mức độ ngắn mạch giảm đáng kể cho các biến áp phân phối và DVR dễ
dàng hơn để bảo vệ.
Những bất lợi khi kết nối DVR ở cấp LV.

-

Trở kháng tăng lên đáng kể, dẫn đến sự biến dạng của điện áp tải có thể tăng
lên.

-

Các lõm điện áp với thành phần thứ tự khơng có thể xuất hiện và để có thể
bù thành phần này bằng việc thay đổi cấu trúc liên kết của DVR và lưới,
đồng thời cần đưa ra các phương pháp điều khiển cho chuỗi các thành phần
thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không trong hệ thống điều khiển.

2.3. Phương pháp kết nối với lưới điện
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 cách khác là
kết nối trực tiếp, khơng qua máy biến áp [9]. Hai phương pháp này được mô tả ở
hình 2.5 và 2.6.

15


Chương 2. Cấu trúc của bộ khôi phục điện áp động

Supply

Load

Cf
Supply

Load

Transformer

Lf
Line-filter LfCf
Energy
Supply

Energy
Supply
Cdc

VSC

Cdc

VSC

Hình 2.6. DVR nối lưới trực tiếp [9].

Hình 2.5. DVR sử dụng MBA [9].

2.3.1. Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thơng qua máy biến áp
Có 3 loại MBA có thể sử dụng để nối lưới cho DVR đó là MBA 1 pha kiểu
sao hở/sao hở, MBA kiểu sao hở/tam giác và MBA kiểu sao hở/sao [9]. Một số ưu
điểm của các cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thơng qua máy biến áp:
-

Biến áp có thể được sử dụng để đảm bảo cách ly về điện cho DVR với lưới
điện.

-

Tỷ lệ biến áp có thể được chọn 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 LCL.

-

Một cấu trúc liên kết bộ biến đổi tương đối đơn giản với sáu chuyển mạch
hoạt động có thể được sử dụng để chèn điện áp vào lưới.

-

Một DC-link là đủ, với DC-link đơn giản, mạch nạp và điều khiển điện áp
DC-link.

-

Điều khiển đơn giản hơn so với các hệ thống bộ biến đổi kết nối trực tiếp.
Khi sử dụng máy biến áp nối tiếp cũng có một số nhược điểm như:

16