Nghiên cứu tính toán thông số bộ lọc của thiết bị DVR nhằm nâng cao hiệu quả trong ngăn chặn sụt giảm điện áp ngắn hạn

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

PHAN MINH KHƠI

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THƠNG SỐ BỘ LỌC
CỦA THIẾT BỊ DVR NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ
TRONG NGĂN CHẶN SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2017


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

PHAN MINH KHƠI

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THƠNG SỐ BỘ LỌC
CỦA THIẾT BỊ DVR NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ
TRONG NGĂN CHẶN SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƯƠNG NGỌC MINH

Hà Nội – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ luận văn là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố.
Nếu sai với lời cam đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

PHAN MINH KHÔI

1


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu với sự nỗ lực của bản thân, được sự giúp đỡ
tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách
khoa Hà Nội, đặc biệt là sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Trương
Ngọc Minh, tác giả đã hoàn thành luận văn với đề tài “Nghiên cứu tính tốn thơng
số bộ lọc của thiết bị DVR nhằm nâng cao hiệu quả trong ngăn chặn sụt giảm điện
áp ngắn hạn”.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình
của thầy giáo TS. TRương Ngọc Minh, xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo
trong bộ môn Hệ thống điện - Trường đại học Bách khoa Hà Nội và Viện Đào tạo
sau đại học - Trường đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
tác giả trong thời gian thực hiện đề tài.

Do kiến thức còn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót, tác
giả rất mong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cơ giáo để luận văn
được hồn thiện hơn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 2
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN
HẠN ..........................................................................................................................13
1.1 Chất lượng điện năng ......................................................................................13
1.1.1 Độ tin cậy cung cấp điện ..........................................................................13
1.1.2 Chất lượng tần số .....................................................................................13
1.1.3 Chất lượng điện áp ...................................................................................14
1.2 Hiện tượng sụt giảm điện áp ...........................................................................15
1.3 Nguyên nhân gây ra sụt áp ngắn hạn ..............................................................15
1.4 Các anh hưởng của sự cố sụt áp ngắn hạn ......................................................15
1.5 Các đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn ...............................15
1.6 Các biện pháp hạn chế sụt giảm điện áp .........................................................16
1.7 Kết luận ...........................................................................................................17
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR .............18
2.1 Cấu tạo thiết bị DVR .......................................................................................18
2.1.1 Bộ phận cấp năng lượng..........................................................................18
2.1.2 Bộ biến đổi ...............................................................................................21

2.1.3 Bộ lọc tần số chuyển mạch ......................................................................27
2.1.4 Máy biến áp ghép nối tiếp ........................................................................28
2.1.5 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc cho DVR ...........................................................28
2.2 Phương pháp xác định giá trị điện áp bù của DVR........................................29
2.2.1 Phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp .................................29
2.2.2. Phương pháp điều khiển tối ưu biên độ điện áp.....................................30
2.2.3 Phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng .............................................30

3


2.3 Phương pháp Clark và Park ............................................................................31
2.4 Khóa pha PLL .................................................................................................34
2.5 Kết luận ...........................................................................................................36
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THƠNG SỐ L, C CỦA BỘ LỌC ...37
3.1 Cấu trúc của bộ lọc tần số chuyển mạch. ........................................................37
3.2 Phương pháp xác định các thông số của bộ lọc [9].........................................39
3.2.1 Xác định các giá trị của cuộn cảm ...........................................................40
3.2.2 Xác định giá trị điện dung. .......................................................................42
3.3 Kết luận ...........................................................................................................42
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA DVR .........................43
4.1 Sơ đồ mơ phỏng ..............................................................................................43
4.2 Thiết bị DVR ...................................................................................................44
4.2.1 Bộ phận lưu trữ năng lượng .....................................................................45
4.2.2 Mạch nghịch lưu ......................................................................................45
4.2.3 Mạch lọc ...................................................................................................46
4.2.4 Máy biến áp ghép .....................................................................................48
4.2.5 Bộ điều khiển điện áp...............................................................................48
4.3 Kết quả mô phỏng khi chưa lắp bộ DVR ........................................................50
4.4 Kết quả mơ phỏng khi có lắp bộ DVR trong hệ thống. ..................................51

4.4.1 Ngắn mạch ba pha chạm đất điện áp ba pha sụt giảm đến 45% giá trị
danh định. ..........................................................................................................51
4.4.2 Ngắn mạch hai pha A,B chạm đất gây sụt giảm đến 45% điện áp danh
định ....................................................................................................................52
4.4.3 Ngắn mạch hai pha A và B gây ra sụt giảm đến 40% điện áp danh định
...........................................................................................................................53
4.4.4 Ngắn mạch chạm đất pha A gây ra sụt giảm hơn 40% điện áp danh định
...........................................................................................................................55
4.4.5 Khi điện áp nguồn thay đổi. .....................................................................56
4.5 Đánh giá ảnh hưởng của bộ lọc LC tới hiệu quả làm việc của DVR ..............58

4


4.6 Kết luận ...........................................................................................................61
KẾT LUẬN CHUNG................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................63

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sụt áp một pha và sụt áp ba pha[2] ............................................................15
Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của DVR[7] ......................................................................17
Hình 2.1 DVR với nguồn bổ sung là điện áp một chiều khơng đổi [7] ....................18
Hình 2.2 DVR với nguồn bổ sung là điện áp một chiều thay đổi [7] .......................19
Hình 2.3 DVR khơng sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía nguồn [7]
...................................................................................................................................19
Hình 2.4 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía tải [7] ....19
Hình 2.5 Cấu trúc bộ biến đổi nửa cầu kết nối MBA kiểu sao/sao hở .....................22

Hình 2.6 Cấu trúc bộ biến đổi cầu ba pha kết nối MBA kiểu tam giác/sao hở ........23
Hình 2.7 Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp một pha ....................................23
Hình 2.8 Cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp hệ thống ba pha ..............................24
Hình 2.9 Mạch nghịch lưu cầu 3 pha ........................................................................25
Hình 2.10 Tín hiệu điều khiển van và điện áp các pha .............................................26
Hình 2.11 Điện áp dây và điện áp pha ......................................................................26
Hình 2.12 Nguyên tắc tạo xung của thuật tốn điều chế SPWM ..............................27
Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc của DVR kết nối lưới phân phối [1] ................................28
Hin
̀ h 2.14 Ba phương pháp tính điện áp bù DVR [7] ...............................................29
Hình 2.15 Phép biến đổi Clark [6] ............................................................................31
Hình 2.16 Phép biến đổi Park [6] ..............................................................................32
Hình 2.17 Điện áp trên hệ tọa độ ba pha ABC (Hình a) và hệ tọa độ dq (Hình b)
khi sự cố ba pha.........................................................................................................32
Hình 2.18 Điện áp trên hệ tọa độ ba pha ABC (Hình a) và hệ tọa độ dq (Hình b) khi
sự cố pha A................................................................................................................33
Hình 2.19 Mơ hình vịng khóa pha PLL [6] ..............................................................34
Hình 2.20 Cấu trúc vịng khóa pha thực hiện trên hệ tọa độ dq [6] ..........................34
Hình 2.21 Giản đồ vecto điện áp trong tọa độ αβ và dq [6]......................................35
Hình 3.1 Tụ điện kết nối phía nguồn ........................................................................37
Hình 3.2 Tụ điện kết nối phía nguồn và tải ...............................................................37

6


Hình 3.3 Cấu trúc bộ lọc có tụ điện kết nối song song với bộ biến đổi ....................38
Hình 3.4 Cấu trúc bộ lọc LC phía bộ biến đổi ..........................................................38
Hình 3.5 Cấu trúc bộ lọc RC phía nguồn ..................................................................39
Hình 3.6 Dạng sóng đầu ra của biến tần ...................................................................40
Hình 3.7 Hình ảnh phóng to dạng sóng điện áp đầu ra dưới dịng điện cực đại .......41

Hình 4.1 Sơ đồ mơ phỏng. .......................................................................................43
Hình 4.2 Sơ đồ mơ phỏng thiết bị DVR....................................................................44
Hình 4.3 Thơng số bộ lưu trữ năng lượng.................................................................45
Hình 4.4 Mạch nghịch lưu cầu ba pha ......................................................................45
Hình 4.5 Sơ đồ và thơng số mạch điều chế xung SPWM .........................................46
Hình 4.6 Thơng số mạch lọc thơng thấp LC .............................................................47
Hình 4.7 Thơng số của máy biến áp ghép .................................................................48
Hình 4.8 Khối biến đổi điện áp từ hệ tọa độ abc sang dq0 .......................................48
Hình 4.9 Khối biến đổi điện áp từ hệ hệ tọa độ dq0 sang abc ..................................49
Hình 4.10 Mơ hình khối PLL ....................................................................................49
Hình 4.11 Bộ điều khiển PI của DVR .......................................................................49
Hình 4.12 Điện áp ba pha của nguồn. .......................................................................50
Hình 4.13 Điện áp ba pha trên tải. ............................................................................50
Hình 4.14 Hệ số méo tổng THD (%). .......................................................................50
Hình 4.15 Điện áp ba pha của nguồn ........................................................................51
Hình 4.16 Điện áp ba pha của tải ..............................................................................51
Hình 4.17 Điện áp bơm vào lưới của DVR...............................................................51
Hình 4.18 Hệ số méo tổng THD (%) ........................................................................52
Hình 4.19 Điện áp ba pha của nguồn ........................................................................52
Hình 4.20 Điện áp ba pha của tải ..............................................................................52
Hình 4.21 Điện áp bơm vào lưới điện của DVR .......................................................53
Hình 4.22 Hệ số méo tổng THD (%) ........................................................................53
Hình 4.23 Điện áp ba pha của nguồn ........................................................................53
Hình 4.24 Điện áp ba pha của tải ..............................................................................54

7


Hình 4.25 Điện áp bơm vào lưới điện của DVR .......................................................54
Hình 4.26 Hệ số méo tổng THD (%) ........................................................................54

Hình 4.27 Điện áp ba pha trên nguồn .......................................................................55
Hình 4.28 Điện áp ba pha của tải ..............................................................................55
Hình 4.29 Điện áp bơm vào lưới điện của DVR .......................................................55
Hình 4.30 Hệ số méo tổng THD (%) ........................................................................56
Hình 4.31 Điện áp ba pha của nguồn ........................................................................56
Hình 4.32 Điện áp ba pha của tải ..............................................................................57
Hình 4.33 Điện áp bơm vào lưới điện của DVR .......................................................57
Hình 4.34 Hệ số méo tổng THD (%) ........................................................................57
Hình 4.35 Thơng số của bộ lọc LC ...........................................................................58
Hình 4.36 Điện áp ba pha của tải ..............................................................................58
Hình 4.37 Điện áp bơm vào lưới điện của DVR .......................................................59
Hình 3.38 Hệ số méo tổng THD (%) ........................................................................59
Hình 4.39 Thơng số của bộ lọc LC ...........................................................................59
Hình 4.40 Điện áp ba pha của tải ..............................................................................60
Hình 4.41 Điện áp bơm vào lưới điện bởi DVR .......................................................60
Hình 4.42 Hệ số méo tổng THD (%) ........................................................................60

8


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Nghĩa tiếng Việt

Viết tắt cho

DVR

Dynamic Voltage Restorer

Thiết bị khôi phục điện áp động

VSC

Voltage Source Converter

Bộ nghịch lưu nguồn áp

THD

Total Harmonic Distortion

Hệ số méo tổng

PWM

Pulse Width Modullation

Điều chế độ rộng xung

PLL

Phase Locked Loop

Bộ khóa pha

MBA

Máy biến áp

Ký hiệu

Ý nghĩa

Upre-dip

Giá trị điện áp nguồn trước khi xảy ra sụt áp

Udip

Giá trị điện áp nguồn trong khi xảy ra sụt áp

Φdip

Góc nhảy pha điện áp

θLoad

Góc pha của tải

Psupply

Cơng suất nguồn

PDVR

Cơng suất bơm vào của DVR

UDVR

Điện áp bơm vào của DVR

θSupply

Góc pha của nguồn

θPLL

Góc pha khối PLL

CDC

Tụ điện phía một chiều

UDC

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%.

9


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Điện năng là một yếu tố quan trọng đảm bảo an ninh và 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, các vấn đề về chất lượng điện năng ngày càng
được sự quan tâm rộng rãi bởi:
 Nhiều phụ tải đang sử dụng các thiết bị điện tử công suất, các bộ điều
khiển vi xử lý, máy tính... Đây đều là 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 như các bộ biến
tần, các bộ tụ có điều khiển, các thiết bị điện tử công suất... Điều này dẫn đến
sự gia tăng sóng hài trong hệ thống;
 Người sử dụng điện ngày càng nhận thức được vai trò quan trọng của chất
lượng điện năng;
 Các hệ thống điện hiện đại phức tạp về cấu trúc và thiết bị sử dụng. Điều đó
có nghĩa rằng bất cứ một sự cố xảy ra ở một phần tử nào trong hệ thống cũng
có thể gây ra hậu quả lớn đối với cả hệ thống.
Chất lượng điện năng bao gồm: độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng tần số,
chất lượng dòng điện, chất lượng điện áp. Tuy vậy, khi xem xét đối tượng là lưới
trung áp, người ta thường chú trọng đến vấn đề chất lượng điện áp.
Sụt giảm điện áp ngắn hạn là hiện tượng gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng
điện năng trong lưới trung áp bởi tần suất xảy ra nhiều. Để ngăn ngừa ảnh hưởng
tiêu cực của sự cố này, thiết bị khôi phục điện áp động (Dynamic Voltage Restorer DVR) thường được sử dụng. Hiệu quả làm việc của thiết bị này phụ thuộc vào
phương pháp hiện sụt áp ngắn hạn, bộ điều khiển và bộ lọc loại bỏ các thành phần
hài không mong muốn.
Nhằm nâng cao hiệu quả của thiết bị DVR trong việc ngăn ngừa sự cố sụt
giảm điện áp ngắn hạn, tác giả thực hiện nghiên cứu, phân tích, lựa chọn cấu hình
cho một thiết bị DVR và đề xuất một phương pháp tính tốn thơng số L,C của bộ
lọc trong luận văn.

10

2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận văn nghiên cứu quy trình tính tốn, chọn lựa các thơng số
của bộ lọc trong thiết bị DVR sao cho điện áp bơm vào lưới của thiết bị DVR có độ
chính xác cao so với yêu cầu điện áp cần bù và có THD nhỏ hơn 5% theo tiêu chuẩn
của IEEE.
3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu.
* Đối tượng nghiên cứu : Hiệu quả của thiết bị DVR trong việc ngăn chặn sụt
giảm điện áp ngắn hạn. Mô phỏng hoạt động của nó trong lưới điện phân phối bằng
phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink.
* Phạm vi nghiên cứu : Trên cơ sở mục đích nghiên cứu của luận văn, phạm
vi nghiên cứu sẽ được tập trung nghiên cứu tính tốn thông số L, C của bộ lọc của
thiết bị DVR, để đảm bảo điện áp đầu ra của thiết bị DVR phù hợp với điện áp tải,
với trị số THD thu hỏ.
4. Các luận điểm cơ bản của luận văn.
Luận văn trình bày cấu trúc nguyên lý hoạt động của thiết bị DVR, nghiên cứu
tính tốn thơng số bộ lọc của thiết bị DVR để đảm bảo điện áp đầu ra của thiết bị
DVR phù hợp với điện áp của tải.
Nội dung chính của luận văn được bố cục thành bốn chương như sau :
Chương 1 : tổng quan về hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn. Tác giả trình
bày tổng quan về các chỉ tiêu về chất lượng điện năng. Hiện tượng sụt giảm
điện áp ngắn hạn, nguyên nhân và ảnh hưởng của nó tới các thiết bị trong hệ
thống điện. Các biện pháp hạn chế sụt giảm điện áp.
Chương 2 : cấu trúc và nguyên lý hoạt động của DVR. Tác giả nghiên cứu về
chức năng, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động của các thành phần trong thiết
bị DVR điển hình.
Chương 3 : phương pháp tính tốn thơng số thơng số L, C của bộ lọc. Tác giả
đề xuất quy trình tính tốn thơng số L,C của bộ lọc để điện áp trên tải, điện
áp đầu ra của DVR chính xác với ln là dạng hình sin, với trị số THD nhỏ.

11

Chương 4 : kết quả mô phỏng hoạt động của DVR. Tác giả sử dụng phần
mềm Matlab/Simulink mô phỏng hoạt động của thiết bị DVR trong lưới
0,4kV.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink phục vụ mô phỏng hoạt động
của thiết bị DVR trong lưới điện 0,4kV với nguồn cấp là vô cùng lớn.

12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM
ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN
Nội dung của chương này đề cập đến các chỉ tiêu về chất lượng điện năng. Hiện
tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn trong hệ thống điện. Các biện pháp hạn chế sụt
giảm điện áp ngắn hạn.
1.1 Chất lượng điện năng
Các vấn đề về chất lượng điện năng bao gồm những hiện tượng liên quan đến
điện áp và tần số trong lưới điện. Một số hiện tượng cụ thể là:
 Sụt giảm và tăng điện áp.
 Độ méo của điện áp
 Nhấp nháy điện áp.
 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 công suất phụ tải lớn hơn công suất nguồn điện.
 Xác suất thiếu điện trong thời gian phụ tải cực đại.
 Điện năng cung cấp thiếu (hay điện năng mất) cho phụ tải do có sự cố trong hệ
thống trong một năm.

 Thiệt hại kinh tế 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.
 Số lần mất điện trung bình của lưới điện phân phối – SAIFI (System Average
Interruption Frequency Index).
 Số lần mất điện thoáng qua trung bình của lưới điện phân phối – MAIFI (
Momentary Average Interruption Frequency Index ).
 Thời gian mất điện trung bình lưới điện phân phối – SAIDI ( System Average
Interruption Duration Index ).
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 dm
(1.1)
f 
.100
f dm
Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép:

fmin  f  f max

13

(1.2)


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

fmin≤ f ≤ fmax

(1.3)

fmin=fdm-Δfmin

(1.4)

fmax=fdm-Δfmax

(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%.
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:

U % 

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:
U   U  U 

(1.7)

δU-, δU+ là giới hạn dưới và giới hạn trên của độ lệch điện áp.
b, Độ dao động điện áp
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. Dao động điện
áp gây ra chập chờn ánh sáng và gây nhiễu các thiết bị điện tử.
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 U2 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 khơng tải, thiết bị điện tử
công suất, thiết bị điều khiển … làm biến dạng điện áp khiến cho nó khơng cịn hình
sin và xuất hiện các sóng hài bậc cao. Các sóng hài bậc cao này làm giảm điện áp
trên các thiết bị sinh nhiệt, tăng tổn thất sắt từ trong động cơ, tăng tổn thất trong
lưới điện và thiết bị sử dụng điện.

14


1.2 Hiện tượng sụt giảm điện áp

Theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995, 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 mơ 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 khơng tải máy biến áp lực.
 Phụ tải có cơng suất lớn tham gia vào lưới, hoặc các phụ tải cùng làm việc vào
một thời điểm (giờ cao điểm).
1.4 Các anh hưởng của sự cố sụt áp ngắn hạn
Khi sụt áp ngắn hạn xảy ra trên lưới điện:
 Đối với các thiết bị điện tử thơng thường sử dụng trong sinh hoạt, 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 cơng nghiệp, 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 điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn
Các đặc điểm chính của một hiện tượng sụt giảm điện áp là mức độ sụt giảm
điện áp và khoảng thời gian tồn tại sụt áp. Bên cạnh đó hiện tượng này cịn có thể
gây ra:
 Khơng cân bằng ba pha;
 Nhảy góc pha.

15

1.6 Các biện pháp hạn chế sụt giảm điện áp
 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 hiệu quả và ít tốn kém để cải thiện chất lượng điện năng của nguồn cấp.
 Giảm thời gian loại trừ sự cố : giảm thời gian loại trừ sự cố sẽ giảm mức độ
nghiêm trọng của sự cố.
 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.
 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,...
 Giảm thiểu sụt giảm điện áp bằng thiết bị khôi phục điện áp động (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 hạn chế sụt áp, trên cơ sở bơm một

điện áp có biên độ, tần số và góc pha mong muốn vào điểm kết nối của DVR và tải.
Trong điều kiện bình thường DVR khơng hoạt động hoặc chỉ bơm một lượng điện
áp rất nhỏ để bù điện áp rơi trên các thiết bị. Cấu trúc cơ bản của DVR được thể
hiện trên hình 1.2:

16


Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của DVR[7]

Ưu điểm của DVR là thời gian đáp ứng nhanh, hiệu quả hoạt động cao và
thích hợp với nhiều dạng tải và điều kiện lưới điện khác nhau.
1.7 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
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, thiế t bi ̣ DVR là biện
pháp hiệu quả bởi thiết bị này có thể khơi phục nhanh điện áp phụ tải trước các sự
cố gây sụt giảm điện áp

17


CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
CỦA DVR
Nội dung chương này trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị
DVR điển hình. Các phương pháp thường dùng để xác định sụt giảm điện áp ngắn
hạn.

2.1 Cấu tạo thiết bị DVR
2.1.1 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
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:
2.1.1.1 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 khơng vượt q dịng định mức của tải. Dựa vào đặc điểm của nguồn
1 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 2.1 và hình 2.2:

Hình 2.1 DVR với nguồn bổ sung là điện áp một chiều không đổi [7]

Hiệu quả cấu hình này (cấu trúc 1) 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 dịng điện từ lưới
(thơng qua bộ nghịch lưu) hoặc sử dụng bộ nạp. Với các sụt áp trong thời gian ngắn
ta có thể sử dụng cấu trúc này.

18


Hình 2.2 DVR với nguồn bổ sung là điện áp một chiều thay đổi [7]

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 khơng 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.
2.1.1.2 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung
Kiểu DVR này có đặc trưng khơng có hệ thống riêng để lưu trữ năng lượng
[1,7]. Tụ điện phía một chiều bộ biến đổi chỉ phục vụ như bộ lọc làm giảm dao
động điện áp. Hệ thống này có thể được cấp nguồn liên tục. Hạn chế của kiểu này là
khi có sụt áp dịng điện qua bộ nghịch lưu và chỉnh lưu tăng nhanh, bên cạnh đó bộ
chỉnh lưu có thể gây méo dòng điện dẫn đến ảnh hưởng xấu đến điện áp tải. Do vậy,
kiểu DVR này phù hợp với các sụt áp có thời gian dài, nhưng khơng phù hợp với
các sụt áp gây giảm mạnh điện áp.

Hình 2.3 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía nguồn [7]

Hình 2.4 DVR khơng sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía tải [7]

19


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 2.3.
 Bộ chỉnh lưu nối về phía tải (Load side) hình 2.4.
2.1.1.3 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 khơng sử dụng nguồn cấp bổ sung chỉ phù hợp với trường hợp giảm sụt áp tại
phụ tải có biên độ sụt áp khơng 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.
Nhìn chung, cấu hình khơng 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 cơng suất
của bộ nghịch lưu lớn và khi bù sụt áp có thể gây ảnh hưởng đến lưới.
Cấu hình ng̀ n cấp bở sung mơ ̣t chiề u 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 u cầu
cơng 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 khơng 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 ng̀ n bở sung mơ ̣t chiề u khơng đở i 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 giảm thiểu ảnh hưởng của sự cố sụt áp ngắn hạn đến tải,
luận văn lựa chọn cấu hình thiết bị DVR có nguồn bổ sung một chiều khơng
đổi (Constant DC-link).
2.1.1.4 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 cơng suất địi hỏi phải có khả năng nạp điện và phóng
điện nhanh. Dưới đây là các phương án thường sử dụng[1,6]:

20


 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 mơi trường tự nhiên và địi 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
quay. Giá trị năng lượng này phụ thuộc vào mơ-men qn 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 khơng 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.
2.1.2 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.
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 cơng 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 khơng qua máy biến áp. Tuy nhiên việc sử dụng máy biến áp có nhiều ưu điểm
hơn [1,2,3,7].

21


2.1.2.1 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 số biến áp được lựa chọn để giảm điện áp làm việc của 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].

Hình 2.5 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 –UDC/2, 0, +
UDC/2, ln có 3 van chuyển mạch trong đường dẫn dịng 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 khơng, tụ điện phía DC-link được phân tách và điểm giữa được
nối tới dây trung tính của máy biến áp nối tiếp.

22

 Cấu trúc bộ biến đổi cầu ba pha kết nối máy biến áp nối tam giác/sao hở [1,7].

Hình 2.6 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 khơng 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 dịng thứ tự
khơng khơng đáng kể hoặc cấu trúc liên kết được đặt ở vị trí lưới trung áp khơng có
dây trung tính
Hai cấu trúc trên đây khá đơn giản, số lượng các van bán dẫn nhỏ, điều khiển
đơn giản.
2.1.2.2 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới trực tiếp
Cấu trúc bộ biến đổi kết nối lưới trực tiếp là sự cải tiến 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 DClink là riêng biệt. Đặc trưng của cấu trúc này là khơng 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 2.7 Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp một pha

23