Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR

Tải bản đầy đủ - 0trang

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



2.1.1 Phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp

Khi sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp, điện áp tải

được bù cho đến biên độ và pha trước khi xảy ra sụt áp. Xét Upre-dip là giá trị điện áp

nguồn trước khi xảy ra sụt áp, Udip là giá trị điện áp nguồn trong khi xảy ra sụt áp,

U pre− dip = 1∠0



θdip là góc nhảy pha điện áp. Giả sử

bơm vào được tính theo biểu thức [7]:

*



(pu) khi đó điện áp và cơng suất



*



U DVR = 1 − U dip = 1− | U dip | ∠φdip

(2.1)

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



(2.2)

φDVR = tan −1



−U dip sin(φdip )

1 − U dip cos(φdip )



(2.3)

*



*



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



(2.4)



Ta thấy công suất bơm vào của DVR khi xảy ra sụt áp phụ thuộc vào hệ số

công suất tải và sự nhảy pha. Điện áp bơm vào không chịu ảnh hưởng của hệ số

công suất, nhưng khi có nhảy pha sẽ tăng điện áp DVR bơm vào. Ngay cả khi biên

độ điện áp trên tải là 1pu, nếu xảy ra nhảy pha thì DVR vẫn phải hoạt động bơm

một lượng điện áp vào mạch để phục hồi lại giá trị góc pha điện áp tải.

2.1.2. Phương pháp điều khiển tối ưu biên độ điện áp

Phương pháp này phục hồi giá trị biên độ điện áp tải trong khi xảy ra sụt áp

bằng với biên độ điện áp ở chế độ bình thường. Điện áp bơm vào bởi DVR cùng

9



pha với điện áp nguồn trong khi xảy ra sụt áp và có thể được tính theo biểu thức sau

sau[7]:

U DVR =|1− | U dip || ∠φdip



(2.5)

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



(2.6)



2.1.3 Phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng

Phương pháp này được đưa ra để giảm thiểu dung lượng của bộ phận lưu trữ

năng lượng đến mức nhỏ nhất có thể hoặc trong điều kiện nguồn năng lượng lưu trữ

hạn chế. Phương pháp này dựa trên nguyên lý: cơng suất lớn nhất có thể được cung

cấp bởi nguồn đạt được khi dòng tải và điện áp nguồn đồng pha. Như vậy có thể

tăng lượng năng lượng cung cấp bởi nguồn bằng cách giảm góc pha của điện áp

nguồn và dòng điện tải. Hệ số cơng suất của tải sẽ quyết định lượng cơng suất có

thể tăng thêm từ nguồn. Công suất nguồn [7]:

Psupply = 3 U supply I load cos (φload )

(2.7)

Lượng cơng suất tác dụng có thể tăng thêm được tính theo biểu thức [10]:



∆P = Psupply ,max − Psupply , pre−dip

(2.8)



Psupply = 3 | U supply || I load | (1 − cos(φload ))

(2.9)

Kết luận: Ta thấy được phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện

áp phù hợp với tất cả loại tải khi xảy ra sụt áp. Vì thế đây là phương pháp

được chọn để mô phỏng trong đồ án.

Để áp dụng phương pháp tối ưu chất lượng điện áp cần phải phát hiện được

sụt áp, xác định được biên độ điện áp và góc pha tải khi xảy ra sụt áp. Một trong

những phương pháp được áp dụng phổ biến hiện nay là phương pháp biến đổi Clark

và Park.



2.2 Phương pháp Clark và Park

Mục tiêu của phương pháp này là biến đổi điện áp từ hệ toạ độ ABC sang hệ

toạ độ dq để đơn giản trong tính tốn và điều khiển. Trong hệ toạ độ ABC điện áp

gồm 3 thành phần hình sin và biến đổi theo thời gian. Hệ toạ độ tĩnh αβ là hệ toạ độ

đề-các vng góc hai chiều, trục hoành là trục α, trục tung là trục β, chọn trục α

trùng với trục OA. Sử dụng phép biến đổi Clark biến đổi từ hệ toạ độ ABC sang hệ

toạ độ αβ [6]:



10





1

uα  2 

u  = 

 β  3 0





−1

−1  u

 A

2

2  

 uB

3

3 

u 



2

2   C 



(2.10)



Hình 2.2 Phép biến đổi Clark [6]



Trong hệ toạ độ αβ điện áp vẫn là hình sin biến đổi theo thời gian,việc tính

tốn và điều khiển vẫn còn phức tạp. Sử dụng phép biến đổi Park để chuyển tín hiệu

điện áp sang hệ toạ độ quay dq. Hệ toạ độ dq là hệ toạ độ đề-các vng góc gốc toạ

độ trùng với gốc toạ độ hệ trục toạ độ tĩnh αβ; các trục hoành d trục tung q cùng



θ = ωt



quay với vận tốc góc

. Vì các trục d, q cùng quay với vận tốc góc bằng tốc

độ quay của vector điện áp trong hệ toạ độ αβ nên điện áp trong hệ toạ độ dq là điện

áp một chiều. Điều này giúp đơn giản trong tính tốn. Phép biến đổi Park [6]:



cosθ

u

 d 2

u  = 

 q  3  − sin θ







)

3



− sin (θ − )

3

cos(θ −



2π  u 

)

A

3  

 uB

2π   

− sin (θ + ) uC 

3 

cos(θ +



11



(2.11)



Hình 2.3 Phép biến đổi Park [6]



Cơng thức biến đổi từ hệ toạ độ dq sang hệ toạ độ ABC:





cosθ

u A  

u  = cos(θ − 2π )

 B 

3

uC  



cos(θ + )

3





− sin θ



)

3



− sin (θ + )

3



− sin (θ −







 u 

 d

 uq 









Để rõ hơn về biến đổi Clark và Park ta xét 2 ví dụ:

• VD1: Xét trường hợp khi có sự cố ba pha phía nguồn cấp

- Từ 0s đến 0,1s hệ thống hoạt động bình thường,

- Từ 0,1s đến 0,2s xảy ra sụt áp cả ba pha xuống 0.8 pu.

- Từ 0.2s đến 0.3s xảy ra tăng áp cả ba pha lên 1,2 pu.

- Từ 0.3s sự cố được loại trừ hệ thống trở lại hoạt động bình thường.

Kết quả mơ phỏng được thể hiện trên hình 2.4.



Hình a



12



(2.12)



Hình b

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



Khi sự cố ba pha, điện áp ba vẫn đối xứng nên khi chuyển sang hệ tọa độ dq

thì giá trị điện áp Ud, Uq có dạng như điện áp một chiều không đổi với U d có giá trị

bằng biên độ điện áp còn Uq bằng 0.

Xét một ví dụ khác:

• VD2: Xét trường hợp sự cố 1 pha phía nguồn cấp (pha A)

- Từ 0s đến 0,1s hệ thống hoạt động bình thường,

- Từ 0,1s đến 0,2s xảy ra sụt áp pha A xuống 0.8 pu.

- Từ 0.2s đến 0.3s xảy ra tăng áp pha A lên 1,2 pu.

- Từ 0.3s sự cố được loại trừ hệ thống trở lại hoạt động bình thường.

Kết quả mơ phỏng được thể hiện trên hình 2.5.



Hình a



Hình b

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



Khi sự cố pha A, điện áp ba pha mất đối xứng. Lúc này trên tọa độ dq cả hai

thành phần Ud, Uq có dạng dao động hình sin, Ud dao động quanh giá trị biên độ

điện áp và Uq dao động quanh giá trị 0.

• Nhận xét: Qua hai ví dụ trên ta thấy bất kì sự biến đổi nào của điện áp ba pha

sẽ kéo theo sự biến đổi ngay lập tức của hai thành phần Ud, Uq.



13



Trong một số trường hợp, người ta đưa thêm thành phần thứ tự không vào hệ

toạ độ dq. Công thức biến đổi từ hệ toạ độ ABC sang hệ toạ độ dq0:



)

3



− sin (θ −

)

3

1

2





 cosθ

 ud 



  2

uq  = 3  − sin θ

u 



 0

 1

 2



cos(θ −



2π 

)

3  u 

 A

2π   

− sin (θ +

) uB

3  

 uC 

1



2



cos(θ +



(2.13)



2.3 Vòng khố pha PLL

Để thực hiện được phép biến đổi Clark và Park cần xác định được góc pha θ.

Một trong những phương pháp xác định góc pha là sử dụng vòng khố pha PLL

(Phase Lock Loop).

PLL là một hệ thống điều khiển phản hồi vòng khép kín tạo ra một tín hiệu

cùng tần số và góc pha của tín hiệu đầu vào, bao gồm 3 giai đoạn: tách pha, tạo dao

động và vòng phản hồi. Khi có sự thay đổi của tần số và góc pha của tín hiệu đầu

vào, bộ tạo dao động thay đổi tần số góc pha tạo ra bằng với tần số góc pha của tín

hiệu đầu vào. Mơ hình khối PLL:



Hình 2.6 Mơ hình vòng khóa pha PLL [6]



Góc pha



ϕ1



của tín hiệu đầu vào được so sánh với góc pha



ϕ2



của tín hiệu đầu



∆ϕ



ra. Sai lệch

của phép so sánh được biến đổi sang dạng điện áp V 1. Tín hiệu điện

áp V1 bao gồm nhiều thành phần sóng hài, do đó cần bộ lọc thơng thấp loại bỏ các

sóng hài bậc cao. Nhưng bộ lọc này gây ra trễ cho quá trình phát hiện sụt áp một

điều chúng ta khơng mong muốn. Tín hiệu điện áp V 2 sau bộ lọc được đưa vào bộ

tạo dao động. Kết quả sau bộ này là tín hiệu góc pha



ϕ2



mong muốn.



Để đơn giản trong tính tốn và giảm thời gian trễ cho khối PLL, người ta áp

dụng phương pháp tính tốn góc pha trên hệ tọa độ dq.



14



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



Cấu trúc này bao gồm khối biến đổi từ hệ toạ độ ABC sang hệ toạ độ dq, khối

điều khiển PLL. Nó làm việc theo nguyên tắc điều khiển vận tốc góc quay của hệ

trục toạ độ dq sao cho hình chiếu của vecto điện áp lưới lên trục q bằng 0. Nhờ vậy,

tốc độ quay của hệ toạ độ dq sẽ bám theo tốc độ quay của vecto điện áp lưới. Ta xác

định tốc độ quay và góc quay của hệ toạ độ dq sẽ xác định được tần số và góc quay

của điện áp lưới.



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



Trong đó:



Vsn



là vectơ điện áp được chọn làm tham chiếu.



Vsdn ,Vsqn



là vectơ hình chiếu của



Vsn



trên hệ tọa độ dq.



Theo giản đồ vecto điện áp ta có :

V 

σ = tan −1  sβ n ÷

 Vsα n 



(2.14)



( σ − θ ) ≈ sin ( σ − θ ) = sin(γ )



15



(2.15)



Vsqn



sin(γ ) =



Vsdn 2 + Vsqn 2



(2.16)

Vsqn → 0



Khi



thì sin(γ)=0







γ=0



→θ =σ



.



Các bước tính tốn góc pha của cấu trúc PLL thực hiện trên hệ tọa độ dq [6]:

• Bước 1: Sử dụng biến đổi Clark biến đổi tín hiệu điện áp từ hệ tọa độ ABC

sang hệ tọa độ αβ [6]:

−1

−1  u

 sa 

2

2  

 usb

3

3 

u 



2

2   sc 





1

usα  2 

 = 

u sβ  3  0





(2.17)



• Bước 2: Sử dụng biến đổi Park biến đổi tín hiệu điện áp từ hệ tọa độ αβ sang

hệ tọa độ dq [6]:

usd  cosθ

u  = 

 sq   − sin θ



• Bước 3: Tính tốn

Vsdn =



sinθ 

cosθ 



usα 

u 

 sβ 



(2.18)



Vsdn ,Vsqn



[6]:

Vsd



Vsd 2 + Vsq 2

(2.19)



Vsqn =



Vsq

Vsd 2 + Vsq 2



(2.20)

Vsqn



• Bước 4: Góc θ được xác định bằng cách cho

tiến tới giá trị 0. Sau đó sử

dụng bộ điều khiển PI giảm thời gian đáp ứng hệ thống. Tín hiệu đầu ra của

PI được kết hợp với góc quay ωs của điện áp nguồn danh định. Cuối cùng để

triệt tiêu sai số, ta sử dụng thêm một khâu tích phân.



2.4 Cấu trúc của DVR

2.4.1 Bộ phận cấp năng lượng

Chức năng của bộ phận này là cung cấp năng lượng cần thiết để DVR, bù điện

áp thiếu hụt trên tải trong quá trình xảy ra sụt áp. Đây là bộ phận quyết định khả

năng làm việc, chất lượng điện áp bù bởi DVR. Tùy theo chất lượng lưới điện, loại

16



tải, mức độ nghiêm trọng của sụt áp mà người ta lựa chọn cấu hình bộ phận cấp

năng lượng phù hợp từ các cấu hình dưới đây:

2.4.1.1 DVR sử dụng nguồn cấp bổ sung

Khi DVR có nguồn cấp bổ sung thì giá thành tăng đáng kể nhưng chất lượng

điện áp của phụ tải được đảm bảo tốt hơn, độ méo giảm đi, ngăn ngừa được các sụt

áp nghiệm trọng (nguồn cấp bị sụt giảm vượt quá 40-50%) và dòng điện chạy qua

bộ nghịch lưu khơng vượt q dòng định mức của tải. Dựa vào đặc điểm của nguồn

một chiều mà ta chia làm 2 loại:

• DVR với nguồn cấp bổ sung một chiều thay đổi (Variable DC-link)

• DVR với nguồn cấp bổ sung một chiều không đổi (Constant DC-link)

Sơ đồ nguyên lý của hai loại nguồn này được thể hiện trên hình 2.9 và hình 2.10:



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



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



Với các sụt áp trong thời gian ngắn ta có thể sử dụng cấu trúc 1. Hiệu quả cấu

hình này giảm đi đối với các dạng sụt áp trong thời gian dài bởi năng lượng của

nguồn này suy giảm dần theo thời gian. Khi quá trình sụt áp kết thúc, năng lượng

trên tụ được nạp lại nhờ biến đổi dòng điện từ lưới (thơng qua bộ nghịch lưu) hoặc

sử dụng bộ nạp.

Cấu trúc 2 được sử dụng khi sụt áp xảy ra ở xa nguồn cấp và thời gian dài hơn.

Ở cấu hình này một bộ lưu trữ năng lượng độc lập và một bộ biến đổi DC/DC đảm

bảo duy trì điện áp trên DC-link 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.



17



2.4.1.2 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung

Kiểu DVR này có đặc trưng khơng có hệ thống riêng để lưu trữ năng lượng,

tài liệu [1,7]. Tụ điện phía một chiều bộ biến đổi chỉ phục vụ như bộ lọc làm giảm

dao động điện áp. Các hệ thống này lợi dụng thực tế là trong khi sụt áp, tồn tại một

phần nhất định điện áp nguồn còn lại. Nhờ đó hệ thống có thể được cấp nguồn liên

tục. Hạn chế của kiểu này đó là khi có sụt áp dòng điện qua bộ nghịch lưu và chỉnh

lưu tăng nhanh, hơn nữa bộ chỉnh lưu có thể gây méo dạng sóng dòng điện dẫn đến

ảnh hưởng xấu đến điện áp tải. Do vậy kiểu liên kết này phù hợp với các sụt áp có

thời gian dài, nhưng khơng phù hợp với các sụt áp sâu.



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



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



Bộ phận quan trọng của các hệ thống này là bộ chỉnh lưu phải đảm bảo cấp

nguồn cho phía DC-link. Trong các phương án thực tế, hệ thống dùng bộ biến đổi

không điều khiển chiếm ưu thế. Trên phương diện điểm nối nguồn bộ chỉnh lưu, ta

có thể phân biệt hai kiểu cấu trúc:

• Bộ chỉnh lưu nối về phía nguồn (Suppy side) hình 2.11.

• Bộ chỉnh lưu nối về phía tải (Load side) hình 2.12.

2.4.1.3 So sánh và lựa chọn cấu hình bộ phận cấp năng lượng DVR

Dựa trên đặc điểm của các bộ phận cấp năng lượng được nêu trên, ta thấy cấu

hình 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.

18



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 nguồn cấp bổ sung một chiều thay đổi có khả năng bù các sụt áp với

biên độ và thời gian rất hạn chế. Tuy vậy sự đơn giản của cấu hình này và yêu cầu

công suất cho bộ nghịch lưu cũng như bộ nạp thấp nhất nên trong một số trường

hợp các hạn chế này có thể chấp nhận được. Cấu hình 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 nguồn bổ sung một chiều khơng đổi có khả năng bù được các sụt áp

có biên độ lớn nhất và đem lại một chất lượng điện năng tốt nhất cho tải.

Với mong muốn khi DVR hoạt động ảnh hưởng của sụt áp đến điện áp tải

là ít nhất, nên đồ án lựa chọn mơ phỏng bộ DVR có nguồn bổ sung một chiều

không đổi (Constant DC-link).

2.4.1.2 Các phương pháp tích trữ năng lượng cho Constant DC-link

Lựa chọn được phương pháp tích trữ năng lượng phù hợp giúp tăng khả năng

của hệ thống DVR trong việc bù sụt áp trên lưới điện. Các hệ thống tích trữ năng

lượng dùng cho mạch điện tử cơng suất đòi hỏi phải có khả năng nạp điện và phóng

điện nhanh. Dưới đây là các phương án thường gặp [1,6]:

• Bảng tụ điện: Là phương pháp tích trữ năng lượng hay dùng nhất. Ưu điểm

của các tụ điện là cơng 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 đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên. Các

tính chất này làm cho ắc-quy ít được sử dụng trong các hệ thống DVR.

• Các cuộn cảm siêu dẫn: Các cuộn cảm siêu dẫn (SMES) là phần tử tích trữ

năng lượng điện trong từ trường tạo ra bởi dòng điện một chiều chạy trong

cuộn siêu dẫn. Đăc điểm của các cuộn cảm là cấu trúc gọn, tuổi thọ cao và

tiếp cận tức thời cơng suất. Tuy nhiên chúng có giá thành cao.

• Các giải pháp điện cơ: Các giải pháp điện cơ dựa trên việc sử dụng bánh

quay (Bánh đà) nơi mà năng lượng tích trữ ở dạng động năng của khối lượng



19



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×