Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
4 Cấu trúc của DVR

4 Cấu trúc của DVR

Tải bản đầy đủ - 0trang

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 khơng 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 không lớn hoặc trong thời gian dài. Với các trường hợp sụt

áp trong khoảng thời gian ngắn và biên độ sụt áp lớn, thì cấu hình sử dụng nguồn

cấp bổ sung hoạt động tốt hơn.

18



Nhìn chung, cấu hình 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 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 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

khơng 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 xun. 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



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.

2.4.2 Bộ biến đổi

Khi hoạt động DVR bơm điện áp nối tiếp với nguồn cung cấp. Điện áp này

được tạo ra từ bộ biến đổi VSC kết nối với DC-link và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Do đồ án tập trung nghiên cứu đánh giá hiệu quả làm việc của DVR trên lưới hạ áp,

vì thế bộ biến đổi phải có khả năng tạo ra điện áp ba pha với thành phần thứ tự

thuận và thứ tự nghịch. Mặt khác bộ biến đổi phải có khả năng trao đổi 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 không qua máy biến áp. Tuy nhiên tiếp cận qua máy biến áp có nhiều ưu điểm

hơn, tài liệu [1,2,3,7].

2.4.2.1 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp

a, Những ưu điểm của cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thơng qua máy biến áp [1].

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

điện.

• Tỷ lệ biến áp được chọn để giảm điện áp yêu cầu cho bộ biến đổi.

• Máy biến áp có thể được sử dụng như là một phần của bộ lọc đầu ra, hoặc là

điện cảm thứ nhất gần bộ biến đổi hoặc là một điện cảm gần với tải trong

một cấu trúc bộ lọc LCL.

• Điều khiển đơn giản hơn so với cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp.

b, Một số nhược điểm khi sử dụng máy biến áp ghép nối tiếp [1].

• Tổn thất của máy biến áp có tính chất phi tuyến, là yếu tố hạn chế về lựa chọn

băng thơng của hệ thống DVR.

• Các máy biến áp nối tiếp tần số thấp thường cồng kềnh và có giá thành cao.

c, Một số cấu trúc tiêu biểu của bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp

• Cấu trúc bộ biến đổi nửa cầu kết nối máy biến áp nối sao/sao hở, [1,7].



20



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



Cấu trúc trên sử dụng 6 van chuyển mạch, tạo ra ba mức điện áp –U DC/2, 0, +

UDC/2, luôn có 3 van chuyển mạch trong đường dẫn dòng điện. Cấu trúc này có khả

năng tạo ra các thành phần điện áp thứ tự thuận ,thứ tự nghịch. Để có thể tạo ra

thành phần thứ tự khơng, tụ điện phía DC-link được phân tách và điểm giữa được

nối tới dây trung tính của máy biến áp nối tiếp.

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



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



Bộ biến đổi có 6 van chuyển mạch chỉ tạo ra hai mức điện áp –UDC, +UDC. Phía

DC-link chỉ có một tụ điện với điện áp dễ dàng khống chế vì 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 dòng thứ tự khơng



21



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.

2.4.2.2 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới trực tiếp

Cấu trúc bộ biến đổi kết nối lưới trực tiếp được biết đến như một sự cải tiến về

mặt kĩ thuật từ bộ biến đổi kết nối máy biến áp. Kết nối trực tiếp là tốt nhất và phù

hợp cho các thiết bị nối tiếp mà chỉ trao đổi công suất phản kháng với lưới điện, do

hoạt động nạp năng lượng cho DC-link là riêng biệt. Đặc trưng của cấu trúc này là

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



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



a, Những ưu điểm của bộ biến đổi kết nối lưới trực tiếp

• Đặc tính động học sẽ được cải thiện, vì băng thơng không bị giảm bởi các máy

biến áp ( các ảnh hưởng phi tuyến, tổn thất điện áp gây ra bởi các máy biến

áp được loại bỏ).

• Tránh được sự cồng kềnh của máy biến áp, giúp DVR nhỏ gọn, giá thành thấp,

trọng lượng nhẹ…

b, Một số nhược điểm của bộ biến đổi kết nối lưới trực tiếp



22



• Bảo vệ các bộ biến đổi điện tử công suất là phức tạp hơn và cách điện phải bảo

đảm tốt hơn.

• Cấu trúc liên kết của bộ biến đổi sẽ phức tạp dẫn đến yêu cầu cách ly cao với

đất.

Trong các cấu trúc bộ biến đổi kết nối biến áp nối tiếp, điện áp tạo ra của bộ

biến đổi được lựa chọn với điện áp thấp, thường nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị cực

đại của điện áp lưới cần bơm vào. Trong khi cấu trúc bộ biến đổi không máy biến

áp, điện áp này phải gần bằng điện áp lưới cần bơm vào. Như thế, nó yêu cầu phải

sử dụng các linh kiện có khả năng chịu được điện áp cao tăng giá thành của DVR.

Như vậy, sử dụng cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp

ghép mang lại hiệu quả cao hơn và sẽ được sử dụng mô phỏng trong đồ án này.

2.4.2.3 Các phương pháp điều chế

Phương pháp điều chế phổ biến hiện này là sử dụng điều chế độ rộng xung

(PWM) với sóng mang dạng răng cưa. Nguyên lý của phương pháp PWM là so

sánh tín hiệu (sóng điều chế) cho trước u(t) với tín hiệu răng cưa bất kì (sóng

mang). Tỷ số biên độ điện áp của sóng điều chế và sóng mang được gọi là hệ số

điều chế m, tài liệu [2]:

m=



U mdc

U mc



(2.21)



Thông thường ta chọn m≤1. Nếu m>1 là điều chế làm giảm chất lượng điện áp

ra.

Phương pháp PWM cần quan tâm đến: Tần số chuyển mạch, sóng mang có thể

bám tín hiệu cho trước (trong một phạm vi hẹp của tần số) và khơng có thành phần

chuyển mạch bậc thấp trong phổ điện áp. Nhược điểm của phương pháp này là phải

sử dụng tần số chuyển mạch lớn làm tăng tổn hao, nhất là trong các hệ thống công

suất lớn.

Phương pháp điều chế vector cũng thường được sử dụng. Phương pháp này có

thể cho tần số chuyển mạch thấp hơn với so với phương pháp PWM. Ưu điểm của

phương pháp này là khai thác tốt điện áp một chiều và dễ dàng áp dụng khi sử dụng

các bộ xử lý tín hiệu.

2.4.2.4 Điều khiển bộ nghịch lưu

Dựa trên việc tìm hiểu các ưu nhược điểm của hai bộ nghịch lưu đã trình bày ở

mục 2.4.2.1 đồ án sẽ lựa chọn mạch nghịch lưu cầu ba pha để mô phỏng.

Cấu trúc của bộ nghịch lưu cầu ba pha được thể hiện như trên hình 2.14. Pha A

của bộ nghịch lưu gồm có 2 khóa bán dẫn S1 và S4 và 2 điơt mắc song song ngược,

tài liệu [2,3]:



23



Hình 2.17 Mạch nghịch lưu cầu 3 pha



• Các tín hiệu điều khiển van, trình tự chuyển mạch và điện áp pha so với trung

tính một chiều N (VaN, VbN, VcN ):



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



Trình tự chuyển mạch như sau:













561(V1) 612(V2) 123(V3) 234(V4) 345(V5) 456(V6) 561(V1)

Trong đó 561 là: S5, S6, S1 dẫn/mở/on

• Điện áp dây và điện áp pha bộ nghịch lưu cầu 3 pha

- Điện áp dây: Vab, Vbc, Vca được xác định theo:

Vab= VaN – VbN

Vbc= VbN – VcN

Vca= VcN – VaN



24



- Điện áp pha: Van, Vbn, Vcn được xác định theo:

Van= 2/3VaN–1/3VbN –1/3VcN

Vbn= -1/3VaN +2/3VbN –1/3VcN

Vcn= -1/3VaN–1/3VbN +2/3VcN



Hình 2.19 Điện áp dây và điện áp pha



Để nâng cao chất lượng điện áp đầu ra nghịch lưu và giảm kích thước bộ lọc

các thuật toán điều chế được sử dụng để điều khiển các chuyển mạch. Một phương

pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp là phương pháp điều chế độ

rộng xung theo luật điều khiển SPWM

Nguyên tắc tạo xung điều khiển của SPWM: Tín hiều điều khiển có tần số

bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện áp ra của nghịch lưu sẽ được so sánh

với tín hiệu dạng răng cưa và tạo các xung có độ rơng tương ứng với các thời điểm

mà = .

- Khi > , VA0=VDC/2

- Khi < , VA0=-VDC/2



25



Hình 2.20 Nguyên tắc tạo xung của thuật toán điều chế SPWM



2.4.3 Bộ lọc tần số chuyển mạch

Để cải thiện dạng điện áp đi ra từ bộ biến đổi, người ta sử dụng bộ lọc thụ

động. Thông thường nhất là sử dụng bộ lọc là mạch cộng hưởng LC. Tuy nhiên bộ

lọc LC tạo ra những vấn đề nhất định, tài liệu [1,3,7,8] :

• Các trạng thái quá độ trong điện áp và dòng điện của bộ biến đổi, của tải hoặc

nguồn có thể làm mạch LC dao động cộng hưởng, gây ra các hài bậc cao

trong điện áp lưới.

• Các phần tử của bộ lọc gây giảm điện áp và tổn hao cơng suất tác dụng.

• Sự có mặt của bộ lọc gây phức tạp điều khiển hệ thống DVR

Hiệu quả lọc điện áp đầu ra của bộ biến đổi đạt được khác nhau thơng qua các

cách đấu nối thích hợp các phần tử thụ động L và C. Một số cấu trúc nối các phẩn tử

này được đưa ra ở hình 2.21 đến 2.25 tài liệu [1,7,8]. Trong đó có khảo sát vị trí

mắc tụ điện Cf khác nhau so với bộ biến đổi và ảnh hưởng của nó đến hoạt động của

DVR. Một số cấu trúc được sử dụng :

- Cấu trúc có tụ điện ở phía nguồn, hình 2.21.

- Cấu trúc có tụ điện ở phía nguồn và tải, hình 2.22.

- Cấu trúc có tụ điện song song với bộ biến đổi, hình 2.23.



Hình 2.21 Tụ điện kết nối phía nguồn



26



Hình 2.22 Tụ điện kết nối phía nguồn và tải



Cấu trúc có tụ điện ở phía nguồn, do điện áp chèn bị méo nên điện áp trên tải

cũng bị méo và chứa tất cả các thành phần liên quan đến tần số chuyển mạch của bộ

biến đổi. Cấu trúc có tụ điện ở phía nguồn và tải cho kết quả là điện áp tải không

chứa thành phần liên quan đến tần số chuyển mạch nhưng điện dung của tụ điện C inj

phụ thuộc chặt chẽ vào đặc tính của tải. Do đó, cấu trúc này khơng được khuyên

dùng.

Cấu trúc có tụ điện song song với bộ biến đổi ở hình 2.23. Điện áp bộ biến đổi

được lọc các thành phần hài do chuyển mạch của bộ biến đổi, giảm thiểu độ méo

điện áp trên tải. Do đo, cấu trúc này được khuyên dùng .



Hình 2.23 Cấu trúc bộ lọc có tụ điện kết nối song song với bộ biến đổi



Xét vị trí đặt của bộ lọc, cấu trúc bộ lọc có tụ điện kết nối song song thường

có 2 vị trí đặt :

- Bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi, hình 2.24.

- Bộ lọc RC ở phía nguồn, hình 2.25.

• Tính chất, đặc trưng khi bố trí bộ lọc ở phía bộ biến đổi.

- Điện áp danh định của các linh kiện nhỏ hơn, được xác định bởi điện áp cực

đại của bộ biến đổi, thường nhỏ hơn điện áp trên tải.

- Các hài bậc cao của dòng điện khơng chạy qua biến áp ghép.

- Giảm tốc độ gia tăng điện áp.

- Các phần bộ lọc gây ra giảm điện áp và dịch pha của thành cơ bản.



27



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

4 Cấu trúc của DVR

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×