- NGUYỄN MỸ DUNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BÙ ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƢỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN Chuyên ngành : Kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. - Nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù điện áp động DVR để nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện” Tôi xin cam đoan bản luận văn này được thực hiện bởi chính bản thân dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS.Bạch Quốc Khánh cùng với các tài liệu được trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo. - HỌC VIÊN Nguyễn Mỹ Dung Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ iii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu : Chữ viết tắt AC : Alternating Current DC : Direct Current DSTATCOM : Distribution Static Compensator DVR : Dynamic Voltage Restore GTO : Gate turn–off Thyristor SANH : Sụt giảm điện áp ngắn hạn ITIC : Information Technology Industry Council UPS : Bộ lưu điện PLL : Phase-Locked Loop SMES : Superconducting magnetic energy storage PWM : Pulse Width Modulation pu : Per unit VSC : Voltage Source Converter IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor MOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors IGCT : Integrated Gate Commutated Thyristors FFC : feed-forward control ANN : Articficial neural network control FL : Fuzzy logic control SVPWM : Space Vector pulse width modulation control Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU. - 4 SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN. - 5 1.2.Phân loại biến thiên điện áp ngắn hạn. - Ảnh hưởng của sụt giảm điện áp ngắn hạn. - 15 CHƢƠNG II THIẾT BỊ PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR. - Ứng dụng thiết bị DVR để nâng cao chất lượng điện năng. - 41 CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG MATLAB/SIMULINK SỬ DỤNG THIẾT BỊ DVR KHẮC PHỤC SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN DO KHỞI ĐỘNG TRỰC TIẾP ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA. - Xây dựng mô hình DVR cho khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ. - Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995. - Đường cong chịu đựng điện áp ITIC. - Biến thiên điện áp khi đóng lò luyện nhôm lớn. - Sơ đồ nguyên lý thiết bị DSTATCOM. - Sơ đồ nguyên lý thiết bị DVR. - Sơ đồ mạch điện một sợi của thiết bị DVR. - Sơ đồ vector phương pháp bù theo điện áp trước sự cố. - Sơ đồ vector phương pháp bù tối thiểu theo dung sai điện áp. - Sơ đồ điều khiển của thiết bị DVR. - Mô hình hệ thống thử nghiệm dùng thiết bị DVR bù SANH do khởi động động cơ không đồng bộ ba pha. - Sơ đồ mô phỏng SIMULINK thử nghiệm thiết bị DVR với khởi động động cơ không đồng bộ ba pha. - Trị số điện áp tại các phía của DVR cung cấp bằng ắc qui. - Điện áp đầu ra của DVR và điện áp động cơ khi ngưỡng phát hiện SANH được thiết lập đến 0,9Uđm. - Nguồn một chiều điện áp và dòng điện được ghi hình cung cấp bởi pin. - Điện áp một chiều khi sử dụng tụ điện có điện dung khác nhau. - Trị số điện áp tại các phía của DVR cung cấp bằng ắc qui, công suất động cơ là 4kW. - Trị số điện áp tại các phía của DVR cung cấp bằng ắc qui, công suất động cơ là 15kW. - Khi xem xét đến vấn đề chất lượng điện năng, quan tâm chủ yếu thường là chất lượng điện áp, Hiện tượng sụt áp ngắn hạn (SANH) là một trong những nguyên nhân gây ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng điện áp bởi tần suất xảy ra thường xuyên, có khả năng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự làm việc bình thường của rất nhiều thiết bị trong hệ thống. - 2.Tên đề tài Nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù điện áp động (DVR) để nâng cao chất lượng điện năng (khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn) trong lưới phân phối. - Chương 1: Tổng quan về biến thiên điện áp ngắn hạn. - Chương 3: Mô phỏng DVR để khắc phục biến thiên điện áp do khởi động các động cơ không đồng bộ 3 pha. - Các kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp sử dụng DVR cho hiệu qủa bù điện áp tốt hơn so với giải pháp sử dụng STASCOM vì SANH có thể được bù hoàn toàn. - Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ 4 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN 1.1. - Trong hợp đồng mua bán điện của các Công ty điện lực luôn có những điều khoản về chất lượng điện năng, đặc biệt là về chất lượng điện áp. - Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ thống điện theo IEEE 1159-1995 Nhóm Phạm vi phổ tần điển hình Khoảng thời gian điển hình Độ lớn điện áp điển hình 1. - Biến thiên điện áp ngắn hạn 2.1 Tức thời 2.1.1 Mất điện áp 2.1.2 Sụt áp (Sag) 2.1.3 Tăng áp (Swell) 2.2 Thoáng qua 2.2.1 Mất điện áp 2.2.2 Sụt áp 2.2.3 Tăng áp 2.3 Tạm thời 2.3.1 Mất điện áp 2.3.2 Sụt áp 2.3.3 Tăng áp 0.5 – 30 chu kỳ 0.5 – 30 chu kỳ 0,5 – 30 chu kỳ 30 chu kỳ - 3 s 30 chu kỳ - 3 s 30 chu kỳ - 3 s 3 s – 1 phút 3 s – 1 phút 3 s – 1 phút < 0,1 pu 0,1 – 0,9 pu 1,1 – 1,8 pu 1 phút > 1 phút > 1 phút 0.0 pu 0.8 – 0.9 pu 1,1 – 1,2 pu 4. - Mất cân bằng điện áp Trạng thái ổn định . - Dao động điện áp < 25 Hz 0,1 – 7% 7. - Biên độ điện áp (Uđm) Quá độ Quá điện áp ngắn hạn Qúa điện áp 110% 90% Điện áp làm việc bình thƣờng Quá độ Sụt giảm điện áp ngắn hạn (sag) Điện áp thấp 10% Thoáng qua Tức thời Ngắt điện duy trì 0.5 cycle 3 sec 1 min Thời gian Hình 1.1. - Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE Trong các hiện tượng điện từ trường nêu trên, có hai hiện tượng được xác định là quan trọng đối với khách hàng sử dụng điện, đó là biến thiên điện áp và sóng hài. - Đối với hiện tượng biến thiên điện áp, theo IEEE nếu điện áp tăng vượt 10% so với điện áp định mức được coi là hiện tượng quá điện áp, nếu điện áp dưới 10% so với điện áp định mức được thì gọi là sụt giảm điện áp, nếu hiện tượng xảy ra trong vòng từ 0,5 chu kỳ đến 1 phút được coi là biến thiên điện áp ngắn hạn, nếu vượt 1 phút là biến thiên điện áp duy trì (Hình 1.1). - Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ 8 1.2.Phân loại biến thiên điện áp ngắn hạn: Theo biên độ, các hiện tượng biến điện áp ngắn hạn được phân thành. - Sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH): Là hiện tượng giảm của biên độ điện áp xuống còn từ 10-90% của điện áp định mức trong thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1 phút. - Quá điện áp ngắn hạn: Là hiện tượng tăng biên độ điện áp từ 110-180% điện áp trong khoảng thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1 phút. - Mất điện ngắn hạn: Là hiện tượng giảm biên độ điện áp xuống dưới 10% mức điện áp định mức trong thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1 phút. - Theo thời gian tồn tại, có thể phân thành - Sự kiện tức thời (Instantaneous): Là sự kiện biến thiên điện áp tồn tại từ 0,5 đến 30 chu kỳ - Sự kiện thoảng qua (Momentary): Là sự kiện biến thiên điện áp tồn tại từ 30 chu kỳ đến 3s - Tạm thời (Temporary): Là sự kiện biến thiên điện áp tồn tại từ 3s đến 1 phút. - Theo hình dạng của thiên hiệu dụng của biên độ sự kiện, có thể phân thành - Sự kiện chữ nhật: Khi biên độ điện áp không thay đổi trong thời gian tồn tại biến thiên điện áp ngắn hạn. - Sự kiện không chữ nhật: Khi biên độ điện áp thay đổi trong thời gian tồn tại biến thiên điện áp ngắn hạn. - Luận văn chỉ tập trung giải quyết đưa ra các đánh giá về các vấn đề ảnh hưởng của SANH trên lưới phân phối, tức là các hiện tượng điện áp bị tụt dưới 10% điện áp định mức và xảy ra trong thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1 Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ 9 phút, cũng như các biện pháp khắc phục tác động của hiện tượng chất lượng điện năng này sử dụng thiết bị DVR (Chương 2). - Biên độ SANH: sai khác giữa điện áp định mức và điện áp còn lại khi sụt giảm. - Thời gian tồn tại SANH được tính từ khi điện áp xuống dưới ngưỡng (0,9Uđm) đến khi phục hồi trở lại. - Chỉ tiêu SARFIx: Trong đó: x: Giá trị điện áp ngưỡng (10%-90%)Uđm. - Công thức này có nghĩa là khi điện áp sụt giảm tới ngưỡng x% thì sẽ có bao nhiêu phần trăm số phụ tải bị ảnh hưởng trong tổng số phụ tải. - Chỉ tiêu SARFIx-curve Trong đó: x: Giá trị điện áp ngưỡng (10%-90%)Uđm i: Sự kiện thứ i gây ra SANH Ni’: Số lượng phụ tải chịu sụt áp trong miền nguy hiểm của các đường cong tiêu chuẩn SEMI, ITIC, CBEMA. - CURVE: Đường cong chịu đựng điện áp. - đã được chế tạo với khả năng chịu điện áp theo thời gian. - Thông thường, nếu mức độ sụt giảm điện áp càng lớn thì thời gian chịu đựng được của thiết bị càng ngắn và ngược lại.Các đường cong tiêu chuẩnSEMI, ITIC, CBEMA tiêu chuẩn hóa mối quan hệ này. - Đường cong chịu đựng điện áp ITIC Do vậy, chỉ tiêu SARFIx-curve có ý nghĩa là tại mức độ sụt áp x% thì sẽ có bao nhiêu phần trăm số lượng phụ tải bị ảnh hưởng, tính cả đến khả năng chịu sụt áp theo thời gian của thiết bị. - Dao động công suất phản kháng do hoạt động máy hồ quang lò nấu thép… Đường quá ápĐường thấp áp0,5 chu kỳVùng làmviệc đượcThời gian (s)Điện áp phần trăm Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ 12 Hình 1.3 là ví dụ SANH khi có động cơ không đồng bộ công suất lớn khởi động Điện áp (%)Thời gian (s)Biến thiên giá trị hiệu dụng Hình 1.3. - Biến thiên điện áp khi đóng lò luyện nhôm lớn 1.5. - Ảnh hƣởng của sụt giảm điện áp ngắn hạn Các thiết bị hiện đại hiện nay ngày càng nhạy cảm với điện áp, hơn nữa sụt giảm điện áp là một trong những nguyên nhân chính gây nhiễu loạn quá trình điện từ: Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ 13 - Các quá trình điều khiển các thiết bị điện tử công suất, cảm biến, điều khiển máy tính, PLCs điều khiển tốc độ động cơ, hoạt động các rơle dễ bị ảnh hưởng bởi sụt điện áp. - Nhiều thiết bị phải ngừng hoạt động khi điện áp sụt giảm xuống dưới 90% điện áp danh định chỉ trong thời gian 2 chu kỳ. - Các quá trình điều khiển công nghiệp rất nhạy cảm với sự thay đổi điện áp. - Việc bị ngừng do sụt giảm điện áp dẫn đến phá hỏng cả quá trình sản xuất liên tục. - Vì thế hầu hết các quá trình sản xuất công nghiệp đều được trang bị bảo vệ chống sụt điện áp. - Điện áp phía một chiều thường được trang bị các bảo vệ điện áp thấp và điện áp cao. - Khi điện áp giảm dưới 85% giá trị bình thường tín hiệu cắt sẽ được gửi đi sau vài chu kỳ. - Vì thế quá trình điều khiển tốc độ cũng rất nhạy cảm với điện áp. - Động cơ đồng bộ, không đồng bộ có thể ngừng máy khi điện áp sụt giảm trong thời gian kéo dài hoặc tốc độ và momen thay đổi gây mất đồng bộ. - Sụt điện áp làm cho động cơ không thể khởi động do điện áp thấp. - Sử dụng các bảo vệ với thời gian cắt nhanh hơn để giảm thời gian tồn tại sụt áp ngắn hạn - Sử dụng các thiết bị bù chủ động để duy trì điện áp. - Sử dụng các bộ lưu điện (UPS) để chủ động tự duy trì điện áp tại phụ tải. - Thiết bị này kiểm soát điện áp điểm nối bằng cách bù một dòng điện có điều khiển vào điểm nối thông qua máy biến áp ghép. - Sơ đồ nguyên lý thiết bị DSTATCOM - Thiết bị DVR là loại thiết bị được thiết kế với chức năng cơ bản là khi xảy ra biến động điện áp trên lưới, thiết bị sẽ thêm một lượng điện áp được điều khiển bởi nghịch lưu qua máy biến áp ghép vào nút tải để khôi phục lại điện áp cấp của phụ tải. - Do được ghép nối tiếp vào hệ thống nên điện áp trên tải sẽ bằng tổng điện áp cung cấp từ nguồn và điện áp DVR thêm vào. - Kết luận Biến thiên điện áp ngắn hạn là một trong những hiện tượng chất lượng điện năng rất hay xảy ra trong hệ thống điện có nhiều sự cố ngắn mạch hoặc hệ thống điện công nghiệp khi các quá trình khởi động các phụ tải động công suất lớn xảy ra thường xuyên. - Để ngăn ngừa SANH, giải pháp sử dụng thiết bị DVR là một trong những giải pháp hiệu quả nhất bởi thiết bị này có khả năng khôi phục điện áp trên tải đến giá trị mong muốn với thuật toán điều khiển tương đối đơn giản, dải hoạt động rộng, điện áp từ vài trăm V đến hàng chục kV, công suất hàng chục MVA, thích ứng với nhiều loại tải khác nhau, khả năng hoạt động ổn định và tin cậy, hiệu suất cao. - Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ 17 CHƢƠNG II THIẾT BỊ PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) 2.1 Tổng quan Như đã trình bày ở Chương 1, sử dụng các thiết bị điều hoà công suất (Custom Power Device) là một trong các giải pháp hiệu quả để giải quyết những vấn về chất lượng điện năng. - Một trong số những thiết bị này là thiết bị phục hồi điện áp động (DVR). - Thiết bị DVR là thiết bị bù nối tiếp trong lưới điện, nó sẽ tạo ra một điện áp nối tiếp với điện áp nguồn của hệ thống để điều chỉnh điện áp tại phụ tải. - Nó thường được lắp đặt trên lưới điện trung thế tại điểm kết nối giữa lưới điện cấp và các phụ tải quan trọng để duy trì chất lượng điện áp tại đầu cực phụ tải. - Một trong những tác dụng cơ bản của nó là nhanh chóng bù điện áp phụ tải khi xảy ra hiện tượng SANH trên lưới điện nhằm tránh cho việc gián đoạn hoạt động của phụ tải. - Bên cạnh chức năng bù điện áp khi sụt giảm hoặc tăng điện áp ngắn hạn, thiết bị DVR cũng khắc phục được một số hiện tượng chất lượng điện năng khác như ngăn chặn sự lan truyền của sóng hài điện áp trong lưới điện, giảm dao động điện áp. - Trong luận văn này chỉ xem xét tác dụng của DVR khắc phụ sụt giảm điện áp ngắn hạn. - Dựa trên các tín hiệu điều khiển, điện áp bù được tạo ra bởi bộ nghịch lưu áp trong các mạch điện. - Bộ nghịch lưu nguồn điện áp (Voltage Source Converter - VSC) biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều dạng bậc thang. - Bộ lọc sóng hài sẽ lọc các sóng hài đặc trưng để đưa sóng điện áp ra của VSC gần với sóng điện áp hình SIN của lưới điện. - Bộ nguồn một chiều Nhiệm vụ của bộ phận này là cung cấp năng lượng một chiều cần thiết để DVR bù điện áp thiếu hụt công suất hay điện áp trên mạch điện khi có hiện tượng chất lượng điện năng xảy ra chẳng hạn sụt áp ngắn hạn. - Nguồn một chiều sử dụng bộ tích trữ năng lượng để cung cấp công suất yêu cầu cho bù phần điện áp sụt giảm. - Khả năng bù cực đại của một thiết bị DVR đối với sụt điện áp ngắn hạn phụ thuộc vào mức cấp công suất tác dụng của bộ tích năng. - Trong các ứng dụng DVR, bộ nghịch lưu nguồn áp được sử dụng để tạm thời thay thế điện áp cấp hoặc để tạo ra một phần của điện áp cấp cho phần điện áp thiếu hụt. - Quá trình đóng của GTO bao gồm thời gian trễ đóng và thời gian tăng dòng, mà trong thời gian đó điện áp trên GTO giảm đến giá trị 10% so với giá trị bán đầu. - Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ 21 GTO có trạng thái ngắt khi điện áp trên cực Anode âm so với cực Cathode. - trạng thái ngắt khi điện áp trên cực Anode dương so với cực Cathode. - Điện áp định mức hoạt động của GTO lên đến vài kV và dòng điện hoạt động đến vài kA. - Mạch điều khiển gắn vào điện cực G-S và điện áp điểu khiển UBE. - b) Ký hiệu Khi điện áp cổng Gate có giá trị dương đủ lớn so với Source, điện tử từ lớp n+ sẽ dịch chuyển sang cổng p. - DVR dùng nguồn ắc qui được giả thiết có công suất đủ lớn (mô phỏng trong Simulink là nguồn có điện áp không đổi. - Điện áp đầu cực động cơ có thể dao động khi công suất động cơ thăng cao. - Học viên: Nguyễn Mỹ Dung – Lớp: 11BKTĐHTĐ 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn nghiên cứu hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH) do khởi động các động cơ điện trong lưới điện công nghiệp và sử dụng thiết bị phục hồi áp động DVR để khắc phục SANH nhằm nâng cao chất lượng điện năng trên lưới điện
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt