Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu Điều khiển Bộ Khôi Phục Điện Áp Động (DVR) Bù Lõm Điện Áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------- TRTRẦN DUY TRINH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) ĐỂ BÙ LÕM ĐIỆN ÁP CHO PHỤ TẢI QUAN TRỌNG TRONG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình của tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Cáckết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất cứ một luận án nào khác. Tác giả luận án LUẬN ÁN TIẾN SĨTrần ĐIỂUDuyKHIỂN Trinh VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI-2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------- TRTRẦN DUY TRINH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) ĐỂ BÙ LÕM ĐIỆN ÁP CHO PHỤ TẢI QUAN TRỌNG TRONG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP Chuyên nghành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.

Trần Trọng Minh 3. Nguyễn Văn Liễn HÀ NỘI-2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình của tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng trong bất cứ một luận án nào khác.

Tác giả luận án Trần Duy Trinh LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đề tài, tác giả đã gặp nhiều khó khăn. Một mặt do trình độ còn hạn chế, một mặt do thông tin tư liệu và tài liệu tham khảo không thật đầy đủ, song tác giả đã rất cố gắng và được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ của các GS, PGS, TS trong Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp Công nghiệp, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè đồng nghiệp, luận án đến nay đã hoàn thành. Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp Công nghiệp-Viện Điện, Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã dành thời gian và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian thực hiện đề tài. Chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của Nhà máy Xi măng Hoàng Mai, Tỉnh Nghệ An đã dành cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình khảo sát thực tế, thực hiện luận án.

Chân thành cảm ơn Viện Đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và động viên tác giả trong thời gian nghiên cứu hoàn thành luận án. Tác giả vô cùng biết ơn PGS. Nguyễn Văn Liễn và TS. Trần Trọng Minh những người đã định hướng, hướng dẫn, giúp tác giả hoàn thành các nhiệm vụ đặt ra cho luận án.

Chân thành cảm ơn các GS, PGS, TS, các thầy cô giáo đã dành thời gian đọc và đóng góp những ý kiến quý báu làm luận án có tính khoa học hơn. Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án. Tác giả luận án MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa. Lời cam đoan.

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt. Danh mục các bảng biểu. Danh mục các hình vẽ, đồ thị.1 Chƣơng 1: GIẢM THIỂU ẢNH HƢỞNG CỦA LÕM BẰNG BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) .1 Chất lượng điện năng và vấn đề lõm điện áp.1 Chất lượng điện năng .2 Bộ khôi phục điện áp động (DVR) .1 Các thiết bị giảm thiểu lõm điện áp .2 Giảm thiểu lõm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp động (DVR) .3 Điều khiển DVR .1 Điểu khiển trong hệ tọa độ tự nhiên .2 Điều khiển vector .4 Tóm tắt và kết luận. 27 Chƣơng 2: CẤU TRÚC BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG.1 Các thành phần cơ bản của bộ khôi phục điện áp động .2 Bộ biến đổi .1 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp .2 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới trực tiếp .3 Các phương pháp điều chế .3 Bộ lọc tần số chuyển mạch .4 Máy biến áp nối tiếp .5 Năng lượng hệ thống DVR .1 Các kiểu DVR cấp nguồn từ bộ lưu trữ năng lượng .2 Các kiểu DVR không có bộ lưu trữ năng lượng .3 Các phương pháp tích trữ năng lượng .6 Bảo vệ DVR .1 Bảo vệ ngắn mạch .2 Bảo vệ trước sự tăng điện áp phía DC-link .3 Bảo vệ hở mạch lưới .7 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc cho DVR .8 Tóm tắt và kết luận.

43 Chƣơng 3: ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG .1 Các chế độ hoạt động và hạn chế của DVR .2 Các phương pháp tạo điện áp chèn vào .1 Phương pháp tạo điện áp chèn với lõm điện áp cân bằng .2 Phương pháp tạo điện áp chèn với lõm điện áp không cân bằng .3 Những yếu tố ảnh hưởng và những đặc điểm của tải cần quan tâm khi lựa chọn phương pháp .3 Mô hình toán học của VSC và bộ lọc LC nối lưới .4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp tải đáp ứng điều kiện điện áp mất cân bằng .1 Cấu trúc điều khiển dùng một mạch vòng điện áp .2 Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng .3 Cấu trúc điều khiển DVR .5 Xây dựng thuật toán điều khiển .1 Mô hình DVR trên hệ tọa độ tĩnh αβ và tọa độ quay dq .2 Thuật toán điều khiển trên hệ tọa độ quay dq .3 Thuật toán điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ .6 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện .1 Dẫn xuất bộ điều khiển PR .2 Cấu trúc bộ điều khiển PR .3 Tính toán tham số bộ điều khiển PR.7 Thiết kế bộ điều khiển điện áp SDR .8 Nghiên cứu ổn định .9 Đồng bộ lưới .1 Phương pháp điểm qua không .2 Phương pháp Arctangent .3 Kỹ thuật PLL .10 Phát hiện lõm điện áp .11 Điều khiển DC-link .12 Tóm tắt và kết luận. 91 Chƣơng 4: GIẢI PHÁP ÁP DỤNG DVR CHO XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP .1 Ảnh hưởng của lõm điện áp đến các xí nghiệp công nghiệp .1 Ảnh hưởng của lõm điện áp đến các thiệt bị điện công nghiệp.2 Khảo sát ảnh hưởng của lõm điện áp đối với một xí nghiệp công nghiệp điển hình .2 Ứng dụng DVR vào thực tế .1 Kết quả khảo sát và các tham số ban đầu.2 Thiết kế các thành phần của DVR .1 Xây dựng mô hình mô phỏng .2 Kết quả mô phỏng.4 Tóm tắt và kết luận. 124 Chƣơng 5: XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM DVR.1 Xây dựng bàn thí nghiệm.1 Phần động lực hệ thống.2 Phần điều khiển .2 Cài đặt thuật toán điều khiển .3 Kết quả nghiên cứu thí nghiệm.1 Kiểm tra khả năng đồng bộ lưới.2 Kiểm tra khả năng bù lõm của DVR ở chế độ tĩnh.3 Kiểm tra khả năng của DVR ở chế độ động .4 Tóm tắt kết luận. 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

135 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 142 Phụ lục 1: Chuyển đổi các hệ trục tọa độ. 142 Phụ lục 2: Kết quả khảo sát thực trạng lưới điện 220/110kV Nghi Sơn và các biến cố điện áp trên lưới điện 110kV Hoàng Mai.

145 Phụ lục 3: Một số hình ảnh về mô hình thực nghiệm. 152 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Bảng 1: Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Tên gọi usa(t), usb(t), usc(t) Các điện áp pha nguồn ug,a(t), ug,b(t), ug,c(t) Các điện áp pha lưới ig,a(t), ig,b(t), ig,c(t) Các dòng điện pha lưới uinja(t), uinjb(t), uinjc(t) Các điện áp pha chèn vào của DVR. iinj,a(t), iinj,b(t),iinj,c(t) Các dòng điện pha chèn vào uinj,ref Điện áp chèn vào đặt uinv,a(t),uinv,b(t),uinv,c(t) Các điện áp pha của bộ biến đổi uc,a(t), uc,b(t), uc,c(t) Các điện áp pha trên tụ điện Cf của bộ lọc uL,a(t), uL,b(t), uL,c(t) Các điện áp pha tải u*L Điện áp tải đặt usabc Điện áp nguồn trên hệ tọa độ tự nhiên abc. ugabc Điện áp lưới trên hệ tọa độ tự nhiên abc.

iinjabc Dòng điện chèn vào trên hệ tọa độ tự nhiên abc. ifabc Dòng điện cuộn cảm bộ lọc LC trên hệ tọa độ tự nhiên uLabc* Điện áp tải đặt trên hệ tọa độ tự nhiên abc. uinjabc* Điện áp chèn vào đặt trên hệ tọa độ tự nhiên abc. uinvabc Điện áp bộ biến đổi trên hệ tọa độ tự nhiên abc.

usαβ Vector điện áp nguồn trên hệ tọa độ tĩnh αβ. ugαβ Vector điện áp lưới trên hệ tọa độ tĩnh αβ iinjαβ Vector dòng điện chèn vào trên hệ tọa độ tĩnh αβ ifαβ Vector dòng điện cuộn kháng bộ lọc LC trên hệ tọa độ tĩnh uLαβ* Vector điện áp tải đặt trên hệ tọa độ tĩnh αβ uinjαβ* Vector điện áp chèn vào đặt trên hệ tọa độ tĩnh αβ uinvαβ Vector điện áp bộ biến đổi trên hệ tọa độ tĩnh αβ usdq Vector điện áp nguồn trên hệ tọa độ quay dq. ugdq Vector điện áp lưới trên hệ tọa độ quay dq iinjdq Vector dòng điện chèn vào trên hệ tọa độ quay dq ifdq Vector dòng điện cuộn kháng bộ lọc LC trên hệ tọa độ quay uLdq* Vector điện áp tải đặt trên hệ tọa độ quay dq uinjdq* Vector điện áp chèn vào đặt trên hệ tọa độ quay dq uinvdq Vector điện áp bộ biến đổi trên hệ tọa độ quay dq ig,a(t), ig,b(t), ig,c(t) Các dòng điện pha lưới udc(t) Điện áp phía một chiều. Cf Tụ điện bộ lọc đầu ra Lf Điện cảm bộ lọc đầu ra Rf Điện trở bộ lọc đầu ra ff Tần số cộng hưởng của bộ lọc CDC Tụ điện phía một chiều E Năng lượng phát ra của DVR trong khi bù lõm  Hệ số giảm điện áp của điện áp nguồn cung cấp m Hệ số điều chế U(1) Điện áp cơ bản  Hệ số tắt dần D Độ sâu lõm điện áp uL Vector điện áp tải ug Vector điện áp lưới uinj Vector điện áp chèn vào Sinj Công suất toàn phần bơm vào lưới Sload Công suất toàn phần của tải.