Luận án TS Điều khiển DVR bù lõm điện áp cho phụ tải quan trọng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu về điều khiển bộ khôi phục điện áp động DVR và ứng dụng tự động hóa để bù lõm điện áp, bảo vệ phụ tải quan trọng trong xí nghiệp

• Tác giả: Trần Duy Trinh
• Người hướng dẫn: Trần Trọng Minh
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: 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
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ khôi phục điện áp động DVR

Bộ khôi phục điện áp động DVR (Dynamic Voltage Restorer) là thiết bị bù công suất series chuyên dụng trong hệ thống phân phối điện năng. DVR hoạt động bằng cách chèn điện áp bù nối tiếp vào đường dây cấp nguồn cho phụ tải. Khi điện áp lưới xảy ra lõm, DVR phát hiện sự sụt giảm và tạo ra điện áp bù thích hợp để duy trì điện áp tải ở mức danh định. Thiết bị này bao gồm các thành phần chính: bộ biến đổi nguồn điện áp VSC (Voltage Source Converter), bộ lưu trữ năng lượng thường là tụ DC-link, máy biến áp nối tiếp và bộ điều khiển kỹ thuật số. DVR được ứng dụng rộng rãi trong các xí nghiệp công nghiệp có phụ tải nhạy cảm như dây chuyền sản xuất xi măng, nhà máy hóa chất và hệ thống tự động hóa nhà máy. Ưu điểm nổi bật của DVR là thời gian đáp ứng nhanh, khả năng bù chính xác biên độ và pha của điện áp. Công trình nghiên cứu của Trần Duy Trinh tại Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2014 đã tập trung phát triển thuật toán điều khiển DVR nhằm nâng cao hiệu quả bù lõm điện áp cho phụ tải quan trọng trong môi trường công nghiệp thực tế.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của DVR

DVR có cấu trúc gồm ba phần chính: bộ biến đổi nguồn điện áp VSC, hệ thống lưu trữ năng lượng trên tụ DC-link và máy biến áp nối tiếp ghép series với đường dây cấp tải. Nguyên lý hoạt động dựa trên phép đo liên tục điện áp nguồn đầu vào. Khi điện áp lưới bị sụt giảm vượt ngưỡng cho phép, bộ điều khiển tính toán điện áp bù cần thiết. VSC tạo ra điện áp bù qua máy biến áp nối tiếp để chèn vào mạch nguồn-tải. Điện áp tải sau khi bù được đưa về mức trên 90% giá trị danh định, đảm bảo hoạt động ổn định của phụ tải nhạy cảm trong xí nghiệp công nghiệp.

1.2. Phân loại các cấu hình DVR hiện nay

DVR được phân loại thành hai cấu hình chính dựa trên cách quản lý điện áp DC-link. Cấu hình thứ nhất sử dụng điện áp DC-link thay đổi, trong đó tụ CDC phóng năng lượng ra tải trong quá trình bù mà không cần bộ lưu trữ năng lượng phụ trợ. Cấu hình thứ hai sử dụng điện áp DC-link không đổi với bộ lưu trữ năng lượng độc lập và bộ biến đổi DC/DC để duy trì điện áp ổn định trên tụ. Mỗi cấu hình có ưu nhược riêng: cấu hình một có công suất định mức VSC thấp hơn, cấu hình hai cho phép bù lõm điện áp kéo dài thời gian dài hơn nhờ nguồn năng lượng bổ sung liên tục.

II. Phân tích vấn đề lõm điện áp trong xí nghiệp công nghiệp

Lõm điện áp (voltage sag) là hiện tượng giảm đột ngột biên độ điện áp xuống mức 10-90% giá trị danh định trong thời gian ngắn từ 0,5 chu kỳ đến 1 phút. Đây là sự cố phổ biến nhất trong hệ thống điện công nghiệp, chiếm hơn 70% các vấn đề chất lượng điện năng. Nguyên nhân gây lõm điện áp bao gồm ngắn mạch trên đường dây, khởi động động cơ công suất lớn, thay đổi tải đột ngột và sự cố thiết bị điện. Trong xí nghiệp công nghiệp như nhà máy xi măng Hoàng Mai tại Nghệ An, lõm điện áp gây ra hậu quả nghiêm trọng. Các thiết bị điều khiển kỹ thuật số, hệ thống PLC, biến tần và rơ-le bảo vệ có thể bị ngắt hoặc hoạt động sai. Dây chuyền sản xuất bị dừng đột ngột dẫn đến sản phẩm lỗi, lãng phí nguyên liệu và thiệt hại kinh tế lớn. Nghiên cứu chỉ ra rằng một lần lõm điện áp kéo dài 0,5 giây có thể gây thiệt hại hàng trăm triệu đồng cho xí nghiệp quy mô vừa. Vì vậy, giải pháp bù lõm điện áp là yêu cầu cấp thiết để bảo vệ phụ tải quan trọng trong sản xuất công nghiệp.

2.1. Tác động của lõm điện áp đến thiết bị công nghiệp

Lõm điện áp gây ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều loại thiết bị trong xí nghiệp công nghiệp. Động cơ xoay chiều bị giảm mô-men xoắn, có thể dừng quay nếu điện áp giảm sâu dưới 70%. Biến tần và bộ điều khiển servo ngắt bảo vệ khi điện áp rơi xuống dưới ngưỡng cài đặt. Hệ thống chiếu sáng bị nhấp nháy, thiết bị điện tử bị nhiễu loạn tín hiệu. Đối với dây chuyền sản xuất liên tục, mỗi lần dừng máy gây ra thời gian khôi phục dài, tăng chi phí vận hành và giảm năng suất. Bảo vệ phụ tải khỏi lõm điện áp là nhiệm vụ then chốt trong quản lý chất lượng điện năng công nghiệp.

2.2. Hiện trạng chất lượng điện năng tại Việt Nam

Chất lượng điện năng tại Việt Nam còn nhiều hạn chế, đặc biệt ở các khu công nghiệp xa trung tâm nguồn điện. Hệ thống lưới điện phân phối chịu nhiều áp lực do tăng trưởng phụ tải nhanh, cơ sở hạ tầng cũ kỹ. Tình trạng lõm điện áp xảy ra thường xuyên do sự cố đường dây, sét đánh và quá tải máy biến áp phân phối. Các xí nghiệp sử dụng thiết bị nhạy cảm ngày càng tăng nhưng giải pháp bảo vệ chất lượng điện năng chưa được đầu tư đồng bộ. Nghiên cứu phát triển DVR phù hợp với điều kiện lưới điện Việt Nam là hướng nghiên cứu có tính ứng dụng thực tiễn cao.

III. Giải pháp điều khiển DVR để bù lõm điện áp cho phụ tải

Giải pháp điều khiển DVR trong luận án sử dụng thuật toán phát hiện lõm điện áp dựa trên phương pháp chuyển đổi Park và bộ điều khiển PI cải tiến. Hệ thống điều khiển thực hiện ba chức năng chính: phát hiện nhanh sự thay đổi điện áp nguồn, tính toán điện áp bù cần thiết và điều khiển VSC tạo ra điện áp chèn chính xác. Phương pháp chuyển đổi Park cho phép tách các thành phần d và q của điện áp, từ đó xác định nhanh biên độ và pha của điện áp lõm. Bộ điều khiển PI được tối ưu hóa để đạt thời gian đáp ứng ngắn nhất có thể, đảm bảo quá trình chuyển tiếp mượt mà khi DVR bắt đầu bù. Hệ thống PWM điều khiển các van bán dẫn trong VSC với tần số cao để tạo sóng điện áp bù có chất lượng tốt. Nghiên cứu cũng đề xuất cấu trúc DVR với điện áp DC-link thay đổi để giảm công suất định mức của VSC, phù hợp với điều kiện kinh tế kỹ thuật tại các xí nghiệp công nghiệp Việt Nam. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy DVR có khả năng bù lõm điện áp lên đến 30% trong thời gian đáp ứng dưới 5 miligiây.

3.1. Thuật toán phát hiện và điều khiển điện áp bù

Thuật toán phát hiện lõm điện áp sử dụng phép biến đổi Park ba pha sang hệ tọa độ d-q để chuyển tín hiệu điện áp xoay chiều thành thành phần DC. Khi điện áp lưới bình thường, thành phần d giữ giá trị hằng số và thành phần q bằng không. Khi xảy ra lõm, cả hai thành phần thay đổi đột ngột, cho phép phát hiện sự cố trong thời gian cực ngắn. Bộ điều khiển PI tính toán điện áp bù dựa trên sai lệch giữa điện áp thực tế và điện áp tham chiếu. Điện áp bù được biến đổi ngược sang hệ ba pha để điều khiển VSC tạo ra điện áp chèn nối tiếp phù hợp.

3.2. Thiết kế mạch công suất VSC và hệ thống lưu trữ năng lượng

Mạch công suất VSC sử dụng cấu trúc cầu nghịch lưu ba pha với các van bán dẫn IGBT hoặc MOSFET điều chế PWM. Tần số chuyển mạch cao đảm bảo sóng điện áp đầu ra có độ méo hài thấp. Hệ thống lưu trữ năng lượng bao gồm tụ DC-link với dung lượng được tính toán dựa trên mức bù lõm điện áp và thời gian bù yêu cầu. Với cấu hình điện áp DC-link thay đổi, năng lượng bù được lấy trực tiếp từ tụ mà không cần nguồn bổ sung. Điều này đơn giản hóa thiết kế nhưng giới hạn thời gian bù. Cấu hình điện áp DC-link không đổi sử dụng bộ biến đổi DC/DC kết nối nguồn lưu trữ phụ trợ để kéo dài thời gian hoạt động liên tục.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của DVR trong công nghiệp

Nghiên cứu điều khiển bộ khôi phục điện áp động DVR đã đạt được các kết quả quan trọng về mặt lý thuyết và thực tiễn. Hệ thống DVR được thiết kế có khả năng bù lõm điện áp hiệu quả với thời gian đáp ứng nhanh, đảm bảo điện áp tải luôn duy trì trên mức 90% giá trị danh định. Thuật toán điều khiển dựa trên biến đổi Park kết hợp bộ PI cải tiến cho phép phát hiện và bù lõm điện áp chính xác, kể cả trong điều kiện nhiễu và biến động phức tạp của lưới điện công nghiệp. Kết quả thực nghiệm tại nhà máy xi măng Hoàng Mai xác nhận tính khả thi của giải pháp. DVR giúp giảm đáng kể số lần dừng sản xuất do lõm điện áp, nâng cao độ tin cậy cấp điện cho phụ tải quan trọng. Giải pháp này có tính kinh tế cao so với các thiết bị UPS truyền thống, phù hợp với điều kiện đầu tư của xí nghiệp công nghiệp Việt Nam. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp DVR với hệ thống quản lý năng lượng thông minh và ứng dụng thuật toán điều khiển thích ứng để nâng cao hiệu suất bù trong mọi điều kiện vận hành.

4.1. Kết quả thực nghiệm tại nhà máy xi măng Hoàng Mai

Thiết bị DVR được lắp đặt và thử nghiệm thực tế tại nhà máy xi măng Hoàng Mai, tỉnh Nghệ An. Điều kiện lưới điện tại khu vực này thường xuyên xảy ra lõm điện áp do ảnh hưởng của sét và sự cố đường dây truyền tải. Kết quả thực nghiệm cho thấy DVR bù thành công các lõm điện áp có biên độ giảm tới 30% với thời gian đáp ứng dưới 5 miligiây. Điện áp tải được duy trì ổn định, các thiết bị điều khiển và dây chuyền sản xuất hoạt động liên tục không bị gián đoạn. Số lần dừng máy do lõm điện áp giảm hơn 85% so với khi chưa có DVR.

4.2. Tiềm năng phát triển và ứng dụng rộng rãi DVR

DVR có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp tại Việt Nam. Các lĩnh vực sản xuất nhạy cảm với chất lượng điện năng như chế biến thực phẩm, dược phẩm, điện tử và luyện kim đều cần thiết bị bảo vệ phụ tải khỏi lõm điện áp. Chi phí đầu tư DVR thấp hơn nhiều so với hệ thống UPS cùng công suất. Hướng phát triển tương lai bao gồm ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán và điều khiển thích ứng, tích hợp DVR vào hệ thống lưới điện thông minh microgrid và phát triển DVR đa chức năng có khả năng bù đồng thời nhiều loại nhiễu chất lượng điện năng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong hệ thống điện hiện đại, việc ứng dụng các thiết bị bán dẫn công suất lớn và tự động hóa cao ngày càng phổ biến trong các xí nghiệp công nghiệp. Tuy nhiên, các thiết bị nhạy cảm như bộ biến đổi tần số, hệ thống điều khiển vi xử lý, máy vi tính và robot công nghiệp rất dễ bị gián đoạn hoạt động trước các biến cố điện áp. Trong các loại nhiễu loạn chất lượng điện năng theo các tiêu chuẩn quốc tế (như IEEE 1159-1995, IEC 61000, EN 50160), hiện tượng lõm điện áp (voltage sag/dip) là sự cố xảy ra với tần suất cao nhất (chiếm tới hơn 60–80% các biến cố nguồn). Lõm điện áp được định nghĩa là sự sụt giảm tức thời giá trị điện áp hiệu dụng (RMS) xuống khoảng 10% đến 90% so với định mức, kéo dài từ nửa chu kỳ lưới (0,01 giây) đến dưới 60 giây.

Mặc dù diễn ra trong thời gian rất ngắn, lõm điện áp có thể làm dừng các biến tần điều khiển động cơ then chốt, ngắt quãng dây chuyền sản xuất liên tục (như trong nhà máy xi măng, cán thép, hóa chất), dẫn đến thiệt hại kinh tế nghiêm trọng do thời gian tái khởi động kéo dài. Các giải pháp truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế: cải tạo hệ thống điện phân phối đòi hỏi chi phí đầu tư lớn và nằm ngoài tầm quản lý của doanh nghiệp; giải pháp nguồn liên tục (UPS) công suất lớn quá đắt đỏ và tổn thất vận hành cao vì phải gánh toàn bộ công suất tải; các thiết bị cơ điện như bộ máy phát - động cơ bánh đà cồng kềnh, ồn và bảo trì phức tạp.

Bộ khôi phục điện áp động (Dynamic Voltage Restorer - DVR) nối tiếp giữa nguồn và tải là giải pháp kinh tế và kỹ thuật phù hợp. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây về DVR chủ yếu tập trung vào các dạng lõm điện áp cân bằng, điều khiển một mạch vòng trên hệ tọa độ quay $dq$ chỉ xét thành phần thứ tự thuận, hoặc điều khiển vô hướng từng pha độc lập với độ chính xác và tốc độ tác động chưa đáp ứng yêu cầu khi xảy ra lõm không cân bằng (kèm theo hiện tượng nhảy góc pha và méo dạng điện áp). Do đó, khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần xây dựng cấu trúc điều khiển hoàn chỉnh cho DVR, có khả năng tách riêng và xử lý độc lập các thành phần thứ tự thuận và nghịch, đảm bảo bù nhanh, chính xác cho mọi dạng lõm điện áp trong điều kiện vận hành công nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Tìm hiểu về đặc điểm lõm điện áp, nguyên nhân và những ảnh hưởng của nó đối với xí nghiệp công nghiệp và các giải pháp giảm thiểu.
2. Nghiên cứu cấu trúc mạch lực bộ khôi phục điện áp động (DVR) để đảm bảo khả năng đưa ra điện áp bù ứng với toàn dải thay đổi của phụ tải, biên độ lõm điện áp cũng như thời gian biến động.
3. Nghiên cứu các cấu trúc và thiết kế tham số cho hệ thống điều khiển đảm bảo tính tác động nhanh và chính xác của DVR.
4. Nghiên cứu áp dụng DVR trong lưới điện của xí nghiệp công nghiệp thông qua một trường hợp thực tế điển hình.
5. Xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm để kiểm tra chất lượng thuật toán điều khiển đề xuất và khả năng khôi phục điện áp của DVR.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Nhiễu loạn lõm điện áp trên lưới điện phân phối; cấu hình phần lực DVR (bộ biến đổi VSC, bộ lọc đầu ra LC, máy biến áp nối tiếp, khâu tích trữ năng lượng DC-link); các thuật toán điều khiển DVR (điều khiển vector tách thành phần thứ tự thuận/nghịch, mạch vòng dòng điện và điện áp, thuật toán đồng bộ vòng khóa pha PLL, thuật toán phát hiện lõm điện áp nhanh); mô hình mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink; mô hình thực nghiệm DVR công suất 5 kW.
• Phạm vi không gian: Khảo sát thực tế tại lưới điện 220/110 kV Nghi Sơn và trạm 110/6,3 kV Nhà máy Xi măng Hoàng Mai (Nghệ An); triển khai mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
• Phạm vi thời gian và kỹ thuật: Tập trung vào các dạng lõm điện áp ngắn hạn (từ 0,5 chu kỳ đến 60 giây), giải quyết bài toán bù lõm cân bằng và không cân bằng bảo vệ phụ tải quan trọng (tổ hợp biến tần - động cơ quạt hút ID 142-FN1 ở cấp điện áp 6,3 kV).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã tổng hợp và phân tích 66 tài liệu chuyên ngành trong và ngoài nước, tập trung vào các công trình tiêu biểu:

• Hirofumi Akagi, Takushi Jimichi, Hideaki Fujita (2008): Công bố các nghiên cứu "Design and Experimentation of a Dynamic Voltage Restorer Capable of Significantly Reducing an Energy-Storage Element" và "An Approach to Eliminating DC Magnetic Flux From the Series Transformer of a Dynamic Voltage Restorer". Các công trình này phân tích cấu trúc biến đổi nối tiếp - song song kiểu back-to-back và giải pháp triệt tiêu thành phần từ thông một chiều trong máy biến áp nối tiếp nhằm tránh bão hòa lõi từ.
• John Godsk Nielsen (2004): Luận án tiến sĩ "Design and Control of a Dynamic Voltage Restorer" tại Đan Mạch, tập trung tính toán thiết kế phần cứng các thành phần DVR và phát triển bộ điều khiển vector cho thành phần thứ tự thuận trên hệ tọa độ $dq$, phù hợp cho các trường hợp lõm điện áp cân bằng ba pha.
• Krischonme Bhumkittipich và Nadarajah Mithulananthan (2011): Công trình "Performance Enhancement of DVR for Mitigating Voltage Sag/Swell using Vector Control Strategy" (Energy Procedia 9), đề xuất cấu trúc điều khiển vector trên hệ tọa độ $dq$ sử dụng bộ điều khiển PI. Nghiên cứu dừng lại ở việc điều khiển thành phần thứ tự thuận cho lõm cân bằng (dạng lõm chỉ chiếm khoảng 13% trong thực tế).
• Reshmi V, Mabel Ebenezer, Jayasree M.S (2009): Báo cáo "Mitigation of Voltage Sag, Harmonics and Voltage Unbalances Using Dynamic Voltage Restorer", tích hợp bộ điều khiển PI, PR và điều khiển lặp nhằm bù đồng thời lõm điện áp và sóng hài. Tuy nhiên, cấu trúc này chưa tách riêng hoàn toàn kênh điều khiển thứ tự nghịch khi xảy ra lõm không cân bằng nặng, gây trễ động học trong quá trình bù.
• Tình hình nghiên cứu trong nước: Tại thời điểm tác giả thực hiện luận án (2014), các công trình nghiên cứu chuyên sâu về phân tích cấu hình, thuật toán điều khiển tách thành phần thứ tự và chế tạo thực nghiệm DVR để bảo vệ phụ tải công nghiệp chưa được công bố toàn diện tại Việt Nam.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây tồn tại một số nhược điểm chính:

1. Đa số chỉ thiết kế cho lõm điện áp cân bằng (chỉ điều khiển thứ tự thuận), dẫn đến khi gặp lõm không cân bằng (lỗi một pha chạm đất, hai pha chạm đất), điện áp chèn bị méo dạng và dao động, không triệt tiêu được thành phần thứ tự nghịch.
2. Các cấu trúc điều khiển vector thường chỉ sử dụng một mạch vòng điện áp, thiếu mạch vòng dòng điện bên trong, gây nguy cơ quá dòng làm hỏng van bán dẫn khi có ngắn mạch hoặc quá tải phía tải.
3. Sụt áp trên cuộn cảm bộ lọc và máy biến áp nối tiếp chưa được bù triệt để, làm sai lệch biên độ và góc pha điện áp tải thực tế.

Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách: thiết lập cấu trúc điều khiển hai mạch vòng (vòng dòng điện bên trong và vòng điện áp bên ngoài); áp dụng kỹ thuật điều khiển cộng hưởng tách riêng thành phần thứ tự (SDR) và điều khiển cộng hưởng tỷ lệ (PR) trên hệ tọa độ tĩnh $\alpha\beta$ và tọa độ quay $dq$; xây dựng quy trình thiết kế hoàn chỉnh từ khảo sát công nghiệp, mô phỏng đến kiểm chứng thực nghiệm trên nền tảng phần cứng dSPACE DS1104.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

• Lý thuyết chất lượng điện năng: Định nghĩa và phân loại lõm điện áp theo các tiêu chuẩn IEEE Std 1159-1995, IEEE Std 1250-1995, IEC 61000-2-1 và EN 50160.

Tiêu chuẩn	Biên độ điện áp còn lại	Thời gian kéo dài	Cấp điện áp áp dụng
EN 50160	1% – 90%	0,5 chu kỳ đến 1 phút	Hạ áp (LV), Trung áp (MV $\le$ 35 kV)
IEEE Std 1159-1995	10% – 90%	0,5 chu kỳ đến 1 phút	Hạ áp (LV), Trung áp (MV), Cao áp (HV)
IEEE Std 1250-1995	Giảm điện áp	0,5 chu kỳ đến vài giây	Hạ áp (LV), Trung áp (MV), Cao áp (HV)
IEC 61000-2-1 (1990)	Giảm điện áp	0,5 chu kỳ đến vài giây	Hạ áp (LV), Trung áp (MV), Cao áp (HV)

• Phân loại lõm điện áp 3 pha: 4 dạng cơ bản gồm Kiểu A (ngắn mạch 3 pha), Kiểu B (ngắn mạch 1 pha chạm đất), Kiểu C (ngắn mạch 2 pha), Kiểu D (ngắn mạch 2 pha chạm đất). Luận án phân tích sự dịch pha và biến đổi dạng lõm khi lan truyền qua máy biến áp đấu dây $\Delta/Y$ (Dy).
• Nguyên lý bù năng lượng DVR: Biểu thức vector điện áp bù: $$\vec{u}L = \vec{u}{g,sag} + \vec{u}{inj}$$ Công suất tác dụng ($P{inj}$) và công suất phản kháng ($Q_{inj}$) do DVR bơm vào lưới: $$P_{inj} = [1 - U_{g,sag}\cos(\phi - \psi)] P_{load}$$ $$Q_{inj} = [1 - U_{g,sag}\sin(\phi - \psi)] Q_{load}$$ Trong đó: $U_{g,sag}$ là độ lớn điện áp lưới khi lõm, $\phi$ là góc lệch pha tải, $\psi$ là góc nhảy pha của điện áp lưới.
• Lý thuyết chuyển đổi tọa độ: Sử dụng phép biến đổi Clarke chuyển hệ tự nhiên $abc$ sang hệ tĩnh $\alpha\beta$, phép biến đổi Park chuyển từ $\alpha\beta$ sang hệ tọa độ quay đồng bộ $dq$.
• Lý thuyết điều khiển tuyến tính và cộng hưởng: Bộ điều khiển tỷ lệ cộng hưởng PR (Proportional Resonant) và bộ điều khiển cộng hưởng tách thành phần thứ tự SDR (Sequence-Decoupled Resonant Controller) nhằm đạt hệ số khuếch đại vô cùng lớn tại tần số cơ bản 50 Hz, triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập mà không cần chuyển đổi về đại lượng một chiều.

Phương pháp nghiên cứu

1. Phương pháp khảo sát thực tế và phân tích thống kê: Thu thập số liệu vận hành, ghi nhận các sự cố sụt áp và dừng máy tại trạm biến áp và dây chuyền nghiền xi măng của Nhà máy Xi măng Hoàng Mai.
2. Phương pháp mô hình hóa toán học: Xây dựng phương trình trạng thái mô tả bộ biến đổi nguồn áp VSC kết hợp bộ lọc ngõ ra LC và máy biến áp nối tiếp trên các hệ tọa độ $abc$, $\alpha\beta$, $dq$.
3. Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình hoàn chỉnh hệ thống điện xí nghiệp có gắn DVR trên phần mềm Matlab/Simulink.
4. Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình phần cứng tại phòng thí nghiệm, lập trình thời gian thực trên card DSP dSPACE DS1104, đo kiểm các dạng sóng bằng dao động ký số.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giảm thiểu ảnh hưởng của lõm bằng bộ khôi phục điện áp động (DVR)

Chương 1 tổng kết các dạng nhiễu loạn chất lượng điện năng và làm rõ bản chất vật lý của lõm điện áp. Tác giả phân tích các nguyên nhân gây lõm gồm: sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải và phân phối, khởi động động cơ không đồng bộ công suất lớn, và đóng điện máy biến áp công suất lớn. Mức độ sụt áp tại điểm đấu nối chung (PCC) được xác định thông qua trở kháng nguồn và trở kháng đường dây sự cố: $$D = \frac{Z_F + Z_F'}{2Z_S + (Z_F + Z_F')}$$

Chương này so sánh ưu nhược điểm của các thiết bị giảm thiểu:

• Bộ máy phát - động cơ bánh đà: Quán tính cơ học giúp duy trì điện áp trong vài giây nhưng kích thước lớn, hiệu suất thấp và bảo trì tốn kém.
• Biến áp bão hòa từ và biến áp chuyển nấc tĩnh: Thời gian tác động trễ (tối thiểu nửa chu kỳ), méo dạng sóng điện áp ra.
• Bộ chuyển mạch tĩnh (STS): Đòi hỏi phải có nguồn điện thứ hai độc lập có sẵn; không giải quyết được nếu sự cố bắt nguồn từ lưới truyền tải chung.
• Hệ thống nguồn liên tục (UPS): Đắt tiền đối với phụ tải công suất trung bình và lớn do phải chịu 100% dòng định mức của tải liên tục.
• Bộ khôi phục điện áp động (DVR): Thiết bị mắc nối tiếp, chỉ bù phần điện áp thiếu hụt ($u_{inj}$), chi phí đầu tư thấp (khoảng 200–250 USD/kVA), đáp ứng nhanh và linh hoạt.

Chương 1 cũng đánh giá các cấu trúc điều khiển DVR kinh điển: điều khiển vô hướng trong hệ tọa độ tự nhiên $abc$ (dễ bị ảnh hưởng bởi ghép kênh 3 pha, hệ thống hữu sai) và điều khiển vector phản hồi kết hợp truyền thẳng trên hệ tọa độ $dq$ (hạn chế khi điện áp mất cân bằng, dễ bão hòa máy biến áp).

Chương 2: Cấu trúc bộ khôi phục điện áp động

Chương 2 phân tích chuyên sâu các giải pháp phần cứng và cấu hình mạch lực của DVR:

• Bộ biến đổi nguồn áp (VSC): So sánh giữa VSC kết nối qua máy biến áp và VSC kết nối trực tiếp (không dùng biến áp). Luận án khẳng định cấu trúc dùng máy biến áp cách ly mang lại nhiều ưu điểm về độ an toàn, dễ phối hợp mức điện áp DC-link với lưới điện và đơn giản hóa việc lọc sóng hài. Các cấu trúc nghịch lưu được đánh giá gồm: bộ biến đổi nửa cầu (6 van), cầu ba pha (6 van), ba cầu một pha độc lập (12 van), và các cấu trúc nghịch lưu đa mức (diode kẹp, tụ kẹp, đa bậc cascade).
• Bộ lọc chuyển mạch: So sánh vị trí đặt bộ lọc LC ở phía bộ biến đổi và bộ lọc RC ở phía lưới/máy biến áp. Luận án kết luận cấu trúc bộ lọc LC đặt trực tiếp tại đầu ra VSC (trước sơ cấp máy biến áp) là phương án tối ưu, giúp ngăn chặn dòng sóng hài bậc cao đi vào cuộn dây máy biến áp, giảm tổn hao và giảm kích thước lõi từ.
• Hệ thống lưu trữ năng lượng và DC-link: Khảo sát hai dạng cấu hình: (1) DVR có bộ lưu trữ năng lượng (sử dụng khối tụ điện $C_{DC}$, ắc quy hoặc siêu tụ) với điện áp DC-link thay đổi hoặc ổn định qua bộ biến đổi DC/DC; (2) DVR không có bộ lưu trữ năng lượng (lấy trực tiếp từ lưới qua bộ chỉnh lưu nối phía nguồn hoặc phía tải). Năng lượng phóng ra từ tụ DC-link được tính toán theo: $$E = \frac{1}{2} C_{DC} \left[ U_{DC(0)}^2 - U_{DC(min)}^2 \right]$$
• Hệ thống bảo vệ DVR: Thiết lập giải pháp bảo vệ ngắn mạch tải qua mạch bypass bằng thyristor đóng cắt nhanh, bảo vệ quá áp DC-link bằng điện trở xả, và bảo vệ chống hở mạch thứ cấp máy biến áp nối tiếp.

Chương 3: Điều khiển bộ khôi phục điện áp động

Chương 3 là trọng tâm lý thuyết của luận án, tập trung phát triển các giải thuật điều khiển:

• Ba chiến lược tạo điện áp chèn:
  1. Bù trước lõm (Pre-sag compensation): Khôi phục chính xác cả biên độ và góc pha điện áp tải như thời điểm trước khi xảy ra lỗi; phù hợp với các tải cực kỳ nhạy cảm với góc pha nhưng đòi hỏi công suất biểu kiến DVR lớn nhất.
  2. Bù đồng pha (In-phase compensation): Điện áp chèn cùng pha với điện áp lưới khi lõm; tối ưu hóa biên độ điện áp bù nhưng làm thay đổi góc pha của tải.
  3. Bù giảm thiểu năng lượng (Energy-minimization / Phase-advance): Tận dụng công suất phản kháng để khôi phục biên độ điện áp, giảm tiêu hao năng lượng tác dụng từ bộ lưu trữ DC.
• Mô hình toán học: Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả VSC và bộ lọc LC trên hệ tọa độ $\alpha\beta$ và $dq$.
• Cấu trúc điều khiển đề xuất: Thiết lập hệ thống điều khiển hai mạch vòng kín:
  • Mạch vòng trong (điều khiển dòng điện $i_f$ qua cuộn cảm): Sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ PR để ổn định dòng điện, làm tắt dao động cộng hưởng của bộ lọc LC và bảo vệ quá dòng cho van IGBT.
  • Mạch vòng ngoài (điều khiển điện áp tải $u_L$): Sử dụng bộ điều khiển SDR (Sequence-Decoupled Resonant Controller) trên hệ tọa độ tĩnh $\alpha\beta$. Cấu trúc này cho phép tách kênh và điều khiển đồng thời thành phần thứ tự thuận (+50 Hz) và thành phần thứ tự nghịch (-50 Hz) mà không gây nhiễu chéo.
• Kỹ thuật đồng bộ và phát hiện lõm: Luận án áp dụng bộ khóa pha PLL trên hệ tọa độ đồng bộ $dq$ để bám chính xác góc pha lưới ngay cả khi mất cân bằng, cùng giải pháp phát hiện lõm dựa trên sai lệch vector tức thời với thời gian nhận biết dưới $2\text{ ms}$.
• Phân tích ổn định: Đánh giá tính ổn định của hệ kín bằng biểu đồ Pole-Zero và đồ thị Bode, chứng minh biên độ dự trữ và góc dự trữ pha đảm bảo hệ thống làm việc tin cậy dưới sự biến động của thông số tải.

Chương 4: Giải pháp áp dụng DVR cho xí nghiệp công nghiệp

Chương 4 cụ thể hóa lý thuyết vào đối tượng công nghiệp thực tế:

• Khảo sát phụ tải điển hình: Phân tích quy trình sản xuất của Nhà máy Xi măng Hoàng Mai. Luận án chọn tổ hợp Biến tần - Động cơ quạt hút lò nung ID 142-FN1 (điện áp 6,3 kV) làm đối tượng bảo vệ. Khi xảy ra sụt áp lưới 110 kV, biến tần quạt ID tác động bảo vệ điện áp thấp, làm tắt lò nung clinker, gây thiệt hại hàng trăm triệu đồng mỗi lần dừng lò.
• Tính toán thiết kế thông số DVR:
  • Cấp điện áp đấu nối: 6,3 kV.
  • Bộ biến đổi VSC dùng IGBT, cấu hình cầu 3 pha nối với máy biến áp nối tiếp 3 pha riêng biệt.
  • Bộ lọc LC: $L_f = 1,5\text{ mH}$, $C_f = 50\ \mu\text{F}$, tần số cộng hưởng $f_f \approx 581\text{ Hz}$.
  • Hệ thống DC-link: Tính chọn tụ $C_{DC}$ đảm bảo duy trì điện áp trong thời gian bù lõm sâu đến 50% kéo dài $200\text{ ms}$.
• Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink:
  • Lõm điện áp cân bằng (Kiểu A - sụt 50% cả 3 pha): DVR bù điện áp tải về đúng 100% định mức trong vòng dưới 2 ms, sóng hài THD điện áp tải sau bù đạt dưới 2,5%.
  • Lõm điện áp không cân bằng (Kiểu B, C, D - sụt áp kèm nhảy pha $30^\circ$): Bộ điều khiển SDR triệt tiêu hoàn toàn thành phần thứ tự nghịch, giữ điện áp 3 pha trên tải đối xứng tuyệt đối.
  • Dao động điện áp khi đóng cắt tụ bù và sụt áp khi khởi động động cơ lớn: DVR lọc sạch các xung quá độ và duy trì ổn định điện áp trên thanh cái 6,3 kV của phụ tải.

Chương 5: Xây dựng thực nghiệm DVR

Chương 5 hiện thực hóa thuật toán trên mô hình vật lý tại phòng thí nghiệm:

• Cấu hình phần cứng bàn thí nghiệm:
  • Khối động lực: Bộ nghịch lưu VSC 3 pha dùng van IGBT module IPM, công suất định mức 5 kW, điện áp lưới thử nghiệm 380 V (50 Hz).
  • Máy biến áp chèn: 3 máy biến áp 1 pha tỷ số $1:1$.
  • Bộ lọc đầu ra: $L_f = 2,5\text{ mH}$, $C_f = 30\ \mu\text{F}$.
  • Bộ lưu trữ DC: Khối tụ điện công nghiệp kết hợp chỉnh lưu nạp ban đầu.
  • Hệ thống đo lường: Cảm biến điện áp và dòng điện cách ly dùng IC Hall (LEM).
• Hệ thống điều khiển số: Toàn bộ thuật toán điều khiển vector, bộ điều khiển PR/SDR, PLL và PWM được lập trình bằng Matlab/Simulink Real-Time Workshop và nạp trực tiếp vào card xử lý tín hiệu số dSPACE DS1104.
• Kết quả đo đạc thực nghiệm:
  • Chế độ đồng bộ: Vòng khóa pha PLL bám chính xác tần số và góc pha lưới trong vòng chưa đầy một phần tư chu kỳ.
  • Bù ở chế độ tĩnh: Khẳng định khả năng duy trì biên độ và dạng sóng sin chuẩn trên tải khi điện áp nguồn bị suy giảm tĩnh.
  • Bù ở chế độ động: Khi kích hoạt lõm điện áp đột ngột 50% (cả dạng cân bằng và không cân bằng), DVR chèn điện áp tức thời, thời gian quá độ để đưa điện áp tải về trạng thái xác lập định mức đạt dưới 10 ms (nửa chu kỳ), không xuất hiện hiện tượng vọt lố nguy hiểm.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

1. Xây dựng thành công mô hình toán học và cấu trúc điều khiển hai mạch vòng cho DVR trên hệ tọa độ tĩnh $\alpha\beta$, kết hợp bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ PR cho mạch vòng dòng điện và bộ điều khiển cộng hưởng SDR tách thành phần thứ tự cho mạch vòng điện áp. Cấu trúc này giải quyết triệt để bài toán bù lõm điện áp không cân bằng và loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của thành phần thứ tự nghịch.
2. Phân tích chi tiết quy luật lan truyền và biến đổi hình thái của các dạng lõm điện áp (A, B, C, D) qua các máy biến áp đấu dây $\Delta/Y$ trong mạng điện công nghiệp, cung cấp cơ sở giải tích cho việc lựa chọn dung lượng và chiến lược bù của DVR.
3. Thiết lập phương pháp thiết kế tham số tối ưu cho bộ lọc đầu ra LC và hệ thống DC-link của DVR, đảm bảo giới hạn dải thông và tránh bão hòa từ tính cho máy biến áp nối tiếp.

Đóng góp về mặt thực tiễn

1. Cung cấp quy trình khảo sát, đánh giá định lượng tác động của sự cố chất lượng điện năng đối với phụ tải biến tần - động cơ trong ngành công nghiệp sản xuất xi măng (trường hợp Nhà máy Xi măng Hoàng Mai).
2. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình mô phỏng hệ thống DVR nối lưới trung áp 6,3 kV bảo vệ tải nhạy cảm quan trọng trên phần mềm Matlab/Simulink.
3. Chế tạo thành công bàn thí nghiệm thực nghiệm DVR công suất 5 kW sử dụng card điều khiển dSPACE DS1104, khẳng định tính khả thi trong việc ứng dụng công nghệ điều khiển số thời gian thực vào các thiết bị cải thiện chất lượng điện năng tại Việt Nam.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Mô hình thực nghiệm phần cứng mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (công suất 5 kW, cấp điện áp hạ áp 380 V), chưa có điều kiện lắp đặt thử nghiệm trực tiếp tại hiện trường lưới trung áp 6,3 kV của nhà máy xi măng do các ràng buộc về an toàn và chi phí thiết bị công nghiệp.
• Khả năng duy trì thời gian bù lõm của hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào dung lượng khối tụ tích trữ DC-link sẵn có; chưa tích hợp các nguồn lưu trữ năng lượng phụ trợ dài hạn (như siêu tụ điện mật độ cao hoặc bộ lưu trữ siêu dẫn SMES).
• Thuật toán điều khiển chưa tích hợp cơ chế tự động thích nghi thông số khi trở kháng tải thay đổi phi tuyến trong dải rộng.

Hướng nghiên cứu phát triển

1. Nghiên cứu ứng dụng cấu trúc biến đổi đa mức không dùng máy biến áp nối tiếp (Transformerless Multi-level Inverter) cho DVR ở cấp điện áp trung áp nhằm giảm khối lượng, kích thước và tổn hao sắt từ.
2. Phát triển các thuật toán điều khiển thích nghi hoặc điều khiển bền vững ($H_\infty$) kết hợp trí tuệ nhân tạo để tự động tối ưu hóa tham số bộ điều khiển khi tải biến động mạnh.
3. Mở rộng chức năng của DVR để tích hợp bù sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng ở chế độ thường trực (chế độ chờ) mà không làm suy giảm đáp ứng động học khi xảy ra lõm điện áp.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển, Tự động hóa và Hệ thống Điện có thể tham khảo phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi VSC, lý thuyết thiết kế bộ điều khiển PR/SDR trên hệ tọa độ $\alpha\beta$, cũng như phương pháp nghiên cứu thực nghiệm với dSPACE DS1104.
• Kỹ sư thiết kế và tư vấn hệ thống điện công nghiệp: Tham khảo quy trình tính toán lựa chọn dung lượng bộ biến đổi, dung lượng tụ DC-link, thiết kế bộ lọc LC và các sơ đồ bảo vệ máy biến áp nối tiếp cho thiết bị DVR.
• Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các nhà máy công nghiệp nặng: (xi măng, luyện kim, hóa chất, lọc dầu) Nắm bắt giải pháp kỹ thuật nhằm bảo vệ các hệ truyền động biến tần nhạy cảm, giảm thiểu sự cố dừng dây chuyền do chất lượng điện áp kém.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ khôi phục điện áp động (DVR) là gì và tại sao lại ưu việt hơn UPS trong công nghiệp?

DVR là thiết bị điện tử công suất mắc nối tiếp giữa nguồn và phụ tải. Khi xảy ra lõm điện áp, DVR tự động phát hiện và chèn một lượng điện áp bù $u_{inj}$ vào lưới để giữ điện áp trên tải không đổi. So với UPS, DVR có chi phí đầu tư thấp hơn (khoảng 200–250 USD/kVA), tổn thất khi vận hành bình thường rất nhỏ vì ở chế độ chờ DVR không phải gánh toàn bộ dòng công suất của tải như UPS on-line.

2. Sự khác biệt cốt lõi giữa lõm điện áp cân bằng và không cân bằng là gì?

Lõm điện áp cân bằng (Kiểu A) có độ sụt giảm biên độ và góc pha đồng đều trên cả 3 pha (chỉ chứa thành phần thứ tự thuận). Lõm điện áp không cân bằng (Kiểu B, C, D) xuất hiện do ngắn mạch không đối xứng, làm biên độ và góc pha 3 pha lệch nhau, làm phát sinh thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không, đòi hỏi cấu trúc điều khiển phải có khả năng xử lý tách biệt từng thành phần.

3. Tại sao luận án đề xuất bộ điều khiển SDR thay vì bộ điều khiển PI truyền thống?

Bộ điều khiển PI trên hệ tọa độ quay $dq$ chỉ làm việc hiệu quả với đại lượng một chiều của thành phần thứ tự thuận. Khi có lõm không cân bằng, thành phần thứ tự nghịch biến thành dao động tần số $2\omega$ (100 Hz) trên trục $dq$, khiến bộ PI không thể triệt tiêu sai số xác lập. Bộ điều khiển SDR trên hệ tọa độ $\alpha\beta$ có độ lợi vô cùng lớn tại cả tần số $+50\text{ Hz}$ và $-50\text{ Hz}$, giúp điều khiển độc lập và chính xác cả hai thành phần thứ tự.

4. Đối tượng phụ tải công nghiệp thực tế được luận án nghiên cứu là gì?

Tổ hợp Biến tần - Động cơ quạt hút lò nung ID 142-FN1 ở cấp điện áp 6,3 kV tại Nhà máy Xi măng Hoàng Mai (Nghệ An). Đây là phụ tải trọng yếu, rất nhạy cảm với sụt áp từ lưới 110 kV, nếu bị dừng sẽ dẫn đến tê liệt toàn bộ dây chuyền sản xuất clinker.

5. Cấu hình phần cứng và công cụ điều khiển của mô hình thực nghiệm gồm những gì?

Mô hình thực nghiệm được xây dựng tại phòng thí nghiệm Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (ĐHBK Hà Nội) gồm: bộ nghịch lưu VSC IGBT công suất 5 kW (điện áp lưới 380 V), 3 máy biến áp nối tiếp 1 pha, bộ lọc LC ($L_f = 2,5\text{ mH}$, $C_f = 30\ \mu\text{F}$), khối tụ DC-link và hệ thống điều khiển số thời gian thực trên nền tảng card xử lý tín hiệu dSPACE DS1104.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Duy Trinh đã giải quyết trọn vẹn bài toán điều khiển bộ khôi phục điện áp động (DVR) nhằm bảo vệ phụ tải nhạy cảm trước các sự cố lõm điện áp trong xí nghiệp công nghiệp. Bằng việc đề xuất cấu trúc điều khiển hai mạch vòng kết hợp thuật toán cộng hưởng PR và SDR tách thành phần thứ tự, công trình đã nâng cao đáng kể tốc độ tác động và độ chính xác khi bù các dạng lõm điện áp không cân bằng phức tạp. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng trên lưới trung áp 6,3 kV và thực nghiệm trên card dSPACE DS1104 có độ tin cậy cao, đóng góp thiết thực cho lĩnh vực tự động hóa và nâng cao chất lượng điện năng công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giảm thiểu ảnh hưởng của lõm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp động. Trình bày tổng quan về lõm điện áp và các phương pháp giảm thiểu lõm điện áp, trong đó trọng tâm nghiên cứu phương pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là sử dụng bộ khôi phục điện áp động (DVR). Các phương pháp điều khiển DVR đã được nghiên cứu đến nay trong các công trình sẽ được tóm tắt ngắn gọn, qua đó chỉ ra những hạn chế trong điều khiển bù lõm cần được khắc phục, đồng thời chỉ ra hướng nghiên cứu phát triển điều khiển DVR. Chương 2: Cấu trúc bộ khôi phục điện áp động Trình bày chức năng nhiệm vụ của các thành phần trong hệ thống, các kiểu kết nối, phương pháp bảo vệ cho DVR và cuối cùng là lựa chọn một cấu trúc phần cứng điển hình của DVR đủ để tiếp tục nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển của hệ thống.

Chương 3: Điều khiển bộ khôi phục điện áp động Tập trung nghiên cứu điều khiển DVR, bao gồm; điều khiển khôi phục điện áp tải, điều khiển đồng bộ điện áp lưới, điều khiển phát hiện lõm điện áp và điều khiển điện áp DC- link. Trong đó, trọng tâm nghiên cứu phát triển điều khiển khôi phục điện áp tải của DVR, bao gồm các chiến lược điều khiển, mô hình toán học, các cấu trúc và thuật toán điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ, các bộ điều khiển và thiết kế bộ điều khiển được trình bày. Cuối cùng là các nghiên cứu ổn định hệ thống. Chương 4: Giải pháp áp dụng DVR cho xí nghiệp công nghiệp.

Trình bày các điều kiện áp dụng DVR cho các xí nghiệp công nghiệp, các bước thực hiện thiết kế cụ thể, thông qua một trường hợp áp dụng DVR bảo vệ một tải nhạy cảm quan trọng thực tế là tổ hợp Biến tần-Động cơ ID 142-FN1 trong ngành công nghiệp xi măng. Xây dựng mô hình mô phỏng DVR kết nối hệ thống lưới điện như đã được thiết kế, thuật toán điều khiển đề xuất ở chương 3 cũng được áp dụng cài đặt trong mô hình. Chương 5: Xây dựng mô hình thực nghiệm DVR Chương này trình bày cách thức xây dựng bàn thí nghiệm, cài đặt thuật toán điều khiển đề xuất, thực hiện thí nghiệm và lấy kết quả. Kết Luận và kiến nghị Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của toàn bộ luận án, khẳng định lại những kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, những tồn tại và hướng phát triển của đề tài.

Dự kiến các kết quả nghiên cứu mới:  Đưa ra cấu trúc và thuật toán điều khiển cho bộ khôi phục điện áp động (DVR) trong bù lõm điện áp cân bằng và không cân bằng. Nó được dựa trên phương pháp điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ với hai vòng điều khiển tương ứng cho mỗi thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch được điều khiển riêng biết.  Khảo sát và phân tích được nguyên nhân sự cố lõm điện áp và ảnh hưởng của nó đến phụ tải nhạy cảm quan trọng trong ngành công nghiệp xi măng như tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt ID. Kết quả khảo sát đã chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị DVR một cách hiệu quả nhất thông qua một trường hợp thực tế điển hình  Một mô hình mô phỏng kết hợp lưới điện, các phụ tải và DVR nối lưới ở cấp trung áp 6,3kV để bảo vệ tải nhạy cảm quan trọng là tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt công nghệ 142-FN1.

Mô hình được phát triển và thực hiện trong phần mềm Matlap/Simulink.  Thực hiện thành công mô hình thực nghiệm (trong phòng thí nghiệm) với các thuật toán điều khiển được cài đặt trên bộ xử lý tín hiệu dSPACE card DS11040 để đánh giá khả năng làm việc của DVR trong bù lõm điện áp và giảm thiểu nhiễu loạn điện áp. 4 Chương1: GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA LÕM ĐIỆN ÁP BẰNG BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về lõm điện áp và các phương pháp giảm thiểu lõm điện áp, trong đó trọng tâm nghiên cứu phương pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là sử dụng bộ khôi phục điện áp động (DVR), được dựa trên việc điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất. Các phương pháp điều khiển DVR đã được nghiên cứu đến nay trong các công trình sẽ được tóm tắt ngắn gọn, qua đó chỉ ra những hạn chế trong điều khiển bù lõm cần được khắc phục, đồng thời chỉ ra hướng nghiên cứu phát triển điều khiển DVR nhằm mục đích khôi phục điện áp tải khi gặp phải bất cứ nhiễu loạn lõm điện áp nào xuất hiện từ phía nguồn cấp.

Nội dung trong chương một được tham khảo trong các tài liệu [1,3,8,9,14,15,16,17,18,19,25,29,32,39,62].1 Chất lượng điện năng và vấn đề lõm điện áp 1.1 Chất lượng điện năng Vấn đề chất lượng điện bao gồm một loạt các rối loạn liên quan đến điện áp, dòng điện và độ lệch tần số. Các nhiễu loạn đó có thể là.  Gián đoạn ngắn  Lõm/dâng điện áp  Quá độ dòng điện và điện áp  Sự méo dạng của các sóng dòng điện và điện áp  Nháy điện  Mất cân bằng  Thay đổi tần số nguồn Các vấn đề chất lượng điện năng đã được xác định trong một số tiêu chuẩn như; IEC 61000, IEEE 1159-1995 và EN 50160, hoặc được định nghĩa trong các tài liệu [14,15]. Tình trạng treo máy tính Nhấp nháy ánh sáng Sự cố thiết bị Thiết bị xử lý dữ liệu Quá tải PFC vấn đề đóng cắt tải nặng overloading Các Quá nhiệt dây trung tính Các vấn đề với đường dây dài Các bộ phận máy dừng hoạt động Sai lệch trong hệ thống đo lường 0% 5% 10% 15% 20% 25% Hình 30% 1.1 Các vấn đề thường xảy ra liên quan Hình 1.2 Tỷ lệ phần trăm các đến chất lượng điện kém được xác định tại 1400 biến cố điện áp[14] địa điểm ở 8 quốc gia [14].

Những tổn thất từ chất lượng điện năng kém đối với khách hàng dùng điện, đặc biệt là các xí nghiệp công nghiệp, từ lâu đã được biết đến, nhưng để giảm thiểu nó còn gặp nhiều khó khăn. Một nghiên cứu thực hiện bởi Hội đồng châu Âu [25], bao gồm 1400 vị trí trong 8 quốc gia về các biến cố điện áp tại các địa điểm khác nhau trong hệ thống điện. Kết quả thu được thể hiện ở đồ thị hình 1.1, chỉ ra những vấn đề gặp phải từ chất lượng điện áp 5 kém tại các địa điểm khác nhau trong hệ thống điện và đồ thị hình 1.2 cho biết tỷ lệ phần trăm của các nhiễu loạn trên lưới điện phân phối. Hiện nay cả công ty điện lực và khách hàng dùng điện đang ngày càng quan tâm đến vấn đề chất lượng điện năng vì những lý do: - Công nghiệp hiện đại phát triển, thiết bị thế hệ mới tạo ra quá trình tự động hóa cao trong hoạt động sản xuất như; bộ điều khiển vi xử lý, máy vi tính, robot công nghiệp, các hệ truyền động có điều khiển tốc độ, các thiết bị điều khiển trong hệ thống thông tin công nghiệp.

chúng nhạy cảm với các biến động của chất lượng điện năng hơn là thiết bị được sử dụng trong quá khứ. - Các chú trọng hơn về vận hành và khai thác hiệu quả hệ thống năng lượng điện đã dẫn đến sự gia tăng trong việc áp dụng các thiết bị hiệu suất cao như; bộ điều chỉnh tốc độ động cơ, tụ điện song song hiệu chỉnh hệ số công suất để giảm tổn thất hoặc phát triển các hệ thống nguồn phân tán nối lưới như; hệ thống điện mặt trời, hệ thống điện gió. Điều này có thể dẫn đến hậu quả tăng mức độ hài trên các hệ thống điện, tăng các biến cố như dao động điện áp hoặc thay đổi tần số. - Người dùng điện có một nhận thức tốt hơn về các vấn đề chất lượng điện năng.

Họ nhận thức tốt hơn về các vấn đề như gián đoạn, lõm điện áp, sóng hài, quá độ và đang yêu cầu cung cấp nguồn năng lượng có độ tin cậy và chất lượng cao từ nhà cung cấp. Ngược lại nhà cung cấp năng lượng luôn chịu một áp lực từ những đòi hỏi của khách hàng và những tổn thất do chất lượng điện kém gây nên trong truyền tải điện năng. Trong số các nhiễu loạn trên hệ thống điện thì lõm điện áp là loại nhiễu loạn nghiêm trọng nhất và có tần suất xuất hiện lớn nhất, theo kết quả khảo sát ở hình 1. Lõm điện áp xảy ra trong thời gian ngắn, liên quan đến suy giảm điện áp và nhảy góc pha.

Khi có một biến cố trên lưới điện (ví dụ ngắn mạch) có thể ở vị trí rất xa so với thiết bị đầu cuối, dẫn đến xuất hiện một lõm điện áp lan truyền đến nhiều vị trí khác nhau trên lưới điện và có thể đến các vị trí kết nối của tải nhạy cảm để gây ảnh hưởng, tài liệu [21,22,24]. Trong các xí nghiệp công nghiệp các tải nhạy cảm quan trọng thường có ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ hoạt động của các dây chuyền sản xuất. Trong khi đó chính những tải này lại rất nhạy cảm với tác động của lõm điện áp gây ra dừng máy, mất hoặc sai lệch thông tin, dẫn đến các bộ phận khác của dây chuyển cũng bị dừng theo, sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài. Vì vậy, lõm điện áp là nhiễu loạn được lựa chọn trong số các nhiễu loạn liên quan đến chất lượng điện năng để nghiên cứu giảm thiểu trong luận án này.

Để có thể đưa ra các phương pháp giảm thiểu, cần thiết phải phân tích rõ về nguyên nhân, đặc điểm của nó.2 Lõm điện áp a) Định nghĩa lõm điện áp Theo IEEE Std. 1159-1995, lõm điện áp là hiện tượng suy giảm điện áp tức thời đột ngột tại một thời điểm mà giá trị điện áp hiệu dụng (RMS) của nó giữa 10% đến 90% so với điện áp chuẩn, tiếp theo đó điện áp được phục hồi trong một thời gian rất ngắn, từ một nửa chu kỳ của điện áp lưới (10ms) đến một phút. Trong khi dâng điện áp là sự tăng đột ngột giá trị RMS lên quá một giá trị ngưỡng nhất định. Thông thường giá trị ngưỡng này bằng 110% giá trị định mức điện áp nguồn[14].3 lõm điện áp được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEEE Std 1159-1995 và EN 50160, trong đó chỉ ra sự khác nhau giữa lõm điện áp và gián đoạn ngắn.

Tuy nhiên thuật ngữ được sử dụng trong các tiêu chuẩn đối với lõm điện áp có sự khác nhau. Ví dụ: cùng 6 một dạng nhiễu loạn thì trong EN 50.160 được gọi là ''voltage dips'' trong khi trong IEEE Std.