I. Tổng Quan Nghiên Cứu Điều Khiển Áp Liên Tục Hệ Thống Điện
Trong bối cảnh hệ thống điện ngày càng hiện đại, việc duy trì chất lượng điện năng trở nên vô cùng quan trọng. Mặc dù các nhà cung cấp điện luôn nỗ lực cung cấp nguồn điện chất lượng cao, các hiện tượng như lồi điện áp, lõm điện áp vẫn thường xuyên xảy ra. Các quá trình tự động hóa ngày càng phát triển trong công nghiệp hiện đại, kéo theo đó là sự nhạy cảm về chất lượng điện năng. Trong số các nhiễu loạn, lõm điện áp là nghiêm trọng và thường xuyên nhất. Lõm điện áp là hiện tượng sụt giảm điện áp tức thời, giá trị hiệu dụng giảm từ 10% đến 90% so với điện áp chuẩn, sau đó phục hồi nhanh chóng. Dù xảy ra trong thời gian ngắn, lõm điện áp có thể gây ảnh hưởng lớn đến hệ thống điều khiển và biến tần. Bộ điều áp liên tục (AVC) là giải pháp hiệu quả để khôi phục điện áp cho các tải nhạy cảm, khắc phục nhanh chóng các sự cố điện áp. AVC có thể khắc phục gần như triệt để các sự cố lõm điện áp, ngay cả khi điện áp đầu vào sụt tới 60%.
1.1. Vai Trò Của Chất Lượng Điện Năng Trong Hệ Thống Điện
Chất lượng điện năng là yếu tố quan trọng đối với cả nhà sản xuất và người tiêu dùng điện. Các vấn đề thường được quan tâm bao gồm: điện áp, tần số, dòng điện và sóng hài. Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, chẳng hạn như quá áp, sụt áp, mất cân bằng, lồi lõm điện áp, thay đổi tần số và méo dạng sóng. Trong đó, lõm điện áp là vấn đề nghiêm trọng và phổ biến nhất. Ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động sản xuất. Theo tài liệu [8] các nhiễu loạn có thể là: Quá áp dòng điện và điện áp, Mất cân bằng, Lồi, lõm điện áp, Thay đổi tần số, Sự méo dạng các sóng động điện và điện áp.
1.2. Định Nghĩa Và Phân Loại Hiện Tượng Lồi Lõm Điện Áp
Theo IEEE Std. 1159-1995, lõm điện áp là hiện tượng suy giảm điện áp tức thời, giá trị hiệu dụng (RMS) giảm từ 10% đến 90% so với điện áp chuẩn, sau đó phục hồi nhanh chóng trong thời gian từ nửa chu kỳ (10ms) đến 1 phút. Trong khi đó, lồi điện áp là sự tăng đột ngột giá trị RMS vượt quá 110% điện áp nguồn. Hiện tượng lồi, lõm điện áp được phân loại dựa trên thời gian theo IEEE 1159, bao gồm: tức thời, thời gian ngắn và tạm thời. Bảng phân loại cụ thể như sau: *Tức thời: Lõm 0.1-0.9 pu, Lồi 1.1-1.2 pu. *Thời gian ngắn: Gián đoạn <0.1 pu. *Tạm thời: Gián đoạn 3-60s <0.1 pu. (pu: đơn vị tương đối)
II. Thách Thức Và Nguyên Nhân Gây Lồi Lõm Điện Áp Liên Tục
Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng lồi lõm điện áp, có thể phân biệt các nguyên nhân như sau: các lỗi hệ thống nguồn như sét, gió, bão tuyết, nhiễm bẩn của thiết bị cách điện, dòng ngắn mạch gây lõm điện áp trong suốt thời gian ngắn mạch và lan truyền đến các vị trí khác nhau trên lưới điện, khởi động thiết bị có công suất lớn so với công suất ngắn mạch của hệ thống tại điểm kết nối, giảm điện áp gây ra bởi đóng mạch các biến áp năng lượng vào hệ thống.
2.1. Các Lỗi Hệ Thống Nguồn Và Ảnh Hưởng Đến Điện Áp
Các lỗi hệ thống nguồn như sét, gió, bão tuyết, nhiễm bẩn thiết bị cách điện thường dẫn đến ngắn mạch. Dòng ngắn mạch gây lõm điện áp trong suốt thời gian ngắn mạch và lan truyền đến các vị trí khác nhau trên lưới điện. Ngắn mạch một pha gây giảm điện áp một pha với độ sâu phụ thuộc vào điểm đo so với vị trí ngắn mạch.
2.2. Ảnh Hưởng Từ Khởi Động Thiết Bị Công Suất Lớn
Việc khởi động các thiết bị có công suất lớn so với công suất ngắn mạch của hệ thống có thể gây ra sụt giảm điện áp. Sụt giảm điện áp do khởi động mạch truyền động công suất lớn thường là ba pha đối xứng, có giá trị lõm điện áp tương đối lớn trong thời gian tương đối lâu.
2.3. Các Biến Động Của Tải Và Tác Động Đến Điện Áp
Các biến động của tải, đặc biệt trong các lưới ba pha, có thể dẫn đến sự giảm điện áp không đối xứng. Mức độ không đối xứng phụ thuộc vào kiểu ngắn mạch và phương pháp đấu nối cuộn biến áp năng lượng giữa chỗ ngắn mạch và điểm kết nối thiết bị. Tóm lại, lõm điện áp thường xảy ra do hậu quả ngắn mạch, chạm đất, máy biến áp năng lượng, kết nối của các động cơ có cảm ứng công suất lớn.
III. Giải Pháp Điều Khiển Áp Liên Tục Bộ Điều Áp AVC Tối Ưu
Để chống lại ảnh hưởng của các biến động điện áp ngắn hạn và đảm bảo hoạt động cho các tải nhạy cảm, đặc biệt là các tải quan trọng trong công nghiệp, có nhiều giải pháp. Tuy nhiên, giải pháp lắp đặt thiết bị bảo vệ là khả thi nhất. Có thể chia các thiết bị bảo vệ thành hai nhóm chính: giảm thiểu bằng thiết bị thụ động (máy biến thế) và thiết bị bảo vệ dựa trên bộ biến đổi điện tử công suất.
3.1. Ưu Điểm Của Việc Sử Dụng Nguồn Cấp Điện Liên Tục UPS
Giải pháp dùng nguồn cấp liên tục (UPS) để khắc phục sự cố về điện áp lưới cho tải quan trọng được sử dụng nhiều. UPS có thể cung cấp điện năng trong một khoảng thời gian tương ứng với công suất thiết kế khi lưới gặp sự cố. Nguyên tắc hoạt động dựa trên việc biến đổi điện áp một chiều từ ắc quy sang điện xoay chiều. Có hai loại UPS chính: off-line và on-line. UPS online cách ly hoàn toàn tải với lưới điện, đảm bảo điện áp ổn định cho tải. Tuy nhiên, tốn kém chi phí bảo trì ắc quy.
3.2. Lợi Ích Của Bộ Điều Áp Liên Tục AVC Trong Hệ Thống Điện
Trong số các thiết bị khắc phục sự cố biến động điện áp ngắn hạn, bộ điều áp liên tục (AVC) là thiết bị tiết kiệm và đem lại hiệu quả cao nhất. Nghiên cứu đã chỉ ra hiệu quả của AVC trong việc duy trì điện áp ổn định cho các thiết bị quan trọng. Điều khiển điện áp chính xác và nhanh chóng là điểm mạnh của AVC so với các phương pháp khác. Đảm bảo chất lượng điện năng. Giải pháp sử dụng Bù Công Suất Phản Kháng (SVC) cũng được nhắc đến.
IV. Ứng Dụng Thực Tế Và Kết Quả Nghiên Cứu Về AVC Trong Điện
AVC được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ tin cậy cao về điện năng như sản xuất bán dẫn, y tế, và trung tâm dữ liệu. Các nghiên cứu đã chứng minh AVC có khả năng cải thiện đáng kể độ ổn định của hệ thống điện và giảm thiểu thiệt hại do sự cố điện áp. Nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển cho AVC để đáp ứng nhanh chóng với các biến động điện áp.
4.1. AVC Trong Các Ngành Công Nghiệp Quan Trọng
AVC đóng vai trò then chốt trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ tin cậy cao về điện năng. Trong sản xuất bán dẫn, một sự cố điện áp nhỏ có thể làm hỏng hàng loạt chip, gây thiệt hại lớn. Trong y tế, AVC đảm bảo các thiết bị y tế quan trọng như máy thở hoạt động liên tục. Trung tâm dữ liệu cũng cần AVC để tránh mất dữ liệu do sự cố điện.
4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Về Hiệu Quả Của AVC
Các nghiên cứu đã chứng minh AVC có khả năng cải thiện đáng kể độ ổn định của hệ thống điện. Các thí nghiệm cho thấy AVC có thể giảm thiểu thiệt hại do sự cố điện áp tới 90%. Nhiều nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển cho AVC, sử dụng điều khiển FACTS và điều khiển STATCOM để đáp ứng nhanh chóng với các biến động điện áp.
V. Thiết Kế Cấu Trúc Điều Khiển Biến Tần Trong Bộ AVC Liên Tục
Cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi phía lưới đòi hỏi sự chính xác cao để đảm bảo điện áp đầu ra ổn định. Việc sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như vòng khóa pha (PLL) và mạng tách pha kép đồng bộ (DDSRF) giúp nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Các bộ điều chỉnh điện áp cũng cần được tổng hợp tham số một cách tối ưu để đáp ứng nhanh chóng với các biến động.
5.1. Tổng Hợp Tham Số Bộ Điều Chỉnh Điện Áp Trong AVC
Tổng hợp tham số bộ điều chỉnh điện áp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo đáp ứng nhanh chóng và chính xác của hệ thống. Các phương pháp như điều khiển phản kháng và bù công suất phản kháng được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất của bộ điều chỉnh. Việc lựa chọn các tham số phù hợp giúp giảm thiểu sai số và cải thiện độ ổn định.
5.2. Sử Dụng Vòng Khóa Pha PLL Trong Điều Khiển AVC
Vòng khóa pha (PLL) được sử dụng để đồng bộ hóa bộ biến đổi với lưới điện, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả. PLL giúp xác định chính xác pha của điện áp lưới, cho phép bộ biến đổi tạo ra điện áp bù chính xác và nhanh chóng. Việc sử dụng PLL giúp giảm thiểu sóng hài và cải thiện chất lượng điện năng.
VI. Kết Luận Xu Hướng Phát Triển Điều Khiển Áp Liên Tục Thông Minh
Nghiên cứu và phát triển AVC đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện. Các xu hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tích hợp AVC vào lưới điện thông minh (smart grid), sử dụng điều khiển phân tán và điều khiển tập trung để tối ưu hóa hiệu suất, và ứng dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến dựa trên trí tuệ nhân tạo.
6.1. Tích Hợp AVC Vào Lưới Điện Thông Minh Smart Grid
Việc tích hợp AVC vào lưới điện thông minh giúp nâng cao khả năng tự động điều chỉnh và khắc phục sự cố. Lưới điện thông minh cho phép giám sát và điều khiển AVC từ xa, tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động. Các hệ thống quản lý năng lượng cũng có thể được tích hợp để điều phối hoạt động của AVC và các thiết bị khác.
6.2. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo Trong Điều Khiển AVC
Các thuật toán điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI) có thể giúp AVC đáp ứng nhanh chóng và chính xác với các biến động điện áp. AI có thể học hỏi từ dữ liệu lịch sử và dự đoán các sự cố điện áp, cho phép AVC chủ động điều chỉnh và duy trì điện áp ổn định. Các thuật toán AI cũng có thể được sử dụng để tối ưu hóa cấu hình của AVC và giảm thiểu chi phí.
