Tổng quan luận án

Chất lượng điện năng là yếu tố tác động trực tiếp đến tính liên tục và hiệu quả vận hành của các dây chuyền sản xuất trong xí nghiệp công nghiệp. Trong các dạng nhiễu loạn nguồn điện, lõm điện áp (voltage sag/dip) với thời gian kéo dài từ nửa chu kỳ (0,01 giây) đến dưới 60 giây là loại sự cố xuất hiện với tần suất cao nhất, chiếm tỷ lệ vượt trội so với mất điện ngắn hạn (từ 60 giây đến 5 phút), mất điện hoàn toàn (trên 5 phút) hay hiện tượng nhấp nháy điện áp (flicker từ 0,1 Hz đến 1 Hz). Dù diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn, lõm điện áp có thể khiến các hệ thống điều khiển tự động và các bộ biến tần điều khiển động cơ bị dừng đột ngột, làm gián đoạn toàn bộ dây chuyền sản xuất công nghiệp, gây thiệt hại kinh tế lớn và mất nhiều thời gian để khởi động lại hệ thống.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định là: các giải pháp truyền thống như cải tạo lưới điện phân phối đòi hỏi chi phí đầu tư lớn và làm gián đoạn sản xuất; hệ thống cấp nguồn liên tục (UPS) có chi phí đầu tư và bảo dưỡng rất cao, chỉ phù hợp cho phụ tải hạ áp công suất nhỏ do phải chịu toàn bộ công suất tải. Bộ khôi phục điện áp động (Dynamic Voltage Restorer - DVR) nối tiếp giữa nguồn và tải là giải pháp kinh tế với chi phí ước tính khoảng 200 - 250 USD/kVA. Tuy nhiên, các nghiên cứu điều khiển DVR trước đây chủ yếu tập trung vào điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq cho thành phần thứ tự thuận trong điều kiện lõm điện áp cân bằng (vốn chỉ chiếm khoảng 13% tổng số sự cố), chưa giải quyết triệt để các dạng lõm điện áp không cân bằng phức tạp (chiếm đa số) kèm theo hiện tượng nhảy góc pha. Đồng thời, tại Việt Nam chưa có công trình nào nghiên cứu và công bố hoàn chỉnh về việc ứng dụng thiết bị DVR bảo vệ phụ tải công nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 5 nội dung:

  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 và 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 nghiên cứu của luận án bao gồm:

  • Nhiễu loạn lõm điện áp, nguyên nhân và các giải pháp giảm thiểu trên lưới điện phân phối.
  • Cấu hình mạch lực của DVR: bộ biến đổi nguồn áp (VSC), bộ lọc phía xoay chiều (LC, RC), máy biến áp nối tiếp, bộ lưu trữ năng lượng và thanh cái một chiều (DC-link).
  • Các mạch vòng và thuật toán điều khiển DVR: thuật toán điều khiển điện áp tải, phát hiện lõm điện áp, vòng khóa pha (PLL) đồng bộ lưới, bộ điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ, bộ điều khiển cộng hưởng tách riêng thành phần thứ tự (SDR).
  • Mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink cho lưới điện trung áp kết hợp DVR bảo vệ tải nhạy cảm.
  • Mô hình thực nghiệm phần cứng DVR bảo vệ tải nhạy cảm có công suất định mức $P_{đm} = 5\text{ kW}$, điện áp 380 V xây dựng tại phòng thí nghiệm.
  • Lưới điện thực tế của Nhà máy xi măng Hoàng Mai với phụ tải nhạy cảm là tổ hợp Biến tần - Động cơ quạt công nghệ ID 142-FN1.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Nghiên cứu lý thuyết, phân tích lưới điện công nghiệp tại Nhà máy xi măng Hoàng Mai (kết nối ở cấp điện áp 6,3 kV) và triển khai thực nghiệm tại Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
  • Thời gian và đối tượng tác động: Tập trung vào các biến cố lõm điện áp ngắn hạn có thời gian kéo dài từ nửa chu kỳ (0,01 s) đến 60 s; yêu cầu hệ thống điều khiển DVR phản ứng khôi phục điện áp trong khoảng từ nửa chu kỳ đến 2 chu kỳ lưới điện (0,04 s).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng hợp các định nghĩa và quy chuẩn quốc tế về chất lượng điện năng và biến cố lõm điện áp từ các tiêu chuẩn: IEEE Std 1159-1995, IEEE Std 1250-1995, IEC 61000-2-1 (1990) và EN 50160.

Tiêu chuẩn Độ lớn điện áp còn lại (Magnitude) Khoảng thời gian (Duration) Cấp điện áp áp dụng (Applicability)
EN 50160 1% - 90% 0,5 chu kỳ đến 1 phút Hạ áp (LV) và Trung áp (MV đến 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 (Reduction of voltage) 0,5 chu kỳ đến vài giây Hạ áp (LV), Trung áp (MV), Cao áp (HV)
IEC 61000-2-1:1990 Giảm điện áp (Reduction of voltage) 0,5 chu kỳ đến vài giây Hạ áp (LV), Trung áp (MV), Cao áp (HV)

Theo số liệu khảo sát của Hội đồng Châu Âu thực hiện tại 1400 địa điểm ở 8 quốc gia, các sự cố liên quan đến chất lượng điện áp kém bao gồm: tình trạng treo máy tính, nhấp nháy ánh sáng, sự cố thiết bị xử lý dữ liệu, quá tải tụ bù (PFC), quá nhiệt dây trung tính, gián đoạn truyền động và sai lệch hệ thống đo lường. Trong đó, lõm điện áp là hiện tượng xảy ra phổ biến nhất.

Luận án điểm lại các giải pháp giảm thiểu lõm điện áp đã được công bố:

  • Hệ máy phát - động cơ kết hợp bánh đà (Motor-Generator with flywheel): Chuyển đổi động năng quay để giữ điện áp trong vài giây; nhược điểm là kích thước cồng kềnh, tiếng ồn lớn và chi phí bảo dưỡng cao.
  • Thiết bị dựa trên máy biến áp: Máy biến áp cộng hưởng sắt từ (chỉ phù hợp cho công suất dưới 5 kVA, điện áp ra bị méo do bão hòa từ); máy biến áp có phân nhánh điện tử đóng cắt bằng thyristor (độ trễ ít nhất nửa chu kỳ, điều chỉnh điện áp theo từng bậc rời rạc).
  • Bộ chuyển mạch tĩnh (Solid-State Transfer Switch - STS): Chuyển tải sang nguồn dự phòng trong thời gian nửa chu kỳ; nhược điểm là không khắc phục được nếu sự cố ngắn mạch xảy ra trên lưới truyền tải chung làm sụt áp cả hai nguồn, đồng thời tổn thất dẫn điện liên tục trên van bán dẫn.
  • Bộ nguồn liên tục (UPS): Cung cấp nguồn độc lập từ ắc quy qua bộ nghịch lưu; nhược điểm là giá thành đắt, tổn thất lớn qua hai tầng biến đổi AC/DC/AC, chi phí thay thế ắc quy cao khi áp dụng cho công suất lớn.

Đối với các công trình nghiên cứu chuyên sâu về DVR trên thế giới:

  • Hirofumi Akagi, Takushi Jimichi, Hideaki Fujita (2008): Nghiên cứu cấu trúc DVR cấu hình back-to-back nối phía nguồn hoặc tải nhằm giảm dung lượng bộ lưu trữ năng lượng, đề xuất phương pháp loại bỏ thành phần từ thông một chiều trong máy biến áp nối tiếp của DVR.
  • John Godsk Nielsen (2004): Nghiên cứu thiết kế phần cứng và thuật toán điều khiển vector cho thành phần thứ tự thuận, phù hợp với các dạng lõm điện áp cân bằng.
  • Krischonme Bhumkittipich và Nadarajah Mithulananthan (2011): Ứng dụng điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq kết hợp bộ điều khiển PI để bù lõm/dâng điện áp, tuy nhiên chỉ xử lý thành phần thứ tự thuận.
  • Reshmi V, Mabel Ebenezer, Jayasree M.S (2009): Tích hợp chức năng bù sóng hài và sụt áp cho DVR bằng bộ điều khiển PI, PR và điều khiển lặp; tuy nhiên cấu trúc điều khiển vẫn giới hạn ở việc điều khiển thành phần thứ tự thuận, chưa tối ưu hóa động học bù lõm không cân bằng.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Xây dựng cấu trúc điều khiển vector hoàn chỉnh trên cả hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ, tích hợp các bộ điều khiển tách riêng hai thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch nhằm bù triệt để cả lõm điện áp cân bằng và không cân bằng kèm nhảy góc pha. Đồng thời, luận án thiết lập quy trình tính toán, thiết kế và áp dụng DVR vào bảo vệ tải nhạy cảm thực tế trong công nghiệp xi măng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết phân tích thành phần đối xứng: Phân tích hệ thống điện áp ba pha không cân bằng thành ba thành phần: thứ tự thuận ($u^+$), thứ tự nghịch ($u^-$) và thứ tự không ($u^0$).
  • Lý thuyết vector không gian (Space Vector): Sử dụng phép biến đổi Clark để chuyển đổi điện áp ba pha từ hệ tọa độ tự nhiên abc sang hệ tọa độ tĩnh αβ; sử dụng phép biến đổi Park để chuyển đổi từ hệ tọa độ tĩnh αβ sang hệ tọa độ quay đồng bộ dq theo góc pha lưới $\theta$.
  • Lý thuyết điều khiển tuyến tính và điều khiển cộng hưởng: Thiết kế bộ điều khiển PI trên hệ tọa độ quay dq để đưa sai lệch xác lập về 0 đối với các đại lượng một chiều; thiết kế bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ (Proportional Resonant - PR) và bộ điều khiển cộng hưởng tách riêng thành phần thứ tự (Sequence-Decoupled Resonant - SDR) trên hệ tọa độ tĩnh αβ để xử lý trực tiếp các đại lượng xoay chiều tần số cơ bản mà không cần khâu quay tọa độ phức tạp.
  • Mô hình toán học hệ thống VSC và bộ lọc LC: Xây dựng phương trình trạng thái mô tả quan hệ điện áp, dòng điện giữa bộ biến đổi, bộ lọc đầu ra, máy biến áp chèn và phụ tải.
  • Các chiến lược tạo điện áp chèn $u_{inj}$:
    1. Chiến lược bù trước lõm (Pre-sag compensation): Khôi phục cả biên độ và góc pha của điện áp tải về đúng trạng thái trước khi xảy ra sự cố ($u_L = u_{g,pre-sag}$).
    2. Chiến lược bù đồng pha (In-phase compensation): Điện áp chèn $u_{inj}$ có cùng góc pha với điện áp lưới trong thời gian lõm ($u_{g,sag}$), giúp tối thiểu hóa biên độ điện áp cần chèn nhưng xuất hiện bước nhảy góc pha trên tải.
    3. Chiến lược bù giảm năng lượng (Energy-optimized compensation): Chèn điện áp lệch pha một góc sao cho công suất tác dụng trao đổi giữa DVR và lưới là nhỏ nhất ($P_{inj} \approx 0$).

Phương pháp nghiên cứu

  • Khảo sát thực tế và thống kê: Thu thập dữ liệu vận hành, sơ đồ cấp điện, ghi nhận các biến cố sụt áp và phân tích đặc tính cắt của các thiết bị bảo vệ tại Nhà máy xi măng Hoàng Mai.
  • Mô hình hóa toán học và điều khiển: Xây dựng cấu trúc điều khiển hai mạch vòng (vòng trong điều khiển dòng điện bộ biến đổi $i_f$, vòng ngoài điều khiển điện áp chèn $u_{inj}$ hoặc điện áp tải $u_L$), kết hợp khâu phản hồi (feedback) và truyền thẳng (feedforward).
  • Mô phỏng số: Thực hiện mô phỏng hệ thống hoàn chỉnh trên phần mềm Matlab/Simulink ở cấp điện áp 6,3 kV.
  • Thực nghiệm phần cứng: Xây dựng mô hình thực nghiệm 5 kW, 380 V; nạp thuật toán điều khiển thời gian thực lên card xử lý tín hiệu số dSPACE DS1104.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu chuẩn quốc tế từ các tài liệu IEEE, IEC, EN.
  • Số liệu thống kê từ 1400 điểm đo tại 8 quốc gia của Hội đồng Châu Âu.
  • Số liệu thông số kỹ thuật động cơ, biến tần quạt ID 142-FN1 và lưới điện trạm 110/6,3 kV Nhà máy xi măng Hoàng Mai.
  • Kết quả đo đạc dạng sóng điện áp, dòng điện từ mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 hệ thống hóa khái niệm chất lượng điện năng, nguồn gốc và đặc tính của lõm điện áp. Nguyên nhân gây lõm điện áp chủ yếu do ngắn mạch một pha, ngắn mạch hai pha, ngắn mạch ba pha; khởi động động cơ công suất lớn hoặc đóng máy biến áp công suất lớn vào lưới.

Độ lớn lõm điện áp ($V_{sag}$) được tính toán dựa trên giá trị hiệu dụng (RMS) với $N$ mẫu điện áp tức thời: $$V_{RMS}(k) = \sqrt{\frac{1}{N} \sum_{i=k-N+1}^{k} v_i^2}$$

Mức độ sụt áp tại điểm đấu nối chung (PCC) phụ thuộc vào thông số trở kháng phân bố $D$: $$D = \frac{Z_F + Z_F'}{2Z_S + (Z_F + Z_F')}$$

Lõi điện áp được phân loại thành 4 dạng cơ bản: Kiểu A (ngắn mạch 3 pha), Kiểu B (1 pha chạm đất), Kiểu C (ngắn mạch 2 pha) và Kiểu D (2 pha chạm đất). Luận án phân tích sự biến đổi dạng lõm khi lan truyền qua các máy biến áp đấu dây kiểu Tam giác/Sao hở (Dy):

Điểm kết nối Dạng lỗi ban đầu tại PCC1 Dạng lõm đo được tại PCC2 Dạng lõm đo được tại PCC3
3 pha / 3 pha chạm đất Kiểu A Kiểu A Kiểu A
1 pha chạm đất Kiểu B Kiểu C Kiểu D
2 pha Kiểu C Kiểu D Kiểu C
2 pha chạm đất Kiểu E Kiểu F Kiểu G

Chương này phân tích nguyên lý bù nối tiếp $u_L = u_{g,sag} + u_{inj}$, tính toán công suất tác dụng $P_{inj}$ và phản kháng $Q_{inj}$ cần bơm vào lưới: $$P_{inj} = P_{load} \left[1 - \frac{U_{g,sag}}{U_L} \cos(\psi - \phi)\right]$$ $$Q_{inj} = Q_{load} \left[1 - \frac{U_{g,sag}}{U_L} \sin(\psi - \phi)\right]$$

So sánh vị trí lắp đặt cho thấy: lắp đặt ở cấp trung áp (MV) phù hợp bảo vệ cụm tải lớn, hệ thống 3 pha 3 dây không nối đất giúp loại bỏ thành phần thứ tự không và giảm trở kháng tương đối; lắp đặt ở cấp hạ áp (LV) bảo vệ mục tiêu cụ thể nhưng phải xử lý thành phần thứ tự không và chịu ảnh hưởng lớn bởi trở kháng chèn.

Chương 1 cũng đánh giá các cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ tự nhiên:

  • Điều khiển vô hướng: Tính trị hiệu dụng chậm ít nhất nửa chu kỳ.
  • Điều khiển vòng hở ($u_{inv} = k_i (u_L^* - u_s)$): Loại bỏ nhiễu nhanh nhưng nhạy cảm với sai lệch tham số.
  • Điều khiển vòng kín ($u_{inv} = k_i (u_L^* - u_L)$): Ổn định hệ thống nhưng động học chậm.
  • Điều khiển có hồi tiếp dòng điện bộ biến đổi: Nâng cao độ tắt dần $\xi$ và bảo vệ quá dòng cho van bán dẫn.
  • Điều khiển hồi tiếp kép (dòng tụ $i_c$ và điện áp $u_L$): Tăng tần số riêng $\omega_0$ và hệ số tắt dần $\xi$, triệt tiêu dao động cộng hưởng LC.

Chương 2: Cấu trúc bộ khôi phục điện áp động

Chương 2 phân tích chức năng và lựa chọn cấu hình cho các khối phần cứng của DVR:

  • Bộ biến đổi nguồn áp (VSC): So sánh các cấu trúc:
    • Cấu trúc nửa cầu kết nối MBA Sao/Sao hở: Dùng 6 van IGBT, tạo ra 3 mức điện áp chèn ($-U_{DC}/2, 0, +U_{DC}/2$), yêu cầu tách tụ DC khi cần bù thành phần thứ tự không.
    • Cấu trúc cầu ba pha kết nối MBA Tam giác/Sao hở: Dùng 6 van IGBT, tạo 2 mức điện áp ($-U_{DC}, +U_{DC}$), dòng thứ tự không tự khép kín trong cuộn tam giác, điều khiển DC-link đơn giản.
    • Cấu trúc 3 cầu một pha độc lập: Dùng 12 van IGBT, phát điện áp 3 mức với tần số tương đương gấp đôi tần số chuyển mạch thực tế, bù tốt cho lõm không cân bằng.
    • Cấu trúc đa mức (diode kẹp, tụ kẹp, cascade): Giảm độ méo hài tổng THD, giảm kích thước bộ lọc, chịu điện áp cao nhưng số lượng linh kiện lớn.
    • Cấu trúc nối trực tiếp không qua MBA: Giảm kích thước, tăng dải thông nhưng yêu cầu van bán dẫn chịu áp cao và mạch bảo vệ cách ly đất phức tạp.
  • Bộ lọc tần số chuyển mạch: Khảo sát 3 vị trí đặt tụ điện $C_f$:
    • Tụ $C_f$ phía nguồn: Điện áp tải bị méo do chứa hài chuyển mạch.
    • Tụ $C_f$ ở cả nguồn và tải: Điện dung phụ thuộc tải, dễ gây mất ổn định.
    • Tụ $C_f$ song song với bộ biến đổi (bộ lọc LC phía VSC): Tối ưu nhất do loại bỏ hài chuyển mạch trước khi đưa qua MBA nối tiếp, bảo vệ MBA khỏi dòng điện hài bậc cao.
  • Máy biến áp nối tiếp: Thực hiện cách ly điện, phối hợp mức điện áp giữa VSC và lưới, dập tắt xung điện áp cao; sử dụng 3 máy biến áp một pha để đảm bảo tính độc lập từ thông khi có sự cố không cân bằng.
  • Hệ thống DC-link và lưu trữ năng lượng: Đánh giá cấu hình có bộ lưu trữ năng lượng độc lập qua bộ biến đổi DC/DC (duy trì điện áp $U_{DC}$ không đổi) và cấu hình cấp nguồn trực tiếp từ chỉnh lưu nối lưới.
  • Hệ thống bảo vệ: Thiết kế mạch bảo vệ quá áp, van thyristor by-pass bảo vệ ngắn mạch phía tải và mạch phóng điện an toàn cho tụ DC-link.

Chương 3: Điều khiển bộ khôi phục điện áp động

Chương 3 tập trung xây dựng các thuật toán điều khiển cho DVR:

  • Mô hình toán học: Thiết lập hệ phương trình trạng thái mô tả VSC kết hợp bộ lọc LC trên hệ tọa độ tĩnh $\alpha\beta$ và hệ tọa độ quay đồng bộ dq: $$\begin{cases} L_f \frac{d i_{fd}}{dt} = -R_f i_{fd} + \omega L_f i_{fq} + u_{inv,d} - u_{inj,d} \ L_f \frac{d i_{fq}}{dt} = -R_f i_{fq} - \omega L_f i_{fd} + u_{inv,q} - u_{inj,q} \ C_f \frac{d u_{inj,d}}{dt} = \omega C_f u_{inj,q} + i_{fd} - i_{inj,d} \ C_f \frac{d u_{inj,q}}{dt} = -\omega C_f u_{inj,d} + i_{fq} - i_{inj,q} \end{cases}$$

  • Điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq: Tách tín hiệu thành hai chuỗi thứ tự thuận ($dq^+$) và thứ tự nghịch ($dq^-$). Mỗi thành phần được điều khiển bằng một bộ điều khiển PI riêng biệt để loại bỏ hoàn toàn sai lệch tĩnh một chiều.

  • Bộ điều khiển cộng hưởng tách riêng thành phần thứ tự (SDR) trên hệ tọa độ tĩnh αβ: Hàm truyền đạt của bộ điều khiển SDR kết hợp thành phần tỷ lệ $k_p$ và khâu tích phân cộng hưởng tại tần số lưới $\omega_0$: $$G_{SDR}(s) = k_p + \frac{2 k_i \omega_c s}{s^2 + 2\omega_c s + \omega_0^2}$$ Khâu cộng hưởng này cung cấp độ lợi vô cùng lớn tại tần số làm việc 50 Hz, giúp bám chính xác tín hiệu đặt xoay chiều mà không cần chuyển đổi tọa độ phức tạp.

  • Phân tích ổn định hệ thống: Đánh giá vị trí điểm cực - điểm không (Pole-Zero), biểu đồ Bode của hệ hở và hệ kín; lựa chọn dải thông và hệ số $k_p, k_i$ đảm bảo biên độ dự trữ và pha dự trữ ổn định khi trở kháng tải thay đổi.

  • Thuật toán đồng bộ và phát hiện lõm điện áp: Sử dụng bộ khóa pha (PLL) trên hệ tọa độ dq để bám góc pha lưới $\theta$; thuật toán phát hiện lõm điện áp dựa trên vector sai lệch tức thời kết hợp bộ lọc ngăn ngừa tác động nhầm do xung nhiễu ngắn hạn.

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

Chương 4 nghiên cứu ứng dụng DVR tại Nhà máy xi măng Hoàng Mai:

  • Khảo sát đối tượng: Phụ tải nhạy cảm quan trọng được chọn là tổ hợp Biến tần - Động cơ quạt hút ID 142-FN1 (công suất lớn, điều khiển lưu lượng khí công nghệ trong lò nung clinker). Khi xảy ra lõm điện áp trên lưới 110 kV hoặc 6,3 kV, bộ biến tần bảo vệ thấp áp tác động ngắt động cơ, khiến toàn bộ lò nung dừng hoạt động.
  • Thiết kế hệ thống DVR: Đặt tại thanh cái trung áp 6,3 kV cấp nguồn cho quạt ID 142-FN1.
    • Tính chọn công suất định mức của DVR dựa trên mức độ sụt áp sâu nhất dự kiến (50%) và công suất phụ tải.
    • Tính chọn thông số bộ lọc LC phía VSC và tỷ số máy biến áp chèn nối tiếp.
  • Bảng tổng hợp tham số hệ thống DVR và lưới (Bảng 4.1 trích từ luận án):
    • Điện áp lưới định mức: $6,3\text{ kV}$ ($50\text{ Hz}$).
    • Tải định mức: Tổ hợp Biến tần - Động cơ quạt ID 142-FN1.
    • Cấu hình VSC: Cầu 3 pha 2 mức, tần số đóng cắt PWM $f_{sw} = 2,5\text{ kHz}$.
    • Bộ lọc LC: $L_f, C_f$ được tối ưu hóa để dập tắt tần số sóng mang.
  • Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink: Kiểm chứng thuật toán điều khiển đề xuất qua 4 kịch bản sự cố:
    1. Sự cố lõm điện áp 3 pha cân bằng (sụt 50% biên độ).
    2. Sự cố lõm điện áp không cân bằng (ngắn mạch 1 pha và 2 pha chạm đất kèm nhảy góc pha).
    3. Dao động méo dạng điện áp do quá trình đóng cắt tụ bù công suất phản kháng trên lưới.
    4. Lõm điện áp do khởi động động cơ công suất lớn ở thanh cái lân cận. Kết quả mô phỏng cho thấy DVR phát hiện sự cố nhanh chóng, điện áp trên tải được khôi phục về giá trị danh định $1,0\text{ pu}$ trong thời gian dưới $0,02\text{ s}$ (1 chu kỳ), dạng sóng hình sin chuẩn xác, triệt tiêu được thành phần thứ tự nghịch.

Chương 5: Xây dựng mô hình thực nghiệm DVR

Chương 5 trình bày việc chế tạo và thử nghiệm mô hình phần cứng thực nghiệm tại Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội:

  • Thông số mô hình thực nghiệm (Bảng 5.1):
    • Công suất định mức: $P_{đm} = 5\text{ kW}$.
    • Điện áp lưới: $380\text{ V}$ (pha - pha RMS), tần số $50\text{ Hz}$.
    • Cấu trúc mạch lực: Bộ biến đổi VSC sử dụng module IGBT, bộ lọc LC đầu ra, máy biến áp nối tiếp 3 pha.
    • Hệ thống điều khiển: Card xử lý tín hiệu số dSPACE DS1104 kết hợp phần mềm Matlab/Simulink Real-Time ControlDesk.
  • Cài đặt thuật toán: Toàn bộ thuật toán điều khiển vector tách thành phần thứ tự thuận - nghịch và bộ điều khiển SDR được biên dịch trực tiếp xuống DSP của card DS1104.
  • Kết quả thực nghiệm:
    • Khả năng đồng bộ lưới: Khâu PLL bám chính xác góc pha lưới $\theta$ trong mọi trạng thái xác lập và quá độ.
    • Chế độ tĩnh: Hệ số méo hài điện áp ra trên tải THD được kiểm soát ở mức thấp theo tiêu chuẩn.
    • Chế độ động: Khi tạo sự cố sụt áp 50% trên lưới cấp cho tải $5\text{ kW}$, DVR lập tức bơm điện áp bù $u_{inj}$, điện áp trên tải phục hồi về mức 380 V trong khoảng thời gian từ nửa chu kỳ đến 1,5 chu kỳ lưới (dưới $0,03\text{ s}$), không xảy ra hiện tượng vọt lố quá mức hoặc dao động kéo dài.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận khoa học

  1. Xây dựng thành công cấu trúc và thuật toán điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ với cấu trúc hai mạch vòng nối tầng tách riêng biệt hai thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch. Thuật toán này khắc phục được hạn chế của các phương pháp truyền thống vốn chỉ bù thành phần thứ tự thuận, nâng cao khả năng bù cho các dạng lõm điện áp không cân bằng phức tạp và khử hiện tượng nhảy góc pha.
  2. Thiết lập mô hình toán học và phương pháp thiết kế tham số cho bộ điều khiển cộng hưởng tách riêng thành phần thứ tự (SDR) trên hệ tọa độ tĩnh αβ, chứng minh tính ổn định của hệ kín thông qua biểu đồ phân bố cực - không và biểu đồ Bode.

Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Khảo sát, phân tích định lượng nguyên nhân, cơ chế lan truyền sự cố lõm điện áp trong lưới điện công nghiệp và đánh giá tác động gây dừng máy đối với tổ hợp Biến tần - Động cơ quạt hút ID 142-FN1 tại Nhà máy xi măng Hoàng Mai.
  2. Đề xuất quy trình thiết kế, tính chọn thông số mạch lực (VSC, LC filter, MBA nối tiếp, DC-link) và cấu hình điều khiển cho thiết bị DVR kết nối ở cấp trung áp 6,3 kV.
  3. Xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên phần mềm Matlab/Simulink mô tả chính xác tương tác giữa lưới điện trung áp, DVR và phụ tải phi tuyến công nghiệp.
  4. Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm phần cứng DVR công suất 5 kW, điện áp 380 V điều khiển bằng card dSPACE DS1104 tại phòng thí nghiệm, kiểm chứng bằng thực nghiệm tính chính xác và khả năng tác động nhanh của thuật toán điều khiển đề xuất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Mô hình thực nghiệm phần cứng mới được triển khai ở quy mô phòng thí nghiệm với công suất định mức 5 kW, cấp điện áp hạ áp 380 V; chưa thực hiện thử nghiệm trực tiếp thiết bị DVR công suất lớn ở cấp trung áp 6,3 kV tại hiện trường Nhà máy xi măng Hoàng Mai do điều kiện kinh phí và an toàn vận hành công nghiệp.
  • Nghiên cứu chủ yếu tập trung vào chức năng bù sụt áp ngắn hạn và khử thành phần thứ tự nghịch tần số cơ bản (50 Hz); chưa tích hợp đồng thời chức năng lọc tích cực các thành phần sóng hài bậc cao đa dải tần do giới hạn về dải thông điều khiển của bộ biến đổi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu áp dụng các cấu trúc biến đổi đa bậc cascade kết nối trực tiếp vào lưới trung áp không qua máy biến áp nối tiếp nhằm giảm kích thước và loại bỏ tổn thất phi tuyến của lõi thép.
  • Nghiên cứu kết hợp các thuật toán điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững để nâng cao chất lượng làm việc của DVR khi các thông số lưới và tải biến động mạnh trong dải rộng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo kỹ thuật chuyên sâu cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Thiết bị điện, Điện tử công suất: Tham khảo phương pháp mô hình hóa vector không gian, kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển SDR, PR và quy trình nạp thuật toán thời gian thực trên card dSPACE DS1104.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Sử dụng mô hình toán học và sơ đồ khối mô phỏng Matlab/Simulink trong giảng dạy các học phần về Chất lượng điện năng, Điện tử công suất nâng cao và Điều khiển hệ thống nối lưới.
  • Kỹ sư vận hành và nhà quản lý kỹ thuật tại các nhà máy công nghiệp (xi măng, luyện kim, hóa chất, giấy): Tham khảo phương pháp đánh giá rủi ro sụt áp đối với các hệ truyền động biến tần - động cơ nhạy cảm và quy trình tính toán lắp đặt thiết bị bù nối tiếp DVR ở cấp trung áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Theo tiêu chuẩn IEEE Std 1159-1995, hiện tượng lõm điện áp được định lượng như thế nào?
Trả lời: Theo IEEE Std 1159-1995, lõm điện áp là hiện tượng suy giảm điện áp tức thời với giá trị điện áp hiệu dụng (RMS) còn lại nằm trong khoảng từ 10% đến 90% so với điện áp danh định, kéo dài trong khoảng thời gian từ nửa chu kỳ (0,01 giây tại tần số 50 Hz) đến 1 phút.

2. Vì sao DVR được đánh giá là giải pháp kinh tế hơn UPS đối với phụ tải công nghiệp công suất lớn?
Trả lời: UPS phải được thiết kế chịu 100% công suất tải và năng lượng phải chuyển đổi liên tục qua hai tầng biến đổi AC/DC/AC, dẫn đến chi phí đầu tư và tổn thất điện năng rất cao ở công suất lớn. Trong khi đó, DVR mắc nối tiếp chỉ cần bù phần điện áp bị sụt giảm ($u_{inj} = u_L - u_{g,sag}$), công suất định mức của bộ biến đổi nhỏ hơn nhiều so với công suất tải, chi phí đầu tư thấp hơn (khoảng 200 - 250 USD/kVA).

3. Khi một sự cố ngắn mạch 2 pha (lõm kiểu C) xảy ra trên lưới điện, dạng sóng lõm lan truyền qua máy biến áp Dy sang cấp điện áp tiếp theo sẽ chuyển thành dạng nào?
Trả lời: Theo phân tích lan truyền trong luận án (Bảng 1.2), sự cố ngắn mạch 2 pha tạo ra dạng lõm kiểu C tại điểm đo ban đầu (PCC1). Khi truyền qua máy biến áp đấu dây kiểu Dy sang thanh cái PCC2, dạng lõm bị biến đổi góc pha và biên độ trở thành dạng lõm kiểu D. Khi tiếp tục qua máy biến áp Dy thứ hai đến thanh cái PCC3, nó chuyển đổi trở lại thành dạng lõm kiểu C.

4. Thuật toán điều khiển đề xuất trong luận án giải quyết vấn đề lõm điện áp không cân bằng như thế nào?
Trả lời: Thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ với cấu trúc điều khiển hai mạch vòng, phân tách riêng biệt tín hiệu điện áp thành hai chuỗi thứ tự thuận ($u^+$) và thứ tự nghịch ($u^-$). Mỗi thành phần được điều khiển độc lập bằng bộ điều khiển PI trên hệ dq hoặc bộ điều khiển cộng hưởng SDR trên hệ αβ, giúp loại bỏ triệt để thành phần dao động sóng hài bậc hai do tính không đối xứng gây ra và khôi phục điện áp ba pha cân bằng hoàn toàn trên tải.

5. Cấu hình phần cứng và nền tảng điều khiển của mô hình thực nghiệm DVR trong luận án được xây dựng với các thông số nào?
Trả lời: Mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm được xây dựng với công suất định mức 5 kW, điện áp lưới xoay chiều 3 pha 380 V ($50\text{ Hz}$), sử dụng bộ biến đổi nguồn áp VSC dùng IGBT, bộ lọc LC đầu ra và máy biến áp chèn ba pha. Nền tảng điều khiển thời gian thực được thực hiện thông qua card DSP dSPACE DS1104 giao tiếp với máy tính qua phần mềm ControlDesk.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Duy Trinh đã giải quyết trọn vẹn bài toán nghiên cứu cấu trúc và thuật toán điều khiển bộ khôi phục điện áp động (DVR) nhằm bảo vệ các phụ tải nhạy cảm quan trọng trong xí nghiệp công nghiệp. Công trình đã phát triển thành công thuật toán điều khiển vector tách riêng thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ (sử dụng bộ điều khiển SDR), giải quyết triệt để vấn đề bù lõm điện áp không cân bằng kèm nhảy góc pha. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết đã được chứng minh tính đúng đắn và hiệu quả thông qua mô hình mô phỏng lưới điện 6,3 kV bảo vệ tải quạt hút ID 142-FN1 tại Nhà máy xi măng Hoàng Mai trên Matlab/Simulink và mô hình thực nghiệm 5 kW - 380 V trên nền tảng card dSPACE DS1104. Luận án cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp thực tiễn có giá trị cao cho việc nâng cao chất lượng điện năng trong các ngành công nghiệp hiện đại.