Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. Sơ đồ bộ chuyển mạch tĩnh. Mục đích của thiết bị này là để chuyển tải từ một nguồn chính sang một nguồn phụ tự động và nhanh chóng khi điện áp lõm xuất hiện từ phía nguồn chính và trong khi nguồn thứ hai có khả năng đáp ứng yêu cầu về công suất và chất lượng nhất định. Trong quá trình hoạt động bình thường, nguồn chính cấp điện cho tải qua các bộ chuyển đổi thyristors 1, trong khi nguồn thứ hai được ngắt kết nối (bộ chuyển mạch 2 mở).
Trong trường hợp xuất hiện các lõm điện áp hoặc bị gián đoạn trong nguồn chính, tải sẽ được chuyển từ nguồn chính đến nguồn dự phòng. Phương pháp điều khiển để có được chuyển đổi tức thời của tải có thể được thông qua. Tuy nhiên, sự kết nối song song giữa hai nguồn trong lúc chuyển đổi phải được tránh.Vì lý do này, thời gian chuyển đổi có thể mất đến một nửa chu kỳ. Điều này có nghĩa là tải vẫn sẽ bị ảnh hưởng bởi lõm, nhưng thời gian của nó sẽ được giảm đến thời gian cần thiết để chuyển đổi tải từ nguồn chính đến nguồn thứ hai.
Nhược điểm của STS là nó không thể giảm nhẹ nguồn phát các lõm điện áp do các lỗi trong hệ thống truyền tải, trong khi các kiểu lõm thường ảnh hưởng đến cả nguồn chính và nguồn thứ hai. Hơn nữa, nó liên tục dẫn dòng điện tải, dẫn đến tổn thất dẫn đáng kể. Nguồn cung cấp liên tục (UPS) Nguồn cung cấp liên tục (UPS), bao gồm một chỉnh lưu diode theo sau là bộ biến tần, như thể hiện trong hình 1. Bộ phận lưu trữ năng lượng thường là một acquy kết nối để liên kết DC.
Trong quá trình hoạt động bình thường (online), nguồn điện đến từ nguồn cung cấp AC đã được chỉnh lưu và sau đó qua bộ biến đổi nghịch lưu trở thành nguồn xoay chiều trở lại cung cấp cho tải. Acquy vẫn còn ở chế độ chờ và chỉ 18 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. giữ điện áp DC - thanh cái không đổi. Nếu một lõm điện áp hoặc gián đoạn xuất hiện, năng lượng được cung cấp bằng acquy giữ điện áp tại thanh cái DC không đổi.
Tùy thuộc vào dung lượng lưu trữ của acquy, nó có thể cung cấp cho tải một vài phút hoặc thậm chí vài giờ, tài liệu [23]. Sơ đồ UPS ba pha. Vận hành đơn giản, các UPS là giải pháp cho tải có công suất và điện áp thấp. Đối với các tải công suất cao hơn các chi phí liên quan với tổn thất do hai bộ chuyển đổi và bảo trì của acquy trở nên quá cao.
Do đó, UPS ba pha công suất cao là không khả thi về mặt kinh tế. Bộ khôi phục điện áp động (DVR) a. Nguyên tắc hoạt động. Bộ khôi phục điện áp động (DVR) là một thiết bị được tạo ra với vai trò chủ yếu để bù lõm điện áp bảo vệ cho các tải nhạy cảm, khi sự cố lõm điện áp xảy ra sẽ tự động chèn vào một điện áp uinj(t) có biên độ, tần số và góc pha mong muốn.
Ví dụ về một DVR bảo vệ tải nhạy cảm được thể hiện như trên hình 1. Bộ khôi phục điện áp động DVR. 19 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. Giả sử một lỗi ngắn mạch xảy ra tại điểm A, điện áp tại A bị giảm xuống 0V, điện áp tại điểm B cũng sẽ bị giảm xuống khoảng 64%.
Với điều kiện này chắc chắn bất kỳ tải nhạy cảm nào cũng sẽ bị ảnh hưởng với lõm điện áp. Để đảm bảo cho tải nhạy cảm tiếp tục hoạt động, một DVR được lắp đặt tại điểm nối chung (PCC). Điện áp tại đường trục này sẽ được duy trì ở giá trị định mức do có sự hiện diện của DVR. Điều này có nghĩa là khi một lõm điện áp xảy ra, một bộ khôi phục điện áp lõm tự động phát hiện và bơm vào các thành phần điện áp để bù lại một phần hoặc toàn bộ lượng điện áp bị mất mát do lỗi để duy trì độ lớn cũng như góc pha của điện áp lưới, đảm bảo cho tải hoạt động bình thường.10: a) Sơ đồ miêu tả nguyên hoạt động của DVR; b) Sơ đồ đơn giản hóa hoạt động của DVR Trong hình 1.10 thể hiện DVR là một nguồn áp có độ lớn, góc pha và tần số có thể điều chỉnh được, trong đó eg là điện áp lưới, einj là điện áp chèn vào và el là điện áp tải.
Khi xảy ra sự cố lõm điện áp, điện áp nguồn sẽ bị giảm độ lớn và nhảy góc pha, được thể hiện như vectơ Ug,sag như trên hình. Để duy trì điện áp tải Ul và ngăn nhảy pha, bộ khôi phục điện áp động sẽ phải bù một điện áp Ug,sag đã được tính toán. Ta có Ul = Ug,sag + Uinj, tài liệu [23]. Để khôi phục được điện áp Ug,sag cả độ lớn và góc pha, DVR phải bù cả công suất tác dụng và công suất phản kháng vào lưới.
20 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. Đồ thị vectơ thể hiện nguyên lý bù lõm, [14] Giả sử điện áp và dòng điện tải trong điều kiện hoạt động bình thường là 1pu, công suất được chèn vào của DVR được tính như sau: 𝑆𝑖𝑛𝑗 = 𝑈𝑖𝑛𝑗 𝐼∗ = �𝑈𝑙 − 𝑈𝑔,𝑠𝑎𝑔 �𝐼∗ = �1 − 𝑈𝑔,𝑠𝑎𝑔 𝑒 𝑗𝛹 �𝑒 𝑗𝜑 = 𝑐𝑜𝑠𝜑 + 𝑗𝑠𝑖𝑛𝜑 − 𝑈𝑔,𝑠𝑎𝑔 cos(𝜑 + 𝛹) − 𝑗𝑈𝑔,𝑠𝑎𝑔 sin(𝜑 + 𝛹) (1.3) Mặt khác ta lại có: 𝑆𝑙 = 𝑈𝑙 𝐼∗ = 𝑒 𝑗𝜑 = 𝑐𝑜𝑠𝜑 + 𝑗𝑠𝑖𝑛𝜑 = 𝑃𝑙 + 𝑗𝑄𝑙 (1. Cấu trúc chung và các thành phần cơ bản của DVR Hình 1.12: Cấu trúc chung của bộ khôi phục điện áp động. 21 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục.
Cấu trúc chung của DVR được cấu tạo từ các thành phần như trên hình 1.12, tài liệu [12]: • Bộ biến đổi: Bộ biến đổi phần lớn là bộ biến đổi nguồn áp (VSC) sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM), biến đổi điện áp một chiều từ DC- link/nguồn lưu trữ thành điện áp xoay chiều để đưa vào hệ thống. • Bộ lọc tần số chuyển mạch: Bộ lọc tần số chuyển mạch được thêm vào để giảm sóng điều hòa chuyển mạch được sinh ra bởi bộ biến đổi nguồn áp. • Máy biến áp nối tiếp: Bộ khôi phục điện áp động được kết nối thêm máy biến áp nối tiếp để đảm bảo cách ly về điện cho bộ biến đổi và lưới điện và làm đơn giản hóa cấu trúc bộ biến đổi cũng như thiết bị bảo vệ. • DC-link và bộ lưu trữ năng lượng: Có khả năng lưu trữ năng lượng và kết nối với VSC để có thể tạo ra điện áp xoay chiều cần thiết bù cho một biến cố lõm điện áp khi nó xảy ra.
• Thiết bị by-pass: Bảo vệ cho các lỗi quá tải của DVR, hoặc lỗi ngắn mạch phía tải. • Thiết bị ngắt kết nối: Để đảm bảo ngắt kết nối DVR ra khỏi hệ thống khi cần thiết hoặc khi có các trường hợp khẩn cấp cần phải ngắt mạch để đảm bảo an toàn cho hệ thống DVR c. Vị trí của DVR trong lưới điện. • DVR được kết nối ở cấp trung áp: Lắp đặt DVR ở cấp trung áp sẽ làm tăng trở kháng của nguồn, điều này là không đáng kể do đó việc chèn DVR vào điện áp trung áp có những lợi ích đáng kể như sau, tài liệu [13]: - Các trở kháng tăng lên do việc lắp đặt DVR ở cấp trung áp sẽ được xem như là rất nhỏ, không đáng kể.
- Các hệ thống phân phối trung áp kiểu ba dây không nối đất sẽ chỉ cần cấu trúc DVR đơn giản hơn do chỉ phải bù thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch. - Các chi phí cho mỗi máy biến áp để bảo vệ dự kiến sẽ thấp hơn nếu một DVR có vị trí ở trong những trung tâm như tải lớn so với một DVR chèn vào ở cấp điện áp thấp và phụ tải không tập trung. 22 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. Tuy vậy việc lắp đặt DVR ở cấp trung áp cũng có những hạn chế do việc lắp đặt DVR ở trung áp bảo vệ tải lớn do vậy công suất sẽ lớn và tổn hao cũng sẽ lớn theo, mặt khác yêu cầu về kết nối cách ly ngắn mạch cũng yêu cầu đòi hỏi cao hơn.13: DVR được kết nối tại cấp trung áp trong hệ phân phối, [13].
• DVR được kết nối ở cấp hạ áp: Lắp đặt DVR tại cấp hạ áp hệ 400V 4 dây được thể hiện như trong hình 1.14: DVR được kết nối tại cấp hạ áp trong hệ phân phối, [13]. Việc lắp đặt DVR tại đây sẽ làm tăng đang kể cảm kháng của tải được bảo vệ lõm điện áp tuy vậy lắp đặt DVR tại vị trí này cũng có những ưu điểm nhất định. Các tải nhạy cảm sẽ được DVR đáp ứng đúng mục tiêu, mặt khác mức độ ngắn mạch cho các biến áp phân phối cũng được giảm đáng kể và DVR sẽ dễ dàng cho việc bảo vệ hơn. Tuy vậy việc tăng đáng kể trở kháng của tải được bảo vệ sẽ làm tăng biến dạng điện áp và sẽ xuất hiện thành phần điện áp thứ tự không dẫn đến thay đổi cấu trúc của DVR và phương pháp điều khiển sẽ khó khăn và phức tạp hơn, tài liệu [13].
23 Chương 1: Tổng quan về lõm điện áp và các biện pháp khắc phục. Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp và kết luận. Thiết bị UPS tuy có thể bù cho mọi sự cố nhưng có giá thành rất cao trên môt kW và tổn hao rất lớn. Thiết bị SSTS có tổn hao trong thời gian chờ ít, giá thành thấp nếu có sẵn nguồn thứ cấp, có thể bù cho mọi sự cố kể cả lõm điện áp và có hiệu suất trên chi phí đầu tư rất cao tuy vậy không phải lúc nào cũng sẵn có nguồn thứ cấp để thay thế, thời gian phản ứng đối với các sự cố tương đối chậm so với các thiết bị khác và rất khó để thay thế nguồn cấp đã có sẵn.
Qua những so sánh ở trên, DVR là thiết bị có khả năng khôi phục điện áp trên tải nhạy cảm trước những ảnh hưởng của lõm điện áp có hiệu quả nhất vì những lý do: - Cấu trúc liên kết nối tiếp với hệ thống có hiệu quả chống lại lõm điện áp. - Phản ứng bù có thể hỗ trợ trên tất cả các pha và có thể bù trong điều kiện lõm điện áp mất cân bằng và méo dạng.