TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN BA PHA 1
Hệ thống điện ba pha
1.1.1 Khái niệm cơ bản về hệ thống điện ba pha
Hệ thống điện ba pha là hệ thống điện áp xoay chiều bao gồm ba pha có cùng biên độ và tần số, nhưng lệch nhau 120 độ về thời gian Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống điện một pha, bao gồm hiệu suất cao hơn, khả năng truyền tải điện năng lớn hơn và ổn định hơn trong quá trình sử dụng.
- Việc truyền tải điện năng bằng lưới điện ba pha tiết kiệm được dây hơn so với lưới một pha
- Các loại động cơ điện ba pha có cấu tạo đơn giản và đặc tính hoạt động tốt hơn so với động cơ một pha
Mạch điện ba pha đối xứng bao gồm nguồn, đường dây và tải đối xứng, trong khi mạch ba pha không đối xứng xảy ra khi không thỏa mãn một trong ba điều kiện này Điện áp pha của tải được xác định là UP = UA = UB = UC, là điện áp đo được giữa một đầu dây pha và một đầu dây trung tính Điện áp dây của tải được ký hiệu là Ud.
= UAB = UBC = UCA là điện áp đo được giữa hai dây pha Dòng điện pha của tải IP
Dòng điện IA, IB, IC là các dòng điện đi qua cuộn dây của một pha máy phát hoặc một pha tải Trong khi đó, dòng điện trên dây Id, bao gồm IdA, IdB và IdC, là dòng điện chạy từ nguồn đến tải.
1.1.2 Một số lỗi thường gặp ở hệ thống điện ba pha
Các nhà máy sản xuất thường gặp phải hiện tượng biến thiên điện áp ngắn hạn hoặc dài hạn, gây sụt giảm giá trị điện áp so với định mức và có thể dẫn đến tổn thất cho nhà máy Khi phân tích thời điểm xảy ra sự cố, không có sự kiện vận hành đặc biệt nào như khởi động hay dừng động cơ lớn, cho thấy nguyên nhân biến động điện áp chủ yếu đến từ lưới điện.
Hai trình hoạt động của các nhà máy cho thấy rằng, sự biến động điện áp ngắn hạn trên lưới điện tại Việt Nam có thể xuất phát từ một số nguyên nhân cơ bản.
Trong quá trình vận hành lưới điện, việc đóng cắt hệ thống tụ bù trên các đường dây truyền tải, đặc biệt là những đường dây dài như 500kV, thường gây ra biến động điện áp ngắn hạn.
Sự hoạt động của các phụ tải phi tuyến, đặc biệt là các hệ thống nấu luyện kim loại bằng điện, tạo ra biến động lớn trong công suất tiêu thụ và phát sinh sóng hài dòng điện vào lưới truyền tải Điều này dẫn đến sự biến động điện áp ngắn hạn trên lưới, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện.
Khi trời mưa, sét có thể ảnh hưởng đến các đường dây truyền tải điện, do đó, các hệ thống chống sét được trang bị để bảo vệ thiết bị Khi sét đánh vào đường truyền tải, các hệ thống này sẽ hoạt động để dẫn năng lượng sét xuống đất, tuy nhiên, quá trình này có thể gây ra hiện tượng sụt áp ngắn hạn.
Sự cố biến động điện áp ngắn hạn thường diễn ra với giai đoạn sụt áp dưới 500ms, sau đó điện áp phục hồi nhưng thường vượt quá giá trị định mức và có sự dao động trước khi ổn định trở lại Để khắc phục tình trạng này, cần đồng bộ các biện pháp quản lý phụ tải và lắp đặt thiết bị lọc, bù công suất điện tử trên hệ thống truyền tải Các phụ tải phát thải sóng hài dòng điện sẽ không được phép nối vào lưới điện, trong khi các nguyên nhân do hệ thống truyền tải gây ra sẽ được xử lý bằng thiết bị lọc và bù điện tử Tuy nhiên, hiện tại và trong tương lai gần, lưới điện Việt Nam vẫn chưa khắc phục được những vấn đề này.
Để đảm bảo hoạt động liên tục cho các thiết bị nhạy cảm với điện áp lưới, việc trang bị thiết bị bảo vệ riêng là rất cần thiết Khi có sự cố biến động điện áp ngắn hạn, các bộ điều khiển của biến tần sẽ dừng động cơ để bảo vệ, dẫn đến gián đoạn sản xuất Do đó, các phụ tải nhạy cảm cần được bảo vệ để tránh ảnh hưởng từ những biến động này, nhằm duy trì quy trình sản xuất ổn định.
Các giải pháp kỹ thuật chống biến động điện áp ngắn hạn
1.2.1 Giải pháp dùng lọc tích cực
Các bộ lọc tích cực có khả năng loại bỏ sóng hài dòng điện do phụ tải phi tuyến gây ra, giúp ngăn chặn sự cố biến động điện áp Chúng không chỉ lọc dòng tiêu thụ thành hình sin mà còn cân bằng các pha khi phụ tải lệch pha, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống Tuy nhiên, bộ lọc chỉ có thể xử lý sóng hài do các phụ tải trong hệ thống hiện tại, không thể lọc sóng hài từ các phụ tải bên ngoài lưới.
Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực
1.2.2 Giải pháp sử dụng bộ cấp nguồn liên tục (UPS)
Có hai loại thiết bị cấp nguồn liên tục (UPS) là online và offline, nhưng chỉ UPS loại online mới có khả năng ngăn ngừa biến động điện áp Trong giải pháp sử dụng UPS, điện cho các phụ tải quan trọng không được cấp trực tiếp từ lưới điện mà qua bộ nghịch lưu bán dẫn, do đó chất lượng điện áp hoàn toàn phụ thuộc vào UPS Điện áp do UPS tạo ra được cách ly với lưới điện nhờ mạch một chiều (DC) và hệ thống ắc quy, giúp tự động bù đắp các biến thiên từ lưới điện.
Ắc quy UPS cung cấp điện áp ổn định cho phụ tải, giúp tránh được các ảnh hưởng từ biến thiên điện áp lưới Ngay cả khi mất điện lưới hoàn toàn, UPS vẫn có khả năng duy trì điện áp cho phụ tải từ vài phút đến hàng chục phút, tùy thuộc vào dung lượng của ắc quy.
Trong những năm gần đây, giải pháp sử dụng UPS để bảo vệ phụ tải quan trọng khỏi biến thiên điện áp lưới đã giảm bớt do chi phí vận hành cao và yêu cầu bảo trì nghiêm ngặt của ắc quy, có tuổi thọ chỉ từ 3 - 5 năm Đặc biệt, UPS không hiệu quả trong việc xử lý các biến động điện áp ngắn hạn dưới một giây, dẫn đến việc ngày càng ít được áp dụng cho mục đích này.
1.2.3 Giải pháp sử dụng bộ chống sụt áp (Sag Fighter)
Các bộ chống sụt áp (Sag Fighter) giúp bảo vệ phụ tải khỏi sự giảm sút điện áp Chúng hoạt động bằng cách tạo ra điện áp bù nối tiếp với điện áp lưới, đảm bảo rằng hệ thống vẫn nhận được điện áp gần mức định mức ngay cả khi điện áp giảm Các thiết bị này có khả năng hoạt động ổn định khi điện áp hệ thống giảm xuống còn 30% mức điện áp định mức đối với tình huống sụt áp 2 pha và 60% khi sụt áp xảy ra ở cả ba pha.
Do cấu tạo của khối chỉnh lưu là diode chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều, bộ bù sụt áp chỉ có khả năng bảo vệ phụ tải khi điện áp giảm, thường do ảnh hưởng của phụ tải lớn Tuy nhiên, nó không thể bảo vệ tải khi điện áp dao động, bao gồm cả tình huống sụt và tăng do sét lan truyền, sóng hài dòng điện, hoặc do việc đóng tụ bù truyền tải Hoạt động của bộ chống sụt áp diễn ra offline, dẫn đến một khoảng trễ trong quá trình phục hồi điện áp, mặc dù khoảng trễ này không lớn, chỉ dưới 10ms (1/2 chu kỳ điện áp lưới).
Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của bộ chống sụt điện áp
1.2.4 Giải pháp sử dụng bộ bù điện áp tích cực (AVC)
Các bộ bù điện áp tích cực (AVC) là một bước tiến mới trong công nghệ bù điện áp, cải thiện cả về mạch lực và kỹ thuật điều khiển Cấu tạo của bộ AVC tương tự như bộ chống sụt áp, nhưng khác biệt ở chỗ sử dụng chỉnh lưu tích cực có điều khiển và bộ biến đổi IGBT Điều này cho phép truyền năng lượng theo cả hai chiều, giúp bảo vệ phụ tải trước các sự cố biến thiên điện áp lưới, cả khi điện áp tăng và giảm.
Việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển mới giúp bộ AVC hoạt động hiệu quả hơn so với bộ chống sụt áp, cho phép bù điện khi điện áp lưới giảm xuống dưới 10% mức định mức, duy trì 60% điện áp trong trường hợp sụt áp hai pha và 70% khi sụt áp toàn bộ ba pha Hệ thống AVC hoạt động trực tuyến giúp đáp ứng nhanh chóng, giữ điện áp trên tải ổn định Trong trường hợp nguồn hoạt động bình thường, bộ bù không tạo ra điện áp bù; khi nguồn bị sụt áp, bộ bù sẽ cung cấp điện áp thiếu để bù vào lưới; và nếu nguồn bị tăng điện áp, bộ bù sẽ tạo ra điện áp ngược để giảm điện áp trên lưới.
6 Hình 1.3 Hoạt động của AVC khi điện áp lưới định mức
Hình 1.4 Hoạt động của AVC khi điện áp lưới thấp hơn định mức
Hình 1.5 Hoạt động của AVC khi điện áp lưới cao hơn điện áp định mức
Lựa chọn giải pháp trong luận văn
Luận văn lựa chọn bộ bù điện áp tích cực (AVC) vì nó có khả năng ngăn chặn biến động điện áp trên phụ tải, giảm thiểu gián đoạn sản xuất và bảo vệ thiết bị, kéo dài tuổi thọ Thống kê cho thấy, bộ AVC có thể giảm tới 96% trường hợp gián đoạn do sự cố biến động điện áp Cấu trúc của bộ AVC bao gồm một bộ chỉnh lưu, một bộ nghịch lưu và một bộ lọc LCL, trong đó sử dụng chỉnh lưu cầu diode 3 pha để tạo điện áp trên DC bus và nghịch lưu ba pha bốn nhánh để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
THUẬT TOÁN ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 3-D SVM
Mô hình bộ nghịch lưu ba pha bốn nhánh
Biến tần nguồn áp ba pha bốn nhánh van (VSI) đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối năng lượng cho các ứng dụng phát điện và hệ thống UPS ba pha Thiết bị này giúp duy trì điện áp ba pha cân bằng, đặc biệt trong các tình huống vận hành chế độ lỗi của hệ thống ba pha.
Sơ đồ điều chế vector không gian ba chiều (3-D SVM) được chứng minh là tương thích với các hệ thống DSP hiện đại cho biến tần bốn nhánh van Phương pháp này có ưu điểm nổi bật là sử dụng liên kết DC cao hơn, phối hợp hài hòa tốt hơn và giảm thiểu tổn thất chuyển mạch so với phương pháp PWM hình sin Chính vì vậy, 3-D SVM trở thành lựa chọn hàng đầu trong các sơ đồ chuyển mạch cho biến tần bốn nhánh van.
Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu ba pha bốn nhánh van.
Thuật toán điều chế vector không gian
Khái niệm điều chế vector không gian ba chiều (3-D SVM) được Richard Zhang giới thiệu và đã trở thành sơ đồ chuyển mạch tối ưu cho VSI ba pha bốn nhánh van, đặc biệt trong điều kiện tải không cân bằng và phi tuyến.
2.2.1 Các trạng thái của van bán dẫn
Các sơ đồ chuyển mạch cho VSI ba pha ba nhánh van đã được thiết lập tốt và dễ thực hiện, nhưng khi chuyển sang VSI ba pha bốn nhánh van, việc thêm nhánh thứ tư làm tăng số lượng trạng thái chuyển đổi lên 16 trạng thái Điều này cho thấy rằng các sơ đồ chuyển mạch cho biến tần bốn nhánh van phức tạp hơn nhiều so với các sơ đồ thông thường áp dụng cho biến tần ba nhánh van.
Sau khi chuyển đổi các vector từ tọa độ A-B-C sang tọa độ α-β-γ, chúng được biểu diễn trong không gian ba chiều Sự chuyển đổi này được mô tả bởi phương trình sau.
Các kết hợp đóng ngắt các van IGBT được biểu diễn bằng bộ ma trận
Trong hệ thống điều khiển, các tín hiệu Sa, Sb, Sc, và Sf được sử dụng để biểu thị trạng thái của các van IGBT trong các nhánh khác nhau Cụ thể, khi Sa = 'p', van IGBT phía trên trong nhánh A được đóng, trong khi Sa = 'n' cho biết van IGBT phía dưới trong nhánh A được đóng, và van còn lại sẽ bị ngắt Ký hiệu tương tự cũng được áp dụng cho các nhánh pha B và pha C, đảm bảo sự đồng nhất trong việc điều khiển các van IGBT.
C và nhánh trung tính thứ tư
Hình 2.2 Các trạng thái của van
Bảng 2.1 Bảng các Sector chuẩn
Vaf Vbf Vcf Vα Vβ Vγ pppp 0 0 0 0 0 0 nnnp -Vg -Vg -Vg 0 0 -Vg pnnp 0 -Vg -Vg 2
− pppn Vg Vg Vg 0 0 Vg nnnn 0 0 0 0 0 0 pnnn Vg 0 0 2
Hình 2.2 minh họa 16 trạng thái kết hợp chuyển đổi đóng ngắt của van bán dẫn IGBT, trong khi Bảng 2.1 trình bày các giá trị điện áp đầu ra của các nhánh van tương ứng với các trạng thái này Các điện áp đầu cực được liệt kê dưới dạng [Vaf,Vbf,Vcf] trong tọa độ a-b-c và [Vα,Vβ,Vγ] trong tọa độ α-β-γ Đặc biệt, cần lưu ý rằng thành phần Vγ không tuần tự và có liên quan đến dòng trung tính.
2.2.2 Vị trí các vector trong không gian
Theo nguyên lý của sơ đồ nghịch lưu ba pha bốn nhánh van, hệ thống vector chuẩn bao gồm hai vector chuyển đổi bằng không (pppp, nnnn) và mười bốn vector chuyển đổi khác không Mỗi vector chuyển đổi cho bộ nghịch lưu ba pha bốn nhánh van có thể được chia thành hai vector chuyển đổi, tùy thuộc vào vị trí chuyển đổi của nhánh trung tính.
Hình 2.3 Sơ đồ không gian các vector chuẩn
Hệ thống gồm mười sáu vector chuyển đổi được sắp xếp thành nhiều lớp trong không gian Tại điểm gốc của khung tọa độ α-β-γ, có hai vector bằng không là pppp và nnnn Trên lớp Vγ = 1/3.Vg có ba vector chuyển đổi: pnnn, npnn, nnpn; lớp Vγ = 2/3.Vg cũng có ba vector: ppnn, nppn, pnpn; và lớp Vγ = Vg chỉ có một vector là pppn Ở lớp Vγ = -1/3.Vg, có ba vector: pnpp, ppnp, nppp; lớp Vγ = -2/3.Vg có ba vector: pnnp, npnp, nnpp; còn lớp Vγ = -Vg chỉ có vector nnnp Phép chiếu của tất cả các vector chuyển đổi lên mặt phẳng α-β tạo thành một hình lục giác tương tự như biến tần ba pha ba nhánh van thông thường.
Các vector có chiều dài bằng 2/3.Vg, trong đó Vg bằng điện áp một chiều nghịch lưu[2]
2.2.3 Tổng hợp vector tham chiếu Để tổng hợp vector tham chiếu quay trong tọa độ α-β-γ ta cần phải thực hiện các bước như sau:
- Xác định lăng trụ và tứ diện
- Xác định trình tự các vector chuyển mạch được chọn
Để tạo chỉ số điều chế trong SVM 3-D, việc tổng hợp vector tham chiếu xoay đòi hỏi phải chọn các vector chuyển mạch liền kề trong tọa độ α-β-γ Tuy nhiên, việc xác định các vector này trong không gian ba chiều không phải là điều dễ dàng Cần thực hiện hai bước để chọn các vector chuyển mạch liền kề: đầu tiên là xác định lăng trụ trong hình lục giác được dựng bởi các vector chuyển mạch, sau đó là xác định tứ diện nằm trong từng lăng trụ Tương tự như trong SVM 2-D, có thể xác định sáu lăng trụ trong không gian, mỗi lăng trụ quay 60 độ so với lăng trụ trước Chúng ta sẽ sử dụng thành phần Vα và Vβ của vector tham chiếu quay để xác định lăng trụ tham chiếu.
Hình 2.4 Sơ đồ xác định lăng trụ
Sau khi so sánh thành phần Vα và Vβ của vector tham chiếu quay ta thu được sáu khối lăng trụ như sau: (Hình 2.5)
Hình 2.5 Các lăng trụ trong không gian
Sau khi xác định các lăng trụ, bước tiếp theo là xác định vector tham chiếu nằm trong một trong bốn khối tứ diện của mỗi lăng trụ Mỗi tứ diện bao gồm ba vector chuyển đổi không tương ứng với ba cạnh của nó và hai vector chuyển mạch bằng không tại đỉnh trùng với gốc tọa độ Những vector này được sử dụng để tổng hợp thành các vector tham chiếu Trong trường hợp điện áp đối xứng hoặc dao động nhỏ, vector tham chiếu chỉ nằm trong hai lăng trụ ở giữa (tứ diện số một và số hai) Ngược lại, khi điện áp mất đối xứng hoàn toàn, các tứ diện ở hai đầu lăng trụ (tứ diện số ba và số bốn) sẽ được xem xét.
Hình 2.6 Các tứ diện trong lăng trụ
Để xác định vị trí của tứ diện xoay vector tham chiếu trong lăng trụ, việc nắm bắt thông tin về điện áp ba pha trong tọa độ A-B-C là rất quan trọng Điều này bắt nguồn từ một nhận xét cơ bản trong quá trình phân tích.
Nếu vector quay tham chiếu nằm trong tứ diện với ba vector chuẩn có hình chiếu theo phương vector u (v1u, v2u, v3u) đều dương hoặc âm, thì hình chiếu của vector quay tham chiếu lên phương vector u cũng sẽ có cùng dấu Nhận xét này đúng vì nếu v2u và v3u cùng dấu, thì (v2u, v3u, v”u) cũng sẽ cùng dấu, dẫn đến (v1u, v”u) cũng cùng dấu.
=> (v1u, v”u, v’u) cùng dấu Mà ta có (v’u, vu) cùng dấu nên vu sẽ mang dấu của hình chiếu ứng với ba vector chuẩn trong tứ diện được chiếu theo phương vector u
Tổng kết, tứ diện có thể được xác định bằng cách so sánh trực tiếp các giá trị tức thời của điện áp ba pha trong hệ tọa độ A-B-C với giá trị 0, như trình bày trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2 Điều kiện xác định tứ diện
Lăng trụ Tứ diện Vector chuẩn Điều kiện
T1 pnnn, pnnp, ppnp VA>0, VB0, VC0, VB>0, VC>0 T4 pnnp, ppnp, nnnp VA0 T4 ppnp, npnp, nnnp VA0 T4 npnp, nppp, nnnp VA0 T4 nppp, nnpp, nnnp VA0 T4 nnpp, pnpp, nnnp VA0 T4 pnpp, pnnp, nnnp VA
