Nghiên cứu nâng cao khả năng điều khiển của bộ điều khiển mờ thích nghi cho thiết bị bù nối tiếp vector Nghiên cứu nâng cao khả năng điều khiển của bộ điều khiển mờ thích nghi cho thiết bị bù nối tiếp vector Nghiên cứu nâng cao khả năng điều khiển của bộ điều khiển mờ thích nghi cho thiết bị bù nối tiếp vector Nghiên cứu nâng cao khả năng điều khiển của bộ điều khiển mờ thích nghi cho thiết bị bù nối tiếp vector
TỔNG QUAN
Tổng quan vê ̀ hướng nghiên cứu
Để tối ưu hóa việc truyền tải mạng điện cao áp, cần giải quyết các vấn đề về ổn định động, ổn định tĩnh, khả năng truyền tải và chất lượng điện năng, đồng thời giảm thiểu tổn thất trên đường dây Việc nâng cao khả năng tải của đường dây thường sử dụng thiết bị bù cố định như tụ bù dọc và kháng bù ngang với dung lượng phù hợp Tuy nhiên, các thiết bị này thường sử dụng cơ cấu đóng cắt cơ khí với thao tác chậm, dẫn đến hạn chế khi công suất truyền tải thay đổi lớn Hiện nay, nhiều quốc gia tiên tiến đã áp dụng công nghệ FACTS để cải thiện hiệu suất của lưới điện truyền tải.
Hệ thống FACTS (Flexible AC Transmission Systems) là công nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt, sử dụng thiết bị điều khiển công suất tự động để ổn định điện áp, góc pha và trở kháng đường dây một cách nhanh chóng Nó cho phép vận hành gần với giới hạn nhiệt của đường dây truyền tải, với các thiết bị phổ biến như SVC, TSC, TCR, TSR, TCSC, STATCOM, SSSC và UPFC Tuy nhiên, các thiết bị này thường gặp vấn đề với tụ DC khi nhiệt độ cao Để khắc phục, một số nhà khoa học đã nghiên cứu ứng dụng nguyên lý chuyển đổi điện trực tiếp AC/AC với bộ PWM, dẫn đến sự ra đời của thiết bị SVeC, cho phép điều khiển chọn lọc điện áp, trở kháng, góc pha và dòng công suất trên đường dây.
Tổng quan vê ̀ các hướng nghiên cứu liên quan
➢ Một số nghiên cứu đã được công bố trong và ngoài nước
Bài báo [1] của Liwang và Trương Đình Nhơn so sánh khả năng cải thiện tính ổn định của trang trại gió ngoài khơi sử dụng máy phát đồng bộ (PMSG) khi kết nối với hệ thống điện có máy phát đồng bộ thông qua bộ bù SSSC và SVeC Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển giảm dao động cho SSSC và SVeC dựa trên lý thuyết điều khiển phản hồi trạng thái, cho thấy SVeC có khả năng giảm dao động tốt hơn SSSC trong nhiều điều kiện khác nhau Trong bài báo [2], tác giả tiếp tục nghiên cứu về cải thiện độ ổn định của hệ thống một máy phát nối với nút thanh cái vô hạn (SMIB) bằng SVeC và bộ điều khiển PID, kết quả mô phỏng cho thấy SVeC kết hợp với bộ điều khiển này mang lại hiệu quả giảm dao động vượt trội cho cả chế độ cơ khí và kích từ Cuối cùng, bài báo [3] trình bày ứng dụng của SVeC và SSSC trong việc cải thiện độ giảm dao động của hệ thống điện có máy phát đồng bộ kết nối với trang trại gió ngoài khơi PMSG.
Tác giả Liwang và Trương Đình Nhơn đã áp dụng phương pháp tiếp cận miền tần số thông qua phân tích quỹ đạo nghiệm số và phương pháp tiếp cận miền thời gian dựa trên mô phỏng mô hình phi tuyến dưới các điều kiện nhiễu Nghiên cứu nhằm so sánh hiệu quả giảm dao động của SSSC và bộ bù SVeC trong trang trại gió ngoài khơi kết nối với hệ thống điện có máy phát đồng bộ Kết quả mô phỏng cho thấy SVeC cung cấp khả năng giảm dao động tốt hơn cho cả chế độ cơ học và chế độ kích từ của công suất so với SSSC, đặc biệt trong các điều kiện vận hành và nhiễu loạn khác nhau.
Bài báo “Nâng cao ổn định động của hệ thống gió nối lưới sử dụng thiết bị bù SVeC” của tác giả Huỳnh Hoàng Huynh và Trương Đình Nhơn nghiên cứu cách cải thiện độ ổn định động cho hệ thống điện gió nối lưới thông qua việc thiết kế bộ điều khiển giảm dao động cho SVeC bằng phương pháp ANFIS Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab cho thấy thiết bị bù nối tiếp SVeC có khả năng cải thiện đáng kể độ ổn định động của hệ thống điện trong các tình huống sự cố nghiêm trọng.
Nghiên cứu SVeC cho thấy xu hướng thiết kế ứng dụng nhằm nâng cao khả năng giảm dao động công suất trong hệ thống điện Các nhà khoa học đang phát triển bộ điều khiển dựa trên nhiều lý thuyết khác nhau như Modal, miền tần số, PID và ANFIS ANFIS, với ưu điểm tự học và khả năng hoạt động trong điều kiện không chắc chắn, ngày càng được ưa chuộng không chỉ cho SVeC mà còn cho các thiết bị bù FACTs khác Một nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế bộ điều khiển ANFIS để giảm dao động khi có sự cố nghiêm trọng, tuy nhiên, kết quả vẫn gặp vấn đề về độ vọt lố và thời gian xác lập lớn do thiếu dữ liệu kiểm tra trong quá trình huấn luyện Điều này dẫn đến việc bộ điều khiển chưa thể đánh giá chính xác trong các điều kiện vận hành khác Nhận thấy những hạn chế này, luận văn “Nghiên cứu nâng cao khả năng điều khiển của bộ điều khiển mờ thích nghi cho thiết bị bù nối tiếp vector” ra đời nhằm cải tiến bộ điều khiển ANFIS để đạt được tính ổn định dao động hiệu quả hơn.
Ti ́nh cấp thiết của đề tài
Theo xu hướng ứng dụng công nghệ FACTS trong lưới điện truyền tải của các nước phát triển, nghiên cứu về bộ điều khiển mờ thích nghi cho thiết bị bù nối tiếp vector là rất cần thiết Đề tài này nhằm nâng cao khả năng điều khiển, góp phần cải thiện sự ổn định của hệ thống điện, từ đó hỗ trợ sự phát triển kinh tế bền vững.
Mu ̣c tiêu nghiên cứu
Nâng cao khả năng ổn định dao động công suất của SVeC trong hệ thống điện truyền tải là mục tiêu chính, với mong muốn đạt được sự cải tiến trên 40% so với SVeC được đề cập trong bài báo [4].
- Khách thể nghiên cứu: thiết bị SVeC
- Đối tượng nghiên cứu: bộ điều khiển ANFIS
Nhiê ̣m vu ̣ và giới ha ̣n của đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết SVeC
- Nghiên cứu lý thuyết về logic mờ
- Nghiên cứu lý thuyết về mạng nơron thích nghi
Nghiên cứu và mô phỏng bằng phần mềm Matlab đã đánh giá khả năng ổn định động của bộ điều khiển ANFIS cải tiến cho hệ thống điện gió nối lưới Kết quả cho thấy bộ điều khiển ANFIS cải tiến vượt trội hơn so với bộ điều khiển ANFIS truyền thống trong việc duy trì sự ổn định của hệ thống.
- Thiết kế nâng cao khả năng điều khiển của bộ điều khiển mờ thích nghi cho SVeC và đánh giá hiệu quả của nó.
Phương pha ́p nghiên cứu
- Tham khảo tài liệu, các sách, các bài báo về SVeC, logic mờ, mạng nơron nhân tạo, bộ điều khiển ANFIS
- Phương pháp mô hình hóa mô phỏng
- Phương pháp phân tích và tổng hợp
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab.
Ca ́c bước thực hiê ̣n
- Tổng quan về kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, giới hạn đề tài
- Cơ sở lý thuyết về các thiết bị bù của FACTS
- Cở sở lý thuyết về logic mờ, mạng nơron nhân tạo
- Xây dựng mô hình bộ điều khiển ANFIS cho SVeC trong hệ thống điện kết nối với trang trại gió
Bài viết này tập trung vào việc xác định bộ điều khiển ANFIS thông qua việc thử nghiệm lựa chọn dữ liệu huấn luyện và kiểm tra mạng nơron Đồng thời, nó kết hợp các đặc tính của bộ điều khiển mờ để đánh giá hiệu quả của mô hình bộ điều khiển ANFIS cải tiến đề xuất cho SVeC Cuối cùng, bài viết so sánh mô hình này với bộ điều khiển ANFIS truyền thống trong cùng một hệ thống điện kết nối với trang trại gió khi xảy ra sự cố nghiêm trọng.
- Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển
TỔNG QUAN VỀ FACTS & ỨNG DỤNG
2.1 Tổng quan thiết bị FACTS
FACTS là hệ thống tích hợp các thiết bị điện tử và thiết bị tĩnh nhằm cải thiện khả năng điều khiển, ổn định hệ thống truyền tải điện và nâng cao hiệu suất truyền tải công suất.
SVeC là một trong những thiết bị bù điện tử công suất của FACTS
2.1.2 Lý thuyết về FACTS Để đơn giản hoá, xét hệ thống đường dây truyền tải không xét đến tổn thất:
Hình 2.1: Đường dây truyền tải khi không xét đến tổn thất
Biên độ điện áp ở cuối đường dây bằng biên độ điện áp ở đầu đường dây phát, được ký hiệu là V Trong quá trình truyền tải, góc lệch pha 𝛿 xuất hiện và phụ thuộc vào trở kháng X của đường dây.
2) (2.2) Dòng điện chạy qua đường dây:
𝑋 (2.3) Công suất tác dụng tại mọi vị trí trên đường dây đều bằng nhau do đường dây không có tổn thất:
Công suất phản kháng tại đầu đường dây bằng về độ lớn nhưng khác dấu với công suất phản kháng tại cuối đường dây:
Hình 2.2: Bù nối tiếp trên đường dây truyền tải
Tụ bù nối tiếp của FACTS giúp giảm điện kháng X của đường dây, từ đó tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P Tuy nhiên, điều này đồng nghĩa với việc nguồn điện cần cung cấp thêm công suất phản kháng.
- Bù song song có hai loại:
+ Bù song song bằng điện dung: để nâng cao hệ số công suất
+ Bù song song bằng điện cảm: để ổn định điện áp trên đường dây
Hình 2.3: Bù song song trên đường dây truyền tải
Trong trường hợp này, FACTS hoạt động như một nguồn cung cấp công suất phản kháng có thể điều chỉnh, giúp duy trì giá trị điện áp ổn định Khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây được nâng cao, đồng thời cần cung cấp thêm công suất phản kháng cho hệ thống.
2.1.3 Phân loại các thiết bị FACTS
Theo kiểu kết nối với đường dây, FACTS bao gồm bốn loại thiết bị: thiết bị điều khiển nối tiếp như SSSC, TCSC, TSSC, SVeC; thiết bị điều khiển song song như STATCOM và SVC; thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp (UPFC); và thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – song song (IPFC).
Hình 2.4: Thiết bị điều khiển nối tiếp Hình 2.5: Thiết bị điều khiển song song
Hình 2.6: Thiết bị điều khiển Hình 2.7: Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp kết hợp nối tiếp – song song
Theo cách sử dụng các thiết bị điện tử công suất trong điều khiển, FACTS được phân thành hai loại: thiết bị điều khiển có trở kháng điều chỉnh được, bao gồm SVC, TCSC, TCPST, và thiết bị điều khiển dựa vào bộ VSC như STATCOM, SSSC, IPFC, UPFC.
2.2 Ứng dụng các thiết bị FACTS thường được sử dụng trong hệ thống điện 2.2.1 Thiết bị SVC
Thành phần của SVC: gồm TCR/TSR, TSC, FC và điện trở đóng ngắt
Hình 2.8: Sơ đồ kết nối SVC điển hình với hệ thống điện
TCR điều chỉnh công suất phản kháng liên tục, TSR tiêu thụ công suất phản kháng, TSC phát công suất phản kháng, và FC lọc sóng hài bậc cao cũng như bù công suất phản kháng cho phụ tải Các chức năng chính bao gồm ổn định điện áp nút, điều khiển trào lưu công suất phản kháng, giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi có sự cố, giảm dao động công suất, và tăng cường tính ổn định cho hệ thống điện.
Hình 2.9: Sơ đồ kết nối STATCOM
+ Nếu V < VT : STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệ thống
+ Nếu V > VT: STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ thống
STATCOM có chức năng tương tự như SVC nhưng với khả năng điều khiển các thông số vượt trội hơn Nó có thể hoạt động trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển sau khi khắc phục sự cố Bên cạnh đó, STATCOM phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái thấp hơn điện áp lưới và tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái cao hơn điện áp lưới.
Hình 2.10: Cấu trúc cơ bản của bộ TCSC
Chức năng chính của thiết bị là giảm sụt áp trong ổn định tĩnh, hạn chế sự thay đổi điện áp, và tăng cường khả năng truyền tải của đường dây, đồng thời nâng cao tính ổn định của hệ thống điện Thiết bị cũng giúp giảm góc làm việc δ, từ đó cải thiện khả năng vận hành của đường dây và hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện.
SSSC giống như STATCOM, nhưng khác là điện áp đầu ra AC nối tiếp với đường dây
Hình 2.11: Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện
Chức năng chính của hệ thống bao gồm điều chỉnh dòng điện, giới hạn dòng điện sự cố, giảm dao động công suất, nâng cao ổn định động và ổn định quá độ, cũng như đảm bảo ổn định điện áp.
UPFC là thiết bị kết hợp giữa STATCOM và SSSC với một phần chiều chung
Hình 2.12: Cấu trúc cơ bản của bộ UPFC
UPFC kết hợp chức năng của STATCOM và SSSC, giúp điều khiển dòng công suất tác dụng và phản kháng tại nút bù Nó tăng cường tính ổn định tĩnh và động của hệ thống, giảm dao động công suất khi có sự cố và duy trì khả năng vận hành trong chế độ sự cố, tiếp tục điều khiển ngay cả khi sự cố đã được loại trừ.
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ BÙ NỐI TIẾP SỬ DỤNG
BỘ CHUYỂN ĐỔI AC-LINK & MÔ HÌNH SVEC
Hầu hết các thiết bị điều khiển công suất của FACTS như TCSC, STATCOM, SSSC, UPFC và IPFC sử dụng tụ DC dễ bị hư hỏng khi nhiệt độ cao Để khắc phục vấn đề này, một hệ thống thiết bị dựa trên chuyển đổi AC-link đã được đề xuất, có chức năng tương đương với các thiết bị liên kết DC Đây chính là nền tảng cho sự ra đời của thiết bị SVeC.
Mục tiêu của chương này:
Đánh giá khả năng điều khiển của thiết bị bù sử dụng bộ chuyển đổi AC-link cho thấy nhiều ưu điểm khi so sánh với thiết bị bù sử dụng bộ chuyển đổi DC-link Việc sử dụng bộ chuyển đổi AC-link mang lại hiệu suất cao hơn và khả năng điều khiển linh hoạt hơn, giúp tối ưu hóa quá trình bù điện năng So với DC-link, AC-link cho phép xử lý tín hiệu tốt hơn và giảm thiểu tổn thất năng lượng, từ đó cải thiện hiệu quả tổng thể của hệ thống.
Từ đó kết luận được khả năng đáp ứng của SVeC so với các thiết bị bù cùng loại của FACTS
Bài viết này trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVeC, với trọng tâm là ứng dụng bù nối tiếp Chương này sẽ phân tích và thiết kế một mô hình sử dụng các bộ chuyển đổi DC-link và AC-link để đánh giá hiệu suất của chúng Cụ thể, bộ bù nối tiếp DC-link, hay còn gọi là SSSC, sẽ được so sánh với bộ bù nối tiếp AC-link, được ký hiệu là [®].
Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển tiêu biểu (a) SSSC (b) bộ điều khiển [®]
3.1.1 Bộ bù nối tiếp DC-Link
TỔNG QUAN VỀ FACTS & ỨNG DỤNG
Tổng quan thiết bị FACTS
FACTS là hệ thống tích hợp các thiết bị điện tử và thiết bị tĩnh nhằm cải thiện khả năng điều khiển, ổn định hệ thống truyền tải và nâng cao khả năng truyền tải công suất.
SVeC là một trong những thiết bị bù điện tử công suất của FACTS
2.1.2 Lý thuyết về FACTS Để đơn giản hoá, xét hệ thống đường dây truyền tải không xét đến tổn thất:
Hình 2.1: Đường dây truyền tải khi không xét đến tổn thất
Biên độ điện áp tại cuối đường dây bằng biên độ điện áp tại đầu đường dây phát, được gọi chung là V Trong quá trình truyền tải, xuất hiện góc lệch pha 𝛿, phụ thuộc vào trở kháng X của đường dây.
2) (2.2) Dòng điện chạy qua đường dây:
𝑋 (2.3) Công suất tác dụng tại mọi vị trí trên đường dây đều bằng nhau do đường dây không có tổn thất:
Công suất phản kháng tại đầu đường dây bằng về độ lớn nhưng khác dấu với công suất phản kháng tại cuối đường dây:
Hình 2.2: Bù nối tiếp trên đường dây truyền tải
Tụ bù nối tiếp của FACTS giúp giảm điện kháng X của đường dây, từ đó tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P Tuy nhiên, điều này yêu cầu nguồn điện phải cung cấp thêm công suất phản kháng.
- Bù song song có hai loại:
+ Bù song song bằng điện dung: để nâng cao hệ số công suất
+ Bù song song bằng điện cảm: để ổn định điện áp trên đường dây
Hình 2.3: Bù song song trên đường dây truyền tải
Trong trường hợp này, FACTS hoạt động như một nguồn cung cấp công suất phản kháng có thể điều chỉnh để duy trì giá trị điện áp Điều này không chỉ làm tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây mà còn yêu cầu cung cấp thêm công suất phản kháng cho hệ thống.
2.1.3 Phân loại các thiết bị FACTS
Theo kiểu kết nối với đường dây, FACTS bao gồm bốn loại thiết bị: thiết bị điều khiển nối tiếp như SSSC, TCSC, TSSC, SVeC; thiết bị điều khiển song song như STATCOM và SVC; thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp (UPFC); và thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – song song (IPFC).
Hình 2.4: Thiết bị điều khiển nối tiếp Hình 2.5: Thiết bị điều khiển song song
Hình 2.6: Thiết bị điều khiển Hình 2.7: Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp kết hợp nối tiếp – song song
Theo cách sử dụng các thiết bị điện tử công suất trong điều khiển, FACTS được phân thành hai loại: thiết bị điều khiển có trở kháng điều chỉnh được, bao gồm SVC, TCSC, TCPST, và thiết bị điều khiển dựa vào bộ VSC, như STATCOM, SSSC, IPFC, UPFC.
Ứng dụng các thiết bị FACTS thường được sử dụng trong hệ thống điện
Thành phần của SVC: gồm TCR/TSR, TSC, FC và điện trở đóng ngắt
Hình 2.8: Sơ đồ kết nối SVC điển hình với hệ thống điện
TCR, TSR, TSC và FC là các thành phần quan trọng trong hệ thống điện, với TCR điều chỉnh công suất phản kháng, TSR tiêu thụ công suất phản kháng, TSC phát công suất phản kháng, và FC lọc sóng hài bậc cao đồng thời bù công suất phản kháng cho phụ tải Các chức năng chính của chúng bao gồm ổn định điện áp nút, kiểm soát dòng chảy công suất phản kháng, giới hạn quá điện áp trong sự cố, giảm dao động công suất và nâng cao tính ổn định cho hệ thống điện.
Hình 2.9: Sơ đồ kết nối STATCOM
+ Nếu V < VT : STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệ thống
+ Nếu V > VT: STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ thống
STATCOM có chức năng tương tự như SVC nhưng với khả năng điều khiển cao hơn Nó có thể hoạt động trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển sau khi khắc phục sự cố Ngoài ra, STATCOM phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái thấp hơn điện áp lưới và tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái cao hơn điện áp lưới.
Hình 2.10: Cấu trúc cơ bản của bộ TCSC
Chức năng chính của thiết bị là giảm sụt áp trong ổn định tĩnh, hạn chế sự thay đổi điện áp và tăng cường khả năng truyền tải của đường dây Đồng thời, nó cũng cải thiện tính ổn định của hệ thống điện, giảm góc làm việc δ và nâng cao khả năng vận hành của đường dây, đồng thời hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện.
SSSC giống như STATCOM, nhưng khác là điện áp đầu ra AC nối tiếp với đường dây
Hình 2.11: Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện
Chức năng chính của hệ thống bao gồm điều chỉnh dòng điện, giới hạn dòng điện trong trường hợp sự cố, giảm dao động công suất, nâng cao ổn định động và ổn định quá độ, cũng như đảm bảo ổn định điện áp.
UPFC là thiết bị kết hợp giữa STATCOM và SSSC với một phần chiều chung
Hình 2.12: Cấu trúc cơ bản của bộ UPFC
UPFC kết hợp chức năng của STATCOM và SSSC, cho phép điều khiển dòng công suất tác dụng và phản kháng tại nút bù Nó giúp tăng cường tính ổn định tĩnh và động của hệ thống, giảm dao động công suất khi có sự cố và duy trì hoạt động trong chế độ sự cố, tiếp tục điều khiển sau khi khắc phục sự cố.
ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ BÙ NỐI TIẾP SỬ DỤNG BỘ CHUYỂN ĐỔI AC-LINK & MÔ HÌNH SVEC
Giới thiệu
Hầu hết các thiết bị điều khiển công suất của FACTS như TCSC, STATCOM, SSSC, UPFC và IPFC sử dụng tụ DC, nhưng chúng dễ hư hỏng khi nhiệt độ cao Để khắc phục vấn đề này, một hệ thống thiết bị dựa trên chuyển đổi AC-link đã được đề xuất, có chức năng tương đương với các thiết bị liên kết DC Điều này đã tạo nền tảng cho sự ra đời của thiết bị SVeC.
Mục tiêu của chương này:
Đánh giá khả năng điều khiển của thiết bị bù sử dụng bộ chuyển đổi AC-link cho thấy những ưu điểm nổi bật khi so sánh với thiết bị bù sử dụng bộ chuyển đổi DC-link Việc phân tích hiệu suất và độ ổn định của cả hai loại bộ chuyển đổi giúp xác định sự khác biệt trong khả năng điều khiển, từ đó đưa ra những giải pháp tối ưu cho các ứng dụng công nghiệp.
Từ đó kết luận được khả năng đáp ứng của SVeC so với các thiết bị bù cùng loại của FACTS
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVeC, tập trung vào ứng dụng bù nối tiếp Chương này sẽ phân tích mô hình thiết kế của một ứng dụng sử dụng bộ chuyển đổi DC-link và AC-link để đánh giá hiệu suất của chúng Cụ thể, bộ bù nối tiếp DC-link, hay còn gọi là SSSC, sẽ được so sánh với bộ bù nối tiếp AC-link, được ký hiệu là [®].
Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển tiêu biểu (a) SSSC (b) bộ điều khiển [®]
3.1.1 Bộ bù nối tiếp DC-Link
Bộ bù nối tiếp DC-link, hay còn gọi là SSSC, có thể được thay đổi qua nhiều phương pháp khác nhau Sử dụng tụ DC hoặc cuộn cảm để thực hiện các liên kết DC cho phép áp dụng bộ VSI hoặc bộ biến đổi nguồn dòng Ngoài ra, việc lựa chọn bộ đa xung hoặc PWM làm chiến lược điều chế giúp tạo ra điện áp ngõ ra hiệu quả.
Hình 3.1(a) minh họa sơ đồ đơn giản hóa các giai đoạn chính trong việc triển khai hệ thống VSI 48 xung [13], [14] Các giai đoạn này bao gồm việc kết nối các thành phần cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.
DC được thực hiện bằng cách sử dụng hai tụ điện DC nối tiếp với điểm giữa N [15],
Bài viết mô tả quá trình tạo ra ba cấp điện áp (V C1, V C2, 0) thông qua bốn bộ diode chuyển đổi ba pha ba cấp kết nối với đầu cực DC Hình 3.2(a) minh họa chi tiết sự chuyển đổi cho mỗi bộ chuyển đổi, trong khi hình 3.3(a) thể hiện điện áp cho pha A Các dạng sóng lệch pha (±120°) được tạo ra cho các pha B và C Theo hình 3.1(a), mỗi bộ chuyển đổi ba cấp được kết nối với một cấu trúc từ trường dựa trên biến áp dịch pha đấu Y-zigzag Δ-zzzag, tạo ra dạng sóng 24 xung Cuối cùng, mẫu sóng 48 xung được hình thành bằng cách điều chỉnh góc mở của mỗi bộ điều khiển σ = 172.5°, dẫn đến sự xuất hiện của các sóng hài bậc thấp nhất là 47 và 49 trong các dạng sóng đầu ra.
Các điểm hoạt động ổn định chỉ đạt được khi điện áp đầu ra lệch ±90 độ so với dòng điện ra, nếu không sẽ xảy ra sự trao đổi điện năng giữa các tụ điện DC và hệ thống AC, dẫn đến tình trạng nạp hoặc xả cố định của các tụ điện và gây ra hoạt động không ổn định Các tham số tương tự được sử dụng để điều khiển độ lớn của điện áp AC đầu ra Bằng cách cho phép trao đổi điện năng nhỏ trong thời gian ngắn giữa liên kết DC và hệ thống AC, điện áp của tụ điện có thể đạt giá trị mong muốn, từ đó điều chỉnh điện áp ra Để tạo ra các dạng sóng điện áp đầu ra đối xứng, cần thực hiện một thuật toán phù hợp để cân bằng giá trị trung bình.
Hình 3.2: Cấu trúc bộ chuyển đổi (a) SSSC: chuyển đổi ba pha ba cấp (b) bộ điều khiển[®]: đôi ném, đơn cực, ba pha vector chuyển mạch chuyển đổi
Hình 3.3: Các dạng sóng minh họa tổng hợp điện áp xoay chiều
3.1.2 Bộ bù nối tiếp AC-Link
Bộ bù nối tiếp AC-Link là một thiết bị điều chế độ rộng xung, có khả năng bơm điện dung biến đổi vào đường dây truyền tải, từ đó điều khiển trào lưu công suất trên đường dây Thiết bị này được gọi là bộ điều khiển kết nối vào đường dây Khác với SSSC, chức năng điều khiển của bộ bù nối tiếp AC-Link chỉ có thể thực hiện thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung, sử dụng bộ chuyển đổi chuyển mạch vector như thành phần chính.
Hình 3.1(b) minh họa khả năng thực hiện bộ điều khiển [α] dựa trên cấu trúc SSSC đã đề cập trước đó Bốn bộ tụ AC ba pha tạo thành các liên kết AC, mỗi bộ tụ được kết nối với một bộ chuyển đổi vector ba pha, với nguyên tắc hoạt động được mô tả trong hình 3.2(b) và 3.3(b) Cấu trúc này cho thấy quá trình chuyển đổi của một bộ chuyển mạch ba pha đơn cực hai vị trí, tạo ra điện áp cho pha A, trong khi các pha B và C tạo ra các dạng sóng lệch pha (±120°) Như hình 3.2(b) chỉ ra, các chuyển mạch T1{A,B,C} và T2{A,B,C} hoạt động đồng thời, nhờ đó, các chuyển mạch AC-AC có thể thực hiện bằng cách sử dụng dẫn điện hai chiều với khả năng chặn điện áp theo hướng không đồng bộ, dẫn đến cấu trúc tối ưu giảm thiểu số lượng thiết bị chuyển mạch cần thiết cho việc chuyển mạch AC-AC.
Điện áp xoay chiều từ mỗi tụ điện tạo ra nhiều sóng hài, khiến cho dạng sóng không phù hợp cho các ứng dụng tiện ích nếu không có bộ lọc đầu ra Tuy nhiên, bằng cách áp dụng cấu trúc từ trường như trong hình 3.1(b) và dịch pha PWM của từng bộ tụ sang 90 độ, có thể vận hành mà không cần bộ lọc đầu ra ở tần số vừa phải.
F S = 720 Hz, tương tự như SSSC, giới hạn số lượng sóng hài bậc thấp nhất trong các dạng sóng đầu ra là 47 và 49 Các cấu trúc liên kết trong hình 3.2(a) và 3.2(b) đã được chứng minh qua thực nghiệm trong phòng thí nghiệm Đánh giá so sánh được thực hiện trong các mạch điện chi tiết và thiết kế bộ điều khiển, được xác minh qua mô phỏng máy tính bằng phần mềm Matlab Các mô hình máy tính của hệ thống sẽ được thực hiện đầy đủ, bao gồm cường độ của quá trình chuyển mạch.
3.1.3 Mô tả thí nghiệm hệ thống để so sánh bộ bù nối tiếp DC-link và AC-link
Hình 3.4: Sơ đồ của hệ thống bù nối tiếp
Hệ thống nghiên cứu được trình bày trong Hình 3.4 nhằm thực hiện đánh giá so sánh giữa bộ điều khiển SSSC và bộ điều khiển [®] Để đảm bảo tính chính xác của việc so sánh, cả hai bộ điều khiển này được giả định cung cấp cùng một giá trị bù Thông tin chi tiết về các giá trị của hệ thống truyền tải được đề cập trong Bảng 3.1, phục vụ cho nghiên cứu trường hợp này.
Bảng 3.1: Thông số hệ thống
Tại điểm V2 trong hình 3.4, công suất được đo tại vị trí hạ lưu của bộ biến đổi Việc thực hiện đo này không cần bù, với công suất định mức ban đầu là PL{Nom} = 140 MW Để đạt được mức bù hoàn toàn, công suất định mức sẽ được tăng thêm 40 MW, tương đương với mức tăng 30% so với công suất định mức không bù Sau khi bù, công suất định mức mới sẽ được ghi nhận là PL{Comp} = 180 MW.
Đánh giá bộ bù nối tiếp AC-link qua kết quả thí nghiệm
3.2.1 Các chế độ hoạt động
Mặc dù mục tiêu cuối cùng là điều khiển công suất trên đường dây, điều này có thể đạt được thông qua các chiến lược quy định khác nhau Cách tiếp cận trực tiếp nhất là điều khiển một lượng công suất mong muốn nhất định.
P L tạo ra sóng điện áp để đạt được một lượng điện nhất định Người ta có thể điều chỉnh điện áp bơm vào V INJ hoặc trở kháng bơm vào Z INJ = V INJ / I L Ba phương pháp kiểm soát, bao gồm chế độ năng lượng, chế độ điện áp và chế độ trở kháng, có thể được áp dụng để thực hiện điều khiển trào lưu công suất hiệu quả.
Hình 3.5: Các mạch tương đương (a) SSSC (b) Bộ điều khiển [®]
Mạch tương đương cho SSSC và bộ điều khiển [®] được trình bày trong hình 3.5, với SSSC sử dụng góc pha của biến điều khiển làm đầu vào, trong khi bộ điều khiển [®] dựa vào chu kỳ thực hiện D SSSC hoạt động bằng cách tạo ra các dạng sóng điện áp xoay chiều thông qua các bộ biến đổi đồng bộ, kết hợp với đường dây AC và sử dụng PLL Ngược lại, bộ điều khiển [®] được điều chỉnh qua chu kỳ thực hiện đơn giản, cho phép thay đổi lượng điện dung AC bơm vào đường dây trong chế độ vòng mở Tuy nhiên, cả hai thiết bị này có thể được điều chỉnh để hoạt động ở bất kỳ chế độ nào trong ba chế độ đã đề cập thông qua kiểm soát phản hồi thích hợp.
3.2.2 Đánh giá khả năng động
Hình 3.6 mô tả cấu trúc điều khiển cho mỗi bộ bù ở chế độ điều khiển công suất
Hình 3.6: Vòng điều khiển hồi tiếp 𝑇 𝑆 = 5 (𝑚𝑠), 𝛽 = 10 −6
Vòng lặp chính cho phép thiết lập giá trị tham chiếu công suất đường dây giống nhau cho cả hai trường hợp Để tính giá trị tức thời của công suất đường dây, điện áp và dòng điện tại vị trí V2 được đo và chuyển đổi thành tọa độ dq, sau đó được xử lý qua bộ lọc thứ nhất Từ đó, công suất đường dây được tính toán bằng công thức P L = V d I d + V q I q Giá trị P L sau đó được chuyển đổi thành một đại lượng công suất không đổi và so sánh với công tham chiếu P* Tín hiệu lỗi tạo ra được xử lý qua bộ điều khiển để nhận được biến điều khiển cho từng bộ bù (α, D).
Trong hệ thống SSSC, hai vòng bên trong là thiết yếu cho hoạt động của bộ chuyển đổi Như hình 3.6(a) đã chỉ ra, một vòng lặp khóa pha là cần thiết để đảm bảo điện áp bơm vào nằm trong góc phần tư so với dòng điện của đường dây Bên cạnh đó, một vòng lặp khác, mặc dù không được thể hiện trong hình vẽ nhưng đã được đưa vào các mô phỏng, cũng cần thiết để cân bằng điện áp của tụ điện DC.
3.2.2.2 Về thiết kế bộ điều khiển
Từ hình 3.6 cho ta mối quan hệ hàm truyền giữa công suất đường dây và công suất tham chiếu:
Trong thiết kế của bộ điều khiển h(s) được thực hiện bằng cách định hình hàm truyền tần số đáp ứng của độ lợi vòng lặp T(s) = β h(s) g(s) [20]
Hàm truyền g(s) = P L /α cho SSSC và bộ điều khiển [®] đều là các hàm phi tuyến, vì vậy các hàm truyền tín hiệu nhỏ được tuyến tính hóa quanh một điểm hoạt động điển hình trong quá trình thiết kế Hình 3.7 minh họa quy trình thiết kế, trong đó T(s) được triển khai trước mà không cần bù, với T(s) = β.g(s) Sau đó, các bộ điều khiển h(s) được đề xuất nhằm hợp lý hóa để đạt được giá trị GM.
PM và BW là những phương pháp chấp nhận được trong điều khiển Đối với SSSC, chỉ cần sử dụng khâu tỉ lệ do T(s) có độ lợi DC tự nhiên vô hạn Tuy nhiên, bộ điều khiển [®] yêu cầu cả hai khâu tỉ lệ và tích phân để đạt hiệu suất tối ưu.
Hình 3.7: Đáp ứng tần số tín hiệu nhỏ của độ lợi vòng lặp của
Bảng 3.2 tóm tắt các chi tiết của từng thiết kế
Bảng 3.2: Các kết quả thiết kế bộ điều khiển
3.2.2.3 Đáp ứng thay đổi công suất
Hình 3.8: Các dạng sóng mô phỏng trên máy tính thể hiện sự đáp ứng khi công suất thay đổi (a) SSSC, (b) bộ điều khiển [®]
Hình 3.8 minh họa sự đáp ứng của hệ thống khi công suất thay đổi, với các đường trên cùng thể hiện sự biến đổi của công suất tham chiếu và công suất trên đường dây Hình cũng hiển thị dòng điện trên đường dây, điện áp trên tụ điện, và các biến điều khiển So sánh giữa hình 3.8 (a) và (b) cho thấy SSSC và bộ điều khiển [®] có sự tương đồng trong phản ứng, với các giá trị GM, PM và BW tương tự nhau.
3.2.2.4 Đáp ứng khi sự cố
Hình 3.9 minh họa các mô hình mô phỏng trên máy tính về đáp ứng điện áp bus và góc pha khi xảy ra sự cố, bao gồm SSSC và bộ điều khiển [®] Để đánh giá khả năng của SSSC và bộ điều khiển [®] trong việc duy trì kiểm soát hệ thống, hai loại sự cố đã được phân tích Các biểu đồ trong hình cho thấy đáp ứng của hệ thống khi điện áp và góc lệch pha thay đổi tại điểm đầu nút, với bốn sự kiện độc lập được trình bày song song Hai đồ thị đầu tiên thể hiện các sự cố, trong khi hai đồ thị tiếp theo phản ánh đáp ứng của công suất đường dây và dòng điện tương ứng, cho thấy sự tương đồng rõ rệt trong các phản ứng này.
3.2.2.5 Tính năng động của hệ thống
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng SSSC không chỉ không bị cộng hưởng dưới đồng bộ mà còn có thể hoạt động như một bộ giảm chấn thông qua kiểm soát bổ sung bên ngoài Các vòng điều khiển bên ngoài này có thể được tích hợp vào SSSC để giảm dao động và tăng cường sự ổn định quá độ Đồng thời, bộ điều khiển [®] cung cấp mức độ kiểm soát năng động tương tự nhờ vào tốc độ phản ứng nhanh với các biến đổi trong chu kỳ thực hiện Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng dao động công suất tần số thấp có thể được giảm hiệu quả bằng cách thêm một thành phần tần số thấp vào chu kỳ làm việc thuận pha với dao động Hơn nữa, sự tương đương trong chiều rộng băng thông của đáp ứng lệnh giữa hai bộ điều khiển cũng là bằng chứng cho đặc tính động tương tự của chúng.
Các công thức phân tích mở rộng đã được phát triển để xác định các yếu tố thiết kế khác nhau và được sử dụng trong nghiên cứu điểm chuẩn nhằm cung cấp trị số cho các tính năng thiết kế Nghiên cứu này trình bày các biện pháp so sánh, bao gồm thông số máy biến áp, đánh giá tụ điện, thông số linh kiện bán dẫn, tổn thất bán dẫn, chi phí thành phần mạch điện, chỉ số chất lượng dạng sóng và các thuộc tính điều khiển năng động Phân tích và hoạt động của cả hai thiết kế đã được xác minh thông qua mô phỏng chi tiết trên máy tính, với kết quả so sánh hiệu suất được trình bày trong tài liệu.
Các phương pháp tiếp cận DC-link và AC-link đều có khả năng cạnh tranh trong việc điều khiển công suất trên đường dây Tuy nhiên, phương pháp DC-link yêu cầu gấp đôi năng lượng điện dung lưu trữ và có chi phí thành phần cao hơn khoảng 75% Ngược lại, phương pháp AC-link gặp tổn thất khoảng 15% trong linh kiện bán dẫn, nhưng sử dụng các thiết bị hiện đại Các biện pháp tổng hợp khác cho thấy mức độ tương tự về trạng thái ổn định và đặc tính động.
Mô hình thiết bị SVeC
SVeC là một thiết bị FACTS tiên tiến, được kết nối nối tiếp với đường dây tải điện và sử dụng bộ điều khiển PWM đơn giản để điều chỉnh công suất tác dụng trong hệ thống truyền tải So với các thiết bị FACTS khác như TCSC và SSSC, SVeC mang lại nhiều lợi ích lý thuyết đáng kể Khả năng điều khiển của SVeC đã được đánh giá chi tiết trong phần trước (mục 3.2).
Hình 3.10: Mạch động lực ba pha của SVeC
Hệ thống SVeC được mô tả trong hình 3.10 bao gồm máy biến áp ghép tầng nối tiếp Ta, Tb và Tc, cùng với các tụ bù Ca, Cb và Cc Ngoài ra, hệ thống còn có các thiết bị chuyển mạch k1a, k2a, k1b, k2b, k1c và k2c, thường là GTO hoặc IGCT Để đơn giản hóa, hình ảnh không minh họa các bộ giảm dao động trên các thiết bị chuyển mạch, bảo vệ và mạch điều khiển.
Trong thời gian các thiết bị chuyển mạch k1a, k1b và k1c đóng lại, tụ bù được kết nối với đường dây truyền tải qua máy biến áp nối tiếp Ngược lại, trong thời gian còn lại của chu kỳ, các bộ chuyển mạch k2a, k2b và k2c sẽ tách tụ bù ra khỏi đường dây tải điện bằng cách nối tắt đầu nối của máy biến áp.
Hình 3.11: Sơ đồ đơn tuyến của SVeC
Hình 3.11 mô tả một sơ đồ mạch đơn tuyến của SVeC đã nghiên cứu [24],
[25] Thiết bị này bao gồm một máy biến áp được kết nối với một bộ tụ điện thông qua bộ điều khiển PWM xoay chiều
Tổng công suất phản kháng mà một SVeC bù vào được xác định dựa trên tổng thời gian chuyển mạch Chu kỳ làm việc D của bộ chuyển đổi được định nghĩa là tỷ lệ giữa thời gian chuyển đổi k2 và tổng thời gian chuyển mạch.
Mục đích chính của việc sử dụng một SVeC là cung cấp trở kháng biến đổi
XSVeC kết nối với đường dây truyền tải, trong đó trở kháng được điều chỉnh qua chu kỳ làm việc D của bộ điều khiển Bằng cách thay đổi trở kháng tương đương của đường dây, trào lưu công suất trên đường dây có thể được kiểm soát Các điện kháng nối tiếp tương đương được định nghĩa theo các tài liệu tham khảo [24], [25].
Công thức 𝑋 𝑆𝑉𝑒𝐶 = −𝑛 2 (1 − 𝐷) 2 𝑋 𝐶 mô tả mối quan hệ giữa tỷ số dây quấn của biến áp (n), chu kỳ làm việc của bộ điều khiển (D) và điện kháng của tụ điện (XC) Giá trị của nguồn điện áp nối tiếp vào đường dây truyền tải với dòng điện ITL có thể được xác định dựa trên công thức này.
V S = n 2 (1 − D) 2 X c I TL (3.3) Trong [37], dòng công suất giữa điểm đầu V1 và điểm cuối V2 có thể được tính như sau
X TL −n 2 (1−D) 2 X C sin (θ 1 − θ 2 ) (3.4) trong đó XTL là trở kháng đường dây.