TỔNG QUAN VỀ STATCOM
Đặt vấn đề
Với sự phát triển của xã hội, điện năng ngày càng trở nên quan trọng, trong đó điện áp là chỉ tiêu chính để đánh giá chất lượng điện năng Hệ thống điện hoạt động ổn định khi điện áp được duy trì trong giới hạn cho phép Tuy nhiên, các biến động như thay đổi đột ngột về thông số hệ thống hoặc tăng tải đột ngột có thể dẫn đến sự không ổn định Những thay đổi này làm giảm khả năng đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng, dẫn đến giảm điện áp và có thể khiến điện áp rơi ra ngoài phạm vi cho phép, gây khó khăn trong việc điều khiển hệ thống.
Công suất tác dụng P là thành phần sinh ra công có ích cho các phụ tải, trong khi công suất phản kháng Q là thành phần vô ích do từ trường trong máy phát hoặc các tải có tính cảm gây ra Công suất phản kháng Q rất quan trọng cho các tải cảm, vì nó góp phần tạo ra từ trường cần thiết trong quá trình khởi động Nếu công suất phản kháng Q bằng không, các tải loại này sẽ không thể khởi động.
Người ta đánh giá chất lượng truyền tải điện năng thông qua hệ số cos
Khi các nhà máy phát điện cung cấp điện lên lưới, hệ số cosφ thường cao (gần bằng 1) Tuy nhiên, do phần lớn tải trong lưới điện sinh hoạt và sản xuất cần năng lượng từ trường (Q) để khởi động và hoạt động, nhu cầu về công suất Q trở nên rất lớn Để đáp ứng nhu cầu này, lưới điện phải cung cấp một lượng công suất Q tương ứng, dẫn đến việc khi Q tăng, hệ số công suất cosφ sẽ giảm.
Khi cosφ giảm trong lưới điện 3 pha, dòng điện sẽ tăng lên, dẫn đến tổn thất điện áp trên đường truyền tăng (ΔU = IR), gây ra hiện tượng sụt áp nghiêm trọng hơn.
Giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng truyền tải điện và đảm bảo cung cấp đủ công suất phản kháng Q cho các loại tải cảm là sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng Khi phụ tải cần công suất Q, nó sẽ lấy từ nguồn ngoài thay vì từ lưới điện, và khi không cần, công suất này sẽ được ngắt ra.
Hình 1.1 Giản đồ véc tơ công suất của lưới điện
Một số lợi ích của việc bù công suất phản kháng có thể kể đến như:
- Giảm tổn hao công suất trong quá trình truyền tải điện
- Giảm sụt áp trên đường dây
- Tăng khả năng mang tải của đường dây
- Tăng khả năng vận hành của máy biến áp.
Hệ thống bù đồng bộ tĩnh – STATCOM
Các phương pháp bù công suất phản kháng
Một số cách điển hình cho việc bù công suất phản kháng như:
- Dùng máy bù đồng bộ
- Dùng các thiết bị bù FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System):
Bộ bù đồng bộ tĩnh nối tiếp Static Synchronons Series Compensator
Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC)
Bộ điều khiển đồng thời dòng công suất hợp nhất Unified Power Flow Controller
Bộ bù tĩnh (SVC: Static Var Compensator)
Bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM (Static Synchronous Compensator)
Sử dụng thiết bị FACTS, đặc biệt là cấu trúc STATCOM, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội nhờ vào độ nhanh nhạy, chính xác và khả năng điều khiển linh hoạt Những lợi ích mà STATCOM cung cấp rất đáng chú ý.
- Tăng khả năng truyền tải công suất
- Giảm tổn thất trên đường dây Đề tài này sẽ tập trung vào nghiên cứu hệ thống STATCOM cho lưới điện trung thế
Bộ bù đồng bộ tĩnh - STATCOM 1.2.2
STATCOM (Bộ bù đồng bộ tĩnh) là thiết bị kết nối song song với lưới điện, hoạt động như một nguồn dòng phản kháng Nó chuyển đổi điện áp một chiều (DC) thành điện áp xoay chiều (AC), giúp khắc phục hiện tượng nhấp nháy điện áp, cải thiện hệ số công suất và lọc sóng hài từ phụ tải.
STATCOM được định nghĩa với ba thành phần cấu trúc hoạt động:
Tĩnh là thiết bị chuyển đổi trạng thái rắn không có thành phần quay, trong khi đồng bộ hoạt động tương tự như máy đồng bộ lý tưởng với điện áp ba pha hình sin ở tần số cơ bản.
Bù: Cung cấp công suất phản kháng
Hình 1.2 và Hình 1.3 minh họa cấu trúc của STATCOM một pha và ba pha, bao gồm nguồn điện một chiều V, bộ chuyển đổi điện áp một chiều sang xoay chiều (VSC) và điện áp lưới một pha eS Cuộn cảm L được kết nối giữa điện áp đầu ra của bộ biến đổi và điện áp lưới, đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và ổn định điện áp.
Hình 1.2 Cấu trúc STATCOM một pha
Hình 1.3 Cấu trúc STATCOM ba pha
Bộ chuyển đổi điện áp một chiều sang xoay chiều VSC có thể là nghịch lưu ba pha thông thường hoặc nghịch lưu đa mức
Bộ VSC điều chỉnh công suất phản kháng bằng cách kiểm soát góc pha và biên độ điện áp đầu ra, từ đó quản lý hệ thống STATCOM để phát hoặc hấp thụ công suất từ lưới Khi điện áp của STATCOM cùng pha với điện áp hệ thống nhưng có biên độ lớn hơn, dòng công suất phản kháng sẽ từ STATCOM chạy vào hệ thống, giúp nâng cao điện áp hệ thống Ngược lại, nếu điện áp của STATCOM thấp hơn điện áp hệ thống, quá trình này sẽ giảm điện áp hệ thống.
9 hệ thống thì dòng công suất phản kháng chảy từ hệ thống vào STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện
Hình 1.4 Mô tả hệ thống STATCOM
Hình 1.4 mô tả hệ thống STATCOM kết nối với lưới điện, trong đó:
V và 1 1 là biên độ và góc pha của điện áp lưới
V2 và 2 là biên độ và góc pha của điện áp đầu ra bộ biến đổi VSC
XL là điện kháng kết nối giữa lưới và bộ bù
là góc lệch pha giữa điện áp lưới và điện áp bộ bù
Trong chế độ hoạt động ổn định, điện áp V2 do STATCOM phát ra có cùng pha với điện áp V1 của lưới, dẫn đến việc chỉ có công suất phản kháng được truyền tải Bằng cách điều chỉnh điện áp V2 với biên độ lớn hơn, dòng phản kháng (Iq) sẽ chạy từ STATCOM vào lưới, hoạt động như một điện dung và cung cấp công suất phản kháng, từ đó nâng cao điện áp lưới.
Nếu điện áp V2 do VSC tạo ra thấp hơn điện áp V1 của lưới, dòng phản kháng (I) sẽ chạy từ lưới vào STATCOM, với dòng q điện Iq hoạt động như một điện cảm tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới, giúp hạn chế quá điện áp trên lưới điện Ngược lại, khi điện áp V2 và V1 bằng nhau, sẽ không có sự trao đổi công suất phản kháng.
Hình 1.5 Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù
Hình 1.6 Trạng thái phát công suất của bộ bù
Hệ thống STATCOM mang lại nhiều lợi ích như thời gian phản ứng nhanh và khả năng bổ sung công suất phản kháng trong thời gian thực Hiện tượng nhấp nháy điện áp trong lưới điện, thường xảy ra khi các phụ tải lớn hoạt động, có thể làm giảm tuổi thọ thiết bị điện và ảnh hưởng đến các phụ tải yêu cầu độ chính xác cao, từ đó giảm hiệu quả sản xuất Với khả năng cung cấp công suất phản kháng liên tục, STATCOM giúp khắc phục sự cố dao động điện áp, cải thiện chất lượng điện áp theo các tiêu chuẩn cụ thể.
Hệ thống STATCOM cấu trúc cầu H nối tầng
STATCOM dựa trên nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng 1.3.1
Multilevel inverters are commonly structured in several forms, including the Diode Clamped Multilevel Inverter (NPC), the Flying Capacitor Multilevel Inverter, and the Cascade Inverter.
Cấu trúc nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có những ưu điểm vượt trội so với các cấu trúc nghịch lưu đa mức khác như:
- Tiết kiệm số lượng linh kiện bán dẫn (Bảng 1.2)
- Dễ dàng thay đổi số mức nghịch lưu
- Có thể ứng dụng trong những hệ thống công suất lớn
- Độ méo sóng hài thấp
Bộ nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng bao gồm nhiều bộ biến đổi cầu một pha, mỗi bộ cầu H được cấp nguồn DC riêng biệt Nghịch lưu này có khả năng tạo ra điện áp gần giống hình sin từ nhiều nguồn khác nhau.
DC như pin năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, tụ điện…
Hình 1.7 Nghịch lưu đa mức N cầu H nối tầng
Hình 1.8 Cấu trúc cầu H thứ k của pha A Bảng 1.1 Giá trị và mức điện áp ra tương ứng với các trạng thái van
Mỗi cầu chữ H có khả năng tạo ra ba cấp điện áp khác nhau trên đầu ra là +V dc, 0 và -V dc thông qua việc điều chỉnh trạng thái đóng cắt của bốn van bán dẫn Các nguồn DC có thể có giá trị bằng nhau hoặc khác nhau theo một quy luật nhất định Điện áp đầu ra của nghịch lưu M mức là tổng hợp các giá trị đầu ra từ các mạch cầu, với trường hợp tất cả các nguồn DC bằng nhau, dạng sóng điện áp đầu ra sẽ có một mức 0 chung khi tất cả các cầu H đều cho đầu ra bằng 0 Nếu có N cầu H ở mỗi pha, số mức điện áp sẽ được tính bằng công thức M=(2.N+1) Ví dụ, với 1 cầu H sẽ có 3 mức, 2 cầu H sẽ có 5 mức, và 3 cầu H sẽ có 7 mức Bằng cách sử dụng các nguồn DC có giá trị khác nhau, ta có thể tạo ra nhiều cấp điện áp ở đầu ra thông qua các phương pháp điều khiển thích hợp.
Hình 1.9 Cấu trúc STATCOM dựa theo cấu trúc nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng
Bảng 1.2 So sánh số lượng linh kiện giữa các loại cấu trúc
Cấu hình nghịch lưu Diode kẹp NPC Tụ bay thay đổi Cascade
Một nhược điểm của cấu trúc này là cần đảm bảo các nguồn DC phải cách ly và có giá trị bằng nhau Việc cân bằng điện áp giữa các nguồn DC sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sóng hài của dòng điện đầu ra của STATCOM.
Nguyên lý hoạt động và điều khiển STATCOM
Khi điều khiển góc lệch pha 0, việc điều khiển CSPK Q thông qua điện áp đầu ra nghịch lưu trở nên quan trọng Tuy nhiên, điều khiển điện áp đầu ra ba pha trong hệ tọa độ 0xy gặp nhiều khó khăn, do đó cần chuyển sang hệ tọa độ 0dq để đơn giản hóa quá trình điều khiển, khi đó các biến điện áp và dòng điện sẽ trở thành một chiều.
L , r ea e b e c v dcA1 dcA 2 v v dcAn v dcB1 v dcB2 v dcBn v dcC1 v dcC2 v dcCn
Điều khiển STATCOM bao gồm hai yêu cầu chính: đầu tiên là cân bằng công suất giữa phía DC và AC thông qua mạch vòng điện áp bên ngoài, và thứ hai là kiểm soát dòng phản kháng cùng dòng tác dụng qua mạch vòng dòng điện bên trong Cả hai mạch vòng này đều sử dụng bộ điều khiển PI để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
L abc PLL dq dq abc
Hình 1.11 Cấu trúc điều khiển STATCOM
Thay đổi lượng đặt công suất phản kháng Q , ta sẽ thay đổi được lượng đặt *
* i để phục vụ cho yêu cầu bù công suất phản kháng của STATCOM q
CHƯƠNG 2 NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PWM
Thuật toán điều chế sinPWM
Phương pháp điều chế PWM cho các bộ biến đổi đa mức được thực hiện bằng cách so sánh tín hiệu chuẩn với sóng mang tam giác tần số cao, nhằm tạo ra xung điều khiển cho việc đóng cắt các van trong mạch lực Trong kỹ thuật điều chế PWM, hai kỹ thuật phổ biến là dịch mức sóng mang và dịch pha sóng mang.
Hệ số điều chế biên độ (AMI): là tỉ số giữa biên độ của tín hiệu sin chuẩn và biên độ sóng mang so sánh m _ ref a m _ carry m U
Trong đó: U m _ ref là biên độ tín hiệu sin chuẩn
U m _ carry là biên độ sóng mang
Hệ số điều chế tần số: là tỉ số tần số sóng mang và tần số tín hiệu chuẩn c f ref m f
Trong đó: f ref là tần số tín hiệu sin chuẩn f c là tần số sóng mang
- Phương pháp dịch pha sóng mang (phase-shifted)
Phương pháp này sử dụng việc dịch pha sóng mang để so sánh với điện áp sin chuẩn Góc dịch pha θ giữa hai sóng mang liên tiếp được xác định bằng công thức θ = 180 / N, trong đó N là số lượng cầu H trong mỗi pha.
Hình 2.1 Minh họa phương pháp dịch pha sóng mang
- Phương pháp dịch mức sóng mang
Phương pháp dịch mức sóng mang có ba kiểu:
PD (Phase Disposition): tất cả các sóng mang đều cùng pha
APOD (Alternative Phaseopposite Disposition): bố trí ngược pha luân phiên, hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau dịch pha 180°
POD (Phase Opposite Disposition) là phương pháp điều chế sóng mang, trong đó các sóng mang kế cận nằm bên trên và bên dưới trục zero sẽ cùng pha với nhau Hai sóng mang nằm trên trục zero có pha ngược nhau, tạo ra điện áp ra V ac Các kiểu sóng mang khác cũng cho ra dạng điện áp V ac tương tự, đảm bảo tính đồng nhất trong quá trình điều chế.
Hình 2.2 Ba kiểu dịch mức sóng mang
Thuật toán điều chế véc tơ không gian (SVM)
Khi áp dụng điều chế véc tơ không gian (SVM) cho nghịch lưu đa mức, chất lượng điện áp đầu ra được cải thiện, với độ đập mạch sóng hài giảm và khả năng tận dụng điện áp một chiều tốt hơn Tuy nhiên, phương pháp SVM yêu cầu khối lượng tính toán lớn hơn so với sinPWM, đặc biệt là khi số mức của nghịch lưu đa mức tăng lên, dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong lượng tính toán cần thiết.
Xác định véc tơ điện áp đặt
Xác định vị trí véc tơ điện áp đặt
Xác định hệ số điều chế
Xác định mức điện áp mỗi pha
Hình 2.3 Sơ đồ khối điều chế SVM
Xác định véc tơ điện áp đặt 2.2.1
Hình 2.4 Nghịch lưu ba pha N cầu H nối tầng
Sơ đồ nghịch lưu ba pha được thể hiện trong Hình 2.4, với mỗi pha được cấu thành từ N cầu H nối tầng Giả định rằng các nguồn một chiều có giá trị bằng nhau và hoàn toàn cách ly, tải ba pha ở trạng thái cân bằng Điểm trung tính của tải là Z, trong khi điểm trung tính của nguồn là N, cũng đóng vai trò là điểm cách ly.
Với nghịch lưu M mức N cầu H nối tầng, giá trị điện áp ở mỗi pha ra là k i V dc , với i {A,B,C} tương ứng với 3 pha, k i M 1 M 1
là mức điện áp ra của mỗi pha Đối với các mức điện áp từ M 1
, sẽ có nhiều hơn một lựa chọn mức điện áp ra của các cầu H để thu
Để đạt được mức điện áp mong muốn trên mỗi pha, các trạng thái điện áp này được gọi là các trạng thái dư Điện áp trên mỗi pha nghịch lưu sẽ được xác định theo quy tắc cụ thể.
( 2.3 ) Điện áp trên mỗi pha tải sẽ bằng:
Biểu diễn hệ thống điện áp ba pha từ hệ tọa độ 0abc sang hệ tọa độ 0:
( 2.7 ) Độ lớn của véc tơ điện áp đặt v sẽ bằng một số nguyên lần 2 dc
3V Do đó để thuận tiện cho các tính toán sau này, việc quy chuẩn véc tơ điện áp đặt theo 2
3 là cần thiết, khi đó các thành phần của v trong hệ tọa độ 0 sẽ trở thành:
Mạch cầu H nối tầng có đặc điểm tạo ra nhiều mức trạng thái khác nhau, với mỗi bộ giá trị trạng thái của các cầu H tương ứng với một véc tơ điện áp chuẩn v_k trong mặt phẳng tọa độ 0αβ Trong một mạch nghịch lưu M mức, tổng số véc tơ chuẩn đạt được là (3M^2 - 3M + 1).
Hình 2.5 Vị trí các véc tơ chuẩn của cầu H nối tầng
Chúng tôi nhận thấy rằng các điểm cuối của các véc tơ chuẩn phân bố đều, với ba điểm gần nhất tạo thành một tam giác đều Tập hợp các tam giác đều này hình thành nên một hình lục giác đều Do đó, việc chia mặt phẳng 0αβ thành sáu góc phần sáu sẽ giúp thuận tiện trong việc tính toán và xác định vị trí véc tơ điện áp.
Khi số lượng tam giác trên mặt phẳng véc tơ tăng lên, việc tính toán trở nên dễ dàng hơn nhờ vào tính đối xứng của hệ thống véc tơ không gian trong mỗi góc phần sáu Véc tơ điện áp được tổng hợp từ hai hình chiếu của nó trên các trục tọa độ giới hạn của mỗi góc phần sáu, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán.
Xác định vị trí của véc tơ điện áp đặt
Véc tơ điện áp đặt nằm trong một trong sáu góc phần sáu, và để xác định nó, ta cần tìm hình chiếu của véc tơ điện áp lên hai véc tơ biên của góc phần sáu Các góc phần sáu được hình thành từ ba hệ tọa độ không vuông góc, bao gồm (Z 1x, Z 1y), (Z 2x, Z 2y), và (Z 3x, Z 3y).
Hình 2.6 Ba hệ tọa độ không vuông góc tạo nên các góc phần sáu
Hình chiếu của véc tơ điện áp đặt trên các véc tơ biên được tính thông qua ma trận biến đổi hệ tọa độ M 1 , M 2 , M 3 như sau:
( 2.11 ) Đặt biến trung gian v tmp 3
, khi đó các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ như ( 2.11 ) có thể được thay thế bởi thuật toán sau:
Sau khi xác định tọa độ của véc tơ điện áp trên các trục tọa độ không vuông góc, chúng ta có thể xác định véc tơ điện áp thuộc sector nào bằng cách sử dụng thuật toán được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Thuật toán xác định sector z 1x z 1y < 0 z 1x z 1y 0 z 2x z 2y < 0 z 2x z 2y 0 z 1x >0 z 1x =0 z 1y >0 z 1x =0 z 1y 0 z 2x =0 z 2y >0 z 2x =0 z 2y 1, với thứ tự chuyển mạch tối ưu được xác định cho từng loại tam giác trong các sector khác nhau.
Hình 2.9 minh họa mẫu xung điều chế SVM cho tam giác con loại D1 và D2 trong các sector I, III và V Bảng 2.2 trình bày hệ số và thời gian điều chế cho mỗi véc tơ chuẩn tương ứng với các sector này.
Hình 2.10 Mẫu xung điều chế SVM cho tam giác con loại D 1 , D 2 trong sector II, IV, VI
Bảng 2.3 Hệ số, thời gian điều chế cho mỗi véc tơ chuẩn khi v trong sector II, IV, VI
Xác định mức điện áp cho mỗi pha
Hệ tọa độ không vuông góc (Z 1x, Z 1y), (Z 2x, Z 2y), (Z 3x, Z 3y) tương ứng với tọa độ 0gh khi thực hiện quay các góc 60 độ và 120 độ theo chiều ngược kim đồng hồ Trong hệ tọa độ này, trục g trùng với trục α, và hai trục g và h tạo với nhau một góc 60 độ.
- Xác định các véc tơ trạng thái ở sector I Ở góc phần sáu thứ nhất, sử dụng hệ tọa độ không vuông góc (Z1x, Z 1y )
Từ ( 2.18 ), có thể thấy nếu lấy 2 dc
3V là độ dài cơ sở của các véc tơ trạng thái, do k , k , k A B C là các số nguyên nên tọa độ của các véc tơ
Cân bằng điện áp trên tụ
Nguyên nhân gây mất cân bằng điện áp trên các tụ 2.3.1
Cân bằng điện áp cho các tụ điện một chiều là một thách thức quan trọng trong các bộ nghịch lưu đa mức Trong thực tế, giá trị của các nguồn điện một chiều cách ly thường không đồng nhất, dẫn đến tình trạng mất cân bằng điện áp trên các tụ Những nguyên nhân gây ra sự mất cân bằng này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Giá trị điện dung của các tụ điện một chiều thường có sai lệch so với trị số chuẩn, với tụ hóa phổ biến cho phép sai số lên đến 10%.
Các nguồn DC cách ly tạo ra từ sơ đồ chỉnh lưu qua cuộn dây máy biến áp cách ly có thể gây ra sai lệch do tỉ số máy biến áp và nội trở tương đương của sơ đồ chỉnh lưu Những yếu tố này, kết hợp với quá trình chuyển mạch, là nguyên nhân chính dẫn đến mất cân bằng điện áp một chiều.
Khi nguồn năng lượng một chiều đến từ các nguồn sơ cấp, chẳng hạn như hệ thống pin mặt trời, sự sai lệch giữa các tấm pin do ảnh hưởng của các yếu tố như mây và nắng là điều không thể tránh khỏi.
Mất cân bằng điện áp trên các tụ một chiều gây suy giảm chất lượng sóng hài điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu, điều này là không thể chấp nhận Vì vậy, việc cân bằng điện áp trên các tụ là vấn đề quan trọng trong bộ nghịch lưu đa mức Tình trạng này cũng xảy ra ở STATCOM cấu trúc cầu H nối tầng, làm giảm chất lượng sóng hài của điện áp đầu ra Đối với bộ nghịch lưu 3 mức cầu H, mỗi pha chỉ có một cầu H, do đó cần cân bằng điện áp giữa các tụ trong cùng một pha Tuy nhiên, với bộ nghịch lưu cầu H nối tầng có số mức lớn hơn, mỗi pha sẽ có nhiều cầu H, dẫn đến hai vấn đề cần giải quyết: cân bằng điện áp giữa các tụ trong cùng một pha và cân bằng điện áp giữa các pha.
Cân bằng điện áp trên tụ trong điều chế sinPWM
2.3.2.1 Cân bằng điện áp các tụ giữa các pha
Phương pháp cân bằng điện áp các tụ giữa các pha giúp duy trì điện áp trung bình của các tụ trong một pha tương đương với điện áp trung bình của các tụ trong cả ba pha của bộ STATCOM Để thuận tiện cho thiết kế điều khiển, cụm các cầu H nối tầng trong cùng một pha được coi như một bộ biến đổi một pha với một cầu H và giá trị điện dung của tụ phía DC là C/n, trong đó n là tổng số lượng cầu H trong cùng một pha, như được minh họa trong Hình 2.12.
Hình 2.12 Sơ đồ tương đương của cụm cầu H nối tầng trong một pha, xét cho pha A
Nếu giả sử coi tổn thất qua bộ biến đổi là nhỏ, có thể bỏ qua, ta có phương trình bảo toàn công suất như sau: a a dcA _ avg Ca e i n.v i ( 2.35 )
Sai khác giữa điện áp trung bình của tất cả các tụ DC trong ba pha (V dc_avg) và điện áp trung bình của các tụ DC trong pha A (V dcA_avg) được gọi là ΔV dcA.
dcA dc _ avg dcA _ avg dc _ avg dcA _ avg dcB _ avg dcC _ avg n dcA _ avg dcAi i 1
Hình 2.13 Mạch vòng điều khiển điện áp trung bình các tụ giữa các pha
Vòng điều khiển điện áp trung bình của tụ trong mỗi pha A, B, C đưa ra tín hiệu vào điều chế sinPWM có giá trị là:
d dcA _ CB 2 1 dcA d dcB _ CB 2 1 dcB d dcC _ CB 2 1 dcC
Hình 2.14 Sơ đồ điều khiển điện áp trung bình của các tụ pha A
Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển điện áp trung bình của tụ trong pha A được thể hiện trong Hình 2.142.14, với hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện bên trong.
Hàm truyền này là một hệ quán tính bậc nhất có hằng số thời gian 2
Hàm truyền của mạch vòng điện áp bên ngoài là:
2 dc _ avg dc _ ref 2 dc _ ref 1 2 Sd
Chọn CB_pha 1, ta tính được K 1 như sau:
2.3.2.2 Cân bằng điện áp giữa các tụ trong cùng một pha
Phương pháp cân bằng điện áp các tụ trong mỗi pha giúp duy trì điện áp của các tụ bằng với giá trị điện áp trung bình của pha đó Sai khác giữa giá trị điện áp trung bình của các tụ trong pha được gọi là V dcAm.
A V và điện áp tụ trong cầu H thứ m của pha A VdcAm dcAm dcA _ avg dcAm
Trong đó, m 1/ n (n là số cầu H trong mỗi pha)
Do STATCOM chỉ tác động tới công suất phản kháng trên lưới, dòng điện vào pha A có giá trị là: a d i I cos t ( 2.43 )
Lượng bù cho điện áp đưa vào điều chế sinPWM cho cầu H thứ m để làm giảm thiểu sai lệch V dcAm được tính như sau:
Phương pháp sử dụng khâu tỉ lệ K 3 để điều chỉnh cân bằng điện áp cho mỗi tụ, với V dcAm _ CB cùng pha với dòng điện i a Điều này cho phép tạo ra công suất tác dụng cho cầu H, nhằm phục vụ việc cân bằng điện áp tụ trong từng pha.
Hình 2.15 Mạch vòng điều khiển điện áp tụ thứ m của mỗi pha
Hình 2.16 Sơ đồ điều khiển vòng kín cho điện áp tụ thứ m của pha A
dcAm _ CB dcA _ avg dcAm n n
Phương trình (2.45) chỉ ra rằng điện áp bù cho điện áp điều chế của từng cầu H không ảnh hưởng đến việc điều khiển giá trị điện áp trung bình của mỗi pha.
Giả sử D Am là thành phần gây tổn hao công suất trên cầu H thứ m của pha
A, công suất tác dụng phục vụ việc cân bằng điện áp tụ trong cầu H thứ m của pha A là:
Am _ CB dcAm _ CB a Am
Am _ CB dcAm _ CB dcA _ avg
Dựa vào ( 2.46 ) và ( 2.47 ), ta xác định được hàm truyền hệ kín vòng điều khiển điện áp tụ thứ m của pha A như sau:
Hằng số thời gian của hàm truyền trên là: dc _ ref 3
Lựa chọn giá trị T 3 phù hợp, xác định được hệ số K 3 như sau: dc _ ref 3
Vòng điều khiển cân bằng điện áp trung bình giữa các pha cần phải có khả năng phản ứng nhanh hơn so với vòng điều khiển cân bằng điện áp của từng pha riêng lẻ.
Cân bằng điện áp trên tụ trong điều chế SVM
2.3.3.3 Cân bằng điện áp giữa các tụ trong cùng một pha
Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc cầu H thứ k của pha A
Trong Hình 2.17, khi xét chiều dòng điện, cầu H thứ k của pha A có điện áp ra V Ak và mức điện áp S Ak với các giá trị -1, 0, 1 Tùy thuộc vào dấu dòng và mức điện áp ra, điện áp trên tụ một chiều có thể tăng, giảm hoặc không đổi, do tụ có thể ở trạng thái nạp, phóng hoặc bị cắt khỏi mạch.
Bảng 2.7 Sự thay đổi giá trị điện áp của tụ ở một cầu H trong từng trạng thái
SAk.1 S Ak.2 S Ak.3 S Ak.4 S Ak Trạng thái điện áp tụ i0 i0
Trong nghịch lưu M mức, N cầu H nối tầng, mỗi pha có các mức điện áp với trạng thái dư Để lựa chọn cầu H phù hợp nhằm cung cấp điện áp và giảm thiểu sai khác về giá trị điện áp giữa các tụ trong cùng một pha, ta sẽ dựa vào phương pháp xác định sự thay đổi giá trị điện áp tụ như trong Bảng 2.7.
Trong pha A, điện áp đạt mức k A (|k A | < M), với các trạng thái dư xuất hiện Trước khi lựa chọn cầu H để đưa điện áp ra pha A, cần sắp xếp giá trị điện áp trên các tụ của pha A theo thứ tự tăng dần Có nhiều tình huống khác nhau có thể xảy ra trong quá trình này.
Cấu trúc điều khiển
Điều khiển STATCOM bao gồm hai yêu cầu chính: đầu tiên là cân bằng công suất giữa phía DC và AC thông qua mạch vòng điện áp bên ngoài; thứ hai là điều khiển dòng phản kháng và dòng tác dụng qua mạch vòng dòng điện bên trong Cả hai mạch vòng này đều áp dụng bộ điều khiển PI để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
L abc PLL dq dq abc
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển STATCOM
Thay đổi lượng đặt công suất phản kháng Q , ta sẽ thay đổi được lượng đặt * i * q để phục vụ cho yêu cầu bù công suất phản kháng của STATCOM.
Mô hình hóa nghịch lưu ba pha đa mức cầu H nối lưới
ea eb ec i a i dcA1 i b i c dcA 2 i i dcAn v dcA1 dcA 2 v v dcAn
C An v A1 v A 2 v An i dcB1 i dcB2 i dcBn v dcB1 v dcB2 v dcBn
C Bn v B1 v B2 v Bn i dcC1 i dcC2 i dcCn v dcC1 v dcC2 v dcCn
C Cn v C1 v C2 v Cn v AZ v BZ v CZ b b
Hình 3.2 Sơ đồ nghịch lưu ba pha n cầu H nối tầng nối lưới
Sơ đồ Hình 3.2 có thể được chuyển đổi thành sơ đồ Hình 3.3, trong đó mỗi cụm cầu H trong một pha được thể hiện qua một cầu H duy nhất, cùng với điện dung của tụ phía.
DC là C/n và điện áp phía DC là nv dcAi , nv dcBi , nv dcCi nv dcAi nv dcBi nv dcCi a La
N Z ia ib ic e c e b idcA idcB idcC
Hình 3.3 Sơ đồ tương đương nghịch lưu ba pha n cầu H nối tầng nối lưới Để cho đơn giản kí hiệu: C
C n là điện dung thay thế của một pha; dcA dcB dcC v , v , v là điện áp thay thế phía DC của pha A, B, C
Mô hình hóa sơ đồ bắt bầu từ việc xây dựng mô hình đóng cắt hay mô hình chính xác, trong đó biến trạng thái được xác định bởi dòng qua cuộn cảm và điện áp trên tụ DC Hàm đóng cắt là u, với các giá trị u A, B, C thuộc tập {1, 0, -1} Điện áp đầu ra của cầu tương ứng với tín hiệu điều khiển được xác định như sau: u k 1 v kz v; dck k kz u 0 v 0; u k 1 v kz v, trong đó v dc là điện áp phía DC của mỗi pha, k là một trong ba pha A, B, C, và z là điểm nối chung Giả thiết điện cảm ba pha là cân bằng, từ đó có thể thiết lập hệ phương trình cho mỗi pha theo sơ đồ Hình 3.3.
Trong đó: v , v , v A B C là điện áp đầu ra ba pha nghịch lưu so với trung tính N của nguồn lưới xoay chiều
Các phương trình điện áp cho ba pha A, B, C: dcA dcA dcB dcB dcC dcC
Trong hệ thống ba pha cân bằng, tổng điện áp và dòng điện bằng không:
Ta có v A v AZ v , v ZN B v BZ v , v ZN C v CZ v ZN , kết hợp với ( 3.1 ):
Quy luật điều khiển của nghịch lưu là:
AZ dcA A BZ dcB B CZ dcC C v v u ; v v u ; v v u ( 3.5 ) Giả sử điện áp trên các tụ DC là cân bằng v dc v dcA v dcB v dcC , ta được: k kZ ZN dc k dc A B C v v v v u 1v (u u u )
Trong một hệ thống điện ba pha, không thể có một pha nào là A, B, hoặc C Đối với dòng một chiều, ta có các công thức dcA, dcB và dcC Giả thiết rằng điện áp trên tụ DC ba pha là cân bằng, điều này cho phép chúng ta áp dụng các quy tắc và công thức liên quan để phân tích hệ thống.
Ba phương trình trong ( 3.2 ) được viết lại thành một phương trình tổng quát như sau:
Từ các phương trình ( 3.1 ), ( 3.2 ), ( 3.6 ) và ( 3.10 ), ta có hệ phương trình đóng cắt cho mạch nghịch lưu đa mức nối tầng:
Sử dụng phương pháp trung bình trạng thái, mô hình đóng cắt được chuyển đổi sang mô hình dựa trên các biến trung bình và liên tục Với thành phần DC của dòng xoay chiều bằng 0 và thành phần AC trong điện áp trên tụ một chiều bằng 0, ta thu được mô hình trung bình là: dc 0 3 k 1 k 1 k 1 PWM dc 0 k 1 k 1 L k 1 k 1 3 dc 0 k k 0 k 1 d v.
Trong ( 3.12 ), ký hiệu các biến trong ngoặc nhọn x thể hiện là những i biến trung bình, chỉ số i = 1 chỉ sóng hài cơ bản bậc nhất, i = 0 chỉ thành phần
40 một chiều Với các phép điều chế được áp dụng thì thành phần PWM dc k
0 1 k v u thể hiện chính là sóng hài bậc nhất của điện áp nghịch lưu pha k, k có thể là A, B hoặc C
Phương trình (3.12) bao gồm ba phương trình cho dòng điện và một phương trình cho điện áp trong hệ tọa độ ba chiều 0abc Để giảm bậc, ta thực hiện chuyển đổi sang hệ tọa độ đồng bộ 0dq, trong đó trục d trùng với trục của vector điện áp lưới Việc này cho phép xem xét các biến như các thành phần một chiều DC, thuận lợi cho việc xây dựng các mạch vòng điều chỉnh Bỏ qua các biến đổi toán học và các ngoặc nhọn thể hiện giá trị trung bình, hệ phương trình trung bình trạng thái trên hệ tọa độ 0dq được xác lập.
d q d PWM dc d L d q d q PWM dc q L q dc d d q q
Thiết kế mạch vòng dòng điện bên trong
Hai thành phần k PWM v dc d ;k PWM v dc q tương ứng với điện áp đặt đầu ra
* * d q u , u , viết lại ( 3.13 ) cho lượng đặt đầu ra u , u ta có: * d * q
d d L d q d q q L q d q dc d d q q u Li r i Li e u Li r i Li e
Trong (3.14), các thành phần nhiễu như Li và d Li q có thể được bù đắp hoàn toàn nhờ vào mạng bù Đồng thời, e và e biến đổi chậm so với mạch vòng dòng điện Do đó, cả hai kênh d q d và q đều có dạng tương tự và sở hữu cùng một hàm truyền.
Sử dụng bộ điều chỉnh PI cho mạch vòng dòng điện với hàm truyền PIc pc ic
, hàm truyền hệ kín sẽ là:
PIc c c ic 2 ic c pc pc c
Áp đặt mạch vòng kín có dạng bậc hai với hằng số thời gian T0c và độ tắt dần c được thể hiện theo phương trình (3.17) Phương pháp thiết kế này được gọi là áp đặt đặc tính tần số mong muốn (Loop Shaping).
Từ đó, ta xác định các thông số của bộ điều chỉnh như sau:
Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển dòng điện
Thiết kế mạch vòng điện áp bên ngoài
Công suất tác dụng tức thời và công suất phản kháng tức thời được xác định như sau: d d q q 0 0 q d d q p 3 i e i 2e i
Do thành phần e d luôn được đặt trùng với véc tơ v , nên thành phần * e q 0 Suy ra: d d d q
( 3.20 ) Áp dụng vào hệ thống STATCOM chỉ bù công suất phản kháng
P 0; Q 0 , khi đó ta có thể xác định i , i d q như sau:
Từ phương trình (3.14), ta nhận thấy đầu ra của mạch điện áp có thể là i d hoặc i q, tùy thuộc vào việc i q = 0 hoặc i d = 0 Giả sử i q = 0, điểm làm việc cân bằng được xác định khi đạo hàm bên trái bằng không Khi coi dòng phản kháng với i * q = 0 và bỏ qua tổn hao nhỏ trên điện trở cuộn cảm r L, các giá trị xác lập còn lại được xác định bởi: de de * qe *.
( 3.22 ) Đối với điều chế SVM: PWM 2 k 3 Đối với điều chế sinPWM: k PWM 1
Phương trình thứ ba trong ( 3.14 ) đối với điện áp trên tụ C với giả thiết dòng i q 0, dòng i d được điều khiển bám theo lượng đặt i d , có dạng: de * de dc d d
Bỏ qua ảnh hưởng của biến động d đối với v dc , ( 3.23 ) trở thành: de * dc d
n (v dci là điện áp trên một cầu H) vào ( 3.24 ) và biến đổi, ta thu được hàm truyền của điện áp đầu ra từ đầu vào điều khiển i d :
Điều khiển mạch vòng điện áp bằng bộ điều chỉnh PI có dạng PIv pv iv
, khi đó hàm truyền hệ kín là:
( 3.26 ) Áp đặt mạch vòng kín có dạng bậc hai với hằng số thời gian T 0 v và độ tắt dần v mong muốn dưới dạng:
Từ đó, có thể xác định được thông số của bộ điều chỉnh:
MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB-SIMULINK
Sơ đồ cấu trúc mô phỏng
Trong chương này, chúng tôi tiến hành mô phỏng hệ thống cầu H với cấu trúc nghịch lưu 21 mức, áp dụng phương pháp SVM đã trình bày ở chương trước Thông số mô phỏng bao gồm điện áp dây của lưới điện là 6,6 kV và tần số 50 Hz Các tụ DC được cách ly và có điện dung 4700 μF, với điện áp đặt cho mỗi tụ.
Cuộn kháng giữa STATCOM và lưới điện có độ tự cảm L = 5,5 mH và nội trở, với tần số phát xung PWM là fs = 2 kHz Để kiểm tra khả năng làm việc của các mạch vòng điều chỉnh, mô phỏng được thực hiện trong hai trường hợp hệ số công suất của tải Trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,35 giây, tải trở cảm có R1 = 27 Ω và L1 = 30 mH; từ 0,35 đến 0,7 giây, tải trở cảm có R2 = 18 Ω và L2 = 30 mH Mục tiêu là tạo ra công suất phản kháng để STATCOM bù hoàn toàn phần công suất do cảm kháng phía tải gây ra, thông qua việc xác định công suất tiêu thụ trên cảm kháng của tải Giá trị công suất phản kháng đặt được thể hiện trong tài liệu tham khảo.
Bài viết mô phỏng hiệu quả của thuật toán cân bằng điện áp trên tụ trong điều chế SVM và sinPWM với giá trị công suất phản kháng cần bù bởi STATCOM là 1 MVAR Nghiên cứu được thực hiện trong hai trường hợp: không áp dụng khâu cân bằng điện áp tụ và có áp dụng khâu cân bằng điện áp tụ.
Cấ u trúc một cell cầu H Hình 4.1 Mô hình hệ thống STATCOM cầu H nối tầng trên MATLAB-Simulink
Hình 4.3 Cấu trúc khâu thay đổi hệ số công suất
Bảng 4.1 Thông số mô phỏng hệ thống STATCOM
STT Ký hiệu Mô tả Giá trị
1 Vgrid Điện áp dây của lưới điện Vgrid6,6 kV
2 S Tổng công suất hệ thống
3 n Số lượng cầu H trong mỗi pha n10
4 V dcref Điện áp đặt lên một tụ DC Vdcref 550 V
5 C dc Điện dung của tụ trong mỗi cầu H Cdc 4700 F
7 f s Tần số phát xung PWM fs 2 kHz
Các kết quả mô phỏng trong luận văn gồm có:
Hệ thống điều khiển STATCOM được mô phỏng bằng phương pháp điều chế vecto không gian SVM cho bộ biến đổi đa mức cầu H nối tầng Nghiên cứu này kiểm chứng hiệu suất của hệ thống khi có và không có khâu cân bằng điện áp trên tụ.
- Mô phỏng hệ thống điều khiển STATCOM sử dụng phương pháp điều chế dịch pha Sin PWM cho bộ biến đổi đa mức cầu H nối tầng
Kiểm chứng khi có sử dụng và không sử dụng khâu cân bằng điện áp trên tụ.
Kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp điều chế SVM
Hình 4.4 Dạng điện áp và dòng điện trên lưới
Hình 4.5 Dạng điện áp đầu ra trên pha A,B,C trong điều chế SVM
Hình 4.6 Điện áp đặt và điện áp trung bình trên các tụ DC
Hình 4.7 Thành phần dòng điện i q ref _ ,i q
Hình 4.8 Thành phần dòng điện i d ref _ ,i d
Hình 4.9 Công suất phản kháng bù lên lưới điện
Hình 4.10 Dạng điện áp trên tụ khi chưa có khâu cân bằng điện áp tụ
Hình 4.11 Dạng điện áp trên tụ khi có khâu cân bằng điện áp tụ
Hình 4.12 Kết quả phân tích sóng hài dòng điện chạy qua cuộn cảm liên kết khi sử dụng khâu cân bằng điện áp trên tụ
Kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp điều chế sin PWM
Hình 4.13 Dạng điện áp và dòng điện trên lưới
Hình 4.14 Dạng điện áp đầu ra trên pha A,B,C trong điều chế Sin PWM
Hình 4.15 Điện áp đặt và điện áp trung bình trên các tụ DC
Hình 4.16 Thành phần dòng điện i q ref _ ,i q
Hình 4.17 Thành phần dòng điện i d ref _ ,i d
Hình 4.18 Công suất phản kháng bù lên lưới điện
Hình 4.19 Dạng điện áp trên tụ khi chưa có khâu cân bằng điện áp tụ
Hình 4.20 Dạng điện áp trên tụ khi có khâu cân bằng điện áp tụ
Hình 4.21 Kết quả phân tích sóng hài dòng điện chạy qua cuộn cảm liên kết khi sử dụng khâu cân bằng điện áp tụ
Hình 4.22 Mô phỏng công suất phảng kháng Q ref , Q và công suất tác dụng P ref , P trong trường hợp trao đổi công suất giữa Statcom và lưới điện
Đánh giá kết quả mô phỏng
Dựa trên kết quả mô phỏng từ các hình ảnh, khi áp dụng hai phương pháp điều chế vector không gian SVM và dịch pha sin PWM, có thể rút ra những đánh giá quan trọng Theo các phương trình (3.19) và (3.20), công suất tỷ lệ với dòng điện theo một hằng số, do đó, độ bám của dòng điện cũng đồng nghĩa với độ bám của công suất.
55 công suất phản kháng hay công suất tác dụng tức thời và công suất phản kháng tức thời
Cả hai phương pháp đều cho thấy các thành phần dòng điện d q i, i và điện áp trung bình trên các tụ đều bám sát giá trị đặt Hệ thống Statcom đã thực hiện hiệu quả vai trò cân bằng điện áp trên tụ STATCOM cung cấp công suất phản kháng cần thiết để bù đắp hoàn toàn công suất do cảm kháng phía tải gây ra, thông qua việc xác định công suất tiêu thụ trên cảm kháng của tải.
Cân bằng điện áp cho các khâu DC ảnh hưởng lớn đến chất lượng sóng hài của dòng xoay chiều đầu vào Khi không có khâu cân bằng điện áp trên tụ, điện áp các tụ thường lệch xa so với giá trị đặt Tuy nhiên, khi áp dụng khâu cân bằng điện áp, điện áp các tụ dao động quanh giá trị đặt với độ lệch chỉ khoảng 10 V, giảm đáng kể so với tình trạng không có cân bằng.
Phương pháp điều chế SVM đã cho thấy hiệu quả trong việc phân tích sóng hài dòng điện chạy qua cuộn cảm liên kết Cụ thể, khi sử dụng khâu cân bằng điện áp trên tụ, kết quả thu được THD = 6,54 % ở Hình 4.12 và THD = 1,65 % ở Hình 4.21 Điều này chứng tỏ rằng chất lượng dòng điện qua cuộn cảm liên kết được cải thiện đáng kể Độ méo THD của dòng điện trong các hệ thống STATCOM là yếu tố quan trọng, vì vậy thuật toán này có khả năng áp dụng hiệu quả để đảm bảo chất lượng dòng điện.
