Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 195 Mã bài: 42
Một phương pháp điều khiển mới cho hệ thống phục hồi điện
áp động để giảm thiểu lõm điện áp trên lưới điện
A novel control method for dynamic voltage restore system to
minimize voltage sag in grid
Trần Duy Trinh, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh
Trường ĐHBK Hà Nội
e-Mail:

Tóm tắt
Bài báo này trình bày một phương pháp điều khiển mới cho hệ thống phục hồi điện áp động để giảm thiểu
lõm điện áp trên lưới điện. Trong phương pháp này một cấu trúc điều khiển vector được xây dựng trên hệ tọa
độ tĩnh αβ với tổ hợp của bộ điều khiển trượt DSMC (Discrete-Time Sliding Mode Control) và bộ điều khiển
cộng hưởng SDRC (sequence-decoupled resonant Controller) đã được đề xuất. Phương pháp điều khiển đề
xuất đã cải thiện được đặc tính động học của hệ thống, đó là nâng cao độ chính xác, khả năng tác động nhanh
hơn và giảm thiểu mức độ méo dạng trong bù lõm điện áp, đặc biệt đối với các lõm điện áp không cân bằng
của DVR (Dynamic Voltage Restore).
Abstract: A new method for controlling the Dynamic Voltage Restore system was proposed in this study
in order to minimize voltage sag on the grid. Thereby, a vector controlled structure was built on the αβ static
coordinate system with the combination of Discrete-Time Sliding Mode Control (DSMC) and the sequence-
decoupled resonant Controller (SDRC). As a result, by using this new controlling method, the dynamic
characteristics of the system have been improved apparently. The system performed with higher accuracy,
faster activated ability and lower distortion in the sag voltage compensator; Especially,in compensating the
unbalanced voltage sag issue of the Dynamic voltage Restore (DVR). Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

điện áp, dòng điện bộ
biến đổi pha x
i
inj
,
x
A dòng điện chèn vào pha x
i
C,x
A dòng điện tụ điện C pha x

i
f
(αβ)
A
dòng bộ biến đổi với
thành phần αβ
u
inv
(αβ)
V
điện áp bộ biến đổi với
thành phần αβ
u
inj
(αβ)
V
điện áp thêm vào với
thành phần α,β
i


hàm truyền bộ điều khiển
cộng hưởng vòng điều
chỉnh điện áp.

Chữ viết tắt
VSI voltage source inverte
PWM pulse width modulation
ES bộ lưu trữ năng lượng
SDMC discrete-time sliding mode control
SDRC
sequence-decoupled resonant
Controller

196 Trần Duy Trinh, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh VCM2012
1. Đặt vấn đề
Lõm điện áp được hiểu là hiện tượng suy giảm
điện áp tức thời đột ngột tại một thời điểm mà giá
trị điện áp dao động của nó giữa 90% và 1% (theo
IEC 61200-2-1) so với điện áp chuẩn, tiếp theo đó
điện áp được phục hồi trong một thời gian rất
ngắn, từ một nửa chu kỳ của điện áp lưới (10ms)
đến một phút.
Có nhiều giải pháp được đưa ra cho vấn đề lõm
điện áp [1]. Tuy vậy một giải pháp được xem là tốt
nhất đó là lắp đặt bộ phục hồi điện áp động DVR.
Hình 1 cho thấy một sơ đồ một dây của hệ thống

và phù hợp với đặc điểm của các loại lõm khác
nhau sẽ được trình bày trong bài viết này.

2. Mô hình toán học của DVR
Một sơ đồ cấu trúc của DVR kết nối lưới và hệ
thống điều khiển được mô tả ở hình 2, các thành
phần chính của DVR gồm:

H.2 Sơ đồ cấu trúc của DVR

• Bộ biến đổi VSC: Bộ biến đổi được ứng dụng
cho DVR là bộ biến đổi nguồn áp (VSC), được
điều biến độ rộng xung (PWM) từ DC thành điện
áp AC, đưa đến máy biến áp để bơm vào hệ
thống.
• Bộ lọc: Trong DVR một bộ lọc LC được kết nối
tại đầu ra của VSC. Bộ lọc này được lắp đặt để
loại bỏ cả điện áp và dòng điện hài phát ra do điều
chế của VSC, để giảm thiểu hài trong điện áp chèn
vào.
• Máy biến áp nối tiếp: DVR được trang bị máy
biến áp nối tiếp để đảm bảo cách ly và đơn giản
hóa cấu trúc liên kết bộ biến đổi và thiết bị bảo vệ.
• DC-link và Bộ lưu trữ năng lượng: Khâu điện áp
một chiều được sử dụng bởi VSC để tạo ra một
điện áp AC đưa vào lưới điện và trong trường hợp
phần lớn các lõm điện áp công suất tác dụng chèn
vào là cần thiết được lấy từ bộ lưu trữ nguồn điện
áp.
• Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển có

CB
CB CB CB
CB
CB
CB
Fault
0%
A
B
C
22 kV 50Hz
U
inj
V
load
100%
DVR
V
dc
Tải thường
T
ải nhạy cảm

V
S
Grid
Tải

PCC

i
dcC
f
i
inj,xu
inv,x
~
R
f
i
f,x
~
L
f
u
inj,x
i
c,xr
dc

Từ sơ đồ ở hình 3, ta viết được các phương trình vi
phân một pha của DVR như sau:
0)()()()(
)()()()()(


ti
dt
d
LtiRtutu
titu
dt
d
Ctititi
fxffxfinjxinvx
injxinjxfinjxCfxfx
(1)
Áp dụng chuyển đổi Clarke, (1) có thể được viết
trong hệ tọa độ αβ như (2) và (3).
)(
1
)(
1
)(
1
)(
)()()()(
tiR
L
tu

f
f
f
inj


(3)
Hay viết dưới dạng phương trình trạng thái như
sau.

























)(
)(
)(
)(
)(
)(
1
0
0
1
0
1
1






inj
inv
f
f
inj
f
f
ff

10



inj
f
inj
u
i
u
(5)
Từ (4) xây dựng sơ đồ mạch tương đương. H.4 Mô hình của DVR và bộ lọc

3. Phương pháp điều khiển của DVR
Phương pháp điều khiển được dựa trên nguyên lý
cơ bản ''Pre-Phase'' đó là điều khiển điện áp phụ tải
sau khi phục hồi U’
L
được tính toán để đồng pha
với điện áp trước khi lõm U
S-Presag
. [1]
 Độ lớn điện áp thêm.
)cos(.2
,,
2
,

L
.cos(
L.
+ 
inj
) (8)
trong đó U
s-sag
- là điện áp nguồn bị lõm, U
S
- là
điện áp nguồn trước khi lõm, U
inj
- là điện áp bơm
vào của DVR, U
L
- là điện áp tải, U
L
’- là điện áp tải
sau khi phục hồi. I
L
-là dòng điện tải, I
L
’- dòng điện
tải sau khi phục hồi, θ
S
,sag- là góc pha trong khi
lõm, θ
inj
- góc pha của điện áp bơm vào của DVR,

s(abc)
, dòng
điện cuộn cảm i
f(abc)
và điện áp tụ điện u
c(abc)
=
u
inj(abc)
của bộ lọc LC.
H.6 Sơ đồ cấu trúc bên trong bộ điều khiển của
DVR
Dựa trên sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển, trong
đó bộ điều khiển cộng hưởng SDRC và bộ điều
khiển trượt DSMC có hàm truyền đạt tương ứng là
G
u
và G
I
. Vậy các phương trình mô tả bộ điều

sLR
ff

1
sLR
ff

-

-

i
C,α

i
C,β

u
inv,β +
abc

DSMC
αβ

i
f(abc)
abc

αβ

u
inj(abc)
abc

αβ

i


e
α
e
β
y
α1
-

y
β1

SDRC _TTT

SDRC _TTN

T
A
I
Grid
~
~

~ u
s,a
u
s,b

-

u
inv,a,b,c
Dc
-
link
capacitor
Energy
PWMi
fa,b,c
u
s a,b,c
i
s a,b,c
BĐK
VSI

C
198 Trần Duy Trinh, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh VCM2012
khiển dòng điện và điện áp của hệ thống được
































C
T
L
T
TT
L
T
L
T
e
S




















11
0
0
0
00
0
0
0
0
0
0
sin
1
cos1
cos1sin
1
h
h
C
T
L
T
T
C
T
TT
L
dtBeH
f
s



)(
)(
)(
ki
ki
ki
f
f
f


,









)(
)(
)(
ku
ku
ku
inj
































1
)1(
)1(
)(
)(
)(
)(
)(
)(
ki
ku
C
T
L
T
ku
ki
C
T
L
T
ku
ki
inj
inv
f
s
f
s
inj


(12)
* Chọn mặt trượt cho bộ điều khiển
)()()(
*
kikiks
ff

(13)
Hay
)1()1()1(
*
 kikiks
ff
(14)
Thay (12) vào (14) ta có:
)1()()()()1(
*
 kiku
L
T
ku
L
T
kiks
finv
f
s
inj
f





(16)
Hạn chế của bộ điều khiển trượt DSMC là có sự
phụ thuộc vào sự hiễu biết của các tham số tải dẫn
đến các hạn chế khi áp dụng nó để điều khiển vòng
ngoài trong các hệ thống phản hồi đa vòng.
 Vòng điều khiển điện áp với khâu SDRC.
SDMC có những tính chất như một bộ điều khiển
cộng hưởng PR đó là có khả năng chọn lọc tần số
cần điều chỉnh như một bộ lọc, do đó có thể điều
chỉnh sai lệch dòng điện hoặc điện áp ở chế độ ổn
định bằng không tại tần số hài bậc h
1
, ít nhảy
cảm với nhiễu, không bị sai lệch đồng bộ, giảm
thiểu việc tính toán và độ phức tạp trong thực hiện.
Sự khác biệt của SDMC so với bộ điều khiển công
hưởng PR đó là nó được xây dựng trên một cấu
trúc biến trạng cho mỗi thành phần thứ tự thuận
hoặc nghịch riêng biệt.

Dẫn xuất của bộ điều khiến
SDMC đã được trình bày trong tài liệu [4], bộ điều
khiển được biễu diễn dưới dạng một cấu trúc biến
trạng thái được chỉ ra sau đây.
+ Khâu điều khiển cho thành phần thứ tự thuận.


 
)(.)(.
1
)(
)(.)(.
1
)(
111
111
syseK
s
sy
syseK
s
sy
I
I








(18)
Phương trình (17) và (18) chính là bộ điều khiển
SDRC lý tưởng và nó được thực hiện dưới dạng sơ
đồ cấu trúc là.



+

+

e
β
y
α1
+
y
β1
+

Bộ ĐK _TTT
K
I
K
I

s
1
s
1


I

b)

tham số bên trong của mỗi bộ điều khiển thành
phần để có đáp ứng tốt nhất khi hệ thống DVR làm
việc với các lõm điện áp không cân bằng. Ngoài ra
với cấu trúc như vậy sẽ dễ dàng cho việc thực hiện
kỹ thuật số đối với bộ điều khiển. Gián đoạn hóa
bộ điều khiển (17) và (18) được thực hiện như
sau:
+ Gián đoạn bộ điều khiển với thành phần thứ tự
thuận SDRC_TTT (17):




















1
1
1
1
111
ky
K
ke
TK
ky
K
ke
TK
kyky
ky
K
ke
TK
ky
K
ke
TK
kyky
I
SI
I
SI
I
SI
I
















)1()1(
2
)()(
2
)1()(
)1()1(
2
)()(
2
)1()(
1
1
1
1
1

SI
I
SI








(20)
Với việc thêm thành phần tỷ lệ K
P
chung cho cả
hai thành phần khi đó bộ điều khiển tương ứng của
hai thành phần trở thành.
)()()(
)()()(
112
112
kykeKky
kykeKky
P
P






))()(()()1( kuku
L
T
Gkiki
injinv
f
s
TTT
SDRCff


(23)
+ Đối với thành phần thứ tự nghịch:
))()(()()1( kuku
L
T
Gkiki
injinv
f
s
TTN
SDRCff


(24)
Từ các các bước phân tích trên ta có thể mô tả mô
hệ thống điều khiển của DVR một cách trực quan
hơn thông qua mô hình như ở hình 8.

4. Kết quả mô phỏng

Rf
R
f

i
f,α
+
i
inj,α
-

i
inj,β
i
f.β
+
-

-

-

-

-

+

u
*

u
inj,α
u
inj,β
+

i
inj,α

i
inj,β

u
*
inj,α
+

+

+

u
*
inv,β
u
*
invα
+

PWM

VCM2012 H.9 Đồ thi Pole-Zero hệ hở của hệ thống đk DVR
Các kết quả mô phỏng được xem xét trong ba
trường hợp sau:
a)Đáp ứng của điện áp tải trong trường hợp lõm
điện áp cân bằng.(hình 10.a,b,c,d)

H.10.a Điện áp nguồn bị lõm cân bằng u
a,b,c
=
50%U
đmH.9.b Điện áp DVR chèn vào lưới


L
được phục hồi khi khâu
SDRC_TTN không được sử dụng.

H.11.d Điện áp tải u
L
được phục hồi khi khâu
SDRC_TTT và SDRC_TTN được sử dụng.

H.11e Điện áp u
inj
*αβ
và u
inj
αβ
.

H.12.f Các thành phần hài của điện áp chèn vào
lưới bởi DVR với THD=0,48%.

c) Đáp ứng của điện áp tải trong trường hợp lõm
điện áp+ tải phi tuyến và mất đối xứng.(hình
11.a,b,c,d,e,f) u
a
= 50%U
đm
; u
a,b
= 45%U
đm

khi phục hồi THD=3,61%.

5. Kết luận
Trong bài báo này một tổ hợp hai bộ điều khiển
DSMC và SDRC tạo ra một cấu trúc điều khiển
vector mới cho hệ thống phục hồi điện áp động.
Cấu trúc điều khiển này cho phép xây dựng trên hệ
tọa độ tĩnh αβ mà điều này trước đây các hệ thống
điều chỉnh của DVR còn gặp nhiều khó khăn chưa
thực hiện được. Nó đã làm giảm đáng kể độ phức
tạp trong tính toán và thực hiện của hệ thống điều
khiển của DVR. Qua phân tích các kết quả mô
phỏng trong ba trường hợp đã cho thấy điện áp ba
pha đã được khôi phục tốt, bộ điều khiển làm việc
bền vững với lưới điện, cải thiện tốt hơn đặc tính
động học của hệ thống đó là tác động nhanh hơn,
chính xác hơn so với các hệ thống sử dụng bộ điều
chỉnh PI trên hệ tọa độ quay dq, điều đó chứng tỏ
phương pháp điều khiển được đề xuất, đã đáp ứng
tốt hơn những yêu cầu mà hệ thống DVR đặt ra
khi làm việc với lưới.

Tài liệu tham khảo
[1] Ryszard Strzelecki, Grzegorz Benysek, "Power
Electronics in Smart Electrical Energy Networks",
British Library Cataloguing in Publication Data,
Springer-Verlag London Limited, 2008.
[2] Marian P. Kazmierkowski, R. Krishnan, Frede
Blaabjerg, "Control in Power Electronics", Elsevier
Science, 2002.

thiết bị công nghệ.
Trần Duy Trinh. Sinh năm 1975. Là giảng viên
tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh,
Nghệ An. Hiện nay đang học tập nghiên cứu sinh
khóa 2008 đến 2012, tại Bộ môn
Tự Động Hóa, Viện Điện, Trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Người hướng dẫn là PGS.TS.
Nguyễn Văn Liễn và TS. Trần
Trọng Minh. Lĩnh vực và hướng đề
tài nghiên cứu là nhiên cứu điều
khiển bộ biến đổi điện tử công suất trong thiết bị
đảm bảo chất lượng điện năng trong lưới điện.