Luận án Nghiên cứu điều khiển bộ khôi phục điện áp động (dvr) để bù lõm điện áp cho phụ tải quan trọng trong xí nghiệp công nghiệp

1 
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết của đề tài: 
Ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn trong điều khiển hệ thống điện đưa đến 
những khả năng to lớn trong đảm bảo vận hành hệ thống một cách linh hoạt, khai thác hệ 
thống một cách hiệu quả nhất. Điều này đã trở nên vô cùng quan trọng trong các điều kiện 
chi phí để xây dựng các hệ thống mới hoặc cải tạo các hệ thống hiện hành ngày càng tăng. 
Bên cạnh đó việc đảm bảo chất lượng điện năng cũng ngày càng trở nên cấp thiết do điện 
năng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sản xuất kinh doanh của các khách hàng ngành 
điện, những người trả tiền cho yêu cầu năng lượng của mình và có quyền yêu cầu được 
đảm bảo nguồn điện cung cấp một cách liên tục với chất lượng điện áp đáp ứng đầy đủ các 
tiêu chuẩn. 
Bộ khôi phục điện áp động (Dynamic Voltage Restorer–DVR) xây dựng trên cơ sở bộ 
biến đổi bán dẫn là thiết bị nhằm đảm bảo khôi phục điện áp trên các phụ tải nhạy cảm khi 
có sự lõm điện áp ngắn hạn, có thời gian kéo dài từ khoảng nửa chu kỳ điện áp lưới 0,01s 
đến cỡ dưới 60s, từ phía nguồn cấp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các biến động điện áp 
kiểu này thuộc loại sự cố xảy ra có tần xuất lớn nhất trong các loại sự cố khác về nguồn 
điện, so với các loại sự cố khác như mất điện ngắn hạn, cỡ trên 60s đến 5 phút, hoặc mất 
hẳn điện, từ 5 phút trở lên, hoặc dao động điện áp với tần số rất thấp, 0,1Hz đến 1Hz, còn 
gọi là hiện tượng “flicker”–nhấp nháy điện. Mặc dù lõm điện áp xảy ra trong một thời gian 
rất ngắn, một số phụ tải như các hệ thống điều khiển, các loại biến tần điều khiển động cơ 
đã có thể bị dừng. Trong một số trường hợp các thiết bị này có thể đóng vai trò chủ chốt 
trong toàn bộ dây truyền hoạt động của nhà máy, khi bị dừng dẫn tới phải dừng toàn bộ 
dây truyền mà sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài. Nếu là hệ thống điều khiển hoặc 
xử lý số liệu có thể dẫn tới gián đoạn hoặc mất thông tin, cũng dẫn đến những hậu quả 
nghiêm trọng. 
Hệ thống cung cấp nguồn liên tục (UPS), là một giải pháp thông dụng hiện nay có thể 
bảo vệ tải nhạy cảm khỏi bị tác động của lõm điện áp, nhưng chỉ áp dụng cho các phụ tải 
công suất nhỏ và điện áp thấp, với các hệ thống công suất lớn thì UPS là thiết bị quá đắt 
tiền vì UPS phải đảm bảo hoàn toàn công suất tải. Trong trường hợp này DVR là giải pháp 
tiết kiệm, có thể được lắp đặt để bảo vệ các tải nhạy cảm quan trọng, những hệ thống thiết 
bị có sẵn và đang bị ảnh hưởng của những sự cố lõm điện áp ngắn hạn, kéo dài dưới một 
phút. Lý do phải dùng DVR là vì việc khắc phục bằng cách cải tạo hệ thống phân phối là 
không thể thực hiện được, có thể do không đủ kinh phí hoặc không thể gián đoạn sản xuất 
hoặc hệ thống điện nằm ngoài tầm quản lý của doanh nghiệp. 
Trong thực tế lõm điện áp là dạng nhiễu loạn xuất hiện không biết trước và tồn tại trong 
thời gian ngắn, bao gồm cả biến động về biên độ điện áp cũng như góc pha, có đặc điểm 
phức tạp và tính chất lõm thay đổi liên tục trong thời gian xảy ra biến cố. Do đó yêu cầu 
đặt ra đối với DVR là phải có cấu trúc phù hợp, đảm bảo được khả năng khôi phục điện áp 
nhất định trên tải khi nguồn đầu vào có biến động. DVR là bộ biến đổi bán dẫn dùng để tạo 
ra nguồn áp, đưa qua máy biến áp phối hợp, tạo ra bộ bù điện áp nối tiếp giữa tải và nguồn. 
Hệ thống điều khiển phải có khả năng phát hiện các sai lệch điện áp về biên độ và góc pha, 
từ đó đưa ra lượng đặt đến bộ biến đổi điện tử công suất nhằm tạo ra điện áp có giá trị đủ 
để bù phần sụt áp phía nguồn, giữ cho điện áp phía tải trong phạm vi cho phép. 
Hệ thống điều khiển phải đảm bảo yêu cầu về tác động nhanh, độ chính xác cao để có 
thể khôi phục điện áp trên tải ngay trong khoảng thời gian từ một nửa chu kỳ đến hai chu 
kỳ điện áp lưới (0.01s0.04s) đối với các kiểu lõm điện áp. Mặt khác, DVR cần đảm bảo 
2 
các chế độ hoạt động, đó là chế độ bù, chế độ chờ, chế độ by-pass, trong phạm vi giới hạn 
của công suất thiết kế. 
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 
Nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về cấu trúc phần lực và điều khiển DVR nhằm đảm 
bảo cho các phụ tải nhạy cảm hoàn toàn không bị chịu tác động của các loại sự cố kiểu 
lõm-dâng điện áp ngắn hạn từ nguồn. 
Nghiên cứu chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị DVR một cách hiệu 
quả nhất đối với các xí nghiệp công nghiệp thông qua áp dụng cho một trường hợp thực tế 
điển hình. 
3. Mục tiêu đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 
Các mục tiêu nghiên cứu sau đây sẽ thực hiện trong luận án. 
 Tìm hiểu về đặc điểm lõm điện áp, nguyên nhân và những ảnh hưởng của nó đối với 
xí nghiệp công nghiệp và các giải pháp giảm thiểu. 
 Nghiên cứu cấu trúc mạch lực bộ khôi phục điện áp động (DVR) để đảm bảo khả 
năng đưa ra điện áp bù ứng với toàn giải thay đổi của phụ tải và biên độ lõm điện áp cũng 
như thời gian biến động. 
 Nghiên cấu các cấu trúc và thiết kế tham số cho hệ thống điều khiển đảm bảo tính tác 
động nhanh và chính xác của DVR 
 Nghiên cứu áp dụng DVR trong lưới điện của xí nghiệp công nghiệp thông qua một 
trường hợp thực tế điển hình. 
 Xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm để kiểm tra chất lượng thuật 
toán điều khiển đề xuất và khả năng khôi phục điện áp của DVR. 
Trên cơ sở mục tiêu của luận án, đối tượng nghiên cứu của đề tài sẽ được tập trung 
hướng đến giải quyết các vấn đề về: 
- Nhiểu loạn lõm điện áp, ảnh hưởng của lõm điện áp đối với xí nghiệp công nghiệp, 
phương pháp giảm thiểu lõm điện áp và giải pháp DVR. 
- Cấu hình của DVR bao gồm; bộ biến đổi bán dẫn công suất, bộ lọc phía xoay chiều, 
máy biến áp nối tiếp, bộ lưu trữ năng lượng và DC-link, các cấu trúc liên kết giữa các phần 
tử. 
- Các mạch vòng và thuật toán điều khiển của DVR bao gồm; Xây dựng các mạch 
vòng dòng điện, điện áp, thuật toán điều khiển điện áp tải của DVR, thuật toán điều khiển 
phát hiện lõm, áp dụng thuật toán điều khiển đồng bộ lưới (PLL), thiết kế các bộ điều 
khiển được áp dụng. 
- Mô hình mô phỏng bao gồm; mô hình hóa lưới điện, mô hình hóa DVR, mô hình hóa 
đối tượng được bảo vệ là tải nhạy cảm quan trọng, mô hình hóa các biến cố điện áp trên 
lưới, mô hình mô phỏng thực hiện trên phần mềm Matlap/Simulink. 
- Mô hình thực nghiệm DVR bảo vệ tải nhạy cảm Pđm=5kW, điện áp 380V xây dựng 
tại phòng thí nghiệm. 
- Trường hợp áp dụng kết nối DVR với lưới điện thực tế gồm; tìm hiểu lưới điện thực 
tế của nhà máy xi măng Hoàng Mai, các biến cố điện áp trên lưới, phụ tải nhạy cảm quan 
trọng bị ảnh hưởng tại nhà máy, ví trí lắp đặt DVR. 
Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi là tìm hiểu về lõm điện áp và ảnh hưởng 
của nó đến các xí nghiệp công nghiệp. Phân tích lựa chọn cấu hình phần lực và nghiên cứu 
phát triển các thuật toán điều khiển DVR để khôi phục điện áp trên tải, bảo vệ tải nhạy 
cảm. Đưa ra các điều kiện và thủ tục để áp dụng DVR trong các xí nghiệp công nghiệp, 
thông qua một trường hợp cụ thể trong thực tế. Các kết quả nghiên cứu của luận án được 
3 
kiểm tra đánh giá thông qua mô phỏng và xây dựng một mô hình thực nghiệm ở phòng thí 
nghiệm. 
4. Phương pháp nghiên cứu: 
Các phương pháp nghiên cứu sẽ được vận dụng trong đề tài này. 
- Khảo sát thực tế, thống kê, phân tích và đánh giá thực trạng. 
- Sử dụng mô hình mạch điện, lý thuyết điều khiển vector, lý thuyết điều khiển tuyến 
tính trong xây dựng vòng điều chỉnh và thiết kế bộ điều khiển. 
 - Mô phỏng trên máy tính thông qua phần mềm Matlab-Simulink, thực nghiệm kiểm tra 
và khẳng định các kết quả nghiên cứu lý thuyết. 
5. Nội dung của luận án: 
Nội dung của luận án được trình bày theo các chương sau đây: 
Mở đầu: Nêu mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực 
tiễn của đề tài nghiên cứu. 
Chương 1: Giảm thiểu ảnh hưởng của lõm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp 
động. 
Trình bày tổng quan về lõm điện áp và các phương pháp giảm thiểu lõm điện áp, trong 
đó trọng tâm nghiên cứu phương pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là sử dụng bộ khôi phục 
điện áp động (DVR). Các phương pháp điều khiển DVR đã được nghiên cứu đến nay trong 
các công trình sẽ được tóm tắt ngắn gọn, qua đó chỉ ra những hạn chế trong điều khiển bù 
lõm cần được khắc phục, đồng thời chỉ ra hướng nghiên cứu phát triển điều khiển DVR. 
Chương 2: Cấu trúc bộ khôi phục điện áp động 
Trình bày chức năng nhiệm vụ của các thành phần trong hệ thống, các kiểu kết nối, 
phương pháp bảo vệ cho DVR và cuối cùng là lựa chọn một cấu trúc phần cứng điển hình 
của DVR đủ để tiếp tục nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển của hệ thống. 
Chương 3: Điều khiển bộ khôi phục điện áp động 
Tập trung nghiên cứu điều khiển DVR, bao gồm; điều khiển khôi phục điện áp tải, điều 
khiển đồng bộ điện áp lưới, điều khiển phát hiện lõm điện áp và điều khiển điện áp DC-
link. Trong đó, trọng tâm nghiên cứu phát triển điều khiển khôi phục điện áp tải của DVR, 
bao gồm các chiến lược điều khiển, mô hình toán học, các cấu trúc và thuật toán điều khiển 
vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ, các bộ điều khiển và thiết kế bộ điều 
khiển được trình bày. Cuối cùng là các nghiên cứu ổn định hệ thống. 
Chương 4: Giải pháp áp dụng DVR cho xí nghiệp công nghiệp. 
Trình bày các điều kiện áp dụng DVR cho các xí nghiệp công nghiệp, các bước thực 
hiện thiết kế cụ thể, thông qua một trường hợp áp dụng DVR bảo vệ một tải nhạy cảm 
quan trọng thực tế là tổ hợp Biến tần-Động cơ ID 142-FN1 trong ngành công nghiệp xi 
măng. Xây dựng mô hình mô phỏng DVR kết nối hệ thống lưới điện như đã được thiết kế, 
thuật toán điều khiển đề xuất ở chương 3 cũng được áp dụng cài đặt trong mô hình. 
Chương 5: Xây dựng mô hình thực nghiệm DVR 
Chương này trình bày cách thức xây dựng bàn thí nghiệm, cài đặt thuật toán điều khiển 
đề xuất, thực hiện thí nghiệm và lấy kết quả. 
Kết Luận và kiến nghị 
Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của toàn bộ luận án, khẳng định lại những kết 
quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, những tồn tại và hướng phát triển của đề tài. 
4 
6. Dự kiến các kết quả nghiên cứu mới: 
 Đưa ra cấu trúc và thuật toán điều khiển cho bộ khôi phục điện áp động (DVR) trong 
bù lõm điện áp cân bằng và không cân bằng. Nó được dựa trên phương pháp điều khiển 
vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ với hai vòng điều khiển tương ứng cho 
mỗi thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch được điều khiển riêng biết. 
 Khảo sát và phân tích được nguyên nhân sự cố lõm điện áp và ảnh hưởng của nó đến 
phụ tải nhạy cảm quan trọng trong ngành công nghiệp xi măng như tổ hợp Biến tần-Động 
cơ quạt ID. Kết quả khảo sát đã chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị 
DVR một cách hiệu quả nhất thông qua một trường hợp thực tế điển hình 
 Một mô hình mô phỏng kết hợp lưới điện, các phụ tải và DVR nối lưới ở cấp trung 
áp 6,3kV để bảo vệ tải nhạy cảm quan trọng là tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt công nghệ 
142-FN1. Mô hình được phát triển và thực hiện trong phần mềm Matlap/Simulink. 
 Thực hiện thành công mô hình thực nghiệm (trong phòng thí nghiệm) với các thuật 
toán điều khiển được cài đặt trên bộ xử lý tín hiệu dSPACE card DS11040 để đánh giá khả 
năng làm việc của DVR trong bù lõm điện áp và giảm thiểu nhiễu loạn điện áp. 
5 
Chương1: GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA LÕM ĐIỆN ÁP 
BẰNG BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) 
Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về lõm điện áp và các phương pháp giảm 
thiểu lõm điện áp, trong đó trọng tâm nghiên cứu phương pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là 
sử dụng bộ khôi phục điện áp động (DVR), được dựa trên việc điều khiển bộ biến đổi điện 
tử công suất. Các phương pháp điều khiển DVR đã được nghiên cứu đến nay trong các 
công trình sẽ được tóm tắt ngắn gọn, qua đó chỉ ra những hạn chế trong điều khiển bù lõm 
cần được khắc phục, đồng thời chỉ ra hướng nghiên cứu phát triển điều khiển DVR nhằm 
mục đích khôi phục điện áp tải khi gặp phải bất cứ nhiễu loạn lõm điện áp nào xuất hiện từ 
phía nguồn cấp. Nội dung trong chương một được tham khảo trong các tài liệu 
[1,3,8,9,14,15,16,17,18,19,25,29,32,39,62]. 
1.1 Chất lượng điện năng và vấn đề lõm điện áp 
1.1.1 Chất lượng điện năng 
Vấn đề chất lượng điện bao gồm một loạt các rối loạn liên quan đến điện áp, dòng điện 
và độ lệch tần số. Các nhiễu loạn đó có thể là. 
 Gián đoạn ngắn 
 Lõm/dâng điện áp 
 Quá độ dòng điện và điện áp 
 Sự méo dạng của các sóng dòng điện và điện áp 
 Nháy điện 
 Mất cân bằng 
 Thay đổi tần số nguồn 
 Các vấn đề chất lượng điện năng đã được xác định trong một số tiêu chuẩn như; IEC 
61000, IEEE 1159-1995 và EN 50160, hoặc được định nghĩa trong các tài liệu [14,15]. 
Những tổn thất từ chất lượng điện năng kém đối với khách hàng dùng điện, đặc biệt là 
các xí nghiệp công nghiệp, từ lâu đã được biết đến, nhưng để giảm thiểu nó còn gặp nhiều 
khó khăn. Một nghiên cứu thực hiện bởi Hội đồng châu Âu [25], bao gồm 1400 vị trí trong 
8 quốc gia về các biến cố điện áp tại các địa điểm khác nhau trong hệ thống điện. Kết quả 
thu được thể hiện ở đồ thị hình 1.1, chỉ ra những vấn đề gặp phải từ chất lượng điện áp 
Hình 1.1 Các vấn đề thường xảy ra liên quan 
đến chất lượng điện kém được xác định tại 1400 
địa điểm ở 8 quốc gia [14]. 
Hình 1.2 Tỷ lệ phần trăm các 
biến cố điện áp[14] 
 Tình trạng treo máy tính 
Nhấp nháy ánh sáng 
Sự cố thiết bị 
Thiết bị xử lý dữ liệu 
Quá tải PFC 
overloading Các vấn đề đóng cắt tải nặng 
Quá nhiệt dây trung tính 
Các vấn đề với đường dây dài 
Các bộ phận máy dừng hoạt động 
Sai lệch trong hệ thống đo lường 
0% 5% 10% 15% 20% 
25% 30% 
6 
kém tại các địa điểm khác nhau trong hệ thống điện và đồ thị hình 1.2 cho biết tỷ lệ phần 
trăm của các nhiễu loạn trên lưới điện phân phối. 
Hiện nay cả công ty điện lực và khách hàng dùng điện đang ngày càng quan tâm đến 
vấn đề chất lượng điện năng vì những lý do: 
- Công nghiệp hiện đại phát triển, thiết bị thế hệ mới tạo ra quá trình tự động hóa cao 
trong hoạt động sản xuất như; bộ điều khiển vi xử lý, máy vi tính, robot công nghiệp, các 
hệ truyền động có điều khiển tốc độ, các thiết bị điều khiển trong hệ thống thông tin công 
nghiệp.v.v. chúng nhạy cảm với các biến động của chất lượng điện năng hơn là thiết bị 
được sử dụng trong quá khứ. 
- Các chú trọng hơn về vận hành và khai thác hiệu quả hệ thống năng lượng điện đã 
dẫn đến sự gia tăng trong việc áp dụng các thiết bị hiệu suất cao như; bộ điều chỉnh tốc độ 
động cơ, tụ điện song song hiệu chỉnh hệ số công suất để giảm tổn thất hoặc phát triển các 
hệ thống nguồn phân tán nối lưới như; hệ thống điện mặt trời, hệ thống điện gió... Điều này 
có thể dẫn đến hậu quả tăng mức độ hài trên các hệ thống điện, tăng các biến cố như dao 
động điện áp hoặc thay đổi tần số. 
- Người dùng điện có một nhận thức tốt hơn về các vấn đề chất lượng điện năng. Họ 
nhận thức tốt hơn về các vấn đề như gián đoạn, lõm điện áp, sóng hài, quá độ và đang yêu 
cầu cung cấp nguồn năng lượng có độ tin cậy và chất lượng cao từ nhà cung cấp. Ngược lại 
nhà cung cấp năng lượng luôn chịu một áp lực từ những đòi h ... êng 
biệt, tài liệu [7,25,39,40,41]. 
 Điều khiển vô hướng. Đó là phương pháp điều khiển liên quan đến việc tính trị hiệu 
dụng của điện áp cơ bản mà điều này cần thiết ít nhất thời gian một nửa chu kỳ của thành 
phần cơ bản. Hình 1.22 là sơ đồ khối một pha của điều khiển vô hướng được trình bày. Các 
đầu vào đến bộ điều khiển là điện áp pha a tức thời của lưới (ua), được đưa vào khâu tính 
toán hiệu dụng để xác định giá trị hiệu dụng của điện áp lưới (Ua,s), sau đó được trừ bởi giá 
22 
trị đặt của điện áp tải (UaL*). Các tham số độ lớn của điện áp chèn vào thu được bằng cách 
nhân với 2 để có được độ lớn của điện áp chèn vào. Để có lượng đặt của điện áp tải cần 
thiết phải có khâu dò pha để đảm bảo điện áp chèn vào đồng bộ với điện áp lưới [39]. 
Điều khiển vô hướng trên hệ thống tự nhiên hoạt động tốt trong trạng thái ổn định, 
nhưng nó làm chậm đặc tính động của DVR vì nó mất thời gian để tính toán RMS và chỉ có 
điện áp cơ bản có thể được điều khiển, trừ khi một thuật toán FFT được đưa vào và các 
thành phần hài được phát hiện.(FFT - Thuật toán biến đổi Fourier nhanh) 
 Điều khiển vòng hở dựa trên sự so sánh điện áp lưới us với điện áp tải đặt uL
*
 và trên 
cơ sở này điện áp bộ biến đổi uinv được xác định, hình 1.23. 
Hình 1.23 Sơ đồ cấu trúc điều khiển vòng hở trên hệ thống tự nhiên. 
Giả thiết rằng, chúng ta sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ có hệ số khuếch đại ki, khi đó điện 
áp bộ biến đổi bằng: 
 )( * sLiinv uuku 
(1.10) 
Phương trình trạng thái của hệ thống điều khiển một pha có bộ điều khiển ki như sau. 
Hình 1.22 Sơ đồ cấu trúc điều khiển một pha của phương pháp 
điều khiển vô hướng 
uinv 
VSC 
N 
Lf UDC 
BA 
Cf 
if 
N 
Z
L 
uc uinj 
iinj 
iL 
uL 
us 
cos(t) 
us 
uL
* 
RMS 
Lựa chọn pha 
PWM 
_ 2 
uinv 
VSC 
N 
Lf UDC 
BA 
Cf 
if 
N 
ZL 
uc uinj 
iinj 
iL 
uL 
us 
+ 
PWM 
_ 
ki 
u
*
L 
us
- 
23 
s
inj
L
f
f
i
f
i
inj
f
f
ff
f
inj
f
u
i
u
C
L
k
L
k
u
i
C
LL
R
u
i
dt
d
*
0
1
0
1
0
1
0
1
1
 (1.11) 
Các giá trị của hệ thống là liên hợp phức và dao động có tần số góc 
ff
n
CL
1
0  (1.12) 
và hệ số tắt dần 
f
ff
nf L
CR
L 22
1
0

 (1.13) 
Ưu điểm của điều khiển vòng hở là khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng 
xấu tới quá trình hoạt động của hệ thống. Song nhược điểm lớn nhất của nó là cần biết rõ 
thông tin đối tượng và ảnh hưởng của nhiễu. Do vậy với cấu trúc này thường không áp 
dụng độc lập để điều khiển DVR, mà nó sẽ được kết hợp với các phương pháp điều khiển 
khác. Đây là phương pháp điều khiển cơ bản mà trong các công trình nghiên cứu đã sử 
dụng để kết hợp hoặc mở rộng cấu trúc điều khiển. 
 Điều khiển vòng kín là dựa trên nguyên tắc liên tục đo điện áp tải uL và phản hồi 
thông tin về bộ điều khiển để tính lại giá trị của biến điều khiển uL sao cho bám giá trị điện 
áp tải đặt uL
*
 xem hình 1.24. 
Hình 1.24 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống kín 
Cũng với giả thiết rằng, chúng ta sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ có hệ số khuếch đại ki. 
Điện áp bộ biến đổi khi đó được cho bởi công thức: 
)( * LLiinv uuku 
(1.14) 
Từ hình 1.26, viết phương trình trạng thái của hệ thống khi có khâu ki nhau sau. 
s
inj
L
f
f
i
f
i
inj
f
f
ff
f
inj
f
u
i
u
C
L
k
L
k
u
i
C
L
k
L
R
u
i
dt
d
*1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
 (1.15) 
Trong trường hợp này hệ thống có đặc tính dao động với. 
uinv 
VSC 
N 
Lf UDC 
BA 
Cf 
if 
N 
ZL 
uc uinj 
iinj 
iL 
uL 
us 
+ 
PWM _ 
ki 
uL
* 
uL
- 
24 
ff
i
n
CL
k 1
0
  (1.16) 
và hệ số tắt dần: 
nfL 02
1

 (1.17) 
Điều khiển phản hồi có thể nói là phương pháp điều khiển cơ bản nhất vì nó hội tụ được 
nhiều khả năng như: ổn định một quá trình không ổn định, loại bỏ nhiễu bất định, bền vững 
với sai lệch mô hình. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là đặc tính động học chậm, việc thiết kế 
và chỉnh định bộ điều khiển để thỏa mãn tất cả các yêu cầu đặt ra là khó khăn, vì vậy cần 
phải kết hợp với các phương pháp điều khiển khác để cải thiện đặc tính của hệ thống. 
 Điều khiển có vòng hồi tiếp bổ sung từ dòng điện bộ biến đổi. Trong phương pháp 
này được bổ sung một vòng hồi tiếp âm từ dòng điện bộ biến đổi, hình 1.25. Ngoài chức 
năng cải thiện động học của hệ, mạch vòng điều khiển dòng điện còn góp phần hạn chế 
dòng điện và bảo vệ quá dòng cho VSC. 
Hình 1.25 Sơ đồ cấu trúc điều khiển có hồi tiếp âm từ dòng điện bộ biến đổi 
Điện áp bộ biến đổi khi đó được xác định theo biểu thức. 
cfLLuinv kiuuku ))((
* (1.18) 
Phương trình mô tả hệ thống điều khiển như sau. 
s
inj
L
f
f
cu
f
cu
inj
f
f
f
uc
f
fc
inj
f
u
i
u
C
L
kk
L
kk
u
i
C
L
kk
L
Rk
u
i
dt
d
*
0
1
0
1
0
1
0
1
1
 (1.19) 
Dao động có tần số. 
ff
uc
n
CL
kk 
1
0 (1.20) 
và hệ số tắt dần 
cuf
fc
kkL
Rk
12 0
 (1.21) 
uinv 
VSC 
N 
Lf UDC 
BA 
Cf 
if 
N 
ZL 
uc uinj 
iinj 
iL 
uL 
us 
if PWM 
kc 
uL
* uL
ku + 
_ - - 
25 
 Bộ điều khiển có vòng hồi tiếp âm kép. Trong thành phần bộ điều khiển có hai 
vòng hồi tiếp âm một là từ dòng điện tụ của tụ điện bộ lọc LfCf, hai là vòng điện áp chèn 
uinj cùng với vòng hồi tiếp thẳng từ điện áp lưới us. Sơ đồ hệ thống điều khiển được trình 
bày ở hình 1.26. 
Điện áp bộ biến đổi được xác định bởi: 
))(( ** cLLucsLinv iuukkuuu (1.22) 
Hình 1.26 Cấu trúc điều khiển có các vòng hồi tiếp âm kép 
ở đây us là điện áp nguồn, kc, ku là các hệ số khuếch đại của bộ điều khiển. Phương trình 
mô tả thuật toán điều khiển hệ. 
s
inj
L
f
f
cu
f
c
f
cu
inj
f
f
f
uc
f
fc
inj
f
u
i
u
C
L
kk
L
k
L
kk
u
i
C
L
kk
L
Rk
u
i
dt
d
*
0
1
0
11
0
1
1
 (1.23) 
Dao động có tần số và hệ số tắt dần 
1
1
00 
 cv
ff
vc
n kk
CL
kk
 (1.24) 
12 0 
cvf
fc
kkL
Rk

 (1.25) 
Cấu trúc điều khiển có khả năng ảnh hưởng lớn tới hệ số tắt dần và tần số riêng của hệ 
thống kín. Cấu trúc có thể bù sụt áp trên điện cảm bộ lọc LC và cải thiện đặc tính động học 
của hệ thống nhanh hơn. 
 Điều khiển có hồi tiếp từ dòng ộ iến đổi v dòng tải. 
 Hình 1.27 là cấu trúc điều khiển có các tính chất gần giống hệ thống có hồi tiếp từ dòng 
điện tụ điện bộ lọc LC, nhưng đòi hỏi đo lường hai dòng điện đó là dòng bộ biến đổi và 
dòng tải. Cũng đòi hỏi sử dụng ba khâu tỷ lệ, tức là cần tính chọn ba tham số khuếch đại 
mà điều này có ảnh hưởng phức tạp tới đặc tính tần số của hệ thống. 
uinv 
VSC 
N 
Lf UDC 
BA 
Cf 
if 
N 
ZL 
uc uinj 
iinj 
iL 
uL 
us 
+ 
PWM _ 
kc 
 uL
* uL
ku 
+ 
_ 
+ 
- 
+ 
+ - - 
ic 
26 
Điện áp pha bộ biến đổi được xác định. 
cfLiuLLinv kiikkuuu ))((
* (1.26) 
ở đây ku, ki, kc là các tham số của bộ điều khiển. Phương trình trạng thái của hệ thống 
được mô tả bởi: 
s
inj
L
f
f
cu
f
ic
f
cu
inj
f
f
f
uc
f
fc
inj
f
u
i
u
C
L
kk
L
kk
L
kk
u
i
C
L
kk
L
Rk
u
i
dt
d
*
0
1
00
1
1
 (1.27) 
Hình 1.27 Cấu trúc điều khiển có hồi tiếp dòng từ bộ biến đổi và dòng tải. 
Giống như trong trường hợp trước, dao động có tần số và hệ số tắt dần như sau: 
1
1
00 
 cu
ff
cu
n kk
CL
kk
 (1.28) 
12 0 
cuf
fc
kkL
Rk

 (1.29) 
Cấu trúc này thường áp dụng cho các hệ thống có bộ lọc về phía lưới và có khả năng bù 
ảnh hưởng của bộ lọc và máy biến áp chèn. 
Các cấu trúc điều khiển được thực hiện trong hệ tọa độ tự nhiên là khá linh hoạt vì thiết 
kế điều khiển theo từng pha độc lập, với khả năng điều chỉnh dòng công suất tốt hơn, đặc 
biệt là trong các trường hợp không cân bằng. Tuy nhiên các phương pháp điều khiển trên 
hệ tọa độ tự nhiên cần thiết phải kết nối trung tính và khá phức tạp khi phải thực hiện trên 
cả ba pha riêng biệt. Mặt khác do các bộ điều khiển là tỷ lệ nên hệ thống là hữu sai. 
1.3.2 Điều iển v cto 
Khác với các cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ tự nhiên, điều khiển vector được áp 
dụng cho DVR dựa trên nguyên lý điều khiển vector không gian tương tự như đã được áp 
dụng trong điều khiển động cơ điện trình bày trong các tài liệu [1,3,25,39,40,41,62]. Đại 
diện cho phương pháp điều khiển này đối với DVR có thể kể đến cấu trúc điều khiển 
vector trên hệ tọa độ quay dq. 
uinv VSC 
N 
Lf UDC 
BA 
Cf 
if 
N 
ZL 
uc uinj 
iinj 
iL 
uL 
us 
+ 
PWM _ 
kc 
uL,ref 
uL
ku + 
_ 
+ 
if 
ki 
- - 
- 
27 
Trong tài liệu [41] giới thiệu một cấu trúc điều khiển vector phản hồi kết hợp truyền 
thẳng trên hệ tọa độ quay dq ứng dụng cho DVR như ở hình 1.28. Cấu trúc điều khiển gồm 
vòng điều khiển truyền thẳng của điện áp tải mẫu u*L với bộ điều khiển tỷ lệ, kết hợp vòng 
điều khiển phản hồi của điện áp chèn uinj với bộ điều khiển PI. 
Các tín hiệu điện áp lưới ug,abc, điện áp tải uL,abc xoay chiều ba pha được chuyển đổi về 
dưới dạng vector không gian thông qua phép chuyển đổi Clack và tiếp tục được chuyển đổi 
vào hệ tọa độ quay đồng bộ dq, nơi mà chúng trở thành lượng một chiều. Bộ điều khiển PI 
được bố trí và thực hiện với lượng một chiều. Cấu trúc thực hiện bởi vòng truyền thẳng 
đảm bảo làm tắt nhanh các quá trình quá độ, đồng thời cùng với điện áp uDC xác định hệ số 
điều chế PWM. Vòng kín phản hồi có nhiệm vụ bù sai lệch điện áp chèn vào (đối với sóng 
cơ bản), các sai lệch tĩnh có thể được loại bỏ hiệu quả thông qua bộ điều khiển PI làm việc 
với các thành một chiều trên hệ tọa độ quay dq, vòng này cũng có tác dụng làm tắt dao 
động cộng hưởng của bộ lọc LC, các dao động này phụ thuộc chặt chẽ vào trở kháng tương 
đương của tải. 
Hình 1.28 Cấu trúc điều khiển vector phản hồi kết hợp truyền thẳng trên hệ tọa độ quay dq[41] 
Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống, thuật toán điều khiển của nó cũng đã được xây 
dựng. Để điện áp tải ổn định, DVR cần phát hiện ra một lõm điện áp trên lưới ba pha, đồng 
thời tính toán đưa ra vector tín hiệu đặt của điện áp chèn vào bởi DVR, lượng đặt đó được 
xác định. 
dq
g
dq
L
dq
inj uuu 
**
 (1.30) 
Sai lệch giữa điện áp tải và điện áp nguồn phản hồi về bộ điều khiển được tính toán theo 
biểu thức: 
dq
g
dq
L
dq
inj uuu (1.31) 
Để điện áp tải được điều chỉnh bằng đúng điện áp đặt uL
*dq
 thì điện áp chèn vào cần 
được bù sai lệch thông qua bộ điều khiển PI có hàm truyền đạt Gu, khi đó, mạch vòng điều 
khiển điện áp được viết bởi phương trình. 
)(
** dq
inj
dq
inju
dq
injF
dq
inj
dq
f uuGuCjii  (1.32) 
Phương trình (1.33) được viết lại với hai thành phần d và q như sau. 
)(
** d
inj
d
inju
q
injF
d
inj
d
f uuGuCjii  (1.33) 
)(
** q
inj
q
inju
d
injF
q
inj
q
f uuGuCjii  (1.34) 
Trong đó: udqinj – lượng điện áp chèn vào thực tế của DVR, u
*dq
inj – lượng đặt của điện 
áp chèn vào, Gu hàm truyền bộ điều khiển PI, bộ điều khiển tỷ lệ với hệ số tỷ lệ =1. 
Để hạn chế hiện tượng bão hòa lõi máy biến áp chèn, trong sơ đồ có áp dụng khâu hạn 
chế biên độ tín hiệu đặt của điện áp chèn vào. Với giải pháp này đơn giản, giảm kinh phí 
hơn là tăng công suất máy biến áp, nhưng nhược điểm là làm cho động học hệ thống bị 
chậm đi nhiều trong những mili giây đầu tiên của quá trình khởi động bù. 
ug(abc) 
 PWM 
+ 
uL(abc) abc 
αβ 
abc 
αβ 
PI 
(Feedfoword) u
dq
g 
u
*
inj 
u
dq
inj 
u
*
L 
(Feed-back) 
Phát u*L 
- 
+ - 
+ 
- + + dq 
dq 
dq 
αβ 
dq 
αβ 
 
 
 
PLL 
 u
*
inv 
Phát hiện 
lõm 
abc 
αβ 
28 
1.4 Tóm tắt và kết luận 
Trong chương này lõm điện áp được mô tả thông qua những đặc điểm đặc trưng của nó, 
như là đối tượng điều khiển cần được làm rõ để đưa ra các giải pháp giảm thiểu. Ba giải 
pháp giảm thiểu được đưa ra, trong đó giải pháp lắp đặt thiết bị giảm thiểu là lựa chọn duy 
nhất mà khách hàng dùng điện có thể lựa chọn vì họ kiểm soát được tình hình. DVR là một 
trong những thiết bị giảm thiểu lõm điện áp có hiệu quả nhất và tiết kiệm. Tuy vậy, vì lõm 
điện áp chỉ xảy ra trong thời gian rất ngắn nên việc khôi phục điện áp trên tải của DVR 
phải được kịp thời trước khi tác động của lõm gây sự cố đối với tải nhạy cảm. Tính chất 
của lõm điện áp biến đổi phức tạp trong một biến cố, động học của DVR phụ thuộc nhiều 
vào việc bù cho các dạng lõm điện áp khác nhau (lõm cân bằng hay không cân bằng). 
Những điều đó dẫn đến điều khiển DVR yêu cầu cao hơn so với các hệ thống khác. Đây là 
thách thức rất lớn trong nghiên cứu điều khiển DVR mà đến nay các nghiên cứu vẫn được 
tiếp tục. 
Điều khiển trong hệ thống tự nhiên có khả năng điều khiển độc lập và linh hoạt theo 
từng pha riêng biệt. Tuy nhiên nó là phức tạp vì phải thực hiện trên cả ba pha và khó khăn 
hơn nữa là nếu hệ thống điều khiển cho cả thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự 
không trong trường hợp bù lõm điện áp không cân bằng. 
Điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq có sử dụng vòng khóa pha PLL để đồng bộ 
điện áp chèn vào của DVR với điện áp lưới. Cấu trúc điều khiển đã được áp dụng đơn giản 
với chỉ một vòng điều chỉnh điện áp thứ tự thuận được được thực hiện. Với cấu trúc điều 
khiển như vậy DVR có khả năng bảo vệ các tải nhạy cảm có công suất nhỏ, điện áp thấp, 
thường bảo vệ cho một tải độc lập và cơ bản đáp ứng được cho điều khiển bù lõm điện áp 
cân bằng. 
Tuy nhiên những hạn chế dẫn đến phát sinh các vấn đề nghiêm trọng khi bù lõm của các 
cấu trúc điều khiển trong hai phương pháp điều khiển trên được chỉ ra trong các trường 
hợp sau đây: 
- Đối với các lõm điện áp mất cân bằng và tồn tại nhiều thành phần nhiễu loạn trong 
một lõm điện áp (ví dụ một lõm điện áp gồm giảm độ lớn+nhảy góc pha+mất cân 
bằng+méo dạng điện áp) thì sẽ dẫn đến làm chậm trể thời gian khôi phục điện áp tải, làm 
mất đồng bộ và sai lệch giá trị điện áp chèn của DVR gây ra bị biến dạng và dao động điện 
áp tải, làm tăng lượng quá điều chỉnh tại thời điểm đầu và thời điểm kết thúc của quá trình 
bù, cuối cùng tải nhạy cảm không những được bảo vệ mà còn ảnh hưởng bởi các nhiễu 
loạn do chính DVR gây nên. 
- Các cấu trúc điều khiển vector thường được đơn giản bằng việc chỉ có vòng điều chỉnh 
điện áp mà không có vòng điều chỉnh dòng điện, Tuy nhiên, điều này sẽ không đảm bảo an 
toàn cho bộ biến đổi điện tử công suất nối lưới của DVR, khi làm việc mà gặp phải ngắn 
mạch tải hay quá tải sẽ dẫn đến nguy cơ hỏng bộ biến đổi. 
- Sụt áp trên bộ biến đổi và các phần tử nối tiếp với bộ biến đổi như bộ lọc, máy biến áp 
nối tiếp không được bù, dẫn đến điện áp chèn vào lưới bị sai lệch, đặc biệt với các hệ thống 
công suất lớn và điện áp thấp. 
Để khôi phục điện áp tải một cách nhanh chóng, kịp thời và chính xác, đồng thời khắc 
phục được một số tồn tại của các cấu trúc điều khiển trước đây thì việc có một cấu trúc 
phần cứng phù hợp và một thuật toán điều khiển cho DVR đủ tốt, để cải thiện đặc tính 
động học của DVR trong bù tất cả các kiểu lõm điện áp là điều rất quan trọng. Chính vì 
vậy phân tích lựa chọn cấu trúc phần lực và phát triển thuật toán điều khiển của DVR, cũng 
như đưa ra giải pháp áp dụng DVR cho các xí nghiệp công nghiệp là mục tiêu nghiên cứu 
mà đề tài cần hướng đến.