Giải thuật triệt nhiễu cho các bộ chuyển đổi năng lượng hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

Nội dung text: Giải thuật triệt nhiễu cho các bộ chuyển đổi năng lượng hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

1. GIẢI THUẬT TRIỆT NHIỄU CHO CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG HÒA ĐỒNG BỘ LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA Tóm tắt: Ngày nay, khi việc yêu cầu phải có một nguồn điện có chất lượng điện năng cao cũng không kém phần quan trọng so với việc cung cấp đủ năng lượng theo yêu cầu của xã hội. Với việc tham gia ngày càng nhiều của các nguồn năng lượng vô tận từ gió và năng lượng mặt trời đã làm cho việc cung cấp một nguồn năng lượng có chất lượng cao ngày càng thêm phức tạp do các nguồn năng lượng này muốn kết nối vào lưới điện thì phải dùng các bộ chuyển đổi công suất có ngõ ra là điện áp xung và dòng điện sẽ xuất hiện các nhiễu hài bậc cao. Nhiễu hài càng cao thì sẽ làm giảm hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi công suất cũng như làm giảm chất lượng điện năng. Trong bài báo này, một giải thuật giảm nhiễu hài cho các bộ chuyển đổi công suất hòa đồng bộ lưới điện quốc gia sẽ được đưa ra. Sẽ có sự mô phỏng và phân tích các số liệu để đánh giá các chỉ tiêu khi ta dùng giải thuật triệt nhiễu qua mô phỏng trên phần mềm Simulink/Matlab. I. GIỚI THIỆU Ngày nay, khi mà an ninh năng lượng này càng trở thành yêu cầu cấp thiết trong hoàn cảnh các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt và tác động xấu đến môi trường sống. Chính vì vậy sự tham gia vào hệ thống phân phối điện ngày càng nhiều của các nguồn năng lượng tái sinh như gió và năng lượng mặt trời là một tất yếu của cuộc sống. Tuy nhiên, muốn sử dụng các nguồn năng lượng này thì ta phải dùng đến các thiết bị chuyển đổi công suất để có thể đưa lên lưới điện phân phối. Vấn đề đặt ra là làm sao để có thể giảm thiểu các tác động tiêu cực đồng thời tăng hiệu suất của dòng điện bơm vào lưới từ các thiết bị chuyển đổi công suất khi ngõ ra của chúng là các xung vuông điện áp và dòng điện luôn chứa các nhiễu hài bậc cao. Mặt khác, để đưa công suất vào lưới điện ta có thể dùng nhiều bộ chuyển đổi nối song song với nhau thay vì chỉ dùng một bộ chuyển đổi. Việc này chúng ta có thể hoàn toàn thực hiện được khi có nhiều nguồn cung cấp độc lập với nhau. Hơn nữa, lúc này không chỉ có khả năng chuyển đổi công suất được nâng lên mà còn có thể tối ưu hóa hoạt động của các bộ chuyển đổi khi công suất ngõ vào của các bộ nghịch lưu luôn thay đổi. Trong bài báo này, chúng ta không chỉ dùng giải pháp nối song song để đạt các mục đích trên đây mà ta cũng có thể dùng các giải pháp này để khử một phần nhiễu hài bậc cao cho dòng điện tổng hợp tại ngõ ra của các thiết bị chuyển đổi công suất. Điều này giúp nâng cao hiệu suất và cải thiện chất lượng điện năng khi cung cấp lên hệ thống phân phối điện. Chúng ta sẽ mô phỏng các trường hợp sau để so sánh các kết quả thu được: a) Chỉ dùng một bộ nghịch lưu để chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện phân phối b) Dùng hai bộ nghịch lưu đồng bộ pha nối song song với nhau để cùng hòa đồng bộ lưới điện phân phối.
2. Hình 1 mô tả một bộ nghịch lưu một pha kết nối với lưới điện thông qua một cuộn dây L. Hình 1: Sơ đồ kết nối lưới của bộ nghịch lưu một pha vào điện phân phối Trong bộ nghịch lưu thì điện áp ngõ ra sẽ có dạng là các xung vuông có các giá trị là 0V và VDC. Các giá trị này phụ thuộc vào sự so sánh giữa sóng mang tam giác và sóng điều chế. Dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu cũng phụ thuộc vào giá trị điện áp của bộ nghịch lưu. Khi điện áp tăng từ 0 lên VDC thì dòng điện trong mạch cũng tăng lên theo. Khi điện áp giảm từ VDC xuống 0 thì dòng điện cũng giảm theo thời gian. Chúng ta có thể dễ dàng hình dung vấn đề này qua hình 2 thể hiện mối liên hệ giữa điện áp và dòng điện trong bộ nghịch lưu. Hình 2: Mối liên hệ hình dạng dòng điện và điện áp trong bộ nghịch lưu hòa lưới Qua dạng sóng dòng điện của bộ nghịch lưu ta nhận thấy đồ thị dòng điện là một hình sin cộng với nhiễu có dạng răng cưa. Như vậy, nếu có một giải pháp nào đó có thể tạo ra một dòng điện khác có cùng dạng hình sin nhưng dạng sóng răng cưa ngược nhau. Lúc này nếu ta đem hai dòng điện có được từ bên trên cộng lại với nhau thì khi đó: Dòng điện tổng của chúng sẽ bám sát hình sin hơn. Như vậy, dòng điện bơm vào lưới sẽ có THD thấp hơn nhiều so với các dòng điện thành phần. Khi đó chất lượng điện năng khi bơm
3. vào lưới sẽ tốt hơn và hiệu suất của việc bơm dòng điện vào lưới sẽ cao hơn do việc giảm THD đồng nghĩa với việc nâng cao dòng điện cơ bản bơm vào lưới. II. GIẢI PHÁP TRIỆT NHIỄU HÀI BẬC CAO Vấn đề đặt ra là làm sao có thể tạo ra một dòng điện thứ hai có cùng dòng điện cơ bản nhưng có dạng nhiễu răng cưa ngược lại. Để cho nhiễu răng cưa ngược pha nhau thì có nghĩa là khi dòng điện thứ nhất tăng lên thì dòng điện thứ hai phải giảm đi và ngược lại. Hay nói cách khác bộ nghịch lưu thứ nhất đóng thì bộ nghịch lưu thứ hai phải ngắt và ngược lại.Từ mối liên hệ của dạng sóng dòng điện và điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cho ta một ý tưởng mới đó là sẽ chuyển từ bài toán tạo ra dòng điện có nhiễu răng cưa ngược lại so với dòng điện ban đầu thành bài toán tạo một bộ nghịch lưu có trạng thái đóng ngắt các khóa chuyển mạch công suất ngược trạng thái với bộ nghịch lưu ban đầu nhiều nhất có thể. Bài toán này chúng ta hoàn toàn có thể giải được bằng việc dịch pha sóng mang tam giác đi ¼ chu kì của nó. Khi đó trạng thái đóng cắt của bộ nghịch lưu thứ hai sẽ ngược lại nhiều nhất so với bộ nghịch lưu ban đầu. Việc này chúng ta có thể chứng minh một cách định tính khi khảo sát sự đóng cắt các khóa điện trong một chu kì sóng mang tam giác như thể hiện trong hình 3 bên dưới. Giải thích thêm về giải thuật SPWM trên bộ nghịch lưu, khi giá trị sóng mang tam giác nằm giữa sóng điều khiển và giá trị nghịch đảo của sóng điều khiển thì điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu sẽ là Vdc và ngược lại nếu giá trị sóng mang tam giác nằm ngoài vùng đó thì điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu sẽ là 0V. Dựa vào hình 3 ta nhân thấy khi dịch sóng mang tam giác đi ¼ chu kì thì giá trị điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu thứ hai sẽ có giá trị ngược lại so với bộ thứ nhất. Cụ thể: bộ thứ nhất là (0;Vdc,0V) còn bộ thứ 2 là (Vdc,0V,Vdc). Và ta thấy rằng thứ tự các giá trị không hề thay đổi mà chỉ thay đổi khoảng thời gian xuất hiện của từng giá trị này mà thôi. Khoảng thời gian xuất hiện của từng giá trị phụ thuộc hoàn toàn vào giá trị điều khiển của bộ nghịch lưu vì nó quyết định giá trị điện áp trung bình tại ngõ ra bộ nghịch lưu. Như vậy, sự dịch chuyển sóng mang tam giác đi ¼ chu kì của nó không hề làm thay đổi các giá trị điện áp và dòng điện trung bình tại ngõ ra bộ nghịch lưu mà chỉ làm thay đổi hình dạng dòng điện nhiễu hài của dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu. Hình 3: Giải thuật điều khiển SPWM và giá trị điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu.
4. Từ phân tích về mặt lí thuyết trên đây, có rút ra kết luận là có thể sử dụng hai bộ nghịch lưu nối song song với nhau trong điều kiện là chúng đồng bộ hóa điện áp điều khiển ( dùng chung một sóng điều khiển) và có giá trị sóng mang tam giác bị lệch pha nhau ¼ chu kì để làm giảm nhiễu hài cho dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu kết nối với lưới điện phân phối. III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỀ RA. Chúng ta sẽ xây dựng chương trình mô phỏng cho một bộ và hai bộ nghịch lưu kết nối với lưới điện phân phối như trong hình 4 bên dưới. a) b) Hình 4: Sơ đồ kết nối các bộ nghịch lưu vào lưới điện phân phối. a) Khi dùng một bộ nghịch lưu để nối vào lưới điện phân phối b) Khi dùng song song hai bộ nghịch lưu nối vào lưới điện phân phối. Qua mô phỏng trên phần mềm Simulink/Matlab trong cùng một yêu cầu đặt ra cho bài toán đó là bơm công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q cho trước vào lưới điện phân phối trong hai trường hợp: a. Chỉ dùng một bộ nghịch lưu b. Dùng hai bộ nghịch lưu đồng bộ pha mắc song song với nhau và có sóng mang tam giác bị lệch đi ¼ chu kì của nó. Trong trực tế, các bộ pin năng lượng mặt trời hay năng lượng gió đều có đường đặc tính giữa điện áp và dòng điện. Trên đường đặc tuyến đó tồn tại một điểm gọi là điểm công suất cực đại (MPP). Khi các điều kiện môi trường bên ngoài thay đổi sẽ làm điểm này thay đổi theo. Do đó, điện áp ngõ ra trên bộ pin mặt trời sẽ luôn thay đổi để có thể thu được công suất lớn nhất tương ứng với giá trị điện áp và dòng điện tại điểm MPP.
5. Tuy nhiên, mục đích chính của bài báo là chứng minh ưu điểm của giải thuật triệt nhiễu hài bậc cao của dòng điện ngõ ra trên bộ nghịch lưu nên ta sẽ coi như bộ pin mặt trời đạt công suất cực đại tại điện áp 340Vdc và có công suất cực đại là 1100(W). Do nguồn năng lượng cung cấp cho bộ nghịch lưu được lấy từ pin mặt trời nên trong mô phỏng ta sẽ không bơm Q vào lưới điện và thiết lập giá trị này bằng 0 (Var). Lưới điện phân phối trong bài báo là lưới điện dân dụng hạ áp một pha có điện áp hiệu dụng là 220Vac và tần số điện áp là 50Hz. Như vậy, các thông số điều kiện bên ngoài sẽ có các giá trị lần lượt là Vdc=340V P=1100 (W), Q=0 (Var), Vac=220, Sau quá trình mô phỏng ta thu được các kết quả được thể hiện trong các hình bên dưới: a) b) Hình 5:a) Dạng sóng dòng điện của bộ nghịch lưu thứ nhất. b) Dạng sóng dòng điện của hai dòng điện đựơc bơm vào lưới điện Từ hình 5 ta nhận thấy rằng việc dịch pha sóng tam giác đi ¼ chu kì của nó trong bộ nghịch lưu thứ 2 sẽ là cho dạng sóng dòng điện của bộ nghịch lưu thứ 2 ( màu xanh ) có dạng nhiễu răng cưa ngược lại so với dạng nhiễu của dòng điện trong từ bộ nghịch lưu thứ nhất ( màu đỏ ). Điều đó chứng tỏ giải pháp đưa ra có kết quả là đúng trong thực tế mạch điện.
6. Hình 6: Dạng sóng dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện bơm vào lưới điện Qua hình 6, bằng trực quan ta nhận thấy rằng dòng điện tổng từ hai dòng điện thành phần có độ nhấp nhô ( nhiễu răng cưa) thấp hơn nhiều so với hai dòng điện từng bô nghịch lưu bơm vào lưới điện phân phối. Điều này cho ta thấy giải thuật đã chứng minh được rằng việc dùng hai bộ nghịch lưu nối song song vào lưới điện là hoàn toàn có thể thực hiện được. Không những vậy, việc cộng dòng điện là về mặt thực tế là có thể thực hiện được để có thể làm giảm nhiễu hài bậc cao tại điểm kết nối bộ nghịch lưu và lưới điện phân phối. Hình 7: So sánh dạng sóng dòng điện của việc dùng 1 bộ nghịch lưu với hai bộ nghịch lưu nối song song Qua hình 7, ta nhận thấy rằng việc dùng một bộ nghịch lưu ( màu xanh) sẽ cho ra dạng sóng nhiễu hài bậc cao lớn hơn so với việc dùng hai bộ nghịch lưu ( màu đỏ). Qua bảng 1 bên dưới, khi phân tich FFT của hai dòng điện này cho ta thấy hiệu quả của giải pháp triệt nhiễu là rất khả quan. Việc dùng hai bộ nghịch lưu cho phép giảm độ THD đi 2 lần ( từ 6.24 xuống còn 3.42). Hơn nữa, đối với các dòng điện có độ THD càng cao thì qua giải thuật THD giảm càng nhiều. Bảng 1: Kết quả phân tích FFT THD Icb fc Vac Vdc 1 bộ nghịch lưu 6.24 4.93 1KHz 220V 340V 2 bộ nghịch lưu 3.42 4.95 1KHz 220V 340V
7. IV. KẾT LUẬN Qua bài báo này, một kỹ thuật mới trong việc làm giảm nhiễu hài bậc cao cho các bộ nghịch lưu nối song song dùng phương pháp PWM đã được đề xuất. Phương pháp dịch pha sóng mang tam giác được thực hiện để làm giảm đô méo dạng sóng hài. Phương pháp này đã chứng minh tính đúng đắn và hiệu quả thông qua việc mô phỏng bằng Simulink/Matlab. Vì vậy, phương pháp đề ra rất có tiềm năng trong việc liên kết các nguồn năng lượng mới vào lưới điện quốc gia để nâng cao tính hiệu quả, chất lượng điện năng cũng như mở rộng các nguồn cung điện năng cho nhu cầu của đất nước hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A. M. Kamel and T. H. Ortmeyer, "Harmonic reduction in single-phase inverter using a parallel operation technique," in Proc. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1989, pp. 101-108. [2] K. Matsui, Y. Murai, M. Watanabe, M. Kaneko, F. Ueda, "A pulsewidth-modulated inverter with parallel connected transistors using current-sharing reactors", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 8, no. 2, pp. 186-191, April 1993. [3] B. Shi, G. Venkataramanan, "Parallel Operation of Voltage Source Inverters with Minimal Intermodule Reactors," in Proc. IEEE IAS Annual Meeting, IAS'04, October 3-7,2004, Seattle, vol. 1, pp. 156-162. [4] M. Armstrong, D. J. Atkinson, C. M. Johnson, and T. D. Abeyasekera, "Low order harmonic cancellation in a grid connected multiple inverter system via current control parameter randomization," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 20, no. 4, pp. 885-892, July 2005. [5] D.G. Holmes, and T. Lipo, "Pulse Width Modulation for Power Converters. Principles and Practice," IEEE Press, 2002, ISBN: 0471208140.
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.