Khảo sát bộ nghịch lưu ba pha cascade bảy bậc hòa lưới

Nội dung text: Khảo sát bộ nghịch lưu ba pha cascade bảy bậc hòa lưới

1. KHẢO SÁT BỘ NGHỊCH LƢU BA PHA CASCADE BẢY BẬC HỊA LƢỚI EXAMINE THE CASCADED THREE-PHASE SEVEN -LEVEL INVERTER CONNECTED TO GRID LêQuang Hiếu1, NguyễnThị Lưỡng2, LýTrịnhTrường Sơn3 Le Quang Hieu1,a, Nguyen Thi Luong2,b, Ly Trinh Truong Son3,c Ho Chi Minh CityUniversity of Technology and Education ahieulequang90@yahoo.com.vn, bluong@yahoo.com, csontruong1987@gmail.com Tĩmtắt: Một trong những điều kiện quan trọng trong việc hịa đồng bộ hệ thống điện vào lưới điện quốc gia là việc bám sát tần số, gĩc lệch pha và điện áp của lưới điện. Bài báo này trình bày mơ hình hệ thống nối lưới từ bộ nghịch lưu ba pha bảy bậc cascade cầu H sử dụng phương pháp SPWM chuyển đổi điện áp DC sang AC. Hịa đồng bộ hệ thống điện sử dụng nhiều phương pháp, bài báo này đề xuất phương pháp dùng bộ vịng khố pha (PLL) và bộ lọc L-C-L ở ngõ ra làm giảm đáng kể sĩng hài ở tần số cao, phù hợp cho việc nối lưới. Từ khố: bộ nghịch lưu DC – AC, vịng khĩa pha PLL, bộ lọc LCL, SPWM. Abstract: One of the important conditions for synchronizing power system into the national grid is sticking frequency, voltage and phase of the grid. This paper presents the system model connected to grid from the cascade three-phase seven-level bridge H inverter using SPWM to convert DC voltage to AC voltage. Synchronizing power system using a variety of methods, this paper proposes the method using the phase locked loop (PLL) and LCL filter at the output to reduce significantly the high frequency harmonics and suitable for connecting to grid. Key words: DC - AC inverter, SPWM, PLL, LCL filter 1.GIỚI THIỆU: này thơng qua hệ thống lưới điện phân phối cĩ sẵn Ngày nay, với tốc độ phát triển cơng nghiệp rất bằng các bộ nghịch lưu cĩ khả năng kết nối với nhanh, Các nguồn năng lượng lớn chủ yếu cĩ điện xoay chiều. nguồn gốc từ năng lượng hĩa thạch luơn gây ơ Việc nghiên cứu điều khiển nghịch lưu kết nối với nhiễm mơi trường, đang cạn kiệt dần và làm cho lưới điện phân phối đã cĩ từ hơn 30 năm qua. trái đất ấm dần lên. Việc tìm ra và sử dụng các Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các nguồn năng lượng sạch, vơ tận luơn là ưu tiên hàng phương pháp điều khiển nghịch lưu nối lưới đã và đầu. Năng lượng mặt trời, năng lượng giĩ đã thỏa đang được thực hiện ngày một nhiều hơn. mãn được những yêu cầu trên, nhưng cĩ cơng suất - Trong bài báo“Design and Simulation of khơng lớn và rất khơng tập trung. Để tận dụng cĩ three phase Inverter for grid connected Photovoltic hiệu quả, cần phải kết nối các nguồn năng lượng systems” [1], tác giả đã bơm cơng suất tác dụng lên 1
2. lưới đồng thời sử dụng bộ chuyển đổi d-q để đồng S1 S2 S1 S2 S1 S2 bộ và độ méo dạng sĩng hài trong mơ phỏng là + + + Vd Vd Vd - - - 1.78% tuy nhiên việc sử dụng bộ nghịch lưu VSI S’2 S’2 S’2 S’1 S’1 S’1 làm cho độ méo dạng sĩng hài tăng cao. Theo [2], nhĩm tác giả đã hịa lưới với độ S3 S4 S3 S4 S3 S4 méo dạng của điện áp là 2.48% và cũng sử dụng + + + Vd Vd Vd - - - phương pháp vịng khĩa pha và bộ chuyển đổi d-q S’3 S’4 S’3 S’4 S’3 S’4 trong bộ điều chỉnh PI. Trong bài báo này, nhĩm nghiên cứu khảo sát phương pháp nghịch lưu ba S5 S6 S5 S6 S5 S6 + + + pha bảy bậc và hồ lưới điện dùng bộ vịng khố Vd Vd Vd - - - pha (PLL) và bộ lọc L-C-L ở ngõ ra làm giảm đáng S’5 S’6 S’5 S’6 S’5 S’6 kể sĩng hài ở tần số cao, phù hợp cho việc nối lưới. Với mục tiêu chuyển đổi các nguồn năng lương DC thành năng lượng AC hịa vào lưới điện phân phối. Hình 2. Bộ nghịch lưu cascade bảy bậc 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Từ [3] bộ nghịch lưu cascade cho điện áp ra bằng 2.1 Sơ đồ khối bộ nghịch lƣu ba pha bảy bậc hồ cách nối tần khơng yêu cầu dùng tụ hay diode kẹp, lƣới: thêm vào đĩ bộ nghịch lưu dễ điểu khiển, tuy nhiên three phase cascade filter grid bất lợi của bộ nghịch lưu chính là cần nhiều nguồn DC độc lập. 2.2 Bộ lọc LCL abc Cĩ rất nhiều bộ lọc như bộ lọc L, LC, LCL cĩ thể d-q sử dụng trong hệ thống hồ lưới, tuy nhiên bộ lọc tốt nhất là bộ lọc LCLvì bộ lọc này cĩ khả năng abc SPWM PLL giảm thiểu dịng điện nhấp nhơ với cuộn dây cĩ giá d-q trị nhỏ. Thơng số quan trọng chính là tần số cắt, với Hình 1.Sơ đồ khối bộ nghịch lưu ba pha bảy bậc cấu trúc này thì tần số cắt trong mạch nhỏ hơn ½ hồ lưới tần số đĩng cắt [4]. Từ sơ đồ khối cho thấy rằng điện áp ba pha của Li Lg lưới sẽ được đưa về dạng chuyển đổi d-q trước khi vào vịng khĩa pha PLL, tín hiệu vào vịng PLL sẽ Rs được dị tìm gĩc pha trước khi được biến đổi ngược tạo tín hiệu điều khiển cho bộ nghịch lưu. Cf Hình 3. Bộ lọc LCL. Từ [4] ta cĩ phương trình: (1) Tần số xung quanh tần số cắt làm cho bộ lọc dao động vì thế chúng ta cần thêm vào điện trở hãm được tính tốn như phương trình bên dưới: (2) 2
3. ra với việc lựa chọn điều khiển theo phương pháp 2.3 Phƣơng pháp nối lƣới SPWM nhằm mục đích giữ ngõ ra bộ nghịch lưu Theo [5] ta cĩ sơ đồ tương đương cho việc nối được đồng bộ với lưới. lưới. 2.3.1 Vịng khĩa pha Vịng khĩa pha là một hệ thống vịng kín hồi tiếp, trong đĩ tín hiệu hồi tiếp dùng để khĩa pha và tần số tín hiệu ra theo tần số và tín hiệu vào. Thuận lợi của hệ thống điều khiển đồng bộ dựa vào vịng khĩa pha nhanh và chính xác được áp dụng cho việc nối lưới. Vịng khĩa pha PLL cung cấp thơng tin liên tục về gĩc pha và biên độ của điện áp lưới cơ bản. Hình 4. Mơ hình tương đương hồ lưới Cĩ ba kiểu chính của hệ thống vịng khĩa pha cho việc dị tìm gĩc pha: Zero Crossing, Stationary Reference Frame and Synchronous Rotation Reference Frame (SRF) dựa trên PLL. Tuy nhiên phương pháp SRF- PLL là một trong những phương pháp đề cập ở trên với hiệu suất tốt nhất trong điều kiện lưới lý tưởng, và do đĩ hệ thống PLL sẽ được khảo sát sâu hơn. Cấu trúc của PLL theo [6] được trình bày như hình Hình 5. Biều đồ pha giữa điện áp lưới U và gĩc  . bên dưới bao gồm: Cơng suất truyền qua cuộn kháng được bơm vào lưới được mơ tả như biểu thức như sau: (3) E U jXs I (4) EXIsin( ) s cos( ) Cơng suất tác dụng P từ bộ nghịch lưu để nối lưới cĩ thể tính tốn như sau: EU P UI cos(  ) sin X s (5) Hình 6. Vịng khĩa pha PLL Từ đĩ suy ra cơng suất phản kháng: EU U 2 2.3.1 Hệ qui chiếu  : Q cos (6) XXss Để dị tìm gĩc pha, điện áp lưới ba pha Va ,Vb và Trong đĩ  là gĩc lệch pha giữa điện áp E (điện áp V được chuyển đổi từ ba pha sang hệ trục tọa độ đầu ra của bộ nghịch lưu) và điện áp lưới U. Để c bơm cơng suất vào lưới thì biên độ của điện áp đầu V và V . Ta cĩ điện áp lưới như sau: ra bộ nghịch lưu E phải bằng hoặc lớn hơn điện áp VV sin( ) (7) lưới đỉnh và phải sớm pha hơn. am Để kết nối lưới thì điện áp ngõ ra từ bộ nghịch lưu 2 (8) VVbm sin( ) phải cùng tần số ở mỗi pha của ba pha với điện áp 3 2 (9) lưới. Điều này cĩ thể thu được nếu như gĩc pha VV sin( ) của điện áp lưới được dị tìm. Trong hệ thống điều cm 3 khiển cho bộ nghịch lưu, dạng sĩng sin sẽ được tạo 3
4. Trong đĩ  là gĩc pha 2 ft . Ma trận chuyển đổi của bộ điều chỉnh PI được thiết kế để V theo giá d dưới dạng phương trình : * trị Vd 0 . Nếu Vd 0 thì điện áp khơng gian 11 (10) 1 vector được đồng bộ theo trục q và tần số ước tính 2 22 bị khĩa trên tần số hệ thống  . Điều này dẫn tới T  3 33 0 gĩc pha ước tính bằng với gĩc pha  . 22 Nếu  * thì sin(  ) (   ) cho Thực hiện phép nhân ma trận VTV   abc ta cĩ: nên VV () * và cấu trúc như trong V V sin( ) (11) dm m hình : V  Vm cos( ) Là hai thơng tin tín hiệu về gĩc pha khi chuyển hệ trục tọa độ. 2.3.2 Đồng bộ xoay khung tham chiếu: Gĩc pha được dị tìm bởi việc đồng bộ điện áp trục tọa độ khơng gian vector d và q theo [7]: Hình 8. Mơ hình SRF PLL. Mục đích của tần số tiến tiếp là để cho bộ điều chỉnh PI điều khiển tín hiệu ngõ ra dần đến khơng. Trong trường hợp này tần số tiến tiếp sẽ là 2 f 100 . Trong trường hợp lý tưởng khi điện áp lưới bằng chính xác 50hz thì bộ điều chỉnh Hình 7. Tọa độ khơng gian vector d và q dị pha lúc đầu ngõ ra sẽ bằng 0. Nếu điện áp khơng gian vector được đồng bộ với 2.3.3 Lựa chọn thơng số PI trục ma trận chuyển đổi thì: Theo [8] thì việc lựa chọn cấu hình trên sẽ giảm sin cos (12) thiểu việc điều khiển lựa chon các hệ số. Ta thấy rằng trong hình trên hàm chuyển đổi cho hàm T  cos sin truyền sẽ là: * (14) Trong đĩ  là gĩc pha ước tính ngõ ra của hệ 1 U thống PLL. Khi đĩ thực hiện việc chuyển đổi A 1 sTs s VTV và sử dụng các cơng thức lượng dq   giác ta cĩ: Với Ts là thời gian lấy mẫu, vì vậy hàm chuyển đổi * (13) Vq Vm cos( ) trong vịng hở với bộ điều khiển là: * (15) Vd Vm sin( ) 11 sU AK * ol p Gĩc pha được ước tính với là tích phân của   s 1 sTs s tần số ước tính * . Tần số ước tính * là tổng Trong đĩ K p ,  là hai hệ số gắn liền với bộ điều của của PI ngõ ra và tần số tiến tiếp  . Độ lợi ff chỉnh PI. Cĩ nhiều phương pháp được lựa chọn hệ số tuy nhiên phương pháp đối xứng tối ưu được sử 4
5. dụng để tính tốn các hệ số trên. Hàm truyền được đưa ra [9]: 2 ()ks (16) 00 F 2 s() s k0 Trong đĩ k là hằng số,0 là chu kỳ . Phương trình được viết lại như sau: 1 a (17) s as 11 s U KVmm  KV AK p s 1 sTs s T s 22 11 aT s s s s s TT ss Hình 9. Sơ đồ mạch cầu H Trong đĩ a là yếu tố tiêu chuẩn từ đĩ ta cĩ được: 1 a0 Trong đĩ tín hiệu điều chế là sĩng sin cĩ biên độ là Ts Am và biên độ của sĩng mang tam giác là Ac thì hệ a số gọi là hệ số điều chế [3].   0 1 K aVms T Với thời gian lấy mẫu s và tần số gĩc là Ts 0.0005 50Hz và biên độ điện áp là V=311V ta cĩ được các thơng sơ như sau: K 1.0101 Hình 10. Tạo xung kích dùng phương pháp SPWM a 6.3663 3. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG  0.0203 2.4 Phương pháp SPWM (Since Pulse With Modulation) SPWM sử sụng tín hiệu điều khiển so sánh với tín hiệu sĩng mang với tần số cao và sĩng mang thường là sĩng răng cưa. Các xung điều khiển sẽ được tạo ra để điều khiển các cổng IGBT. So với mạch cầu H thì mạch bán cầu H [10] cĩ ngõ ra bị giảm xuống ½ so với ngõ vào. 5
6. Hình 13. Mơ hình chuyển đổi Va ,Vb và Vc sang hệ trục tọa độ V và V Hình 14. Mơ hình chuyển đổi từ VTVdq   . 3.1 Với điều kiện điện áp lƣới cân bằng Ta thấy rằng điện áp lưới sau khi qua các hệ trục biến đổi thành và rồi sau đĩ qua và qua vịng khĩa pha PLL thì được gĩc pha như hình 15 Hình 11. Mơ hình mơ phỏng vịng hở bộ nghịch lưu cầu H đa bậc nối lưới. Hình 15. Gĩc pha ước tính khi hịa lưới. Với việc tìm được gĩc pha sau đĩ biến đổi ngược thu được tín hiệu sĩng sin điều khiển. Sĩng sin điều khiển sẽ được đưa vào so sánh với sĩng mang cĩ tần số 3Khz tạo ra dạng sĩng điện áp như hình 16. Hình 12. Bộ lọc ngõ ra L-C-L. Hình 16. Dạng sĩng ngõ ra ba pha khi qua bộ nghịch lưu cascade cầu H. Điện áp qua bộ nghịch lưu sau khi qua bộ lọc LCL thì cĩ dạng như hình 17 và hình 18. 6
7. Kết quả thu được dạng sĩng để hịa lưới như hình17: Hình 20. Tổng hài bậc cao THD của điện áp Hình 17. Dạng sĩng ngõ ra của ba pha khi qua bộ ngõ ra. lọc Tín hiệu ngõ ra cùng pha cùng biên độ và cùng số Và tần số của tín hiệu nối lưới sau khi qua bộ với tín hiệu lưới PLL là 50Hz như hình 21: Hình 18. Dạng sĩng ngõ ra và dạng sĩng của Hình 21. Tần số nối lưới. lưới 3.2 Trƣờng hợp điện áp khơng cân bằng Theo tiêu chuẩn ta thấy rằng điện áp khơng cân bằng tối đa bằng 3% điện áp hệ thống do đĩ ta cĩ : Bảng 2:Tiêu chuẩn về điệp áp khơng cân bằng [12] Hình 19. Dạng sĩng ba pha ngõ ra và dạng Với điện áp khơng cân bằng ta giả sử rằng điện sĩng của lưới áp ba pha của điện áp lưới lần lượt là: Bảng 1: Tiêu chuẩn tổng hài [11] Vam 0.97 V sin( t ) Vbm 1.03 V sin( t 120) Vcm Vsin( t 240) Từ hình 19 ta thấy rằng việc bắt pha khi sử dụng SRF_PLL chính xác trong khoảng thời gian gần 2 chu kỳ sĩng sin khi bắt pha trong điều kiện điện áp lưới lý tưởng, và THD của điện áp cần hịa lưới là 0.74% 7
8. nhiều kỹ thuật khác sử dụng cho bộ nghịch lưu đa bậc tuy nhiên vì phương pháp này dễ dàng sử dụng cũng như hiệu quả cao. Độ méo dạng của ngõ ra được tính tốn trong phần mềm MATLAB. Sử dụng phương pháp PD (SPWM) và SRF PLL cho việc điều khiển hịa lưới điện. Trong điều kiện lưới lý tưởng với biên độ 311V và tần số là 50Hz thì gĩc pha được dị tìm nhanh và chính xác. Kết quả Hình 22. Dạng sĩng điện áp lưới. mơ phỏng cho thấy tổng hài bậc cao của điện áp sau khi hồ lưới là 0.74% và thời gian bắt nhịp hồ lưới là 2 chu kỳ (40 mili giây). Hệ thống được mơ phỏng trong điều kiện điện áp lưới lý tưởng, các biến biên độ và tần số được xử lý trong hệ thống. Khi biên độ càng giảm thì hệ thống hoạt động càng chậm. Hệ thống PLL cĩ thể xử lý trong điều kiện khơng lý tưởng tuy nhiên độ chính xác khơng cao. Hình 23. Điện áp ngõ ra bắt pha với điện áp lưới. Do thời gian cĩ giới hạn nên đề tài chỉ dừng lại ở mức độ mơ phỏng với tải tĩnh. Kết quả mơ phỏng làm cở sở để xây dựng mơ hình thực nghiệm chứng minh sự đúng đắn của giải thuật và là cơ sở cho những cơng trình nghiên cứu sau này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Miss. Sangita R Nandurkar, Mrs. Mini Rajeev “Design and Simulation of three phase Inverter for Hình 24. Tần số PLL grid connected Photovoltic systems” Proceedings Ta thấy rằng trong điều kiện điện áp khơng cân of Third Biennial National Conference, NCNTE- bằng việc bắt pha của bộ SRF_ PLL tạm thời chấp 2012, Feb 24-25. nhận được trong một phạm vi nhất định việc thay đổi trên 3% điện áp làm cho việc sử dụng bộ SRF [2] Zamre Abdul GHANI, Mohammad Abdul PLL khĩ khăn. Mức điện áp lưới khơng cân bằng HANNAN, Azah MOHAMED “Investigation of càng lớn thì việc bắt pha sẽ rất khĩ. Three-Phase Grid-Connected Inverter for Từ đây việc tìm hiểu hệ thống PLL trong đề tài này Photovoltaic Application” Dept. of Electrical, với hệ số điều chế PI được đưa ra bởi giải thuật SO Electronic & Systems Engineering, Universiti thì hoạt động rất ổn định trong điều kiện nguồn Kebangsaan Malaysia, 43600 Bangi, Selangor, lưới lý tưởng. Đặc tính của hệ thống được đã được Malaysia . biểu diễn ở các hình vẽ phía trên. Với điều kiện [3] T. Porselvi and Ranganath Muthu “Seven-Level lưới điện lý tưởng gĩc pha được dị tìm rất nhanh Three Phase Cascaded H-Bridge Inverter With a khoảng hai chu kỳ dao động tuy nhiên ngược lại Single DC Source” ARPN Journal of Engineering với điều kiện lưới điện khơng lý tưởng thì việc bắt and Applied Sciences, VOL. 7, NO. 12, pha càng phức tạp. DECEMBER 2012. 4. Kết luận Bài báo này tập trung nghiên cứu khảo sát về bộ [4] Jiri Lettl, Jan Bauer, and Libor Linhart nghịch lưu Cascade cầu H và kỹ thuật điều chế “Comparison of Different Filter Types for Grid SPWM, cho bộ nghịch lưu trong thực tế thì cịn Connected Inverter” Progress In Electromagnetics 8
9. Research Symposium Proceedings, Marrakesh, Morocco, Mar. 20-23, 2011. [5] Trương Việt Anh, Nguyễn Bá Thuận “ổn định dịng điện cho bộ phát năng lượng mặt trời vào lưới điện” Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010. [6] Jim Ưgren “PLL design for inverter grid connection’’. [7] Mateus F Schonardie and Denizar C Martins “Application of the dq0 transformation in the three phase grids connected PV system with active and reactive power control”, Power Electronics Specialists Conference.pp.1202 – 1208, June 2008. [8] Kaura, V and Blasko, V. “Operation of a Phase Looked Loop System Under Distorted Utility Conditions”. IEEE Transactions on industry applications, vol.33, no.1, January/February 1997. [9] Levine, William S. “The Control Handbook”. Jaico Publishing House, Mumbai, 1999 . [10] Musa, A. and G.S.M. Galadanci “5KVA power inverter design and simulation based on boost converter and h-bridge inverter topology” Bayero Journal of Pure and Applied Sciences, 2(1): 6 – 13, Bajopas Vol. 2 Number 1 June, 2009 [11] Government Of India Ministry Of Railways Instruction For Load Profile “Current & Voltage Harmonics Measurement And Recording In 25 KV AC Traction Substation”. [12] Transmission Licensees’ Standards of Performance, The 7th August, 2004. 9
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ 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 cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ 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.