Luận văn Xây dựng kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài của bộ nghịch lưu nối lưới (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Xây dựng kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài của bộ nghịch lưu nối lưới (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM MỚI ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CỦA BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2015-37TĐ S KC 0 0 4 7 8 8 Tp. Hồ Chí Minh, 2015
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM XÂY DỰNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM MỚI ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CỦA BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI Mã số: T2015-37TĐ Chủ nhiệm đề tài: ThS. Lê Thanh Lâm TP. HCM, 10/2015
3. Báo cáo T2015-37TĐ MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước 2 1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2 1.3 Mục tiêu đề tài 3 1.4 Cách tiếp cận 3 1.5 Phương pháp nghiên cứu 3 1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 1.7 Nội dung nghiên cứu 3 Chương 2: CÁC KỸ THUẬT GIẢM SÓNG HÀI 4 Chương 3: MỐI QUAN HỆ GIỮA SÓNG HÀI VÀ DÒNG ĐIỆN CỦA BỘ NGHỊCH LƯU 7 Chương 4: ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT THAY ĐỔI TẦN SỐ CHUYỂN MẠCH 13 4.1 Khi tần số chuyển mạch bằng hằng số 14 4.2 Phương pháp thay đổi sóng mang đề nghị 14 Chương 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI SỬ DỤNG KỸ THUẬT PWM MỚI ĐỂ GIẢM HÀI VÀ CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 17 5.1 Mô tả hệ thống nghịch lưu nối lưới 18 5.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận 19 Chương 6: KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 Lê Thanh Lâm i
4. Báo cáo T2015-37TĐ LIỆT KÊ HÌNH Hình 1. Nghịch lưu cầu 1 pha nối lưới 8 Hình 2. Dạng sóng dòng điện ngõ ra nghịch lưu cầu 1 pha đơn cực 9 Hình 3. Dạng sóng dòng điện khi điều chế 10 Hình 4. Nhiễu hài dòng điện với m=0.97 trong nửa chu kỳ lưới 12 Hình 5. Tần số chuyển mạch chuẩn hóa trong nữa chu kỳ lưới 16 Hình 6. Tần số chuyển mạch chuẩn hóa với giới hạn fmax trong nữa chu kỳ lưới 16 Hình 7. Sơ đồ mô phỏng hệ thống nghịch lưu trong Matlab/Simulink 18 Hình 8. Tổn hao tổng ở tần số cố định với các tần số chuyển mạch khác nhau 20 Hình 9. Tổn hao chuyển mạch 21 Hình 10. Sóng mang trong nữa chu kỳ lưới 22 Hình 11. Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch là hằng số với Iref_max=15A 23 Hình 12. Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị với Iref_max=15A 23 Hình 13. Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch là hằng số với Iref_max=7.5A 24 Hình 14. THD dòng điện với Iref_max=7.5A trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị 25 Hình 15. Đáp ứng ngõ ra bộ nghịch lưu 25 Hình 16. Dòng điện ngõ ra bộ nghịch lưu 26 Lê Thanh Lâm ii
5. Báo cáo T2015-37TĐ LIỆT KÊ BẢNG Bảng 1:Các thông số hệ thống 19 Bảng 2: Tổn hao tổng ở tần số cố định với các trường hợp tần số chuyển mạch khác nhau 20 Lê Thanh Lâm iii
6. Báo cáo T2015-37TĐ CÁC THUẬT NGỮ Chu kỳ chuyển mạch thay đổi VSC (variable switching cycle) Điều chế tần số chuyển mạch thay đổi VSFPWM (variable switching frequency PWM) Độ méo hài toàn phần THD (total harmonic distortion) Độ méo nhu cầu toàn phần TDD (total demand distortion) Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sinSPWM (sinusoidal pulse width modulation) Nguồn điện phân tán DG (distributed generation using power inverter) Nửa chu kỳ cơ bản (NCKCB) Tần số chuyển mạch thay đổi VSF (variable switching frequency) Tổn hao chuyển mạch SW (switching loss) Lê Thanh Lâm iv
7. Báo cáo T2015-37TĐ CÁC KÝ HIỆU Ts: chu kỳ chuyển mạch fsw: tần số chuyển mạch Ts-var: chu kỳ chuyển mạch thay đổi Tsc: chu kỳ chuyển mạch hằng số t: thời gian Vac: điện áp ngõ ra của nghịch lưu Iac: dòng điện ngõ ra của nghịch lưu Lf: điện cảm bộ lọc Rf: điện trở của Lf Lg: điện cảm của nguồn lưới Rg: điện trở của Lg RL: điện trở tải Iref: dòng điện đặt Pref: công suất tác dụng đặt Qref: công suất phản kháng đặt Vg-max: biên độ điện áp lưới : tần số góc nguồn lưới Vdc: điện áp nguồn một chiều Psw: tổn hao chuyển mạch : góc pha của dòng điện Ip: giá trị hiệu dụng của nhiễu hài dòng điện Ip-const: giá trị hiệu dụng của nhiễu hài dòng điện hằng số m: chỉ số điều chế biên độ I1: dòng điện hiệu dụng cơ bản C1: hằng số phụ thuộc Vdc C2: hằng số phụ thuộc Vdc, m, Lf và I1 Lê Thanh Lâm v
8. Báo cáo T2015-37TĐ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, Ngày 20 tháng 10 năm 2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Xây dựng kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài của bộ nghịch lưu nối lưới - Mã số: T2015-37TĐ - Chủ nhiệm: ThS. Lê Thanh Lâm - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 12 tháng 2. Mục tiêu: Mục tiêu của đề tài là xây dựng kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài của bộ nghịch lưu nối lưới. 3. Tính mới và sáng tạo: Xây dựng kỹ thuật điều chế độ rộng xung mới với sóng mang có tần số thay đổi được để giảm hài cho nghịch lưu nối lưới trong điều kiện ràng buộc tổn hao chuyển mạch là hằng số. 4. Kết quả nghiên cứu: Kỹ thuật điều chế PWM mới với sóng mang thay đổi để giảm hài THD dòng điện trong các bộ nghịch lưu. Các kết quả mô phỏng với hệ thống nghịch lưu nối lưới thực hiện trên Matlab/Simulink cho thấy hài THD giảm nhiều hơn so với trường hợp truyền thống là sóng mang cố định. Lê Thanh Lâm vi
9. Báo cáo T2015-37TĐ 5. Sản phẩm: Một báo cáo khoa học cấp trường trọng điểm. Một bài báo khoa học đăng trên tạp chí quốc tế (International Journal of Electrical Engineering & Technology). 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Dùng làm tài liệu tham khảo trong việc giảng dạy và cho các nghiên cứu nguồn phát phân tán. Tạo cơ sở tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo thiết bị với giá thành thấp. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) ThS. Lê Thanh Lâm Lê Thanh Lâm vii
10. Báo cáo T2015-37TĐ INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: A novel PWM technique for reducing current THD in grid-connected inverters. Code number: 2015-37TĐ Coordinator: M. Eng. Le Thanh Lam Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology & Education Duration: 12 months 2. Objective: The goal of project is to present a novel PWM technique for reducing current THD in grid-connected inverters. 3. Creativeness and innovativeness: Proposing a novel PWM technique with a variable cycle carrier in each half of the fundamental period for reducing current THD in grid-connected inverters under the constraint of constant switching losses. 4. Research results: A novel PWM technique with a variable cycle carrier for reducing current THD in inverters. The simulation results of a grid-connected inverter system in MATLAB/Simulink show that the current THD of the proposed technique is lower than the constant switching frequency technique. 5. Products: A scientific report at the focused project level. A scientific paper published on International Journal of Electrical Engineering & Technology. Lê Thanh Lâm viii
11. Báo cáo T2015-37TĐ 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: Research results can be used as reference for teaching and studying distributed generation. Create a platform for the research and manufacturing of devices in low cost. Lê Thanh Lâm ix
12. Báo cáo T2015-37TĐ Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Lê Thanh Lâm 1
13. Báo cáo T2015-37TĐ 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước a. Trong nước Hiện nay trong nước có nhiều nghiên cứu về bộ nghịch lưu. Tuy nhiên, vẫn chưa có các nghiên cứu trong việc giảm sóng hài khi dòng công suất bơm vào lưới thay đổi. b. Ngoài nước Năng lượng mặt trời được sử dụng ngày càng phát triển do tính bền vững và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, cùng với việc nguồn năng lượng mặt trời kết nối lưới điện ngày càng tăng dẫn đến những tác động đến hệ thống. Một trong những tác động đó chính là sóng hài. Việc giảm giá trị sóng hài nằm trong ngưỡng tiêu chuẩn cho phép, cũng như việc giảm thiểu tổn hao trong quá trình chuyển mạch là nhu cầu cấp thiết hiện nay. Khi bức xạ mặt trời thay đổi, dòng công suất bơm vào lưới cũng thay đổi theo dẫn đến tỷ số sóng hài THD thay đổi, có chiều hướng tăng khi dòng công suất bơm vào lưới bé, làm chất lượng điện năng giảm. Để giải quyết việc này, các bộ nghịch lưu hoà lưới thường phải vận hành ở chế độ có THD bằng mức cho phép khi vận hành với công suất thấp nhất. Như vậy, khi làm việc với công suất cao, THD sẽ giảm xuống đồng thời tổn hao công suất chuyển mạch tăng, điều này không có lợi cho bộ nghịch lưu. Để giữ sóng hài trong phạm vi cho phép, có nhiều biện pháp như thay đổi tần số sóng mang theo dòng công suất tải, ghép tầng mạch công suất. Tuy nhiên, các biện pháp đó khá phức tạp ở phần cứng, cũng như điều khiển. Trong nghiên cứu này đề xuất một kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài khi dòng công suất bơm vào lưới thay đổi. 1.2 Tính cấp thiết của đề tài Năng lượng mặt trời được sử dụng ngày càng phát triển do tính bền vững và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, cùng với việc nguồn năng lượng mặt trời kết nối lưới điện ngày càng tăng dẫn đến những tác động đến hệ thống. Một Lê Thanh Lâm 2
14. Báo cáo T2015-37TĐ trong những tác động đó chính là tăng sóng hài quá giới hạn cho phép. Do đó việc giảm sóng hài để đạt tiêu chuẩn cho phép của các bộ nghịch lưu nối lưới là nhu cầu cấp thiết hiện nay. 1.3 Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài là xây dựng kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài của bộ nghịch lưu nối lưới. 1.4 Cách tiếp cận Nghiên cứu các bài báo khoa học trong và ngoài nước. Dựa vào mô hình và kết quả mô phỏng để phân tích và đánh giá. 1.5 Phương pháp nghiên cứu - Tham khảo các tài liệu và bài báo khoa học liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, phân tích lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình mô phỏng. - Thực hiện mô phỏng bằng Simulink/Matlab để tìm ra kết quả. Phân tích và đánh giá kết quả đó. 1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Kỹ thuật giảm sóng hài trong bộ nghịch lưu nối lưới. - Các giải thuật điều khiển PWM mới. Phạm vi nghiên cứu: - Xây dựng giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu nối lưới 1 pha. - Xây dựng mô hình và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. 1.7 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan các kỹ thuật điều chế trong nghịch lưu. - Nghiên cứu mối quan hệ giữa sóng hài và dòng điện của bộ nghịch lưu. - Đề xuất giải thuật điều khiển PWM mới. - Xây dựng bộ giảm sóng hài trong bộ nghịch lưu nối lưới. - Xây dựng mô hình và mô phỏng bằng Matlab/Simulink. - Đánh giá kết quả đạt được. Lê Thanh Lâm 3
15. Báo cáo T2015-37TĐ Chương 2: CÁC KỸ THUẬT GIẢM SÓNG HÀI Lê Thanh Lâm 4
16. Báo cáo T2015-37TĐ Sự gia tăng ngày càng nhiều của các nguồn điện phân tán trong hệ thống điện từ năng lượng gió, mặt trời và pin nhiên liệu nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của các bộ nghịch lưu nối lưới [1] với nhiều ưu điểm vì tính bền vững và thân thiện với môi trường [2]. Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lưới là một trong những nguồn phát sóng hài đáng kể vào lưới điện và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống điện. Vì vậy, nhu cầu giảm thiểu sóng hài trong các bộ nghịch lưu nối lưới nhằm thỏa mãn các tiêu chuẩn IEEE Standard 929-2000 [3], tiêu chuẩn 1547-2009 [4] và tiêu chuẩn quốc tế [5] ngày càng cao. Trong khi đó, các bộ nghịch lưu với kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) được sử dụng rất phổ biến trong các bộ biến đổi năng lượng mới [6]-[9]. Để giảm sóng hài dòng điện ngõ ra trong các bộ nghịch lưu nối lưới có thể tăng điện cảm để lọc là một trong những phương pháp phổ biến. Tuy nhiên, nó cũng có khuyết điểm. Nếu tăng điện cảm bộ lọc sẽ làm tăng do kích thước cũng như giá thành của thiết bị. Việc tăng tần số sóng mang để giảm hài dòng điện của bộ nghịch lưu sẽ làm tăng tổn hao chuyển mạch cũng như dẫn đến quá nhiệt [10]. Kỹ thuật trong [11] đề nghị sử dụng bộ điều khiển H thay vì bộ điều khiển PI truyền thống trong điều kiện có sự thay đổi trở kháng nguồn lưới với việc giảm tần số đủ lớn để giữ ổn định vòng điều khiển. Tuy nhiên, việc xác định hàm trọng số đề nghị trở nên khó khăn và tính toán phức tạp. Nó cũng đòi hỏi thời gian và các thông số lưới điện để dò hàm trọng số. Kỹ thuật thay đổi tần số sóng mang được đề nghị trong [12] để giảm tổn hao công suất chuyển mạch trong bộ nghịch lưu cũng đòi hỏi mô hình chính xác của dòng điện nhiễu và tính toán phức tạp, làm cho giải thuật thiếu bền vững và giảm khả năng đáp ứng động. Ngoài ra, các ứng dụng mới áp dụng cho tải cố định và tần số chuyển mạch cao nên không phù hợp với các bộ nghịch lưu nối lưới. Hơn nữa, tần số chuyển mạch thấp tại thời điểm đi qua zero là một trở ngại với các thiết bị đo điện tử và động cơ điện. Một kỹ thuật khác với điều chỉnh tần số sóng mang trong [13] dựa trên mô hình ước lượng TDD cũng được đề nghị. Nhưng khi tính toán tần số tối ưu cần phải biết điện cảm L của bộ lọc, thời gian tính toán lâu nên giảm đáp ứng động và tần số sóng Lê Thanh Lâm 5
17. Báo cáo T2015-37TĐ mang thay đổi nhảy cấp, không liên tục làm hạn chế tính ổn định và bền vững. Kỹ thuật này dựa trên tiêu chuẩn TDD trong [4] để lựa chọn tần số chuyển mạch nên không tối ưu cho tổn hao chuyển mạch và THD dòng điện. Một đề nghị khác trong [14] cũng để giảm sóng hài dòng điện trong nghịch lưu bằng cách sử dụng các sơ đồ nghịch lưu đa bậc. Tuy nhiên việc điều khiển phức tạp với nhiều khóa điện. Để giảm tổn hao chuyển mạch và hài THD, kỹ thuật hysteresis trong [15] cho thấy sự phụ thuộc vào sai số dòng điện đo được của cảm biến dòng điện. Vì vậy phương pháp này còn hạn chế. Trong đề tài này đề nghị một kỹ thuật điều chế PWM với tần số chuyển mạch thay đổi để giảm THD trong các bộ nghịch lưu nối lưới. Mục đích chính của đề tài là tần số sóng mang của bộ nghịch lưu được điều chỉnh tối ưu trong mỗi nữa chy kỳ sóng cơ bản để giảm sóng hài trong điều kiện ràng buộc là tổn hao chuyển mạch không đổi. Lê Thanh Lâm 6
18. Báo cáo T2015-37TĐ Chương 3: MỐI QUAN HỆ GIỮA SÓNG HÀI VÀ DÒNG ĐIỆN CỦA BỘ NGHỊCH LƯU Lê Thanh Lâm 7
19. Báo cáo T2015-37TĐ Sóng hài và tổn hao chuyển mạch phụ thuộc vào tần số chuyển mạch. Việc lựa chọn tần số sóng mang được điều chỉnh tối ưu để giảm sóng hài trong bộ nghịch lưu là vấn đề phức tạp và có ý nghĩa quan trọng với chất lượng điện năng. Nghịch lưu cầu 1 pha đơn cực với kỹ thuật điều chế PWM như hình 1 được sử dụng để phân tích trong đề tài này. Hình 1. Nghịch lưu cầu 1 pha nối lưới Giả sử rằng tần số của sóng mang lớn hơn rất nhiều so với tần số của tín hiệu điều khiển và bỏ qua thời gian chết chống trùng dẫn. Tổn hao trên linh kiện IGBT và diode bao gồm tổn hao dẫn và tổn hao chuyển mạch. Trong đó, tổn hao dẫn không phụ thuộc vào tần số chuyển mạch, còn tổn hao chuyển mạch giả sử tỉ lệ tuyến tính với tần số chuyển mạch. Dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu đơn cực như hình 2. Lê Thanh Lâm 8
20. Báo cáo T2015-37TĐ Hình 2. Dạng sóng dòng điện ngõ ra nghịch lưu cầu 1 pha đơn cực Theo nguyên lý xếp chồng thì dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu bao gồm thành phần bậc 1 và thành phần nhiễu hài. Từ dạng sóng dòng điện chuyển mạch của nghịch lưu cầu 1 pha đơn cực như hình 3, dòng điện ngõ ra tăng giảm trong nửa chu kỳ chuyển mạch của sóng mang. Xét trong bán kỳ dương của nửa chu kỳ sóng mang, dòng điện nhiễu tăng iL1 được xác định như (1): Vdc Vdc .d(t) Ts iL1 d(t). (1) L f 2 Lê Thanh Lâm 9
21. Báo cáo T2015-37TĐ d Vc t -d Ts Vdc V1 t VL Ts/2 Vdc-V1 -V1 i iL1 iL2 ip t Hình 3. Dạng sóng dòng điện khi điều chế Trong đó: Lf là điện cảm bộ lọc ngõ ra của bộ nghịch lưu. Vdc là giá trị điện áp ngõ vào DC của bộ nghịch lưu. d(t) là độ rộng xung chuyển mạch. Ts là nữa chu kỳ sóng mang. Biểu thức (1) có thể viết lại: VdcTs iL1 1 d(t) d(t) (2) 2L f Lê Thanh Lâm 10
22. Báo cáo T2015-37TĐ Tính tương tự cho dòng điện giảm iL2 được xác định như sau: Vdc Vdc .( d(t)) iL2 ( d(t).Ts ) (3) 2L f Biểu thức (3) có thể được viết: VdcTs iL2 1 d(t) ( d(t)) (4) 2L f Vì không sử dụng quá điều chế nên sóng điều khiển trong phạm vi 1, cộng (2) và (4) sẽ được (5): VdcTs iL 1 d(t) d(t) (5) 2L f Với m là chỉ số điều chế và  là tần số góc của tín hiệu điều khiển, thì d(t) sẽ bằng: d(t) m.sin t (6) Thay (6) vào (5), thu được: VdcTs i p 1 m.sin t .m.sin t (7) 2L f Giá trị hiệu dụng (rms) của sóng tam giác trong cả chu kỳ chuyển mạch sẽ bằng: VdcTs I p 1 m.sin t .m.sin t (8) L f .2 3 Chuẩn hóa (8) theo đơn vị tương đối, ta sẽ được (9): I * 1 m.sin t .m.sin t (9) p Lê Thanh Lâm 11
23. Báo cáo T2015-37TĐ 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 Normalized current ripple current Normalized 0.05 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Time (s) Hình 4. Nhiễu hài dòng điện với m=0.97 trong nửa chu kỳ lưới Từ (9) cho thấy thời gian thay đổi của hài dòng điện mà tần số chuyển mạch bằng hằng số như hình (4). Như giả định ở trên, tổn hao chuyển mạch trong mỗi chu kỳ chuyển mạch phụ thuộc vào dòng điện bậc 1 và tần số chuyển mạch. Do đó, tổn hao chuyển mạch được xác định như (10) Psw C1.i1 (t).fsw (t) (10) Trong đó: C1 hằng số tỉ lệ phụ thuộc vào điện áp Vdc i1(t) giá trị dòng điện tức thời bậc 1 qua bộ chuyển mạch. Từ (10) suy ra: 1 P C .i (t). (11) sw 1 1 Ts(t) Với Ts (t) là chu chuyển mạch. Như vậy tổn hao chuyển mạch trung bình trong nửa chu kỳ lưới sẽ là: 1 sin(t) P C . 2.I . d(t) (12) sw 1 1 0 Ts(t) Lê Thanh Lâm 12
24. Báo cáo T2015-37TĐ Chương 4: ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT THAY ĐỔI TẦN SỐ CHUYỂN MẠCH Lê Thanh Lâm 13
25. Báo cáo T2015-37TĐ 4.1 Khi tần số chuyển mạch bằng hằng số Nếu tần số chuyển mạch không đổi, chu kỳ chuyển mạch Ts được tính theo (8) sẽ được: I .2. 3.L Ts(t) f (13) Vdc.1 m.sin t .m.sin t Giá trị hiệu dụng của dòng điện I trong nửa chu kỳ lưới như sau: 1 I I 2d(t) (14) p 0 THD thể hiện mối quan hệ với giá trị hiệu dụng của dòng điện I: I THD (15) I1 Với I1 là giá trị hiệu dụng của dòng điện cơ bản. Thay (13) vào (12), sẽ có tổn hao chuyển mạch được xác định: 2 C . 2.I V 1 m.sin t .m.sin t P 1 1 . dc d(t) (16) sw 2. 3.Lf 0 I p 4.2 Phương pháp thay đổi sóng mang đề nghị Công suất tác dụng được bơm vào lưới điện phải tối ưu việc phát. Trong hệ thống nghịch lưu nối lưới thường dùng để phát công suất tác dụng vào lưới do vậy dòng điện và điện áp luôn luôn đồng pha với nhau. Mặt khác, góc pha của tín hiệu điều khiển được bỏ qua trong đề tài này do dựa vào đại lượng dòng điện để điều khiển. Hình 4 cho thấy rằng nhiễu hài dòng điện thay đổi trong nửa chu kỳ lưới với một tần số sóng mang cố định nào đó. Do đó, nhiễu hài dòng điện của bộ nghịch lưu có thể được giảm bằng cách thay đổi tần số sóng mang trong nữa chu kỳ lưới. Ở những vùng có nhiễu hài dòng điện lớn thì tăng tần số sóng mang lên để giảm hài THD dòng điện và ở những vùng có dòng điện lớn thì giảm tần số sóng mang xuống để giảm tổn hao chuyển mạch. Biểu thức (8) cho thấy nhiễu hài thay đổi trong mỗi nửa chu kỳ lưới và Ip là đại lượng biến thiên. Để đảm bảo nhiễu hài THD dòng điện tính theo phần trăm bằng Lê Thanh Lâm 14
26. Báo cáo T2015-37TĐ hằng số, thì nhiễu hài dòng điện Ip cũng phải là hằng số tương đối theo dòng điện. Tức là: I p I p I p (%) 100% 100% (17) i1 t I1 2 sin t Thay (8) vào (17) ta được (18): VdcTs 1 m.sin t .m I p (%) 100% (18) L f .2 3 I1 2 Chu kỳ chuyển mạch có thể được tính theo biểu thức: I p (%)Lf 2 6I1 1 Ts t (19) 100% mVdc 1 m.sin t Chu kỳ chuyển mạch có thể được viết lại như (20): 1 1 Ts t (20) C2 1 m.sin t Với C2 là hằng số phụ thuộc vào Lf, Vdc và giá trị hiệu dụng dòng điện bậc nhất I1. Hơn nữa, chu kỳ đóng ngắt phải thay đổi theo biểu thức (20) với một lượng sóng hài THD(%) cho trước theo yêu cầu là một hằng số. Từ đây suy ra tần số chuyển mạch được tính như (21) bởi (20) và cho trong hình 5. 1 f t (21) sw T t s Tuy nhiên, tần số chuyển mạch không được vượt quá giới hạn của tần số chuyển mạch cực đại của các linh kiện điện tử công suất IGBT. Nó đó giới hạn theo (22) và thể hiện trong hình 6. f sw t C2 1 m.sin t f min fmax (22) Theo đó giá trị trung bình tổn hao chuyển mạch được xác định như sau: 1 P C . 2.I . sin t C 1 m.sin t f d(t) (23) sw 1 1 2 min 0 Lê Thanh Lâm 15
27. Báo cáo T2015-37TĐ 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Hình 5. Tần số chuyển mạch chuẩn hóa trong nữa chu kỳ lưới 1 0.8 fmax 0.6 0.4 0.2 0 0 200 400 600 800 1000 Hình 6. Tần số chuyển mạch chuẩn hóa với giới hạn fmax trong nữa chu kỳ lưới Lê Thanh Lâm 16
28. Báo cáo T2015-37TĐ Chương 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI SỬ DỤNG KỸ THUẬT PWM MỚI ĐỂ GIẢM HÀI VÀ CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Lê Thanh Lâm 17
29. Báo cáo T2015-37TĐ 5.1 Mô tả hệ thống nghịch lưu nối lưới Sơ đồ điều khiển đề nghị của hệ thống nối lưới một pha sử dụng Matlab/Simulink để mô phỏng cho trong hình 7 bao gồm mạch công suất nghịch lưu cầu H đơn cực với kỹ thuật PWM. Góc pha ωt của điện áp lưới Vg được xác định bởi vòng khóa pha PLL. I I sin t dec (24) ref ref _ max Với dec được điều chỉnh bởi công suất phản kháng thông qua bộ điều khiển PI. Dòng điện Ig được bơm vào lưới điện và được điều chỉnh nhờ bộ điều khiển PI dòng điện như (25): 1 Vref I ref I g K p _ I Ki _ I (25) s PWM Li Ig Vg V I_ref IGBT PQ i Ig + + I I_ref PQ Gates Gates - + A PQ Car C PLL Lg Car_out V+ 5kHz1 PLL + N Vg AC s1 v Ig Vdc V- - DISP Cf THD Mean THD 5kHz + V1 Fo=50Hz (discrete) discrete Scope LPF hai Mean Car_out 5e3 pgui Fsw loss C switching_loss Iac_1 Iac_1 Isin Car_out Discrete, Iac_1MS Ts = 1e-06 s. Los-cal C1 To2 THD_I THD_I Fc_out Var_car Hình 7. Sơ đồ mô phỏng hệ thống nghịch lưu trong Matlab/Simulink Tín hiệu sóng mang được tính toán bởi khối Var_car với tín hiệu ngõ vào là dòng điện lưới đo được Ig và hài THD dòng điện. Tổn hao chuyển mạch được tính toán nhờ vào khối Los_cal và kết quả mô phỏng được trình bày trong khối scope. Bảng 1 trình bày tổng quát giá trị thông số hệ thống. Lê Thanh Lâm 18
30. Báo cáo T2015-37TĐ Bảng 1:Các thông số hệ thống Thông số Mô tả Giá trị Lg Điện cảm lưới điện 0.1mH Rg Điện trở của Lg 0.01 Li Điện cảm bộ nghịch lưu 4.7mH Ri Điện trở của Li 0.15 Cf Tụ lọc 1F Vdc Điện áp DC 320V Vg Điện áp lưới điện 220VAC f Tần số lưới điện 50Hz fsw-const Tần số chuyển mạch hằng số 5kHz fmax Tần số chuyển mạch cực đại 9.2kHz fmin Tần số chuyển mạch cực tiểu1.5kHz 5.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận Sơ đồ mạch của bộ nghịch lưu cầu H với giá trị tải trở là 16  và mạch lọc LC được dùng để xác định hằng số C1 theo tổn hao chuyển mạch. Các kết quả khảo sát bằng sóng mang tần số cố định với các tần số chuyển mạch khác nhau được cho trong bảng 2 và hình 8. Tổn hao được xác định bởi hiệu công suất ngõ ra ac và công suất ngõ vào dc. Tổn hao tổng bao gồm tổn hao chuyển mạch, tổn hao dẫn và các tổn hao khác. Tổn hao tuyến tính tại tần số chuyển mạch zero trong hình 8 bao gồm tổn hao dẫn và các tổn hao khác và bằng 61.65 W. Vì vậy, tổn hao chuyển mạch trung bình tại tần số 5 kHz bằng 75.28-61.65=13.63 W. Lê Thanh Lâm 19
31. Báo cáo T2015-37TĐ Bảng 2: Tổn hao tổng ở tần số cố định với các trường hợp tần số chuyển mạch khác nhau fsw Vdc Idc Pdc Vac Iac Pac Total loss (kHz) (V) (A) (W) (V) (A) (W) (W) 2.5 200 5.41 1082 127.4 7.96 1014.104 67.896 5 200 5.456 1091.2 127.5 7.968 1015.92 75.28 7.5 200 5.496 1099.2 127.6 7.976 1017.738 81.4624 10 200 5.54 1108 127.7 7.982 1019.301 88.6986 Hình 8. Tổn hao tổng ở tần số cố định với các tần số chuyển mạch khác nhau -4 Giá trị không đổi C1với Vdc 200V được tính bằng 3.8x10 bằng cách thay thế giá trị tổn hao chuyển mạch trung bình, tần số chuyển mạch 5 kHz, và dòng điện bậc 1 -4 vào trong (12). Vì vậy, hằng số C1 sẽ là 6.08x10 với Vdc 320V. Khi đó, giá trị tổn hao chuyển mạch trung bình tại 5 kHz được tính bằng 29 W với Iref_max=15A. Do vậy, hằng Lê Thanh Lâm 20
32. Báo cáo T2015-37TĐ 4 số C2 được tính bằng 1.77x10 bằng cách thay tổn hao chuyển mạch trung bình 29W vào trong (23). Các kết quả mô phỏng cho cả hai trường hợp tần số chuyển mạch được trình bày trong hình 9-16. Đáp ứng quá độ của hệ thống nghịch lưu được ghi nhận cho các bước thay đổi ở dòng điện tham chiếu ngõ vào cực đại từ 15A đến 7.5A tại t=0.1 s cho cả hai trường hợp mô phỏng. Các thông số bảng 1 là như nhau trong hai trường hợp. Các giá trị trung bình tổn hao trong cả hai trường hợp được điều chỉnh tương tự là 29 W với Iref_max =15 A và 14.44 W với Iref_max =7.5 A, như trong hình 9 bởi các đường liền nét, trong khi các tổn hao chuyển mạch tức thời là những đường chấm cách. Các chu kỳ sóng mang trong hình 10(b) là như nhau, trong khi hình 10(c) trong phương pháp đề nghị là khác nhau. Tần số chuyển mạch đề nghị được thay đổi trong dải rộng từ 1.5 kHz đến 9.2 kHz trong nữa chy kỳ lưới bởi đường vẽ liền nét trong hình 10(a). Instantaneous switching loss (W) 40 Average switching loss (W) 20 Constant car Constant 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 (a) Instantaneous switching loss (W) 40 Average switching loss (W) 20 Proposed car Proposed 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 (b) Time (s) Hình 9. Tổn hao chuyển mạch (a) Tổn hao chuyển mạch trường hợp tần số chuyển mạch là hằng số (b) Tổn hao chuyển mạch trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị Lê Thanh Lâm 21
33. Báo cáo T2015-37TĐ Chu kỳ sóng mang đề nghị t= trong hình 10(c) là 109 s thấp hơn nhiều so với trường hợp hằng số là 200 s trong hình 10(b). Nhiễu dòng điện của phương pháp đề nghị giảm đáng kể trong khi tổn hao chuyển mạch tức thời tăng rất ít không đáng kể. Chu kỳ sóng mang trường hợp đề nghị t=0.5 là 666s trong hình 10(c) cũng thấp hơn nhiều so với trường hợp hằng số là 200 s trong hình 10(b). Tương tự, việc này cũng giúp tổn hao chuyển mạch tức thời của phương pháp đề nghị giảm đáng kể trong khi hài dòng điện tăng rất ít không đáng kể. 10000 5000 Const fsw (Hz) Proposed 0 0 0.005 0.01 (a) 1 0.5 0 Const car 0 0.005 0.01 (b) 1 0.5 0 Proposed car 0 0.005 0.01 (c) Time (s) Hình 10. Sóng mang trong nữa chu kỳ lưới (a) Tần số chuyển mạch (b) Sóng mang trường hợp tần số chuyển mạch là hằng số (5 kHz) (c) Sóng mang trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị (1.5-9.2 kHz) Lê Thanh Lâm 22
34. Báo cáo T2015-37TĐ Selected signal: 10 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 10 0 -10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Time (s) Fundamental (50Hz) = 15.01 , THD= 3.06% 3 2 1 0 Mag (% of Fundamental) 0 2 4 6 8 10 Frequency (Hz) x 104 Hình 11. Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch là hằng số với Iref_max=15A Selected signal: 10 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 10 0 -10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Time (s) Fundamental (50Hz) = 15.02 , THD= 2.30% 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mag (% of Fundamental) Frequency (Hz) 4 x 10 Hình 12. Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị với Iref_max=15A Lê Thanh Lâm 23
35. Báo cáo T2015-37TĐ Selected signal: 10 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 10 0 -10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Time (s) Fundamental (50Hz) = 7.467 , THD= 6.19% 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mag(% of Fundamental) 4 Frequency (Hz) x 10 Hình 13. Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch là hằng số với Iref_max=7.5A Hài THD dòng điện của phương pháp đề nghị là 2.3% trong hình 12 thấp hơn so với trường hợp tần số chuyển mạch là hằng số là 3.06% như trong hình 11 với Iref_max=15 A, trong khi giá trị trung bình tổn hao chuyển mạch cả hai trường hợp là như nhau. Tương tự, hài THD dòng điện của phương pháp đề nghị với Iref_max=7.5 A là 4.74% trong hình 14 thấp hơn so với các tiêu chuẩn lưới điện yêu cầu [3]-[5], trong khi trường hợp tần số chuyển mạch là hằng số là 6.19% trong hình 13 vượt quá yêu cầu của các tiêu chuẩn lưới điện trong cùng giá trị tổn hao chuyển mạch. Lê Thanh Lâm 24
36. Báo cáo T2015-37TĐ Selected signal: 10 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 10 0 -10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Time (s) Fundamental (50Hz) = 7.469 , THD= 4.74% 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mag (% of Fundamental) Frequency (Hz) 4 x 10 Hình 14. THD dòng điện với Iref_max=7.5A trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị 2500 Pg (W) 2000 Qg (Var) 1500 1000 Power 500 0 0 0.1 0.2 (a) 20 Ig Vg/15 0 Vg(V) & Ig (A) -20 0 0.1 0.2 (b) Time (s) Hình 15. Đáp ứng ngõ ra bộ nghịch lưu (a) Công suất tác dụng và phản kháng ngõ ra (b) Dòng và điện áp ngõ ra Hơn nữa, trị đỉnh dòng điện bậc một của phương pháp đề nghị trong hình 12 là 15.02 A cao hơn phương pháp hằng số trong hình 11 là 15.01 A. Điều này làm cho hệ Lê Thanh Lâm 25
37. Báo cáo T2015-37TĐ số công suất của phương pháp đề nghị cao hơn phương pháp hằng số trong cùng giá trị trung bình tổn hao chuyển mạch. Tương tự, đỉnh dòng điện bậc một của phương pháp đề nghị trong hình 14 là 7.469 A cao hơn phương pháp hằng số trong hình 13 là 7.467 A. Phổ của phương pháp hằng số trong hình 11 và 13 cũng cho thấy các hài riêng thì cao đáng kể. Điều này gây nên nhiễu trong truyền thông. Vài hài riêng của phương pháp hằng số trong hình 11 là 1.5% và hình 13 là 3% là cao hơn phương pháp đề nghị trong hình 12 là 0.7% và hình 14 là 1.4%. Phổ của phương pháp đề nghị trải ra trong khoảng rộng như trong hình 12 và 14. Điều này làm cho các hài riêng giảm đáng kể. Vì vậy, nó rất phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực viễn thông và quân đội. Constant carrier wave 10 0 Ig (A) Ig -10 0 0.01 0.02 (a) 10 Proposed carrier wave 0 Ig (A) Ig -10 0 0.01 0.02 (b) Time (s) Hình 16. Dòng điện ngõ ra bộ nghịch lưu (a) Dòng điện ngõ ra trường hợp sóng mang là hằng số (b) Dòng điện ngõ ra trường hợp sóng mang đề nghị Hình 15(a) cho thấy công suất tác dụng ngõ ra của bộ nghịch lưu là 2336 W với Iref_max=15 A và là 1162 W với Iref_max=7.5A khi công suất phản kháng của bộ nghịch lưu luôn là zero. Điện áp và dòng điện ngõ ra cũng được trình bày trong hình 15(b). Lê Thanh Lâm 26
38. Báo cáo T2015-37TĐ Dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu của phương pháp đề xuất trong hình 16(b) cho thấy nhiễu hài dòng điện rải đều hơn phương pháp hằng số trong hình 16(a). Lê Thanh Lâm 27
39. Báo cáo T2015-37TĐ Chương 6: KẾT LUẬN Lê Thanh Lâm 28
40. Báo cáo T2015-37TĐ Kỹ thuật đề xuất với chu kỳ chuyển mạch thay đổi trong nữa chu kỳ lưới đã cho thấy hài THD dòng điện giảm đáng kể khi so sánh với chu kỳ chuyển mạch là hằng số truyền thống trong cùng giá trị trung bình tổn hao chuyển mạch. Việc giảm THD dòng điện có thể giảm đáng kể kích thước của bộ lọc và giá thành các bộ nghịch lưu. Hơn nữa, linh kiện bán dẫn đóng ngắt với tần số chuyển mạch thấp gần dòng đỉnh có thể góp phần kéo dài tuổi thọ của các bộ nghịch lưu. Nhiễu dòng điện giảm đáng kể gần zero cũng góp phần cải thiện chất lượng điện năng. Để đáp ứng sự thay đổi dòng tải trong điều kiện thực tế, các trọng số có thể được chuẩn bị offline cho các mức dòng điện khác nhau bằng cách sử dụng phương pháp tra bảng trong MATLAB. Với kỹ thuật này, tổn hao chuyển mạch có thể cũng giảm đáng kể trong cùng điều kiện hài THD dòng điện. Thêm vào đó, cách tiếp cận này có thể được ứng dụng cho các bộ nghịch lưu ba pha và những kỹ thuật PWM khác. Phổ của phương pháp đề nghị được trải ra trong dải rộng. Vì thế, nó cũng thích hợp cho các ứng dụng trong viễn thông và quân đội. Lê Thanh Lâm 29
41. Báo cáo T2015-37TĐ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F. Blaabjerg, Z. Chen, and S.B. Kjaer, Power electronics as efficient interface in dispersed power generation systems, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.19, No. 5, p. 1184-1194, September 2004. [2] E. Liu and J. Bebic, Distribution system voltage performance analysis for high-penetration photovoltaics,GE Global Res., Niskayuna, NY, Rep. NREL/SR-581-42298, 2008 [3] IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems, IEEE Standard 929, 2000. [4] IEEE Application Guide for IEEE Std 1547™, IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, 2009 [5] A. Woyte, K. De Brabandere, D.V. Dommelen, R. Belmans, and J. Nijs, International harmonization of grid connection guidelines: adequate requirements for the prevention of unintentional islanding, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Vol. 11, p. 407-424, 2003. [6] T. G. Habetler, R. G. Harley, Power electronic converter and system control,Proceedings of the IEEE, vol.89, no.6, pp.913-925, Jun 2001. [7] Y. Sozer, D. A. Torrey, Modeling and Control of Utility Interactive Inverters,IEEE Transactions on Power Electronics, vol.24, no.11, pp.2475-2483, Nov. 2009 [8] L. Wu, Z. Zhao, J. Liu, A Single-Stage Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic System With Modified MPPT Method and Reactive Power Compensation, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol.22, no.4, pp.881-886, Dec. 2007. [9] Z. Chen, J. M. Guerrero, F. Blaabjerg, A Review of the State of the Art of Power Electronics for Wind Turbines,IEEE Transactions on Power Electronics, vol.24, no.8, pp.1859-1875, Aug. 2009. [10] J. H. Lee and B. H. Cho, Large time-scale electro-thermal simulation for loss and thermal management of power MOSFET,in Proceedings of IEEE Power Electron Spec. Conf., pp. 112–117, 2003. Lê Thanh Lâm 30
42. Báo cáo T2015-37TĐ [11] S. Yang, Q. Lei, F. Z. Peng, Z. Qian, A Robust Control Scheme for Grid-Connected Voltage-Source Inverters,IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, no.1, pp.202-212, Jan. 2011. [12] Xiaolin Mao, RajapandianAyyanar, and Harish K. Krishnamurthy, Optimal Variable Switching Frequency Scheme for Reducing Switching Loss in Single-Phase Inverters Based on Time-Domain Ripple Analysis, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 4, April, pp. 991-1001, 2009. [13] Bo Cao, Liuchen Chang, A Variable Switching Frequency Algorithm to Improve the Total Efficiency of Single-Phase Grid-Connected Inverters, IEEE APEC, pp. 2310-2315, 2013. [14] IlhamiColak, ErsanKabalci, RamazanBayindir, Review of multilevel voltage source inverter topologies and control schemes, International Journal on Energy Conversion and Management, 52, pp. 1114–1128, 2011. [15] Chen Xiaoju, Zhang Hang, Zhao Jianrong, A new Improvement Strategy based on hysteresis space vector control of Grid-connected inverter, The International Conference on Advanced Power System Automation and Protection, pp. 1613-1617, 2011. Lê Thanh Lâm 31
43. S K L 0 0 2 1 5 4