TIỂU LUẬN CUỐI KỲ môn học kỹ thuật điều khiển nâng cao đề tài thực thi bộ điều khiển PR cho biến tần dùng trong các hệ thống năng lượng tái tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TIỂU LUẬN CUỐI KỲ Môn học: Kỹ thuật Điều khiển Nâng cao (ELT-6053) Tên đề tài: Thực thi điều khiển PR cho biến tần dùng hệ thống lượng tái tạo Họ tên học viên : Đào Mạnh Hiệp Mã HV : 19028009 Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Thị Thanh Vân Hà Nội, 11/2021 Mục lục Danh mục hình vẽ I Tính cấp thiết nghiên cứu II Lý thuyết điều khiển PR III Thiết kế, mô điều khiển PR 13 Đặc tả thiết kế: 13 Mô phần mêm Simulink 13 2.1 Mô khối điều khiển PR 13 2.2 Mô khối điều chế độ rộng xung PWM 14 2.3 Mơ hình hóa hệ thống biến tần 14 IV Kết luận 15 Kết mô 15 Kết luận 15 V Tài liệu tham khảo 16 Danh mục hình vẽ Hình 1: Các nguồn lượng tái tạo Hình 2: Bộ chỉnh lưu cầu cho mạng điện pha Hình 3: Mơ hình điều khiển PR Hình 4: Sơ đồ khối thực thi điều khiển PR 10 Hình 5: Mơ hình hóa điều khiển PR thực tế 11 Hình 6: Sơ đồ khối điều khiển PR kết hợp bù pha 12 Hình 7: Mơ hình khối điều khiển điện áp PR 13 Hình 8: Mơ hình khối điều chế độ rộng xung PWM 14 Hình 9: Mơ hình khối biến tần cho hệ thống điện tái tạo pha sử dụng điều khiển điện áp P 14 Hình 10: Kết mô hệ thống Simulink 15 I Tính cấp thiết nghiên cứu Trong năm gần đây, chứng kiến tăng trưởng phát triển nhu cầu nguồn lượng tái tạo (Renewable Energy Sources – RES) Dưới ảnh hưởng ngày nghiêm trọng tượng nhà kính (Greenhouse Effect) kết hợp với khan nguồn lượng hóa thạch dầu mỏ, than đá, khí đốt Liên minh Châu Âu đặt mục tiêu nâng cao tỷ trọng lượng tái tạo lên 32% vào năm 2030 [1] Vừa qua, Hội nghị Liên hợp quốc chống biến đổi khí hậu (COP26), Liên minh Năng lượng Toàn cầu cho Con người Hành tinh (GEAPP) mắt Mục tiêu tổ chức phổ biến hóa lượng tái tạo cho người dân nước phát triển Từ giảm thiểu khí thải phụ thuộc vào nguồn lượng hóa thạch Các nguồn lượng tái tạo sử dụng phổ biến điện gió, quang điện, địa nhiệt, thủy điện v.v biểu diễn Hình Với ưu điểm khơng phát thải khí thải mơi trường, chi phí vận hành gần khơng, nguồn lượng tái tạo ngày chứng tỏ ưu vượt trội dần thay cho nguồn lượng hóa thạch trình bày Bảng Tuy nhiên, mạng lưới điện dân dụng ngày sử dụng dòng điện xoay chiều, khi, sản phẩm điện thu từ nguồn lượng quang điện dịng chiều Do đó, biến tần dạng lưới (grid-connected inverters) vơ Hình 1: Các nguồn lượng tái tạo cần thiết việc chuyển đổi DC-AC Có nhiều kiến trúc khác hệ thống điều khiển cho biến tần dạng lưới [2]- [6] Phương pháp điều khiển biến tần phổ sử dụng điều khiển vector dựa việc chuyển đổi dạng sóng dòng điện thành frame tham chiếu đồng (Synchronous Reference Frame – SRF) sử dụng điều khiển vịng khóa pha (Phase-locked loop - PLL) [7]-[9] Các kiến trúc điều khiển biến tần SFR thường dựa bù tích phân tỷ lệ (Proportional Integrating – PI) đường hồi tiếp Phương pháp thích hợp cho biến tần ba pha mở rộng dùng cho biến tần pha Bên cạnh đó, bù cộng hưởng tỷ lệ (Proportional Resonant – PR) thường sử dụng mạng điện dân dụng dùng dịng xoay chiều hình sine Đây bù bậc hai, có ưu điểm trạng thái xác lập e nên giảm sai lệch tĩnh [10]-[12] Một giải pháp hệ thống để tối ưu độ lợi cho điều khiển PR biến tần pha trình bày cơng trình [13] Trong đó, giải pháp loại bỏ dòng chiều DC hài điện áp (Harmonic Voltage) Cơng trình [14] rằng, bù PR bổ sung vào vòng phản hồi thường nâng cao độ phức tạp tính tốn, triển khai miền số (Digital Implementation) Hơn nữa, hàm điều khiển PR bậc hai cần điều khiển tích hợp bổ sung để loại bỏ phần bù chiều Để tránh việc sử dụng bù PR, giải pháp đề xuất chuyển tham số sang miền dq cơng trình [15] Giải pháp sử dụng điều khiển tối ưu dựa lý thuyết điều chỉnh bậc hai phi tuyến cho biến tần bậc năm cho dòng pha sử dụng lọc đầu LCL Để nâng cao tính ổn định điều khiển PR, điều khiển hãm (Damped Controller) đề xuất cơng trình [16] sử dụng [17]-[19] Nó tần số cắt điều khiển hãm mở rộng miền ổn định điều khiển PR gây sai lệch tĩnh Nhiều cơng trình [20], [21] phương pháp làm tăng độ trễ hệ thống điều khiển không khuyến nghị sử dụng phương pháp Trong báo cáo này, tác giả thực thi khảo sát điều khiển PR cho biến tần dùng cho mạng pha cho hệ thống lượng tái tạo Từ đó, vấn đề điều khiển PR Bài báo cáo chia làm phần: phần II trình bày lý thuyết điều khiển PR PI thường sử dụng mạng lưới điện tái tạo Sau đó, mục III, tác giả thực tính tốn, khảo sát thực thi điều khiển PR Cuối mục IV, tác giả đưa nhận xét đánh giá ưu, nhược điểm điều khiển PR Bảng 1: Ưu, nhược điểm nguồn lượng Các nguồn lượng Ưu điểm Nhược điểm Năng lượng hóa thạch (than đá, khí đốt, dầu mỏ) Đáng tin cậy Ổn định, phụ thuộc vào thời tiết hay biến đổi khí hậu Phát thải khí thải gây hiệu ứng nhà kính Trữ lượng tài nguyên dần cạn kiệt Điện hạt nhân Đáng tin cậy Ổn định, phụ thuộc vào thời tiết hay biến đổi khí hậu Chi phí vận hành lớn, khó kiểm sốt xử lý chất thải phóng xạ Điện gió Nguồn lượng sạch, khơng phát thải CO2 vào khí Chi phí vận hành bảo dưỡng thấp Chi phí lắp đặt lớn, hiệu suất khơng cao khơng phải lúc có gió Điện sóng Nguồn lượng sạch, khơng phát thải CO2 vào khí Chi phí lắp đặt lớn Điện thủy triều Nguồn lượng sạch, khơng phát thải CO2 vào khí Hiệu sản xuất lớn chi phí vận hành khơng đáng kể Chi phí lắp đặt lớn Ảnh hưởng tới hệ sinh thái biển Thủy điện Nguồn lượng sạch, khơng phát thải CO2 vào khí Chi phí vận hành bảo dưỡng thấp Chi phí lắp đặt lớn Thay đổi dịng chảy gây hạn hán lũ lụt Bên cạnh đó, hệ sinh thái xung quanh bị ảnh hưởng nghiêm trọng Điện mặt trời Nguồn lượng sạch, khơng phát thải CO2 vào khí Chi phí vận hành bảo dưỡng thấp Hiệu thấp khơng phải lúc có nắng Năng lượng sinh khối Giảm phụ thuộc vào nguồn lượng hóa thạch nguồn cung cấp sẵn có Phát thải khí thải, ảnh hưởng tới mơi trường Ngồi ra, chi phí xây dựng vận hành nhà máy tốn so với nguồn lượng khác II Lý thuyết điều khiển PR Bộ chỉnh lưu sử dụng hệ thống tái tạo lượng pha mơ tả Hình Cấu tạo chỉnh lưu cầu bao gồm nguồn điện chiều DC (tế bào quang điện), bốn transistor (T1,T2,T3,T4) tạo thành mạch cầu kết hợp với mạch lọc L để loại bỏ thành phần hài điện áp Hình 2: Bộ chỉnh lưu cầu cho mạng điện pha Trong thực tế, biến tần kết nối với mạng lưới điện xoay chiều có tần số 50 MHz (hay 60 MHz Nhật Bản) Các điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) vịng kín thường sử dụng rộng rãi biến tần nhằm loại bỏ nhiễu hài giảm độ méo điện áp Để điều khiển điều chế PWM, báo cáo này, tác giả thực thi điều khiển PR mơ hình hóa Hình 3: Mơ hình điều khiển PR Về chất, hàm điều khiển 𝐺𝐶 (𝑠) điều khiển PR biểu diễn công thức (1): 𝐺𝐶 (𝑠) = 𝐾𝑃 + 𝐾𝑟 𝑠 𝑠 + 𝜔02 (1) với 𝜔0 tần số điện áp tham chiếu (50 MHz với mạng lưới điện dân dụng Việt Nam) 𝐾𝑃 độ lợi tỷ lệ (Proportional Gain) đặc trưng cho đáp ứng động độ lợi, biên độ pha băng thông điện áp Sơ đồ khối thực thi điều khiển PR mơ tả trình bày Hình 4: Sơ đồ khối thực thi điều khiển PR Trong biểu thức trên, mẫu số 𝑠 + 𝜔02 tạo thành điểm khuếch đại điều khiển vô hạn 𝜔0 Do đó, tạo nên vấn đề ổn định, sai số độ lệch tĩnh Trong thực tế, để tránh tượng trên, điều khiển PR có hàm điều khiển 𝐺𝐶 (𝑠) sau: 𝐺𝐶 (𝑠) = 𝐾𝑃 + 𝐾𝑟 2𝜔𝑐 𝑠 𝑠 + 2𝜔𝑐 𝑠 + 𝜔02 (2) với 𝜔𝑐 thành phần tần số cắt Trong biểu thức (2), độ lợi điều khiển thành phần tần số cộng hưởng 𝜔0 hữu hạn 10 Hình 5: Mơ hình hóa điều khiển PR thực tế Tuy nhiên, độ lợi đủ lớn để gây tượng sai lệch tĩnh tần số cộng hưởng Bên cạnh đó, dựa theo công thức (2), biên độ thực điều khiển PR tổng 𝐾𝑃 𝐾𝑟 tần số cắt 𝜔0 Do đó, băng thơng điều khiển chênh lệch hai tần số mà đó, biên độ thực độ lợi điều khiển 𝐾𝑃 + 𝐾𝑟 /√2 Điều diễn tả công thức (3) (4): 𝐺𝐶 (𝑗𝜔) = 𝐾𝑃 + Δ𝑓 = 𝐾𝑟 √2 𝜔𝐶 ⋅𝜋 (3) (4) Các điều khiển PR sử dụng công thức (2) mơ hình hóa Error! Reference source not found Trong số cơng trình, bù pha sử dụng để loại bỏ ảnh hưởng độ trễ tính tốn Từ nâng cao hiệu suất, độ xác giảm sai số điều khiển PR Hàm truyền mơ tả cơng thức 𝐺𝑃𝑅 (𝑠) = 𝐾𝑃 + 𝐾𝑟 𝑠 ⋅ 𝑐𝑜𝑠(𝜙ℎ ) − 𝜔ℎ ⋅ sin(𝜙ℎ ) 𝑠 + 𝜔ℎ2 (5) với góc lệch 𝜙ℎ độ trễ pha cho hài điện áp tính tốn cơng thức sau (6): 11 𝜙ℎ = 𝑁 ⋅ 360𝑜 ⋅ 𝜔ℎ ⋅ 2𝜋 𝑓𝑠 (6) Dễ dàng thấy thành phần bù pha thành phần rời rạc thực thi cho hài điện áp riêng biệt Để thực thi bù pha kết hợp với điều khiển điện áp PR sơ đồ khối thực thi Hình Hình 6: Sơ đồ khối điều khiển PR kết hợp bù pha Trong giới hạn tiểu luận báo cáo, tác giả sử dụng sơ đồ khối điều khiển pha thực tế để thực thi khảo sát Từ đó, đưa vấn đề tốn điều khiển điện áp PR cho chỉnh tần cho mạng lưới điện pha hệ thống điện tái tạo Phần thiết kế thực thi điều khiển pha trình bày chi tiết mục sau 12 III Thiết kế, mô điều khiển PR Đặc tả thiết kế: Giả định tham số hệ thống điều khiển PR cho biến tần dạng lưới dùng hệ thống điện pha sau: • • • • • Thời gian đáp ứng điều khiển: 𝒕𝒓𝒆𝒔 = 𝟏𝟓𝟎𝝁𝒔 Cuộn cảm: 𝑳𝟏 = 𝟒 𝟎𝟔𝒎𝑯 𝑳𝟐 = 𝟒 𝟑𝟓𝒎𝑯 Tụ điện lọc: 𝑪 = 𝟔 𝟎𝟏𝟕𝟓𝝁𝑭 Điện trở tương đương: 𝟎 𝟎𝟎𝟒𝟐 𝛀 Hệ số khuếch đại: 𝒌𝒓 = 𝟏𝟎𝟎 Dựa vào cơng thức trình bày ta tính tốn giá trị 𝐾𝑃 𝐾𝑅 sau: 𝐾𝑃 = 𝐿1 4.06𝑚𝐻 = = 27.066 𝑡𝑟𝑒𝑠 150𝜇𝑠 𝜔2 (2 ⋅ 𝜋 ⋅ 50)2 𝐾𝑅 = = = 986.83 𝑘𝑟 100 Mô phần mêm Simulink 2.1 Mơ khối điều khiển PR Hình 7: Mơ hình khối điều khiển điện áp PR 13 2.2 Mơ khối điều chế độ rộng xung PWM Hình 8: Mơ hình khối điều chế độ rộng xung PWM 2.3 Mơ hình hóa hệ thống biến tần Hình 9: Mơ hình khối biến tần cho hệ thống điện tái tạo pha sử dụng điều khiển điện áp P 14 IV Kết luận Kết mơ Hình 10: Kết mô hệ thống Simulink Kết luận Thiết kế thực thi điều khiển PR cho biến tần pha dạng lưới cho hệ thống lượng tái tạo Kết mô Hình 10 cho thấy thời gian đáp ứng hệ thống điều khiển cỡ 0.015s so với chu kỳ 0.02s Thời gian đáp ứng lớn so với nhu cầu hệ thống cung cấp điện Vấn đề tối ưu thời gian đáp ứng hệ thống điều khiển vấn để nghiên cứu cho nhà khoa học 15 V Tài liệu tham khảo [1] https://ec.europa.eu/energy/topics/renewable-energy/directive-targetsand-rules/renewable-energy-directive_en [2] F Blaabjerg, R Teodorescu, M Liserre and A V Timbus, "Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems", IEEE Trans Ind Electron., vol 53, no 5, pp 1398-1409, 2006 [3] A Timbus, M Liserre, R Teodorescu, P Rodriguez and F Blaabjerg, "Evaluation of current controllers for distributed power generation systems", IEEE Trans Power Electron., vol 24, no 3, pp 654-664, Mar 2009 [4] Z Zeng, H Yang, R Zhao and C Cheng, "Topologies and control strategies of multifunctional grid-connected inverters for power quality enhancement: A comprehensive review", Renewable Sustain Energy Rev., vol 24, pp 223-270, 2013 [5] R Teodorescu, F., Blaabjerg, M Liserre and P C Loh, "Proportionalresonant controllers and filters for grid-connected voltage-source converters", IEE Proc Elect Power, vol 153, no 5, pp 750-762, Sep 2006 [6] A Ayad, M Hashem, C Hackl and R Kennel, "Proportional-resonant controller design for quasi-Z-source inverters with LC filters", Proc 42nd Annu Conf IEEE Ind Electron Soc., pp 3558-3563, 2016 [7] F Blaabjerg, R Teodorescu, M Liserre, and A V Timbus, “Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems,” IEEE Trans Ind Electron., vol 53, no 5, pp 1398–1409, Oct 2006 [8] H Karimi, H Nikkhajoei, and R Iravani, “Control of an electronicallycoupled distributed resource unit subsequent to an islanding event,” IEEE Trans Power Del., vol 23, no 1, pp 493–501, Jan 2008 [9] J Rocabert, A Luna, F Blaabjerg, and P Rodriguez, “Control of power converters in AC microgrids,” IEEE Trans Power Electron., vol 27, no 11, pp 4734–4749, Nov 2012 16 [10] R Teodorescu, F Blaabjerg, M Liserre, and P C Loh, “Proportionalresonant controllers and filters for grid-connected voltagesource converters,” IEE Proc.-Elect Power Appl., vol 153, no 5, pp 750–762, 2006 [11] B Li, W Yao, L Hang, and L Tolbert, “Robust proportional resonant regulator for grid-connected voltage source inverter (vsi) using direct pole placement design method,” IET Power Electron., vol 5, no 8, pp 1367–1373, 2012 [12] M Mirhosseini, J Pou, B Karanayil, and V G Agelidis, “Resonant versus conventional controllers in grid-connected photovoltaic power plants under unbalanced grid voltages,” IEEE Trans Sustain Energy, vol 7, no 3, pp 1124–1132, Jul 2016 [13] S A Khajehoddin, M Karimi-Ghartemani, and M Ebrahimi, “Optimal and systematic design of current controller for grid-connected inverters,” IEEE J Emerg Sel Topics Power Electron., vol 6, no 2, pp 812–824, Jun 2018 [14] C Xie, X Zhao, K Li, J Zou, and J M Guerrero, “Multirate resonant controllers for grid-connected inverters with harmonic compensation function,” IEEE Trans Ind Electron., vol 66, no 11, pp 8981–8991, Nov 2019 [15] N Arab, H Vahedi, and K Al-Haddad, “LQR control of single-phase gridtied PUC5 inverter with LCL filter,” IEEE Trans Ind Electron., vol 67, no 1, pp 297–307, Jan 2020 [16] D N Zmood and D G Holmes, “Stationary frame current regulation of PWM inverters with zero steady-state error,” IEEE Trans Power Electron., vol 18, no 3, pp 814–822, May 2003 [17] M Liserre, R Teodorescu, and F Blaabjerg, “Stability of photovoltaic and wind turbine grid-connected inverters for a large set of grid impedance values,” IEEE Trans Power Electron., vol 21, no 1, pp 263– 272, Jan 2006 [18] Z Pan, F Dong, J Zhao, L Wang, H Wang, and Y Feng, “Combined resonant controller and two-degree-of-freedom PID controller for PMSLM current harmonics suppression,” IEEE Trans Ind Electron., vol 65, no 9, pp 7558–7568, Sep 2018 17 [19] R Chattopadhyay, A De, and S Bhattacharya, “Comparison of PR controller and damped PR controller for grid current control of LCL filterbased grid-tied inverter under frequency variation and grid distortion,” in Proc IEEE Energy Convers Congr Expo., 2014, pp 3634–3641 [20] D Perez-Est ´ evez, J Doval-Gandoy, A G Yepes, ´ O L ´ opez, and F Baneira, ´ “Enhanced resonant current controller for grid-connected converters with LCL filter,” IEEE Trans Power Electron., vol 33, no 5, pp 3765–3778, May 2018 [21] C A Busada, S G Jorge, and J A Solsona, “Resonant current controller with enhanced transient response for grid-tied inverters,” IEEE Trans Ind Electron., vol 65, no 4, pp 2935–2944, Apr 2018 [22] Husev, O., Roncero-Clemente, C., Makovenko, E., Pimentel, S P., Vinnikov, D., & Martins, J (2019) Optimization and implementation of the proportional-resonant controller for grid-connected inverter with significant computation delay IEEE Transactions on Industrial Electronics, 67(2), 1201-1211 18 ... tỷ lệ (Proportional Gain) đặc trưng cho đáp ứng động độ lợi, biên độ pha băng thông điện áp Sơ đồ khối thực thi điều khiển PR mô tả trình bày Hình 4: Sơ đồ khối thực thi điều khiển PR Trong biểu... phần rời rạc thực thi cho hài điện áp riêng biệt Để thực thi bù pha kết hợp với điều khiển điện áp PR sơ đồ khối thực thi Hình Hình 6: Sơ đồ khối điều khiển PR kết hợp bù pha Trong giới hạn tiểu... thực thi khảo sát Từ đó, đưa vấn đề toán điều khiển điện áp PR cho chỉnh tần cho mạng lưới điện pha hệ thống điện tái tạo Phần thi? ??t kế thực thi điều khiển pha trình bày chi tiết mục sau 12 III Thi? ??t