Đánh giá ảnh hưởng của các tham số cấu trúc đến chất lượng điều khiển của biến tần nối lưới dùng trong năng lượng gió 3

76 CHƢƠNG 3 SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CẤU TRÖC ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN Chất lƣợng điện n ng ngõ ra phụ thuộc trực tiếp vào chất lƣợng ộ điều khiển và ộ lọc phía lƣới N ng lƣợng DC đƣợc chuyển thành AC ở ngõ ra với tần số và điện áp đồng ộ với lƣới sau đó đƣợc kế nối trực tiếp với lƣới phân phối, tải độc lập hoặc một lƣới điện nhỏ, đây cũng là một ộ phận quan trọng kiểm soát công suất phản kháng và công suất tác dụng của hệ thống Tùy theo từng loại hình phụ tải đƣợc kết nối sẽ có tƣơng ứn.

CHƢƠNG SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CẤU TRÖC ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN Chất lƣợng điện n ng ngõ phụ thuộc trực tiếp vào chất lƣợng ộ điều khiển ộ lọc phía lƣới N ng lƣợng DC đƣợc chuyển thành AC ngõ với tần số điện áp đồng ộ với lƣới sau đƣợc kế nối trực tiếp với lƣới phân phối, tải độc lập lƣới điện nhỏ, ộ phận quan trọng kiểm sốt cơng suất phản kháng công suất tác dụng hệ thống Tùy theo loại hình phụ tải đƣợc kết nối có tƣơng ứng phƣơng cách chiến lƣợc điều khiển khác nhƣ phƣơng pháp điều khiển tập trung, phƣơng pháp điều khiển phụ, phƣơng pháp điều khiển sai lệch công suất, phƣơng pháp điều khiển mạng lƣới kết nối chung, phƣơng pháp điều khiển trƣợt tần số điện áp Và để cải thiện thất lƣợng điện áp dòng điện ộ VSI thƣờng có ộ lọc đƣợc thêm vào để loại ỏ thành phần sóng hài Thơng thƣờng ộ lọc đƣợc sử dụng ộ lọc L, LC, LCL Bộ lọc với cuộn cảm L đƣợc dùng để làm suy giảm thành phần hài toàn ộ dải tần, nhiên ộ lọc làm giảm tính n ng động hệ thống thƣờng đƣợc sử dụng cho ộ chuyển đổi có tần số chuyển mạch cao Bộ lọc với cuộn cảm tụ điện LC đƣợc dùng để giảm cộng hƣởng, nhiên chất lƣợng điều khiển phụ thuộc đáng kể vào giá trị tụ độ tự cảm có tần số cộng hƣởng Ở tập trung vào ộ lọc LCL kết hợp với hệ thống VSI, đánh giá tác động tham số điều khiển thông số ộ lọc tác động đến độ ổn định chất lƣợng hệ thống 3.1 Xây dựng mô hình tốn cho hệ thống Trƣớc tiên để đơn giản hóa ài tốn ta xét sơ đồ kết nối ngõ với ộ lọc đơn giản ộ lọc cuộn cảm L 76 3.1.1 Mơ hình tốn lọc kết nối lưới thơng qua cuộn cảm L Hình 3.1 Sơ đồ biến tần kết nối lƣới qua lọc L Phƣơng trình trạng thái biến tần pha đƣợc mơ hình hình hóa ằng vector khơng gian chuyển mạch với j = a,b,c đóng cơng tắc ằng đóng cơng tắc dƣới : ̅ ] Trong ̅ (3.1) Và từ ta có đƣợc điện áp AC từ biến tần phía lƣới : ̅ (3.2) Ngõ iến tần tiếp tục đƣợc kết nối với lƣới thông qua ộ lọc L, từ ta có phƣơng trình cân ằng sau : ̅ ̅ ̅ Trong thành phần ̅ ̅ ̅ (3.3) ̅ lần lƣợt vector không gian điện áp ngõ iến tần, điện áp đặt lên lƣới, dòng điện ngõ vào iến tần Chuyển vế 77 phƣơng trình (3.3) kết hợp với phƣơng trình (3.2) (3.1) ta có đƣợc phƣơng trình dịng điện điện áp tƣơng ứng cho pha : ̅ ̅ ̅ ̅ (3.4) Để phân tích hệ thống pha ta sử dụng trạng thái t nh khung xoay dq , trƣờng hợp khung đƣợc ký hiệu  trƣờng hợp thứ đƣợc ký hiệu dq ( d : direct / q : quadrature ) Khung quay dq đƣợc đặc trƣng ằng vận tốc gốc  với =2 f, f tần số điện áp lƣới điện Các vector không gian iểu thị cho đại lƣợng hệ thống điện theo trục  theo hệ trục dq Hình 3.2 Khung  dq hệ trục tọa độ Từ đại lƣợng pha hệ thống ta tham chiếu qua trục  dq để điều khiển biến tần với phƣơng trình liên quan ên dƣới : 78 * += [ * += [ √ ].[ √ ] (3.5) ].[ ] Ta thu đƣợc phƣơng trình (3-5) từ phƣơng trình (3-6) góc (3.6) , liên quan vector không gian hệ trục tọa độ đƣợc thể hình 3.2 Ta có phƣơng trình tốn học mơ tả cho hệ trục  từ phƣơng trình (3-4) nhƣ sau : { (3.7)     Khi tốc độ quay khung khơng đổi thành phần vector quay theo trục d q có độ lớn không đổi tƣơng ứng thành phần dq quay với tốc độ thay đổi, độ lớn thành phần liên quan thay đổi theo thời gian ta có phƣơng trình tốn học mơ tả cho hệ trục xoay dq với tốc độ góc  có dạng : {  (3.8)  Trong hệ trục tọa độ dq, phƣơng trình vi phân theo trục d q phụ thuộc vào thông số   3.1.2 Mơ hình tốn học kết nối lưới thơng qua lọc LCL Mơ hình kết nối ộ iến đổi nguồn áp ộ lọc LCL đƣợc sử dụng phổ iến thực thế, đặc iệt hệ thống microgrid 79 Hình 3.3 Sơ đồ tƣơng đƣơng ộ lọc LCL iến tần nối lƣới Dựa sơ đồ kết nối, dùng định luật Kirchhoff ta lập đƣợc hệ phƣơng trình kết nối lƣới ằng ộ lọc LCL tọa độ dq nhƣ sau : = [ + ] ( ) ( [ ) ( ) ( ) ( [ [ ] ) ( )] [ ] ) ( * + + ( ) * + (3.9) ] 3.1.3 Xây dựng hàm truyền cho hệ thống Ta xét tham số hệ thống pha đƣợc xem cân ằng mà khơng tính tổng qt nhƣ sau : 80 { Hình 3.4 Sơ đồ tƣơng đƣơng pha hệ thống VSI - LCL Ta xét mạch tƣơng đƣơng hệ thống nhƣ hình 3.4, thành phần cảm kháng điện trở nội pha cuộn cảm phía iến tần, thành phần cảm kháng điện trở nội pha cuộn cảm phía lƣới, C tụ lọc pha Từ ta viết phƣơng trình Kirchhoffs cho sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng pha : (3-10) { Thực phép chuyển đổi iểu thức sang khung , ta có phƣơng trình tốn học mơ tả cho hệ thống VSI kết hợp lọc LCL nhƣ sau :   {         (3-11)  Ta sử dụng phƣơng pháp giảm dao động dựa điều khiển đa vịng cho hệ thống iến tần phía lƣới kết hợp ộ lọc LCL, khối điều khiển VSI kết hợp ộ lọc LCL dựa phƣơng pháp đa vòng hệ trục tọa độ  đƣợc thể nhƣ hình ên dƣới : 81 Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển biến tần VSI kết hợp LCL Trong khối điều khiển, dòng qua tụ lọc đƣợc sử dụng làm tín hiệu hồi tiếp dịng điện lƣới đƣợc dùng làm tín hiệu hồi tiếp Và vòng lặp điều khiển hàm chuyển tiếp đầy đủ Trong hình ên trên, hàm VSI, hàm hàm truyền hàm điều khiển hệ thống Bộ điều khiển xem nhƣ ộ điều khiển phân tích tỷ lệ PI, ộ điều khiển cộng hƣởng tỷ lệ PR, điều khiển ù sóng hài, ộ điều khiển dead eat Trong phần ta xét đến ộ điều khiển ù sóng hài Thơng thƣờng tần số chuyển mạch cao nhiều so với tần số lƣới điện đó,với ộ điều chế độ rộng xung dựa sóng hình sin, hàm truyền VSI số đƣợc xác định tƣơng đối từ điện áp đầu vào DC iên độ sóng mang tam giác Từ sơ đồ khối an đầu ta rút gọn lại thành sơ đồ ên dƣới : Hình 3.6 Sơ đồ khối rút gọn hệ điều khiển biến tần VSI kết hợp LCL Trong hình 3.6 ên trên, tín hiệu khiển đa vòng,   đại diện cho dòng điện ngõ điều đại diện cho dòng điện hệ tọa độ t nh  Từ sơ đồ 82 tƣơng đƣơng nhƣ trên, ta có đƣợc hàm truyền vịng lập mở đƣợc thể nhƣ sau : (3-12) Trong hàm truyền hệ thống với : ( (3-13) ) ( ( ) ) ( ) (3-14) Từ ta có hàm truyền tổng quát cho hệ thống hồi tiếp nhƣ sau : (3.15) Với hàm điều khiển ù sóng hài có dạng tốn học nhƣ phƣơng trình ên dƣới : ∑ (3-16) Kết hợp với hàm truyền vịng kín (3.15) ta có : [ ] [ ∑ Với : { (3-17) ] ∏ ∏ Trong : ( { 83 ) Nếu ta xét đến thành phần sóng hài tức , phƣơng trình hàm truyền hệ thống có dạng : (3-18) Với hệ số a lần lƣợt : { [ ] { 84 Bảng 1.2 Thông số giả lập mô hệ thống VSI-LCL Điện áp lƣới 320 V Tần số lƣới f 50 Hz Trở kháng phía lƣới ,  Trở kháng phía inverter ,  Tụ lọc Tần số đóng cắt 3.2 Sự phụ thuộc ổn định hệ thống vào thông số R,L,C Các thông số L C hệ thống thay đổi theo thời gian vận hành không đƣợc xác định cách xác, thay đổi thơng số hệ thống ảnh hƣởng đến chất lƣợng ngõ chung hệ thống VSI-LCL Chúng ta xét phƣơng trình hàm truyền hệ thống thay đổi thông số cuộn cảm khoảng từ 0.15mH đến 0,7mH, ta đƣợc kết nhƣ hình ên dƣới : 85 Hình 3.7 Quỹ đạo nghiệm số thay đổi giá trị L1thay đổi Sự thay đổi thông số hệ thống khiến hệ thống ổn định gây ảnh hƣởng đến chất lƣợng ngõ ra, dựa theo tiêu chí Rough hệ thống ổn định nghiệm phƣơng trình đặc trƣng có phần thực âm, tức tất nghiệm phải nằm ên trái mặt phẳng phức Nhƣ với kết thông số trở kháng thay đổi từ 0.15mH đến 0,7mH khiến trạng thái hệ thống thay đổi từ ổn định đến không ổn định Ta tiếp tục thực kiểm tra tính ổn định hệ thống lần lƣợt thay đổi thông số L2 C so với giá trị an đầu khoảng 0.5 đến 1.5 lần giá trị gốc : 86 Hình 3.8 Quỹ đạo nghiệm số tƣơng ứng thay đổi giá trị L1 C Tƣơng tự ta xét tính ổn định hệ thống tham số R thay đổi : 87 Hình 3.9 Quỹ đạo nghiệm số tƣơng ứng thay đổi giá trị R1 R2 Từ kết trên, ta thấy thông số hệ thống thay đổi dẫn đến thay đổi tính ổn định hệ thống, với tùy giá trị thay đổi mà hệ thống có dao động khác tƣơng ứng khiến giảm chất lƣợng điều khiển giảm ổn định hệ thống vận hành thực tế Do việc thiết kế lựa chọn tham số điều khiển àn đầu cần tính tốn tới thay đổi tham số cấu trúc hệ thống 3.3 Ảnh hƣởng tham số điều khiển đến chất lƣợng hệ thống Xét hàm truyền hệ thống điều khiển đa vịng, hệ số tích phân hệ số điều khiển vịng lặp khơng ảnh hƣởng mạnh đến ổn định hệ thống, chúng thƣờng đƣợc xác định dựa yêu cầu lỗi trạng thái ổn định Tuy nhiên, hệ số tỷ lệ hệ số kiểm sốt vịng ngồi ổn định hệ thống Đặc biệt hệ số tỷ lệ ảnh hƣởng đáng kể đến không ảnh hƣởng đến ổn định hệ thống mà lỗi trạng thái ổn định Do đó, lựa chọn giá trị hệ số quan trọng thiết kế ộ điều khiển đa vòng Trong trƣờng hợp ta 88 dùng phƣơng pháp iểu đồ nghiệm số để xác định hệ số điều khiển ằng thay đổi thông số cần khảo sát giữ hệ số khác cố định dựa tiêu chuẩn Rough Theo tiêu chuẩn này, xác định giá trị iên độ dao động hệ số điều khiển cho giá trị tham số hệ thống ằng cách giải phƣơng trình hàm tuyền hệ thống điều khiển vịng kín Các thơng số lần lặp thứ K đƣợc xác định dựa giá trị lần lặp thứ (K-1) ằng cách sử dụng giá trị nhỏ an đầu cho trƣớc, với thay đổi tham số hệ thống theo chiều t ng dần, giảm dần từ thấp đến cao ngƣợc lại, tƣơng ứng với thay đổi tham số hệ thống tƣơng ứng thực tế Trong phần luận v n ta tập trung khảo sát thay đổi thông số điều khiển theo thông số hệ thống R,L,C với mức giới hạn dƣới thay đổi dao động khoảng so với giá trị an đầu Tiến hành mô lƣu đồ với matlap, ta thu đƣợc phân ố miền iên độ ổn định tƣơng ứng với trƣờng hợp tham số hệ thống thay đổi : Giá trị lần lƣợt thay đổi t ng dần khoảng 0.5{ { Giá trị điện trở điện cảm thay đổi 0.5{ { Giá trị phần tử thay đổi t ng dần từ 0.5{ { Giá trị phần tử thay đổi giảm dần từ 0.5{ { Giá trị phần tử điện cảm t ng giảm khoảng 0.5{ { Giá trị phần tử R giảm L t ng khoảng 0.5{ 89 { Giá trị phần tử R t ng L giảm khoảng 0.5{ { Giá trị phần tử C t ng L giảm khoảng 0.5{ { Giá trị phần tử C giảm L t ng khoảng 0.5{ { giảm khoảng 0.5{ { Giá trị phần tử t ng Giá trị phần tử t ng khoảng 0.5{ { Giá trị phần tử t ng khoảng 0.5{ { Giá trị phần tử t ng khoảng 0.5{ { Hình 3.10 kết xác định miền tham số điều khiển cho hệ thống Dựa theo định luật Routh, với giá trị thay đổi tham số hệ thống ta xác định đƣợc vùng hệ số ổn định ngẫu nhiên hệ số nhƣ kết hình 3.10 ên trên, để thấy rõ mối quan hệ thay đổi tham số hệ thống hệ số điều khiển ta vẽ đồ thị vùng hệ số điều khiển số điều khiển , từ ta thấy rằng, giới hạn ổn định hệ phụ thuộc nhiều vào thông số hệ thống, giới hạn ổn 90 định khơng có vùng giới hạn trên, mà cịn có vùng giới hạn dƣới tƣơng ứng Và tùy vào thay đổi tham số hệ thống mà vùng giới hạn ổn định tuyến tính phi tuyến Theo kết phân tích trên, ta thấy việc xác định vùng ổn định cho hệ thống trƣờng hợp thay đổi tham số hệ thống quan trọng cần đƣợc xác định cẩn thận thiết kế hệ thống 3.4 Giải thuật đề xuất Nếu ta lựa chọn hệ số thiết kế hệ thống đảm bảo đƣợc tính ổn định tham số hệ thống thay đổi Tuy nhiên việc xác định hệ số điều khiển từ phƣơng pháp khơng đảm bảo đƣợc trạng thái ổn định hệ thống thông số hệ thống thay đổi Trong phần mô ên ta tiến hành thay đổi tham số hệ thống khoảng đầu với i={1,2}, so với giá trị ban giá trị an đầu thông số hệ thống, giá trị thông số hệ thống thời điểm ngẫu nhiên thứ k Chúng ta xác định miền ổn định cho hệ số điều khiển khác hệ thống ằng phƣơng pháp đề xuất, nhiên hệ thống ta xét hệ số điều khiển có ảnh hƣởng mạnh đến độ ổn định hệ thống nên ta tập trung vào thơng số Để tìm đƣợc hệ số điều khiển phù hợp ta sử dụng lƣu đồ giải thuật ên dƣới mô chúng phần mềm matlap để tìm đƣợc vùng ổn định tối ƣu : 91 Hình 3.11 Lƣu đồ giải thuật xác định miền thông số điều khiển tối ƣu Đầu tiên ta xác định giá trị thông số an đầu cho thành phần RLC hệ thống dựa giá trị thực tế xác định vùng thay đổi tham số điều kiện mơi trƣờng ên ngồi tác động (Min-Max) Sau ta chọn ngẫu nhiên giá trị RLC miền thay đổi, vào phƣơng trình hàm truyền ta xét tính ổn định hệ thống theo định luật Routh, từ ta xác định đƣợc giá trị Kmax Ta tiếp tục thực vòng lặp với giá trị K thay đổi đến giá trị r max , với vòng lặp ta xác đinh đƣợc giá trị Kmax tƣơng ứng Và từ ta xác định đƣợc hệ số Kmax tối ƣu cho hệ thống Sau tính đƣợc miền ổn định hệ thống cho thông số thay đổi ta xác định hệ số tỷ lệ tối ƣu cho hệ thống nhƣ sau : 92 Giá trị ta chọn từ hệ số nằm vùng max – tính tốn phía trên, nhiên lỗi ổn định hệ thống t ng giá trị giá trị tốt hệ số tỷ lệ giá trị đƣợc sử dụng ài luận ta có hệ số 93 giảm, với thông số mô ... giảm chất lƣợng điều khiển giảm ổn định hệ thống vận hành thực tế Do việc thiết kế lựa chọn tham số điều khiển àn đầu cần tính tốn tới thay đổi tham số cấu trúc hệ thống 3. 3 Ảnh hƣởng tham số điều. .. đủ Trong hình ên trên, hàm VSI, hàm hàm truyền hàm điều khiển hệ thống Bộ điều khiển xem nhƣ ộ điều khiển phân tích tỷ lệ PI, ộ điều khiển cộng hƣởng tỷ lệ PR, điều khiển ù sóng hài, ộ điều khiển. .. định giá trị iên độ dao động hệ số điều khiển cho giá trị tham số hệ thống ằng cách giải phƣơng trình hàm tuyền hệ thống điều khiển vịng kín Các thơng số lần lặp thứ K đƣợc xác định dựa giá trị