Thiết kế điều khiển PI cho bộ biến đổi đa mức cầu H nối tầng kết nối lưới điện từ nguồn năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán điều chế SVM

Bài viết Thiết kế điều khiển PI cho bộ biến đổi đa mức cầu H nối tầng kết nối lưới điện từ nguồn năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán điều chế SVM giới thiệu một hệ thống pin năng lượng mặt trời (PV) kết nối với lưới điện thông qua bộ biến đổi đa mức cầu H nối tầng (CHB). Cấu trúc modul hóa của bộ biến đổi CHB giúp nâng cao hiệu quả và linh hoạt khi sử dụng hệ thống PV.

Nguyễn Văn Đoài, Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh 72 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PI CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN TỪ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU CHẾ SVM CONTROL DESIGN PI FOR CHB MULTILEVEL CONVERTER CONNECTING THE GRID FROM SOLAR SOURCE USING SVM MODULATION ALGORITHM Nguyễn Văn Đoài1, Trần Hùng Cường2, Trần Trọng Minh3 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội - Đại học Hàng hải Việt Nam; nguyenvandoai@haui.edu.vn Trường Đại học Hồng Đức; tranhungcuong@hdu.edu.vn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Minh.trantrong@hust.edu.vn Tóm tắt - Bài viết giới thiệu hệ thống pin lượng mặt trời (PV) kết nối với lưới điện thông qua biến đổi đa mức cầu H nối tầng (CHB) Cấu trúc modul hóa biến đổi CHB giúp nâng cao hiệu linh hoạt sử dụng hệ thống PV Để thu hiệu biến đổi lượng tối đa giảm tổn thất chuyển mạch van, viết đề xuất thuật toán điều khiển PI kết hợp với phương pháp điều chế SVM với quy luật mở rộng số mức điện áp Đây phương pháp có nhiều ưu điểm phù hợp áp dụng cho CHB, với quy luật hiệu cho phép giảm tổn thất chuyển đổi lượng Thuật tốn chọn trạng thái chuyển mạch van tối ưu mức điện áp mà không cần liệt kê trạng thái chuyển mạch van so với phương pháp điều chế SVM sử dụng trước Các kết mơ hệ thống CHB mức điện áp thực phần mềm matlab-simulink chứng minh tính khả thi thuật toán đề xuất Abstract - This article introduces a solar battery system connected to a three-phase alternating current grid through the cascaded H-Bridge converter (CHB) The modularized structure of CHB converter helps to improve the efficiency and flexibility when using the PV system To reduce valve switching losses and gain energy conversion efficiency, the paper proposes algorithm to control PI to CHB connecting grid with SVM modulation algorithm using the law of expanding any number of voltage levels and the ability to select the optimal valve switching state This method has many advantages and is very suitable when applied to CHB to reduce losses during energy conversion The algorithm can select the optimal valve switching state with any voltage level and does not need to list valve switching states compared to the previous SVM modulation methods The simulation results of 3-level CHB system performed by matlab - simulink software have proved the feasibility of the proposed algorithm Từ khóa - Bộ biến đổi nối lưới; Hệ thống PV; Bộ biến đổi cầu H nối tầng; Hệ thống pin lượng mặt trời Key words - Grid-connection inverter; PV power; cascaded CHB Converter; photovoltaic power systems Đặt vấn đề Hiện nay, việc áp dụng nguồn lượng tái tạo để thay nhiên liệu hóa thạch cần thiết [1] Trong số loại lượng tái tạo, lượng mặt trời dạng lượng sản xuất quy mơ lớn [2] Vì vậy, cấu hình PV kết nối lưới ln quan tâm đặc biệt từ nhà sản xuất với lí do: Nhu cầu điện lớn [3], [4]; Nguồn lượng hóa thạch ngày khan [5] Để thực chuyển đổi lượng với điện áp cao, biến đổi (BBĐ) đa mức quan tâm phát triển Mặc dù, có nhiều ưu điểm cung cấp từ cấu trúc liên kết cổ điển NPC FC [6], BBĐ CHB ý đặc biệt, lựa chọn khả thi để chuyển đổi lượng mặt trời quy mô lớn với nhiều ưu điểm vượt trội như: Có số linh kiện so với BBĐ mức điện áp [7]; Phù hợp cho ứng dụng trung cơng suất cao [4]; Có cấu trúc module hóa độ tin cậy cao để dễ dàng tăng giảm mức điện áp thay bảo dưỡng [3]; Chất lượng dạng sóng điện áp đầu cải thiện tốt từ bậc điện áp [1], [2]; Tồn thuật toán điều chế, điều khiển khác để điều khiển hoạt động BBĐ Nhờ ưu điểm này, có nhiều ứng dụng triển khai cho CHB như: Hệ truyền động điện dựa CHB 13 mức điện áp 7,2 kV phát triển Siemens [6] Bộ bù đồng tĩnh (STATCOM) hệ thống lưu trữ lượng pin dựa chuyển đổi CHB [5] … Mặc dù, có ưu điểm trên, số mức CHB tăng, việc điều khiển hoạt động chuyển mạch van khắt khe nhiều so với BBĐ thường, cần phải thiết lập thuật toán chuyển mạch tối ưu Để làm việc này, nhiệm vụ cần triển khai như: Thực thuật tốn điều chế đảm bảo q trình hoạt động BBĐ tối ưu trình chuyển mạch tổn hao lượng chuyển đổi, đảm bảo cân điện áp tụ điện ba pha cân lượng điện sản xuất từ PV pha; Đảm bảo thông số đầu BBĐ theo yêu cầu thiết kế như: Dịng điện, điện áp có dạng sin chuẩn, tổng méo sóng hài thơng số ln nằm giới hạn cho phép Gần đây, có nhiều nghiên cứu điều khiển khác cho CHB ứng dụng PV nối lưới, bao gồm: PS-PWM; LS-PWM; PS-DPWM [8], [10] Mỗi phương pháp điều chế có ưu điểm nhược điểm định Tuy nhiên, nhược điểm lớn việc thiết kế điều chế khó khăn số lượng module CHB tăng Để khắc phục, viết đề xuất thuật toán điều chế SVM với quy luật mở rộng số mức kết hợp với lựa chọn trạng thái dư sẵn có để cân điện áp tụ điện module Phương pháp kết hợp với việc thiết kế mạch vòng điều khiển PI để điều chỉnh điện áp dịng điện phía xoay chiều đảm bảo cấp cho lưới Cấu trúc mơ hình tốn học biến đổi MMC Hình sơ đồ cấu trúc BBĐCHB ba mức, cầu H gồm van bán dẫn IGBT mắc theo sơ đồ cầu, cung cấp nguồn chiều độc lập PV sinh tạo ba cấp điện áp đầu là: +VDC,0, -VDC cách đóng mở cặp van (S1, S2) (S3, S4) [3] ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020 N S3A PV A S1A S3B + _VDC + _VDC PV B S4A S2A A vaN S1B iA S4B S2B iB B S1C S4C S2C + _VDC PV C vBN S3C RA RC RB vA0 vC0 vB0 LA iC C vCN LC LB vsB vsA vsC o Hình Sơ đồ cấu trúc biến đổi CHB kết nối lưới điện Phương trình (1) mơ tả điện áp phía xoay chiều BBĐCHB Hình 1: vj L di j dt Ri j j (1) A, B, C Giả thiết tải ba pha phía xoay chiều cân bằng, điện áp pha phía xoay chiều: v A  v AO  v AN  vNO  vB  vBO  vBN  vNO v  v  v  v CO CN NO  C (2) Điện áp vNO điện áp chế độ thông thường với giá trị tính cơng thức (3) vNO  va  vb  vc  (3) R   i j  v j  vNO  vsj  L L (5) Mỗi điện áp v A , vB , vC nhận ba mức điện áp VDC *(1, 0,1) gọi mức trạng thái điện áp (state level) Từ ta biểu diễn: Trong đó: vlj { 1,0,1} (6) Để tạo tín hiệu điều khiển, điện áp mơ hình khơng gian trạng thái hệ tọa độ αß sử dụng phương trình (7) V  vAN  a  vBN  a  vCN  Trong đó: v AN  k A VDC  vBN  k B VDC ; v  k V C DC  CN (7) ae j 2 ; a2  e j 4 Với k A , kB , kC   M  , , 1, 0,1, , M    2  Sử dụng chuyển đổi này, (1) mô tả sau: L di ,  dt  Ri ,   v ,  Trong hệ tọa độ gh (7) mô tả   vg  v  v v  vg  vh  , hay   v  v v  v h  h    (11) Mối quan hệ hệ tọa độ thể 1  vg  v  v  vA   vB  vC    v A  vB    v  v   v  v   B C  h 3 (4) Từ (4) mối quan hệ dòng điện điện áp BBĐ mơ tả phương trình 5: v j  VDC vlj Trong đó: v  v A ; v   vB  vC  (12) vA  vB  VDC  k A  kB  ; vB  vC  VDC  kB  kC   di j  vj  L  R.i j  vsj   vNO dt   dt Điều chế SVM cho BBĐ CHB có số mức Q trình điều chế SVM cho CHB thực cách điều chỉnh điện áp tải gọi điện áp điều chế Để tạo điện áp điều chế trước hết phải xác định không gian trạng thái hoạt động vector điện áp hệ tọa độ hệ tọa độ abc cơng thức (7) Khi CHB có N cầu H pha số mức điện áp M = 2N +1 Từ công thức (7), biểu diễn vector điện áp mặt phẳng α ta được: (10) v  v  jv Từ (12) thấy rằng: Suy ra: di j 73 (8) Trong đó: vαß vector điện áp iαß vector dịng điện phía xoay chiều BBĐ Do đó:  vg  VDC  k A  k B   v  V  k  k   h DC B C (13) Nếu lấy 2/3VDC độ dài sở vector trạng thái, kA, kB, kC số nguyên tọa độ vector  k g , kh    k A  k B  ,  k B  kC   số nguyên Khi đó, tọa độ đỉnh vector tạo tam giác có cạnh Mỗi vector ứng với trạng thái mức khác nhau, gọi trạng thái dư Ứng với vector trạng thái số tổ hợp mức trạng thái là:  k  k AN   kg       k    k BN    k  k g   h  kCN   k  k g  kh  (14) Ở góc phần sáu thứ nhất, vector nằm đường lục giác ngồi có kg + kh = M – 1, có giá trị phù hợp k = (M-1)/2 Ở lục giác bên kg + kh = M - 2, k có hai giá trị: (M-1)/2-1 và(M-1)/2, nghĩa vector có hai trạng thái dư Cứ đến vector khơng k có M giá trị, từ -(M-1)/2 đến (M-1)/2, vector khơng có M trạng thái dư Từ tính tốn tất tổ hợp vector trạng thái không gian vector 3.1 Xác định hệ số điều chế từ ba vector gần Phương pháp điều chế vector gần (NVM) tạo vector đầu mong muốn nằm tam giác tổng hợp từ ba vector đỉnh của tam giác này, đảm bảo thành phần sóng hài tốt cho dạng sóng điện áp [6] Các tam giác có dạng thuộc hình Nguyễn Văn Đoài, Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh 74 thoi đều, có cạnh song song với trục gh, đỉnh vector trạng thái p1, p2, p3, p4, thể Hình  h p3(kg,kh+1) p4(kg+1,kh+1) mh tam giác mặt phẳng vector tăng lên nhanh chóng Việc tính tốn trở nên đơn giản sử dụng tính đối xứng hệ thống vector khơng gian góc phần sáu Thể mặt phẳng vector ba hệ tọa độ góc phần sáu (Z1x, Z1y), (Z2x, Z2y), (Z3x, Z3y), Hình Trước hết ta cần xác định hình chiếu vector điện T áp mong muốn v r  vr , vr   lên hai vector biên góc phần sáu phép chiếu tọa độ ,  lên hệ tọa độ tương ứng Z1, Z2, Z3 Điều thực với ma trận biến đổi hệ tọa M1, M2, M3 sau: mg p2(kg+1,kh) p1(kg,kh) g  Hình Tổng hợp vector điện áp từ ba vector đỉnh tam giác Vector điện áp mong muốn quy chuẩn theo độ dài với 2/3VDC biến đổi tuyến tính sang hệ trục tọa độ gh theo (15)      vr  vrg    vr      M1   v     vr    rh  0 vr       Hình làm hai tam giác, vector V1thuộc miền mg  mh  vector V2 thuộc miền mg  mh  V1 tổng hợp từ vector p1, p2, p3 (17): V1  p1  mg  p  p1   mh  p3  p1  (17)  1  mg  mh  p1  mg p2  mh p3 V2 tổng hợp từ vector p2, p3, p4 V2  p  1  mg   p3  p   1  mh  p  p  (18)   mg  mh  1 p  1  mg  p3  1  mh  p Vì hệ số ứng với vector dương có tổng nên hệ số cho trình điều chế (17), (18) cho thấy, việc tính tốn hệ số điều chế đơn giản, thơng qua việc tính tốn vrg, vrh, tính phần ngun kg, kh phần lẻ mg, mh qua (16) 3.2 Xác định vị trí vectơ v sector lớn I IV VI V Z3x Z2x II III Z1x II III I IV VI V Đúng Z3y III I IV VI V Hình Ba hệ tọa độ khơng vng góc tạo nên góc phần sáu (các sector) Khi phát triển số mức M MMC số lượng (19) Sai Z1x.Z1y < Đúng Trong đó, k g   vrg  , kh   vrh  số nguyên nhỏ giá trị tuyệt đối tương ứng Trên Hình cho thấy, hai tam giác chứa vector V1, V2 có chung tọa độ nguyên [kg, kh] Có thể thấy, đường thẳng mg  mh  chia hình thoi II    0   ; M3        1   3 3  Tọa độ [g,h] (15) Trong đó, M ma trận biến đổi Gọi mg, mh phần thập phân phần nguyên tọa độ vrg, vrh tương ứng thể phương trình (16): mg  vrg   vrg   vrg  k g    (16)  mh  vrh   vrh   vrh  kh Z1y    1   1   M1  ; M2      0   1    Z1x > Sector I Đúng Z1x > Sector III Sector IV Sai Z2x.Z2y < Đúng Đúng Z2x > Sai Sector II Sai Sai Sector V Sector VI Hình Thuật tốn xác định sector lớn * Thơng qua biến trung gian tmp  v / , thành phần cịn lại xác định sau: *  z1x  v  tmp  z2 x  z1x  z1 y  z3 x  z1 y ; ;   z2 y   z1x  z3 y   z2 x  z1 y  2tmp (20) Sau xác định tọa độ zij, thuật toán xác định sector thể Hình 3.3 Xác định vector trạng thái sector  Xác định vector trạng thái sector I Góc phần sáu thứ I, hệ tọa độ Z1, từ (13) ta có:  z  vg  VDC  k A  k B    1x  z  v  V k  k  1y h DC B C   Khi đó:  k1x    k A  k B    k     y    k B  kC   (21) (22) Nếu lấy tọa độ kA = k từ (22) thu hệ tọa độ abc tọa độ vector trạng thái là:  k  k AN    k1x   k    k  k  k  1x   BN    1y   kCN   k  k1x  k1 y  (23) Sao cho:  M 1 M 1  k , k  k1x , k  k1x  k1 y  2 (24)  Xác định vector trạng thái sector II Góc phần sáu thứ II, hệ tọa độ Z2, từ (20) ta có: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020  z  z1x  z1 y  VDC  k A  kB    2x  z  z  V k  k  2y 1x DC B A    k x    k A  kC    k     y   k B  k A   Khi đó: (25) (26) chu kỳ điều chế, nửa lại thứ tự thực vector ngược lại tối ưu thành phần sóng hài điện áp [7] Phép điều chế gọi SVM với vector tích cực đặt nửa chu kỳ điều chế Phương pháp tương đương với SPWM cách chêm vào thành phần thứ tự không sau [8]: Chọn kB = k thỏa mãm điều kiện (24), tọa độ lại sector II xác định (27)  k AN   k  k2 y   k2 x      k  k    k BN      2y   kCN   k  k2 x  k2 y  (27)  Xác định vector trạng thái sector III Góc phần sáu thứ III, hệ tọa độ Z3, từ (20) ta có:  z  z1 y   vB  vC    3x  z  z  v  v  3y 2x C A   (28)  k AN   k  k3 y  k3 x   k3 x      k  k    k BN      3y   kCN   k  k3 x  (30)  k AN   k  k5 x   k5 x  k   k  k  k    5y 5x   BN   k  5y  k  kCN    Vì vậy:  t t t0/4 t0/4 t0/4 t t1/2 t1/2 t1/2 (31) (32) Sector V đối xứng với sector II nên:  k x    kC  k A    k     y   k A  k B   Trong đó, VA,ref, VB,ref, VC,ref lượng đặt hình sin mong muốn, Voff thành phần thứ tự không cộng vào lượng đặt Các tín hiệu điều chế có dạng: (38) V 'k ,ref  Vk ,ref  Voff , k  A, B, C t1/2  Xác định vector trạng thái sector IV, V, VI Sector IV đối xứng với sector I nên:  k AN   k  k y  k x   k4 x         k BN    k  k y  k  4y   kCN    k (33) t t2/2 t2/2 t2/2  k  k AN   k Vì vậy:  x    kBN    k  k6 y  k6 x       k6 y   kCN   k  k6 y  t2/2 Hình Tín hiệu đầu PWM thời gian sử dụng vector tích cực vector khơng Tín hiệu đầu PWM qua khâu so sánh với điện áp cưa dạng tam giác chu kỳ điều chế cho Hình Việc cộng thêm vào thành phần thứ tự khơng (38) để mức tín hiệu xác định vector khơng đầu chu kỳ điều chế Tuy nhiên, nghịch lưu đa mức khơng thể ln có vector khơng để xếp tín hiệu Hình Thay vào sử dụng điều chế ba vector gần nửa chu kỳ điều chế vector sử dụng vector không, nghĩa thời gian dùng vector chia hai nửa nhau, chia cho đầu nửa chu kỳ Ts cuối nửa chu kỳ Ts Để áp dụng tương tự nghịch lưu hai mức cho sơ đồ nhiều mức hình dung vector không gian nghịch lưu đa mức gồm nhiều lục giác nhỏ sơ đồ hai mức vector tâm lục giác nhỏ đóng vai trị vector khơng Xét trường hợp cụ thể vector điện áp chuyển từ tam giác số sang tam giác số Hình (34) V10 V11 (-1,1,-1) V9 (1,1,-1) (0,1,-1) Sector VI đối xứng với sector III nên:  k x    kC  k B    k     y    k A  kC   (37) Chọn tọa độ kC = k thỏa mãn điều khiện (24), tọa độ lại sector II xác định (30) Vì vậy:  max(VA, ref ,VB , ref ,VC , ref )  min(VA, ref ,VB, ref ,VC , ref ) t0/4 (29)  k4 x   k B  k A    k     y    kC  k B   Voff    k3 x    k B  kC    k     y    kC  k A   Khi đó: 75 V12 V3 (1-,1,0) (35) (-1,0,-1) (0,1,0) V2 (1,1,0) (0,0,-1) V13 V4 (-1,1,1) (1,1,1) (0,0,0) V1 (-1,-1,-1) (0,1,1) (-1,0,0) V0 V5 (-1,-1,0) (0,0,1) V8 (1,0,-1) V7 (0,-1,-1) (1,-1,-1) (36) V14 (-1,0,1) 3.4 Trật tự tối ưu số lần chuyển mạch Khi điều chế vector không gian cho nghịch lưu hai mức, phương pháp điều chế tam giác đối xứng sử dụng hai vector biên vector không, cho thời gian dùng vector không chia làm hai phần, đầu cuối nửa V6 V16 V15 (-1,-1,1) (1,0,1) (0,-1,0) V18 (1,-1,0) V17 (0,-1,1) (1,-1,1) Hình Trật tự chuyển mạch tối ưu cho CHB ba pha mức Ví dụ tam giác số số đồ thị vector Hình Nguyễn Văn Đoài, Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh 76 Bảng Trật tự chuyển mạch vector điện áp sector Tam giác Trật tự chuyển mạch tối ưu (trong Ts/2) V0-V1-V2-V0 =>(-1,-1,-1)-(0,-1,-1)-(0,0,-1)-(0,0,0) V1-V7-V8-V1 =>(0,-1,-1)-(1,-1,-1)-(1,0,-1)-(1,0,0) V1-V2-V8-V1 =>(0,-1,-1)-(0,0,-1)-(1,0,-1)-(1,0,0) V2-V8-V9-V2 =>(0,0,-1)-(1,0,-1)-(1,1,-1)-(1,1,0) Bảng chuyển mạch cho nhóm tam giác thể Bảng Nếu vector điện áp đầu di chuyển qua tam giác 2-3-4 trật tự chuyển mạch thực tối ưu, từ tam giác sang tam giác vector bắt đầu kết thúc vector V1(0,-1,-1) nên không phát sinh thêm chuyển mạch Khi chuyển từ tam giác sang phải chuyển từ V1(0,-1,-1) sang vector bắt đầu V2(0,0,-1) phát sinh thêm chuyển mạch pha B (từ -1 0) Áp dụng cho nghịch lưu đa mức nhiều bậc hơn, tất nhóm tam giác có dạng giống 1, 2, 3, Bảng Hình có trật tự chuyển mạch giống 3.5 Thứ tự chuyển mạch tối ưu điều chế ba vector gần Phần trình bày phương pháp NVM với khả tự xác định vector cần thiết từ tọa độ nguyên [kg, kh] Như vậy, phương pháp áp dụng cho sơ đồ có số mức khơng hạn chế Xét trường hợp vector điện áp mong muốn có tọa độ nguyên [kg, kh], V1, V2 Hình Trong góc phần sáu thứ nhất, thấy, vector điện áp nằm tam giác với đỉnh ba vector P1, P2, P3 thứ tự chuyển mạch tối ưu P 1-P2-P3-P1+, vector P1 đầu chu kỳ điều chế có tọa độ  k A , kB , kC  cuối nửa chu kỳ điều chế phải có tọa độ nối thực hai mạch vòng tiêu chuẩn gồm mạch vịng điều khiển dịng điện phía bên mạch vịng điều khiển điện áp phía bên ngồi [8], [9] Hai mạch vòng phối hợp với nhau, mạch vịng dịng điện thiết kế với băng thơng đủ rộng để có độ tác động nhanh cao [10] Q trình điều khiển thực hệ tọa độ dq với việc điều khiển hai thành phần trục d trục q độc lập điều khiển PI với yêu cầu triệt tiêu sai lệch tĩnh tác động nhanh, giảm độ đập mạch tín hiệu điều khiển mà đảm bảo dịng điện có dạng hình sin mong muốn Lý thuyết tính tốn, thiết kế điều khiển PI trình bày [8], [10] Phương trình liên hệ điện áp phần tử CHB thể (39) diA  vA  u A  RAiA  LA dt  diB  vB  uB  RB iB  LB dt  diC  vC  uC  RC iC  LC dt  Để dễ dàng điều khiển MMC, phương trình (39) viết lại hệ tọa độ quay dq, thông qua phép chuyển vị tọa PARK (40) vd _ ref  ud  ( R  sL )id  Ls iq  vq _ ref  uq  ( R  sL )iq  Ls id Điều thực P1 khơng nằm hình lục giác lớn ngồi khơng gian vector, nghĩa P1 có trạng thái khóa dư Với vector V2 thứ tự chuyển mạch tối ưu P2-P3-P4-P2+ Quá trình thể chi tiết Bảng Bảng Bảng Thứ tự chuyển mạch V thuộc tam giác P1 P2 P3 P1+ [kg,,kh] [kg+1, kh] [kg,kh+1] [kg+1, kh+1] [kg+1, kh] kA k+1 k+1 k+2 k+2 kB k-kg k-kg+1 k-kg+1 k-kg+1 kC k-kg-kh k-kg-kh k-kg-kh k-kg-kh+1 D d1=(1-mh)/2 d2=1-mg d3= mg +mh-1 d4=(1-mh)/2 Thiết kế điều khiển PI cho BBĐ CHB nối lưới Thiết kế điều khiển kết nối BBĐ CHB với lưới điện nhằm mục đích đảm bảo q trình hịa lưới hệ thống pin mặt trời công suất lớn, đảm bảo việc đẩy công suất lên lưới điện hỗ trợ lưới điện cung cấp điện đáp ứng nhu cầu phụ tải Các yêu cầu điều khiển trình kết (40) Hệ tọa độ dq quay với tốc độ ωs so với hệ tọa độ cố định αβ Góc lệch hệ trục d trục α θs = ωst Từ hệ phương trình (40), ta có: vd _ ref  id   i  vq _ ref  q  kA  1, kB  1, kC  1 , ký hiệu P1+ Bảng Thứ tự chuyển mạch V thuộc tam giác P1 P2 P3 P1+ [kg, kh] [kg, kh] [kg+1, kh] [kg, kh+1] [kg, kh] kA k k+1 k+1 k+1 kB k-kg k-kg k-kg+1 k-kg+1 kC k-kg-kh k-kg-kh k-kg-kh k-kg-kh+1 D d1=(1-mg-mh)/2 d2=mg d3=mh d4=(1-mg-mh)/2 (39)  ud  Ls iq R  sL  uq  Ls id (41) R  sL Khi chuyển tín hiệu dịng điện, điện áp xoay chiều sang hệ tọa độ dq tín hiệu trở thành tín hiệu chiều cố định thay đổi.Cấu trúc tổng thể BBĐ CHB nối lưới với phương pháp điều khiển PI để điều khiển dòng điện điện áp CHB hệ tọa độ dq thể Hình Lưới điện ud id RAf A iB LBf RBf B iC LCf RCf C id_ref _ PI _ iq_ref + PI + uq_ref + vq_ref Hbridge PV Hbridge PV Hbridge PV Hbridge PV Hbridge PV Hbridge vA dq/abc + PV Bộ biến đổi CHB + + ud_ref _ vd_ref iq uq PLL + LAf iA,B,C uA,B,C abc/dq iA Hệ thống xung điều khiển IGBT thuộc lục giác nhỏ có tâm vector V1, tam giác số thuộc lục giác có tâm vector V2 vB vC Điều chế SVM Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển cho biến đổi CHB Mạch vòng dịng điện Hình giúp hệ thống kiểm sốt dịng điện, triệt tiêu dao động cộng hưởng bảo vệ cố dòng Khi mạch vịng dịng điện thiết kế tốt việc thiết kế mạch vịng ngồi điều khiển điện áp trở nên dễ dàng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020 Bảng Thông số mô hệ thống Thông số Giá trị Thông số Giá trị VDC 400V Điện áp tải 380V Điện cảm tảiL 4,7 mH Tần số lưới 50Hz Điện trở tải R 0,1 Ω Chu kì trích mẫu Ts 200 µs Hình 12 cho dịng điện điện áp phía xoay chiều cho thấy, số THD dòng điện điện áp 0,03% 4,26%, sóng hài bậc cao với biên độ lớn xuất ít, điều chứng minh ưu điểm áp dụng phương pháp điều khiển PI kết hợp với điều chế SVM đề xuất cho CHB Kết chứng minh mục tiêu điều khiển đạt với số THD thấp, dịng điện, điện áp có dạng sin chuẩn hoạt động ổn định với biên độ nhỏ 440 Điện áp [V] Mô đánh giá kết Phần tác giả trình bày kết mô phần mềm MATLAB/SIMMULINK cho BBĐ CHB Hình áp dụng thuật tốn điều chế điều khiển đề xuất Các thông số mô trình bày Bảng 77 Kết mơ điện áp đầu vNO thể Hình Điện áp xét ba pha vNO BBĐ có dạng mức, mức điện áp ổn định, khơng có tượng q độ mức trình làm việc 430 420 410 400 0.1 0.2 0.3 Thời gian [s] 0.4 0.5 Hình 13 Điện áp trung bình tụ điện pha A,B,C 600 Điện áp [V] 400 200 iq -200 15 0.48 Thời gian [s] 0.49 0.5 Hình Điện áp đầu ba pha BBĐ CHB Điện áp [V] 400 -5 -15 0.1 0.2 0.3 0.4 Thời gian [s] 0.5 0.6 0.7 0.6 0.7 Hình 14 Dòng điện id hệ tọa độ dq id 60 id_ref 40 20 -20 -40 -60 200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Thời gian [s] 0.5 Hình 15 Dòng điện iq hệ tọa độ dq -200 0.1 0.2 0.3 Thời gian [s] 0.4 0.5 Hình Điện áp đầu phía lưới điện xoay chiều Dịng điện [A] 10 -10 Hình Hình 10 kết mơ điện áp dịng điện tải phía xoay chiều BBĐ CHB Kết cho thấy, dịng điện, điện áp có dạng sin chuẩn, dịng điện đạt sin chuẩn chu kỳ với biên độ khơng đổi ln có giá trị ổn định suốt trình làm việc Điện áp đạt hình dạng sin chuẩn ổn định sau thời gian 0,07s, hoạt ổn định khơng có tượng độ xảy Dòng điện id [A] 0.45 Dòng điện iq [A] -400 -600 -400 iq_ref 60 40 20 -20 -40 -60 0.1 0.2 0.3 Thời gian [s] 0.4 0.5 Hình 10 Dịng điện phía nối lưới BBĐ CHB Hình 11 Kết phân tích Fourier điện áp AC nối lưới Hình 12 Kết phân tích Fourier dịng điện AC nối lưới Kết phân tích tổng độ méo sóng hài Hình 11 Hình 13 hình dạng điện áp trung bình tụ điện pha A, B, C Kết cho thấy, trình hoạt động ban đầu CHB giai đoạn từ đến 0,509s điện áp tụ q trình hoạt động chưa ổn định nên có tượng độ với giá trị cao 439V Khi hoạt động ổn định, điện áp tụ dao động quanh giá trị định mức 400V Khi thay đổi giá trị định mức điện áp tụ khoảng thời gian 0,2 đến 0,3s Bộ điều khiển tác động để tụ điện bám giá trị định mức thời gian ngắn 0,015s Hình 14 Hình 15 giá trị dịng điện id dòng điện iq hệ tọa độ dq BBĐ Kết cho thấy, dòng điện id dòng điện iq bám sát giá trị n đặt với biên độ dao động nhỏ Quá trình hoạt động ổn định suốt thời gian BBĐ hoạt động Khi thay đổi giá trị đặt dòng điện id dòng điện iq, giá trị thực đáp ứng nhanh tác động kịp thời thuật toán điều khiển Điều chứng tỏ, thuật toán điều khiển kết hợp với phương pháp điều chế SVM đề xuất hợp lý cho kết tốt kịch thay đổi số giá trị đặt chế độ làm việc BBĐ Kết luận Bài báo thực việc kết nối hệ thống PV với lưới điện thông qua biến đổi đa mức CHB Quá trình chuyển đổi thực phương pháp điều chế SVM với quy luật mở rộng số mức không hạn chế cho BBĐ CHB Nguyễn Văn Đoài, Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh 78 Phương pháp điều chế giúp trình thực mở rộng quy luật cách đơn giản mà giảm số trạng thái tính tốn BBĐ Ngồi ra, q trình cân điện áp tụ điện DC thực hiệu nhờ tận dụng trạng thái dư q trình điều chế giúp nâng cao tính hiệu giảm việc thiết kế điều khiển phức tạp Đây lợi quan trọng phương pháp điều khiển đề xuất áp dụng cho BBĐ CHB mà phương pháp khác khơng có Q trình điều khiển nối lưới hệ thống viết thực cách sử dụng điều khiển PI Đây phương pháp điều khiển đơn giản, dễ dàng áp dụng mà cho hiệu cao Các kết hoạt động ổn định mô hệ thống chứng minh tính hiệu phương pháp điều chế điều khiển đề xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chih-Lung Shen, Cheng-Tao Tsai, Jye-Chau, Su Yi Chan, “Grid onnection Single-Stage Photovoltaic Inverter System with DoubleLinearApproximation MPPT”, IEEE PEDS 2011, Singapore, - December 2011 [2] O Alonso, P Sanchis, E Gubia and L Marroyo “Cascaded HBridge Multilevel Converter for Grid Connected Photovoltai Generators with Independent Maximum Power Point Tracking of each Solar Array, IEEE Trans Power Electron., vol 28, no 8, September 6- 8, 2003 [3] Bailu Xiao, Lijun Hang, Jun Mei, Cameron Riley, Leon M Tolbert, Burak Ozpineci “Modular Cascaded H-Bridge Multilevel PV Inverter with Distributed MPPT for Grid-Connected Applications” [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), CA, USA, Mar 2013 Christopher D Townsend, Yifan Yu, “Cascaded H-BridgeMultiLevel PV Topology for Alleviation of Per-Phase Power Imbalances & Reduction of Second Harmonic Voltage Ripple” IEEE Transactions on Power Electronics, 56(6):1894–1905, Jun 2015 Sebastian Rivera and Bin Wu, Samir Kouro, Hong Wang and Donglai Zhang, “Cascaded H-Bridge Multilevel Converter Topologyand Three-phase Balance Control for Large ScalePhotovoltaic Systems”, 3rd IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG) 2012 M Coppola, P Guerriero, F Di Napoli, A Dannier, S Daliento, D Iannuzzi, A Del Pizzo, “Modulation Technique for Grid-Tied PV Multilevel Inverter”, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2016 J Mei, B Xiao, K Shen, L Tolbert, and J Y Zheng, “Modular multilevel inverter with new modulation method and its application tophotovoltaic grid-connected generator”, IEEE Trans Power Electron., vol 28, no 11, pp 5063–5073, Nov 2013 H Koizumi, T Mizuno, T Kaito, Y Noda, N Goshima, M Kawasaki, K Nagasaka and K Kurokawa, “A Novel Microcontroller for GridConnected Photovoltaic Systems”, IEEE Transactions on IndustrialElectronics, vol 53, Dec 2006, pp 1889-1897 Bailu Xiao, Lijun Hang, Jun Mei, Cameron Riley Leon M Tolbert and Burak Ozpineci, “Modular cascaded H-bridgemultilevel PV inverter with distributed MPPT for grid connected application”, IEEE trans Ind application vol 5, NO.2, pp.17221731 March/april 2015 E Villanueva, P Correa, J Rodriguez, and M Pacas, “Control of a single-phase cascaded h-bridge multilevel inverter for gridconnectedphotovoltaic systems”, Industrial Electronics, IEEE Transactions on vol 56, pp 4399 –4406, nov 2009 (BBT nhận bài: 16/4/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 03/6/2020 ... dt Điều chế SVM cho BBĐ CHB có số mức Q trình điều chế SVM cho CHB thực cách điều chỉnh điện áp tải gọi điện áp điều chế Để tạo điện áp điều chế trước h? ??t phải xác định không gian trạng thái hoạt... điện phía nối lưới BBĐ CHB H? ?nh 11 Kết phân tích Fourier điện áp AC nối lưới H? ?nh 12 Kết phân tích Fourier dịng điện AC nối lưới Kết phân tích tổng độ méo sóng h? ?i H? ?nh 11 H? ?nh 13 h? ?nh dạng điện. .. quan trọng phương pháp điều khiển đề xuất áp dụng cho BBĐ CHB mà phương pháp khác khơng có Q trình điều khiển nối lưới h? ?? thống viết thực cách sử dụng điều khiển PI Đây phương pháp điều khiển đơn