ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HÒA LƢỚI 1 PHA CẢI TIẾN DỰA TRÊN ĐIỀU KHIỂN CỘNG HƢỞNG giới thiệuTổng quan bộ nghịch lưu hòa lướiTrong hệ thống PV nối lưới, nguồn điện một chiều của mảng PV phải được chuyển đổi thành nguồn điện xoay chiều có giá trị điện áp, tần số và pha thích hợp để được kết nối với lưới điện. Trong điều kiện này, cần có bộ chuyển đổi DC AC hay còn gọi là biến tần. Do đó, bộ biến tần là một thành phần quan trọng trong hệ thống PV nối lưới. Có nhiều loại biến tần PV được kết nối với lưới điện như trong Hình 1.1. Hình 1.1 Phân loại biến tần PVBiến tần chuyển mạch là bộ biến tần được kết nối với lưới điện hoặc đường dây. Việc chuyển đổi nguồn (chuyển đổi từ DC sang AC) được điều khiển bởi lưới điện, do đó nếu có sự cố trong lưới điện, hệ thống quang điện không thể cấp nguồn vào lưới điện. Quá trình chuyển mạch (quá trình chuyển mạch được bắt đầu bằng cách đảo ngược phân cực điện áp AC), sử dụng các thiết bị chuyển mạch nguồn như các thyristor. Hoạt động bật của thiết bị này có thể được điều khiển bởi cổng kết nối của thiết bị trong khi việc tắt không thể được điều khiển bởi thiết bị tương tự. Việc tắt thiết bị như vậy được thực hiện với sự trợ giúp của mạch bổ trợ cho thiết bị. Ngược lại, bộ biến tần tự chuyển mạch, trong đó dòng điện được chuyển từ thiết bị chuyển mạch này sang thiết bị chuyển mạch khác một cách có điều khiển (bật và tắt), chẳng hạn như linh kiện bán dẫn lưỡng cực (IGBT) và linh kiện bán dẫn hiệu ứng trường (MOSFET). MOSFET thường được sử dụng cho hệ thống công suất thấp thường dưới 10 kW và hoạt động chuyển mạch tần số cao (20–800 kHz) và IGBT được sử dụng cho hệ thống công suất trung bình đến cao vượt quá 100 kW, nhưng không thể chuyển đổi tần số rất cao bằng IGBT vì tần số chuyển mạch được giới hạn ở 20 kHz.Trong trường hợp biến tần nối lưới, việc chuyển đổi tần số cao được thực hiện để giảm sóng hài dòng điện đầu ra của biến tần. Bộ biến tần tự chuyển mạch sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) để tạo ra dạng sóng AC ở đầu ra. Bộ biến tần tự chuyển mạch có thể điều khiển cả dạng sóng điện áp cũng như dạng sóng dòng điện ở phía đầu ra của bộ biến tần, đồng thời điều chỉnh hoặc hiệu chỉnh hệ số công suất và triệt tiêu sóng hài ở dạng sóng dòng điện cần cho hệ thống PV nối lưới. Ngày nay, do sự phát triển của các thiết bị chuyển mạch tiên tiến như MOSFET và IGBT, hầu hết các bộ biến tần cho hệ thống điện phân tán như hệ thống PV hiện sử dụng bộ biến tần tự chuyển mạch thay vì bộ biến tần chuyển mạch.Bộ nghịch lưu tự đổi nguồn có thể là bộ nghịch lưu nguồn điện áp (VSI) hoặc bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI) dựa trên dạng sóng điện áp hoặc dòng điện ở phía đầu vào DC của chúng. Trong VSI, phía đầu vào là nguồn điện áp một chiều, điện áp đầu vào giữ cùng một cực tính, hướng dòng điện trung bình qua bộ biến tần được xác định bởi cực tính của dòng điện một chiều đầu vào và ở phía đầu ra, dạng sóng điện áp xoay chiều có biên độ không đổi và độ rộng thay đổi được. Để hạn chế dòng điện từ biến tần đến lưới điện, một cuộn cảm được sử dụng cùng với VSI. Các đầu cuối phía DC là đầu vào của VSI thường được kết nối song song với một tụ điện tương đối lớn giống như nguồn điện áp. Hình 1.2 Bộ nghịch lưu nguồn điện áp (VSI)Trong CSI, phía đầu vào là nguồn dòng điện một chiều, dòng điện đầu vào giữ cùng một cực tính, và do đó hướng dòng điện trung bình qua bộ biến tần được xác định bởi cực tính của điện áp đầu vào và ở phía đầu ra, dạng sóng dòng điện xoay chiều có biên độ không đổi và độ rộng thay đổi được. Phía DC đầu vào của CSI thường được kết nối nối tiếp với một cuộn cảm tương đối lớn để duy trì tính liên tục hiện tại. Một VSI có thể được vận hành ở chế độ điều khiển điện áp cũng như ở chế độ điều khiển dòng điện và trong nhiều thời điểm, VSI với chế độ điều khiển dòng điện được ưu tiên cho hệ thống PV nối lưới. Hình 1.3 Bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI)Cấu trúc, nguyên lý hoạt động Bộ nghịch lưuCấu trúc bộ nghịch lưu 1 pha Sơ đồ bộ nghịch lưu 1 pha được biểu diễn như sau: Hình 1.4 Sơ đồ VSI một pha dạng cầuTrong đó:〖 V〗_DC: là điện áp nguông DC cấp vào cho bộ nghịch lưu V_o: là điện áp AC đầu ra bộ nghịch lưuVí dụ đầu ra của bộ nghịch lưu được mắc vào một phụ tải gồm R nối tiếp với L. Các linh kiện dùng trong bộ nghịch lưu phải có khả năng đóng và ngắt được dòng điện qua nó. Để ứng dụng trong các hệ thống công suất vừa và nhỏ có thể dùng BJT, MOSFET, IGBT và công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT. Thông thường các công tắc còn gắn kèm thêm một diode mắc song song với nó nhằm mục đích bảo vệ điện áp khi các công tắc đóng ngắt, gọi chung là công tắc.
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN - - KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG HỊA LƢỚI PHA CẢI TIẾN DỰA TRÊN ĐIỀU KHIỂN CỘNG HƢỞNG GVHD: ThS NGUYỄN HOÀI PHONG SVTH: TRƢƠNG THẾ ANH DHDI14B LÊ QUANG HUY DHDI14B THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên đƣợc giao đề tài Trƣơng Thế Anh MSSV: 18049691 Lê Quang Huy MSSV: 18049661 Lớp: DHDI14B Lớp: DHDI14B Chuyên Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện Tử Tên đề tài: Nghiên cứu mơ hịa lƣới pha cải tiến dựa điều khiển cộng hƣởng Mục tiêu: Nghiên cứu điều khiển công hƣởng, sử dụng giải thuật điều khiển áp dụng Matlab để mơ hoạt động hệ thống hịa lƣới từ pin lƣợng mặt trời Nội dung thực hiện: Ngày giao đề tài: 10/ 11/ 2021 Ngày nộp báo cáo: Họ tên GV hƣớng dẫn: ThS Nguyễn Hoài Phong 28/ 07/ 2022 Chữ ký: Tp Hồ Chí Minh, Ngày 28 tháng năm 2022 Trưởng khoa Cán hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) i Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN …………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …….…………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ii Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy ThS Nguyễn Hồi Phong suốt thời gian qua ln quan tâm giúp đỡ tận tình hướng dẫn tận tình để giúp nhóm chúng em hồn thành để tài Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy, cô khoa Công nghệ Điện, ban giám hiệu đội ngũ công nhân viên trường Đại Học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện môi trường tốt để chung em tiếp thu học hỏi thêm nhiều kiến thức cách trọn vẹn Chúng em xin kính chúc q thầy ngày khỏe mạnh để đạt thành tích cao công tác giảng dạy Chúc trường Đại Học Công Nghiệp thành phố Hồ Chí Minh niềm tin, tảng vững cho nhiều hệ sinh viên đường học tập Do thời gian hạn chế, báo cáo chắn khó tránh khỏi thiếu sót, mong góp ý chân thành, thẳng thắn quý thầy cô bạn để báo cáo đươc hoàn thiện Cuối cùng, xin cảm ơn người thân, bạn bè ln động viên chúng em hồn thành khóa học luận văn Một lần nữa, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! Trân trọng Trương Thế Anh Lê Quang Huy iii Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Năng lƣợng quan trọng tồn ngƣời Khi sử dụng cách hiệu quả, hợp lý giúp tất hoạt động ngƣời trái đất phát triển tối ƣu Trong kỷ qua, ngƣời bị ảnh hƣởng việc phát khai thác sử dụng tràn lan nguồn nhiên liệu hóa thạch Sự bùng nổ tăng trƣởng xã hội cơng nghiệp hóa đại hóa phải trả giá môi trƣờng sống nguồn cung nhiên liệu nguồn nhiên liệu hóa thạch có hạn Khi mà chi phí nhiên liệu hóa thạch tăng ảnh hƣởng biến đổi khí hậu ngày tiến triển xấu, nổ lực lớn đƣợc đặt để hiểu thực lƣợng tái tạo với hy vọng giải nhu cầu lƣợng ngày tăng toàn cầu Bởi lý mà quốc gia giới nhƣ Việt Nam dần có sách chuyển đổi từ khác thác nguồn lƣợng truyền thống sang phát triển lƣợng tái tạo Hiện nay, có nhiều nguồn lƣợng tạo đƣợc đƣa vào khai thác sử dụng nhƣ: Năng lƣợng mặt trời, lƣợng gió, lƣợng thủy triều, lƣợng hạt nhân,… Tuy nhiên, mảng lƣợng mặt trời lƣợng gió đƣợc tập trung phát triển Và khóa luận chúng em tập chung nghiên cứu lƣợng mặt trời qua đề tài “Nghiên cứu mô hòa lƣới pha cải tiến dựa điều khiển cộng hƣởng” Đây đề tài thú vị để chúng em tìm hiều kỹ nguyên lý làm việc, phƣơng thức tính tốn hịa lƣới điện mặt trời đồng thời giúp chúng em ôn lại kiến thức học để vững bƣớc tƣơng lai iv Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ii LỜI CẢM ƠN iii LỜI MỞ ĐẦU iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH vii Chƣơng 1: Giới thiệu 1.1 Tổng quan nghịch lƣu hòa lƣới 1.2 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động Bộ nghịch lƣu 1.2.1 Cấu trúc nghịch lƣu pha 1.2.2 Nguyên lý hoạt động 1.3 Mô hình nghịch lƣu hịa lƣới 1.3.1 Mơ hình điều khiển dòng 1.3.2 Giải thuật điều khiển hòa lƣới 1.3.2.1 Instantaneous Reactive Power (IRP) based Control 1.3.2.2 Synchronous Reference Frame (SRF) based Control 1.3.2.3 Instantaneous Symmetrical Component (ISC) based Control 11 1.3.3 Phƣơng pháp điều chế sóng sin 13 1.3.3.1 SINE PWM 13 1.3.3.2 Selective harmonic elimination (SHE) 14 1.3.3.3 Space vector 16 Chƣơng 2: Thiết kế hòa lƣới 20 2.1 Sơ đồ khối hệ thống hòa lƣới 20 2.2 Bộ điều khiển PID 21 2.2.1 Khâu tỉ lệ P 22 2.2.2 Khâu tích phân I 23 v Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp 2.2.3 Khâu vi phân D 23 2.2.4 Điều khiển vòng lặp 24 2.3 Bộ điều khiển PR 25 2.4 Biến đổi hệ quy chiếu 26 2.5 Vịng khóa pha PLL 28 2.6 Mơ hình điều khiển hệ tọa độ dq 29 2.7 Phƣơng pháp Sine PWM 34 2.8 Thiết kế lọc LCL 36 2.8.1 Giới thiệu lọc 36 2.8.2 Thiết kế lọc hệ thống 37 2.8.3 Kết thiết kế 38 Chƣơng 3: Mô phần mềm matlab 39 3.1 Mơ hình mơ 39 3.2 Mô hệ thống kết nối lƣới sử dụng điều khiển PI 42 3.2.1 Sơ đồ mô hệ thống nối lƣới sử dụng điều khiển PI 42 3.2.2 Kết mô 47 3.3 Mô hệ thống kết nối lƣới sử dụng điều khiển Proportional Resonant (PR) 50 3.3.1 Sơ đồ mô hệ thống nối lƣới sử dụng điều khiển Proportional Resonant (PR) 50 3.3.2 Kết mô 53 Chƣơng 4: Kết luận hƣớng phát triển tƣơng lai 58 4.1 Thành tựu hạn chế 58 4.2 Hƣớng phát triển tƣơng lai 59 Tài liệu tham khảo 60 vi Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Phân loại biến tần PV Hình 1.2 Bộ nghịch lƣu nguồn điện áp (VSI) Hình 1.3 Biến tần nguồn dòng (CSI) Hình 1.4 Sơ đồ VSI pha dạng cầu Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động nghịch lƣu pha Hình 1.6 Mơ hình điều khiển dịng điện điều khiển PI Hình 1.7 Mơ hình điều khiển dòng điện điều khiển PR Hình 1.8 Phƣơng pháp sử dụng phép biến đổi Clarke Hình 1.9 Phƣơng pháp chuyển pha Hình 1.10 Sơ đồ giải thuật SRF 10 Hình 1.11 Sơ đồ giải thuật IRP 13 Hình 1.12 Mơ tả kỹ thuật PWM hình sin cho nghịch lƣu pha 14 Hình 1.13 Nghịch lƣu nguồn áp pha 14 Hình 1.14 Dạng sóng SHE PWM cấp tổng quát 15 Hình 1.15 Nghịch lƣu nguồn áp pha 17 Hình 1.16 Chuyển đổi vector cung 17 Hình 1.17 Sơ đồ chuyển mạch SVPWM 18 Hình 1.18 Thời gian đóng cắt cung 19 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống hòa lƣới 20 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống hịa lƣới 21 Hình 2.3 Bộ điều khiển PID 22 Hình 2.4 Bộ điều khiển PR 25 Hình 2.5 Sự chuyển đổi phép biến Clarke từ mặt phẳng trực giao pha thành pha 27 vii Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khố luận tốt nghiệp Hình 2.6 Chuyển đổi từ hệ quy chiếu tĩnh sang hệ quy chiếu quay 28 Hình 2.7 Sơ đồ vịng khóa pha (PLL) 29 Hình 2.8 Chuyển đổi đại lƣợng từ hệ quy chiếu đứng yên sang hệ quy chiếu quay 29 Hình 2.9 Mạch biến tần hệ thống pha kết nối lƣới 30 Hình 2.10 Mơ hình thực ảo biến tần pha 30 Hình 2.11 Sơ đồ khối điều khiển PI khung đồng dq 33 Hình 2.12 Tín hiệu đầu điều chế PWM hình sin 34 Hình 2.13 SPWM điều chế 35 Hình 2.14 Mơ hình lọc LCL 36 Bảng 2.15 Thông số nghịch lƣu 38 Bảng 3.1 Các khổi chức matlab 41 Hình 3.2 Sơ đồ mơ hệ thống nối lƣới sử dụng điều khiển PI 42 Hình 3.3 Thơng số nguồn DC 42 Hình 3.4 Thông số nguồn AC 43 Hình 3.5 INVERTER sử dụng khóa IGBT 43 Hình 3.6 Thơng số lọc LCL 44 Hình 3.7 Thơng số điều khiển PI 44 Hình 3.8 Biến đổi hệ quy chiếu dq 45 Hình 3.9 điều khiển PI 46 Hình 3.10 Điều chế tín hiệu điều khiển sủ dụng điều khiển PI 46 Hình 3.11 Sin PWM 47 Hình 3.12 Điều chế SPWM (PI) 47 Hình 3.13 Điều chế SPWM (PI) 48 Hình 3.14 Dạng sóng ngõ dùng PI control 48 Hình 3.15 Dịng đầu Igr sử dụng điều khiển PI 49 viii Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp Hình 3.16 THD Igr điều khiển PI 49 Hình 3.17 Sơ đồ mô hệ thống nối lƣới sử dụng điều khiển PR 50 Hình 3.18 Các thơng số cài đặt 50 Hình 3.19 Inverter nối lƣới 51 Hình 3.20 Vịng khóa pha PLL 51 Hình 3.21 Điều khiển dịng điều khiển PR 52 Hình 3.22 Sin PWM 52 Hình 3.23 Điều chế SPWM (PR) 53 Hình 3.24 Điều chế SPWM (PR) 53 Hình 3.25 Dạng sóng ngõ dùng PR control 54 Hình 3.26 Dịng đầu Igr sử dụng điều khiển PR 54 Hình 3.27 THD Igr điều khiển PR 55 Hình 3.28 Giá trị THD dịng điện lƣới với điều khiển PI 56 Hình 3.29 Giá trị THD dòng điện lƣới với điều khiển PR 56 ix Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp Khối Sin PWM lấy sóng tham chiếu Vref so sánh với sóng mang tam giác với tần số 10khz tạo đƣợc tín hiệu chuyển mạch ngõ cấp cho khóa INVERTER Hình 3.11 Sin PWM 3.2.2 kết mơ Điều chế SPWM Hình 3.12 Điều chế SPWM (PI) 47 Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khố luận tốt nghiệp Tín hiệu ngõ điều khiển IGBT (khóa S1) Hình 3.13 Điều chế SPWM (PI) Nhận xét: Tín hiệu tham chiếu Vref đầu PI cho biên độ sóng sin cao sóng tam giác (m>1) (hình 3.12), dẫn đến có khoảng thời gian không tồn giao điểm hai sóng, ảnh hƣởng đến tín hiệu điều khiển đƣợc thể nhƣ hình 3.13 Trong trƣờng hợp lƣợng điều chế mức mức chấp nhận đƣợc không ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng ngõ INVERTER Các dạng sóng ngõ điện áp dịng điện Hình 3.14 Dạng sóng ngõ dùng PI control 48 Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp Dịng đầu Igr phía lƣới Hình 3.15 Dịng đầu Igr sử dụng điều khiển PI Tổng sóng hài dịng đầu ra: Hình 3.16 THD Igr điều khiển PI 49 Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp Nhận xét: Lệch pha dòng điện ngõ Inv điện áp Vgrid Tại điểm kết nối lƣới dòng điện dao động sau trở trạng thái ổn định Điện áp phía lƣới có biên độ 100 đáp ứng yêu cầu dòng đặt = 100A Để đánh giá chất lƣợng ta sử dụng công cụ phân tích sóng hài FFT, từ kết ta thấy điện áp tạo có dạng sin tỉ tệ hài dòng đầu THD = 0.10% thấp nhiều với quy định tối đa 5% 3.3 Mô hệ thống kết nối lƣới sử dụng điều khiển Proportional Resonant (PR) 3.3.1 Sơ đồ mô hệ thống nối lƣới sử dụng điều khiển Proportional Resonant (PR) Hình 3.17 Sơ đồ mô hệ thống nối lƣới sử dụng điều khiển PR Cài đặt thông số: Các thông số PR đƣợc cài đặt tƣơng tự nhƣ hệ thống PI Vdc 600 V Vgr 311V f 50Hz L 4e-3 H C 6e-6 F Hình 3.18 Các thông số cài đặt 50 Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khố luận tốt nghiệp Mơ khối INVERTER nối lƣới giải thuật SinPWM Hình 3.19 Inverter nối lƣới Tạo alpha-beta cách đƣa điện áp lƣới lọc thơng thấp cấp tín hiệu cho vịng khóa pha PLL, góc đầu Omega T thẳng hàng với giá trị đầu vào nên Omega T đƣợc sử dụng để tạo tín hiệu tham chiếu dịng điện sử dụng sinwt làm tín hiệu tham chiếu cho công suất phản kháng để đƣa vào lƣới Hình 3.20 Vịng khóa pha PLL Ở điều khiển, đặt biên độ dòng điện tham chiếu I=100A cách sử dụng khối gain đặt 100 làm biên độ dịng điện tham chiếu tạo tín hiệu lỗi dịng 51 Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khố luận tốt nghiệp đầu INVERTER dòng tham chiếu, tiếp đến qua PR so sánh với điện áp lƣới để tạo tín hiệu đầu vào (Vref) PWM Hình 3.21 Điều khiển dịng điều khiển PR Cài đặt thông số Kp=26.667 K; Kr=100*4 w=986.8/4 Sử dụng khối gain= 2/Vdc để giới hạn V đầu vƣợt 1, V đầu điều khiển cao biến tần chuyển sang trạng thái điều chế mức Vref đƣợc đƣa vào PWM cho tín hiệu điều khiển khóa biến tần Hình 3.22 Sin PWM 52 Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp 3.3.2 Kết mô Điều chế SPWM Hình 3.23 Điều chế SPWM (PR) Tín hiệu điều khiển khóa S1 Hình 3.24 Điều chế SPWM (PR) 53 Trƣơng Thế Anh – Lê Quang Huy Khoá luận tốt nghiệp Nhận xét: Bộ PR cho tín hiệu tham chiếu ngõ có biên độ nhỏ sóng mang tam giác (ma