LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ CỘNG HƯỞNG CHO HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU BA PHA NỐI LƯỚI Sự phát triển của việc sử dụng biến tần ba pha nối lưới đã nhận ra sự thay đổi dạng sóng của dòng điện ở chất lượng cao hơn. Bộ nghịch lưu nối lưới ba pha tiêu chuẩn là bộ nghịch lưu nguồn điện áp nhiều bậc. Bộ nghịch lưu này thường được điều khiển bởi bộ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) để đảm bảo dòng điện hình sin vào lưới. Mặc dù bộ điều khiển PI được thiết lập tốt và dễ sử dụng trong điều kiện lưới điện bình thường, nhưng nó dẫn đến sự mất ổn định của hệ thống trong điều kiện lưới điện bất thường. Khi điều kiện lưới điện bất thường có thể xảy ra, hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PI có thể được cấu hình để bao gồm hai bộ điều khiển PI riêng biệt cho các thành phần thứ tự dương và âm của dòng điện lưới. Tuy nhiên, điều này làm tăng độ phức tạp điều khiển và tổng độ méo hài (THD). Gần đây hơn, bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ (PR) bắt đầu thay thế bộ điều khiển PI trong một ứng dụng khác bao gồm điều khiển dòng điện nối lưới. So sánh lý thuyết và mô phỏng giữa bộ điều khiển PI và PR được trình bày. So sánh cho thấy rằng bộ điều khiển PR cung cấp độ méo hài tổng (THD) thấp hơn trong phổ tín hiệu dòng điện và dễ thực hiện hơn vì nó chỉ sử dụng thành phần thứ tự thuận của dòng điện lưới và do đó chỉ cần một bộ điều khiển PR. Vì những lý do này, bộ điều khiển PR được sử dụng trong luận văn này. Mặc dù bộ điều khiển PR cung cấp chức năng nâng cao trong các điều kiện lưới điện bất thường so với bộ điều khiển PI, sự thay đổi đột ngột trong điện áp lưới cũng có thể làm tăng sai số giữa tín hiệu tham chiếu và tín hiệu được điều khiển, dẫn đến gây ra sự khác biệt đáng kể so với giá trị bên ngoài của nó. Trong luận án này đã trình bày một khái niệm thiết kế mới để điều khiển dòng điện của bộ nghịch lưu nối lưới ba pha trong điều kiện bình thường và bất thường. Kỹ thuật được đề xuất thay thế các tham số điều khiển tĩnh bằng các tham số điều khiển thích ứng dựa trên một bảng tra cứu. Kỹ thuật điều khiển được đề xuất có khả năng cung cấp THD ngay cả khi xảy ra các điều kiện lưới điện bất thường so với các bộ điều khiển PI. Nó cũng đạt được thời gian vượt quá tốc độ và thời gian ổn định thấp hơn cũng như độ sai số ở trạng thái ổn định nhỏ hơn.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN ĐỨC GIANG ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ CỘNG HƯỞNG CHO HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU BA PHA NỐI LƯỚI Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã Ngành: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: PSG.TS Châu Minh Thuyên Luận văn thạc sĩ bảo vệ hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ trường đại học cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 10 năm 2022 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Dương Thanh Long- Chủ tịch Hội đồng PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ- Phản biện PGS.TS Trương Việt Anh- Phản biện TS Ngô Thanh Quyền- Ủy viên TS Lệ Văn Đại- Thư ký (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Đức Giang MSHV: 20000401 Ngày, tháng, năm sinh:18-11-1995 Nơi sinh: Nam Định Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã ngành: 8520201 I TÊN ĐỀ TÀI: Điều Khiển Cộng Hưởng Tỷ Lệ Cho Hệ Thống Nghịch Lưu Ba Pha Nối Lưới NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ : so sánh lý thuyết bộ điều khiển PI PR Nội dung : phân tích dạng sóng dịng điện, điện áp mợt chiều, điện áp xoay chiều bộ điều khiển PI PR trước hòa lưới điều khiện lưới điện bình thường bất thường II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ 880/QĐ-DHCN ngày 13 tháng năm 2022 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 20 tháng 10 năm 2022 IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PSG.TS Châu Minh Thuyên Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 … NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, với nỗ lực thân, người viết nhận động viên, giúp đỡ rất nhiều người Người viết xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Châu Minh Thuyên giảng viên khoa Cơng Nghệp Điện Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, Thầy tận tình bảo hướng dẫn người viết suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Ban chủ nhiệm Khoa Công Nghệ Điện phịng SĐH Trường Cơng Nghệp Điện Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để người viết hoàn luận văn Xin cảm ơn BGH, thầy cô giáo Trường Công Nghệp Điện Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi cơng tác để người viết hồn thành luận văn thời hạn i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Sự phát triển việc sử dụng biến tần ba pha nối lưới nhận thay đổi dạng sóng dịng điện chất lượng cao Bợ nghịch lưu nối lưới ba pha tiêu chuẩn bộ nghịch lưu nguồn điện áp nhiều bậc Bộ nghịch lưu thường điều khiển bợ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) để đảm bảo dịng điện hình sin vào lưới Mặc dù bộ điều khiển PI thiết lập tốt dễ sử dụng điều kiện lưới điện bình thường, dẫn đến mất ổn định hệ thống điều kiện lưới điện bất thường Khi điều kiện lưới điện bất thường xảy ra, hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PI cấu hình để bao gồm hai bộ điều khiển PI riêng biệt cho thành phần thứ tự dương âm dòng điện lưới Tuy nhiên, điều làm tăng độ phức tạp điều khiển tổng độ méo hài (THD) Gần hơn, bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ (PR) bắt đầu thay bộ điều khiển PI một ứng dụng khác bao gồm điều khiển dòng điện nối lưới So sánh lý thuyết mô bộ điều khiển PI PR trình bày So sánh cho thấy bộ điều khiển PR cung cấp độ méo hài tổng (THD) thấp phổ tín hiệu dịng điện dễ thực sử dụng thành phần thứ tự thuận dòng điện lưới cần mợt bợ điều khiển PR Vì lý này, bộ điều khiển PR sử dụng luận văn Mặc dù bộ điều khiển PR cung cấp chức nâng cao điều kiện lưới điện bất thường so với bộ điều khiển PI, thay đổi đột ngột điện áp lưới làm tăng sai số tín hiệu tham chiếu tín hiệu điều khiển, dẫn đến gây khác biệt đáng kể so với giá trị bên ngồi Trong luận án trình bày mợt khái niệm thiết kế để điều khiển dịng điện bợ nghịch lưu nối lưới ba pha điều kiện bình thường bất thường Kỹ thuật đề xuất thay tham số điều khiển tĩnh tham số điều khiển thích ứng dựa một bảng tra cứu Kỹ thuật điều khiển đề xuất có khả cung cấp THD xảy điều kiện lưới điện bất thường so với bợ điều khiển PI Nó đạt thời ii gian vượt tốc độ thời gian ổn định thấp độ sai số trạng thái ổn định nhỏ iii ABSTRACT The development of using grid-connected three-phase inverter has augmented the standing of realizing muted distortion along with high-quality current waveform The standard three-phase grid-connected inverter is the full-bridge voltage source inverter This inverter is usually controlled by proportional integral (PI) controller in order to ensure sinusoidal current injection to the grid Although the PI controller is well established and easy to use under normal grid conditions, it leads to system instability under abnormal grid conditions When abnormal grid conditions are likely to occur, the control system with PI controller can be configured to include two separate PI controllers for the positive and negative sequence components of the grid current However, this increases control complexity and total harmonic distortion (THD) More recently, the proportional resonant (PR) controller started to replace PI controller in a different application including grid-connected current control In this thesis, a comprehensive theoretical the PI and PR controllers is presented The comparison shows that the PR controller offers lower total harmonic distortion (THD) in the current signal spectrum and is simpler to implement as it uses only the positive sequence component of the grid current and consequently only one PR controller is needed Despite the PR controller offering enhanced functioning under abnormal grid conditions compared to PI controller, a sudden change in the grid voltage could additionally raise the error between the reference signal and the controlled signal which results in causing significantdivergence from its ostensible value To overcome this problem, a new design concept for controlling the current of the three-phase grid connected inverter during normal and abnormal conditions is presented in this thesis The proposed technique replaces the static control parameters by adaptive control parameters based on a look-up table The proposed control technique is capable of providing low THD in the injected current even during the occurrence of abnormal grid conditions compared with PI iv controllers It also achieves lower overshoot and settling time as well as smaller steady-state error v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ bất kỳ một nguồn bất kỳ hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Học viên (Chữ ký) Nguyễn Đức Giang vi MỤC LỤ LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC .v DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU .xiii Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 5 Ý nghĩa thực tiễn đề tài .5 CHƯƠNG TỔNG QUAN .6 1.1 Giới thiệu 1.2 Nghịch lưu ba pha nối lưới 1.3 Các bợ lọc phía lưới 12 1.4 Phương pháp đồng bợ hịa lưới phía lưới 13 1.4.1 Vòng khóa pha (PLL) 14 1.4.2 Phương pháp giao điểm không (ZCM) 16 CHƯƠNG NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA NỐI LƯỚI…………… 17 2.1 Giới thiệu 17 2.2 Mô-đun PV 18 2.3 Nguyên lý làm việc nghịch lưu ba pha 20 2.4 Điều chế độ rộng xung (PWM) 21 vii 2.4.1 Điều chế đợ rợng xung hình Sin (SPWM) 22 2.4.2 Điều chế theo vec tơ không gian 23 2.5 Kết luận .27 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA NỐI LƯỚI 29 3.1 Giới thiệu 29 3.1.1 Sơ đồ khối Error! Bookmark not defined 3.2 Bộ điều khiển dịng điện tích phân tỷ lệ (PI) khung tham chiếu đồng bộ… 30 3.2.1 Bộ điều khiển dịng điện tích phân tỷ lệ (PI) khung tham chiếu đồng bộ .31 3.2.2 Tính ổn định bợ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) 36 3.3 Bợ điều khiển dịng điện cộng hưởng tỷ lệ (PR) khung tham chiếu tĩnh… 39 3.3.1 Tính ổn định bợ điều khiển tích phân tỷ lệ (PR) 43 3.4 Kết luận .45 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU BẦY ĐÀN .47 4.1 Giới thiệu 47 4.2 Phương pháp tối ưu hóa bầy đàn (PSO) 47 CHƯƠNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH ỨNG PR 51 5.1 Giới thiệu 51 5.2 Bợ điều khiển thích ứng (PR) 51 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .54 6.1 Giới thiệu 54 6.2 Kết mô .58 6.2.1 Kết mô sử dụng bợ điều khiển PI trước hịa lưới 58 6.2.3 Kết mô sử dụng bộ điều khiển PR trước hịa lưới .61 6.2.4 Bợ điều khiển PI điều kiện lưới điện cân 64 6.2.5 Bộ điều khiển PR điều kiện lưới điện cân 65 6.2.6 Bộ khiển PI điều kiện tải cân 66 6.2.7 Bộ điều khiển PR điều kiện tải cân 67 6.2.8 Bộ điều khiển PI điều kiện lưới điện không cân .68 viii 6.2.9 Bộ điều khiển PR điều kiện lưới điện không cân 69 6.2.10 Bộ điều khiển PI điều kiện tải không cân 70 6.2.11 Bộ điều khiển PR điều kiện tải không cân 71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 72 Kết dự kiến 72 Hướng phát triển đề tài 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO .75 PHỤ LỤC 79 Giới thiệu………………………………………………………………… 79 Phép biến đổi Clark Park……………………………………………… 79 2.1 Phép chuyển đổi Park 51 2.1 Phép chuyển đổi Clark 51 Mơ hình tốn học bợ lọc LCL………………………………………………83 Điều khiển dịng điện bợ nghịch lưu ba pha nối lưới……………… …83 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 86 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cơng śt PV lắp đặt U.K 15 Hình 1.2 Cho thấy hệ thống PV nối lưới MW US 16 Hình 1.3 Mơ tả mợt dịng bợ nghịch lưu PV nối lưới ba pha .18 Hình 1.4 Các giai đoạn xử lý cho sơ đồ đơn dòng bộ nghịch lưu nối lưới điện PV ba pha: (a) trường hợp một giai đoạn (b) trường hợp nhiều giai đoạn 20 Hình 1.5 Bợ nghịch lưu ba pha hai cấp (VSI) 21 Hình 1.6 Các lược đồ cấu hình bợ lọc: (a) Bộ lọc L; (b) Bộ lọc LC; (c) Bộ lọc LCL; (d) Bộ lọc LCL với điện trở giảm chấn 22 Hình 1.7 Sơ đồ PLL 24 Hình 1.8 Sơ đồ PLL ba pha SRF 24 Hình 1.9 Sơ đồ thơng lượng ảo 25 Hình 1.10 Phương pháp phát giao khơng .26 Hình 2.1 Các sơ đồ dịng đơn bợ nghịch lưu nối lưới ba pha: (a) giai đoạn đơn, (b) giai đoạn kép .28 Hình 2.2 Các đặc tính I-V mạch tương đương mơ-đun lượng mặt trời 29 Hình 2.3 Biểu đồ đặc tính I-V mơ-đun PV 30 Hình 2.4 Biểu đồ đặc tính P-V mô-đun PV .30 Hình 2.5 Bợ nghịch lưu ba pha 31 Hình 2.6 Điều chế tam giác sin cho dạng sóng ba pha với ba dạng sóng chuyển mạch: a, b c 33 Hình 2.7 Hình lục giác vectơ khơng gian 35 Hình 2.8 Vectơ điện áp tham chiếu .36 Hình 3.1 Sơ đồ khối .40 Hình 3.2 Sơ đồ dịng đơn bợ nghịch lưu nối lưới ba pha với sơ đồ điều khiển dòng điện 41 Hình 3.3 Bợ điều khiển PI sơ đồ tham chiếu đồng bộ 43 Hình 3.4 Sơ đồ điều khiển PI miền thời gian .44 x Hình 3.5 Sơ đồ Bode bợ điều khiển PI 45 Hình 3.6 Vịng kín biến tần có bợ lọc LCL sử dụng bợ điều khiển PI .36 Hình 3.7 Biểu đồ mã hệ thống vòng hở 38 Hình 3.8 Vị trí gốc bộ điều khiển PI 38 Hình 3.9 Bợ điều khiển PR điều khiển khung tham chiếu tĩnh 39 Hình 3.10 Sơ đồ kiểm sốt việc thực bợ điều khiển PR 41 Hình 3.11 Biểu đồ Bode bộ điều khiển PR lý tưởng khơng lý tưởng 41 Hình 3.12 Vịng kín biến tần có bợ lọc LCL sử dụng bợ điều khiển PR 44 Hình 3.13 Vết bode hệ thống vòng hở .45 Hình 3.14 Quỹ tích gốc hệ thống vịng kín 45 Hình 3.15 Quỹ tích gốc hệ thống vịng kín 45 Hình 4.1 Lưu đồ tối ưu hóa bầy đàn hạt (PSO) 45 Hình 4.2 Tối ưu hóa PSO hệ quy chiếu đồng bộ 45 Hình 5.1 Lưu đồ bợ điều khiển PR 45 Hình 5.2 Cấu trúc bợ điều khiển PR 45 Hình 6.1 Sơ đồ mô bộ biến tần nối lưới ba pha 45 Hình 6.2 PLL, biến đổi điện áp dòng điện 45 Hình 6.3 Điện áp lưới ba pha bộ điều khiển PI .45 Hình 6.4 Dịng điện lưới ba pha bộ điều khiển PI 45 Hình 6.5 Điện áp mợt chiều đo bợ điều khiển PI 45 Hình 6.6 Dạng sóng điện áp trước bợ lọc bợ điều khiển PI .45 Hình 6.7 FFT dạng sóng sử dụng bợ điều khiển PI 450 Hình 6.8 Điện áp lưới ba pha bộ điều khiển PR 450 Hình 6.9 Dịng điện lưới ba pha bộ điều khiển PR 45 Hình 6.10 Điện áp mợt chiều đo bợ điều khiển PR 45 Hình 6.11 Dạng sóng điện áp trước bợ lọc bợ điều khiển PR 45 Hình 6.12 FFT dạng sóng sử dụng bợ điều khiển PR 45 Hình 6.13 Điện áp lưới ba pha điều kiện lưới điện cân bộ điều khiển PI 45 xi Hình 6.14 Dòng điện lưới ba pha điều kiện lưới điện cân bộ điều khiển PI 45 Hình 6.15 Điện áp lưới ba pha điều kiện lưới điện cân bộ điều khiển PR 45 Hình 6.16 Dịng điện lưới ba pha điều kiện lưới điện cân bộ điều khiển PR .45 Hình 6.17 Điện áp lưới ba pha điều kiện tải cân bộ điều khiển PI 45 Hình 6.18 Dịng điện lưới ba pha điều kiện tải cân bộ điều khiển PI 45 Hình 6.19 Điện áp lưới ba pha điều kiện tải cân bợ điều khiển PR 45 Hình 6.20 Dòng điện lưới ba pha điều kiện tải cân bợ điều khiển PR……………………………………………………………….…… 45 Hình 6.21 Điện áp lưới ba pha điều kiện lưới điện không cân bộ điều khiển PI 45 Hình 6.22 Dịng điện lưới ba pha điều kiện lưới điện không cân bộ điều khiển PI 45 Hình 6.23 Điện áp lưới ba pha điều kiện lưới điện không cân bộ điều khiển PR .45 Hình 6.24 Điện áp lưới ba pha điều kiện lưới điện không cân bộ điều khiển PR .45 Hình 6.25 Điện áp lưới ba pha điều kiện tải không cân bộ điều khiển PI 45 Hình 6.26 Dòng điện lưới ba pha điều kiện tải không cân bộ điều khiển PI 45 Hình 6.27 Điện áp lưới ba pha điều kiện tải không cân bộ điều khiển PR 45 Hình 6.28 Điện áp lưới ba pha điều kiện tải không cân bộ điều khiển PR 45 Hình 6.29 Cực tiểu sai số bộ điều khiển PR 45 xii Hình 6.30 Cực tiểu sai số bộ điều khiển PI .45 xiii DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BJT Transistor lưỡng cực BPSC Điều khiển cân trình tự dương DSP Bộ xử lý kỹ thuật số FC Tụ điện cao SRF-PLL Luận văn Thạc sĩ DSP Bộ xử lý kỹ thuật số FFT Biến đổi chuỗi Fourier IEEE Viện kỹ thuật điện điện tử IGBT Transistor có cực điều khiển cách ly MATLAB Phịng thí nghiệm ma trận phân tích số dựa hàm MOSFET Transistor hiệu ứng trường kim loại - oxit bán dẫn MPP Điểm cơng śt cực đại MPPT Dị tìm điểm cơng śt cực đại NPC Điểm kẹp trung tính PCC Điểm ghép nối chung PI Bợ điều khiển tích phân tỷ lệ PLL Vịng lặp khóa pha PV Tấm pin lượng mặt trời PR Bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ xv i ... tần ba pha nối lưới nhận thay đổi dạng sóng dịng điện chất lượng cao Bộ nghịch lưu nối lưới ba pha tiêu chuẩn bộ nghịch lưu nguồn điện áp nhiều bậc Bộ nghịch lưu thường điều khiển bộ điều khiển. .. Dịng điện lưới ba pha điều kiện lưới điện cân bộ điều khiển PR .45 Hình 6.17 Điện áp lưới ba pha điều kiện tải cân bợ điều khiển PI 45 Hình 6.18 Dịng điện lưới ba pha điều kiện tải... bộ điều khiển PI 45 xi Hình 6.14 Dòng điện lưới ba pha điều kiện lưới điện cân bộ điều khiển PI 45 Hình 6.15 Điện áp lưới ba pha điều kiện lưới điện cân bộ điều khiển