23199 77543 1 pb 5888

SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 Giải thuật điều khiển chia công suất nghịch lưu song song tải phi tuyến  Lê Minh Phương  Lê Tấn Đại  Phạm Thị Xuân Hoa Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 21 tháng năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 08 tháng năm 2015) TĨM TẮT Bài báo trình bày giải thuật điều khiển nghịch lưu kết nối song song chia công suất P chung bậc hai (second-order general-integrator – SOGI) Kết mô Matlab Q hệ thống lượng hoạt động độc lập với tải phi tuyến Trong hệ thống này, để nâng cao thêm việc chia tải công suất P Q chất lượng điện áp, vòng lặp trở kháng ảo thêm vào hệ thống điều khiển trượt (droop control) Bài báo đề xuất dạng trở kháng ảo dạng giải thuật tích phân Simulink cho thấy khả chia công suất P, Q tốt mơ hình điều khiển đề xuất kết nối với tải không cân tải phi tuyến, với việc áp dụng giải thuật đề xuất cho phép giảm THD điện áp đến 1.9% tải phi tuyến 1.2% tải không cân so với trường hợp sử dụng sơ đồ điều khiển truyền thống Từ khoá: Các nghịch lưu song song, Droop control, SOGIs, trở kháng ảo, chia tải GIỚI THIỆU Hiện nay, giới người ta sử dụng nhiều cách để cung cấp lượng cách liên tục Một phương pháp dùng hệ thống microgrid (lưới siêu nhỏ) hoạt động cách độc lập hay kết nối lưới tùy vào nhu cầu sử dụng Thêm vào đó, dựa ứng dụng điện tử cơng suất, microgrid thường sử dụng kết hợp nguồn lượng tái tạo, hệ thống lưu trử lượng Hình thể mơ hình lưới dạng Trang 16 microgrid đặc trưng với nguồn lượng khác Giả sử, khu vực mà lưới điện quốc gia không kéo tới được, cần phải cung cấp điện cho khu vực bị cách ly hay có điện khơng ổn định, ta có hai hay nhiều nghịch lưu ba pha công suất nhau, kết nối song song với hoạt động microgrid độc lập Các nghịch lưu đặt cách xa cách xa hộ tiêu thụ, cần phải có biện pháp để hai nghịch lưu hoạt động song song với để bảo đảm tính ổn định TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K2- 2015 hệ thống giúp cho nghịch lưu không bị tải Cần có phương pháp điều khiển để giải tốn Hình Mơ hình lưới Microgrid với nguồn lượng khác Trên giới, vài phương pháp điều khiển thực để đạt điều này, phương pháp điều khiển tập trung [1], phương pháp điều khiển chính-phụ (master-slave) [2]-[4], phương pháp điều khiển sai lệch công suất [5],[6], phương pháp điều khiển mạng lưới kết nối chung [7], phương pháp điều khiển trượt tần số điện áp [8]-[13] Trong phương pháp cuối cùng, điều khiển dựa thông tin đo lường nghịch lưu, không cần liên lạc hay trao đổi thơng tin nghịch lưu mà chia sẻ công suất P Q nghịch lưu Công suất P Q nhau, dẫn tới việc kéo dài tuổi thọ cho thiết bị chạy tải nhẹ giúp cho hệ thống ổn định Do tiết kiệm chi phí bảo dưỡng thiết bị chi phí phát sinh cần tăng cơng suất tiêu thụ, cần bổ sung thêm nghịch lưu có cơng suất tương tương, khơng phải đầu tư lại toàn hệ thống Phương pháp điều khiển trượt không sử dụng giao tiếp tỏ phù hợp trường hợp không cần liên lạc hay trao đổi thông tin nghịch lưu mà chia sẻ cơng suất P Q nghịch lưu ta dự đốn trước cơng suất tiêu thụ nghịch lưu Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp điều khiển trượt truyền thống khả chia công suất tổng trở kháng ngõ trở kháng đường dây không Để giải vấn đề này, cuộn cảm thêm vào nghịch lưu tải, chúng nặng cồng kềnh [14] Như phương pháp thay thế, vòng lặp trở kháng ảo cộng vào để cải thiện độ xác việc chia tải [15], [16] Nhưng dừng lại dạng nghịch lưu pha hay ba pha cơng suất cịn thấp, dùng cuộn cảm lọc lớn, trở kháng đường dây nhỏ kết nối với tải phi tuyến Bài báo đề xuất mơ hình hai nghịch lưu ba pha kết nối song song với dạng trở kháng áp dụng giải thuật tích phân chung bậc hai (second-order general-integrator – SOGI) nhằm giải tốt đề chia công suất P, Q, THD% áp sử dụng cuộn lọc nhỏ trở kháng đường dây kết nối tải lớn Hình thể mơ hình nghiên cứu nghịch lưu kết nối song song với báo Lf DC Biến Tần Cf Tải Lf DC Biến Tần Cf Hình Sơ đồ khối mơ hình nghiên cứu Trang 17 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT (DROOP CONTROL) Nguyên tắc phương pháp điều khiển trượt truyền thống giải thích cách xem xét mạch tương đương VSI (Voltage Source Inverter) [15] kết nối với AC bus, thể hình 3: Q( UE U2 UE cos   )sin   sin  cos  Z Z Z (5) Phương pháp điều khiển trượt dựa hai giả sử sau [17]: Giả sử 1: Nếu trở kháng đường dây trở, =00 Thì: P Hình Mơ hình đơn giản nghịch lưu kết nối lưới U ( E cos   U ) Z Q U E sin  Z đầu biến tần bus chung Khi  nhỏ: E Ngoài ra, giả định điện áp AC bus P tổng trở đường dây gộp dòng trở kháng hiệu Z Khi cơng suất AC chuyển đến bus tính sau: P UE U      Z Z UE U2 cos(   )  cos  Z Z U (E  U ) Z Q U E Z (8) (9) Suy ra, P ≈ E, Q ≈  Do đó, chiến lược điều S  UI *  (7) Giả sử 2: Với  góc lệch pha điện áp Như hình 3, bỏ qua gợn sóng chuyển mạch thành phần hài bậc cao, VSI mơ hình hóa nguồn AC, với điện áp U0 tổng trở đầu chuyển đổi (6) (1) (2) khiển trượt có dạng: E = E* - nP (10) ω = ω* + mQ (11) (3) Với E ω biên độ tần số điện áp ngõ nghịch lưu E*và ω* biên độ tần số danh định điện áp ngõ không tải, n m hệ số trượt biên độ tần số tương ứng Do đó, cơng suất công suất phản kháng nghịch lưu biểu diễn dạng sau: ĐIỀU KHIỂN CHIA CÔNG SUẤT P VÀ Q TRONG HỆ THỐNG MICROGRID Q UE U sin(   )  sin  Z Z UE U2 UE P( cos   ) cos   sin  sin  Z Z Z (4) Trang 18 Hình thể đường đặc trưng phương pháp điều khiển trượt theo đường dây kết nối tải trở với công suất tác dụng, công suất phản kháng điều khiển độc lập hai đường trượt P Q, với m n hệ số trượt Bộ điều khiển trượt đọc thông tin từ điểm kết nối u TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K2- 2015 cầu cơng suất từ hệ thống dựa vào đường trượt tính giá trị đặt cho điều khiển zero [17] * ω E E=E*-nP E ω * ω =ω*+mQ Q * Q PLoad  Các hệ số m n xác định dựa công suất định mức sai lệch tối đa cho phép tần số sức điện áp Ví dụ, microgrid với N nguồn, m n phải thoả mãn ràng buộc sau [17]:  n1 P1  n P2   n N PN   E max   m1Q1  m Q2   m N Q N    max (12) Trong đó, max Emax độ lệch tốc độ góc điện áp tối đa cho phép, Pi Qi công suất tác dụng, công suất phản kháng định mức nguồn thứ i Trong trình hoạt động gắn liền với lưới điện microgird, điện áp tần số góc nguồn phải tn theo lưới Cơng suất tác dụng phản kháng ngõ tham chiếu nguồn, điều chỉnh thơng qua E* * (13) Microgrid bao gồm nhiều nguồn phát khác nguồn phát cung cấp công suất tương ứng dựa cơng suất cực đại Bỏ qua tổn hao tiêu thụ, biểu thức phương pháp điều khiển trượt nguồn phát dựa theo nguyên tắc: S Load  S G  S G   S Gi SGi :công suất nguồn phát thứ i Từ biểu thức (10) (11) ta khai triển: Hình Đường đặc trưng phương pháp điều khiển trượt theo đường dây trở  E*  E P   n  * Q      m SLoad : công suất yêu cầu * P P Trong đó: (14) VL1  Vref n1  VL  Vref n2   VLi  Vrefi ni (15) Và QLoad   ref   L1 m1  ref   L m2    refi   Li mi (16) Các nguồn phát hoạt động microgrid phải hoạt động tầm tần số điện áp trượt (Δf ΔV) để đảm bảo ổn định hoạt động tần số trạng thái xác lập (ωref) Do từ biểu thức (15) (16) kết luận phương pháp điều khiển trượt định phần cơng suất cung cấp nguồn phát microgrid 4.PHÂN TÍCH THIẾT KẾ TRỞ KHÁNG ẢO CHO THUẬT TỐN SOGI ĐỀ XUẤT Trở kháng ảo vòng lặp điều khiển nhanh, tạo điện áp rơi mà không gây tổn hao công suất P Q Trở kháng ảo thường sử dụng cho việc điều khiển trở kháng ngõ nghịch lưu để cải thiện tính ổn định, giới hạn dịng, tăng khả chia tải P, Q Trong báo này, mô hình trở kháng ảo dạng thuật tốn SOGI trình bày Ta xem xét mơ hình tích phân chung bậc hai (second-order general-integrator – SOGI) dạng hệ thống pha Mơ hình SOGI dựa cộng hưởng tần số điều chỉnh, thực tích phân ghép tầng làm việc vịng kín, hình Cấu trúc thường sử dụng với thuât toán FLL với đặc tuyến lưới để cung cấp xác biên độ Trang 19 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 góc pha hệ thống Thêm vào đó, thực dễ dàng có ưu điểm khả theo dõi tín hiệu nhanh chóng xác với việc loại bỏ tín hiệu nhiễu đầu vào i + k + X - ∫ iα ω X Hình Biểu đồ bode hàm Hα(s) Hβ(s) với k = ∫ iβ Hình Sơ đồ khối tích phân chung bậc hai (secondorder general-integrator – SOGI) Hình Hai thành phần dịng ngõ raiα, iβ SOGI với dịng điện ngõ vào có nhiễu Như thể hình 5-6, SOGI địi hỏi tín hiệu (i) giá trị tần số (ω) đầu vào tạo hai tín hiệu sin ngõ (iα, iβ), với biên độ điện áp (i), lệch góc 900 Ta lại có, tín hiệu (iα) pha với thành phần tín hiệu ngõ vào (i) Ngồi ra, biểu thức SOGI có dạng i k s ( s)  i s  k s   i k H   ( s)  i s  k s   H  (17) Trong công thức (17, 18), k hệ số hệ thống vịng lặp kín Biểu đồ Bode hàm chuyển đổi SOGI biểu thị hình với ω=2π50 rad/s k=1 Từ hình thấy Hα(s) lọc thông dải, với băng thông xác định k, Hβ(s) lọc thông thấp Chú ý (iα(s)/iβ(s) = ω/s) Do đó, giả sử ngõ vào (i) có dạng i(t)=Asin(ωt) mà (iα) theo thành ngõ vào (i), nói rằng: i (t )  A sin( t ) (19) i (t )   A cos(t ) (20) Với A ω biên độ tần số tín hiệu ngõ vào tương ứng Do trở kháng ảo thường có dạng nối tiếp với trở kháng thực đường dây nên xem xét công thức (19, 20), tín hiệu ngõ vào dịng điện i(t) Do điện áp rơi tạo trở kháng ảo có dạng: di (t ) di(t )  Rv i(t )  Lv d  Rvid (t ) dt dt   Lv A cos(t )  Rv Asin(t ) VV (t )  Lv (18) (21) Hay VV (t )   Lv i (t )  Rv i (t ) Trang 20 (22) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K2- 2015 Trong đó, RV, LV VV điện trở ảo, cuộn cảm ảo điện áp tạo trở kháng ảo VV ( s )  (VV , ( s )  jVV , ( s ))  ( RV  j0 LV ) ( I  ( s)  jI  ( s))  ( RV  j0 LV )[( I , ( s )  jI ,  ( s ))  j ( I  , ( s)  jI  , ( s ))] Dựa vào công thức (21, 22), hệ thống hệ thống ba pha nên phân tích dạng αβ điện áp rơi tạo trở kháng ảo có giá điện áp rơi tạo Iα Iβ, mà Iα Iβ lại có phân hóa thành α β nhỏ, suy công thức mô tả điện áp rơi trở kháng ảo ba pha có dạng: (23) MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN Hình minh họa sơ đồ khối điều khiển cho nghịch lưu kết nối song song với hệ thống Trong điều khiển bao gồm khối: Cf Đường dây kết nối tải Lf Tải DC Iabc Vabc Iabc_0 SVPWM Vm,abc Khối (f) Bộ Điều Khiển Dòng Iref,abc Khối (e) Bộ Điều Khiển Áp Vref,abc Khối (b), (c), (d) Khối (a) Tính Tốn P&Q Droop Control & Virtual Impedance Vabc Iabc_0 Iabc Hình Sơ đồ khối mơ hình điều khiển chung khối nhỏ bên trong, cho nghịch lưu kết nối song song hệ thống lượng + Khối (a) tính tốn công suất P, Q dạng ba pha, điện áp ngõ (Vabc) sau tụ lọc dòng điện ngõ phía tải (Iabc_0) sử dụng để xác định cơng suất thực phản kháng tức thời qua công thức: điện (Iabc_0) góc -900 u cầu tính cơng suất phản kháng Sau đó, Pi Qi đưa qua lọc thông thấp để loại thành phần dao động -900 Pi  VI Q i  VI (  90 ) (24) Với Pi Qi công suất thực phản kháng tức thời tương ứng pha Dịch pha dòng Iabc_0 Vabc X X -1 LPF Qabc LPF Pabc (a) Khối tính P Q Trang 21 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K2 - 2015 + Khối (b) điều khiển tạo điện áp rơi VV từ trở kháng ảo phương pháp đề xuất, dựa vào cơng thức (23) ta có điện áp rơi dạng αβ sau qua biến đổi αβ/abc để tạo điện áp rơi dạng ba pha VV,abc; SOGI Iα abc Rv Iα Iabc_0 αβ Iβ -ωLv ∑ -ωLv VV,α -Rv αβ VV,abc abc SOGI Iβ Rv Iα ωLv Iβ -ωLv ∑ VV,β Rv (b) Khối tính điện áp rơi tạo trở kháng ảo theo mô hình tích phân chung bậc hai (second-order general-integrator – SOGI) + Khối (c) điều khiển trượt truyền thống dựa công thức (10, 11): E* Pa Pb Pc + + + -n + Em ω* Qa Qb Qc + + + m + ω (c) Khối droop control truyền thống Trang 22 + Khối (d) kết hợp điện áp tham khảo điều khiển trượt điện áp rơi trở kháng ảo đề xuất tạo điện áp tham khảo Vref,abc cho khối điều khiển áp qua công thức (25): V ref , a    V ref , b   V   ref , c   E m sin( t )  VV , a     E m sin( t  120 )  VV ,b     E m sin( t  120 )  VV , c  (25)