Nghiên cứu khoa học cơng nghệ NGHIÊN CỨU HỊA ĐỒNG BỘ CHO NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ VỊNG KHĨA PHA SỐ Phùng Quang Khải1*, Nguyễn Văn Thuấn1, Trần Hồng Sơn2 Tóm tắt: Bài báo phân tích động học đưa phương pháp điều khiển số cho mạch vịng khóa pha với kỹ thuật bắt điểm không ứng dụng cho điều khiển nối lưới hệ thống điện mặt trời Trên sở nghiên cứu đó, báo đưa mơ hình thực nghiệm nhóm tác giả thiết kế Mơ hình kiểm chứng qua kết đo cho thấy hệ thống đạt yêu cầu điều khiển đặt Từ khóa: Nghịch lưu điện mặt trời, Điều khiển hòa lưới, Điều khiển pha ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống điện mặt trời nói chung thực hai chức chính, thứ đảm bảo khối nghịch lưu hoạt động điểm điện cực đại, thứ hai để tăng điện áp hình sin hịa vào lưới Nói cách khác nghịch lưu điện mặt trời phải điều khiển để tận dụng cách tốt công suất lắp đặt pin quang điện lưới điện phải cung cấp nhiều công suất tác dụng nghịch lưu phát Hai nhiệm vụ cụ thể hóa điều khiển với hai nhiệm vụ điều khiển điều khiển bám điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPPT) điều khiển nối lưới cho nguồn nghịch lưu Bài báo sâu nghiên cứu vấn đề thứ hai điều khiển nối lưới cho nguồn nghịch lưu Hình Sơ đồ hệ thống nghịch lưu mặt trời nối lưới Để nối lưới cho nguồn nghịch lưu, nguồn phải có dạng nguồn dịng tần số nguồn nối lưới tần số lưới, hai nguồn đồng pha với Trong hệ thống điện mặt trời làm việc điều kiện môi trường thay đổi, dẫn đến làm thay đổi điện áp, dòng điện mạch Mặt khác lưới điện lưới điện dân dụng, cơng nghiệp nên có dao động điện áp, dòng điện, tần số làm việc, tất điều ảnh hưởng lớn đến trình điều khiển nghịch lưu để nối lưới Từ đặc điểm đó, tác giả nghiên cứu tổng hợp hệ thống điều khiển điện mặt trời với mơ hình cấu trúc cụ thể hình Sau thiết kế hệ thống thử nghiệm để kiểm chứng nghiên cứu đưa Bộ điều khiển (bao đường nét đứt) thực đo, kiểm tra tham số mạch điện áp, dòng điện pin quang điện, điện áp, dòng nghịch lưu, điện áp lưới đưa vào vòng điều khiển để thực chức điều khiển làm việc điểm công suất cực đại (MPPT) điều khiển nối lưới Hệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 38, 08 - 2015 59 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử thống đưa dạng dòng điện, điện áp hình bán sin cửa phần biến đổi chiều - chiều dạng hình sin cửa nghịch lưu cầu hệ thống Để nối lên lưới điện quốc gia hệ thống cần u cầu phát nguồn dịng xoay chiều khơng đòi hỏi cao chất lượng sin Nhưng với mục đích tạo nguồn đơn vị nối với lưới điện quốc gia mà nối với loại lưới cung cấp điện khác có yêu cầu chất lượng khác nên đầu hệ thống tạo điện áp hình sin để đáp ứng yêu cầu VẤN ĐỀ NỐI LƯỚI CỦA NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI Nghịch lưu điện mặt trời thực sở chuyển mạch bán dẫn (Mosfet IGBT, thyristor) nên tín hiệu đầu có chứa thành phần méo hài, mà lưới điện chấp nhận nối vào nguồn điện có lượng méo hài định, ngược lại để chống lại nhiễu lưới điện bơm vào lưới, đó, chủ động đưa thêm vào có sẵn mạch lọc dạng LC LCL [1], [2], [3] nghịch lưu điện mặt trời phần tử chuyển tiếp trung gian nghịch lưu lưới điện Vì vậy, ta có sơ đồ tương đương nối nguồn nghịch lưu điện mặt trời vào lưới thể hình 2a biểu đồ véc tơ dịng áp hình 2b Hình Sơ đồ, biểu đồ véc tơ nối lưới a Sơ đồ tương đương nối lưới; b Biểu đồ véc tơ điện áp, dịng điện nối lưới nói chung; c Biểu đồ véc tơ điện áp, dòng điện mong muốn Từ hình 2b, cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng bơm vào lưới là: P = Vnl*Inl*cos() (1) Q = Vnl*Inl*sin() (2) Như nêu, nghịch lưu điện mặt trời phải điều khiển để đẩy lên lưới lượng công suất tác dụng lớn Từ hai cơng thức (1), (2) ta có: Pmax = Vnl*Inl với = 0, suy Q = Trong thực tế việc đẩy sang lưới có thành phần công suất phản kháng Q, nhiên đưa Q mục tiêu điều khiển đặt ra, thực tế Q nhỏ tốt để có cơng suất tác dụng lớn đưa lên lưới Vậy nghịch lưu phải điều khiển tần số điện áp lưới tần số điện áp nghịch lưu dòng nghịch lưu (Inl) trùng pha với điện áp lưới, đồ thị véc tơ mong muốn có dạng cho hình 2c, từ hình 2C ta thấy hệ biện pháp điều khiển điện áp nghịch lưu thay đổi theo điện áp lưới, lớn điện áp lưới lượng nhỏ Và lưới điện nguồn áp nên để nối lưới thuận lợi nghịch lưu phải có dạng nguồn dòng Mặt khác với phương pháp điều khiển dòng ta thực cho hệ thống làm việc điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPPT) pin mặt trời Do hệ thống điều khiển điện mặt trời xây dựng dựa mạch vòng dòng điện kết hợp với kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) hình 1.Với mục đích giảm sai lệch điều khiển pha dòng điện kiểm sốt dịng chặt chẽ, dịng điện nghịch lưu đo cửa để so sánh với đại 60 P Q Khải, N V Thuấn, T H Sơn, “Nghiên cứu hòa đồng vòng khóa pha số.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ lượng đặt Như vậy, với vòng điều khiển dòng, dòng điện cửa hệ thống có tần số với tần số điện áp lưới, đồng pha với điện áp lưới có biên độ tương ứng với điểm làm việc có cơng suất cực đại pin mặt trời Để đảm bảo an toàn cho hệ thống, ngồi vịng điều khiển dịng trên, hệ thống cịn có biện pháp bảo vệ để tránh khỏi cố áp, dòng (các mạch hạn dòng, hạn áp) Để pha tần số dịng đặt bám theo điện áp lưới, người ta dùng vịng lặp khóa pha (PLL-phase lock loop) để điều khiển (hình 1) Sơ đồ cấu trúc PLL hình Hình Sơ đồ cấu trúc vịng điều khiển PLL ĐỘNG HỌC VỊNG KHĨA PHA Vòng điều khiển bám pha bám theo tần số pha điện áp lưới đưa đầu vòng điều khiển hai tham số tần số pha làm đại lượng đặt dạng sin (sin đặt) cho vòng điều khiển dòng nghịch lưu điện mặt trời (hình 1) Trong sơ đồ cấu trúc trên, khối so pha (PD - phase detectors) sử dụng phương pháp bắt điểm qua không (ZCD - zero cross detection), phương pháp tích véc tơ (VP - vecto product), phương pháp nhân tín hiệu dạng sin (SM - sinusoidal multipliers), việc áp dụng phụ thuộc vào thời gian đáp ứng, độ xác trường hợp ứng dụng [4], [5], [6] Phương pháp ZCD làm việc dựa việc bắt điểm qua không điện áp xoay chiều so sánh giữu hai thời điểm bắt để tính tốn thời gian (tần số) thời điểm Khi sử dụng ZCD địi hỏi phải có kỹ thuật lọc, đo, kiểm xác để chống lại việc đo khơng xác sai lệch thành phần hài không mong muốn, dao động, nhiễu đo Khi khối so pha sử dụng phương pháp tích véc tơ (VP) địi hỏi phải có nhiều biến đầu vào, phương pháp thường sử dụng hệ thống ba pha, sử dụng biến đổi Park Để sử dụng kỹ thuật với hệ thống pha phức tạp có biến điện áp độc lập có sẵn, cần phải thực nhiều biện pháp biến đổi phức tạp Bộ so pha khối nhân tín hiệu sin (SM) sử dụng phổ biến hệ thống pha Bộ so pha kiểu phát tín hiệu sai lệch dựa mối quan hệ lượng giác tín hiệu đo từ hệ thống đầu VCO, tín hiệu sai lệch điều chỉnh khối lọc Với phương pháp làm xuất sai lệch tĩnh, gây hài dao động xung quanh tần số làm việc Khối lọc (LF - loop filter) có nhiều kiểu khác nhằm đạt tần số dự kiến, kiểu phụ thuộc lớn vào so pha (PD) Bộ dao động điện áp (VCO - voltage controlled oscillator) phát đầu dao động xoay chiều tương ứng với tần số pha tín hiệu đầu vào Kiểu dạng so pha (PD) có ảnh hưởng lớn đến nguyên lý làm việc vịng khóa pha (PLL) Hình Sơ đồ cấu trúc PLL Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 38, 08 - 2015 61 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Bài báo tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển PLL dựa ZCD, thực điều khiển số Thơng qua ZCD, điều khiển tính tốn in để đưa vào hệ thống, lọc (LF) có dạng điêu chỉnh PI [7] Động học PLL đánh giá, nghiên cứu với mơ hình tốn xét từ in out, có sơ đồ cấu trúc hình Ta có: HPI = K p Ki đặt LF = KI/KP s K G(s) = K PD ( K P I ) K PD K I s s 1 s s LF K PD K I (1 s LF ) G( s) Hàm truyền hệ kín là: H(s) = G( s) s ( K PD K P ) s K PD K I (1 s (n2 2n s) LF ) Hoặc có dạng: H(s) = n s 2n s n2 s 2n s n2 với n K PD K I , KP K PD n LF KI (3) (4) (5) Dạng hàm truyền (4) có dạng chuẩn bậc 2, tần số dao động tự nhiên với tham số LF = 26rad/s để đảm bảo nhiễu hài hệ thống giảm thiểu, = 0.707 đủ để giảm thời gian độ, độ chỉnh, độ xác cân tương đối [7] Mô matlab báo đưa đồ thị hình Hình Đồ thị mơ đặc tính q độ, quỹ đạo nghiệm đồ thị bode Từ hàm truyền hệ hở hệ thống ta thấy hệ hở ổn định, mà theo đồ thị bode độ dự trữ pha Pm = 65,5 deg nên hệ kín hệ thống ổn định, điều chứng minh qua quỹ đạo nghiệm hệ thống (toàn quỹ đạo nghiệm hệ thống nằm bên trái trục ảo) Từ đồ thị đặc tính đáp ứng độ hệ thống ta tìm tiêu chuẩn chất lượng hệ thống, thời gian độ tqđ 0.1s, độ chỉnh P = 21%, độ xác tương đối lớn, đáp ứng yêu cầu điều khiển hệ thống tự động điều chỉnh 62 P Q Khải, N V Thuấn, T H Sơn, “Nghiên cứu hịa đồng vịng khóa pha số.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ ĐIỀU KHIỂN SỐ VỊNG KHÓA PHA PLL nghịch lưu điện mặt trời nối lưới thực kết hợp với mạch vòng điều khiển dòng nghịch lưu, tạo tần số pha cho tín hiệu đặt vịng điều khiển Trong phần mềm, điện áp lưới lấy mẫu kích hoạt biến đổi tương tự số (ADC), cực điện áp lưới lưu ghi kiểm tra Nếu có thay đổi cực điện áp lưới phần mềm đặt cờ bắt điểm khơng (hình 6a) Một ghi chu kỳ lưu trữ tổng số ngắt xuất hai kiện bắt điểm không Giá trị đếm chu kỳ ghi nửa chu kỳ điện áp lưới (hình 6b) Hình Phương pháp phase lock loop kỹ thuật số a Sơ đồ thuật toán zero cross detecting; b Sơ đồ phương pháp PLL số Hình Sơ đồ thực PLL số hệ thống điện mặt trời Tại thời điểm bắt điểm không (t0, t1, t2), hệ thống đếm lại chu kỳ lưới điều chỉnh sin đặt Nhưng thời điểm khởi tạo bắt đầu chu kỳ dương sin đặt bắt đầu chu kỳ dương điện áp lưới, sau bán chu kỳ, sin đặt điều chỉnh lần làm cho tần số dẫn đến pha điều chỉnh để bám điện áp lưới Sin đặt bảng giá trị sin (quy định tần số sin xoay chiều đầu hệ thống điện mặt trời) cho dạng biến mảng chương trình làm dòng đặt cho mạch vòng điều khiển dòng hệ thống Chương trình đếm giá trị đếm điện áp lưới (tần số) bán kỳ (NsinL), đem so sánh với Nsin_đặt giá trị khởi tạo cho trước bảng sin Góc lệch hai tín hiệu là: = Nsin_dat/NsinL, biến cho bảng sin đặt chương trình (hình 7) Kết trình tần số sin đặt điều chỉnh trùng tần số điện áp lưới, với pha bán kỳ sin đặt điều chỉnh trùng với pha bán kỳ điện áp lưới Đại lượng sin đặt đưa vào vịng điều khiển dịng hệ thống (hình 1) đầu vịng dịng dịng điện mong muốn Toàn nguyên lý thực để điều khiển biến đổi chiều - chiều hệ thống, cửa dịng điện dạng bán sin dương có tần số trùng với tần số Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 38, 08 - 2015 63 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử bán kỳ điện áp lưới, có pha trùng với bán kỳ dương ngược pha với bán kỳ âm điện áp lưới Để tạo dạng sin đầu hệ thống cần phải có nghịch lưu cầu làm việc mạch lật (hình 1) Các khóa T1 T4 thyristor tranzistor làm việc dựa việc phân biệt chu kỳ âm, chu kỳ dương điện áp lưới (hình 8) Như dịng điện cửa nghịch lưu có dạng hình sin, có tần số, pha trùng điện áp lưới Hình Nguyên lý làm việc mạch nghịch lưu cầu a Điện áp lưới xung khiển mạch cầu; b Dòng điện cửa biến đổi MC-MC; c Dòng điện cửa nghịch lưu KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐO ĐƯỢC TRÊN HỆ THỐNG ĐƯỢC THIẾT KẾ Hệ thống điện mặt trời mà báo nghiên cứu thiết kế với vòng điều khiển dòng điện để điều khiển dòng điện đầu nghịch có hình sin, có biên độ bám với điểm làm việc cơng suất cực đại hệ thống MPPT, có tần số, pha, trùng với tần số, pha điện áp lưới Mạch điều khiển dịng nghiên cứu, xây dựng theo nhiều phương pháp, điều khiển mờ, trượt, nơ ron, hay kết hợp điều khiển PID PWM (điều chế độ rộng xung) [8] Phương pháp [8] trình bày phương pháp áp dụng cho thiết kế hệ thống nghiên cứu Các vòng điều khiển MPPT, PLL, PI, PWM xây dựng dạng số, chương trình nạp vào vi điều khiển Các cảm biến mạch đo dòng, áp xây dựng dạng phần cứng với phần tử khuếch đại thuật toán Dựa sở lý thuyết trên, nhóm tác giả xây dựng, thiết kế hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện dân dụng (220V, 50Hz), từ đó, thực thí nghiệm đo, kiểm tra, đánh giá bước đầu cho thấy đạt yêu cầu điều khiển đặt (Hình 9) Hình 9a thể kết vòng PLL, dòng điện cửa nghịch lưu điều khiển để trùng pha, tần số với điện áp lưới Hình 9.b dạng tín hiệu đo lưới nối với nghịch lưu, nghịch lưu chưa cho làm việc, que đo đặt cửa nghịch lưu đầu vào nối với điện áp lưới (hai phía lọc - hình 1), lưới nối với nghịch lưu, nên hai tín hiệu thể hình điện áp lưới Vẫn vị trí que đo vậy, nghịch lưu khởi động làm việc, hai tín hiệu Vnl Vlưới có dịch pha có dạng hình 9c Sau đó, hịa lưới ổn định hai tín hiệu đo có dạng hình 9d Hệ thống cung cấp cho lưới nguồn dòng ổn định, điện áp đẩy lên lớn điện áp lưới lượng nhỏ 64 P Q Khải, N V Thuấn, T H Sơn, “Nghiên cứu hòa đồng vịng khóa pha số.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Kết thí nghiệm với khóa T thyristor Khi cho nghịch lưu làm việc độc lập với tải điện trở, điện áp nghịch lưu có dạng hình 10 Để đảm bảo an toàn làm việc cho hệ thống, khâu bảo vệ khỏi cố áp, dòng, tần số lưới thiết kế với phần tử đo phần cứng, chương trình bào vệ phần mềm Hình 10 Mơ hình thực nghiệm với khóa T thyristor KẾT LUẬN Qua nghiên cứu nguyên lý làm việc hệ thống điện mặt trời, xây dựng sở lý thuyết, nghiên cứu động học hệ thống, tác giả đưa phương pháp số thực tốn hịa đồng nguồn điện mặt trời vào lưới điện (dân dụng, công nghiệp ) dựa mạch vịng khóa pha (PLL) sử dụng phương pháp bắt điểm khơng (ZCD) Từ đó, hệ thống thực thiết kế cho kết ban đầu tương đối tốt, dịng điện nghịch lưu kiểm sốt chặt chẽ có tần số pha bám theo tần số, pha điện áp lưới Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 38, 08 - 2015 65 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L Hassaine, E Olías, J Quintero, and A Barrado, "Digital Control based on the Shifting Phase for Grid Connected Photovoltaic Inverter," IEEE, pp 945-951, 2008 [2] L Hassaine, E Olias, J Quintero, and M Haddadi, "Digital power factor control and reactive power regulation for grid-connected photovoltaic inverter," Renewable Energy, pp 315-321, 2009 [3] R Zanasi and S Cuoghi, "Power Control of Grid-Connected Photovoltaic Systems," ISIE, 2011 [4] G.-C Hsich and J C Hung, "Phase lock Loop techniques-A survey," IEEE, vol 43, pp 609-615, 1996 [5] L R Limongi, R Bojoi, C Pica, F Profumo, and A Tenconi, "Analysis and Comparison of Phase Locked Loop Techniques for Grid Utility Applications," IEEE, pp 674-681, 2007 [6] R M S Filho, P F Seixas, P C Cortizo, L A B Torres, and A F Souza, "Comparison of Three Single-Phase PLL Algorithms for UPS Applications," IEEE, vol 55, pp 2923-2932, 2008 [7] W F EGAN., Phase-lock basics: Wiley-IEEE Press, 2007 [8] P Q Khải and N V Thuấn, "Nghiên cứu cải thiện tính ổn định động học biến đổi flyback hệ thống điện mặt trời," Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự, vol 34, pp 65-72, 2014 ABSTRACT RESEARCH SYNCHRONIZATION FOR GRID CONNECTED INVERTER IN SOLAR POWER SYSTEM BASE ON DIGITAL PHASE LOCKED LOOP The paper analyzes the dynamics and provides a method of digital control for phase locked loop with zero cross detectinon applied for grid connected solar power system control Based on that methodology, This paper presents an experimented model designed by authors The model was tested through the measured results and it reveals that the system has achieved the required controls Keywords: Grid connected solar system, Phase locked loop, Solar power inverter Nhận ngày 20 tháng năm 2015 Hoàn thiện ngày 29 tháng năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2015 Địa chỉ: 66 Học viện Kỹ thuật quân sự; Học viện PK – KQ; *Email: phungquangkhai80@gmail.com P Q Khải, N V Thuấn, T H Sơn, “Nghiên cứu hòa đồng vịng khóa pha số.”