Hcmute điều khiển công suất nghịch lưu nối lưới trong điều kiện sụt áp của nguồn lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI TRONG ĐIỀU KIỆN SỤT ÁP CỦA NGUỒN LƯỚI MÃ SỐ: T2018-58TĐ SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH & CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI TRONG ĐIỀU KIỆN SỤT ÁP CỦA NGUỒN LƯỚI Mã số: T2018-58TĐ Chủ nghiệm đề tài: TS Trần Quang Thọ Tp Hồ Chí Minh, 12/2018 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH & CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI TRONG ĐIỀU KIỆN SỤT ÁP CỦA NGUỒN LƯỚI Mã số: T2018-58TĐ Chủ nghiệm đề tài: TS Trần Quang Thọ Tp Hồ Chí Minh, 12/2018 Luan van MỤC LỤC Trang tựa TRANG MỤC LỤC .i LIỆT KÊ HÌNH iii LIỆT KÊ BẢNG v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi CÁC KÝ HIỆU .vii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .viii INFORMATION ON RESEARCH RESULTS x MỞ ĐẦU xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Sự ảnh hưởng điện áp lưới nghịch lưu 1.2 Yêu cầu hỗ trợ hệ thống điện thiết bị nối lưới 1.3 Ước lượng điện áp lưới sử dụng vịng khóa pha 1.4 Điều khiển công suất CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN GIỚI HẠN DÒNG ĐIỆN NGHỊCH LƯU KHI MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP 2.1 Cấu trúc hệ thống nghịch lưu nối lưới 2.2 Tách thành phần thứ tự nghịch 11 i Luan van 2.3 Xác định công suất định mức 13 2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 15 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 3.1 Cài đặt tham số 16 3.2 Phương pháp thông thường 17 3.3 Phương pháp đề xuất 22 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết đạt 27 4.2 Hướng phát triển 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 BÀI BÁO CÔNG BỐ LIÊN QUAN 29 ii Luan van LIỆT KÊ HÌNH TRANG Hình 1.1: Ngun lý tính điện áp vmax PLL Hình 1.2: Điện áp cân 0.3s (pha B C có biên độ 60% định mức) Hình 1.3: Thơng số ước lượng PLL thơng thường Hình 1.4: Tiêu chuẩn công suất phản kháng nên bơm vào lưới điện có cố sụt giảm điện áp Hình 1.5: Định mức cơng suất Hình 2.1: Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển nghịch lưu nối lưới Hình 2.2: Điện áp lưới có thành phần thứ tự nghịch 11 Hình 2.3: Bộ lọc tách thành phần điện áp 12 Hình 2.4: Dạng sóng điện áp ngõ vào 12 Hình 2.5: Dạng sóng thành phần thứ tự thuận 13 Hình 2.6: Dạng sóng thành phần thứ tự nghịch 13 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống khảo sát 15 Hình 3.1: Các đại lượng PLL thơng thường dị 18 Hình 3.2: Dịng điện đặt phương pháp thơng thường 18 Hình 3.3: Dòng điện bơm vào lưới 19 Hình 3.4: Cơng suất phát vào lưới 19 iii Luan van Hình 3.5: Sóng hài dòng điện pha A áp cân đo 0.28s 20 Hình 3.6: Sóng hài dòng điện pha A điện áp cân đo 0.48s 21 Hình 3.7: Phóng to dịng áp pha phương pháp thông thường 21 Hình 3.8: Các tham số ước lượng PLL đề xuất 22 Hình 3.9: Sai pha phương pháp thơng thường phương pháp đề xuất 22 Hình 3.10: Dịng đặt phương pháp đề xuất 23 Hình 3.11: Dịng điện ngõ nghịch lưu phương pháp đề xuất 23 Hình 3.12: Cơng suất phương pháp đề xuất 24 Hình 3.13: Sóng hài dịng điện đo 0.28s 24 Hình 3.14: Sóng hài dịng điện đo 0.48s 25 iv Luan van LIỆT KÊ BẢNG Bảng 3-1: Tham số hệ thống khảo sát 16 Bảng 3-2: Thông số điều khiển 17 Bảng 3-3: Kết khảo sát từ thời điểm 0.48s 25 v Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DG Nguồn điện phân tán (Distributed Generation) PLL Vịng khóa pha (phase-locked loop) PR Cộng hưởng tỉ lệ (Proportional resonance) SRF Hệ tọa độ tĩnh (Stationary Reference Frame) VCO Bộ dao động điều khiển áp (Voltage controlled oscillator) THD Độ méo hài toàn phần (Total harmonic distortion) vi Luan van CÁC KÝ HIỆU Vmax Biên độ điện áp  Góc pha f Tần số 0 Tần số góc P Công suất tác dụng Q Công suất phản kháng S Công suất biểu kiến V Độ sụt điện áp c Tần số góc cắt vii Luan van Trần Quang Thọ Tham số điều khiển PR điều khiển PI PLL xác định dựa vào [2] với giá trị bảng sau: Bảng 3-2: Thông số điều khiển VCO vịng khóa pha PR controller Kp Ki Kp Ki 222.1 11974 0.6025 1.1323 Để thuận tiện cho việc đánh giá ảnh hưởng điện áp cân bằng, tác giả thực khảo sát hiệu phương pháp thông thường phương pháp đề xuất khoảng thời gian sau: Khảo sát khoảng từ 0-0.3s, khoảng thời gian chưa có cân điện áp xảy Khảo sát khoảng từ 0.3-0.5s có cân điện áp xảy ra, cụ thể biên độ điện áp pha B C giảm 60% định mức Công suất định mức S nghịch lưu cài đặt báo 20kVA tương ứng với dòng điện đỉnh định mức pha 42.85A Công suất Pmppt dàn pin mặt trời cho cố định định mức 3.2 PHƯƠNG PHÁP THƠNG THƯỜNG Kết khảo sát phương pháp thơng thường chưa xem xét đến thành phần thứ tự nghịch thể hình 3.1 đến hình 3.7 Trong khoảng thời gian 0-0.3s, điện áp nguồn lưới cân nên tham số ước lượng PLL phương pháp thơng thường tương đối xác thể hình 3.1 17 Luan van Trần Quang Thọ Conventional PLL 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.3 0.4 0.5 0.3 0.4 0.5 (a) 350 300 250 200 0.1 0.2 (b) 51 50 49 0.1 0.2 (c) Time (s) (A) Hình 3.1: Các đại lượng PLL thơng thường dị Hình 3.2: Dịng điện đặt phương pháp thơng thường Điều giúp cho việc xác định dòng điện đặt hình 3.2 có biên độ nằm giới hạn cho phép khoảng 0-0.3s Thêm vào đó, độ méo dạng sóng hài tồn phần dịng điện ngõ nghịch lưu THD đo thời điểm 0.28s có giá trị 3.77% nhỏ giới hạn cho phép 18 Luan van (A) Trần Quang Thọ Hình 3.3: Dịng điện bơm vào lưới 104 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.3 0.4 0.5 (a) 20000 15000 10000 5000 0 0.1 0.2 (b) Time (s) Hình 3.4: Công suất phát vào lưới Tuy nhiên, xảy cân điện áp lưới kể từ 0.3s, tham số điện áp lưới gồm biên độ, tần số, góc pha ước lượng chứa thành phần dao động hình 3.1 Nguyên nhân vấn đề thành phần thứ tự nghịch điện áp lưới gây Với phương pháp điều khiển thơng thường, dịng điện đặt hình 3.2 kể từ sau 0.3s tăng lên đáng kể vượt giớ hạn cho phép linh kiện nên gây hư hỏng linh kiện Dòng điện pha bơm vào lưới hình 3.3 tăng cao đáng kể từ thời điểm 0.3s 19 Luan van Trần Quang Thọ Hình 3.5: Sóng hài dịng điện pha A áp cân đo 0.28s Mặt khác, kết khảo sát pha kể từ thời điểm 0.48s bảng 3-3 cho thấy biên độ dòng điện bậc pha A B giảm nhỏ THD tăng cao, cụ thể THD pha A tăng đến 26.42% thể hình 3.6 Giá trị lớn nhiều so với điện áp cân hình 3.5 khoảng thời gian 0-0.3s Chính giảm biên độ làm tăng sóng hài dịng điện Trong đó, biên độ đỉnh dịng điện pha C tăng cao đến 56.8A (32.5%), biên độ bậc thấp mức 53.49A THD mức 9.63%, giá trị độ méo dạng hài vượt giới hạn tiêu chuẩn 5% Độ méo dạng dòng điện pha thể rõ phóng to từ 0.2-0.4s hình 3.7 Mặt khác, độ dao động cơng suất hình 3.4 (a) từ 3000 đến 13000W Độ dao động lớn gây dao động cho phía chiều làm ảnh hưởng đến độ bền pin mặt trời 20 Luan van Trần Quang Thọ Iabc (A) Vabc (V) Hình 3.6: Sóng hài dịng điện pha A điện áp cân đo 0.48s Hình 3.7: Phóng to dịng áp pha phương pháp thông thường 21 Luan van Trần Quang Thọ 3.3 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT Proposed PLL 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.3 0.4 0.5 0.3 0.4 0.5 (a) 350 300 250 200 0.1 0.2 (b) 51 50 49 0.1 0.2 (c) Time (s) Phase error (rad) Hình 3.8: Các tham số ước lượng PLL đề xuất Hình 3.9: Sai pha phương pháp thông thường phương pháp đề xuất 22 Luan van (A) Trần Quang Thọ (A) Hình 3.10: Dịng đặt phương pháp đề xuất Hình 3.11: Dịng điện ngõ nghịch lưu phương pháp đề xuất 23 Luan van Q (Var) P (W) Trần Quang Thọ Hình 3.12: Cơng suất phương pháp đề xuất Hình 3.13: Sóng hài dịng điện đo 0.28s Trong đó, kết khảo sát phương pháp đề xuất hình 3.8 đến 3.14 cho thấy dịng điện nghịch lưu nối lưới không vượt giá trị định mức nên đảm bảo linh kiện bán dẫn công suất khơng bị hư hỏng Điều có nhờ vào việc tách thành phần điện áp thứ tự thuận nghịch phương pháp đề xuất giúp cho tham số ước lượng vịng khóa pha hình 3.8 có độ xác cao khơng chứa thành phần dao động Độ sai pha phương pháp đề nghị 24 Luan van Trần Quang Thọ 0.006 rad Trong đó, độ sai pha phương pháp thông thường đến 0.05rad thể hình 3.9 Hình 3.14: Sóng hài dịng điện đo 0.48s Bảng 3-3: Kết khảo sát từ thời điểm 0.48s Phase curent Conventional method Fund/Peak THD (%) Proposed method Peak current (A) THD (%) current (A) Phase A 31.74 /48.8 26.42 43.37 2.17 Phase B 33.31 /48.6 27.33 44.34 1.98 Phase C 53.49 /56.8 9.63 44.45 2.13 Imax 32.5% 3.7% 25 Luan van Trần Quang Thọ Hơn nữa, phương pháp tính lại cơng suất định mức đề xuất giảm theo biên độ điện áp ước lượng có cố cân điện áp Việc làm cho dịng điện đặt hình 3.10 xảy cân không vượt định mức Vì vậy, dịng điện đỉnh pha ngõ nghịch lưu hình 3.11 sau thời điểm 0.3s lớn định mức (3.7%), giúp đảm bảo an tồn cho linh kiện bán dẫn cơng suất bền bỉ vận hành Ngồi ra, cơng suất phát vào lưới thể hình 3.12 cho thấy P14kW Q6.5kVar Trong đó, cơng suất bơm vào lưới phương pháp thơng thường hình 3.4 cho thấy P8.5kW Q8.4kVar Điều khẳng định hiệu mục tiêu phát công suất dụng vào hệ thống lưới điện phương pháp đề xuất cao phương pháp thơng thường, đảm bảo dịng điện đỉnh định mức điện áp lưới cân xảy cân Thêm vào đó, độ méo dạng hài tồn phần THD dịng điện bơm vào lưới phương pháp đề xuất hình 3.13 3.14 tương ứng 2.31% 2.17% Các giá trị nhỏ giới hạn tiêu chuẩn Như vậy, phương pháp đề xuất cho thấy hiệu vượt trội so với phương pháp thông thường xảy cân điện áp lưới việc: + Tối ưu công suất phát vào lưới + Giới hạn dòng điện đỉnh định mức để bảo vệ linh kiện bán dẫn công suất + Giảm dao động công suất tác dụng để tăng độ bền điện phía chiều + Giảm thiểu sóng hài 26 Luan van Trần Quang Thọ CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Trong vận hành nghịch lưu nối lưới, có cố cân điện áp xảy ra, phương pháp điều khiển truyền thống không nhận biết xuất thành phần điện áp thứ tự nghịch làm cho tham số ước lượng vòng khóa pha bị sai lệch có chứa thành phần dao động Bài báo đề xuất phương pháp xác định công suất định mức nghịch lưu nối lưới vận hành điều kiện cân điện áp lưới sử dụng kỹ thuật tách thành phần thứ tự nghịch lọc hệ số phức Phương pháp đề xuất tính lại cơng suất phát vào lưới theo điện áp dò Điều giúp cho dòng điện linh kiện bán dẫn công suất nghịch lưu không vượt giới hạn dịng điện định mức để linh kiện khơng bị hư hỏng Kết khảo sát khẳng định tính hiệu phương pháp đề xuất so với phương pháp thông thường với mục tiêu: phát cơng suất vào lưới nhiều hơn, dịng điện nhỏ hơn, sóng hài thấp 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Để hệ thống nghịch lưu nối lưới ứng dụng hiệu tăng khả chế tạo chuyển giao công nghệ, đề tài cần nghiên cứu thêm phần sau: + Thiết kế mạch bảo vệ + Ước lượng tổng trở hệ thống để tăng khả điều khiển dị lập trong vận hành bình thường có cố + Mở rộng ứng dụng cho lọc tích cực, nguồn dự phòng, ổn định điện áp động… 27 Luan van Trần Quang Thọ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Z Chen, J M Guerrero, F Blaabjerg, and S Member, “A Review of the State of the Art of Power Electronics for Wind Turbines,” IEEE Trans Power Electron., vol 24, no 8, pp 1859–1875, 2009 [2] R Teodorescu, M Liserre, and P Rodriguez, Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems 2011 [3] M L and P C L R Teodorescu, F Blaabjerg, “Proportional-resonant controllers and filters for gridconnected voltage-source converters,” in IEE Proc.-Electr Power Appl, 2006, vol 153, no 5, pp 750– 762 [4] G De Donato, G Scelba, G Borocci, F Giulii Capponi, and G Scarcella, “Fault-Decoupled Instantaneous Frequency and Phase Angle Estimation for Three-Phase Grid-Connected Inverters,” IEEE Trans Power Electron., vol 31, no 4, pp 2880–2889, 2016 [5] IEEE, “IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems,” IEEE Std 929-2000 2000 [6] IEEE Standard, “IEEE P1547 TM / D Draft Application Guide for IEEE Std 1547 , Standard for Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems,” no March 2007 [7] IEEE Standard, “IEEE Application Guide for IEEE Std 1547(TM), IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems,” IEEE Std 1547.2-2008, no April, pp 1–217, 2009 [8] Z Rymarski, K Bernacki, and L Dyga, “A Control for an Unbalanced 3-Phase Load in UPS Systems,” Elektron ir Elektrotechnika, vol 24, no 4, 2018 [9] P Rodríguez, R Teodorescu, I Candela, A V Timbus, M Liserre, and F Blaabjerg, “New positivesequence voltage detector for grid synchronization of power converters under faulty grid conditions,” in PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference, 2006, pp 1–7 [10] P Ç Rodríguez, A Ç Luna, M Ë Ciobotaru, R Ë Teodorescu, and F Ë Blaabjerg, “Advanced Grid Synchronization System for Power Converters under Unbalanced and Distorted Operating Conditions,” in Proc 32nd Ann Conf IEEE Ind Elect., (IECON), 2006, no 2, pp 5173–5178 [11] R Zeng, L Xu, L Yao, and S J Finney, “Analysis and control of modular multilevel converters under asymmetric arm impedance conditions,” IEEE Trans Ind Electron., vol 63, no 1, pp 71–81, 2016 [12] X Guo, W Liu, X Zhang, X Sun, Z Lu, and J M Guerrero, “Flexible control strategy for gridconnected inverter under unbalanced grid faults without PLL,” IEEE Trans Power Electron., vol 30, no 4, pp 1773–1774, 2015 28 Luan van Trần Quang Thọ [13] Y Zhang and C Qu, “Table-Based Direct Power Control for Three-Phase AC/DC Converters under Unbalanced Grid Voltages,” IEEE Trans Power Electron., vol 30, no 12, pp 7090–7099, 2015 [14] Hirofumi Akagi, E H Watanabe, and Mauricio Aredes, “Instantaneous Power Theory,” in Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning, 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc, 2017, pp 37–109 [15] L Tang and B T Ooi, “Managing zero sequence in voltage source converter,” Conf Rec Annu Meet (IEEE Ind Appl Soc., vol 2, pp 795–802, 2002 [16] A A Montanari and A M Gole, “Enhanced Instantaneous Power Theory for Control of Grid Connected Voltage Sourced Converters under Unbalanced Conditions,” IEEE Trans Power Electron., vol 32, no 8, pp 6652–6660, 2017 [17] J C Das, “Power system harmonics,” in Power System Harmonics and Passive Filter Designs, New Jersey: John Wiley & Sons, 2015, pp 11–16 [18] L Hadjidemetriou, E Kyriakides, and F Blaabjerg, “Synchronization of grid-connected renewable energy sources under highly distorted voltages and unbalanced grid faults,” IECON Proc (Industrial Electron Conf., pp 1887–1892, 2013 [19] L Hadjidemetriou, E Kyriakides, and F Blaabjerg, “A Robust Synchronization to Enhance the Power Quality of Renewable Energy Systems,” IEEE Trans Ind Electron., vol 62, no 8, pp 4858–4868, 2015 [20] M A Shuvra, S Member, and U N C Charlotte, “Selective Harmonic Compensation by Smart Inverters using Multiple-Complex-Coefficient-Filter ( MCCF ) during Unbalanced Fault Condition,” in 2017 North American Power Symposium (NAPS), 2017 BÀI BÁO CÔNG BỐ LIÊN QUAN Trần Quang Thọ, “Điều khiển nghịch lưu nối lưới ba pha cân điện áp,” Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, số 51, 01/2019, trang 54-60 29 Luan van Trần Quang Thọ 30 Luan van Luan van ... hợp để kết nối với lưới điện Trong điều kiện vận hành bình thường, nghịch lưu nối lưới chủ yếu phát công suất tác dụng vào lưới điện Tuy nhiên, nghịch lưu nối lưới phải có khả bù cơng suất phản... ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH & CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI TRONG ĐIỀU KIỆN SỤT ÁP CỦA NGUỒN LƯỚI Mã số: T2018-58TĐ Chủ nghiệm đề tài: TS Trần Quang Thọ... xuất kỹ thuật điều khiển nghịch lưu nối lưới điều kiện sụt áp nguồn lưới mà khơng gây q dịng điện nghịch lưu đồng thời giúp giảm dao động cơng suất phía chiều Tính sáng tạo: Phương pháp đề xuất