Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu nối lưới trong mạng điện phân phối

LÝ LỊCH CÁ NHÂN I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ tên: Trần Quang Thọ Giới tính: Nam Ngày sinh: 15-09-1973 Nơi sinh: Tp HCM Quê quán: Tp HCM Dân tộc: Kinh Học vị cao nhất: Thạc sỹ Năm, nước nhận học vị: 2003 Đơn vị công tác: Khoa điện điện tử Chỗ riêng địa liên lạc: 39 Tam Châu, P Tam Phú, Q Thủ Đức, Tp HCM Điện thoại liên hệ: CQ: 028 38968641 DĐ: 0987634085 Email: thotq@hcmute.edu.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Nơi đào tạo: ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM Ngành học: Điện khí hóa & Cung cấp điện Nước đào tạo: Việt Nam Năm tốt nghiệp: 1998 Sau đại học - Thạc sĩ chuyên ngành: Kỹ thuật điện Năm cấp bằng: 2003 i Nơi đào tạo: ĐH Bách khoa Tp HCM Ngoại ngữ: Tiếng Anh: TOEFL-ITP 530 III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc đảm nhiệm 2003 đến ĐH SPKT TP HCM CBGD IV QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Các đề tài nghiên cứu khoa học tham gia: TT Tên đề tài nghiên cứu Năm bắt đầu/Năm Đề tài cấp (NN, Bộ, hoàn thành ngành, trường) 2008 Cấp trường Nghiên cứu thiết kế module điều khiển động servo dùng cho thực T23-2008 tập truyền động điện Nghiên cứu thiết kế module tải dùng 2009 Cấp trường cho thí nghiệm bù cơng suất phản T2009-86 kháng phịng thí nghiệm cung cấp Vai trị Chủ nhiệm đề tài Chủ nhiệm đề tài điện Nghiên cứu, thiết kế thi cơng mơ Cấp Bộ 2008/2010 hình vật lý chuyên dùng cho giảng B2008-22-32 Chủ nhiệm đề tài dạy thí nghiệm thực tập vận hành trạm biến áp Nghiên cứu thi công đèn chiếu 2011 Cấp trường Chủ nhiệm T2011-27 đề tài Cấp trường Chủ nhiệm trọng điểm đề tài sáng hiệu suất cao dùng lượng mặt trời Điều chỉnh điện áp MPPT hệ T 2013 thống điện mặt trời nối lưới pha T ii T2013-06TĐ T Xây dựng giải thuật điều khiển Cấp trường Chủ nhiệm trọng điểm đề tài T dòng phương pháp tối ưu bầy 2014 T đàn (PSO) T2014-05TĐ T Giảm tổn hao chuyển mạch nghịch lưu nối lưới sử dụng sóng mang biến đổi Cấp trường Chủ nhiệm trọng điểm đề tài T 2015 T T2015-35TĐ T Điều chế nghịch lưu nối lưới sử dụng giải thuật di truyền Cấp trường Chủ nhiệm trọng điểm đề tài T 2016 T T2016-49TĐ T Đồng nghịch lưu nối lưới sử dụng giải thuật Levenberg-Marquardt Cấp trường Chủ nhiệm trọng điểm đề tài T 2017 T (đang thực hiện) T2017-27TĐ T Các cơng trình khoa học cơng bố: TT Tên cơng trình Năm cơng bố Tên tạp chí Trần Quang Thọ, Trương Việt Anh, “Chế tạo mơ hình thực tập trạm ngắt- trạm biến áp hệ thống truyền tải điện năng,” Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật – ĐH SPKT TP HCM, Số 14 (2010) Trần Quang Thọ, “Điều chỉnh tham số khâu PI hệ thống nghịch lưu pin mặt trời nối lưới ba pha,” Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ - ĐH Cơng Nghiệp Hà Nội, Số 13, 12/2012 Tran Quang-Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “PWM technique with variable carrier wave frequency to reduce switching loss in grid-connected PV inverter,” Journal of Technical Education Science-HCM UTE, vol 29, 2014, pp 3138 T T Chuong, T V Anh, Tran Quang-Tho, and T Deveikis, “Research of the Voltage Stability of Distribution Network Connected Induction Machines,” Elektronika Ir Elektrotechnika, vol 21, no 1, 2015 pp 42-47 (SCIE) Quang-Tho Tran, Anh Viet Truong, anh Phuong Minh Le, “Reduction of harmonics in grid-connected inverters using variable switching frequency,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol 82, Nov 2016, pp 242–251 (SCIE) T T iii T T Tran Quang-Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “Optimal Modulation to Reduce Harmonics in Inverters,” in Proc IEEE ATC, 2015, pp 561-566 Tran Quang-Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “PWM technique with variable carrier wave frequency to reduce switching loss in grid-connected PV inverter,” Proc, 2nd GTSD, 2014, pp 404-411 P P Tran Quang-Tho, Le Thanh Lam, and Truong Viet Anh, “Reduction of switching loss in grid-connected inverters using a variable switching cycle,” International journal of Electrical Engineering & Technology (IJEET), vol 6, no 8, 2015, pp 63-76 Trần Quang Thọ, Trương Việt Anh, Lê Minh Phương, “Sử dụng giải thuật di truyền để giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới,” Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, HCMUTE, Số 35B, 2016 10 Tran Quang-Tho, Pham Huu Ly, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “A Synchronization Method for Three-Phase Grid-Connected Inverters Using LevenbergMarquardt Technique,” Lecture Notes in Electrical Engineering 371, Springer AETA 2015, pp 249-260 11 Tran Quang-Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “Estimation of Voltage Parameters for Grid-connected Inverters,” in Proc IEEE ATC, 2015, pp 610-615 12 Tran Quang-Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “A Robust Technique for Phase-Locked Loop of Grid-connected Inverters,” in Proc ISEE 2015, pp 498506 13 Trần Quang Thọ, Trương Việt Anh, Trảo Văn Hoan, Lê Minh Phương, “Bù điện áp offset vịng khóa pha nghịch lưu nối lưới,” Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ-VNU-HCM, vol 18, no K5, 2015, pp 5-15 14 Tran Quang-Tho and Truong Viet Anh, “MPPT voltage regulating in three-phase grid connected Photovoltaic system,” Science & Technology Development-VNUHCM, vol 15, no K2, 2012, pp 50-61 15 Tran Quang-Tho and Truong Viet Anh, “Three-phase grid-connected inverter using current regulator,” International journal of Electrical Engineering & Technology (IJEET), vol 4, no 2, pp 293-304, 2013 16 Tran Quang Tho and Truong Viet Anh, “Optimization Of Current Controller for Grid-Connected Inverters Using A PSO Algorithm,” Journal of Technical Education Science, HCMC-UTE, vol 40, Jan 2017 Thủ Đức, ngày 14 tháng năm2017 Người khai ký tên Xác nhận quan Trần Quang Thọ iv LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 10 năm 2017 Tác giả luận án Trần Quang Thọ v LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Trương Việt Anh - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM PGS TS Lê Minh Phương - Đại học Bách khoa Tp HCM tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tơi hồn thiện luận án Tơi muốn gởi lời cảm ơn đến người thân gia đình ln ủng hộ tơi thời gian thực luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Cơ, Thầy thuộc Khoa Điện – Điện tử đồng nghiệp trường tạo điều kiện giúp đỡ trình thực luận án Tác giả Trần Quang Thọ TÓM TẮT Sự phổ biến nguồn điện phân tán sử dụng lượng tái tạo gió mặt trời hệ thống điện ngày nhiều Tuy nhiên, nghịch lưu nối lưới nguồn điện lại phát sóng hài đáng kể vào lưới điện ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện hệ thống điện Do đó, việc giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới góp phần nâng cao chất lượng điện hệ thống điện Dựa vào việc phân tích mơ tả tốn học sóng hài dịng điện, tác giả nhận thấy có bốn yếu tố ảnh hưởng đến sóng hài ngõ nghịch lưu nối lưới, là: kỹ thuật điều chế, chất lượng tham số điện áp lưới tần số ước lượng được, độ nhấp nhô điện áp nguồn chiều chất lượng điều khiển dịng điện Từ đó, luận án nghiên cứu đề xuất bốn giải pháp để giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới sau: Phương pháp điều chế có chu kỳ chuyển mạch thay đổi nửa chu kỳ sử dụng giải thuật di truyền để giảm sóng hài dịng điện khơng làm tăng tổn hao chuyển mạch không làm tăng thêm phần cứng Với khả trải phổ hài phạm vi rộng phương pháp giúp làm giảm nhiễu âm nên làm giảm lọc thụ động Kỹ thuật cải tiến để ước lượng nhanh xác tham số điện áp lưới tần số sử dụng giải thuật Levenberg-Marquardt kết hợp với hồi tiếp ngõ để cập nhật cho tham số ban đầu giải thuật Kỹ thuật giúp nâng cao chất lượng hòa đồng cho nghịch lưu nối lưới để giảm sóng hài ngõ nghịch lưu Kỹ thuật hoàn toàn so với phương pháp kỹ thuật vịng khóa pha thơng thường hệ thống nghịch lưu nối lưới Phương pháp dị điểm cơng suất cực đại có số gia biến đổi để giảm độ nhấp nhô cho nguồn điện áp chiều nghịch lưu điện mặt trời nối lưới giai đoạn Phương pháp góp phần làm giảm sóng hài ngõ nghịch lưu mà khơng làm giảm đáp ứng động vii Phương pháp cải tiến để xác định tham số điều khiển dòng điện sử dụng giải thuật tối ưu bầy đàn nhằm giảm sóng hài nghịch lưu mà khơng địi hỏi nhiều thời gian công sức kinh nghiệm người thiết kế Để khẳng định tính hiệu giải pháp đề xuất, tiêu kỹ thuật xem xét cách định lượng thông qua kết mơ thí nghiệm so sánh với kết phương pháp Các giải pháp đề xuất giảm sóng hài giúp làm giảm kích thước lọc phụ giá thành thiết bị nghịch lưu nối lưới Các giải pháp đề xuất kiểm tra mô phần mềm MATLAB/Simulink, thực nghiệm mơ hình vật lý có chất lượng DSP F28335, Dspace-1103 nhằm khẳng định tính khả thi ứng dụng viii ABSTRACT The penetration of distributed generation (DG) system using renewable energy sources like solar and wind power in grid systems is rapidly increasing worldwide However, grid-connected inverters of these DGs insert significant current harmonics into the power network and adversely affect the power quality of the network The reduction of harmonics to achieve compliance with stringent grid codes contributes to enhance the power quality of grid-connected inverters By analyzing the mathematical model of current ripple, the author has found out the four key factors - modulation technique, accuracy of estimated grid voltage parameters, ripples of DC voltage, and coefficients of current regulator - affecting inverter output harmonics In order to attenuate the harmonics, the author researched and proposed the solutions as follows: A new modulation method generates variable switching cycles in each half of the fundamental period using a genetic algorithm technique for attenuating inverter harmonics without increasing switching loss and hardware The spectrum over a wide frequency range of this method helps avoid some noises in telecommunications, making the output filter smaller An improved strategy for estimating rapidly and accurately fundamental grid voltage parameters relies on the Levenberg-Marquardt algorithm using adaptive initial parameters This strategy helps enhance the synchronization quality of grid-connected inverters for decreasing harmonics This technique is completely new compared with the phase-locked loop methods A maximum power point tracking technique uses the variable increment to deal with DC voltage ripples of one-stage grid-connected photovoltaic inverter This leads to enhancing conversion efficiency and reducing inverter output harmonics without affecting dynamic response ix An improved method for determining the coefficients of current controller bases on Particle Swarm Optimization to alleviate harmonics without requiring a lot of time and effort, experience of designers as well In order to validate the performance of the solutions, the technical parameters are also quantitatively considered by comparing the simulated and experimental results of the proposed techniques with those of the existing methods These solutions help reduce the size and cost of grid-connected inverters The simulation on MATLAB/Simulink is used to test the proposed methods for reduction of harmonics, demonstrating the high intuition and reliability in the expected survey domain The experiment using physical models with the hardware platforms including DSP-F28335 and DSpace1103 helps ensure a high feasibility in actual applications x Trần Quang Thọ end err(lap) = 0.5*mse(current_fitness); %tieu chuan danh gia for i = : n % danh dau quan the if current_fitness(i) < local_best_fitness(i) local_best_fitness(i) = current_fitness(i); local_best_position(:,i) = current_position(:,i); end end [current_global_best_fitness,g] = min(local_best_fitness); if current_global_best_fitness < global_best_fitness global_best_fitness = current_global_best_fitness; for i=1:n globl_best_position(:,i) = local_best_position(:,g); end end R1=1-local_best_position/current_position+rand; R2=1-globl_best_position/current_position+rand; velocity = k1 *velocity + k3*(R1*(local_best_position-current_position)) + k2*(R2*(globl_best_position-current_position)); current_position = current_position + k4*velocity; disp(['so vong lap = ', num2str(lap) , ', Sai so = ', num2str(err(lap))]); end %ket thuc %Thu lai mo hinh xuat ket qua pid = abs(globl_best_position(:,1)); Kp = pid(1) Ki = pid(2) nfitness = mo_hinhpso( Kp,Ki) Code mo_hinhpso 149 Trần Quang Thọ Function F = mo_hinhpso( Kp, Ki) set_param('do_pso/PR', 'Kp',num2str(Kp)); set_param('do_pso/PR', 'Ki',num2str(Ki)); sim('do_pso'); F= sum(e.^2+e1.^2); %Hàm mục tiêu Kết thực giải thuật PSO Error x 10 Cuc tieu ham sai so PSO Total iter 0 25 20 15 10 Fitness So vong lap x 10 Kp 0 300 250 200 150 100 50 Fitness Kp x 10 Ki 500 1000 1500 2000 3000 2500 3500 4000 4500 5000 5500 Ki Phụ lục 4-5: Khảo sát áp dụng cho nghịch lưu nối lưới pha Trong phần này, hệ thống nghịch lưu nối lưới ba pha có tham số bảng 4-5-1 dùng để kiểm tra khả áp dụng giải pháp đề xuất Nguyên lý điều khiển thể hình 4-5-1 Phần mạch cơng suất hình thành cách ghép từ nghịch lưu 1pha cầu H hình 4-5-2 Mạch lọc nguồn pha thể hình 4-5-3 Tham số điều khiển cộng hưởng xác định phương pháp PSO có kết thể hình 4-5-4 (do thay đổi thơng số hệ thống) Bảng 4-5-1: Tham số hệ thống pha Tham số Điện cảm lọc Điện trở Lf Điện cảm nguồn lưới Điện trở Lg Điện áp nguồn lưới Tụ lọc Tần số chuyển mạch cố định 150 Ký hiệu Lf Rf Lg Rg Vac Cf ffixed Giá trị mH 0,3 Ω 0,5 mH 0,01 Ω 3x380V µF kHz Trần Quang Thọ Vg_max_est Pref wt sin Product1 Product2 Trigonometric Function1 Kp_3 cos Qref Kp Divide1 Product4 Trigonometric Function2 Kp Product3 |u| -1 K Ts Ki Math Function |u| K Divide Iia Vdc z-1 Discrete-Time Integrator Discrete-Time Integrator1 Product5 Ki Math Function1 Saturation 1/2 Kp1 Math Function2 dich Ki1 |u| fest 2*pi K Ts z-1 Hình 4-5-1: Sơ đồ nguyên lý tín hiệu điều chế pha A C g Relay E E DC a CarA C g Ua not1 NOT A NOT not g Relay1 E E C g C du Hình 4-5-2: Mơ hình nghịch lưu cầu H pha A A + + -i Lf_Rf Cu + -i C1 B + + -i Lf_Rf1 C u1 + + -i C2 + Vgb C f1 + Cf + + Vga + RLs2 C f2 Vgc Hình 4-5-3: Mơ hình nguồn mạch lọc pha 151 s Vsb - pha_A2 + - + V3 v V2 v V1 - C3 - C4 + Lf_Rf2 + -i + + -i Vsa RLs1 Iic v C + s - pha_A1 Igc + RLs Igb Iib pha_A Iga Iia + s - Vsc Ua Trần Quang Thọ 20 x 10 Cuc tieu ham sai so PSO 11 Result 10 0 Error Error 20 x 10 10 15 20 25 So vong lap 9.985 10 0 x 10 15 10 0 10 15 20 25 30 35 40 Kp 3856.9 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Ki Hình 4-5-4: kết dị hệ số Kp Ki với thông số hệ thống bảng 4-5-1 Phụ lục 4-6 Ảnh hưởng tần số chuyển mạch cố định với PLL thông thường Công suất tác dụng phản kháng cài đặt bảng 4-6-1 để thể thay đổi nguồn vào Bảng 4-6-1: Công suất khoảng thời gian khảo sát Khoảng khảo sát 0