Nghiên cứu, mô phỏng hệ nghịch lưu nối lưới 1 pha sử dụng Matlab Simulink cho hệ pin mặt trời

Bài viết Nghiên cứu, mô phỏng hệ nghịch lưu nối lưới 1 pha sử dụng Matlab Simulink cho hệ pin mặt trời tập trung nghiên cứu vào một phần tử rất quan trọng trong hệ thống nhiều nguồn năng lượng lai ghép, đó là phần điều khiển của bộ biến đổi nghịch lưu nối lưới 1 pha. Đây là một nội dung quan trọng, việc điều khiển để quá trình trao đổi năng lượng diễn ra ổn định và tin cậy sẽ quyết định đến độ ổn định toàn hệ thống.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG HỆ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI PHA SỬ DỤNG MATLAB SIMULINK CHO HỆ PIN MẶT TRỜI RESEARCH AND SIMULATION OF A 1-PHASE GRID-CONNECTED INVERTER SYSTEM USING MATLAB SIMULINK FOR SOLAR SYSTEM Trần Trường An1,*, Đỗ Đức Anh1, Ngơ Trí Thuyên1, Đặng Quốc Du2, Bùi Văn Huy3 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.053 TÓM TẮT Hiện nay, gia tăng giá nhiên liệu hạn chế nhằm giảm ô nhiễm môi trường mang lại nhiều hội cho việc tích hợp nguồn lượng tái tạo Bài báo trình bày cấu trúc tích hợp nguồn phát điện từ Pin mặt trời vào lưới Bài báo tập trung nghiên cứu vào phần tử quan trọng hệ thống nhiều nguồn lượng lai ghép, phần điều khiển biến đổi nghịch lưu nối lưới pha Đây nội dung quan trọng, việc điều khiển để trình trao đổi lượng diễn ổn định tin cậy định đến độ ổn định toàn hệ thống Các kết thiết kế mô thực phần mềm Matlab/Simulink Từ khóa: Pin mặt trời, nghịch lưu nối lưới, nguồn phân tán ABSTRACT Today, the increase in fuel prices and restrictions to ensure the fight against environmental pollution have provided many opportunities for the integration of renewable energy sources This paper will present some of the structures that integrate renewable energy sources of different nature into the grid, analyzing in detail the DC-Bus type coupling system it is the control part of the 1-phase gridconnected inverse converter This is an important content, the control for the energy exchange process to take place stably and reliably will determine the stability of the whole system The design and simulation results were performed on Matlab and simulink software Keywords: Solar cells, grid-connected inverses, distributed sources Lớp ĐK&TĐH K14, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: trantruongan99999@gmail.com Ngày nhận bài: 25/10/2022 Ngày nhận sửa sau phản biện: 03/02/2023 Ngày chấp nhận đăng: 15/3/2023 KÍ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ts s Chu kỳ lấy mẫu Ý nghĩa Tsc s Chu kỳ lấy mẫu điều khiển f Hz Tần số Website: https://jst-haui.vn Iref A Dòng điện đặt I_sol A Dòng điện chiều tạo từ pin mặt trời V_sol V Điện áp chiều tạo từ pin mặt trời Vg V Điện áp xoay chiều Ig A Dòng điện xoay chiều Pdc W Cơng suất dịng chiều từ pin mặt trời THD Hệ số méo dạng Vref V Điện áp đặt Vdc V Điện áp đầu DC/DC CHỮ VIẾT TẮT PR Proportional Resonant MPPT Maximum Power Point Tracker P&O Perturb and Observer PWM Pulse Width Modulation PLL Phase-Locked Loop GIỚI THIỆU Việt Nam quốc gia nằm đới khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng xạ mặt trời năm lớn nhu cầu sử dụng lượng tăng công nghiệp sinh hoạt Để tận dụng nguồn xạ lớn nhà máy điện mặt trời xây dựng Để khai thác nguồn lượng an toàn hiệu cao việc nghiên cứu pin mặt trời (PV) nghịch lưu biến đổi điện áp vấn đề cần quan tâm Trong báo này, nhóm tác giả tập trung xây dựng điều khiển, mô hệ thống Pin mặt trời pha nối lưới có thực thi thuật tốn bám cơng suất cực đại P&O Bộ điều khiển dòng điện thực theo thuật toán điều khiển cộng hưởng, kết mô minh chứng giải pháp đề xuất XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG Tấm pin lượng mặt trời tạo điện áp chiều DC, để kết nối với lưới cần qua biến đổi điện áp DC-DC (DC Booster) nghịch lưu để chuyển đổi DC-AC (H Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 125 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 bridge inverter) Sơ đồ nguyên lý hệ thống nối lưới hình Hình 4.Đường đặc tuyến P-V module pin mặt trời 2.2 Bộ điều khiển DC-DC Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống nối lưới Bộ biến đổi điện áp chiều (DC Booster): điện áp pin mặt trời thấp nên ta cần dùng chuyển đổi booster với mục đích nâng điện áp lên cao so với điện áp đầu vào Sơ đồ mạch nguyên lý DC Booster thể hình [3] 2.1 Mơ hình pin mặt trời Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp từ lượng xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện Nó có ưu điểm gọn nhẹ, dễ lắp đặt nơi có ánh sáng mặt trời Pin mặt trời ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: hàng không vũ trụ, giao thông, sinh hoạt thay dần nguồn lượng truyền thống [1] Hình Mạch nguyên lý DC booster Khi V dẫn: L diL E dt Khi V khóa: (1) L diL  E  Ut dt Giả thiết tụ C có giá trị đủ lớn, ta có: (2) E  t  t x : iL  Imin  t L E  Ut t x  t  T : iL  Imax  (t  t x ) L Giải tương tự ta có: (3) Hình Mơ hình pin mặt trời Chọn module SunPower SPR-305E-WHT-D Có thơng số như: độ xạ = 1000 (W/m2), nhiệt độ T = 250C, dòng điện bão hòa: I0 = 6,3073.10-12 (A), dòng điện ngắn mạch Isc = 5,96(A) [1-4] Ut  (5) Sử dụng định luật Kirchhoff ta có hệ phương trình mơ tả sơ đồ mạch điện biến đổi boost converter  diL Rr R  (  C iL  rL iL  uC  E) L R  rC R  rC  dt  duC R ( iL  uC ) C dt R  r R  rC C   R (uC  rC iL ) u0  R  rC  Sử dụng phần mềm Matlab có biểu đồ đường đặc tuyến I-V, P-V thể hình 3, Hình Đường đặc tuyến I-V module pin mặt trời T E E T  tx 1 δ (4) (6) Điểm làm việc cân biến đổi boost tính sau: 126 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619  U  U C  (7) UC  (1 D)RIL  (E  rLIL ) UC  (R  rC ) (1 D)R  rC  Do hệ số điều chế D làm việc chế độ xác lập ≤ D < 0, theo hệ phương trình (7) biến đổi boost converter mang đặc điểm tăng áp Ngoài để nâng cao hiệu cho pin mặt trời cần thêm điều khiển MPPT để điều khiển công suất tối ưu từ pin mặt trời Bộ điều khiển có tác dụng giúp hệ thống thu lượng từ pin mặt trời cao Để thực yêu cầu nhóm tác giả sử dụng thuật toán P&O [5, 9] với sơ đồ điều khiển thể hình 6, - Nếu cơng suất Pt < Pt-1 V_sol(t) < V_sol(t-1) chia thành hai điều kiện sau: giảm xung kích Incr tăng xung kích Incr Hình Thuật tốn P&O 2.4 Bộ nghịch lưu DC-AC Bộ nghịch lưu cầu H nhằm để biến đổi từ điện áp DC thành điện áp AC để hịa lưới có sơ đồ ngun lý hình [3] Cấu trúc bao gồm điện áp chiều, van bán dẫn IGBT, lọc LC tải Bộ lọc LC tạo sóng hài ngược pha với sóng hài phát sinh mạch nhằm triệt tiêu thành phần sóng hài, tín hiệu nghịch lưu hình sin tương đối [13] Hình Sơ đồ điều khiển MPPT sử dụng thuật tốn P&O Từ cơng thức (5) ta có, điện áp đặt cho boost có phương trình sau: Vsol 1 D hàm số phụ thuộc vào thay đổi D (duty cycle D) Vref  2.3 Thuật tốn P&O Hình Sơ đồ ngun lí mạch nghịch lưu cầu H Để tạo điện áp xoay chiều ta sử dụng phương pháp điều chế sin (SPWM), ngồi ta cịn sử dụng thêm tín hiệu xung tam giác Triangle (Vtri) gọi sóng mang biễu diễn hình 10, dùng để so sánh với tín hiệu điều khiển hình sin Hình Sơ đồ mơ thuật tốn P&O Lưu đồ P&O thể hình [10-12]: Dựa vào dòng điện I_sol(t) V_sol(t) lần lấy thứ t để tính cơng suất P  V _ sol(t) * I _ sol(t) Sau so sánh với t cơng suất Pt-1 lần đo trước t-1 ΔP = Pt – Pt-1 - Nếu công suất Pt = Pt-1 V_sol(t) = V_sol(t-1), I_sol(t) = I_sol(t-1) - Nếu cơng suất Pt > Pt-1 V_sol(t) > V_sol(t-1) chia thành hai điều kiện sau: tăng xung kích Incr, ngược lại giảm xung kích Incr Website: https://jst-haui.vn Hình 10 Điều chế SPWM pha Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 127 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Tìm giá trị xung kích để cấp vào IGBT mạch cầu H Tải biến đổi mơ hình hóa hàm truyền: G L (s)  Tính giá trị đặt Iref ta có cơng thức sau đây: Iref  Pref Vα  Qref Vβ IF (s)  Uinv (s) sLF  RF Trong đó, LF , RF điện kháng điện trở tải Vα  Vβ Hàm truyền đạt hệ hở điều khiển: GPRh  s  GL  s   (K Ph  K1h s ) s2  h2 ω21 sLF  RF Hàm truyền vịng kín dịng điện: GPRh (s)GL (s) 1 GPRh (s)GL (s) GPR (jω)  GPR  jω  Hình 11 Mạch mơ giá trị dịng điện đặt Vịng điều khiển cơng suất phản kháng giống trình bày [7] Điểm khác so với [8] sử dụng cộng hưởng Bộ điều khiển cộng hưởng (Proportional ResonantPR) sử dụng rộng rãi trọng điều chỉnh dòng cho hệ thống bám lưới [8], hệ số KP, KI hệ số tỉ lệ hệ số tích phân điều khiển PR Cấu trúc điều khiển PR hình 12 KPhs2 KIhs KPhω12 i(s)  i* (s) LFs3  (KPh RF )s2  (KIh  ω12LF )s KPhω12 RFω12 (KIhω)2  KPh (ω12  ω2 )2 (KIh  LF (ω12  ω2 ))2 ω2  (KPh  RF )2 (ω12  ω2 )2  KIhω   (L(ω12  ω2 )  KIh )ω  GPh (jω)  tan1   tan1  2  2   KIh (ω1  ω )   (KPh  R)(ω1  ω )  Xác định hệ số KPh thông qua tần số cắt fc mà độ khuếch đại 0dB Nếu số hạng khơng xét KIh = Khi đó: GPR ( jω)  Kp (LF ω)  (K P  RF )2 Nếu băng thông dự kiến đầu ωib đưa hệ số KPh xác định sau: K Ph  RF  (LF ωib )2  2RF2 Hình 12 Cấu trúc điều khiển cộng hưởng [8] Hệ số tích phân KIh xác định thơng qua tần số cộng hưởng hω1, tần số thông dự kiến cuối ωfb định hệ số KIh xác định sau: Các cơng thức tính cộng hưởng[6]: Gc (s)  K P  K I s s  KP  KI  K P  Rh s ω s  h2 ω12 Với ω = hω1 Trong đó: ω1 tần số dịng điện h: bậc sóng điều hịa, lấy sóng h = Hệ số KI dùng để xác định khả chọn lọc lọc, KI nhỏ tạo dải tần hẹp, KI lớn tạo dải tần rộng Để tính tốn tham số điều khiển cộng hưởng ta xây dựng mơ hình cấu trúc hình 13 K Ih  ω2fb  ω12 ( (RF  K P )2  2(LF ω fb )2  2K Ph  LF ω fb ω fb Để xác định thơng tin biên độ mà góc pha điện áp lưới cung cấp cho cộng hưởng, ta dùng vịng khóa pha PLL Dựa vào cơng thức ta tính hệ số Kp = 38,7, KI = 3872 để điều khiển cho cộng hưởng mô hình 14 Hình 13 Mơ hình điều khiển pha nghịch lưu nối lưới 128 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Hình 14 Mơ cộng hưởng Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Mô hệ thống điện mặt trời nối lưới pha 220VAC, tần số f = 50Hz hình 15 với chu kì lấy mẫu Ts = 2e-6 (s), chu kỳ lấy mẫu điều khiển Tsc = 1e-4 (s) Hệ thống nghiên cứu bao gồm 30 pin mặt trời PV có thơng số bảng Bảng Các thông số mô PV Thông số pin mặt trời PV module SunPowerSPR-305E-WHT-D Công suất cực đại pin Để đánh giá chất lượng dòng điện, điện áp nối lưới ta sử dụng công cụ FFT khối Powergui Để đo độ méo sóng hài ta cài đặt thời gian bắt đầu 0,2, tần số f = 50Hz, tần số lớn fmax = 50kHz hình 18 305,226W Điện áp hở mạch Voc 64,2V Dòng điện ngắn mạch Isc 5,96A Điện áp điểm cơng suất cực đại Vmp 54,7V Dịng điện điểm công suất cực đại Imp 5,58A Cấu hình mạng PV Cơng suất P bám sát với cơng suất đặt Pdc Công suất P nhỏ công suất đặt Pdc tổn hao công suất mạch, hiệu suất nhỏ Khi xạ thay đổi cơng suất đặt Pdc thay đổi cơng suất P lưới thay đổi Công suất phản kháng Q lưới tăng lên thời điểm t = 0,8s Qref đặt thời gian bắt đầu 0,8s chuỗi mắc song song, pin chuỗi Công suất cực đại dàn pin tạo 9156.8 W Bộ biến đổi DC-DC tăng áp, nghịch lưu cầu H sử dụng IGBT Kết mô điện áp xoay chiều ngõ Vg có dạng tín hiệu thu hình 15, dịng điện xoay chiều ngõ Ig có dạng tín hiệu thu hình 16, cơng suất ngõ so với Pdc hình 17 Hình 18 Đo độ méo sóng hài điện áp nối lưới Tỉ lệ sóng hài điện áp nối lưới đo THD = 1,09% Hình 15 Dạng sóng điện áp xoay chiều độ lớn Hình 19 Độ méo sóng hài dịng điện nối lưới Hình 16 Dạng sóng dịng điện lưới Độ méo sóng hài dịng điện THD = 4,16% hình 19 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Hình 17 Sự thay đổi cơng suất Website: https://jst-haui.vn Bài báo cáo nghiên cứu, tổng hợp điều khiển nghịch lưu nối lưới pha mô sử dụng matlab simulink cho hệ lai ghép kiểu DC bus Trọng tâm điều khiển nối lưới pha dựa giải thuật P&O để tối ưu công suất ngõ hệ thống kết hợp điều khiển cộng hưởng để đồng với lưới điện.Từ kết mô cho thấy điện áp dòng điện đầu đáp ứng yêu cầu dạng sóng, biên độ độ méo THD quy định 5% Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 129 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dang Dinh Thong, 2008 Pin mat troi va ung dung Science and Technics Publishing House, Hanoi [2] Nguyen Phung Quang, 2006 Matlab va Simulink Science and Technics Publishing House, Hanoi [3] Nguyen Van Nho,2002 Giao trinh Dien tu cong suat Vietnam National University Ho Chi Minh City Press [4] G Stapleton, S Neill, 2012 Grid connected solar electric systems Taylor & Francis, pp 42-55 [5] V Salas, E.O., A Barrado, A Lazaro, 2006 Review of the Maximum Power Point Tracking Algorithms for Stand-alone Photovoltaic Systems Solar Energy Materials and Solar Cells, 1555–1578 [6] Tran Duy Trinh, Tran Trong Minh, 2011 Designing controllersforcurrent control loopofgrid-connected in terms of voltage unbalance VCCA [7] Bui Van Huy, Tran Trong Minh, Nguyen Van Lien, 2015 New technique of Capacitor voltage balancing for STATCOM system based on the Multilevel cascaded H-bridge Inverter Journal of Science & Technology, 107 [8] Frede Blaabjerg, Remus Teodorescu, Marco Liserre, Adrian V Timbus, 2006 Overview of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol 53, No [9] D Hohm, M Ropp,2003 Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms Prog Photovoltaics Res App Vol.11, 47-62 [10] O Bingol, A Altinta, Y Oner, 2006 Microcontroller based solartracking system and its implementation Journal of Engineering Sciences, vol 12, 243-248 [11] Askan K Maximum power point tracker for PV array 2006-2007 [12] Mei Shan Ngan, Chee Wei Tan, 2011 A Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms for Stand alone Photovoltaic Systems 2011 IEEE Applied Power Electronics Colloquium (IAPEC) [13] M Adouane, M Haddadi, A Malek, M Hadjiat, 2009 Etude et conception d’un onduleur monophasé autonome géré par microcontrôleur PIC 16F876A Revue des Energies Renouvelables Vol 12 N°4, 543 –550 AUTHORS INFORMATION Tran Truong An1, Do Duc Anh1, Ngo Tri Thuyen1, Dang Quoc Du2, Bui Van Huy3 Class ĐK&TĐH K14, Hanoi University of Industry Faculty of Electrical Engineering, University of Economics - Technology for Industries Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry 130 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Website: https://jst-haui.vn