Nghiên cứu kỹ thuật điều chế hạn chế dòng điện rò và điện áp common mode trong bộ biến đổi công suất pv nối lưới 3 pha 3 bậc không biến áp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ VĂN TIÊN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN RÒ VÀ ĐIỆN ÁP COMMON MODE TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT PV NỐI LƯỚI PHA BẬC KHÔNG BIẾN ÁP Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Châu Minh Thuyên Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng 07 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS.TS Phan Quốc Dũng - Chủ tịch hội đồng TS Phan Chấn Việt - Thư ký hội đồng PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên - Cán phản biện PGS.TS Châu Minh Thuyên - Cán phản biện TS Huỳnh Văn Vạn - Ủy viên hội đồng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ VĂN TIÊN MSHV: 2070352 Ngày, tháng, năm sinh: 09/07/1991 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 8520201 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HẠN CHẾ DÒNG DIỆN RÒ VÀ ĐIỆN ÁP COMMON-MODE TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT PV NỐI LƯỚI PHA BẬC KHÔNG BIẾN ÁP MINIMIZE THE LEAKAGE CURRENT AND COMMON MODE VOLTAGE OF PHASE LEVEL INVERTER FOR RANSFORMERLESS THREE-PHASE PV SYSTEM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu cấu trúc điều khiển biến đổi công suất điện mặt trời nối lưới khơng biến áp cấu hình mạch nghịch lưu NPC bậc Tìm hiểu phương pháp điều rộng xung PWM cho nghịch lưu NPC bậc Tìm hiểu nguyên nhân phương pháp hạn chế điện áp dòng rò commonmode Tính tốn chọn linh kiện mơ nghịch lưu nối lưới NPC bậc mơ hình phân tích điện áp/dịng rị common-mode phần mềm PLECS Phân tích kết III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/06/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Tp HCM, ngày 09 tháng 06 năm 2023 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ii LỜI CÁM ƠN  Để hoàn thành luận văn này, tơi xin bày tỏ cảm kích đặc biệt lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Văn Nhờ - người định hướng, trực tiếp dẫn dắt cố vấn cho suốt thời gian thực luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy dành thời gian, tạo điều kiện để nghiên cứu, nâng cao kiến thức tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học lĩnh vực điện tử công suất Một lời cảm ơn chân thành xin gởi đến anh Phạm Đăng Khoa – nghiên cứu viên PTN đồng hành, hỗ trợ từ ngày đầu để bước hoàn thiện nâng cao chất lượng nội dung Trong suốt trình học tập nghiên cứu, nhận nhiều sẻ chia, quan tâm bạn học viên cao học, anh chị khác PTN để bước đến đích Đây điều cảm thấy trân trọng biết ơn Sau quan trọng tơi vợ tơi, gia đình tơi Cảm ơn vợ gia đình ln sát cánh điểm tựa để tơi vượt qua mình, vượt qua thời điểm khó khăn để tơi theo đổi đến mục tiêu Xin chân thành cảm ơn!” iii TĨM TẮT LUẬN VĂN Bài luận văn tập trung nghiên cứu cấu hình biến đổi lượng mặt trời NPC ba pha ba bậc kết nối lưới không thông qua biến áp vấn đề hạn chế dòng rò qua thành phần điện dung ký sinh sinh kiểu nối lưới không cách ly Bộ biến đổi công suất bao gồm tầng điều khiển DC-DC DC-AC riêng biệt Tầng DC-DC có cấu hình mạch Boost để điều khiển hệ thống Pin lượng mặt trời hoạt động điểm công suất cực đại (MPP); giải thuật điều khiển MPP chọn loại đơn giản (P&O) Tầng nghịch lưu DC-AC cài đặt điều khiển cho công suất tác dụng phát lớn nhất, công suất phản kháng 0; sơ đồ điều khiển vịng kín với chiến lược điều khiển hệ tọa độ đồng với phương pháp điều khiển định hướng điện áp (VOC) cuối kỹ thuật điều chế thông dụng SINPWM thực cấu hình nghịch lưu phân tích cụ thể Luận văn tìm hiểu ảnh hưởng dòng rò sinh thành phần điện áp common-mode chạy qua điện dung ký sinh hệ thống Một số phương pháp dùng để hạn chế thành phần dịng rị cấu hình mạch nghịch lưu đề cập iv ABSTRACT The thesis focuses on researching the configuration of a grid-connected three-phase three-level NPC solar inverter without transformer and the problem of limiting leakage current through the parasitic capacitive component generated by the non-isolated grid connection The converter will include separate stages: DC-DC and DC-AC The DC-DC stage will be a Boost configuration to control the photovoltaic system operating at the maximum power point (MPP); the MPP control algorithm chosen will be the simplest type (P&O) The DC-AC inverter will be set to control so that the output active power is the maximum, and the reactive power is zero; closed-loop control scheme with control strategy in synchronous frame system with voltage-oriented control (VOC) method and finally the common modulation technique SINPWM will also be implemented in the mentioned configuration and specified The thesis also studies the effect of leakage currents generated by the common-mode voltage component flowing through the parasitic capacitance of the system Some methods used to limit this leakage current component on the above inverter configuration will also be mentioned v LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn nghiên cứu viết thân tác giả Nội dung luận văn bao gồm lời diễn giải chữ viết, hình ảnh, bảng biểu, nội dung liên quan ngoại trừ việc trích dẫn nguồn thân tác giả chưa xuất ấn phẩm Việc trích dẫn ghi nguồn tài liệu thực yêu cầu tổng hợp thành mục “Tài liệu tham khảo” Tác giả luận văn Võ Văn Tiên vi MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .1 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .2 1.3 BỐ CỤC LUẬN VĂN CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP .4 2.1 2.2 2.3 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .4 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP: DÒNG RÒ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP: CHƯƠNG CẤU HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT GIAI ĐOẠN NỐI LƯỚI 3.1 CẤU HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI GIAI ĐOẠN NPC NỐI LƯỚI .8 3.1.1 TỔNG QUAN 3.1.2 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 11 3.1.3 BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC BẰNG NGHỊCH LƯU NPC BẬC .12 3.1.3.1 CẤU HÌNH NGHỊCH LƯU 12 3.1.3.2 TRẠNG THÁI ĐÓNG CẮT 13 3.1.3.3 SỰ CHUYỂN MẠCH CỦA LINH KIỆN 14 3.1.3.4 KẾT LUẬN 16 3.2 ĐIỀU KHIỂN TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT GIAI ĐOẠN NPC NỐI LƯỚI 17 3.2.1 TỔNG QUAN 17 3.2.2 ĐIỀU KHIỂN TÌM KIẾM ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI MPP 18 3.2.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ HÓA 21 3.2.4 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT .23 3.2.5 ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ÁP .27 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CHO NGHỊCH LƯU NPC BẬC .28 4.1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SIN .28 4.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 30 CHƯƠNG ĐIỆN ÁP COMMON-MODE VÀ DÒNG ĐIỆN RÒ TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT NỐI LƯỚI .39 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 ĐIỆN ÁP COMMON-MODE TRONG NGHỊCH LƯU NPC BẬC 39 ĐỊNH NGHĨA 39 GIẢM HOẶC TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON-MODE .41 KỸ THUẬT GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE BẰNG PHƯƠNG PHÁP POD TRONG SPWM: 43 DÒNG RỊ TRONG HỆ THỐNG NỐI LƯỚI KHƠNG BIẾN ÁP .44 vii CHƯƠNG LỰA CHỌN LINH KIỆN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ MÔ PHỎNG PLECS 47 6.1 LỰA CHỌN LINH KIỆN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 47 6.1.1 LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO MẠCH BOOSTER DC-DC: 47 6.1.2 LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO MẠCH NGHỊCH LƯU NPC BẬC: 49 6.1.3 LỰA CHỌN CUỘN CẢM LỌC 50 6.2 MÔ HÌNH MƠ PHỎNG 50 6.2.1 TỔNG QUAN MÔ PHỎNG 50 6.2.2 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT NỐI LƯỚI .51 6.2.3 MƠ PHỎNG CMV VÀ DỊNG ĐIỆN RỊ 64 CHƯƠNG KẾT LUẬN .68 7.1 KẾT LUẬN 68 7.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .70 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .73 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Vị trí biến đổi cơng suất nối lưới khơng biến áp (trên) có biến áp (dưới) hệ thống điện mặt trời nối lưới .2 Hình 2.1 Mơ hình tế bào quang điện Hình 2.2 Đặc tính I-V (trái) P-V (phải) tế bào quang điện Hình 2.3 Dịng điện rị hệ thống điện mặt trời nối lưới không biến áp Hình 3.1 Bộ biến đổi cơng suất nối nối lưới (đỏ) Hình 3.2 Bộ biến đổi công suất nối lưới pha giai đoạn với mạch nghịch lưu dạng NPC bậc 11 Hình 3.3 Cấu hình mạch tăng áp DC-DC 11 Hình 3.4 Cấu hình nghịch lưu NPC bậc 12 Hình 3.5 Tín hiệu cổng chuyển mạch từ [O] lên [P] 15 Hình 3.6 Q trình chuyển mạch từ [0] lên [P] với dịng điện dương (xanh) 15 Hình 3.7 Quá trình chuyển mạch từ [0] lên [P] với dòng điện âm (xanh) 16 Hình 3.8 Sơ đồ khối điều khiển biến đổi công suất giai đoạn 17 Hình 3.9 Đặc tuyến I-V tải I-V mảng PV 18 Hình 3.10 Mạch điều khiển vịng kín điều khiển điện áp hệ thống PV 19 Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán phương pháp P&O .20 Hình 3.12 Lưu đồ thuật tốn phương pháp P&O .20 Hình 3.13 Vịng điều khiển vịng khóa pha (PLL) 22 Hình 3.14 Sơ đồ mạch vịng tuyến tính PLL 23 Hình 3.15 Hệ tọa độ xoay dq với thành phần dịng điện id iq .24 Hình 3.16 Trao đổi công suất tụ DC link 25 Hình 3.17 Điều khiển VOC với điểu khiển kiểu tách rời 27 Hình 4.1 Bộ so sánh tạo xung đóng ngắt cho khóa cơng suất 28 Hình 4.2 Bố trí sóng mang nghịch pha (a) pha (b) 29 Hình 4.3 Ngun lý kích mở xung điều khiển phương pháp sóng mang pha .29 Hình 4.4 Giản đồ vector khơng gian với nghịch lưu bậc 32 Hình 4.5 Phân chia sector giản đồ vector không gian 33 Hình 4.6 Xác định vị trí vector tham chiếu tam giác (region) thuộc sector I .34 Hình 4.7 Vector không gian thời gian tồn chúng 35 Hình 5.1 Giản đồ vector không gian cho Vref nằm tam giác - Sector .42 Hình 5.2 Trình tự đóng cắt CMV trường hợp giảm (a) triệt tiêu (b) CMV tam giác – sector I 43 Hình 5.3 Minh họa vector đóng cắt CMV nghịch lưu NPC bậc sử dụng sóng mang ngược pha 44 Hình 5.4 Dịng rị qua tụ ký sinh hệ thống nối lưới không biến áp 45 Hình 5.5 Dịng rị BBĐCS nối lưới giai đoạn pha bậc NPC .45 Hình 5.6 Mạch tương đương khảo sát CMC 46 Hình 6.1 Cấu hình mạch tăng áp DC-DC( Booster) 47 Hình 6.2 Cấu hình mạch nghịch lưu NPC bậc .49 Hình 6.3 Logo phần mềm Plecs .50 59  Nhận xét: - Phương pháp điều khiển MPPT P&O tương đối hiệu hệ thống thực hiện, điều kiện xạ, hiệu suất MPPT đạt 98% P&O đáp ứng nhanh với thay đổi tức thời công suất xạ (thời điểm t=0.25s mô phỏng) - Kỹ thuật điều khiển điện áp điểm liên kết DC cho hiệu tốt điện áp dễ dàng đạt trạng thái đặt (700V) trì ổn định suốt trình - Ở thời điểm bắt đầu mô hay thay đổi công suất đưa vào, lượng công suất (phản kháng tác dụng), dòng điện pha bơm vào lưới (ở hệ tọa độ abc dq) xảy trình độ Quá trình này diễn khoảng 0.1s sau điểm thay đổi sau ổn định Trong trường hợp này, cần tinh chỉnh thêm hệ số điều khiển PI để đạt hiệu tốt - Giải thuật vịng khóa pha SRF-PPL hoạt động tốt bám góc pha chuẩn lưới nhanh - Ở giai đoạn ổn định, chất lượng điện áp đầu THDi pha cho kết tốt đạt tiểu chuẩn IEEE 519-1992 (dưới 3%) Mô biến đổi công suất với điều kiện khác xạ với phương pháp điều chế POD-SPWM Mô thực theo giải thuật nghịch lưu POD-SPWM Kịch mơ [0-0.2.5s]: 500W/m2 [0.25-0.5s]: 1000W/m2 60 Hình 6.12 Dạng sóng điện áp điểm liên kết DC, dịng điện công suất bơm vào lưới phương pháp điều chế POD-SPWM 61 Hình 6.13 Dạng sóng dịng điện phía nghịch lưu hệ tọa độ thường, hệ tọa độ dq góc quay điện áp phương pháp điều chế POD-SPWM 62 Hình 6.14 Dạng sóng điện áp pha phía nghịch lưu phương pháp PODSPWM 63  Nhận xét: Đối với kỹ thuật điều chế POD-SPWM, biến đổi công suất nhỉn chung cho kết gần giống với kỹ thuật PD-SPWM; nhiên, có số khác nhau: - Do sử dụng vector xa phân tích vector khơng gian, việc sử dụng POD đưa kết đầu điện áp nghịch lưu không bám điện áp lưới tốt phương pháp sóng mang pha Việc so sánh qua hình 6.10 6.14 - Ở giai đoạn ổn định, chất lượng điện áp đầu THDi pha cho kết tốt, đạt tiểu chuẩn IEEE 519-1992 (dưới 3%) cao 13-25% so với phương pháp PD-SPWM tùy vào điều kiện công suất đưa vào 64 6.2.3 MƠ PHỎNG CMV VÀ DỊNG ĐIỆN RỊ Hình 6.15 Mạch tương đương khảo sát điện áp dòng rò common-mode Thông số mô Các số biến đổi cơng suất mơ trước Tụ ký sinh chọn 14nF để khảo sát Công suất xạ 1000W/m2 không thay đổi trình mơ Mơ thực giải thuật PD-SPWM POD-SPWM Kịch mô phỏng: [0-0.2.5s]: POD-SPWM [0.25-0.5s]: PD-SPWM 65 Hình 6.16 Dạng sóng CMV dòng rò CMV phương pháp điều chế PODPWM PD-PWM 66 Hình 6.17 Phân tích tần số CMV dòng điện rò phương pháp điều chề PDSPWM 67 Hình 6.18 Phân tích tần số CMV dòng điện rò phương pháp điều chề PODSPWM Nhận xét: - Cả phương pháp cho trị hiệu dùng dòng rò phù hợp với tiêu chuẩn (RMS