đồ án i đề tài thiết kế bộ lọc lcl cho bộ biến đổi cầu 1 pha nối lưới

Trong khi các nỗ lực nghiên cứu đã đạt được dòng và áp của nghịch lưu phát vào lưới có dạng sin lý tưởng thì một vấn đề mới nảy sinh là các tác động nhiễu từ lưới mà điển hình là sóng hà

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN I

Đề tài: Thiết kế bộ lọc LCL cho bộ biến đổi cầu 1 pha nối lưới

Giảng viên hướng dẫn: Ts Nguyễn Anh Tân Sinh viên thực hiện: Luyện Tiến Đạt

MSSV: 20212750

Hà Nội,tháng 7 năm 2024

LỜI MỞ ĐẦU

Trong xu thế phát triển các nguồn năng lượng mới và tái tạo không thể thiếu được vai trò quan trọng của các bộ điều khiển kết nối lưới [2] Trong khi các

nỗ lực nghiên cứu đã đạt được dòng và áp của nghịch lưu phát vào lưới có dạng sin lý tưởng thì một vấn đề mới nảy sinh là các tác động nhiễu từ lưới

mà điển hình là sóng hài cao lại có ảnh hưởng mạnh đến điều khiển của bộ biến đổi (BBĐ) Bộ lọc LCL thông thường được thiết lập tại ngõ ra của BBĐ trước điểm kết nối lưới có thể lọc bỏ các sóng hài nhưng có nhược điểm là có thể gây cộng hưởng tần số, phá vỡ liên hệ kết nối [1]

Qua thời gian nghiên cứu và tìm tòi cùng với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Anh Tân, chúng em đã hoàn thành Đồ Án 1 với đề tài là “Thiết kế bộ lọc LCL cho bộ biến đổi cầu 1 pha nối lưới” Trong quá trình làm không tránh khỏi sai sót, mong thầy giáo góp ý để chúng em hoàn hiện hơn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 4

1.1 Giới thiệu bộ lọc LCL 5

1.2 Các vấn đề cần chú ý khi thiết kế bộ lọc 6

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ LỌC LCL NỐI LƯỚI 6

2.1 Xây dựng hàm truyền của bộ lọc 6

2.2 Tính toán các thông số của bộ lọc 9

2.2.1 Dòng điện gợn: 9

2.2.2 Cuộn cảm phía bộ biến đổi Error! Bookmark not defined 2.2.3 Giá trị tổng cuộn cảm Error! Bookmark not defined 2.2.4 Giá trị lớn nhất tụ điện Error! Bookmark not defined 2.2.5 Cuộn cảm phía lưới Error! Bookmark not defined 2.2.6 Điện trở giảm chấn R……… 14

2.2.7Tính toán thông số mô phỏng……… 15

2.2.8Kết quả mô phỏng……….16

CHƯƠNG 3:KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Sơ đồ bộ lọc LCL

Hình 2 Mạch lọc LCL

Hình 3 Mạch một pha tương đương của bộ lọc LCL

Hình 4 Sơ đồ khối bộ lọc LCL

Hình 5: Sơ đồ biến tần

Hình 6 Đồ thị dòng điện qua cuộn cảm

Hình 7 Tác động của một điện trở giảm chấn Rd đối với sự ổn định của hệ thống

Hình 8 Quy trình thiết kế bộ lọc LCL

Hình 9 Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi một pha nối lưới có bộ lọc LCL Hình 10 Irpmax của dòng điện trước bộ lọc

Hình 11 So sánh dòng điện trước và sau bộ lọc LCL

Hình 12 Dòng điện sau bộ lọc LCL

Hình 13 THD dòng điện sau bộ lọc

Chương1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu bộ lọc LCL

Chất lượng cao của dòng điện đầu ra là một yếu tố chính trong thiết kế của biến tần nối lưới Do đó, một bộ lọc thông thấp (LPF) có tỷ lệ suy hao cao của dòng sóng hài cao hơn là cần thiết phải được đặt giữa lưới điện tiện ích

và biến tần Khi bộ lọc L và bộ lọc LC được sử dụng trong biến tần nối lưới, chúng được thiết kế lớn để đảm bảo tỷ lệ suy hao cao trong dải tần cao Tuy nhiên, bộ lọc LCL nhỏ và có tỷ lệ suy hao đủ cao trong dải tần số cao, so với

bộ lọc L và bộ lọc LC Do đó, chúng thường được sử dụng trong các biến tần

nối lưới

Hình 1 Sơ đồ bộ lọc LCL

Vì cuộn cảm phía lưới L2 của bộ lọc được mắc nối tiếp với lưới điện, trở kháng cảm ứng của cáp lưới dài và máy biến áp công suất thấp có thể ảnh hưởng đến sự thay đổi tham số trong L2 Ngoài ra, điện cảm cũng có thể thay đổi với các giá trị tỷ lệ của nó lên đến 75% do tính từ thẩm của lõi trên dòng điện chạy trong mạng Dung sai điện dung nằm trong khoảng ± 5% đến ± 20%, tùy thuộc vào tính chất điện môi của chúng Những biến thể này gây ra

sự dịch chuyển tần số cộng hưởng và sau đó dẫn đến không ổn định đối với

hệ thống điều khiển và hành vi của bộ lọc Rất nhiều công việc đã được thực hiện để đối phó với sự cộng hưởng và không ổn định như phương pháp giảm chấn thụ động, phương pháp giảm chấn chủ động, và thậm chí cả phương pháp không giảm chấn để đạt được tiêu chí ổn định dựa trên các loại kỹ thuật

điều khiển Tuy nhiên, có rất ít tài liệu trình bày chi tiết hướng dẫn từng bước

rõ ràng để chọn các giá trị phần tử thụ động thích hợp cho bộ lọc, đặc biệt là loại vòng lặp mở Do đó chúng em chọn đề tài này để nghiên cứu quy trình thiết kế theo từng bước của bộ lọc LCL vòng mở cho bộ chuyển đổi nối lưới Các bước thiết kế được đề xuất dựa trên cách tiếp cận giảm thiểu gợn sóng hiện tại Nó cực kỳ quan trọng để điều chỉnh dòng điện đầu ra và điện áp với giá trị gợn sóng nhỏ nhất có thể, phù hợp với giá trị do các tiêu chuẩn đặt ra Bài nghiên cứu này trình bày các bước đơn giản để thiết kế bộ lọc LCL Các phương trình toán học cần thiết cho phép tính toán lý thuyết ban đầu với các

ví dụ thiết kế sẽ được trình bày Các thông số chính thu được từ tính toán lý thuyết sẽ được mô phỏng trên nền tảng Simulink để thảo luận và đánh giá

1.2 Các vấn đề cần chú ý khi thiết kế bộ lọc

Bộ lọc LCL nhằm mục đích giảm song hài bậc cao trên mặt lưới, nhưng thiết

kế bộ lọc kém có thể gây ra suy hao thấp hơn so với những gì mong đợi Do

đó khi thiết kế bộ lọc cần chú ý một số vấn đề như tần số cộng hưởng, dòng điện gơn chạy qua cuộn cảm, công suất phản kháng hấp thụ bởi tụ điện,…

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ LỌC LCL NỐI LƯỚI

2.1 Xây dựng hàm truyền của bộ lọc

Mạch lọc LCL tạo ra sự cách ly giữa trở kháng của bộ lọc với lưới và độ gợn dòng điện qua cuộn cảm lưới điện cũng thấp Mô tả cấu trúc hệ trên hình 2,

sơ đồ thay thế một pha thể hiện trên hình 3

Hình 2 Mạch lọc LCL

Hình 3 Mạch một pha tương đương của bộ lọc LCL

Theo Kirchoff, mô hình của bộ lọc được viết trong mặt phằng phức:

ii –ic –ig = 0 (2)

Vi –vc = ii(sL1 +R1) (3)

Vc –vg =ig (sL2 +R2) (4)

Vc =ic( 1

𝑠𝐶𝑓 + Rd) (5)

Trong đó:

Vi : điện áp bộ biến đổi

ii: dòng bộ biến đổi

Vc : điện áp rơi trên tụ lọc

ic : dòng qua tụ lọc; vg: điện áp của lưới

L1 : cuộn cảm lọc của bộ biến đổi;

R1 :điện trở bên bộ biến đổi;

Cf : tụ lọc; Rc : trở kháng tụ lọc;

L2: điện cảm phía lưới

R2 điện trở của lưới

Sơ đồ khối của bộ lọc như sau

Hình 4 Sơ đồ khối bộ lọc LCL Hàm truyền của bộ lọc được mô tả như sau

HLCL = ig/vi

Để tính toán hàm truyền của bộ lọc, ta sử dụng một số các thuật toán.Giả

sử rằng điện áp lưới được lý tưởng là điện áp nguồn Ngắn mạch đầu ra cho

vg = 0 Từ Phương trình (5) và (6) ta viết lại như sau

ig(sL2 + R2)= ic( 1

Suy ra

Vi = ig(s2CfL2 + sCfRg)/(sCfRc +1) (7)

Phương trình (3) được viết lại

từ (4), (2) và (7) điên áp nghịch lưu được viết lại như sau:

𝑣𝑖 = 𝑖𝑔(𝑠𝐿𝑔 + 𝑅𝑔) = (𝑖𝑔 + 𝑖𝑐)(𝑠𝐿𝑖 + 𝑅𝑖)

= 𝑖𝑔(𝑠𝐿𝑔 + 𝑅𝑔) + (𝑖𝑔 + 𝑖𝑔𝑠2𝐶𝑓𝑅𝑔+𝑠𝐶𝑓𝑅𝑔

Suy ra

𝑣𝑖 = 𝑖𝑔(𝑠𝐿𝑔 + 𝑅𝑔 + 𝑠𝐿𝑖 + 𝑅𝑖 +(𝑠𝐿𝑖+𝑅𝑖)(𝑠2𝐶𝑓𝑅𝑔+𝑠𝐶𝑓𝑅𝑔)

(10) Vậy hàm truyền bộ lọc như sau

𝐻 = 𝐴

Trong đó

𝐴 = 𝑠𝐶𝑓𝑅𝑐 + 1

𝐵 = 𝑠3𝐶𝑓𝑅𝑔𝐿𝑖 + 𝑠2𝐶𝑓(𝐿𝑔(𝑅𝑖 + 𝑅𝑐) + 𝐿𝑖(𝑅𝑔 + 𝑅𝑐))

+ 𝑠 (𝐿𝑔 + 𝐿𝑖 + 𝐶𝑓(𝑅𝑐𝑅𝑔 + 𝑅𝑐𝑅𝑖 + 𝑅𝑖𝑅𝑔)) + 𝑅𝑔 + 𝑅𝑖

2.2 Tính toán các thông số của bộ lọc

2.2.1 Dòng điện gợn:

Các mạch nghịch lưu cơ bản thực hiện nhiệm vụ biến đổi nguồn điện đầu vào

DC thành nguồn điện đầu ra xoay chiều Biến tần có thể được phân loại rộng rãi dựa trên nhiều thông số nhưng xem xét một trong số chúng dựa trên sự sắp xếp của các công tắc điện tử công suất là -Biến tần nửa cầu và biến tần toàn cầu

Hình 5: Sơ đồ biến tần

Sự suy giảm gợn sóng tần số cao của bộ lọc chủ yếu bị ảnh hưởng bởi phần

LC Điện cảm đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát gợn sóng hiện tại và triệt tiêu phổ sóng hài tần số thấp Do đó, cuộn cảm phải được thiết kế phù hợp bằng cách xem xét khả năng chịu dòng điện gợn cho phép

Độ gợn dòng điện đỉnh-đỉnh của một bộ lọc cụ thể cho biến tần PWM đơn cực có thể được tính toán như sau

Hình 6:Dòng điện qua cuộn cảm

𝑉𝐿 = 𝐿∆𝑖

∆𝑡=>∆𝑖 = 𝑉𝐿

Từ đó ta có:

𝑖𝑟𝑝 = 𝑉𝐷𝐶−𝑉𝑎𝑣𝑒

𝐿 𝑑𝑎𝑏 𝑇(trong do 𝑑𝑎𝑏= 𝑇

𝑇𝑡𝑟𝑖) Mặt khác :𝑉𝑎𝑣𝑒 = 𝑑𝑎𝑏𝑉𝑑𝑐

⇒ 𝑖𝑟𝑝 = 𝑑𝑎𝑏 − 𝑑𝑎𝑏

2

𝐿 𝑉𝑑𝑐𝑇

Giới hạn dòng điện gợn tại 𝑑𝑎𝑏 = 0.5 ứng với

8𝐿

2.2.2Điện cảm phía bộ biến đổi:

Cuộn cảm phía bộ chuyển đổi được thiết kế để làm giảm độ gợn dòng điện phía bộ chuyển đổi trong trường hợp xấu nhất

L1 ≥ 𝑈𝑑𝑐.

8 𝛽𝑐 𝐼𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑.𝑓𝑠𝑤

𝛽𝑐 20%~30% là hệ số giới hạn dòng điện gợn qua cuộn cảm

𝑈𝑔 Khi thiết kế cần chú ý đến độ lớn của cuộn cảm 𝐿1, nếu 𝐿1 quá lớn sẽ khiến

độ gợn dòng điện nhỏ, gây sụt áp và tăng chi phí

2.2.3 Giá trị lớn nhất tổng cuộn cảm:

Điều kiện về tổng các giá trị cuộn cảm của bộ lọc LCL được xác định là phải nhỏ hơn 10% tổng giá trị điện cảm cơ bản để hạn chế sụt áp trong quá trình vận hành

𝐿𝑇𝑀𝑎𝑥 = (𝐿1 + 𝐿2)𝑚𝑎𝑥 = 10%𝐿𝑇𝐵𝑎𝑠𝑒

Trong đó:𝐿𝑇𝐵𝑎𝑠𝑒 = 𝑍𝐵𝑎𝑠𝑒

𝑃𝑛)

2

=>𝐿𝑇𝑚𝑎𝑥 = 10% 𝑈𝑔2

2𝜋𝑓𝑔𝑃𝑛

2.2.4Giá trị tụ lọc tối đa:

Giá trị tụ điện có ảnh hưởng đến giá trị hệ số công suất Trên thực tế, giá trị tụ điện cao hơn sẽ dẫn đến công suất phản kháng tiêu thụ và hệ số công suất nhỏ hơn:

cos𝜃 = 𝑃𝑛

√𝑃𝑛2+𝑄𝑛2+𝑄𝐶𝑦2

trong đó:

|𝑄𝐶𝑦| = 𝑈𝑔𝐶𝑓𝑦𝑤𝑔

Và |𝑄𝐶𝑦| ≤ 𝛼%|𝑃𝑛|

=>𝐶𝑓𝑦𝑚𝑎𝑥 = 5% 𝑃𝑛

2𝜋𝑓𝑔𝑈𝑔2

Trong đó: Qn là công suất phản kháng định mức của hệ thống QcY là công suất phản kháng do tụ lọc nối sao tiêu thụ Note: Nói chung, mã lưới yêu cầu một hệ số công suất đơn nhất Do đó, để tránh giảm hệ số công suất, công suất phản kháng do tụ lọc sinh ra phải thấp hơn x % của công suất tác dụng mức Pn Trong đó x là một hệ số dương được chọn thường bằng hoặc thấp hơn 5% Nếu giá trị tụ quá cao sẽ ảnh hưởng tới tần số cộng hưởng; tăng công suất phản kháng trả về lưới

=> Tính toán thiết kế để cho công suất phản kháng trả về phía bộ biến đổi

2.2.5 Giá trị cuộn cảm phía lưới:

Cuộn cảm phía lưới làm giảm sóng hài dòng điện lưới (theo tiêu chuẩn IEEE 519-1992, dòng điện lưới có THD<5%) Mối quan hệ giữa cuộn cảm phía lưới và cuộn cảm phía bộ nghịch lưu:

L2=a.L1

Độ suy giảm sóng hài:

𝛿 = 𝑖𝑔(ℎ)

𝑖𝑠(ℎ) =

1

|1 + 𝛼(1 − 𝐿1 𝐶𝑓𝑦𝑤𝑠𝑤2)|

Ta có thể tính được 𝑎 dựa trên giá trị đập mạch dòng điện 𝛿 Khi 𝛿 thấp hơn

sẽ giảm sóng hài của dòng điện, giúp cải thiện THD dòng điện lên lưới

Thông thường 𝛿 = 20% là giá trị được chọn cho bộ biến đổi để cân bằng giữa

sự ổn định hệ thống và chất lượng bộ lọc

Khi thông số của bộ lọc LCL khác nhau, cần kiểm tra tần số cộng hưởng 𝑓𝑟𝑒𝑠 Hệ thống nối lưới một pha sử dụng bộ lọc LCL cần có tần số cộng hưởng nằm trong khoảng 10 𝑓𝑔 ≤ 𝑓𝑟𝑒𝑠 ≤ 0.5 𝑓𝑠𝑤 Khi nằm trong dải cho phép, bộ lọc sẽ không làm giảm đi những thành phần gần với tần số lưới và tránh nhiễu từ bộ biến đổi khi các thành phần có tần số bằng với tần số đóng cắt đưa về lưới Tần số cộng hưởng được xác định bởi:

𝑓𝑟𝑒𝑠 = 1

2𝜋√

𝐿1 + 𝐿2

𝐿1 𝐿2 𝐶𝑓

2.2.6 Điện trở giảm chấn Rd:

Bộ lọc LCL có vấn đề về cộng hưởng Tại tần số cộng hưởng 𝑓𝑟𝑒𝑠.có độ lợi cộng hưởng cao và xuất hiện bước giảm pha xuống −180°𝐶 Điều đó sẽ khiến

hệ thống mất ổn định và gây dao động dòng điện phát lên lưới

Có một phương pháp giảm chấn cộng hưởng thụ động áp dụng rộng rãi

Phương pháp này sử dụng một điện trở nối tiếp với tụ của bộ lọc được tính như sau:

𝑅𝑑 = 1

𝛾𝑤𝑟𝑒𝑠𝐶𝑓

Hình 7:Tác động của một điện trở giảm chấn Rd đối với sự ổn định của hệ

thống

Cho thấy sự ảnh hưởng khi thay đổi giá trị 𝑅𝑑 đối với sự ổn định hệ thống Giá trị điện trở giảm chấn cao hơn giúp hệ thống ổn định hơn nhưng tăng tổn thất cho hệ thống Hằng số 𝜆 được chọn sao cho tổn hao không quá 1% công suất tác dụng Ta chọn 𝜆 = 3 là tối ưu nhất

Với λ hằng số dương, λ = 3 là tối ưu nhất

ωres tần số cộng hưởng bộ lọc LCL

Cf giá trị tụ lọc

2.2.7 Tính toán thông số mô phỏng:

Thiết kế bộ lọc cho bộ nghịch lưu nối lưới một pha Trong đó công suất định mức P0 = 6kW, điện áp ra hiệu dụng V0 = 220 V, Vdc = 500 V, tần số chuyển mạch fsw =20 kHz, tần số lưới fn = 50 Hz

Quy trình thiết kế bộ lọc LCL được mô tả theo các bước thiết kế đề xuất được tóm tắt

Hình 8: Quy trình thiết kế bộ lọc LCL

Áp dụng các công thức :

2𝜋𝑓𝑔𝑈𝑔2 = 6,61 10−6(F) Chọn 𝐶𝑓𝑦=6,5.10−6

2 Irated =√2𝑃𝑛

𝑈𝑔 =22.33A

=>Irpmax=20%Irated =4.47(A)( là hệ số giới hạn dòng điện gợn qua cuộn cảm)

3.Chọn L1=1mH,L2=0.2mH(tương ứng với 𝛿 = 20%)

𝑡ℎỏ𝑎 𝑚ã𝑛: 𝐿𝑇𝑚𝑎𝑥 = 10% 𝑈𝑔2

2𝜋𝑓𝑔𝑃𝑛 = 7.66 10−3(H) 10𝑓𝑔 ≤Fres=3183(rad)≤ 𝑓𝑟𝑒𝑠

2

L1≥ 𝑈𝑑𝑐.

8.𝛽𝑐.𝐼𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑.𝑓𝑠𝑤 = 7 10−4(H) 4.Rd= 1

𝛾𝑤𝑟𝑒𝑠𝐶𝑓 =1.68

2.2.8Kết quả mô phỏng:

Hình 9:Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi một pha nối lưới có bộ lọc LCL

Hình 10:Irpmax của dòng điện trước bộ lọc

Hình 11:So sánh dòng điện trước và sau bộ lọc LCL

Hình 12:Dòng điện sau bộ lọc LCL

Hình 13:THD dòng điện sau bộ lọc

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN

Kết luận

Đồ án đã nghiên cứu và nắm rõ được cấu trúc, nguyên tắc làm việc, đã tính toán

sơ bộ được các thông số của mô hình bộ lọc LCL Đồ án đã mô phỏng và kiểm chứng thành công Tuy nhiên do tính chất đồ án, đồ án chỉ được thực hiện nghiên cứu thông qua mô phỏng ở các phần mềm Ngoài ra, các kết quả mô phỏng nghiên cứu đều được thực hiện ở miền liên tục, chưa có thực hiện ở miền rời rạc, miền số(xu hướng phát triển của công nghệ hiện nay)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hanju cha, Trung Kien Vu, Study and Design of L-C-L Filter for Single-Phase Grid-Connected PV Inverter

[2] Muhamad Faizal Yaakub, Mohd Amran Mohd Radzi, Maaspaliza Azri , Faridah Hanim Mohd Noh, International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS) Vol 12, No 3, September 2021, pp 1632~1643 ISSN:

2088-8694, DOI: 10.11591/ijpeds.v12.i3.pp1632-1643

[3] Harshal S Wani, Anuja Namboodiri, IJIRST –International Journal for Innovative Research in Science & Technology| Volume 1 | Issue 7 | December

2014 ISSN (online): 2349-6010