Xây dựng kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài của bộ nghịch lưu nối lưới

Kết quả nghiên cứu: Kỹ thuật điều chế PWM mới với sóng mang thay đổi để giảm hài THD dòng điện trong các bộ nghịch lưu.. Trong nghiên cứu này đề xuất một kỹ thuật điều chế PWM mới để gi

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM MỚI

ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CỦA BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI

MÃ SỐ: T2015-37TĐ

S 0 9

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

Chủ nhiệm đề tài: ThS Lê Thanh Lâm

TP HCM, 10/2015

XÂY DỰNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM MỚI ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CỦA BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI

Mã số: T2015-37TĐ

MỤC LỤC

 

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1 

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước 2 

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2 

1.3 Mục tiêu đề tài 3 

1.4 Cách tiếp cận 3 

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3 

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 

1.7 Nội dung nghiên cứu 3 

Chương 2: CÁC KỸ THUẬT GIẢM SÓNG HÀI 4 

Chương 3: MỐI QUAN HỆ GIỮA SÓNG HÀI VÀ DÒNG ĐIỆN CỦA BỘ NGHỊCH LƯU 7 

Chương 4: ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT THAY ĐỔI TẦN SỐ CHUYỂN MẠCH 13 

4.1 Khi tần số chuyển mạch bằng hằng số 14 

4.2 Phương pháp thay đổi sóng mang đề nghị 14 

Chương 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI SỬ DỤNG KỸ THUẬT PWM MỚI ĐỂ GIẢM HÀI VÀ CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 17 

Báo cáo T2015-37TĐ

LIỆT KÊ HÌNH

Hình 1 Nghịch lưu cầu 1 pha nối lưới 8 

Hình 2 Dạng sóng dòng điện ngõ ra nghịch lưu cầu 1 pha đơn cực 9 

Hình 3 Dạng sóng dòng điện khi điều chế 10 

Hình 4 Nhiễu hài dòng điện với m=0.97 trong nửa chu kỳ lưới 12 

Hình 5 Tần số chuyển mạch chuẩn hóa trong nữa chu kỳ lưới 16 

Hình 6 Tần số chuyển mạch chuẩn hóa với giới hạn fmax trong nữa chu kỳ lưới 16 

Hình 7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống nghịch lưu trong Matlab/Simulink 18 

Hình 8 Tổn hao tổng ở tần số cố định với các tần số chuyển mạch khác nhau 20 

Hình 9 Tổn hao chuyển mạch 21 

Hình 10 Sóng mang trong nữa chu kỳ lưới 22 

Hình 11 Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch là hằng số với Iref_max=15A 23 

Hình 12 Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị với Iref_max=15A 23 

Hình 13 Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch là hằng số với Iref_max=7.5A 24 

Hình 14 THD dòng điện với Iref_max=7.5A trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị 25 

Hình 15 Đáp ứng ngõ ra bộ nghịch lưu 25 

Hình 16 Dòng điện ngõ ra bộ nghịch lưu 26 

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 1:Các thông số hệ thống 19  Bảng 2: Tổn hao tổng ở tần số cố định với các trường hợp tần số chuyển mạch

khác nhau 20 

Báo cáo T2015-37TĐ

CÁC THUẬT NGỮ

Chu kỳ chuyển mạch thay đổi VSC (variable switching cycle)

Điều chế tần số chuyển mạch thay đổi VSFPWM (variable switching frequency PWM)

Độ méo hài toàn phần THD (total harmonic distortion)

Độ méo nhu cầu toàn phần TDD (total demand distortion)

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sinSPWM (sinusoidal pulse width modulation)

Nguồn điện phân tán DG (distributed generation using power inverter)

Nửa chu kỳ cơ bản (NCKCB)

Tần số chuyển mạch thay đổi VSF (variable switching frequency)

Tổn hao chuyển mạch SW (switching loss)

Vac: điện áp ngõ ra của nghịch lưu

Iac: dòng điện ngõ ra của nghịch lưu

Pref: công suất tác dụng đặt

Qref: công suất phản kháng đặt

Vg-max: biên độ điện áp lưới

Báo cáo T2015-37TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Xây dựng kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài của bộ nghịch lưu nối lưới

- Mã số: T2015-37TĐ

- Chủ nhiệm: ThS Lê Thanh Lâm

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 12 tháng

4 Kết quả nghiên cứu:

Kỹ thuật điều chế PWM mới với sóng mang thay đổi để giảm hài THD dòng điện trong các bộ nghịch lưu Các kết quả mô phỏng với hệ thống nghịch lưu nối lưới thực hiện trên Matlab/Simulink cho thấy hài THD giảm nhiều hơn so với trường hợp truyền thống là sóng mang cố định

5 Sản phẩm:

Một báo cáo khoa học cấp trường trọng điểm

Một bài báo khoa học đăng trên tạp chí quốc tế (International Journal of

Electrical Engineering & Technology)

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp

Báo cáo T2015-37TĐ

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: A novel PWM technique for reducing current THD in grid-connected inverters

Code number: 2015-37TĐ

Coordinator: M Eng Le Thanh Lam

Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology & Education

Duration: 12 months

2 Objective:

The goal of project is to present a novel PWM technique for reducing current THD in grid-connected inverters

3 Creativeness and innovativeness:

Proposing a novel PWM technique with a variable cycle carrier in each half

of the fundamental period for reducing current THD in grid-connected inverters under the constraint of constant switching losses

4 Research results:

A novel PWM technique with a variable cycle carrier for reducing current THD in inverters The simulation results of a grid-connected inverter system in MATLAB/Simulink show that the current THD of the proposed technique is lower than the constant switching frequency technique

5 Products:

A scientific report at the focused project level

A scientific paper published on International Journal of Electrical Engineering & Technology

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

Research results can be used as reference for teaching and studying distributed generation

Create a platform for the research and manufacturing of devices in low cost

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Báo cáo T2015-37TĐ

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước

a Trong nước

Hiện nay trong nước có nhiều nghiên cứu về bộ nghịch lưu Tuy nhiên, vẫn chưa có các nghiên cứu trong việc giảm sóng hài khi dòng công suất bơm vào lưới thay đổi

b Ngoài nước

Năng lượng mặt trời được sử dụng ngày càng phát triển do tính bền vững và thân thiện với môi trường Tuy nhiên, cùng với việc nguồn năng lượng mặt trời kết nối lưới điện ngày càng tăng dẫn đến những tác động đến hệ thống Một trong những tác động đó chính là sóng hài Việc giảm giá trị sóng hài nằm trong ngưỡng tiêu chuẩn cho phép, cũng như việc giảm thiểu tổn hao trong quá trình chuyển mạch là nhu cầu cấp thiết hiện nay

Khi bức xạ mặt trời thay đổi, dòng công suất bơm vào lưới cũng thay đổi theo dẫn đến tỷ số sóng hài THD thay đổi, có chiều hướng tăng khi dòng công suất bơm vào lưới bé, làm chất lượng điện năng giảm Để giải quyết việc này, các

bộ nghịch lưu hoà lưới thường phải vận hành ở chế độ có THD bằng mức cho phép khi vận hành với công suất thấp nhất Như vậy, khi làm việc với công suất cao, THD sẽ giảm xuống đồng thời tổn hao công suất chuyển mạch tăng, điều này không có lợi cho bộ nghịch lưu

Để giữ sóng hài trong phạm vi cho phép, có nhiều biện pháp như thay đổi tần

số sóng mang theo dòng công suất tải, ghép tầng mạch công suất Tuy nhiên, các biện pháp đó khá phức tạp ở phần cứng, cũng như điều khiển Trong nghiên cứu này đề xuất một kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài khi dòng công suất bơm vào lưới thay đổi

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng mặt trời được sử dụng ngày càng phát triển do tính bền vững và thân thiện với môi trường Tuy nhiên, cùng với việc nguồn năng lượng mặt trời kết nối lưới điện ngày càng tăng dẫn đến những tác động đến hệ thống Một

trong những tác động đó chính là tăng sóng hài quá giới hạn cho phép Do đó việc giảm sóng hài để đạt tiêu chuẩn cho phép của các bộ nghịch lưu nối lưới là nhu cầu cấp thiết hiện nay

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Tham khảo các tài liệu và bài báo khoa học liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, phân tích lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình mô phỏng

- Thực hiện mô phỏng bằng Simulink/Matlab để tìm ra kết quả Phân tích và đánh giá kết quả đó

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

- Kỹ thuật giảm sóng hài trong bộ nghịch lưu nối lưới

- Các giải thuật điều khiển PWM mới

Phạm vi nghiên cứu:

- Xây dựng giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu nối lưới 1 pha

- Xây dựng mô hình và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink

1.7 Nội dung nghiên cứu

Báo cáo T2015-37TĐ

Chương 2: CÁC KỸ THUẬT GIẢM SÓNG HÀI

Sự gia tăng ngày càng nhiều của các nguồn điện phân tán trong hệ thống điện

từ năng lượng gió, mặt trời và pin nhiên liệu nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của các

bộ nghịch lưu nối lưới [1] với nhiều ưu điểm vì tính bền vững và thân thiện với môi trường [2] Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lưới là một trong những nguồn phát sóng hài đáng kể vào lưới điện và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống điện

Vì vậy, nhu cầu giảm thiểu sóng hài trong các bộ nghịch lưu nối lưới nhằm thỏa mãn các tiêu chuẩn IEEE Standard 929-2000 [3], tiêu chuẩn 1547-2009 [4] và tiêu chuẩn quốc tế [5] ngày càng cao

Trong khi đó, các bộ nghịch lưu với kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) được sử dụng rất phổ biến trong các bộ biến đổi năng lượng mới [6]-[9] Để giảm sóng hài dòng điện ngõ ra trong các bộ nghịch lưu nối lưới có thể tăng điện cảm để lọc

là một trong những phương pháp phổ biến Tuy nhiên, nó cũng có khuyết điểm Nếu tăng điện cảm bộ lọc sẽ làm tăng do kích thước cũng như giá thành của thiết bị Việc tăng tần số sóng mang để giảm hài dòng điện của bộ nghịch lưu sẽ làm tăng tổn hao chuyển mạch cũng như dẫn đến quá nhiệt [10]

Kỹ thuật trong [11] đề nghị sử dụng bộ điều khiển H thay vì bộ điều khiển PI truyền thống trong điều kiện có sự thay đổi trở kháng nguồn lưới với việc giảm tần số

đủ lớn để giữ ổn định vòng điều khiển Tuy nhiên, việc xác định hàm trọng số đề nghị trở nên khó khăn và tính toán phức tạp Nó cũng đòi hỏi thời gian và các thông số lưới điện để dò hàm trọng số

Kỹ thuật thay đổi tần số sóng mang được đề nghị trong [12] để giảm tổn hao công suất chuyển mạch trong bộ nghịch lưu cũng đòi hỏi mô hình chính xác của dòng điện nhiễu và tính toán phức tạp, làm cho giải thuật thiếu bền vững và giảm khả năng

Báo cáo T2015-37TĐ

mang thay đổi nhảy cấp, không liên tục làm hạn chế tính ổn định và bền vững Kỹ thuật này dựa trên tiêu chuẩn TDD trong [4] để lựa chọn tần số chuyển mạch nên không tối ưu cho tổn hao chuyển mạch và THD dòng điện

Một đề nghị khác trong [14] cũng để giảm sóng hài dòng điện trong nghịch lưu bằng cách sử dụng các sơ đồ nghịch lưu đa bậc Tuy nhiên việc điều khiển phức tạp với nhiều khóa điện

Để giảm tổn hao chuyển mạch và hài THD, kỹ thuật hysteresis trong [15] cho thấy sự phụ thuộc vào sai số dòng điện đo được của cảm biến dòng điện Vì vậy phương pháp này còn hạn chế

Trong đề tài này đề nghị một kỹ thuật điều chế PWM với tần số chuyển mạch thay đổi để giảm THD trong các bộ nghịch lưu nối lưới Mục đích chính của đề tài là tần số sóng mang của bộ nghịch lưu được điều chỉnh tối ưu trong mỗi nữa chy kỳ sóng

cơ bản để giảm sóng hài trong điều kiện ràng buộc là tổn hao chuyển mạch không đổi

Chương 3: MỐI QUAN HỆ GIỮA SÓNG HÀI VÀ DÒNG ĐIỆN

CỦA BỘ NGHỊCH LƯU

Báo cáo T2015-37TĐ

Sóng hài và tổn hao chuyển mạch phụ thuộc vào tần số chuyển mạch Việc lựa chọn tần số sóng mang được điều chỉnh tối ưu để giảm sóng hài trong bộ nghịch lưu là vấn đề phức tạp và có ý nghĩa quan trọng với chất lượng điện năng

Nghịch lưu cầu 1 pha đơn cực với kỹ thuật điều chế PWM như hình 1 được sử dụng để phân tích trong đề tài này

Hình 1 Nghịch lưu cầu 1 pha nối lưới Giả sử rằng tần số của sóng mang lớn hơn rất nhiều so với tần số của tín hiệu điều khiển và bỏ qua thời gian chết chống trùng dẫn Tổn hao trên linh kiện IGBT và diode bao gồm tổn hao dẫn và tổn hao chuyển mạch Trong đó, tổn hao dẫn không phụ thuộc vào tần số chuyển mạch, còn tổn hao chuyển mạch giả sử tỉ lệ tuyến tính với tần

số chuyển mạch Dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu đơn cực như hình 2

Hình 2 Dạng sóng dòng điện ngõ ra nghịch lưu cầu 1 pha đơn cực

Theo nguyên lý xếp chồng thì dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu bao gồm thành phần bậc 1 và thành phần nhiễu hài

Từ dạng sóng dòng điện chuyển mạch của nghịch lưu cầu 1 pha đơn cực như hình 3, dòng điện ngõ ra tăng giảm trong nửa chu kỳ chuyển mạch của sóng mang Xét trong bán kỳ dương của nửa chu kỳ sóng mang, dòng điện nhiễu tăng iL1 được xác định như (1):

)1(2

)

()(

f

dc dc L

T t d L

t d V V



Báo cáo T2015-37TĐ

Ts Vc

t

t

t -d

Lf là điện cảm bộ lọc ngõ ra của bộ nghịch lưu

Vdc là giá trị điện áp ngõ vào DC của bộ nghịch lưu

d(t) là độ rộng xung chuyển mạch

Ts là nữa chu kỳ sóng mang

Biểu thức (1) có thể viết lại:

i

f

s dc

Tính tương tự cho dòng điện giảm iL2 được xác định như sau:

) 3 ( )

).

( ( 2

)) ( (

f

dc dc

L

t d V V

Biểu thức (3) có thể được viết:

)4())

(((12

L

T V

i

f

s dc

Vì không sử dụng quá điều chế nên sóng điều khiển trong phạm vi 1, cộng (2)

và (4) sẽ được (5):

)5()

()(1

T V i

f

s dc

f

s dc

2

L

T V I

f

s dc

Báo cáo T2015-37TĐ

Hình 4 Nhiễu hài dòng điện với m=0.97 trong nửa chu kỳ lưới

Từ (9) cho thấy thời gian thay đổi của hài dòng điện mà tần số chuyển mạch bằng hằng số như hình (4) Như giả định ở trên, tổn hao chuyển mạch trong mỗi chu

kỳ chuyển mạch phụ thuộc vào dòng điện bậc 1 và tần số chuyển mạch Do đó, tổn hao chuyển mạch được xác định như (10)

)()

t(f

)t(iC



Trong đó:

C1 hằng số tỉ lệ phụ thuộc vào điện áp Vdc

i1(t) giá trị dòng điện tức thời bậc 1 qua bộ chuyển mạch

Từ (10) suy ra:

) ( )

t ( Ts ) t ( i C

Với Ts (t) là chu chuyển mạch

Như vậy tổn hao chuyển mạch trung bình trong nửa chu kỳ lưới sẽ là:

)()

t(d)t(Ts

)tsin(

.I

.C

0 1

Chương 4: ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT THAY ĐỔI TẦN SỐ

CHUYỂN MẠCH

(

t m t m V

L I

) 14 ( )

( 1

Với I1 là giá trị hiệu dụng của dòng điện cơ bản

Thay (13) vào (12), sẽ có tổn hao chuyển mạch được xác định:

) 16 ( )

( sin

sin 1 3 2

2

0

2 1

L

I C P

p

dc

f sw

4.2 Phương pháp thay đổi sóng mang đề nghị

Công suất tác dụng được bơm vào lưới điện phải tối ưu việc phát Trong hệ thống nghịch lưu nối lưới thường dùng để phát công suất tác dụng vào lưới do vậy dòng điện và điện áp luôn luôn đồng pha với nhau Mặt khác, góc pha của tín hiệu điều khiển được bỏ qua trong đề tài này do dựa vào đại lượng dòng điện để điều khiển

Hình 4 cho thấy rằng nhiễu hài dòng điện thay đổi trong nửa chu kỳ lưới với một tần số sóng mang cố định nào đó Do đó, nhiễu hài dòng điện của bộ nghịch lưu

có thể được giảm bằng cách thay đổi tần số sóng mang trong nữa chu kỳ lưới Ở những vùng có nhiễu hài dòng điện lớn thì tăng tần số sóng mang lên để giảm hài THD dòng điện và ở những vùng có dòng điện lớn thì giảm tần số sóng mang xuống

để giảm tổn hao chuyển mạch

Biểu thức (8) cho thấy nhiễu hài thay đổi trong mỗi nửa chu kỳ lưới và Ip là đại lượng biến thiên Để đảm bảo nhiễu hài THD dòng điện tính theo phần trăm bằng

hằng số, thì nhiễu hài dòng điện Ip cũng phải là hằng số tương đối theo dòng điện Tức là:

%1002

.sin.132

(%)

1

I

m t m L

T V I

f

s dc p

62

t m mV

I L I t

T

dc

f p



Chu kỳ chuyển mạch có thể được viết lại như (20):

sin.1

11

C t

Với C2 là hằng số phụ thuộc vào Lf, Vdc và giá trị hiệu dụng dòng điện bậc nhất

I1 Hơn nữa, chu kỳ đóng ngắt phải thay đổi theo biểu thức (20) với một lượng sóng hài THD(%) cho trước theo yêu cầu là một hằng số Từ đây suy ra tần số chuyển mạch được tính như (21) bởi (20) và cho trong hình 5

t T t

 t C21 m.sin t  fmin fmax (22)