Đồ án 2 final multilevel inverter design for connet gird

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN Bộ môn Tự động hóa công nghiệp ===o0o=== ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC PHA ỨNG DỤNG PV NỐI LƯỚI GV hướng dẫn: TS Vũ Hoàng Phương SV thực : MSSV : Lớp : Hà Duy Khánh 20132058 KTĐK&TĐH 05-K58 Hà Nội 12/2016 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Page | LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng lượng người ngày tăng, nguồn lượng có nguồn gốc hóa thạch dần cạn kiệt kèm theo hệ ô nhiễm môi trường trái đất nóng lên ngày Việc sử dụng nguồn lượng tái tạo giải pháp lý tưởng cho vấn đề Năng lượng mặt trời đáp ứng yêu cầu lại phân tán lưu trữ với công suất lớn Để giải trở ngại này, cần có biến đổi công suất nhằm thực chuyển đổi nguồn lượng mặt trời sang điện áp xoay chiều AC nối vào hệ thống phân phối điện có sẵn Hệ thống gọi “Hệ thống PV nối lưới” tạo nhằm đảm bảo mục đích bản: khai thác tối ưu công suất phát pin mặt trời đưa tối đa dòng công suất vào lưới điện Ở Việt Nam, điện mặt trời ứng dụng có xu hướng phát triển mạnh tương lai Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, nhóm em lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Thiết kế nghịch lưu đa mức phase ứng dụng PV nối lưới” Trong học kỳ vừa qua, hướng dẫn TS Vũ Hoàng Phương, em thực đề tài môn học đồ án II đạt số kết định Do thời gian tìm hiểu có hạn phạm vi yêu cầu môn học, em tổng hợp báo cáo chắn tồn hạn chế, thiếu sót Em mong thầy cô góp ý thêm để em tiếp tục thực đề tài hướng tới hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo Vũ Hoàng Phương thầy cô môn trình thực đề tài Hà Nội, ngày 28 tháng 12 năm 2016 Sinh viên thực Hà Duy Khánh Page | CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP Giới thiệu tổng quát Bộ nghịch lưu biến đổi có nhiệm vụ chuyển đổi lượng từ nguồn điện chiều sang dạng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng điều khiển ngõ điện áp dòng điện, tương ứng ta có nghịch lưu gọi nghịch lưu áp nghịch dòng Các nghịch lưu tạo thành phận chủ yếu cấu tạo biến tần Ứng dụng quan trọng tương đối rộng rãi chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động xoay chiều với độ xác cao Trong lĩnh vực tần số cao, nghịch lưu dùng thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, nghịch lưu ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua linh kiện ngắt trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, mạch nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để điều khiển trình ngắt dòng điện Trong trường hợp đặc biệt mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động đồng kích từ dư), dòng điện qua linh kiện bị ngắt trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn phụ thuộc vào điện áp mạch tải Khi linh kiện bán dẫn chọn thyristor (SCR) 1.1 Bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu áp cung cấp điều khiển điện áp xoay chiều ngõ Nguồn điện áp chiều dạng đơn giản acquy, pin điện dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều chỉnh lưu lọc phẳng Linh kiện nghịch lưu áp có khả kích đóng kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò công tắc Trong ứng dụng công suất vừa nhỏ, sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc phạm vi công suất lớn sử dụng GTO, IGCT SCR kết hợp với chuyển mạch Với tải tổng quát, công tắc trang bị diode mắc đối song với Các diode mắc đối song tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược với chiều dẫn điện công tắc Nhiệm vụ chỉnh lưu cầu diode tạo điều kiện thuận lợi cho trình trao đổi công suất qua hạn chế điện áp phát sinh kích ngắt công tắc Page | 1.2 Phân loại nghịch lưu Bộ nghịch lưu áp có nhiều loại nhiều phương pháp điều khiển khác • • • • Theo số pha điện áp đầu ra: pha, pha Theo số bậc điện áp đầu pha tải điểm điện chuẩn mạch (phase to pole voltage): bậc (two level), đa bậc (multi – level , từ bậc trở lên) Theo cấu hình nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)… Theo phương pháp điều khiển: • Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) • Phương pháp điều chế độ rộng sung sin cải biến (Modifield SPWM) Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation, Space vector PWM) • Phương pháp Discontinuous PWM Các dạng cấu trúc nghịch lưu đa mức (Multilevel Inverter) • Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) • Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) • Dạng ghép tầng nối tầng cầu H (Cascade H Brighde Inverter) • Nghịch lưu đa bậc kiểu lai (Hybrid Multilevel Inverter)  Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade diode kẹp  Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade cầu H 2.1 Dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) Bộ nghịch lưu đa bậc dạng Diode kẹp có mạch nguồn DC phân nhỏ thành cấp nhờ tụ điện mắc nối tiếp Mạch nguồn DC có n tụ mắc nối tiếp ta có nghịch lưu (n+1) bậc Page | Nguyên tắc kích đóng phương pháp ta mở tất van kẹp Diode để cấp điện áp mong muốn Ưu điểm:  Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng Diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải giảm sóc điện áp linh kiện n lần Với nghịch lưu bậc, dv/dt linh kiện tần số đóng cắt giảm lần Nhược điểm:  Khi số bậc lớn, việc cân điện áp tụ trở nên khó khăn Mức điện áp đặt lên diode khác Hình 1.2.1a: Three level NPC Inverter Hình 1.2.1b: Bảng trạng thái đóng cắt van Page | Hình 1.2.1c: Dạng điện áp cấu trúc NPC Inverter 2.2 Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) • Cấu trúc đòi hỏi số lượng lớn tụ điện để kẹp với van ( Switch) • Bộ nghịch lưu n bậc yêu cầu (n-1)(n-2)/2 tụ điện kẹp pha Mức điện áp hai chân tụ định bước điện áp dạng sóng đầu • Tụ điện gần với van có điện áp /(n-1) Các lớp tăng thêm /(n-1) Ưu điểm:  Khi số bậc tăng cao không cần dùng lọc  Có thể điều tiết công suất tác dụng công suất phản kháng  Mỗi nhánh phân tích độc lập với nhánh khác Không nghịch lưu đa bậc dạng NPC phân tích phải quan tâm đến cân điện áp ba pha ngõ vào Nhược điểm:  Việc điều khiển khó khăn số bậc nghịch lưu tăng cao  Số lượng tụ công suất lớn dẫn đến tăng giá thành giảm độ tin cậy mạch Page | Hình 1.2.2: Flying Capacitor Multillevel Inverter 2.3 Dạng nối tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter) • Cascade Inverter gồm nhiều nghịch lưu áp cầu H pha ghép nối tiếp, nghịch lưu áp dạng cầu H có nguồn DC riêng : acquy, pin mặt trời,…Giá trị nguồn DC không • Với n cầu H pha ta tạo nghịch lưu (2n+1) bậc • Tần số đóng ngắt module dạng mạch giảm n lần dv/dt giảm Điện áp áp đặt lên linh kiện giảm 0,57n lần, cho phép sử dụng van bán dẫn điện áp thấp • Quy luật kích đóng van pha phải thỏa mãn van nhánh không kích đóng ngắt đồng thời Ví dụ: Trong sơ đồ nghịch lưu nối tầng cầu H pha mức bên thì: - S1x S4x không đóng ngắt đồng thời (x - pha A, B, C) Điện áp pha là: Vout =Vdc1+Vdc2=2Vdc Page | Hình 1.3.1 Sơ đồ pha cấu trúc nối tầng cầu H bậc Page | Bảng trạng thái đóng cắt van điện áp đầu ra: - Output Voltage Switching status S1 S2 S3 S4 S1’ S2’ S3’ S4’ 1 0 1 0 +2Vdc 1 0 1 +Vdc 1 0 1 0 1 1 -Vdc 0 1 0 1 -2Vdc 2.4 Nghịch lưu đa bậc kiểu lai (Hybrid Multilevel Inverter) • • a • • Mạch nghịch lưu đa bậc kiểu lai mạch nghịch lưu có nhiều ưu công suất yêu cầu lớn, số bậc cao Bằng cách ghép nối mạch nghịch lưu kiểu diode kẹp nghịch lưu kiểu cascade sử dụng nguồn điện áp DC không nhau, tạo mạch nghịch lưu kiểu lai Các dạng mạch nghịch lưu kiểu lai bao gồm:  Kiểu lai dạng diode kẹp  Kiểu lai dạng nối tầng Kiểu lai dạng diode kẹp Dạng mạch tiết kiệm linh kiện so với cấu trúc diode kẹp nối tầng cascade với số bậc Cấu trúc gồm mạch nghịch lưu chuẩn kiểu diode kẹp mắc phía so với tải pha hình dưới: Page | 10 • Có damping: Hàm truyền: = Đồ thị Bode với Li= 2.3mH ; Lg = 1.4mH ; Cf = ; Rsd = - - Có thể thấy có điện trở damping khuyếch đại xung quanh tần số cắt giảm phần lớn, nhược điểm phương pháp tổn hao công suất giảm hiệu suất lọc đáng kể Đồ thị bode tổng hợp loại mạch lọc: Page | 29  Kết luận lựa chọn lọc LCL với ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: Làm suy giảm sóng hài hiểu Đặc tính động tốt Nhược điểm: Có khả gây dao động ( điểm zero impedance)  Giải quyết: dùng điện trở damping gây tổn hao công suất giảm khả loại bỏ sóng hài • • - 3.4 Tính toán tham số LCL a Cuộn cảm phía nghịch lưu (Li) - - Cuộn cảm phía lưới nghịch lưu làm giảm độ đập mạch dòng điện, giá trị cuộn cảm lớn độ đập mạch nhỏ Nhưng giá trị lớn đông nghĩa với kích thước, khối lượng, giá điện áp rơi tăng lên Nên phải chọn cuộn cảm có giá trị hợp lý để đảm bảo yêu cầu Độ đập mạch dòng điện qua cuộn cảm Li nằm khoảng 15% 40%: 0.15 0.4 Page | 30 Trong đó: + + (1) b.Tụ điện (Cf) - Tụ điện phải đảm bảo cho dòng hài bậc cao qua, đồng thời không làm giảm hệ số công suất, nên công suất phản kháng tụ phải nhỏ 5% công suất hiệu dụng đầu ra: Qc - U : điện áp hiệu dụng : tần số góc lưới Pn : điện áp hiệu dụng đầu Sn: công suất toàn phần đầu pha Giả sử cos C (2) c Cuộn cảm phía lưới (Lg) - - Thông số quan trọng lọc tần số cắt fc, tần số phải đảm bảo khoảng so với tần số lưới bé 1/2 lần tần số chuyển mạch 10 0.5 (3) Bộ lọc LCL phải đảm bảo điện áp rơi cuộn cảm nhở 5% so với điện áp lưới (4) d Điện trở damping R - Để đảm bảo hệ thống không dao động hệ số khuyếch đại lọc LCL lớn quanh khu vực tần số cắt điện trở damping thêm vào nối tiếp với tụ, phải đảm bảo không gây tổn thất suy giảm khả lọc LCL Điện trở tính theo: Page | 31 R= Thay số với tham số yêu cầu: - Điện áp hiệu dụng lưới: Un = 220V - Công suất đầu nghịch lưu pha: Sn = - Công suất tác dụng : Pn = Sa =5/3 KVA - Điện áp chiều đặt lên inverter: Udc =400V - Tần số lưới : fn = 50Hz - Tần số chuyển mạch : Fs = 10KHz - Tần số cắt LCL filter : Fres  Thay số thu kết sau: • Biên độ dòng điện đầu : In=10.7A • Cuộn cảm phía lưới : Lg =3.12 mH • Cuộn cảm phía nghịch lưu: Li=1.5 mH • Tụ điện : Cf=5.48 • Điện trở damping : R = 4.53 • Tần số cắt : fc = 2137 Hz (5) Page | 32 CHƯƠNG MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BẬC NỐI TẦNG BẰNG MATLAB 4.1 Xây dựng khối PWM Hình 5.1a: Sơ đồ khối PWM tương ứng với pha nghịch lưu đa mức Hình 5.1b: Sơ đồ khối kênh PWM pha A Page | 33 4.2 Xây dựng khối mạch lực Hình 5.2: Sơ đồ mạch lực nghịch lưu đa mức pha nối tầng cầu H Hình 4.2 sơ đồ mạch lực nghịch lưu đa mức pha nối tầng cầu H Ở ta mong muốn điện áp gồm mức nên ta xây dựng pha dùng cầu H, đầu vào cầu H nguồn chiều có độ lớn Van sử dụng IGBT Mosfet Thực tế ta dùng Mosfet để giảm độ sụt áp trình van đóng cắt Page | 34 4.3 Xây dựng hệ thống vòng hở (tải R-L) Hình 5.3: Cấu trúc hệ thống nghịch lưu đa mức pha tải RL Cấu trúc hệ thống vòng hở gồm phần chính: • • • Khối tạo PWM: Gồm máy phát điện áp sin lệch 120 tương ứng với pha Ở pha, điện áp sin so sánh với sóng cưa lệch 90 cầu H Do sử dụng điều chế đơn cực nên cầu H ta lại có thêm xung cưa lệch 180 Như cầu H tạo kênh PWM Khối mạch lực: Mỗi pha gồm cầu H, cầu H gồm nguồn chiều Các nguồn chiều có giá trị Khối tải R-L: tải R-L pha đấu Page | 35 4.4 Kết mô Thông số mô phỏng: • • • • Điện áp chiều Vdc=200V Tần số PWM: kHz Hệ số điều chế: m= 0.785 Tải R-L: R=50ohm, L= 1mH Hình 5.4a: Chuỗi xung cưa lệch 90 Hình 5.4b: Dạng xung PWM van V11 cầu H1 pha A Page | 36 Hình 5.4c: Dạng sóng điện áp pha A Hình 5.4d: Phân tích méo dạng sóng hài điện áp pha A Nhận xét: • • • Chất lượng điện áp cải thiện so với nghịch lưu Tổng độ méo hài: THD = 38.74% Sóng hài tập trung tần số 1000 với n= 0,1,2… Page | 37  Dạng dòng điện pha A phân tích méo dạng sóng hài: Hình 4.4e : Dòng điện pha A chưa có lọc LCL Nhận xét: • • Dạng dòng điện có dạng sine Chỉ số méo dạng sóng hài THD = 5.6% chứng tỏ chất lượng dòng điện tốt, nhiên cần khâu lọc trước nối tải để cải thiện chất lượng, đảm bảo số THD < 5% Page | 38  Dạng dòng điện pha đầu ra: Hình 4.4f: Dạng dòng điện pha chưa có lọc LCL  Thêm mạch lọc LCL trước tải RL: Thông số mạch lọc tính toán : Li=6mH, Lg=10mH, Cf =5uH , Rf= 4.56 ohm Page | 39  Điện áp trước sau mạch lọc LCL pha A: Hình 4.4g: Dạng điện áp trước sau lọc LCL  Phân tích số méo dạng điện áp pha A sau lọc LCL: Hình 4.4h: Phân tích méo dạng sóng hài điện áp pha A có lọc Nhận xét:   Chất lượng điện áp sau lọc cải thiện rõ rệt nhiên chưa đạt tiêu chuẩn doTHD>5% Sụt áp qua mạch lọc khoảng 4% (Urms=211.3V), đạt yêu cầu để nối lưới Page | 40  Dòng điện pha A phân tích số méo dạng có mạch lọc LCL: Hình 4.4j: Dòng điện pha A qua lọc Nhận xét: • • Chỉ số THD =4.55% < số THD = 5.6% mạch lọc Như vậy, chất lượng dòng điện cải thiện đạt tiêu chuẩn THD