Điều khiển bộ nghịch lưu nối lưới trong mạng điện phân phối

Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lướicủa các nguồn điện này lại phát sóng hài đáng kể vào lưới điện và ảnh hưởng tiêucực đến chất lượng điện năng của hệ thống điện.. Dựa vào việc phân tí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 2/2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Trương Việt Anh

2 PGS TS Lê Minh Phương

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC

Ngày, tháng, năm sinh: 15/09/1973 Nơi sinh: Tp HCM

Học vị cao nhất: Thạc sỹ Năm, nước nhận học vị: 2003Đơn vị công tác: Khoa điện điện tử

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 39 Tam Châu, P Tam Phú, Q Thủ Đức, Tp.HCM

Điện thoại liên hệ: CQ: 08 38968641 DĐ: 0987634085

Email: thotq@hcmute.edu.vn

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy

Nơi đào tạo: ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

Ngành học: Điện khí hóa & Cung cấp điện

2 Sau đại học

- Thạc sĩ chuyên ngành: Kỹ thuật điện Năm cấp bằng: 2003

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN

IV QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

1 Các đề tài nghiên cứu khoa học đã và đang tham gia:

TT Tên đề tài nghiên cứu Năm bắt

đầu/Năm hoàn thành

Đề tài cấp (NN, Bộ, ngành, trường)

Trách nhiệm tham gia trong đề tài

1 Nghiên cứu thiết kế module điều

khiển động cơ servo dùng cho thực

2 Nghiên cứu thiết kế module tải dùng

cho bộ thí nghiệm bù công suất phản

kháng của phòng thí nghiệm cung

3 Nghiên cứu, thiết kế và thi công mô

hình vật lý chuyên dùng cho giảng

dạy các bài thí nghiệm và thực tập

4 Nghiên cứu và thi công đèn chiếu

sáng hiệu suất cao dùng năng lượng

T2013-06TĐ

6 Xây dựng giải thuật bộ điều khiển

dòng bằng phương pháp tối ưu bầy

7 Giảm tổn hao chuyển mạch trong

nghịch lưu nối lưới sử dụng sóng

dụng giải thuật di truyền

dụng giải thuật

2 Các công trình khoa học đã công bố:

1 Trần Quang Thọ, Trương Việt Anh, “Chế tạo mô hình thực tập trạm ngắt- trạm

biến áp trong hệ thống truyền tải điện năng,” Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật

– ĐH SPKT TP HCM, Số 14 (2010)

2 Trần Quang Thọ, “Điều chỉnh tham số khâu PI trong hệ thống nghịch lưu pin mặt

trời nối lưới ba pha,” Tạp chí Khoa học & Công nghệ - ĐH Công Nghiệp Hà Nội,

Số 13, 12/2012

3 Tran Quang-Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “PWM technique with

variable carrier wave frequency to reduce switching loss in grid-connected PV

in-verter,” Journal of Technical Education Science-HCM UTE, vol 29, 2014, pp

31-38

4 T T Chuong, T V Anh, Tran Quang-Tho, and T Deveikis, “Research of the

Voltage Stability of Distribution Network Connected Induction Machines,” ektronika Ir Elektrotechnika, vol 21, no 1, 2015 pp 42-47 (SCIE)

El-5 Quang-Tho Tran, Anh Viet Truong, anh Phuong Minh Le, “Reduction of

harmon-ics in grid-connected inverters using variable switching frequency,” International

(SCIE)

6 Tran Quang-Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “Optimal Modulation

to Reduce Harmonics in Inverters,” in Proc IEEE ATC, 2015, pp 561-566.

7 Tran Quang-Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “PWM technique with

variable carrier wave frequency to reduce switching loss in grid-connected PV

in-verter,” Proc, 2ndGTSD, 2014, pp 404-411

8 Tran Quang-Tho, Le Thanh Lam, and Truong Viet Anh, “Reduction of switching

loss in grid-connected inverters using a variable switching cycle,” International

journal of Electrical Engineering & Technology (IJEET), vol 6, no 8, 2015, pp.

63-76

9 Trần Quang Thọ, Trương Việt Anh, Lê Minh Phương, “Sử dụng giải thuật di

truyền để giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới,” Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ

thuật, HCMUTE, Số 35B, 2016.

10 Tran Quang-Tho, Pham Huu Ly, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “A

Synchronization Method for Three-Phase Grid-Connected Inverters Using

Leven-berg-Marquardt Technique,” Lecture Notes in Electrical Engineering 371, Springer

AETA 2015, pp 249-260.

11 Tran Quang-Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “Estimation of Voltage

Parameters for Grid-connected Inverters,” in Proc IEEE ATC, 2015, pp 610-615.

12 Tran Quang-Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “A Robust Technique

for Phase-Locked Loop of Grid-connected Inverters,” in Proc ISEE 2015, pp

498-506

13 Trần Quang Thọ, Trương Việt Anh, Trảo Văn Hoan, Lê Minh Phương, “Bù điện

áp offset trong các vòng khóa pha của nghịch lưu nối lưới,” Tạp chí Phát triển

Khoa học và Công nghệ-VNU-HCM, vol 18, no K5, 2015, pp 5-15.

14 Tran Quang-Tho and Truong Viet Anh, “MPPT voltage regulating in three-phase

grid connected Photovoltaic system,” Science & Technology HCM, vol 15, no K2, 2012, pp 50-61.

Development-VNU-15 Tran Quang-Tho and Truong Viet Anh, “Three-phase grid-connected inverter

us-ing current regulator,” International journal of Electrical Engineerus-ing &

Technolo-gy (IJEET), vol 4, no 2, pp 293-304, 2013.

16 Tran Quang Tho and Truong Viet Anh, “Optimization Of Current Controller for

Grid-Connected Inverters Using A PSO Algorithm,” Journal of Technical

Educa-tion Science, HCMC-UTE, vol 40, Jan 2017.

Người khai ký tên

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêutrong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trìnhnào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 2 năm 2017.

Tác giả luận án

Trần Quang Thọ

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Trương Việt Anh - Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM và PGS TS Lê Minh Phương - Đại học Báchkhoa Tp HCM đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ để tôi hoàn thiện luận án này.Tác giả cũng chân thành cảm ơn PGS TS Quyền Huy Ánh, PGS TS NguyễnVăn Nhờ, và PGS TS Phan Quốc Dũng đã có nhiều góp ý và động viên trongquá trình thực hiện luận án

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sưphạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, các cô, thầy thuộc Khoa Điện – Điện

tử và các đồng nghiệp trong trường đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trìnhthực hiện luận án

Tác giảTrần Quang Thọ

Sự phổ biến của nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo như gió vàmặt trời trong hệ thống điện ngày càng nhiều Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lướicủa các nguồn điện này lại phát sóng hài đáng kể vào lưới điện và ảnh hưởng tiêucực đến chất lượng điện năng của hệ thống điện Do đó, việc giảm sóng hài cho các

bộ nghịch lưu nối lưới sẽ góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thốngđiện Dựa vào việc phân tích mô tả toán học của sóng hài dòng điện, tác giả nhậnthấy rằng có bốn yếu tố chính ảnh hưởng đến sóng hài ngõ ra của nghịch lưu nốilưới, đó là: kỹ thuật điều chế, chất lượng các tham số của điện áp lưới cơ bản ướclượng được, độ nhấp nhô của điện áp nguồn một chiều và chất lượng của bộ điềukhiển dòng điện Từ đó, luận án đã nghiên cứu và đề xuất bốn giải pháp cơ bản đểgiảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới như sau:

1 Phương pháp điều chế có chu kỳ chuyển mạch thay đổi trong mỗi nửa chu kỳ

cơ bản sử dụng giải thuật di truyền để giảm sóng hài dòng điện nhưng vẫnkhông làm tăng tổn hao chuyển mạch và không làm tăng thêm phần cứng Vớikhả năng trải phổ hài trong một phạm vi rộng của phương pháp này giúp làmgiảm nhiễu âm nên làm giảm bộ lọc thụ động

2 Kỹ thuật cải tiến để ước lượng nhanh và chính xác các tham số điện áp lưới cơbản sử dụng giải thuật Levenberg-Marquardt kết hợp với hồi tiếp ngõ ra để cậpnhật cho các tham số ban đầu của giải thuật Kỹ thuật này giúp nâng cao chấtlượng hòa đồng bộ cho nghịch lưu nối lưới để giảm sóng hài ngõ ra của nghịchlưu Kỹ thuật này hoàn toàn mới so với các phương pháp kỹ thuật vòng khóapha thông thường trong các hệ thống nghịch lưu nối lưới hiện nay

3 Phương pháp dò điểm công suất cực đại có số gia biến đổi để giảm độ nhấp nhôcho nguồn điện áp một chiều của nghịch lưu điện mặt trời nối lưới một giaiđoạn Phương pháp này góp phần làm giảm sóng hài ngõ ra của nghịch lưu màkhông làm giảm đáp ứng động

The penetration of distributed generation (DG) system using renewable energysources like solar and wind power in grid systems is rapidly increasing worldwide.However, grid-connected inverters of these DGs insert significant current harmon-ics into the power network and adversely affect the power quality of the network.The reduction of harmonics to achieve compliance with stringent grid codes con-tributes to enhance the power quality of grid-connected inverters By analyzing themathematical model of current ripple, the author has found out the four key factors -modulation technique, accuracy of estimated grid voltage parameters, ripples of DCvoltage, and coefficients of current regulator - affecting inverter output harmonics

In order to attenuate the harmonics, the author researched and proposed the tions as follows:

solu-1 A new modulation method generates variable switching cycles in each half ofthe fundamental period using a genetic algorithm technique for attenuating in-verter harmonics without increasing switching loss and hardware The spectrumover a wide frequency range of this method helps avoid some noises in tele-communications, making the output filter smaller

2 An improved strategy for estimating rapidly and accurately fundamental gridvoltage parameters relies on the Levenberg-Marquardt algorithm integratedwith feedback from outputs to update initial parameters This strategy helps en-hance the synchronization quality of grid-connected inverters for decreasingharmonics This technique is completely new compared with the phase-lockedloop methods

3 A maximum power point tracking technique uses the variable increment to dealwith DC voltage ripples of one-stage grid-connected photovoltaic inverter Thisleads to enhancing conversion efficiency and reducing inverter output harmon-ics without affecting dynamic response

on Particle Swarm Optimization to alleviate harmonics without requiring a lot

of time and effort, experience of designers as well

In order to validate the performance of the solutions, the technical parametersare also quantitatively considered by comparing the simulated and experimental re-sults of the proposed techniques with those of the existing methods These solutionshelp reduce the size and cost of grid-connected inverters

Quyết định giao đề tài

LÝ LỊCH CÁ NHÂN i

LỜI CAM ĐOAN v

LỜI CẢM ƠN vi

TÓM TẮT vii

ABSTRACT ix

MỤC LỤC xi

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xvi

CÁC KÝ HIỆU xviii

LIỆT KÊ HÌNH xx

LIỆT KÊ BẢNG xxvi

MỞ ĐẦU xxvii

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Sự phát triển của nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo 1

1.2 Cấu trúc của nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo 2

1.3 Các tiêu chuẩn nối lưới 3

1.4 Các nghiên cứu khoa học liên quan 4

1.4.1 Đối với hệ thống điện gió nối lưới 4

1.4.2.1 Cách tiếp cận 6

1.4.2.2 Kỹ thuật điều chế 9

1.4.2.2.1 Kỹ thuật dựa vào yêu cầu về độ méo toàn phần 10

1.4.2.2.2 Thay đổi sóng mang và sóng điều chế 12

1.4.2.2.3 Phương pháp trải phổ nhiễu âm 14

1.4.2.2.4 Phương pháp độ nhấp nhô hằng số 18

1.4.2.2.5 Kỹ thuật thay đổi tần số chuyển mạch tối ưu 18

1.4.2.2.6 Nghịch lưu đa bậc 19

1.4.2.2.7 Đề xuất kỹ thuật điều chế 20

1.4.2.3 Độ chính xác của tham số hòa đồng bộ 21

1.4.2.3.1 Phương pháp PLL thông thường 23

1.4.2.3.2 Vòng khóa pha sử dụng bộ tích phân tổng quát bậc hai 25

1.4.2.3.3 Đặc điểm của vòng khóa pha 27

1.4.2.3.4 Nhận xét và đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng PLL 28

1.4.2.4 Sự ổn định của nguồn điện áp DC 31

1.4.2.5 Tham số bộ điều khiển 32

1.5 Tóm tắt chương 1 33

Chương 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỬ DỤNG CHU KỲ CHUYỂN MẠCH THAY ĐỔI 2.1 Giới thiệu 36

2.2 Phương pháp tiếp cận 37

2.4 Đề xuất giảm sóng hài sử dụng kỹ thuật GA 42

2.4.1 Xác định trọng số hàm chu kỳ chuyển mạch 42

2.4.2 Xác định từng chu kỳ chuyển mạch 44

2.5 Kết quả mô phỏng 49

2.5.1 Nghịch lưu tải trở 49

2.5.2 Nghịch lưu nối lưới 53

2.5.2.1 Tần số chuyển mạch cố định 55

2.5.2.2 Phương pháp tần số chuyển mạch thay đổi dựa vào TDD 57

2.5.2.3 Phương pháp độ nhấp nhô hằng số 59

2.5.2.4 Phương pháp trải phổ cải tiến 61

2.5.2.5 Kỹ thuật đề xuất 63

2.5.3 Nhận xét kết quả của nghịch lưu nối lưới 68

2.6 Tóm tắt chương 2 71

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG NHANH VÀ CHÍNH XÁC THAM SỐ ĐIỆN ÁP LƯỚI 3.1 Tham số hòa đồng bộ 73

3.2 Kỹ thuật ước lượng tham số đề xuất 74

3.3 Kết quả mô phỏng và thí nghiệm 79

3.3.1 Cài đặt tham số 79

3.3.2.1 Trường hợp thứ nhất 80

3.3.2.2 Trường hợp thứ hai 89

3.4 Nhận xét kết quả 94

3.5 Tóm tắt chương 3 96

Chương 4 GIẢM ĐỘ NHẤP NHÔ ĐIỆN ÁP DC VÀ CẢI TIẾN HỆ SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Giảm độ nhấp nhô điện áp dc bằng kỹ thuật mppt với số gia biến đổi 98 4.1.1 Dò điểm công suất cực đại của pin mặt trời 98

4.1.2 Giải thuật MPPT đề xuất 99

4.1.3 Kết quả mô phỏng 102

4.1.3.1 Số gia cố định 103

4.1.3.2 Số gia biến đổi 105

4.1.4 Nhận xét kết quả 107

4.2 Cải tiến tham số bộ điều khiển dùng giải thuật PSO 108

4.2.1 Bộ điều khiển dòng điện 108

4.2.2 Phương pháp dựa vào hàm truyền 110

4.2.2.1 Cơ sở của nguyên lý điều khiển PR 110

4.2.2.2 Xác định tham số bộ điều khiển 111

4.2.3 Phương pháp tối ưu bầy đàn 115

4.2.4.1 Phương pháp dựa vào hàm truyền 117

4.2.4.2 Phương pháp PSO đề xuất 120

4.2.5 Nhận xét 123

4.3 Tóm tắt chương 4 124

Chương 5 KẾT LUẬN 5.1 kết quả đạt được 127

5.1.1 Kỹ thuật điều chế 127

5.1.2 Ước lượng nhanh chóng và chính xác các tham số điện áp lưới 128

5.1.3 Ổn định điện áp DC 128

5.1.4 Cải tiến tham số bộ điều khiển 129

5.2 Hướng phát triển 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 141 PHỤ LỤC

CSVPWM (conventional space vector

DSOGI (dual second-order general

D-STATCOM (distributed static

GA (genetic algorithm) Giải thuật di truyền

PWM frequency modulated triangular

carrier)

INC (Incremental Conductance)

Khử hài lựa chọn sử dụng bơm hài vào sóng

điều khiển và điều chế tần số sóng mangGia tăng điện dẫn

MPPT (Maximum Power Point

QSG (quadrature signal generator) Bộ phát tín hiệu trực giao

SANS (spread of acoustic noise

SOGI (second-order general integrator) Bộ tích phân tổng quát bậc hai

SPWM (sinusoidal pulse width

SVPWM (space vector sinusoidal pulse

VFPWM (variable frequency pulse

width modulation)

Điều chế độ rộng xung sử dụng tần số thayđổi

VSFPWM (variable switching

frequen-cy pulse width modulation)

Điều chế độ rộng xung sử dụng tần số

chuyển mạch thay đổi

HGD Độ nhiễu theo phương pháp suy giảm độ dốc

HGN Độ nhiễu theo phương pháp Gauss-Newton

HLM Độ nhiễu theo Levenberg-Marquardt

Vdc Điện áp nguồn một chiều

Vg Điện áp phía lưới

Vi Điện áp nghịch lưu

TRANG Hình 1.1: Mức đầu tư điện gió và mặt trời của thế giới 1 Hình 1.2: Hệ thống điện gió dùng máy phát không đồng bộ [1] 2 Hình 1.3: Cấu trúc của một hệ thống điện mặt trời nối lưới [4] 3 Hình 1.4: Nghịch lưu nối lưới cầu H 6 Hình 1.5: Sóng mang, điện áp và độ nhấp nhô dòng điện 8 Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu nguồn áp 1 pha 10 Hình 1.7: Đáp ứng động khi thay đổi công suất tại 0.06 s 11 Hình 1.8: Kỹ thuật điều chế trong [26] 13 Hình 1.9: Phổ hài 13 Hình 1.10: Sự thay đổi độ nhấp nhô dòng điện trong một sector của SVPWM 15 Hình 1.11: Phân bố tần số chuyển mạch trong [29] 15 Hình 1.12: So sánh hài bậc thấp 16 Hình 1.13: So sánh nhiễu điện từ EMI (giảm 10dB) 16 Hình 1.14: Sự thay đổi của chu kỳ chuyển mạch trong mỗi sector 17 Hình 1.15: THD dòng điện trong [30] 17 Hình 1.16: Dạng sóng dòng điện và điện áp 18 Hình 1.17: PLL sử dụng phương pháp thông thường 23 Hình 1.18: Khi điện áp ba pha cân bằng 23 Hình 1.19: Điện áp ba pha không cân bằng 24 Hình 1.20: Vector điện áp 25 Hình 1.21: Kỹ thuật DSOGI dùng để dò thứ tự thuận 25

Hình 1.23: Kỹ thuật khóa tần số FLL 27 Hình 1.24: Các điểm đo và đại lượng ước lượng được 30 Hình 2.1: Dòng điện ngõ ra của nghịch lưu (m=0.97;=0) 38

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điện thí nghiệm 39 Hình 2.3: Hệ thống thí nghiệm 39 Hình 2.4: Tổng tổn hao với các tần số chuyển mạch cố định khác nhau 40 Hình 2.5: Phổ hài dòng điện của tần số chuyển mạch cố định 5 kHz (Ts=200 s) 40

Hình 2.6: Kết quả thí nghiệm 44 Hình 2.7: Mã hóa chu kỳ sóng mang sử dụng GA 45 Hình 2.8: Tần số và chu kỳ chuyển mạch đã chuẩn hóa (m=0.97;=0) 46

Hình 2.9: Chu kỳ ban đầu và các biên trong GA 47 Hình 2.10: Lưu đồ GA và hàm mục tiêu (a) Giải thuật GA; (b) Hàm mục tiêu 48 Hình 2.11: Kết quả Ts-varsau khi thực hiện GA 48

Hình 2.12: Phân bố của sóng mang và dòng điện ngõ ra trong NCKCB 49 Hình 2.13: Các xung PWM được phóng to gần đỉnh dòng điện (t =0.5) 50

Hình 2.14: Xung PWM phóng to gần zero của dòng điện (t =0.15 và t =0.85) 51

Hình 2.15: Bình phương độ nhấp nhô dòng điện của chu kỳ cố định 51 Hình 2.16: Bình phương độ nhấp nhô dòng điện của chu kỳ đề nghị 52 Hình 2.17: Phổ độ nhấp nhô dòng điện của chu kỳ đề nghị 52 Hình 2.18: Tổn hao chuyển mạch tức thời và tổn hao chuyển mạch trung bình 52 Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý điều khiển 55 Hình 2.20: Đáp ứng của công suất 55

Hình 2.22: Tổn hao chuyển mạch và THD của chu kỳ cố định 56 Hình 2.23: Đáp ứng của dòng điện và điện áp ngõ ra của TDD 57 Hình 2.24: Tổn hao chuyển mạch và THD của phương pháp TDD 58 Hình 2.25: Phổ hài dòng điện của TDD 59 Hình 2.26: Đáp ứng của dòng điện và điện áp ngõ ra của độ nhấp nhô hằng số 59 Hình 2.27: Tổn hao chuyển mạch và THD của CR 60 Hình 2.28: Phổ hài dòng điện của phương pháp độ nhấp nhô hằng số 60 Hình 2.29: Đáp ứng của dòng điện và điện áp ngõ ra của MSANS 61 Hình 2.30: Tổn hao chuyển mạch và THD của MSANS 62 Hình 2.31: Phổ hài dòng điện của MSANS 62 Hình 2.32: Đáp ứng của kỹ thuật đề nghị 63 Hình 2.33: Tổn hao chuyển mạch và THD của kỹ thuật đề nghị 64 Hình 2.34: Phổ dòng điện của kỹ thuật đề nghị 64 Hình 2.35: Chu kỳ và tổn hao chuyển mạch phóng to khi cos=1 65

Hình 2.36: Chu kỳ và tổn hao chuyển mạch phóng to khi cos<1 66

Hình 2.37: Dòng và áp khi cos<1 67

Hình 2.38: THD dòng điện 68 Hình 3.1: PLL đề nghị sử dụng giải thuật Levenberg-Marquardt 74 Hình 3.2: Lưu đồ giải thuật đề xuất 78 Hình 3.3: Điện áp ngõ vào của ba pha; (a)-(b): MP; (c)-(f): TN 81 Hình 3.4: Điện áp V 82

Hình 3.5: Biên độ điện áp ước lượng được 82

Hình 3.7: Đáp ứng của điện áp ước lượng 83 Hình 3.8: Tần số mô phỏng ước lượng được 84 Hình 3.9: Tần số phóng to trong khoảng 0-0.4 s 84 Hình 3.10: Tần số phóng to trong khoảng 0.4-0.6 s 84 Hình 3.11: Góc pha của phương pháp Con 85 Hình 3.12: Góc pha của phương pháp DSOGI 86 Hình 3.13: Góc pha của phương pháp DSOGI-FLL 87 Hình 3.14: Góc pha của phương pháp đề xuất 88 Hình 3.15: Điện áp ngõ vào mô phỏng 89 Hình 3.16: Điện áp thí nghiệm ngõ vào của ba pha 90 Hình 3.17: Tần số mô phỏng 91 Hình 3.18: Góc pha mô phỏng của phương pháp Con và DSOGI 92 Hình 3.19: Góc pha mô phỏng của DSOGI-FLL và phương pháp đề xuất 92 Hình 3.20: Góc pha thí nghiệm 93 Hình 4.1: Cấu trúc của một hệ thống pin mặt trời nối lưới ba pha 99 Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật MPPT với gia số inc biến đổi 100 Hình 4.3: Mô hình mạch tương đương của pin mặt trời 101 Hình 4.4: Đặc tính V-I của dàn pin vớic=298oK 102

Hình 4.5: Đặc tính công suất của dàn pin Tc=298oK 102

Hình 4.6: Đáp ứng của điện áp DC khi số gia cố định 103 Hình 4.7: Đáp ứng của dòng điện 104 Hình 4.8: Đáp ứng dòng điện và công suất 104

Hình 4.10: Đáp ứng của điện áp DC khi số gia biến đổi từ 0.2V đến 0.02V 105 Hình 4.11: Đáp ứng của dòng điện khi số gia biến đổi 106 Hình 4.12: Đáp ứng dòng điện và công suất khi số gia biến đổi 106 Hình 4.13: Sóng hài dòng điện pha 107 Hình 4.14: Đáp ứng Vdc phóng to của phương pháp đề xuất 107 Hình 4.15: Phân loại các phương pháp điều khiển 109 Hình 4.16: Nguyên lý điều khiển PR trong nghịch lưu nối lưới 110 Hình 4.17: Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển dùng PR 112 Hình 4.18: Giản đồ Bode của bộ điều khiển PR 113 Hình 4.19: Giản đồ Bode với tần số cộng hưởng 50Hz 114 Hình 4.20: Đáp ứng vòng hở tại tần số cắt biên 378 Hz 114 Hình 4.21: Đáp ứng biên pha vòng kín 115 Hình 4.22: Biểu đồ Nyquist của PR 115 Hình 4.23: Điện áp và dòng điện ba pha 117 Hình 4.24: Đáp ứng công suất phát vào lưới 118 Hình 4.25: Dòng điện I 118

Hình 4.26: Dòng điện I 119

Hình 4.27: Dòng điện pha 119 Hình 4.28: THD đo một chu kỳ tại các mức công suất khác nhau 120 Hình 4.29: Đáp ứng công suất của phương pháp PSO 120 Hình 4.30: Dòng điện Icủa phương pháp đề xuất 121

Hình 4.31: Dòng điện beta của phương pháp đề xuất 121

Hình 4.33: THD của phương pháp PSO 122

TRANG Bảng 1.1: So sánh TDD và hiệu suất của các kỹ thuật điều khiển khác nhau 12 Bảng 1.2: So sánh sóng hài của các phương pháp ( c=24.75;k =19.5; f M=15) 14

Bảng 1.3: Các hiện tượng nhiễu của điện áp lưới thông thường 21 Bảng 2.1: Tham số hệ thống thí nghiệm 39 Bảng 2.2: Tổng tổn hao với các tần số chuyển mạch cố định khác nhau 40 Bảng 2.3: Kết quả của chu kỳ chuyển mạch thay đổi (s) 49

Bảng 2.4: Thông số hệ thống nghịch lưu nối lưới 55 Bảng 2.5: Tóm tắt tổn hao chuyển mạch và sóng hài 68 Bảng 3.1: So sánh kết quả ở trường hợp kể từ 0.6 s 94 Bảng 4.1: Tham số của hệ thống nghịch lưu nối lưới 103 Bảng 4.2: Tham số hệ thống nghịch lưu nối lưới 112 Bảng 4.3: Tham số dòng điện cài đặt 117 Bảng 4.4: Kết quả sóng hài 122

Tính cần thiết

Các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời đang phát triển rất mạnh mẽ

vì tính bền vững và thân thiện với môi trường trong khi tiềm năng vô cùng lớn Tuynhiên, chúng lại có nhược điểm là bị loãng và không liên tục Do đó, chúng thườngđược nối với lưới điện để đảm bảo có một nguồn điện với chất lượng tốt và giáthành rẻ thông qua các bộ nghịch lưu bán dẫn công suất Chính các bộ nghịch lưunối lưới lại phát sinh sóng hài đáng kể vào lưới điện và ảnh hưởng tiêu cực đến chấtlượng điện năng của hệ thống điện Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp điềukhiển để giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới luôn góp phần nâng cao chất lượngđiện năng của hệ thống điện

Mục tiêu của luận án

Trên cơ sở phân tích mô tả toán học của sóng hài dòng điện, tác giả đã nghiêncứu và đề xuất bốn giải pháp để giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới như sau:

 Kỹ thuật điều chế với chu kỳ chuyển mạch thay đổi trong mỗi nửa chu kỳ cơbản sử dụng giải thuật di truyền có xem xét đến tổn hao chuyển mạch mộtcách định lượng

 Phương pháp ước lượng nhanh và chính xác các tham số điện áp lưới cơ bản

sử dụng giải thuật Levenberg-Marquardt có hồi tiếp ngõ ra để cập nhật tham

số ban đầu của giải thuật nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu điều chế

 Giải thuật dò điểm công suất cực đại với số gia biến đổi để giảm độ nhấp nhôcủa điện áp một chiều trong nghịch lưu

 Phương pháp cải tiến để xác định các hệ số của bộ điều khiển cộng hưởngdòng điện sử dụng giải thuật tối ưu bầy đàn

Dựa vào việc phân tích sóng hài của nghịch lưu nối lưới, tác giả đã nghiên cứucác kỹ thuật: điều chế, ước lượng tham số điện áp lưới cơ bản, giảm độ nhấp nhôđiện áp DC và cải tiến tham số bộ điều khiển dòng điện

Luận án cũng tập trung vào nghiên cứu giảm sóng hài cho nghịch lưu điện mặttrời nối lưới một pha và ba pha hai bậc với qui mô công suất vừa và nhỏ do sự phổbiến của chúng

Các chế độ vận hành như phát công suất tác dụng và thu/phát công suất phảnkháng cũng được xem xét một cách định lượng

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận

Luận án dựa vào mô tả toán học của sóng hài dòng điện trong nghịch lưu để phântích nguyên nhân phát sinh sóng hài và từ đó đề xuất các giải pháp giảm sóng hài.Các giải pháp đề xuất của luận án cũng dựa trên việc phân tích các ưu điểm vàkhuyết điểm của các nghiên cứu đã được công bố gần đây trên các tạp chí khoa họcchuyên ngành có uy tín

Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp giải tích: được thực hiện bằng cách phân tích mô tả toán học củasóng hài dòng điện nghịch lưu giúp cho luận án có cách tiếp cận tổng quát, khoahọc và xác định đúng hướng nghiên cứu

+ Các chỉ tiêu kỹ thuật của từng giải pháp đề xuất đều đã được xem xét một cáchđịnh lượng dựa vào các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt hiện nay.

Nội dung của luận án

Cấu trúc của luận án bao gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Kỹ thuật điều chế sử dụng chu kỳ chuyển mạch thay đổi

Chương 3: Phương pháp ước lượng nhanh và chính xác tham số điện áp lưới

Chương 4: Giảm độ nhấp nhô điện áp DC và cải tiến tham số bộ điều khiển

Chương 5: Kết luận

Đóng góp mới về mặt khoa học của luận án

+ Kỹ thuật điều chế đề xuất ở chương 2 chỉ cần thay đổi chu kỳ chuyển mạchtrong mỗi nửa chu kỳ cơ bản để giảm sóng hài đáng kể cho nghịch lưu nối lưới, màkhông làm tăng tổn hao chuyển mạch, không phải thêm bất kỳ phần cứng nào.Ngoài ra, kỹ thuật còn có khả năng khử hài lựa chọn và trải phổ trong phạm vi rộng

để làm giảm biên độ hài riêng lẻ

phương trình vi phân bằng phương pháp số ở chương 3 Kỹ thuật này cho phép ướclượng nhanh và chính xác các tham số điện áp lưới cơ bản nhằm nâng cao chấtlượng tín hiệu điều chế để giảm sóng hài của nghịch lưu nối lưới Phương pháp nàykhác biệt so với các vòng khóa pha thông thường là không còn khâu dò pha, không

bộ lọc vòng, không bộ dao động điều khiển điện áp

+ Ở chương 4 của luận án đã trình bày sự ảnh hưởng của kỹ thuật dò điểmcông suất cực đại đến độ nhấp nhô điện áp nguồn DC, từ đó ảnh hưởng đến sóng hàicủa nghịch lưu điện mặt trời nối lưới một giai đoạn Sự thay đổi của số gia tronggiải thuật dò điểm công suất cực đại đề nghị cho phép giảm độ nhấp nhô điện áp

DC nhưng vẫn cho đáp ứng động cao so với các phương pháp có số gia cố định.+ Do hàm truyền của nghịch lưu nối lưới có dạng vô định nên việc xác địnhcác hệ số của bộ điều khiển dòng bằng các phương pháp thông thường có thể rơivào cực trị địa phương Phương pháp đề xuất sử dụng giải thuật tối ưu bầy đàn cóthể xác định được nghiệm toàn cục giúp cho các hệ số của bộ điều khiển cộnghưởng dòng điện sẽ tốt hơn nên cải thiện sóng hài tốt hơn

+ Giải thuật tối ưu bầy đàn để xác định các hệ số bộ điều khiển giúp giảm thờigian và công sức, cũng như không đòi hỏi kinh nghiệm của người thiết kế.

Các chế độ vận hành như phát công suất tác dụng và thu/phát công suất phảnkháng trong nghịch lưu nối lưới cũng được xem xét nhằm hỗ trợ ổn định điện áp hệthống khi có yêu cầu

Các kỹ thuật đề xuất cũng cho phép mở rộng ứng dụng cho các lĩnh vực khácnhư nghịch lưu điều khiển động cơ, bộ lọc công suất tích cực (APF), bộ nguồn dựphòng (UPS), bộ phục hồi điện áp động (DVR), thiết bị bù phân tán D-Statcom.Các thông số và chế độ hoạt động của các phương pháp được khảo sát gần vớithực tế nhất để tăng khả năng ứng dụng

Các kỹ thuật đề xuất cũng cho phép làm giảm kích thước, chi phí thiết bị vàgóp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện Từ đó, tạo điều kiện choviệc chế tạo và làm chủ công nghệ với giá thành thấp để tăng khả năng cạnh tranhcủa thiết bị

Hình 1.1: Mức đầu tư điện gió và mặt trời của thế giới

Tại Việt Nam, theo điều chỉnh quy hoạch điện VII, đến năm 2020, công suấtđặt của hệ thống điện quốc gia đạt 60.500 MW, trong đó, năng lượng tái tạo và thủyđiện nhỏ chiếm 10% Năm 2025, công suất đặt đạt 95.400 MW và đạt 129.500 MWvào năm 2030 Thêm vào đó, nhằm xã hội hóa ngành điện để giảm sự đầu tư của

nhà nước, thị trường điện Việt Nam sẽ xuất hiện thêm các công ty mua bán điện,các công ty xây dựng đường dây mới và các công ty sản xuất nguồn điện phân tántrong mạng điện phân phối Để nâng cao hiệu quả cung cấp điện và giảm chi phí bồithường cho khách hàng hay hộ tiêu thụ khi bị mất điện, các nguồn điện phân tán sửdụng năng lượng tái tạo ngày càng nhiều và đòi hỏi chất lượng điện năng ngày càngcao.

1.2 CẤU TRÚC CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNGTÁI TẠO

Mặc dù thân thiện với môi trường và khả năng vô cùng lớn, nhưng nhượcđiểm của năng lượng tái tạo là bị loãng và không liên tục Do đó, nó cần được nốilưới để đảm bảo một nguồn điện có chất lượng cao với chi phí rẻ Để biến đổi vàhòa đồng bộ nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào trong hệ thống điện, thường cóhai dạng kết nối lưới cơ bản [1]:

 Phát điện trực tiếp lên lưới dùng máy điện quay đồng bộ hoặc khôngđồng bộ (đối với tua bin gió)

 Phát điện dùng nghịch lưu gián tiếp hoặc trực tiếp (đối với điện gió vàđiện mặt trời)

Cấu trúc của một hệ hệ thống điện năng lượng tái tạo nối lưới được thể hiệntrên hình 1.2 và 1.3

Hình 1.2: Hệ thống điện gió dùng máy phát không đồng bộ [1]

Hình 1.3: Cấu trúc của một hệ thống điện mặt trời nối lưới [4]

1.3 CÁC TIÊU CHUẨN NỐI LƯỚI

Đa số các nguồn điện phân tán DG (Distributed Generation) sử dụng nănglượng tái tạo đều có hệ thống nghịch lưu để nối lưới Tuy nhiên, các bộ nghịch lưunối lưới này lại là một trong những thiết bị phát sóng hài đáng kể lên lưới điện vàảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện [5] Do đó, chúng có tác động tiêu cựcđến chất lượng điện năng của hệ thống điện

Sóng hài có những tác hại nguy hiểm đến thiết bị điện và hệ thống điện [6].Các tác hại đó là: giảm hiệu quả của thiết bị điện, làm cho các mạch đồng bộ góckích sử dụng bộ dò điện áp zero hoạt động không ổn định, các đồng hồ số đo khôngchính xác, các rơ le hoạt động sai… Trong lĩnh vực máy điện, sóng hài làm tăng tổnhao trong lõi thép, làm tăng nhiệt thiết bị, nhiễu mô men động cơ, gây ra các daođộng trong máy điện đồng bộ và không đồng bộ, gây sốc mô men và hoạt độngkhông ổn định…Đặc biệt các sóng hài riêng lẻ có biên độ cao sẽ gây tác động tiêucực đáng kể đến các thiết bị ứng dụng trong thông tin và quân sự do hiện tượngnhiễu âm

Vì vậy, để đảm bảo an toàn trong vận hành và truyền tải điện năng, các tiêuchuẩn chất lượng điện năng đã được các cơ quan vận hành hệ thống điện ban hànhnhư: IEEE-929 (2000) [7]; IEEE-1547 (2009) [8]-[5] của Mỹ; tiêu chuẩn IEC

62116 (2005) về cô lập DG; IEC 61727 (2007); các tiêu chuẩn EN 50160 ở châuÂu; VDE 0126 (2006) của Đức; thông tư 32 BCT (2013) của Bộ Công thương ViệtNam…, trong đó, các tiêu chuẩn về tần số khi kết nối lưới (phụ lục 1-1), giới hạnsóng hài và tổng trở bộ lọc cũng rất nghiêm ngặt đối với thiết bị nối lưới Trong khi

đó, các phương pháp giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới đã được công bố gầnđây cho thấy hiệu quả chưa cao

Như vậy, để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt và góp phần nângcao chất lượng điện năng của hệ thống điện, cần phải có các nghiên cứu sâu hơn đểgiảm sóng hài hiệu quả hơn cho các bộ nghịch lưu nối lưới

1.4 CÁC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC LIÊN QUAN

1.4.1 Đối với hệ thống điện gió nối lưới

Máy phát không đồng bộ thường được sử dụng để nối lưới trực tiếp trong hệthống điện gió Do máy phát không đồng bộ có công suất phản kháng tỉ lệ với bìnhphương của điện áp nguồn lưới Vì vậy, nếu điện áp lưới nối vào đầu cực máy phátgiảm thì sẽ ảnh hưởng đến khả năng phát điện và có thể tự gây ra mất ổn định vàmất cân bằng mô men trong máy [9], [10], đặc biệt là khi sử dụng máy không đồng

bộ rotor lồng sóc Để đảm bảo an toàn vận hành hệ thống nối lưới này, người vậnhành cần phải xác định được giới hạn điện áp ổn định tại điểm nối máy phát khôngđồng bộ Nghiên cứu của tác giả cho thấy rằng:

+ Các nghiên cứu từ trước đến nay (cả trong và ngoài nước) mới chỉ dừng lại ởnghiên cứu ổn định điện áp tại nút kết nối nguồn phân tán với lưới điện PCC (Point

of common coupling), chưa xem xét đến đặc tính của máy phát phân tán Trong khi

đó, công suất phát của các máy phát phân tán lại liên tục thay đổi tùy thuộc vào điềukiện thời tiết (gió, nắng…)

+ Trong hệ thống nguồn điện phân tán nối lưới công suất lớn phải có khả năng phátcông suất phản kháng để góp phần ổn định điện áp và giảm chi phí lắp đặt thiết bị

bù Do đó, máy phát dùng rotor dây quấn tốt hơn rotor lồng sóc vì có thể phát côngsuất phản kháng

+ Từ đó, tác giả đã đề xuất phương pháp hình học để xác định giới hạn ổn định điện

áp cho máy phát không đồng bộ nối lưới Khi đó, vấn đề ổn định điện áp được xemxét cụ thể cho nguồn điện tua bin gió, có xét đến đặc tính công suất của máy phát vàtốc độ gió biến đổi Khi tốc độ gió thay đổi, công suất máy phát thay đổi theo, nêncông suất phản kháng thay đổi dẫn đến sự thay đổi về giới hạn ổn định điện áp củathanh cái đầu cực máy phát

Tuy nhiên, để có hiệu quả cao, hệ thống điện gió thường đòi hỏi qui mô côngsuất lớn đến hàng megawatt với cột gió cao và vốn đầu tư rất lớn nên khó phát triển

ở các nước như Việt Nam Do đó, việc tiếp cận để nghiên cứu và thí nghiệm trên

mô hình vật lý hệ thống điện gió tương đối khó khăn nên tác giả không lựa chọnnghiên cứu trong luận án này

1.4.2 Đối với hệ thống điện mặt trời sử dụng nghịch lưu nối lưới

So với hệ thống điện gió, hệ thống điện mặt trời nối lưới có sự phát triển mạnh

mẽ hơn do có các ưu điểm sau:

 Giá thành pin mặt trời ngày càng rẻ

 Qui mô công suất nhỏ và vừa nên vốn đầu tư cho các dự án tương đối thấp và

dễ phát triển theo chủ trương xã hội hóa năng lượng tái tạo

 Xu hướng mái nhà pin mặt trời không đòi hỏi nhiều chi phí mặt bằng lắp đặt

 Mức độ bức xạ mặt trời ở Việt Nam tương đối cao

 Người nghiên cứu dễ dàng tiếp cận nghiên cứu và thí nghiệm

Vì vậy, hệ thống điện mặt trời nối lưới được tác giả lựa chọn tập trung nghiêncứu trong luận án này

Do hệ thống điện mặt trời phải sử dụng nghịch lưu để nối lưới, khi đó, sónghài sẽ sinh ra trong quá trình chuyển mạch của các linh kiện bán dẫn công suất đểchuyển từ dòng điện một chiều sang xoay chiều Trong luận án này, tác giả đãnghiên cứu các phương pháp giảm sóng hài ngõ ra của nghịch lưu để góp phần nângcao chất lượng điện năng cho hệ thống điện.

1.4.2.1 Cách tiếp cận

Để phân tích sóng hài dòng điện, một nghịch lưu cầu H điều chế PWM đơncực như hình 1.4 được sử dụng làm chuẩn Có ba giả sử ban đầu để thuận lợi choviệc phân tích:

(i) Tần số chuyển mạch của nghịch lưu lớn hơn rất nhiều so với tần số lưới

cơ bản (50 Hz)

(ii) Bỏ qua ảnh hưởng của thời gian chết (dead time)

(iii) Điện cảm của bộ lọc là cố định

Hình 1.4: Nghịch lưu nối lưới cầu H

Dựa vào nguyên lý xếp chồng, dòng điện ngõ ra của nghịch lưu bao gồm dòngđiện cơ bản và độ nhấp nhô dòng điện [11], [12]

Dòng điện ngõ ra của nghịch lưu tăng trong bán kỳ dương của mỗi nửa chu kỳchuyển mạch và giảm trong bán kỳ âm như dạng sóng ở hình 1.5

Trong nửa dương của chu kỳ sóng tam giác, độ tăng của dòng điện đỉnh-đỉnh

iL1được tính như sau: