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

Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lưới của các nguồn điện này lại phát sóng hài đáng kể vào lưới điện và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng của hệ thống điện.. Vì vậy, việc nghiê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

********

ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI

Tp Hồ Chí Minh - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

1 PGS TS Trương Việt Anh

2 PGS TS Lê Minh Phương

Phản biện 1: GS TSKH Hồ Đắc Lộc

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Bội Khuê

Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Văn Nhờ

i

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC

Họ và tên: Trần Quang Thọ Giới tính: Nam

Học vị cao nhất: Thạc sỹ Năm, nước nhận học vị: 2003 Đơn 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: 028 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

ii

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN

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)

Vai trò

1 Nghiên c ứu thiết kế module điều

khi ển 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 cấp

3 Nghiên c ứu, thiết kế và thi công mô

hình v ật lý chuyên dùng cho giảng

d ạy các bài thí nghiệm và thực tập vận

4 Nghiên c ứu và thi công đèn chiếu

sáng hi ệu suất cao dùng năng lượng

5 Điều chỉnh điện áp MPPT trong hệ

th ống điện mặt trời nối lưới 3 pha 2013

iii

4

6 Xây d ựng giải thuật bộ điều khiển

dòng b ằng phương pháp tối ưu bầy

7 Giảm tổn hao chuyển mạch trong

ngh ịch lưu nối lưới sử dụng sóng

8 Điều chế nghịch lưu nối lưới sử

d ụng giải thuật di truyền 2016

9 Đồng bộ nghịch lưu nối lưới sử

d ụng giải thuật

Levenberg-Mar-quardt

2017 (đang thực hiện)

2 Các công trình khoa học đã công bố:

TT Tên công trình Năm công bố Tên tạp chí

1 Tr ần 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 Tr ần 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

Volt-age Stability of Distribution Network Connected Induction Machines,” Elektronika

Ir Elektrotechnika, vol 21, no 1, 2015 pp 42-47 (SCIE)

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

in grid-connected inverters using variable switching frequency,” 3International

iv

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, 2P

nd

P GTSD, 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

jour-nal of Electrical Engineering & Technology (IJEET), vol 6, no 8, 2015, pp 63-76

9 Tr ần 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

Syn-chronization Method for Three-Phase Grid-Connected Inverters Using

Levenberg-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 Tr ần 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

Development-VNU-HCM, vol 15, no K2, 2012, pp 50-61

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

current regulator,” International journal of Electrical Engineering & Technology

(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 Education

Science, HCMC-UTE, vol 40, Jan 2017

Người khai ký tên

Tr ần Quang Thọ

v

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu

trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

khác

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 Bách khoa Tp HCM

đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ để tôi hoàn thiện luận án này

Tôi cũng muốn gởi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình luôn ủng hộ tôi trong thời gian thực hiện luận án

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm 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 trình thực hiện luận án

Tác giả Trần Quang Thọ

vii

Sự phổ biến của nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo như gió và mặt

trời trong hệ thống điện ngày càng nhiều Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lưới của các nguồn điện này lại phát sóng hài đáng kể vào lưới điện và ảnh hưởng tiêu cực 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 thống điện Dựa vào

việc phân tích mô tả toán học của sóng hài dòng điện, tác giả nhận thấy rằng có bốn

yếu tố chính ảnh hưởng đến sóng hài ngõ ra của nghịch lưu nối lưới, đó là: kỹ thuật điều chế, chất lượng các tham số của điện áp lưới ở tần số cơ bản ước lượng được, độ

nhấp nhô của điện áp nguồn một chiều và chất lượng của bộ điều khiển dòng điện

Từ đó, luận án đã nghiên cứu và đề xuất bốn giải pháp cơ bản để giảm 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 vẫn không làm tăng tổn hao chuyển mạch và không làm tăng thêm phần cứng Với khả năng

trải phổ hài trong một phạm vi rộng của phương pháp này giúp làm giảm 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 ở tần

số cơ bản sử dụng giải thuật Levenberg-Marquardt kết hợp với hồi tiếp ngõ ra để

cập nhật cho các tham số ban đầu của giải thuật Kỹ thuật này giúp nâng cao chất lượng hòa đồng bộ cho nghịch lưu nối lưới để giảm sóng hài ngõ ra của nghịch lưu Kỹ thuật này hoàn toàn mới so với các phương pháp kỹ thuật vòng khóa pha 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 nhô cho nguồn điện áp một chiều của nghịch lưu điện mặt trời nối lưới một giai đoạn Phương pháp này góp phần làm giảm sóng hài ngõ ra của nghịch lưu mà không làm giảm đáp ứng động

giảm sóng hài này sẽ giúp làm giảm kích thước bộ lọc phụ và giá thành của thiết bị nghịch lưu nối lưới Các giải pháp đề xuất cũng đã được kiểm tra bằng mô phỏng trên

phần mềm MATLAB/Simulink, thực nghiệm trên mô hình vật lý có chất lượng như DSP F28335, Dspace-1103 nhằm khẳng định tính khả thi khi ứng dụng

ix

ABSTRACT

The penetration of distributed generation (DG) system using renewable energy sources like solar and wind power in grid systems is rapidly increasing worldwide However, grid-connected inverters of these DGs insert significant current harmonics into the power network and adversely affect the power quality of the network The reduction of harmonics to achieve compliance with stringent grid codes contributes

to enhance the power quality of grid-connected inverters By analyzing the matical model of current ripple, the author has found out the four key factors - mod-ulation technique, accuracy of estimated grid voltage parameters, ripples of DC volt-age, and coefficients of current regulator - affecting inverter output harmonics In order to attenuate the harmonics, the author researched and proposed the solutions as follows:

mathe-1 A new modulation method generates variable switching cycles in each half of the fundamental period using a genetic algorithm technique for attenuating inverter harmonics without increasing switching loss and hardware The spectrum over a wide frequency range of this method helps avoid some noises in telecommunica-tions, making the output filter smaller

2 An improved strategy for estimating rapidly and accurately fundamental grid voltage parameters relies on the Levenberg-Marquardt algorithm using adaptive initial parameters This strategy helps enhance the synchronization quality of grid-connected inverters for decreasing harmonics This technique is completely new compared with the phase-locked loop methods

3 A maximum power point tracking technique uses the variable increment to deal with DC voltage ripples of one-stage grid-connected photovoltaic inverter This leads to enhancing conversion efficiency and reducing inverter output harmonics without affecting dynamic response

is used to test the proposed methods for reduction of harmonics, demonstrating the high intuition and reliability in the expected survey domain The experiment using physical models with the hardware platforms including DSP-F28335 and DSpace-

1103 helps ensure a high feasibility in actual applications

xi

Quyết định giao đề tài

xvi

CSVPWM (conventional space vector

DSOGI (dual second-order general

DSP (digital signal processor) Bộ xử lý tín hiệu số

D-STATCOM (distributed static

HIPWP-FMTC (harmonic injection

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 mang Gia tăng điện dẫn

MPPT (Maximum Power Point

MSHDC (multi-sequence harmonic

P&O (Perturb & Observe) Tạo nhiễu và quan sát

PSO (particle swarm optimization) Tối ưu bầy đàn

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

SANS (spread of acoustic noise

xvii

SHE (selective harmonic elimination) Khử hài lựa chọn

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

SPWM (sinusoidal pulse width

SVPWM (space vector sinusoidal pulse

THD (total harmonic distortion) Độ méo hài toàn phần

UPS (uninterruptible power supply) Bộ nguồn dự phòng

VFPWM (variable frequency pulse

width modulation)

Điều chế độ rộng xung sử dụng tần số thay đổi

VSFPWM (variable switching

fre-quency pulse width modulation)

Điều chế độ rộng xung sử dụng tần số chuyển mạch thay đổi

PCC (point of common coupling) Điểm ghép nối chung

HR GD Độ nhiễu theo phương pháp suy giảm độ dốc

HR GN Độ nhiễu theo phương pháp Gauss-Newton

HR LM Độ nhiễu theo Levenberg-Marquardt

IR 1 Dòng điện hiệu dụng cơ bản

xx

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 14

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] 16

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 18

Hình 1.15: THD dòng điện trong [30] 18

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 24

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;φ=0) 38

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điện thí nghiệm 39

Hình 2.3: Hệ thống thí nghiệm 40

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 µs) 41

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; φ=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-var sau khi thực hiện GA 49

Hình 2.12: Phân bố của sóng mang và dòng điện ngõ ra trong NCKCB 50

Hình 2.13: Các xung PWM được phóng to gần đỉnh dòng điện (ωt =0.5π) 50

xxii

51

Hình 2.15: Bình phương độ nhấp nhô dòng điện của chu kỳ cố định 52

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 53

Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý điều khiển 55

Hình 2.20: Đáp ứng của công suất 56

Hình 2.21: Đáp ứng của dòng điện và điện áp ngõ ra của chu kỳ cố định 56

Hình 2.22: Tổn hao chuyển mạch và THD của chu kỳ cố định 57

Hình 2.23: Đáp ứng của dòng điện và điện áp ngõ ra của TDD 58

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 60

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 61

Hình 2.29: Đáp ứng của dòng điện và điện áp ngõ ra của MSANS 62

Hình 2.30: Tổn hao chuyển mạch và THD của MSANS 62

Hình 2.31: Phổ hài dòng điện của MSANS 63

Hình 2.32: Đáp ứng của kỹ thuật đề nghị 64

xxiii

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 65

Hình 2.35: Chu kỳ và tổn hao chuyển mạch phóng to khi cosϕ=1 65

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

Hình 2.37: Dòng và áp khi cosϕ<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 Vαβ 82

Hình 3.5: Biên độ điện áp ước lượng được 83

Hình 3.6: Điện áp mô phỏng phóng to tại 0.6 s 83

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 86

xxiv

Hình 3.15: Điện áp ngõ vào mô phỏng 89

Hình 3.16: Điện áp thí nghiệm ngõ vào của ba pha 91

Hình 3.17: Tần số mô phỏng 92

Hình 3.18: Góc pha mô phỏng của phương pháp Con và DSOGI 93

Hình 3.19: Góc pha mô phỏng của DSOGI-FLL và phương pháp đề xuất 93

Hình 3.20: Góc pha thí nghiệm 94

Hình 4.1: Cấu trúc của một hệ thống pin mặt trời nối lưới ba pha 98

Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật MPPT với gia số inc biến đổi 99

Hình 4.3: Mô hình mạch tương đương của pin mặt trời 100

Hình 4.4: Đặc tính V-I của dàn pin với τc=298P

Hình 4.8: Đáp ứng dòng điện và công suất 103

Hình 4.9: Sóng hài dòng điện pha 104

Hình 4.10: Đáp ứng của điện áp DC khi số gia biến đổi từ 0.2V đến 0.02V 104

Hình 4.11: Đáp ứng của dòng điện khi số gia biến đổi 105

Hình 4.12: Đáp ứng dòng điện và công suất khi số gia biến đổi 105

Hình 4.13: Sóng hài dòng điện pha 106

xxv

Hình 4.14: Đáp ứng Vdc phóng to của phương pháp đề xuất 106

Hình 4.15: Phân loại các phương pháp điều khiển 108

Hình 4.16: Nguyên lý điều khiển PR trong nghịch lưu nối lưới 109

Hình 4.17: Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển dùng PR 111

Hình 4.18: Giản đồ Bode của bộ điều khiển PR 112

Hình 4.19: Giản đồ Bode với tần số cộng hưởng 50Hz 113

Hình 4.20: Đáp ứng vòng hở tại tần số cắt biên 378 Hz 113

Hình 4.21: Đáp ứng biên pha vòng kín 114

Hình 4.22: Biểu đồ Nyquist của PR 114

Hình 4.23: Điện áp và dòng điện ba pha 116

Hình 4.24: Đáp ứng công suất phát vào lưới 117

Hình 4.25: Dòng điện Iα 117

Hình 4.26: Dòng điện Iβ 118

Hình 4.27: Dòng điện pha 118

Hình 4.28: THD đo một chu kỳ tại các mức công suất khác nhau 119

Hình 4.29: Đáp ứng công suất của phương pháp PSO 119

Hình 4.30: Dòng điện Iα của phương pháp đề xuất 120

Hình 4.31: Dòng điện beta của phương pháp đề xuất 120

Hình 4.32: Bình phương của độ nhấp nhô dòng điện 121

Hình 4.33: THD của phương pháp PSO 121

xxvi

TRANG

B ảng 1.1: So sánh TDD và hiệu suất của các kỹ thuật điều khiển khác nhau 12

B ảng 1.2: So sánh sóng hài của các phương pháp 14

B ảng 1.3: Các hiện tượng nhiễu của điện áp lưới thông thường 21

B ảng 2.1: Tham số hệ thống thí nghiệm 39

B ảng 2.2: Tổng tổn hao với các tần số chuyển mạch cố định khác nhau 40

B ảng 2.3: Kết quả của chu kỳ chuyển mạch thay đổi 49

B ảng 2.4: Thông số hệ thống nghịch lưu nối lưới 55

B ảng 2.5: Tóm tắt tổn hao chuyển mạch và sóng hài 68

B ảng 3.1: So sánh kết quả ở trường hợp kể từ 0.6 s 90

B ảng 4.1: Tham số của hệ thống nghịch lưu nối lưới 102

B ảng 4.2: Tham số hệ thống nghịch lưu nối lưới 111

B ảng 4.3: Tham số dòng điện cài đặt 116

B ảng 4.4: Kết quả sóng hài 121

xxvii

MỞ ĐẦU

Tính c ần 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 Tuy nhiên, chúng lại có nhược điểm là bị loãng và không liên tục Do đó, chúng thường được nối với lưới điện để đảm bảo có một nguồn điện với chất lượng tốt và giá thành

rẻ thông qua các bộ nghịch lưu bán dẫn công suất Chính các bộ nghịch lưu nối lưới

lại phát sinh sóng hài đáng kể vào lưới điện và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng của hệ thống điện Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp điều khiển để

giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới luôn góp phần nâng cao chất lượng điện năng

của hệ thống điện

M ục tiêu của luận án

Trên cơ sở phân tích mô tả toán học của sóng hài dòng điện, tác giả đã nghiên

cứu 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 cơ

bản sử dụng giải thuật di truyền có xem xét đến tổn hao chuyển mạch một cách định lượng

 Phương pháp ước lượng nhanh và chính xác các tham số điện áp lưới ở tần số

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 nhô

của điện áp một chiều trong nghịch lưu

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

xxviii

Dựa vào việc phân tích sóng hài của nghịch lưu nối lưới, tác giả đã nghiên cứu các kỹ thuật: điều chế, ước lượng tham số điện áp lưới ở tần số cơ bản, giảm độ nhấp nhô điện 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 mặt

trời nối lưới một pha và ba pha hai bậc với qui mô công suất vừa và nhỏ do sự phổ

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

xxix

+ Phương pháp mô phỏng: các giải pháp giảm sóng hài đề xuất đều được kiểm tra trên phần mềm MATLAB/Simulink để thể hiện tính trực quan và độ tin cậy cao trong

miền khảo sát mong muốn

+ Phương pháp thực nghiệm trên mô hình vật lý: các kết quả nghiên cứu được thực

hiện trên phần cứng phổ biến như DSP-F28335 và DSpace-1103 giúp cho kết quả nghiên cứu đảm bảo tính khả thi cao trong ứng dụng

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

N ội 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 mạch trong mỗi nửa chu kỳ cơ bản để giảm sóng hài đáng kể cho nghịch lưu nối lưới, mà không 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

xxx

trình vi phân bằng phương pháp số ở chương 3 Kỹ thuật này cho phép ước lượng nhanh và chính xác các tham số điện áp lưới ở tần số cơ bản nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu điều chế để giảm sóng hài của nghịch lưu nối lưới Phương pháp này khác 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 điểm công

suất cực đại đến độ nhấp nhô điện áp nguồn DC, từ đó ảnh hưởng đến sóng hài của nghịch lưu điện mặt trời nối lưới một giai đoạn Sự thay đổi của số gia trong giải 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 định các

hệ số của bộ điều khiển dòng bằng các phương pháp thông thường có thể rơi vào cực

trị địa phương Phương pháp đề xuất sử dụng giải thuật tối ưu bầy đàn có thể xác định được nghiệm toàn cục giúp cho các hệ số của bộ điều khiển cộng hưởng dòng điện sẽ

tốt hơn nên cải thiện sóng hài tốt hơn

mạch với tần số thấp tại đỉnh của dòng điện cũng giúp tăng tuổi thọ linh kiện chuyển

mạch Thêm vào đó, khả năng trải phổ làm giảm nhiễu âm nên phù hợp cho các thiết

bị ứng dụng trong viễn thông và quân sự

xxxi

+ Phương pháp ước lượng tham số điện áp lưới ở tần số cơ bản có độ chính xác cao và đáp ứng nhanh cũng như độ vọt lố thấp cho phép sử dụng cảm biến điện áp có

độ nhạy thấp và không đòi hỏi phần cứng mạnh mẽ, đắt tiền

+ Với giải thuật dò điểm công suất cực đại với số gia biến đổi cho phép nghịch lưu nối lưới một giai đoạn không cần mạch boost và giảm bộ lọc DC nhằm nâng cao

hiệu suất chuyển đổi mà vẫn đảm bảo chất lượng điện năng

+ Giải thuật tối ưu bầy đàn để xác định các hệ số bộ điều khiển giúp giảm thời gian 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 phản kháng trong nghịch lưu nối lưới cũng được xem xét nhằm hỗ trợ ổn định điện áp hệ

thống khi có yêu cầu

Các kỹ thuật đề xuất cũng cho phép mở rộng ứng dụng cho các lĩnh vực khác như nghịch lưu điều khiển động cơ, bộ lọc công suất tích cực (APF), bộ nguồn dự phòng (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 với

thực tế nhất để tăng khả năng ứng dụng

Các kỹ thuật đề xuất cũng cho phép làm giảm kích thước, chi phí thiết bị và góp

phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện Từ đó, tạo điều kiện cho việc

chế tạo và làm chủ công nghệ với giá thành thấp để tăng khả năng cạnh tranh của thiết bị

từ than đá và than bùn Năng lượng của châu Âu chiếm 17% năng lượng thế giới và

có mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo đạt 20% vào năm 2020 Năng lượng của Hoa Kỳ hiện chiếm 22% năng lượng thế giới cũng đặt mục tiêu tương tự dưới áp lực

của công chúng liên quan đến vấn đề môi trường và để vượt qua khủng hoảng kinh

tế Thêm vào đó, pin mặt trời với giá thành ngày càng giảm cũng làm cho các nước Châu Á – Thái Bình Dương (đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ) với mức tiêu thụ năng lượng nhiều nhất thế giới cũng có những chính sách tương tự trong tương lai Điều này làm cho năng lượng tái tạo ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn, cụ thể qua khảo sát [3] cho thấy rằng mức đầu tư cho năng lượng tái tạo ngày càng cao như hình 1.1

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 suất đặt

của hệ thống điện quốc gia đạt 60.500 MW, trong đó, năng lượng tái tạo và thủy điện

nhỏ chiếm 10% Năm 2025, công suất đặt đạt 95.400 MW và đạt 129.500 MW vào 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

Tr ần Quang Thọ

ty xây dựng đường dây mới và các công ty sản xuất nguồn điện phân tán trong mạng điện phân phối Để nâng cao hiệu quả cung cấp điện và giảm chi phí bồi thường cho khách hàng hay hộ tiêu thụ khi bị mất điện, các nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng nhiều và đòi hỏi chất lượng điện năng ngày càng cao

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

Mặc dù thân thiện với môi trường và khả năng vô cùng lớn, nhưng nhược điểm

của năng lượng tái tạo là bị loãng và không liên tục Do đó, nó cần được nối lưới để đảm bảo một nguồn điện có chất lượng cao với chi phí rẻ Để biến đổi và hòa đồng

bộ nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào trong hệ thống điện, thường có hai dạng kết

nối lưới cơ bản [1]:

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

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

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

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

Nghịch lưu Cdc

V dc

Va Vb vc

Vòng khóa pha

Sóng mang

V max θ

Bộ điều khiển dòng

-Dò công suất cực đại

I dc

L g

V mppt

Bộ điều khiển DC

+

Nguồn

lưới

Bộ điều khiển dòng

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 năng lượng tái tạo đều có hệ thống nghịch lưu để nối lưới Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lưới này lại là một trong những thiết bị phát sóng hài đáng kể lên lưới điện và ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện [5] Do đó, chúng có tác động tiêu cực đến 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 góc kích sử

dụng bộ dò điện áp zero hoạt động không ổn định, các đồng hồ số đo không chính xác, các rơ le hoạt động sai… Trong lĩnh vực máy điện, sóng hài làm tăng tổn hao trong lõi thép, làm tăng nhiệt thiết bị, nhiễu mô men động cơ, gây ra các dao động trong máy điện đồng bộ và không đồng bộ, gây sốc mô men và hoạt động không ổn định…Đặc biệt các sóng hài riêng lẻ có biên độ cao sẽ gây tác động tiêu cực đáng kể đến các thiết bị ứng dụng trong thông tin và quân sự do hiện tượng nhiễu âm

Vì vậy, để đảm bảo an toàn trong vận hành và truyền tải điện năng, các tiêu chuẩn chất lượng điện năng đã được các cơ quan vận hành hệ thống điện ban hành

Tr ần Quang Thọ

như: 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 châu Âu; VDE

0126 (2006) của Đức; thông tư 39 BCT (2015) của Bộ Công thương Việt Nam…,

trong đó, các tiêu chuẩn về tần số khi kết nối lưới (phụ lục 1-1), giới hạn sóng 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 gần đây cho

thấy hiệu quả chưa cao

Như vậy, để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt và góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện, cần phải có các nghiên cứu sâu hơn để

giảm sóng hài hiệu quả hơn cho các bộ nghịch lưu nối lưới

1.4 CÁC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC LIÊN QUAN

1.4.1 H ệ thống điện gió nối lưới

Máy phát không đồng bộ thường được sử dụng để nối lưới trực tiếp trong hệ

thống điện gió Do máy phát không đồng bộ có công suất phản kháng tỉ lệ với bình phương của điện áp nguồn lưới Vì vậy, nếu điện áp lưới nối vào đầu cực máy phát

giảm thì sẽ ảnh hưởng đến khả năng phát điện và có thể tự gây ra mất ổn định và mất 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 vận hành

cần phải xác định được giới hạn điện áp ổn định tại điểm nối máy phát không đồng

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 ở nghiên

cứu ổn định điện áp tại nút kết nối nguồn phân tán với lưới điện PCC (Point of mon coupling), chưa xem xét đến đặc tính của máy phát phân tán Trong khi đó, công

com-suất phát của các máy phát phân tán lại liên tục thay đổi tùy thuộc vào điều kiện thời

tiết (gió, nắng…)

+ Trong hệ thống nguồn điện phân tán nối lưới công suất lớn phải có khả năng phát công 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 công suất

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 xem xét cụ thể cho nguồn điện tua bin gió, có xét đến đặc tính công suất của máy phát và

tốc độ gió biến đổi Khi tốc độ gió thay đổi, công suất máy phát thay đổi theo, nên công suất phản kháng thay đổi dẫn đến sự thay đổi về giới hạn ổn định điện áp của thanh cái đầu cực máy phát

Tuy nhiên, để có hiệu quả cao, hệ thống điện gió thường đòi hỏi qui mô công

suất 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 chọn nghiên

cứu trong luận án này

1.4.2 H ệ 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 nghiên

cứu trong luận án này

Do hệ thống điện mặt trời phải sử dụng nghịch lưu để nối lưới, khi đó, sóng hài

sẽ sinh ra trong quá trình chuyển mạch của các linh kiện bán dẫn công suất để chuyển

từ dòng điện một chiều sang xoay chiều Trong luận án này, tác giả đã nghiên cứu

(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 dòng điện 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 kỳ chuyển 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

iL1 được tính như sau:

dc s f

Độ giảm của dòng điện iL2 trong nửa bán kỳ âm của nửa chu kỳ chuyển mạch được xác định một cách tương tự như sau:

) ( 1

t d V

T

i

I

f dc s

Phương pháp điều khiển dòng điện thường được dùng trong nghịch lưu nối lưới,

do đó, sóng điều chế thường có một sự trễ pha nhất định so với điện áp (nếu có phát công suất kháng Q, nghĩa là hệ số công suất nhỏ hơn 1 hoặc là tải R-L) Giả sử dòng điện có góc trễ pha là φ, thì khi đó:

) sin(