NGHIÊN cứu hòa ĐỒNG bộ CHO NGHỊCH lưu nối lưới TRONG hệ THỐNG điện mặt TRỜI TRÊN cơ sở VÒNG KHÓA PHA số

NGHIÊN CỨU HÒA ĐỒNG BỘ CHO NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ VÒNG KHÓA PHA SỐ Phùng Quang Khải1* , Nguyễn Văn Thuấn1 , Trần Hồng Sơn2 Tóm tắt: Bài báo phân tíc

NGHIÊN CỨU HÒA ĐỒNG BỘ CHO NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ VÒNG KHÓA PHA SỐ

Phùng Quang Khải1*

, Nguyễn Văn Thuấn1

, Trần Hồng Sơn2

Tóm tắt: Bài báo phân tích động học và đưa ra phương pháp điều khiển số cho

mạch vòng khóa pha với kỹ thuật bắt điểm không ứng dụng cho điều khiển nối lưới

hệ thống điện mặt trời Trên cơ sở nghiên cứu đó, bài báo đưa ra một mô hình thực nghiệm được nhóm tác giả thiết kế Mô hình được kiểm chứng qua các kết quả đo và cho thấy hệ thống đã đạt được các yêu cầu điều khiển đặt ra

Từ khóa: Nghịch lưu điện mặt trời, Điều khiển hòa lưới, Điều khiển pha

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống điện mặt trời nói chung thực hiện hai chức năng chính, thứ nhất đảm bảo khối nghịch lưu hoạt động tại điểm điện năng cực đại, thứ hai để tăng điện áp hình sin hòa vào lưới Nói cách khác nghịch lưu điện mặt trời phải được điều khiển để tận dụng một cách tốt nhất công suất lắp đặt của pin quang điện và lưới điện phải được cung cấp nhiều nhất công suất tác dụng của nghịch lưu phát ra Hai nhiệm vụ này được cụ thể hóa bằng bộ điều khiển với hai nhiệm vụ điều khiển chính là điều khiển bám điểm làm việc có công suất cực đại (MPPT) và điều khiển nối lưới cho nguồn nghịch lưu Bài báo này sẽ đi sâu nghiên cứu vấn đề thứ hai đó là điều khiển nối lưới cho nguồn nghịch lưu

Hình 1 Sơ đồ cơ bản của hệ thống nghịch lưu mặt trời nối lưới

Để nối lưới cho nguồn nghịch lưu, nguồn đó phải có dạng nguồn dòng và tần số nguồn được nối lưới bằng tần số lưới, hai nguồn đồng pha với nhau Trong khi đó hệ thống điện mặt trời làm việc trong điều kiện môi trường thay đổi, dẫn đến làm thay đổi điện áp, dòng điện của mạch Mặt khác lưới điện ở đây là lưới điện dân dụng, công nghiệp nên cũng có những dao động về điện áp, dòng điện, tần số khi làm việc, tất cả những điều này ảnh hưởng lớn đến quá trình điều khiển nghịch lưu để nối lưới

Từ những đặc điểm đó, tác giả đã nghiên cứu tổng hợp hệ thống điều khiển điện mặt trời với một mô hình cấu trúc cụ thể như hình 1 Sau đó thiết kế một hệ thống thử nghiệm

để kiểm chứng các nghiên cứu đưa ra Bộ điều khiển (bao bởi đường nét đứt) sẽ thực hiện

đo, kiểm tra các tham số của mạch như điện áp, dòng điện của pin quang điện, điện áp, dòng ra của nghịch lưu, điện áp lưới rồi đưa vào các vòng điều khiển để thực hiện chức năng điều khiển làm việc ở điểm công suất cực đại (MPPT) và điều khiển nối lưới Hệ

thống đưa ra dạng dòng điện, điện áp hình bán sin ở cửa ra phần biến đổi một chiều - một

chiều và dạng hình sin ở cửa ra nghịch lưu cầu của hệ thống Để nối lên lưới điện quốc gia

thì hệ thống chỉ cần yêu cầu phát ra một nguồn dòng xoay chiều không đòi hỏi cao về chất

lượng sin Nhưng ở đây với mục đích tạo ra một nguồn đơn vị có thể không những nối với

lưới điện quốc gia mà nối với các loại lưới cung cấp điện khác có những yêu cầu chất

lượng khác nhau nên đầu ra hệ thống sẽ tạo ra điện áp hình sin để có thể đáp ứng được

những yêu cầu đó

2 VẤN ĐỀ NỐI LƯỚI CỦA NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI

Nghịch lưu điện mặt trời được thực hiện trên cơ sở các chuyển mạch bằng bán dẫn

(Mosfet IGBT, thyristor) nên tín hiệu đầu ra của nó có chứa thành phần méo hài, mà lưới

điện chỉ chấp nhận nối vào nó nguồn điện có lượng méo hài nhất định, hoặc ngược lại để

chống lại những nhiễu do lưới điện bơm vào lưới, do đó, hoặc chủ động đưa thêm vào

hoặc có sẵn là các mạch lọc dạng LC hoặc LCL [1], [2], [3] của nghịch lưu điện mặt trời

sẽ là phần tử chuyển tiếp trung gian giữa nghịch lưu và lưới điện Vì vậy, ta có sơ đồ

tương đương nối nguồn nghịch lưu điện mặt trời vào lưới được thể hiện ở hình 2a và biểu

đồ véc tơ dòng áp như hình 2b

Hình 2 Sơ đồ, biểu đồ véc tơ nối lưới

a Sơ đồ tương đương nối lưới; b Biểu đồ véc tơ điện áp, dòng điện khi nối lưới nói

chung; c Biểu đồ véc tơ điện áp, dòng điện mong muốn

Từ hình 2b, công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm vào lưới là:

P = Vnl*Inl*cos() (1)

Q = Vnl*Inl*sin() (2) Như trên đã nêu, nghịch lưu điện mặt trời phải được điều khiển để đẩy lên lưới lượng

công suất tác dụng lớn nhất Từ hai công thức (1), (2) ta có:

Pmax = Vnl*Inl với  = 0, suy ra Q = 0

Trong thực tế việc đẩy sang lưới bao giờ cũng có thành phần công suất phản kháng Q,

tuy nhiên đưa Q  0 là mục tiêu điều khiển đặt ra, thực tế Q càng nhỏ càng tốt để có được

công suất tác dụng lớn được đưa lên lưới Vậy nghịch lưu phải được điều khiển để cho tần

số điện áp lưới và tần số điện áp nghịch lưu bằng nhau và dòng nghịch lưu (Inl) trùng pha

với điện áp lưới, đồ thị véc tơ mong muốn có dạng cho trên hình 2c, từ hình 2C ta cũng

thấy được hệ quả của biện pháp điều khiển này là điện áp nghịch lưu thay đổi theo điện áp

lưới, lớn hơn điện áp lưới một lượng nhỏ Và vì lưới điện là một nguồn áp nên để nối lưới

thuận lợi hơn thì nghịch lưu phải có dạng nguồn dòng Mặt khác với phương pháp điều

khiển dòng ta có thể thực hiện cho hệ thống làm việc tại điểm làm việc có công suất cực

đại (MPPT) của pin mặt trời Do đó hệ thống điều khiển điện mặt trời sẽ được xây dựng

dựa trên mạch vòng dòng điện kết hợp với kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) như

hình 1.Với mục đích giảm những sai lệch trong điều khiển pha của dòng điện và kiểm soát

dòng ra chặt chẽ, dòng điện nghịch lưu sẽ được đo tại cửa ra của nó để so sánh với đại

lượng đặt Như vậy, với vòng điều khiển dòng, dòng điện tại cửa ra của hệ thống sẽ có tần

số bằng với tần số điện áp lưới, đồng pha với điện áp lưới và có biên độ tương ứng với điểm làm việc có công suất cực đại của pin mặt trời Để đảm bảo an toàn cho hệ thống, ngoài vòng điều khiển dòng chính như trên, hệ thống còn có các biện pháp bảo vệ để tránh khỏi các sự cố như quá áp, quá dòng (các mạch hạn dòng, hạn áp)

Để pha và tần số của dòng đặt bám theo điện áp lưới, người ta có thể dùng vòng lặp khóa pha (PLL-phase lock loop) để điều khiển (hình 1) Sơ đồ cấu trúc cơ bản của PLL như hình 3

Hình 3 Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển PLL

3 ĐỘNG HỌC VÒNG KHÓA PHA

Vòng điều khiển bám pha sẽ bám theo tần số và pha của điện áp lưới rồi đưa ra tại đầu

ra của vòng điều khiển hai tham số là tần số và pha làm đại lượng đặt dạng sin (sin đặt) cho vòng điều khiển dòng của nghịch lưu điện mặt trời (hình 1) Trong sơ đồ cấu trúc trên, khối so pha (PD - phase detectors) có thể sử dụng phương pháp bắt điểm qua không (ZCD

- zero cross detection), phương pháp tích véc tơ (VP - vecto product), hoặc phương pháp nhân tín hiệu dạng sin (SM - sinusoidal multipliers), việc áp dụng nó phụ thuộc vào thời gian đáp ứng, độ chính xác và trường hợp ứng dụng [4], [5], [6]

Phương pháp ZCD làm việc dựa trên việc bắt điểm qua không của điện áp xoay chiều

và so sánh giữu hai thời điểm bắt được để tính toán thời gian (tần số) giữa các thời điểm

đó Khi sử dụng ZCD đòi hỏi phải có kỹ thuật lọc, đo, kiểm chính xác để chống lại việc đo không chính xác và các sai lệch do thành phần hài không mong muốn, dao động, nhiễu đo Khi khối so pha sử dụng phương pháp tích véc tơ (VP) thì nó đòi hỏi phải có nhiều biến đầu vào, phương pháp này thường được sử dụng trong hệ thống ba pha, sử dụng bộ biến đổi Park Để sử dụng kỹ thuật này với hệ thống một pha là rất phức tạp vì nó chỉ có một biến điện áp độc lập có sẵn, cần phải thực hiện nhiều biện pháp biến đổi phức tạp

Bộ so pha là khối nhân tín hiệu sin (SM) được sử dụng phổ biến trong hệ thống một pha Bộ so pha kiểu này sẽ phát ra một tín hiệu sai lệch dựa trên mối quan hệ lượng giác giữa tín hiệu đo được từ hệ thống và đầu ra của bộ VCO, tín hiệu sai lệch này được điều chỉnh bằng khối lọc Với phương pháp này có thể làm xuất hiện sai lệch tĩnh, do đó gây ra các hài dao động xung quanh tần số làm việc cơ bản

Khối lọc (LF - loop filter) có rất nhiều kiểu khác nhau nhằm đạt được tần số dự kiến, kiểu của nó phụ thuộc lớn vào bộ so pha (PD) Bộ dao động điện áp (VCO - voltage controlled oscillator) phát tại đầu ra của nó dao động xoay chiều tương ứng với tần số và pha của tín hiệu đầu vào Kiểu dạng của bộ so pha (PD) có ảnh hưởng rất lớn đến nguyên

lý làm việc của vòng khóa pha (PLL)

Hình 4 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của PLL

Bài báo sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển PLL dựa trên ZCD, và hiện

thực nó bằng điều khiển số Thông qua ZCD, bộ điều khiển sẽ tính toán ra in để đưa vào

hệ thống, và bộ lọc (LF) có dạng bộ điêu chỉnh PI [7] Động học của PLL được đánh giá,

nghiên cứu với mô hình toán được xét từ in out, có sơ đồ cấu trúc cơ bản như hình 4

Ta có: HPI = i

p

K K s

 và đặt LF = KI/KP

1 1

s K





  (3) Hàm truyền hệ kín là: H(s) = 2

( )

PD I

LF

PD P PD I

s

K K

G s

G s s K K s K K







Hoặc có dạng: H(s) =

2 2

LF n

s

s







    (4) với n  K KPD I , 1

n

P PD

K K K





Dạng hàm truyền như (4) có dạng chuẩn bậc 2, tần số dao động tự nhiên với các tham

số LF = 26rad/s để đảm bảo các nhiễu hài của hệ thống được giảm thiểu,  = 0.707 đủ để

giảm thời gian quá độ, độ quá chỉnh, độ chính xác được cân bằng tương đối [7] Mô phỏng

bằng matlab bài báo đưa ra các đồ thị ở hình 5

Hình 5 Đồ thị mô phỏng đặc tính quá độ, quỹ đạo nghiệm và đồ thị bode

Từ hàm truyền hệ hở của hệ thống ta thấy hệ hở luôn ổn định, mà theo đồ thị bode độ

dự trữ pha Pm = 65,5 deg nên hệ kín của hệ thống ổn định, điều đó cũng được chứng minh

qua quỹ đạo nghiệm của hệ thống (toàn bộ quỹ đạo nghiệm của hệ thống nằm bên trái trục

ảo) Từ đồ thị đặc tính đáp ứng quá độ của hệ thống ta có thể tìm được các tiêu chuẩn chất

lượng của hệ thống, thời gian quá độ tqđ 0.1s, độ quá chỉnh P = 21%, độ chính xác tương

đối lớn, đáp ứng được các yêu cầu điều khiển của một hệ thống tự động điều chỉnh

4 ĐIỀU KHIỂN SỐ VÒNG KHÓA PHA

PLL của nghịch lưu điện mặt trời nối lưới được thực hiện kết hợp với mạch vòng điều khiển dòng của nghịch lưu, tạo ra tần số và pha cho tín hiệu đặt của vòng điều khiển này Trong phần mềm, điện áp lưới được lấy mẫu tại mọi kích hoạt của bộ biến đổi tương tự -

số (ADC), cực của điện áp lưới được lưu trong thanh ghi và đều được kiểm tra Nếu có sự thay đổi về cực điện áp lưới thì phần mềm sẽ đặt cờ bắt điểm không (hình 6a) Một thanh ghi chu kỳ lưu trữ tổng số ngắt xuất hiện giữa hai sự kiện bắt điểm không Giá trị đếm chu

kỳ của thanh ghi sẽ bằng một nửa chu kỳ của điện áp lưới (hình 6b)

Hình 6 Phương pháp phase lock loop bằng kỹ thuật số

a Sơ đồ thuật toán của zero cross detecting; b Sơ đồ phương pháp PLL số

Hình 7 Sơ đồ thực hiện PLL số trong hệ thống điện mặt trời

Tại các thời điểm bắt được điểm không (t0, t1, t2), hệ thống đếm lại chu kỳ lưới và điều chỉnh sin đặt Nhưng thời điểm khởi tạo bắt đầu chu kỳ dương của sin đặt chỉ khi bắt đầu chu kỳ dương của điện áp lưới, như vậy sau mỗi bán chu kỳ, sin đặt được điều chỉnh một lần làm cho tần số và do đó dẫn đến pha được điều chỉnh để bám điện áp lưới Sin đặt là bảng các giá trị sin (quy định tần số của sin xoay chiều đầu ra của hệ thống điện mặt trời) được cho dưới dạng biến mảng trong chương trình làm dòng đặt cho mạch vòng điều khiển dòng của hệ thống Chương trình đếm được giá trị đếm của điện áp lưới (tần số) trong một bán kỳ (NsinL), rồi đem so sánh với Nsin_đặt là giá trị khởi tạo cho trước của bảng sin Góc lệch của hai tín hiệu là:  = Nsin_dat/NsinL, đây là biến mới cho bảng sin đặt của chương trình (hình 7) Kết quả của quá trình trên là tần số của sin đặt được điều chỉnh trùng tần số điện áp lưới, cùng với đó là pha của mỗi bán kỳ sin đặt cũng được điều chỉnh trùng với pha của mỗi bán kỳ điện áp lưới Đại lượng sin đặt này được đưa vào vòng điều khiển dòng của hệ thống (hình 1) thì đầu ra của vòng dòng sẽ là dòng điện mong muốn Toàn bộ nguyên lý trên được thực hiện để điều khiển bộ biến đổi một chiều - một chiều của hệ thống, tại cửa ra của nó là dòng điện dạng bán sin dương có tần số trùng với tần số

bán kỳ điện áp lưới, có pha lần lượt trùng với bán kỳ dương và ngược pha với bán kỳ âm

của điện áp lưới

Để tạo được dạng sin đầu ra của hệ thống thì cần phải có nghịch lưu cầu chỉ làm việc

như một mạch lật (hình 1) Các khóa T1  T4 có thể là các thyristor hoặc tranzistor làm

việc dựa trên việc phân biệt chu kỳ âm, chu kỳ dương của điện áp lưới (hình 8) Như vậy

dòng điện tại cửa ra của nghịch lưu có dạng hình sin, có tần số, pha trùng điện áp lưới

Hình 8 Nguyên lý làm việc của mạch nghịch lưu cầu

a Điện áp lưới và xung khiển mạch cầu; b Dòng điện cửa ra của bộ biến đổi MC-MC;

c Dòng điện cửa ra của nghịch lưu

5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐO ĐƯỢC TRÊN HỆ THỐNG ĐƯỢC THIẾT KẾ

Hệ thống điện mặt trời mà bài báo nghiên cứu ở đây được thiết kế với vòng điều khiển

dòng điện để điều khiển dòng điện tại đầu ra của nghịch có hình sin, có biên độ bám với

điểm làm việc công suất cực đại của hệ thống MPPT, có tần số, pha, trùng với tần số, pha

điện áp lưới Mạch điều khiển dòng này có thể được nghiên cứu, xây dựng theo nhiều

phương pháp, điều khiển mờ, trượt, nơ ron, hay kết hợp bộ điều khiển PID và PWM (điều

chế độ rộng xung) như trong [8] Phương pháp như [8] trình bày cũng là phương pháp áp

dụng cho thiết kế hệ thống được nghiên cứu ở đây Các vòng điều khiển MPPT, PLL, PI,

PWM được xây dựng dưới dạng số, là các chương trình được nạp vào trong một vi điều

khiển Các cảm biến và mạch đo dòng, áp được xây dựng dưới dạng phần cứng với phần

tử cơ bản là bộ khuếch đại thuật toán Dựa trên cơ sở lý thuyết như trên, nhóm tác giả đã

xây dựng, thiết kế được một hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện dân dụng (220V,

50Hz), từ đó, thực hiện các thí nghiệm đo, kiểm tra, đánh giá và bước đầu cho thấy đã đạt

được các yêu cầu điều khiển đặt ra (Hình 9)

Hình 9a thể hiện kết quả của vòng PLL, dòng điện cửa ra của nghịch lưu được điều

khiển để trùng pha, tần số với điện áp lưới Hình 9.b là dạng tín hiệu đo được khi lưới

được nối với nghịch lưu, nhưng nghịch lưu chưa được cho làm việc, que đo được đặt tại

cửa ra của nghịch lưu và đầu vào nối với điện áp lưới (hai phía bộ lọc - hình 1), vì lưới đã

được nối với nghịch lưu, nên hai tín hiệu thể hiện trên hình chính là điện áp lưới Vẫn vị trí

que đo như vậy, nghịch lưu được khởi động và làm việc, hai tín hiệu Vnl và Vlưới có sự dịch

pha và có dạng như hình 9c Sau đó, khi hòa lưới ổn định thì hai tín hiệu đo được có dạng

như hình 9d Hệ thống cung cấp cho lưới một nguồn dòng ổn định, điện áp ra được đẩy lên

lớn hơn điện áp lưới một lượng nhỏ

Hình 9 Kết quả thí nghiệm với khóa T là các thyristor

Khi cho nghịch lưu làm việc độc lập với tải điện trở, điện áp ra của nghịch lưu có dạng như hình 10 Để đảm bảo an toàn làm việc cho hệ thống, các khâu bảo vệ khỏi các sự cố

áp, dòng, tần số lưới cũng được thiết kế với các phần tử đo bằng phần cứng, chương trình bào vệ bằng phần mềm

Hình 10 Mô hình thực nghiệm với khóa T là các thyristor

6 KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu nguyên lý làm việc của hệ thống điện mặt trời, xây dựng cơ sở lý thuyết, nghiên cứu động học của hệ thống, tác giả đã đưa ra được phương pháp số thực hiện bài toán hòa đồng bộ nguồn điện mặt trời vào lưới điện (dân dụng, công nghiệp ) dựa trên mạch vòng khóa pha (PLL) sử dụng phương pháp bắt điểm không (ZCD) Từ đó, một hệ thống thực được thiết kế và cho ra kết quả ban đầu tương đối tốt, dòng điện của nghịch lưu được kiểm soát chặt chẽ có tần số và pha bám theo tần số, pha điện áp lưới

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] L Hassaine, E Olías, J Quintero, and A Barrado, "Digital Control based on the Shifting

Phase for Grid Connected Photovoltaic Inverter," IEEE, pp 945-951, 2008

[2] L Hassaine, E Olias, J Quintero, and M Haddadi, "Digital power factor control and

reactive power regulation for grid-connected photovoltaic inverter," Renewable

Energy, pp 315-321, 2009

[3] R Zanasi and S Cuoghi, "Power Control of Grid-Connected Photovoltaic Systems,"

ISIE, 2011

[4] G.-C Hsich and J C Hung, "Phase lock Loop techniques-A survey," IEEE, vol 43,

pp 609-615, 1996

[5] L R Limongi, R Bojoi, C Pica, F Profumo, and A Tenconi, "Analysis and

Comparison of Phase Locked Loop Techniques for Grid Utility Applications," IEEE,

pp 674-681, 2007

[6] R M S Filho, P F Seixas, P C Cortizo, L A B Torres, and A F Souza,

"Comparison of Three Single-Phase PLL Algorithms for UPS Applications," IEEE,

vol 55, pp 2923-2932, 2008

[7] W F EGAN., Phase-lock basics: Wiley-IEEE Press, 2007

[8] P Q Khải and N V Thuấn, "Nghiên cứu và cải thiện tính ổn định động học của bộ

biến đổi flyback trong hệ thống điện mặt trời," Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự,

vol 34, pp 65-72, 2014

ABSTRACT

RESEARCH SYNCHRONIZATION FOR GRID CONNECTED INVERTER IN SOLAR

POWER SYSTEM BASE ON DIGITAL PHASE LOCKED LOOP

The paper analyzes the dynamics and provides a method of digital control for

phase locked loop with zero cross detectinon applied for grid connected solar power

system control Based on that methodology, This paper presents an experimented

model designed by authors The model was tested through the measured results and

it reveals that the system has achieved the required controls

Keywords: Grid connected solar system, Phase locked loop, Solar power inverter

Nhận bài ngày 20 tháng 5 năm 2015 Hoàn thiện ngày 29 tháng 6 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 8 năm 2015

Địa chỉ: 1 Học viện Kỹ thuật quân sự;

2 Học viện PK – KQ; *Email: phungquangkhai80@gmail.com.