Nghiên cứu giải thuật điều khiển dự báo điện áp và ứng dụng để thiết kế bộ phục hồi điện áp động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐIỆN ÁP VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP ĐỘNG Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Đình Tuyên Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày năm tháng Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận vãn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN NGỌC HẢI MSHV: 7140407 Ngày, tháng, năm sinh: 15/09/1991 Nơi sinh: Phú Thọ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên Cứu Giải Thuật Điều Khiển Dự Báo Điện Áp Ứng Dụng Để Thiết Kế Bộ Phục Hồi Điện Áp Động II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu giải thuật điều khiển dự báo điện áp (20%) Mô giải thuật điều khiển dự báo điện áp cho biến tần đa bậc T-NPC phần mềm (20%) Xây dựng mơ hình biến tần đa bậc T-NPC phần cứng sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335 để lập trình điều khiển điện áp ngõ biến tần dựa giải thuật điều khiển dự báo điện áp (20%) Nghiên cứu mô phục hồi điện áp động dựa giải thuật điều khiển dự báo điện áp biến tần đa bậc T-NPC (30%) Xậy dựng mơ hình phần cứng cho phục hồi điện áp động dựa biến tần đa bậc TNPC giải thuật điều khiển dự báo điện áp (10%) III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Nguyễn Đình Tuyên Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Xin gửi đến thầy Nguyễn Đình Tuyên lời cảm ơn kính trọng sâu sắc Cảm ơn Thầy cung cấp tài liệu, kiến thức cần thiết để tơi hoàn thành luận văn Thầy tạo điều kiện nghiên cứu, hội để Em nâng cao kiến thức chuyên ngành cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học Xin chân thành cảm ơn Thầy Phan Quốc Dũng, trưởng môn cung cấp điện tạo điều kiện cho em học tập nghiên cứu Phòng Thí Nghiêm Nghiên Cứu Điện Tử Công Suất (PERL) 115B1 Cảm ơn thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TPHCM, thầy cô khoa Điện- Điện tử đặc biệt thầy cô môn cung cấp điện tận tình dạy, truyền đạt kiến thức cho tơi suốt bốn năm rưỡi học tập trường Đồng thời xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Bảo Anh, anh Nguyễn Duy Tường, anh Lê Châu Duy, em Nguyễn Thế Tiên, , Nguyễn Chấn Việt, Lê An Nhuận phòng nghiên cứu điện tử cơng suất 115B1 quan tâm, chia sẻ mặt kiến thức tơi học tập phòng thí nghiệm Cảm ơn Em Hiền Phạm, người yêu người bên để chia sẻ động viên tơi gặp khó khăn sống lẫn học tập suốt thời gian qua Tôi nhớ khoảng thời gian ăn uống dạo phố Em ngày nghỉ lúc bế tắc ưong nghiền, phút giây thư giãn giúp tơi tìm hướng giải ý tưởng ttong học tập Cuối quan trọng gia đình tơi Cảm ơn Bố, Mẹ, chị Hiên, chị Hồng anh Phát anh Thiện nguồn động lực, điểm tựa vững giúp vượt qua hạn chế thân đưa lời khuyên giúp vượt gặp khó khăn học tập tiếp tục theo đuổi mục tiêu TRẦN NGỌC HẢI Tp HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2016 TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn giới thiệu điều khiển dự báo điện áp cho nghịch lưu đa bậc T-NPC ứng dụng để thiết kế phục hồi điện áp động Bộ phục hồi điện áp động có chức bảo vệ loại tải nhạy cảm chống lại sụt áp Điện áp cần thiết để bù cho tải có cách so sánh điện áp lưới với điện áp định mức tải Thuật tốn PLL sử dụng để bắt góc pha điện áp lưới Bộ nghịch lưu ba bậc T-NPC với lọc LC ngõ sử dụng để sinh điện áp xoay chiều, điện áp bom lên lưới bù cho tải thông qua máy biến áp bom Một phương pháp đề nghị để điều khiển nghịch lưu T-NPC nhằm sinh điện áp bù có chất lượng cao dựa tảng phương pháp điều khiển dự báo Theo Phương pháp này, hệ thống gồm nghịch lưu T-NPC lọc LC mơ hình hóa nhằm xác định phương trình sử dụng để tính tốn giá trị tương lai điện áp bù điện áp hai tụ dc-link chu kì lấy mẫu Sau đó, trạng thái đóng ngắt có sinh vector điện áp có khả tối thiểu hóa sai số điện áp bù điện áp hai tụ dc-link chọn cho chu kì đóng ngắt nghịch lưu T- NPC Kết mô xác minh tính đắn thuật tốn đưa Điện áp bù chuẩn sine đáp ứng nhanh với cố sụt áp Điện áp tải trì liên tục với độ méo dạng 2% kết đạt từ mô TRẦN NGỌC HẢI ABSTRACT This Thesis introduces a predictive voltage confroller for multilevel inverter used in Dynamic Voltage Restorer, which is able to protect a sensitive load against grid voltage sags dynamically The compensated voltages are obtained by using Phase-Lock Loop to detect the phase and the magnitude of the grid voltage then compare to the load reference voltage A T-Type NPC (T-NPC) inverter with output LC filter is used to generate the ac voltage that will be injected to the load via injection transformer to compensate sag voltages A new method to generate very high quality compensated voltages based on predictive controller will be presented The model of the systems include T-NPC inverter and LC filter are built to establish the equations that can be applied to calculate the future values of the compensated voltage and the de link voltage capacitor at the next sampling time After that, the optimal voltage vectors that minimize both the compensated voltage and the de link capacitor errors will be chosen for the next switching state of the T-NPC inverter Obtained simulation results verified the theoretical analysis The compensated voltage is almost sinusoidal and the load voltage is always constant with THD lower than 2% when facing voltage sags TRẦN NGỌC HẢI LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu luận văn hồn tồn tơi làm hướng dẫn Thầy Nguyễn Đình Tuyên giúp đỡ anh em Phòng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện Tử Cơng Suất 115B1, hồn tồn khơng chép hay đánh cắp Những số liệu kết ghi luận văn trung thực Các tài liệu trích dẫn thật có nguồn gốc rõ ràng Nếu có sai phạm tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm trước hình thức kỉ luật Tp, HCM ngày 20 tháng 06 năm 2016 Tác giả Trần Ngọc Hải TRẦN NGỌC HẢI HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN LUẬN VÃN THẠC SĨ MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU * 1.1 Giới thiệu phục hồi điện áp động 1.2 Giới thiệu giải thuật điều khiển dự báo 1.3 Giới thiệu nghịch lưu ba bậc TNPC 12 1.4 Tóm tắt luận văn 16 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐIỆN ÁP CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA HAI BẬC 17 2.1 Mơ hình hóa nghịch lưu ba pha hai bậc 18 2.2 Mơ hình hóa lọc LC 19 2.3 Giải thuật dự báo điện áp đề nghị 21 2.4 Kết mô 22 2.4.1 Mô với tần số lấy mẫu 10 kHz 23 2.4.2 Mô với tần số lấy mẫu 20 kHz 24 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐIỆN ÁP CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC 27 3.1 Mơ hình hóa nghịch lưu ba bậc T-NPC 28 3.2 Giải thuật đề nghị 33 3.2.1 Giải thuật cân tụ 33 3.2.2 Giải thuật giảm điệm áp Common Mode 34 3.2.3 Giải thuật điều khiển dự báo cho nghịch lưu T-NPC 36 3.3 Kết mô 38 3.3.1 Mơ với tải tuyến tính 40 3.3.2 Mô với tải phi tuyến 43 3.4 Kết thực nghiệm 46 3.4.1 Ket thực nghiệm với tải tuyến tính 50 3.4.2 Thực nghiệm với tải phi tuyến 52 CHƯƠNG 4: 4.1 BỘ PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP ĐỘNG 54 Phase-Lock loop 56 4.1.1 Giới thiệu 56 4.1.2 Chuẩn hóa PLL 58 4.1.3 Mơ hình rừi rạc hóa PLL sử dụng điều khiển PI 60 4.1.4 Kết mô PLL 62 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI LUẬN VÃN THẠC sĩ CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN 4.2 Thiết kế phục hồi điện áp động 68 4.3 Kết mô DVR 70 4.4 Kết thực nghiệm DVR 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 LUẬN VÃN THẠC sĩ HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN lượng điện áp tương tự điện áp lưới, thời gian độ gần • Góc pha lưới điện d (hình 4.13) gần khơng bị ảnh hưởng cố sụt điện áp, cố pha hay nhảy pha • Sai số xác lập giải thuật PLL lại gần không bất chấp tượng sụt áp xảy (hình 4.14) Hình 11 Điện áp lưới hệ tọa độ aỊ3 trường hợp sụt áp Hĩnh 12 điện áp lưới hệ tọa độ quay dqO truong trường họp sụt áp 67 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI LUẬN VÃN THẠC sĩ CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN Hình 13 góc pha theta lưới điện xảy sụt áp Hình 14 sai số q trình bắt góc pha lưới điện bị sụt áp 68 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN LUẬN VÃN THẠC sĩ Thiết kế phục hồi điện áp động 4.2 Trong luận văn này, DVR xây dựng dựa nguyên lý DVR tổng quát cho hình (4.1) Trong đó, nghịch lưu T-NPC dùng nguồn áp sinh điện pha để bù lại lượng điện áp bị sụt lưới điện Giải thuật PVC sử dụng nhằm nâng cao chất lượng điện áp ngõ giảm thời gian độ hệ thống, máy biến áp cách ly với tỉ lệ số vòng dây cuộn sơ cấp số vòng dây cuộn thứ cấp 1:1 Sensitive Load T3 Power Gr I PLL& Vgrid_q Vlref d VI ref Vsagd ộ WZV I1 ——* dq to abc PVC Switching States Hình 4.15 Mơ hình thiết kế DVR > Nguyên lý hoạt động Ban đầu, điện áp lưới ba pha phía trước tải đọc cảm biến Những giá ttị chuyển tới điều khiển, điều khiển xử dụng thuật tốn PLL trình bày ttên phần 4.1 để bắt góc pha điện áp lưới, đồng thời trình sử dụng biến đổi Park Transform (4.3) để chuyển đổi điện áp lưới từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ quay dqO Ket thúc trình thu biên độ điện áp lưới VGrid d, VGrid q góc pha điện áp lưới ỡ 69 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN LUẬN VÃN THẠC sĩ Sau đó, dựa vào biên độ điện áp định mức lưới điện VLrefđ, VLref , giá trị điện áp sụt lưới VSag xác định việc trừ điện áp lưới định mức cho điện áp lưới thực tế đọc V =v — v„ Sagd Lrefd Vsagq ~^Lrefq v (4.23) Gridd (4.24) ^Gridq Điện áp sụt lưới thu Uong hệ tọa độ vng góc dqO Do cần phải chuyển hệ tọa độ abc để làm điện áp tham chiếu cho nghịch lưu Để chuyển điện áp từ hệ tọa độ dqO abc ta sử dụng công thức (3.25), ỡ góc pha điện áp lưới V Sag V Sag V V V V cos(ớ) a b Sagc cos(ớ-^) -sin(ớ) -sin(ớ-^) Sagd V Sag V V -sin(ớ-y) cos(ớ + -y) V q (4.25) Sag0 Điện áp sụt V điều khiển dùng điện áp tham chiếu, sau điều khiển sử dụng thuật tốn PVC trình bày chương để tạo trạng thái đóng ngắt hợp lý để điều khiển nghịch lưu T-NPC nhằm sinh điện áp có biên độ với biên độ điện áp mà lưới điện bị sụt, đồng thời góc pha điện áp trùng với góc pha điện áp lưới nhờ kết giải thuật PLL Gọi điện áp Vcomp Điện áp Vcamp sau nghịch lưu T-NPC sinh đưa tới máy biến áp bơm (Injection Transformer), Injection Transfomer kết nối nối tiếp với điện áp lưới tải cách hợp lý hình 3.15 để bơm điện áp cho tải • A comp 70 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN LUẬN VÃN THẠC sĩ Do điện áp VCữmp pha với điện áp lưới nên cộng Vcomp vào biên độ điện áp tải tổng hai biên độ V ,=v„ +v_ Load 4.3 (4.26) Grid r comp Kết mô DVR Sơ đồ mô DVR xây dựng hên phần mềm MATLAB/Simulink phiên 8.0 (2013) cho hình 4.16 Cụ thể khối sơ đồ hình 4.16 biễu diễn hình từ 4.lóa đến 4.16e Để mơ lưới điện tượng sụt áp lưới điện, sử dụng khối Three- phase Programable Voltage Sourse Khối tạo điện áp pha mong muốn với cố sụt áp thời gian sụt áp cài đặt Hình 16 Sơ đồ mơ DVR MATLAB/Simulink 71 LUẬN VÃN THẠC sĩ HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN Hình 4.16 a khối cảm biển đọc điện áp lưới (three-phase voltage sensor) Hình 4.16b khối giãi thuật PVC (PVC_TNPC) 72 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN LUẬN VÃN THẠC sĩ Al A2 TI Bl B2 T2 Hình 4.16 d Khổi máy biến áp bom (Three-phase Transformer 380/380) 73 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN LUẬN VÃN THẠC sĩ Hình 4.16 e Khổi lọc LC (LC Filter) Các thông số mô cho DVR cho ửên bảng Bảng Các thông sổ mô cho DVR Thông số Giá trị Vdc 500 [VDC] Hai tụ điện dc-link Cl, C2 lOOOe-ố [F] Cuộn lọc [mH] Tụ lọc [25 uF] Tỉ số máy biến áp 1:1 Tải R= 10ÍÌ, L = 5mH Điện áp dây định mức lưới điện (rms) 380 [V] Thời gian lấy mẫu Ts 40 [us] Điện áp lưới trường hợp mô sụt 30% so với điện áp định mức (Hình 4.17) ừong khoảng thời gian 0.1 giây (5 chu kì điện áp), sụt áp xảy đồng pha 74 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN LUẬN VĂN THẠC sĩ Hình 4.17 Điện áp lưới để khảo sát DVR mô áp lưới sang hệ tọa độ quay dqO (hình 4.18) Hình 4.18 Điện áp ỉưởi hệ tọa độ dqO 75 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI LUẬN VÃN THẠC sĩ CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN Do tượng sụt áp bình thường hệ thống điện, khơng phải tượng nhảy pha hay nhảy tần nên theo lý thuyết góc pha điện áp khơng thay đổi Góc pha điện áp trường hợp bắt thuật tốn PLL hình 4.19 Hình 4.19 Góc pha đỉện áp lưới Ban đầu chưa có sụt áp, nghịch lưu khơng điều khiển đóng ngắt để sinh điện áp Ngay sau hiên tượng sụt áp xảy ra, nghịch lưu điều khiển đóng ngắt sinh điện áp phù hợp để borm lên lưới (hình 4.20), điện áp có biên bộ, pha với điện áp bị sụt lưới điện hình 4.21 Điện áp inverter sinh dựa ttên giải thuật điều khiển dự báo điện áp có độ méo dạng ít, dạng sóng gần sine Điện áp inverter sinh sau borm lên tải thơng qua máy biến áp borm, điện áp tải trì không đổi điện áp lưới bị sụt Thời gian độ trình thấp, vào khoảng 0.0005s (1/40 chu kì điện áp) Điện áp tải gần phục hồi với tổng độ méo dạng THD khoảng 1.75%, đáp 76 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI LUẬN VÃN THẠC sĩ CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN ứng tỉêu chuẩn chất lượng điện (Hình 4.22) Dòng điện tải cho hình 4.23 với độ méo dạng thấp, gàn 1.47% T*í Srt w ta3-'The sag voltage Iin-J compensated voltage |s| 77 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI LUẬN VÃN THẠC sĩ LUẬN VÃN THẠC SĨ CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN Tr» iMdVotMI ™ Hình 22 Đỉện áp tải sau khỉ bù w Í«>| Hĩnh 23 Dòng điện tải khỉ lưới bị sụt áp 78 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN Ngồi điện áp hai tụ dc nghịch lưu TNPC cân dựa vào giải thuật PVC đưa ra, Hình 4.24 Hình 24 Điện áp hai tụ nguồn nghịch ỉưu Để đánh giá tốt thời gian đáp ứng đồng phục hồi điệp áp động thiết kết, hình 4.25 biểu diễn điện áp lới, điện áp ngõ inverter điện áp tải LUẬN VÃN THẠC sĩ 79 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI LUẬN VÃN THẠC sĩ 4.4 CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN Kết thực nghiệm DVR Mơ hình thực nghiệm phục hồi điện áp động xây dựng phòng thí nghiệm Vì khơng có nguồn ba pha lập trình nên tượng sụt áp tiến hành sau: ban đầu cho điện áp lưới qua máy biến áp tự ngẫu có núm vặn để điều khiển điện áp ngõ (va-ri-ắc) muốn có tượng sụt áp cần vặn núm xoay va-ri-ắc Việc tạo tượng sụt áp đơn giản gây khó khăn việc lấy kết thực nghiêm Những thiết bị dùng trình thực nghiệm cho ưên hình 4.26 Hĩnh 26 Mơ hĩnh DVR phòng thí nghiệm Do khơng có nguồn lập trình thiết bị đo đủ nhanh để đo điện áp tải sụt áp xảy nên điện áp nên ửong báo cáo trình bày vài hình ảnh tham khảo 80 HVTH: TRẦN NGỌC HẢI CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN Hình 4.27 điện áp định mức giả lập lưới điện với biên độ 100V tần số 50Hz lek n ln? 'l MPcsatCTf MEASUFE * MM ! I ’■ M*fH Ott Mltkũmí CH3 saw 17-Jun-16 21:24 Hình 27 Điện áp lưới mong muốn Điện áp ửong hệ tọa độ dqO thu phần mềm CCS (hình 4.28), điện áp nhân lên trăm lần Điện áp Vo không thật không mà dao động quanh điểm khoảng đơn vị, điện áp Vq không chuẩn DC mà giao động quanh điểm biên độ điện áp lưới Những sai số giải thích điện áp lưới khơng cân ba pha (hình 4.27) Mặc dù có sai số sai số nhỏ chủ yếu điện áp nguồn ba pha không cân gây Dạng điện áp giá trị dao động quanh điểm xác điều cho thấy giải thuật đề nghĩ khả thi Để minh chứng cho điều này, hình 2.29 thể góc pha điện áp lưới bắt phần mêm CCS nhờ giải thuật PLL 81 ... Kỹ Thuật Điện Mã số: 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên Cứu Giải Thuật Điều Khiển Dự Báo Điện Áp Ứng Dụng Để Thiết Kế Bộ Phục Hồi Điện Áp Động II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu giải thuật điều khiển. .. trình điều khiển điện áp ngõ biến tần dựa giải thuật điều khiển dự báo điện áp (20%) Nghiên cứu mô phục hồi điện áp động dựa giải thuật điều khiển dự báo điện áp biến tần đa bậc T-NPC (30%) Xậy dựng... điều khiển dự báo điện áp cho nghịch lưu đa bậc T-NPC ứng dụng để thiết kế phục hồi điện áp động Bộ phục hồi điện áp động có chức bảo vệ loại tải nhạy cảm chống lại sụt áp Điện áp cần thiết để