Bài báo này trình bày kỹ thuật điều khiển một bộ nghịch lưu ANPC 3 bậc kết nối giữa giàn Pin năng lượng mặt trời với lưới điện 1 pha không sử dụng máy biến áp mới để sự phân bố tổn thất tốt hơn. Đồng thời thực hiện một phần nhỏ của việc hòa đồng bộ giữa PV-lưới sử dụng kỹ thuật vòng khóa pha và bộ điều chỉnh PI. Hệ thống đề xuất được kiểm tra bằng việc mô phỏng sử dụng Simulink/Matlab nhằm xem xét, đánh giá khả năng của bộ nghịch lưu nối lưới.
Hệ thống Photovoltaic Kỹ thuật – Công nghệ HỆ THỐNG PHOTOVOLTAIC KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN MỘT PHA KHÔNG SỬ DỤNG MÁY BIẾN ÁP Phạm Hữu Thái *, Lê Chí Kiên**, Vũ Thế Đảng*** TĨM TẮT Cấu trúc Neutral Point Clamped (NPC) có hiệu suất cao, dòng rò nhiễu điện từ thấp nên sử dụng cách rộng rãi hệ thống phát điện phân tán Tuy nhiên nhược điểm nghịch lưu NPC không cân phân bố tổn thất linh kiện bán dẫn, dẫn đến không cân phân bố nhiệt Bằng cách sử dụng cấu trúc NPC tích cực, vấn đề phân bố tổn thất cơng suất giảm bớt Do chiến lược điều khiển cấu trúc điểm mấu chốt Bài báo trình bày kỹ thuật điều khiển nghịch lưu ANPC bậc kết nối giàn Pin lượng mặt trời với lưới điện pha không sử dụng máy biến áp để phân bố tổn thất tốt Đồng thời thực phần nhỏ việc hòa đồng PV-lưới sử dụng kỹ thuật vòng khóa pha điều chỉnh PI Hệ thống đề xuất kiểm tra việc mô sử dụng Simulink/Matlab nhằm xem xét, đánh giá khả nghịch lưu nối lưới Từ khóa: ANPC, PV-lưới, không sử dụng máy biến áp… A 3LEVEL_ANPC INVERTER FOR TRANSFORMERLESS SINGLE PHASE GRID CONNECTED PHOTOVOLTAIC SYSTEMS ABSTRACT The Neutral Point Clamped topology due to high efficiency, low leakage current and electromagnetic Interference (EMI), its integration is widely used in the distributed generation (DG) systems However the main disadvantage of the NPC inverter is given by an unequal distribution of the losses in the semiconductor devices, which leads to an unequal distribution of temperature By using the Active NPC (ANPC) topology, the power losses distribution problem is alleviated Therefore, the control strategy is a key issue in this topology This paper presents a new technique to control for 3Level – ANPC inverter, which connected Photovoltaic array with a single phase grid transformerless, for better losses distribution Also, performs a small part of the PV-grid synchronization using a phase lock loop (PLL) and PI regulator The proposed system has been tested by simulation using Simulink/Matlab to consider and evaluate the ability of the gridconnected inverter Key word: PV-grid, ANPC, transformerless,… * ThS GV Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM ** TS GV Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM *** ThS GV Trường ĐH Kinh tế Kỹ Thuật Bình Dương 97 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật GIỚI THIỆU: Với việc gia tăng công suất lượng tái tạo, hệ thống Photovoltaic (PV) kết nối lưới, đặc biệt hệ thống điện pha công suất thấp (từ 1kW đến 10kW), trở thành thành phần quan trọng hệ thống phát điện phân tán (DG) Trong đó, hệ thống PV công suất thấp thường hệ thống tư nhân, mà cần phải cung cấp cho người sử dụng lợi nhuận tối đa thông qua hiệu suất cao, tuổi thọ lâu dài, giá thành thấp, nhỏ an toàn Để cải thiện hiệu suất nghịch lưu giá hệ thống thấp hơn, biến áp cách ly lưới điện thường loại bỏ (chúng hay sử dụng để bảo vệ người tránh dòng rò hệ thống PV đất) Do đó, nhiều ứng dụng không máy biến áp đề xuất [2], bao gồm cấu trúc HERIC, cấu trúc FB với DC Bypass, cấu trúc H5, cấu trúc NPC, cấu trúc Conergy NPC Cấu trúc NPC giới thiệu Nabae, Takahashi Akagi vào năm 1981, cấu trúc nghịch lưu kết nối đến lưới không sử dụng máy biến áp So sánh với cấu trúc khác, NPC cho tổn thất chuyển mạch, sóng hài dòng common mode thấp hơn, cải thiện đáng kể hiệu suất nghịch lưu làm cho hấp dẫn ứng dụng quang điện (PV) Trong nhược điểm nghịch lưu NPC cho phân bố không tổn thất thiết bị bán dẫn, mà dẫn đến khơng cân phân bố nhiệt giới hạn công suất ngõ nghịch lưu Để giải vấn đề báo thực việc chọn cấu trúc NPC tích cực bậc nhánh (3L – ANPC), hình 2, để thực việc kết nối lưới điện pha Hình 2: Một nhánh 3L – ANPC Các diode kẹp D1 D2 cấu trúc NPC thay switch S1C S3, active switches với anti-parallel diode cấu trúc ANPC, cho phép dòng điện qua chiều Bằng cách này, khóa bổ sung cho phép nhiều trạng thái chuyển mạch đảo mạch so với cấu trúc NPC Vì số lượng trạng thái chuyển mạch đảo mạch gia tăng mà đạt với cấu trúc ANPC so với NPC, nên nhiều chiến lược điều chế thực để điều khiển nghịch lưu ANPC, [3] Do đó, cách sử dụng kỹ thuật điều chế thích hợp, cân tổn thất thiết bị bán dẫn đạt Đây lý báo đề xuất chiến lược điều khiển sử dụng kỹ thuật đa sóng mang với điện áp common mode trung bình để điều khiển nghịch lưu 3L-ANPC nhằm giải vấn đề tổn thất công suất đảm bảo yêu cầu kết nối lưới điện pha, [4] Đồng thời tác giả giới thiệu kỹ thuật đơn giản để nghịch lưu hòa đồng với lưới sử dụng kỹ thuật vòng khóa pha PLL điều chỉnh PI Tất mơ Simulink/Matlab Hình 1: Cấu trúc 3L-NPC nhánh 98 Hệ thống Photovoltaic ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG Sơ đồ khối toàn hệ thống PV kết nối lưới điện pha không sử dụng máy biến áp thể hình + Lọc thông thấp: lọc gợn điện áp Vd(t) để trở thành điện áp biến đổi chậm đưa vào mạch khuếch đại chiều + Khuyết đại chiều: khuếch đại điện áp chiều Vdk(t) để đưa vào điều khiển tần số mạch VCO + VCO (Voltage Controlled Oscillator): dao động mà tần số điều khiển điện áp đưa vào Trong đề tài này, tác giả muốn sử dụng kỹ thuật PLL để thực việc khóa pha tần số điện áp lưới để đáp ứng nhu cầu kết nối lưới, đặc biệt bám theo tần số lưới với ngõ vào điện áp lưới Vg Hình 3: Sơ đồ khối hệ thống đề xuất Hệ thống bao gồm giàn PV, tăng áp (DC/DC Boost converter), nghịch lưu 3L-ANPC, lưới điều khiển Để đảm bảo dòng cơng suất từ giàn PV đến lưới thật cần thiết sử dụng tăng áp để đẩy điện áp DC lên cao, đặc biệt không sử dụng máy biến áp Hệ thống vận hành điện áp DC-bus Vdc lớn biên độ điện áp lưới [5] 2.1 Khối PLL Vòng khóa pha PLL hệ thống vòng kín hồi tiếp, tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số pha tín hiệu theo tần số pha tín hiệu vào [6], với tín hiệu vào điện áp lưới, có sơ sồ khối hình: Hình 5: Sơ đồ khối khối PLL Simulink/Matlab 2.2 Khối điều chỉnh PI (PI regulator): Để thực việc đồng kết nối lưới PV pha lên lưới, việc sử dụng kỹ thuật PLL, ta phải kết hợp với điều chỉnh PI để thực việc điều khiển nghịch lưu cho phù hợp nhằm sai số dòng tham chiếu dòng nối lưới Ngõ PLL wt đưa vào khối tạo dòng tham chiếu trước đưa vào điều chỉnh PI, với đoạn code phụ lục A Hình 4: Sơ đồ khối khối PLL Chức khối: + Tách sóng pha: so sánh pha tín hiệu vào tín hiệu VCO để tạo tín hiệu sai lệch Vd(t) Hình 6: Khối dòng tham chiếu Iref 99 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật điều chỉnh cách nhân sai số với số Kp Như [7], cách chọn tần số điều chế 10KHz, độ lợi trước khâu tích phân chọn 150MHz/10KHz = 15000 độ lợi khâu tỷ lệ 25 Với tần số đồng hồ (Clock frequency) 150MHz 2.3 Giải thuật PWM đề xuất điều khiển 3L-ANPC: Để khắc phục nhược điểm chiến lược điều khiển xem xét [3] ta sử dụng kỹ thuật điều khiển đa sóng mang với điện áp common mode trung bình Do nghịch lưu chọn cấu trúc bậc nên ta chọn sóng mang để điều khiển nghịch lưu nhánh [1] Để thuận tiện cho việc điều khiển chọn nhánh hình để thực chiến lược điều khiển, nhánh lại tương tự Quy tắc điều khiển, kích đối nghịch: S1 + S1C = 0; S2 + S2C = 0; S3 + S3C = Hình 7: Khối PI Regulator Dòng nghịch lưu Ig đo feed back đến so sánh với dòng tham chiếu Iref Dòng Iref đạt cách đo điện áp lưới chuyển đổi qua PLL đưa khối tạo dòng tham chiếu Điều thực đảm bảo Ig bám theo lưới đồng PV lưới Sai lệch dòng tức thời e đưa đến điều khiển tích phân – tỷ lệ Khâu tích phân (I) PI cải thiện việc dò tìm, cách giảm sai số tức thời dòng tham chiếu dòng thực tế [7], Phân phối khâu tích phân (đơi gọi reset) tỉ lệ thuận Ba trạng thái áp nghịch lưu pha A với biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy bảng sau: Bảng 1: Trạng thái đóng cắt switch sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian VAO S1 S2 S3 S1C S2C S3C (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù hiệu chỉnh trước Tích lũy sai số sau Vdc 1 0 nhân với độ lợi tích phân cộng với Vdc/2 1 tín hiệu đầu điều khiển Biên độ 0 0 1 phân phối khâu tích phân tất tác động điều chỉnh xác định độ lợi Từ bảng trạng thái, ta xét điện áp điều tích phân,Ki Khâu tỷ lệ (P) hay gọi độ lợi làm thay đổi giá trị đầu ra, tỷ lệ với khiển nằm hai khoảng ≤ uđk1 < giá trị sai số Đáp ứng tỷ lệ ≤ uđk1 ≤ trình bày hình So sánh sóng mang C1, C2 với uđk1 để tạo xung kích cho cặp switch, cụ thể: Dễ dàng chứng minh rằng: Nếu ≤ uđk1 < 2→ UAO= Vdc.uđk1 Nếu ≤ uđk1 < 1→ UAO= Vdc.uđk1 2 Việc so sánh thể hình 100 Hệ thống Photovoltaic Hình : Khối so sánh sóng mang tín hiệu điều khiển cho nhánh A B Simulink/Matlab Hình 9: So sánh sóng điều khiển với sóng mang + Giải thuật tính tốn uđkj cho nghịch lưu pha nhánh 3L – ANPC: Cấu trúc 3L-ANPC nhánh sử dụng đề tài xét hình 10 Hình 10: Cấu trúc 3L-ANPC nhánh Simulink/Matlab 101 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Với cấu trúc để tìm áp điều khiển ta có giải thuật tổng qt sau: Hình 11: Giải thuật tìm áp điều khiển Ta phân tích điện áp tải nghịch lưu áp pha dạng nhánh (mạch cầu) tương tự nghịc lưu áp ba pha Hình 12: Giải thuật tìm áp điều khiển Simulink/Matlab 2.4 Bộ MPPT cải tiến: Nhằm để thực việc dò tìm cơng suất điểm làm việc cực đại đề tài sử dụng giải thuật MPPT cải tiến, với lưu đồ giải thuật sau: Hình 13: Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến 102 Hệ thống Photovoltaic - Mơ hình Simulink cải tiến sau: Hình 14: Mơ hình Simulink khối MPPT cải tiến MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 Chọn thơng số mơ hình: Hình 15: Hệ thống PV-lưới đề xuất Để tiến hành thực mô hệ thống PV kết nối lưới điện pha sử dụng cấu trúc 3L-ANPC với giải thuật đề xuất, giá trị chọn bảng Bảng 2: Thông số lưới, nghịch lưu Thơng số Điện áp lưới Vg URMS=220V Dòng lưới Ig (Khi cường độ chiếu sáng 1000W/m2, hệ số điều chế 1) IRMS=6A Tần số lưới f=50Hz Điện áp ngõ DC/DC Vdc=311V Ri 0.01𝛺 Li 5e-3H Rg 0.05 𝛺 Lg Tần số đóng cắt Thơng số Ký hiệu Độ lớn Đơn vị Công suất MPP Pp 110 W Điện áp MPP Vp 17 V Dòng điện MPP Ip 6,47 A Điện áp hở mạch VOC 21,3 V Dòng điện ngắn mạch ISC 7,48 A Số cell môđun n 72 cell Nhiệt độ T 25 C Bảng 3: Thông số môđun PV EC-110-G 1e-4H Ta chọn 12 môđun PV EC-110-G để mơ hệ thống 10kHz 103 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 3.2.Mơ hình khối PV Block Matlab/Simulink: Bên khối sau: Hình 16: Khối PV Block Hình 17: Các khối bên PV Block 3.3 Mơ hình PV: Được viết dạng Model Hình 18: Sơ đồ khối mơ hình mơ PV module 104 Hệ thống Photovoltaic Hình 19: Chi tiết bên sơ đồ khối mơ hình mơ PV module Sơ đồ mơ hình DC-DC converter + Sơ đồ mạch: Hình 20: Sơ đồ mạch DC-DC boost converter kết nối PV panel + Mô hình DC –DC boost converter lý tưởng Matlab Hình 21: Khối boost converter Bên khối Boost DC – DC: Hình 22: Bên khối boost converter 105 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật KẾT QUẢ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB/SIMULINK 4.1 PV module Hình 23: Đường đặc tính I-V P-V 4.2 Boost DC – DC converter Với việc chọn thông số hình bên dưới: Hình 24: Chọn thơng số cho DC/DC Ta có dạng sóng: Insolation (chiếu độ) 200, 400, 600, 1000; VPV; IPV; Pboost với giải thuật MPPT cải tiến: Hình 25: Dạng sóng Insolation; VPV; IPV; Pboost 106 Hệ thống Photovoltaic Hiệu suất, Duty cycle, VPV, Iref, Vout Boost converter: Hình 26: Hiệu suất, Duty cycle, VPV, Iref, Vout boost converter 4.3 Tín hiệu điều khiển sóng mang Với hệ số điều chế ta được: Hình 27: Dạng sóng tín hiệu điều khiển Hình 28: Dạng sóng tín hiệu điều khiển phóng to 107 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 4.4 Dòng áp tải 3L-ANPC: Với tải RL: R= 13.8 𝛺; L= 0.1194H, cường độ chiếu sáng 1000 W/m2 Hình 29: Dạng sóng áp tải dòng tải với hệ số điều chế M=1 4.5 Dòng áp nghịch lưu hòa đồng bộ: + Hệ số điều chế 1, cường độ chiếu sáng 1000 W/m2 Hình 30: Dạng sóng dòng áp nghịch lưu hòa đồng với M=1 Phân tích FFT dòng nghịch lưu hòa lưới: Bảng 4: Tổng méo dạng sóng hài dòng điện, M=1, 1000 W/m2 Tổng méo dạng sóng hài: 3.76% Phân tích FFT áp nghịch lưu hòa lưới: 108 Hệ thống Photovoltaic Bảng 5: Tổng méo dạng sóng hài áp, M=1, 1000 W/m2 Tổng méo dạng sóng hài: 0.54% + Hệ số điều chế 1, cường độ chiếu sáng 300W/m2 Hình 31: Dạng sóng dòng áp nghịch lưu hòa đồng với M=1, cường độ chiếu sáng 300W/m2 Phân tích FFT dòng nghịch lưu hòa lưới: Bảng 6: Tổng méo dạng sóng hài dòng điện, M=1, 300W/m2 Tổng độ méo dạng dòng nghịch 4.13% + Hệ số điều chế 0.8, cường độ chiếu sáng600 W/m2 109 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Hình 32: Dạng sóng dòng áp nghịch lưu với M=0,8; 600 W/m2 Phân tích FFT áp nghịch lưu hòa lưới: Bảng 7: Tổng méo dạng sóng hài áp, M=0.8; 600 W/m2 Tổng méo dạng sóng hài: 4.9% Theo tiêu chuẩn kết nối lưới bảng 7, bảng 8,thì ta thấy dùng nghịch lưu 3L-ANPC dùng để kết nối lưới điện pha hoàn tồn khả dụng với độ méo dạng sóng hài nhỏ Điều chứng tỏ với chiến thuật đề xuất phù hợp Bảng 8: Phần trăm méo dạng cho phép a: Thậm chí sóng hài giới hạn đến 25% giới hạn hài bậc lẻ (odd harmonic) b: Tất giới hạn cho phần trăm tỉ số thành phần dòng 110 Hệ thống Photovoltaic Bảng 9: Tóm tắt tiêu chuẩn kết nối PV với lưới KẾT LUẬN Với việc chọn nghịch lưu 3L-ANPC khắc phục nhược điểm cố hữu nghịch lưu NPC đảm bảo cân phân bố tổn thất công suất phân bố nhiệt thiết bị bán dẫn Ngoài đề tài đề xuất giải thuật điều khiển cấu trúc ANPC thực việc kết kết nối giàn PV với lưới cách thành công, thể qua độ méo dạng sóng hài nghịch lưu bơm vào lưới thấp, đạt tiêu chuẩn kết nối lưới đề Đặc biệt đề tài giới thiệu cách kỹ thuật hòa đồng nối PV với lưới thông qua kỹ thuật PLL điều chỉnh PI có sai lệch dòng bơm lên lưới dòng tham chiếu.Tuy nhiên, nghiên cứu cần giải tốt giải thuật điều chế nghịch lưu ANPC giải thuật cao hơn, chẳng hạn: giải thuật triệt tiêu sóng hài chọn lọc (Selective Harmonic Elimination –SHE) kết hợp với giải thuật gen (Genetic Algorithm) Và nâng cao kỹ thuật hòa đồng PV lưới có nhiều yếu tố tác động lên hệ thống PV, lưới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất 1, Nhà xuất ĐHQG, 2009, 300 trang [2] Kereles, Transformerless photovoltaic Inverters Connected to the grid, IEEE 2006 [3] D Floricau, E.Floricau and M.Dumitrescu, Natural Doubling of the Apparent Switching Frequency using Three-level ANPC Converter, Nonsinusoidal Currents and Compensation, 2008 ISNCC 2008 International School on 10-13 June 2008 Page (s): – [4] Soeren Baekhoej Kjaer, A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules, IEEE Transactions On Industry Applications, VOL 41, NO 5, September/October 2005 [5] J.Selvaraj, Digital PI Current Control for Grid Connected PV Inverter, IEEE 2008 [6] Mihai Ciobotaru , Offset rejection for PLL based synchronization in grid-connected converters, IEEE 2008 [7] J.Selvaraj, Digital PI current control for grid connected PV inverter, IEEE 111 ... 98 Hệ thống Photovoltaic ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG Sơ đồ khối toàn hệ thống PV kết nối lưới điện pha không sử dụng máy biến áp thể hình + Lọc thơng thấp: lọc gợn điện áp Vd(t) để trở thành điện áp. .. thiết sử dụng tăng áp để đẩy điện áp DC lên cao, đặc biệt không sử dụng máy biến áp Hệ thống vận hành điện áp DC-bus Vdc lớn biên độ điện áp lưới [5] 2.1 Khối PLL Vòng khóa pha PLL hệ thống vòng... điện áp đưa vào Trong đề tài này, tác giả muốn sử dụng kỹ thuật PLL để thực việc khóa pha tần số điện áp lưới để áp ứng nhu cầu kết nối lưới, đặc biệt bám theo tần số lưới với ngõ vào điện áp