Điều khiển nghịch lưu nối lưới ba pha khi mất cân bằng điện áp

Bài viết này đề xuất một phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu nối lưới có kiểm soát dòng điện trong phạm vi định mức trong điều kiện điện áp nguồn lưới mất cân bằng. Các kết quả khảo sát trên Matlab/Simulink đã cho thấy tính hiệu quả của phương pháp đề xuất so với phương pháp thông thường hiện nay.

54 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI BA PHA KHI MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP CONTROL OF THREE-PHASE GRID-CONNECTED INVERTERS UNDER UNBALANCED VOLTAGE FAULTS Trần Quang Thọ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 29/11/2018, ngày phản biện đánh giá 5/12/2018, ngày chấp nhận đăng 24/12/2018 TÓM TẮT Các nghịch lưu nối lưới sử dụng lượng tái tạo gió mặt trời ứng dụng phổ biến với công suất ngày lớn Do đó, chúng bị ảnh hưởng đáng kể nguồn điện lưới xảy cố cân điện áp Khi điện áp nguồn lưới cân làm xuất thành phần thứ tự nghịch Các điều khiển dịng điện thơng thường khơng xem xét thành phần nên gây việc dòng điện nghịch lưu nối lưới làm cho linh kiện bán dẫn công suất bị hư hỏng Bài báo đề xuất phương pháp điều khiển nghịch lưu nối lưới có kiểm sốt dịng điện phạm vi định mức điều kiện điện áp nguồn lưới cân Các kết khảo sát Matlab/Simulink cho thấy tính hiệu phương pháp đề xuất so với phương pháp thông thường Từ khóa: nghịch lưu nối lưới; điện áp cân bằng; giới hạn dịng điện; bù cơng suất phản kháng; điện áp thứ tự nghịch ABSTRACT Grid-connected inverters using renewable energies such as wind and photovoltaic powers are adopted very popularly with increasing capacity Therefore, they are significantly affected when the unbalanced grid voltages occur At that time, the negative sequences appear, traditional current controllers in grid-connected inverters usually not consider these components Thus, they can cause over-current of the inverters and make the power semiconductor components damage This paper proposes a method for controlling grid-connected inverters with over-current protection under unbalanced grid voltages The simulated results have validated the performance of the proposed method compared with that of the traditional one Keywords: grid-connected inverters; unbalanced voltages; current limitation; reactive power compensation; negative sequences GIỚI THIỆU Nhu cầu sử dụng điện từ lượng tái tạo điện gió điện mặt trời ngày phổ biến tính bền vững thân thiện với mơi trường Tuy nhiên, nguồn điện lượng tái tạo lại có đặc điểm khơng ổn định phụ thuộc nhiều vào thời tiết Do đó, để có nguồn điện hiệu có chất lượng cao, nguồn lượng cần nối với lưới điện Khi đó, nghịch lưu nối lưới bán dẫn công suất thường sử dụng [1], [2] để biến đổi nguồn lượng tái tạo thành nguồn điện xoay chiều có thơng số phù hợp để kết nối với lưới điện Trong điều kiện vận hành bình thường, nghịch lưu nối lưới chủ yếu phát công suất tác dụng vào lưới điện Tuy nhiên, nghịch lưu nối lưới cịn phải có khả bù cơng suất phản kháng để hỗ trợ hệ thống điện có cố sụt áp hay cân điện áp nguồn lưới [3], [4] theo tiêu chuẩn nối lưới [5]–[7] Khi có cố sụt áp Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh hay cân điện áp lưới làm xuất thành phần thứ tự nghịch [8]–[10] Chính thành phần làm suy giảm khả phát điện thiết bị Khi điện áp nguồn suy giảm, giữ ngun cơng suất định mức làm tăng dịng điện Chính tăng dịng điện gây hư hỏng linh kiện công suất Với phương pháp điều khiển thơng thường khơng có khả giới hạn dịng điện làm cho nghịch lưu bị q dịng điện định mức cho phép Có nhiều kỹ thuật công bố để điều khiển nghịch lưu nối lưới điều kiện cân điện áp [11], [12] Tuy nhiên, phương pháp chủ yếu quan tâm đến cân dòng điện pha để giảm dao động cơng suất tác dụng phía chiều chưa xem xét đến khả bị dòng điện biến đổi, đồng thời phương pháp sử dụng nhiều linh kiện nên làm tăng chi phí điều khiển phức tạp Kỹ thuật điều khiển bão hịa [13] dựa vào bảng trạng thái cơng suất để điều khiển nghịch lưu, việc giải vấn đề độ thành phần thứ tự không phức tạp chất dao động công suất thứ tự không [14] Điều ảnh hưởng đến việc phân bố công suất ba pha Thông thường, việc nối tam giác máy biến áp sử dụng để khóa thành phần dịng điện thứ tự khơng, nhiên, kiểu nối dây quấn dẫn đến điện áp có cố pha [15] Để giải vấn đề này, công bố [16] đề nghị phương pháp điều khiển thông qua phép biến đổi công suất tức thời nhằm cải thiện khả truyền công suất nghịch lưu nối lưới đồng thời loại bỏ dao động công suất Tuy nhiên, việc bị dòng điện biến đổi chưa xem xét Trong vấn đề dòng điện linh kiện nguyên nhân quan trọng gây hư hỏng biến đổi Bài báo đề nghị phương pháp điều khiển để giới hạn dòng điện nghịch lưu nối lưới điều kiện cân điện áp cách sử dụng vịng khóa pha có xem xét ảnh hưởng thành phần điện áp thứ tự nghịch PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG ĐIỀU 55 KHIỂN 2.1 Dò điện áp lưới sử dụng vịng khóa pha Trong phương pháp thông thường, biên độ điện áp lưới nhận biết thông qua cảm biến điện áp nhờ phép tính vịng khóa pha PLL (phase-locked loop) hình Hình Ngun lý tính điện áp Vmax PLL Trong đó, Vsa, Vsb, Vsc điện áp ba pha nguồn lưới Các điện áp V V biến đổi theo Clark công thức sau: V  1 1/ V       0  / V  1/   sa   Vsb / 2   Vsc  (1) Biên độ điện áp xác định (2): Vmax  V2  V2 (2) Trong điều kiện vận hành bình thường với điện áp pha cân khơng có thành phần thứ tự nghịch thứ tự không nên biên độ điện áp Vmax xác định trạng thái định mức hệ thống Tuy nhiên, cân điện áp thời điểm 0.3s biên độ điện áp V V bị chênh lệch hình Hình Điện áp cân 0.3s (pha B C có biên độ 60% định mức) Điều làm cho thơng số vịng khóa pha ước lượng như: góc pha , biên độ Vmax, tần số f bị dao động hình 56 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh P(pu) S(pu) Hình Thơng số ước lượng PLL thông thường Q(pu) Hình Định mức cơng suất PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 2.2 Điều khiển công suất 3.1 Tách thành phần thứ tự nghịch Trong điều kiện vận hành bình thường, cơng suất tác dụng P ln trích xuất cực đại từ nguồn lượng tái tạo Khi có cố sụt giảm điện áp nhỏ 90% định mức nghịch lưu nối lưới phải có nhiệm vụ ưu tiên phát công suất phản kháng Q để hỗ trợ hệ thống điện theo tiêu chuẩn nối lưới (3) hình 4, với ràng buộc định mức cơng suất (4) thể hình Trong đó, S cơng suất định mức biến đổi, V(%) độ sụt áp, Vmaxn biên độ điện áp định mức Vmax biên độ điện áp ước lượng vịng khóa pha PLL Phương pháp đề xuất sử dụng nghịch lưu nối lưới pha dây Do đó, hệ thống pha dây khơng có thành phần thứ tự khơng Tuy nhiên, có cân điện áp xuất thành phần vector điện áp thứ tự nghịch V- (6) Điều làm cho biên độ vector điện áp V dao động theo hình elip với bán trục lớn V++V- bán trục nhỏ V+-V- hình V  Vmax V (%)  max n *100% Vmax n (3) Q  S  P2 (4) Dịng điện đặt tính sau: i _ ref  i  2   _ ref  V  V V V   V   P  V   Q  (5)   V  V   V   V             V   V   (6) Với V+ V- điện áp thứ tự thuận thứ tự nghịch theo trục thực , V+ V- điện áp thứ tự thuận thứ tự nghịch theo trục ảo  Việc tách thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch sử dụng lọc phức [17] giúp cho việc xác định lại công suất định mức biến đổi để giảm dòng điện đặt nghịch lưu b V(pu)  V+ V ++V - 0.8 V- V a 0.1 0.2 V +-V - Q(pu) Hình Tiêu chuẩn cơng suất phản kháng nên bơm vào lưới điện có cố sụt giảm điện áp  c Hình Điện áp lưới có thành phần thứ tự nghịch Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch xác định thơng qua lọc phức hình Trong đó, c tần số cắt, 0 tần số góc ước lượng n bậc hài cần tách V (s) điều chỉnh lại để đảm bảo khơng bị q dịng Sơ đồ khối ngun lý điều khiển phương pháp đề xuất thể hình V + (s) Vg Li Lg Vi IGBT inverter V - (s) Ia Islanding Controller Hình Bộ lọc tách thành phần điện áp Snew  S 2  V2 )  (V2  V2 ) Trong đó: Snew cơng suất định mức có thành phần thứ tự nghịch Vnew (%)  100% 2 2 I* 2 Vmax n  V  V  V  V (8) Vmax n - + I Pmppt calculation I * + - V +  V -  V+  V -  Vsa Vsb Vsc Vdc Ic SVPWM Modulation I PR controller V V I V PLL PR controller +  V-  V+  V-  (7) Vmax n 2 I Cdc I S Trong điều kiện cân bằng, biên độ điện áp thật bị suy giảm nên công suất bị suy giảm nên xác định lại sau:  Vsa Vsb Vsc Ib abc  Cf Control signal 3.2 Xác định cơng suất định mức (V 57 Hình Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển KẾT QUẢ KHẢO SÁT 4.1 Phương pháp thông thường Kết khảo sát phương pháp thông thường chưa xem xét đến thành phần thứ tự nghịch thể hình đến hình 12 Với Vnew độ sụt áp có xem xét đến ảnh hưởng thành phần thứ tự nghịch Công suất phản kháng đặt cần xác định lại (9) 0 if Vnew ( % )  10% Qref    2Snew if Vnew ( % )  10% (9) Công suất tác dụng đặt xác định lại (10) Pr ef  S new  Qref Hình Điện áp dòng điện pha ngõ nghịch lưu không tách thành phần thứ tự nghịch (10) Khi đó, dịng điện đặt xác định lại sau: i _ refn  i   2 2   _ refn  V  V  Pr ef  Q  r ef Qr ef  V    Pr ef  V     (11) Do định mức công suất điều chỉnh theo độ sụt áp nên dòng điện Hình 10 Cơng suất phát vào lưới 58 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình 16 Cơng suất phương pháp đề xuất Hình 11 Sóng hài dịng điện Hình 17 Sóng hài dịng điện Hình 12 Dịng điện đặt phương pháp thơng thường 4.2 Phương pháp đề xuất Hình 13 Các tham số ước lượng tách thành phần thứ tự nghịch Hình 14 Dịng đặt phương pháp đề xuất Hình 15 Điện áp dịng điện ngõ nghịch lưu phương pháp đề xuất 4.3 Nhận xét Công suất định mức S nghịch lưu cài đặt báo 20kVA tương ứng với dòng điện đỉnh định mức pha 41A Khi xảy cố cân điện áp thời điểm 0.3s, phương pháp truyền thống, xuất thành phần thứ tự nghịch nên đại lượng ước lượng hình chứa thành phần dao động đáng kể Điều làm cho việc tính tốn dịng điện chuẩn hình 12 có đỉnh bị vượt định mức lên đến 70A nên làm hỏng linh kiện nghịch lưu Thêm vào đó, dịng điện ngõ nghịch lưu nối lưới hình 9(b) sau thời điểm 0.3s bị méo dạng đáng kể có THD lên tới 26.38% hình 11, phát công suất tác dụng mức cao hình 10 Điều thật khơng cần thiết, cố điện áp cân thường diễn ngắn hạn Trong đó, kết khảo sát phương pháp đề xuất hình 13 đến 17 cho thấy dòng điện nghịch lưu nối lưới không vượt giá trị định mức nên đảm bảo linh kiện bán dẫn công suất không bị hư hỏng Điều có nhờ vào việc tách thành phần điện áp thứ tự thuận nghịch Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 59 phương pháp đề xuất giúp cho tham số ước lượng vịng khóa pha hình 13 có độ xác cao khơng chứa thành phần dao động Hơn nữa, phương pháp tính lại cơng suất định mức đề xuất giảm theo biên độ điện áp ước lượng có cố cân Việc làm cho dòng điện đặt hình 14 có độ cân khơng vượt q định mức Vì vậy, dịng điện đỉnh pha ngõ nghịch lưu hình 15(b) sau thời điểm 0.3s xấp xỉ định mức, giúp đảm bảo an toàn cho linh kiện bán dẫn công suất bền bỉ vận hành nhận biết xuất thành phần điện áp thứ tự nghịch làm cho tham số ước lượng vòng khóa pha bị sai lệch có chứa thành phần dao động Ngồi ra, cơng suất phát vào lưới thể hình 16 THD dịng điện hình 17 cho thấy độ méo dạng thấp mức 4.5% nhỏ tiêu chuẩn nối lưới qui định quốc tế (thường 5%) Kết khảo sát khẳng định tính hiệu phương pháp đề xuất so với phương pháp thông thường Tác giả xin cảm ơn hỗ trợ thiết bị phịng Thí nghiệm lượng tái tạo hệ thống điện C201 trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh - Việt Nam KẾT LUẬN Trong vận hành nghịch lưu nối lưới, có cố cân điện áp xảy ra, phương pháp điều khiển truyền thống không Bài báo đề xuất phương pháp xác định công suất định mức nghịch lưu nối lưới vận hành điều kiện cân điện áp lưới sử dụng kỹ thuật tách thành phần thứ tự nghịch lọc hệ số phức Điều giúp cho dòng điện linh kiện bán dẫn công suất nghịch lưu không vượt giới hạn dịng điện định mức để linh kiện khơng bị hư hỏng LỜI CẢM ƠN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Z Chen, J M Guerrero, F Blaabjerg, and S Member, “A Review of the State of the Art of Power Electronics for Wind Turbines,” IEEE Trans Power Electron., vol 24, no 8, pp 1859–1875, 2009 R Teodorescu, M Liserre, and P Rodriguez, Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems 2011 M L and P C L R Teodorescu, F Blaabjerg, “Proportional-resonant controllers and filters for grid-connected voltage-source converters,” in IEE Proc.-Electr Power Appl, 2006, vol 153, no 5, pp 750–762 G De Donato, G Scelba, G Borocci, F Giulii Capponi, and G Scarcella, “Fault-Decoupled Instantaneous Frequency and Phase Angle Estimation for Three-Phase Grid-Connected Inverters,” IEEE Trans Power Electron., vol 31, no 4, pp 2880–2889, 2016 IEEE, “IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems,” IEEE Std 929-2000 2000 IEEE Standard, “IEEE P1547 TM / D Draft Application Guide for IEEE Std 1547 , Standard for Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems,” no March 2007 IEEE Standard, “IEEE Application Guide for IEEE Std 1547(TM), IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems,” IEEE Std 1547.2-2008, no April, pp 1–217, 2009 Z Rymarski, K Bernacki, and L Dyga, “A Control for an Unbalanced 3-Phase Load in UPS Systems,” Elektron ir Elektrotechnika, vol 24, no 4, 2018 P Rodríguez, R Teodorescu, I Candela, A V Timbus, M Liserre, and F Blaabjerg, “New positive-sequence voltage detector for grid synchronization of power converters 60 [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh under faulty grid conditions,” in PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference, 2006, pp 1–7 P Ç Rodríguez, A Ç Luna, M Ë Ciobotaru, R Ë Teodorescu, and F Ë Blaabjerg, “Advanced Grid Synchronization System for Power Converters under Unbalanced and Distorted Operating Conditions,” in Proc 32nd Ann Conf IEEE Ind Elect., (IECON), 2006, no 2, pp 5173–5178 R Zeng, L Xu, L Yao, and S J Finney, “Analysis and control of modular multilevel converters under asymmetric arm impedance conditions,” IEEE Trans Ind Electron., vol 63, no 1, pp 71–81, 2016 X Guo, W Liu, X Zhang, X Sun, Z Lu, and J M Guerrero, “Flexible control strategy for grid-connected inverter under unbalanced grid faults without PLL,” IEEE Trans Power Electron., vol 30, no 4, pp 1773–1774, 2015 Y Zhang and C Qu, “Table-Based Direct Power Control for Three-Phase AC/DC Converters under Unbalanced Grid Voltages,” IEEE Trans Power Electron., vol 30, no 12, pp 7090–7099, 2015 M P Kazmierkowski, “A Review of Power Theory,” IEEE Ind Electron Mag., vol Fall, pp 2007–2007, 2007 L Tang and B T Ooi, “Managing zero sequence in voltage source converter,” Conf Rec Annu Meet (IEEE Ind Appl Soc., vol 2, pp 795–802, 2002 A A Montanari and A M Gole, “Enhanced Instantaneous Power Theory for Control of Grid Connected Voltage Sourced Converters under Unbalanced Conditions,” IEEE Trans Power Electron., vol 32, no 8, pp 6652–6660, 2017 M A Shuvra, S Member, and U N C Charlotte, “Selective Harmonic Compensation by Smart Inverters using Multiple-Complex-Coefficient-Filter ( MCCF ) during Unbalanced Fault Condition,” in 2017 North American Power Symposium (NAPS), 2017 Tác giả chịu trách nhiệm viết: TS Trần Quang Thọ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM Email: thotq@hcmute.edu.vn ... kiện cân điện áp cách sử dụng vịng khóa pha có xem xét ảnh hưởng thành phần điện áp thứ tự nghịch PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG ĐIỀU 55 KHI? ??N 2.1 Dị điện áp lưới sử dụng vịng khóa pha Trong phương pháp... phép Có nhiều kỹ thuật công bố để điều khi? ??n nghịch lưu nối lưới điều kiện cân điện áp [11], [12] Tuy nhiên, phương pháp chủ yếu quan tâm đến cân dòng điện pha để giảm dao động cơng suất tác dụng... độ điện áp lưới nhận biết thông qua cảm biến điện áp nhờ phép tính vịng khóa pha PLL (phase-locked loop) hình Hình Ngun lý tính điện áp Vmax PLL Trong đó, Vsa, Vsb, Vsc điện áp ba pha nguồn lưới