Nghiên cứu bộ nghịch lưu một pha nối lưới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƢU MỘT PHA NỐI LƢỚI (STUDY ON SINGLE-PHASE INVERTER GRID-CONNECTED) Chuyên ngành: Mã số: KỸ THUẬT ĐIỆN 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2020 LỜI CẢM ƠN Khơng có thành cơng mà phía sau khơng có nỗ lực cố gắng Có thể nói luận văn tốt nghiệp kết mà chúng em đạt sau ngày nghiên cứu phịng thí nghiệm Đó khơng sản phẩm trình học tập tìm hiểu sinh viên mà giúp đỡ hậu phương từ phía gia đình, thầy bạn bè Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy/ Cô ban chủ nhiệm khoa Điện - Điện tử trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh tận tụy giảng dạy truyền đạt kiến thức cho sinh viên nhiều năm qua Tiếp theo chúng em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc đến thầy Nguyễn Đình Tuyên tận tình hướng dẫn, bảo nhắc nhở em suốt trình thực luận văn tốt nghiệp Em không quên cảm ơn chân thành đến anh phịng thí nghiệm điện tử cơng suất nhiệt tình giúp đỡ, giải đáp thắc mắc tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn suốt thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn! TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019 Học viên Nguyễn Thanh Tùng TÓM TẮT ĐỀ TÀI Nhu cầu lượng thời đại khoa học kỹ thuật không ngừng gia tăng Tuy nhiên nguồn lượng truyền thống khai thác như: than đá, dầu mỏ, khí đốt, khí thiên nhiên thủy điện… ngày cạn kiệt Không chúng cịn có tác hại xấu với mơi trường như: gây ô nhiễm môi trường, ô nhiễm tiếng ồn, mưa axit, trái đất ấm dần lên, thủng tầng ozon… Do việc tìm khai thác nguồn lượng như: lượng hạt nhân, lượng địa nhiệt, lượng gió lượng mặt trời… cần thiết Việc nghiên cứu lượng mặt trời ngày thu hút quan tâm nhà nghiên cứu, tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng nguồn lượng Năng lượng mặt trời nguồn lượng sạch, dồi dào, hồn tồn miễn phí, khơng gây nhiễm mơi trường ô nhiễm tiếng ồn… Hiện lượng mặt trời vào sống người, chúng áp dụng rộng rãi dân dụng cơng nghiệp nhiều hình thức khác Pin mặt trời có nhiều ưu điểm ưu việt giá thành pin mặt trời đắt nên việc nâng cao hiệu suất kéo dài tuổi thọ pin trở thành vấn đề quan trọng Để tăng hiệu suất tuổi thọ pin cần phải có hệ thống pin mặt trời hoạt động ổn định Do chúng em chọn đề tài: “ Bộ ngịch lưu pha nối lưới” ABSTRACT This thesis presents the space vector modulation for T-Type three-level inverter uder normal and open-fault conditions The open-fault of T-Type three-level inverter is analyzed and the PWM method is proposed to control the inverter even though the switch is fault The proposed method is simple based on the SVPWM for the conventional T-Type three-level inverter First, the theory analyses are considered Hence, some simulation results are provided to verify the theory Finally, an experimental setup was built in laboratory and some experimental results are shown to validate the simulation results MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii LỜI CẢM ƠN v TÓM TẮT ĐỀ TÀI vi MỤC LỤC viii DANH SÁCH HÌNH VẼ xi DANH SÁCH BẢNG BIỂU xv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI 1.1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu .1 1.2 Giới thiệu pin mặt trời 1.2.1 Định nghĩa .2 1.2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động phân loạt pin mặt trời 1.3 Đặc tính làm việc pin mặt trời 1.3.1 Sơ đồ tƣơng đƣơng pin mặt trời 1.3.2 Đặc tính pin mặt trời .6 1.3.3 Những yếu tố bên ảnh hƣởng tới pin mặt trời .9 1.4 Kết luận chƣơng 11 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VÀ GIẢI THUẬT MPPT 13 2.1 Bộ biến đổi DC/DC .13 2.2 Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại 16 2.3 Kết luận chƣơng 20 CHƢƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƢU DC-AC VÀ CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN .21 3.1 Bộ nghich lƣu pha nối lƣới 21 3.2 Cấu trúc thuật toán PLL 23 3.3 Cấu trúc điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ 24 3.4 Bộ nghịch lƣu DC/AC 26 3.5 Vịng khóa pha 30 3.6 Điều khiển điện áp Vbus 31 3.7 Điều khiển dòng điện cộng hƣởng 32 3.8 Kết luận chƣơng 33 CHƢƠNG 4: TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSIM 34 4.1 Giới thiệu phần mềm Psim 34 4.2 Xây dựng mô hình mơ nghịch lƣu hịa lƣới pha 35 4.2.1 Mô pin mặt trời .35 4.2.2 Mô biến đổi DC/DC thuật toán MPPT .37 4.2.3 Mô nghịch lƣu DC/AC thuật tốn điều khiển dịng điện cộng hƣởng .40 4.3 Mơ hình mơ hồn chỉnh 42 4.4 Kết mô 44 CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH NGHỊCH LƢU T-TYPE BẬC 47 5.1 Giới thiệu linh kiện cần thiết 47 5.1.1 Khóa đóng ngắt IGBT 47 5.1.2 Tụ điện đầu vào 47 5.1.3 Cuộn cảm tụ điện mạch lọc LCL 48 5.1.4 Mạch kích khóa bán dẫn 49 5.1.5 Kit vi điều khiển LAUNCHXL - F28379D .50 5.1.6 Op-amp LM358 52 5.1.7 Cảm biến hall ACS712 20A .52 5.1.8 Các cổng logic .53 5.2 Thiết kế mạch .54 5.2.1 Giới thiệu phần mềm Altium 54 5.2.2 Thiết kế mạch công suất 55 5.2.3 Thiết kế mạch đo điện áp, dòng điện mạch cổng logic .55 5.3 Thi công mạch 57 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM .61 6.1 Giới thiệu phần mềm Code Composer Studio 61 6.2 Lập trình điều khiển vịng hở 61 6.3 PLL Lập trình điều khiển vịng kín dịng điện kết nối với tải độc lập có sử dụng thuật toán 69 CHƢƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81 7.1 Kết 81 7.1.1 Các nội dung làm đƣợc 81 7.1.2 7.2 Các nội dung chƣa làm đƣợc .81 Hƣớng phát triển đề tài .81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: Cấu trúc nghịch lưu hòa lưới pha dùng điện mặt trời Hình 2: Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin mặt trời [4] Hình 3: Pin mặt trời đơn tinh thể (mono) đa tinh thể (poly)[2] Hình 4: Mạch tương đương tế bào pin mặt trời [4] Hình 5: Mơ hình lý tưởng tế bào pin mặt trời Hình 6: Đặc tính I-V P-V pin mặt trời điều kiện lý tưởng [4] Hình 7: Cấu tạo pin mặt trời xét tới ảnh hưởng Rsh [4] Hình 8: Đặc tính I-V có điện trở Rsh [4] Hình 9: Cấu tạo pin mặt trời xét tới ảnh hưởng điện trở Rs [4] Hình 10: Đặc tính I-V có điện trở Rs [4] Hình 11: Đặc tính I-V P-V cường độ chiếu sáng thay đổi [4] 10 Hình 12: Đặc tính I-V P-V pin mặt trời nhiệt độ thay đổi [4] 11 Hình 1: Cấu tạo nguyên lý hoạt động mạch Flyback Converter [11] 13 Hình 2: Nguyên lý hoạt động dạng sóng dịng điện mạch flyback hoạt động chế độ CCM ứng với trạng thái [11] 14 Hình 3: Ngun lý hoạt động dạng sóng dòng điện mạch flyback hoạt động chế độ DCM ứng với trạng thái 1,2 [11] 15 Hình 4: Mạch tương đương biên áp Flyback [7] 15 Hình 5: Cấu tạo mạch Flyback Interleaved [8] 16 Hình 6: Bộ điều khiển MPPT hệ thống pin mặt trời [4] 17 Hình 7: Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải trở thay đổi giá trị [4] 17 Hình 8: Đặc tính làm việc pin mặt trời tải thay đổi giá trị [4] 18 Hình 9: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn P&O [3] 19 Hình 10: Lưu đồ thuật tốn phương pháp P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref [3] 20 Hình 1: Cấu trúc nghịch lưu pha đa bậc, (a) half-bridge, (b) full-bridge, (c) hybrid-bridge [24] 26 Hình 2: Bộ nghịch lưu pha T-type bậc [24] 27 Hình 3: Ba chế độ hoạt động khóa đóng ngắt, (a) chế độ 1, (b) chế độ 2, (c) chế độ 28 Hình 4: Dạng sóng nghịch lưu T-type bậc, (a) tín hiệu khóa đóng ngắt chu kì, (b) nút điện áp van(t) dòng điện chu kỳ dương [24] 29 Hình 5: Thời điểm chuyển đổi chế độ phụ thuộc vào khác biệt điện áp đặt trước điện áp đầu (vo(t)) nửa điện áp bus (Vin/2) 30 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Hình 18: Điện áp inverter trước lọc I_ref = 1A Hình 19: Điện áp inverter sau lọc I_ref = 1A 71 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Hình 20: Dịng điện inverter I_ref = 1A - Thử nghiệm với I_ref = 2A: Hình 21: Điện áp inverter trước lọc I_ref = 2A 72 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Hình 22: Điện áp inverter sau lọc I_ref = 2A Hình 23: Dòng điện inverter I_ref = 2A - Thử nghiệm với I_ref = 3A: 73 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Hình 24: Điện áp inverter trước lọc I_ref = 3A Hình 25: Điện áp inverter sau lọc I_ref = 3A 74 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Hình 26: Dịng điện inverter I_ref = 3A - Thử nghiệm với I_ref = 4A: Hình 27: Điện áp inverter trước lọc I_ref = 4A 75 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Hình 28: Điện áp inverter sau lọc I_ref = 4A Hình 29: Dòng điện inverter I_ref = 4A - Thử nghiệm với I_ref = 5A: 76 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Hình 30: Điện áp inverter trước lọc I_ref = 5A Hình 31: Điện áp inverter sau lọc I_ref = 5A 77 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Hình 32: Dịng điện inverter I_ref = 5A - Thử nghiệm với I_ref = 6A: Hình 33: Điện áp inverter trước lọc I_ref = 6A 78 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Hình 34: Điện áp inverter sau lọc I_ref = 6A Hình 35: Dòng điện inverter I_ref = 6A - Đồng thời chúng em lấy pha tần số điện áp lưới hình 6.36: 79 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM Hình 36: Điện áp lưới (CH1) điện áp inverter (CH2) I_ref = 6A Kết luận: Từ kết thực nghiệm cho thấy chúng em điều khiển dòng điện qua tải thuật tốn điều khiển dịng điện cộng hưởng Đồng thời chúng em đọc xác góc pha điện áp lưới nhờ vào giải thuật PLL Từ tiền đề giúp chúng em nghiên cứu giải thuật điều khiển dòng điện kết nối với lưới điện Tuy nhiên dòng điện inverter bị méo dạng nhiều phần chưa lọc tốt mạch đo dòng điện mạch lọc LCL 80 CHƢƠNG 7: TỔNG QUAN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI CHƢƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 7.1 Kết 7.1.1 Các nội dung làm đƣợc - Tìm hiểu hệ thống pin mặt trời - Tìm hiểu cấu trúc micro inverter - Tìm hiểu mơ biến đổi flyback converter với giải thuật MPPT - Tìm hiểu mô nghịch lưu T-type bậc giải thuật điều khiển dịng điện, giải thuật vịng khóa pha PLL - Thiết kế lọc dòng điện LCL - Thiết kế thi công mạch nghịch lưu T-type bậc - Thiết kế thi công mạch đo dòng điện, đo điện áp mạch cổng logic - Lập trình thử nghiệm giải thuật điều khiển dịng điện PLL kết nối với tải độc lập 7.1.2 - Các nội dung chƣa làm đƣợc Lập trình thử nghiệm giải thuật điều khiển dòng điện PLL kết nối với lưới điện - Mạch lọc LCL chưa tốt - Mạch đo điện áp dịng điện thiết kế chưa xác 7.2 Hƣớng phát triển đề tài - Khắc phục hạn chế nêu - Tích hợp thêm mạch hiển thị thông số LCD - Thiết kế thêm mạch truyền thông 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.redsun-solar.com/tieng/ProductShow.asp?PicID=117 [2] https://nangluongtieudiem.com/pin-mat-troi-poly-va-mono-khac-nhau-ra-sao/ [3] So sánh hai thuật toán INC P&O điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thường, Nguyễn Xuân Trường (2015) Tạp chí Khoa học Phát triển 2015, 8, 14521463 [4] Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám công suất cực đại cho pin mặt trời Trương Văn Trọng (2014) Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách khoa Hà Nội [5] Năng lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng Ts Hoàng Dương Hùng Đại học Bách khoa Đà Nẵng [6] Thiết kế mạch động lực cho Micro – inverter [7] Flyback converter [8] An interleaved high-power flyback inverter for photovoltaic applications Bunyamin Tamyurek et al (2015) IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, vol 30 [9] IGBT or MOSFET: Choose Wisely [10] Design and Implementation of a Robust Current Controller for Single-Phase Inverters Connected Electrical Network via a damped LCL filter for Renewable Energy Systems J.A.Borges, M.V.B.Mendonca, F.A.M.Moura, et al (2018) International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ‟18) [11] Fly-Back Converter CCM vs DCM Giridharan Shanmugavel [12] Slide Power Electronics and Control in Grid-Connected PV Systems [13] TMS320F28379D datasheet 82 [14] Psim and Matlab Co-Simulation of Photovoltaic System using “P and O” and “Incremental Conductance” MPPT, Anas El Filali, El Mehdi Laadissi, Malika Zazi, International journal of Advanced Computer Science and Applications, vol.7,No.8 [15] Software Phase Locked Loop Design Using C2000™ Microcontrollers for Single Phase Grid Connected Inverter Texas Intrument, 2017 [16] Solar Library, Controlsuite [17] Technical Reference Manual TMS320F2837xD Dual-Core Delfino Microcontrollers, Texas Intruments (2013) [18] Comparative Study of PI and Proportional Resonant Control for Single-Phase GridConnected Inverter System Vinay Sharma Department of Electronics 2014 [19] PR Controller to 2p2z [20] Voltage Source Inverter Design Guide Texas Instrument [22] Design Guidelines for Off-line Flyback Converters Using Fairchild Power Switch (FPS) Fairchild Semiconductor [23] Analysis and Design of Multioutput Flyback Converter Abdi Ahmed, Abdullahi Kosar Chalmers University of Technology (2016) [24] A High Efficiency Single-Phase T-type BCM Microinverter Zhen Zhang, Junming Zhang, Senior Member, IEEE, Shuai Shao, Member, IEEE, Junjun Zhang (2018) [25] C2000_launchpad_basics [26] LM358 datasheet [27] F28379D - Quick start guide Texas Instrument [28] Grid Connected Inverter Design Guide Texas Instrument [29] LAUNCHXL-F28379D Overview Texas Instrument 83 [30] LCL filter design for photovoltaic grid connected systems A.E.W.H Kahlane, L Hassaine and M Kherchi (2014) [31] STGW40N120KD datasheet 84 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Thanh Tùng Ngày, tháng, năm sinh: 07/10/1992 Nơi sinh: Phú Yên Địa liên lạc: Chung cƣ Thạnh Mỹ Lợi, P.Thạnh Mỹ Lợi, Quận 2, Tp Hồ Chí Minh Email: tungnguyen.eleng@gmail.com Phone: 0393636957 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2010-2016: Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM 2016-2018: Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC 2012-đến nay: Cơng ty TNHH FPT software Việt Nam 85 ... khóa pha: giúp lấy pha lưới điện để đồng - Bộ điều khiển dòng điện: điều khiển dòng điện đầu nghịch lưu có pha tần số đồng với pha tần số lưới điện Phạm vi nghiên cứu đề tài là: nghiên cứu lý... trên, tài liệu [24] đề nghịch lưu pha T-type bậc giúp cải thiện hiệu suất Hình 3.2 thể cấu trúc nghịch lưu pha T-type bậc Hình 3.7: Bộ nghịch lưu pha T-type bậc [24] Bộ nghịch lưu gồm sáu khóa đóng... BỘ NGHỊCH LƢU DC-AC VÀ CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN 3.1 Bộ nghich lƣu pha nối lƣới Bộ nghịch lưu thường sử dụng để tạo dòng điện xoay chiều điều chỉnh để đưa vào lưới điện Một nghịch lưu