Triệt tiêu thành phần một chiều của dòng điện nối lưới cho bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời

Bài viết tiến hành xây dựng sơ đồ khối và xác định hàm truyền đạt của dòng điện đầu ra bộ nghịch lưu, từ đó phân tích nguyên nhân và đưa ra giải pháp để loại bỏ sự xuất hiện của thành phần DC ở dòng điện đầu ra. Cuối cùng kết quả thực nghiệm được trình bày để chứng minh sự đúng đắn của giải pháp đề xuất.

ISSN 2354-0575 TRIỆT TIÊU THÀNH PHẦN MỘT CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN NỐI LƯỚI CHO BỘ NGHỊCH LƯU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Đỗ Thành Hiếu, Trần Xuân Tiến, Nguyễn Văn Nhân, Ngô Văn Tuân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 02/07/2019 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 05/08/2019 Ngày báo duyệt đăng: 22/08/2019 Tóm tắt: Thơng qua việc phân tích mối quan hệ thành phần DC dòng điện nối lưới sai lệch tồn giá trị lấy mẫu điện áp dịng điện xoay chiều, từ xác định ngun nhân làm xuất thành phần DC Mạch lọc thông thấp sử dụng để thực phân tách thành phần DC dòng điện nối lưới Thành phần DC đầu loại bỏ cách thêm vịng điều khiển kín Đồng thời, lọc thông cao đưa để lọc giá trị lấy mẫu điện áp, giúp triệt tiêu sai lệch Ngoài ra, đặc tính sớm pha lọc thơng cao bù cho độ trễ pha vòng lặp dòng điện, làm tăng hệ số cơng suất dịng điện đầu Cuối cùng, hiệu giải pháp đề xuất kiểm chứng thông qua đánh giá số méo sóng hài, hệ số cơng suất số thành phần DC dòng điện lưới điều kiện tải khác Từ khóa: Nghịch lưu nối lưới, thành phần chiều, sóng hài, lọc thơng thấp Đặt vấn đề Trong năm gần đây, với hiệu suất chuyển đổi cao, kích thước nhỏ chi phí thấp nên nghịch lưu PV khơng có máy biến áp cách ly sử dụng rộng rãi dải cơng suất nhỏ trung bình hệ thống lượng mặt trời (NLMT) nối lưới [1-3] Tuy nhiên, có nhiều nhược điểm, số tồn thành phần dòng điện chiều (Direct Curent - DC) đầu nghịch lưu bơm vào lưới điện [2] Ở điều kiện lý tưởng, thành phần dòng điện DC đầu nghịch lưu không xuất Tuy nhiên, thực tế sai lệch khâu đo lường, chuyển đổi khác thông số van công suất nên tồn thành phần đầu nghịch lưu Sự diện dòng điện DC dễ gây bão hòa máy biến áp truyền tải ăn mòn nối đất trạm biến áp Do đó, tiêu chuẩn quy định xây dựng để giới hạn thành phần dòng điện DC bơm vào lưới điện [4-5] Để ngăn chặn việc bơm dòng điện DC vào lưới, số giải pháp có hiệu khác đề xuất [6-8] Các giải pháp triệt tiêu dòng điện DC đề xuất chia làm bốn loại: ngăn chặn dòng điện DC tụ điện, sơ đồ cấu trúc nghịch lưu cải tiến với khả triệt tiêu dòng điện DC, điều khiển phát dòng điện chiều phát điện áp chiều bơm vào lưới điện Giải pháp chặn dòng điện DC tụ điện Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng - 2019 sử dụng tụ điện nối liền nghịch lưu lưới điện [6] Nhưng giải pháp có nhược điểm địi hỏi tụ điện cồng kềnh, tốn gây thêm tổn thất [7] trình bày giải pháp để chặn dòng điện chiều cách sử dụng tụ điện ảo, nhiên, phản ứng động hệ thống điều khiển vịng kín bị ảnh hưởng Giải pháp điều khiển phát dịng điện sử dụng cảm biến dòng để phát dòng điện DC bơm vào lưới, hiệu bị hạn chế độ xác cảm biến đặc tính zero trơi đáng kể cảm biến dịng hiệu ứng Hall Để giải vấn đề trôi điểm zero, nghịch lưu tự động hiệu chỉnh Armstrong đề xuất [8] Tuy nhiên, giải pháp phức tạp yêu cầu xác định trạng thái chuyển đổi cầu H để đo độ trôi zero vốn có hệ thống Trong báo này, tác giả tiến hành xây dựng sơ đồ khối xác định hàm truyền đạt dòng điện đầu nghịch lưu, từ phân tích nguyên nhân đưa giải pháp để loại bỏ xuất thành phần DC dòng điện đầu Cuối kết thực nghiệm trình bày để chứng minh đắn giải pháp đề xuất Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu NLMT pha nối lưới Sơ đồ cấu trúc phần cứng nghịch lưu NLMT pha nối lưới không cách ly kiểu tầng Journal of Science and Technology 25 ISSN 2354-0575 trình bày Hình Tầng phía trước mạch điện tăng áp DC-DC, có chức dựa vào giá trị dòng điện iPV điện áp uPV đo từ mảng PV để thực điều khiển bám điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT) Tầng phía sau mạch nghịch lưu kiểu cầu H, tác giả lựa chọn mạch vòng điện áp chiều mạch vòng dòng điện xoay chiều để điều khiển Trong đó, mạch vịng bên ngồi thơng qua điện áp chiều đo hai đầu tụ điện udc để thực cân lượng điện đầu vào đầu ra, mạch vịng bên kiểm sốt pha tần số điện áp lưới điện ug dòng điện hịa lưới ig nhằm đạt hệ số cơng suất Hình Sơ đồ cấu trúc phần cứng nghịch lưu lượng mặt trời pha nối lưới khơng cách ly a) b) Hình Sơ đồ khối hai vòng điều khiển phản hồi điện áp dịng điện Phân tích thành phần DC dòng điện kết nối lưới 3.1 Hàm truyền đạt dòng điện ig Hai vòng điều khiển phản hồi kín dịng điện điện áp sử dụng rộng rãi chiến lược điều khiển kết nối lưới Hình 2(a) Hình 2(b) tương ứng sơ đồ khối điều khiển vòng phản hồi điện áp bên ngồi vịng phản hồi dịng điện bên Trong Hình 2(a), giá trị điện áp sai lệch ref Uerr dc = U dc - U dc đưa tới đầu vào điều khiển điện 26 áp Gu(s); sau tín hiệu từ đầu điều khiển biên độ tham chiếu dòng điện nối lưới nhân với tín hiệu góc pha điện áp lưới sini từ đầu khối vịng khóa pha (PLL, Phase Locked Loop), nhằm tạo giá trị đặt tức thời dòng điện kết nối lưới i gref (t) = I gref ×sini Tại vịng lặp dịng điện, tín hiệu đầu dịng điện kết nối lưới ig(t) có pha tần số với điện áp lưới, sau đưa vào mạch cầu H thu dịng điện chiều idc đầu Hình 2(b) sơ đồ vịng lặp dịng điện, Khoa học & Cơng nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 i gref (t) = I gref ×sini giá trị đặt tức thời dòng điện nối lưới; Gi(s) thể hàm truyền đạt điều khiển dòng điện; GH(s) hàm truyền đạt mạch cầu H; GF(s) hàm truyền đạt khâu phản hồi điện áp lưới Thơng qua q trình biến đổi, ta thu hàm truyền đạt dòng điện xoay chiều nối lưới sau: ta thu hàm truyền đạt dòng điện đầu nghịch lưu sau: I g (s) = (i) * s.U*w (s) + s.U*p (s) K H - 7K (i) P s + K I A K H I e (s) (i) L.s + 7r + K (i) P K HA s + K I K H (3) G i (s) G H (s) ×I g (s) 7G F (s) G H (s) - 1A U g (s) + Ls + r + G i (s) G H (s) Ls + r + G I (s) G H (s) r I g (s) = (1) Từ biểu thức (1) thấy rằng, G F _ s i = G H _ s i loại bỏ ảnh hưởng điện áp lưới Ug(s) tới dịng điện đầu thơng qua phương thức thực bù điện áp lưới Khi đó, dịng điện đầu Ig(s) liên quan đến dòng điện tham chiếu I gr _ s i Trong kỹ thuật điều khiển số nghịch lưu nối lưới, dịng điện tham chiếu sóng hình sin chuẩn DSP (Digital Signal Controller) cung cấp, trường hợp lý tưởng dịng điện nối lưới khơng tồn thành phần dịng điện DC 3.2 Phân tích thành phần DC dịng điện kết nối lưới Từ phân tích mục 3.1 thấy rằng, với dịng điện tham chiếu sóng hình sin tiêu chuẩn dịng điện đầu không tồn thành phần DC trường hợp lý tưởng Tuy nhiên, tồn độ lệch “Không” khâu đo lường cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp; đồng thời đóng cắt khơng đồng thời van cơng suất, khó tránh khỏi có mặt thành phần DC dịng điện nối lưới Hình sơ đồ vịng lặp dòng điện xem xét tới yếu tố gây xuất thành phần DC Trong đó, hàm truyền đạt mạch nghịch lưu cầu H coi khâu tỉ lệ, tức là: GH(s)=KH Tín hiệu u*p biểu thị thành phần chiều xuất đóng cắt khơng đồng thời van cơng suất mạch cầu H; tín hiệu u*w thành phần chiều tồn điện áp lưới i*e biểu thị lượng sai lệch xuất khâu lấy mẫu dòng điện Xem xét tới thành phần DC khác nhau, điều khiển dòng điện sử dụng điều chỉnh PI có hàm truyền đạt sau: K(i) I + (2) G i _ s i = K(i) P s Xét tới ảnh hưởng thành phần DC khác coi dòng điện tham chiếu sin chuẩn, Khoa học & Cơng nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Hình Sơ đồ khối vòng lặp dòng điện bao gồm thành phần chiều Hình Đồ thị Bode dòng điện đầu xét tới ảnh hưởng thành phần DC khác Đồ thị Bode dòng điện đầu khảo sát tới ảnh hưởng độc lập thành phần DC khác trình bày Hình Trong đó, KH=400; (i) L = mH; r = mX; K(i) P = 0, 025 ; K I = 100 Từ Hình thấy rằng, với điều khiển dịng điện lựa chọn điều chỉnh PI, thành phần nhiễu DC yếu tố ảnh hưởng u*p u*w bị suy giảm truyền tới cuối đầu ra; u*w nói chung có ảnh hưởng khơng đáng kể nên bỏ qua; i*e khơng có suy hao Do đó, kết luận thành phần DC dòng điện xoay chiều đầu nghịch lưu chủ yếu gây độ lệch “Không” giá trị lấy mẫu dòng điện, biên độ thành phần DC dòng điện đầu giống phần bù DC kênh phản hồi ngược pha Vì vậy, thơng qua phân tách thành phần DC dịng điện đầu loại bỏ thành phần DC hệ thống Journal of Science and Technology 27 ISSN 2354-0575 3.3 Phương án đề xuất triệt tiêu thành phần DC dịng điện nối lưới Hình Sơ đồ khối vòng lặp dòng điện với trình phân tách thành phần DC Để triệt tiêu thành phần DC, trước tiên sử dụng mạch lọc thông thấp để phân tách thành phần DC dòng điện đầu ra, sau tiến hành vịng lặp điều khiển kín thành phần DC phân tách đầu Sơ đồ khối vòng lặp dòng điện với trình phân tách thành phần DC thể Hình Trong hàm truyền đạt mạch lọc thông thấp để phân tách thành phần DC thể biểu thức sau: K 100 (4) G D _ s i = R.C.sD+ = 0, 306.s + Ngoài ra, để giảm thành phần DC sai lệch trình lấy mẫu chương trình điều khiển chức hiệu chỉnh điểm “Khơng” khởi động; lần bật nguồn, phần bù sai lệch kênh đo tín hiệu thành phần DC kênh đo tín hiệu dịng điện xoay chiều đo lường trước thực nối lưới Thêm nữa, để giảm thành phần DC gây trôi giá trị lấy mẫu điện áp thực nghiệm lọc thông cao sử dụng để lọc giá trị lấy mẫu Và loại bỏ trơi q trình lấy mẫu điện áp, đặc tính sớm pha lọc thơng cao bù cho độ trễ pha vòng lặp dòng điện, làm tăng hệ số cơng suất dịng điện đầu Hàm truyền lọc thông cao thể biểu thức (5): s (5) G HF _ s i = s + 20 Lúc này, góc pha bù lọc thông cao khoảng 10 đến 1,50 Thực nghiệm đánh giá kết 4.1 Các thơng số thực nghiệm Mảng quang điện thực thực nghiệm thiết bị mô quang điện CHROMA2150H công suất tối đa nghịch lưu 1500 W; giá trị cuộn cảm mạch tăng áp BOOST Lb = mH van bán dẫn lựa chọn IGBT 28 loại IKW75N60T Tính tốn lựa chọn tụ điện kết nối mạch tăng áp BOOST mạch nghịch lưu có giá trị Cdc = 2400 nF , cuộn cảm lọc đầu mạch nghịch lưu L = 5mH, mô đun IGBT cầu H thực nhiệm vụ nghịch lưu F4-50R06W1E3 lựa chọn chip vi điều khiển DSP TMS320F28335 4.2 Kết thực nghiệm Hình 6(a) Hình 6(b) tương ứng dạng sóng điện áp lưới dòng điện đầu mạch nghịch lưu nối lưới với trường hợp đầy tải non tải Từ kết dễ dàng kết luận rằng, góc lệch pha dòng điện đầu mạch nghịch lưu nối lưới luôn đồng pha với điệp áp lưới (a) Trường hợp với công suất tải 485 W (b) Trường hợp với cơng suất tải 1492 W Hình Kết thực nghiệm Để đánh giá hiệu giải pháp đề xuất, thực nghiệm sử dụng thiết bị phân tích chất lượng điện PW3198 để tiến hành kiểm tra chất lượng dòng điện đầu mạch nghịch lưu nối lưới Kết thể Bảng Bảng trình bày kết đo độ méo sóng hài THD, hệ số cơng suất thành phần dòng điện chiều bơm vào lưới dòng điện đầu mạch nghịch lưu nối lưới trường hợp công suất tải khác không có sử dụng giải pháp đề xuất Kết rằng, giải pháp đề xuất có hiệu việc triệt tiêu thành phần chiều dòng điện nối lưới Thêm nữa, tất trường hợp hệ số công suất thiết bị lớn 0,999, thành phần DC nhỏ 0,5% số THD nhỏ 5% công suất tải lớn 30% công suất định mức Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Bảng Thông số chất lượng điện với công suất tải thay đổi trường hợp khơng có sử dụng giải pháp đề xuất THD (%) P(W) 295 369 485 660 740 835 932 1065 1210 1305 1379 1492 PF (%) DC (%) Không sử Sử dụng Không sử Sử dụng Không sử Sử dụng dụng giải giải pháp đề dụng giải giải pháp đề dụng giải giải pháp đề pháp đề xuất xuất pháp đề xuất xuất pháp đề xuất xuất 8,56 7,42 7,08 6,55 5,80 5,34 4,67 4,32 4,15 4,03 3,89 3,86 6,47 5,26 4,39 3,27 3,02 2,72 2,59 2,46 2,20 2,01 1,94 1,86 99,25 99,18 99,15 99,14 99,12 98,56 98,25 98,24 98,11 97,78 97,63 97,50 Kết luận (1) Trong kỹ thuật điều khiển số với nghịch lưu, độ lệch “Không” giá trị lấy mẫu nguyên nhân gây xuất thành phần DC dòng điện nối lưới; (2) Với vòng lặp dòng điện sử dụng điều chỉnh PI, thể lọc nhiễu DC cách hiệu 99,98 99,98 99,97 99,97 99,96 99,96 99,95 99,95 99,95 99,95 99,95 99,95 -0,75 -0,69 -0,63 -0,58 -0,56 -0,45 -0,41 -0,39 -0,28 -0,32 -0,25 -0,25 -0,2 -0,14 -0,17 -0,11 -0,08 -0,12 -0,07 -0,13 -0,02 -0,09 -0,07 0,01 loại bỏ trôi DC kênh phản hồi dòng điện; (3) Bằng cách thêm khâu phân tách thành phần DC dòng điện nối lưới, sau tiến hành vịng lặp điều khiển kín thành phần DC phân tách, từ triệt tiêu có hiệu thành phần DC dòng điện nối lưới Tài liệu tham khảo [1] Kerekes, T., Teodorescu, R., Rodriguez, P., Vazquez, G., and Aldabas, E., A New High-Efficiency Single-Phase Transformerless PV Inverter Topology IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58, pp 184-191 [2] Infield, D G., Onions, P., Simmons, A D and Smith, G A., Power quality from multiple gridconnected single-phase inverters IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19, pp 1983-1989 [3] Blewitt, W M., Atkinson, D J., Kelly, J and Lakin, R A., Approach to low-cost prevention of DC injection in transformerless grid connected inverters IET Power Electronics, 2010, 3, pp 111-119 [4] AS 4777.2, Grid connection of energy system via inverters Part 2: inverter requirements Australia 2002 [5] IEEE 929-2000, IEEE Recommended Practice for Utility interface of photovoltaic (PV) Systems, April, 2000 [6] González, R., López, J., Sanchis, P and L Marroyo, Transformerless inverter for single-phase photovoltaic systems IEEE Trans Power Electron., 2007, no 2, pp 693-697 [7] Guo, X., Wu, W., Herong, W and G San, DC injection control for grid-connected inverters based on virtual capacitor concept Proc IEEE Electrical Machines and Systems Conf., Wuhan, China, 2008, pp 2327-2330 [8] Armstrong, M., Atkinson, D J C., Johnson, M and T D Abeyasekera, Auto-calibrating DC link current sensing technique for transformerless, grid connected, H-Bridge inverter systems IEEE Trans Power Electron, 2006, 5, pp 1385-1393 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology 29 ISSN 2354-0575 SUPPRESSION OF THE DC COMPONENT IN GRID INJECTION CURRENT FOR PHOTOVOLTAIC GRID-TIED INVERTERS Abstract: This work deals with identifying the main causes of DC component appearance by analyzing the relationship between the DC component in grid injection current and the deviation existing in sampling value of AC voltage and AC current Then the DC component is separated through a low-pass filter circuit The DC component is eliminated by an appending closed-loop control Simultaneously, a high pass filter (HPF) is introduced to filter sampling voltage value, which suppressed the deviation of the sampling voltage value In addition, the phase delay existing in the current loop, which improves the power factor, will be compensated by the phase leading of the HPF Eventually, the effectiveness of the proposed method is verified through the test of the total harmonic distortion (THD) index, the power factor, and the DC component index of the grid-injection current under different load conditions Keywords: Grid-tied inverter; DC component; Harmonics; Low pass filter 30 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ... lượng điện đầu vào đầu ra, mạch vòng bên kiểm soát pha tần số điện áp lưới điện ug dòng điện hòa lưới ig nhằm đạt hệ số công suất Hình Sơ đồ cấu trúc phần cứng nghịch lưu lượng mặt trời pha nối lưới. .. vào lưới dòng điện đầu mạch nghịch lưu nối lưới trường hợp công suất tải khác khơng có sử dụng giải pháp đề xuất Kết rằng, giải pháp đề xuất có hiệu việc triệt tiêu thành phần chiều dòng điện nối. .. hồi dòng điện; (3) Bằng cách thêm khâu phân tách thành phần DC dịng điện nối lưới, sau tiến hành vịng lặp điều khiển kín thành phần DC phân tách, từ triệt tiêu có hiệu thành phần DC dịng điện nối