Kỹ thuật điều khiển volt VAR cho bộ nghịch lưu điện mặt trời thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ ĐÌNH TƢỞNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VOLT - VAR CHO BỘ NGHỊCH LƢU ĐIỆN MẶT TRỜI THÔNG MINH CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ : 60 52 02 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2017 Luận Văn Thạc Sĩ CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sỹ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày…… tháng………năm……… 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 văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA……………… Luận Văn Thạc Sĩ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ ĐÌNH TƢỞNG MSHV: 1670557 Ngày, tháng, năm sinh: 15/01/1989 Nơi sinh: TP Hồ Ch Minh Chuyên nghành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VOLT – VAR CHO BỘ NGHỊCH LƢU ĐIỆN MẶT TRỜI THÔNG MINH II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng sở lý thuyết cho biến đổi smart inverter, xậy dựng giải thuật nối lưới, với áp dụng giải thuật điều khiển Volt-Var Control (VVC) Xây dựng mơ hình lưới điện giả định Matlab/simulink: gồm mơ hình nối lưới hai tình huống: sụt áp cố ngắn mạch lưới điện Tính tham số hồi tiếp tối ưu PI controller Khả phối hợp tương tác PV hệ thống lưới điện Phân tích kết so sánh tính hiệu giải thuật III Ngày giao nhiệm vụ: 10/07/2017 IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 03/12/2017 V Cán bô hƣớng dẫn: PGS TS Phan Quốc D ng Tp HCM ngày… , tháng… , năm 20.… CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƢỞNG KHOA ……… (Họ tên chữ ký) Luận Văn Thạc Sĩ LỜI CẢM ƠN  Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cơ Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh nâng đỡ dìu dắt, truyền đạt cho kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt q trình tơi học tập trường Tơi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất quý Thầy, Cô khoa Điện – Điện Tử, Bộ Môn Cung Cấp Điện, PTN Nghiên cứu Điện Tử Công Suất đặc biệt thầy Phan Quốc D ng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp Tơi xin cảm ơn gia đình, người thân cho điều kiện tốt để học tập thời gian dài Ngồi tơi xin gửi lời cảm ơn đến tất người bạn tơi, người gắn bó, học tập giúp đỡ năm qua c ng suốt trình thực luận văn tốt nghiệp TP Hồ Chí Minh, tháng 12/2017 Lê Đình Tưởng Luận Văn Thạc Sĩ TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn nghiên cứu kỹ thuật điều khiển Volt – Var cho nghịch lưu điện thông minh Bộ nghịch lưu pin lượng mặt trời việc phát cơng suất tác dụng (kW), nghịch lưu thực thêm chức điều áp thông qua điều khiển công suất phản kháng kết lưới điện Đồng thời, luận văn đưa phương án điều khiển cơng suất phản kháng để so sánh kết Trên sở nghiên cứu, phương pháp điều khiển Volt-Var ứng dụng toán thực tế kết lưới điện bao gồm: ngắn mạch điện áp hệ thống thay đổi Kết kiển chứng thông qua mô Luận văn gồm chương: - Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài - Chương 2: Trình bày cở sở lý thuyết kỹ thuật điều khiển Volt –Var - Chương 3: Xây dựng mơ hình mơ - Chương 4: Tình – điện áp lưới điện không ổn định - Chương 5: Tình – hệ thống lưới điện xảy ngắn mạch - Chương 6: Tình – hai hệ thống pin mặt trời kết hợp vào lưới điện Luận Văn Thạc Sĩ ABSTRACT This thesis researches on Volt – Var control technique for smart solar inverters The smart solar inverter not only generates active power (kW), but also regulates voltage through generating or absorbing reactive power (kVar) In this thesis, there are three methods to control reactive power The Volt – Var technique is applied in practical problems when the smart solar inveters intergrates grid systems Grid systems operate in normal condition or short – circuit The thesis includes six chapters: - Chapter 1: Introduce the thesis overview - Chapter 2: Basis theoretic for volt- var techinique - Chapter 3: Build modeling - Chapter 4: Case 1: Grid Voltage is unstable - Chapter 5: Case 2: Grid system occurs short circuit - Chapter 6: Case 3: PVs integrate into grid systems Luận Văn Thạc Sĩ LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận nêu luận văn trung thực không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu Tác giả luận văn Lê Đình Tƣởng Luận Văn Thạc Sĩ MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƢU SMART INVERTER Chức nghịch lƣu Smart Inverter 1.1 Chức tự vận hành: 1.2 Chức giao tiếp, điều khiển từ xa 1.3 Chức Smart Inverters theo tiêu chuẩn CA Rule 21 : 2 Định hƣớng nghiên cứu 2.1 Lý chọn đề tài 2.2 Mục tiêu đề tài 2.3 Phạm vi phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VOLT-VAR Cơ sở lý thuyết Xây dựng giải thuật Volt var control VVC hệ trục tọa độ dq0: 2.1 Bộ điều khiển dòng 2.2 Cách xác định idref : 13 2.3 Cách xác định iqref : 15 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƠ PHỎNG 24 Xây dựng mơ hình mơ 24 1.1 Sơ đồ mô PV nối lƣới pha: 24 1.2 Pin mặt trời: 24 1.3 Bộ biến đổi công suất boost converter DC/DC: 28 1.4 Bộ nghịch lưu Inverter DC/AC 32 1.5 Bộ lọc LC 34 1.6 Hệ thống lƣới điện 36 Bộ điều khiển: 37 CHƢƠNG 4: TÌNH HUỐNG - ĐIỆN ÁP LƢỚI ĐIỆN KHƠNG ỔN ĐỊNH 40 PV chế độ Iref =0 40 PV chế độ Qref 43 PV chế độ tự hành Vref = 1pu 48 CHƢƠNG 5: TÌNH HUỐNG – HỆ THỐNG ĐIỆN XẢY RA SỰ CỐ NGẮN MẠCH……… 52 PV chế độ Iref =0 52 PV chế độ Qref 55 PV chế độ tự hành Vref = 1pu 59 CHƢƠNG 6: TÌNH HUỐNG - HAI HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CÙNG KẾT HỢP VÀO LƢỚI ĐIỆN 64 6.1 Chế độ tự vận hành Vref =1pu lƣới điện hoạt động bình thƣờng 64 Luận Văn Thạc Sĩ 6.2 Chế độ điều khiển Qref từ hệ thống điều khiển trung tâm 69 6.3 Chế độ tự vận hành Vref =1pu lƣới điện ngắn mạch pha 74 6.4 Chế độ điều khiển Qref từ hệ thống điều khiển trung tâm lƣới điện ngắn mạch pha… .…………………………………………………………………………………………… 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Luận Văn Thạc Sĩ Mục Lục Bảng Bảng 2.1 Giá trị PI điều khiển dòng……….………….………….……… …… 12 Bảng 2.2 Giá trị PI điều khiển áp DC ….………………….………… …… 15 Bảng 2.3 Giá trị PI điều khiển Vpcc … … ……….………….…….….……… 16 Bảng 3.1 Thông số pin mặt trời………….………….…………… ….…………… 27 Bảng 3.2 Thông số mạch DC/DC …….………….….…………….…….………… 32 Bảng 3.3 Thông số nghịch lưu DC/AC.………….….…………….… …………… 33 Bảng 3.4 Thông số đầu vào mạch lọc………………….………… …….………… 35 Bảng 3.5 Thông số mạch lọc LC.… ….…… ….…….………….….….………… 35 Bảng 3.6 Thông số phụ tải …………….…… ….…….………… ……………… 36 Bảng 3.7 Thông số đường dây truyền tải ……… …….……….………………… 37 Luận Văn Thạc Sĩ Hình 6.23 Điện áp kết lưới Vpcc PV1 Điện áp Vpcc (pu) điểm kết lưới hệ thống điện PV2: Hình 6.24 Điện áp kết lưới Vpcc PV2 Như vậy, hệ có ngắn mạch, công suất hệ thống lớn công suất tiêu thụ làm cho điện áp hệ thống vọt lố hình 6.23 hình 6.24 Hệ số điều chế m PV1 PV2: HVTH: Lê Đình Tưởng 75 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ Hình 6.25 Hệ số điều chế m PV1 Hình 6.26 Hệ số điều chế m PV2 HVTH: Lê Đình Tưởng 76 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ Hình 6.27 Giá trị id iq PV1 Hình 6.28 Giá trị id iq PV2 Như vậy, điện áp PV1 lớn 1pu, nên sinh iqref < 0, để làm giảm chênh lệch điện áp Nên PV1 hấp thu công suất phản kháng Ngược lại, điện áp PV2 thấp 1pu, nên iqref > 0, PV2 phát cơng suất phản kháng HVTH: Lê Đình Tưởng 77 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ Hình 6.29 Cơng suất phản kháng Q PV1 Hình 6.30 Cơng suất phản kháng Q PV2 Điện áp ngõ tương ứng PV là: HVTH: Lê Đình Tưởng 78 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ Hình 6.31 Điện áp ngõ nghịch lưu PV1 Hình 6.32 Điện áp ngõ nghịch lưu PV2 Nhận xét: chế độ tự vận hành Vref =1pu, hệ thống pin mặt trời tự động phát thu công suất phản kháng khác tùy vào điện áp nơi mà PV kết lưới 6.4 Chế độ điều khiển Qref từ hệ thống điều khiển trung tâm lƣới điện ngắn mạch pha Qref từ hệ thống trung tâm xác định toán trào lưu cơng suất mơ hình mơ giả định HVTH: Lê Đình Tưởng 79 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ Từ đó, chọn giá trị Qref1 = 0pu Qref2=- 0.2pu (~69kVar) Kết chạy mô phỏng: Điện áp Vpcc (pu) điểm kết lưới hệ thống điện PV1: Hình 6.33 Điện áp kết lưới Vpcc PV1 Điện áp Vpcc (pu) điểm kết lưới hệ thống điện PV2: Hình 6.34 Điện áp kết lưới Vpcc PV2 Hệ số điều chế m PV1 PV2: HVTH: Lê Đình Tưởng 80 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ Hình 6.35 Hệ số điều chế m PV1 Hình 6.36 Hệ số điều chế m PV2 HVTH: Lê Đình Tưởng 81 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ Hình 6.37 Giá trị id iq PV1 Hình 6.38 Giá trị id iq PV2 Như vậy, từ mơ hình giả định giống mơ hình mơ phỏng, tầng điều khiển thứ tìm giá trị Qref hợp lý cho hệ thống ổn định Trong luận văn này, toán trào lưu công suất thực cách dễ dàng nhờ phần mềm matlab/simulink HVTH: Lê Đình Tưởng 82 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ Hình 6.39 Cơng suất phản kháng Q PV1 Hình 6.40 Công suất phản kháng Q PV2 Điện áp ngõ tương ứng PV là: HVTH: Lê Đình Tưởng 83 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ Hình 6.41 Điện áp ngõ nghịch lưu PV1 Hình 6.42 Điện áp ngõ nghịch lưu PV2 Kết luận chương 6: Với cách điều khiển trình bày mục trên, ta thấy chế độ tự hành Vref đảm cho PV hoạt động độc lập, mang tính cục bộ, PV đảm bảo điện áp làm việc điểm kết lưới PV Đối với cách điều khiển Qref, giá trị Qref tính tốn nhờ vào tốn trào lưu công suất, nên Qref PV ảnh hưởng qua lại với ảnh hưởng trực tiếp lên hệ thống điện Chính vậy, cách điều khiển có nhiều ưu điểm tốn tối ưu hệ thống điện HVTH: Lê Đình Tưởng 84 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ HVTH: Lê Đình Tưởng 85 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ KẾT LUẬN Luận văn hoàn thành mục tiêu đề đề cương Xây dưng giải thuật điều khiển volt-var dựa điện áp kết lưới từ công suất phản kháng từ hệ thống điều khiển Đây tảng quan trọng để xây dựng chức nghịch lưu thông minh (smart inverter) Nắm vững kiến thức điện tử công suất, đọc tìm hiểu tài liệu, c ng kiến thức phần mềm matlab/simulink Kết đạt trình thực đề tài dùng làm liệu đầu vào cho nghiên cứu nghịch lưu thông minh (smart inverter) Những hạn chế Luận văn trình bày chi tiết kỹ thuật điều khiển volt var, c ng mô thành công hệ thống pin mặt trời kết lưới.Tuy nhiên, luận văn cịn nhiều hạn chế mơ lưới điện bus, chưa phân tích kỹ số liệu thu Hƣớng phát triển đề tài Mở rộng mơ hình lưới điện lên nhiều bus hơn, thêm nhiều hệ pin mặt trời kết lưới Có điều khiển trung tâm để gửi giá Qref đến inverter cụ thể HVTH: Lê Đình Tưởng 86 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Yazdani and R Iravani, Voltage-Sourced Converters in Power Systems : Modeling, Control, and Applications Hoboken, NJ: Wiley, 2010 [2] A Yazdani and P P Dash, "A Control Methodology and Characterization of Dynamics for a Photovoltaic (PV) System Interfaced With a Distribution Network," IEEE Transactions on Power Delivery, vol 24, pp 1538-1551, 2009 [3] T Messo, J Jokipii, J Puukko, and T Suntio, "Determining the Value of DC- Link Capacitance to Ensure Stable Operation of a Three-Phase Photovoltaic Inverter," IEEE Transactions on Power Electronics, vol 29, pp 665-673, 2014 [4] A Yazdani, A R D Fazio, H Ghoddami, M Russo, M Kazerani, J Jatskevich, et al., "Modeling Guidelines and a Benchmark for Power System Simulation Studies of ThreePhase Single-Stage Photovoltaic Systems," IEEE Transactions on Power Delivery, vol 26, pp 1247-1264, 2011 [5] T.Chaitanya, Ch.Saibabu, J.Surya Kumari, “ Modeling and Simulation of PV Array and its Performance Enhancement Using MPPT (P&O) Technique” , IJCSCN, vol 1, 2011 [6] S R Nandurkar and M Rajeev, "Design and Simulation of three phase Inverter for grid connected Photovoltic systems," in Proceedings of Third Biennial National Conference NCNTE, 2012, [7] Common Funtions for Smart Inverters, 4th Edition, B Seal, EPRI Project Management [8] Designing Smart Inverter with unitified controller and smooth transition between Grid connected and Islanding Modes for MicroGrid Application, Farnaz Harirchi, Marcelo Godoy Simoes, Mohammad Babakmehr, Ahmed Ạ Dura, S.M Muyen [9] Smart Inverter Volt/Var Control Functions for High Penetration of PV on Distribution Systems, J W Smith, Member, IEEE, W Sunderman, Member, IEEE, R Dugan, Fellow, IEEE, Brian Seal, Member, IEEE [10] Phase locked loop for grid connected three phase power conversion systems, S.K Chung, IEEE Proc Electr, power appli., Vol 147, No.3 pp 213-219, 2010 [11] Reactive power management of a AC/DC microgrid system using a smart PV inverter, Fida Hasan MdRafi, Student member, IEEE, M J Hossain, Senior Member, IEEE, D Leskarac, J Lu, Senior Member, IEEE [12] Phan Quốc D ng, nghiên cứu hệ thống biến đổi điện mặt trời kết lưới hiệu suất cao, B-2012-04-TĐ/DHQG [13] "IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems," IEEE Std 1547-2003, pp 1-28, 2003 HVTH: Lê Đình Tưởng 87 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ [14] R K Varma, S A Rahman, A C Mahendra, R Seethapathy, and T.Vanderheide, "Novel nighttime application of PV solar farms as STATCOM (PVSTATCOM),"in 2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2012,pp 1-8 [15] R K Varma, S A Rahman, V Sharma, and T Vanderheide, "Novel control of a PV solar system as STATCOM (PV-STATCOM) for preventing instability of induction motor load," in 2012 25th IEEE Canadian Conference on Electrical & Computer Engineering (CCECE), 2012, pp 1-5 HVTH: Lê Đình Tưởng 88 GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng Luận Văn Thạc Sĩ LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Lê Đình Tƣởng Ngày, tháng, năm sinh: 15/01/1989 Nơi sinh: TP Hồ Ch Minh Địa liên lạc: 195 Man Thiện, Phƣờng Hiệp Phú, Quận 9, Tp Hồ Ch Minh Email: limaginationtim@gmail.com Phone: 01682868972 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Năm 2007 – 2012: học đại học trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM chuyên ngành hệ thống lượng, thuộc chương trình kỹ sư chất lượng cao PFIEV Năm 2016 – 2017: học cao học trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM chuyên ngành kỹ thuật điện QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC Năm 2012 – đến : Trưởng phịng đào tạo tốn trí tuệ KMI Viện Quản Trị Tri Thức KMI HVTH: Lê Đình Tưởng GVHD: PGS.TS Phan Quốc D ng ... Ch Minh Chuyên nghành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VOLT – VAR CHO BỘ NGHỊCH LƢU ĐIỆN MẶT TRỜI THÔNG MINH II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng sở lý thuyết cho. .. Hồ Chí Minh, tháng 12/2017 Lê Đình Tưởng Luận Văn Thạc Sĩ TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn nghiên cứu kỹ thuật điều khiển Volt – Var cho nghịch lưu điện thông minh Bộ nghịch lưu pin lượng mặt trời ngồi... KHIỂN VOLT- VAR Cơ sở lý thuyết Một Smart Inverter phải đảm bảo chức tự vận hành chức giao tiếp/ điều khiển từ xa phần 1.1 phần 1.2 Trong đề tài “KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VOLT - VAR CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐIỆN