(Luận văn thạc sĩ) điều khiển song song các bộ nghịch lưu trong hệ thống năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LƯƠNG THỊ THANH TUYỀN ĐIỀU KHIỂN SONG SONG CÁC BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LƢƠNG THỊ THANH TUYỀN ĐIỀU KHIỂN SONG SONG CÁC BỘ NGHỊCH LƢU TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp Hồ Chí Minh, 04/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ LƢƠNG THỊ THANH TUYỀN ĐIỀU KHIỂN SONG SONG CÁC BỘ NGHỊCH LƢU TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƢƠNG Tp Hồ Chí Minh, 04/2016 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các nghiên cứu 1.3 Mục tiêu kết nghiên cứu CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MICROGRID 2.1 Khái niệm microgrid nguồn lƣợng phân tán (DG) 2.1.1 So sánh lƣới điện thông thƣờng microgrid 2.1.2 Nguyên tắc lƣới microgrid 2.1.3 Ƣu điểm Microgrid 2.2 Cấu trúc thành phần lƣới microgrid 2.2.1 Thành phần lƣới microgrid AC 2.2.2 Cấu hình lƣới AC hạ áp 10 CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA BỘ NGHỊCH LƢU ÁP TRONG MICROGRID (HỆ TRỤC DQ) 12 3.1 Bộ điều khiển công suất thực/phản kháng 12 3.2 Điều khiển chế độ áp chế độ dòng 12 3.3 Mơ hình động điều khiển cơng suất thực/phản kháng 13 3.4 Bộ điều khiển công suất thực/công suất phản kháng dạng điều khiển dịng 15 3.5 Xây dựng mơ hình nghịch lƣu kết nối song song lƣới microgrid 19 3.6 Hòa đồng nghịch lƣu với lƣới AC - Vịng khóa pha (PLL) 20 Vịng khóa pha hệ quy chiếu đồng 20 CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI CÂN BẰNG TRONG MICROGRID 24 4.1 Kỹ thuật điều khiển sử dụng truyền thông 24 4.1.1 Điều khiển tập trung 24 4.1.2 Điều khiển sơ cấp/thứ cấp 26 4.1.3 Điều khiển phân tán 27 4.2 Kỹ thuật điều khiển droop độc lập 28 4.2.1 Droop control truyền thống 30 4.2.2 VPD/FGB droop control 33 4.2.3 Phƣơng pháp dự đoán trở kháng đƣờng dây 34 4.2.4 Phƣơng pháp điều khiển góc 36 4.2.5 Droop control dựa điện áp 37 4.2.6 Phƣơng pháp điều khiển dựa biến chung 39 CHƢƠNG 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN MỚI CHIA TẢI TRONG MICROGRID 41 5.1 Phân tích phƣơng pháp điều khiển chia tải (droop control) 41 5.2 Chế độ làm việc song song nghịch lƣu 44 Chia công suất tác dụng 46 Chia công suất phản kháng 47 5.3 Xây dựng sơ đồ điều khiển droop đề xuất 48 CHƢƠNG 6: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MATLAB SIMULINK 56 6.1 Các khối đo lƣờng 58 6.1.1 Khối đo dòng điện 58 6.1.2 Khối đo điện áp 59 6.1.3 Khối đo công suất P Q 60 6.2 Các khối điều khiển 61 Bộ điều khiển điện áp 61 6.3 Khối tạo xung SVPWM 63 6.4 Kết mô 64 6.5 Chế độ vận hành độc lập (Islanded mode) 65 6.5.2 P1 = P2 = P3 =1, Q1 = Q2 = Q3 =1, tải thay đổi, t= 6s 72 6.5.3 P1 = P2 = P3 =1:2:3, Q1 = Q2 = Q3 =1:2:3, tải thay đổi, t= 6s 73 6.5.4 P1 = P2 = P3 =1:1:1, Q1 = Q2 = Q3 =1:2:3, tải thay đổi, t= 6s 74 6.5.5 Dạng điện áp dòng điện ngõ 75 6.6 Chế độ kết nối lƣới (Grid-connected) 76 6.6.1 Kết nối lƣới sau 3s, tần số lƣới 50Hz, tải không đổi, t=6s 76 6.6.2 Kết nối lƣới, tần số lƣới thay đổi từ 50Hz lên 60Hz từ 3s, tải khôngđổi, t=6s 77 6.6.3 Kết nối lƣới, tần số 50Hz từ 2s, tải thay đổi từ 4s, t=6s 78 6.7 Kết luận 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 TÓM TẮT LUẬN VĂN Các máy phát phân tán (Distributed generation - DG) ngày đƣợc phổ biến tính thân thiện mơi trƣờng, phát triển đơn vị phát điện mới, khả hoạt động khu vực xa xôi Bằng cách tập hợp DG song song, hệ thống lƣu trữ tải, Microgrid cung cấp hệ thống cơng suất với độ tin cậy, tính linh hoạt, chi phí hiệu tính tiết kiệm lƣợng tăng Các nguồn lƣợng phổ biến nhƣ pin quang điện, turbine gió, pin nhiên liệu yêu cầu giao diện điện tử công suất nhƣ cầu nối để kết nối với hệ thống lƣới cho việc truyền tải Nhiệm vụ luận văn này: Tác giả trình bày sơ đồ điều khiển chia tải xác nghịch lƣu kết nối song song chế độ độc lập Microgrid Droop cho phép chia tải tỷ lệ xác nghịch lƣu vận hành song song Microgrids chế độ độc lập điều kiện khác biệt thông số đƣờng dây trở kháng đầu nghịch lƣu Kết mô thực nghiệm cho thấy hệ thống thiết kế hoạt động ổn định chế độ hoạt động độc lập Microgrid Với mơ hình đề xuất, cơng suất PQ tải đƣợc chia đồng thời cải thiện chất lƣợng điện áp tải biến tần kết nối song song Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực mơ hình mơ để kiểm chứng lý thuyết đề tài Mơ hình mơ đƣợc xây dựng sử dụng Sim Power system, hàm truyền ABSTRACT Distributed generators (Distributed generation - DG) is increasingly common due to friendly environment features, the development of new generating units, and the ability to operate in a remote area By DG set of parallel, storage and loading systems, a Microgrid can supply a power system with reliability, flexibility, cost efficiency and increased energy savings The renewable energy such as photovoltaics, wind turbines, and fuel cells require power electronic interface as a bridge to connect with the main system for the transmission grid The main task of this thesis: the author presents the control diagram precise real and reactive power sharing between converter connected in parallel in islanding mode of Microgrid new Droop control enable accurate real and reactive power sharing ratio between the parallel converter operation in independent mode Microgrids in different conditions on the line parameters and output impedance converter The simulation results showed that the experimental and design system can operate stably in an independent mode of Microgrid activity With the proposed model, the PQ in power load is divided equally and simultaneously improve the quality of the voltage at the load when the converter connected in parallel Thesis using software Matlab/Simulink implementation of simulation models to verify the theory of the subject Simulation models are built using Sim Power system, the transfer function LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi đến thầy PGS.TS Lê Minh Phƣơng dành thời gian quý báu để hƣớng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi nhƣ cho lời khun bổ ích để hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tất Thầy Cơ Bộ Mơn Cung Cấp Điện, Phịng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện Tử Cơng Suất nhóm nghiên cứu thầy PGS TS Lê Minh Phƣơng giúp đỡ hổ trợ để tơi hồn thành đề tài nghiên cứu Ngoài ra, suốt thời gian học tập trƣờng đại học Sƣ phạm kỹ thuật Tp HCM, đƣợc Thầy Cô khoa Điện – Điện tử, bên cạnh tơi đƣợc bạn bè khóa, lớp đóng góp nhiều ý kiến nhƣ tài liệu có giá trị Xin gửi đến Thầy Cô bạn lời cảm ơn chân thành Đồng thời xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trƣờng Cao Đẳng Nghề Tây Ninh tỉnh Tây Ninh tạo điều kiện cho tơi có thời gian học tập nghiên cứu trình làm việc trƣờng Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình động viên tạo điều kiện giúp tơi vƣợt qua khó khăn suốt q trình học tập nghiên cứu vừa qua Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 03 năm 2016 Lƣơng thị Tuyền LỜI CAM KẾT Tôi xin cam kết nội dung lý thuyết trình bày luận văn tham khảo tài liệu biên soạn lại, tất kết mô phỏng, thực nghiệm thân tơi tự làm ra, hồn tồn khơng phải chép từ tài liệu cơng trình nghiên cứu khác Nếu không thực cam kết nêu trên, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm trƣớc kỷ luật nhà trƣờng nhƣ pháp luật Nhà nƣớc Lƣơng Thị Thanh Tuyền Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Lê Minh Phƣơng [87] B M Eid, N A Rahim, J Selvaraj, and A H El Khateb, ―Control methods and objectives for electronically coupled distributed energy resources in microgrids: A review,‖ IEEE Syst J., to be published [88] M M A Abdelaziz, M F Shaaban, H E Farag, and E F El-Saadany, ―A multistage centralized control scheme for islanded microgrids with PEV,‖IEEE Trans Sustain Energy, vol 5, no 3, pp 927–937, Jul 2014 [89] T Caldognetto and T Paolo, ―Microgrids operation based on masterslave cooperative control,‖IEEE J Emerg Sel Topics Power Electron., vol 2, no 4, pp 1081–1088, Dec 2014 [90] Q Shafiee, J M Guerrero, and V C Juan, ―Distributed secondary control for islanded microgrids—A novel approach,‖ IEEE Trans Power Electron., vol 29, no 2, pp 1018–1031, Feb 2014 [91] A Bidram, A Davoudi, and F Lewis, ―A multi-objective distributed control framework for islanded AC microgrids,‖ IEEE Trans Ind Informat., vol 10, no 3, pp 1785–1798, Aug 2014 [92] H Xin, L Zhang, Z Wang, D Gan, and K P Wong, ―Control of island AC microgrids using a fully distributed approach,‖ IEEE Trans Smart Grid, vol 6, no 2, pp 943–945, Mar 2015 [93] M A Mahmud, M J Hossain, H R Pota, and A M T Oo, ―Robust nonlinear distributed controller design for active and reactive power sharing in islanded microgrids,‖IEEE Trans Energy Convers., vol 29, no 4, pp 893–903, Dec 2014 [94] J Hu, J Zhu, D G Dorrell, and J M Guerrero, ―Virtual flux droop method— A new control strategy of inverters in microgrids,‖IEEE Trans Power Electron., vol 29, no 9, pp 4704–4711, Sep 2014 [95] M Ashabani, Y Mohamed, M Mirsalim, and M Aghashabani, ―Multivariable droop control of synchronous current converters in weak grids/microgrids with decoupleddq-axes currents,‖IEEE Trans Smart Grid, to be published [96] L Y Lu and C C Chu, ―Consensus-based droop control synthesis for multiple DICs in isolated micro-grids,‖ IEEE Trans Power Syst., to be published Trang 89 HVTH: Lƣơng Thị Thanh Tuyền Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Lê Minh Phƣơng [97] X Yu, A M Khambadkone, and H H Wang, ―A hybrid control architecture for low voltage microgrid,‖ in Proc IEEE Energy Convers Congr Expo., Atlanta, GA, USA, 2010, pp 3161–3168 [98] Y Zhang and H Ma, ―Theoretical and experimental investigation of networked control for parallel operation of inverters,‖IEEE Trans Ind Electron., vol 59, no 4, pp 1961–1970, Apr 2012 [99] M N Marwali, J W Jung, and A Keyhani, ―Control of distributed generation systems—Part II: Load sharing control,‖IEEE Trans Power Electron., vol 19, no 6, pp 626–634, Nov 2004 [100] H Hua, L Yao, S Yao, S Mei, and J M Guerrero, ―An improved droop control strategy for reactive power sharing in islanded microgrid,‖IEEE Trans Power Electron., vol 30, no 6, pp 3133–3141, Jun 2014 [101] A Kahrobaeian and Y A.-R I Mohamed, ―Networked based hybrid distributed power sharing and control for islanded micro-grid systems,‖ IEEE Trans Power Electron., vol 30, no 2, pp 603–617, Feb 2015 [102] A Vargas-Martínez, L I A Minchala, Y Zhang, L E Garza-Castón, and H Badihi, ―Hybrid adaptive faulttolerant control algorithms for voltage and frequency regulation of an islanded microgrid,‖ Int Trans Electron Energy Syst., vol 25, no 5, pp 827–844, Jan 2014 [103] I U Nutkani, P C Loh, and F Blaabjerg, ―Cost-prioritized droop schemes for autonomous AC microgrids,‖IEEE Trans Power Electron., vol 30, no 2, pp 1109–1119, Feb 2015 Trang 90 HVTH: Lƣơng Thị Thanh Tuyền ĐIỀU KHIỂN SONG SONG CÁC BỘ NGHỊCH LƢU TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1 Lương Thị Thanh Tuyền Cao Đẳng Nghề Tây Ninh Tỉnh Tây Ninh Tóm tắt –Bài báo trình bày điều khiển song song nghịch lƣu hệ thống lƣợng mặt trời Trong đề xuất điều khiển droop cải tiến cho phép chia tải xác tỷ lệ với công suất định mức nghịch lƣu đảm bảo giảm sụt áp ảnh hƣởng tải hệ số droop trì điện áp tải phạm vi định mức Trong cơng suất tác dụng công suất phản kháng đƣợc chia cách điều chỉnh điện áp theo điện áp Droop tham chiếu điều kiện nhiều nghịch lƣu làm việc song song với khác biệt rõ rệt tổng trở đƣờng dây, tổng trở ngõ nghịch lƣu áp Ngồi báo trình bày khả khắc phục nhƣợc điểm giải thuật Droop truyền thống việc phân tích lý thuyết cho trƣờng hợp tổng trở ngõ mang tính trở Mơ hình điều khiển đƣợc mô Matlab-Simulink cho ba biến tần nguồn áp kết nối song song Kết mô cho thấy ƣu điểm sơ đồ đề xuất, cụ thể sai số chia công suất tác dụng sơ đồ truyền thống đạt đến 8.7% với sơ đồ đề xuất 0.6% độ sụt áp giảm đáng kể sơ đồ đề xuất Từ khoá – Các nghịch lưu song song, điều khiển Droop truyền thống, điều khiển Droop đề xuất, chia công suất I GIỚI THIỆU Hiện hệ thống lưới phân phối điện cục (DG) sử dụng nguồn lượng tái tạo mặt trời, gió nguồn lưu trữ phát triển rộng rãi Tuy nhiên nguồn điện không trực tiếp tạo điện áp xoay chiếu pha được, yêu cầu phải sử dụng nghịch lưu nguồn áp pha làm giao diện Các nghịch lưu tạo lưới siêu nhỏ (Microgrid) trước kết nối với lưới điện [1] Để truyền tải lượng công suất lớn hay kết nối nhiều nguồn phát với lưới cần thiết kết nối vận hành song song nghịch lưu khả mang dòng điện lớn thiết bị bán dẫn bị hạn chế Một lý khác nghịch lưu hoạt động song song tạo thành hệ thống dự phòng, nâng cao độ tin cậy hệ thống đồng thời tạo tính linh hoạt cho phép đóng ngắt nguồn vào lưới cách dễ dàng [2] Hình mơ tả cấu trúc Microgrid cung cấp điện với số nghịch lưu kết nối song song chia tải thơng qua bus AC chung Hình Cấu trúc Microgrid gồm nghịch lưu kêt nối song song Việc kết nối song song các nghịch lưu chung AC vấn đề khó khăn phức tạp nhiều so với việc kết nối song song nguồn DC, nghịch lưu phải đảm bảo chia tải đồng thời đảm bảo đồng hệ thống Về lý thuyết, điện áp đầu nghịch lưu có biên độ, tần số độ lệch pha, dòng điện tải phân phối đồng Tuy nhiên, khác biệt thông số chúng khác biệt trở kháng đường dây kết nối, dịng tải khơng thực tế dẫn đến việc xuất dòng điện cân chạy biến đổi gây tải chí gây hư hỏng [2] Vấn đề đặt việc kết nối song song nghịch lưu làm để chia tải đảm bảo chúng kết nối hay ngắt cách linh hoạt không ảnh hưởng đến độ tin cậy hệ thống Sự phát triển nhanh chóng xử lý tín hiệu kỹ thuật số làm tăng kỹ thuật điều khiển hoạt động song song nghịch lưu Những sơ đồ điều khiển phân thành hai nhóm [2] Dạng thứ dựa kỹ thuật chia tải tích cực, phần lớn số họ có nguồn gốc từ sơ đồ điều khiển song song dc-dc, điều khiển tập trung, dạng master-slave (MS), chia tải trung bình (ALS) , điều khiển chuỗi trịn (3C) Mặc dù sơ đồ điều khiển đạt kết điều khiển điện áp chia tải tốt sơ đồ yêu cầu bắt buộc có giao tiếp trao đổi tín hiệu nghịch lưu thông qua hệ thống truyền thông Dạng thứ hai hoạt động dựa việc sử dụng nguyên lý Droop, sử dụng rộng rãi hệ thống phát điện thông thường Ưu điểm không cần hệ thống thông tin truyền thông nghịch lưu với Theo phương pháp việc điều chỉnh tần số biên độ điện áp đầu thực theo công suất tác dụng công suất phản kháng cung cấp nghịch lưu Phương pháp droop đạt độ tin cậy cao tính linh hoạt phân bố mơ-đun, sử dụng phép đo công suất chỗ Tuy nhiên, phương pháp droop truyền thống có số nhược điểm làm hạn chế phạm vi ứng dụng nó, như: đáp ứng chậm với thay đổi tải; phải cân độ xác chia cơng suất độ lệch tần số điện áp; cân thành phần hài dòng điện; phụ thuộc nhiều vào đường dây trở kháng đầu biến tần Vì vậy, có tiến đáng kể việc nghiên cứu giải pháp, tồn vấn đề chia tải xác tỷ lệ với cơng suất định mức nghịch lưu Đặc biệt, độ xác việc chia tải cơng suất phản kháng (theo Q-E P-ω droop) không cao [3] Một số phương pháp phát triển để chia sẻ tải nhau, [4], áp dụng trực tiếp để chia sẻ theo tỷ lệ theo công suất định mức nghịch lưu Một vấn đề khác đặt điện áp đầu giảm gia tăng tải điều khiển Droop [4] Do đó, vấn đề chia tải tỷ lệ cần phải nghiên cứu sở hệ thống Trong sơ đồ điều khiển Droop truyền thống, để chia công suất theo tỷ lệ công suất định mức nghịch lưu kết nối song song, nghịch lưu phải có trở kháng phải có điện áp điểm kết nối phải Cả hai điều kiện khó thực lý áp dụng giải thuật truyền thống khó đạt độ xác việc chia công suất thông số đường dây kết nối khác Bài báo đề xuất sơ đồ điều khiển Droop cho phép chia tải tỷ lệ xác nghịch lưu vận hành song song hệ thống lượng mặt trời, điều kiện khác biệt thông số đường dây trở kháng đầu nghịch lưu II PHÂN TÍCH PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI (DROOP CONTROL) Phương pháp điều khiển trượt (Droop control) nghịch lưu - gọi phương pháp điều khiển độc lập hay không dây, hoạt động dựa nguyên lý hệ thống điện, tức dựa nguyên lý tự điều chỉnh máy phát điện đồng chế độ kết nối lưới : công suất tác dụng tăng điện áp giảm, công suất phản kháng tăng tần số lưới tăng Trong trường hợp nghịch lưu kết nối song song, công suất tác dụng công suất phản kháng cung cấp cho AC giá trị trung bình, tín hiệu sử dụng để làm tín hiệu tham chiếu điều chỉnh tần số biên độ điện áp đầu nghịch lưu Phương pháp droop đạt độ tin cậy cao đảm bảo tính linh hoạt việc đặt vị trí ý mơ-đun sử dụng phép đo chỗ Nguyên tắc phương pháp điều khiển trượt truyền thống giải thích cách xem xét mạch tương đương nghịch lưu kết nối với AC bus phân tích dựa định lý Thevenin thể hình Trong hình này, E∠ điện áp hở mạch nghịch lưu, I dòng điện,  độ lệch pha điện áp đầu nghịch lưu điện áp bus AC, V0∠00 điện áp bus AC chung, R + jωL trở kháng đầu biến tần, bao gồm trở kháng đầu trở kháng đường dây , Z θ biên độ lệch pha tương ứng jwL R V0Ð EÐ  I S=P+jQ EÐ  jIX V0 IR Q( V0 E V2 VE cos   )sin   sin  cos Z Z Z (5) Các thành phần cảm ứng trở kháng đường dây lưới cao trung có giá trị cao nhiều so với thành phần điện trở, ngược lại thành phần cảm ứng trở kháng đường dây lưới hạ không đáng kể chủ yếu mang tính trở, trình bày Do phạm vi báo liên quan đến lưới hạ thế, thành phần điện trở đường dây lớn so với thành phần cảm ứng kháng trở nghịch lưu coi cos = 1; sin = Ngoài ra, thực tế góc lệch điện áp điện áp đầu nghịch lưu điện áp bus AC  có giá trị nhỏ, sin cos = 1, từ biểu thức (4) (5) ta có: I Hình 2.(a) Sơ đồ tương đương nghịch lưu kết nối Microgrid; (b) Biểu đồ vector điện áp dòng điện Sơ đồ điện mô tả vector điện áp, dịng điện tương ứng thể hình (b) Công suất nghịch lưu cung cấp tính sau: S  V0 * I *  P  jQ  V0 E V2 Ð(   )  Ð Z Z (1) Trong I * - số phức lien hợp vector dòng điện và: I  EÐ  V0 Ð0 E V  Ð(   )  Ð( ) Z Ð Z Z Z  R  jX EV0 cos   V0 RP P  E  V0  R V0 (6) EiV0 RQ sin      R EV0 (7) Q Biểu thức (6) (7) cho thấy mối quan hệ trực tiếp góc điện (tần số) với công suất phản kháng Q, điện áp với công suất tác dụng P Từ phương trình này, kết luận Q tỷ lệ với góc pha  P tỷ lệ nghịch với hiệu điện áp (E-V0) Vì vậy, đặc tính droop P-V Q-ω sử dụng theo cơng thức (8) trình bày hình E E* (2) P (3) P* w Do đó, cơng suất tác dụng công suất phản kháng nghịch lưu biểu diễn dạng sau: w* Q Q* VE V2 VE P  ( cos   )cos  sin  sin  (4) Z Z Z Hình Đặc tính droop điện áp tần số tổng trở ngõ mang tính trở  E  E *  nP  * w  w  mQ (8) Trong w* E* tần số biên độ điện áp nghịch lưu không tải m n hệ số droop tần số biên độ điện áp điện phân phối nguồn áp kết nối với tải chung thông qua đường dây Để đơn giản việc phân tích ta giả thiết đường dây có điện trở R01 R02 thành phần cảm đường dây không đáng kể Trên sở biểu thức (8), sơ đồ điều khiển droop thiết kế thể hình wt+  Vref S1=P1+jQ1 R01 E1Ð1 ω* ∫ + + m Q V0Ð S2=P2+jQ2 Load R02 E2Ð2 vabc Reference Voltage Generator Power Calculation E + - n P iabc Hình Hai nghịch lưu hoạt động song song E* Hình Sơ đồ điều khiển Droop truyền thống Sơ đồ điều khiển Droop bao gồm khối sau: a) khối tạo điện áp tham chiếu; b) khối tính tốn cơng suất tải c) khối điều khiển cơng suất P,Q Trong điện áp tham chiếu tính cơng thức (9) công suất phản kháng Q tỷ lệ thuận với (-) Để đảm bảo rằng: vòng hồi tiếp (Q - w) vòng hồi tiếp âm mà điều chỉnh tần số, dấu trước (m*Q) phải dấu (+) để làm cho tần số tăng lên Các hệ số droop n m thường xác định tỷ lệ điện áp giảm mong muốn (nP*/E*) tỷ lệ tăng tần số (mQ*/E*), tương ứng, Trong P* cơng xuất tác dụng công suất phản kháng Q* định mức, E*, w* - điện áp tốc độ góc nghịch lưu không tải vref  2E sin(wt   ) Các điện áp tham chiếu tương ứng hai nghịch lưu vref  E1 sin(w1t  1 )  vref  E2 sin(w2t  2 ) Như giải thích, để đạt chia cơng suất xác, tất nghịch cần phải có điện áp điểm kết nối tải v0  V0Ð0 Như v0  vref  R01i1  vref  R02i2 Phân tích hoạt động nghịch lưu kết nối song song tích hợp sơ đồ điều khiển Droop cấu hình lưới Microgrid trình bày hình Những phân tích phần thực trường hợp với hai nghịch lưu, nhiên áp dụng cho nhiều nghịch lưu kết nối song song Các nghịch lưu hình coi tập hợp nguồn mạng (11) Các hệ số m n xác định dựa công suất định mức sai lệch tối đa cho phép tần số sức điện áp n (9) III CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC SONG SONG CÁC BỘ NGHỊCH LƢU (10) V0 dmax  V0 d w  wmin m  max Qmax Pmax Trong microgrid với N nghịch lưu kết nối song song, nghịch lưu chia sẻ cơng suất theo tỷ lệ, hệ số droop nghịch lưu phải tỷ lệ nghịch với công suất định mức tức là, ni , mi phải thoả mãn ràng buộc sau [6]  n1 P1  n2 P2   nN PN  Emax  m1Q1  m2Q2   mN QN  wmax (12) Trong đó, wmax Emax độ lệch tốc độ góc điện áp tối đa cho phép, Pi Qi công suất tác dụng, công suất phản kháng định mức nguồn thứ i Từ biểu thức (12) suy Pi   n n1 n2    N m1 m2 mN Sai số chia công suất xác định theo công thức: (13) A.Chia công suất tác dụng Thay biểu thức (8) vào công thức (6) ta tính cơng suất tác dụng cung cấp nghịch lưu sau: P1  E * cos 1  V0 E * cos 2  V0 (14) P2  R01 R02 n1 cos 1  n2 cos 2  V0 V0 Để hai nghịch lưu chia cơng suất xác theo tỷ lệ, phải thỏa mãn điều kiện (12), nghĩa là: n1 P1  n2 P2  E * cos 1  V0 E * cos 2  V0 (15)  R R cos 1  01 cos 2  02 n1V0 n2V0 Từ ta suy ra, để thỏa mãn điều (15) n  n1    R01 R02     (16) Nói cách khác ni nên chọn cho tỷ lệ với điện trở đầu R01 độ lệch điện áp nghịch lưu phải ep %  E  E2  E1   E1  E2 Như điều kiện để hai nghịch lưu chia công suất tác dụng  E1  E2  n2  n1 R  R 02  01 (18) Theo (8) chênh lệch công suất tác dụng phụ thuộc vào độ lệch điện áp: P1 P2 E *  E1 E *  E2 E * E     P1* P2* n1P1* n2 P2* ni Pi* E * (20) Thay biểu thức (8) vào công thức (7) ta tính cơng suất cung cấp nghịch lưu sau: Q1  EV E1V0 sin 1 ; Q2  sin 2 R01 R02 (21) Để đảm bảo tính xác việc chia công suất phản kháng cho hai nghịch lưu song song, phải thỏa mãn điều kiện (12): Q1m1  Q2 m2  m1 E1V0 EV sin 1  m2 sin 2 (22) R01 R02 Khi hệ thống trạng thái xác lập, hai nghịch lưu làm việc theo tần số w1=w2 tức 1=2 E1=E2 : m1 m2  R01 R02 (23) Điều kiện để hai nghịch lưu chia cơng suất phản kháng 1  2   m1 m2 R  R 02  01 (17) Nếu (16) thỏa mãn (17) thỏa mãn (19) B Chia cơng suất phản kháng Thay điều kiện (8) vào (6) ta chênh lệch điện áp hai nghịch lưu: E * cos 1  V0 E * cos 2  V0 E  E2  E1   R R cos 1  01 cos 2  02 n1V0 n2V0 Ei ni (24) Từ (18) (24) ta rút kết luận để nghịch lưu với trở kháng đầu trở đạt chia cơng suất tác dụng xác tỷ lệ với công suất định mức chúng điều kiện (18), đạt tỷ lệ thuận chia xác cơng suất phản kháng Nếu đạt tỷ lệ thuận chia công suất phản kháng theo điều kiện (24), đạt tỷ lệ thuận chia sẻ công suất tác dụng Như với sơ đồ điều khiển Droop truyền thống, theo biểu thức (20) hệ số droop n giảm sai số chia cơng suất tăng, nhiên độ sụt áp giảm ni Pi * ngược lại n tăng độ sụt áp E* tăng sai số chia cơng suất giảm phải tối ưu hóa hai số để hệ thống đạt đáp ứng yêu cầu Trong trạng thái xác lập tích phân 0, Để đảm bảo chia công suất tác dụng phản kháng phải đảm bảo thỏa mãn đồng thời điều kiện E1 = E2 1 =2 Tuy nhiên, thực tế việc đáp ứng yêu cầu khó khăn ln ln có số lỗi tính tốn, nhiễu Ngoài ra, độ lệch điện áp, sai khác chia cơng suất cịn phụ thuộc vào cơng suất tải, hệ số droop thơng số trở kháng đường dây Vì vậy, với giải thuật droop truyền thống việc chia tải xác khó khăn ni Pi  ke ( E*  V0 ) Điều kiện để nghịch lưu làm việc song song chia công suất tác dụng tỷ lệ với công suất định mức chúng phải thỏa mãn điều kiện (12), có nghĩa là vế phải biểu thức (27) tất nghịch lưu Điều thực cách lựa chọn giá trị ke nghich lưu nhau, tức ni Pi  Ke ( E*  V0 )  const IV SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN DROOP ĐỀ XUẤT Theo biểu thức (10), điện áp tải Vo giảm tải tăng Các điện áp giảm ảnh hưởng hệ số droop, theo biểu thức (8) Hệ số ni nhỏ điện áp giảm càng Tuy nhiên, hệ số ni cần phải đủ lớn để đáp ứng nhanh công suất Để đảm bảo điện áp nằm phạm vi yêu cầu, cần phải bù vào sụt áp E* -V0 giá trị định Để giải vấn đề trên, dựa vào nguyên tắc lý thuyết điều khiển, ta thêm vào Ei thông qua khuếch đại ke, ta thu điều khiển droop cải tiến trình bày hình Với sơ đồ điều khiển có giảm đáng kể ảnh hưởng lỗi tính tốn, nhiễu , đồng thời đảm bảo chia cơng suất xác theo tỷ lệ khơng phụ thuộc vào thay đổi tham số wt+  ω* ∫ + Q m + vabc Vref Reference Voltage Generator ∫ + Sai số việc chia sẻ công suất tác dụng xuất phát từ lỗi đo lường giá trị hiệu dụng điện áp tải Từ (27), độ lệch công suất tác dụng ΔPi sai số đo lường trị hiệu dụng điện áp ΔV0i xác định: Pi   ke + - RMS vabc * E Hình Sơ đồ điều khiển đề xuất Điện áp droop (4) viết lại sau : Ei  Ei  E*  ni Pi (25) Và điện áp Ei xác định qua việc lấy tích phân Ei : (29) P1 P2 P1 P2 ke E * V0 (30) ep %  *  *  *  *  P1 P2 P1 P2 ni Pi* E * Nếu cảm biến đo điểm nối chung xác Vo việc chia sẻ cơng suất xác đạt ep% phần trăm sai số chia tải tỷ lệ với tỷ lệ sai số đo lường ΔVo/E* Nếu điện áp Vo tất nghịch lưu đo lường xác sai số chia cơng suất tác dụng theo tỷ lệ Sơ đồ điều khiển cho phép giảm sụt giảm điện áp tải Từ (15), điện áp tải t Ei   Ei dt ke V0i ni Đối với hai nghịch lưu hoạt động song song với công suất định mức P1*, P2*, Tỷ lệ sai sô chia công suất với sai số đo lường trị hiệu dụng điện áp ΔV0 = V02-V01 xác định iabc P n - (28) Như đảm bảo chia cơng suất tác dụng xác theo tỷ lệ mà không cần điều khiển cho điện áp nghịch lưu Ei phải trường hợp điều khiển droop thơng thường Độ xác việc chia sẻ công suất tác dụng không phụ thuộc vào trở kháng đầu biến tần (bao gồm trở kháng đường dây) khơng bị ảnh hưởng với lỗi tính tốn số học rối loạn Power Calculation E (27) V0  E *  (26) ni nP Pi  E *  i i* E * (31) ke ke E Theo sơ đồ điều khiển đề xuất bù sụt giảm điện áp ảnh hưởng tải hiệu ứng droop đó, cung cấp khả tốt nhiều điều chỉnh điện áp Sự sụt giảm điện áp khơng cịn định trở kháng đầu sơ đồ truyền thống mà phụ thuộc vào thông số ni, ke công suất Pi Độ sụt áp niPi*/keE* điều khiển giảm cách tăng ke Tuy nhiên, có sai số phép đo điện áp hiệu dụng nghịch lưu, phải cân nhắc cải thiện chất lượng điện áp độ xác việc chia cơng suất sụt giảm điện áp tỷ lệ thuận với ni/ke sai số chia công suất lại tỉ lệ nghịch với ni/ke Khối tính tốn cơng suất – Power Calculation Như thể hình đây, giá trị tức thời công suất tác dụng phản kháng tính từ điện áp dòng điện ngõ nghịch lưu đo Các thành phần công suất tức thời qua lọc thấp qua, thể (4), để thu công suất tác dụng, phản kháng tần số Trong wc tần số cắt lọc thơng thấp: V THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN Từ kết phân tích phần IV, sơ đồ khối Microgrid bao gồm ba nghịch lưu kết nối song song trình bày hình Trong nghịch lưu tích hợp điều khiển với tín hiệu vào chung điện áp tốc độ đặt Tín hiệu hồi tiếp bao gồm điện áp dòng điện đo lường nghịch lưu P  (vd id  vq iq ) (32) Q  (vd iq  vqid ) (33) F ( s)  wc wc  s P θ vabc iabc Hình Trình bày sơ đồ điều khiển 01 nghịch lưu theo phương pháp đề xuất bao gồm: a) khối tính tốn cơng suất; b) khối điều khiển droop đề xuất; c) khốí điều khiển điện áp; d) khối điều khiển dòng điện (34) abc dq 3/2*(vd*id+vq*iq) Filter 3/2*(vd*iq-vq*id) Filter Q Hình Sơ đồ khối điều khiển Microgrid gồm ba nghịch lưu kết nối song song Hình Sơ đồ điều khiển nghịch lưu theo phương pháp đề xuất Việc điều khiển chia công suất P Q nghịch lưu thực sơ đồ điều khiển droop – trình bày hình phần IV Tần số, điện áp đặt thiết lập theo hệ số droop pha thiết lập w  w  miQ (35)   w * t   miQdt (36) E   [ke ( E*  V0 )  nP]dt (37) Phương trình trạng thái cho vòng hồi tiếp áp viết phương trình bên Ngõ điều khiển áp dòng điện đặt vào điều khiển dòng Vòng điều khiển dòng điện - Current controller Loop Mơ hình điều khiển dịng tương tự điền khiển áp Dòng điện cuộn lọc đầu điều khiển PI controller biến trạng thái lựa chọn để lập phương trình trạng thái vòng điều khiển Vòng điều khiển điện áp – Voltage Control Loop Hình mơ tả điều khiển áp bao gồm vòng điều khiển feedback feedforward Điện áp ngõ điều khiển PI, phương trình quan hệ vào lập sau vi*d  w* L f iq  K pc (id*  id )  Kic d (40) viq*  w* L f id  K pc (iq*  iq )  Kic q (41) VI KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Mơ hình điều khiển mơ phần mềm Matlab/Simulink, thực điều khiển nghịch lưu công suất định mức 2kW với thông số mơ hình trình bày bảng theo hai phương pháp: truyền thống phương pháp đề xuất trường hợp Kết ii*d  Fid  w*C f vq  K pv (vd*  vd )  Kivd (38) iiq*  Fiq  w*C f vq  K pv (vq*  vq )  Kivq (39) mô so sánh,đánh giá kết luận Bảng 1: Các thông số biến tần Ký hiệu E* (V) * w (rad/s) n (V/W) m (Hz/Var) ke VDC Rf () Cf (F) Tải (kW) Tham số Điện áp ngõ danh định Tần số danh định Hệ số droop điện áp Giá trị Hệ số droop tần số 34.3e-6 Hệ số Điện áp ngõ vào Điện trở cuộn lọc Tụ lọc ngõ Tải chung lớn 600V 0.1; 20e-6F 311 2π50 1x10-2 Hình 10 Cơng suất nghịch lưu theo sơ đồ đề xuất a) Trường hợp 1- công suất định mức inverter thông số đường dây có giá trị theo bảng Thơng số R() L(H) Pdm*(pu) Inverter 0.7 0.002 Inverter 0.7 0.002 b) Trường hợp 2- công suất định mức inverter nhau, thông số đường dây khác có giá trị theo bảng Inverter 0.7 0.002 Thông số R() L(H) Pdm*(pu) Mô tiến hành cho hai sơ đồ truyền thống sơ đồ đề xuất với tải chung 4.5 kW thể hình 9, 10 Kết cho thấy khả đáp ứng chia tải hệ thống tốt, độ sai số chia công suất tác dụng phản kháng gần Inverter 0.3 0.001 Inverter 0.7 0.002 Inverter 0.9 0.003 Mô tiến hành cho hai sơ đồ truyền thống sơ đồ đề xuất với tải chung 4.5 kW thể hình 11, 12 Kết cho thấy thời gian xác lập sơ đồ truyền thống nhanh so với sơ đồ đề xuât (3 s) Sai số chia công suất phản kháng hai sơ đồ Tuy nhiên, sai số chia công suất tác dụng sơ đồ truyền thống lớn đặc biệt inverter inverter 8,7%, sai số sơ đồ đề xuất không đáng kể Hình Cơng suất nghịch lưu theo sơ đồ truyền thống Hình 11 Cơng suất nghịch lưu theo sơ đồ truyền thống Hình 12 Công suất nghịch lưu theo sơ đồ đề xuất Hình 14 Cơng suất nghịch lưu theo sơ đồ đề xuất c) Trường hợp 3- công suất định mức inverter, thông số đường dây khác có giá trị theo bảng d) Trường hợp 4- thay đổi tải chung với công suất định mức inverter, thông số đường dây khác có giá trị theo bảng Thông số R() L(H) Pdm*(pu) Inverter 0.3 0.001 Inverter 0.7 0.002 Inverter 0.9 0.003 1/2 Thông số R() L(H) Pdm*(pu) Mô tiến hành cho hai sơ đồ truyền thống sơ đồ đề xuất với tải chung 4.5 kW thể hình 13, 14 Kết cho thấy sai số chia công suất phản kháng hai sơ đồ nhỏ Các nghịch lưu chia tải tỷ lệ theo công suất định mức chúng Tỷ lệ chia tải sơ đồ đề xuất đảm bảo xác Sai số chia công suất tác dụng củasơ đồ truyền thống inverter inverter 7,2% , inverter inverter 3,4% sai số sơ đồ đề xuất 0.6% 0.1% Inverter 0.3 0.001 Inverter 0.7 0.002 Inverter 0.9 0.003 1/2 Mô tiến hành cho hai sơ đồ truyền thống sơ đồ đề xuất với tải chung thay đổi từ 4.5 kW đến kW thể hình 15, 16 Kết cho thấy đáp ứng hai sơ đồ Trong đó, thời gian xác lập sơ đồ truyền thống nhanh so với sơ đồ đề xuât Tuy nhiên, sai số chia công suất tác dụng sơ đồ truyền thống inverter lớn nhiều sơ với sơ đồ đề xuất Dạng điện áp dịng điện thể hình 17 18 cho thấy độ sụt áp của sơ đồ truyền thống lớn so với sơ đồ đề xuất: tải định mức 14V so với 8V; 9V so với 4V Hình 13 Cơng suất nghịch lưu theo sơ đồ truyền thống Hình 15 Cơng suất nghịch lưu theo sơ đồ truyền thống 10 VII KẾT LUẬN Bài báo trình bày sơ đồ điều khiển Droop cải tiến cho phép chia cơng suất xác tỷ lệ với công suất định mức nghịch lưu kết nối song song hệ thống lượng mặt trời Sơ đồ đề xuất không yêu cầu điều kiện điện áp nghịch, hay tỷ lệ điện trở đường dây với hệ số droop Kết mô cho nhiều nghịch lưu cho thấy ưu điểm vượt trội sơ đồ đề xuất so với sơ đồ truyền thống đặc biệt thể trường hợp thông số đường dây kết nối nghịch lưu khác Khi đó, sai số chia cơng suất tác dụng sơ đồ truyền thống đạt đến 8.7% với sơ đồ đề xuất 0.6% Độ sụt áp sơ đồ đề xuất cải thiện từ 50%-65% so với sơ đồ truyền thống Hình 16 Công suất nghịch lưu theo sơ đồ đề xuất Hình 17: Điện áp dịng điện tải sơ đồ truyền thống Hình 18: Điện áp dòng điện tải sơ đồ đề xuất 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R Lasseter, “Microgrids,” inProc IEEE Power Eng Soc Winter Meeting,2002, vol 1, pp 305– 308 [5] Wei Yao, Min Chen, José Matas, Josep M Guerrero,Senior Member, IEEE,and Zhao-Ming Qian,Senior Member, IEEE “Design and Analysis of the Droop Control Method for Parallel Inverters Considering the Impact of the Complex Impedance on the Power Sharing” IEEE Trans On Inductrial Electronics, vol 58, no 2, pp 576–588, Feb 2011 [2] J Guerrero, J Vasquez, J Matas, M Castilla, and L García de Vica,“Control strategy for flexible microgrid based on parallel line-interactive UPS systems,”IEEE Trans Ind Electron., vol 56, no 3, pp 726–736, Mar 2009 [6] J Guerrero, L Hang, and J Uceda, “Control of distributed uninterruptible power supply systems,” IEEE Trans Ind Electron., vol 55, no 8, pp 2845– 2859, Aug 2008 [3] M Chandorkar, D Divan, and R Adapa, “Control of parallel connected inverters in standalone AC supply systems,” IEEE Trans Ind Appl.,vol 29, no 1, pp 136–143, Jan./Feb 1993 [4] C K Sao and P W.Lehn, “Autonomous load sharing of voltage source converters,”IEEE Trans Power Del., vol 20, no 2, pp 1009–1016, Apr 2005 Tp.HCM, ngày Tp.HCM, ngày 20 tháng 05 năm 2016 tháng 05 năm 2016 Ngƣời thực Giảng viên hƣớng dẫn Lƣơng Thị Thanh Tuyền 12 S K L 0 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LƢƠNG THỊ THANH TUYỀN ĐIỀU KHIỂN SONG SONG CÁC BỘ NGHỊCH LƢU TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI... 04/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ LƢƠNG THỊ THANH TUYỀN ĐIỀU KHIỂN SONG SONG CÁC BỘ NGHỊCH LƢU TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT... từ sơ đồ điều khiển song song DC-DC, nhƣ điều khiển tập trung, dạng master-slave (MS), chia tải trung bình (ALS) điều khiển chuỗi tròn(3C) Mặc dù sơ đồ điều khiển đạt đƣợc kết điều khiển điện