Nghiên cứu bộ nghịch lưu 3P2LQSB cho hệ thống phát điện

Nghiên cứu bộ nghịch lưu 3P2LQSB cho hệ thống phát điện Nghiên cứu bộ nghịch lưu 3P2LQSB cho hệ thống phát điện Nghiên cứu bộ nghịch lưu 3P2LQSB cho hệ thống phát điện Nghiên cứu bộ nghịch lưu 3P2LQSB cho hệ thống phát điện Nghiên cứu bộ nghịch lưu 3P2LQSB cho hệ thống phát điện

Luận Văn Thạc Sĩ Tóm tắt TĨM TẮT Sự cạn kiệt khơng thể tránh khỏi nhiên liệu hóa thạch tăng cường nhận thức tác động môi trường chúng biến trọng tâm ngành lượng theo hướng sử dụng rộng rãi nguồn lượng tái tạo lượng gió mặt trời Trong sản xuất lượng quang điện mặt trời, thiết bị cần thiết nối nguồn lượng điện, hay máy phát quang điện hệ thống phân phối, truyền tải lượng điện cung cấp biến đổi điện tử công suất gọi nghịch lưu Một cấu hình nghịch lưu nguồn Z (ZSI), có đặc tính phù hợp cho ứng dụng khác nghiên cứu rộng rãi kể từ giới thiệu vào năm 2002 Đề tài tập trung vào phát triển mô hình điện tử cơng suất mơ đun PV sử dụng hệ thống PV kết nối lưới sử dụng nghịch lưu nguồn Z Nghịch lưu nguồn nguồn - Z sử dụng công việc để chuyển đổi nguồn từ mảng PV sang lưới giải thuật điều khiển phát triển để đảm bảo nguồn đầu lưới đáng tin cậy hiệu đồng thời đạt công suất lớn từ mãng nguồn PV Một cấu trúc nghịch lưu pha dạng nguồn quazi – Z tựa khóa nghiên cứu sử dụng đề tài Trên sở vấn đề đặt ra, nội dung nghiên cứu chia thành chương, chương giới thiệu tổng quan, chương tìm hiểu hệ thống chuyển đổi lượng mặt trời nghịch lưu nguồn Z, chương tìm hiểu nguồn Z tựa khóa, chương trình bày kỹ thuật hịa lưới inverter, chương trình bày mô kết mô phỏng, cuối chương kết luận hướng phát triển đề tài HVTH: Nguyễn Hùng Trang x GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Danh mục minh họa MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i LÝ LỊCH KHOA HỌC .vii LỜI CAM ĐOAN viii LỜI CẢM ƠN ix TÓM TẮT x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xiii DANH MỤC CÁC BẢNG xvi BẢNG TRANG xvi Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.2 CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI .4 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 11 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 11 Chương 12 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI 12 VÀ NGHỊCH LƯU NGUỒN Z 12 2.1 TỔNG QUAN ĐIỆN MẶT TRỜI .12 2.2 NGHỊCH LƯU NGUỒN Z 18 Chương 24 NGHỊCH LƯU NGUỒN Z TỰA KHÓA 24 3.1 NGHỊCH LƯU NGUỒN Z CƠ BẢN [8] 24 3.2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG NGHỊCH LƯU NGUỒN Z 28 3.3 NGHỊCH LƯU NGUỒN Z TỰA KHÓA CƠ BẢN 34 Chương .37 ĐỒNG BỘ & ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 37 NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI NGUỒN ÁP 37 4.1 ĐIỀU KHIỂN PQ [10] 37 HVTH: Nguyễn Hùng Trang xi GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Danh mục minh họa 4.1.1 Điều khiển chế độ áp dòng .37 4.1.2 Bộ điều khiển công suất thực / công suất phản kháng dạng điều khiển dịng 41 4.2 PHÁT HIỆN GĨC PHA TRÊN KHUNG THAM CHIẾU ĐỒNG BỘ 45 Chương 51 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 51 5.1 MƠ HÌNH PSIM 51 5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 57 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG LÀM VIỆC TIẾP THEO 75 6.1 KẾT LUẬN 75 6.2 HƯỚNG LÀM VIỆC TIẾP THEO 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 HVTH: Nguyễn Hùng Trang xii GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Danh mục minh họa DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Nhà máy phát điện phận phát điện đơn lẻ Hình 1.2 Sơ đồ khối điều khiển nghiên cứu [1] Hình 1.3 Phân bố xung kích nghịch lưu nguồn Z theo nghiên cứu [2] Hình 1.4 Cấu trúc nghịch lưu nguồn Z cải tiến nghiên cứu [3] Hình 1.5 Nghịch lưu nguồn Z điều khiển theo kỹ thuật trượt thích nghi [4] Hình 1.6 Nghịch lưu nguồn Z cho trạm sạc xe điện [5] Hình 1.7 Cấu hình đề xuất nghiên cứu [6] 10 Hình 2.1 Tổng quan hệ thống điện mặt trời hịa lưới [http://electricalacademia.com] 12 Hình 2.2 Tấm pin mặt trời 13 Hình 2.3 Đặc tuyến PV 14 Hình 2.4 Sơ đồ tương đương xác pin mặt trời 14 Hình 2.5 Ảnh hưởng xạ 16 Hình 2.6 Ảnh hưởng nhiệt độ 17 Hình 2.7 Cấu hình điện mặt trời (a Transformer; b transformerless) 19 Hình 2.8 Cấu hình tầng khơng dùng biến áp 19 Hình 2.9 Cấu trúc biến tần tầng single stage phổ biến 21 Hình 2.10 Cấu trúc biến tần tầng DC/DC DC/AC 21 Hình 2.11 There phase ZSI based PV inverter 22 Hình 3.1 PWM for ZSI 24 Hình 3.2 SBC control 26 Hình 3.3 Normal MBC Control 27 Hình 3.4 MCBC Control 28 Hình 3.5 Dạng sóng xung kích MBPWM 30 Hình 3.6 Sơ đồ mơ nghịch lưu nguồn Z PSIM 31 Hình 3.7 Dạng sóng điện áp đầu inverter, áp dòng tải 32 HVTH: Nguyễn Hùng Trang xiii GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Danh mục minh họa Hình 3.8 Giá trị RMS điện áp dòng điện 32 Hình 3.9 Phân tích FFT THD 33 Hình 3.10 Cấu trúc nguồn Z tựa khóa nghiên cứu [12] 35 Hình 3.11 Tổng hợp vector giải thuật SVPWM 35 Hình 4.1 Điều khiển PQ theo chế độ dịng 38 Hình 4.2 Bộ điều khiển dòng 44 Hình 4.3 Sơ đồ khối điều khiển dòng 45 Hình 4.4 Điện áp nguồn lưới góc pha 47 Hình 4.5 Sai số góc pha điện áp trục d hệ tọa độ xoay 48 Hình 4.6 Sơ đồ khối PLL 49 Hình 5.1 Mơ hình mơ PSIM 51 Hình 5.2 Mơ hình nghịch lưu pha tựa khóa nguồn Z 52 Hình 5.3 Mơ hình trở kháng đường dây 53 Hình 5.4 Mơ hình lưới điện pha 53 Hình 5.5 Cảm biến dịng, áp 53 Hình 5.6 Cấu trúc PLL 54 Hình 5.7 Bộ chuyển đổi từ hệ trục abc sang hệ trục dq 54 Hình 5.8 Bộ điều khiển cơng suất P&Q 55 Hình 5.9 Bộ điều khiển dòng điện 56 Hình 5.10 Bộ chuyển đổi hệ trục dq sang hệ trục abc 56 Hình 5.11 Giải thuật tạo tín hiệu tham chiếu cho nghịch lưu nguồn Z 56 Hình 5.12 Khối tạo xung PWM 57 Hình 5.13 Đáp ứng PLL 58 Hình 5.14 Hiệu PLL 59 Hình 5.15 Hiệu nguồn Z 60 Hình 5.17 Tín hiệu điều khiển đáp ứng điều khiển trường hợp I 64 Hình 5.18 Dạng sóng ngõ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trường hợp I……………………… 65 Hình 5.19 Tín hiệu điều khiển đáp ứng điều khiển trường hợp II 67 HVTH: Nguyễn Hùng Trang xiv GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Danh mục minh họa Hình 5.20 Dạng sóng ngõ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trường hợp II………………… 68 Hình 5.21 Tín hiệu điều khiển đáp ứng điều khiển trường hợp III………………… 70 Hinh 5.22 Dạng sóng ngõ nghịch lưu tựa khố nguồn Z trường hợp III………………… 71 Hình 5.23 Tín hiệu điều khiển đáp ứng điều khiển trường hợp IV……………… 73 Hình 5.24 Dạng sóng ngõ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trường hợp IV………………… 74 HVTH: Nguyễn Hùng Trang xv GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Danh mục bảng biểu DANH MỤC CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1 So sánh kết MPPT 23 Bảng 3.2 Thông số mạch mô nguồn Z 29 Bảng 5.1 Thông số mô nghịch lưu pha nối lưới nguồn Z tựa khoá 59 HVTH: Nguyễn Hùng Trang xvi GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Chương Chương MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Xã hội đại điện sử dụng nhiều, ví dụ vận chuyển, quy trình sản xuất, sưởi ấm, chiếu sáng điện tử tiêu dùng tiêu thụ lượng điện lớn Trong nhiều thập kỷ, nguồn lượng điện tạo từ nhà máy điện tập trung lớn, nơi máy phát đồng sử dụng để chuyển đổi nguồn lượng (ví dụ: than, dầu, nước) thành lượng điện (hình 1.1a) Mơ-men xoắn quay máy phát đồng cung cấp thường xuyên tua-bin nhiệt điện tua-bin thủy điện Tuy nhiên, nguồn lượng điện tạo từ đâu, sản xuất lượng điện truyền thống không yêu cầu cao điện tử công suất Sự cạn kiệt tránh khỏi nhiên liệu hóa thạch tăng cường nhận thức tác động môi trường chúng biến trọng tâm ngành lượng theo hướng sử dụng rộng rãi nguồn lượng tái tạo lượng gió mặt trời Đặc biệt, lượng mặt trời quan sát thay hứa hẹn cho nhiên liệu hóa thạch Ở Việt Nam, từ phủ ban hành Thơng Tư giá mua điện mặt trời (12/9/2017) có hàng ngàn MW điện mặt trời hòa lưới điện quốc gia Lưới điện tương lai hứa hẹn bao gồm nguồn phân tán từ lượng tái tạo, thủy điện nhỏ gần phụ tải tiêu thụ nhằm giảm bớt gánh nặng lưới phân phối tạo thành lưới điện nhỏ Microgrid (hình 1.1b) Trong sản xuất lượng quang điện mặt trời, thiết bị cần thiết nối nguồn lượng điện, hay máy phát quang điện hệ thống phân phối, truyền tải lượng điện cung cấp biến đổi điện tử công suất gọi nghịch lưu Một cấu hình nghịch lưu nguồn Z (ZSI), có đặc tính phù hợp cho ứng dụng khác HVTH: Nguyễn Hùng Trang GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Chương nghiên cứu rộng rãi kể từ giới thiệu vào năm 2002 Đề tài tập trung vào phát triển mơ hình điện tử cơng suất mơ đun PV sử dụng hệ thống PV kết nối lưới sử dụng nghịch lưu nguồn Z Nghịch lưu nguồn nguồn - Z sử dụng công việc để chuyển đổi nguồn từ mảng PV sang lưới giải thuật điều khiển phát triển để đảm bảo nguồn đầu lưới đáng tin cậy hiệu đồng thời đạt công suất lớn từ mãng nguồn PV HVTH: Nguyễn Hùng Trang GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Chương Hình 1.1 Nhà máy phát điện phận phát điện đơn lẻ HVTH: Nguyễn Hùng Trang GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Chương (d) Hình 5.23 Tín hiệu điều khiển đáp ứng điều khiển trường hợp IV (a) (b) HVTH: Nguyễn Hùng Trang 73 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Chương (c) (d) Hình 5.24 Dạng sóng ngõ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trường hợp IV HVTH: Nguyễn Hùng Trang 74 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Bài báo Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG LÀM VIỆC TIẾP THEO 6.1 KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu xây đựng mơ hình nghịch lưu nguồn Z tựa khóa (kết hợp ZSI SBI) chế độ nối lưới phần mềm PSIM Hiệu cơng suất hồ lưới kiểm chứng kết mô Bộ công suất hoạt động tốt chế độ hoà lưới với điều kiện khác Tuy nhiên, đề tài nhiều hạn chế kết mô chưa bao quát hết tất điều kiện hoạt động công suất Đồng thời, công suất chưa kiểm chứng hiệu qua kết thực 6.2 HƯỚNG LÀM VIỆC TIẾP THEO Vì kiến thức thời gian có hạn, nên chuyên để thực phần mục tiêu đặt ra, phần lại thực phát triển tiếp bao gồm: ❖ Nghiên cứu giải thuật cải tiến số điều chế cho nghịch lưu nguồn Z tựa khóa ❖ Nghiên cứu điều khiển cơng suất nghịch lưu nguồn Z tựa khóa ❖ Thực mô kiểm chứng thực nghiệm (nếu có thể) giải thuật đề xuất HVTH: Nguyễn Hùng Trang 75 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Bài báo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yuyao He; Yuhao Xu; Jinping Chen, “Improved Space Vector Modulation of Quasi ZSource Inverter to Suppress DC-Link Voltage Sag,” IEEE Trans on Ind Electron., 2019 [2] Negar Noroozi; Mohammad Reza Zolghadri, “Three-Phase Quasi-Z-Source Inverter with Constant Common-Mode Voltage for Photovoltaic Application,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 65, No 6, June 2018 [3] Anish Ahmad, Vinod Kumar Bussa, R K Singh, R Mahanty, “Switched-Boost Modified Z-Source Inverter Topologies with Improved Voltage Gain Capability,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Volume: 6, Issue: 4, Dec 2018 [4] Umesh K Shinde, Sumant G Kadwane, S P Gawande, M Jaya Bharata Reddy D K Mohanta, “Sliding Mode Control of Single-Phase GridConnected Quasi-Z-Source Inverter,” IEEE Access, 2018 [5] Siddhartha A Singh; Giampaolo Carli; Najath A Azeez; Sheldon S Williamson, “Modelling, Design, Control, and Implementation of a Modified Z-source Integrated PV/Grid/EV DC Charger/Inverter,” IEEE Trans 2018 [6] Minh-Khai Nguyen, Young-Cheol Lim, Sung-Jun Park, Duck-Shick Shin, “Family of high-boost Z-source inverters with combined switched-inductor and transformer cells,” IET Power Electronics 2013 [7] Liu, Y., Haitham, A R and Ge, B, “Z-source/quasi-Z-source inverters,” IEEE Ind Electron 2014 [8] F Z peng, "Z-source inverter," IEEE Trans Ind Appl., Vol 39, No 2, pp 504-510, March/April 2003 [9] H Rostami, D A Khaburi, "Voltage gain comparison of different control methods of the Z-Source inverter," ELECO 2009 [10] S Chakraborty, M G Simoes, W E Kramer Power Electronics for Renewable and Distributed Energy Systems Asourcebook of Topologies, Control and Integration, Springer HVTH: Nguyễn Hùng Trang 76 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Bài báo [11] S Mishra, R Adda, and A Joshi, “Inverse Watkins–Johnson topologybased inverter,” IEEE Trans Power Electron., vol 27, no 3, pp 1066 – 1070, March 2012 [12] S S Nag and S Mishra, “Current–Fed Switched Inverter,” IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 9, pp 4680 – 4690, Sept 2014 [PLL] X Guo, W Wu, H Gu, "Phase locked loop and synchronization methods for gridinterfaced converters: a review", Przeglad Elektrotechniczny, vol 87, no 4, pp 182-187, 2011 [PLL] Z Ali, N Christofides, L Hadjidemetriou, E Kyriakides, Y Yang, F Blaabjerg, "Three-phase phase-locked loop synchronization algorithms for grid-connected renewable energy systems: A review", Renewable Sustain Energy Rev., vol 90, pp 434-452, Jul 2018 HVTH: Nguyễn Hùng Trang 77 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Bài báo NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU PHA NGUỒN Z KẾT NỐI LƯỚI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI RESEARCH ON THREE-PHASE Z SOURCE INVERTER IN GRID-TIE MODE FOR PV SYSTEM Nguyen Hùng1, Quách Thanh Hải1 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Bộ nghịch lưu thiết bị điện tử quan trọng hệ thống quang điện Bộ nghịch lưu nguồn Z (ZSI) có đặc tính phù hợp cho ứng dụng khác nghiên cứu rộng rãi kể từ giới thiệu vào năm 2002 Tuy nhiên, ZSI truyền thống số hạn chế định Đề tài tập trung vào nghiên cứu cấu trúc nghịch lưu pha dạng nguồn quazi – Z tựa khóa hoạt động chế độ nối lưới cho hệ thống quang điện Bên cạnh nghiên cứu mở rộng tỷ số điều chế cho nghịch lưu, đề tài nghiên cứu giải thuật điều khiển cơng suất để hồ lên lưới Mơ hình mô xây dựng phần mềm PSIM nhằm kiểm chứng cấu hình giải thuật điều khiển Hiệu nghịch lưu với chế độ hoà lưới khác kiểm chứng kết thí nghiệm Đề tài phát triển giải thuật điều khiển hoà lưới cho nghịch lưu nguồn Z tựa khoá nhằm khắc phục hạn chế nghịch lưu nguồn Z truyền thống Từ khóa: Hệ thống quang điện; Nghịch lưu nguồn Z (ZSI); Nghịch lưu quazi-Z;Chế độ hồ lưới; Mơ PSIM ABSTRACT The inverter is an important power electronic device in photovoltaic (PV) system The Z source inverter (ZSI), which has characteristics suitable for various applications, has been extensively studied since its introduction in 2002 However, the traditional ZSI has some limitaions The research focuses on studying the Three-Phase Quasi-Z-Source Inverter in grid-tied mode for PV system In addition to the study of improving the ratio of modulation for the inverter, the research also studies the PQ control algorithm for connecting to the grid A simulation model has been established on PSIM to verify configuration and control algorithms The performance of the inverter in various conditions of grid-connected mode has been verified by simulation results The research has developed a control algorithm and a grid-tie algorithm for the quazi-Z source inverter to overcome the limitations of the traditional Z-source inverter Keywords: Photovoltaic (PV) system; Z Source Inverter Z (ZSI); Quazi-Z Inverter;Grid-tie mode; PSIM simulation GIỚI THIỆU Sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch tác động tới mơi trường chúng biến HVTH: Nguyễn Hùng trọng tâm ngành lượng theo hướng sử dụng rộng rãi nguồn lượng tái tạo lượng gió mặt trời Đặc biệt, Trang 78 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Bài báo lượng mặt trời quan sát thay hứa hẹn cho nhiên liệu hóa thạch Trong sản xuất lượng quang điện mặt trời, thiết bị cần thiết nối nguồn lượng điện, hay máy phát quang điện hệ thống phân phối, truyền tải lượng điện cung cấp biến đổi điện tử công suất gọi nghịch lưu Bộ nghịch lưu nguồn Z (ZSI) có đặc tính phù hợp cho ứng dụng khác nghiên cứu rộng rãi kể từ giới thiệu vào năm 2002 Tuy nhiên, ZSI số hạn chế định, dịng điện đầu vào khơng liên tục chế độ tăng áp, tụ điện phải trì điện áp cao, cuộn cảm L phải trì dịng điện cao Do đó, nhiều nghiên cứu ZSI công báo nhằm cải thiện hiệu nghịch lưu [1]-[6] điều khiển độ rộng xung được hiển thị hình 2, có thêm trạng thái chuyển mạch, trạng thái shoot-through, bên cạnh tám trạng thái chuyển mạch (sáu trạng thái hoạt động hai trạng thái 0) cho nghịch lưu nguồn điện áp truyền thống Với mạng Z, shoot-through cố ý thêm vào để tăng điện áp đầu Do đó, nghịch lưu nguồn Z chuyển đổi loại buck-boost, tạo điện áp đầu cao thấp điện áp liên kết DC Hình There phase ZSI based PV inverter Điện áp pha đỉnh đầu [8]: Bài báo tập trung vào phát triển mơ hình điện tử cơng suất mơ đun PV sử dụng hệ thống PV kết nối lưới sử dụng nghịch lưu nguồn Z Nghịch lưu nguồn nguồn - Z sử dụng công việc để chuyển đổi nguồn từ mảng PV sang lưới giải thuật điều khiển phát triển để đảm bảo nguồn đầu lưới đáng tin cậy hiệu đồng thời đạt công suất lớn từ nguồn PV Bài báo tổ chức sau: Phần I giới thiệu tổng quan Bộ nghịch lưu nguồn Z tựa khố trình bày phần II Phần III nghiên cứu giải thuật đồng hịa lưới inverter, Kết mơ đưa phần IV Phần cuối kết luận hướng phát triển đề tài NGUỒN NGHỊCH LƯU NGUỒN Z TỰA KHOÁ 2.1 Nghịch lưu nguồn Z Nghịch lưu nguồn Z sử dụng mạng Z (L1 = L2 & C1 = C2) điện áp nguồn đầu vào cầu nghịch lưu hình [7] Sơ đồ HVTH: Nguyễn Hùng Vac = M B Vin Trong đó: M tỷ số điều chế Vin điện áp đầu vào B hệ số boost Hệ số B tính sau: B= 1 − T0 T Trong 'Tsh' khoảng thời gian shootthrough chu kỳ 'T' chu kỳ chuyển mạch Trong nghịch lưu nguồn Z, điện áp đầu trạng thái shoot-through điều khiển thông qua phương pháp điều khiển shootthrough [9] Một số phương pháp tiêu biểu “simple boost control” (SBC), điều khiển “Maximum boost control” (MBC), điều Trang 79 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Bài báo khiển “Maximum constant boost control” (MCBC) Nghịch lưu nguồn áp dạng ZSI có số nhược điểm, dịng điện đầu vào khơng liên tục chế độ tăng áp tụ điện phải trì điện áp cao Cịn khuyết điểm nghịch lưu nguồn dịng ZSI cuộn cảm L phải trì dịng điện cao Ngoài ra, với cấu trúc bao gồm cuộn cảm L tụ điện C, làm tăng kích thướt, giá thành giảm mật độ cơng suất nghịch lưu Hình Cấu trúc nguồn Z tựa khóa nghiên cứu Điều chế vector khơng gian (SVPWM) thực cho cấu hình này, vector đóng cắt để tạo điện áp pha lựa chọn vector đóng cắt khơng gian vector (hình 4) Hình PWM for ZSI Hình Tổng hợp vector giải thuật SVPWM 2.2 Nghịch lưu nguồn Z tựa khoá Để khắc phục nhược điểm ZSI truyền thống, cấu hình tương tự nghịch lưu nguồn (SBI - switched boost inverter) đề xuất [10] gọi SBI SBI có tính tương tự ZSI nhiên có số lượng thành phần thụ động hơn, nhiều khóa cơng suất Vì vậy, SBI phù hợp với ứng dụng đòi hỏi nhỏ gọn Tuy nhiên ZSI SBI có số tăng áp tối đa 0.5, điện áp rơi tụ VDC, dịng điện đầu vào khơng liên tục Một cấu hình đề xuất [11] kết hợp lợi ZCS SBI gọi nghịch lưu nguồn Z tựa khóa, có số thành phần tương tự SBI, có khả chống nhiểu EMI tốt ZSI SBI Cấu hình có dạng hình HVTH: Nguyễn Hùng ĐỒNG BỘ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT BỘ NGHỊCH LƯU HOÀ LƯỚI NGUỒN ÁP 3.1 Điểu khiển PQ Một yêu cầu hệ thống nguồn DG phải điều khiển công suất thực công suất phản kháng tức thời điểm kết nối chung PCC, là, Ps(t) Qs(t) Hình minh họa sơ đồ điều khiển công suất thực / cơng suất phản kháng dạng điều khiển dịng trục dq [12] Trang 80 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Bài báo s + ki / k p  kp  l ( s) =    Ls  s + ( R + ron ) / L Suy hàm chuyển đổi vịng kín là: I d (s) = Gi ( s) = I dref ( s) is +1 Hình Điều khiển PQ theo chế độ dòng Như vậy, Ps Qs điều khiển thành phần dòng điện dây id iq Các tín hiệu phản hồi chuyển tiếp chuyển thành trục dq sau xử lý việc bù để tạo tín hiệu điều khiển trục dq Cuối cùng, tín hiệu điều khiển chuyển đổi thành trục abc cung cấp biến đổi nguồn áp Giá trị tham chiếu idref iqref tính tốn theo giá trị công suất mong muốn idref (t) = Psref (t ) 3Vsd iqref (t) = − Qsref (t ) 3Vsd Nếu hệ thống điều khiển đảm bảo hiệu suất kiểm tra lệnh nhanh chóng, là, id ≈ idref iq ≈ iqref, Ps ≈ Psref Qs ≈ Qsref Từ cho thấy Ps(t) Qs(t) điều khiển độc lập lệnh tham chiếu tương ứng biến DC Hình thể sơ đồ khối điều khiển dòng Bộ điều khiển kd(s) PI đơn giản để kích hoạt tính kiểm tra lệnh tham chiếu DC kd ( s ) = Hình Sơ đồ khối điều khiển dòng 3.2 Phát góc pha khung tam chiếu đồng Kĩ thuật đồng lưới phát góc pha vấn đề quan trọng việc điều khiển hịa lưới biến đổi cơng suất Rất nhiều phương pháp đồng pha phát minh sử dụng, SFPLL ( PLL hệ tọa độ quay), PQ-PLL (PLL dựa lý thuyết công suất thực phản kháng tức thời), DSF-PLL (PLL hai hệ tọa độ quay), SSI-PLL ( PLL dựa tích phân tín hiệu hình sin) [13], [14] Trong báo này, SF-PLL sử dụng nhờ vào tính đơn giản, ổn định, mạnh mẽ với tín hiệu nhiễu từ việc đo đạc Sơ đồ khối điều khiển thể hình k p s + ki s Với kp ki hệ số tỉ lệ tích phân, tương ứng Do đó, độ lợi vịng lặp là: HVTH: Nguyễn Hùng Trang 81 Hình Sơ đồ khối PLL GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Bài báo  Trên hình, N tần số góc định mức (50Hz) LPF lọc thông thấp để loại bỏ độ nhấp nhơ nhiễu điện áp tính tốn trục d Capacitor (C1 & C2) µF 220 Điện cảm đường dây Lline mH 3.3 Điện trở đường dây Rline Ω 0.1 Điện áp dây lưới (rms) V 220 Tần số lưới điện Hz 50 Switching Frequency (fsw) kHz Giả sử sai số góc nhỏ băng thông điều khiển lớn nhiều so với lọc thơng thấp, hàm truyền góc ước lượng thực tế là:  K 1 ˆe =  K p + i  ( −eq ) s s  ( K 1  =  K p + i  Vm  e − ˆe s s  ) (3.39) Để kiểm chứng hiệu nghịch lưu ba pha nguồn Z tựa khoá hoạt động chế độ nối lưới, công suất đánh giá trường hợp sau: K pVm s + KiVm ˆe (3.40) = e s + K pVm s + KiVm Để phát góc pha nguồn lưới, phương pháp trình bày đơn giản, ổn định, mạnh mẽ với tín hiệu nhiễu nhờ vào đặc tính lọc vốn có điều khiển KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để kiểm chứng lý thuyết trình bày, mơ hình mơ hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu pha nguồn Z tựa khóa xây dựng phần mềm PSIM Phần động lực mơ hình bao gồm nguồn điện mặt trời, nghịch lưu nguồn Z tựa khoá kèm theo trở kháng đường dây lưới điện Mạch điều khiển gồm phần sau: Bộ PLL; Bộ điều khiển công suất PQ; Bộ điều khiển dịng điện Thơng số mơ thể bảng Bảng Thông số mô nghịch lưu pha nối lưới nguồn Z tựa khoá Parameters Unit Value Input voltage Vdc V 400 Inductor (L) mH HVTH: Nguyễn Hùng Trang 82 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Bài báo Trường hợp II: Giảm công suất thực truyền lên lưới với công suất kháng Tại thời điểm t = 0.6 [s], tín hiệu tham chiếu cơng suất P thay đổi theo hàm bước từ giá trị 15 [kW] giảm xuống 10 [kW] kéo theo tín hiệu tham chiếu dòng điện I d _ ref giảm Dòng điện I q _ ref tiếp tục điều khiển Hiệu hệ thống thể hình 11 Dạng sóng ngõ điện áp tụ VC dòng điện cuộn kháng I L thể tương ứng hình 12.a 12.b Dịng điện pha phía lưới giảm theo giảm cơng suất hình 12.c Hệ thống truyền tải công suất thực lên lưới hình 12.d Trường hợp I: Tăng cơng suất thực truyền lên lưới với công suất kháng Ban đầu, nghịch lưu điểu khiển để truyền tải lên lưới công suất thực P = 10 [kW] Tại thời điểm t = 0.4 [s], tín hiệu tham chiếu công suất P tăng theo hàm bước từ giá trị 10 [kW] lên 15 [kW] Theo đó, tín hiệu tham chiếu dòng điện I d _ ref thay đổi theo Dòng điện I q _ ref điều khiển để hệ thống không truyền tải công suất phản kháng lên lưới, hay Qref = Đáp ứng hệ thống thể hình Dạng sóng điện áp tụ VC dòng điện cuộn kháng I L thể tương ứng hình Trường hợp III: Tăng cơng suất phản kháng Q nghịch lưu với công suất thực P không đổi Ban đầu, hệ thống điều khiển để truyền tải công suất thực P = 10 [kW] công suất phản khảng Q = [Var] Tại thời điểm t = 0.8 [s], giá trị tham chiếu Q thay đổi theo hàm bước lên [kVar] Do P khơng đổi nên dịng điện trục d điều khiển để giữ nguyên giá trị ban đầu Trong đó, giá tham chiếu dòng điện I q _ ref giảm thay đổi giá trị Qref Đáp ứng hệ thống trường hợp thể hình 13 Dạng sóng điện áp VC , dịng điện I L , dòng điện pha thể tương ứng hình 14.a, 14.b, 14.c Để 10.a 10.b Hình 10.c thể dạng sóng dịng điện pha phía lưới Giá trị THD dịng điện trước sau thay đổi cơng suất tương ứng 3.9% 2.6%, đáp ứng tiêu chuẩn THD  5% Hình 10.d cho thấy hệ thống truyền tải công suất thực lên lưới HVTH: Nguyễn Hùng Trang 83 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ P_ref Bài báo Pcal 20000 15000 P_ref Pcal 20000 10000 15000 5000 10000 0.5 0.55 Q_ref 0.6 Time (a)(s) 0.65 0.7 5000 Qcal 10K 0.7 5K Q_ref 0.75 0.8 Time (a)(s) 0.85 0.9 0.75 0.8 Time (b)(s) 0.85 0.9 0.75 0.8 Time (c)(s) 0.85 0.9 0.8 0.85 0.9 Qcal 10K 0K 5K -5K 0K -10K 0.5 0.55 Id_ref 0.6 Time (b)(s) 0.65 0.7 -5K Id_f -10K 40 0.7 30 Id_ref Id_f 40 20 30 10 20 0.5 0.55 Iq_ref 0.6 Time (c)(s) 0.65 0.7 10 Iq_f 10 0.7 Iq_ref Iq_f 10 0 -5 -10 0.5 0.55 0.6 0.65 -10 0.7 Time (d)(s) Time (s) -20 0.7 Hình 11 Tín hiệu điều khiển đáp ứng điều khiển trường hợp II VC 750 700 0.75 Time (d)(s) Time (s) Hình 13 Tín hiệu điều khiển đáp ứng điều khiển trường hợp III 650 VC 750 600 0.5 0.55 0.6 Time (a)(s) 0.65 0.7 700 IL 60 650 45 600 0.7 30 0.75 0.8 Time (a)(s) 0.85 0.9 0.75 0.8 Time (b)(s) 0.85 0.9 0.8 Time (c)(s) 0.85 0.9 0.8 0.85 0.9 IL 15 60 0.5 Ia 0.55 Ib 0.6 Time (b)(s) 0.65 45 0.7 30 Ic 60 15 30 0.7 Ia -30 Ib Ic 60 -60 0.5 Ia 0.55 0.6 Time (c)(s) 0.65 30 0.7 Eas/10 60 -30 30 -60 0.7 Ia -30 0.75 Eas/10 60 -60 0.55 0.6 0.65 30 0.7 Time (d)(s) Time (s) -30 Hình 12 Dạng sóng ngõ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trường hợp II truyền tải cơng suất phản kháng lên trường dịng điện pha phải điều chỉnh lệch pha so với điệp áp tương ứng pha thể rõ hình 14.d HVTH: Nguyễn Hùng Trang 84 -60 0.7 0.75 Time (d)(s) Time (s) Hình 14 Dạng sóng ngõ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trường hợp III GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ P_ref Bài báo khảng Q = [kVar] Tại thời điểm t = [s], giá trị tham chiếu Q giảm theo hàm bước lại giá trị 0, kèm theo thay đổi dòng điện tham chiếu I q _ ref Đáp ứng Pcal 20000 15000 10000 5000 0.9 0.95 Q_ref Time (a)(s) 1.05 1.1 Qcal hệ thống trường hợp thể hình 15 Như hiển thị hình 16.c 16.d, điều khiển dòng điện hoạt động tốt trường hợp này, Dạng sóng điện áp VC , dịng điện I L , dòng điện pha, 10K 5K 0K -5K -10K 0.9 Id_ref 0.95 Time (b)(s) 1.05 1.1 0.95 Time (c)(s) 1.05 1.1 Id_f 40 30 20 góc pha lệch dịng điện điện áp thể tương ứng hình 16 10 0.9 Iq_ref Iq_f 10 -10 Đề tài nghiên cứu xây đựng mơ hình nghịch lưu nguồn Z chế độ nối lưới phần mềm PSIM Hiệu cơng suất hồ lưới kiểm chứng kết mô Bộ công suất hoạt động tốt chế độ hoà lưới với điều kiện khác -20 0.9 0.95 Time (d)(s) 1.05 KẾT LUẬN 1.1 Time (s) Hình 15 Tín hiệu điều khiển đáp ứng điều khiển trường hợp IV VC 750 700 Tuy nhiên, đề tài cịn nhiều hạn chế kết mơ chưa bao quát hết tất điều kiện hoạt động công suất Chưa kiểm chứng hiệu qua kết thực nghiệm Hướng phát triển đề tài tập trung vào giải thuật cải tiến số điều chế cho nghịch lưu nguồn Z tựa khoá tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng hiệu công suất giải thuật điều khiển 650 600 0.9 0.95 Time (a)(s) 1.05 1.1 0.95 Time (b)(s) 1.05 1.1 Time (c)(s) 1.05 1.1 1.05 1.1 IL 60 45 30 15 0.9 Ia Ib Ic 60 30 -30 -60 0.9 Ia 0.95 Eas/10 60 30 -30 LỜI CẢM ƠN (NẾU CÓ) -60 0.9 0.95 Time (d)(s) Time (s) Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy Quách Thanh Hải nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ Tơi suốt thời gian học tập trình thực đề tài Hình 16 Dạng sóng ngõ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trường hợp IV Trường hợp IV: Giảm công suất phản kháng Q nghịch lưu với công suất thực P không đổi Hệ thống điều khiển để truyền tải công suất thực P = 10 [kW] công suất phản HVTH: Nguyễn Hùng Ngồi ra, Tơi xin nói lời cảm ơn đến Anh Chị học viên lớp cao học 2018 đến 05/2020 đóng góp ý kiến giúp đỡ tận tình Trang 85 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yuyao He; Yuhao Xu; Jinping Chen, Improved Space Vector Modulation of Quasi ZSource Inverter to Suppress DC-Link Voltage Sag, in IEEE Transactions on Industrial Electronics., vol 7, pp 66689-66702, 2019 [2] N Noroozi and M R Zolghadri, Three-Phase Quasi-Z-Source Inverter With Constant Common-Mode Voltage for Photovoltaic Application, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 65, no 6, pp 4790-4798, 2018 [3] A Ahmad, V K Bussa, R K Singh and R Mahanty, Switched-Boost-Modified ZSource Inverter Topologies With Improved Voltage Gain Capability, in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol 6, no 4, pp 2227-2244, 2018 [4] U K Shinde, S G Kadwane, S P Gawande, M J B Reddy and D K Mohanta, Sliding Mode Control of Single-Phase Grid-Connected Quasi-Z-Source Inverter, in IEEE Access, vol 5, pp 10232-10240, 2018 [5] S A Singh, G Carli, N A Azeez and S S Williamson, Modeling, Design, Control, and Implementation of a Modified Z-Source Integrated PV/Grid/EV DC Charger/Inverter, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 65, no 6, pp 52135220, 2018 [6] M Nguyen, Y Lim, S Park and D Shin, Family of high-boost Z-source inverters with combined switched-inductor and transformer cells, in IET Power Electronics, vol 6, no 6, pp 1175-1187, 2013 [7] Y Liu, H Abu-Rub and B Ge, Z-Source/Quasi-Z-Source Inverters: Derived Networks, Modulations, Controls, and Emerging Applications to Photovoltaic Conversion, in IEEE Industrial Electronics Magazine, vol 8, no 4, pp 32-44, 2014 [8] F Z peng, Z-source inverter, in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 39, No 2, pp 504-510, 2003 [9] H Rostami and D A Khaburi, Voltage gain comparison of different control methods of the Z-source inverter, 2009 International Conference on Electrical and Electronics Engineering - ELECO, pp I-268-I-272, 2009 [10] S Mishra, R Adda and A Joshi, Inverse Watkins–Johnson Topology-Based Inverter, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 27, no 3, pp 1066-1070, 2012 [11] S S Nag and S Mishra, Current-Fed Switched Inverter, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 61, no 9, pp 4680-4690, 2014 [12] S Chakraborty, M G Simoes, W E Kramer, Power Electronics for Renewable and Distributed Energy Systems, pp 80-85, Springer, 2013 HVTH: Nguyễn Hùng Trang 86 GVHD: TS Quách Thanh Hải Luận Văn Thạc Sĩ Tài liệu tham khảo [13] X Guo, W Wu, H Gu, Phase locked loop and synchronization methods for gridinterfaced converters: a review, Przeglad Elektrotechniczny, vol 87, no 4, pp 182-187, 2011 [14] Z Ali, N Christofides, L Hadjidemetriou, E Kyriakides, Y Yang, F Blaabjerg, Three-phase phase-locked loop synchronization algorithms for grid-connected renewable energy systems: A review, Renewable Sustain Energy Rev., vol 90, pp 434-452, 2018 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Nguyễn Hùng Đơn vị: Điện thoại: 0987009405 Email: hungn@bctech.edu.vn HVTH: Nguyễn Hùng Trang 87 GVHD: TS Quách Thanh Hải ... tài đặt mục tiêu sau: ✓ Nghiên cứu nghịch lưu nguồn Z tựa khóa thay cho nghịch lưu nguồn Z thường ✓ Nghiên cứu mở rộng số điều chế cho nghịch lưu nguồn Z tựa khóa ✓ Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển... lượng điện, hay máy phát quang điện hệ thống phân phối, truyền tải lượng điện cung cấp biến đổi điện tử công suất gọi nghịch lưu Một cấu hình nghịch lưu nguồn Z (ZSI), có đặc tính phù hợp cho ứng... máy phát điện phận phát điện đơn lẻ Hình 1.2 Sơ đồ khối điều khiển nghiên cứu [1] Hình 1.3 Phân bố xung kích nghịch lưu nguồn Z theo nghiên cứu [2] Hình 1.4 Cấu trúc nghịch lưu nguồn