(Đề tài NCKH) xây dựng kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài của bộ nghịch lưu nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM MỚI ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CỦA BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI MÃ SỐ: T2015-37TĐ SKC004788 Tp Hồ Chí Minh, 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM XÂY DỰNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM MỚI ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CỦA BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI Mã số: T2015-37TĐ Chủ nhiệm đề tài: ThS Lê Thanh Lâm TP HCM, 10/2015 Báo cáo T2015-37TĐ MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nước 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Cách tiếp cận 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.7 Nội dung nghiên cứu Chương 2: CÁC KỸ THUẬT GIẢM SÓNG HÀI Chương 3: MỐI QUAN HỆ GIỮA SĨNG HÀI VÀ DỊNG ĐIỆN CỦA BỘ NGHỊCH LƯU Chương 4: ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT THAY ĐỔI TẦN SỐ CHUYỂN MẠCH .13 4.1 Khi tần số chuyển mạch số 14 4.2 Phương pháp thay đổi sóng mang đề nghị 14 Chương 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI SỬ DỤNG KỸ THUẬT PWM MỚI ĐỂ GIẢM HÀI VÀ CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 17 5.1 Mô tả hệ thống nghịch lưu nối lưới 18 5.2 Kết mô thảo luận 19 Chương 6: KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 Lê Thanh Lâm i Báo cáo T2015-37TĐ LIỆT KÊ HÌNH Hình Nghịch lưu cầu pha nối lưới Hình Dạng sóng dịng điện ngõ nghịch lưu cầu pha đơn cực Hình Dạng sóng dịng điện điều chế 10 Hình Nhiễu hài dịng điện với m=0.97 nửa chu kỳ lưới 12 Hình Tần số chuyển mạch chuẩn hóa chu kỳ lưới 16 Hình Tần số chuyển mạch chuẩn hóa với giới hạn fmax chu kỳ lưới .16 Hình Sơ đồ mô hệ thống nghịch lưu Matlab/Simulink 18 Hình Tổn hao tổng tần số cố định với tần số chuyển mạch khác 20 Hình Tổn hao chuyển mạch 21 Hình 10 Sóng mang chu kỳ lưới 22 Hình 11 Hài THD dịng điện trường hợp tần số chuyển mạch số với Iref_max=15A 23 Hình 12 Hài THD dịng điện trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị với Iref_max=15A 23 Hình 13 Hài THD dịng điện trường hợp tần số chuyển mạch số với Iref_max=7.5A 24 Hình 14 THD dịng điện với Iref_max=7.5A trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị 25 Hình 15 Đáp ứng ngõ nghịch lưu 25 Hình 16 Dịng điện ngõ nghịch lưu 26 Lê Thanh Lâm ii Báo cáo T2015-37TĐ LIỆT KÊ BẢNG Bảng 1:Các thông số hệ thống 19 Bảng 2: Tổn hao tổng tần số cố định với trường hợp tần số chuyển mạch khác 20 Lê Thanh Lâm iii Báo cáo T2015-37TĐ CÁC THUẬT NGỮ Chu kỳ chuyển mạch thay đổi VSC (variable switching cycle) Điều chế tần số chuyển mạch thay đổi VSFPWM (variable switching frequency PWM) Độ méo hài toàn phần THD (total harmonic distortion) Độ méo nhu cầu toàn phần TDD (total demand distortion) Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sinSPWM (sinusoidal pulse width modulation) Nguồn điện phân tán DG (distributed generation using power inverter) Nửa chu kỳ (NCKCB) Tần số chuyển mạch thay đổi VSF (variable switching frequency) Tổn hao chuyển mạch SW (switching loss) Lê Thanh Lâm iv Báo cáo T2015-37TĐ CÁC KÝ HIỆU Ts: chu kỳ chuyển mạch fsw: tần số chuyển mạch Ts-var: chu kỳ chuyển mạch thay đổi Tsc: chu kỳ chuyển mạch số t: thời gian Vac: điện áp ngõ nghịch lưu Iac: dòng điện ngõ nghịch lưu Lf: điện cảm lọc Rf: điện trở Lf Lg: điện cảm nguồn lưới Rg: điện trở Lg RL: điện trở tải Iref: dịng điện đặt Pref: cơng suất tác dụng đặt Qref: công suất phản kháng đặt Vg-max: biên độ điện áp lưới : tần số góc nguồn lưới Vdc: điện áp nguồn chiều Psw: tổn hao chuyển mạch : góc pha dịng điện Ip: giá trị hiệu dụng nhiễu hài dòng điện Ip-const: giá trị hiệu dụng nhiễu hài dòng điện số m: số điều chế biên độ I1: dòng điện hiệu dụng C1: số phụ thuộc Vdc C2: số phụ thuộc Vdc, m, Lf I1 Lê Thanh Lâm v Báo cáo T2015-37TĐ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp HCM, Ngày 20 tháng 10 năm 2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Xây dựng kỹ thuật điều chế PWM để giảm sóng hài nghịch lưu nối lưới - Mã số: T2015-37TĐ - Chủ nhiệm: ThS Lê Thanh Lâm - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 12 tháng Mục tiêu: Mục tiêu đề tài xây dựng kỹ thuật điều chế PWM để giảm sóng hài nghịch lưu nối lưới Tính sáng tạo: Xây dựng kỹ thuật điều chế độ rộng xung với sóng mang có tần số thay đổi để giảm hài cho nghịch lưu nối lưới điều kiện ràng buộc tổn hao chuyển mạch số Kết nghiên cứu: Kỹ thuật điều chế PWM với sóng mang thay đổi để giảm hài THD dòng điện nghịch lưu Các kết mô với hệ thống nghịch lưu nối lưới thực Matlab/Simulink cho thấy hài THD giảm nhiều so với trường hợp truyền thống sóng mang cố định Lê Thanh Lâm vi Báo cáo T2015-37TĐ Sản phẩm: Một báo cáo khoa học cấp trường trọng điểm Một báo khoa học đăng tạp chí quốc tế (International Journal of Electrical Engineering & Technology) Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Dùng làm tài liệu tham khảo việc giảng dạy cho nghiên cứu nguồn phát phân tán Tạo sở tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo thiết bị với giá thành thấp Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) (ký, họ tên) ThS Lê Thanh Lâm Lê Thanh Lâm vii Báo cáo T2015-37TĐ INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: A novel PWM technique for reducing current THD in grid-connected inverters Code number: 2015-37TĐ Coordinator: M Eng Le Thanh Lam Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology & Education Duration: 12 months Objective: The goal of project is to present a novel PWM technique for reducing current THD in grid-connected inverters Creativeness and innovativeness: Proposing a novel PWM technique with a variable cycle carrier in each half of the fundamental period for reducing current THD in grid-connected inverters under the constraint of constant switching losses Research results: A novel PWM technique with a variable cycle carrier for reducing current THD in inverters The simulation results of a grid-connected inverter system in MATLAB/Simulink show that the current THD of the proposed technique is lower than the constant switching frequency technique Products: A scientific report at the focused project level A scientific paper published on International Journal of Electrical Engineering & Technology Lê Thanh Lâm viii Báo cáo T2015-37TĐ số C2 tính 1.77x10 cách thay tổn hao chuyển mạch trung bình 29W vào (23) Các kết mô cho hai trường hợp tần số chuyển mạch trình bày hình 9-16 Đáp ứng độ hệ thống nghịch lưu ghi nhận cho bước thay đổi dòng điện tham chiếu ngõ vào cực đại từ 15A đến 7.5A t=0.1 s cho hai trường hợp mô Các thông số bảng hai trường hợp Các giá trị trung bình tổn hao hai trường hợp điều chỉnh tương tự 29 W với Iref_max =15 A 14.44 W với Iref_max =7.5 A, hình đường liền nét, tổn hao chuyển mạch tức thời đường chấm cách Các chu kỳ sóng mang hình 10(b) nhau, hình 10(c) phương pháp đề nghị khác Tần số chuyển mạch đề nghị thay đổi dải rộng từ 1.5 kHz đến 9.2 kHz chy kỳ lưới đường vẽ liền nét Constan car t hình 10(a) 40 20 Proposed car 00 20 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 (b) Time (s) 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình Tổn hao chuyển mạch (a) Tổn hao chuyển mạch trường hợp tần số chuyển mạch số (b) Tổn hao chuyển mạch trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị Lê Thanh Lâm 21 Báo cáo T2015-37TĐ Chu kỳ sóng mang đề nghị t= hình 10(c) 109 s thấp nhiều so với trường hợp số 200 s hình 10(b) Nhiễu dịng điện phương pháp đề nghị giảm đáng kể tổn hao chuyển mạch tức thời tăng khơng đáng kể Chu kỳ sóng mang trường hợp đề nghị t=0.5 666 s hình 10(c) thấp nhiều so với trường hợp số 200 s hình 10(b) Tương tự, việc giúp tổn hao chuyển mạch tức thời phương pháp đề nghị giảm đáng kể Proposed car Const car fsw (Hz) hài dòng điện tăng khơng đáng kể 0.5 0 0.5 0 0.005 0.01 (c) Time (s) Hình 10 Sóng mang chu kỳ lưới (a) Tần số chuyển mạch (b) Sóng mang trường hợp tần số chuyển mạch số (5 kHz) (c) Sóng mang trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị (1.5-9.2 kHz) Lê Thanh Lâm 22 Báo cáo T2015-37TĐ Selected signal: 10 cycles FFT window (in red): cycles ofFundamental) -10 Fundamental (50Hz) = 15.01 , THD= 3.06% Mag (% Hình 11 Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch số với Iref_max=15A Selected signal: 10 cycles FFT window (in red): cycles 10 -10 Mag(% ofFundamental) Fundamental (50Hz) = 15.02 , THD= 2.30% Hình 12 Hài THD dịng điện trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị với Iref_max=15A Lê Thanh Lâm 23 Báo cáo T2015-37TĐ Mag (% of Fundamental) Selected signal: 10 cycles FFT window (in red): cycles Hình 13 Hài THD dòng điện trường hợp tần số chuyển mạch số với Hài THD dòng điện phương pháp đề nghị 2.3% hình 12 thấp so với trường hợp tần số chuyển mạch số 3.06% hình 11 với Iref_max=15 A, giá trị trung bình tổn hao chuyển mạch hai trường hợp Tương tự, hài THD dòng điện phương pháp đề nghị với I ref_max=7.5 A 4.74% hình 14 thấp so với tiêu chuẩn lưới điện yêu cầu [3]-[5], trường hợp tần số chuyển mạch số 6.19% hình 13 vượt yêu cầu tiêu chuẩn lưới điện giá trị tổn hao chuyển mạch Lê Thanh Lâm 24 Báo cáo T2015-37TĐ Selected signal: 10 cycles FFT window (in red): cycles Mag (% of Fundamental) Fundamental (50Hz) = 7.469 , THD= 4.74% 0 Power Hình 14 THD dịng điện với Iref_max=7.5A trường hợp tần số chuyển mạch đề nghị Vg (V) & Ig (A) Ig Vg/15 0.1 (b) 0.2 Time (s) Hình 15 Đáp ứng ngõ nghịch lưu (a) Công suất tác dụng phản kháng ngõ (b) Dòng điện áp ngõ Hơn nữa, trị đỉnh dòng điện bậc phương pháp đề nghị hình 12 15.02 A cao phương pháp số hình 11 15.01 A Điều làm cho hệ Lê Thanh Lâm 25 Báo cáo T2015-37TĐ số công suất phương pháp đề nghị cao phương pháp số giá trị trung bình tổn hao chuyển mạch Tương tự, đỉnh dịng điện bậc phương pháp đề nghị hình 14 7.469 A cao phương pháp số hình 13 7.467 A Phổ phương pháp số hình 11 13 cho thấy hài riêng cao đáng kể Điều gây nên nhiễu truyền thông Vài hài riêng phương pháp số hình 11 1.5% hình 13 3% cao phương pháp đề nghị hình 12 0.7% hình 14 1.4% Phổ phương pháp đề nghị trải khoảng rộng hình 12 14 Điều làm cho hài riêng giảm đáng kể Vì vậy, phù hợp cho ứng Ig (A) Ig (A) dụng lĩnh vực viễn thông quân đội Time (s) Hình 16 Dịng điện ngõ nghịch lưu (a) Dịng điện ngõ trường hợp sóng mang số (b) Dịng điện ngõ trường hợp sóng mang đề nghị Hình 15(a) cho thấy cơng suất tác dụng ngõ nghịch lưu 2336 W với Iref_max=15 A 1162 W với I ref_max=7.5A công suất phản kháng nghịch lưu zero Điện áp dòng điện ngõ trình bày hình 15(b) Lê Thanh Lâm 26 Báo cáo T2015-37TĐ Dòng điện ngõ nghịch lưu phương pháp đề xuất hình 16(b) cho thấy nhiễu hài dòng điện rải phương pháp số hình 16(a) Lê Thanh Lâm 27 Báo cáo T2015-37TĐ Chương 6: KẾT LUẬN Lê Thanh Lâm 28 Báo cáo T2015-37TĐ Kỹ thuật đề xuất với chu kỳ chuyển mạch thay đổi chu kỳ lưới cho thấy hài THD dòng điện giảm đáng kể so sánh với chu kỳ chuyển mạch số truyền thống giá trị trung bình tổn hao chuyển mạch Việc giảm THD dịng điện giảm đáng kể kích thước lọc giá thành nghịch lưu Hơn nữa, linh kiện bán dẫn đóng ngắt với tần số chuyển mạch thấp gần dịng đỉnh góp phần kéo dài tuổi thọ nghịch lưu Nhiễu dòng điện giảm đáng kể gần zero góp phần cải thiện chất lượng điện Để đáp ứng thay đổi dòng tải điều kiện thực tế, trọng số chuẩn bị offline cho mức dòng điện khác cách sử dụng phương pháp tra bảng MATLAB Với kỹ thuật này, tổn hao chuyển mạch giảm đáng kể điều kiện hài THD dịng điện Thêm vào đó, cách tiếp cận ứng dụng cho nghịch lưu ba pha kỹ thuật PWM khác Phổ phương pháp đề nghị trải dải rộng Vì thế, thích hợp cho ứng dụng viễn thông quân đội Lê Thanh Lâm 29 Báo cáo T2015-37TĐ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F Blaabjerg, Z Chen, and S.B Kjaer, Power electronics as efficient interface in dispersed power generation systems, IEEE Trans on Power Electronics, Vol.19, No 5, p 1184-1194, September 2004 [2] E Liu and J Bebic, Distribution system voltage performance analysis for high- penetration photovoltaics,GE Global Res., Niskayuna, NY, Rep NREL/SR-58142298, 2008 [3] IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems, IEEE Standard 929, 2000 [4] IEEE Application Guide for IEEE Std 1547™, IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, 2009 [5] A Woyte, K De Brabandere, D.V Dommelen, R Belmans, and J Nijs, International harmonization of grid connection guidelines: adequate requirements for the prevention of unintentional islanding, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Vol 11, p 407-424, 2003 [6] T G Habetler, R G Harley, Power electronic converter and system control,Proceedings of the IEEE, vol.89, no.6, pp.913-925, Jun 2001 [7] Y Sozer, D A Torrey, Modeling and Control of Utility Interactive Inverters,IEEE Transactions on Power Electronics, vol.24, no.11, pp.2475-2483, Nov 2009 [8] L Wu, Z Zhao, J Liu, A Single-Stage Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic System With Modified MPPT Method and Reactive Power Compensation, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol.22, no.4, pp.881-886, Dec 2007 [9] Z Chen, J M Guerrero, F Blaabjerg, A Review of the State of the Art of Power Electronics for Wind Turbines,IEEE Transactions on Power Electronics, vol.24, no.8, pp.1859-1875, Aug 2009 [10] J H Lee and B H Cho, Large time-scale electro-thermal simulation for loss and thermal management of power MOSFET,in Proceedings of IEEE Power Electron Spec Conf., pp 112–117, 2003 Lê Thanh Lâm 30 Báo cáo T2015-37TĐ [11] S Yang, Q Lei, F Z Peng, Z Qian, A Robust Control Scheme for Grid- Connected Voltage-Source Inverters,IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, no.1, pp.202-212, Jan 2011 [12] Xiaolin Mao, RajapandianAyyanar, and Harish K Krishnamurthy, Optimal Variable Switching Frequency Scheme for Reducing Switching Loss in SinglePhase Inverters Based on Time-Domain Ripple Analysis, IEEE Transactions on Power Electronics, vol 24, no 4, April, pp 991-1001, 2009 [13] Bo Cao, Liuchen Chang, A Variable Switching Frequency Algorithm to Improve the Total Efficiency of Single-Phase Grid-Connected Inverters, IEEE APEC, pp 2310-2315, 2013 [14] IlhamiColak, ErsanKabalci, RamazanBayindir, Review of multilevel voltage source inverter topologies and control schemes, International Journal on Energy Conversion and Management, 52, pp 1114–1128, 2011 [15] Chen Xiaoju, Zhang Hang, Zhao Jianrong, A new Improvement Strategy based on hysteresis space vector control of Grid-connected inverter, The International Conference on Advanced Power System Automation and Protection, pp 16131617, 2011 Lê Thanh Lâm 31 ... đề tài xây dựng kỹ thuật điều chế PWM để giảm sóng hài nghịch lưu nối lưới Tính sáng tạo: Xây dựng kỹ thuật điều chế độ rộng xung với sóng mang có tần số thay đổi để giảm hài cho nghịch lưu nối. .. SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM XÂY DỰNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM MỚI ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CỦA BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI Mã... tăng sóng hài q giới hạn cho phép Do việc giảm sóng hài để đạt tiêu chuẩn cho phép nghịch lưu nối lưới nhu cầu cấp thiết 1.3 Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài xây dựng kỹ thuật điều chế PWM để giảm