5. THỰC NGHIỆM
5.5.2. Vòng kín nối tải độc lập
Bảng 5-4 - Các tham số hệ thống phần cứng trong trường hợp nối tải độc lập
Nguồn một chiều (ắc quy) 12V
Cuộn cảm 2.3mH
Điện trở 10
Bảng 5-5 - Các tham số điều khiển của hệ thống trong trường hợp nối tải độc lập
Giá trị dòng điện đặt (giá trị đỉnh) 1A Hệ số điều chế cầu thứ 2 0.337 Hệ số điều chế cầu thứ 3 0.337 Tham số bộ điều khiển Kp 26
Ki 4296
Tải độc lập được sử dụng gồm một cuộn cảm có giá trị điện cảm là L=2.3mH và điện trở R=10. Tín hiệu hình sin được đo từ lưới điện.
77
Hình 5.24 - Cấu trúc thực nghiệm vòng kín nghịch lưu bảy mức điện áp một pha với tải độc lập
78
Hình 5.26 - Bộ điều khiển dòng điện
Hình 5.27 - Bộ điều khiển dòng điện cộng hưởng đã được gián đoạn hóa
Hình 5.24 thể hiện cấu trúc thực nghiệm vòng kín NL7M điện áp một pha với tải độc lập gồm ba khối cơ bản: khối chuyển đổi tương tự - số, bộ điều khiển dòng điện và khâu điều chế độ rộng xung - PWM. Quá trình chuyển đổi tín hiệu điện áp, dòng điện từ dạng tương tự sang dạng số và cùng với đó là quá trình chuẩn hóa kết quả đo được được thể hiện như hình Hình 5.25. Khối ADC trong Matlab lấy kết quả chuyển đổi từ vi điều khiển đưa ra hai đầu ra kết quả tương ứng là A0 và A1 (kênh đo A0 được sử
79
dụng để đo điện áp lưới và kênh A1 đo dòng điện chạy qua cuộn cảm). Dải dữ liệu kết quả chuyển đổi của ADC 12 bit là 0 – 212 tương ứng với điện áp 0 – 3V tại đầu vào ADC. Để đảm bảo độ phân dải đều của ADC đồng thời phù hợp với các kiểu dữ liệu sử dụng để tính toán trong bộ điều khiển, các kết quả chuyển đổi thu được sẽ được chuyển sang dạng số thực dấu phẩy tĩnh IQ24, trong dải [-1;1].
Dữ liệu đo điện áp lưới được sử dụng làm sóng sin chuẩn để điều chế điện áp đơn cực, do điện áp lưới điện nhỏ hơn dải đo điện áp thiết kế, vì vậy ta phải nhân với một hệ số là tỷ số giữa dải đo của mạch đo và điện áp lưới để tạo ra tín hiệu sin chuẩn biến thiên trong dải [-1;1]. Dữ liệu đo dòng điện chạy qua cuộn cảm làm tín hiệu phản hồi đưa về bộ điều khiển dòng điện.
Hình 5.26 và Hình 5.27 biểu diễn cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện cộng hưởng đã được gián đoạn và chuẩn hóa.
Kết quả:
Thông số bộ điều khiển được tính bằng: Kp=26, Ki=4629. Với thông số Kp như trên, dòng điện phía tải tuy vẫn có dạng hình sin, đồng pha với điện áp lưới nhưng chất lượng dòng điện kém với biên độ dao động mạnh quanh giá trị đặt, giá trị hiệu dụng không ổn định. Thay đổi Kp=5, chất lượng dòng điện tốt hơn, ít dao động hơn (Hình 5.28), giá trị hiệu dụng ổn định và xấp xỉ với giá trị đặt. Hình 5.28 còn thể hiện dòng điện phía tải đồng pha với lưới và có tần số bằng 50Hz. Điều này khẳng định bộ điều khiển dòng điện PR với phương pháp gián đoạn Tustin hoàn toàn có khả năng điều chỉnh dòng điện. Các tín hiệu trên hình này được đo từ đầu ra của mạch đo. Quan sát đường màu xanh biểu thị giá trị điện áp ta nhận thấy, chất lượng tín hiệu điện áp đo về chưa được tốt. Biên độ dao động khá lớn. Tại các đỉnh ta có thể quan sát biên độ dao động điện áp tại đỉnh của hình sin lên đến 50mV.
80
Hình 5.28 - Dòng điện tải (màu xanh) và điện áp phía lưới (màu vàng)
5.5.3. Vòng kín nối lưới
Hệ thống vòng kín nối lưới có cấu trúc như Hình 5.2. Các thông số của hệ thống được cho như Bảng 5-6 và Bảng 5-7.
Bảng 5-6 - Các tham số hệ thống phần cứng trong trường hợp nối lưới
Nguồn một chiều (ắc quy) 12V
Cuộn cảm 2.3mH
Điện áp sơ cấp biến áp (hiệu dụng) 220V Điện áp thứ cấp biến áp (hiệu dụng) 20V
Bảng 5-7 - Các tham số điều khiển của hệ thống
Giá trị dòng điện đặt (giá trị đỉnh) 1A
Hệ số điều chế cầu thứ 2 0.786
Hệ số điều chế cầu thứ 3 0.786
Tham số bộ điều khiển Kp 5
81
Cấu trúc thực nghiệm:
Hình 5.29 - Cấu trúc thực nghiệm hệ thống vòng kín nghịch lưu điện áp một pha nối lưới
Hình 5.30 - Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện cấu trúc nghịch lưu một pha nối lưới
Hình 5.29 và Hình 5.30 thể hiện cấu trúc thực nghiệm hệ thống vòng kín NL7M một pha nối lưới, điểm khác biệt so với cấu trúc vòng kín đã xây dựng với tải độc lập trước đó là có thành phần điện áp lưới phản hồi về bộ điều khiển.
Kết quả:
Trường hợp sử dụng một cầu để nối lưới:
Hình 5.31 là kết quả thực nghiệm trong trường hợp nối lưới biểu diễn dạng dòng điện phía lưới. Dòng điện (đường màu vàng) có dạng sin, đồng pha với điện áp phía lưới (đường màu xanh), tuy nhiên chất lượng dòng điện kém, dao động mạnh. Việc thay đổi các tham số bộ điều khiển không cải thiện được chất lượng dòng điện.
82
Hình 5.31 - Dòng điện phía lưới (màu vàng) và điện áp lưới (màu xanh) trong trường hợp sử dụng một cầu để nối lưới
Trường hợp sử dụng ba cầu để nối lưới:
Trong trường hợp sử dụng 3 cầu để nối lưới, dòng điện đã không còn ổn định theo chu kỳ nữa, chất lượng dòng điện kém, dao động mạnh (Hình 5.32). Có thể nói, trong trường hợp này dòng điện không còn trong khả năng điều khiển của bộ điều khiển nữa.
83
Hình 5.32 - Dòng điện và điện áp phía lưới trong trường hợp sử dụng 3 cầu để nối lưới
Phân tích nguyên nhân dẫn đến việc mất kiểm soát dòng điện trong trường hợp nối lưới:
Khác với trường hợp nối tải độc lập cho chất lượng dòng điện tương đối tốt thì trường hợp nối lưới, dòng điện đã không đạt yêu cầu về chất lượng. Trong trường hợp sử dụng một cầu H để nối lưới, dòng điện tuy có bám theo giá trị đặt, đảm bảo tần số dòng điện nhưng dòng điện dao động rất mạnh. Trong trường hợp sử dụng 3 cầu H thì dòng điện đã không còn trong khả năng kiểm soát của bộ điều khiển. Sau đây là một số nguyên nhân có thể dẫn đến việc mất kiểm soát dòng điện trong trường hợp nối lưới: Quan sát tất cả các kết quả trong trường hợp chạy vòng kín từ nối tải độc lập đến nối lưới ta có nhận thấy: chất lượng điện áp lưới đo về không được tốt, dao động khá mạnh. Mặc dù khối đo áp đã sử dụng bộ lọc RC với tần số cắt giảm xuống còn 1kHz nhưng chất lượng điện áp đo về vẫn không cải thiện được nhiều. Một trong những nguyên nhân dẫn đến chất lượng kém của việc đo điện áp là IC HCPL7800 không đạt được sự ổn định. Như đã nói ở trên, HCPL7800 có khả năng cách ly tốt nhưng để đảm bảo cho IC này hoạt động ổn định thì cần phải có nguồn cấp cho nó phải rất ổn định bao gồm nguồn cấp 5V ở cả hai phía sơ cấp và thứ cấp của HCPL7800. Việc thiết kế
84
nguồn hiện nay còn bất hợp lý khi toàn bộ mạch đo và mạch driver đều sử dụng một nguồn cấp. Điều này dẫn đến công suất cung cấp cho khối đo áp không đảm bảo, dẫn đến HCPL7800 hoạt động không ổn định.
Những lưu ý trong trường hợp nối lưới:
Nguồn một chiều phải có khả năng tích trữ năng lượng
Trong các bài toán nghịch lưu nối lưới ta cần phải sử dụng nguồn một chiều để đưa năng lượng từ nguồn này về lưới điện. Để điều khiển dòng điện phía lưới có dạng hình sin và đảm bảo cùng pha với lưới điện thì hệ thống mạch lực luôn phải hoạt động ở hai chế độ: nghịch lưu và chỉnh lưu. Trong chế độ chỉnh lưu, năng lượng sẽ được đưa từ lưới điện về phía một chiều. Khi đấy, phía nguồn một chiều cần phải có khả năng lưu trữ năng lượng. Ở phần thực nghiệm phía trên, nguồn một chiều được sử dụng các ac- quy có dung lượng lên tới 70Ah đủ khả năng để tích trữ năng lượng. Trong trường hợp khả năng lưu trữ năng lượng ở phía một chiều không đủ lớn ta có thể sử dụng đi ốt để ngăn chặn dòng chỉnh lưu chảy về nguồn.
Trạng thái reset của vi điều khiển
Driver IR2103 là một giải pháp hay trong việc tiết kiệm tài nguyên cho vi điều khiển bởi vì một IC IR2103 có khả năng tạo ra 2 xung có mức logic ngược nhau và được dùng để điều khiển 2 van trên cùng một nhánh. Tuy nhiên việc sử dụng IR2103 cũng cần phải lưu ý tại thời điểm reset của vi điều khiển. Tại thời điểm này, các chân PWM của vi điều khiển ở mức logic 0. Điều này đồng nghĩa với việc xung điều khiển 2 van S1 và S3 ở mức logic 0, trong khi xung điều khiển 2 van S2 và S4 ở mức logic 1. Nếu cũng tại thời điểm này, hệ thống nghịch lưu đang được nối với lưới điện thì vô tình các van S2 và S4 tạo thành các dây dẫn. Dòng điện qua cuộn cảm sẽ tăng lên nhanh chóng làm phá hủy hệ thống mạch lực. Vì vậy, tại thời điểm reset của hệ thống, tất cả các xung ở phía đầu ra cần ở mức logic 0.
85
KẾT LUẬN
Trong thời gian nghiên cứu đề tài “Thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu 7 mức điện áp một pha ứng dụng cho pin mặt trời nối lưới”, tác giả đã thu được những kết quả tích cực: hoàn thành việc mô phỏng với những kết quả như tính toán, xây dựng hệ thống phần cứng và bước đầu chạy thực nghiệm và thu được một số kết quả khả quan như điều khiển dòng điện trong trường hợp nối tải độc lập sử dụng ba cầu H, nghịch lưu nối lưới trong trường hợp sử dụng một cầu H. Tuy nhiên, việc nối lưới sử dụng ba cầu H vẫn chưa thành công. Thực nghiệm nghịch lưu nối lưới cần phải thực hiện cẩn thận theo một chu trình tính toán kỹ lưỡng từ trước bởi vì một sơ suất nhỏ có thể dẫn tới phần cứng bị phá hủy nhất là hệ thống mạch lực. Trong quá trình tìm hiểu tài liệu, tác giả nhận thấy, hệ thống nghịch lưu đa mức ứng dụng cho pin mặt trời nối lưới là một ứng dụng hay và đang được nghiên cứu rất nhiều trên thế giới. Tác giả mong muốn hệ thống này sẽ được tiếp tục được nghiên cứu và phát triển trong những giai đoạn tới.
Hà Nội, ngày 01 tháng 01 năm 2017 Tác giả
86
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
[1] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, “Điện tử công suất”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2010.
[2] Phạm Quốc Hải, “Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2009.
[3] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, “Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất”.
[4] Trần Trọng Minh, “Chỉnh lưu tích cực”, Bài giảng điện tử công suất nâng cao ĐHBKN.
[5] Vũ Hoàng Phương, “Điều khiển nghịch lưu nguồn Z ứng dụng cho hệ phát điện phân tán”, Luận án Tiến sĩ, 2013.
[6] Bùi Văn Huy, “Điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới”, Luận án Tiến sĩ, 2015.
[7] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2002.
[8] Hoàng Minh Sơn, “Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình”, Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội, 2006.
[9] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink danh cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2008.
TIẾNG ANH
[10] J. M. Carrasco, J. T. Bialasiewicz, E. Galvan, R. C. PortilloGuisado, M. A. M. Prats, J. I. Leon, N. Moreno-Alfonso “Power-Electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Energy Sources: A Survey”. IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 4, pp. 1002–1016, Aug. 2006.
[11] Bailu Xiao, Ke Shen, Jun Mei, Faete Filho, Leon M. Tolbert, “Control of Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter with Individual MPPT for Grid-Connected Photovoltaic Generators,” 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 15-20 Sept. 2012, pp. 3715 - 3721
87
[12] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodríguez “Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems ,” 2011 John Wiley & Son, Ltd.
[13] J. Rodriguez, J. S. Lai, and F. Z. Peng, “Multilevel inverters: A survey of topologies, controls, and applications,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 49, no. 4, pp. 724-738, Aug. 2002.
[14] T. Esram and P. L. Chapman, “Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 22, no. 2, pp. 439-449, Jun. 2007.
[15] Simone Buso, Paolo Mattavelli, “Digital control in power electronics”, 2nd Edition, A Publication in the Morgan & Claypool Publishers series, 2015.
[16] S.S.Vlunjkar, S.Djoshi, N.R.Kulkarni, “Implementation of maximum power point tracking charge controller for renewable energy”, 2014 IEEE International Conference on Advanced Communication Control and Computing Technologies.
[17] Antonio Dell’Aquila, Marco Liserre, Vito Giuseppe Monopoli, Paola Rotondo, “Overview of PI-Based Solutions for the Control of DC Buses of a Single-Phase H- Bridge Multilevel Active Rectifier”, IEEE Transactions on industry applications, vol.44, no.3, May/June 2008.
[18] B. P. McGrath and D. G. Holmes, “Multicarrier PWM strategies for multilevel inverters,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 49, pp. 858–867, Aug.2002.
[19] Alejandro Gomez Yepes, “Digital Resonant Current Controllers For Voltage Source Converters”, Dissertation submitted for the degree of doctor of Philosophy at the University of Vigo.
[20] Bailu Xiao, Faete Filho, Leon M.Tolbert, “Single-Phase Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter with Nonactive Power Compensation for Grid-Connected Photovoltaic Generators”.
[21] Ningyun Zhang, Houjun Tang, Chen Yao, “A Systematic Method for Designing a PR Controller and Active Damping of the LCL Filter for Single-Phase Grid-Connected PV Inverters”, Energies 2014, 7, 3934-3954, doi:10.3390/en7063934.
[22] Texas Instruments, “PV Inverter Design Using Solar Explorer Kit”, Application Report, SPRABR4A-July 2013.
88
[23] A.Safari and S.Mekhilef, “Incremental Conductance MPPT Method for PV System”, IEEE CCECE2011-000345.
[24] S.S.Valunjkar, S.D.Joshi, N.R.Kulkami, “Implementation of Maximum Power Point Tracking Charge Controller for Renewable Energy”, ISBN No.978-1-4799- 3914-5/14/$31.00 2014 IEEE.
[25] Elena Villanueva, Pablo Correa, Jose Rodriguez, “Control of a single phase H- Bridge multilevel inverter for grid-connected PV applications”, 978-1-4244-1742- 1/08/$25.00 2008 IEEE.
[26] Jong-Pil Lee, Byung-Duk Min and Dong-Wook Yoo, “Implementation of High Efficiency Grid-tied Multi-Level Photovoltaic Power Conditioning System Using Phase Shifted H-bridge Modules”, Journal of Power Electronics, 2013.
[27] Antonio Dell Aquila, Marco Liserre, VitoGiuseppe Monopoli, Paola Rotondo, “Overview of PI-Based Solutions for the Control of DC Buses of a Single-Phase H- Bridge Multilevel Active Rectifier”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.4, No.3, May/June 2008.
[28] Lin Xu, Yang Han, “Effective Controller Design for the Cascaded H-bridge Multilevel DSTATCOM for Reactive Compensation in Distribution Ultilities”, Electrotehniski Vestnik 78(4): 229-235, 2011.
[29] D.Zammit, C.Spiteri Staines, M.Apap, “Comparison between PI and PR Current Controllers in Grid Connected PV Inverters”, International Scholarly and Scientific Research & Innovation 8(2) 2014.
[30] Vu Hoang Phuong, Nguyen Van Hung, Hoang Van Son, Vu Van Duc, Nguyen Van Doai, “The control of a single-phase multilevel inverter in grid-tied PV systems”, paper 22, RCEEE 2016.