1. 5 Giới thiệu yêu cầu bài toán
3.3.3. Phương pháp tần số chuyển mạch thay đổi dựa vào TDD
Hình 3. 8.Tổn hao chuyển mạch và THD của phương pháp TDD.
(a) Tổn hao chuyển mạch tức thời và trung bình (b) THD dòng điện
Để cải thiệu hiệu suất cho phương pháp tần số chuyển mạch cố định, phương pháp TDD (Total Distortion Demand) đề nghị giảm tần số chuyển mạch trong khoảng đầu còn 2,7 kHz để giảm tổn hao chuyển mạch nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống. Trong khoảng giữa cần nâng tần số chuyển mạch lên 5,5 kHz để giảm sóng hài dòng điện đạt tiêu chuẩn nối lưới. Trong khoảng cuối cần giảm tần số chuyển mạch xuống còn 4,7 kHz để giảm tổn hao chuyển mạch trong khi vẫn có thể bù công suất kháng cho lưới.
Như vậy, tổn hao chuyển mạch của phương pháp TDD được chọn làm ngưỡng để so sánh hiệu quả của các phương pháp còn lại. Kết quả của phương pháp TDD được. Phương pháp TDD thực ra là phương pháp tần số chuyển mạch cố định thông thường, chỉ xem xét ở các mức dòng điện khác nhau.
3.3.4 Phương pháp độ nhấp nhô hằng số
Hình 3.9. Đáp ứng của dòng điện và điện áp ngõ ra của độ nhấp nhô hằng số
a) Đáp ứng dòng và áp ngõ ra
Hình 3.10. Tổn hao chuyển mạch và THD của CR
(a) Tổn hao chuyển mạch tức thời và trung bình (b) THD dòng điện
Phương pháp độ nhấp nhô hằng số CR (Constant Ripple) còn được gọi là phương pháp điều khiển dòng bão hòa (hysteresis current control) sẽ được thực hiện trong phần này.
Tần số chuyển mạch thấp đáng kể tại zero của dòng điện và gây nhiễu cao.
3.3.5 Phương pháp trải phổ cải tiến
Hình 3.11. Đáp ứng của dòng điện và điện áp ngõ ra của MSANS.
Phương pháp SANS là phương pháp cho hiệu quả giảm sóng hài cao và thực hiện đơn giản. Tuy nhiên, phương pháp này lại được đề xuất cho điều chế vector không gian SVPWM, không phải cho SPWM. Thêm vào đó, phương pháp này cũng không xem xét định lượng tổn hao chuyển mạch và không xem xét cho nghịch lưu nối lưới. Qui luật tần số chuyển mạch thay đổi tăng giảm tuyến tính trong mỗi sector và giống nhau cho cả 6 sector. SANS cũng đề nghị luôn giữ phân số k=0,5 để luôn có được tần số chuyển mạch thay đổi từ 2 phần 3 tần số cố định đến 2 lần tần số cố định. Tuy nhiên, điều này không thực sự phù hợp khi mà tải luôn thay đổi. Vì vậy, nếu giữ nguyên qui luật đó áp dụng vào trong SPWM sẽ cho hiệu quả không cao. Vì vậy, tác giả đề nghị cải tiến SANS lại thành MSANS để áp dụng cho SPWM nhằm có
cùng điều kiện cài đặt giống như các phương pháp trên để thuận lợi trong việc nhận xét và đánh giá. 3.3.6 Kỹ thuật đề nghị Hình 3.12. Đáp ứng của kỹ thuật đề nghị (a) Đáp ứng dòng và áp ngõ ra (b) Đáp ứng phóng to trong khoảng 0,28-0,36s
Hình 3.13.Chu kỳ và tổn hao chuyển mạch phóng to khi hệ số công suất bằng 1
Trong kỹ thuật đề xuất, các chu kỳ chuyển mạch trong các khoảng thời gian cũng được xác định lại bằng GA như trình bày ở trên. Ràng buộc SHE cho khoảng đầu là 1,5% và 1% cho hai khoảng còn lại. Số xung chuyển mạch Np trong mỗi NCKCB thu được là 29, 59, và 58 cho các khoảng tương ứng
Hình 3.14.Dòng và áp khi cosφ<1
(a) Phương pháp độ méo yêu cầu toàn phần (b) Phương pháp độ nhấp nhô dòng hằng số (c) Phương pháp trải phổ cải tiến
Hình 3.15. THD dòng điện
Bảng 3.1: Tóm tắt tổn hao chuyển mạch và sóng hài Chu kỳ chuyển mạch t<0,2s 0,2s<t<0,3s 0,3s<t Tổn hao chuyển mạch (W) THD (%) Tỉ lệ (%) Tổn hao chuyển mạch (W) THD (%) Tỉ lệ (%) Tổn hao chuyển mạch (W) THD (%) Tỉ lệ (%) Cố định 15.35 2.55 46.7 7.68 5.33 -10.4 9. 4.32 6 TDD 8.28 4.79 0 8.45 4.83 0 8.67 4.6 0 Nhâp nhô hằng số 8.29 4.33 9.6 8.25 4.53 6 8.58 4.28 7 MSANS 8.28 4.12 14 8.45 4.41 8.7 8.67 4.12 10.4 Đề nghị 8.23 3.85 19.6 8.20 4.10 15 8.55 3.82 17
Nhận xét kết quả của nghịch lưu nối lưới
Các kết quả mô phỏng của hệ thống nghịch lưu nối lưới của các phương pháp khảo sát được thể hiện trong hình 3.5-3.13 và bảng 3.1
Trong trường hợp của TDD, để sóng hài dòng điện nhỏ hơn giới hạn nhưng vẫn có hiệu suất cao thì tần số chuyển mạch phải điều chỉnh theo dòng tải. Trong khoảng thời gian đầu (0-0,2s), để giảm tổn hao chuyển mạch từ 15,35 W xuống còn 8,28 W thì cần phải hạ tần số chuyển mạch từ 5 kHz xuống còn 2,7 kHz. Khi đó, thu được sóng hài dòng điện 4,79% vừa nhỏ hơn giới hạn cho phép. Ngược lại, trong khoảng giữa, để giảm sóng hài dòng điện từ 5,33% xuống còn 4,83% thì phải tăng tần số chuyển mạch từ 5 kHz lên 5,5 kHz. Điều này làm cho tổn hao chuyển mạch tăng từ 7,68 W lên 8,45 W. Một cách tương tự, trong khoảng cuối, để giảm tổn hao chuyển mạch từ 9, W xuống còn 8,67 W thì phải hạ tần số chuyển mạch xuống còn 4,7 kHz và cũng thu được sóng hài dòng điện bằng 4,6%, giá trị này vừa nhỏ hơn giới hạn cho phép. Tuy nhiên, các sóng hài riêng lẻ trong hình 2.25 có biên độ cao đáng kể tại tần số bội 2 lần tần số chuyển mạch (hơn 2,5% mặc dù THD nhỏ hơn 5%. Điều này có thể gây nhiễu cho thiết bị thông tin nên cần bộ lọc phụ. Tổn hao chuyển mạch trung bình của phương pháp TDD cũng được dùng làm ngưỡng để so sánh các phương pháp khác trong nghiên cứu này này.Để có tổn hao chuyển mạch trung bình tương tự như TDD, kết quả của phương pháp CR với THD dòng điện thu được bằng 4,33; 4,53 và 4,28% tương ứng trong các khoảng thời gian. Tuy nhiên, phổ hài ở hình 2.28(a) cho thấy rằng vẫn còn một số hài riêng lẻ cao hơn 1,5% và 1,2%. Trong phương pháp MSANS, để có tổn hao chuyển mạch trung bình tương tự TDD, các chu kỳ cố định Tc được chọn bằng 330, 165 và 194 ms cho ba khoảng thời gian tương ứng. Phân số k cũng được điều chỉnh bằng 0,5; 0,25 và 0,3 tương ứng theo mức tải để có kết quả sóng hài và tổn hao chuyển mạch trung bình tốt nhất . Khi đó, cũng
thu được sóng hài dòng điện tương ứng trong các khoảng là 4,12; 4,41 và 4,12%. Kết quả này thấp hơn phương pháp TDD và cả phương pháp CR. Thậm chí hài riêng lẻ với biên độ cao cũng không còn nữa. Các kết quả này khá ấn tượng so với các kết quả của các phương pháp trên. Tuy nhiên, chúng cũng không thể tốt hơn các kết quả của phương pháp đề nghị. Bởi vì:
Các kết quả của phương pháp đề nghị và tổng hợp kết quả của các phương pháp khảo sát ở bảng 3.1 cho thấy rằng:
+ Chu kỳ chuyển mạch của các khoảng được xác định bằng GA cho tổn hao chuyển mạch trung bình bằng với phương pháp TDD, nhưng sóng hài dòng điện tương ứng trong các khoảng bằng 3,85; 4,1 và 3,82% và thấp nhất so với kết quả của các phương pháp trên. Tỉ lệ giảm sóng hài của MSANS là 14; 8,7 và 10,4% so với TDD trong các khoảng tương ứng. Trong khi tỉ lệ giảm sóng hài của phương pháp đề nghị là 19,6; 15 và 17 % so với TDD. Tỉ lệ giảm này cho thấy kết quả của phương pháp đề nghị là tốt nhất trong việc giảm sóng hài của nghịch lưu.
+ Dòng điện đỉnh của kỹ thuật đề nghị là 9,659A cũng hơi cao hơn so với các phương pháp khác . Sự cao hơn này cũng dẫn đến hệ số công suất cao hơn của nghịch lưu.
+ Trong trường hợp cosφ =1, chu kỳ chuyển mạch tại zero của dòng điện trong kỹ thuật đề nghị thấp nhất so với các phương pháp khác nên giảm sóng hài đáng kể trong khi tổn hao chuyển mạch tức thời tăng không đáng kể. Ngược lại, tại lân cận đỉnh của dòng điện, chu kỳ chuyển mạch của kỹ thuật đề nghị cao nhất so với các phương pháp khác nên tổn hao chuyển mạch tức thời giảm đáng kể trong khi độ nhấp nhô tăng không đáng kể. Kết quả là cùng một tổn hao chuyển mạch trung bình nhưng sóng hài dòng điện của phương pháp đề nghị là thấp nhất.
đề nghị cũng làm cho tổn hao chuyển mạch tức thời phân bố đồng đều hơn so với các phương pháp khác nên sốc nhiệt cũng ít hơn so với các phương pháp khác. Điều này giúp tăng tuổi thọ của linh kiện công suất. Bởi vì, tổn hao tức thời đặc trưng cho sốc nhiệt (không phải tổn hao trung bình) và sốc nhiệt càng thấp thì tuổi thọ của linh kiện bán dẫn công suất càng tăng.
+ Sự phân bố không đối xứng của chu kỳ chuyển mạch tại lân cận đỉnh dòng điện trong kỹ thuật đề nghị so với các phương pháp khác là một sự khác biệt quan trọng. Lý giải cho sự bất đối xứng này là do sự phi tuyến đáng kể của tín hiệu điều chế trong khi chu kỳ của sóng tam giác là khá lớn
+ Đối với trường hợp hệ số công suất cosφ <1, chu kỳ chuyển mạch của phương pháp đề nghị giảm nhỏ đáng kể tại lân cận zero của dòng điện ở hình) giúp cho độ nhấp nhô dòng điện giảm nhỏ đáng kể, trong khi tổn hao chuyển mạch tức thời tăng không đáng kể nên tổn hao chuyển mạch trung bình vẫn bằng với các phương pháp khác, tổn hao chuyển mạch tức thời của phương pháp TDD là tốt nhất và của phương pháp đề nghị là tốt thứ nhì, trong khi của MSANS gây sốc nhiệt nhiều nhất. Nhưng phương pháp đề nghị vẫn cho kết quả sóng hài là thấp nhất.
3.5 Kết luận chương 3
Việc giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới là một trong những nhiệm vụ tương đối khó khăn để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới ngày càng nghiêm ngặt đối với người thiết kế. Việc chọn được chu kỳ chuyển mạch tối ưu thật sự là một thách thức bởi sự cân bằng giữa tổn hao chuyển mạch và sóng hài dòng điện. Có thể nói đây là một bài toán phức tạp và khó khăn.
Các kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy rằng kỹ thuật SPWM với chu kỳ chuyển mạch thay đổi của phương pháp đề nghị dựa vào GA cho kết quả giảm sóng hài đáng kể so với kết quả của các phương pháp đã được công bố gần đây.
Tính hiệu quả của kỹ thuật đề nghị không những giảm sóng hài mà còn có khả năng khử hài lựa chọn và trải phổ hài trong một phạm vi rộng. Điều này giúp cho các hài riêng lẻ có biên độ giảm đáng kể nên không cần bộ lọc phụ và không gây nhiễu âm. Vì vậy, nó rất phù hợp cho các thiết bị trong thông tin và quân sự.
Các kết quả cũng đã được thực hiện cho các trường hợp phát điện vào lưới với cosφ =1 và cosφ<1 trong cùng một điều kiện cài đặt với những thông số giống với thực tế nhất.
Việc giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới cũng góp phần làm giảm kích thước bộ lọc, giá thành thiết bị, và cải thiện chất lượng điện năng của hệ thống điện.
Việc chuyển mạch với tần số thấp tại đỉnh của dòng điện cũng góp phần làm tăng tuổi thọ của linh kiện công suất.
Để đáp ứng yêu cầu tải thay đổi trong điều kiện thực tế, các số liệu của chu kỳ chuyển mạch được chuẩn bị offline sẵn với các mức tải khác nhau bằng cách sử dụng phương pháp tra bảng trong Matlab.
Hơn nữa, với cách tiếp cận của kỹ thuật đề nghị cũng có thể mở rộng ứng dụng cho các bộ biến đổi công suất ba pha và các kỹ thuật PWM khác.
KẾT LUẬN
Trong luận văn này, tác giả đã trình bày nhu cầu của điện mặt trời ngày càng tăng do tính bền vững và thân thiện với môi trường trong khi tiềm năng vô cùng lớn. Vì nguồn năng lượng điện mặt trời là phi tuyến, loãng và không liên tục. Do đó, nguồn năng lượng này cần được nối lưới để có được một nguồn điện có chất lượng tốt với giá thành rẻ thông qua các bộ nghịch lưu. Tuy nhiên, sóng hài của các bộ nghịch lưu nối lưới này ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện năng của hệ thốngđiện.
Để nâng cao chất lượng cũng như để đảm bảo an toàn trong vận hành ổn định và truyền tải điện năng, các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt đã được ban hành. Điều này đòi hỏi các nguồn điện phân tán phải có các tính năng kỹ thuật ngày càng cao trong việc giảm sóng hài và đáp ứng động trong vận hành bình thường cũng như khi trải qua sự cố.
Việc nghiên cứu giảm sóng hài trong nghịch lưu nối lưới sẽ góp phần làm giảm kích thước và chi phí thiết bị đồng thời nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện.
Tác giả đã đề xuất phương pháp điều chế với tần số chuyển mạch thay đổi dựa vào giải thuật di truyền mà không làm tăng tổn hao chuyển mạch. Sóng hài của phương pháp đề xuất giảm thấp đáng kể so với các phương pháp đã được công bố gần đây thông qua các kết quả mô phỏng và thí nghiệm. Phương pháp đề xuất cũng đã xem xét tổn hao chuyển mạch một cách định lượng. Tính hiệu quả của phương pháp đề xuất còn thể hiện ở khả năng khử hài lựa chọn và khả năng trải phổ nên không cần bộ lọc phụ và phù hợp cho các ứng dụng trong thông tin và quân sự do không còn nhiễu âm.
KIẾN NGHỊ
Để hệ thống nghịch lưu nối lưới có thể được ứng dụng hiệu quả và tăng khả năng chế tạo cũng như chuyển giao công nghệ, đề tài cần được nghiên cứu thêm các phần sau:
+ Thiết kế các mạch bảo vệ, kiểm soát trạng thái ổn định và biểu đồ điều khiển công suất phản kháng cho nghịch lưu nối lưới.
+Ước lượng tổng trở hệ thống để tăng khả năng điều khiển dò cô lập trong trong vận hành bình thường cũng như khi có sự cố.
+ Mở rộng ứng dụng cho bộ lọc tích cực, nguồn dự phòng, bộ ổn định điện áp động…
+ Nghiên cứu mở rộng ứng dụng nhiều bộ nghịch lưu hoạt động song song, mở rộng cho các bộ nghịch lưu đa bậc công suất lớn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh (2007), Điện tử công suất Tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[2] Lê Văn Doanh (2008), Điện tử công suất Tập 2, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[3] Vũ Quang Hồi (2005), Giáo trình điện tử công nghiệp, Nhà xuất bản Giáo dục.
[4] Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[5] Đặng Văn Đào, Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh (2005), Giáo trình
máy điện, Nhà xuất bản Giáo dục.
[6]Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink – Dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa họcvà Kỹ thuật.
[7 ]Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002), Truyền động điện thông
minh, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
[8] Phạm Thị Hồng Anh (2012), Xây dựng bộ điều khiển nối lưới nguồn năng
lượng mặt trời, luận văn thạc sỹ kỹ thuật, chuyên ngành tự động hóa.
[9] Võ Minh Chính, Giaó trình Điện tử công suất, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội.