1. 5 Giới thiệu yêu cầu bài toán
2.5.6. Nghịch lưu đa bậc
Các nghịch lưu đa bậc [2], cũng đã được sử dụng để giảm sóng hài dòng điện rất hiệu quả. Tuy nhiên, chúng lại đòi hỏi nhiều linh kiện chuyển mạch hơn, nhiều nguồn DC hơn, điều khiển phức tạp hơn, phải giải quyết vấn đề cân bằng điện áp… Do đó, loại này thường phù hợp cho ứng dụng công suất lớn. Mặt khác, dòng điện chảy qua nghịch lưu càng nhiều bậc thì qua càng nhiều linh kiện nối tiếp nên tổng trở nghịch lưu tăng cao làm cho tổn hao dẫn tăng cao nên làm giảm hiệu suất.
Bởi vì trong nghịch lưu, tổn hao dẫn chiếm đáng kể nhất trong tổng tổn hao Trong khi đó, tổn hao dẫn lại tỉ lệ thuận với bình phương dòng điện và tổng trở tương đương của nghịch lưu. Do đó, nghịch lưu có số bậc càng cao thì tổn hao dẫn càng nhiều nên làm giảm hiệu suất.
Hơn nữa, trong thực tế hiện nay, theo khuynh hướng cải thiện hiệu suất cho nghịch lưu nối lưới, tổn hao dẫn cần phải được giảm thiểu, tức là cần phải giảm bậc càng nhỏ càng tốt, nhưng khi đó, sóng hài lại tăng lên. Vì vậy, cần phải tăng tần số chuyển mạch để giảm sóng hài, nhưng điều này lại làm tăng tổn hao chuyển mạch. Việc lựa chọn một cách cân bằng giữa sóng hài dòng điện và tổn hao chuyển mạch là một việc tương đối khó khăn.
Vì các mô tả toán học của sóng hài dòng điện và tổn hao chuyển mạch đều chứa các hàm sin hoặc cos, cho nên có nhiều phương pháp trí tuệ nhân tạo được đề nghị để giảm sóng hài trong nghịch lưu thay vì phải giải các phương trình siêu việt phi tuyến. Các phương pháp đó là: tối ưu bầy đàn , tối ưu đàn kiến, tối ưu đàn ong nhân tạo, và giải thuật di truyền. Tuy nhiên, các phương pháp này chưa xem xét đến tổn hao chuyển mạch, đặc biệt là trong nghịch lưu nối lưới.
Để giảm song hài dựa vào kỹ thuật điều chế, tác giả đề nghị một kỹ thuật SPWM (sinusoidal pulse width modulation) sử dụng giải thuật di truyền GA (genetic algo- rithm) nhằm xác định chu kỳ chuyển mạch trong mỗi nửa chu kỳ lưới cơ bản (NCKCB). Hàm mục tiêu là sóng hài dòng điện với ràng buộc không làm tăng tổn hao chuyển mạch. Sóng hài dòng điện và tổn hao chuyển mạch được xem xét một cách định lượng để làm cơ sở đánh giá cho phương pháp đề nghị khi so sánh với các phương pháp được công bố gần đây.
Kết luận chương 2:
Trong chương 2 tác giả đã trình bày :
Nguồn gốc sóng hài từ đó đưa ra các nguyên nhân gây sóng hài nối lưới Phân tích sóng hài để căn cứ vào đó đưa ra các phương pháp để giảm sóng hài
Các ảnh hưởng của sóng hài lên hệ thống điện, tầm quan trọng của việc giảm sóng hài trong hệ thống điện.
Các phương pháp hạn chế sóng hài và đề xuất giảm sóng hài bằng phương pháp kỹ thuật điều chế GA
Chương 3 tác giả sẽ trình bày đề xuất giảm sóng hài bằng phương pháp kỹ thuật GA và so sánh kỹ thuật này với các kỹ thuật trước đó, chỉ ra ưu điểm của phương pháp này với các phương pháp giảm sóng hài khác.
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỬ DỤNG CHU KỲ CHUYỂN MẠCH THAY ĐỔI
3.1. Yêu cầu bài toán
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó. Để khai thác và sử dụng NLMT một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới điện thông minh. Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), nguồn năng lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu.
Tuy nhiên chính các bộ nghịch lưu nối lưới lại phát sinh sóng hài đáng kể vào lưới điện và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng của hệ thống điện. Hầu hết các nghịch lưu nối lưới sử dụng rộng rãi trong ứng dụng dân dụng là các hệ thống nghịch lưu một pha [7] với kích cỡ module và chuỗi module. Các nghịch lưu nối lưới một pha này chỉ cần điện áp DC khoảng 350- 400V nên an toàn hơn. Hệ thống nghịch lưu nối lưới 1 pha đang và sẽ được ứng dụng nhiều nhất trong tương lai trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nhất là các hệ thống điện tích hợp thông minh. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống nghịch lưu nối lưới có cấu trúc một pha sẽ được xem xét và lựa chọn trong chương này.
Để giảm sóng hài dựa vào kỹ thuật điều chế, tác giả đề nghị một kỹ thuật SPWM (sinusoidal pulse width modulation) sử dụng giải thuật di truyền GA (genetic algo- rithm) nhằm xác định chu kỳ chuyển mạch trong mỗi nửa chu kỳ lưới cơ bản (NCKCB). Hàm mục tiêu là sóng hài dòng điện với ràng buộc không làm tăng tổn hao chuyển mạch. Sóng hài dòng điện và tổn hao chuyển
mạch được xem xét một cách định lượng để làm cơ sở đánh giá cho phương pháp đề nghị khi so sánh với các phương pháp được công bố gần đây.
Việc phân tích sóng hài dòng điện trong nghịch lưu cầu H một pha SPWM đơn cực được thực hiện để làm cơ sở cho kỹ thuật đề xuất. Việc so sánh kết quả của các phương pháp tần số chuyển mạch thay đổi cũng được thực hiện trong chương này.
3.2 Đề nghị giảm sóng hài sử dụng kỹ thuật GA
3.2.1 Xác định trọng số hàm chu kỳ chuyển mạch
Trong phương pháp này, giải thuật di truyền (GA) được đề nghị sử dụng để xác định các trọng số của hàm chu kỳ chuyển mạch Ts.
Hàm chu kỳ chuyển mạch thay đổi
(3.1)
Như vậy, trong mỗi NCKCB, công thức (3.1) cho thấy rằng Ts phụ thuộc vào wt. Với một giá trị THD cho trước, chu kỳ Ts cũng có thể biểu diễn như sau:
(3.2)
Tuy nhiên, do tần số chuyển mạch của IGBT có giới hạn cực đại nên Ts cũng có giới hạn cực tiểu. Ts sẽ không xác định tại wt=0, nên ta cần thêm trọng số w1 để khống chế tần số chuyển mạch cực tiểu như sau:
(3.3)
3.2.2 Xác định từng chu kỳ chuyển mạch
Cả sóng hài dòng điện và tổn hao chuyển mạch của nghịch lưu đều phụ thuộc vào tần số chuyển mạch. Trong kỹ thuật SPWM thông thường với tần số chuyển mạch cố định bằng hằng số, khi tần số chuyển mạch càng cao thì tổn hao chuyển mạch càng nhiều và sóng hài dòng điện càng thấp, và ngược
lại. Do đó, việc lựa chọn tần số chuyển mạch tối ưu để phối hợp hài hòa giữa tổn hao chuyển mạch và sóng hài dòng điện là một vấn đề thật sự khó khăn và có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực chất lượng điện năng. Tần số chuyển mạch cần được chọn sao cho giảm sóng hài để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới, mà không làm tăng tổn hao chuyển mạch là một bài toán thực sự cần thiết hiện nay.
Hình 3. 1. Dòng điện ngõ ra và dòng điện cơ bản
Giả sử tổn hao chuyển mạch tỉ lệ tuyến tính với tần số chuyển mạch và dòng điện tức thời được chuyển mạch. Trong trường hợp tần số chuyển mạch cố định bằng hằng số thì tổn hao chuyển mạch được tính như sau:
∆PSW = C1.│i(wt)│
Với C1 là hằng số phụ thuộc vào điện áp Vdc, i(Wt) là giá trị dòng điện tức thời chảy qua các linh kiện công suất, và Ts là chu kỳ chuyển mạch. Tổn hao chuyển mạch trung bình trong mỗi NCKCB được xác định như sau:
∆PSW = d(wt)
Việc dùng GA cho phép can thiệp sâu vào từng chu kỳ chuyển mạch trong NCKCB, làm cho giải thuật đề nghị có thể thực hiện khử hài lựa chọn SHE (Selective Harmonic Elimination) một cách hiệu quả bằng cách đưa vào hàm ràng buộc hay hàm mục tiêu trong GA. Các tổ hợp cá thể nào làm cho hài riêng lẻ vượt quá ngưỡng qui định thì sẽ bị buộc loại khỏi GA bằng các hệ số phạt. Đối với tần số chuyển mạch cố định 5 kHz chỉ có 50 xung tam giác trong mỗi NCKCB với độ rộng bằng nhau và bằng 200 µs. Trong khi trong phương pháp đề nghị, mỗi chu kỳ của xung tam giác sẽ có độ rộng khác nhau. Số xung tam giác Np được mã hóa như hình 3.1 . Các sóng mang được mã hóa bằng Np biến với độ rộng x(n) và n=1 đến Np. Số Np có thể khác 50 nhưng ràng buộc tổn hao chuyển mạch trung bình phải nhỏ hơn hoặc bằng với tổn hao chuyển mạch của phương pháp tần số chuyển mạch cố định.
Tổng x(n) phải bằng với độ rộng của NCKCB (0,01s) như sau:
(3.4)
(3.5) Trong đó: fmax là tần số chuyển mạch cực đại cho phép của IGBT và xmin là độ rộng cực tiểu của x(n). Để đảm bảo sự hội tụ cho GA và giảm số lần lặp, điều quan trọng là phải tạo ra môi trường sống cho các cá thể sống sót qua các thế hệ lai ghép và đột biến. Do đó, việc tạo ra các cá thể ban đầu và các biên giới hạn của x(n) sẽ mang tính quyết định để đảm bảo sự hội tụ đến lời giải tốt nhất và có được những cá thể tốt nhất.
Để đảm bảo THD (%) là hằng số tại mỗi thời điểm của I1, thì độ nhấp nhô dòng điện phải bằng hằng số tương đối với dòng điện cơ bản tức thời như sau:
(3.6)
(3.7)
( 3.8)
Hình 3. 2. Tần số và chu kỳ chuyển mạch đã chuẩn hóa (m=0,97; θ= 0)
(a)Tần số; (b) Chu kỳ
(3.9)
Với C2 là hằng số phụ thuộc vào m, Vdc, Lf và I1; fsw là tần số chuyển mạch và fmin là tần số chuyển mạch cực tiểu. Tần số chuyển mạch phải thay đổi theo qui luật của (3.9) nhưng cũng phải thỏa mãn ràng buộc trong (3.4) và (3.5). Giả sử rằng tần số chuyển mạch được chọn tại lân cận zero của dòng điện là 5,5 kHz để đảm bảo độ nhấp nhô dòng điện thấp. Khi đó, chu kỳ
chuyển mạch ban đầu được xác định với chu kỳ chuyển mạch đầu tiên 181µs Cũng giả sử chọn hằng số C2= 15x103; fmax-initial =8,5 kHz; fmin=2 kHz, θ=0 và m=0,97. Kết quả thu được là Np=60 và chu kỳ chuyển mạch ban đầu là những điểm “o” . Tại các điểm ban đầu này, ta sẽ thu được biên trên với các điểm “+” bằng cách tăng 1 kHz. Một cách tương tự ta cũng thu được biên dưới bằng các điểm “x”. Các giả sử trên thực chất là dùng để xây dựng điều kiện biên của bài toán.
Hình 3. 3. Chu kỳ ban đầu và các biên trong GA.
Không giống như các phương pháp thông thường dựa vào hệ số Eon, Eoff được tra từ bảng dữ liệu của linh kiện để tính tổn hao chuyển mạch, hệ số C1 trong luận văn này được xác định chỉ 1 lần bằng thực nghiệm dựa trên nguyên lý nội suy tuyến tính không cần tra bảng dữ liệu linh kiện, loại bỏ ảnh hưởng sai số của cảm biến nên đáng tin cậy. Việc áp dụng hệ số C1 để tính tổn hao chuyển mạch cho phương pháp tần số chuyển mạch cố định và tần số chuyển mạch thay đổi sẽ loại bỏ ảnh hưởng sai số của C1.
Trong ứng dụng thực tế, với mỗi nhóm thiết bị có thông số động lực (điện cảm bộ lọc Lf, tụ lọc Cf) khác nhau sẽ có các hệ số C1 và C2 khác nhau, các hệ số này được điều chỉnh trong bước cân chỉnh của qui trình tính toán và chế tạo thiết bị.
Hình 3. 5. Kết quả Ts-var sau khi thực hiện GA.
Sự phân bố lại chu kỳ chuyển mạch là không đối xứng. Sự bất đối xứng này là do sự phi tuyến đáng kể của tín hiệu điều chế tại đỉnh hình sin trong khi tần số sóng mang thấp đáng kể
3.3. Mô phỏng
3.3.1 Nghịch lưu nối lưới
Một hệ thống nghịch lưu nối lưới được thực hiện mô phỏng để mở rộng khảo sát của phương pháp đề nghị so với các phương pháp sẵn có. Trong hệ thống này sử dụng bộ lọc ngõ ra loại LCL. Do điện áp DC được giữ ổn định bằng 350V nên hằng số C1 được điều chỉnh tương ứng với sự thay đổi này bằng 2,49433x10-4 (1,069x10-4
*350/150=2,49433x10-4)
Công suất tác dụng đặt P_ref thay đổi theo hàm nấc tại thời điểm 0,2 s từ 3 kW tương ứng với nguồn mạnh (nắng, gió mạnh) xuống 1,5 kW tương ứng với nguồn yếu (nắng, gió yếu theo thời tiết). Khi công suất bơm vào lưới lớn (3 kW) nên dòng điện lớn và sóng hài dòng điện nhỏ hơn giới hạn cho phép, nhưng khi công suất yếu (1,5 kW) thì dòng điện bơm vào lưới nhỏ lại nên
sóng hài dòng điện tăng lên và vượt quá giới hạn cho phép. Khi đó, để giảm sóng hài dòng điện xuống thì có 2 phương án:
1. Bơm công suất kháng Q_ref = 1 kVar để bù và giảm sóng hài dòng điện
2. Tăng tần số chuyển mạch lên để giảm sóng hài dòng điện
Nhưng cả 2 phương án trên đều làm tăng tổn hao chuyển mạch nên làm giảm hiệu suất của nghịch lưu. Công suất kháng Q_ref được cài đặt theo hàm nấc tại 0,3 s từ 0 lên 1 kVar để bù, giảm sóng hài và thêm một mục tiêu nữa là khảo sát khả năng áp dụng của kỹ thuật đề nghị với trường hợp tải L-R hay cosφ nhỏ hơn 1.
3.3.2 Tần số chuyển mạch cố định
Hình 3. 6.Đáp ứng của dòng điện và điện áp ngõ ra của chu kỳ cố định.
(a) Đáp ứng dòng và áp ngõ ra
Hình 3. 7. Tổn hao chuyển mạch và THD của chu kỳ cố định
(a) Tổn hao chuyển mạch tức thời và trung bình (b) THD dòng điện
Với tần số chuyển mạch cố định 5 kHz, kết quả cho thấy rằng trong khoảng thời gian đầu, phải mất đến 0,1s mới đạt được trạng thái xác lập vì sự phụ thuộc vào đáp ứng của vòng khóa pha.
Đồng thời, độ nhấp nhô dòng điện tại zero của dòng điện tăng cao đáng kể trong khi tại zero của điện áp thì rất thấp.
Khi công suất tác dụng bơm vào lưới lớn (3 kW) thì sóng hài dòng điện rất thấp (2,55%) trong khi tổn hao chuyển mạch rất cao (lên đến 15,35 W). Nhưng trong khoảng giữa, khi công suất tác dụng nhỏ (1,5 kW) thì tổn hao chuyển mạch giảm xuống còn 7,68 W nhưng sóng hài dòng điện tăng cao (5,33%) và cao hơn tiêu chuẩn cho phép.
Do đó, để giảm sóng hài dòng điện cần phải bơm bù công suất kháng Q bằng 1 kVar vào lưới trong khoảng thời gian cuối. Lúc này sóng hài dòng điện giảm còn 4,32% nhưng tổn hao chuyển mạch lại tăng lên 9,
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