1. 5 Giới thiệu yêu cầu bài toán
2.4.3. Tăng mômen bậc cao gây rung trên máy điện quay
Dòng điện bậc cao xuất hiện trong stato máy điện quay sẽ sinh ra một từ trường quay tương ứng với nó. Từ trường bậc cao này sinh ra mômen bậc cao quay cùng chiều hoặc ngược chiều với chiều quay của rôto theo chiều quay
của từ trường quay ở sóng cơ bản. Mỗi dòng điện hài bậc cao sẽ sinh ra một mômen bậc cao. Tùy thuộc vào thứ tự của sóng bậc cao mà mômen bậc cao này lại gây ra mômen rung bậc cao.
2.4.4 Tăng tổn thất và giảm tuổi thọ máy biến áp
Sự tồn tại của điện áp bậc cao làm gia tăng tổn hao dòng xoáy và tổn hao từ trễ trong lõi thép và gây hỏng cách điện. Sự gia tăng tổn thất này phụ thuộc vào tỷ lệ của thành phần sóng hài trong điện áp và cấu trúc chế tạo của máy biến áp.
Hiệu ứng chính của dòng điệc bậc cao đối với máy biến áp là gia tăng nhiệt lượng sinh ra do tổn thất phụ. Đồng thời nó có thể gây cộng hưởng giữa điện cảm của máy biến áp với điện dung của hệ thống, gây rung động cơ khí trên cuộn dây và lõi thép. Đối với máy biến áp chỉnh lưu, dòng điện bậc cao sẽ làm xuất hiện các điểm nóng cục bộ rất lớn.
Các máy biến áp có tổ đấu dây tam giác mặc dù hạn chế được sự lan truyền của dòng sóng hài bội ba thứ tự không trên đường dây, nhưng chính những máy biến áp này lại là đối tượng chịu ảnh hưởng phát nhiệt tăng cường bởi những dòng điện bội ba đó. Bởi vậy, những máy biến áp cấp điện cho các phụ tải phát sinh nhiều sóng hài cần phải được điều chỉnh công suất cho phù hợp điều kiện phát nhiệt.
2.4.5 Tăng tổn thất trên tụ bù
Cộng hưởng nối tiếp và song song có thể xảy ra giữa hệ thống tụ bù với phần còn lại của hệ thống. Cộng hưởng này gây nên phát nóng tăng cường trên hệ thống tụ bù. Do đó, khi tính toán tụ bù thì ngoài việc tính toán giá trị hệ số công suất cần đạt còn cần phải tính đến các khả năng gây cộng hưởng trong hệ thống.
2.5 Các phương pháp hạn chế sóng hài
trong nghịch lưu nối lưới [7]–[9] bằng cách điều khiển các chuyển mạch bán dẫn công suất đóng/ngắt để có được dòng điện mong muốn bơm vào lưới. Sóng hài dòng điện của nghịch lưu gây ra có phổ chủ yếu bởi tần số chuyển mạch và bội số của tần số này (sidebands). Việc tăng điện cảm bộ lọc ngõ ra của nghịch lưu nối lưới cũng có thể làm giảm sóng hài dòng điện. Nhưng điều này làm tăng kích thước bộ lọc và chi phí của bộ nghịch lưu. Hơn nữa, không thể tăng điện cảm bộ lọc quá lớn vì bị giới hạn bởi các tiêu chuẩn về ổn định động và tiêu chuẩn về cô lập và tái kết nối lưới khi có sự cố xảy ra trên hệ thống điện. Tăng tần số chuyển mạch cũng là một trong những phương pháp thường dùng trong SPWM để giảm sóng hài dòng điện. Nhưng điều này làm tăng tổn hao chuyển mạch, bởi vì tổn hao chuyển mạch tỉ lệ thuận với tần số chuyển mạch, nên dẫn đến làm giảm hiệu suất của thiết bị. Ngoài ra, việc tăng nhiệt sẽ làm giảm tuổi thọ của linh kiện công suất, khi đó cũng đòi hỏi tản nhiệt làm mát nhiều hơn.
Sau đây là các kỹ thuật điều chế tiêu biểu sử dụng tần số chuyển mạch thay đổi được công bố gần đây:
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.
2.5.1 Kỹ thuật dựa vào yêu cầu về độ méo toàn phần
Bảng 2.3: So sánh TDD và hiệu suất của các kỹ thuật điều khiển khác nhau của [5] Variable Frequency Modified SVPWM SPWM Frequency range (kHz) 2.86-3.42 10 15 Max . Efficiency(%) 98.17 96.01 94.35 Euro. Efficiency(%) 95.21 93.59 91.30 TDD(%) <4.3 <1.8 <4.5
Công bố này cho rằng khi công suất năng lượng ngõ vào suy giảm làm cho sóng hài dòng điện tăng lên và có khả năng vượt quá giới hạn cho phép. Khi đó, kỹ thuật này đề nghị tăng tần số chuyển mạch để giảm sóng hài dòng điện sao cho nằm trong giới hạn cho phép, nhưng điều này cũng làm tăng tổn hao chuyển mạch. Do đó, tần số chuyển mạch cần phải xác định để sao cho tổn hao chuyển mạch là ít nhất mà sóng hài dòng điện vẫn vừa thấp hơn 5% của tiêu chuẩn (và ngược lại). Tần số chuyển mạch đó gọi là tần số chuyển mạch tối ưu được dựa vào mô hình tính TDD.
Thêm vào đó, tần số chuyển mạch trong mỗi chu kỳ cơ bản vẫn là cố định. Nó chỉ thay đổi theo mức tải nhằm giảm tổn hao chuyển mạch để nâng cao hiệu suất với mức sóng hài dòng điện cao lân cận dưới giới hạn tiêu chuẩn5%.
Kỹ thuật này cũng đòi hỏi mô hình chính xác các thông số liên quan của nghịch lưu để ước lượng tần số chuyển mạch tối ưu khi dòng tải thay đổi nên phức tạp và không bền vững.
Để tính tổn hao chuyển mạch cần phải biết chính xác thông số đặc tính linh kiện IGBT như các hệ số năng lượng đóng ngắt…điều này gây khó khăn cho tính toán tổn hao chuyển mạch nên khó có thể đánh giá kết quả thu được
là tối ưu.
Vẫn còn hài riêng lẻ cao đáng kể tại dải biên (sideband) vì không thể thực hiện khử hài lựa chọn SHE (Selective Harmonic Elimination) và trải phổ..
2.5.2 Kỹ thuật thay đổi sóng mang và sóng điều chế
Phương pháp dựa vào độ dốc của song điều chế so với song mang nên gặp khó khăn khi thực hiện tần số chuyển mạch cao, do độ dốc không còn nữa.
Không thực hiện tính toán tổn hao chuyển mạch nên không thể đánh giá hiệu quả.
Chưa nghiên cứu cho nghịch lưu nối lưới
2.5.3 Phương pháp trải phổ nhiễu âm
Phương pháp này cũng chưa khảo sát định lượng tổn hao chuyển mạch và xem xét cho nghịch lưu nối lưới.
Phương pháp điều chế vector không gian bão hòa được sử dụng để cải thiện sóng hài và tổn hao chuyển mạch. Phương pháp này sẽ hoạt động giống như SVPWM thông thường khi sai số dòng điện nhỏ hơn một giá trị ngưỡng đặt trước. Nếu sai số dòng điện đo được vượt quá ngưỡng đặt trước thì sẽ được chuyển sang chế độ điều khiển bão hòa để giảm nhanh độ nhấp nhô dòng điện. Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào cảm biến dòng điện và sai số dòng điện làm cho nó dễ mất ổn định nên không bền vững.
2.5.4 Phương pháp độ nhấp nhô hằng số
Phương pháp độ nhấp nhô hằng số CR đã được đề cập còn được gọi là phương pháp điều khiển dòng bão hòa (hysteresis current control)
Hình 2.4 Dạng sóng dòng điện và điện áp
Tuy nhiên, phương pháp này trở nên phức tạp khi tải thay đổi bởi vì độ rộng xung điều chế phụ thuộc vào tham số tải, điện áp DC và độ dốc của dòng điện. Mặt khác, tổn hao chuyển mạch chưa được xem xét một cách định lượng.
2.5.5 Kỹ thuật thay đổi tần số chuyển mạch tối ưu
Kỹ thuật đề nghị trong [9] dùng phương pháp nhân tử Lagrange để cực tiểu tổn hao chuyển mạch với tần số chuyển mạch thay đổi, không phải cực
tiểu song hài. Phương pháp này đòi hỏi mô hình toán chính xác cao của độ
nhấp nhô dòng điện với nhiều tham số liên quan của nghịch lưu làm cho việc tính toán phức tạp. Do đó, đòi hỏi phần cứng mạnh mẽ và đắt tiền. Tần số chuyển mạch tại lân cận zero của dòng điện thấp đáng kể nên làm cho độ nhấp nhô dòng điện tăng cao. Điều này gây bất lợi cho các thiết bị dò điểm zero để đồng bộ góc kích, vòng khóa pha…
Để tăng cao tần số chuyển mạch tại lân cận zero cần phải nâng cao dãy tần số chuyển mạch. Do đó, dãy tần số chuyển mạch thay đổi hiệu quả của nghịch lưu rất cao, từ 16 kHz đến 90 kHz. Dãy tần số này thật sự không phù hợp với các linh kiện bán dẫn công suất trong nghịch lưu nối lưới thực tế.
Thêm vào đó, kỹ thuật này không thể thực hiện khử hài lựa chọn cũng như chưa nghiên cứu thực hiện cho nghịch lưu nối lưới.
Ngoài ra, tổn hao chuyển mạch trong thực tế chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ so với tổng tổn hao. Do đó, trong nghịch lưu nối lưới, mục tiêu giảm song hài sẽ có ý nghĩa nhiều hơn so với mục tiêu giảm tổn hao chuyển mạch.
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