Công bố này cho rằng khi công suất năng lượng ngõ vào suy giảm làm cho sóng hài dịng 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 dịng 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 dịng 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 mơ 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 dịng điện cao lân cận dưới giới hạn tiêu chuẩn 5%.
Kỹ thuật này cũng địi hỏi mơ 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 thơng số đặc tính linh kiện IGBT như các hệ số năng lượng đóng ngắt… điều này gây khó khăn cho tính tốn 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 khơng thể thực hiện khử hài lựa chọn SHE (Selective Harmonic Elimination) và trải phổ.
Bảng 1.1 so sánh kết quả không thể hiện sự tương đồng của các phương pháp.
( ) ( ) ( )
1,15sin m 0, 27 sin 3 m 0, 029 sin 9 m
y= ω t + ω t − ω t (1.15)
Trong đó: ωm là tần số góc cơ bản.
Tần số sóng tam giác được điều chỉnh theo qui luật như sau: ( ) ( ) ( )( ) ± = − = = = − = 1 sin 0 sin sin 2 t if k t if t k m f c i m c i m f c i ω ω ω ω ω ω ω ω ω (1.16) 2 2 c kf M − = ω (1.17) Trong đó: ωi là tần số góc của xung tức thời thứ i, ωc là tần số góc cố định cao nhất của sóng mang. M là hệ số xung tam giác, kf là hằng số điều chế, ωc là bậc của tần số trung tâm, kf là bậc của hằng số điều chế.
Hình 1.8: Kỹ thuật điều chế trong [26]
Hình 1.9: Phổ hài
Bảng 1.2: So sánh sóng hài các phương pháp trong [26](ωc=24,75;kf =19,5;M =15)
Kỹ thuật được công bố trong [26] sử dụng phương pháp bơm các sóng hài cần khử có biên độ thích hợp vào tín hiệu điều chế. Tần số sóng mang trong mỗi chu kỳ cơ bản được điều chỉnh theo độ dốc của sóng điều chế. Tuy nhiên:
Phương pháp dựa vào độ dốc của sóng điều chế so với sóng mang nên gặp khó khăn khi thực hiện tần số chuyển mạch cao [27], [28] do độ dốc khơng cịn nữa.
Khơng thực hiện tính tốn tổn hao chuyển mạch nên khơng thể đánh giá hiệu quả.
Chưa nghiên cứu cho nghịch lưu nối lưới
1.4.2.2.3 Phương pháp trải phổ nhiễu âm
Các phương pháp điều chế với tần số chuyển mạch thay đổi VSFPWM (Variable Switching Frequency Pulse Width Modulation) đã đề cập ở trên thường chưa có xem xét một cách định lượng và quan tâm về sóng hài cũng như tổn hao chuyển mạch khi
Để giữ cho giá trị hiệu dụng của độ nhấp nhơ dịng điện là hằng số và để giảm nhiễu điện từ, phương pháp VSFPWM trong [29] đề nghị thay đổi tần số chuyển mạch trong mỗi góc phần sáu (sector) của SVPWM (Space Vector Pulse Width Mod- ulation) theo qui luật như hình 1.11 dựa vào dự báo độ nhấp nhơ ở hình 1.10.
Dựa vào hình 1.10, độ nhấp nhơ dịng điện hiệu dụng được xác định như sau:
2 2 2 2 2 0 1 2 3 3 3 rms s s s t x t x xy y t x xy y I T T T ∆ = + + + + − + (1.18) Trong đó: 0 1 0 1 1 2 4 4 2 t x k t t y k k = = + (1.19)
Chu kỳ chuyển mạch mong muốn được cập nhật dựa vào độ nhấp nhơ dịng điện dự báo như sau:
ripple predicted s sN ripple require I T T I − − = (1.20)
Hình 1.11: Phân bố tần số chuyển mạch trong [29]
Hình 1.12: So sánh hài bậc thấp
Khi phân bố lại tần số chuyển mạch như hình 1.11 sẽ thu được kết quả giảm sóng hài ở hình 1.12 và nhiễu điện từ ở hình 1.13. Mặc dù nhiễu điện từ giảm được 10 dB so với phương pháp tần số chuyển mạch cố định, nhưng không thể đánh giá hiệu quả của phương pháp này vì tổn hao chuyển mạch chưa được xem xét một cách định lượng.
Một kỹ thuật tương tự để trải phổ nhiễu âm SANS (Spread of Acoustic Noise Spectrum) được đề nghị trong [30] nhằm làm giảm biên độ các hài riêng lẻ. Trong kỹ thuật SANS này, tần số điều chế thay đổi VFPWM (Variable Frequency Pulse Width Modulation) với chu kỳ chuyển mạch được xác định như (1.21) và được thể hiện trên hình 1.14. 12 1 1 ; 0 6 ( ) 12 1 3 ; 6 3 c s c T k T T k π α α π α α π α π π + − ≤ ≤ = − − ≤ ≤ (1.21)
Trong đó: Tc là chu kỳ chuyển mạch cố định của CSVPWM (Conventional Space Vector Pulse Width Modulation).
Hệ số k được đề nghị ln cố định bằng 0,5 trong [30], khi đó, tần số chuyển mạch trong mỗi sector sẽ thay đổi từ 2/3 đến 2 lần tần số cố định. Kết quả ở hình 1.15 cho thấy THD dòng điện giảm 12% so với phương pháp CSVPWM (tại 50 Hz).
Tuy nhiên, 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 khơng gian bão hịa trong [32] được sử dụng để cải thiện sóng hài và tổn hao chuyển mạch. Phương pháp này sẽ hoạt động giống như SVPWM thơng thường khi sai số dịng 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 (hysteresis control) để giảm nhanh độ nhấp nhơ dịng điện.
Hình 1.14: Sự thay đổi của chu kỳ chuyển mạch trong mỗi sector
Hình 1.15: THD dịng điện trong [30]
1.4.2.2.4 Phương pháp độ nhấp nhô hằng số
Phương pháp độ nhấp nhô hằng số CR (constant ripple) đã được đề cập trong [33], [34] còn được gọi là phương pháp điều khiển dịng bão hịa (hysteresis current control) có dạng sóng như hình 1.16. Hình 1.16: Dạng sóng dịng điện và điện áp 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 x 10-4 Alpha (degree) T s ( s ec ond) SANS (fc = 6 kHz; k=0.5) vfpwm csvpwm
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.
1.4.2.2.5 Kỹ thuật thay đổi tần số chuyển mạch tối ưu
Kỹ thuật đề nghị trong [35] dùng phương pháp nhân tử Lagrange để cực tiểu tổn hao chuyển mạch với tần số chuyển mạch thay đổi, khơng phải cực tiểu sóng hài. Phương pháp này địi hỏi mơ hình tốn chính xác cao của độ nhấp nhơ dịng điện với nhiều tham số liên quan của nghịch lưu làm cho việc tính tốn phức tạp. Do đó, địi 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 nhơ dịng điện tăng cao. Điều này gây bất lợi cho các thiết bị dò điểm zero để đồng bộ góc kích, vịng 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 khơng 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 sóng hài sẽ có ý nghĩa nhiều hơn so với mục tiêu giảm tổn hao chuyển mạch.
1.4.2.2.6 Nghịch lưu đa bậc
Các nghịch lưu đa bậc [27], [28] cũng đã được sử dụng để giảm sóng hài dịng 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 cơng suất lớn. Mặt khác, dịng
Bởi vì trong nghịch lưu, tổn hao dẫn chiếm đáng kể nhất trong tổng tổn hao [36]. Trong khi đó, tổn hao dẫn lại tỉ lệ thuận với bình phương dịng 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 dịng điện và tổn hao chuyển mạch là một việc tương đối khó khăn.
Vì các mơ tả tốn học của sóng hài dịng 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 [37] thay vì phải giải các phương trình siêu việt phi tuyến. Các phương pháp đó là: tối ưu bầy đàn [38], [39], tối ưu đàn kiến [40], tối ưu đàn ong nhân tạo [41], và giải thuật di truyền [42]... Tuy nhiên, các phương pháp này chưa xem xét đến tổn hao chuyển mạch, đặc biệt là trong nghịch lưu nối lưới.
1.4.2.2.7 Đề xuất kỹ thuật điều chế
15T
Mặc dù có rất nhiều phương pháp điều chế để giảm sóng hài cho nghịch lưu bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch, nhưng hiệu quả vẫn chưa cao. Tổn hao chuyển mạch chưa được xem xét một cách định lượng trong khi tần số chuyển mạch ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao chuyển mạch của nghịch lưu.
15T
Trên cơ sở phân tích mối quan hệ giữa sóng hài dịng điện và tổn hao chuyển mạch với tần số chuyển mạch một cách định lượng, trong luận án này, tác giả đề xuất phương pháp điều chế sử dụng tần số chuyển mạch thay đổi dùng giải thuật di truyền với hàm mục tiêu là sóng hài. Ràng buộc tổn hao chuyển mạch được xem xét một cách định lượng. Tính hiệu quả của phương pháp đề xuất được thể hiện thơng qua các kết quả mơ phỏng và thí nghiệm so với phương pháp tần số chuyển mạch cố định và
15T
Thêm vào đó, phương pháp đề xuất cịn cho phép thực hiện trải phổ sóng hài trong một phạm vi rộng. Điều này giúp cho biên độ của các sóng hài riêng lẻ giảm thấp đáng kể nên không cần bộ lọc phụ và rất phù hợp cho các thiết bị ứng dụng trong thông tin và quân sự.
15T
Cách tiếp cận và chi tiết của phương pháp điều chế đề xuất được trình bày ở chương 2 của luận án này. Kết quả mơ phỏng và thí nghiệm trên kit DSP-F28335 của các phương pháp điều chế đề xuất đã được công bố ở các bài báo số I-V.
1.4.2.3 Độ chính xác của tham số hòa đồng bộ
Biểu thức (1.5) cho thấy độ nhấp nhơ dịng điện của nghịch lưu nối lưới còn phụ thuộc vào biên độ, tần số và góc pha mà vịng khóa pha PLL (Phase-Locked Loop) ở hình 1.3 ước lượng được. Một bộ PLL được đánh giá có chất lượng khi xác định một cách nhanh chóng và chính xác các tham số của điện áp lưới ở tần số cơ bản.
Do đó, việc nghiên cứu hịa đồng bộ để các DG làm việc bền vững trong các điều kiện khắc nghiệt của lưới điện như có sự cố sụt áp, mất cân bằng pha, có sóng hài cao, dao động tần số… sẽ góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện.
Bảng 1.3: Các hiện tượng nhiễu của điện áp lưới thông thường
(Thomsen, CIGRE WG14-31, 1999)
Disturbance Origin Consequences
Voltage sag, Under-voltage 2.2
Short circuits in the network grid passing or on another radial
Start-up of large motors
Disconnection of sensi- tive loads Fail function Voltage swell Overvoltage 2.3
Earth fault on another phase Shut down of large loads Lightning strike on network structure
Incorrect setting in substa- tion
Ageing of insolation Disconnection of equip- ment
May harm equipment with inadequate design margins Harmonic distortion 5.2-5.3 Nonlinear loads Resonance-phenomena Transformer saturation Extended heating Fail function of elec- tronic equipment
Transients 1.1-1.2 Lightning strike Switching event Insulation failure Reduced lifetime of transformers, motors, ect. Voltage- fluctua- tions/ flicker 6.0 Arc furnaces
Sawmill, crushing mill Welding, wind turbines Start-up of large motors
Ageing of insulation Fail function Flicker Short duration inter-
ruptions 2.1
Direct short circuit Disconnection False tripping Load shedding Disconnection Disconnection Unbalanced 4.0
One phase loads
Weak connections in the network
Voltage quality for over- loaded phase
Overload and noise from 3-phase equipment
Việc xác định nhanh và chính xác các tham số: biên độ, tần số và góc pha của điện áp lưới là một trong những yếu tố quan trọng hàng đầu để đảm bảo các nghịch lưu nối lưới vận hành ổn định. Các tham số này khơng những phục vụ cho q trình hịa đồng bộ của nghịch lưu với lưới điện mà cịn góp phần nâng cao khả năng trải qua sự cố FRT (Fault-Ride Through) theo các tiêu chuẩn nối lưới mới [7], [8] để nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện. Trong điều kiện vận hành bình thường thì việc xác định các tham số điện áp lưới ở tần số cơ bản từ một dạng sóng sin khơng có nhiễu hài là tương đối dễ dàng [43]. Tuy nhiên, các tham số của điện áp lưới ngõ vào thực tế của các nghịch lưu nối lưới như bảng 1.3 thường thay đổi như là dao động điện áp, dao động tần số, mất cân bằng, sóng hài cao, điện áp lệch DC sinh ra do quá trình đo lường hay biến đổi kiểu dữ liệu. Do đó, việc xác định nhanh và chính xác các tham số của điện áp lưới trong điều kiện khắc nghiệt của thực tế để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt là rất khó khăn [1], [43]–[48].
Ngồi ra, đối với tiêu chuẩn IEEE-1547 trước năm 2008 yêu cầu cắt nghịch lưu khi tần số lưới ngồi phạm vi cho phép trong vịng 0,16 s, trong khi tiêu chuẩn IEEE- 1547 từ 2012 đến nay lại yêu cầu cắt tức thời. Điều này đòi hỏi PLL phải ước lượng nhanh, bởi vì thời gian cắt bao gồm thời gian ước lượng tham số lưới để ra quyết định cắt và thời gian tác động của thiết bị chấp hành. Thêm vào đó, độ vọt lố yêu cầu phải
rất thấp. Bởi vì, nếu độ vọt lố cao làm cho tần số rơi vào phạm vi phải cắt tức thời, lúc đó DG bị cơ lập ngay lập tức và khơng có khả năng hỗ trợ ổn định hệ thống.
Các nhóm phương pháp thường dùng để xác định các tham số của điện áp lưới bao gồm dò trong miền tần số và dị trong miền thời gian. Nhóm phương pháp dị trong miền tần số thường dựa vào biến đổi Fourier rời rạc hoặc lọc thích nghi kết hợp với Fourier rời rạc hồi qui (tuy nhiên, trong luận án này khơng trình bày các phương pháp này vì ít được sử dụng do độ chính xác và đáp ứng động thấp). Nhóm phương pháp dò trong miền thời gian thường dựa vào vịng khóa pha. PLL đã được sử dụng nhiều trong quân sự, viễn thông, không gian cũng như các hệ thống điện tử dân dụng. Tuy nhiên, trong nghịch lưu nối lưới, PLL có vai trị hịa đồng bộ và có những yêu