Giải pháp nâng cao chất lượng bộ điều khiển vòng kín sử dụng trong biến tần nối lưới của hệ thống điện mặt trời p2

30 CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BIẾN TẦN NỐI LƯỚI 2 1 Vai trò của hệ thống điều khiển biến tần nối lưới Biến tần nối lưới dùng trong năng lượng tái tạo là bộ biến đổi nguồn điện chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) với khả năng đồng bộ hóa để phù hợp với đường dây cung cấp 11 16 Nguồn điện DC được tạo ra từ năng lượng tái tạo thông qua việc sử dụng bộ chuyển đổi DC DC (hoặc AC DC) để tăng điện áp phù hợp theo chế độ làm việc Cấu hình chung của biến tần.

30

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BIẾN TẦN NỐI LƯỚI

2.1 Vai trò của hệ thống điều khiển biến tần nối lưới

Biến tần nối lưới dùng trong năng lượng tái tạo là bộ biến đổi nguồn điện chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) với khả năng đồng bộ hóa để phù hợp với đường dây cung cấp [11-16] Nguồn điện DC được tạo ra từ năng lượng tái tạo thông qua việc sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC (hoặc AC-DC) để tăng điện áp phù hợp theo chế độ làm việc Cấu hình chung của biến tần nối lưới trong hệ thống phân phối được thể hiển trong Hình 2.1

ngõ ra

Biến tần nối lưới

DC-link

Lưới điện

C

Nguồn năng

lượng tái tạo

Nguồn DC

Hình 2.1 Cấu hình chung của biến tần nối lưới dùng trong năng lượng tái tạo trong

hệ thống phân phối điện Thông thường, biến tần nối lưới sử dụng nguồn điện một chiều và biến đổi thành nguồn điện xoay chiều để hòa vào lưới điện Biến tần nối lưới phải đồng bộ tần số của nó với tần số của lưới (ví dụ: 50 hoặc 60 Hz) bằng cách sử dụng bộ tạo dao động cục bộ và giới hạn điện áp không cao hơn điện áp lưới Một biến tần nối lưới hiện đại chất lượng cao có hệ số công suất cố định, có nghĩa là điện áp và dòng điện đầu ra của nó được sắp xếp hoàn chỉnh và góc pha của nó nằm trong khoảng 1 độ của lưới điện AC Biến tần có một máy tính tích hợp để nhận dạng dạng sóng của lưới điện

AC và cấp điện áp tương ứng với lưới điện Tuy nhiên, việc cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện có thể cần thiết để giữ điện áp trong lưới điện cục bộ ở trong giới hạn cho phép

31

Biến tần nối lưới cũng được thiết kế để nhanh chóng ngắt kết nối khỏi lưới điện nếu lưới điện bị sự cố Đây là một yêu cầu để đảm bảo rằng trong trường hợp mất điện, biến tần nối lưới sẽ dừng hoạt động để tránh xung ngược lưới điện có thể gây hại cho những người đang sửa chữa lưới điện

Biến tần có thể sử dụng máy biến áp tần số cao, máy biến áp tần số thấp thông thường hoặc không sử dụng máy biến áp Hầu hết các biến tần nối lưới trên thị trường đều có một bộ dò tìm điểm làm việc công suất cực đại (MPPT) ở phía đầu vào, cho phép biến tần thu được lượng điện năng lớn nhất từ nguồn điện dự kiến sử dụng Do thuật toán MPPT khác nhau so với các thuật toán sử dụng trong các tấm pin năng lượng mặt trời và tuabin gió, điều này đặc biệt khiến cho các bộ biến tần trong mỗi nguồn điện kể trên đều sẵn có

Biến tần nối lưới được vận hành thông qua hệ thống điều khiển (nơi được ví như trung tâm đầu não của biến tần), qua đó để điều khiển công suất bơm vào lưới điện Trong điều khiển biến tần nối lưới, điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng là hai điều khiển chính

2.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển biến tần

Hình 2.2 mô tả sơ đồ của biến tần nối lưới dùng trong năng lượng tái tạo Có nhiều chiến lược điều khiển khác nhau đã được đề xuất áp dụng cho bộ điều khiển của biến biến tần nối lưới dùng trong năng lượng tái tạo Trong tất cả các chiến lược đó, dù trực tiếp hoặc gián tiếp, hai vấn đề chính là điều khiển điện áp liên kết DC (nếu không

có bộ chuyển đổi DC/DC phụ trách) và điều khiển công suất AC Công suất AC có thể được điều khiển bằng cách cấp điện cho lưới điện chính hoặc cho từng tải riêng

lẻ hoặc cho một hệ thống lưới điện siêu nhỏ Nói chung, biến tần nối lưới được mô phỏng bằng một bộ xử lý công suất không tổn hao bao gồm một tụ điện DC-bus tương đương, một nguồn dòng đại diện cho tổn hao công suất chuyển mạch VSI, và các điện trở mắc nối tiếp ở phía cực AC đại diện cho tổn hao công suất truyền dẫn VSI [17]

32

Khối chuyển đổi

Máy tạo xung PWM VSI

Bộ chuyển

đổi DC/DC (AC/DC)

Bộ điều khiển biến tần nối lưới dựa trên năng lượng tái tạo

Bộ lọc ngõ ra

MPPT

Biến tần nối lưới

+

P ref

Q ref

P s

Q s

Khối chuyển đổi

Hình 2.2 Sơ đồ của biến tần nối lưới dùng trong năng lượng tái tạo

Hệ thống nối lưới trong Hình 2.2 trao đổi các thành phần công suất Ps và Qs với hệ thống AC tại điểm nối chung (PCC) Tùy vào chiến lược điều khiển, hệ thống biến tần nối lưới dùng trong năng lượng tái tạo trong Hình 2.2 được sử dụng với vai trò là một bộ điều khiển công suất hoặc là một cổng nguồn điện áp DC được điều khiển

2.3 Khối điều khiển công suất cực đại MPPT

Điều khiển điểm làm việc công suất cực đại (MPPT control)

Để thu được lượng năng lượng tối đa từ các nguồn năng lượng tái tạo, các REDGs phải được vận hành tại những điểm vận hành, mà bằng cách nào đó có thể tạo ra điện năng tối đa có thể Các thiết bị này được gọi là bộ theo dõi điểm làm việc công suất cực đại (MPPT) Những điểm này được gọi là điểm hoạt động tối ưu Hình 2.3 minh họa các điểm vận hành tối ưu đối với hệ thống PV

Trong một hệ thống PV, các điểm vận hành tối ưu được xác định dựa trên các đặc

tính dòng điện - điện áp (V-I) như mô tả trong Hình 2.3 (b) Những đặc điểm này có

thể được thay đổi tùy theo các điều kiện bức xạ mặt trời hàng ngày Để tăng điện áp

từ nguồn DC một bộ điều chỉnh tăng điện áp (boost converter) thường được sử dụng trong mạch, trong khi bộ điều chỉnh giảm điện áp (buck converter) thường được sử dụng để giảm điện áp [18]

33

Hình 2.3 Đặc tính làm việc của hệ thống PV: (a) Đường cong P-V; (b) Đường cong

V-I

Sự kết hợp của các mạch này có thể tăng hoặc giảm điện áp DC từ nguồn vào đến bất

cứ điện áp DC nào mà đầu ra cần Bộ điều chỉnh này được gọi là bộ điều chỉnh giảm điện áp và cấu hình của nó thể hiện trong Hình 2.4 Bộ điều chỉnh giảm điện áp

được sử dụng như là thiết bị chính của bộ theo dõi điểm làm việc công suất cực đại trong hệ thống PV và cũng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện năng Bên trong bộ điều chỉnh giảm điện áp này, mối quan hệ giữa điện áp DC đầu vào và đầu

ra phụ thuộc vào chu trình hoạt động của bộ chuyển mạch Do đó, điểm vận hành có thể được thay đổi theo chu trình hoạt động của bộ chuyển mạch

Để góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả của MPPT được sử dụng trong hệ thống

PV, có nhiều khái niệm và chiến lược điều khiển đã được đề xuất trong [19-26]

Điều khiển khóa chuyển mạch

Khóa chuyển mạch

L

+

-+

Hình 2.4 Cấu trúc của bộ điều chỉnh giảm điện áp

34

2.4 Khối vòng khóa pha PLL

Một trong những mô-đun quan trọng nhất trong biến tần nối lưới là vòng khóa pha hoặc mạch vòng khóa pha (PLL) Nó là một mô-đun tạo ra một tín hiệu đầu ra có pha liên quan đến pha của tín hiệu đầu vào [27]

Bộ chuyển đổi nguồn nối lưới hoàn toàn phù hợp với lý thuyết của PLL khi nó phải hoạt động hài hòa với lưới điện Nó phải khóa pha bộ dao động nội tại trên một vài tín hiệu đặc trưng của điện lưới để tạo ra biên độ và tín hiệu pha nội bộ được sử dụng bởi các khối khác nhau của hệ thống điều khiển Bộ chuyển đổi nguồn nối lưới đầu tiên được dựa trên bộ chỉnh lưu silic có điều khiển Những bộ chuyển đổi nguồn này

có mức độ điều khiển thấp và được đồng bộ hóa với lưới điện bằng cách phát hiện điểm 0 của điện áp lưới Phương pháp phát hiện điểm 0 sử dụng các bộ so sánh để phát hiện sự thay đổi cực của điện áp lưới Kỹ thuật phát hiện này có một số nhược điểm, chẳng hạn như sự không chính xác và phát hiện nhiều điểm 0 trong trường hợp điện áp lưới bị biến dạng Những nhược điểm này thậm chí còn nghiêm trọng hơn trong trường hợp lưới điện yếu - lưới điện có trở kháng cao - do điện áp lưới điện này

dễ bị biến dạng đáng kể bởi sóng hài, khấc chuyển mạch và nhiễu

Hiện nay, các bộ chuyển đổi nguồn nối lưới dựa trên các thiết bị bán dẫn hiện đại hoạt động ở chế độ chuyển mạch - ngay cả ở cấp độ của bộ chuyển đổi cực lớn, cho phép có được mức độ điều khiển cao Dựa trên các PLL nhanh và chính xác, hệ thống điều khiển đồng bộ tiên tiến được sử dụng cho những bộ chuyển đổi này Nếu một bộ điều khiển đồng bộ quay ở tần số lưới cơ bản được quan sát từ một điểm tham chiếu đứng yên, không kỳ vọng một sự chênh lệch tương đối giữa tần số của các biến nội bộ của bộ điều khiển và các biến số lưới điện cơ bản - ảnh hưởng của sóng hài bị bỏ qua ở đây Do đó, các biến số lưới AC xem như các biến số lưới DC của bộ điều khiển đồng bộ được điều chỉnh chính xác Kết quả là, có thể sử dụng bộ điều khiển DC phổ biến để điều chỉnh cường độ AC dao động ở tần số lưới cơ bản, điều này làm cho quá trình điều chỉnh trở nên dễ dàng hơn Hơn nữa, độ trễ do các yếu tố tạo ra với vai trò

là bộ điều biến của bộ chuyển đổi điện và cảm biến có thể bù bằng cách tăng góc pha được PLL phát hiện Ngoài ra, PLL cung cấp thông tin liên tục về góc pha và biên độ

35

của cường độ, nói chung là điện áp lưới cơ bản, điều này cho phép các bộ điều khiển dựa trên vector không gian và bộ điều biến hoạt động ngay cả khi có tín hiệu một pha Cấu trúc cơ bản của vòng khóa pha:

Cấu trúc cơ bản của vòng khóa pha (PLL) được mô tả trong Hình 2.5 Nó bao gồm

ba khối cơ bản: bộ dò pha, bộ lọc vòng lặp và bộ dao động điều khiển bằng điện áp

Bộ dao động điều khiển bằng điện áp

Bộ lọc vòng lặp

Bộ dò pha

v

k vco

k pd

1

s

+

-V'(s)

V lf (s)

E pd (s)

(1 )

p i

k s

(b) (a)

Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của PLL (a) Cấu trúc chung (b) Mô hình tín hiệu nhỏ Trong Hình 2.5, khối dò pha (PD) tạo một tín hiệu đầu ra tỷ lệ với độ lệch pha giữa

tín hiệu đầu vào (v) và tín hiệu được tạo bởi bộ dao động nội tại của PLL (v ’) Tùy vào loại PD, các thành phần AC tần số cao xuất hiện cùng với tín hiệu góc lệch pha

DC Khối bộ lọc vòng lặp (LF) có đặc tính lọc thông thấp để làm giảm các thành phần

AC tần số cao từ đầu ra PD Thông thường, khối này được cấu thành từ bộ lọc thông thấp bậc một hoặc bộ điều khiển PI Khối dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) tạo ra một tín hiệu AC ở đầu ra của nó có tần số được dịch chuyển theo tần số trung

tâm cho trước (ωc), như là một chức năng của điện áp đầu vào do bộ LF tạo ra

2.5 Khối chuyển đổi DC/DC

Trong hệ thống điện mặt trời nối lưới, bộ DC/DC có nhiệm vụ thực thi thuật toán bám công suất cực đại thông qua thuật toán MPPT (Maximum power point tracking) Bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống nguồn Pin mặt trời được lựa chọn là bộ Boost

36

Converter (hay còn gọi bộ tăng áp một chiều) có cấu trúc như hình 2.6, bộ điều khiển

cho hệ Boost Converter lấy tín hiệu vào là điện áp đo được từ dàn Pin mặt trời U PV,

đầu ra của bộ điều khiển là U DC để đưa tới đầu vào cho bộ nghịch lưu Inverter DC/AC, quá trình chuyển đổi điện áp này có sự can thiệp của thuật toán MPPT

U PV

R C

u DC

i C

D

S

V G

Hình 2.6 Bộ biến đổi nguồn DC-DC tăng áp (Boost Converter)

2.6 Khối chuyển đổi DC/AC

Bộ biến đổi DC/AC trong hệ thống điện mặt trời nối lưới phải tạo được điện áp ra dạng sin, đảm bảo khả năng nối lưới của hệ thống (đồng bộ và giám sát lưới), đồng thời bộ biến đổi cũng đảm nhiệm luôn các chức năng trao đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa hệ thống pin mặt trời với lưới Bộ nghịch lưu DC/AC sử dụng trong hệ thống điện mặt trời nối lưới thường là bộ biến đổi nghịch lưu 3 pha nối lưới có cấu trúc mạch lực cho như hình 2.7 có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện một chiều DC thành nguồn điện xoay chiều tần số 50-60Hz Khi bộ biến đổi được sử dụng

để nối lưới, mạch điện dạng rút gọn (sơ đồ một sợi) của bộ biến đổi cho trên hình 2.8

gồm bộ biến đổi, bộ lọc thông thấp R f C f (Filter) để giảm thiểu ảnh hưởng của độ đập

mạch dòng điện tại tần số điều chế ra lưới, cuộn cảm L có cảm kháng L D và điện trở

R D dùng để gánh chênh lệch điện áp giữa lưới và đầu ra bộ biến đổi và làm “trơn” dòng điện, máy biến áp và máy đóng cắt

37

L f

V DC

I DC

C f

Lưới

S 6

S 4

S 2

Hình 2.7 Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha nối lưới

3~

DSP

Lưới

Biến áp

= u DC CL

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý phía lưới

2.7 Khối điều khiển công suất P-Q

Hệ thống biến tần nối lưới có thể được sử dụng như một bộ điều khiển công suất Theo đó, phía DC của VSI được kết nối song song với nguồn điện áp DC và mục tiêu

là để điều khiển nguồn công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời mà hệ

thống VSI trao đổi với hệ thống AC, đó là P s và Q s Có hai phương pháp chính để điều khiển công suất bơm vào lưới điện trong hệ thống biến tần nối lưới là phương pháp điều khiển điện áp và phương pháp điều khiển dòng điện [28-31].Bên cạnh đó, phương pháp điều khiển công suất dựa trên điều khiển từ thông ảo và phương pháp điều khiển công suất trực tiếp cũng được đề xuất cho điều khiển công suất tác dụng

và công suất phản kháng

38

2.7.1 Điều khiển công suất bằng phương pháp điều khiển điện áp

Phương pháp điều khiển điện áp đã được sử dụng nhiều trong các ứng dụng điện áp/điện năng cao như các thiết bị điều khiển FACTS

Máy tạo xung PWM

+

Bộ chuyển/

đếm pha

P s

-+

-Q s

P ref

Q ref

v abc

G c-q (s)

G c-p (s)

Hình 2.9 Sơ đồ bộ điều khiển công suất theo phương pháp điều khiển điện áp Hình 2.9 cho thấy trong một hệ thống biến tần nối lưới được điều khiển theo phương pháp điều khiển điện áp, công suất tác dụng và công suất phản kháng được khống chế tương ứng theo góc pha và biên độ của điện áp đầu ra phía cực AC bộ biến tần nguồn

áp (VSI) so với điện áp điểm nối chung (PCC) Nếu biên độ và góc pha của điện áp phía cực AC bộ VSI gần bằng với điện áp phía lưới, công suất tác dụng và công suất phản kháng gần như khử nhau và có thể sử dụng hai bộ bù độc lập để điều khiển Phương pháp điều khiển điện áp là đơn giản và có ít các vòng điều khiển Tuy nhiên, khuyết điểm chính của phương pháp điều khiển điện áp là không có vòng điều khiển kín trên dòng điện bộ VSI Do đó, bộ VSI không được bảo vệ chống lại quá dòng và dòng điện có thể thay đổi đột biến nếu công suất thay đổi đột ngột hoặc sự cố ngắn mạch xảy ra trong lưới điện

2.7.2 Điều khiển công suất bằng phương pháp điều khiển dòng điện

Phương pháp tiếp cận thứ hai để điều khiển công suất trong hệ thống biến tần nối lưới được gọi là phương pháp điều khiển dòng điện Trong phương pháp này, dòng điện của VSI được điều chỉnh chính xác bằng một chương trình điều khiển dòng điện chuyên biệt, thông qua điện áp đầu ra phía cực AC bộ VSI Sau đó, công suất tác dụng và công suất phản kháng được điều khiển theo góc pha và biên độ của dòng điện VSI liên quan đến điện áp PCC Như vậy, theo sơ đồ quy định dòng điện, VSI được

39

bảo vệ chống lại hiện tượng quá dòng [32] Việc điều khiển công suất của biến tần nối lưới dựa trên lý thuyết công suất tức thời và là hệ quả của định nghĩa công suất trong hệ quy chiếu [33]

Thông thường, việc điều khiển dòng điện dựa trên việc sử dụng hệ tọa độ d-q quay với tốc độ ω và được định hướng sao cho trục d được căn thẳng với vectơ điện áp

lưới (Hình 2.10) Vectơ không gian của sóng hài cơ bản có các thành phần không đổi

trong hệ tọa độ d-q trong khi các vectơ không gian sóng hài khác có các thành phần

dao động Mục đích chính của biến tần nối lưới là tạo ra hoặc hấp thụ dòng điện hình

sin; do đó, các thành phần dòng điện tham chiếu trong hệ tọa độ d-q là các đại lượng

DC



d



q

0

i

d

i

q

i

i

Hình 2.10 Hệ tọa độ đứng yên α-β và hệ tọa độ quay d-q: vectơ dòng điện được

chiếu trong cả hai hệ tọa độ

Thành phần i d-ref của dòng điện quy chiếu d được điều khiển để quản lý trao đổi công suất tác dụng và thường để thực hiện điều chỉnh điện áp DC trong khi thành phần i

kháng và thường để xác định hệ số công suất đơn vị Trong thực tế, để có dòng điện

lưới cùng pha với điện áp lưới, i q-ref phải bằng 0 Do đó, công suất tác dụng và công suất phản kháng được tạo ra bởi biến tần nối lưới ba pha có thể được viết thành công thức như sau

