ĐỒ án môn học điều KHIỂN hệ THỐNG điện CÔNG NGHIỆP điều KHIỂN NGHỊCH lưu nối lưới BA PHA sử DỤNG bộ điều KHIỂN PR

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.. Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp điề

TỔNG QUAN

SỰ PHÁT TRIỂN CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Năng lượng tái tạo đang phát triển mạnh mẽ nhờ tính bền vững và thân thiện với môi trường, với tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn Trong những năm gần đây, năng lượng tái tạo trên thế giới đã tăng trưởng đáng kể, đặc biệt là năng lượng từ điện gió, tăng 30% mỗi năm so với mức tăng của năng lượng từ than đá và than bùn Giá thành pin mặt trời ngày càng giảm đã thúc đẩy các quốc gia Châu Á – Thái Bình Dương, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ, có chính sách phấn đấu đạt 20% năng lượng tái tạo vào năm 2020 để đáp ứng mức tiêu thụ năng lượng lớn nhất thế giới.

Trong bối cảnh các quốc gia trên thế giới tập trung khai thác năng lượng mặt trời, chi phí pin mặt trời ngày càng giảm, thúc đẩy các nước châu Á mở rộng kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo trong tương lai gần Sự giảm giá của pin mặt trời đã góp phần thúc đẩy các dự án năng lượng sạch, đồng thời các khoản đầu tư vào lĩnh vực này gia tăng rõ rệt, như thể hiện qua khảo sát và hình 1.1 cho thấy mức đầu tư ngày càng cao Năng lượng tái tạo đang phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết nhờ các chính sách ưu đãi và xu hướng toàn cầu hướng tới nguồn năng lượng sạch, bền vững.

Hình 1 1: Chi phí đầu tư cho năng lượng mặt trời và điện gió của thế giới

Theo các chuyên gia Việt Nam, quốc gia này sở hữu đặc điểm địa lý và khí hậu lý tưởng cho phát triển năng lượng tái tạo, nhờ vào đường bờ biển dài và khí hậu nhiệt đới nhận lượng nhiệt mặt trời lớn, tạo cơ hội lớn để xây dựng nhà máy năng lượng mặt trời và gió Việc đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng trong định hướng phát triển kinh tế và bảo đảm an ninh năng lượng của Việt Nam trong tương lai Trong bối cảnh cạnh tranh toàn cầu trong lĩnh vực năng lượng, Việt Nam không thể chậm chân trong khai thác tiềm năng này để nâng cao khả năng cạnh tranh của nền kinh tế.

Chính phủ đã ban hành nhiều cơ chế và chính sách nhằm thúc đẩy phát triển ngành năng lượng tái tạo, thể hiện vai trò hàng đầu trong chiến lược năng lượng quốc gia Bộ Công Thương đã phê duyệt Chương trình phát triển điện mặt trời mái nhà tại Việt Nam giai đoạn 2019-2025 (Quyết định 2023/QĐ-BCT ngày 5/7/2019) cùng nhiều hướng dẫn và kế hoạch triển khai cụ thể Để đảm bảo bền vững, việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo song song với tăng cường hiệu quả sử dụng điện trong sinh hoạt và sản xuất nhằm giảm chi phí và hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe người dân đã trở thành ưu tiên hàng đầu.

Trong 6 tháng đầu năm 2021, sản lượng điện sản xuất và nhập khẩu toàn hệ thống đạt 128,51 tỷ kWh, tăng 7,4% so với cùng kỳ năm 2020 Năng lượng tái tạo gồm điện gió, điện mặt trời, và điện sinh khối đã đóng góp 14,69 tỷ kWh, chiếm tỷ trọng 11,4% trong tổng sản lượng điện phát sinh của hệ thống.

CẤU TRÚC CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Hình 1 2: Sơ đồ phân loại các nguồn phân tán

Năng lượng tái tạo, mặc dù thân thiện với môi trường và có khả năng cung cấp nguồn điện lớn, nhưng đôi khi gặp phải vấn đề về tính liên tục do tính chất loãng của nguồn Vì vậy, việc nối lưới là cần thiết để đảm bảo cung cấp nguồn điện chất lượng cao với chi phí hợp lý Trong quá trình biến đổi và hòa đồng bộ nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào hệ thống điện quốc gia, có hai phương án kết nối lưới chính được sử dụng để tối ưu hóa hiệu quả và ổn định hệ thống.

 Phát điện trực tiếp lên lưới dùng máy điện quay đồng bộ hoặc không đồng bộ (tua bin gió)

Hình 1 3: Hệ thống điện gió dùng máy phát không đồng bộ

 Phát điện dùng nghịch lưu trực tiếp hoặc gián tiếp.

Hình 1 4: Cấu trúc của một hệ thống điện mặt trời nối lưới

CÁC TIÊU CHUẨN NỐI LƯỚI

Hầu hết các nguồn điện phân tán (DG) sử dụng năng lượng tái tạo đều cần có hệ thống nghịch lưu để kết nối với lưới điện Tuy nhiên, bộ nghịch lưu nối lưới có thể gây sóng hài đáng kể, làm ảnh hưởng đến ổn định của hệ thống điện Điều này dẫn đến tác động tiêu cực đến chất lượng điện năng, gây ra các vấn đề trong vận hành hệ thống điện.

Để đảm bảo an toàn trong vận hành và truyền tải lưới điện, các tiêu chuẩn chất lượng điện năng như IEEE-929 (2000), IEEE-1547 (2009) của Mỹ, IEC 62116 (2005) về cô lập DG, IEC 61727 (2007), tiêu chuẩn EN 50160 của châu Âu, VDE 0126 (2006) của Đức và Thông tư 32 BCT (2013) của Bộ Công Thương Việt Nam đã được ban hành Các tiêu chuẩn này quy định nghiêm ngặt về tần số khi kết nối lưới, giới hạn sóng hài và tổng trở bộ lọc để đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống điện Tuy nhiên, các phương pháp giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới gần đây đã cho thấy hiệu quả chưa cao, đặt ra yêu cầu cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến công nghệ trong lĩnh vực này.

Để đáp ứng các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt và nâng cao chất lượng điện năng, cần tiến hành các nghiên cứu chuyên sâu nhằm giảm sóng hài hiệu quả hơn cho bộ nghịch lưu nối lưới.

TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI BA PHA VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG PR

BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI 3 PHA

Trong lĩnh vực biến đổi năng lượng điện, quá trình chuyển đổi nguồn điện một chiều thành điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có thể điều chỉnh được tần số và giá trị là rất phổ biến Các thiết bị biến đổi này, đặc biệt là các bộ biến đổi một chiều sang xoay chiều sử dụng các linh kiện bán dẫn có điều khiển, thường được gọi là sơ đồ nghịch lưu Nghiệp vụ này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền tải và sử dụng năng lượng điện trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

2.1.2 PHÂN LOẠI CÁC BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA

Trong hệ thống chỉnh lưu cũng có bộ nghịch lưu nhưng là nghịch lưu phụ thuộc, sự khác biệt giữa hai bộ nghịch lưu này ở chỗ:

Nghịch lưu phụ thuộc vào điện áp lưới, giúp biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều phù hợp với tần số cố định của lưới điện Tần số của điện áp và dòng điện xoay chiều không thể thay đổi, điều này đảm bảo sự ổn định trong hệ thống truyền tải điện Hoạt động của nghịch lưu dựa trên góc điều khiển α, được điều chỉnh theo tần số và pha của lưới điện, nhằm duy trì sự phù hợp giữa nguồn điện và lưới.

Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết định và có thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện.

Nghịch lưu độc lập được chia thành ba loại:

Nghịch lưu điện áp là bộ biến đổi một chiều sang xoay chiều hoạt động dựa trên nguồn cung cấp là điện áp có đặc tính không dao động cộng hưởng hoặc có dao động cộng hưởng nhưng với tần số cộng hưởng f0 nhỏ hơn tần số điện áp ra của bộ biến đổi f, đảm bảo bộ biến đổi hoạt động ổn định Trong thực tế, nguồn cung cấp cho bộ biến đổi thường lấy từ đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu, nhằm giữ cho nguồn có đặc điểm gần với nguồn áp lý tưởng Để đạt được điều này, người ta thường mắc song song một tụ C0 có giá trị đủ lớn với hai cực nguồn, trong đó giá trị của tụ phụ thuộc vào chế độ hoạt động, tần số làm việc và độ chính xác yêu cầu của hệ thống.

Tụ C0 đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điện áp ổn định trên hai cực nguồn khi bộ biến đổi hoạt động, giúp giảm thiểu biến động và nhiễu cho hệ thống Ngoài ra, tụ C0 còn đảm bảo khả năng dẫn dòng hai chiều của nguồn, góp phần cải thiện hiệu quả và độ bền của thiết bị điện tử Việc sử dụng tụ C0 đúng cách giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của các bộ biến đổi trong hệ thống, đồng thời nâng cao độ tin cậy và ổn định của nguồn điện.

Nghịch lưu dòng điện là bộ biến đổi nguồn một chiều sang xoay chiều, trong đó nguồn cung cấp là nguồn dòng điện và phụ tải không có tính chất dao động cộng hưởng hoặc có nhưng với tần số cộng hưởng f0 nhỏ hơn tần số dòng điện ra của bộ biến đổi Trong thực tế, nguồn cung cho bộ biến đổi thường lấy từ đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu, nên để nguồn có đặc trưng gần với nguồn dòng lý tưởng, người ta thường mắc nối tiếp một điện cảm L0 có giá trị đủ lớn Điện cảm L0 giúp duy trì dòng điện nguồn ổn định khi bộ biến đổi hoạt động, đồng thời đảm bảo tổng trở của nguồn luôn lớn, phù hợp với chế độ và tần số làm việc của thiết bị.

Nghịch lưu cộng hưởng là dạng biến đổi một chiều sang xoay chiều trong đó nguồn cung cấp có thể là nguồn điện áp hoặc dòng điện, và phụ tải phải có khả năng dao động cộng hưởng với tần số cộng hưởng (f₀) lớn hơn tần số của điện áp hoặc dòng điện ra của bộ biến đổi (f), là tần số làm việc của bộ biến đổi Để đạt được tính chất dao động cộng hưởng, mạch tải cần có các phần tử điện cảm và điện dung, đồng thời cần thêm một giá trị điện trở tương đương để thể hiện tiêu thụ công suất tác dụng của tải Quá trình dao động cộng trong mạch tải của bộ biến đổi này là quá trình tắt dần, và loại bộ biến đổi phụ thuộc vào cách nối các phần tử mạch tải, dẫn đến sự đa dạng trong các loại bộ biến đổi khác nhau.

Hình 2 1 Các dạng nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng

2.1.3.1 Đặc điểm, cấu tạo, kí hiệu

Hình 2 2 Cấu tạo kí hiệu IGBT

IGBT là linh kiện bán dẫn kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của Transistor thường, giúp tối ưu hiệu suất vận hành Được điều khiển bằng điện áp, IGBT yêu cầu công suất điều khiển cực nhỏ, mang lại hiệu quả năng lượng cao và tiết kiệm điện năng trong các ứng dụng công nghiệp Với đặc điểm nổi bật này, IGBT đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện công nghiệp, biến tần, và các thiết bị truyền động công nghiệp hiện đại.

IGBT có cấu trúc bán dẫn tương tự như MOSFET nhưng được bổ sung lớp p nối với collector, tạo thành cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitter và collector Điểm khác biệt chính là IGBT không sử dụng cấu trúc n-n như MOSFET mà có thêm lớp p, giúp kiểm soát dòng điện hiệu quả hơn Có thể coi IGBT như một Transistor p-n-p có dòng điều khiển bởi công nghệ MOSFET, mang lại khả năng xử lý công suất cao và độ bền vượt trội trong các ứng dụng điện công nghiệp.

2.1.3.2 Điều kiện mở van, khóa van, các thông số cơ bản của van

Hình 2 3 Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT

IGBT có cấu trúc tương đương với một MOSFET và một transistor pnp, trong đó dòng i1 chạy qua MOSFET và dòng i2 qua transistor pnp Phần MOSFET của IGBT có khả năng khóa nhanh chóng khi xả hết điện tích giữa cực G và E, khiến dòng y bằng 0, tuy nhiên dòng i2 không thể suy giảm nhanh do lượng điện tích trong lớp n (tương đương với bazo của cấu trúc pnp) cần thời gian để xả hết Trong sơ đồ, IGBT điều khiển một tải cảm có diode D0 mắc song song, được kích hoạt bằng nguồn tín hiệu biên độ UG qua điện trở RG Các tụ ký sinh như Cgs và Cgc thể hiện mối liên hệ giữa cực điều khiển, collector và emitter, ảnh hưởng đến hiệu suất và hoạt động của thiết bị.

Hình 2 4 Dạng điện áp, dòng điện của quá trình mở IGBT

Quá trình mở IGBT bắt đầu giống như quá trình mở MOSFET khi điện áp điều khiển đầu vào tăng từ không đến giá trị UG Trong thời gian trễ, dòng điện Id(on) nạp điện cho tụ Cgc khiến điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng theo hàm số mũ, từ không đến ngưỡng UGE(th) khoảng 3-5V, bắt đầu từ đó MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới mở ra Dòng collector-emitter tăng tuyến tính từ 0 đến dòng tải I0 trong thời gian tr Khi điện áp giữa cực điều khiển và emitter đạt UGE, dòng I0 được xác định qua collector Do diode D0 còn dẫn dòng tải Io, điện áp UCE vẫn duy trì mức UDC Quá trình mở diễn ra theo hai giai đoạn ttv1 và ttv2, trong đó điện áp điều khiển giữ nguyên ở mức UGE.I0 để duy trì dòng I0, phần dòng điều khiển phóng tụ Cgc Trong giai đoạn đầu, xảy ra quá trình khóa và phục hồi của diode D0, dòng phục hồi tạo ra xung vượt quá dòng I0 của IGBT, làm điện áp UCE bắt đầu giảm IGBT chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hòa, quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của collector-emitter về Ron, với UCE,on=I0Ron, hoàn tất quá trình khóa bão hòa.

Sau khi mở ton và tụ Cgc đã phóng điện hoàn toàn, điện áp giữa cực điều khiển và emitter tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ, với hằng số CgcRG đến giá trị cuối cùng là UG Quá trình này phản ánh đặc điểm phóng điện của tụ điện trong mạch, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống Hiểu rõ sự tăng điện áp theo hàm mũ giúp kỹ sư điều chỉnh các tham số để đạt hiệu quả cao nhất trong thiết kế mạch điện tử.

Hình 2 5 Dạng điện áp, dòng điện của quá trình khóa IGBT

Quá trình khóa của IGBT bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ UG xuống –UG, trong đó tụ đầu vào Cge phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào, tạo ra điện áp Miller Lúc này, điện áp Uce bắt đầu tăng, khiến tụ Cge được nạp điện và dòng điều khiển trở thành dòng nạp cho tụ, giữ UGE không đổi Điện áp UCE tăng từ giá trị bão hòa UCE.on đến UDC sau một thời gian trễ trv, kích hoạt dòng tải I0 ngắn mạch qua diode mở ra, làm dòng collector giảm theo hai giai đoạn tti1 và tti2 Trong giai đoạn đầu, dòng i1 của MOSFET giảm nhanh về không, Ugc ra khỏi mức Miller và giảm về –UG theo thời gian RG(Cge+Cgc) Khi Ugc đạt ngưỡng khóa của MOSFET, UGE cũng đạt ngưỡng khóa UGE(th), hoàn tất quá trình khóa MOSFET Trong giai đoạn thứ hai, dòng i2 của transistor p-n-p bắt đầu suy giảm chậm do các điện tích trong lớp n chỉ mất đi qua quá trình tự trung hòa, gây ra vấn đề dòng đuôi như đã đề cập.

Lớp n trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn nhờ vào việc tích tụ các điện tích thiểu số, làm giảm đáng kể điện trở Tuy nhiên, các điện tích này không thể di chuyển ra ngoài một cách chủ động, dẫn đến tăng thời gian khóa của IGBT Công nghệ chế tạo buộc phải thực hiện sự thỏa hiệp giữa khả năng dẫn và thời gian khóa của thiết bị So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương đương, nhưng thời gian khóa dài hơn từ 1 đến 5 microgiây, ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ biến tần.

2.1.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu ba pha

2.1.4.1 Nguyên lý hoạt động a) Dẫn 120 0 lệch 60 0 b) Dẫn 180 0 lệch 60 0

Hình 2 7 Tín hiệu điều khiển và dạng sóng điện áp ngõ ra của nghịch lưu kiểu 6 bước

Bước 1: Trong khoản từ 0 0 đến 60 0 -S1,S5 và S6 dẫn

Hình 2 8 Sơ đồ nối dây

Bước 2: Trong khoản từ 60 0 đến 120 0 – S1,S2 và S6 dẫn

Ta lập được bảng điện áp

Dạng sóng ngõ ra: a) Dạng sóng điện áp ngõ ra pha b) Dạng sóng điện áp ngõ ra dây

2.1.4.2 Giới thiệu về phương pháp điều khiển IGBT Điều khiển PWM

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là kỹ thuật điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông Phương pháp này dựa trên việc điều chế độ rộng của các xung, từ đó kiểm soát điện áp đầu ra một cách chính xác và hiệu quả PWM được ứng dụng rộng rãi trong điều chỉnh tốc độ motor, biến tần và các thiết bị điện tử, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Đây là giải pháp tiên tiến giúp cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong hệ thống điện.

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm

Phương pháp điều chế sinPWM một pha.

Nguyên tắc của sinPWM là sử dụng quá trình đóng cắt nhanh của transistor trong một khoảng dẫn của van để điều chỉnh công suất Trong đó, transistor không dẫn liên tục mà hoạt động theo dạng xung, với độ rộng xung phản ánh giá trị tức thời của sóng sin Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải năng lượng, phù hợp trong các ứng dụng điều chỉnh công suất điện SinPWM thường có tần số bằng tần số của sóng hài cơ bản, đảm bảo hiệu quả và giảm thiểu nhiễu điện từ.

BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG PR

Phương pháp điều khiển tỷ lệ-cộng hưởng (Proportional Resonant- PR)

Các vòng điều khiển dòng điện trong hệ thống được thực hiện dựa trên quá trình điều chỉnh dòng α và β để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu Đồng thời, các vòng điều khiển điện áp DC và điện áp lưới bên ngoài đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chính xác các dòng điện tham chiếu trong hệ quy chiếu d-q Việc tính toán các dòng điện tham chiếu này là bước tiền đề giúp ổn định và điều chỉnh hệ thống điện một cách hiệu quả, đảm bảo sự vận hành liên tục và an toàn.

Các dòng điện tham chiếu được chuyển đổi thành hệ quy chiếu α-β để tối ưu hóa hiệu suất cho các vòng điều khiển dòng điện bên trong Quá trình chuyển đổi này giúp tăng độ chính xác và ổn định của hệ thống, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của thiết bị Chi tiết kỹ thuật về quá trình chuyển đổi và cách áp dụng trong điều khiển tự động được trình bày rõ ràng trong phần nội dung bên dưới, giúp người đọc dễ dàng hiểu và áp dụng vào thực tế.

Hình 2 15 Nguyên lý điều khiển tỉ lệ cộng hưởng (PR) trong nghịch lưu nối lưới

+ Điện áp và dòng điện ba pha được biến đổi thành hệ quy chiếu αβ và được biểu thị như sau:

Trong hệ thống điện ba pha, Va, Vb, và Vc đại diện cho điện áp của các pha, trong khi Ia, Ib, và Ic tương ứng với dòng điện ba pha Ngoài ra, điện áp trong hệ quy chiếu cố định được biểu diễn bằng Vα và Vβ, giúp phân tích dễ dàng hơn trong các ứng dụng kỹ thuật Tương tự, các dòng điện Iα và Iβ thể hiện dòng điện trong cùng một khung tham chiếu cố định, hỗ trợ việc đo lường và điều chỉnh hệ thống một cách chính xác và hiệu quả.

Trong đó Vgα và Vgβ đại diện cho điện áp phía lưới trong hệ quy chiếu đứng yên.

Trong đó, Kp là số hạng tỷ lệ và Ki đại diện cho số hạng tích phân trong điều chỉnh hệ thống Phương trình (2.6) bao gồm một bộ lọc cộng hưởng có tần số cộng hưởng ωo, mô tả một bộ điều khiển PID lý tưởng nhưng việc thực hiện bộ điều khiển này gặp nhiều thách thức Bộ điều khiển PID không lý tưởng được giới thiệu trong Công thức (2.7) có khả năng đạt được độ lợi vô hạn tại tần số cộng hưởng, giúp cải thiện hiệu quả điều khiển hệ thống.

Trong đó, ωc tượng trưng cho tần số cắt với điều kiện ωc rất nhỏ so với ω0 Biểu đồ Bode của bộ điều khiển phản hồi tối ưu cho thấy rõ rằng bộ điều khiển PR lý tưởng cung cấp hiệu quả kiểm soát cao với hệ số đáp ứng phù hợp Hình dưới minh họa rõ ràng đặc điểm của biểu đồ Bode cho bộ điều khiển này, giúp xác định các tham số quan trọng để tối ưu hóa quá trình điều khiển và đạt được độ ổn định mong muốn.

PR lý tưởng không thể thực hiện trên thực tế do quá trình mất dữ liệu Để tăng cường độ chính xác cho bộ điều khiển PR thông thường, việc lắp đặt bộ bù sóng hài là cần thiết nhằm giảm thiểu các hiện tượng nhiễu sóng hài và cải thiện hiệu quả vận hành hệ thống Sử dụng bộ bù sóng hài giúp nâng cao độ tin cậy của bộ điều khiển PR, đảm bảo hoạt động ổn định và giảm thiểu tác động của các nhiễu từ lưới điện.

HC được nhúng vào bộ điều khiển chính Khối HC sẽ giúp bù tần số sóng hài bậc thấp. Khối HC được thể hiện như sau:

Phương trình (2.8) mô tả một hệ thống không lý tưởng, trong đó thuật ngữ Kih thể hiện độ lợi thứ i đối với phần cộng hưởng của bộ điều khiển và h là bậc hài Việc thực hiện một hệ thống lý tưởng là gần như không khả thi, do đó cần phải xem xét các yếu tố ảnh hưởng để điều chỉnh và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điều khiển.

HC không lý tưởng được giới thiệu trong Công thức (2.9):

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK

MÔ PHỎNG MATLAB/SIMULINK

Hình 3 2 Nguyên lý điều khiển tỷ lệ cộng hưởng PR

Khối 1: Thông thường nguồn điện ngõ vào, có thể lấy từ nguồn DC 720V hoặc pin mặt trời sau đó ta boost lên nguồn DC để ổn định Trong quá trình boost, ta dò MPPT cho dàn pin mặt trời.

Khối 2: Sau đó chuyển sang nguồn xoay chiều 3 pha thông qua bộ nghich lưu.

Có thể dùng bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc hoặc bộ nghịch lưu 3 pha đa bậc

Bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc : linh kiện ít, mạch đơn giản tuy nhiên chất lượng điện năng đưa ra lại không đảm bảo

Bộ nghịch lưu 3 pha đa bậc giúp giảm thiểu sóng hài hiệu quả, nâng cao chất lượng điện năng Tuy nhiên, hệ thống này đòi hỏi nhiều linh kiện hơn và mạch phức tạp hơn so với các giải pháp khác Do đó, việc lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng dự án để tối ưu hiệu quả hoạt động.

Khối 3: Đo lường, đo dòng để ta diều kiển, gọi là dòng của bộ nghịch lưu

Khối 4: Mạch lọc cho tín hiệu ngõ ra tựa hình sin để ta hòa vào lưới

Khối 5: Khối đo lường dòng điện và điện áp ta phát vào lưới Từ đó kiểm soát được điện áp lưới để ta hòa đồng bộ

Khối 6: Nguồn lưới, ta có thể thay đổi tầng số , biên độ của nguồn lưới Vì trên thực tế khi vận hành nguồn lưới có thể suy giảm, mất cân bằng pha thì khi đó ta sẽ xem hệ thống chúng ta có bám được, có hòa vào lưới được không hay là bị ngắt ra bởi vì khi bị ngắt ra , khi điện áp lưới giảm thì theo tiêu chuẩn nối lưới thì phải bù công suất phản kháng để hỗ trợ ổn định điện áp, tuy nhiên ở đây ta không đề cập đến nó, ta chỉ muốn xem dòng tăng lên như thế nào để ta khảo sát khi điện áp lưới sụt giảm thì dòng lưới tăng lên sẽ gây quá dòng cho thiết bị , nếu để bảo vệ quá dòng thì sẽ ngắt ra.

Mạch nghịch lưu nối lưới ba pha sử dụng nguồn DC với Vdc = 720V để hòa vào lưới điện, đo lường dòng điện và điện áp đầu ra nhằm đảm bảo hiệu suất và ổn định của hệ thống Các trường hợp mô phỏng thực tế như sụt áp, mất cân bằng pha và sụt giảm tần số được phân tích để đánh giá khả năng vận hành an toàn và hiệu quả của mạch nghịch lưu trong điều kiện lưới điện biến đổi Việc kiểm tra các tình huống này giúp tối ưu hóa vận hành hệ thống và nâng cao độ tin cậy của các ứng dụng kết nối lưới.

Hình 3 3 Sơ đồ mạch nghịch lưu nối lưới ba pha

%Ki 0.21 wc 2*pi*35.35 kp1 222.1 ki1 11974

Bảng 1 Thông số tham sô trong mô phỏng

Hình 3 4 Cài đặt thông số Vref và Fref

Hình 3 5 Mô phỏng nguồn lưới

Nguồn lưới được mô phỏng dựa trên các thông số chính như điện áp 3 pha từ bộ nghịch lưu, cùng với các cài đặt liên quan đến điện áp và tần số lưới Việc mô phỏng này giúp phân tích chính xác các đặc tính của hệ thống điện và đảm bảo hoạt động hiệu quả của nguồn cung cấp năng lượng Các tham số điện áp và tần số lưới đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định hệ thống và tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện năng Qua đó, chúng ta có thể tối ưu hoá các thiết lập để phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn của ngành điện.

Hình 3 6 Chuyển Vg từ hệ quy chiếu abc sang hệ quy chiếu αβ0

Ngõ vào Vg sang khối abc to Alpha-Beta-Zero ta thu được Va và Vb ở hệ quy chiếu αβ0

Hình 3 7 Chuyển I1 từ hệ quy chiếu abc sang hệ quy chiếu αβ0

Ngõ vào I1 sang khối abc to Alpha-Beta-Zero ta thu được Ial và Ibl ở hệ quy chiếu αβ0

Hình 3 8 Vòng khóa pha PLL

Vòng khóa pha PLL được sử dụng để đo biên độ tần số góc pha nhằm hòa vào lưới điện Tuy nhiên, khi có biến động về tần số hoặc mất cân bằng pha, vòng khóa pha thông thường có thể đưa ra thông số sai, đặc biệt khi ba pha mất cân bằng gây ra thành phần thứ tự nghịch, làm cho phương pháp PLL ước lượng sai dẫn đến nguy cơ ngắt thiết bị khỏi hệ thống và mất kết nối Trong bài viết này, chúng ta sẽ sử dụng bộ vòng khóa pha thông thường để đảm bảo tính ổn định và chính xác.

Hình 3 9 Công thức điều kiển dòng

Dựa vào công thức này, ta sẽ thiết lập trên mô phỏng từ các khối chức năng.

Hình 3 10 Cài đặt thông số Pref

Trong khối Signal Builder, chúng ta thiết lập tín hiệu theo thời gian như sau: từ 0s đến 0.2s, giá trị bằng 2, được nhân 10^4 trở thành 20kW; từ 0.2s đến 0.4s, giá trị bằng 1, tương ứng là 10kW; và từ 0.4s trở đi, giá trị -1, được nhân 10^4 thành -10kW.

Hình 3 11 Cài đặt thông số Qref

Từ khối Step cho ra giá trị Qref như sau: từ (0s - 0.3s) sẽ cho giá trị -10kVar, từ(0.3s - hết) sẽ cho giá trị 15kVar.

Sumad được tạo thành từ tổng bình phương của V α và V β, tức là V α² + V β² Sau đó, tín hiệu này được đưa qua khối Math Function và khối Add để tính toán giá trị cuối cùng Trước khi lấy giá trị của Sumad, cần phải chặn giá trị này để tránh các sai số do phép tính ban đầu gây ra Việc chặn giá trị trên và dưới đảm bảo rằng kết quả không quá cao hoặc quá thấp, đặc biệt khi hệ thống mới bắt đầu hoạt động, giúp duy trì độ chính xác và ổn định của hệ thống.

Để tính Iα_ref theo công thức (3.4), ta cần nhân Va với Pref và Vb với Qref qua khối Produce, sau đó cộng kết quả lại bằng khối Add Tiếp theo, kết quả này được chia bằng khối Divide và nhân với hệ số quy đổi 2/3 để xác định chính xác giá trị Iα_ref.

Theo như công thức (3 4)thì để tính được Iβ_ref thì ta sẽ lấy Vb nhân với Pref và

Trong quá trình tính toán, giá trị Va được nhân với hệ số Qref qua khối Produce, sau đó trừ đi giá trị này qua khối Add Tiếp theo, kết quả từ khối Add được chia bởi khối Divide, rồi nhân với hệ số quy đổi 2/3 để thu được giá trị Iβ_ref Quá trình này giúp đảm bảo tính chính xác trong các phép đo và quy trình kỹ thuật liên quan.

Sau khi tính được 2 giá trị Iα_ref, Iβ_ref, Wo, Ial, Ibl thì ta sẽ đưa giá trị đó vào khối Function-Call Subsystem để xử lý.

Ngõ ra dễ dàng lấy ra 2 giá trị Ual, Ubl, sau đó được đưa qua khối SVPWM Generator 2-Level để điều chế xung Hệ thống sẽ tạo ra 6 xung ngõ ra từ thanh Demux, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển biến tần phù hợp với các ứng dụng công nghiệp.

Hình 3 16 Sơ đồ mạch PR controller

Dựa vào công thức số (2.6) trình bày ở trên ta được mạch như hình 3.16

Hình 3 17 Giám sát thông số Vg, Ig, Pref và Qref

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MATLAB/SIMULINK

Với mạch đã thiết lập bên trên, ta chạy mô phỏng và nhận được kết quả như sau :

Hình 3 18 Kết quả mô phỏng P và Q

Hình 3 19 Kết quả mô phỏng dòng điện và điện áp

Từ hình 3.18 và hình 3.19 ta đã mô phỏng mạch với các trường hợp khác nhau, ta sẽ nhận xét từng trường hợp cụ thể như sau:

Hình 3 20 Kết quả mô phỏng tại thời điểm 0s đến 0.2s

Hình 3 21 THD đo tại 1 chu kì trong thời gian 0s đến 0.2s

Nhận xét trường hợp 1: Từ 0s đến 0.2s

Công suất P_ref và công suất P đo được trên lưới :

+ P_ref = 20kW, ta thấy P đo được bám khá sát so với công suất đặt Tuy nhiên thời gian xác lập khá lâu, khoảng 0.02s nhưng vẫn chấp nhận được.

P đo được trên lưới dao động từ 18kW đến 22kW, điều này có thể tạm chấp nhận được.

Công suất Q_ref và công suất Q đo được trên lưới :

Trong quá trình đo công suất phản kháng, giá trị Q đo được gần sát với Q_ref = -10kVar, cho thấy độ chính xác của hệ thống khá cao Mặc dù thời gian xác lập kết quả tương đối lâu, khoảng 0.018 giây, nhưng vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được cho phép Nghiên cứu còn cho thấy điện áp và dòng điện trên lưới dao động trong khoảng từ -11.5kVar đến -0.9kVar, điều này tạm thời có thể chấp nhận được trong quá trình vận hành hệ thống.

Điện áp đo trên lưới là khoảng 320V, dòng điện đo trên lưới đạt khoảng 45A, với thời gian xác lập của dòng điện chỉ khoảng 0.018 giây Các chỉ số này cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và trong giới hạn chấp nhận được, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.

+ THD của dòng điện đo trong 1 chu kì từ 0.15s là 2.23% < 5% Nên ta có thể chấp nhận được

Hình 3 22 Kết quả mô phỏng tại thời điểm 0.2s đến 0.3s

Hình 3 23 THD đo tại 1 chu kì trong thời gian 0.2s đến 0.3s

Nhận xét trường hợp 2: Từ 0.2s đến 0.3s

Trong trường hợp thay đổi công suất đặt từ 20kW xuống còn 10kW, công suất đo được đã cho thấy sự phản hồi khá chính xác so với công suất đặt, với thời gian xác lập đã được cải thiện đáng kể chỉ còn khoảng 0.01 giây Công suất đo trên lưới dao động từ 9kW đến 11kW, điều này có thể tạm chấp nhận được trong các ứng dụng thực tế.

Trong quá trình đo lường, công suất phản kháng Q đo được bám sát với giá trị Q_ref = -10kVar, cho thấy độ chính xác cao của hệ thống Thời gian xác lập đã được cải thiện đáng kể, chỉ còn khoảng 0.01 giây, giúp nâng cao hiệu quả điều chỉnh Trong quá trình hoạt động, Q đo trên lưới dao động trong khoảng từ -11.07kVar đến -0.9kVar, tạm thời có thể chấp nhận được với các biến động nhỏ Đồng thời, điện áp và dòng điện trên lưới thể hiện mức ổn định, góp phần đảm bảo quá trình vận hành an toàn và hiệu quả của hệ thống.

Điện áp đo trên lưới khoảng 320V và dòng điện đo trên lưới khoảng 31A, giảm so với trường hợp 1 do P_ref = 10kW, với thời gian xác lập dòng điện ngắn chỉ khoảng 0.018 giây Điều này cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và có thể chấp nhận được trong các điều kiện vận hành này.

Trong bài viết này, chúng tôi xem xét công suất phản kháng P_ref = 10kW và nhận thấy công suất đo được rất gần với công suất đặt, cho thấy hệ thống hoạt động ổn định Thời gian xác lập đã được cải thiện đáng kể, giảm xuống còn khoảng 0.01 giây, giúp nâng cao hiệu quả điều khiển Ngoài ra, công suất đo được trên lưới dao động trong khoảng từ 9kW đến 11kW, điều này tạm thời chấp nhận được và phản ánh khả năng điều chỉnh linh hoạt của hệ thống để phù hợp với các điều kiện thực tế.

Trong trường hợp 2, Q_ref đã tăng từ -10kVar lên 15kVar, cho thấy Q đo được bám sát khá tốt so với Q_ref, đồng thời thời gian xác lập đã được cải thiện chỉ còn khoảng 0.01s Q đo được trên lưới dao động trong khoảng từ 14kVar đến 16kVar, điều này có thể tạm chấp nhận trong các hệ thống thực tế Sự ổn định của điện áp và dòng điện trên lưới cũng phản ánh hiệu quả của quá trình điều chỉnh công suất phản kháng.

Điện áp đo trên lưới khoảng 320V cùng với dòng điện đo trên lưới khoảng 40A, cao hơn so với trường hợp 2 do Q_ref=15kVar Thời gian xác lập của dòng điện ngắn, khoảng 0.018 giây, điều này được coi là chấp nhận được trong phân tích hệ thống điện.

+ P_ref = 10kW ở trường hợp 3 ta giảm xuống còn P_ref = -10kW , ta thấy

P đo được gần sát với công suất đặt, giúp xác lập nhanh hơn, chỉ mất khoảng 0.01s Trong quá trình vận hành, công suất P đo được dao động trong khoảng từ -9kW đến -11kW trên lưới, điều này có thể tạm thời chấp nhận được trong các giới hạn vận hành.

Q đo được trên lưới phù hợp gần như chính xác với Q_ref = 15kVAR, cho thấy độ chính xác của phép đo khá cao Thời gian xác lập của hệ thống đã được cải thiện đáng kể, giảm xuống còn khoảng 0.01 giây, tối ưu cho các ứng dụng thực tế Trong quá trình theo dõi, công suất phản kháng đo được dao động từ 13kVAR đến 16.5kVAR, với độ chênh lệch tăng cao hơn trong trường hợp tần số lưới giảm còn 48Hz, điều này vẫn có thể chấp nhận do ảnh hưởng của biến đổi tần số Các chỉ số điện áp và dòng điện trên lưới cho thấy hoạt động ổn định, phản ánh hiệu quả trong kiểm soát công suất phản kháng của hệ thống.

Điện áp trên lưới đo được khoảng 320V, dòng điện đo khoảng 40A đã tăng so với trường hợp 2 do Q_ref = 15kVar, cho thấy dòng điện có thời gian xác lập ngắn khoảng 0.018s, điều này hoàn toàn chấp nhận được trong quá trình vận hành hệ thống.

Trường hợp 5: Từ 0.6s đến hết

Hình 3 28 Kết quả mô phỏng tại thời điểm 0.6s đến hết

Hình 3 29 THD đo tại 1 chu kì trong thời gian 0.6s đến hết

Nhận xét trường hợp 5: Từ 0.6s đến hết

Trong quá trình vận hành, công suất đo được (P đo được) không phù hợp với công suất đặt, với giá trị P_ref là -10kW Mặc dù thời gian xác lập đã được cải thiện đáng kể, khoảng 0.01 giây, nhưng công suất đo trên lưới vẫn dao động trong khoảng từ -8kW đến -12kW, điều này là không chấp nhận được Nguyên nhân chính là do mô phỏng sự mất cân bằng điện áp trong trường hợp 5, gây ra hiện tượng mất ổn định, và hệ thống mô phỏng không thể duy trì hoạt động ổn định trong điều kiện này.

Trong quá trình đo công suất phản kháng Q, giá trị đo được không sát với Q_ref là 15kVar, mặc dù thời gian xác lập đã được cải thiện khoảng 0.01s Q đo được trên lưới dao động từ 12kVar đến 17kVar, với độ chênh lệch tăng cao hơn trong trường hợp 4 do tần số lưới giảm còn 48Hz Ngoài ra, trường hợp 5 mô phỏng sự mất cân bằng điện áp, làm giảm khả năng duy trì ổn định của hệ thống, vì mạch mô phỏng không thể hoạt động tốt khi gặp mất cân bằng điện áp Thông tin về điện áp và dòng điện trên lưới cũng được theo dõi để đánh giá chính xác hơn tình hình hệ thống.

Trong trường hợp mất cân bằng điện áp, điện áp trên lưới ở pha Va là khoảng 320V, còn ở pha Vb và Vc chỉ còn 260V Điện áp giữa hai pha đã giảm 80%, dẫn đến dòng điện tăng cao để duy trì công suất P và Q không đổi Điều này xảy ra do sự mất cân bằng điện áp gây ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện, đặc biệt khi điện áp ở các pha giảm mạnh trong mô phỏng trường hợp này.

Trong một chu kỳ đo dòng điện kéo dài 0.65 giây, hệ số THD đạt mức 13.8%, vượt quá giới hạn 5%, cho thấy không thể chấp nhận được trong trường hợp mất cân bằng điện áp Mất cân bằng điện áp có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, thậm chí dẫn đến việc mạch bị ngắt để bảo vệ các linh kiện bên trong khi dòng điện tăng cao Do đó, việc kiểm soát và giảm thiểu THD là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của hệ thống điện.

Tiêu đề	Điều khiển nghịch lưu nối lưới ba pha sử dụng bộ điều khiển PR
Tác giả	Nguyen Doan Truong, Nguyen Minh Trung
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Phan Thanh
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Điện
Thể loại	Đồ án môn học
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	44
Dung lượng	2,35 MB