Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp điều khiển để giảm sónghài cho nghịch lưu nối lưới luôn góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thốngđiện.. Hiểu được sự ảnh hưởng của các tha
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, đồng thời có tiềm năng ứng dụng rất lớn Trong những năm gần đây, trái ngược với mức tăng trưởng chậm của nhiên liệu hóa thạch, năng lượng tái tạo toàn cầu tăng trưởng trung bình 30% mỗi năm, đặc biệt hơn nữa là sự giảm giá đáng kể của pin mặt trời Chính điều này đã thúc đẩy các quốc gia Châu Á – Thái Bình Dương, như Trung Quốc và Ấn Độ, triển khai các chính sách hướng tới mục tiêu đạt 20% năng lượng từ nguồn tái tạo vào năm 2020.
Việc các quốc gia trên thế giới tập trung khai thác năng lượng mặt trời đã giúp giảm đáng kể chi phí pin mặt trời, thúc đẩy các nước châu Á xây dựng kế hoạch phát triển năng lượng sạch trong tương lai gần Nhờ đó, ngành năng lượng tái tạo ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn, với mức đầu tư ngày càng tăng, như biểu đồ trong Hình 1.1 cho thấy.
Hình 1 1: Chi phí đầu tư cho năng lượng mặt trời và điện gió của thế giới
Việt Nam có vị trí địa lý thuận lợi với đường biển dài và khí hậu nhiệt đới nhận lượng nhiệt mặt trời phong phú, thúc đẩy phát triển các ngành công nghiệp năng lượng tái tạo như nhà máy năng lượng mặt trời và gió Việc này đóng vai trò quan trọng trong định hướng phát triển nền kinh tế bền vững và đảm bảo an ninh năng lượng cho quốc gia trong tương lai Trong bối cảnh thế giới đang chạy đua về năng lượng sạch và tái tạo, Việt Nam không thể bỏ lỡ cơ hội khai thác tiềm năng này để nâng cao vị thế cạnh tranh trong khu vực và trên thế giới Phát triển năng lượng tái tạo giúp Việt Nam tận dụng tối đa tiềm năng, góp phần thúc đẩy nền kinh tế phát triển nhanh, bền vững và tăng cường khả năng cạnh tranh toàn cầu.
Chính phủ Việt Nam đã nhận thức rõ tầm quan trọng của ngành năng lượng tái tạo và đã ban hành nhiều cơ chế, chính sách để thúc đẩy phát triển nguồn năng lượng sạch này 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 thực hiện Đồng thời, các nỗ lực này song song với việc nâng cao hiệu quả sử dụng điện trong sinh hoạt và sản xuất, giúp giảm chi phí năng lượng và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường cũng như sức khỏe người dân.
Trong 6 tháng đầu năm 2021, tổng sản lượng điện sản xuất và nhập khẩu của hệ thống đạt 128,51 tỷ kWh, tăng 7,4% so với cùng kỳ năm 2020, thể hiện xu hướng phục hồi và phát triển của ngành điện Năng lượng tái tạo gồm điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối đã đóng góp 14,69 tỷ kWh, chiếm tỷ trọng 11,4% trong tổng sản lượng điện toàn hệ thống Sự gia tăng của năng lượng tái tạo phản ánh xu hướng chuyển đổi sang nguồn năng lượng sạch và bền vững trong ngành điện Việt Nam.
1.2 CẤU TRÚC CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG
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 lại gặp hạn chế về tính không ổn định do yếu tố thời tiết và biến đổi tự nhiên Do đó, việc kết nối lưới là cần thiết để đảm bảo nguồn điện có chất lượng cao và chi phí hợp lý Để tích hợp nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào hệ thống điện quốc gia một cách hiệu quả, thường sử dụng hai dạng kết nối lưới cơ bản là hòa đồng bộ và biến tần đa năng.
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
1.3 CÁC TIÊU CHUẨN NỐI LƯỚI Đa số các nguồn điện phân tán DG (Distributed Generation) sử dụng năng lượng tái tạo đều có hệ thống nghịch lưu để nối lưới Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lưới này lại là một trong những thiết bị phát sóng hài đáng kể lên lưới điện và ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện Do đó, chúng có tác động tiêu cực đến chất lượng điện năng của 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), 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, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành hệ thống điện Tuy nhiên, các phương pháp giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới gần đây công bố vẫn chưa đạt hiệu quả mong đợi.
Để đáp ứng các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt và nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống, cần tiến hành các nghiên cứu chuyên sâu nhằm giảm sóng hài hiệu quả hơn cho các bộ nghịch lưu nối lưới.
CHƯƠNG 2 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 từ nguồn điện một chiều thành điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có thể điều chỉnh về giá trị và tần số của dòng hoặc áp xoay chiều đầu ra là rất quan trọng Các thiết bị biến đổi này thường được thực hiện bằng các bộ biến đổi một chiều sang xoay chiều sử dụng các linh kiện bán dẫn có điều khiển, còn gọi là sơ đồ nghịch lưu Nghiên cứu và ứng dụng của các bộ biến đổi này giúp nâng cao hiệu quả và linh hoạt trong truyền tải và sử dụng điện năng, phù hợp với yêu cầu của các hệ thống điện hiện đại.
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 và chuyển đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều, trong đó tần số của dòng điện xoay chiều chính là tần số cố định không thể thay đổi của lưới điện Các hoạt động của nghịch lưu này dựa vào điện áp lưới, với tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α, được xác định dựa trên tần số và pha của lưới điện xoay chiều.
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 khi nguồn cung cấp là nguồn điện áp không có tính chất dao động cộng hưởng hoặc có nhưng với tần số cộng hưởng f0 nhỏ hơn tần số điện áp ra của bộ biến đổi Trong thực tế, nguồn cung cấp cho bộ biến đổi này thường lấy từ đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu, vì vậy để đạt được đặc tính nguồn gần với nguồn áp lý tưởng, người ta thường mắc song song với hai cực nguồn một tụ C0 có giá trị đủ lớn, phù hợp với chế độ, tần số làm việc và độ chính xác yêu cầu của hệ thống.
Tụ C0 giúp duy trì điện áp trên hai cực nguồn ổn định trong quá trình hoạt động của bộ biến đổi Nó còn đảm bảo khả năng dẫn dòng hai chiều của nguồn, tăng tính ổn định và hiệu quả hệ thống Việc sử dụng tụ C0 là yếu tố then chốt trong việc duy trì chất lượng nguồn điện và nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện tử.
Nghịch lưu dòng điện là bộ biến đổi điện tử chuyển đổi nguồn dòng điện một chiều thành xoay chiều, trong đó nguồn cung cấp và tải không có đặc tính dao động cộng hưởng hoặc nếu có, tần số cộng hưởng f0 nhỏ hơn tần số dòng điện ra của bộ biến đổi f Trong thực tế, nguồn cung của bộ biến đổi thường lấy từ đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu, nên người ta thường mắc nối tiếp một điện cảm L0 giá trị lớn để tạo điều kiện gần với dạng nguồn dòng lý tưởng Điện cảm L0 giúp duy trì dòng điện nguồn ổn định khi bộ biến đổi hoạt động và đảm bảo tổng trở của nguồn lớn, phù hợp với chế độ và tần số làm việc cần thiết.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
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
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
IGBT có cấu trúc bán dẫn giống với MOSFET nhưng khác biệt ở chỗ có thêm lớp p kết nối với collector, tạo thành cấu trúc p-n-p giữa emitter và collector thay vì n-n như trong MOSFET Điều này giúp IGBT hoạt động như một transistor p-n-p có dòng điều khiển bởi MOSFET, mang lại hiệu suất cao trong các ứng dụng công nghiệp và nguồn năng lượng.
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
Cấu trúc của IGBT tương đương với một MOSFET và một transistor PNP, trong đó dòng qua MOSFET là i và dòng qua transistor là i2 Khi xả hết điện tích giữa G và E, phần MOSFET1 và 2 trong IGBT có thể khóa nhanh, khiến dòng y bằng 0 Tuy nhiên, dòng i2 không thể giảm nhanh do lượng điện tích trong lớp n (tương đương với bazo của cấu trúc PNP) chỉ xuất hiện vùng dòng điện kéo dài trong quá trình khóa IGBT Trong mạch, IGBT điều khiển một tải cảm có diode D0 mắc song song, với nguồn tín hiệu UG nối qua điện trở RG để điều khiển cực G Các tụ ghép như Cgs và Cgc thể hiện các tụ ký sinh giữa cực điều khiển, collector và emitter, ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển mạch của thiết bị.
Hình 2 4 Dạng điện áp, dòng điện của quá trình mở IGBT
Quá trình mở IGBT diễn ra tương tự như quá trình mở của MOSFET, khi điện áp điều khiển đầu vào tăng từ 0 đến UG Trong thời gian trễ khi Id(on) bắt đầu, tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng theo hàm số mũ từ 0 đến ngưỡng UGE(th) khoảng 3-5V, bắt đầu từ thời điểm này MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra Dòng điện collector-emitter tăng theo 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 Diode D0 còn dẫn dòng tải I0, khiến điện áp UCE vẫn giữ ở mức UDC Quá trình mở tiếp tục theo hai giai đoạn ttv1 và ttv2, trong đó điện áp giữa cực điều khiển và emitter duy trì UGE.I0 để giữ dòng I0, dòng này do phóng tụ Cgc của IGBT Trong giai đoạn đầu, diễn ra quá trình khóa và phục hồi của diode D0, dòng phục hồi của diode tạo ra xung vượt mức dòng I0 của IGBT, khiến UCE bắt đầu giảm IGBT chuyển từ chế độ tuyến tính sang vùng bão hòa, và giai đoạn thứ hai là quá trình giảm điện trở trong của vùng collector-emitter về Ron khi khóa hoàn toàn, với UCE.on = I0Ron.
Sau thời gian mở tôn, khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển và emitter tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ Quá trình này có đặc điểm là điện áp tăng dần theo hàm mũ với hằng số CgcRG, cho đến khi đạt giá trị cuối cùng là UG.
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, gây ra sự phóng điện của tụ đầu vào Cge qua dòng điều khiển với hằng số thời gian CgcRG, tạo ra điện áp Miller Trong thời gian trễ, điện áp Uce bắt đầu tăng lên, làm cho tụ Cge được nạp điện và dòng điều khiển duy trì UGE không đổi Điện áp UCE tăng từ mức bão hòa UCE.on tới UDC sau khoảng thời gian trờ, dẫn đến diode mở ra dòng tải I0 ngắn mạch qua, làm giảm dòng collector theo hai giai đoạn tti1 và tti2 Trong giai đoạn đầu, thành phần dòng i1 của MOSFET giảm nhanh về không, điện áp Ugc thoát khỏi mức Miller và giảm về –UG theo hằng số RG(Cge+Cgc), đến mức ngưỡng khóa của MOSFET, UGE(th) Trong giai đoạn tiếp theo, dòng i2 của transistor p-n-p bắt đầu giảm chậm do quá trình tự trung hòa điện tích trong lớp n, phản ánh vấn đề về đuôi dòng điện như đã đề cập trước đó.
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, giảm điện trở đáng kể Tuy nhiên, các điện tích này không thể di chuyển ra ngoài một cách chủ động, dẫn đến tăng thời gian khóa của thiết bị Công nghệ chế tạo IGBT buộc phải có sự thỏa hiệp giữa khả năng dẫn và thời gian khóa So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương đương nhưng thời gian khóa dài hơn khoảng 1 đến 5 microgiây, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của thiết bị.
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 -S1,S5 và S6 dẫn 0
Hình 2 8 Sơ đồ nối dây
Bước 2: Trong khoản từ 60 0 đến 120 – S1,S2 và S6 dẫn 0
Hình 2 9 Sơ đồ nối dây
Bước 3: Trong khoản từ 120 đến 180 – S1,S2 và S3 dẫn 0 0
Hình 2 10 Sơ đồ nối dây
Bước 4: Trong khoản từ 180 đến 240 – S3,S4 và S2 dẫn 0 0
Hình 2 11 Sơ đồ nối dây
Bước 5: Trong khoản từ 240 0 đến 300 – S3,S4 và S5 dẫn 0
Hình 2 12 Sơ đồ nối dây
Bước 6: Trong khoản từ 300 đến 360 – S4,S5 và S6 dẫn 0 0
Hình 2 13 Sơ đồ nối dây
Ta lập được bảng điện áp
UAB UAC UBA UBC UCA UCB
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 Đây là phương pháp điều chế điện tử giúp kiểm soát điện áp đầu ra một cách chính xác và hiệu quả PWM được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển đóng mở, biến tần và điều chỉnh tốc độ động cơ Nhờ vào việc thay đổi tỷ lệ rộng của xung, phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm thiểu tổn thất nhiệt PWM là giải pháp tối ưu để điều chỉnh điện áp và dòng điện một cách linh hoạt, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng.
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 trong một khoảng dẫn của van, transistor không dẫn liên tục mà đóng cắt nhiều lần để điều chỉnh công suất Độ rộng xung dẫn phụ thuộc vào giá trị tức thời của sóng sin, với tần số bằng tần số của sóng hài cơ bản Phương pháp này giúp kiểm soát hiệu quả dòng điện và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện.
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 dòng α và β, giúp kiểm soát chính xác các dòng điện chạy qua các bộ biến tần Đồng thời, các vòng điều khiển điện áp DC và điện áp lưới bên ngoài đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán ban đầu các dòng điện tham chiếu trong hệ quy chiếu d-q, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống truyền tải điện.
Các dòng điện tham chiếu được chuyển đổi thành hệ quy chiếu α và β để điều khiển các vòng điều khiển dòng điện bên trong hiệu quả hơn Việc chuyển đổi này giúp kiểm soát dòng điện chính xác, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và nâng cao độ bền của các thành phần Thông tin chi tiết về quá trình chuyển đổi và ứng dụng của hệ quy chiếu này được trình bày rõ ràng trong phần dưới của bài viết.
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 là các dòng điện tương ứng Điện áp và dòng điện trong hệ thống cũng được biểu diễn dưới dạng các thành phần trong khung tham chiếu đứng yên, với Vα và Vβ thể hiện điện áp tương ứng, còn Iα và Iβ thể hiện dòng điện cùng hệ quy chiếu Việc phân tích các thành phần này giúp hiểu rõ hơn về đặc điểm của hệ thống điện ba pha, tối ưu hóa vận hành và đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện.
Trong đó Vgα và Vgβ đại diện cho điện áp phía lưới trong hệ quy chiếu đứng yên. s (2.6)
Trong đó, Kp là số hạng tỷ lệ và Ki đại diện cho số hạng tích phân, giúp điều chỉnh phản hồi của hệ thống Số hạng thứ hai trong phương trình (2.6) mô tả một bộ lọc cộng hưởng với tần số cộng hưởng ωo, phản ánh khả năng kiểm soát các dao động tự nhiên của hệ thống Phương trình này tượng trưng cho một bộ điều khiển PID lý tưởng, tuy nhiên việc thực hiện bộ điều khiển lý tưởng là rất khó khăn trong thực tế Do đó, bộ điều khiển PR không lý tưởng có thể đạt được độ lợi vô hạn tại tần số cộng hưởng, tối ưu hóa hiệu quả kiểm soát trong giới hạn khả thi.
Trong bài viết này, ωo.c đại diện cho tần số cắt của bộ điều khiển, với điều kiện ωo.c 5% Nên ta không thể chấp nhận được THD trong trường hợp mất cân bằng điện áp. +
Mất cân bằng điện áp có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng cho hệ thống điện Trong trường hợp này, mạch điện của bạn có thể dễ dàng bị ngắt để bảo vệ các linh kiện bên trong khỏi hư hỏng do dòng điện tăng cao Việc duy trì cân bằng điện áp là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của hệ thống điện.