BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẢO VĂN HOAN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA CÁC NGUỒN PHÂN TÁN CÓ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/AC...
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẢO VĂN HOAN
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA
CÁC NGUỒN PHÂN TÁN CÓ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/AC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
S K C0 0 4 7 2 2
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA CÁC NGUỒN PHÂN TÁN CÓ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/AC.
Trang 3LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Trường Thạnh – Cát Tiến – Bình Định Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng: 0934320226
E-mail: tvhoanspkt@gmail.com
II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1 Trung học chuyên nghiệp:
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2 Đại học:
Nơi học (trường, thành phố): Đại học sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Điện công nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “nghiên cứu bù công suất phản kháng cho động cơ không đồng bộ bapha vận hành trên lưới một pha”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 14/01/2013 tại trường đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM
Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Việt Anh
Trang 4III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời
3/2013-8/2014
Công ty nhựa thiếu niên tiền
8/2014
đến nay
Công ty wonderfull Saigon
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 03 năm 2015
Trảo Văn Hoan
Trang 6LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Lê Minh
Phương, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện
luận văn này
Xin cám ơn các Thầy Cô trong khoa Điện-Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật Tp.HCM đã cho tôi nền tản kiến thức – tri thức quí báu để hoàn thành luận văn này
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ, người thân đã luôn ở bên động viên rất nhiều để tôi hoàn thành chương trình học này
Trang 7TÓM TẮT
Luận văn này trình bày một phương pháp nâng cao chất lượng điện năng của nguồn điện phân tán có sử dụng các bộ chuyển đổi DC/AC Luận văn trình bày chi tiết phương pháp bù điện áp offset DC tồn tại trong các bộ nghịch lưu hòa lưới bằng cách sử dụng hệ đồng bộ tham chiếu dựa trên cơ sởvòng khóa pha SFR-PLL SFR-PLL có chức năng ước lượng nhanh và chính xác tần số, góc pha và biên độ điện áp lưới Chiến lược điều khiển offset DC trong luận văn có xem xét đến lượng điện áp DCkhác nhau khi tham gia vào lưới Khi giả thiết rằng điện áp DC không tồn tại, kỹ thuật điều khiển offset DC là tương đương với kỹ thuật SOGI được áp dụng trước đây Tuy nhiên, dựa trên cơ sở SOGI, với sự tồn tại của điện áp DC trong lưới điện,
kỹ thuật đề nghị mang lại nhiều sự khác biệt Sau khi đánh giá các kết quả mô phỏng, mô hình thực nghiệm cho thấy phương pháp mang lại tính hiệu quả, đáp ứng nhanh về mặt thời gian, một giải pháp ý nghĩa cho các bộ nghịch lưu hòa lưới trong việc giảm thiểu sóng hài, khử điện áp nhiễu Hơn thế nữa, phương pháp điều khiển với thuật toán đơn giản nên sai số được giảm thiểu nhỏ nhất đảm bảo duy trì sự ổn định của hệ thống
Nội dung của luận văn này đặt nền móng cho sự nghiên cứu và phát triển sâu hơn đối với lĩnh vực điều khiển đồng bộ của bộ biến đổi công suất nối lưới, có thể
áp dụng cho các bộ nghịch lưu nối lưới cũng như điều khiển động cơ
Trang 8ABSTRACT
This thesis presents a method for improving power quality of distributed power sources that use the adapter DC / AC In the thesis, I presented detailed methods Offset DC offset voltage exists in the grid inverters.The grid-connected inverters that use synchronous reference frame based phase-locked loop SRF-PLL are applied very popular The function of SRF-PLLs is fast and accurate estimation
of frequency, phase angle, and magnitude of grid voltage The power quality of the current injected into the grid depends on these estimated parameters The measurements or processes of data conversion can typically introduce the dc offset
in the measured grid voltage The dc offset is one of the reasons for causing errors for the estimated parameters of the grid voltage and causes injected current with harmonic distortions This thesis presents a technique of dc offset compensation for SRF-PLL based on the Second Order Genralized Integrator (SOGI) The simulation and experimental results validated the performance of the proposed technique The content of this thesis laid the foundation for research and development in the field deeper synchronous control of power converters connected to the grid, which can apply to off-grid inverters and controllers motor
Trang 9MỤC LỤC
Trang tựa Trang
Xác nhận giáo viên hướng dẫn
Quyết định giao đề tài
LÝ LỊCH KHOA HỌC i
LỜI CAM ĐOAN iii
LỜI CẢM ƠN iv
TÓM TẮT v
ABSTRACT vi
MỤC LỤC vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH x
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiii
Chương 1: TỔNG QUAN 1
1.1 GIỚI THIỆU 1
1.1.1 Tình hình phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới 1
1.1.2 Tình hình phát triển năng lượng tái tạo ở việt nam 3
1.1.2.1 Thủy điện nhỏ 4
1.1.2.2 Năng lượng gió 4
1.1.2.3 Năng lượng sinh khối 5
1.1.2.4 Năng lượng mặt trời 6
1.1.2.5 Năng lượng địa nhiệt 7
1.2 GIỚI THIỆU CÁC ỨNG DỤNG PLL TRONG ĐỒNG BỘ LƯỚI ĐIỆN 10
1.2.1 Kỹ thuật tạo trễ ¼ chu kỳ 11
1.2.2 PLL dựa trên cơ sở biến đổi Hilbert 11
Trang 101.2.3 PLL trên cơ sở chuyển đổi park ngược 12
1.2.4 PLL trên cơ sở sử dụng bộ lọc 16
1.2.4.1 PLL cải tiến 17
1.2.4.2 Bộ lọc thích nghi hai cấp 20
1.3 TÍNH CẤP THIẾT 22
1.4 MỤC TIÊU LUẬN VĂN 23
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LUẬN VĂN 23
1.6 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 23
1.7 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LUẬN VĂN 23
1.8 GIÁ TRỊ KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CỦA LUẬN VĂN 24
1.9 HIỆU QUẢ NGHIÊN CỨU LUẬN VĂN 24
1.10.KẾT LUẬN 24
1.11. BỐ CỤC LUẬN VĂN 24
Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25
2.1 GIỚI THIỆU VỀ PHASE-LOCKED-LOOP 25
2.1.1 Cấu trúc cơ bản vòng khóa pha 25
2.1.2 Phương trình cơ bản của PLL 26
2.1.3 Đáp ứng PLL 27
2.1.4 Thông số quan trọng của một PLL 28
2.2 PHÁT HIỆN PHA DỰA TRÊN CƠ SỞ PHÁT TÍN HIỆU TRỰC GIAO 29
2.3 TÍCH PHÂN SUY RỘNG CẤP 2 35
Chương 3: XÂY DỰNG VÕNG KHÓA PHA SỬ DỤNG KỸ THUẬT SOGI VÀ KỸ THUẬT SOGI CẢI TIẾN 40
3.1 XÂY DỰNG VÕNG KHÓA PHA SỬ DỤNG KỸ THUẬT SOGI 40
Trang 113.1.1.PLL trên cơ sở SOGI 40
3.1.2.Kết quả mô phỏng tái hiện phương pháp OSG - SOGI 44
3.1.3.Nhận xét kết quả mô phỏng 53
3.2 KỸ THUẬT SOGI CẢI TIẾN 53
3.2.1.Cơ sở khoa học 53
3.2.2.Kỹ thuật SOGI cải tiến đề nghị 55
3.2.3.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 63
3.2.4.NHẬN XÉT KẾT QUẢ 71
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 73
4.1 KẾT LUẬN 73
4.2 KHUYẾN NGHỊ 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO 76
Trang 12DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình Trang Hình 1.1: Công suất phát điện xây dựng năm 2010 ( không kể thủy điện nhỏ)
Đơn vị GW 2
Hình 1.2: Hình ảnh phát triển năng lượng gió 5
Hình 1.3: Hình ảnh phát triển năng lượng mặt trời 7
Hình 1.4: Hình ảnh PLL dựa trên cơ sở tạo trễ T/4 11
Hình 1.5: Hình ảnh PLL dựa trên cơ sở biến đổi Hilbert 12
Hình 1.6: PLL trên cơ sở chuyển đổi Park ngược 13
Hình 1.7: Đáp ứng tần số của QSG trên cơ sở chuyển đổi Park ngược 14
Hình 1.8: Đáp ứng của PLL chuyển đổi Park ngược thể hiện góc nhảy pha của tín hiệu vào 15
Hình 1.9: Biểu diễn vector của tín hiệu ngõ ra QSG 15
Hình 1.10: Hệ thống lọc thích nghi 17
Hình 1.11: Sơ đồ khối của thuật toán LMS với một trọng số thích nghi của hệ thống ANC 17
Hình 1.12: Sơ đồ khối PLL cải tiến (EPLL) 18
Hình 1.13: Đáp ứng của EPLL trong sự có mặt của bước nhảy pha tín hiệu vào 19
Hình 1.14: (a) ANF trên cơ sở thuật toán LMS với hai trọng số thích nghi và (b) sơ đồ khối của AF hai cấp trên miền thời gian 21
Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của PLL 25
Hình 2.2: Sơ đồ khối các thành phần PLL 25
Hình 2.4: Đáp ứng bước của các thành phần PLL 28
Hình 2.5: Quá trình đồng bộ của PLL 30
Hình 2.6: Sơ đồ khối PLL với ý tưởng trực giao PD 31
Hình 2.7: đáp ứng quá độ của PLL với trực giao PD 32
Hình 2.8: PD trên cơ sở tín hiệu phát tín hiệu trực giao và chuyển đổi Park 33
Trang 13Hình 2.9: Biểu diễn vector QSG của tín hiệu ngõ ra 34
Hình 2.10: PLL với LF trên trục q của QSG 34
Hình 2.11: Đáp ứng của GI với (a) sine thuần ngõ vào thuần sine/cosine ngõ vào 35
Hình 2.12: (a) AF hai cấp trên cơ sở GI và (b) AF hai cấp trên cơ sở SOGI (SOGI-QSG) 36
Hình 2.13: Đáp ứng SOGI-QSG (ts = 20.7ms, k = 2 ) 38
Hình 3.1: Sơ đồ khối của SOGI dựa trên PLL (SOGI-PLL) 40
Hình 3.2: Vòng khóa pha sử dụng kỹ thuật SOGI 41
Hình 3.3: Đáp ứng giản đồ Bode của Gd(s) 42
Hình 3.4: Đáp ứng giản đồ Bode của Gq(s) 43
Hình 3.5: a) Sơ đồ SOGI trên matlab simulink b) Dạng sóng điện áp ngõ vào 45
Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng matlab Simulink cho SOGI ở chế độ không có 46
thành phần offset DC 46
Hình 3.7: Khối repeating Sequence 1 và thông số cài đặt 47
Hình 3.8: Dạng sóng điện áp khi không có thành phần offset DC 47
Hình 3.9: Các thông số ƣớc lƣợng khi không có thành phần offset DC 48
Hình 3.10: Sơ đồ mô phỏng matlab Simulink cho SOGI ở chế độ có 5% offset DC 49
Hình 3.11: Dạng sóng điện áp khi có thành phần offset DC 50
Hình 3.12: Điệp áp qv‟ thay đổi theo thành phần offset DC 51
Hình 3.13: Các thông số ƣớc lƣợng khi có thành phần offset DC 52
Hình 3.14: Kỹ thuật SOGI cải tiến sử dụng bộ lọc thông thấp 54
Hình 3.15: Kỹ thuật đề xuất 56
Hình 3.16:Sơ đồ khối OE trong matlab 56
Hình 3.17: Khối OE xác định điện áp offset DC cho qv‟ 57
Hình 3.18: Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink OE-SOGI 60
Hình 3.19: Sơ đồ đƣa khối Max_detector vào mạch 61
Hình 3.20: Dạng sóng qv‟ khi có điện áp offset DC 61
Trang 14Hình 3.21: Dạng sóng điện áp qv‟ khi có offset DC 62
Hình 3.22: Sơ đồ mô phỏng chế độ không có bộ OE 64
Hình 3.23: Dạng sóng các điện áp khi không có bộ OE 65
Hình 3.24: Sơ đồ mô phỏng có sử dụng OE-SOGI với sự có mặt điện áp offset 66
Hình 3.25: Dạng sóng của |qv‟| và offset xác định đƣợc 67
Hình 3.26: Dạng sóng đƣợc phóng to tại các đỉnh của |qv‟| 67
Hình 3.27: Dạng sóng các điện áp khi có khối OE 68
Hình 3.28: Dạng sóng qv‟ không bù (màu đỏ) và có bù (màu xanh) offset DC 69
Hình 3.29: Tần số ƣớc lƣợng đƣợc của SOGI và OE – SOGI 69
Hình 3.30: Dạng sóng θ‟ ƣớc lƣợng đƣợc 70
Hình 3.31: Biên độ điện áp ƣớc lƣợng đƣợc 71
Trang 15DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NLTT: Năng lượng tái tạo
NLMT: Năng lượng mặt trời
GW: Gigawatt
UNEP: United nations environment programme
TOE: Số tấn dầu tương đương
PLL: Phase lock loop
SOGI-PLL: Second-order generalized integrator Phase lock loop
FIR – IIR: Finite impulse response - infinite impulse response
LPF: Low-pass filter
LF: Loop fillter
ANC-ANF: Adaptive filter - Adaptive noise cancelling
LMS: Least mean squares
DSP: Digital signal programed
SOGI: Second-order generalized integrator
VCO: Voltage-controlled oscillator
GI: Generalized integrator
SOGI-QSG: Second-order generalized integratorquadrature signal Generator OE: Offset DC Estimation
Trang 16Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU
1.1.1 Tình hình phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới [1]
Hiện nay bức tranh kinh tế thế giới đang rất ảm đạm do cuộc khủng hoảng nặng nề ở Mỹ và châu Âu Thế nhưng thị trường năng lượng tái tạo (NLTT) thế giới nói chung và thị trường Âu - Mỹ nói riêng vẫn phát triển liên tục và mạnh mẽ Trong giai đoạn 2005 - 2010, tổng công suất NLTT gồm điện mặt trời, điện gió, nhiệt điện, nước nóng năng lượng mặt trời (NLMT) và nhiên liệu sinh học… tăng với tốc độ trung bình từ khoảng 15% đến gần 50% hàng năm Đặc biệt, trong giai đoạn này, điện mặt trời tăng với tốc độ nhanh nhất Tiếp theo là nhiên liệu sinh học và điện gió Thủy điện nhỏ, điện và nhiệt sinh khối (SK), điện và địa nhiệt tăng với tốc độ trung bình trong khoảng 3 - 9%/ năm Ở một số nước, tốc độ tăng đối với các công nghệ này đã vượt xa tốc độ trung bình toàn cầu nói trên Năm 2009, NLTT
đã cung cấp trên 16% tổng tiêu thụ NL cuối cùng trên thế giới
Tổng công suất phát điện NLTT trên thế giới đến năm 2010 là 4.950 Gw, chiếm khoảng 25% tổng công suất phát điện và cung cấp gần 20% điện năng trên toàn cầu, trong đó thủy điện nhỏ chiếm một tỷ lệ rất lớn (16,1%) Nếu không kể thủy điện nhỏ thì tổng công suất phát điện NLTT là 312 Gw, tăng 25% so với 2009 (250 Gw), trong đó phát điện NL gió tăng nhanh nhất, với công suất lắp thêm năm
2010 là 39 Gw, tiếp theo điện mặt trời tăng 17 GW Các nước dẫn đầu về công suất phát điện NLTT đến cuối năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) là Trung Quốc, Mỹ, Canada, Brazin, Ấn độ và Đức hình 1
Ở Mỹ, phát điện NLTT chiếm khoảng 25% tổng công suất lắp đặt thêm trong năm 2010 và chiếm 11,6% tổng công suất phát điện đến cuối 2010, cung cấp khoảng trên 10,3% tổng điện sinh hoạt
Trang 17Hình 1.1 Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) Đơn vị
Gw
Mỹ cũng là quốc gia đứng thứ 2 thế giới với 38,3 triệu USD đầu tư cho năng lượng tái tạo, tăng 7% so với năm 2013 Nhiều công ty, tập đoàn lớn tại Mỹ như General Motors, Walmart, Apple, Johnson & Johnson, Crayola và Google đều đang xây dựng và đưa vào hoạt động các trang trại năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho hoạt động sản xuất và kinh doanh
Năm 2014, Liên minh châu Âu (EU) đã cam kết giảm 20 % lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính; thay vào đó là sử dụng 20 % các nguồn năng lượng tái tạo
để sản xuất điện từ nay đến năm 2020 Năng lượng tái tạo được sản xuất và tiêu thụ mạnh nhất từ 2004 - 2012 ở châu Âu với các quốc gia đi đầu là Thụy Điển, Đan Mạch và Áo Pháp cũng ghi nhận được nỗ lực rất lớn khi từ 2007 - 2014, tỷ lệ năng lượng tái tạo của nước này tăng từ 9,3% lên 13,4%
Đến đầu năm 2014, thêm 95 quốc gia đang phát triển đã có những chính sách
hỗ trợ năng lượng tái tạo tại chỗ - tăng từ 15 quốc gia năm 2005, theo báo cáo toàn cầu của mạng lưới chính sách năng lượng tái tạo thế kỷ 21 (REN21) 2014 được coi
là một năm kỷ lục của thế giới trong nỗ lực hướng tới sử dụng các nguồn năng lượng sạch với tổng cộng 144 quốc gia đã ban hành các chính sách và mục tiêu trong lĩnh vực này Đây cũng là năm năng lượng tái tạo chiếm gần một nửa công suất điện lưới lắp đặt thêm trên toàn thế giới, đạt 103 Gw, tăng mạnh so với 86 Gw năm 2013
Trung Quốc là quốc gia đầu tư vào năng lượng tái tạo lớn nhất trong năm
2014, với 83,3 triệu USD, tăng 39% so với năm 2013 Các quốc gia như Brazil, Ấn
Trang 18Độ và Nam Phi nằm trong tốp 10 nước đầu tư hàng đầu, với mức đầu tư lần lượt là 7,6 tỷ USD; 7,4 tỷ USD và 5,5 tỷ USD
Bên cạnh việc mở rộng lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời, Trung Quốc đang lên kế hoạch sẽ lắp đặt trạm năng lượng mặt trời khổng lồ trên quỹ đạo, ở độ cao 36.000 km so với mặt đất, vào năm 2050 “Tổng diện tích các tấm pin năng
học Trung Quốc cho biết
Nhật Bản là quốc gia đứng thứ 3 về đầu tư cho năng lượng xanh với 35,7 triệu USD với những chính sách giảm thuế cho các dự án năng lượng tái tạo Đầu năm nay, tập đoàn Kyocera của Nhật Bản cho biết sẽ xây dựng một nhà máy dựa trên 50.000 module thu năng lượng mặt trời nổi trên mặt hồ chứa của đập Yakamura, ước tính tạo ra hơn 15,6 Mwh mỗi năm, đủ cung cấp điện cho trung bình 4.700 hộ gia đình
Điện mặt trời cũng đóng một vai trò quan trọng trong cam kết của Chính phủ
Ấn Độ nhằm cung cấp điện đầy đủ 24/24 trong ngày trên phạm vi toàn quốc Năm
2014, công suất điện mặt trời của nước này là 2.500 Mw và đang phấn đấu tăng gấp đôi trong gian đoạn 2014-2015
Trong bối cảnh nền kinh tế thế giới còn nhiều bất ổn, tổng đầu tư cho năng lượng tái tạo ở các nền kinh tế phát triển chỉ tăng 3% lên 138,9 tỷ USD Thậm chí, tính cả việc phát triển mạnh phong điện ngoài khơi thì các khoản đầu tư vào năng lượng tái tạo ở châu Âu hầu như không thay đổi, dừng ở mức 57,5 tỷ USD Trong
đó, nổi bật là dự án Gemini, trang trại phong điện xa bờ ở ngoài khơi Hà Lan công suất 600 Mw
Báo cáo "Xu hướng đầu tư năng lượng tái tạo toàn cầu" của chương trình môi trường liên hợp quốc (UNEP) công bố ngày 31/3/2015 cho thấy đầu tư cho năng lượng tái tạo toàn cầu đã phục hồi mạnh mẽ trong năm 2014, lên tới 270 tỷ USD - tăng 17% so với năm trước đó [2]
1.1.2 Tình hình phát triển năng lượng tái tạo ở việt nam [3]
Việt Nam là một trong những nước có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo phân bố rộng khắp trên toàn quốc Ước tính tiềm năng sinh khối từ các
