Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện một pha

- Thiết kế biến tần kết nối lưới một pha, các thông số biến tần, xác định kích thước tụđiện liên kết DC - Tính toán thiết kế, lựa chọn các thông số cho bộ lọc đầu ra - Thiết kế bộ điều k

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PH

Ò N G Q LK H – ĐT S Đ H Đ ộc l ập – T ự d o – H ạnh

p h úc

TP HCM, ngày 20 tháng 6 năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lê Tấn Cường Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/06/1993 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1541830018

I- Tên đề tài:

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA VÀO LƯỚI ĐIỆN MỘT PHA.

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và nguyên

lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập

- Thiết kế biến tần kết nối lưới một pha, các thông số biến tần, xác định kích thước tụđiện liên kết DC

- Tính toán thiết kế, lựa chọn các thông số cho bộ lọc đầu ra

- Thiết kế bộ điều khiển điện áp DC, đồng bộ hóa lưới, điều khiển dòng điện

- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống PV kết nối lưới 1 pha bằng matlab/ simulink

- Nhận xét đánh giá kết quả mô phỏng

- Kết luận

III- Ngày giao nhiệm vụ: 15/02/2017

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/6/2018

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quảnêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trìnhnào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đượccảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Lê Tấn Cường

LỜI CÁM ƠN

Xin cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh, PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG, Quý Thầy Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp 15SMD21 và cá nhân tôi trong suốt học trình nghiên cứu và học tập thạc sỹ tại trường.

Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG, những người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này.

Cám ơn tất cả các bạn trong khóa học, những người cùng chung chí hướng trong con đường tri thức để tất cả chúng ta có được kết quả ngày hôm nay.

Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này.

Xin trân trọng và chân thành gửi lại tất cả nơi đây lòng tri ân sâu sắc nhất.

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 6 năm 2018

Người thực hiện luận văn

Lê Tấn Cường

TÓM TẮT

I Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài :

Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến thiết kế điều khiển hệ thống điện nănglượng mặt trời hòa vào lưới điện 1 pha, sử dụng bộ lọc LCL để tối ưu hóa chất lượngđiện năng, giảm sóng hài trước khi hòa vào lưới, cụ thể: Tính toán thiết kế, lựa chọncác thông số cho bộ lọc đầu ra, từ đó chọn cấu hình phù hợp cho bộ lọc

II Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài :

1 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và nguyên

lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập

- Thiết kế biến tần kết nối lưới một pha, các thông số biến tần, xác định kích thước tụđiện liên kết DC

- Tính toán thiết kế, lựa chọn các thông số cho bộ lọc đầu ra

- Thiết kế bộ điều khiển điện áp DC, đồng bộ hóa lưới, điều khiển dòng điện

- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống PV kết nối lưới 1 pha bằng matlab/ simulink

- Đánh giá kết quả mô phỏng

- Kết luận

2 Giới hạn của đề tài

Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề như sau:

Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện 1 pha và môphỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc tính toán thiết kế cácpanel PV, không thiết kế thi công mô hình thực, không đề cập đến bài toán kinh tế đểlựa chọn bộ lọc LCL

I The purposes, the objects and the subjects of the research study

The thesis focuses on the issues related to design controls solar power systemintegrated into the single phase power grid, use LCL filter to max the power quality,perfect mixer before making on grid, detail: Calculations accounting, select parametersfor the filter filter from the selected configuration configuration for filter

II The procedures and the limitations of the research study:

1 the procedures of the research study

- Find the sky quality and solutions using effect; Structure and principle ofphotovoltaics

(PV); Types of PV systems connected and

2 the limitations of the research study

Due to the limited time and research conditions, the topic is limited to the following issues:

Design controls solar power system integrated into the single phase power grid andsimulation using Matlab / Simulink not to mention the design of PV Panels, no realconstruction design, not to mention the economics of choosing LCL filters

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CÁM ƠN

TÓM TẮT

ABSTRACT .

MỤC LỤC

DANG MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANG MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề

1 2 Tính cần thiết

1 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

3.1 Ý nghĩa khoa học 2

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

4 Mục đích nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

5.1 Lý thuyết 3

5.2 Mô phỏng 3

6 Tên đề tài 3

7 Bố cục luận văn 3

8 Kết luận 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 4

1.1 Các hệ thống PV kết nối lưới 4

1.1.1 Biến tần đơn tập trung 4

1.1.2 Biến tần hai cấp 5

1.2 Các điều kiện hòa đồng bộ 6

1.2.1 Điều kiện về tần số 7

1.2.2 Điều kiện về điện áp 7

1.2.3 Điều kiện về pha 7

1.2.4 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới 7

1.3 Các điều khiển của VSI 8

1.4 Giảm kích thước của tụ điện DC 9

1.5 Kỹ thuật đồng bộ hóa lưới 11

1.6 Mục tiêu 12

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI MỘT PHA 13

2.1 Thông số kỹ thuật biến tần 13

2.2 Cấu hình mạch đóng cắt 14

2.3 Tụ điện liên kết DC 15

2.3.1 Tụ điện phân so với tụ phim 15

2.3.2 Xác định kích thước tụ điện liên kết DC 18

2.4 Thiết kế bộ lọc đầu ra 19

2.4.1 Tính toán lựa chọn giá trị cho cuộn dây và tụ điện 20

2.4.2 Cấu hình bộ lọc 21

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 24

3.1 Bộ điều khiển dòng điện 24

3.1.1 Mô hình 25

3.1.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ 26

3.1.3 Tính ổn định vòng kín 29

3.2 Phương pháp đồng bộ lưới 31

3.2.1 Bộ ước lượng điện áp lưới 32

3.2.1.1 Mô phỏng của công cụ ước lượng điện áp lưới 34

3.2.2 Biên độ điện áp lưới danh định 38

3.2.3 Dòng điện tham chiếu được đồng bộ hóa 40

3.2.4 Thảo luận về phương pháp đồng bộ lưới được đề xuất 40

3.3 Bộ điều khiển điện áp 41

3.3.1 Mô hình vòng lặp điện áp 42

3.3.2 Bộ bù điện áp DC 45

3.4 Thực hiện điều khiển kỹ thuật số 45

3.4.1 Nghiên cứu tần số đóng cắt 47

3.4.2 Định dạng đơn vị và số cố định 47

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG MATLAB/ SIMULINK 48

4.1 Các thông số mô phỏng của hệ thống 48

4.2 Mô phỏng đặc tuyến V-I của pin quang điện 53

4.3 Bộ điều khiển Controller 56

4.4 Sơ đồ tính trung bình hiệu quả mỗi chu kỳ AC 59

4.5 Mô phỏng bộ lọc LCL 60

4.5.1 Khi không dùng bộ lọc LCL 60

4.5.2 khi dùng bộ lọc L 64

4.5.3 khi dùng bộ lọc LC 68

4.5.4 khi dùng bộ lọc LCL 72

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 77

5.1 KẾT LUẬN 77

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 77

Phụ lục C 79

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

AC : Dòng điện xoay chiều

DC : Dòng điện một chiều

DR : Nguồn phân phối

LF : Bộ vòng lặp

MPPT : Theo dõi điểm công suất cực đại

PCC : Điểm của khớp nối chung

VCO : Dao động điều khiển điện áp

VSI : Biến tần điện áp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật biến tần

Bảng 2.2: Các tham số bộ lọc đầu ra và các giá trị đã chọn của chúngBảng 3.1: Tham số của bộ bù PR và tham số của hệ thống

Bảng 4.1: Các thông số mô phỏng công suất vòng lặp biến tần

Bảng C.1: Sóng hài tổng quát của cho độ lớn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Công nghệ trước đây - Biến tần tập trung

Hình 1.2: Cấu hình biến tần hai cấp

Hình 1.3: Công suất ra tức thời của một bộ biến tần đơn tại hệ số dịch chuyển đơn vị

Hình1.4 : Ví dụ về mạch tách công suất tác dụng được dùng

Hình 2.1: Cấu hình mức công suất của biến tần PV một pha điện áp định mức liên kết

DC và thành phần gợn sóng

Hình 2.2: Dạng sóng điện áp liên kết DC chung

Hình 2.3: Cấu hình cầu đầy đủ với sơ đồ đóng cắt điện áp đơn cực PWM

Hình 2.4: Bộ lọc LCL đầu ra của biến tần

Hình 2.5: Biểu đồ độ lớn của hàm truyền bộ lọc đầu ra (s)

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng thể của bộ điều khiển biến tần

Hình 3.2: Sơ đồ khối điều khiển dòng điện

Hình 3.3: Biểu đồ Bode của (a) bộ bù PR lý tưởng, (b) bộ bù PR không lý tưởng,

=1, =2000, ζ = 0,1

Hình 3.4: Biểu đồ bode của vòng lặp dòng được bù và không được bù

Hình 3.5: Tổng quan về bộ đồng bộ lưới và bộ điều khiển VAR

Hình 3.6: Vòng phản hồi của bộ ước lượng điện áp lưới

Hình 3.7: (a) Quỹ đạo trạng thái của bộ ước lượng, (b) Sơ đồ điện áp đỉnh pha của đầu vào và đầu ra của bộ ước lượng

Hình 3.8: biểu đồ bode và

Hình 3.9: Quỹ đạo mở các biến trạng thái của bộ ước lượng với các giá trị khác nhau

Hình 3.10: miền thời gian hồi của các biến trạng thái bộ ước lượng

Hình 3.11: Độ nhạy miền thời gian được thu phóng của độ méo điện áp lưới (t), ước lượng đầu ra và các giá trị mong muốn của nó

Hình 3.12: Các hệ số công suất so với tần số lưới cho Q = 0 trong khi bỏ qua chuyển đổi sóng hài

Hình 3.13: Sơ đồ công suất biến tần

Hình 3.14: Sơ đồ Pha của và hai thành phần của nó

Hình 3.15: Vòng lặp điện áp của biến tần

Hình 3.16: Ảnh hưởng của gợn sóng tần số kép trên tín hiệu dòng điện tham chiếutrong đó gấp hai lần tần số cơ bản, được chọn là 0,008 và được chọn là 1Hình 3.17: Biểu đồ Bode của vòng lặp điện áp không bù và bù

Hình 4.1: Mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới 1 pha trong MatlabSimulink

Hình 4.2: Cực điều khiển G của mosfet

Hình 4.3: Tần số chuyển mạch = 30kHz

Hình 4.4: Cuộn cảm bên cấu hình cầu = 300μH

Hình 4.5: Cuộn cảm bên lưới

Hình 4.6: Bộ lọc tụ điện 

Hình 4.7: Bộ lọc giảm xóc điện trở

Hình 4.8: Điện áp lưới danh định,

Hình 4.9: Tấm pin quang điện trong Matlab Simulink

Hình 4.10: Thông số của tấm pin năng lượng mặt trời

Hình 4.11: Biểu đồ dòng của 1 tấm pin năng lượng mặt trời

Hình 4.12: Ghép song song 2 tấm pin quang điện trong Matlab Simulink

Hình 4.13: Ghép song song các pin và đặc tuyến V-I

Hình 4.14: Biểu đồ dòng của 2 tấm pin năng lượng mặt trời ghép song song

Hình 4.15: Bộ điều khiển Controller Hình

4.16: Sơ đồ con khối Controller Hình

4.17: Tín hiệu điều khiển Controller Hình

4.18: Bộ điều khiển điện áp DC

Hình 4.19: Tín hiệu i_ac khi qua bộ điều khiển

Hình 4.20: Sơ đồ khối tính trung bình hiệu quả mỗi chu kỳ AC

Hình 4.21: Thông số mỗi chu kỳ AC

Hình 4.22: Sơ đồ hòa đồng bộ không dùng bộ lọc LCL

Hình 4.23: Dạng sóng hòa đồng bộ không dùng bộ lọc LCL

Hình 4.24: Tín hiệu i_ac qua bộ điều khiển khi không dùng bộ lọc LCL

Hình 4.25: Sơ đồ hòa đồng bộ dùng bộ lọc L

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PGS.TS Đặng Đình Thống - Pin mặt trời và ứng dụng- Nhà xuất bản khoa học và

kỹ thuật

[2] R Erickson and A Rogers, “A microinverter for building-integrated

photovoltaics,” in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2009 APEC

2009 Twenty-Fourth Annual IEEE, feb 2009, pp 911 –917.

[3] B Francis and W Wonham, “The internal model principle for linear multivariable

regulators,” J Appl Maths Optim., vol 2, no 2, pp 170 –194, 1975.

[4] H Cha, T.-K Vu, and J.-E Kim, “Design and control of proportional-resonant

controller based photovoltaic power conditioning system,” in Energy Conversion

Congress and Exposition, 2009 ECCE 2009 IEEE, sept 2009, pp 2198 –2205.

[5] A Timbus, M Ciobotaru, R Teodorescu, and F Blaabjerg, “Adaptive resonantcontroller for grid-connected converters in distributed power generation systems,” in

Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2006 APEC ’06 First Annual IEEE, march 2006, p 6 pp.

Twenty-[6] F Schimpf and L Norum, “Effective use of film capacitors in single-phase

pvinverters by active power decoupling,” in IECON 2010 - 36th Annual Conference

on IEEE Industrial Electronics Society, nov 2010, pp 2784 –2789.

[7] T Shimizu, K Wada, and N Nakamura, “Flyback-type single-phase utilityinteractive inverter with power pulsation decoupling on the dc input for an ac

photovoltaic module system,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol 21, no.

5, pp 1264 –1272, sept 2006

[8] A Kotsopoulos, J Duarte, and M Hendrix, “Predictive dc voltage control of

singlephase pv inverters with small dc link capacitance,” in Industrial Electronics,

2003 ISIE ’03 2003 IEEE International Symposium on, vol 2, june 2003, pp 793 –

797 vol 2

[9] Y.-M Chen, H.-C Wu, and Y.-C Chen, “Dc bus regulation strategy for

gridconnected pv power generation system,” in Sustainable Energy Technologies,

2008 ICSET 2008 IEEE International Conference on, nov 2008, pp 437 –442.

[10] T Thacker, R Wang, D Dong, R Burgos, F Wang, and D Boroyevich,

“Phaselocked loops using state variable feedback for single-phase converter systems,”

in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2009 APEC 2009

Twenty-Fourth Annual IEEE, feb 2009, pp 864 –870.

[11] H Cha, T.-K Vu, and J.-E Kim, “Design and control of proportional-resonant

controller based photovoltaic power conditioning system,” in Energy Conversion

Congress and Exposition, 2009 ECCE 2009 IEEE, sept 2009, pp 2198 –2205.

[12] K de Souza, M de Castro, and F Antunes, “A dc/ac converter for single-phase

grid-connected photovoltaic systems,” in IECON 02 [Industrial Electronics Society,

IEEE 2002 28th Annual Conference of the], vol 4, nov 2002, pp 3268 – 3273 vol.4

[13] Electrolytic Capacitors Application Guide-Operational life time section, KEMET

Electronics Corporation, June 2009, avaliable at www.k e met.c o m

[14] Y.-M Chen, H.-C Wu, and Y.-C Chen, “Dc bus regulation strategy forgridconnected

pv power generation system,” in Sustainable Energy Technologies, 2008 ICSET 2008.

IEEE International Conference on, nov 2008, pp 437 –442.

[15] Y.-M Chen, C.-H Chang, and H.-C.Wu, “Dc-link capacitor selections for the singlephase

grid-connected pv system,” in Power Electronics and Drive Systems, 2009 PEDS

2009 International Conference on, nov 2009, pp 72 –77.

[16] “Ieee standard for interconnecting distributed resources with electric powersystems,”

IEEE Std 1547-2003, pp 1 –16, 2003.

[17] “Ieee recommended practices and requirements for harmonic control in electrical

power systems,” IEEE Std 519-1992, p 85, 1993.

Như chúng ta đã biết tuổi thọ của ắc quy không cao tối đa từ 2-3 năm tùy thuộcvào hãng sản xuất và cách sử dụng mà giá thành lại rất đắt, khi không còn sử dụngđược thoải ra ngoài còn gây ô nhiểm môi trường do thành phần chính của ắc quy là chìrất độc chính vì lẻ đó nên để giảm chi phí, tổn hao do sử dụng hệ thống ắc quy lưu trữđiện, cũng như để hệ thống điện mặt trời thực sự thân thiện với môi trường thì ta cầnphải hòa được hệ thống điện mặt trời lên lưới điện.

2 Tính cần thiết

Khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượngtruyền thống như dầu mỏ, than đá… càng dần bị cạn kiệt và trở nên khan hiếm Bêncạnh đó, việc sử dụng những năng lượng truyền thống trên cho thấy những tác độngxấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủngtầng ô zôn… là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên Các khí thải ra

từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, hạn hán, lũ lụt… gây hại cho môitrường sống của con người

Trước tình hình đó, việc phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp ứngnhu cầu sử dụng năng lượng đang dần lớn mạnh hàng ngày, thay thế những nguồnnăng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt trở nên cần thiết đòi hỏi nhiều sựquan tâm

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất màthiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc của cácnguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượngcác dòng sông,… Đó là loại hình năng lượng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu

vực đô thị và các vùng mà điện lưới không vươn đến được (vùng núi, vùng hải đảo haycác công trình ngoài khơi, …) Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác,

sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó,đặc biệt khi tới bề mặt quả đất Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứngdụng [1] nhằm sản xuất và tích trữ năng lượng mặt trời tuy nhiên việc sử dụng nguồnnăng lượng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụngtại chỗ ), năng lượng dư thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (bán trở lại cholưới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện ).Vì vậy, việc nghiêncứu, xây dựng bộ điều khiển thông minh để khai thác năng lượng mặt trời, cung cấpđiện cho phụ tải đồng thời hòa tối ưu nguồn năng lượng này lên lưới điện quốc giađang là một vấn đề cấp thiết

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5.1 Lý thuyết:

- Tìm hiểu và đánh giá một vài phương pháp hoà lưới điện phổ biến hiện nay

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mạch động lực, mạch điều khiển hệ thốngđiện mặt trời nối lưới

Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Thiết kế biến tần kết nối lưới một pha

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển

Chương 4: Mô phỏng hệ thống trong matlab/ simulink

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

8 Kết luận

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành Tác giả xin bày tỏlòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS

NGUYỄN THANH PHƯƠNG Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trường Đại

học Công Nghệ TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình thamgia khóa học Xin chân thành cảm ơn Khoa sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và ngườithân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Do hạn chế về thời gian, trình độ nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót Tác giả rấtmong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng như các đồngnghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!

1.1.1 Biến tần đơn tập trung

Thế hệ đầu tiên của hệ thống PV kết nối lưới là kết nối trực tiếp dùng DC/ACInverter với một loạt các mô đun PV, thể hiện trong hình 1.1 (a) Các mô đun PV đượckết nối theo chuỗi, còn được gọi là chuỗi PV, để cung cấp điện áp đầu ra đủ Các chuỗi

PV sau đó được kết nối song song qua chuỗi điốt để đạt được sản xuất điện năng cao.Trong cấu hình này, biến tần DC/AC dùng để điều khiển, theo dõi điểm công suất cựcđại (MPPT), điều khiển dòng điện và khuếch đại điện áp nếu cần thiết Mặc dù cấuhình là đơn giản, nhưng còn nhiều hạn chế Một trong những hạn chế lớn nhất là thuđược năng lượng thấp khả năng tập trung của MPPT là nhỏ, không phù hợp bảng điềukhiển và xuống cấp Các nhược điểm khác có thể bao gồm mất mát trong chuỗi điốt vàkhông linh hoạt của thiết kế

Các phiên bản sau này đã được phát triển để tách MPPT cho mỗi chuỗi PV,Hình 1.1(b) Các hệ thống được gọi là chuỗi biến tần Nó cung cấp năng lượng thuhoạch cao hơn so với trung chuyển và loại bỏ sự mất mát liên quan đến chuỗi điốt.Mặc dù cấu hình này là thuận lợi trong hai cách nói trên, nhưng mọi người vẫn cốgắng tìm kiếm một thiết kế linh hoạt hơn cho phép họ tạo ra nhà máy điện PV với ítmô-đun và dễ dàng mở rộng hệ thống trong tương lai Vì lý do này, các bộ chuyển đổiDC/DC có thể được kết nối ở giữa các mô đun PV và các bộ chuyển đổi DC/AC đểcung cấp MPPT và khuếch đại điện áp do đó trong mỗi chuỗi sử dụng ít mô-đun PV

Có thể tiếp tục mở rộng hệ thống một cách dễ dàng với sự trợ giúp của bộ chuyển đổiDC/DC

(a) Cấu hình biến tần tập trung (b) Cấu hình biến tần tập trung thu gọn

Hình 1.1: Công nghệ trước đây - Biến tần tập trung

1.1.2 Biến tần hai cấp

Để nâng cao khả năng thu năng lượng và tính linh hoạt thiết kế, riêng bộ chuyểnđổi DC/DC, được kết nối giữa các mô đun PV và Biến tần DC/AC để thực hiện MPPTcho mỗi chuỗi PV thể hiện ở Hình 1.2 Hệ thống thể hiện trong hình 1.2 (a) có PCC ởđầu cuối AC Lợi ích loại hệ thống này từ mô đun của nó và khả năng cài đặt nút và hệthống bởi người dùng sở hữu nhiều kiến thức về hệ thống điện Đầu ra từ bộ chuyểnđổi DC/DC có thể là một điện áp DC có độ gợn sóng thấp, hoặc một dòng điều biếntheo sau một sóng sin điều chỉnh Trong trường hợp thứ hai, bộ chuyển đổi DC/DC xử

lý MPPT và dòng điện đầu ra trong khi bộ biến đổi DC/AC chuyển sang tần số lưới để

mở ra sóng sin điều chỉnh Tham khảo [2] là một ví dụ của cấu hình mở ra Sơ đồ đóngcắt trễ của biến tần DC/AC cho phép sử dụng các thiết bị đóng cắt chậm, BJT Trongtrường hợp đầu ra là một điện áp DC có độ gợn sóng thấp, chuyển đổi DC/DC điềukhiển MPPT và khuếch đại điện thế nếu cần Biến tần DC/AC là một bộ biến dòngnguồn điện áp (VSI) điều khiển thay đổi dòng điện đầu ra và ổn áp VSI, mạch đóngcắt của nó thường sử dụng cấu hình cầu hoặc bán cầu

(a) Biến tần hai cấp PCC tại thiết bị đầu cuối AC (b) biến tần hai cấp PCC tại đầu

vào biến tần DC / ACHình 1.2: Cấu hình biến tần hai cấp

Hệ thống thể hiện trong hình 1.2 (b), nhiều bộ chuyển đổi DC/DC cấp nguồn chomột VSI đơn Bộ chuyển đổi DC/DC điều khiển MPPT và khuếch đại điện thế nếu cầnthiết và trung tâm biến tần DC/AC lại là một VSI điều khiển dòng điện đầu ra và điềuchỉnh điện áp DC trung gian Trong luận văn này, tôi tập trung vào thiết kế VSI củabiến tần DC/AC thường được sử dụng trong các hệ thống biến tần PV hai cấp thể hiệntrong hình 1.2 (a) và 1.2 (b) ở trên

1.2 Các điều kiện hòa đồng bộ

- Điều kiện về tần số : Hai nguồn phải bằng tần số với nhau, hoặc tần số nguồnđiện phải bằng tần số lưới

- Điều kiện về điện áp : Hai nguồn phải cùng điện áp với nhau, hoặc điện áp nguồnphải bằng điệ n áp lưới

- Điều kiện về pha : Hai nguồn phải cùng thứ tự pha nếu số pha lớn hơn 1, và gócpha phải trùng nhau

Ta thấy điều kiện 1 và điều kiện 3 có vẻ như mâu thuẫn với nhau vì nếu muốn chogóc pha của 2 phía trùng nhau thì phải điều chỉnh tần số, mà đã điều chỉnh tần số thìtần số không thể bằng nhau Còn nếu muốn giữ nguyên cho 2 tần số bằng nhau thì khó

có thể điều chỉnh được góc pha Do đó, điều kiện thực tế là :

1.2.1 Điều kiện về tần số

Tần số của 2 nguồn xấp xỉ bằng nhau Sai lệch nằm trong khoảng ∆f cho phép ∆f

này là bao nhiêu tùy thuộc vào việc chỉnh định bộ điều tốc và rơle hòa điện tự động,hoặc rơle chống hòa sai

Thông thường, người ta điều chỉnh sao cho ∆f có trị số > 0 mộ t chú t, nghĩa là tần

số nguồn điện cao hơn tầ n số lưới một chút Như vậy khi hòa vào lưới nguồn điện sẽ

bị tần số lưới giữ lại, nghĩa là nguồn điện sẽ phát một công suất nhỏ ra lưới ngay thờiđiểm đó ng máy cắt

1.2.2 Điều kiện về điện áp

Người ta cũng cho phép điện áp có sai lệch chút ít so với điện áp lưới và người tacũng chỉnh định sao cho điện áp nguồn điện bằng hoặc hơn điện áp lưới một chút đểkhi đóng điện thì công suất vô công của nguồn điện nhỉnh hơn 0 một chút Đối vớiđiện áp thì có thể điều chỉnh cho điện áp nguồn điện bằng điện áp lưới chính xác màkhông có vấn đề gì

1.2.3 Điều kiện về pha

Đây là điều kiện bắt buộc và phải tuyệt đối chính xác Thứ tự pha thường chỉ kiểmtra khi lắp đặt máy hoặc sau khi có thao tác sửa chữa bảo trì mà phải tháo rời các điểmnối Vì phải điều chỉnh tần số nên 2 tầ n số không bằ ng nhau Do đó , góc pha sẽ thayđổi liên tục theo tần số phách bằ ng hiệu củ a 2 tần số Các rơle phải dự đoán chínhxác thời điểm góc pha bằng 0, biết trước thời gian đóng của máy cắt và phải cho ra tínhiệu đóng máy cắt trước thời điểm đồng bộ bằng đúng thời gian đó Thường khoảngdưới 100 ms đến vài trăm ms Các điều kiện về điện áp và điều kiện về tần số có thểkiểm tra bằng các dụng cụ đo trực tiếp như vôn kế, tần số kế nhưng các điều kiện vềpha: thứ tự pha và đồng vị pha (góc lệch pha) cần phải kiể m tra nghiêm ngặt hơn

1.2.4 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới

Đối với các hệ thống phân đoạn, hệ thống lưới mạch vòng, thì đồng vị pha đã đượcxác định ngay khi thiết kế Tuy nhiên do những sai lệch về điện áp giáng trên đườngdây, trên tổng trở ngắn mạch của máy biến áp, do phối hợp các tổng trở các máy biến

áp trong mạch vòng không tốt và do sự phân bố tải trước khi đóng, nên góc pha giữa 2

đầu máy cắt có thể khác 0 Nhưng thường là ít thay đổi trong thời gian ngắn Trongtrường hợp này, đóng máy cắt sẽ không gây ra ảnh hưởng gì lớn, ngoại trừ một vàiđiểm nào đó có khả năng quá tải Đối với một số vùng liên kết với hệ thống lưới bằng

1 đường duy nhất, hoặc nhiều đường nhưng do sự cố đã rã toàn bộ, thì khi đóng lại,góc pha sẽ không còn 0 nữa Khi đó, góc pha sẽ thay đổi liên tục, vì 2 tần số lúc ấy sẽkhông còn bằng nhau Đóng máy cắt lúc đó phải đầy đủ các điều kiện về tần số nhưhòa đồng bộ máy phát điện Và thường rất khó, khó hơn hòa đồng bộ máy phát Vìmuốn thay đổi tần số của một trong 2 hệ thì không thể tác động tại chỗ được, mà phảiliên hệ từ xa Để bảo đảm đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt ấy phải cólắp đặt rơ le hòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai Đối với trường hợp thứ nhất, rơ le

có thể chỉnh định với khoảng cho phép khá rộng: góc pha có thể sai từ 5 đến 10%, điện

áp cho phép sai từ 5 đến 10%.Để hòa nguồn điện từ pin mặt trời vào lưới cũng khôngđơn giản, do điện áp và tần số khó thỏa mãn điều kiện hoà Do vậy, ta không nên hòatrực tiếp, mà hòa điện thông qua bộ nghịch lưu Các bộ nghich lưu ngày nay có thểbiến điện áp 1 chiều từ ắc quy thành nguồn có tần số và điện áp bất kỳ

1.3 Các điều khiển của VSI

Có ba kỹ thuật điều khiển dòng điện đầu ra duy nhất cho một pha VSI: Dải trễ, dựđoán, và điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) Bộ điều khiển trễ truyền thốngthường có một dãy sai số trong một dải cố định Trong bộ điều khiển như vậy, nếudòng điện đầu ra đo được thấp hơn giới hạn dưới của dải trễ của dòng điện chuẩn, cầutăng điện áp ra, tăng dòng điện Ngược lại, khi dòng điện đầu ra cao hơn phía trên giớihạn của dải trễ của dòng điện chuẩn, cầu giảm điện áp ra, giảm dòng điện Loại bộđiều khiển này có ưu điểm là đơn giản và mạnh mẽ, nhưng các sai số dải cố định sẽgây ra tần số chuyển đổi khác nhau liên tục, có thể làm tăng sự phức tạp của việc thiết

kế các bộ lọc đầu ra và các bồn hứng nhiệt của các thiết bị chuyển mạch Bộ điềukhiển dự đoán tính toán điện áp đầu ra của cầu cần thiết để đo dòng điện ra theo trị sốchuẩn Loại điều khiển này mang lại tiềm năng để điều khiển dòng điện với độ méonhỏ Tuy nhiên, bộ điều khiển yêu cầu tính toán phức tạp và đòi hỏi một kiến thức rấtchính xác về hệ thống tham số toán học

Hình 1.3: Công suất ra tức thời của một bộ biến tần đơn tại hệ số dịch chuyển

đơn vịKiểm soát SPWM có lịch sử lâu dài và dễ thực hiện phương pháp kiểm soátSPWM truyền thống sử dụng bộ bù tỉ lệ thuận (PI) trong phản hồi vòng lặp để điềuchỉnh dòng điện ra Tuy nhiên, trong khi bộ bù PI có hiệu suất cao về điều chỉnh sốlượng DC, theo dòng điện dạng sin chuẩn dẫn đến cường độ trạng thái ổn định và lỗipha Sau đó, trong hai thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã khám phá việc sử dụng bộđiều khiển cộng hưởng tỷ lệ thuận (PR), trong khi có thể cung cấp "Vô hạn" dao độngđạt được ở tần số của tín hiệu tham chiếu Bộ điều khiển PR, dựa trên "nguyên tắc môhình nội bộ" đầu tiên được đề xuất bởi Francis và Wonham [3], có khả năng loại trừcác lỗi trạng thái ổn định khi theo dõi một sóng dạng sin và thường được sử dụngtrong các hệ thống biến tần đơn pha [4,5] Luận án này tận dụng bộ bù PR và thực hiện

bộ điều khiển dòng sử dụng lý thuyết điều khiển SPWM

1.4 Giảm kích thước của tụ điện DC

Một trong những thách thức khi thiết kế các VSI một pha cho ứng dụng PV là sựlựa chọn tụ điện liên kết DC Công suất ra tức thời của một biến tần đơn được thể hiệntrong hình 1.3, trong đó có một tần số cố định và một đôi dòng thành phần điện Do

đó, liên kết DC chứa xung điện với hai lần tần số lưới điện Thông thường, các tụ điệnđiện phân lớn được kết nối với liên kết DC để hấp thụ xung điện này để các điện áp

DC có gợn sóng nhỏ Tuy nhiên, hầu hết mô đun PV sản xuất cung cấp đảm bảo 25năm trên 80% hiệu quả ban đầu và năm năm bảo hành về vật liệu và tay nghề Do đó,các tụ điện điện phân với điện dung lớn không thể được sử dụng trong các ứng dụng

PV vì tuổi thọ ngắn của chúng Nhiều kỹ thuật đã được đề xuất để giảm kích thước của

tụ điện DC-liên kết trong khi duy trì chất lượng điện năng biến tần tốt để có thể sửdụng tụ điện loại đáng tin cậy hơn

Mạch táchHình 1.4: Ví dụ về mạch tách công suất tác dụng được dùngCác phương pháp như [6] và [7] sử dụng một mạch phụ để lưu thông tần số képcông suất gợn sóng Hình 1.4 là một ví dụ thể hiện trong [7], nơi có hai chiều bộchuyển đổi DC/DC được sử dụng như mạch tách và phép tách tụ điện để chứa mộtthành phần gợn sóng lớn Ngoài thực tế là mạch phụ sẽ làm tăng tổn thất năng lượng,cuộn cảm và kích thước tụ điện được sử dụng trong mạch phụ phải đủ lớn Trong khi

đó, các thiết bị chuyển mạch được sử dụng trong các mạch phụ phải so sánh công suấtvới mức chuyển mạch nguồn điện chính Vì vậy, mặc dù các phương pháp như vậy cóthể giải quyết được vấn đề độ gợn sóng của tần số kép, chúng không phải là khả thigiải pháp xem xét thêm chi phí và mất năng lượng liên quan đến việc giới thiệu cácmạch phụ hỗ trợ Các phương pháp khác [8] và [9] sử dụng các phương pháp kiểmsoát như dự đoán và dãi trễ trên điện áp liên kết DC Cả hai phương pháp có thể "trungbình" ra độ gợn sóng của tần số kép bởi chỉ lấy mẫu DC-liên kết điện áp mỗi chu kỳ

AC như vậy rằng sản lượng dòng điện sẽ ở lại không bị ảnh hưởng bởi các thành phầngợn lớn Luận án này sử dụng một rảnh lọc trong vòng điều khiển để tính trung bình ratần số dòng đôi xuất hiện trên điện áp liên kết DC Có thể tìm thấy một phân tích chitiết về tụ điện DC liên kết trong Mục 2.3

1.5 Kỹ thuật đồng bộ hóa lưới

Một phương pháp đồng bộ hóa lưới thông thường cho biến tần DC/AC được kếtnối lưới là nhân đôi điện áp lưới sao cho dòng đầu ra tham chiếu có cùng pha như điện

áp lưới [12] Trong khi phương pháp này đơn giản, nó mang độ méo và chuyển tiếp từlưới tới dòng đầu ra, điều không mong muốn đối với các ứng dụng kết nối lưới Ngoài

ra, phương pháp đồng bộ hóa lưới này không thể cung cấp biến tần có khả năng kiểmsoát dòng điện

phản kháng

Vòng khóa pha (PLL) thường được sử dụng trong lưới pha đơn được kết nối biếntần Khung PLL cố định chỉ lấy điện áp lưới làm đầu vào và không yêu cầu tín hiệu bổsung Khung PLL cố định điển hình sử dụng một hệ số sin máy dò pha (PD), bộ lọcvòng lặp (LF) và bộ dao động điều khiển điện áp (VCO) Tài liệu tham khảo [10] đãsửa đổi các khung PLL cố định với các điều khoản phản hồi trạng thái bổ sung Cácđiều khoản phản hồi này làm tăng tốc độ đồng bộ hóa, cải thiện khả năng nhiễu và loại

bỏ cụm từ gợn sóng tần số kép được tạo ra từ PD

Khung đồng bộ (dq) PLL cũng thường được sử dụng trong lưới điện hiện đại đượckết nối biến tần Các loại hệ thống này chuyển đổi điện áp lưới dao động và mô phỏngcủa nó thành phần (αβ) vuông góc với các đại lượng DC (dq) sử dụng biến đổi αβ - dq.Sau đó, một PI điều chỉnh có thể được sử dụng để điều chỉnh Vd hoặc Vq bằng 0 đểpha của d hoặc thành phần q có thể bị khóa Các phương thức tạo thành phần vuônggóc khác nhau Trong [11], một bộ lọc thông qua được sử dụng trên đầu vào để điện áppha của lưới bị trễ 90◦ Tuy nhiên, bộ lọc thông qua tất cả cũng sẽ mang độ méo từ đầuvào tạo ra thành phần vuông góc thứ hai trên bộ tích hợp tổng quát (SOGI) Cấu trúcnày lọc ra hiệu quả cao biến dạng tần số đầu vào và thành phần vuông góc của chúngđược biến đổi thành αβ - dq Các khung đồng bộ PLL, mặc dù không được chỉ định rõràng, nhưng có khả năng cung cấp đủ thông tin pha cho bộ điều khiển tạo ra dòng điệnphản kháng chuẩn Điều này có hiệu quả cho phép biến tần có khả năng kiểm soátdòng điện phản kháng Mặc dù loại PLL này có ưu điểm như nói trên, nhưng quá trìnhthực hiện của nó có thể phức tạp do sự cần thiết để tạo ra các thành phần vuông gócvới nhau và các phép toán

sin và cos trong biến đổi αβ - dq.

Luận văn này đề xuất một phương pháp đồng bộ hóa lưới mà cả thành phần songsong và thành phần vuông góc từ điện áp lưới ít phức tạp trong khi lọc hoàn toàn cácbiến dạng lưới Bộ đồng bộ lưới dễ thực hiện và cung cấp biến tần có khả năng điềukhiển việc tạo ra năng lượng phản kháng cái mà cần thiết cho sự chuyển đổi khung dq

1.6 Mục tiêu

Mục tiêu của luận văn này như sau:

• Đảm bảo điện áp ở phía DC của VSI và dòng điện đầu ra tốt được điều chỉnh bằngcách chọn cấu trúc liên kết biến tần thích hợp, cấu hình bộ lọc đầu ra và các phươngpháp điều khiển thích hợp

• Dòng đầu ra phải đáp ứng tiêu chuẩn gắn với PV 3 pha lớn hơn biến tần như được trình bày trong IEEE-1547 Điều này sẽ cho phép tuân thủ mã lưới nếu số biến tần lớnđược nhóm lại với nhau và lưới được giao tiếp tại cùng một PCC

• Sử dụng các thành phần lưu trữ năng lượng đáng tin cậy cao (ví dụ: tụ điện phim) đểtăng tuổi thọ của biến tần theo cách chi phí thấp

• Giới thiệu một phương pháp đồng bộ lưới mới cho phép biến tần điều khiển việc tạo

ra công suất phản kháng với công suất nhỏ

• Khai thác MOSFET thế hệ mới và MCU chi phí thấp để tối đa hóa tần số chuyển đổi

và giảm kích thước và chi phí bộ lọc đầu ra

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI MỘT PHA

Trong chương này, thiết kế tầng công suất của biến tần PV một pha được mô tảnhư Hình 2.1 Thứ nhất, các thông số kỹ thuật thiết kế biến tần được đưa ra Thứ hai,dựa trên các thông số kỹ thuật, lựa chọn sơ đồ chuyển mạch được mô tả ngắn gọn Thứ

ba, lựa chọn tụ điện liên kết DC được thảo luận dựa trên tuổi thọ và kích thước của nó.Theo đây, các phương trình thiết kế trên điện dung liên kết DC được phát triển dựatrên sự cân bằng năng lượng và điện áp gợn sóng tần số kép Cuối cùng, hướng dẫnthiết kế cho bộ lọc đầu ra được thảo luận dựa trên tiêu chuẩn IEEE-1547 và cấu hình

bộ lọc được mô tả

2.1 Thông số kỹ thuật biến tần

Các thông số cơ bản cho thiết kế biến tần được liệt kê trong Bảng 2.1.Kể từ khi thiết kế chủ yếu tập trung vào điều khiển và phương pháp đồng bộ hóa lưới của biến tần, mục tiêu hiệu quả của biến tần không được chỉ định bởi vì nó nằm ngoài phạm vi.Mặc dù tối đa hóa hiệu quả không phải là trọng tâm của công việc này, nhưng tổn thấtvẫn được cân nhắc như một lựa chọn chuyển đổi khả thi

Ngoài ra, Hình 2.2 minh họa dạng sóng chung của điện áp liên kết DC

Hình 2.1: Cấu hình mức công suất của biến tần PV một pha điện áp định mức liên kết

DC và thành phần gợn sóng

ra sự hao hụt đóng cắt quá mức.

Hình 2.2: Dạng sóng điện áp liên kết DC chungNgoài ra, thể hiện trong hình 2.3 (d), sử dụng sơ đồ đóng cắt điện áp đơn cực kếtquả làm di chuyển sóng hoài lớn đầu tiên của điện áp cầu đầu ra từ thứ tự ��� − 1 đếnthứ tự của 2��� − 1, trong đó ��� là tỷ lệ điều chế tần số - tỷ số giữa tần số đóng cắt và

tần số cơ bản do đó làm giảm kích thước của bộ lọc đầu ra Kể từ cấu hình cầu đầy đủ

này với sơ đồ chuyển đổi điện áp đơn cực SPWM thường được sử dụng trong biến tần nguồn điện áp

2.3.1 Tụ điện phân so với tụ phim

Tụ điện liên kết DC rất quan trọng cho việc cách ly nguồn giữa công suất đầu vàovới biến tần và công suất đầu ra của chúng tới lưới điện Thông thường, tụ điện phânđược sử dụng cho điện dung lớn và chi phí thấp Tuy nhiên, trong các ứng dụng PV,nơi biến tần thường tiếp xúc với nhiệt độ ngoài trời, như vậy tuổi thọ của tụ điện phânđược rút ngắn đáng kể theo phương trình dưới đây:

(a) Cấu hình cầu đầy đủ

(b) Sơ đồ đóng cắt SPWM đơn cực

c) Dạng sóng của điện áp đầu ra cầu

(d) Sóng hài trên phổ tần số được chỉ địnhHình 2.3: Cấu hình cầu đầy đủ với sơ đồ đóng cắt điện áp đơn cực PWM

trong bảng dữ liệu) Thông thường, ��� (0) nằm giữa 3000 giờ đến 6000 giờ (8tháng

đến 16 tháng) ở 85 ºC cho tụ điện phân với điện áp định mức trên 400V [13]

Trong các ứng dụng PV, vì hầu hết các nhà sản xuất mô-đun PV cung cấp bảo hành

25 năm trên 80% hiệu quả ban đầu và năm năm bảo hành về vật liệu và tay nghề, tuổithọ của các tụ điện đã trở thành một thành phần hạn chế chính bên trong một biến tần

PV Tụ phim rõ ràng là một lựa chọn kéo dài tuổi thọ và nới rộng nhiệt độ làm việc.Thật không may, tụ điện phim có chi phí đắt hơn rất nhiều so với tụ điện phân, do đókích thước của điện dung phải nhỏ hơn để có thể chấp nhận giá của tụ điện được Tuynhiên, điện dung nhỏ hơn sẽ làm suy yếu khả năng cách ly của tụ điện liên kết DC và

có thể gây ra biến động điện áp liên kết DC dẫn đến sự biến dạng của dòng đầu ra biếntần tới lưới

Có hai yếu tố có thể gây ra các biến thể điện áp liên kết DC không mong muốn.Đầu tiên, có thể được gọi là dao động DC tạm thời do tốc độ nhanh chóng gây ratăng/giảm công suất đầu vào chảy vào tụ điện liên kết DC Chất lượng của đầu ra dòngđiện có thể được tối ưu hóa bằng cách sử dụng một bộ điều khiển dòng điện nhanhhoặc bởi một phương pháp điều chỉnh dòng tối ưu được nêu trong [14] và [15] Tuynhiên, trong ứng dụng PV, khả năng biến đổi công suất đầu vào DC nhanh chóng là rất

ít do bản chất của mặt trời cũng như khả năng xử lý trễ của MPPT trong bộ chuyển đổiDC/DC phía trước Do đó, dao động DC tạm thời không phải là mối lo ngại lớn khithiết kế VSI cho ứng dụng PV Yếu tố thứ hai, có thể được gọi là dao động AC củaliên kết điện áp DC được gây ra bởi thành phần gợn sóng tần số kép từ lưới điện (thamkhảo công thức (2.4)) Thành phần gợn sóng tần số kép này có thể ghép đôi thông quavòng điều khiển điện áp DC để gây ra độ méo đáng kể trên tín hiệu dòng điện thamchiếu

Vì vậy, các phương pháp cần phải được thực hiện sao cho dòng đầu ra biến tầnkhông ảnh hưởng đến gợn sóng tần số kép trên điện áp liên kết DC Bộ lọc notch hoặc

bộ lọc trung bình có thể được áp dụng cho tín hiệu phản hồi của điện áp liên kết DCtrong điều khiển vòng lặp điện áp, để thành phần gợn sóng tần số dòng kép này đượclọc ra trước khi nhập vào bộ điều khiển điện áp Điều này ngăn cản số lượng dòng điệnkhông bị biến dạng được tạo ra từ vòng điều khiển điện áp DC Hơn nữa, ta có thể sử

Trong luận văn này, một bộ lọc notch được sử dụng trong vòng điều khiển điện áp

DC để giữ dòng điện đầu ra từ sự biến dạng gây ra bởi điện áp gợn sóng tần số kép.kết quả là biến tần có dung sai tương đối lớn làm xuất hiện tín hiệu gợn sóng điện áptrên liên kết DC, do đó một tụ điện phim có điện dung tương đối nhỏ có thể được sửdụng để giữ cho tụ điện liên kết DC ở mức giá chấp nhận được

2.3.2 Xác định kích thước tụ điện liên kết DC

Để giới hạn độ lớn của điện áp gợn sóng tần số kép đến mức được chỉ định, tụ điệnliên kết DC có kích thước theo các phương trình sau:

Giả sử điện áp lưới và dòng điện lưới là:

𝑣� (t) = �̂� cos(ω� �) (2.2)

��� (t) = �̂� cos(ω� � − ϕ) (2.3)Sau đó, công suất đầu ra tức thời có thể dễ dàng thu được như sau:

Điều này có thể được viết lại là:

���� (t) = Scos𝜑 + Scos(2ω� � − ϕ)

(2.5)Trong đó S là công suất biểu kiến có đơn vị VA Sau đó giả định (i) công suất tức thờiđầu vào bằng với công suất tức thời ra của biến tần, (ii) Bộ lọc đầu ra điện dung DC đểlọc các thành phần tần số chuyển đổi cao trong dòng điện DC ���� (t) và (iii) liên kết

DC có điện áp danh định V�

� 𝑖 (t) ≅ Scos𝜑 + Scos(2ω � − ϕ) (2.6)

V�� �� �

���� (t) có thể được tách thành một thành phần DC, ���� và một thành phần AC, ���� , tín

hiệu gợn sóng (t)

Sau đó, thành phần tần số kép có thể được trích xuất sao cho:

� 𝑖 (t) = Scos(2ω � − ϕ) (2.7)

V�� ��,������ �

Hình 2.4: Bộ lọc LCL đầu ra của biến tần

2.4.1 Tính toán lựa chọn giá trị cho cuộn dây và tụ điện

- Lựa chọn cuộn dây:

Giả sử công suất ngõ ra (POUT) bằng công suất ngõ vào, dòng điện trung bình qua

�4

=

�3

 −sin( 3 )

𝐴 � 2����

Độ gợn sóng của điện áp trên tụ C1, C2 là bằng nhau và bằng tụ C3 trong điều kiện các tụ có cùng điện dung Do đó, điện dung của tụ C1, C2 sẽ được lựa chọn lớn hơn hoặc bằng điện dung của tụ C3.

Điện dung của tụ điện C3 có thể được xác định dựa vào độ gợn sóng của điện áp

trên tụ, độ gợn sóng điện áp trên tụ càng nhỏ thì hiệu năng của tụ càng cao