Nghiên cứu xác định và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới dùng thuật toán mờ​

LỜI CẢM ƠNSau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu xác định và duy trì điểm làm v

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐINH PHƯƠNG THÙY

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐINH PHƯƠNG THÙY

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Đinh Phương Thùy

Đề tài luận văn: Nghiên cứu xác định và duy trì điểm làm việc có công

suất cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới dùng thuật toán mờ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8.52.02.01

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhậntác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày03/10/2020 với các nội dung sau:

- Sửa sai sót về lỗi chính tả, lỗi chế bản, phần trích tài liệu tham khảo

- Chú thích đầy đủ trên hình vẽ, chỉnh sửa và bổ sung

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2020

Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Ngô Đức Minh

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đinh Phương Thùy

Sinh ngày: 14/09/1984

Học viên lớp cao học: Khóa 21 - Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ thuậtCông nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Lào Cai

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu xác định và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới dùng

thuật toán mờ” do PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu

của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Thái Nguyên, Ngày 15 tháng 10 năm 2020

Tác giả luận văn

Đinh Phương Thùy

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn

tận tình của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu xác định và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống điện

mặt trời nối lưới dùng thuật toán mờ” đã hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm,động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Thái Nguyên, Ngày 15 tháng 10 năm 2020

Tác giả luận văn

Đinh Phương Thùy

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

3 Mục tiêu nghiên cứu 2

4 Đối tượng nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Bố cục luận văn 3

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 4

1.1 LOGIC MỜ 4

1.2 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ MỘT CHIỀU – MỘT CHIỀU (DC-DC) 10

1.2.1 Chức năng bộ biến đổi DC-DC 10

1.2.2 Bộ biến đổi DC - DC không cách li 10

1.2.3 Bộ biến đổi DC - DC có cách ly 16

1.2.4 Điều khiển bộ biến đổi DC - DC 17

1.3 BIẾN ĐỔI DC-AC (Inverter) 18

1.3.1 Các phép chuyển đổi 18

1.3.2 Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) 22

1.3.3 Điều khiển chuyển đổi DC - AC 25

1.4 VẤN ĐỀ HÒA NGUỒN ĐIỆN VỚI LƯỚI 28

1.4.1 Các điều kiện hòa đồng bộ 29

1.4.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới 30

iv

1.5 Kết luận chương 1 31

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 32

2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 32

2.1.1 Cấu trúc của mặt trời 32

2.1.2 Năng lượng mặt trời 33

2.1.3 Phổ bức xạ mặt trời 34

2.1.4 Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất 36

2.2 KHAI THÁC, SỬ DỤNG TRỰC TIẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 42 2.2.1 Thiết bị sấy khô dùng NLMT 44

2.2.2 Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT 44

2.2.3 Động cơ stirling chạy bằng NLMT 45

2.2.4 Bếp nấu dùng NLMT 45

2.2.5 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời 46

2.2.6 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT 47

2.2.7 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời 48

2.3 PIN MẶT TRỜI 49

2.3.1 Khái niệm 49

2.3.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời 50

2.4 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 53

2.4.1 Ý nghĩa hệ thống điện mặt trời 53

2.4.2 Hệ thống điện mặt trời làm việc độc lập 54

2.4.3 Hệ thống điện mặt trời nối lưới 54

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 56

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI DÙNG THUẬT TOÁN MỜ 57

3.1 Ý NGHĨA VIỆC XÁC ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) 57

3.2 MỘT SỐ THUẬT TOÁN MPPT THÔNG DỤNG 59

3.2.1 Thuật toán điện áp không đổi (CV – Constant Voltage) 59

3.2.2 Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) 60

3.2.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance) 60

3.2.4 Thuật toán điện dung ký sinh (PC – ParasiticCapacitance) 61

3.3 MPPT SỬ DỤNG LOGIC MỜ 62

3.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 64

3.4.1 Sơ đồ và kịch bản mô phỏng 64

3.4.2 Kết quả mô phỏng 66

3.4.3 Nhận xét 68

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

1 Kết luận 69

2 Kiến nghị 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

5 DC-DC Bộ biến đổi một chiều- một chiểu

6 DC-AC Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều

8 MPPT Maximum Power Point Tracking

10 CB- PWM Carrier Based Pulse With

12 SVM Space vector Modulation

PV Điện áp và dòng điện của dàn pin mặt trời

20 q Điện tích của điện tử; q= 1,6.10-19 (C)

22 TC Nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K)

23 ID, UD Dòng điện (A), điện áp trên diode (V)

24 ISC (Short circuit current): Dòng điện ngắn mạch

của PV

25 UOC Điện áp hở mạch của Pin mặt trời

26 G Bức xạ mặt trời (Kw/m2)

28 Ton Thời gian khóa K mở

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng 35

Bảng 2 2: Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời 36

Bảng 3 1: Thông số của tấm pin mặt trời 65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Độ cao, miền xác định, miền tin cậy của tập mờ 4

Hình 1 2: Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ 5

Hình 1 3: Hợp hai tập mờ có cùng tập vũ trụ 6

Hình 1 4: Giao hai tập mờ có cùng tập vũ trũ 6

Hình 1 5: Tập bù của tập mờ A 7

Hình 1 6: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 8

Hình 1 7: Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ 9

Hình 1 8: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck 11

Hình 1 9: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 12

Hình 1 10: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost 13

Hình 1 11: Sơ đồ biến đổi Cuk 14

Hình 1 12: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thông dòng 14

Hình 1 13: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng 15

Hình 1 14: Bộ chuyển đổi DC- DC có cách ly 16

Hình 1 15: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 17

Hình 1 16: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 18

Hình 1 17: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ 19

Hình 1 18: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq 20

Hình 1 19: Cấu trúc của SOGI 22

Hình 1 20: Điều chế độ rộng xung dựa trên song mang hình sin 24

Hình 1 21: Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra 24

Hình 2 1: Cấu trúc của mặt trời 33

Hình 2 2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 34

Hình 2 3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) 37

Hình 2 4: Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển 38

Hình 2.5: Định nghĩa và cách xác định air mass 41

Hình 2 6: Lò sấy sử dụng NLMT 44

Hình 2.7: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 44

x

Hình 2 8: Động cơ stirling chạy bằng NLMT 45

Hình 2 9: Bếp nấu dùng NLMT 46

Hình 2 10: Bình nước nóng Thái Dương Năng 47

Hình 2 11: Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT 47

Hình 2 12: Tháp năng lượng mặt trời và nhà máy điện mặt trời 48

Hình 2.13: Mạch tương đương của module PV 51

Hình 2 14: Quan hệ I(U) và P(U) của PV 52

Hình 2 15: Các họ đặc tính của PV 52

Hình 2 16: Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều 54

Hình 2 17: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới 55

Hình 3 1: Quan hệ I(U) và P(U) của PV 57

Hình 3 2: Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời 58

Hình 3 3: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng MPP 58

Hình 3 4: Quan hệ P(U) của tấm pin PV 59

Hình 3 5: Lưu đồ thuật toán P&O 60

Hình 3 6: Lưu đồ thuật toán INC 61

Hình 3 7: Quan hệ P-U của tấm PV 62

Hình 3 8: Hàm liên thuộc của các tập mờ đầu vào (E, DE) 63

Hình 3 9: Hàm liên thuộc đầu ra (D) 64

Hình 3 10: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới 65

Hình 3 11: Điện áp UDC-bus khi nhiệt độ hằng 66

Hình 3 12: Điện áp UDC-bus khi nhiệt độ thay đổi 67

Hình 3 13: Công suất tấm PV và công suất Inverter bơm vào lưới khi nhiệt độ hằng 67

Hình 3 14: Đường cong điện áp và dòng điện 1pha của Inverter 67

Hình 3 15: Đường cong điện áp và dòng điện 3pha của Inverter 68

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng tái tạo tiêu biểu là năng lượng gió và năng lượng mặt trời lànguồn năng lượng sạch và vô hạn mà thiên nhiên ban tặng cho con người ViệtNam với lợi thế là một trong những nước nằm trong dải phân bổ ánh nắng mặt trờinhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ của thế giới, với bờ biển dài hơn3.000km và lượng gió tại nhiều vùng miền rất dồi dào, chúng ta cần nghiên cứu,tiếp cận những công nghệ mới hơn, hiện đại hơn để đưa chúng trở thành nguồncung cấp năng lượng chính trong tương lai

Nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng phong phú, xanh, sạch,thân thiện với môi trường, nó có thể áp dụng ở bất cứ nơi nào miễn nơi đó có ánhsáng mặt trời Chi phí thực hiện nguồn năng lượng này đang được giảm nhanhchóng và dự kiến sẽ tiếp tục giảm trong những năm tiếp theo do đó nó thực sự làmột năng lượng tương lai đầy hứa hẹn cho cả khả năng phát triển kinh tế và môitrường bền vững Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng táitạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông…Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượngnày cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặtquả đất

Xu hướng khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu hiện nay

là chuyển chúng thành điện năng làm việc độc lập, hòa vào lưới điện cục bộ (vilưới) hoặc hòa lưới điện quốc gia Do đặc điểm nguồn năng lượng gió và mặt trờiluôn luôn thay đổi theo thời gian trong ngày, theo mùa… nên việc xác định và duytrì điểm làm việc tối ưu cho chúng tại mỗi thời điểm là rất cần thiết

Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng cấu trúc hệ thống điện mặt trời nốilưới phân phối 3 pha và các giải pháp xác định và duy trì điểm làm việc có côngsuất cực đại cho hệ thống

1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), Nguồnnăng lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC)bởi bộ nghịch lưu Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến phụtải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình Đồng thời điệnnăng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơntiền điện

Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệthống lưới điện thông minh (Smart Grid System) Đem lại hiệu quả to lớn trongviệc khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch; Ứng dụng tại cácnhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tư liệu phục vụ cho côngtác học tập và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác

3 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới; đề xuất thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại trên cơ sở logic mờ

4 Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu nguồn năng lượng mặt trời: Phương pháp sản xuất, sử

dụng và hòa lưới

- Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệthống điện mặt trời nối lưới

5 Phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình

nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyênngành… từ đó đề xuất giải pháp cho vấn bài toán cụ thể của đề tài

+ Mô hình hóa và mô phỏng: để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết

6 Bố cục luận văn

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

 Chương 1: Lý thuyết tống quan đề cập tổng quan một số kiến thức cơ sở

được sử dụng trong luận văn như logic mờ; các bộ biến đổi một chiều - một chiều, biến đổi một chiều - xoay chiều; các phương pháp điều khiển bộ biến đổi

DC-DC và DC-AC; phương pháp chuyến đổi hệ trục tọa độ; phương pháp điều chế độ rộng xung

 Chương 2: Hệ thống điện mặt trời trình bày tổng quan về năng lượng mặt

trời, đặc điểm của bức xạ mặt trời; tổng kết các phương pháp khai thác sử dụng năng lượng mặt trời truyền thống; cấu tạo, đặc điểm, đặc tính của pin mặt trời; cấu trúc, các yêu cầu điều khiển hệ thống điện mặt trời làm việc độc lập và nối lưới

 Chương 3: Điều khiển bám điểm làm việc tối ưu của hệ thống điện mặt trời nối lưới dùng thuật toán mờ trình bày ý nghĩa và nguyên tắc xác định

điểm làm việc tối ưu của hệ thống điện mặt trời; một số thuật toán xác định vàduy trì điểm làm việc tối ưu thông dụng; xây dựng thuật toán mờ duy trì chế độlàm việc tối ưu hệ thống điện mặt trời nối lưới; mô hình hóa, mô phỏng cho một

CHƯƠNG 1:

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN1.1 LOGIC MỜ

Năm 1965, Giáo sư Lofti A Zadeh ở trường đại học Califonia - Mỹ đãcho ra đời một lý thuyết mới đó là lý thuyết tập mờ (Fuzzy set theory) Côngtrình này thực sự đã khai sinh một ngành khoa học mới là lý thuyết tập mờ và đãnhanh chóng được các nhà nghiên cứu công nghệ mới chấp nhận ý tưởng Lýthuyết tập mờ ngày càng phong phú và hoàn chỉnh, đã tạo nền vững chắc để pháttriển logic mờ Có thể nói logic mờ (Fuzzy logic) là nền tảng để xây dựng các hệ

mờ thực tiển, ví dụ trong công nghiệp sản xuất xi măng, sản xuất điện năng, các

hệ chuyên gia trong y học giúp chuẩn đoán và điều trị bệnh, các hệ chuyên giatrong xử lý tiếng nói, nhận dạng hình ảnh Trong phần này, tác giả xin giới thiệu

sơ lược nhất về logic mờ

Tập mờ B xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nóđược biểu diễn bởi một cặp giá trị (x, µB(x)) Trong đó x M, µB(x) là ánh xạ.Ánh xạ µB(x) được gọi là hàm liên thuộc của tập mờ B Tập kinh điển Mgọi là cơ sở của tập mờ B

Các thông số đặc trưng cho tập mờ là độ cao, miền xác định và miền tincậy (hình 1.1)

Hình 1 1: Độ cao, miền xác định, miền tin cậy của tập mờ

+ Độ cao của một tập mờ B (Định nghĩa trên cơ sở M) là giá trị lớn nhất

trong các giá trị của hàm liên thuộc:

+ Miền xác định của tập mờ B (Định nghĩa trên cơ sở M) được ký hiệu bởi

S là tập con của M có giá trị hàm liên thuộc khác không:

+ Miền tin cậy của tập mờ B (Định nghĩa trên cơ sở M) được ký hiệu bởi T,

là tập con của M có giá trị hàm liên thuộc bằng 1:

Có rất nhiều cách khác nhau để biểu diễn hàm liên thuộc của tập mờ.Dưới đây là một số dạng hàm liên thuộc thông dụng:

+ Hàm liên thuộc hình tam giác (hình 1.2a)

+ Hàm liên thuộc hình thang (hình 1.2b)

+ Hàm liên thuộc dạng Gauss (hình 1.2c)

+ Hàm liên thuộc dạng Sign (hình 1.2d)

+ Hàm Sigmoidal (hình 1.2e)

+ Hàm hình chuông (hình 1.2f)

Hình 1 2: Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ

Trên tập mờ có 3 phép toán cơ bản là phép hợp, phép giao và phép bù

- Phép hợp của hai tập mờ.

Cho tập mờ A, B trên tập vũ trụ X, tập mờ hợp của A và B là một tập mờ,

5

- Phép giao của hai tập mờ.

Cho tập mờ A, B trên tập vũ trụ X, tập mờ giao của A và B cũng là một tập

mờ, ký hiệu là I = A B.

Theo phép giao chuẩn ta có 1 (x) từ các hàm thành viên A (x), B (x):

Hình 1 4: Giao hai tập mờ có cùng tập vũ trũ

Một cách tổng quát ta dùng hàm giao i: Hàm thành viên 1 (x) có thể được suy từ hàm thành viên A (x), B (x) như sau:

- Phép bù của một tập mờ.

Cho tập mờ A trên tập vũ trụ X, tập mờ bù của A là tập mờ , hàm thuộc

Một biến ngôn ngữ thường bao gồm 4 thông số: X, T, U, M Với:

+ X: Tên của biến ngôn ngữ

+ T: Tập của các giá trị ngôn ngữ

+ U: Không gian nền mà trên đó biến ngôn ngữ X nhận các giá trị rõ+ M: Chỉ ra sự phân bố của T trên U

- Xét hai biến ngôn ngữ  và  Biếnnhận giá trị (mờ) A có hàm liênthuộc A(x) và  nhận giá trị (mờ) B có hàm liên thuộc B(y) thì hai biểu

thức:  A;  B được gọi là hai mệnh đề

Luật điều khiển: nếu = A thì = B được gọi là mệnh đề hợp thành

- Xét mệnh đề hợp thành: nếu = A thì = B; trong kỹ thuật điều khiển ta

thường sử dụng nguyên tắc của Mamdani “Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc của điều kiện” Từ nguyên tắc đó ta có hai công thức

xác định hàm liên thuộc cho mệnh đề hợp thành A  B:

- Công thức MINAB(x, y) = MIN {A(x)B(y)}

7

- Công thức PROD: AB(x, y) = A(x)B(y)

- Luật hợp thành là tên chung gọi mô hình R biểu diễn (một hay nhiều)hàm liên thuộc B(x,y) cho (một hay nhiều) mệnh đề hợp thành AB

Một luật hợp thành chỉ có 1 mệnh đề hợp thành gọi là luật hợp thành đơn,

có từ 2 mệnh đề hợp thành trở lên gọi là luật hợp thành phức

+ Cấu trúc SISO là cấu trúc trong đó luật hợp thành có các mệnh đề điều

kiện và mệnh đề kết luận là các mệnh đề đơn

+ Cấu trúc MISO là cấu trúc trong đó luật hợp thành có các mệnh đề

điều kiện là mệnh đề phức và mệnh đề kết luận là mệnh đề đơn

Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 khối cơ bản: Khối mờ hoá, thiết bị hợp thành và khối giải mờ Ngoài ra còn có khối giao diện vào và giao diện ra

Hình 1 6: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

- Khối mờ hoá: Có chức năng chuyển mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữđầu vào thành véc tơ µ có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào

- Thiết bị hợp thành: Có bản chất của nó sự triển khai luật hợp thành Rđược xây dựng trên cơ sở luật điều khiển

- Khối giải mờ: Có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y0

(ứng với mỗi giá trị rõ x0 để điều khiển đối tượng

- Giao diện đầu vào: Thực hiện việc tổng hợp và chuyển đổi tín hiệu vào(từ tương tự sang số), ngoài ra còn có thể có thêm các khâu phụ trợ để thực hiệnbài toán động như tích phân, vi phân,

- Giao diện đầu ra: Thực hiện chuyển đổi tín hiệu ra (từ số sang tương tự)

để điều khiển đối tượng

Bộ điều khiển mờ được phân loại như sau:

- Theo số lượng đầu vào và đầu ra:

+ Bộ điều khiển mờ “Một vào - một ra” (SISO);

+ Bộ điều khiển mờ “Nhiều vào - một ra” (MISO);

+ Bộ điều khiển mờ “Nhiều vào - nhiều ra” (MIMO); - Theo bản chất của tín hiệu đưa vào bộ điều khiển:

+ Bộ điều khiển mờ tĩnh

+ Bộ điều khiển mờ động

Cấu trúc tổng quát của một hệ điều khiển mờ được chỉ ra trên hình 1.7

Hình 1 7: Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ

Với một miền compact X Rn (n là số đầu vào) các giá trị vật lý của biếnngôn ngữ đầu vào và một đường phi tuyến g(x) tùy ý nhưng liên tục cùng cácđạo hàm của nó trên X thì bao giờ cũng tồn tại một bộ điều khiển mờ cơ bản cóquan hệ:

Để tổng hợp được các bộ điều khiển mờ và cho nó hoạt động một cáchhoàn thiện ta cần thực hiện qua các bước sau:

- Bước 1: Khảo sát đối tượng, từ đó định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ

vào, ra và miền xác định của chúng

- Bước 2: Mờ hoá các biến ngôn ngữ vào/ra

- Bước 3: Xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành)

- Bước 4: Chọn thiết bị hợp và chọn nguyên tắc giải mờ.

- Bước 5: Tối ưu hệ thống: Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển mờ, ta cần

9

mô hình hoá và mô phỏng hệ thống để kiểm tra kết quả, đồng thời chỉnh định lạimột số tham số để có chế độ làm việc tối ưu.

1.2 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ MỘT CHIỀU – MỘT CHIỀU (DC-DC)

1.2.1 Chức năng bộ biến đổi DC-DC

Bộ biến đổi 1 chiều 1 chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều về trị

số phù hợp với với mục đích sử dụng

Các bộ biến đổi DC-DC được chia làm 2 loại: Có cách ly và loại khôngcách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điệnmột chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điềuchỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp mộtchiều sử dụng khoá điện tử và cho hệ thống lai Loại DC-DC không cách lykhông sử dụng máy biến áp cách ly Chúng luôn được dùng trong các bộ điềukhiển động cơ một chiều Các loại bộ biến đổi DC-DC thường dùng trong hệ PVgồm:

 Bộ giảm áp (buck)

 Bộ tăng áp (boost)

 Bộ biến đổi tăng - giảm áp Cuk

Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấpcho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC - AC

Bộ giảm áp buck có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗikhi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiệnđược khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp

1.2.2 Bộ biến đổi DC - DC không cách li

a) Mạch Buck

Buck là mạch biến đổi DC - DC giảm áp không cách ly, sơ đồ nguyên lýmạch buck được chỉ ra trên hình 1.8 Khóa K trong mạch là những khóa điện tửBJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào

xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor được đóng mở với tần số cao.

Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:

Hình 1 8: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck

Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiềuđược nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thờigian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầuvào bằng 0 Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưutrên cuộn kháng và tụ điện do Diode khép kín mạch Như vậy cuộn kháng và tụđiện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khikhóa K đóng

Uout = UinD (1.2) Công thức (1.2) cho thấy điện áp ra

có thể điều khiển được bằngcách điều khiển hệ số làm việc Hệ số làm việc được điều khiển bằng cáchphương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton Do đó, bộ biến đổi nàycòn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM

Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất Bộ Buckcũng thường được dùng để nạp ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dòng vàokhông liên tục vì khóa điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộlọc tốt

Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy 11

Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóađiện tử Bộ Buck có thể làm việc làm việc tại điểm MPP trong hầu hết điều kiệnnhiệt độ, cường độ bức xạ Nhưng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điểmMPP xuống thấp hơn ngưỡng điện áp nạp ắc quy dưới điều kiện nhiệt độ cao vàcường độ bức xạ xuống thấp Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kếthợp bộ Buck với thành phần tăng áp.

b) Mạch Boost

Boost là mạch biến đổi DC-DC tăng áp không cách li, sơ đồ nguyên lýmạch Boost như hình 1.9

Hình 1 9: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộnkháng L Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (ton)cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng nănglượng qua Điôt tới tải

Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp

ra Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều Khóa K đóng, dòngđiện cảm ứng chạy vào tải qua Điốt Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp

ra được tính theo:

Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo thế của tải Vo

c) Mạch Buck - Boost:

Sơ đồ nguyên lý như hình 1.10

Hình 1 10: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost

Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Vì vậy mạch Boost chỉ

có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có thể giảm điện

áp vào Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa cóthể tăng và giảm điện áp vào

Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điệncảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt điện cảm có khuynh hướng duy trìdòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận Tùy vào tỷ

lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn,bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp

ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảmdần theo thời gian

Hình 1 11: Sơ đồ biến đổi Cuk

Bộ Cuk vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp Cuk dùng một tụ điện để lưugiữ năng lượng vì vậy dòng điện vào sẽ liên tục Mạch Cuk ít gây tổn hao trênkhoá điện tử hơn và cho hiệu quả cao Nhược điểm của Cuk là điện áp ra có cựctính ngược với điện áp vào nhưng bộ Cuk cho đặc tính dòng ra tốt hơn do cócuộn cảm đặt ở tầng ra Chính từ ưu điểm chính này của Cuk (tức là có đặc tínhdòng vào và dòng ra tốt)

Nguyên lý hoạt động của Cuk là chế độ dẫn liên tục Ở trạng thái ổn định,điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm bằng 0, theo định luật điện áp Kiếchôp ởvòng mạch ngoài cùng hình vẽ 1.12 ta có:

VC1 = VS +V0Giả sử tụ C1 có dung lượng đủ lớn và điện áp trên tụ không gợn sóng mặc

dù nó lưu giữ và chuyển một lượng năng lượng lớn từ đầu vào đến đầu ra

Điều kiện ban đầu là khi điện áp vào được cấp và khoá SW khoá khôngcho dòng chảy qua Điốt D phân cực thuận, tụ C1 được nạp Hoạt động của mạchđược chia thành 2 chế độ

Hình 1 12: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thông dòng

Chế độ 1: Khi khoá SW mở thông dòng, mạch như ở hình vẽ 1.12

Điện áp trên tụ C1 làm điôt D phân cực ngược và Điốt khoá Tụ C1 phóngsang tải qua đường SW, C2, Rtải, và L2 Cuộn cảm đủ lớn nên giả thiết

rằng dòng điện trên cuộn cảm không gợn sóng Vì vậy ta có mỗi quan hệ sau:

Chế độ 2: Khi SW khoá ngăn không cho dòng chảy qua, mạch có

dạng như hình 1.13

Hình 1 13: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng

Tụ C1 được nạp từ nguồn vào VS qua cuộn cảm L1 Năng lượng lưu trên cuộn cảm L2 được chuyển sang tải qua đường D, C2, và R tải Vì vậy ta có:

Để hoạt động theo chu kỳ, dòng điện trung bình của tụ là 0 Ta có:

Trong đó: D là tỉ lệ làm việc của khoá SW (0 < D < 1) và T là

Từ công thức (1.3):

 Nếu 0 < D < 0,5: Đầu ra nhỏ hơn đầu vào

 Nếu D = 0,5: Đầu ra bằng đầu vào.

 Nếu 0,5 < D < 1: Đầu ra lớn hơn đầu vào.

Ta thấy rằng có thể điều khiển điện áp ra khỏi bộ biến đổi DC/DC bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D của khoá SW

Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi trên đềubằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K Việc sử dụng bộ biến đổi nàotrong hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng

Để điều khiển tần số đóng mở của khóa K để hệ đạt được điểm làm việctối ưu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớnnhất (MPPT) sẽ được trình bày chi tiết ở chương tiếp sau

1.2.3 Bộ biến đổi DC - DC có cách ly

Bộ chuyển đổi DC - DC được mô tả trong Hình 1.14 Bộ chuyển đổi baogồm một tụ lọc đầu vào C1, 6 chuyển mạch dùng MOSFET (M1-M6), sáu điôtxoay tự do, hai điôt chỉnh lưu, D1 và D2, một biến áp cao tần với hệ số biến ápbằng K và một tụ hóa C2

Hình 1 14: Bộ chuyển đổi DC- DC có cách ly

Máy biến áp cung cấp điện áp cách ly giữa bảng mạch PV và lưới, nângcao độ an toàn cho toàn hệ thống Điện cảm rò (Lk) được sử dụng như 1 phần tửchuyển đổi nguồn, loại bỏ những vấn đề quá áp thiết bị và cần thiết cho sựchống rung các bản mạch Sự điều khiển chuyển đổi pha thích hợp giữa nhữngchân cầu vào (M1- M4) và những chân kích hoạt chỉnh lưu (M5-

M6) cho phép định hướng dòng điện của biến áp, vì vậy đạt được chuyển đổi vớiđiện áp và dòng điện bằng 0 (Zero current Zero Voltage Switching - ZCZVS).

1.2.4 Điều khiển bộ biến đổi DC - DC

Để điều khiển bộ biến đổi DC - DC, có thể sử dụng mạch vòng điều khiểnđiện áp hoặc mạch vòng điều khiển dòng điện

a) Mạch vòng điều khiển điện áp

Sơ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (RU) như hình 1.15 Điện áp ra ởđầu cực của pin được sử dụng như một biến điều khiển cho hệ Nó duy trì điểmlàm việc của cả hệ sát với điểm làm việc có công suất lớn nhất bằng cách điềuchỉnh điện áp của pin phù hợp với điện áp theo yêu cầu

Phương pháp này cũng có những nhược điểm sau:

 Bỏ qua hiệu suất của bức xạ và nhiệt độ của dãy pin mặt trời.

 Không được áp dụng rộng rãi cho hệ thống lưu giữ điện năng.

Vì vậy, phương pháp điều khiển này chỉ thích hợp dưới điều kiện độ bức

xạ ổn định, chẳng hạn như hệ thống vệ tinh, vì nó không thể tự động xác địnhđiểm làm việc tối ưu khi điều kiện ánh sáng và nhiệt độ thay đổi

Hình 1 15: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp

b) Mạch vòng điều khiển dòng điện

Mạch vòng điều khiển dòng điện được chỉ ra trên hình 1.16 Phương phápnày chỉ áp dụng với những thuật toán MPPT cho đại lượng điều khiển là dòngđiện

17

Hình 1 16: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 1.3 BIẾN ĐỔI DC-AC (Inverter)

Bộ nghịch lưu (Inverter) có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC)thành dòng điện xoay chiều (AC) và kết nối với lưới Khác với bộ nghịch lưulàm việc độc lập, nghịch lưu nối lưới phải đảm bảo chuẩn kết nối lưới về biên

độ, tần số và góc pha, đồng thời phải điều chỉnh được dòng công suất bơm vàolưới Trong phạm vi đề tài, chúng tôi chỉ đề cập tới hệ thống nối lưới điện 1 pha.Các kỹ thuật được đề cập trong phần này bao gồm: chuyển đổi hệ thống 1 phasang 2 pha; điều chế độ rộng xung (PWM) và các chiến lược điều khiểnconverter

1.3.1 Các phép chuyển đổi

a) Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha

Để tránh điều khiển ba dòng điện/ điện áp một cách riêng biệt, người tabiến đổi hệ thống ba pha Điều này dựa trên thực tế là trong một hệ thống 3 phađối xứng chỉ có 2 thành phần dòng điện/ điện áp độc lập, thành phần thứ 3 đượcrút ra từ 2 thành phần kia Các hệ thống này thường được gọi là khung thamchiếu (hay hệ qui chiếu) Trong kỹ thuật đang sử dụng 2 loại khung tham chiếu

là khung tham chiếu cố định và khung tham chiếu đồng bộ (quay)

+ Khung tham chiếu (hệ qui chiếu) cố định (chuyển đổi Clarke)

Hệ thống 3 pha được chuyển sang hệ thống 2 pha, thường được gọi làchuyển từ hệ trục abc sang hệ trục αβ (hoặc αβ0 khi sử dụng véc tơ zero) Cả hai

hệ thống 3 pha và 2 pha đều được coi là cố định bởi lẽ các trục bị khóa tại một vịtrí, song trong chừng mực nào đó, khái niệm hệ qui chiếu cố định thường

dùng để chỉ hệ qui chiếu 2 pha cố định.

Việc chuyển đổi được thực hiện bằng cách áp dụng công thức chuyển đổiClarke, trong đó lượng 3 pha phải là giá trị pha, không phải là giá trị dây Bằngcách đảo ngược ma trận hệ số lượng 3 pha có thể xem có chức năng như hệ 2pha

Việc chuyển đổi được coi như sự thay đổi hệ trục tọa độ, từ hệ thống 3trục (3 pha) sang hệ thống 2 trục (2 pha) như hình 1.17 Ta thấy rằng trong hệqui chiếu abc chỉ cần 2 pha là có thể xác định được véc tơ Xabc và do đó nóđược biểu diễn trên hệ qui chiếu 2 pha αβ giống như véc tơ Xab mà không bịmất thông tin Trong hình vẽ là tốc độ góc của véc tơ còn là góc tức thời(góc pha đầu) của véc tơ Nếu X là điện áp lưới thì đại diện cho tần số lướicòn là góc pha tức thời

Hình 1 17: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ

Thông thường hệ thống 3 pha được giả định là đối xứng, nên bỏ qua thànhphần thứ tự không Khi đó giá trị tức thời của công suất tác dụng và công suất

19

phản kháng của 3 pha được xác định

+ Khung tham chiếu đồng bộ( Chuyển đổi Park)

Trong hệ qui chiếu này, hệ trục tọa độ không bị khóa cố định mà quaytheo một véc tơ tùy ý Vì vậy hệ qui chiếu đồng bộ còn được gọi là hệ qui chiếuquay dq (hay dq0) Chuyển đổi này được sử dụng rộng rãi trong điều khiển động

cơ điện, ở đó hệ trục quay theo vị trí roto hoặc từ thông roto Trong hệ biến tầnnối lưới nó thường được dùng để khóa các trục với điện áp hoặc dòng điện(thường là điện áp lưới) Trong hình 1.18, trục d được khóa với véc tơ Xab, do

đó Xd = Xab và Xq = 0 Hệ trục sẽ quay với tốc độ góc và có góc tức thờibằng (gọi tắt là hệ tham chiếu cố định)

Hình 1 18: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu

dq Việc chuyển đổi được thực hiện bởi hàm chuyển đổi Park

Nếu hệ trục dq được khóa với điện áp lưới, các trục sẽ quay với tần số góc2¡fg và các giá trị dq sẽ trở thành giá trị một chiều cố định Nếu vẫn coi hệthống 3pha là đối xứng, không có thành phần thứ tự không thì công suất tác

dụng và công suất phản kháng được tính theo các công thức.

Trong các phương trình trên cả điện áp và dòng điện đều được chuyển đổisang hệ trục dq bằng cách sử dụng cùng một hệ qui chiếu Khi khung tham chiếuđịnh hướng vào véc tơ điện áp thì thành phần dòng điện trên trục d sẽ đại diệncho dòng điện trong pha với điện áp và do đó nó đại diện cho công suất tác dụngtrong mạch Thành phần dòng điện trên trục q đại diện cho công suất phảnkháng trong mạch

b) Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha

Tương tự như hệ thống 3 pha, ta mong muốn biểu diễn hệ thống một phatrong hệ qui chiếu cố định αβ và hệ qui chiếu đồng bộ dq để tiện phân tích vàthiết kế các bộ điều khiển, muốn vậy trạng thái của hệ thống cần phải có 2 thànhphần trực giao nhau Đối với hệ thống một pha, do điện áp cũng như dòng điệnchỉ có một thành phần duy nhất, vì vậy để áp dụng điều khiển trong hệ qui chiếuđồng bộ ta cần tạo ra một thành phần ảo vuông pha với trạng thái điện áp hoặcdòng điện của hệ thống Có thể sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau như dịch gócpha 900, phép biến đổi Hilbert, sử dụng bộ lọc All-pass và sử dụng bộ tích phânbậc hai tổng quát (SOGI)

+ Dịch góc pha 900

+ Phép biến đổi Hilbert

+ Bộ lọc All-Pass

+ Khâu tích phân bậc hai tổng quát

Khâu tích phân bậc hai tổng quát (Secondorder generalised integrator SOGI) là một kỹ thuật tạo ra tín hiệu trực giao tiên tiến và phổ biến, cấu trúc cơbản của SOGI được minh họa trong hình 2.19 Trong đó k là hệ số giảm

-21

xóc, là tần số góc cơ bản Một tính năng nổi bật của SOGI là tùy thuộc vào hệ

số giảm xóc mà cho ta một vài loại lọc và có thể nâng cao hiệu quả méo dướiđiện áp lưới

Hình 1 19: Cấu trúc của SOGI

Từ hình 1.19, ta thu được đặc tính hàm số truyền của SOGI như sau:

Áp dụng cho điện áp lưới (u) cũng như dòng điện (i) mà không kể đếnthành phần điện sóng hài, ta xây dựng được hệ thống hai pha trực giao như sau:

Trong biểu thức i và i là thành phần sóng hài bậc n của dòng điện

1.3.2 Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation)

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng tathường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp Sử dụngPWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn đượcdùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổnđịnh tải thì PWM còn tham gia vào điều chế các mạch nguồn như: boot, buck,nghịch lưu 1pha và 3 pha

PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển Điều đặcbiệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có

đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định Như vậy PWMđược ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện - điện tử.

Các bộ điều chế độ rộng xung là bộ điều khiển điện áp vòng hở, cácphương pháp phổ biến nhất để điều chế độ rộng xung là: Điều chế độ rộng xungdựa trên song mang (CB-PWM- Carrier Based Pulse Width); Điều chế véc tơkhông gian (SVM - Space Vecto Modulation) và điều chế độ rộng xung ngẫunhiên

a) Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM)

Đây là cách phổ biến nhất để điều chế tín hiệu chuyển mạch Phương phápnày có thể chia thành phương pháp điều chế độ rộng xung hình sin và phươngpháp điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang với chuỗi tín hiệu zero (ZSS -Zero Sequence Signal) Đối với điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM), tínhiệu tham chiếu hình sin được so sánh với sóng mang tam giác có tần số cao đểtạo ra tín hiệu logic điều khiển các chuyển mạch Trong khi đó phương phápZSS được dựa trên SPWM với việc bổ sung tín hiệu thứ tự zero của sóng hài tần

số bậc 3 Việc đưa thêm sóng hài bậc 3 không làm biến dạng điện áp pha hoặcgiá trị trung bình của dòng điện tải Tuy nhiên nó mở rộng vùng hoạt động tuyếntính, làm giảm tần số chuyển mạch trung bình và làm giảm song hài dòng điện.Phương pháp ZSS có thể chia thành điều chế liên tục và điều chế gián đoạn, tiêubiểu của phương pháp điều chế liên tục là phương pháp ZSS hình sin, đôi khi sửdụng ZSS tam giác

Nguyên tắc tạo ra tín hiệu chuyển mạch được chỉ ra trên hình 1.20, trong

đó tín hiệu mang tam giác được so sánh với điện áp tham chiếu hình sin đại điệncho điện áp pha Nếu tín hiệu sin lớn hơn sóng mang chuyển mạch sẽ mở và nếutín hiệu hình sin nhỏ hơn chuyển mạch sẽ đóng

23

Hình 1 20: Điều chế độ rộng xung dựa trên song mang hình sin

b) Điều chế véc tơ không gian (SVM)

SVM là phương pháp dựa trên biểu diễn véc tơ không gian của chuyển đổibên điện áp xoay chiều AC, trong chỉ ra sự khác biệt giữa SVM và CB-PWM ởviệc xử lý các lượng 3 pha CB-PWM hoạt động trong các điều kiện của cácthành phần 3 pha tự nhiên, trong khi đó SVM sử dụng véc tơ chuyển đổi nhântạo Với biến tần 3 pha 2 mức có 8 trạng thái chuyển mạch, gồm 6 trạng tháichuyển mạch hoạt động và 2 trrạng thái chuyển mạch bằng không Có nhiềuphương pháp khác nhau để tạo ra mẫu chuyển mạch, sự khác biệt duy nhất giữachúng là vị trí véc tơ zero Các trạng thái chuyển mạch khác nhau được biểudiễn trên hình 1.21

Hình 1 21: Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra

Phương pháp phổ biến nhất là SVM 3 pha với sự phân bổ đối xứng củacác véc tơ zero Phương pháp này tương đương với phương pháp CB-PWM vớiZSS tam giác gồm ¼ biên độ và có hàm lượng sóng hài gần như bằng với CB-PWM với ZSS hình sin Nó rất dễ dàng thực hiện trong bộ vi xử lý và đó là sựlựa chọn tự nhiên của SVM.

Hai kỹ thuật khác của SVN là điều chế véc tơ với VN0 = 0 (điện áp giữatrung tính chuyển đổi và trung tính lưới bằng không, tương đương với sinePWM) và điều chế véc tơ với điều hòa bậc 3 (tương đương với CB-PWM vớiZCC hình sin) nhưng dễ thực hiện hơn so với CB-PWM Điều chế véc tơ khônggian 2 pha là một phương pháp khác, nó tương đương với CB-PWM không liêntục với ZSS (DPWM) Phương pháp này sẽ chỉ có 1 trạng thái zero trong thờigian lấy mẫu và do đó tốt nhất là sử dụng ở các tỉ lệ điều chế cao Điện áp dâycực đại đối với SVPWM và cũng vậy đối với PWM 2 pha là:

Ngoài ra còn một số biến thể của SVM gọi là SVM thích nghi (ASVM),

nó kết hợp các SVM khác nhau thành một giải pháp chung Phương pháp nàycho phạm vi điều khiển đầy đủ bao gồm quá điều chế và sáu bước hoạt động(hoạt động sóng vuông), hiệu quả của biến tần cao hơn, song biến tần sẽ chủ yếuhoạt động ở vùng tuyến tính trên của điều chế, vì vậy phương pháp này khôngđược quan tâm Việc tạo ra tín hiệu chuyển mạch đối với SVM dựa trên cơ sởtoán học, nó thực hiện dễ dàng trong vi xử lý

1.3.3 Điều khiển chuyển đổi DC - AC

Có 2 chiến lược điều khiển chính để điều khiển chuyển đổi DC-AC là điềukhiển dòng điện (CC - Current Control), điều khiển điện áp (VC - Voltage -Control) Điều khiển dòng điện là chiến lược chung nhất để điều khiển kết nốilưới biến tần nguồn áp( VSI - Voltage Source Inverter) Điều

25

khiển dòng điện có lợi thế là ít nhạy cảm với sự dịch pha điện áp và sự méo điện

áp lưới, do đó nó làm giảm sóng hài dòng điện đến mức tối thiểu Trong khi đóđiều khiển điện áp có thể dẫn đến quá tải biến tần do góc pha có sai số nhỏ và cóthể xuất hiện sóng hài dòng điện lớn nếu điện áp lưới bị méo Khi hệ thống biếntần làm việc độc lập thì điều khiển điện áp sẽ là sự lựa chọn tự nhiên nhưng khichúng hoạt động ở chế độ kết nối lưới điều khiển dòng điện là giải pháp điềukhiển bền vững nhất Trong phần này chỉ đề cập đến điều khiển dòng điện biếntần nguồn áp (CC-VSI) Các sơ đồ điều khiển trình bày trong phần này liên quanđến việc biến đổi hệ thống 3 pha sang các hệ thống 2 pha

Điểm chung cho tất cả các chiến lược điều khiển được mô tả trong phầnnày là tách biệt rõ việc bù sai số dòng điện với phần điều chế điện áp (điều chếPWM) Ý tưởng này cho phép khai thác lợi thế của các bộ điều biến vòng hởtách ra từ vòng lặp bù sai số dòng điện (sẽ được mô tả trong phần sau)

Để điều khiển bộ nghịch lưu DC-AC ta có thể sử dụng các qui luật điềukhiển khác nhau Ba bộ điều khiển đang được dùng phổ biến hiện nay, đó là điềukhiển tỉ lệ tích phân (PI), điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR) và điều khiển phảnhồi trạng thái

a) Bộ điều khiển PI

Bộ điều khiển PI được áp dụng cho cả hệ qui chiếu tĩnh (αβ) và hệ quichiếu đồng bộ (dq), nhưng áp dụng cho hệ qui chiếu dq sẽ có dòng điện mộtchiều cố định, bù PI cho phép làm giảm sai lệch tĩnh của thành phần cơ bản vềkhông Điều này không đúng cho trường hợp bộ điều khiển PI làm việc trong hệtrục αβ, ở đó có sai số theo dõi vốn có của biên độ và pha Vì vậy điều khiểndòng điện trong hệ qui chiếu đồng bộ (hệ qui chiếu quay) sử dụng PI là giảipháp điển hình trong nghịch lưu nối lưới

Lợi thế của điều khiển dòng điện trong hệ trục dq là điều khiển riêng rẽcông suất tác dụng và công suất phản kháng bằng cách gắn khung tham chiếu

dq lên đện áp lưới Khi đó công suất tác dụng được điều khiển bằng dòng điệntrục d còn công suất phản kháng được điều khiển bằng dòng điện trục qNhược điểm cơ bản của phương pháp này là cần nhiều phép biến đổi, phép tách

trong chuyển đổi 3 pha và hạn chế trong việc bù các hài thấp đểphù hợp với tiêu chuẩn chất lượng điện năng Về hình thức bộ điều khiển PIđược định nghĩa:

Khi cần bù sóng hài ta có thể thêm bộ bù sóng hài với phương pháp tương

tự như mô tả ở trên nhưng sử dụng hệ qui chiếu quay với tần số của sóng hàimong muốn

b) Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant)

Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ là một kiểu điều khiển mới T rong phươngpháp này PI bù một chiều được chuyển đổi thành bù xoay chiều tương đương,

do đó đem lại đặc điểm của đáp ứng tần số trong băng thông quan tâm Sử dungphương pháp này sẽ giảm độ phức tạp của tính toán và loại bỏ sự ghép nối chéo

PR được định nghĩa:

Kết hợp với bộ điều khiển PR người ta thường thêm vào bộ bù điều hòa(HC - Harmonic Compensator) Các bù điều hòa bao gồm tổng các bộ tích phântổng quát (GI - Generalized Integrator) được điều chỉnh để có độ khuếch đại ởcác tần số khác nhau gọi là tần số cộng hưởng Bên ngoài tần số này các GI hầunhư không có sự suy giảm Đây là một tính năng thú vị của GI bởi lẽ nó khôngảnh hưởng đến đặc tính động của bộ điều khiển PR bên ngoài tần số điều chỉnh.Như vậy khi cần thiết có thể thêm nhiều GI mà không ảnh hưởng đến động lựccủa toàn hệ thống Các bù sóng hài được định nghĩa:

27