KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆTHỐNG BIỂN ĐỔI ĐIỆNTỬ
CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
RESEARCH AND DESIGN OF POWER ELECTRONIC SYSTEMS APPLICATIONS
IN SOLAR ENERGY SYSTEMS CONNECTEDTO DISTRIBUTION GRID
Trịnh Trọng Chưởng*, Bùi Văn Huy
TÓMTẮT
L
H
Cuộn cảm
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu việc ứng dụngbộ biến đổi điện tử công
C
F
Tụ điện
suất tronghệ thống năng lượng mặttrời nối lưới điện. Nội dung chính của bài
báo là điều khiển bộ biến đổi nghịch lưu 3 pha nối lưới nhằm đáp ứngđược yêu
cầu điều khiểncông suất phảnkháng vềkhông tại một nút của lướiphânphối
đồng thời phát huy tối đa công suất tác dụng truyền vào lưới. Các vòng điều
khiển được tổng hợp trên hệ tọa độ dq và được kiểm chứng trên mô hình mô
eN
ed, eq
iL
id, iq
V
V
A
A
Điện áp nguồn điện phía xoay chiều
Điện áp phía lưới trên hệ tọa độ dq
Dòng điện chạy qua cuộn cảm
Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ dq
phỏng bằng Matlab simulink. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên mô
hình bộ nghịch lưu công suất 5kW kết nối lưới điện hạ áp đã cho kết quả tốt và tỏ
rõ khả năng sẵn sàng cho các ứng dụng thực tế.
Từ khóa:Điềuchế véctơ không gian,công suất phản kháng, năng lượng mặt
trời, bộ biến đổi nối lưới.
1. GIỚI THIỆU
Trong các hệ thống Pin mặt trời kết nối lưới điện, bộ
biến đổi công suất giữ vai trò rất quan trọng trong các hệ
thống điều khiển, bởi đặc tính của hệ thống Pin mặt trời là
ABSTRACT
This paper presents the results of research on the application of grid
connected solar power.The main content ofthearticleis to control the inverter
three-phasegrid connected to meet the requirement of controlling the reactive
power to zero ata node of the distributionnetworkwhile maximizing the active
power transmitted to the grid. The control circuits are synthesized on the dq
coordinate system and verified on the simulation model by Matlab/ Simulink and
Experimental model. Both simulation and experimental prototype on 5kW Grid
converter have been built to show the acceptable good results and also the
practical ready on implementation. The simulation results show the rationality of
the control strategies used.
Keywords: SVPWM, Reactive, solar, grid converter.
có công suất phát luôn biến đổi do phụ thuộc điều kiện
thời tiết. Sự thay đổi công suất phát của chúng có thể gây
ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng của lưới điện,
như gây dao động điện áp, thay đổi hệ số công suất, dao
động tần số, tăng độ méo sóng hài dòng điện,… Để đáp
ứngyêu cầu ngày càngcao về chất lượng điện năngđã đặt
ra yêu cầu thực tế là: cần thiết phải có những bộ biến đổi
điện tử công suất đáp ứng khả năng kết nối linh hoạt, trao
đổi công suất và đảm bảo được các chỉ tiêu về chất lượng
điện năng. Yêu cầu của bộ biến đổi là phải điều khiển được
dòng công suất giữa các thành phần của lưới để phát huy
hết công suất của các nguồn phát trong khi phải tránh
được các xung động đột ngột do mất tải hay do chính các
nguồn phát biến động [1]. Thực tế đã cho thấy, ngoài vấn
Trường Đại học Công nghiệp HàNội
*Email: chuonghtd@haui.edu.vn; chuonghtd@gmail.com
Ngày nhận bài: 01/7/2018
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 10/10/2018
Ngày chấp nhận đăng: 25/10/2018
đề về cấu trúc bộ biến đổi thì mạch vòng dòng điện với khả
năngđiều chỉnh chính xác, ổn định bền vững là yếu tố tiên
quyết cho quá trình trao đổi năng lượng diễn ra theo như
mong muốn.
Nội dung chính của nghiên cứu này là xây dựng các
vòng điều khiển nhằm đảm bảo điều khiển hệsố công suất
KÝ HIỆU
bằng 1 và phát huy tối đa công suất tác dụng từ nguồn
điện mặt trời vào lưới (áp dụng cho hệ thống nối lưới
Ký hiệu
Q
P
Đơn vị
VAr
W
Ý nghĩa
Giá trị đo và tính toán của công suất phản kháng
Giá trị đo và tính toán của công suất tác dụng
không sử dụng ắc quy). Các thuật toán và các vòng điều
khiển cũng được phân tích một cách kỹ lưỡng, kết quả
nghiên cứu được minh chứng bằng sơ đồ mô phỏng trên
Matlab và simulink đồng thời được kiểm chứng bằng mô
28
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Số Đặc biệt 2018
r
SCIENCE TECHNOLOGY
hình thực nghiệm 5kW với đầu vào PV được thay thế bằng
nguồn một chiều DC.
2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG VÀ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU
KHIỂN
Hình 1 thể hiện sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới mà
không có ắc quy dự phòng. Trong hệ này thì các bộ DC/DC
có nhiệm vụ thực thi thuật toán bám công suất cực đại
thông qua thuật toán MPPT (Maximum power point
Tăng
Giảm
tracking). Bộ biến đổi DC/AC phải tạo được điện áp ra dạng
sin, đảm bảo khả năng nối lưới của hệ thống (đồng bộ và
giám sát lưới), đồng thời bộ biến đổi cũng đảm nhiệm luôn
các chức năng trao đổi công suất tác dụng và công suất
phản kháng giữa hệ thống pin mặt trời với lưới.
Ipv Tụ một chiều iac
Hình 3. Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O
Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất trong hệ
quang điện [7], đặc biệt những khi điều kiện thời tiết thay
đổi chậm hay ổn định. Vấn đề này có thể giải quyết bằng
cách điều chỉnh logic trong thuật toán P&O như hình 5.
Thuật toán P&O hoạt động tốt khi điều kiện thời tiết thay
Mảng PMT
Ppv = Vpv.Ipv
+
Vpv
-
Bộ biến đổi
DC/DC
tăng áp
(Boost)
C
+
VDC
-
Nghịch lưu
DC/AC
(Inverter)
Vac
đổi đột ngột, phản ứng bám điểm công suất cực đại với
thời gian rất nhanh, độ quá điều chỉnh nhỏ.
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giátrị dòng điện I và điện
Lưới điện
áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
Điều khiển DC/DC
Điều khiển DC/AC
- Nếu ∆P. ∆V > 0thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref.
Hình 1. Nguyên lý của hệ thống điện mặt trời nối lưới không có ắc quy
- Nếu ∆P. ∆V < 0thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref.
dự phòng
Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó
2.1. Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống nguồn Pin mặt trời
được lựa chọnlà bộ Boost Converter (hay còn gọi bộ tăng áp
của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm
việc tiếp theo. Cấu trúc tổng thể hệ điều khiển bộ DC/DC
cho như hình 4.
một chiều) có cấu trúc như hình 2, bộ điều khiển cho hệ
Boost Converter lấy tín hiệu vào là điện áp đo được từ dàn
Pin mặt trời UPV, đầu ra của bộ điều khiển là UDC để đưa tới
đầu vàocho bộ nghịchlưu Inverter DC/AC, quátrình chuyển
đổi điện áp này có sự can thiệp của thuật toán MPPT. Trong
nghiên cứu này, nhóm thực hiện sử dụng thuật toán bám
công suất cực đại nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and
Observer algorithm) [3]. Đây là một phương pháp đơn giản
và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong
thuậttoán và việc thực hiệndễdàng[3, 9].
Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu
kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất. Nếu sự
biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến
Hình 4. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển Boost Converter tích hợp MPPT [9]
Bắt đầu
thuật toán P&O
thiên tiếp theo sẽ giữnguyên chiều hướng tăng hoặc giảm.
V(k), I(k)
Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì
sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược
lại. Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định
P(k)=V(k)*I(k)
∆P(k)=P(k)-P(k-1)
trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao
động xung quanh điểm MPPT (hình 3).
L iL D
io
no
∆P > 0
yes
D
iC
yes
V(k)-V(k-1)>0
V(k)-V(k-1)>0
yes
Upv
G
V
C
uDC
R
Giảm Vef
no
Tăng Vref
no
Giảm Vref
Tăng Vref
S
V(k-1)=V(k)
P(k-1)=P(k)
Hình 2. Bộ biến đổi nguồn DC-DC tăng áp (Boost Converter)
Hình 5. Các bước thực hiện phương pháp P&O
Số Đặc biệt 2018Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ
29
di
di
R 1
Ld
di
R 1
Lq
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
2.2. Bộ biến đổi DC/AC
Khi đưa năng lượng lên lưới, bộ biến đổi làm việc ở chế
Bộ nghịch lưu DC/AC như hình 1 là bộ biến đổi nghịch
lưu 3 pha nối lưới có cấu trúc mạch lực cho như hình 6 có
nhiệm vụ biến đổi nguồn điện một chiều DC thành nguồn
điện xoay chiều tần số 50-60Hz. Khi bộ biến đổi được sử
dụng để nối lưới, mạch điện dạng rút gọn (sơ đồ một sợi)
độ nghịch lưu nghĩa là chuyển năng lượng từ mạch điện
một chiều trung gian lên lưới. Khi năng lượng truyền từ lưới
vào bộ biến đổi thì bộ biến đổi đóng vai trò bộ chỉnh lưu,
nạp nănglượng vào mạch một chiềutrung gian.Trêncơ sở
sơ đồ thay thế, ta áp dụng định luật Kirchhoff:
của bộ biến đổi cho trên hình 7 gồm bộ biến đổi, bộ lọc
thông thấp RfCf (Filter) để giảm thiểu ảnh hưởng của độ
đập mạch dòngđiện tại tần số điều chế ra lưới, cuộn cảm L
có cảm kháng LD và điện trở RD dùng để gánh chênh lệch
điện áp giữa lưới và đầu ra bộ biến đổi và làm “trơn” dòng
điện, máy biến áp và máy đóng cắt. Trong nghiên cứu này,
sản phẩm cócôngsuất5kW là không quá lớn, do đó có thể
bỏ quatụ điện. Sơ đồ nguyênlý của bộ biếnđổi nối lưới bỏ
qua những khâu này cho trên hình7.
IDC
uRiL L dt eN (1)
Viết lại phương trình (1) trên hệ tọa độ dq:
dt L iLd ωiLq Lud eNd (2)
dt L iLq ωiLd Luq eNq
Phương trình (2) là mô hình trạng thái của hệ thống bộ
biến đổi phía lưới. Dựa vào (2) ta thấy đại lượng điều khiển
VDC
S1
S3
S5
Lf
Grid
là điện áp ra của khâu nghịch lưu phía lưới, véctơ trạngthái
là hai thành phần iLd, iLq.
2.3. Xây dựng các mạch vòng điều khiển cho bộ DC/AC
Xét về mặt điều khiển, cấu trúc hai mạch vòng gồm có
S4
S6
S2
Cf
mạch vòng trong là mạch vòng dòng điện, mạch vòng
ngoài là mạch vòng công suất hoặc điện áp có những ưu
điểm nổi bật. Mạch vòng dòng điện sẽ giúp hệ thống kiểm
soát được dòng điện, đáp ứng tốt hơn với nhiễu tải, dập
Hình 6. Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha nối lưới
được dao động cộng hưởng và bảo vệ được sự cố quá
dòng. Khi mạch vòng dòng điện được thiết kế tốt thì việc
thiết kế mạch vòng ngoài (điện áp, công suất) cũng trở lên
dễ dàng hơn. Đối với mạch vòng điều khiển bên ngoài thì
mục tiêu là ổn định, trong khi mạch vòng trong thì yêu cầu
đặt ra là khả năngđáp ứng động học nhanh. Do vậy, nhóm
tác giả bài báo chọn giải pháp thiết kế hệ thống điều khiển
cấu trúc hai mạch vòng như hình 9.
R
L
Hình 7. Sơ đồ nguyên lý phía lưới [8]
Mạch điện gồmbộbiến đổi, đểlọcxungđiện ápbămta
sử dụngbộ lọc RC, cuộn cảm L có cảmkháng LD và điện trở
RD dùng để lọc dòng và gánh chênh lệch điện áp giữa lưới
và đầu ra bộ biến đổi, máy biến áp và máy đóng cắt. Tuy
iS(abc)
uS(abc)
abc
dq
usd
usq
PLL
Nghịch lưu 3
pha
nhiên, trong hệ thống không cần sử dụng máy biến áp và
khâu lọc. Cấu trúc của bộ biến đổi nối lưới rút gọn cho như
hình 8.
BBĐ
abc
dq
isd
isq
Bộ điều
khiển dòng
(PI)
vdref
dq
vqref αβ
vαref
vβref
Bộ điều chế
SVPWM
R
L
eN
iL
3~
=
Iqref =0
idref
Bộđiều
uc_đo
3~
uconv
Udc
khiển áp
(PI)
ucref
Hình 9. Cấu trúc bộ điều khiển hệ PV nối lưới
2.3.1. Tổng hợp mạch vòngdòng điện
Hình 8. Sơ đồ thay thế mạch điện phía lưới
Từ phương trình (2) ta thấy trong phương trình mạch
vòng dòng điện có sự tác động xen kênh giữa hai nhánh
30
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆSố Đặc biệt 2018