(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu bộ nghịch lưu 3P2LQSB cho hệ thống phát điện

1 MỞ ĐẦU 1 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

✓ “Improved Space Vector Modulation of Quasi Z-source Inverter to Suppress DC-Link Voltage Sag”, Yuyao He; Yuhao Xu; Jinping Chen, IEEE Trans 2019 [1]

Bài báo trình bày ba giải thuật truyền thống ZSVM1, ZSVM2 và ZSVM6 thường được sử dụng để điều khiển nghịch lưu nguồn Z (qZSI), nhưng gặp phải vấn đề giảm điện áp liên kết dc dưới tải nhẹ, dẫn đến biến dạng điện áp đầu ra và dòng điện Đồng thời, áp liên kết dc đỉnh tăng cao hơn so với giá trị tham chiếu, gây nguy hiểm cho an toàn của các khóa trong nghịch lưu và tải Tác giả đề xuất giải thuật SVM cải tiến, M-ZSVM1, nhằm triệt tiêu điện áp liên kết dc dưới tải nhẹ thông qua phân tích nguyên nhân, tác hại và các yếu tố ảnh hưởng đến độ võng điện áp liên kết dc Phương pháp này thực hiện phân phối trạng thái trùng dẫn “shoot-through” không đối xứng để giảm thiểu độ gợn dòng và tăng cường dòng diode QZSI có thể hoạt động ổn định mà không bị sụt điện áp liên kết dc trong phạm vi tải rộng, từ đó cải thiện độ an toàn và độ tin cậy Các cấu trúc liên kết ZSI cải tiến khác cũng có thể được kiểm soát bởi chiến lược này để triệt tiêu võng điện áp liên kết dc Sơ đồ khối điều khiển và công suất được trình bày trong hình 1.2.

HVTH: Nguyễn Hùng Trang 5 GVHD: TS Quách Thanh Hải

Hình 1.2 Sơ đồ khối điều khiển nghiên cứu [1]

✓ “Three-Phase Quasi-Z-Source Inverter with Constant Common-Mode Voltage for Photovoltaic Application”, Negar Noroozi; Mohammad Reza Zolghadri, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 65, No 6, June

Bài viết đề cập đến hệ thống quang điện (PV) kết nối lưới mà không có biến áp cách ly, trong đó dao động điện áp common-mode (CMV) gây ra dòng điện rò rỉ qua điện dung giữa các tấm PV và đất Trạng thái shoot-through trong nghịch lưu nguồn Z (q-ZSI) làm tăng biên độ sóng hài bậc cao của CMV Tác giả đề xuất kỹ thuật điều chế dựa trên điều chế độ rộng xung lẻ và thay đổi nhỏ trong mạng Z của q-ZSI ba pha, nhằm chặn dòng rò mà không cần thêm khóa bán dẫn Kỹ thuật này giữ CMV gần như không đổi trong các chu kỳ chuyển.

Kết quả thực nghiệm đã được trình bày nhằm xác minh phân tích lý thuyết của giải thuật đề xuất.

✓ “Switched-Boost Modified Z-Source Inverter Topologies with Improved

Voltage Gain Capability”, Anish Ahmad, Vinod Kumar Bussa, R K Singh, R

Mahanty, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,

Bài viết này giới thiệu các cấu trúc nghịch lưu nguồn Z tang áp ba pha (ZSI) với khả năng tăng áp được cải thiện, như thể hiện trong hình 1.4 Các cấu trúc ZSI được đề xuất nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy trong các ứng dụng điện năng.

Hình 1.3 Phân bố xung kích nghịch lưu nguồn Z theo nghiên cứu [2]

Nguyễn Hùng Trang, dưới sự hướng dẫn của TS Quách Thanh Hải, đã nghiên cứu việc tăng đáng kể điện áp bằng cách sử dụng một công tắc phụ và một diode mà không cần thêm các thành phần thụ động Khái niệm này được áp dụng cho các cấu trúc ZSI truyền thống, ZSI dòng đầu vào không liên tục (qZSI) và qZSI dòng đầu vào liên tục, dẫn đến việc phát triển ba cấu trúc nghịch lưu mới: ZSI chuyển đổi tăng cường (SB-ZSI), dòng điện đầu vào không liên tục qZSI (DC-qZSI) và dòng điện đầu vào liên tục qZSI (CC-qZSI) Tác giả đã phân tích nguyên lý hoạt động, trạng thái ổn định, khả năng tăng điện áp, đáp ứng điện áp và dòng điện, cũng như năng lượng dự trữ, tổn hao, độ méo hài tổng (THD) để làm nổi bật các ưu điểm của nghịch lưu mới so với các ZSI thông thường Cuối cùng, tác giả đã kiểm chứng giải thuật thông qua thực nghiệm và mô phỏng.

Hình 1.4 Cấu trúc nghịch lưu nguồn Z cải tiến nghiên cứu [3]

✓ “Sliding Mode Control of Single-Phase GridConnected Quasi-Z-Source Inverter”, Umesh K Shinde, Sumant G Kadwane, S P Gawande, M Jaya Bharata Reddy D K Mohanta, IEEE Access, 2018

Bài báo giới thiệu nghịch lưu nguồn Z (qZSI) kết nối lưới với điều khiển cho cả hai phía AC và DC Bộ điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển trượt (SMC) nhằm điều chỉnh điện áp tụ điện, đảm bảo khả năng đáp ứng nhanh chóng.

Nguyễn Hùng Trang, dưới sự hướng dẫn của TS Quách Thanh Hải, đã nghiên cứu các biến thể rộng của điện áp đầu vào, tải đầu ra và số lượng điều khiển tham chiếu Tác giả đã trình bày một mô hình toán học chi tiết của hệ thống, cho thấy ưu điểm của kỹ thuật điều khiển chuyển động trượt (SMC) với phản ứng ổn định và đáp ứng nhanh Kết quả này được xác nhận qua mô phỏng và thử nghiệm thực tế.

✓ “Modelling, Design, Control, and Implementation of a Modified Z-source

Integrated PV/Grid/EV DC Charger/Inverter”, Siddhartha A Singh;

Giampaolo Carli; Najath A Azeez; Sheldon S Williamson, IEEE Trans 2018

Bài viết nhấn mạnh sự gia tăng phổ biến của năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng thay thế Một trong những yêu cầu quan trọng trong thiết kế điện tử công suất là giảm thiểu số giai đoạn chuyển đổi và đảm bảo sự cách ly hiệu quả.

Cấu trúc nghịch lưu nguồn Z cải tiến (MZSI) cho phép loại bỏ nhiều giai đoạn trong quá trình chuyển đổi nguồn DC-AC, đồng thời đạt được tăng điện áp hiệu quả Việc sử dụng các thành phần thụ động trong MZSI mở ra cơ hội tích hợp các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về mô hình, thiết kế và vận hành của MZSI kết hợp với bộ sạc.

Hình 1.5 Nghịch lưu nguồn Z điều khiển theo kỹ thuật trượt thích nghi [4]

Nguyễn Hùng Trang, dưới sự hướng dẫn của TS Quách Thanh Hải, đã nghiên cứu về bộ pin tách biệt chính để sạc pin DC cho xe điện (EV) Kết quả từ mô phỏng và thử nghiệm đã được trình bày nhằm chứng minh tính khả thi của bộ chuyển đổi được đề xuất.

✓ “Modelling, Design, Control, and Implementation of a Modified Z-source Integrated PV/Grid/EV DC Charger/Inverter”, Siddhartha A Singh; Giampaolo Carli; Najath A Azeez; Sheldon S Williamson, IEEE Trans 2018

Bài báo này nêu rõ yêu cầu cho trình chuyển đổi ứng dụng điện mặt trời, bao gồm việc giảm số giai đoạn chuyển đổi công suất và cung cấp sự cách ly Cấu trúc liên kết biến tần nguồn Z (ZSI) cho phép loại bỏ nhiều giai đoạn, đồng thời đạt được tăng điện áp và chuyển đổi DC-AC trong một giai đoạn duy nhất Việc sử dụng các thành phần thụ động mở ra cơ hội tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) Bài báo cũng trình bày mô hình hóa, thiết kế và vận hành của nghịch lưu nguồn Z (MZSI), có khả năng sửa đổi và tích hợp với bộ sạc pin cách ly chính để sạc pin DC cho xe điện (EV) Kết quả mô phỏng và thử nghiệm được trình bày nhằm chứng minh khái niệm hoạt động của bộ chuyển đổi đề xuất.

Hình 1.6 Nghịch lưu nguồn Z cho trạm sạc xe điện [5]

✓ “Family of high-boost Z-source inverters with combined switched-inductor and transformer cells”, Minh-Khai Nguyen, Young-Cheol Lim, Sung-Jun Park, Duck-Shick Shin, IET Power Electronics 2013

Nghiên cứu này giới thiệu một họ mới các bộ nghịch lưu nguồn Z với hệ số tăng áp cao (ZSI) kết hợp các tế bào chuyển đổi và cuộn cảm Bằng cách điều chỉnh tỷ số biến áp, số lượng tế bào cảm ứng chuyển mạch và chu kỳ nhiệm vụ shoot-through, bộ nghịch lưu này có khả năng tạo ra mức tăng điện áp cao.

So với các cấu trúc liên kết ZSI high boost thông thường, nghịch lưu đề xuất sử dụng chỉ số điều chế cao hơn để cải thiện dạng sóng đầu ra Tác giả cũng giới thiệu một kỹ thuật xen kẽ nhằm phân phối ứng suất trên các thành phần thụ động Để xác minh hiệu suất, tác giả đã thực hiện mô phỏng và thử nghiệm với nhiều tỷ số biến áp khác nhau.

Hình 1.7 Cấu hình đề xuất nghiên cứu [6]

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài đặt ra các mục tiêu sau:

✓ Nghiên cứu nghịch lưu nguồn Z tựa khóa thay cho nghịch lưu nguồn Z thường

✓ Nghiên cứu mở rộng chỉ số điều chế cho nghịch lưu nguồn Z tựa khóa

✓ Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển công suất hòa lưới cho nghịch lưu nguồn

✓ Đánh giá khả năng áp dụng kỹ thuật đề xuất.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để thực hiện nghiên cứu, đề tài áp dụng phương pháp tìm hiểu lý thuyết cơ bản về điện mặt trời và bộ nghịch lưu, đồng thời tham khảo các công trình uy tín từ tạp chí IEEE và Springer Bài viết đề xuất cấu hình và giải thuật cho hệ thống, kiểm chứng các giải thuật thông qua mô phỏng PSIM và hướng tới thực nghiệm.

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

Nghiên cứu lý thuyết về hệ điện mặt trời bao gồm các phương pháp điều khiển dòng công suất cho điện mặt trời nối lưới, cùng với các cấu trúc nghịch lưu tăng áp và nghịch lưu nguồn Z Bên cạnh đó, các phương pháp điều khiển nghịch lưu cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

❖ Mô phỏng: trên nền PSIM để xây dựng sơ đồ mô phỏng và kiểm chứng cấu hình và giải thuật đề xuất

12 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI

TỔNG QUAN ĐIỆN MẶT TRỜI

Hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần chính như pin mặt trời, bộ biến đổi công suất, bộ điều khiển và tải Tấm pin mặt trời chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện DC, sau đó bộ biến đổi công suất sẽ chuyển đổi điện này thành điện áp phù hợp cho tải DC, tải AC hoặc hòa vào lưới điện quốc gia Bộ điều khiển có nhiệm vụ đo lường các thông số đầu ra từ pin mặt trời và tải, đồng thời phát tín hiệu điều khiển cho các khóa công suất ở các bộ DC/DC hoặc DC/AC nhằm tối ưu hóa công suất thu được từ pin mặt trời.

Hình 2.1 Tổng quan hệ thống điện mặt trời hòa lưới

HVTH: Nguyễn Hùng Trang, GVHD: TS Quách Thanh Hải, nghiên cứu về hệ thống năng lượng tái tạo với khả năng đạt hiệu suất chuyển đổi cao Hệ thống này có khả năng bảo vệ khi gặp quá tải, ngắn mạch hoặc các sự cố khi hòa lưới, chẳng hạn như hiện tượng “ốc đảo – Islanding”.

Các tấm pin mặt trời là thành phần thiết yếu trong hệ thống điện mặt trời, bao gồm nhiều module pin quang điện được kết nối để đạt được điện áp và công suất theo yêu cầu Đặc tuyến I-V và P-V của tấm pin thay đổi theo nhiệt độ, bức xạ và điều kiện tải Điểm vận hành sẽ di chuyển trên các đường cong phi tuyến tùy thuộc vào điều kiện vận hành, và bộ điều khiển có nhiệm vụ giám sát để đạt được công suất ngõ ra tối đa (MPP), được gọi là tìm điểm công suất cực đại.

Hình 2.2 Tấm pin mặt trời

Để tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng từ pin mặt trời, việc xây dựng sơ đồ tương đương và mô hình toán học là hai yếu tố quan trọng không thể thiếu.

Sơ đồ tương đương được thể hiện như hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ tương đương chính xác của tấm pin mặt trời

Tấm pin mặt trời hoạt động như một nguồn dòng phát ra công suất đầu vào, với điện trở Rsh và Rs đại diện cho điện trở nội song song và nối tiếp của tấm pin Đầu ra của tấm pin có thể kết nối với tải DC, bộ DC/DC hoặc bộ DC/AC Dù sử dụng với loại bộ biến đổi công suất hay tải nào, từ góc độ của nguồn pin mặt trời, tải sẽ được coi như một biến trở R.

Pin mặt trời, như minh họa ở hình 2.3, là một nguồn năng lượng với đặc điểm P-V và I-V phi tuyến Mối quan hệ phi tuyến này được thể hiện qua phương trình toán học trong công thức (2.1).

Ipv: Dòng điện ra PV panel (A) Iph: Dòng quang điện (A)

Isat: dòng bảo hòa (A) Vpv: Điện áp ra PV panel (V) ns: số lượng pin nối tiếp np: số lượng pin mắc song song q: điện tích Electron k: hằng số Boltzman

T: nhiệt độ tấm pin A: hệ số lý tưởng

Mô hình toán học pin mặt trời cho thấy rằng hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc chủ yếu vào dòng quang điện Iph và nhiệt độ tấm pin T Dòng quang điện lại bị ảnh hưởng bởi bức xạ chiếu vào tấm pin, do đó, công suất phát ra từ pin mặt trời chịu tác động lớn từ các điều kiện môi trường như bức xạ và nhiệt độ Bên cạnh đó, các yếu tố khác như tốc độ thay đổi của bức xạ và tình trạng vận hành bị bóng che cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hoạt động của pin mặt trời.

HVTH: Nguyễn Hùng Trang 16 GVHD: TS Quách Thanh Hải Ảnh hưởng của bức xạ lên đặt tuyến của pin mặt trời được minh họa ở hình

Dòng quang điện tỷ lệ thuận với bức xạ chiếu vào, do đó khi bức xạ tăng, dòng điện phát ra từ pin mặt trời cũng tăng theo Hình 2.5 minh họa rằng sự thay đổi của dòng điện lớn hơn so với điện áp Thực tế, sự phụ thuộc của điện áp vào mức bức xạ thường bị bỏ qua Khi cả dòng điện và điện áp đều tăng, công suất tạo ra sẽ gia tăng tương ứng.

Nhiệt độ môi trường là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến vị trí lắp đặt tấm pin mặt trời, vì nó tác động trực tiếp đến điện áp hở mạch, mà điện áp này lại phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ Sự ảnh hưởng này được minh họa rõ ràng trong hình 2.6.

Hình 2.5 Ảnh hưởng của bức xạ

Theo hình 2.6, sự biến đổi của dòng điện theo nhiệt độ là rất nhỏ và thường bị bỏ qua so với sự thay đổi điện áp Do đó, dữ liệu từ nhà sản xuất cần phải kèm theo điều kiện nhiệt độ và bức xạ để xác định chính xác các giá trị điện áp hở mạch và dòng điện ngắn mạch.

Nhiệt độ và bức xạ mặt trời thay đổi theo điều kiện môi trường, có sự biến động theo năm và theo ngày, dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng của chúng theo thời tiết, ngay cả khi có mây Sự biến đổi này khiến các điểm MPP (Maximum Power Point) liên tục thay đổi; nếu điểm vận hành không gần sát điểm MPP, sẽ gây ra tổn thất công suất lớn Do đó, việc áp dụng công nghệ MPPT (Maximum Power Point Tracking) là cần thiết cho các hệ thống điện mặt trời.

Hình 2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ

NGHỊCH LƯU NGUỒN Z

Các hệ thống phân phối điện DG hiện đại sử dụng bộ chuyển đổi điện tử công suất để cung cấp nguồn điện xoay chiều cho tải hoặc lưới điện Bộ chuyển đổi trong hệ thống DG, chẳng hạn như PV, được chia thành hai loại chính dựa trên số giai đoạn xử lý công suất: bộ chuyển đổi một giai đoạn và hai giai đoạn Trong cấu hình một giai đoạn, bộ chuyển đổi DC-AC, thường là VSI, thực hiện các chức năng điều khiển như theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) và điều khiển dòng điện/điện áp Tuy nhiên, VSIs có một số hạn chế, bao gồm điện áp đầu ra AC thấp hơn điện áp DC đầu vào, khiến chúng được coi là bộ biến đổi buck Để tránh hiện tượng shoot-through, thời gian chết được chèn giữa các xung, dẫn đến độ méo sóng điện áp và dòng điện đầu ra tăng Do điện áp không đủ để hòa lưới, cấu hình này cần sử dụng máy biến áp hoặc một bộ chuyển đổi boost DC-DC bổ sung, làm tăng độ phức tạp của bộ điều khiển và giảm hiệu suất tổng thể, đồng thời tăng chi phí của nghịch lưu.

Hiệu suất của nghịch lưu chịu ảnh hưởng bởi số giai đoạn chuyển đổi năng lượng và năng lực của bộ điều khiển Do đó, cấu hình một tầng được ưu tiên phát triển.

Hình 2.7 Cấu hình điện mặt trời (a Transformer; b transformerless)

Hình 2.8 Cấu hình 1 tầng không dùng biến áp

Trong hệ thống điện mặt trời kết nối lưới ba pha, nghịch lưu cần tạo ra dòng điện ba pha đồng bộ với điện áp lưới Mục tiêu chính của nghịch lưu là hoạt động với hệ số công suất gần đơn vị và duy trì điểm vận hành tại công suất tối đa Những hệ thống này được gọi là nghịch lưu MPPT Ngoài ra, tùy thuộc vào vị trí, các bộ nghịch lưu còn phải thực hiện các chức năng như cung cấp công suất phản kháng, đáp ứng quá độ và theo dõi công suất tối đa.

Bộ nghịch lưu ba pha được phân loại theo mức điện áp đầu vào (dc) và đầu ra (ac) Nghịch lưu loại giảm áp yêu cầu điện áp đầu vào lớn hơn điện áp đầu ra, trong khi nghịch lưu loại tăng áp cần điện áp đầu vào thấp hơn Nghịch lưu PV loại giảm áp, thường dựa trên nghịch lưu nguồn điện áp (VSI), và nghịch lưu PV loại tăng áp, dựa trên nghịch lưu nguồn dòng (CSI), là hai loại phổ biến Nghịch lưu PV ba pha dựa trên VSI có thể được trang bị tầng dc-dc tăng điện áp, tạo thành cấu hình nghịch lưu hai giai đoạn.

HVTH: Nguyễn Hùng Trang 21 GVHD: TS Quách Thanh Hải a VSI – Voltage buck type inverter b CSI – Voltage boost type inverter

Hình 2.9 Cấu trúc biến tần 1 tầng single stage phổ biến

Hình 2.10 Cấu trúc biến tần 2 tầng DC/DC và DC/AC

Nghịch lưu nguồn Z (ZSI), được giới thiệu bởi F Z Peng vào năm 2002, mang lại nhiều ưu điểm so với các cấu trúc liên kết cổ điển như VSI và CSI Một trong những lợi thế nổi bật nhất của ZSI là khả năng buck/boost, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong một dải điện áp đầu vào rộng mà không cần thêm giai đoạn xử lý năng lượng Điều này làm cho ZSI trở thành lựa chọn lý tưởng cho các bộ nghịch lưu tích hợp và dạng chuỗi, nơi yêu cầu về dải điện áp đầu vào rộng và mức tăng điện áp lớn là rất quan trọng Thêm vào đó, ZSI không yêu cầu thời gian chết trong quá trình điều khiển chuyển mạch, giúp giảm thiểu sóng hài bậc thấp do cầu nghịch lưu tạo ra.

Sơ đồ mạch ZSI được thiết kế để kết nối lưới ba pha với hệ thống pin quang điện, như minh họa trong hình 2.11 Khác với phiên bản ZSI ban đầu, mạch điện này có thêm tụ điện đầu vào và cuộn lọc 3 pha đầu ra, nhằm đảm bảo cung cấp dòng điện và công suất liên tục cho bộ nghịch lưu Kể từ khi ra mắt nghịch lưu nguồn Z vào năm 2002, nhiều phiên bản cải tiến đã được phát triển, trong đó có nghịch lưu nguồn Quazi-Z, mang lại các đặc tính tương tự như ZSI truyền thống nhưng với mức ứng suất điện áp trên các thành phần LC thấp hơn.

Hình 2.11 There phase ZSI based PV inverter

Bảng 3.1 So sánh kết quả MPPT

Hoạt động như một nguồn dòng không đổi hoặc dòng liên tục do một cuộn cảm lớn được nối tiếp với nguồn điện áp

Hoạt động như một nguồn điện áp không đổi hoặc điện áp liên tục do một tụ điện lớn được sử dụng song song với nguồn áp

Hoạt động như một nguồn điện áp không đổi với trở kháng cao

Trở kháng nguồn cao do cuộn cảm lớn được kết nối nối tiếp với nguồn

Trở kháng nguồn thấp do tụ điện kết nối song song với nguồn DC

Cả cuộn cảm và tụ điện đều có vai trò quan trọng trong mạch DC với trở kháng cao không đổi Chúng đáp ứng nhanh chóng và có khả năng chịu đựng ngắn mạch mà không gây nguy hiểm, do đó chúng ít nhạy cảm hơn với sự cố chuyển mạch.

Ngắn mạch trong VSI rất nguy hiểm vì tụ điện song song sẽ bị nổ và do đó nhạy cảm hơn với việc chuyển mạch sai so với CSI

ZSI đôi khi cũng có thể chịu sự thay đổi của các thiết bị chuyển mạch mặc dù không nhiều như CSI nhưng nhiều hơn VSI

Chỉ có thể tăng hoặc giảm áp

Có thể tăng và giảm áp

THD có xu hướng cao THD cao THD có xu hướng thấp

Hiệu suất thấp hơn do cần bộ lọc lớn

24 NGHỊCH LƯU NGUỒN Z TỰA KHÓA

NGHỊCH LƯU NGUỒN Z CƠ BẢN [8]

Nghịch lưu nguồn Z sử dụng mạng Z (L1 = L2 & C1 = C2) để điều chỉnh điện áp giữa nguồn đầu vào và cầu nghịch lưu Sơ đồ điều khiển độ rộng xung, bao gồm trạng thái chuyển mạch shoot-through, được thiết kế để tăng cường điện áp đầu ra, cho phép nghịch lưu hoạt động như một bộ chuyển đổi buck-boost Điều này giúp tạo ra điện áp đầu ra cao hơn hoặc thấp hơn điện áp liên kết DC, khắc phục giới hạn điện áp của nghịch lưu nguồn điện áp và nghịch lưu nguồn dòng.

HVTH: Nguyễn Hùng Trang 25 GVHD: TS Quách Thanh Hải Điện áp pha đỉnh đầu ra là:

M là chỉ số điều chế

Vin là điện áp đầu vào

Hệ số B được tính theo (3.2):

Nghịch lưu nguồn Z có những tính năng độc đáo như khả năng tăng điện áp đầu ra với cấu trúc một tầng, cùng với việc giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu điện từ (EMI) mà không gây hại cho nghịch lưu, từ đó nâng cao độ tin cậy Hơn nữa, bộ chuyển đổi không cần thời gian chết (dead-time) và sản phẩm đầu ra gần giống với dạng sóng hình sine.

Trong nghịch lưu nguồn Z, điện áp đầu ra và trạng thái shoot-through được điều khiển thông qua các phương pháp điều khiển shoot-through Phương pháp “simple boost control” (SBC) tạo ra các khoảng thời gian shoot-through bằng cách so sánh tín hiệu tham chiếu điều chế hình sine với hai đường thẳng lớn hơn giá trị cực đại của tín hiệu này Khi cường độ sóng tam giác vượt quá đường thẳng dương hoặc thấp hơn đường thẳng âm, mạch sẽ chuyển sang trạng thái shoot-through; ngược lại, nó hoạt động như điều chế độ rộng xung truyền thống Ba dạng sóng tham chiếu pha được so sánh với sóng mang tần số cao (sóng tam giác) có giá trị cực đại không đổi, và bộ so sánh tạo ra các xung ON và OFF dựa trên tín hiệu Vsin và Vtri.

Nguyễn Hùng Trang, dưới sự hướng dẫn của TS Quách Thanh Hải, đã nghiên cứu về phương pháp điều khiển SBC trong hệ thống chuyển mạch Phương pháp này sử dụng hai đường thẳng để tạo ra trạng thái shoot-through thông qua cổng 'OR', với các xung được gửi đến thiết bị chuyển mạch như IGBT thông qua mạch điều khiển cách ly và driver Mặc dù SBC không phức tạp, nhưng ứng suất điện áp trên thiết bị khá cao do không sử dụng hoàn toàn các trạng thái zero truyền thống Để tối ưu hóa, phương pháp điều khiển "Maximum boost control" (MBC) đã được đề xuất, nhằm tạo ra mức tăng điện áp tối đa theo chỉ số điều chế nhất định MBC chuyển đổi tất cả các trạng thái không truyền thống thành trạng thái shoot-through, giúp giảm đáng kể ứng suất điện áp trên các thiết bị chuyển mạch bằng cách tận dụng đầy đủ các trạng thái zero Tuy nhiên, việc này cũng làm thay đổi tỷ lệ Tsh/T trong mỗi chu kỳ chuyển mạch, dẫn đến gợn dòng điện dẫn và yêu cầu độ tự cảm cao cho các ứng dụng tần số thấp hoặc tần số thay đổi MBC duy trì sáu trạng thái hoạt động không thay đổi và chuyển đổi tất cả các trạng thái 0 thành trạng thái shoot-through.

Điều khiển "Maximum constant boost control" (MCBC) cho phép đạt mức tăng điện áp tối đa tại bất kỳ chỉ số điều chế nào mà không gây ra gợn điện áp tần số thấp liên quan đến tần số đầu ra, đồng thời giảm thiểu ứng suất điện áp Trong phương pháp điều khiển CBC, nghịch lưu có thể đáp ứng yêu cầu thành phần thụ động tối thiểu Phương pháp này tạo ra ứng suất điện áp cao hơn một chút so với phương pháp MBC, rất phù hợp để giảm thiểu mạng nguồn.

Z, đặc biệt là trong các ứng dụng điều khiển thay đổi tốc độ

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG NGHỊCH LƯU NGUỒN Z

Để nắm bắt hoạt động của nghịch lưu nguồn Z, nghiên cứu này đã tiến hành mô phỏng mạch bằng phần mềm PSIM, sử dụng các thông số mô phỏng được tham khảo từ nghiên cứu [9] như trình bày trong bảng 3.2.

Bảng 3.2 Thông số mạch mô phỏng nguồn Z

Dựa trên các thông số mạch và hệ số boost B yêu cầu, chúng ta có thể tính toán giá trị điện áp rơi trên thiết bị Vs, tỷ số chu kỳ shoot-through (T0/T) và điện áp trên các tụ trong mạng thông qua các biểu thức (3.3-3.5) [8].

Để khảo sát các đặc tính của nghịch lưu nguồn z, bài viết thực hiện giải thuật điều khiển MBPWM nhằm đơn giản hóa các khâu tạo xung kích và tính toán Các giá trị chỉ số điều chế M cùng với điện áp pha đỉnh đầu ra và điện áp RMS pha đầu ra được trình bày tương ứng trong các công thức (3.5) và (3.6-3.8).

Sơ đồ mô phỏng được thiết kế trên phần mềm PSIM, bao gồm các thành phần chính như khối nguồn Z, khối nghịch lưu 3 pha với 6 khóa IGBT, khối tải RL và khối điều khiển Các tín hiệu kích được tạo ra từ các khối nguồn và cổng logic, tương ứng với các dạng sóng được hiển thị trong hình 3.5.

Hình 3.5 Dạng sóng xung kích MBPWM

Kết quả mô phỏng cho thấy dạng sóng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu và điện áp tải sau bộ lọc L đạt được hình dạng sine Cụ thể, điện áp đỉnh Vs đạt 450V, trong khi dòng điện 3 pha cũng có dạng sine ổn định khi tải R được kết nối ở đầu ra.

Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu nguồn Z trên PSIM

Giá trị hiệu dụng của điện áp tải được đo từ PSIM là 128.34 V, gần sát với giá trị tính toán 128.23 V theo biểu thức (3.8) Kết quả này được thể hiện trong hình 3.8.

Hình 3.7 Dạng sóng điện áp đầu ra inverter, áp và dòng tải

Hình 3.8 Giá trị RMS điện áp và dòng điện

Kết quả phân tích FFT và THD của sóng điện áp và dòng điện được trình bày trong hình 3.9 cho thấy giá trị THD đầu ra nhỏ hơn 5%, điều này chứng tỏ chất lượng đầu ra của bộ nghịch lưu đạt tiêu chuẩn yêu cầu.

Hình 3.9 Phân tích FFT và THD

NGHỊCH LƯU NGUỒN Z TỰA KHÓA CƠ BẢN

Nghịch lưu nguồn áp dạng ZSI có nhược điểm là dòng điện đầu vào không liên tục trong chế độ tăng áp và yêu cầu các tụ điện duy trì điện áp cao, trong khi cuộn cảm L cần duy trì dòng điện cao Cấu trúc với 2 cuộn cảm L và 2 tụ điện C làm tăng kích thước, giá thành và giảm mật độ công suất, điều này không phù hợp với nhu cầu nhỏ gọn trong các ứng dụng điện tử công suất hiện đại, như bộ nghịch lưu tích hợp trong các mãng pin mặt trời Để khắc phục, cấu hình nghịch lưu nguồn SBI (switched boost inverter) được đề xuất, có ít thành phần thụ động hơn và một khóa công suất, phù hợp cho các ứng dụng nhỏ gọn Tuy nhiên, cả ZSI và SBI đều có chỉ số tăng áp tối đa 0.5, điện áp rơi trên các tụ bằng VDC và dòng điện đầu vào không liên tục Một cấu hình mới kết hợp ưu điểm của ZSI và SBI, gọi là nghịch lưu nguồn Z tựa khóa, có số thành phần tương tự SBI và khả năng chống nhiễu EMI tốt.

Hình 3.10 Cấu trúc nguồn Z tựa khóa ở nghiên cứu [12]

Hình 3.11 Tổng hợp vector của giải thuật SVPWM

Các vector 𝑢⃗⃗⃗⃗ và 𝑢 0 ⃗⃗⃗⃗ là các vector không, trong đó tất cả 7 khóa nghịch lưu hoặc nối P hoặc nối N đều ở trạng thái vector không Điều này dẫn đến việc điện áp VPN không ảnh hưởng đến tải, cho phép thực hiện ngắn mạch P-N để tích trữ năng lượng trong cuộn dây Li Mạng nghịch lưu có ba trạng thái chuyển mạch chính: “Không ngắn mạch (NST)”, “Ngắn mạch phía nghịch lưu (ST)” và “Ngắn mạch phía tăng áp (S)”.

ĐIỀU KHIỂN PQ [10]

Một yêu cầu quan trọng của hệ thống nguồn phân tán (DG) là khả năng điều khiển công suất thực và công suất phản kháng tức thời tại điểm kết nối chung (PCC).

4.1.1 Điều khiển chế độ áp và dòng

Sơ đồ bộ điều khiển công suất thực và công suất phản kháng dạng điều khiển dòng trên trục dq cho thấy Ps và Qs được điều khiển thông qua các thành phần dòng điện id và iq Tín hiệu phản hồi và chuyển tiếp được chuyển đổi sang trục dq, sau đó được xử lý bằng bù để tạo ra tín hiệu điều khiển Cuối cùng, các tín hiệu này được chuyển đổi sang trục abc để cung cấp cho bộ biến đổi nguồn áp Để đảm bảo an toàn cho bộ biến đổi, các lệnh tham chiếu idref và iqref được giới hạn bởi các khối bão hòa.

Mô hình động của khối điều khiển công suất thực / công suất phản

Giả sử rằng điện áp ba pha của hệ thống AC ở hình 4.1 là

Với V s là giá trị đỉnh của điện áp pha,  0 là tần số của nguồn (không đổi), và  0 là góc pha ban đầu Vector không gian tương ứng Vsabc là

V t = V e  +  (4.2) Động năng phía AC của hệ thống biến đổi nguồn áp của hình 4.1 được miêu tả theo hướng vector không gian

Hình 4.1 Điều khiển PQ theo chế độ dòng

Thay V s từ công thức (4.2) vào công thức (4.3), ta có:

Ta sử công thức f t ( ) = f  + jf  = ( f d + jf q ) e j  ( ) t để diễn giải công thức (4.4) trên trục dq Sau đó, thay i = i e dq j  và V t = V e tdq j  vào công thức (4.4), ta có:

Với f dq = f d + jf q Biểu thức (4.5) có thể viết lại như sau:

( dq ) ( ) dq ( on ) dq tdq s j t d d

Tách công thức (4.6) thành 2 phần thực và ảo, ta có:

Biểu thức (4.7) và (4.8) không ở trong vùng không gian ổn định chuẩn Do đó, chúng tôi giới thiệu một biến điều khiển mới ω vào công thức (4.7) và (4.8), với ω=dρ/dt

HVTH: Nguyễn Hùng Trang 40 GVHD: TS Quách Thanh Hải d ( ) dt t

Trong công thức (4.9 - 4.11), các biến trạng thái bao gồm id, iq, và ρ, trong khi Vtd, Vtq, và ω đóng vai trò là ngõ vào điều khiển Hệ thống được mô tả là phi tuyến do sự xuất hiện của các thành phần như ωid, ωiq, cos (ω0t + θ0 - ρ), và sin (ω0t + θ0 - ρ) Để tiếp tục phân tích, giả sử ρ có điều kiện ban đầu bằng không và ω(t) = 0, dẫn đến việc ρ giữ nguyên giá trị bằng không tại mọi thời điểm, do đó công thức (4.9) và (4.10) sẽ có hình thức nhất định.

Phương trình (4.12) và (4.13) mô tả hai hệ thống tách riêng bậc 1 bị kích thích bởi các ngõ vào − V s cos( 0 t + 0 ) và − V s sin( 0 t + 0 ) Nguyên lý chồng chất yêu cầu rằng id và iq bao gồm các thành phần hình sin, bất kể Vtd và Vtq Kết quả này được dự kiến bởi vì nếu ρ 0, thì f d + jf q = f t e ( ) − j  ( ) t = ( f  + jf  ) e − j  ( ) t trên trục dq tương tự như trục αβ, nơi các tín hiệu là hàm sin thời gian Do đó, công thức (4.12) và (4.13) đại diện cho hệ thống biến đổi nguồn áp trên trục αβ, và sự so sánh với công thức (4.10) và (4.11) xác nhận kết luận này.

Các thảo luận trước đây đã chỉ ra rằng trục dq phụ thuộc vào việc lựa chọn đúng đắn các tham số ω và ρ Đối với hệ thống biến đổi nguồn áp như hình 4.1, khi ω được đặt bằng ω0 và ρ(t) được xác định là ω0t + θ0, thì công thức (4.9) và (4.10) sẽ có dạng cụ thể.

Trong đó mô tả một hệ thống tuyến tính bậc hai được kích thích bởi đầu vào liên tục V s

4.1.2 Bộ điều khiển công suất thực / công suất phản kháng dạng điều khiển dòng

Dựa trên bộ điều khiển công suất thực và công suất phản kháng được trình bày trong hình 4.1, thông qua biến đổi dq, công suất thực và công suất phản kháng của hệ thống AC tại điểm kết nối chung có thể được xác định.

Vsd và Vsq là các thành phần của nguồn trên trục dq và không thể được điều khiển Khi Vsq = 0, công thức (4.16) và (4.17) có thể được viết lại một cách khác.

Vì vậy, dựa trên công thức (4.18) và (4.19), Ps(s) và Qs(s) có thể được kiểm soát bởi id và iq, tương ứng

Nếu hệ thống điều khiển đạt hiệu suất kiểm tra lệnh nhanh chóng, tức là id gần bằng idref và iq gần bằng iqref, thì Ps sẽ xấp xỉ Psref và Qs cũng sẽ xấp xỉ Qsref Điều này chứng tỏ rằng Ps(t) và các giá trị liên quan sẽ duy trì sự ổn định trong quá trình hoạt động.

Qs(t) có thể được điều khiển độc lập thông qua các lệnh tham chiếu tương ứng Trong trạng thái ổn định, Vsd là biến DC, do đó idref và iqref cũng là các biến DC khi Psref và Qsref là tín hiệu liên tục Hệ thống điều khiển trục dq liên quan đến các biến DC, khác với hệ thống điều khiển trục αβ liên quan đến tín hiệu hình sin Điều khiển trục dq của bộ điều khiển công suất thực và công suất phản kháng dựa trên công thức (4.9) và (4.10) Giả sử tình trạng hoạt động ổn định và thay ω(t) = ω0 vào công thức, ta có thể suy ra các kết quả cần thiết.

Mô hình biến đổi nguồn áp trục dq được thể hiện qua các phương trình (4.24) và (4.25) Trong đó, id và iq là các biến trạng thái, Vtd và Vtq là các ngõ vào điều khiển, còn Vsd và Vsq là đầu vào phân phối Sự xuất hiện của Lω0 trong công thức (4.22) và (4.23) cho thấy động năng của id và iq có mối liên hệ chặt chẽ Để tách biệt các động năng này, chúng ta định nghĩa md và mq.

Với các ngõ vào điều khiển ud và uq, ta thay thế md và mq vào các công thức (4.24) và (4.25), tương ứng từ công thức (4.26) và (4.27) Đồng thời, thay Vtd và Vtq vào công thức (4.22) và (4.23) để có được kết quả mong muốn.

Phương trình (4.28) và (4.29) mô tả hai hệ thống tuyến tính bậc 1 tách biệt, trong đó id và iq được điều khiển bởi ud và uq tương ứng Hình 4.1 minh họa khối điều khiển cho trục d và trục q của hệ thống biến đổi nguồn áp, với ud và uq là ngõ ra từ hai bộ bù tương ứng Phương trình bù trục d được xác định bởi ed = idref - id, từ đó quy định cho ud, và ud góp phần vào md theo công thức (4.26) Tương tự, phương trình bù trục q là eq = iqref - iq, quy định cho uq, và uq đóng góp cho mq theo công thức (4.27) Bộ biến đổi nguồn áp khuyết đại md và mq với hệ số VDC/2.

Vtd và Vtq điều khiển id và iq dựa vào công thức (4.22) và (4.23) Dựa trên các quy trình điều khiển này, một phác thảo sơ đồ khối điều khiển đơn giản được trình bày trong hình 4.2, tương ứng với hệ thống điều khiển đã nêu Cần lưu ý rằng trong hệ thống điều khiển này, tất cả các điều khiển, tín hiệu hồi tiếp và tín hiệu chuyển đều là các thành phần DC trong trạng thái ổn định.

Hình 4.2 cho thấy rằng các mô hình điều khiển trong cả hai trục d và q của vòng điều khiển dòng là giống nhau, dẫn đến việc các bù tương ứng cũng có thể giống nhau Trong khi xem xét vòng điều khiển trục d, việc tối ưu hóa bộ bù trở nên khó khăn hơn so với điều khiển trục αβ, và thường yêu cầu các bậc động năng cao Do đó, kd(s) có thể được sử dụng như một bộ tỷ lệ - tích phân (PI) bù đơn giản để kích hoạt tính năng kiểm tra của lệnh tham chiếu DC.

Với kp và ki hệ số tỉ lệ và tích phân, tương ứng Do đó, độ lợi vòng lặp là

Cần lưu ý rằng cực tại s = - (R + ron)/L gần với nguồn, khiến độ lớn và pha của độ lợi vòng lặp bắt đầu trượt từ tần số tương đối thấp Cực đầu tiên được loại bỏ bởi bù zero s = -ki /kp, và độ lợi vòng lặp giả định có dạng l(s) = kp/(Ls) Do đó, hàm chuyển đổi vòng kín trở thành l(s)/(1 + l(s)).

Hình 4.2 Bộ điều khiển dòng

51 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

MÔ HÌNH PSIM

Để kiểm tra lý thuyết đã trình bày, mô hình mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu 3 pha nguồn Z tựa khóa đã được xây dựng trên phần mềm PSIM, như thể hiện trong hình 5.1.

Phần động lực của mô hình, được thể hiện bằng các đường màu đỏ bao gồm:

HVTH: Nguyễn Hùng Trang 52 GVHD: TS Quách Thanh Hải o Nguồn điện mặt trời

Nguồn điện mặt trời thường được mô hình hóa bằng một nguồn dòng I_ph, một diode D và một điện trở nối tiếp R_s Tuy nhiên, trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào nghiên cứu giải thuật hòa lưới và bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu nguồn Z, do đó một bộ nguồn DC lý tưởng sẽ được sử dụng thay thế cho mô hình chi tiết của bộ nguồn điện mặt trời Điện áp của nguồn được thiết lập là V_DC = 400 V.

Hình 5.2 Mô hình bộ nghịch lưu 3 pha tựa khóa nguồn Z

Cấu trúc của bộ nghịch lưu 3 pha tựa khóa nguồn Z được kết hợp bởi hai phần chính đó là mạng nguồn kháng –quasi Switch Boost (qSB) và nghịch lưu

3 pha 2 bậc (VSI) như trong hình 5.2

Mạng qSB bao gồm một cuộn cảm L, tụ điện C và hai diode D a và D b Hai ngõ ra của mạng này cung cấp năng lượng cho mạch nghịch lưu hai bậc với ba nhánh (pha a, b, c), mỗi nhánh được cấu thành từ hai IGBT Bên cạnh đó, trở kháng dây dẫn cũng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế mạch.

Hình 5.3 Mô hình trở kháng của đường dây

Trở kháng của đường dây được mô hình hóa đơn giản bằng cuộn dây có điện cảmL line và điện trở nộir line o Lưới điện

Hình 5.4 Mô hình lưới điện 3 pha

Nguồn điện lưới 3 pha được mô phỏng bằng nguồn áp 3 pha lý tưởng với trung tính được nối đất Để thực hiện điều khiển kín cho bộ công suất, tín hiệu dòng điện pha và điện áp của lưới sẽ được hồi tiếp thông qua việc sử dụng cảm ứng dòng và áp.

Hình 5.5 Cảm biến dòng, áp

Mạch điều khiển gồm các phần chính sau:

Hình 5.6 Cấu trúc bộ PLL

Cấu trúc bộ PLL được thiết kế dựa trên lý thuyết đã trình bày, sử dụng bộ điều khiển PI để điều chỉnh sai số giữa điện áp trục d trên hệ trục dq và giá trị 0 Điện áp này được xác định thông qua bộ chuyển đổi, và ngõ ra của bộ điều khiển cung cấp giá trị tần số góc bổ sung cho tần số góc của dòng điện Để tính toán góc pha, cần thực hiện tích phân tần số góc.

Hình 5.7 Bộ chuyển đổi từ hệ trục abc sang hệ trục dq

Hình 5.7 trình bày quá trình chuyển đổi từ hệ trục abc sang hệ trục dq Ngõ vào bao gồm hai điện áp dây Eab và Ebc, cùng với góc pha được tính toán từ bộ PLL Từ hai điện áp dây này, điện áp ba pha abc sẽ được xác định Cuối cùng, giá trị điện áp trên hai trục dq sẽ được tính toán trong khối C theo công thức đã được thiết lập.

Hình 5.8 Bộ điều khiển công suất P&Q

Bộ điều khiển nhận vào công suất thực tham chiếu P ref và công suất phản kháng tham chiếu Q ref Dựa trên hai giá trị này, chúng ta xác định được hai giá trị tham chiếu cho bộ điều khiển dòng điện là I de ref _ và I qe ref _.

Hình 5.9 Bộ điều khiển dòng điện

Hình 5.10 Bộ chuyển đổi hệ trục dq sang hệ trục abc

Tín hiệu tham chiếu I d _ ref và I q ref _ từ bộ điều khiển P&Q sẽ được sử dụng làm đầu vào cho bộ điều khiển PI để điều khiển dòng điện Ngõ ra từ bộ điều khiển này sẽ tạo ra tín hiệu điện áp tham chiếu trên hệ trục tọa độ dq Tín hiệu điện áp này sau đó sẽ được chuyển đổi qua bộ chuyển đổi dq→abc, nhằm tạo ra điện áp tham chiếu 3 pha.

Hình 5.11 Giải thuật tạo tín hiệu tham chiếu cho bộ nghịch lưu và nguồn Z

Từ tín hiệu điện áp tham chiếu 3 pha, chúng ta tạo ra các tín hiệu xung PWM nhằm điều khiển bộ nghịch lưu và bộ nguồn Z, như thể hiện trong hình 5.11.

Hình 5.12 Khối tạo xung PWM

Cuối cùng, những tín hiệu điều khiển bộ công suất sẽ được sử dụng để tạo ra xung PWM nhờ vào khối tạo xung như hình 5.12

Thông số của bộ mô phỏng được thể hiện ở bảng 5.1

Bảng 5.1 Thông số mô phỏng bộ nghịch lưu 3 pha nối lưới nguồn Z tựa khoá

Capacitor (C1 & C2) 220 [àF] Điện cảm đường dây Lline 3.3 [mH] Điện trở đường dây Rline 0.1 [Ω] Điện áp dây lưới (rms) 220 [V]

Tần số lưới điện 50 [Hz]

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Hình 5.13 minh họa đáp ứng của bộ điều khiển phát hiện góc pha, cho thấy rằng phương pháp này hiệu quả trong việc phát hiện góc pha của lưới điện.

Giản đồ dạng sóng của điện áp lưới 3 pha, cùng với các điện áp trên trục  và dq, cùng với góc pha được phát hiện từ bộ điều khiển, được trình bày rõ ràng trong hình 5.14.

Hình 5.13 Đáp ứng của bộ PLL

Hình 5.14 Hiệu năng của bộ PLL

❖ Bộ DC/DC nguồn Z tựa khoá

Hiệu năng của bộ nguồn Z trong bộ công suất hòa lưới được khảo sát khi hệ thống truyền tải công suất không đổi P = 10[kW] lên lưới với công suất phản kháng bằng không Hiệu năng của bộ DC/DC được minh họa trong hình 5.15 Mối liên hệ giữa giản đồ điều chế PWM và dạng sóng điện áp tại DC Bus, cũng như dòng điện trên cuộn kháng L, được thể hiện trong hình 5.16.

Hình 5.15 Hiệu năng của bộ nguồn Z

Hình 5.16 Giản đồ PWM và dạng sóng ngõ ra

Để đánh giá hiệu suất của bộ nghịch lưu ba pha nguồn Z hoạt động ở chế độ nối lưới cùng bộ điều khiển P&Q, chúng tôi sẽ kiểm tra bộ công suất trong bốn trường hợp khác nhau.

Trường hợp I: Tăng công suất thực truyền lên lưới với công suất kháng bằng 0

Ban đầu, bộ nghịch lưu được điều khiển để truyền tải công suất thực P = 10 kW Tại thời điểm t = 0.4 s, tín hiệu tham chiếu công suất P tăng từ 10 kW lên 15 kW theo hàm bước, dẫn đến sự thay đổi của tín hiệu tham chiếu dòng điện I d_ref Dòng điện I q_ref được giữ ở giá trị 0 để ngăn chặn việc truyền tải công suất phản kháng lên lưới.

Hệ thống thể hiện hiệu suất ổn định qua hình 5.17, với bộ điều khiển PI dòng điện hoạt động hiệu quả, đảm bảo dòng điện thực tế bám sát giá trị tham chiếu và không có dao động ở trạng thái ổn định Hình 5.18.a và 5.18.b minh họa dạng sóng điện áp trên tụ V C và dòng điện trên cuộn kháng I L Hình 5.18.c cho thấy dòng điện 3 pha tăng theo khi công suất truyền lên lưới tăng Giá trị THD của dòng điện trước và sau khi thay đổi công suất lần lượt là 3.9% và 2.6%, đáp ứng tiêu chuẩn THD < 5% Hình 5.18.d chỉ ra dòng điện trên pha a tương ứng với điện áp, khẳng định rằng hệ thống chỉ truyền tải công suất thực lên lưới, phù hợp với mô hình khảo sát.

Hình 5.17 Tín hiệu điều khiển và đáp ứng của bộ điều khiển trong trường hợp I

Hình 5.18 Dạng sóng ngõ ra của bộ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trong trường hợp I

Trường hợp II: Giảm công suất thực truyền lên lưới với công suất kháng bằng 0

Tại thời điểm t = 0.6 [s], tín hiệu tham chiếu công suất P giảm từ 15 [kW] xuống 10 [kW], dẫn đến sự giảm của tín hiệu tham chiếu dòng điện I d _ ref, trong khi dòng điện I q ref _ vẫn được giữ ở mức 0 Hệ thống phản ứng tốt, như thể hiện trong hình 5.19, với hiệu năng của bộ điều khiển PI dòng điện đạt yêu cầu Dạng sóng điện áp trên tụ V C và dòng điện trên cuộn kháng I L được minh họa trong hình 5.20.a và 5.20.b, cho thấy sự ổn định trong dòng điện 3 pha phía lưới.

Hệ thống chỉ truyền tải công suất thực lên lưới khi dòng điện trên pha a cùng pha với điện áp trên pha đó, như thể hiện trong hình 5.20.d Sự giảm công suất diễn ra tương ứng với sự giảm của công suất, như mô tả trong hình 5.20.c.

Hình 5.19 Tín hiệu điều khiển và đáp ứng của bộ điều khiển trong trường hợp II

Hình 5.20 Dạng sóng ngõ ra của bộ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trong trường hợp II

Trường hợp III: Tăng công suất phản kháng Q của bộ nghịch lưu với công suất thực P không đổi

Hệ thống ban đầu được thiết lập để truyền tải công suất thực P = 10 [kW] và công suất phản kháng Q = 0 [Var] Tại thời điểm t = 0.8 [s], giá trị tham chiếu của Q được điều chỉnh tăng lên 5 [kVar] Do công suất thực không thay đổi, dòng điện trên trục d tiếp tục được điều khiển để duy trì giá trị ban đầu Đồng thời, giá trị tham chiếu của dòng điện cũng được cập nhật.

Hệ thống phản ứng hiệu quả trước sự thay đổi giá trị Q ref, như minh họa trong hình 5.21 Bộ điều khiển dòng điện duy trì hoạt động ổn định, được thể hiện rõ trong hình 5.21.c và 5.21.d.

Trong bài viết này, hình 5.22.a, 5.22.b và 5.22.c minh họa sóng điện áp V_C, dòng điện I_L và dòng điện trên ba pha Để truyền tải công suất phản kháng lên trường, dòng điện trên mỗi pha cần được điều chỉnh để lệch pha so với điện áp tương ứng Sự lệch góc pha này được thể hiện rõ trong hình 5.22.d.

Hình 5.21 Tín hiệu điều khiển và đáp ứng của bộ điều khiển trong trường hợp III

Hinh 5.22 Dạng sóng ngõ ra của bộ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trong trường hợp III

Trường hợp IV: Giảm công suất phản kháng Q của bộ nghịch lưu với công suất thực P không đổi

Hệ thống được điều khiển để truyền tải công suất thực P = 10 [kW] và công suất phản kháng Q = 5 [kVar] Tại thời điểm t = 1 [s], giá trị tham chiếu của Q giảm đột ngột về 0, dẫn đến sự thay đổi của dòng điện tham chiếu I q ref Đáp ứng của hệ thống được thể hiện rõ trong hình 5.23, cho thấy bộ điều khiển dòng điện hoạt động hiệu quả Các dạng sóng của điện áp V C cũng được trình bày trong hình 5.24.c và 4.24.d, minh chứng cho hiệu suất của hệ thống trong trường hợp này.

, dòng điện I L , dòng điện trên 3 pha, và góc pha lệch giữa dòng điện và điện áp trên pha được thể hiện tương ứng trên hình 5.24

Hình 5.23 Tín hiệu điều khiển và đáp ứng của bộ điều khiển trong trường hợp

Hình 5.24 Dạng sóng ngõ ra của bộ nghịch lưu tựa khoá nguồn Z trong trường hợp IV

Tiêu đề	Nghiên Cứu Bộ Nghịch Lưu 3P2LQSB Cho Hệ Thống Phát Điện
Tác giả	Nguyễn Hùng
Người hướng dẫn	TS. Quách Thanh Hải
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	6,8 MB