Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu hướng dẫn phương pháp thiết kế một bộ nghịch lưu đa mức theo phương pháp nối tầng ứng dụng cho pin mặt trời nối lưới nhằm tối ưu năng lượng mặt trời chuyển hóa thành điện năng. Trong đó, thuật toán tìm công suất cực đại MPPT được sử dụng để tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất trên đường đặc tính của pin mặt trời. Để nâng cao chất lượng điện năng đưa vào lưới, các bộ điều khiển điện áp PI, bộ điều khiển dòng điện PR, vòng khóa pha PLL đã được sử dụng. Thuật toán và các bộ điều khiển được mô phỏng bằng phần mềm Matlab. Một số bộ điều khiển điện áp và dòng điện đã được kiểm nghiệm thực tế.
MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ i DANH SÁCH BẢNG BIỂU iv DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT v LỜI NÓI ĐẦU 1 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 1.1 Tiềm ứng dụng lượng mặt trời 1.1.1 Tiềm năng lượng mặt trời 1.1.2 Các ứng dụng lượng mặt trời 1.2 Pin mặt trời 1.2.1 Cấu tạo 1.2.2 Mô hình toán học 1.3 Hệ thống pin mặt trời nối lưới 1.3.1 Mô hình hệ thống pin mặt trời nối lưới 1.3.2 Vấn đề đặt 1.3.3 Giải pháp 1.4 Tiêu chuẩn cho hệ pin mặt trời nối lưới 11 1.4.1 Các tiêu chuẩn quốc tế 11 1.4.2 Đáp ứng điều kiện lưới bất thường 11 1.4.3 Chất lượng điện 12 NGHỊCH LƯU MỨC ĐIỆN ÁP MỘT PHA 14 2.1 Cấu trúc nghịch lưu mức điện áp pha 14 2.2 Phương pháp phát xung 16 2.2.1 Điều chế xung cho cầu 16 2.2.2 Điều chế sóng mang 17 2.3 Mạch điện tương đương sơ đồ nối lưới 20 2.4 Tính toán mạch lực 21 2.4.1 Tính chọn van 22 2.4.2 Tính chọn L, C 23 2.5 Ưu, nhược điểm nghịch lưu đa mức 24 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 26 3.1 Cấu trúc điều khiển 26 3.2 Thuật toán MPPT 27 3.3 Bộ điều khiển dòng điện 30 3.3.1 Bộ điều khiển cộng hưởng PR 30 3.3.2 Thiết kế điều khiển cộng hưởng PR cho vòng dòng điện 32 3.4 Bộ điều khiển điện áp 35 3.4.1 Bộ điều khiển điện áp tổng 35 3.4.2 Hai điều khiển điện áp thành phần 38 3.5 Vòng khóa pha PLL 41 3.5.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động: 42 3.5.2 Khối tạo điện áp β ảo 42 3.5.3 Khối vòng khóa pha 43 MÔ PHỎNG 47 4.1 Tham số hệ thống 47 4.2 Trình tự mô 47 4.3 Kết mô 49 4.3.1 Trường hợp lưới điện không thay đổi 49 4.3.2 Trường hợp lưới điện thay đổi 53 THỰC NGHIỆM 55 5.1 Cấu trúc điều khiển thực nghiệm 55 5.2 Cấu trúc phần cứng 55 5.2.1 Mạch lực nghịch lưu mức điện áp 57 5.2.2 Mạch driver 58 5.2.3 Mạch đo 60 5.2.4 Vi điều khiển 63 5.3 Gián đoạn điều khiển số hóa – chuẩn hóa tín hiệu 64 5.3.1 Gián đoạn cấu trúc điều khiển 65 5.3.2 Số hóa tín hiệu, DSP dấu phẩy tĩnh 68 5.4 Xây dựng chương trình Matlab 70 5.5 Kết thực nghiệm 71 5.5.1 Vòng hở 72 5.5.2 Vòng kín nối tải độc lập 76 5.5.3 Vòng kín nối lưới 80 KẾT LUẬN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 Danh sách hình vẽ DANH SÁCH HÌNH VẼ Hin ̀ h 1.1 - Pin mặt trời KC200GT hãng Kyocera Hình 1.2 - Cánh đồng pin mặt trời Đức Hình 1.3 - Mạch điện tương đương pin mặt trời Hình 1.4 - Đường đặc tính u-i theo cường độ xạ theo nhiệt độ pin KC200GT Hình 1.5 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới Hình 1.6 - Đường đặc tính p-u pin lượng mặt trời điều kiện hoạt động khác Hin ̀ h 1.7 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu truyền thống 10 Hin ̀ h 1.8 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức 10 Hin ̀ h 2.1 - Cấu trúc nghịch lưu mức điện áp pha 14 Hin ̀ h 2.2 - Dạng điện áp đầu nghịch lưu đa mức 15 Hin ̀ h 2.3 – Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế đơn cực 16 Hin ̀ h 2.4 - Sóng mang dạng PD 18 Hin ̀ h 2.5 - Sóng mang dạng APOD 18 Hin ̀ h 2.6 - Sóng mang dạng POD 19 Hin ̀ h 2.7 - Điều chế sóng mang theo phương pháp dịch pha 20 Hin ̀ h 2.8 - Mạch điện tương đương nghịch lưu mức pha nối lưới 20 Hin ̀ h 3.1 - Cấu trúc điều khiển hệ thống tổng thể 26 Hin ̀ h 3.2 - Vị trí thuật toán MPPT (màu xanh) cấu trúc điều khiển tổng thể 27 Hin ̀ h 3.3 - Minh họa phương pháp INC đường đặc tính p-u 29 Hin ̀ h 3.4 - Thuật toán MPPT dựa vào phương pháp INC 29 Hin ̀ h 3.5 - Vị trí điều khiển dòng điện (màu xanh) cấu trúc điều khiển tổng thể 30 Hin ̀ h 3.6 - Đồ thị Bode điều khiển cộng hưởng với KPh=5, KIh=2000 32 Hình 3.7 - Cấu trúc điều khiển PR 32 Hình 3.8 - Đồ thị biên-pha hệ kín vòng điều khiển dòng điện 33 Hình 3.9 - Đáp ứng bước nhảy hệ kín vòng điều khiển dòng điện 34 Hình 3.10 - Vị trí điều khiển điện áp tổng (màu xanh) cấu trúc điều khiển tồng thể 35 Hình 3.11 - Đồ thị biên - pha hệ kín mạch vòng điện áp tổng 37 Hình 3.12 - Đáp ứng bước nhảy hệ kín mạch vòng điện áp tổng 38 Hình 3.13 - Vị trí hai điều khiển điện áp thành phần màu xanh cấu trúc điều khiển tổng thể 38 Hình 3.14 - Đồ thị biên - pha hệ kín mạch vòng điện áp thành phần 40 Hình 3.15 - Đáp ứng bước nhảy hệ kín mạch vòng điện áp thành phần 41 Hình 3.16 - Vị trí khối PLL (màu xanh) sơ đồ cấu trúc tổng thể 41 Hin ̀ h 3.17 - Cấu trúc vòng khóa pha pha 42 Hin ̀ h 3.18 - Cấu trúc khối tạo điện áp β ảo 42 i Danh sách hình vẽ Hin ̀ h 3.19 - Cấu trúc vòng khóa pha PLL 43 Hình 3.20 - Phân tích thành phần vector điện áp lưới 44 Hình 3.21 - Cấu trúc vòng khóa pha thu gọn 44 Hình 3.22 - Sơ đồ tuyến tính hóa mạch vòng khóa pha 44 Hình 3.23 - Đáp ứng tần số hệ kín khối vòng khóa pha (PLL) 45 Hình 3.24 - Đáp ứng bước nhảy vòng kín PLL 46 Hình 4.1 – Trình tự mô 48 Hin ̀ h 4.2 - Điện áp đầu nghịch lưu đa mức 49 Hin ̀ h 4.3 - Công suất chuỗi pin mặt trời 49 Hin ̀ h 4.4 - Dòng điện đầu chuỗi pin mặt trời 50 Hin ̀ h 4.5 - Điện áp đặt sau thuật toán MPPT chuỗi pin 51 Hin ̀ h 4.6 - Điện áp đầu vào nghịch lưu cầu 51 Hin ̀ h 4.7 - Dòng điện (đường màu xanh, 10A/div) điện áp lưới (đường màu đỏ, 100V/div) khoảng thời gian 1.2s đến 1.4s 52 Hin ̀ h 4.8 - Phân tích phổ dòng điện khoảng thời gian 1.2s đến 1.4s 52 Hin ̀ h 4.9 - Dòng điện (đường màu xanh, 10A/div) điện áp lưới (đường màu đỏ, 100V/div) khoảng thời gian 0.9s đến 1.1s 53 Hin ̀ h 4.10 - Dòng điện (đường màu xanh, 10A/div) điện áp lưới (đường màu đỏ, 100V/div) khoảng thời gian 1.4s đến 1.6s 54 Hin ̀ h 4.11 - Công suất chuỗi pin mặt trời trường hợp lưới điện thay đổi 54 Hin ̀ h 5.1 - Cấu trúc điều khiển thực nghiệm 55 Hin ̀ h 5.2 - Cấu trúc phần cứng 56 Hin ̀ h 5.3 – Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 57 Hình 5.4 - Sơ đồ kết nối mạch lực 57 Hình 5.5 - Sơ đồ kết nối chân tiêu biểu IR2103 59 Hình 5.6 - Sơ đồ tín hiệu đầu vào đầu 59 Hình 5.7 - Sơ đồ nguyên lý mạch driver 59 Hình 5.8 - Mạch driver mạch lực nghịch lưu mức điện áp pha 60 Hình 5.9 - Sơ đồ khối mạch đo điệp áp lưới 61 Hình 5.10 - Sơ đồ nguyên lý khối đo điện áp lưới 61 Hình 5.11 - Sơ đồ khối mạch đo dòng điện phía lưới 62 Hình 5.12 - Đường đặc tính ACS712 62 Hình 5.13 - Sơ đồ nguyên lý khối đo dòng 62 Hình 5.14 - Mạch đo thực tế 63 Hình 5.15 - Mạch vi điều khiển 64 Hình 5.16 - Hệ thống điều khiển số 64 Hin ̀ h 5.17 - Hệ thống thực nghiệm 72 Hin ̀ h 5.18 - Cấu trúc thực nghiệm vòng hở nghịch lưu mức điện áp pha 73 Hin ̀ h 5.19 - Khối điều chế độ rộng xung – PWM 73 Hin ̀ h 5.20 - Xung điều khiển van S1 (sau driver) 74 ii Danh sách hình vẽ Hin ̀ h 5.21 – Kết đo hai xung điều khiển van S1 S3 74 Hình 5.22 - Điện áp đầu cầu H1 75 Hình 5.23 - Điện áp đầu NLĐM (3 cầu H) 75 Hình 5.24 - Cấu trúc thực nghiệm vòng kín nghịch lưu bảy mức điện áp pha với tải độc lập 77 Hình 5.25 - Khối chuyển đổi tương tự - số - ADC 77 Hình 5.26 - Bộ điều khiển dòng điện 78 Hin ̀ h 5.27 - Bộ điều khiển dòng điện cộng hưởng gián đoạn hóa 78 Hin ̀ h 5.28 - Dòng điện tải (màu xanh) điện áp phía lưới (màu vàng) 80 Hin ̀ h 5.29 - Cấu trúc thực nghiệm hệ thống vòng kín nghịch lưu điện áp pha nối lưới 81 Hin ̀ h 5.30 - Cấu trúc điều khiển dòng điện cấu trúc nghịch lưu pha nối lưới 81 Hin ̀ h 5.31 - Dòng điện phía lưới (màu vàng) điện áp lưới (màu xanh) trường hợp sử dụng cầu để nối lưới 82 Hin ̀ h 5.32 - Dòng điện điện áp phía lưới trường hợp sử dụng cầu để nối lưới 83 iii Danh sách bảng biểu DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1-1 - Giới hạn sóng hài điện áp lưới EN 50160 11 Bảng 1-2 - Thời gian ngắt kết nối biến thiên điện áp 12 Bảng 1-3 - Thời gian ngắt kết nối biến thiên tần số 12 Bảng 1-4 - Giới hạn sử dụng dòng bơm DC 12 Bảng 1-5 - Sóng hài dòng lớn IEEE 1547 IEC 61727 13 Bảng 2-1 - Tổ hợp logic van để tạo mức điện áp khác 15 Bảng 2-2 - Thông số pin KC200GT 21 Bảng 4-1 – Tham số hệ thống 47 Bảng 4-2 - Thông số điều khiển 47 Bảng 5-1 - Một vài thông số điện IR2103 58 Bảng 5-2 - Bảng điện áp mức logic đầu vào, đầu IR2103 59 Bảng 5-3 - Độ phân giải miền biểu diễn định dạng số thực 70 Bảng 5-4 - Các tham số hệ thống phần cứng trường hợp nối tải độc lập 76 Bảng 5-5 - Các tham số điều khiển hệ thống trường hợp nối tải độc lập 76 Bảng 5-6 - Các tham số hệ thống phần cứng trường hợp nối lưới 80 Bảng 5-7 - Các tham số điều khiển hệ thống 80 iv Danh sách ký hiệu từ viết tắt DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu: Ký hiệu C Đơn vị F Ý nghĩa Giá trị tụ đầu vào cầu H nghịch lưu đa mức L ipvi H A Giá trị điện áp cuộn cảm phía lưới Dòng điện đầu chuỗi pin mặt trời thứ i upvi V Điện áp đầu chuỗi pin mặt trời thứ i udci V Điện áp đầu vào cầu H thứ i nghịch lưu đa mức udc V udcsum V Điện áp đầu vào cầu H trường hợp nghịch lưu đa mức Điện áp tổng đầu vào nghịch lưu đa mức idc is ug uHi uH A A A V V Dòng điện phía chiều Dòng điện phía lưới Điện áp lưới Điện áp đầu cầu thứ i nghịch lưu đa mức Điện áp tổng đầu nghịch lưu đa mức V Hệ số điều chế cầu H thứ i Điện áp cuộn cảm mi uL Chữ viết tắt Chữ viết tắt NLĐM NL7M Tên tiếng anh Ý nghĩa Nghịch lưu đa mức Nghịch lưu mức MPPT Maximum Power Point Tracking Phase Locked Loop Maximum Power Point Incremental Conductance Thuật toán tìm điểm công suất cực đại PLL MPP INC Vòng khóa pha Điểm công suất cực đại Phương pháp điện dẫn gia tăng v Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Năng lượng điện đóng vài trò quan trọng trình phát triển quốc gia nào, có Việt Nam Hiện nay, nguồn sản xuất điện phụ thuộc phần lớn vào nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, khí đốt Trước phát triển kinh tế nay, nhu cầu sử dụng điện nước giới ngày tăng dẫn đến nguồn nhiên liệu trở nên cạn kiệt Mặt khác, nguồn nhiên liệu hóa thạch gây ảnh hướng lớn đến môi trường làm tăng nồng độ CO2, gây hiệu ứng nhà kính Trước tình trạng đó, nguồn lượng tái tạo dần khai thác để sử dụng như: lượng gió, lượng thủy triều, lượng mặt trời, Trong đó, nguồn lượng mặt trời nhận quan tâm lớn quốc gia giới Việt Nam quốc gia có khí hậu nhiệt đới gió mùa, có đường bờ biển dài Năng lượng mặt trời Việt Nam vô dồi Vì vậy, trước phát triển bền vững đất nước, nguồn lượng trời khai thác mạnh mẽ tương lai gần Việt Nam Pin mặt trời ứng dụng chuyển hóa lượng mặt trời thành điện Để điện tạo từ pin mặt trời đưa vào sử dụng cần phải có biến đổi phù hợp Đặc biệt, để hòa điện vào lưới điện biến đổi cần phải thiết kế với yêu cầu khắt khe Ngoài ra, hiệu suất lượng mặt trời thấp nên biến đổi điện tử công suất phải có nhiệm vụ tối ưu lượng nhận từ pin mặt trời Có thể nói, việc thiết kế biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho lĩnh vực pin mặt trời, đặc biệt pin mặt trời nối lưới, khó khăn lại có vai trò vô quan trọng phát triển pin mặt trời nói riêng lượng mặt trời nói chung Vì lí trên, tác giả lựa chọn đề tài “Thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu mức điện áp pha cho hệ pin mặt trời nối lưới” Nội dung đồ án trình bày năm chương: Chương 1: Tổng quan pin mặt trời nối lưới Chương sơ lược lại vai trò lượng mặt trời ứng dụng nó, phân tích vấn đề pin mặt trời nối lưới đề giải pháp hiệu Lời nói đầu Chương 2: Nghịch lưu mức điện áp pha Chương phân tích kỹ hệ thống nghịch lưu mức điện áp pha – biến đổi điện tử công suất quan trọng ứng dụng pin mặt trời nối lưới Chương 3: Thiết kế điều khiển Đưa cấu trúc điều khiển phù hợp để tối ưu lượng điện tạo từ pin mặt trời, biến đổi điện tạo từ pin mặt trời thành dạng điện phù hợp để hòa vào lưới điện Chương 4: Mô Trình bày kết mô được, phân tích đánh giá kết Chương 5: Thực nghiệm Thiết kế hệ thống thực nghiệm, đưa kết đánh giá Trong trình thực đồ án tốt nghiệp, dù cố gắng hạn chế mặt thời gian kiến thức nên tác giả tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong muốn nhận ý kiến, đóng góp thầy cô để tác giả hoàn thiện nghiên cứu thân Qua đây, tác giả đặc biệt gửi lời cảm ơn đến TS.Vũ Hoàng Phương tận tình hướng dẫn tác giả trình thực đồ án, đồng thời gửi lời cảm ơn tới thầy, cô thành viên Viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa (trước Tòa nhà công nghệ cao -Hitech) tạo điều kiện để tác giả hoàn thành đồ án Hà Nội, ngày 01 tháng 01 năm 2017 Tác giả Hoàng Văn Sơn Thực nghiệm Hình 5.20 - Xung điều khiển van S1 (sau driver) Hình 5.21 – Kết đo hai xung điều khiển van S1 S3 74 Thực nghiệm Hình 5.22 - Điện áp đầu cầu H1 Hình 5.23 - Điện áp đầu NLĐM (3 cầu H) Hin ̀ h 5.20 dạng xung điều khiển khiển cho van S1 (sau driver) Xung có tần số 1kHz, điện áp mức logic cao 12V, điện áp mức logic thấp 0V Điện áp 75 Thực nghiệm mức logic thích hợp để đóng, mở van MOSFET Vì xung sinPWM nên độ rộng xung biến thiên theo hình sin Hình 5.21 kết đo hai xung điều khiển van S1 S3 Kết phản ánh việc phát xung chế độ đơn cực Hiǹ h 5.22 thể điện áp đầu cầu H Điện áp đầu cầu có dạng sin tần số 50Hz với mức điện áp -12V, 0V, +12V Hin ̀ h 5.23 thể điện áp đầu NL7M Điện áp có dạng bậc với mức điện áp: -36V, -24V, -12V, 0V, +12V, +24V, +36V Với dạng đa bậc này, điện áp đầu NL7M tiến gần đến hình sin Tần số sóng sin 50Hz Kết thể phương pháp phát xung đơn cực kết hợp dịch pha sóng mang hoàn toàn hợp lý hệ thống NL7M 5.5.2 Vòng kín nối tải độc lập Bảng 5-4 - Các tham số hệ thống phần cứng trường hợp nối tải độc lập Nguồn chiều (ắc quy) 12V Cuộn cảm 2.3mH Điện trở 10 Bảng 5-5 - Các tham số điều khiển hệ thống trường hợp nối tải độc lập Giá trị dòng điện đặt (giá trị đỉnh) 1A Hệ số điều chế cầu thứ 0.337 Hệ số điều chế cầu thứ 0.337 Tham số điều khiển Kp 26 Ki 4296 Tải độc lập sử dụng gồm cuộn cảm có giá trị điện cảm L=2.3mH điện trở R=10 Tín hiệu hình sin đo từ lưới điện Cấu trúc thực nghiệm: 76 Thực nghiệm Hình 5.24 - Cấu trúc thực nghiệm vòng kín nghịch lưu bảy mức điện áp pha với tải độc lập Hình 5.25 - Khối chuyển đổi tương tự - số - ADC 77 Thực nghiệm Hình 5.26 - Bộ điều khiển dòng điện Hình 5.27 - Bộ điều khiển dòng điện cộng hưởng gián đoạn hóa Hin ̀ h 5.24 thể cấu trúc thực nghiệm vòng kín NL7M điện áp pha với tải độc lập gồm ba khối bản: khối chuyển đổi tương tự - số, điều khiển dòng điện khâu điều chế độ rộng xung - PWM Quá trình chuyển đổi tín hiệu điện áp, dòng điện từ dạng tương tự sang dạng số với trình chuẩn hóa kết đo được thể hình Hình 5.25 Khối ADC Matlab lấy kết chuyển đổi từ vi điều khiển đưa hai đầu kết tương ứng A0 A1 (kênh đo A0 sử 78 Thực nghiệm dụng để đo điện áp lưới kênh A1 đo dòng điện chạy qua cuộn cảm) Dải liệu kết chuyển đổi ADC 12 bit – 212 tương ứng với điện áp – 3V đầu vào ADC Để đảm bảo độ phân dải ADC đồng thời phù hợp với kiểu liệu sử dụng để tính toán điều khiển, kết chuyển đổi thu chuyển sang dạng số thực dấu phẩy tĩnh IQ24, dải [-1;1] Dữ liệu đo điện áp lưới sử dụng làm sóng sin chuẩn để điều chế điện áp đơn cực, điện áp lưới điện nhỏ dải đo điện áp thiết kế, ta phải nhân với hệ số tỷ số dải đo mạch đo điện áp lưới để tạo tín hiệu sin chuẩn biến thiên dải [-1;1] Dữ liệu đo dòng điện chạy qua cuộn cảm làm tín hiệu phản hồi đưa điều khiển dòng điện Hin ̀ h 5.26 Hiǹ h 5.27 biểu diễn cấu trúc điều khiển dòng điện cộng hưởng gián đoạn chuẩn hóa Kết quả: Thông số điều khiển tính bằng: Kp=26, Ki=4629 Với thông số Kp trên, dòng điện phía tải có dạng hình sin, đồng pha với điện áp lưới chất lượng dòng điện với biên độ dao động mạnh quanh giá trị đặt, giá trị hiệu dụng không ổn định Thay đổi Kp=5, chất lượng dòng điện tốt hơn, dao động (Hin ̀ h 5.28), giá trị hiệu dụng ổn định xấp xỉ với giá trị đặt Hin ̀ h 5.28 thể dòng điện phía tải đồng pha với lưới có tần số 50Hz Điều khẳng định điều khiển dòng điện PR với phương pháp gián đoạn Tustin hoàn toàn có khả điều chỉnh dòng điện Các tín hiệu hình đo từ đầu mạch đo Quan sát đường màu xanh biểu thị giá trị điện áp ta nhận thấy, chất lượng tín hiệu điện áp đo chưa tốt Biên độ dao động lớn Tại đỉnh ta quan sát biên độ dao động điện áp đỉnh hình sin lên đến 50mV 79 Thực nghiệm Hình 5.28 - Dòng điện tải (màu xanh) điện áp phía lưới (màu vàng) 5.5.3 Vòng kín nối lưới Hệ thống vòng kín nối lưới có cấu trúc Hin ̀ h 5.2 Các thông số hệ thống cho Bảng 5-6 Bảng 5-7 Bảng 5-6 - Các tham số hệ thống phần cứng trường hợp nối lưới Nguồn chiều (ắc quy) 12V Cuộn cảm 2.3mH Điện áp sơ cấp biến áp (hiệu dụng) 220V Điện áp thứ cấp biến áp (hiệu dụng) 20V Bảng 5-7 - Các tham số điều khiển hệ thống Giá trị dòng điện đặt (giá trị đỉnh) 1A Hệ số điều chế cầu thứ 0.786 Hệ số điều chế cầu thứ 0.786 Tham số điều khiển Kp Ki 4296 80 Thực nghiệm Cấu trúc thực nghiệm: Hình 5.29 - Cấu trúc thực nghiệm hệ thống vòng kín nghịch lưu điện áp pha nối lưới Hình 5.30 - Cấu trúc điều khiển dòng điện cấu trúc nghịch lưu pha nối lưới Hin ̀ h 5.29 Hiǹ h 5.30 thể cấu trúc thực nghiệm hệ thống vòng kín NL7M pha nối lưới, điểm khác biệt so với cấu trúc vòng kín xây dựng với tải độc lập trước có thành phần điện áp lưới phản hồi điều khiển Kết quả: Trường hợp sử dụng cầu để nối lưới: Hin ̀ h 5.31 kết thực nghiệm trường hợp nối lưới biểu diễn dạng dòng điện phía lưới Dòng điện (đường màu vàng) có dạng sin, đồng pha với điện áp phía lưới (đường màu xanh), nhiên chất lượng dòng điện kém, dao động mạnh Việc thay đổi tham số điều khiển không cải thiện chất lượng dòng điện 81 Thực nghiệm Hình 5.31 - Dòng điện phía lưới (màu vàng) điện áp lưới (màu xanh) trường hợp sử dụng cầu để nối lưới Trường hợp sử dụng ba cầu để nối lưới: Trong trường hợp sử dụng cầu để nối lưới, dòng điện không ổn định theo chu kỳ nữa, chất lượng dòng điện kém, dao động mạnh (Hin ̀ h 5.32) Có thể nói, trường hợp dòng điện không khả điều khiển điều khiển 82 Thực nghiệm Hình 5.32 - Dòng điện điện áp phía lưới trường hợp sử dụng cầu để nối lưới Phân tích nguyên nhân dẫn đến việc kiểm soát dòng điện trường hợp nối lưới: Khác với trường hợp nối tải độc lập cho chất lượng dòng điện tương đối tốt trường hợp nối lưới, dòng điện không đạt yêu cầu chất lượng Trong trường hợp sử dụng cầu H để nối lưới, dòng điện có bám theo giá trị đặt, đảm bảo tần số dòng điện dòng điện dao động mạnh Trong trường hợp sử dụng cầu H dòng điện không khả kiểm soát điều khiển Sau số nguyên nhân dẫn đến việc kiểm soát dòng điện trường hợp nối lưới: Quan sát tất kết trường hợp chạy vòng kín từ nối tải độc lập đến nối lưới ta có nhận thấy: chất lượng điện áp lưới đo không tốt, dao động mạnh Mặc dù khối đo áp sử dụng lọc RC với tần số cắt giảm xuống 1kHz chất lượng điện áp đo không cải thiện nhiều Một nguyên nhân dẫn đến chất lượng việc đo điện áp IC HCPL7800 không đạt ổn định Như nói trên, HCPL7800 có khả cách ly tốt để đảm bảo cho IC hoạt động ổn định cần phải có nguồn cấp cho phải ổn định bao gồm nguồn cấp 5V hai phía sơ cấp thứ cấp HCPL7800 Việc thiết kế 83 Thực nghiệm nguồn bất hợp lý toàn mạch đo mạch driver sử dụng nguồn cấp Điều dẫn đến công suất cung cấp cho khối đo áp không đảm bảo, dẫn đến HCPL7800 hoạt động không ổn định Những lưu ý trường hợp nối lưới: Nguồn chiều phải có khả tích trữ lượng Trong toán nghịch lưu nối lưới ta cần phải sử dụng nguồn chiều để đưa lượng từ nguồn lưới điện Để điều khiển dòng điện phía lưới có dạng hình sin đảm bảo pha với lưới điện hệ thống mạch lực phải hoạt động hai chế độ: nghịch lưu chỉnh lưu Trong chế độ chỉnh lưu, lượng đưa từ lưới điện phía chiều Khi đấy, phía nguồn chiều cần phải có khả lưu trữ lượng Ở phần thực nghiệm phía trên, nguồn chiều sử dụng acquy có dung lượng lên tới 70Ah đủ khả để tích trữ lượng Trong trường hợp khả lưu trữ lượng phía chiều không đủ lớn ta sử dụng ốt để ngăn chặn dòng chỉnh lưu chảy nguồn Trạng thái reset vi điều khiển Driver IR2103 giải pháp hay việc tiết kiệm tài nguyên cho vi điều khiển IC IR2103 có khả tạo xung có mức logic ngược dùng để điều khiển van nhánh Tuy nhiên việc sử dụng IR2103 cần phải lưu ý thời điểm reset vi điều khiển Tại thời điểm này, chân PWM vi điều khiển mức logic Điều đồng nghĩa với việc xung điều khiển van S1 S3 mức logic 0, xung điều khiển van S2 S4 mức logic Nếu thời điểm này, hệ thống nghịch lưu nối với lưới điện vô tình van S2 S4 tạo thành dây dẫn Dòng điện qua cuộn cảm tăng lên nhanh chóng làm phá hủy hệ thống mạch lực Vì vậy, thời điểm reset hệ thống, tất xung phía đầu cần mức logic 84 Kết luận hướng phát triển KẾT LUẬN Trong thời gian nghiên cứu đề tài “Thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu mức điện áp pha ứng dụng cho pin mặt trời nối lưới”, tác giả thu kết tích cực: hoàn thành việc mô với kết tính toán, xây dựng hệ thống phần cứng bước đầu chạy thực nghiệm thu số kết khả quan điều khiển dòng điện trường hợp nối tải độc lập sử dụng ba cầu H, nghịch lưu nối lưới trường hợp sử dụng cầu H Tuy nhiên, việc nối lưới sử dụng ba cầu H chưa thành công Thực nghiệm nghịch lưu nối lưới cần phải thực cẩn thận theo chu trình tính toán kỹ lưỡng từ trước sơ suất nhỏ dẫn tới phần cứng bị phá hủy hệ thống mạch lực Trong trình tìm hiểu tài liệu, tác giả nhận thấy, hệ thống nghịch lưu đa mức ứng dụng cho pin mặt trời nối lưới ứng dụng hay nghiên cứu nhiều giới Tác giả mong muốn hệ thống tiếp tục nghiên cứu phát triển giai đoạn tới Hà Nội, ngày 01 tháng 01 năm 2017 Tác giả Hoàng Văn Sơn 85 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, “Điện tử công suất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2010 [2] Phạm Quốc Hải, “Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2009 [3] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất” [4] Trần Trọng Minh, “Chỉnh lưu tích cực”, Bài giảng điện tử công suất nâng cao ĐHBKN [5] Vũ Hoàng Phương, “Điều khiển nghịch lưu nguồn Z ứng dụng cho hệ phát điện phân tán”, Luận án Tiến sĩ, 2013 [6] Bùi Văn Huy, “Điều khiển biến đổi điện tử công suất ứng dụng nguồn điện phân tán có nối lưới”, Luận án Tiến sĩ, 2015 [7] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2002 [8] Hoàng Minh Sơn, “Cơ sở hệ thống điều khiển trình”, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2006 [9] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink danh cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2008 TIẾNG ANH [10] J M Carrasco, J T Bialasiewicz, E Galvan, R C PortilloGuisado, M A M Prats, J I Leon, N Moreno-Alfonso “Power-Electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Energy Sources: A Survey” IEEE Trans Ind Electron., vol 53, no 4, pp 1002–1016, Aug 2006 [11] Bailu Xiao, Ke Shen, Jun Mei, Faete Filho, Leon M Tolbert, “Control of Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter with Individual MPPT for Grid-Connected Photovoltaic Generators,” 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 15-20 Sept 2012, pp 3715 - 3721 86 Tài liệu tham khảo [12] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodríguez “Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems ,” 2011 John Wiley & Son, Ltd [13] J Rodriguez, J S Lai, and F Z Peng, “Multilevel inverters: A survey of topologies, controls, and applications,” IEEE Trans Ind Electron., vol 49, no 4, pp 724-738, Aug 2002 [14] T Esram and P L Chapman, “Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques,” IEEE Trans Energy Convers., vol 22, no 2, pp 439-449, Jun 2007 [15] Simone Buso, Paolo Mattavelli, “Digital control in power electronics”, 2nd Edition, A Publication in the Morgan & Claypool Publishers series, 2015 [16] S.S.Vlunjkar, S.Djoshi, N.R.Kulkarni, “Implementation of maximum power point tracking charge controller for renewable energy”, 2014 IEEE International Conference on Advanced Communication Control and Computing Technologies [17] Antonio Dell’Aquila, Marco Liserre, Vito Giuseppe Monopoli, Paola Rotondo, “Overview of PI-Based Solutions for the Control of DC Buses of a Single-Phase HBridge Multilevel Active Rectifier”, IEEE Transactions on industry applications, vol.44, no.3, May/June 2008 [18] B P McGrath and D G Holmes, “Multicarrier PWM strategies for multilevel inverters,” IEEE Trans Ind Electron., vol 49, pp 858–867, Aug.2002 [19] Alejandro Gomez Yepes, “Digital Resonant Current Controllers For Voltage Source Converters”, Dissertation submitted for the degree of doctor of Philosophy at the University of Vigo [20] Bailu Xiao, Faete Filho, Leon M.Tolbert, “Single-Phase Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter with Nonactive Power Compensation for Grid-Connected Photovoltaic Generators” [21] Ningyun Zhang, Houjun Tang, Chen Yao, “A Systematic Method for Designing a PR Controller and Active Damping of the LCL Filter for Single-Phase Grid-Connected PV Inverters”, Energies 2014, 7, 3934-3954, doi:10.3390/en7063934 [22] Texas Instruments, “PV Inverter Design Using Solar Explorer Kit”, Application Report, SPRABR4A-July 2013 87 Tài liệu tham khảo [23] A.Safari and S.Mekhilef, “Incremental Conductance MPPT Method for PV System”, IEEE CCECE2011-000345 [24] S.S.Valunjkar, S.D.Joshi, N.R.Kulkami, “Implementation of Maximum Power Point Tracking Charge Controller for Renewable Energy”, ISBN No.978-1-47993914-5/14/$31.00 2014 IEEE [25] Elena Villanueva, Pablo Correa, Jose Rodriguez, “Control of a single phase HBridge multilevel inverter for grid-connected PV applications”, 978-1-4244-17421/08/$25.00 2008 IEEE [26] Jong-Pil Lee, Byung-Duk Min and Dong-Wook Yoo, “Implementation of High Efficiency Grid-tied Multi-Level Photovoltaic Power Conditioning System Using Phase Shifted H-bridge Modules”, Journal of Power Electronics, 2013 [27] Antonio Dell Aquila, Marco Liserre, VitoGiuseppe Monopoli, Paola Rotondo, “Overview of PI-Based Solutions for the Control of DC Buses of a Single-Phase HBridge Multilevel Active Rectifier”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.4, No.3, May/June 2008 [28] Lin Xu, Yang Han, “Effective Controller Design for the Cascaded H-bridge Multilevel DSTATCOM for Reactive Compensation in Distribution Ultilities”, Electrotehniski Vestnik 78(4): 229-235, 2011 [29] D.Zammit, C.Spiteri Staines, M.Apap, “Comparison between PI and PR Current Controllers in Grid Connected PV Inverters”, International Scholarly and Scientific Research & Innovation 8(2) 2014 [30] Vu Hoang Phuong, Nguyen Van Hung, Hoang Van Son, Vu Van Duc, Nguyen Van Doai, “The control of a single-phase multilevel inverter in grid-tied PV systems”, paper 22, RCEEE 2016 88 ... S34 Bộ biến đổi DC/AC (Nghịch lưu đa mức) Hình 1.8 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức Trong đồ án này, tác giả sử dụng giải pháp thứ hai để ứng dụng cho hệ thống pin mặt. .. Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu truyền thống 10 Hin ̀ h 1.8 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức 10 Hin ̀ h 2.1 - Cấu trúc nghịch lưu mức điện áp pha... Bộ biến đổi DC/AC (Nghịch lưu truyền thống) Hình 1.7 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu truyền thống Chuỗi pin mặt trời C Chuỗi pin mặt trời C Chuỗi pin mặt trời C S11 S13 S12