Nghiên cứu bộ lọc LCL cho bộ biến đổi nối lưới

Trần Minh Đức và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 102(02): 137 - 144<br /> <br /> NGHIÊN CỨU BỘ LỌC LCL CHO BỘ BIẾN ĐỔI NỐI LƯỚI<br /> Trần Minh Đức1*, Lê Tiên Phong2, Đoàn Kim Tuấn2<br /> 2<br /> <br /> 1<br /> Trường Cao đẳng nghề Lilama2,<br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Trong xu thế phát triển các nguồn năng lượng mới và tái tạo không thể thiếu được vai trò quan<br /> trọng của các bộ điều khiển kết nối lưới. Trong khi các nỗ lực nghiên cứu đã đạt được dòng và áp<br /> của nghịch lưu phát vào lưới có dạng sin lý tưởng thì một vấn đề mới nảy sinh là các tác động<br /> nhiễu từ lưới mà điển hình là sóng hài cao lại có ảnh hưởng mạnh đến điều khiển của bộ biến đổi<br /> (BBĐ). Bộ lọc LCL thông thường được thiết lập tại ngõ ra của BBĐ trước điểm kết nối lưới có thể<br /> lọc bỏ các sóng hài nhưng có nhược điểm là có thể gây cộng hưởng tần số, phá vỡ liên hệ kết nối.<br /> Mục đích nghiên cứu của bài báo nhằm đưa ra một giải pháp khắc phục thông qua bộ lọc Lead-lag.<br /> Nội dung chính được trình bày về cấu hình của hệ thống, các tính toán cơ bản và kiểm chứng bằng<br /> các kết quả mô phỏng.<br /> Từ khóa: Bộ lọc LCL, Điện trở ảo, Bộ bù Lead-lag, Hệ thống DG,<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ*<br /> Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên<br /> cứu phát triển các dạng nguồn phân tán (DG)<br /> kết nối với lưới điện. Mục tiêu của bài báo<br /> này nghiên cứu các hệ thống DG như: năng<br /> lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng<br /> hóa học [1]...<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống DG<br /> <br /> Cấu trúc cơ bản của một nguồn phân tán được<br /> mô tả như hình 1, gồm những khối chính sau:<br /> Khối nguồn: Đại diện cho khối này có thể là<br /> Máy phát sức gió, pin mặt trời, hay các các<br /> nguồn lượng tái tạo khác [2], [3].<br /> Khối bộ biến đổi công suất: được sử dụng<br /> phổ biến nhất là bộ biến đổi hai mức bao gồm<br /> sáu switch. Hiện nay các bộ biến đổi đa mức<br /> đang ngày càng phát triển và ý tưởng chính là<br /> để tạo ra một số điện áp ngõ ra ở mức cao và<br /> giảm thành phần sóng hài.<br /> <br /> *<br /> <br /> Tel: 0978 958479, Email: tranduclilama2@yahoo.com.vn<br /> <br /> Khối lọc: Bộ lọc LCL có nhiệm vụ lọc sóng<br /> hài cao cho ngõ ra của nghịch lưu trước khi<br /> kết nối với lưới điện. Tuy nhiên, chính bộ lọc<br /> lại có thể gây cộng hưởng tần số nguy hiểm<br /> cho lưới điện. Có hai phương pháp để khắc<br /> phục để giảm nhược điểm này: Phương pháp<br /> giảm tích cực và Phương pháp giảm thụ động<br /> Lưới điện: Khi kết nối lưới, trở kháng của<br /> lưới có ảnh hưởng đến hoạt động của bộ điều<br /> khiển nghịch lưu, không hạn chế được dòng<br /> hài phát sinh do tần số chuyển mạch. Nếu trở<br /> kháng lớn , khi đó sẽ làm giảm động của hệ<br /> thống và phạm vi hoạt động của bộ biến đổi [4].<br /> Vì vậy, thay vì sử dụng một cuộn cảm, ta<br /> dùng bộ lọc LCL tốt hơn. Bộ lọc LCL mang<br /> lại tần số cộng hưởng không mong muốn và<br /> tạo ra ổn định. Những vấn đề này có thể được<br /> giải quyết bằng cách sử dụng điện trở tắt dần<br /> nên được gọi là phương pháp tắt dần thụ<br /> động. Mặc dù phương pháp này cũng đã có<br /> những thuận lợi và đơn giản, nhưng nó cũng<br /> có một số điểm như: tăng tổn thất nhiệt, giá<br /> thành cao do thiết kế hệ thống tản nhiệt.<br /> Chính vì vậy mà phương pháp tắt dần tích cực<br /> đã được phát triển cùng với thuật toán điều<br /> khiển thể hiện dưới nhiều dạng thức khác<br /> nhau. Phổ biến nhất là: điện trở ảo, phần tử<br /> Lead-lag và các bộ lọc.<br /> Nội dung chính của bài báo đi sâu những vấn<br /> đề chính sau: Phương pháp điều khiển bộ<br /> 137<br /> <br /> Trần Minh Đức và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> nghịch lưu nối lưới thông qua bộ lọc LCL có<br /> tần số cộng hưởng của bộ lọc hoạt động ở chế<br /> độ tắt dần, thiết kế bộ lọc LCL, mô hình hóa<br /> và phân tích hệ thống khi bộ nghịch lưu nối<br /> lưới với được điều khiển ở chế độ tắt dần.<br /> ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU Ở CHẾ<br /> ĐỘ NỐI LƯỚI<br /> <br /> Hình 2. Bộ điều khiển nghịch lưu nguồn áp<br /> ở chế độ nối lưới<br /> <br /> Trên hình 2, cấu trúc bộ điều khiển nghịch<br /> lưu nguồn áp ở chế độ nối lưới gồm có hai<br /> vòng.Vòng lặp bên trong để điều khiển dòng<br /> điện, vòng lặp bên ngoài để điểu khiển điện<br /> áp. Tụ Cdc có nhiệm vụ giữ cố định điện áp<br /> một chiều trung gian. Ngoài ra vòng lặp khóa<br /> pha (PLL) để đồng bộ với điện áp lưới. [5], [2].<br /> Các phương pháp giảm dao động thụ động<br /> <br /> Hình 3. Các vị trí có thể của điện trở<br /> giảm giao động<br /> <br /> Hình 4. Đồ thị bode của bộ lọc LCL thụ động:<br /> a) điện trở nối tiếp với cuộn cảm, b) điện trở mắc<br /> song song với cuộn cảm , c) điện trở nối tiếp với<br /> tụ, d) điện trở song song với tụ.<br /> <br /> 138<br /> <br /> 102(02): 137 - 144<br /> <br /> Từ đồ thị bode của bộ lọc LCL thụ động ở<br /> hình 3, ta có nhận xét như sau:<br /> - Trong trường hợp a: điện trở càng nhỏ thì<br /> đỉnh cộng hưởng càng cao và ngược lại điện<br /> trở càng lớn thì đỉnh cộng hưởng càng thấp.<br /> Thay đổi góc pha nhỏ khi điện trở R1 nhỏ và<br /> ngược lại thay đổi góc pha lớn khi điện trở lớn.<br /> - Trong trường hợp b): giá trị điện trở càng<br /> lớn thì đỉnh cộng hưởng càng cao, góc pha<br /> thay đổi nhỏ. Ngược lại, điện trở Rd nhỏ thì<br /> đỉnh cộng hưởng thấp.<br /> - Trong trường hợp c): khi điện trở Rd nhỏ,<br /> đỉnh cộng hưởng cao, góc pha thay đổi nhỏ.<br /> Khi Rd lớn, đỉnh cộng hưởng thấp, góc pha<br /> thay đổi lớn.<br /> - Trong trường hợp d): điện trở Rd lớn, đỉnh<br /> cộng hưởng cao, thay đổi góc pha nhỏ. Ngược<br /> lại, Rd nhỏ đỉnh cộng hưởng thấp, thay đổi<br /> góc pha lớn.<br /> Dao động tắt dần tích cực<br /> Phương pháp dùng điện trở ảo<br /> Như đã đề cập ở trước, tần số cộng hưởng của<br /> bộ lọc LCL bị giảm dao động bằng cách nối<br /> một điện trở đến trở đến bộ lọc, nhưng điều<br /> này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của hệ<br /> thống. Thay vì sử dụng điện trở thực thì ở<br /> đây sử dụng điện trở ảo làm giảm dao động<br /> nhưng không gây nên tổn thất [6],[7],[8],[9].<br /> Mạch điện tương đương một pha cho ở hình<br /> 4. Theo [6], có bốn vị trí điện trở ảo liên quan<br /> đến mô hình, tương tự như dao động tắt dần<br /> thụ động (hình 3). Nguồn dòng ii trình bày<br /> các thành phần cơ bản của dòng pha nghịch<br /> lưu nguồn áp và giả sử rằng có cùng với dòng<br /> điện tham chiếu trong bộ điều khiển vòng lặp.<br /> Ngoài ra vg là pha điện áp lưới.<br /> <br /> Hình 5. a) Mạch tương đương xoay chiều một pha<br /> của bô nghịch lưu. b) Mô phỏng cấu trúc điều khiển.<br /> <br /> Trên hình 5 a), điện trở được nối tiếp với<br /> cuộn lọc có vai trò làm giảm điện áp trên<br /> <br /> Trần Minh Đức và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> cuộn cảm. Trong vòng lặp điều khiển, dòng<br /> điện qua cuộn lọc được đo và xác định bởi<br /> hằng số sCfR1. Tuy nhiên, giá trị điện trở thực<br /> thì không được sử dụng [6], [7]. Trong thực<br /> tế, các điện trở ảo có thể được sử dụng nhiều<br /> hơn trong cùng một thời điểm.<br /> Nếu điện trở ảo được nối nối tiếp với bộ lọc<br /> tụ điện hay bộ lọc cuộn cảm sẽ thêm vào bộ<br /> cảm biến dòng và một mạch vi phân. Mạch vi<br /> phân này có thể sinh ra các nhiễu khi tín hiệu<br /> ở tần số cao. Nếu điện trở ảo được nối song<br /> song với tụ điện hoặc cuộn cảm lúc này bộ<br /> điều khiển sẽ được thêm vào bộ cảm biến<br /> điện áp và bộ khuếch đại.<br /> Hình 7, so sánh của đồ thị bode khi hệ thống<br /> không có sử dụng bộ dao động tắt dần và hệ<br /> thống có sử dụng bộ dao động tắt dần dung<br /> điện trở ảo nối tiếp với tụ lọc.<br /> <br /> 102(02): 137 - 144<br /> <br /> Bộ bù lead được thêm vào pha dương của hệ<br /> thống. Bộ bù này cần được điều chỉnh tần số<br /> cộng hưởng với bộ lọc. [8]<br /> Hình 8, cho thấy đồ thị bode không sử dụng<br /> hệ thống dao động tắt dần của bộ bù lead và<br /> hệ thống sử dụng bộ dao động tắt dần dung bộ<br /> bù lead-lag<br /> Phương pháp hoạt động của bộ bù lead-lag<br /> được mô tả trong [10]. Phương pháp này<br /> dùng các phần tử lead – lag để đồng bộ với<br /> điện áp điện áp phản hồi của tụ điện, hình 9.<br /> <br /> Hình 8. Đồ thị bode của hệ thống dao động tắt<br /> dần dùng bộ bù lead–lag<br /> <br /> Hình 6. Sơ đồ khối của bộ điều khiển<br /> <br /> Khi hệ thống không sử dụng dao động tắt dần<br /> <br /> Hình 9. Hệ thống điều khiển phản hồi lead–lag<br /> <br /> a)<br /> <br /> b)<br /> <br /> Hình 7: So sánh của đồ thị bode trong hai trường<br /> hợp. a) không sử dụng bộ dao động tắt dần. b) có<br /> sử dụng bộ dao động tắt dần<br /> <br /> THIẾT KẾ BỘ LỌC LCL NỐI LƯỚI<br /> Mạch lọc LCL tạo ra sự cách ly giữa trở<br /> kháng của bộ lọc với lưới và độ gợn dòng<br /> điện qua cuộn cảm lưới điện cũng thấp [13].<br /> Mô tả cấu trúc hệ trên hình 10, đặc tính lọc<br /> trên hình 11 và sơ đồ thay thế một pha thể<br /> hiện trên hình 12<br /> <br /> Bộ bù lead-lag<br /> Độ dịch chuyển góc pha được thực hiện bộ bù<br /> lead-lag [10], [8]. Bộ bù lead–lag được mô tả<br /> thông quaf phương trình:<br /> Hình 10. Mạch lọc LCL<br /> <br /> 139<br /> <br /> Trần Minh Đức và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> H LCL =<br /> <br /> 102(02): 137 - 144<br /> <br /> ig<br /> <br /> (6)<br /> <br /> vi<br /> <br /> Để tính toán hàm truyền của bô lọc, ta sử<br /> dụng một số các thuật toán. Giả sử rằng điện<br /> áp lưới được lý tưởng là điện áp nguồn. Ngắn<br /> mạch đầu ra cho vg = 0. Từ phương trình (5)<br /> và (6) ta viết lại như sau<br />  1<br /> <br /> i g (sLg + Rg ) = ic <br /> + Rc <br />  sC<br /> <br />  f<br /> <br /> <br /> Hình 11. Đồ thị bode của mạch lọc LCL<br /> <br /> suy ra:<br /> vi = i g<br /> <br /> s 2 C f Lg + sC f R g<br /> <br /> (7)<br /> <br /> sC f Rc + 1<br /> <br /> Phương trình (3) được viết lại<br /> vi = vc + ii(sLi +Ri)<br /> <br /> (8)<br /> <br /> Từ (4), (2) và (7) điện áp nghịch lưu được<br /> viết lại như sau<br /> <br /> Hình 12. Mạch một pha tương đương<br /> của bộ lọc LCL<br /> <br /> Theo Kirchoff, mô hình của bộ lọc được viết<br /> trong mặt phằng phức:<br /> <br /> vi = ig (sLg + Rg ) + (ig + ic )(sLi + Ri )<br /> <br /> ii –ic –ig = 0<br /> <br /> (2)<br /> <br /> <br /> s2Cf Rg + sCf Rg <br /> <br /> = ig (sLg + Rg ) + ig + ig<br /> <br /> <br /> sC<br /> R<br /> +<br /> 1<br /> f<br /> c<br /> <br /> <br /> <br /> vi –vc = ii(sLi +Ri)<br /> <br /> (3)<br /> <br /> Suy ra<br /> <br /> vc –vg =ig (sLg +Rg )<br /> <br /> (4)<br /> <br />  1<br /> <br /> v c = ic <br /> + Ri <br />  sC f<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (sLi + Ri ) s 2C f Lg + sC f Rg<br /> vi = ig  sLg + Rg + sLi + Ri +<br /> <br /> sC f RC + 1<br /> <br /> <br /> (5)<br /> <br /> Vậy hàm truyền của bộ lọc như sau<br /> <br /> Trong đó: Vi: điện áp bộ biến đổi; ii: dòng bộ<br /> biến đổi; vc: điện áp rơi trên tụ lọc; ic: dòng<br /> qua tụ lọc; vg: điện áp của lưới; Li: cuộn cảm<br /> lọc của bộ biến đổi; Ri:điện trở bên bộ biến<br /> đổi; Cf: tụ lọc; Rc: trở kháng tụ lọc; Lg: điện<br /> cảm phía lưới. Rg: điện trở của lưới. Sơ đồ<br /> khối của bộ lọc như sau<br /> <br /> (<br /> <br /> A<br /> B<br /> trong đó<br /> H =<br /> <br /> (9)<br /> <br /> )  (10)<br /> <br /> <br /> <br /> (11)<br /> <br /> A = sC f Rc + 1<br /> B = s 3C f Rg Li + s 2C f (Lg (Ri + RC ) + Li (Rg + RC ))<br /> <br /> + s(Lg + Li + C f (Rc Rg + Rc .Ri + Ri Rg )) + Rg + Ri<br /> <br /> Tính toán các giá trị của bộ lọc<br /> Các dữ kiện ban đầu: Công suất hệ thống<br /> 100KVA , điện áp dây của lưới En = 380V,<br /> công suất ngõ ra của bộ nghịch lưu Sn =<br /> 100KVA, điện áp DC trên tụ liên lạc Vdc =<br /> 650V, tần số điện áp lưới f = 50hZ, tần số<br /> switching Fsw = 3khZ<br /> Các giá trị cơ bản của bộ lọc tính được:<br /> Hình 13. Sơ đồ khối của bộ lọc LCL<br /> <br /> Hàm truyền của bộ lọc được mô tả như sau<br /> 140<br /> <br /> zb =<br /> <br /> ( E n )2<br /> Sn<br /> <br /> = 1.444Ω<br /> <br /> Trần Minh Đức và Đtg<br /> <br /> ; LB =<br /> <br /> Zb<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> = 4.596 mH ;<br /> <br /> ωn<br /> 1<br /> Cb =<br /> = 2204.3621uF<br /> ωn Zb<br /> <br /> 102(02): 137 - 144<br /> <br /> Bộ điều khiển dòng điện<br /> Trong bài báo này, có hai kiểu điều khiển<br /> dòng điện: bộ điều khiển PI đồng bộ với giá<br /> trị tham chiếu. Sơ đồ khối của bộ điều khiển<br /> dòng điện PI cho ở hình 16.<br /> <br /> Điện cảm phía bộ biến đổi được xác định bởi<br /> biểu thức : i i (n sw ) = 1<br /> v i (n sw ) ω sw L i<br /> Trong đó<br /> là tần số switching và<br /> là<br /> bội tần số của tần số cơ bản tại tần số đóng<br /> ngắt. Chọn độ gơn suy giảm của điện áp lưới<br /> là 20% tương ứng với độ gợn dòng nghịch<br /> lưu. Như vậy ta có độ gợn suy giảm của cuộn<br /> cảm như sau<br /> <br /> Hình 16: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PI<br /> <br /> Hình 17: Sơ đồ khối bộ điều khiển PI<br /> <br /> Hàm truyền bộ điều khiển PI có dạng<br /> Hình 14. Độ gợn suy giảm của cuộn cảm<br /> <br /> Tần số cộng hưởng của bộ lọc được tính:<br /> ωres =<br /> <br /> Li + Lg<br /> Li Lg C f<br /> <br /> = 14.97.103 ⇒ f res = 1.337khz (12)<br /> <br /> THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN<br /> Sơ đồ khối của bộ điều khiển nghịch lưu như<br /> hình 15. Thuật toán PLL để dò tìm góc pha<br /> của điện áp lưới, tần số của lưới và điện áp<br /> lưới. Tần số và điện áp được giám sát theo<br /> đúng tiêu chuẩn và yêu cầu điều khiển.<br /> Bộ điều khiển vòng lặp khóa pha PLL<br /> Khi bộ biến đổi nối lưới thì cần phải phát ra<br /> tín hiệu tham chiếu để dò tìm chính xác góc<br /> pha của tần số và điện áp. Một trong những<br /> phương pháp để đồng bộ dòng điện tham<br /> chiếu của bộ nghịch lưu với điện áp lưới<br /> người ta sử dụng vòng lặp khóa pha.<br /> <br /> Hình 15. Sơ đồ khối của hệ thống nối lưới<br /> <br /> G PI (s ) = K P +<br /> <br /> KI<br /> s<br /> <br /> (13)<br /> <br /> Vòng lặp của bộ điều khiển d và q có cùng<br /> đặc tính động, vì thế các tham số của bộ điều<br /> khiển dòng PI chỉ tồn tại trục d.<br /> Khối PI có hàm truyền điều khiển vòng:<br /> <br /> G PIcrt (s ) = K pcrt +<br /> <br /> K Icrt<br /> s<br /> <br /> (14)<br /> <br /> và hàm truyền của khối thuật toán điều khiển:<br /> <br /> G control (s ) =<br /> <br /> 1<br /> 1 + sTs<br /> <br /> (15)<br /> <br /> trong đó: Ts = 1/fs và fs = 3 khz là tần số lấy mẫu.<br /> Khối nghịch lưu có hàm truyền:<br /> G inveter (s ) =<br /> <br /> 1<br /> 1 + s 0 . 5T sw<br /> <br /> Bộ lọc LCL có hàm truyền :<br /> 1<br /> G filter (s ) =<br /> Ls + R<br /> trong đó: L = Li+Lg. và R=Ri + Rg<br /> Hàm truyền của khối lấy mẫu:<br /> <br /> G sampling =<br /> <br /> 1<br /> 1 + s.0.5.Ts<br /> <br /> (16)<br /> <br /> (17)<br /> <br /> (18)<br /> 141<br /> <br />