83
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ BIẾN TẦN NỐI LƯỚI KẾT HỢP BỘ LỌC LCL THỤ ĐỘNG
DESIGN OF SLIDING CONTROLLER FOR GRID INVERTER SYSTEM COMBINED WITH PASSIVE LCL FILTER
Nguyễn Thị Thu Hiền*, Phạm Thị Thanh Đam, Phùng Thị Thanh Mai, Nguyễn Đức DuyTrường Đại học Điện lực
Ngàynhậnbài:10/03/2024,Ngàychấpnhậnđăng:29/08/2024,Phảnbiện:TS.NgôMạnhTiến
Tóm tắt:Bài báo trình bày kết quả tổng hợp bộ điều điều khiển trượt cho vòng dòng điện của hệ biến tần nối lưới, kết hợp sử dụng bộ lọc thụ động LCL được đưa vào nhánh tụ điện để lọc bỏ các đỉnh cộng hưởng và đơn giản hóa bộ điều khiển theo phương pháp giảm bậc. Phương pháp đề xuất đã giúp giảm ảnh hưởng của tải phi tuyến và hiện tượng sóng hài đến tính ổn định của lưới điện. Kết quả của bài báo được đánh giá thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink cho thấy bộ điều khiển đã đạt được các yêu cầu chất lượng.Từ khóa: Biến tần nối lưới, điều khiển trượt, bộ lọc LCL, phụ tải phi tuyếnAbstract: This article presents the results of synthesizing a sliding controller for the current loop of a grid-connected inverter system, combined with the use of a passive LCL lter inserted into the capacitor branch to lter out resonance peaks and simplify controller using the step-down method. The proposed method has helped reduce the inuence of nonlinear loads and harmonic phenomena on the stability of the power grid. The results of the article are evaluated through simulation on Matlab-Simulink software, showing that the controller has achieved the quality requirements. Keywords: Grid-connected inverter, Sliding mode control, LCL lter, non-linear load.1. MỞ ĐẦU
Tronglĩnhvựcnănglượngtáitạo,nănglượnggió
đóngvaitròquantrọngvìđâylàmộttrongnhững
nguồnnănglượngdễtiếpcận,linhhoạtvàhiệu
quảnhấtvàcókhảnănggiảiquyếtnhiềuvấnđềvề
nănglượngvàmôitrườngtoàncầu[1].Bêncạnh
đó,mộtsốvấnđềkỹthuậtcũngxuấthiệnvàcần
giảiquyếtnhưvấnđềđiềukhiểnbiếntầntrong
quátrìnhnốilưới.Dòngđiệnđầuracủabiếntần
nốilướithườngbịtrộnvớisónghàitầnsốcaosau
khiđiềuchế,điềunàycóthểảnhhưởngnghiêm
trọngđếnchấtlượngđiệnnăng.BộlọcLCL,với
nhữngưuđiểmrõràngnhưchiphíthấpvàhiệu
suấtlọctốthơn,thườngđượcsửdụngđểtriệttiêu
các sónghàitầnsốcao.Tuynhiên,bộ lọcLCL
thuộchệthốngbậcba,cóthểtạoracácđỉnhcộng
hưởng,dẫnđếnmấtổnđịnhcủahệthống[2,6].
Dođó,cầncóphươngphápđiềukhiểnvàbộlọc
phùhợpđểđảmbảohệthốngổnđịnhvàhiệusuất
caođểchấtlượngdòngđiệnlướicóthểđápứng
cácyêucầucụthể.
Mộtsốphươngphápđiềukhiểnmớiđượcđềxuất
thôngquacảitiếnphươngpháptruyềnthốngnhư:
Phươngphápđiềukhiểncộnghưởngtỷlệđãđược
ápdụngchobiếntầnnốilướitrong[3].Phương
phápđiềukhiểnphảnhồitrạngtháiphituyếntính
84
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
đãđượcđềxuấttrong[4].Tuynhiên,cácphương
phápnàyvẫncónhượcđiểmđólàđộổnđịnhcủa
hệthốngcũngnhưđộchính xác của điều khiển
chưabềnvững.Bộđiềukhiểntrượtcósựhộitụ
nhanh,bềnvữngđốivớicácnhiễuloạnbênngoài
vàổnđịnhtốt;dođóphùhợpđểđiềukhiểncáchệ
thốngcấutrúcbiếnđổinhưbiếntần[5].
Trongbàibáo,tácgiảđềxuấtmộtbộlọcLCLthụ
độngkếthợpbộđiềukhiểnSMCnhằmcảithiện
hiệuquảcủabộlọc,ổnđịnhđiệnápnốilưới.Bộ
lọcLCLđượcđưavàonhánhtụđiệnđểlọcbỏcác
đỉnhcộnghưởngvàđơngiảnhóabộđiềukhiển
theophươngphápgiảmbậc.Môhìnhtoánhọcxây
dựngtheohệtọađộαβnêncóthểbỏquavòng
khóapha.Bộđiềukhiểntrượtđượcthiếtkếcho
vòng dòng điện bên trong. Hiệu quả điều khiển
đượckiểmchứngthôngquamôphỏngbằngphần
mềmMatlab-Simulink.
2. MÔ HÌNH TOÁN
Xétmộtmôhìnhhệthốnghệthốngbiếntầnnối
lướiLCLbaphanhưHình1.
Saumáyphátđiệngió,nguồnđiệntrướctiênđược
chuyển đổi thànhđiệnáp một chiều DC quabộ
chỉnhlưuphíamáy.Sauđó,biếntầnnốilướisẽ
chuyểnđổiđiệnápDCthànhđiệnápxoaychiều
ACbằngcáchdùngIGBT,điềunàysẽtạorasóng
hàitrongquátrìnhđiềuchế.ĐiệnápACđượcđưa
vàolướiđiệnsaukhiquabộlọc.TrongHình1,
1 2
,
L L
làđộtựcảmcủabộlọcphíabiếntầnvàphía
lướitươngứng.
C
làtụlọcvà
c
R
làđiệntrởgiảm
ápcủabộlọc.
( )
( )
1
1 1 2
2
2 1 2
1 2
, , ,
k
ik ck c k k
k
ck gk c k k
ck
k k
di
L u u R i i
dt
di
L u u R i i k a b c
dt
du
C i i
dt
= − − −
= − − − =
= −
(1)
Trongđói
1k
, i
2k
làdòngđiệnđầuracủabiếntầnvà
dòngđiệnnốilưới.u
ik
,
u
ck
,u
gk
lầnlượtlàđiệnáp
đầuracủabiếntần,điệnáptụđiệnvàđiệnáplưới.
TheophépbiếnđổiClarkcó:
1 1 2 1 2
2
30 3 2 3 2
− −
=
−
T
(2)
Hệphươngtrìnhtrạngtháicủabiếntầnsauphép
biếnđổiClarklà:
(
)
( )
( )
( )
1 2
1
1
1 2
1
1
1 2
1 2
21 2
2
2
1 2
2
i c c
i c c
c
c
c g c
c g c
u u R i i
di L
dt
u u R i i
di
L
dt
i i
du
C
dt
i i
du
C
dt
di u u R i i
dt L
di u u R i i
dt L
α α α α
α
β β β β
β
α α
α
β β
β
αα α α α
ββ β β β
− − −
− − −
−
=
−
− − −
− − −
1
1
1
1
0
0
0
0
i
i
u
L
u
L
α
β
+
(3)
Hình 1. Hệ thống hệ thống biến tần nối lưới LCL ba pha
85
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Vớii
1α
,i
2α
vài
1β
,i
2β
làthànhphầnαβcủadòngđiện
đầura biến tầnvàdòngđiệnnốilưới;u
iα
,u
iβ
vàu
cα
,u
cβ
làđiệnápđầurabiếntầnvàđiệnáptụđiện;u
gα
,u
gβ
là
điệnápnốilưới.Đưahệ(3)vềdạng:
(
)
x f x gu= +
(4)
Trongđó
g
thamsốcủau;
T
i i
u u u
α β
=
;
Biếnlàbiếnđiềukhiểnđầuvào.Biếntrạngthái
1 1 2 2
c c
x i i u u i i
α β α β α β
=
;biếnđầura
2 2
T
y i i
α β
=
;
hàm
(
)
f x
códạng:
( )
(
)
( )
( )
( )
1 2
1
1 2
1
1 2
1 2
1 2
2
1 2
2
i c c
i c c
c g c
c g c
u u R i i
L
u u R i i
L
i i
C
f x i i
C
u u R i i
L
u u R i i
L
α α α α
β β β β
α α
β β
α α α α
β β β β
− − −
− − −
−
=
−
− − −
− − −
1
1
1 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 0
T
L
gL
=
Tómlại,bộbiếntầnnốilướilàhệthốngcónhiều
đầuvào,nhiềuđầuravớiđặctínhphituyến.Vì
vậy,cầncóbộđiềukhiểnphùhợpđểđảmbảotính
bềnvững,độchínhxác,đápứngđộngtốt.
3. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ điều khiển được hiển thị trong Hình 2.
Phương pháp điều khiển vòng kín kép được áp
dụng.Vòngđiệnápbênngoàiđượcthiếtkếbằng
cáchápdụngphươngphápđiềukhiểncôngsuất
gầnnhưtrựctiếp.Vòngdòngbêntrongđượcthiết
kếbằngcáchsửdụngbộđiềukhiểntrượt.
*Xâydựngbộđiềukhiểnđiệnáp:
TheoHình2,khisaisốđiệnápđiquavòngPI,sẽ
thuđượcgiátrịthamchiếucủadòngđiệnđầuvào
biếntần.Ởphíađầuvàocủabiếntầncó:
Hình 2. Sơ đồ điều khiển
dc
dc r g
du
C i i
dt
= −
(5)
Trongđó
dc
C
điệndungcủabusDC,
,
r g
i i
làdòng
đầurabộchỉnhlưuvàđầuvàobiếntần.Nhâncả
haivếcủa(5)với
dc
u
có:
dc
dc dc r g
du
C u p p
dt
= −
(6)
Trongđó
r
p
làcôngsuấtđầurabộchỉnhlưu,
g
p
là
côngsuấtđầuvàocủabiếntần.
Tronghệtọađộ
αβ
,
côngsuấttácdụngvàcông
suấtphảnkhángcủahệcóthểđượcviếtnhưsau:
2
2
3
2
g g g
g g g
p u u i
q u u i
α β α
β α β
=
−
(7)
Khiđóbiểuthứccủathamchiếuhiệntạinhưsau:
1
2
2
3
2
ref g g gref
ref g g gref
i u u p
i u u g
α α β
β β α
−
=
−
(8)
Đểđảmbảonốilướithìcôngsuấtphảnđượcđặt
bằng0vàcôngsuấttácdụngphụthuộcbộđiều
khiểnđiệnáp.
*Xâydựngbộđiềukhiểndòngđiện
86
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Mụctiêuthiếtkếcủabộđiềukhiểndòngđiệnlàđể
điềuchỉnhdòngđiệnlưới
2 2
,
i i
α β
bámtheogiátrị
đặt.Cósaisốđiềukhiển:
1 2 2 2 2 2
,
ref ref
e i i e i i
α α β β
= − = −
(9)
Đạohàmhaivế(9)có:
i i i i
,e e
refref22
2
122=-=-aabb
pppppp
(10)
Thay(3)vào(10)có:
iiiiiuuuiueLCLLRLRLCLLRLRLLRLRLRLLLReLCLLRLRLCLLRLRLLRLRLRLLLR111111u u u u
ccccccccggrefcccccccccggrefc12122222121222222122222221212212222212122222212222222121=------++--+=------++--+aaaaaaabbbbbbb
pop
pop
cc
cccc
mm
mmmm
Z[
\
]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]
(11)
Chọnmặttrượtcódạng:
sbeesbee11112222=+=+oo
)
(12)
Trongđó, 1 2
,
b b
làcáchằngsốdương.Đểhệổn
địnhchọnluậtđiềukhiển:
1 2
1 2
( )
( )
i eq n
c
i eq n
c
L L
u u u
R
L L
u u u
R
α α α
β β β
= +
= +
(13)
Hệsẽhộitụvề0dođó
0
s
=
tacó:
sbeesbee0011112222=+==+=oopoop
)
(14)
Từ(11)và(14)có: iuLCLLRLRLCLLRLRLLRLRLRLube111iiuuggeqccccccccref2122222212222212222222112
1
=---+--++-++-aaaaaaa
opo
c
cc
m
mm
(15)
iuLCLLRLRLCLLRLRLLRLRLRLube111iiuuggeqccccccccref2122222212222212222222222
1
=---+--++-++-bbbbbbb
opo
c
cc
m
mm
Thànhphần
,
n n
u u
α β
đượcxácđịnh:
1 1 1 1
2 2 2 2
sgn( )
sgn( )
n
n
u s k s
u s k s
α
β
ε
ε
= − −
= − −
(16)
Kếthợp(13),(15),(16)có:
Hình 3. Mô hình mô phỏng hệ thống phát điện gió
87
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
uiuiiiuu()()LLRRCLRRCLRLLRRLLLLLLRLRLLskkbeuLLRRCLRRCLRLLRRLLLLLLRLRLLsgnskkbe11iiuusgnu
icccccCrefcgcgccccccCrefcgcgc21211121212221211121111112121112121222121112222222i
ff=-++--+++-+-++=-++--+++-+-++
aaaaaaabbbbbbb
p
oop
oo
bb
bb
bb
ll
ll
ll
66@@
Z[\]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]](17)
Chứngminhhệổnđịnh:
ChọnhàmLyapunov:
VSS
2
1
T111
=o
(18)
Đạohàmhaivế(18)có:
u u
()[()]Vsssbeesbef
eqn1111111111
==+=++
a
o
oopo
(19)
Với:
uuiu()fLCLLRLRLCLLRLRLLRLRLRL111iiuu
eqccccccccggrefeq2122221212222212222222
=------++--+
aaaaaaaa
op
c
bb
m
ll
Theo(14)có:
u
bef0
eq11
+=
a
o
^h
Khiđó(19)đượcviếtlại:
sgn(())Vsusskssks0
n111111111112
#ff==-+=--
a
o
(20)
NhưvậytheotiêuchuẩnổnđịnhLyapunovhệổn
định tiệm cận.Tiến hành chứng minh tương tự
chomặttrượt
2
s
.Hiệuquảđiềukhiểnvàchống
nhiễucủabộđiềukhiểnsẽđượckhẳngđịnhqua
môphỏngtrênphầnmềmMatlab-Simulink.
4. MÔ PHỎNG
Tiếnhànhmôphỏngvớimộtmáyphátđiệngió
1,5MWđượckếtnốivớihệthốngphânphối25
kVxuấtđiệncholưới120kVthôngquamộttrung
chuyển 30 km, 25 kV.Tuabin gió sử dụng máy
phátđiệncảmứng được cấp nguồn kép(DFIG)
baogồmmáyphátđiệncảmứngrôtodâyquấnvà
bộbiếntầnnốilướiđượcthiếtkếtrongphần3.Bộ
điềukhiểntrượtkếthợpbộlọcLCLgiúpổnđịnh
điệnápnốilưới.Thôngsốmôphỏng:
L
1
, L
2
=2,5mH;C=30uF;C
dc
=6uF;R
c
=10
Ω
;
Hz
f
5000
c
=
; u
dc
=700V;u
gk
=380V;
p
r
=20kW;b
1
,b
2
=2000;k
1
,k
2
=5000;K
p
=5;T
i
=0.03;
Trường hợp 1:Tiến hành mô phỏng cho trường
hợptốcđộgióổnđịnh15m/s.
Trongtrườnghợpnàyhệlàmviệcổnđịnh,điệnáp
vàdòngđiệnnốilướilàsónghìnhsin,ổnđịnhở
tầnsố50Hz,thểhiệnbiếntầnlàmviệctốt.
Trườnghợp2:Trongkhoảngthờigiantừ0,03
đến0,13giâytốcđộgiógiảmtừ15m/sxuống
5m/s.Khiđóđiệnápphátgiảmxuống0,75pu,
tuynhiêntầnsốcủađiệnápvàdòngđiệnvẫn
ổnđịnh.
Hình 4. Điện áp nối lưới Hình 5. Cường độ dòng điện nối lưới
![Trắc nghiệm Mạch điện: Tổng hợp câu hỏi và bài tập [năm hiện tại]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2025/20251118/trungkiendt9/135x160/61371763448593.jpg)
