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
Ngàynhậnbài:10/03/2024,Ngàychấpnhậnđăng:29/08/2024,Phảnbiện:TS.NgôMạnhTiến
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 inuence 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
Tronglĩnhvựcnănglượngtáitạo,nănglượnggió
đóngvaitròquantrọngvìđâylàmộttrongnhững
nguồnnănglượngdễtiếpcận,linhhoạtvàhiệu
quảnhấtvàcókhảnănggiảiquyếtnhiềuvấnđềvề
nănglượngvàmôitrườngtoàncầu[1].Bêncạnh
đó,mộtsốvấnđềkỹthuậtcũngxuấthiệnvàcần
giảiquyếtnhưvấnđềđiềukhiểnbiếntầntrong
quátrìnhnốilưới.Dòngđiệnđầuracủabiếntần
nốilướithườngbịtrộnvớisónghàitầnsốcaosau
khiđiềuchế,điềunàycóthểảnhhưởngnghiêm
trọngđếnchấtlượngđiệnnăng.BộlọcLCL,với
nhữngưuđiểmrõràngnhưchiphíthấpvàhiệu
suấtlọctốthơn,thườngđượcsửdụngđểtriệttiêu
các sónghàitầnsốcao.Tuynhiên,bộ lọcLCL
thuộchệthốngbậcba,cóthểtạoracácđỉnhcộng
hưởng,dẫnđếnmấtổnđịnhcủahệthống[2,6].
Dođó,cầncóphươngphápđiềukhiểnvàbộlọc
phùhợpđểđảmbảohệthốngổnđịnhvàhiệusuất
caođểchấtlượngdòngđiệnlướicóthểđápứng
cácyêucầucụthể.
Mộtsốphươngphápđiềukhiểnmớiđượcđềxuất
thôngquacảitiếnphươngpháptruyềnthốngnhư:
Phươngphápđiềukhiểncộnghưởngtỷlệđãđược
ápdụngchobiếntầnnốilướitrong[3].Phương
phápđiềukhiểnphảnhồitrạngtháiphituyếntính
84
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
đãđượcđềxuấttrong[4].Tuynhiên,cácphương
phápnàyvẫncónhượcđiểmđólàđộổnđịnhcủa
hệthốngcũngnhưđộchính xác của điều khiển
chưabềnvững.Bộđiềukhiểntrượtcósựhộitụ
nhanh,bềnvữngđốivớicácnhiễuloạnbênngoài
vàổnđịnhtốt;dođóphùhợpđểđiềukhiểncáchệ
thốngcấutrúcbiếnđổinhưbiếntần[5].
Trongbàibáo,tácgiảđềxuấtmộtbộlọcLCLthụ
độngkếthợpbộđiềukhiểnSMCnhằmcảithiện
hiệuquảcủabộlọc,ổnđịnhđiệnápnốilưới.Bộ
lọc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.Môhìnhtoánhọcxây
dựngtheohệtọađộαβnêncóthểbỏquavòng
khóapha.Bộđiềukhiểntrượtđượcthiếtkếcho
vòng dòng điện bên trong. Hiệu quả điều khiển
đượckiểmchứngthôngquamôphỏngbằngphần
mềmMatlab-Simulink.
2. MÔ HÌNH TOÁN
Xétmộtmôhìnhhệthốnghệthốngbiếntầnnối
lướiLCLbaphanhưHình1.
Saumáyphátđiệngió,nguồnđiệntrướctiênđược
chuyển đổi thànhđiệnáp một chiều DC quabộ
chỉnhlưuphíamáy.Sauđó,biếntầnnốilướisẽ
chuyểnđổiđiệnápDCthànhđiệnápxoaychiều
ACbằngcáchdùngIGBT,điềunàysẽtạorasóng
hàitrongquátrìnhđiềuchế.ĐiệnápACđượcđưa
vàolướiđiệnsaukhiquabộlọc.TrongHình1,
1 2
,
L L
làđộtựcảmcủabộlọcphíabiếntầnvàphía
lướitươngứng.
C
làtụlọcvà
c
R
làđiệntrởgiảm
ápcủabộlọc.
( )
( )
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)
Trongđói
1k
, i
2k
làdòngđiệnđầuracủabiếntầnvà
dòngđiệnnốilưới.u
ik
,
u
ck
,u
gk
lầnlượtlàđiệnáp
đầuracủabiếntần,điệnáptụđiệnvàđiệnáplưới.
TheophépbiếnđổiClarkcó:
1 1 2 1 2
2
30 3 2 3 2
− −
=
−
T
(2)
Hệphươngtrìnhtrạngtháicủabiếntầnsauphép
biếnđổiClarklà:
(
)
( )
( )
( )
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
làthànhphầnαβcủadòngđiện
đầura biến tầnvàdòngđiệnnốilưới;u
iα
,u
iβ
vàu
cα
,u
cβ
làđiệnápđầurabiếntầnvàđiệnáptụđiện;u
gα
,u
gβ
là
điệnápnốilưới.Đưahệ(3)vềdạng:
)
x f x gu= +
(4)
Trongđó
g
thamsốcủau;
T
i i
u u u
α β
=
;
Biếnlàbiếnđiềukhiểnđầuvào.Biếntrạngthái
1 1 2 2
c c
x i i u u i i
α β α β α β
=
;biếnđầura
2 2
T
y i i
α β
=
;
hàm
(
)
f x
códạng:
( )
(
)
( )
( )
( )
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
=
Tómlại,bộbiếntầnnốilướilàhệthốngcónhiều
đầuvào,nhiềuđầuravớiđặctínhphituyến.Vì
vậy,cầncóbộđiềukhiểnphùhợpđểđảmbảotính
bềnvững,độchínhxác,đápứngđộngtốt.
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.Vòngđiệnápbênngoàiđượcthiếtkếbằng
cáchápdụngphươngphápđiềukhiểncôngsuất
gầnnhưtrựctiếp.Vòngdòngbêntrongđượcthiết
kếbằngcáchsửdụngbộđiềukhiểntrượt.
*Xâydựngbộđiềukhiểnđiệnáp:
TheoHình2,khisaisốđiệnápđiquavòngPI,sẽ
thuđượcgiátrịthamchiếucủadòngđiệnđầuvào
biếntần.Ởphíađầuvàocủabiếntầncó:
Hình 2. Sơ đồ điều khiển
dc
dc r g
du
C i i
dt
= −
(5)
Trongđó
dc
C
điệndungcủabusDC,
,
r g
i i
làdòng
đầurabộchỉnhlưuvàđầuvàobiếntần.Nhâncả
haivếcủa(5)với
dc
u
có:
dc
dc dc r g
du
C u p p
dt
= −
(6)
Trongđó
r
p
làcôngsuấtđầurabộchỉnhlưu,
g
p
là
côngsuấtđầuvàocủabiếntần.
Tronghệtọađộ
αβ
,
côngsuấttácdụngvàcông
suấtphảnkhángcủahệcóthểđượcviếtnhưsau:
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)
Khiđóbiểuthứccủathamchiếuhiệntạinhưsau:
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)
Đểđảmbảonốilướithìcôngsuấtphảnđượcđặt
bằng0vàcôngsuấttácdụngphụthuộcbộđiều
khiểnđiệnáp.
*Xâydựngbộđiềukhiểndòngđiện
86
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Mụctiêuthiếtkếcủabộđiềukhiểndòngđiệnlàđể
điềuchỉnhdòngđiệnlưới
2 2
,
i i
α β
bámtheogiátrị
đặt.Cósaisốđiềukhiển:
1 2 2 2 2 2
,
ref ref
e i i e i i
α α β β
= − = −
(9)
Đạohàmhaivế(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)
Chọnmặttrượtcódạng:
sbeesbee11112222=+=+oo
)
(12)
Trongđó, 1 2
,
b b
làcáchằngsốdương.Đểhệổn
địnhchọnluậtđiềukhiển:
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)
Hệsẽhộitụvề0dođó
0
s
=
tacó:
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
Thànhphần
,
n n
u u
α β
đượcxácđịnh:
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)
Kếthợp(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)
Chứngminhhệổnđịnh:
ChọnhàmLyapunov:
VSS
2
1
T111
=o
(18)
Đạohàmhaivế(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
Khiđó(19)đượcviếtlại:
sgn(())Vsusskssks0
n111111111112
#ff==-+=--
a
o
(20)
NhưvậytheotiêuchuẩnổnđịnhLyapunovhệổn
định tiệm cận.Tiến hành chứng minh tương tự
chomặttrượt
2
s
.Hiệuquảđiềukhiểnvàchống
nhiễucủabộđiềukhiểnsẽđượckhẳngđịnhqua
môphỏngtrênphầnmềmMatlab-Simulink.
4. MÔ PHỎNG
Tiếnhànhmôphỏngvớimộtmáyphátđiệngió
1,5MWđượckếtnốivớihệthốngphânphối25
kVxuấtđiệncholưới120kVthôngquamộttrung
chuyển 30 km, 25 kV.Tuabin gió sử dụng máy
phátđiệncảmứng được cấp nguồn kép(DFIG)
baogồmmáyphátđiệncảmứngrôtodâyquấnvà
bộbiếntầnnốilướiđượcthiếtkếtrongphần3.Bộ
điềukhiểntrượtkếthợpbộlọcLCLgiúpổnđịnh
điệnápnốilưới.Thôngsốmôphỏng:
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
hợptốcđộgióổnđịnh15m/s.
Trongtrườnghợpnàyhệlàmviệcổnđịnh,điệnáp
vàdòngđiệnnốilướilàsónghìnhsin,ổnđịnhở
tầnsố50Hz,thểhiệnbiếntầnlàmviệctốt.
Trườnghợp2:Trongkhoảngthờigiantừ0,03
đến0,13giâytốcđộgiógiảmtừ15m/sxuống
5m/s.Khiđóđiệnápphátgiảmxuống0,75pu,
tuynhiêntầnsốcủađiệnápvàdòngđiệnvẫn
ổnđịnh.
Hình 4. Điện áp nối lưới Hình 5. Cường độ dòng điện nối lưới