Nghiên cứu bộ lọc LCL cho bộ biến đổi nối lưới - Trần Minh Đức

Trần Minh Đức và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 137 - 144 137 NGHIÊN CỨU BỘ LỌC LCL CHO BỘ BIẾN ĐỔI NỐI LƯỚI Trần Minh Đức1*, Lê Tiên Phong2, Đoàn Kim Tuấn2 1Trường Cao đẳng nghề Lilama2, 2Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Trong xu thế phát triển các nguồn năng lượng mới và tái tạo không thể thiếu được vai trò quan trọng của các bộ điều khiển kết nối lưới. Trong khi các nỗ lực nghiên cứu đã đạt được dòng và áp của nghịch lưu phát vào lưới có dạng sin lý tưởng thì một vấn đề mới nảy sinh là các tác động nhiễu từ lưới mà điển hình là sóng hài cao lại có ảnh hưởng mạnh đến điều khiển của bộ biến đổi (BBĐ). Bộ lọc LCL thông thường được thiết lập tại ngõ ra của BBĐ trước điểm kết nối lưới có thể lọc bỏ các sóng hài nhưng có nhược điểm là có thể gây cộng hưởng tần số, phá vỡ liên hệ kết nối. Mục đích nghiên cứu của bài báo nhằm đưa ra một giải pháp khắc phục thông qua bộ lọc Lead-lag. Nội dung chính được trình bày về cấu hình của hệ thống, các tính toán cơ bản và kiểm chứng bằng các kết quả mô phỏng. Từ khóa: Bộ lọc LCL, Điện trở ảo, Bộ bù Lead-lag, Hệ thống DG, ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu phát triển các dạng nguồn phân tán (DG) kết nối với lưới điện. Mục tiêu của bài báo này nghiên cứu các hệ thống DG như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hóa học [1]... Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống DG Cấu trúc cơ bản của một nguồn phân tán được mô tả như hình 1, gồm những khối chính sau: Khối nguồn: Đại diện cho khối này có thể là Máy phát sức gió, pin mặt trời, hay các các nguồn lượng tái tạo khác [2], [3]. Khối bộ biến đổi công suất: được sử dụng phổ biến nhất là bộ biến đổi hai mức bao gồm sáu switch. Hiện nay các bộ biến đổi đa mức đang ngày càng phát triển và ý tưởng chính là để tạo ra một số điện áp ngõ ra ở mức cao và giảm thành phần sóng hài. * Tel: 0978 958479, Email: tranduclilama2@yahoo.com.vn Khối lọc: Bộ lọc LCL có nhiệm vụ lọc sóng hài cao cho ngõ ra của nghịch lưu trước khi kết nối với lưới điện. Tuy nhiên, chính bộ lọc lại có thể gây cộng hưởng tần số nguy hiểm cho lưới điện. Có hai phương pháp để khắc phục để giảm nhược điểm này: Phương pháp giảm tích cực và Phương pháp giảm thụ động Lưới điện: Khi kết nối lưới, trở kháng của lưới có ảnh hưởng đến hoạt động của bộ điều khiển nghịch lưu, không hạn chế được dòng hài phát sinh do tần số chuyển mạch. Nếu trở kháng lớn , khi đó sẽ làm giảm động của hệ thống và phạm vi hoạt động của bộ biến đổi [4]. Vì vậy, thay vì sử dụng một cuộn cảm, ta dùng bộ lọc LCL tốt hơn. Bộ lọc LCL mang lại tần số cộng hưởng không mong muốn và tạo ra ổn định. Những vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng điện trở tắt dần nên được gọi là phương pháp tắt dần thụ động. Mặc dù phương pháp này cũng đã có những thuận lợi và đơn giản, nhưng nó cũng có một số điểm như: tăng tổn thất nhiệt, giá thành cao do thiết kế hệ thống tản nhiệt. Chính vì vậy mà phương pháp tắt dần tích cực đã được phát triển cùng với thuật toán điều khiển thể hiện dưới nhiều dạng thức khác nhau. Phổ biến nhất là: điện trở ảo, phần tử Lead-lag và các bộ lọc. Nội dung chính của bài báo đi sâu những vấn đề chính sau: Phương pháp điều khiển bộ Trần Minh Đức và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 137 - 144 138 nghịch lưu nối lưới thông qua bộ lọc LCL có tần số cộng hưởng của bộ lọc hoạt động ở chế độ tắt dần, thiết kế bộ lọc LCL, mô hình hóa và phân tích hệ thống khi bộ nghịch lưu nối lưới với được điều khiển ở chế độ tắt dần. ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU Ở CHẾ ĐỘ NỐI LƯỚI Hình 2. Bộ điều khiển nghịch lưu nguồn áp ở chế độ nối lưới Trên hình 2, cấu trúc bộ điều khiển nghịch lưu nguồn áp ở chế độ nối lưới gồm có hai vòng.Vòng lặp bên trong để điều khiển dòng điện, vòng lặp bên ngoài để điểu khiển điện áp. Tụ Cdc có nhiệm vụ giữ cố định điện áp một chiều trung gian. Ngoài ra vòng lặp khóa pha (PLL) để đồng bộ với điện áp lưới. [5], [2]. Các phương pháp giảm dao động thụ động Hình 3. Các vị trí có thể của điện trở giảm giao động Hình 4. Đồ thị bode của bộ lọc LCL thụ động: a) điện trở nối tiếp với cuộn cảm, b) điện trở mắc song song với cuộn cảm , c) điện trở nối tiếp với tụ, d) điện trở song song với tụ. Từ đồ thị bode của bộ lọc LCL thụ động ở hình 3, ta có nhận xét như sau: - Trong trường hợp a: điện trở càng nhỏ thì đỉnh cộng hưởng càng cao và ngược lại điện trở càng lớn thì đỉnh cộng hưởng càng thấp. Thay đổi góc pha nhỏ khi điện trở R1 nhỏ và ngược lại thay đổi góc pha lớn khi điện trở lớn. - Trong trường hợp b): giá trị điện trở càng lớn thì đỉnh cộng hưởng càng cao, góc pha thay đổi nhỏ. Ngược lại, điện trở Rd nhỏ thì đỉnh cộng hưởng thấp. - Trong trường hợp c): khi điện trở Rd nhỏ, đỉnh cộng hưởng cao, góc pha thay đổi nhỏ. Khi Rd lớn, đỉnh cộng hưởng thấp, góc pha thay đổi lớn. - Trong trường hợp d): điện trở Rd lớn, đỉnh cộng hưởng cao, thay đổi góc pha nhỏ. Ngược lại, Rd nhỏ đỉnh cộng hưởng thấp, thay đổi góc pha lớn. Dao động tắt dần tích cực Phương pháp dùng điện trở ảo Như đã đề cập ở trước, tần số cộng hưởng của bộ lọc LCL bị giảm dao động bằng cách nối một điện trở đến trở đến bộ lọc, nhưng điều này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của hệ thống. Thay vì sử dụng điện trở thực thì ở đây sử dụng điện trở ảo làm giảm dao động nhưng không gây nên tổn thất [6],[7],[8],[9]. Mạch điện tương đương một pha cho ở hình 4. Theo [6], có bốn vị trí điện trở ảo liên quan đến mô hình, tương tự như dao động tắt dần thụ động (hình 3). Nguồn dòng ii trình bày các thành phần cơ bản của dòng pha nghịch lưu nguồn áp và giả sử rằng có cùng với dòng điện tham chiếu trong bộ điều khiển vòng lặp. Ngoài ra vg là pha điện áp lưới. Hình 5. a) Mạch tương đương xoay chiều một pha của bô nghịch lưu. b) Mô phỏng cấu trúc điều khiển. Trên hình 5 a), điện trở được nối tiếp với cuộn lọc có vai trò làm giảm điện áp trên Trần Minh Đức và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 137 - 144 139 cuộn cảm. Trong vòng lặp điều khiển, dòng điện qua cuộn lọc được đo và xác định bởi hằng số sCfR1. Tuy nhiên, giá trị điện trở thực thì không được sử dụng [6], [7]. Trong thực tế, các điện trở ảo có thể được sử dụng nhiều hơn trong cùng một thời điểm. Nếu điện trở ảo được nối nối tiếp với bộ lọc tụ điện hay bộ lọc cuộn cảm sẽ thêm vào bộ cảm biến dòng và một mạch vi phân. Mạch vi phân này có thể sinh ra các nhiễu khi tín hiệu ở tần số cao. Nếu điện trở ảo được nối song song với tụ điện hoặc cuộn cảm lúc này bộ điều khiển sẽ được thêm vào bộ cảm biến điện áp và bộ khuếch đại. Hình 7, so sánh của đồ thị bode khi hệ thống không có sử dụng bộ dao động tắt dần và hệ thống có sử dụng bộ dao động tắt dần dung điện trở ảo nối tiếp với tụ lọc. Hình 6. Sơ đồ khối của bộ điều khiển Khi hệ thống không sử dụng dao động tắt dần a) b) Hình 7: So sánh của đồ thị bode trong hai trường hợp. a) không sử dụng bộ dao động tắt dần. b) có sử dụng bộ dao động tắt dần Bộ bù lead-lag Độ dịch chuyển góc pha được thực hiện bộ bù lead-lag [10], [8]. Bộ bù lead–lag được mô tả thông quaf phương trình: Bộ bù lead được thêm vào pha dương của hệ thống. Bộ bù này cần được điều chỉnh tần số cộng hưởng với bộ lọc. [8] Hình 8, cho thấy đồ thị bode không sử dụng hệ thống dao động tắt dần của bộ bù lead và hệ thống sử dụng bộ dao động tắt dần dung bộ bù lead-lag Phương pháp hoạt động của bộ bù lead-lag được mô tả trong [10]. Phương pháp này dùng các phần tử lead – lag để đồng bộ với điện áp điện áp phản hồi của tụ điện, hình 9. Hình 8. Đồ thị bode của hệ thống dao động tắt dần dùng bộ bù lead–lag Hình 9. Hệ thống điều khiển phản hồi lead–lag THIẾT KẾ BỘ LỌC LCL NỐI LƯỚI Mạch lọc LCL tạo ra sự cách ly giữa trở kháng của bộ lọc với lưới và độ gợn dòng điện qua cuộn cảm lưới điện cũng thấp [13]. Mô tả cấu trúc hệ trên hình 10, đặc tính lọc trên hình 11 và sơ đồ thay thế một pha thể hiện trên hình 12 Hình 10. Mạch lọc LCL Trần Minh Đức và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 137 - 144 140 Hình 11. Đồ thị bode của mạch lọc LCL Hình 12. Mạch một pha tương đương của bộ lọc LCL Theo Kirchoff, mô hình của bộ lọc được viết trong mặt phằng phức: ii –ic –ig = 0 (2) vi –vc = ii(sLi +Ri) (3) vc –vg =ig (sLg +Rg ) (4)         += i f cc R sC iv 1 (5) Trong đó: Vi: điện áp bộ biến đổi; ii: dòng bộ biến đổi; vc: điện áp rơi trên tụ lọc; ic: dòng qua tụ lọc; vg: điện áp của lưới; Li: cuộn cảm lọc của bộ biến đổi; Ri:điện trở bên bộ biến đổi; Cf: tụ lọc; Rc: trở kháng tụ lọc; Lg: điện cảm phía lưới. Rg: điện trở của lưới. Sơ đồ khối của bộ lọc như sau Hình 13. Sơ đồ khối của bộ lọc LCL Hàm truyền của bộ lọc được mô tả như sau i g LCL v i H = (6) Để tính toán hàm truyền của bô lọc, ta sử dụng một số các thuật toán. Giả sử rằng điện áp lưới được lý tưởng là điện áp nguồn. Ngắn mạch đầu ra cho vg = 0. Từ phương trình (5) và (6) ta viết lại như sau ( )         +=+ c f cggg R sC iRsLi 1 suy ra: 1 2 + + = cf gfgf gi RsC RsCLCs iv (7) Phương trình (3) được viết lại vi = vc + ii(sLi +Ri) (8) Từ (4), (2) và (7) điện áp nghịch lưu được viết lại như sau ( ) ( )( ) ( )         + + +++= ++++= 1 2 cf gfgf ggggg iicggggi RsC RsCRCs iiRsLi RsLiiRsLiv (9) Suy ra ( )( )         + ++ ++++= 1 2 Cf gfgfii iigggi RsC RsCLCsRsL RsLRsLiv (10) Vậy hàm truyền của bộ lọc như sau B AH = (11) trong đó 1+= cf RsCA ( ) ( )( ) ( )( ) iggiicgcfig CgiCigfigf RRRRRRRRCLLs RRLRRLCsLRCsB +++++++ ++++= . 23 Tính toán các giá trị của bộ lọc Các dữ kiện ban đầu: Công suất hệ thống 100KVA , điện áp dây của lưới En = 380V, công suất ngõ ra của bộ nghịch lưu Sn = 100KVA, điện áp DC trên tụ liên lạc Vdc = 650V, tần số điện áp lưới f = 50hZ, tần số switching Fsw = 3khZ Các giá trị cơ bản của bộ lọc tính được: ( ) Ω== 444.1 2 n n b S E z Trần Minh Đức và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 137 - 144 141 ; mH Z L n b B 596.4== ω ; uF Z C bn b 3621.2204 1 == ω Điện cảm phía bộ biến đổi được xác định bởi biểu thức : ( )( ) iswswi swi Lnv ni ω 1 = Trong đó là tần số switching và là bội tần số của tần số cơ bản tại tần số đóng ngắt. Chọn độ gơn suy giảm của điện áp lưới là 20% tương ứng với độ gợn dòng nghịch lưu. Như vậy ta có độ gợn suy giảm của cuộn cảm như sau Hình 14. Độ gợn suy giảm của cuộn cảm Tần số cộng hưởng của bộ lọc được tính: khzf CLL LL res fgi gi res 337.110.97.14 3 =⇒= + =ω (12) THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ khối của bộ điều khiển nghịch lưu như hình 15. Thuật toán PLL để dò tìm góc pha của điện áp lưới, tần số của lưới và điện áp lưới. Tần số và điện áp được giám sát theo đúng tiêu chuẩn và yêu cầu điều khiển. Bộ điều khiển vòng lặp khóa pha PLL Khi bộ biến đổi nối lưới thì cần phải phát ra tín hiệu tham chiếu để dò tìm chính xác góc pha của tần số và điện áp. Một trong những phương pháp để đồng bộ dòng điện tham chiếu của bộ nghịch lưu với điện áp lưới người ta sử dụng vòng lặp khóa pha. Hình 15. Sơ đồ khối của hệ thống nối lưới Bộ điều khiển dòng điện Trong bài báo này, có hai kiểu điều khiển dòng điện: bộ điều khiển PI đồng bộ với giá trị tham chiếu. Sơ đồ khối của bộ điều khiển dòng điện PI cho ở hình 16. Hình 16: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PI Hình 17: Sơ đồ khối bộ điều khiển PI Hàm truyền bộ điều khiển PI có dạng ( ) s K KsG IPPI += (13) Vòng lặp của bộ điều khiển d và q có cùng đặc tính động, vì thế các tham số của bộ điều khiển dòng PI chỉ tồn tại trục d. Khối PI có hàm truyền điều khiển vòng: ( ) s K KsG IcrtpcrtPIcrt += (14) và hàm truyền của khối thuật toán điều khiển: ( ) s control sT sG + = 1 1 (15) trong đó: Ts = 1/fs và fs = 3 khz là tần số lấy mẫu. Khối nghịch lưu có hàm truyền: ( ) sw inveter Ts sG 5.01 1 + = (16) Bộ lọc LCL có hàm truyền : ( ) RLs sG filter + = 1 (17) trong đó: L = Li+Lg. và R=Ri + Rg Hàm truyền của khối lấy mẫu: s sampling Ts G .5.0.1 1 + = (18) Trần Minh Đức và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 137 - 144 142 Từ đó hàm truyền của bộ điều khiển vòng lặp thu được: 1 . 1 1 . . .... 1 ++ + = = ∑ e eicrtpcrt samplingfilterinvertercontrolPIcrtcrt sT K sTs KsK GGGGGG (19) trong đó: R LT R K ee == , 1 và ssws TTTT 5.05.01 ++=∑ Theo[20] , được viết lại như sau: ( ) 112 1 1 . 1 1 . . 111 ++ = ++ + ∑∑∑ TsTsT K sTs KsK e eicrtpcrt (20) Kết quả đáp ứng bước của vòng lặp điều khiển PI thu được như hình 18. Hình 18. Đáp ứng bước của vòng lặp dòng điện PI KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Tác động công suất P lên hệ thống với bộ điều khiển dòng điện PI Công suất tác dụng đã thay đổi trong năm bước. Hình 19 cho thấy độ bám công suất tham chiếu là rất tốt. Xét đáp ứng tần số khi thay đổi giá trị điện trở ảo Hình 20 a) và b) cho thấy đáp ứng tần số của bộ lọc khi sử dụng các giá trị điện trở tắt dần khác nhau. khi điện trở ảo nối tiếp với tụ, độ suy giảm xung quanh tần số cộng hưởng, lấy điện trở thấp hơn sẽ bị tăng. Khi điện trở tắt dần được nối tiếp cuộn cảm phía bên bộ biến đổi, độ suy giảm duy trì quanh tần số đóng ngắt, nhưng tần số cộng hưởng bị giảm khi điện trở tăng. a) b) c) Hình 19. Công suất phản kháng tác động lên hệ thống điện: a) độ bám công suất tác dụng P tốt, b) công suất phản kháng Q bằng không, c) dòng điện tham chiếu ngay tại đáp ứng bước. Hình 20. Đồ thị bode của bộ lọc LCL: a) điện trở nối tiếp với tụ, b) điện trở nối tiếp với cuộn cảm Xét ảnh hưởng của sự thay đổi trong trở kháng của lưới Như đã được nghiên cứu ở trước, với điện trở tắt dần R = 300mΩ khi điện trở nối tiếp với tụ lọc, và một điện trở tắt dần R =5Ω khi điện trở nối tiếp với cuộn cảm bên lưới. Trần Minh Đức và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 137 - 144 143 a) b) Hình 21. Đồ thị bode của bộ lọc LCL với điện trở ảo khi trở kháng lưới thay đổi. a) điện trở ảo nối tiếp với tụ, b) điện trở ảo nối cuộn cảm phía lưới Ở hình 21 a) và b) sự thay đổi về trở kháng của lưới điện chỉ ảnh hưởng dao động một ít của tần số cộng hưởng, nhưng hệ thống dao động tắt dần vẫn tốt. Xét ảnh hưởng các giá trị thành phần bộ lọc LCL a) b) c) d) Hình 22. Đồ thị bode của bộ lọc LCL khi thay đổi các giá trị thành phần của bộ lọc LCL: a) điện trở ảo nối tiếp với tụ khi thay đổi Cf = ± 10%; b) khi cuộn cảm thay đổi Li= ± 50 Hµ ; c) điện trở ảo nối tiếp với cuộn cảm tụ khi thay đổi Cf = ± 10% ; d) khi cuộn cảm thay đổi Li= ± 50 Hµ KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu của bài báo đã khẳng định được đối với hệ DG kết nối lưới điện qua bộ bù Leat-lag, khi dùng điện trở ảo trong mạch dao động tắt dần thì hệ thống duy trì tính ổn định tốt hơn trong trường hợp hệ thống không dùng dao động tắt dần. Phương pháp dùng điện trở ảo làm tăng tính bền vững của hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Frede Blaabjerg, Remus Teodorescu, Zhe Chen, and Marco Liserre. Power converters and control of renewable energy systems. In Proceedings of ICPE, pages 2–20, 2004. [2]. Marco Liserre, Remus Teodorescu, and Frede Blaajerg. Stability of photovoltaic and wind turbine grid-connected inverters for a large set of grid impedance values. In IEEE transaction power electronics, volume 21, January 2006 2006. [3]. M. Malinowski, M.P. Kazmierkowski, W. Szczygiel, and S. Bernet. Simple sensorless active damping solution for three-phase pwm rectifier with lcl filter. In Industrial Electronics Society, 2005. IECON 2005. 31st Annual Conference of IEEE, page 5pp, 6-6 Nov. 2005. [4]. Remus Teodorescu and Frede Blaabjerg. Flexible control of small wind turbines with grid failure detection operating in stand alone and grid- connected mode. In IEEE transaction power electronics, volume 19, pages 1323–1332, 2004. Trần Minh Đức và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 137 - 144 144 SUMMARY RESEARCH LCL FILTERS FOR GRID -CONNECTED INVERTER Tran Minh Duc1*, Le Tien Phong2, Doan Kim Tuan2 1Lilama2 Technical and Technology College, 2College of Technology - TNU The increasing development of renewable energy systems challenges more and more the parameters of their connection to grid. The connection through an LCL filter offers certain advantages, but it brings also the disadvantage of having a resonance frequency. This project deals with the investigation and the implementation of different methods of active damping of the LCL filter resonance in grid connected applications. In this project, The control of the inverter is be implemented, including the synchronization with the grid the current and dc voltage control loop Also, different active damping methods are implemented and tested under different conditions. Keywords: LCL filter, virtual resistors, lead-lag compensator, DG system Ngày nhận bài:28/2/2013, ngày phản biện: 13/3/2013, ngày duyệt đăng: 26/3/2013 * Tel: 0978 958479, Email: tranduclilama2@yahoo.com.vn