Điều Khiển Nghịch Lưu Nối Lưới Sử Dụng Mô Hình Dự Báo Tại HCMUTE

Khám phá cách HCMUTE điều khiển nghịch lưu nối lưới bằng mô hình dự báo, tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định trong hệ thống năng lượng.

• Tác giả: ThS. Lê Thanh Lâm
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Mô Hình Dự Báo Điều Khiển Nghịch Lưu Nối Lưới Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sự phát triển của nghịch lưu nối lưới
• 1.2. Các tiêu chuẩn nối lưới
• 1.3. Các nghiên cứu liên quan
• 1.3.1. Bộ điều khiển dòng điện
• 1.3.2. Bộ điều khiển dòng điện bão hòa HCC
• 2. CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI SỬ DỤNG MÔ HÌNH DỰ BÁO
• 2.1. Cơ sở của điều khiển sử dụng mô hình dự báo
• 2.2. Điều khiển nghịch lưu nối lưới sử dụng mô hình dự báo
• 2.2.1. Nguyên lý của hệ thống MPC
• 2.2.2. Xây dựng mô hình nghịch lưu nối lưới 3 pha sử dụng MPC
• 2.2.2.1. Hàm chi phí
• 2.2.2.2. Mô hình nghịch lưu
• 2.2.2.3. Mô hình nguồn lưới
• 2.2.2.4. Mô hình rời rạc
• 2.2.2.5. Giải thuật điều khiển sử dụng MPC
• 2.2.3. Mô hình sử dụng MPC trong Matlab/Simulink
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
• 3.1. Cài đặt tham số
• 3.2. Kết quả và bàn luận
• 3.2.1. Phương pháp bão hòa HC
• 3.2.2. Phương pháp MPC đề xuất
• 3.2.3. Phương pháp MPC có xem xét giảm chuyển mạch
• 3.3. Kết quả đạt được
• 3.4. Hướng phát triển
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Mô hình dự báo và điều khiển nghịch lưu nối lưới

Phần này tập trung vào mô hình dự báo trong điều khiển nghịch lưu nối lưới. Nghiên cứu khảo sát các phương pháp điều khiển nghịch lưu, bao gồm điều khiển dự báo, điều khiển bão hòa, điều khiển tuyến tính, điều khiển trượt, và điều khiển thông minh. Tài liệu nhấn mạnh vào sự cần thiết của mô hình dự báo trong việc ứng phó với tính không ổn định của nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong ngữ cảnh nối lưới điện. Điều khiển dự báo được đề xuất như một giải pháp hiệu quả hơn so với điều khiển bão hòa truyền thống, khắc phục nhược điểm về đáp ứng chậm và độ vọt lố cao. Việc sử dụng mô hình dự báo cho phép tối ưu hóa trạng thái chuyển mạch, giảm sóng hài và tổn hao năng lượng. Mô hình toán học của nghịch lưu nối lưới đóng vai trò then chốt trong quá trình dự báo và điều khiển. Nghiên cứu cũng đề cập đến các tiêu chuẩn nối lưới quốc tế và Việt Nam liên quan đến chất lượng điện năng, đặc biệt là giới hạn sóng hài và công suất phản kháng. Nghiên cứu khoa học HCMUTE đóng góp vào việc phát triển kỹ thuật điều khiển nghịch lưu nối lưới hiệu quả hơn, phù hợp với xu hướng sử dụng năng lượng tái tạo.

1.1. Phân tích ưu nhược điểm các phương pháp điều khiển

Tài liệu so sánh điều khiển PI và điều khiển PR (thuật toán điều khiển tuyến tính) với điều khiển bão hòa (HCC). Điều khiển PI và PR đơn giản nhưng đáp ứng chậm, dễ gây quá dòng. Điều khiển bão hòa đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp, nhưng khó kiểm soát tần số chuyển mạch, dẫn đến tăng số lần chuyển mạch và sóng hài. Mô hình dự báo (MPC) được đề xuất như một giải pháp tối ưu hơn, cho phép lựa chọn trạng thái chuyển mạch tối ưu, giảm số lần chuyển mạch và sóng hài. Thuật toán điều khiển này được đánh giá là phù hợp với nền tảng điều khiển số hiện đại. Nghiên cứu tập trung vào phân tích và so sánh các phương pháp này thông qua mô phỏng trên MATLAB/Simulink. Việc phân tích dữ liệu năng lượng được thực hiện để đánh giá hiệu quả của từng phương pháp. Kết quả cho thấy mô hình dự báo vượt trội hơn về chất lượng điện năng đầu ra. Nghiên cứu khoa học HCMUTE trong lĩnh vực này mang lại những đóng góp thiết thực cho việc tối ưu hóa hệ thống năng lượng tái tạo và nối lưới điện. Tài liệu đề cập đến các tiêu chuẩn nối lưới, như IEEE-929, IEEE-1547, IEC 62116, và thông tư 30 BCT, để đảm bảo chất lượng điện năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

1.2. Mô hình dự báo mô hình tiên đoán MPC và ứng dụng

Phần này tập trung vào mô hình dự báo mô hình tiên đoán (MPC). MPC được sử dụng để tối ưu hóa trạng thái chuyển mạch của nghịch lưu nối lưới. Thuật toán MPC được xây dựng dựa trên mô hình toán học của nghịch lưu 3 pha. Mô hình này bao gồm mô hình nghịch lưu, mô hình nguồn lưới, và hàm chi phí. Hàm chi phí được thiết kế để tối thiểu hóa sai số dòng điện và số lần chuyển mạch. Giải thuật MPC được triển khai trên MATLAB/Simulink. Kết quả mô phỏng cho thấy MPC giảm đáng kể sóng hài và số lần chuyển mạch so với điều khiển bão hòa. Phân tích dữ liệu năng lượng xác nhận hiệu quả của MPC trong việc nâng cao hiệu suất hệ thống. Kỹ thuật điện và kỹ thuật điều khiển được kết hợp để tạo ra giải pháp điều khiển nghịch lưu nối lưới hiệu quả. Phân tích thời gian thực là một yếu tố quan trọng trong quá trình đánh giá hiệu quả của MPC. HCMUTE đã đóng góp vào việc phát triển và ứng dụng công nghệ này, góp phần vào việc tối ưu hóa hệ thống điện năng lượng mặt trời và điện gió.

II. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Phần này trình bày kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của mô hình dự báo trong điều khiển nghịch lưu nối lưới. Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink cho thấy mô hình dự báo giảm đáng kể sóng hài và số lần chuyển mạch so với phương pháp truyền thống. Phân tích về chất lượng điện năng đầu ra được thực hiện dựa trên các tiêu chuẩn nối lưới quốc tế và Việt Nam. Kết quả cho thấy giải pháp này đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng điện năng. Nghiên cứu cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển và mở rộng ứng dụng cho các hệ thống năng lượng tái tạo khác nhau. Việc giảm sóng hài và tổn hao chuyển mạch góp phần tăng hiệu suất hệ thống và giảm chi phí vận hành. Nghiên cứu khoa học HCMUTE này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc thúc đẩy việc sử dụng năng lượng tái tạo và nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện quốc gia. Nghiên cứu cũng góp phần vào việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí quốc tế IJAEMS.

2.1. Đánh giá hiệu quả mô hình dự báo

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình dự báo hiệu quả hơn điều khiển bão hòa về nhiều mặt. Sóng hài (THD) đầu ra thấp hơn đáng kể, đáp ứng các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt. Số lần chuyển mạch cũng giảm, dẫn đến giảm tổn hao năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị. Phân tích về hiệu quả năng lượng cho thấy sự tiết kiệm năng lượng đáng kể. Phân tích dữ liệu cho thấy mô hình dự báo có độ ổn định cao hơn trong điều kiện vận hành khác nhau. Kết quả này được minh họa bằng các biểu đồ và sơ đồ trong báo cáo. Mô hình toán học chính xác và thuật toán điều khiển hiệu quả là yếu tố quyết định thành công của nghiên cứu. Ứng dụng thực tiễn của mô hình dự báo trong hệ thống điện được nhấn mạnh. Nghiên cứu HCMUTE đã chứng minh được tiềm năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ này.

2.2. Khả năng ứng dụng và triển vọng phát triển

Mô hình dự báo có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió. Việc giảm sóng hài giúp nâng cao chất lượng điện năng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của hệ thống điện. Giảm tổn hao chuyển mạch làm tăng hiệu suất và tuổi thọ thiết bị, tiết kiệm chi phí vận hành. Mô hình có thể được tích hợp vào các hệ thống điều khiển thông minh, tạo điều kiện cho việc quản lý và điều phối năng lượng hiệu quả hơn. Nghiên cứu HCMUTE mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực điện năng lượng tái tạo và nối lưới điện. Triển vọng phát triển bao gồm việc tối ưu hóa thuật toán và mở rộng ứng dụng cho các hệ thống phức tạp hơn. Cộng nghệ điện tần số cao và điện tử công suất đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các giải pháp này. Công trình nghiên cứu này góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành năng lượng. Tối ưu hóa năng lượng là một mục tiêu quan trọng của nghiên cứu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI Các hệ thống sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng phổ biến [1] thông qua các bộ nghịch lưu nối lưới. Có nhiều phương pháp điều khiển được ứng dụng trong các bộ nghịch lưu. Tuy nhiên, có thể chia thành 5 nhóm điều khiển cơ bản bao gồm: điều khiển dự báo, điều khiển bão hòa, điều khiển tuyến tính, điều khiển trượt, và điều khiển thông minh (neural, fuzzy. Hầu hết các phương pháp điều khiển này đã được ứng dụng cho điều khiển nghịch lưu động cơ.

Trong điều khiển nghịch lưu nối lưới, các phương pháp điều khiển tuyến tính như điều khiển PI và PR được sử dụng khá phổ biến vì tính đơn giản của chúng. Tuy nhiên, khi nhu cầu điều khiển công suất thay đổi trong quá trình vận hành, các phương pháp điều khiển này bộc lộ nhược điểm đáp ứng chậm của chúng. Nếu tăng đáp ứng động sẽ làm tăng độ vọt lố nên có khả năng bị quá dòng và làm hư hỏng linh kiện bán dẫn công suất. Trong khi đó, phương pháp điều khiển bão hòa [2]–[7] có thể cho đáp ứng nhanh và độ vọt lố thấp.

Mặc dù vậy, phương pháp điều khiển bão hòa cũng có nhược điểm là khó khăn trong việc kiểm soát tần số chuyển mạch do có độ rộng băng sai số cố định. Điều này làm cho số lần chuyển mạch trong một chu kỳ cơ bản tăng cao. Nguyên nhân chủ yếu do sử dụng ba bộ chuyển mạch bão hòa độc lập cho 3 pha nên không có được trạng thái chuyển mạch tối ưu. Khi tăng độ rộng băng sẽ làm giảm số lần chuyển mạch, nhưng cũng làm tăng sóng hài dòng điện ngõ ra của nghịch lưu và ngược lại.

Do đó, phương pháp bão hòa chủ yếu dùng cho điều khiển nghịch lưu động cơ. Thêm vào đó, nền tảng điều khiển số dựa trên các kit DSP hiện nay trở nên rất phổ biến và phù hợp cho các phương pháp điều khiển rời rạc. Trong khi đó, phương pháp điều khiển dự báo thường được áp dụng cho các bộ nghịch lưu điều khiển động cơ điện vì mang lại hiệu quả cao. Tuy nhiên, việc điều khiển các bộ nghịch lưu nối lưới bán dẫn công suất sử dụng phương pháp điều khiển dự báo [8] chưa được ứng dụng nhiều do sự phụ thuộc vào tham số hệ thống nguồn lưới nên hiệu quả chưa cao [9]– [11].

1 Luan van T2020-21TĐ Việc nghiên cứu điều khiển nghịch lưu nối lưới ứng dụng phương pháp dự báo dựa vào mô hình vẫn còn có những khó khăn nên cần có các nghiên cứu sâu hơn. Hiện nay trong nước chỉ có vài nghiên cứu liên quan đến việc điều khiển nhiệt độ sử dụng phương pháp dự báo [12], [13], hầu như chưa có các nghiên cứu liên quan đến điều khiển dự báo cho nghịch lưu nối lưới.2 CÁC TIÊU CHUẨN NỐI LƯỚI Đa số các nguồn điện phân tán DG (Distributed Generation) sử dụng năng lượng tái tạo đều có hệ thống nghịch lưu để nối lưới. Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lưới này lại là một trong những thiết bị phát sóng hài đáng kể lên lưới điện và ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện [14]. Do đó, chúng có tác động tiêu cực đến chất lượng điện năng của hệ thống điện.

Hơn nữa, quan hệ công suất như hình 1.1 cho thấy việc xuất hiện sóng hài cũng làm giảm khả năng phát điện của các nguồn điện này. Quan hệ công suất khi có sóng hài [15] 2 Luan van T2020-21TĐ Vì vậy, để đảm bảo an toàn trong vận hành và truyền tải điện năng, các tiêu chuẩn chất lượng điện năng đã được các cơ quan vận hành hệ thống điện ban hành như: IEEE-929 (2000) [16]; IEEE-1547 (2009) [17]-[14] của Mỹ; tiêu chuẩn IEC 62116 (2005) về cô lập DG; IEC 61727 (2007); các tiêu chuẩn EN 50160 ở châu Âu; VDE 0126 (2006) của Đức; thông tư 30 BCT (2019) của Bộ Công thương Việt Nam, trong đó, các tiêu chuẩn giới hạn sóng hài [15] và phát công suất phản kháng để hỗ trợ hệ thống điện khi xảy ra các sự cố điện áp cũng được yêu cầu đối với thiết bị nối lưới. Trong khi đó, các phương pháp điều khiển thông thường có thể gây ra quá dòng thiết bị do có độ vọt lố cao nhằm đáp ứng nhanh. Như vậy, để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới ngày càng nghiêm ngặt và góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện, cần phải có các nghiên cứu sâu hơn để đảm bảo vận hành an toàn và bền bỉ cho các bộ nghịch lưu nối lưới.3 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.1 Bộ điều khiển dòng điện Một hệ thống nghịch lưu nối lưới thông thường có cấu trúc như hình 1.

Vg Lg Li Vi IGBT + Inveter - Renewable energy Ia Ib Ic source Grid Anti- Va Vb vc Cf  abc →dq islanding control PLL SVPWM Idc Id Iq V* dq →  Vdc Vmax f  Iq  MPPT Q Iq_ref =0 PI V*q Vmax - profile + controller Vmppt + Id - Id_ref - PI V*d DC + controller controller Hình 1. Cấu trúc nghịch lưu nối lưới điều khiển dòng điện PI 3 Luan van T2020-21TĐ Với một lượng công suất tác dụng và phản kháng cho trước theo yêu cầu hệ thống, tương ứng sẽ tính được một lượng dòng điện đặt Id_ref và Iq_ref. Khi sử dụng bộ điều khiển dòng điện PI, dòng điện trong hệ tọa độ đồng bộ dq sẽ được sử dụng để điều khiển dòng. Thông qua bộ điều khiển PI, điện áp trong hệ tọa độ dq được xác định và chuyển sang hệ tọa độ tĩnh  và đưa vào bộ điều chế vector không gian SVPWM để phát xung chuyển mạch cho các IGBT.

Mặc dù bộ điều khiển PI dễ sử dụng, nhưng sai số xác lập và độ vọt lố lớn làm cho hiệu quả điều khiển không cao. Để loại bỏ sai số xác lập và tăng đáp ứng động, các bộ điều khiển dòng điện thường sử dụng loại điều khiển PR (Proportional resonance) vì điều khiển đơn giản [18] như hình 1. Vg Lg Li Vi IGBT + Inveter - Renewable energy Ia Ib Ic source Grid Anti- Va Vb vc Cf abc → islanding control PLL SVPWM Idc I I V*abc  → abc Vdc I MPPT Vmax f  I* - PR V* Vmax Q Iq_ref =0 + controller Vmppt profile dq + I f - Id_ref  I* - PR V* DC + controller controller Hình 1. Cấu trúc nghịch lưu nối lưới điều khiển dòng điện PR Tuy nhiên, độ vọt lố lớn của bộ điều khiển PR cũng làm cho dòng điện quá độ tăng cao và gây quá dòng cho linh kiện chuyển mạch.2 Bộ điều khiển dòng điện bão hòa HCC Để tăng đáp ứng độ và giảm độ vọt lố, phương pháp điều khiển bão hòa HCC (Hys- teresis current control) thường được sử dụng [6], [19] như hình 1.

trong hệ thống 3 pha cần đến 3 bộ điều khiển HCC hoạt động độc lập nhau. Các bộ điều khiển này dựa vào sai số giữa giá trị đặt (reference values) và giá trị hiện thời đo được để chuyển mạch. Muốn cho sai số xác lập càng nhỏ thì khoảng sai số HB (Hysteresis band) phải càng nhỏ. Khi đó, tần số chuyển mạch càng cao và ngược lại.

Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp này cho thấy khó khăn trong việc kiểm soát tần số chuyển mạch khi cố định độ rộng băng HB như hình 1. Vg Lg Li Vi IGBT + Inveter Renewable - energy source Grid Anti- Va Vb vc Cf Ia Ib Ic islanding control PLL Ia Vmax  Ia-ref - HC Q Iq_ref =0 + controller Vmax profile dq Ib Ib-ref - HC + controller Ic Id_ref abc Ic-ref - HC + controller Hình 1. Cấu trúc nghịch lưu nối lưới sử dụng bộ điều khiển bão hòa 5 Luan van T2020-21TĐ I-ref HB I-inductor PWM t Hình 1. Nguyên lý phát xung kích của bộ điều khiển bão hòa HC Việc kiểm soát tần số chuyển mạch có thể cải thiện khi sử dụng phương pháp điều chỉnh độ rộng băng.

Tuy nhiên, khi đó sẽ làm tăng độ phức tạp trong quá trình điều khiển và dễ xảy ra hiện tượng quá điều chế với vùng biên độ cao. Điều này sẽ làm tăng sóng hài ở ngõ ra của nghịch lưu. Thêm vào đó, việc sử dụng 3 bộ điều khiển độc lập cho cả 3 pha làm cho phương pháp điều khiển bão hòa khó có được trạng thái chuyển mạch tốt nhất. Do đó, trong thực tế, phương pháp này thường chỉ sử dụng cho nghịch lưu điều khiển động cơ.

Trong lĩnh vực nghịch lưu nối lưới, việc sử dụng phương pháp bão hòa hiện nay chỉ dừng lại cho ứng dụng nghịch lưu nối lưới 1 pha [7]. 6 Luan van T2020-21TĐ Hình 1. Mô hình mô phỏng sử dụng bộ điều khiển bão hòa HC Mô hình sử dụng bộ điều khiển bão hòa được xây dựng để mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK được thể hiện như hình 1. Trong đó, nguồn một chiều 750V được dùng làm ngõ vào cho bộ nghịch lưu 3 pha sử dụng 6 IGBT công suất như hình 1.

Mô hình nghịch lưu 3 pha 7 Luan van T2020-21TĐ Ngõ ra gồm 3 trạng thái chuyển mạch của 3 pha gồm Sa, Sb, và Sc. Vì các ngõ ra này ở dạng double nên cần các khối convert để chuyển đổi kiểu dữ liệu sang dạng logic để kích các linh kiện công suất. Vòng khóa pha PLL (phase-locked loop) được dùng để hỗ trợ hòa đồng bộ trong quá trình điều khiển nghịch lưu nối lưới. Ngõ vào của PLL là điện áp 3 pha của nguồn lưới và ngõ ra là góc pha =t.

Đại lượng này phục vụ cho việc biến đổi dòng điện trong hệ tọa đồng bộ dq sang hệ tọa độ 3 pha abc như hình 1. Chuyển đổi hệ tọa độ abc và dq. Nguyên lý cấu trúc của vòng khóa pha PLL được mô tả như hình 1-9. Trong đó, Kp và Ki là các hệ số của bộ dao động điều khiển điện áp VCO (Voltage controlled oscillator).

8 Luan van T2020-21TĐ Hình 1-9. Nguyên lý của PLL. Với Vsa, Vsb, Vsc là điện áp của ba pha nguồn lưới.