Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa diễn ra nhanh chóng, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện không đáp ứng đủ. Theo ước tính, năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió đang trở thành giải pháp thay thế quan trọng. Tuy nhiên, việc hòa lưới các nguồn năng lượng tái tạo đòi hỏi các bộ nghịch lưu DC/AC phải đảm bảo chất lượng điện năng, đặc biệt là loại bỏ sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng đến hệ thống điện quốc gia.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải thuật điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (Proportional Resonant - PR) cho bộ nghịch lưu một pha nối lưới nhằm giảm thiểu sóng hài dòng điện, nâng cao chất lượng điện năng. Mục tiêu cụ thể bao gồm: phân tích cấu trúc nghịch lưu một pha, so sánh các phương pháp điều chế PWM, nghiên cứu các giải thuật đồng bộ lưới như PLL và SOGI-PLL, thiết kế bộ lọc LCL và áp dụng bộ điều khiển PR trong điều khiển dòng điện.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM trong năm 2020-2021, với mô phỏng trên phần mềm PSIM 9.1 và thực nghiệm trên hệ thống nghịch lưu một pha sử dụng vi điều khiển C2000 và FPGA Xilinx. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các bộ nghịch lưu nối lưới hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Giải thuật PLL (Phase-Locked Loop): Dùng để đồng bộ pha, tần số và biên độ điện áp lưới, đảm bảo dòng điện đầu ra của inverter hòa lưới chính xác. Các phương pháp phát hiện pha như Zero Cross Detection (ZCD), Vector Product (VP), Sinusoidal Multipliers (SM) được phân tích. Giải thuật SOGI-PLL và FFSOGI-PLL được áp dụng để cải thiện độ ổn định và đáp ứng nhanh trong điều kiện biến đổi tần số lưới.

  • Bộ lọc LCL: Thiết kế bộ lọc LCL nhằm giảm sóng hài bậc cao do bộ nghịch lưu phát sinh. Các tham số như điện cảm L1, L2, tụ điện C, điện trở giảm chấn Rc được tính toán dựa trên công suất định mức, tần số chuyển mạch và tần số lưới. Bộ lọc LCL giúp giảm tổng độ méo dạng hài (THD) dòng điện xuống dưới 5%, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng điện năng.

  • Bộ điều khiển Proportional Resonant (PR): Bộ điều khiển PR có đặc tính độ lợi vô hạn tại tần số cộng hưởng, giúp loại bỏ sóng hài hiệu quả hơn so với bộ điều khiển PI truyền thống. Hàm truyền PR controller được thiết kế với các tham số Kp, Ki và tần số cắt ωc để đảm bảo ổn định và đáp ứng tốt trong điều kiện tần số lưới thay đổi.

Các khái niệm chính bao gồm: sóng hài, điều chế độ rộng xung sin (SPWM), đồng bộ pha, bộ lọc LCL, bộ điều khiển PR, tần số cộng hưởng, tổng độ méo dạng hài (THD).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo hai giai đoạn chính:

  • Mô phỏng: Sử dụng phần mềm PSIM 9.1 để mô phỏng bộ nghịch lưu một pha, các giải thuật PLL, PR controller và PI controller. Mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả loại bỏ sóng hài và đáp ứng điều khiển trong các điều kiện khác nhau.

  • Thực nghiệm: Xây dựng hệ thống nghịch lưu một pha gồm mạch công suất (IGBT, diode), mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển C2000 và FPGA Xilinx, mạch đo lường và bộ lọc LCL. Thực nghiệm đo đạc dạng sóng, sóng hài và kiểm tra hiệu quả của giải thuật PR trong điều khiển dòng điện.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm các bộ nghịch lưu công suất từ vài trăm W đến vài kW, phù hợp với hệ thống điện mặt trời áp mái. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các thiết bị tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm và các tham số thiết kế bộ lọc, điều khiển. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01/2020 đến tháng 01/2021, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, mô phỏng, thiết kế, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Phân tích dữ liệu tập trung vào các chỉ số như THD dòng điện, đáp ứng tần số của bộ điều khiển, biên độ và pha của tín hiệu điện áp lưới, so sánh hiệu quả giữa các phương pháp điều khiển và bộ lọc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của giải thuật PR trong điều khiển dòng điện:
    Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển PR giảm đáng kể sóng hài dòng điện đầu ra của inverter. THD dòng điện giảm từ khoảng 8-10% xuống dưới 3-4% khi sử dụng PR controller, vượt trội so với bộ điều khiển PI truyền thống.

  2. Độ ổn định và đáp ứng của giải thuật PLL:
    Giải thuật SOGI-PLL và FFSOGI-PLL cho phép đồng bộ pha và tần số điện áp lưới chính xác với sai số pha nhỏ hơn 1 độ và thời gian đáp ứng nhanh dưới 30 ms. Điều này giúp inverter hòa lưới ổn định ngay cả khi tần số lưới biến đổi ±1%.

  3. Thiết kế bộ lọc LCL tối ưu:
    Bộ lọc LCL với các tham số L1 = 3.08 mH, L2 = 0.94 mH, C = 213.08 µF và điện trở giảm chấn Rc được thiết kế đảm bảo giảm sóng hài bậc cao, giữ THD dòng điện dưới 5%. Biểu đồ Bode cho thấy bộ lọc có đáp ứng tần số phù hợp, tránh cộng hưởng và dao động không mong muốn.

  4. So sánh phương pháp điều chế PWM Unipolar và Bipolar:
    Phương pháp Unipolar được lựa chọn do hiệu quả cao hơn trong việc giảm sóng hài bậc cao, với tần số đóng cắt 2 kHz giúp giảm đáng kể thành phần sóng hài so với Bipolar.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả giảm sóng hài là do bộ điều khiển PR có đặc tính cộng hưởng tại tần số cơ bản và các bậc sóng hài, giúp loại bỏ triệt để các thành phần nhiễu. So với bộ điều khiển PI, PR không có sai số pha và sai số ổn định, phù hợp với các hệ thống inverter nối lưới có yêu cầu cao về chất lượng điện năng.

Giải thuật PLL SOGI-PLL và FFSOGI-PLL cải thiện đáng kể độ ổn định so với PLL cơ bản, giảm hiện tượng dao động và mất ổn định khi có nhảy pha hoặc biến đổi tần số lưới. Điều này phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế về đồng bộ lưới và giám sát điện áp.

Bộ lọc LCL được thiết kế theo quy trình chuẩn, cân bằng giữa hiệu quả lọc và tổn thất điện năng do điện trở giảm chấn. Việc lựa chọn tần số cộng hưởng và giảm chấn hợp lý giúp tránh cộng hưởng bộ lọc, đảm bảo vận hành ổn định trong thực tế.

Kết quả có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng dòng điện, phổ FFT sóng hài, biểu đồ Bode của bộ lọc và bộ điều khiển, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng thành phần trong hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi bộ điều khiển PR trong các inverter nối lưới:
    Áp dụng PR controller để giảm sóng hài dòng điện, nâng cao chất lượng điện năng, đặc biệt trong các hệ thống điện mặt trời áp mái công suất nhỏ đến trung bình. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các nhà sản xuất inverter và đơn vị nghiên cứu.

  2. Phát triển giải thuật PLL nâng cao như FFSOGI-PLL:
    Nâng cao độ ổn định và đáp ứng nhanh trong điều kiện biến đổi tần số lưới, giảm thiểu hiện tượng dao động và mất đồng bộ. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Thiết kế và tối ưu bộ lọc LCL phù hợp từng công suất inverter:
    Tính toán tham số bộ lọc dựa trên công suất và tần số chuyển mạch thực tế, đảm bảo THD dòng điện dưới 5% và tránh cộng hưởng. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: kỹ sư thiết kế và nhà sản xuất thiết bị điện.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật về điều khiển inverter và chất lượng điện năng:
    Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho kỹ sư và nhà quản lý về các giải pháp điều khiển và lọc sóng hài trong hệ thống điện phân tán. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện:
    Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về điều khiển inverter, giải thuật PLL, bộ lọc LCL và bộ điều khiển PR, phục vụ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm inverter:
    Áp dụng các giải thuật và thiết kế bộ lọc tối ưu để nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế.

  3. Các đơn vị vận hành và quản lý hệ thống điện phân tán:
    Hiểu rõ các yêu cầu về chất lượng điện năng, cách kiểm soát sóng hài và đồng bộ lưới, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì.

  4. Các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý năng lượng:
    Tham khảo các giải pháp kỹ thuật để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về chất lượng điện năng và phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải thuật PR controller có ưu điểm gì so với bộ điều khiển PI?
    PR controller có độ lợi vô hạn tại tần số cộng hưởng, giúp loại bỏ sóng hài hiệu quả và không có sai số pha, trong khi PI controller không thể theo dõi tín hiệu sin hoàn hảo và có sai số ổn định.

  2. Tại sao cần sử dụng bộ lọc LCL trong hệ thống inverter nối lưới?
    Bộ lọc LCL giúp giảm sóng hài bậc cao do quá trình chuyển mạch của inverter gây ra, đảm bảo THD dòng điện dưới 5% theo tiêu chuẩn, tránh ảnh hưởng xấu đến thiết bị và hệ thống điện.

  3. Giải thuật SOGI-PLL khác gì so với PLL cơ bản?
    SOGI-PLL tạo ra tín hiệu trực giao chính xác và ổn định hơn, giảm dao động và mất ổn định khi có biến đổi tần số hoặc nhảy pha, phù hợp với hệ thống một pha có nhiều biến động.

  4. Phương pháp điều chế PWM Unipolar có ưu điểm gì?
    Unipolar PWM tạo ra sóng điện áp có sóng hài bậc cao thấp hơn so với Bipolar, giúp giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra của inverter.

  5. Làm thế nào để thiết kế bộ lọc LCL tránh hiện tượng cộng hưởng?
    Thiết kế bộ lọc với tần số cộng hưởng nằm trong khoảng an toàn, sử dụng điện trở giảm chấn phù hợp và kiểm tra đáp ứng tần số qua biểu đồ Bode để đảm bảo ổn định vận hành.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và phát triển giải thuật PR controller hiệu quả trong điều khiển dòng điện cho bộ nghịch lưu một pha nối lưới, giảm sóng hài dòng điện đáng kể.
  • Giải thuật PLL nâng cao như SOGI-PLL và FFSOGI-PLL giúp đồng bộ pha và tần số lưới chính xác, tăng độ ổn định hệ thống.
  • Thiết kế bộ lọc LCL tối ưu đảm bảo giảm sóng hài bậc cao, giữ THD dòng điện dưới 5%, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm khẳng định tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp đề xuất trong thực tế.
  • Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm phát triển giải thuật điều khiển thích ứng, tối ưu hóa bộ lọc và ứng dụng trong các hệ thống công suất lớn hơn.

Để tiếp tục phát triển công nghệ inverter nối lưới, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và mở rộng các giải thuật đã nghiên cứu, đồng thời phối hợp với các đơn vị sản xuất để đưa vào ứng dụng thực tế.