Khái quát hóa phương pháp điều chế vector không gian cho biến tần đa mức cấu trúc cầu H nối tầng

Bài viết đưa ra thuật toán điều chế SVM tổng quát cho một mức bất kỳđối với bộ nghịch lưu đa mức cầu H (CHB) với mục đích làm đơn giản hóa kỹ thuật điều chế SVM và giảm khối lượng tính toán, tăng khả năng ứng dụng của cấu trúc CHB trong thực tế.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 KHÁI QUÁT HÓA PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN CHO BIẾN TẦN ĐA MỨC CẤU TRÚC CẦU H NỐI TẦNG AGENERALIZED SPACE VECTOR MODULATION FOR CASCADED H-BRDGE MULTI-LEVEL INVERTER Nguyễn Thị Thanh Hòa1, Hà Duy Thái1, Dương Anh Tuấn2, Mai Văn Chung1,* TÓM TẮT Hiện nay, kỹ thuật điều chế SVM ứng dụng phổ biến biến đổi nghịch lưu đa mức tận dụng điện áp DC tốt (khi so sánh với SPWM), sóng hài thấp hơn, cung cấp nhiều số lượng vector (so với nghịch lưu hai mức thơng thường), từ cải thiện chất lượng nghịch lưu DCAC Tuy nhiên, số mức nghịch lưu tăng lên,việc sử dụng phương pháp điều chế SVM gặp nhiều khó khăn Khối lượng tính tốn, độ phức tạp thuật tốn SVM việc có thứ tự đóng cắt vector thích hợp, dẫn đến khó khăn mơ thực nghiệm Bài báo đưa thuật toán điều chế SVM tổng quát cho mức nghịch lưu đa mức cầu H (CHB) với mục đích làm đơn giản hóa kỹ thuật điều chế SVM giảm khối lượng tính tốn, tăng khả ứng dụng cấu trúc CHB thực tế Thuật tốn mơ phần mềm Matlab - Simulink thực nghiệm với cấu trúc CHB 11 mức sử dụng thiết bị điều khiển FPGA cho thấy tính đắn thuật tốn Từ khóa: Nghịch lưu đa mức (MLI); điều chế vector không gian (SVM); khái quát hóa điều chế SVM; cấu trúc cầu H nối tầng (CHB); FPGA ABSTRACT Nowadays, Space Vector Modulation (SVM) technique is widely used in multilevel converters with a variety of advantages: better utilization of DC bus in comparison with Sin PWM and the lower harmonics, providing more space vectors than the conventional two-level inverter Consequently, we can enhance the quality of multi-level converters.However, as the number of required converter levels rise, the complexity and computation volume in the determination of optimized switching sequence will increase As a result, we have some difficulties in implementing simulations and experiments The paper provides a general SVM technique which generates any level with cascaded H-bridge (CHB) structure so as to not only simplify SVM techniques and reduce calculation volume but also create favorable conditions to apply more widely this structure in industries The proposed method has been simulated in Matlab software and experimented with the 11-level CHB structure based on FPGA platform, indicating the accuracy of the given method Keywords: Multilevel Converter; Space Vector Modulation (SVM); A Generalized Space Vector Modulation for; Cascade H-Bridge; FPGA Trường Đại học Hùng Vương Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: maichung@hvu.com Ngày nhận bài: 04/10/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 08/12/2021 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2021 Website: https://jst-haui.vn GIỚI THIỆU Biến tần đa cấp sử dụng rộng rãi ứng dụng công nghiệp với dải điện áp cao, cơng suất lớn (ví dụ, hệ thống bơm nhà máy nước quạt gió nhà máy xi măng) nhờ ưu điểm chúng so với biến tần hai cấp, dạng sóng đầu bước có độ méo sóng hài thấp hơn, giảm điện áp đặt lên linh kiện bán dẫn công suất, tốc độ thay đổi điện áp tức thời thấp dv/dt Hiện nay, biến tần đa mức có dạng cấu trúc bản: Cấu trúc điot kẹp (NPC) [1], tụ điện bay (FC) [2, 3], cầu H nối tầng (CHB) [4, 5], chuyển đổi đa cấp mô-đun (MMC) [6 - 11] Phương pháp điều chế vector khơng gian SVM có ưu điểm khả linh hoạt nhiều so với PWM dựa sóng mang SVM có khả tạo quỹ đạo vector mong muốn có dạng nhờ lựa chọn vector trạng thái thời gian phù hợp chu kỳ điều chế Nhờ vector trạng thái dư thuật toán cân điện áp DC pha tụ DC pha xây dựng cách thuận lợi Yêu cầu tính tốn cao coi nhược điểm SVM, số lượng vector trạng thái tăng lên nhanh theo số mức [12]: M 1 Nvectors  1  i (1) i 1 Các tính tốn lý thuyết số đánh giá chất lượng trình điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức trình bày hệ thống [12]0 Nhiều thuật tốn trình bày tối ưu hóa q trình chuyển mạch cho khóa bán dẫn tối ưu thành phần sóng hài dạng điện áp [13-16] chủ yếu cho nghịch lưu ba mức Khả linh hoạt SVM đảm bảo giảm thiểu ảnh hưởng common mode hệ biến tần dùng nghịch lưu đa mức đề cập [14, 17, 18] Với ứng dụng tiềm nghịch lưu cầu H nối tầng, kết nối nguồn phát phân tán từ pin nhiên liệu (fuel cells) hay pin mặt trời (Photovotaic - PV), nguồn phát DC chất cách ly, SVM mang lại lợi ích tích cực nhờ tính linh hoạt Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Việc thực chương trình SVPWM cho biến tần nhiều mức u cầu tính tốn phức tạp yêu cầu bảng tra cứu uy tín tính toán lặp thời gian Thuật toán SVPWM đề xuất [20] để tính thời gian chuyển đổi trạng thái dựa hệ tọa độ 60o Tuy nhiên, chuyển đổi hệ tọa độ 60o hệ tọa độ gốc Cartesian [20] u cầu phức tạp tính tốn hàm lượng giác Thuật toán SVPWM đề xuất [21], tính tốn lặp lại tốn thời gian để xác định tập hợp hình lục giác lồng nhau, chuyển đổi cần thiết để tính tốn vector cịn lại trạng thái chuyển mạch Thời gian tính tốn phép tính lặp tăng đáng kể số cấp tăng Do đó, lược đồ SVPWM khơng phù hợp với thời gian thực thực cho biến tần cấp cao Trong [22] trình bày phương pháp để nhanh chóng tính tốn chu kỳ nhiệm vụ cho biến tần nhiều mức Tuy nhiên, sử dụng bảng tra cứu để xác định trình tự chuyển đổi Kích thước bảng tra cứu tăng lên số mức nghịch lưu tăng lên Hơn nữa, phương pháp xác định trạng thái chuyển đổi khó để khái quát hóa cho phương pháp điều chế Trong đó:  v α  v A    v β  (vB  v C )  Với sơ đồ đa mức số lượng tam giác mặt phẳng vector tăng lên nhanh chóng số mức N tăng lên Việc tính tốn trở nên đơn giản sử dụng tính đối xứng hệ thống vector khơng gian góc phần sáu Thể mặt phẳng vector ba hệ tọa độ góc phần sáu (Z1x, Z1y), (Z2x, Z2y), (Z3x, Z3y), hình 2, (Z1x, Z1y) sử dụng hệ tọa độ 0gh, giúp phân biệt góc phần sáu 1, 2,…, Trước hết ta cần xác định hình chiếu vector điện áp T mong muốn v r   v r , v r  lên hai vector biên góc phần sáu phép chiếu tọa độ ,  lên hệ tọa độ tương ứng Z1, Z2, Z3 Điều thực với ma trận biến đổi hệ tọa M1, M2, M3 sau:    1   1  ; M2   M1      0 1    XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU CHẾ VECTOR KHƠNG GIAN CHO NGHỊCH LƯU ĐA CẤP CẦU H NỐI TẦNG 2.1 Cấu trúc nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng hệ tọa độ Pha C Pha B Pha A B HA1 HA2 A Hình Cấu trúc CHB - MLI V2y V1y III IV V V3x V2x II II I VI V1x III IV I V VI V3y (7) III IV I V VI Biểu đồ vector không gian chia thành sáu cung, hình Góc cung ʌ/3, trục A Chiều dài cạnh tam giác nhỏ sơ đồ giả định thống Đối với vector tham chiếu có trục tọa độ trên, số ngành S (S = 1, 2, ···, 6) xác định bảng Bảng Xác định sector điều chế z1x.z1y < Hình Ba hệ tọa độ khơng vng góc tạo nên góc phần sáu (các sector) z2x.z2y< z3x