Điều khiển bộ biến đổi đa bậc nguồn áp ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới724

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VĂN HUY ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐA BẬC NGUỒN ÁP ỨNG DỤNG TRONG CÁC NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN CÓ NỐI LƯỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 62520216 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Hà Nội - 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn PGS.TS.Trần Trọng Minh Phản biện 1: GS TSKH Thân Ngọc Hoàn Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Anh Nghĩa Phản biện 3: PGS TS Lê Tòng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 14 giờ, ngày 27 tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh (2013), “Chiến lược cân điện áp khâu DC cho chỉnh lưu tích cực sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H”, Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2013, (trang 204-210) Bùi Văn Huy , Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương (2014), “Bộ biến đổi DC-AC-AC qua khâu trung gian tần số cao có khả trao đổi cơng suất hai chiều”, Hội nghị tồn quốc lần thứ Cơ Điện tử - VCM-2014, (trang 136 142) Bùi Văn Huy, Trần Trọng Minh, Nguyễn văn Liễn (2014), “Điều khiển dịng cơng suất hai chiều qua biến đổi AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng với khâu trung gian tần số cao”, Chuyên san điều khiển tự động hóa Số 11- Tháng12/2014 ISSN 1859-0551 (trang 24-31) Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh, Nguyễn Văn Liễn (2015), “Kỹ thuật cân điện áp tụ cho nghịch lưu đa bậc nối tầng chữ H hệ thống STATCOM”, Tạp chí khoa học & cơng nghệ trường đại học kỹ thuật số No.107C/2015 (trang 13-18) ISSN 2354-1083 Trần Trọng Minh, Nguyễn văn Liễn, Bùi Văn Huy (2015), “Điều khiển tựa thụ động cho mạch vòng dòng điện biến đổi đa bậc nối tầng có khả trao đổi công suất hai chiều”, Chuyên san điều khiển tự động hóa số 12- Tháng 4/2015 ISSN 1859-0551 (trang 76-82) Bùi Văn Huy, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh, Vũ Hồng Phương, Trần Đình Thoại (2015), “ Thực nghiệm nghịch lưu DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao có khả n ăng trao đổi cơng suất hai chiều”, Hội nghị tồn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA 2015 tháng 11/2015 (Trang 197-203) Bùi Văn Huy, Trần Trọng Minh (2016), “Mô thực nghiệm kiểm chứng thuật toán cân điện áp tụ chiều cho chỉnh lưu tích cực đa bậc cầu chữ H n ối tầng”, Chuyên san điều khiển tự động hóa số 15 tháng 4/2016 ISSN 1859-0551 (Trang 41-48) MỞ ĐẦU Các biến đổi điện tử công suất đóng vai trị quan trọng việc điều khiển, ổn định kết nối nguồn điện phân tán, đặc biệt nguồn phát nối với lưới điện Công suất nguồn phát phân tán nối lưới ngày cao đặt yêu cầu cần có thay đổi cấu trúc biến đổi để thay biến đổi hai mức truyền thống Nghịch lưu đa bậc giải pháp cho ứng dụng địi hỏi cơng suất lớn điện áp cao Trong ứng dụng sử dụng nghịch lưu đa bậc, điện áp ngõ tăng lên, tổn hao chuyển mạch linh kiện điện tử công suất giảm Nghịch lưu đa bậc phân nhỏ bước nhảy điện áp phía xoay chiều, nhờ giảm tốc độ tăng điện áp du/dt tải, van bán dẫn phải đóng cắt mức điện áp thấp, tần số đóng cắt van mạch lực thấp đảm bảo tần số điện áp trình điều chế cao Như nghịch lưu đa bậc giảm đáng kể tổn thất q trình đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài điện áp ra, yếu tố quan trọng dải công suất lớn Trong biến đổi đa bậc nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H có ưu so với loại khác như: cấu tạo đơn giản, thành phần linh kiện, cấu trúc dạng module, dễ nâng cấp mở rộng hệ thống Đối tượng nghiên cứu: Bộ biến đổi đa bậc nối tầng AC-DC-AC-AC có khâu cách ly tần số cao gồm cổng: cổng xây dựng sở nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng; cổng xây dựng sở nghịch lưu đa bậc DCAC-AC nối tầng, khâu DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao Mục đích nghiên cứu: § Đề xuất thuật toán nhằm cân điện áp tụ điện chiều trung gian, đề xuất thuật toán điều chế chuyển mạch cho biến đổi DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao khâu AC-AC điều khiển chuyển mạch kiểu biến tần ma trận § Nghiên cứu khả áp dụng số phương pháp điều khiển điều khiển PI, cộng hưởng, tựa thụ động tựa thụ động có khâu thích nghi tham số để kiểm chứng khả làm việc biến đổi § Kiểm chứng phương pháp điều chế, thuật tốn chuyển mạch phương pháp điều khiển thơng qua minh chứng mô thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu: § Nghiên cứu lý thuyết phương pháp điều khiển, điều chế thuật toán chuyển mạch đảm bảo yêu cầu đặt cho biến đổi § Mơ phương pháp điều khiển, điều chế thuật toán chuyển mạch Matlab-Simulink § Kiểm chứng phương pháp điều khiển, điều chế thuật toán chuyển mạch hệ thống thực nghiệm Phạm vi nghiên cứu: § Luận án giải vấn đề trao đổi công suất hai nguồn điện xoay chiều với giả thiết hai nguồn khơng có trạng thái khơng bình thường Do đó, luận án không xử lý vấn đề lưới điện xuất trạng thái khơng bình thường § Các nguồn phát điện phân tán làm việc chế độ nối lưới ốc đảo Để nguồn điện phân tán nối lưới chúng phải thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật định Những vấn đề yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo nguồn phát phân tán nối lưới chế độ làm việc ốc đảo nguồn phát phân tán phạm vi nghiên cứu luận án § Vấn đề chế tạo máy biến áp tần số cao HF nội dung quan trọng biến đổi, nhiên luận án chưa đề cập vấn đề § Bài tốn điều khiển đặt luận án Điều khiển trao công suất tác dụng thu phát công suất phản kháng Luận án khơng giải tốn điều khiển hệ số cosφ hai cổng § Luận án triển khai mô cấp trung áp 3,3 kV thực nghiệm cấp điện áp 220V Tuy nhiên, biến đổi đa bậc có ưu điểm lớn ứng dụng cho nguồn phát phân tán có cơng suất lớn điện áp cao Việc chọn mức điện áp phù hợp phạm vi nghiên cứu luận án Ý nghĩa đề tài: Nghiên cứu biến đổi có khả kết nối linh hoạt nguồn điện phân tán có chất khác nhau, đảm bảo cách ly, đảm bảo khả n ăng trao đổi công suất tác dụng thu phát công suất phản kháng độc lập, đảm bảo độ tin cậy khả dễ dàng mở rộng hệ thống nhu cầu thiết Đề tài nghiên cứu biến đổi đa bậc nối tầng có cấu trúc AC-DC-AC-AC, có khâu cách ly tần số cao đáp ứng đòi hỏi yêu c ầu thực tiễn Một loạt vấn đề điều chế, điều khiển chuyển mạch, mạch vòng điều khiển dòng điện, điện áp công suất đề tài đưa phương án giải mang đến đóng góp khoa học thực cho nghiên cứu Những đóng góp mặt khoa học luận án: § Đề xuất thuật toán đảm bảo cân điện áp tụ chiều trung gian § Đề xuất phương pháp điều chế cho DC-AC-AC với thuật toán chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận § Thiết kế thành công c ấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai chiều phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động tựa thụ động có khâu thích nghi tham số Bố cục luận án gồm chương sau: Chương Tổng quan Chương Bộ biến đổi hai cổng AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao: Phân tích cấu trúc mạch lực biến đổi mà luận án nghiên cứu; đề xuất thuật toán cân điện áp chiều trung gian biến đổi; đề xuất phương pháp điều chế thuật tốn chuyển mạch cho DC-AC-AC; trình bày phương pháp điều chế cho biến đổi đa bậc kiểu dịch pha cổng cổng Chương Thiết kế hệ thống điều khiển cho biến đổi: Các vòng điều khiển dòng điện, điện áp chiều trung gian, điều khiển công suất P,Q đưa phân tích thiết kế Vịng điều khiển dòng điện quan tâm đặc biệt thiết kế với thuật toán thuật toán PI, cộng hưởng, tựa thụ động Chương Thiết kế hệ thống thực nghiệm: Thiết kế hệ thống thực nghiệm Luận án trình bày cấu trúc kết thực nghiệm nhằm: kiểm nghiệm thuật toán cân điện áp tụ chiều trung gian biến đổi đa bậc nối tầng cầu chữ H; kiểm nghiệm thuật toán chuyển mạch bước theo điện áp kết hợp điều chế phía sơ cấp máy biến áp tần số cao cho biến đổi DC-AC-AC, khâu ACAC điều chế theo kiểu biến tần ma trận; kiểm nghiệm khả nối tầng biến đổi DC-AC-AC thơng qua mơ hình nghịch lưu nối tầng bậc; kiểm nghiệm khả trao đổi công suất hai chiều biến đổi AC-DC-AC-AC pha bậc; Cuối mục Kết luận kiến nghị, đóng góp luận án hướng phát triển tiếp đề tài TỔNG QUAN 1.1 Vai trò biến đổi đa bậc việc kết nối nguồn phát phân tán với lưới điện Các biến đổi điện tử cơng suất đóng vai trị quan trọng, chúng thực nhiệm vụ biến đổi AC-DC, DC-DC, DC-AC đảm bảo hiệu suất cao khả làm việc tin cậy hệ thống Bộ biến đổi điện tử công suất phải quản lý chế độ hoạt động nguồn phân tán (chế độ nối lưới chế độ độc lập); quản lý lượng mà cụ thể trình thu phát cơng suất; đảm bảo khả tích hợp nhiều nguồn điện phân tán vào lưới Mỗi IGBT chịu điện áp tối đa khoảng 6,5 kV Như vậy, để dùng biến đổi nghịch lưu hai mức cho ứng dụng điện áp cao mắc nối tiếp van IGBT Tuy nhiên, vấn đề thách thức giải pháp điều khiển đồng thời van Bộ biến đổi đa bậc khâu biến đổi lượng điện lý tưởng cho kết nối nguồn lượng tái tạo với lưới điện, bao gồm hầu hết nguồn phân tán pin mặt trời, pin nhiên liệu, điện sức gió Các biến đổi đa bậc nguồn áp 1.2 Các biến đổi đa bậc nguồn áp 1.3 Các phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc Có ba phương pháp điều chế phổ biến cho biến đổi đa bậc: § Điều chế tần số § Điều chế theo sóng mang (carrier based PWM) § Điều chế vector không gian 1.4 Tổng quan phương pháp chuyển mạch biến tần ma trận khóa hai chiều 1.5 Các phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện cho biến đổi đa bậc Gồm hai nhóm phương pháp điều khiển phương pháp điều khiển tuyến tính phi tuyến 1.6 Tổng quan tình hình ứng dụng biến đổi đa bậc việc kết nối nguồn điện phân tán với lưới Do phát triển công nghệ bán dẫn đặc biệt công nghệ chế tạo IGBT, hàng loạt biến đổi đa bậc sử dụng ứng dụng mức trung cao áp Điển hệ thống lọc tích cực (AF), STATCOMs, DVRs UPFCs Hoặc hệ thống kết nối nguồn phân tán có chất khác biến đổi UNIFLEXPM (Universal Flexible Power Management system) kiếu AC-DCDC-AC AC-DC-AC-AC Khi lưới tổ chức dạng hình 1.23 Hình 1.23 Cấu trúc lưới điện phân tán sử dụng Uniflex-PM 1.6.1 Cấu trúc AC-DC-DC-AC 1.7 Định hướng nhiệm vụ nghiên cứu luận án 1.7.1 Định hướng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án biến đổi đa bậc nối tầng dùng để trao đổi công suất hai nguồn điện xoay chiều Bộ biến đổi đảm bảo khả trao đổi cơng suất tác dụng hai cổng đồng thời có khả tự thu phát công suất phản kháng cổng cách độc lập Luận án tập trung nghiên cứu biến đổi AC-DC-ACAC với khâu trung gian tần số cao Những nhiệm vụ nghiên cứu liệt kê tóm tắt mục 1.7.2 sau 1.7.2 Những nhiệm vụ cần giải luận án v Lựa chọn cấu trúc biến đổi: Cấu trúc biến đổi mà luận án lựa chọn xây dựng sở đa bậc nối tầng cầu chữ H phía cổng 1(thường dùng để nối với lưới), cổng có cấu trúc đa bậc nối tầng sở module DC5 AC-AC để ghép nối với nguồn phân, module DC-AC-AC lại điều chế thực chuyển mạch theo nguyên lý biến tần ma trận v Vấn đề điều chế: Với cấu trúc biến đổi mà luận án lựa chọn, vấn đề điều chế cần giải là: § Điều chế cho biến đổi đa bậc nối tầng hai cổng § Cân điện áp chiều trung gian § Điều chế biến đổi DC-AC-AC nối tầng đảm bảo trình chuyển mạch cách tin cậy khâu AC-AC theo nguyên lý biến tần ma trận v Vấn đề điều khiển: Luận án thiết kế điều khiển PI, PR, tựa thụ động thích nghi tựa thụ động nhằm đảm bảo q trình trao đổi cơng suất hai chiều biến đổi 1.7.3 Đóng góp luận án v Dự kiến luận án có số đóng góp sau: § Đề xuất thuật tốn đảm bảo cân điện áp tụ chiều trung gian § Đề xuất phương pháp điều chế cho DC-AC-AC với thuật toán chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận § Thiết kế thành công c ấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai chiều phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động tựa thụ động có khâu thích nghi tham số v Với kết nghiên cứu đó, dự kiến đem lại ý nghĩa mặt khoa học lẫn thực tiễn: § Ý nghĩa khoa học: đề xuất thuật toán cân điện áp tụ chiều trung gian , đảm bảo trình điều chế chuyển mạch an toàn khâu DC-AC-AC phương pháp điều chế phía sơ cấp máy biến áp tần số cao kết hợp thuật toán chuyển mạch kiểu biến tần ma trận phía thứ cấp Với cấu trúc điều khiển thích hợp, biến đổi hồn tồn đáp ứng u cầu trao đổi cơng suất hai chiều biến đổi § Ý nghĩa thực tiễn: kết nghiên cứu tiền đề cho việc tích hợp nguồn phát phân tán với lưới Việt Nam với mức cỡ trung áp công suất cỡ vài trăm kVA đến vài MVA Bộ biến đổi cổng AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao 2.1 Cấu trúc AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng Cấu trúc chi tiết AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng cho Hình 2.1 Bộ biến đổi cổng đảm nhiệm hai nhiệm vụ ổn định điện áp chiều trung gian pha, cân điện áp tụ chiều trung gian thu phát công suất phản kháng Q Bộ biến đổi cổng điều khiển q trình trao đổi cơng suất tác dụng P thu phát công suất phản kháng Q Bộ biến đổi cho phép trao đổi P Q cách độc lập cổng Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống AC-DC-ACAC đa bậc nối tầng 2.2 Phân tích biến đổi phía cổng Đối với nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng phương pháp điều chế sóng mang kiểu dịch pha phương pháp phù hợp Xét chức biến đổi, cổng có vai trị chỉnh lưu tích cực phía DC đóng vai trị phụ tải Vì mạch vịng điện áp có mạch vịng chung tác động lên giá tr ị trung bình điện áp DC nên tải khâu khác khơng có đảm bảo điện áp tụ DC Trong ứng dụng back-to-back sơ đồ nối tầng cân điện áp tụ DC yêu cầu bắt buộc, thách thức việc điều chế điều khiển biến đổi Nội dung cân điện áp tụ chiều trung gian trình bày mục 2.2.1 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng v Các phương pháp điều chế cho module cầu H v Phương pháp điều chế cho nghịch lưu 7bậc nối tầng cầu H Cj) hj-1 , hj+1 =0 (bypass Cj-1, Cj+1) h=-2 - hi-1 , hi+1 =0 (bypass Ci-1, Ci+1 ) hi =0 (bypass Ci ) hi-1, hi+1 = -1 (discharge Ci-1, C i+1 ) - hj = (bypass Cj ) hj-1, hj+1 = -1 (charge Cj1 ,Cj+1) - - h=3 Để kiểm chứng thuật toán cân điện áp tụ, tác giả xây dựng mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha bậc Các tụ chiều : Cdc1 = 5400 µF, C dc2 = 6000 µF, Cdc3 = 6600 µF Phụ tải: Rdc1 = 12 , Rdc2 = , Rdc3 = Udc,ref = 150 V 200 150 100 50 0 05 0.1 15 0.2 Time [s] 25 0.3 35 0.4 500 -500 0.2 22 24 26 28 0.3 Time [s ] 32 34 36 0.38 0.4 Hình 2.12 Chỉnh lưu tích cực sở NL đa bậc cầu H Kết MP cho thấy có chênh lệch giá trị C R điện áp tụ cân Điện áp đầu vào biến đổi có dạng bậc 2.3 Phân tích biến đổi cổng Bộ biến đổi cổng gồm pha, pha có module DC-AC-AC 2.3.1 Các nguyên lý điều chế mạch AC-AC 2.3.2 Điều chế PWM cho biến đổi DC-AC-AC với khâu AC-AC điều chế kiểu biến tần ma trận 10 Bộ DC-AC-AC điều chế theo phương pháp điều chế lưỡng cực điều chế đơn cực phương pháp điều chế đơn cực có chất lượng sóng hài tốt v Phương pháp dùng hai sóng mang v Phương pháp điều chế sử dụng hai sóng điều chế ngược pha Phương pháp điều chế đơn cực sử dụng sóng mang hai sóng điều chế cho Hình 2.19 Tín hiệu sóng mang xung cưa phát đồng với tín hiệu điều khiển van V1 V4 phía sơ cấp biến áp Hai tín hiệu sóng m(t) – m(t) ngược pha 180o , upwm+ upwm- đầu so sánh m(t) –m(t) với sóng mang.Vì tín hiệu u f có dạng xoay chiều biên độ ±1 nên xung mở van S1 tích uf*upwm+ lấy tích uf*upwm- xung mở van S4 Tín hiệu điều khiển van S3 Hình 2.19 Mẫu xung điều khiển PWM cho đảo van S 1, tín matrix converter dùng sóng điều chế hiệu điều khiển van S2 đảo van S4 2.3.3 Điều khiển chuyển mạch cho biến tần ma trận Sử dụng phương pháp chuyển mạch diễn theo bước, từ t1, t , t3 , đến t Chuyển mạch ngược lại từ S3 S1 theo bốn bước t 5, t6 , t 7, t8 theo trình tự hình 2.22 2.23 Mỗi bước trình chuyển mạch cần thời gian td , thời gian để van khố lại hồn tồn, td c 1ữ2 às i vi IGBT in ỏp uf l hồn tồn xác định được, việc chuyển mạch bước phía thứ cấp máy biến áp kết hợp với điều chế phía sơ cấp máy biến áp đóng góp luận án 11 Hình 2.22 Quá trình chuyển mạch van S S3 u f(t)>0 Hình 2.23 Quá trình chuyển mạch van S1 S3 uf(t)