Đang tải... (xem toàn văn)
Trong bài viết này, một bộ nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch hình-T 3 bậc hoạt động ở điều kiện bình thường và điều kiện sự cố khóa công suất (3L qSBT2 I-UFM) được trình bày. Cấu hình này được hình thành bởi hai mạng nguồn kháng đối xứng và bộ nghịch lưu hình T ba pha.
JOURNAL OF TECHNOLOGY EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 Improving Parameters of Controller for T-Type Inverter in Open-Circuit Fault of Power Switch Condition Do Duc Tri *, Truong Ngoc Anh Ho Chi Minh City University of Technology and Education, Vietnam * Do Duc Tri Email: tridd@hcmute.edu.vn ARTICLE INFO Received: 6/3/2022 Revised: 30/5/2022 Accepted: 6/7/2022 Published: 30/8/2022 KEYWORDS Multilevel inverter; Z Source; Quasi Switch Boost; T-Type inverter; High boost factor ABSTRACT In this paper, a three-level quasi-switched boost T-type inverter that operates in normal and power switch failure power switch conditions (3L qSBT 2IUFM) is presented This structure is formed by two symmetrical impedance networks and a three-level T-type inverter Besides the advantages of multilevel voltage source inverters (VSIs), the structure of the 3L qSBT 2IUFM is characterized by its switching capabilities When the open-circuit failure occurs in power switch, the reduction in output power will be compensated by the boost characteristic of the quasi-switched boost In addition, improving the control coefficient will help the system respond quickly to ensure output power quality The ability to operate under power switch fault conditions is demonstrated by experimental results under normal and fault conditions To verify the properties of this multi-level quasiswitched boost, an experimental model was also built to verify the experimental results Cải Tiến Thông Số Điều Khiển Cho Nghịch Lưu Hình T Trong Điều Kiện Sự Cố Hở Mạch Khóa Cơng Suất Đỗ Đức Trí *, Trương Ngọc Anh Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, Việt Nam * Đỗ Đức Trí Email: tridd@hcmute.edu.vn THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 6/3/2022 Ngày hoàn thiện: 30/5/2022 Ngày chấp nhận đăng: 6/7/2022 Ngày đăng: 30/8/2022 TỪ KHÓA Nghịch lưu đa bậc; Nguồn Z; Tăng áp tựa khóa chuyển mạch; Nghịch lưu hình T; Sự cố hở mạch TÓM TẮT Trong báo này, nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch hình-T bậc hoạt động điều kiện bình thường điều kiện cố khóa cơng suất (3L qSBT2I-UFM) trình bày Cấu hình hình thành hai mạng nguồn kháng đối xứng nghịch lưu hình T ba pha Bên cạnh lợi biến tần nguồn điện áp đa bậc, cấu hình 3L qSBT2I-UFM đặc trưng khả chuyển mạch linh kiện Khi cố hở mạch xảy khóa công suất, việc giảm công suất đầu bù đặc tính tăng áp mạng tăng áp tựa khóa chuyển mạch Ngồi ra, cải tiến hệ số điều khiển giúp hệ thống đáp ứng nhanh đảm bảo chất lượng công suất đầu Khả hoạt động điều kiện cố khóa cơng suất thể số kết thử nghiệm điều kiện bình thường cố Để kiểm chứng đặc tính mạng tăng áp tựa khóa chuyển mạch đa bậc này, mơ hình thử nghiệm xây dựng để kiểm chứng kết thử nghiệm Doi: https://doi.org/10.54644/jte.71B.2022.1149 This is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium for non-commercial purpose, provided the original work is properly cited Copyright © JTE Giới thiệu Với phát triển mạnh mẽ ứng dụng sử dụng lượng tái tạo, việc nghiên cứu nghịch lưu ngày trở nên quan trọng [1] Những ưu điểm nghịch lưu nguồn áp kể đến như: cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển, nghịch lưu hai bậc thông thường ứng dụng rộng rãi ứng dụng có cơng suất vừa nhỏ hệ thống quang điện [2], hệ thống điều khiển động AC JTE, Issue 71B, August 2022 74 JOURNAL OF TECHNOLOGY EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 [3] hệ thống điện phân phối [4] Tuy nhiên, chất lượng điện áp đầu thấp điện áp đặt phần tử cơng suất cịn cao hạn chế tồn cấu hình Để khắc phục nhược điểm nghịch lưu hai bậc truyền thống, cấu hình nguồn Z (Zs) [5] đề xuất Ngồi ra, cấu trúc cịn biết đến mạch chuyển đổi công suất có khả tăng - giảm áp chặng có khả chống lại tượng trùng dẫn Trong [6] giới thiệu nghịch lưu hình T đa bậc kết hợp với nguồn Z Tuy nhiên, nghịch lưu nguồn Z tồn số bất lợi như: dòng điện đầu vào gián đoạn điện áp đặt tụ lớn Với mong muốn cải thiện hạn chế mạng nguồn Z, mạng nghịch lưu tựa nguồn Z (qZSI) đề xuất [7], [8] để thay cho mạng nghịch lưu nguồn Z Trong nghiên cứu [7] giới thiệu mạng nghịch lưu bậc tựa nguồn Z kết hợp với cấu hình nghịch lưu hình T hoạt động chế độ bình thường cố Khi cố xảy ra, nhánh dự phòng thêm vào để thay khóa bị cố Tuy nhiên, việc thêm nhánh dự phòng làm tăng kích thước, trọng lượng Trong cơng bố [8] nghịch lưu bậc tựa nguồn Z kết hợp với cấu hình nghịch lưu hình T hoạt động chế độ bình thường cố Khi cố xảy ra, giải thuật điều chế thực Tuy nhiên giải thuật làm gia tăng điện áp mà điều làm tăng điện áp đặt khóa cơng suất Để cải thiện số lượng thành phần thụ động trì ưu điểm mạng nguồn Z, mạng nguồn kháng tựa khóa chuyển mạch giới thiệu [9] Trong báo cáo [9] đề xuất giải thuật giảm độ gợn dòng điện cuộn dây tăng áp, số điều chế độ lợi cao Tài liệu [10] cải tiến hệ số tăng áp mà cịn trì thuật lợi tài liệu [9] Để triệt tiêu điện áp common mode mà giữ thuận lợi [9], tài liệu [11] đề xuất Báo cáo [11] hoạt động điều kiện bình thường điều kiện cố lỗi khóa cơng suất mà giữ thuận lợi [10], tài liệu [12] trình bày Trong tài liệu [12] trình bày khả hoạt động điều kiện bình thường cố hở mạch khóa cơng suất mà khơng thêm phần tử công suất Trong báo này, kỹ thuật cải thiện thông số điều khiển nhằm mục đích ổn định điện áp đầu hệ thống hoạt động điều kiện bình thường cố hở mạch khóa cơng suất mà giữ thuận lợi nghiên cứu [9] Trạng thái ổn định, nguyên lý hoạt động giải thuật điều khiển phân tích kiểm chứng thơng qua mơ hình thử nghiệm Cấu hình nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch hình T ba bậc T1 D1 C1 D2 VC1 LB iB Vg O D3 T2 S1a S2a S1b S1c Lf A S2b VC2 C2 D4 iB RB B S2c iC RC C S3a S3b iA RA S3c G Cf (a) T1 D1 C1 D2 VC1 LB iB Vg O D3 T2 S1a S2a S1b Lf A S2b VC2 C2 D4 S1c S3a i B RB B S2c iC RC C S3b i A RA S3c G Cf (b) Hình Trạng thái hoạt động nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch hoạt động điều kiện điều kiện cố khóa cơng suất (a) lỗi hở mạch khóa S 1a khóa S3a, (b) lỗi hở mạch S2a JTE, Issue 71B, August 2022 75 JOURNAL OF TECHNOLOGY EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 Bộ nghịch lưu gồm mạch nguồn qSB đối xứng mạch nghịch lưu hình T pha bậc Mỗi nhánh mạch nghịch lưu gồm IGBT Hình Nếu cố hở mạch xảy khóa S1a S3a Hình 1(a), điện áp đầu pha A không cung cấp điện áp +VC -VC, dẫn đến dòng điện đầu đối xứng Để trì điện áp đầu ra, khóa S2a kích đóng S1a S3a kích ngắt Nếu cố hở mạch xảy khóa S2a Hình 1(b), điện áp đầu pha A khơng kết nối với điểm mạng nguồn kháng Để giải vấn đề này, khóa S1a S3a điều khiển hoạt động chế độ hai bậc, pha B pha C trì điện áp đầu chế độ ba bậc 2.1 Nguyên lý hoạt động Bộ nghịch lưu gồm mạch nguồn qSB đối xứng mạch nghịch lưu hình T pha bậc Mỗi nhánh mạch nghịch lưu gồm IGBT Hình Bảng Trạng thái đóng-ngắt nghịch lưu Điều kiện lỗi pha A Kích đóng khóa S Phân cực thuận khóa D VBO VCO T1 D2, D3, D4 +VC, -VC T2 D1, D2, D3 +VC, -VC T1, T2 D2, D3 +VC, -VC S1b, S1c D1, D2, D3, D4 +VC S2b, S2c S3b, S3c -VC S1b, S1c, S2b, S2c, S3b, S3c D1, D4 2.1.1 Trạng thái không ngắn mạch (NST) Trong trạng thái không ngắn mạch 1, khóa T1 kích đóng, khóa T2 bị kích ngắt, diode D2, D3, D4 phân cực thuận D1 phân cực ngược Tụ điện C2 nạp cuộn dây tăng áp LB tụ điện C1 không nạp Điện áp cuộn dây tăng áp biểu diễn sau: ìï dvC ïï C1 = - I PN di (1) LB B = Vg - VC ; ïí dt ïï dvC dt = I L - I PN , ïï C2 ïỵ dt Trong trạng thái khơng ngắn mạch 2, khóa T2 kích đóng, khóa T1 bị kích ngắt, diode D1, D2, D3 phân cực thuận D4 phân cực ngược Tụ điện C1 nạp cuộn dây tăng áp LB tụ điện C2 không nạp Điện áp cuộn dây tăng áp biểu diễn sau: ìï dvC ïï C1 = - I PN di ï (2) LB B = Vg - VC1 ; í dt ïï dvC dt = I L - I PN , ïï C2 ïỵ dt Trong trạng thái khơng ngắn mạch 3, khóa T1 T2 kích đóng, diode D2, D3 phân cực thuận D1 D4 phân cực ngược cuộn dây tăng áp LB nạp tụ điện C1 C2 không nạp Điện áp cuộn dây tăng áp biểu diễn sau: di dv dv (3) LB B = Vg ; C1 C = C2 C = - I PN dt dt dt JTE, Issue 71B, August 2022 76 JOURNAL OF TECHNOLOGY EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 Trong trạng thái không ngắn mạch 4, khóa T1 T2 bị kích ngắt, diode D1, D2, D3, D4 phân cực thuận Tụ điện C1 C2 nạp lượng từ nguồn đầu vào cuộn dây tăng áp LB Điện áp cuộn dây tăng áp biểu diễn sau: di dv dv (4) LB B = Vg - VC1 - VC ; C1 C = C2 C = I L - I PN dt dt dt 2.1.2 Trạng thái ngắn mạch Trong trạng thái ngắn mạch, tất khóa cơng suất bên phía nghịch lưu hình T kích đóng T1 T2 bên phía mạng nguồn kháng bị kích ngắt, diode D2, D4 phân cực thuận, D1 D3 phân cực ngược Tụ điện C1 C2 không truyền lượng đến đầu Điện áp cuộn dây tăng áp biểu diễn sau: di dv dv (5) LB B = Vg ; C1 C = C2 C = dt dt dt 2.2 Phương pháp điều khiển 2.2.1 Dạng sóng tín hiệu điều khiển cố hở mạch khóa cơng suất Vcon1 Vcon2 -1 S1b S2b S3b S1c S2c S3c T1 T2 T vb vc T/4 vcar1 vcar2 VSH t -VSH t t t t t t t D0T/2 dT/2 dT/2 D0T/2 = Trạng thái ngắn mạch t Hình Phương pháp điều khiển cho nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch hoạt động điều kiện điều kiện cố khóa cơng suất Khi xảy cố hở mạch khóa S1a khóa S3a, giải thuật điều chế thực cách điều chế lại tín hiệu tham chiếu pha B pha C, tín hiệu tham chiếu tạo tín hiệu điều khiển cho khóa pha B S1b, S2b S3b pha C S1c, S2c S3c trình bày Hình Tín hiệu điều khiển cho khóa pha B (S1b, S2b S3b) tạo cách so sánh tín hiệu tham chiếu ±Vsinb với tín hiệu sóng mang có tần số cao Vcar1 Tín hiệu điều khiển cho khóa pha C (S1c, S2c S3c) tạo cách so sánh tín hiệu tham chiếu ±Vsinc với tín hiệu sóng mang có tần số cao Vcar1 Để điều khiển cho hai khóa mạng nguồn kháng T1 T2, hai số ±VSH so sánh với tín hiệu sóng mang có tần số cao Vcar2 2.2.2 Giải pháp điều khiển cho hệ thống xảy cố hở mạch Khi xảy cố hở mạch khóa S1a khóa S3a, chuyển đổi hoạt động điện áp đầu hai bậc tái cấu trúc điều chế, điều làm cho đầu giảm √3 lần so với trạng thái hoạt động bình thường Để bù điện áp đầu hệ thống phải gia tăng tỷ số điều chế hay tỷ số đóng trình bày phương trình (7) JTE, Issue 71B, August 2022 77 JOURNAL OF TECHNOLOGY EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 2.3 Phân tích trạng thái ổn định khóa cơng suất bị cố hở mạch Hình khoảng thời gian không ngắn mạch không ngắn mạch xác định (d– D0)·T/2 Khoảng thời gian ngắn mạch không ngắn mạch xác định (D0·T) khoảng thời gian không ngắn mạch xác định (1 – D0 – d)·T Áp dụng nguyên lý cân điện áp cuộn dây, dòng điện tụ điện C1 C2 xác định: ìï Vg ïï VC = VC1 = VC = ïï - 3D0 - d (6) í ïï 2(1- D0 ) I PN ïï I L = - 3D0 - d ïỵ Trong Vg điện áp DC đầu vào, D0 tỷ số đóng bên phía nghịch lưu hình T, d tỷ số đóng bên phía mạng nguồn kháng Điện áp pha đầu đỉnh xác định: M VPN M vx M VC V (7) 2 3D0 d g Hệ số tăng áp xác định: V 2V B PN C (8) Vg Vg 3D0 d Độ lợi điện áp xác định: vx (9) Vdc / Mối quan hệ số điều chế tỷ số đóng bên phía mạng nguồn kháng, tỷ số đóng bên phía nghịch lưu hình T định nghĩa sau: G 0 M M D0 D d (10) 2.4 Phân tích thành phần ký sinh trạng thái khơng ngắn mạch Trong báo này, nhóm nghiên cứu trình bày chọn d=0.7 cho lưu đồ Hình mà báo [12] chưa trình bày Hệ số tăng áp báo xem xét tỷ số đóng D0 (tỷ số đóng cho khóa nghịch lưu hình T) d (tỷ số đóng cho hai khóa mạng nguồn kháng) số điều chế M chọn lớn Để xác định giá trị tối ưu hai thông số D0 d mà lưu đồ giải thuật cải tiến thông số điều khiển phần sử dụng Trong giải pháp này, giá trị d phải giới hạn hoạt động trạng thái không ngắn mạch để cải tiến hiệu suất Vì vậy, việc phân tích mạch tương đương với tồn thành phần ký sinh trạng thái không ngắn mạch trình bày Phân tích mạch DC báo thực theo số giả định sau: Bộ nghịch lưu hoạt động điều kiện dẫn liên tục Điện trở ký sinh cuộn dây tăng áp, điện trở ký sinh tụ điện cuộn dây ký sinh điện trở tải định nghĩa là: rLb, rC rLt Điện trở tất khố cơng suất tích cực là: rT, điện trở tất khóa cơng suất Diode là: rD Tần số chuyển mạch lớn tần số điện áp xoay chiều đầu Trạng thái ngắn mạch bị vô hiệu (D0=0) Mạch tương đương nghịch lưu xét đến thành phần ký sinh trình bày Hình Trạng thái không ngắn mạch trạng thái không ngắn mạch [Hình 3(a) 3(b), khoảng thời gian xem xét d.T], điện áp cuộn dây tăng áp điện áp cuộn dây tải xác định theo sau: JTE, Issue 71B, August 2022 78 JOURNAL OF TECHNOLOGY EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 VLb Vg VC rL rD rT I L 2rD rC I L I PN (11) VLt 2VC Rt rC I PN 2rD rC I L I PN Trạng thái khơng ngắn mạch [Hình 3(c), khoảng thời gian xem xét (1-d).T], điện áp cuộn dây tăng áp điện áp cuộn dây tải xác định theo sau: VLb Vg 2VC rL 2rD I L rD rC I L I PN VLt 2VC Rt I PN rD rC I L I PN IL rL Lb rT IPN rC IL rL Lb rC VC Rt rD rD Vg IPN rC VC rD (a) Lt IL rL Lb Rt rD rD rC VC Vg rD (12) IL-IPN VC IPN Rt rD Vg rD rC VC Lt rD rT rC VC Lt rD (b) (c) Hình Sơ đồ mạch tương đương với thành phần ký sinh tương ứng trạng thái hoạt động không ngắn mạch nghịch lưu (a) T1 đóng, T2 ngắt, (b) T1 ngắt, T2 đóng (c) T1, T2 ngắt Từ phương trình (11) VLb=0 phương trình (11) viết lại: Vg VC d I L rLb rD d rT d rC d I PN 2rD rC d Từ phương trình (12) VLt=0 phương trình (12) viết lại: (13) (14) 2VC I L 2rD rC d I PN Rt 2rD 2rC Thế D0=0 vào phương trình (6) dịng điện cuộn dây tăng áp tính: (15) IL = I PN 2- d Thay phương trình (14) vào phương trình (13), phương trình (13) viết lại: R (2 - d )- 2rD d (16) VC = t I PN - 2d Dòng điện cuộn dây tăng áp dòng điện DC-link xác định: VC (4 - 2d ) 4VC (17) IL = ; I PN = Rt (2 - d )- 2rD d Rt (2 - d )- 2rDd Thay phương trình (17) vào phương trình (13) điện áp tụ điện xác định trường hợp xét đến thành phần ký sinh: Vg éëRt (2 - d )- 2rD d ùû VC = (18) éRt (2 - d )- 2rD d ù(2 - d )+ érLb + rD (4 - d )+ rT d + rC (2 - d )ù- é2rD + rC (2 - d )( ù 2- d) ë û ë û ë û Hệ số tăng áp xác định trường hợp xét đến thành phần ký sinh: 2Vg éëRt (2 - d )- 2rD d ùû B= ù - d )} Vg {éëRt (2 - d )- 2rD d ùû(2 - d )+ éërLb + rD (4 - d )+ rT d + rC (2 - d )ùû- éë2rD + rC (2 - d )( û (19) Hệ số tăng áp nghịch lưu so với chu kỳ đóng d D0=0 trình bày Hình 4(a) Đường số (1) màu xanh dương trình bày Hình 4(a) trường hợp lý tưởng với rT=rC=rD=0 Trong đó, đường số (2) màu nâu đường số (3) màu cian trường hợp điện trở ký sinh 35Ω Giá JTE, Issue 71B, August 2022 79 JOURNAL OF TECHNOLOGY EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 trị điện trở ký sinh sử dụng thử nghiệm là: rT=0.8, rLb=rC=1.5, rD=78mΩ Để lựa chọn tỷ số đóng d Hình 4(b) nhóm tác giả khảo sát đường cong biểu diễn tỷ số đóng so với hệ số tăng áp có xem xét đến thành phần ký sinh phần tử công suất Đường số (1) đại diện cho giá trị lý tưởng (không xét thành phần ký sinh), đường số (2) đại diện cho tỷ số rs/R=0.001, đường số (3) đại diện cho tỷ số rs/R=0.002, đường màu đen đại diện cho q trình thử nghiệm Từ bốn đường thấy rằng, đường cong trùng giá trị tuyến tính d=0.7, điều dễ dàng cho việc điều khiển, giá trị lớn 0.7 đường cong phi tuyến, điều khó khăn trình điều khiển Do vậy, để điều khiển xác d chọn từ 0‒0.7 Ưu điểm giải thuật tỷ số đóng d lựa chọn cho có giá trị lớn để đạt độ lợi điện áp cao xảy cố hở mạch khóa cơng suất Đó sở để lựa chọn d=0.7 lưu đồ Hình 4(b) Bắt đầu Vg, Vx, d = 0, D0 = 0, M = N G1F = 2√3Vx/Vg G1N = 2Vx/Vg G2 = 2M/(2– D0–d) 10 (1) Trường hợp lý tưởng Hệ số tăng áp (B) Sự cố = ? Y (1) (2) Trường hợp có thành phần ký sinh (rs/R=0.001) (3) Trường hợp có thành phần ký sinh (rs/R=0.002) ( ) Trường hợp thực nghiệm G2