brief_774_9255_9_126

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 – ỨNG DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI PWM TRONG ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT GIỮA CÁC NGUỒN ĐIỆN CỤC BỘ Ngơ Đức Minh – (Trường Đại học KTCN - ĐH Thái Nguyên) Đặt vấn đề Việc nghiên cứu biến đổi PWM nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu mạnh khoảng mươi năm trở lại thể nhiều ưu điểm vượt trội: khả truyền lượng theo hai hướng với cosϕ điều khiển được, dung lượng sóng hài thấp Trong tình hình thiếu hụt lượng nay, nhiều nguồn điện cục huy động tích cực để bổ sung cơng suất cho lưới Vì vận hành khai thác công suất từ nguồn điện cục bộ, tính khơng ổn định, tần số cơng suất phát nhà máy phụ thuộc nhiều yếu tố khách quan, chế độ gió (phong điện); chế độ thuỷ văn (thuỷ điện nhỏ) cần điều tiết lượng công suất phát từ nhà máy vào lưới thoả mãn yêu cầu kỹ thuật, kể trường hợp điều tiết mang tính thương mại (phân chia công suất P, Q bán cho nhà máy điện) Nghiên cứu tính đặc biệt biến đổi PWM, đưa ứng dụng để thực ý tưởng P1 F1 Q1 P2 F2 t¶i BBĐ1 BBĐ2 tải tải tải Q2 Hình Sơ đồ lưới có nhận điện từ 02 nguồn điện cục Trên sơ đồ hình : - lưới cấp điện cho phụ tải ; ; ; - máy phát F1 cấp cho lưới lượng P1 Q1 ; điều chỉnh khác; - máy phát F2 cấp cho lưới lượng P2 Q2 = ; điều chỉnh khác Nội dung báo tác giả muốn thực là: - Giả thiết lưới ( phụ tải: tải1 , tải2 , tải3 ) cần lượng cơng suất tính tốn là: P(kW) Q(kVAr) - Bộ biến đổi PWM1 nối với nguồn F1 , điều khiển cấp cho lưới P1 Q1 - Bộ biến đổi PWM2 nối với nguồn F2 , điều khiển cấp cho lưới P2 Q2 Yêu cầu điều khiển là: thay đổi giá trị: P1 , P2 , Q1 , Q2 theo ý nuốn ( trí đại lượng = ) đảm bảo điều kiện: P1 + P2 = P Q1 + Q2 = Q 50 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 – Để thực ý tưởng điều khiển ta xây dựng sơ đồ cấu trúc hình Hình Sơ đồ điều chỉnh cơng suất từ nguồn đến hộ phụ tải sử dụng biến tần dùng PWM Mơ tả tốn học cấu trúc điều khiển cấu trúc sơ đồ thể hình Trước vào vấn đề điều khiển, ta nhắc lại mơ tả tốn học quen thuộc cho khối: chỉnh lưu, nghịch lưu, điều khiển biến tần đưa thuật toán điều khiển tương ứng 2.1 Mơ tả tốn học chỉnh lưu phương pháp điều khiển Phương trình cân điện áp chỉnh lưu mô tả sau: u L = u I + uS u L = Ri L + di L dt L + uS (1) (2) u a  i a  i a   u Sa   u  = R  i  + L d i  +  u  b Sb  b  b dt      u c  i c  i c   u Sc  (3) du dc = Sa i a + Sbi b + Sc i c − i dc dt (4) Ngồi dịng điện: C 51 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 n nay, ó cú rt nhiu phng pháp điều khiển chỉnh lưu PWM như: VOC, DPC, VFVOC, VFDPC để đạt mục tiêu điều khiển thành phần công suất phát vào lưới từ nguồn cục bộ, tác giả đưa phương pháp điều khiển DPC (điều khiển trực tiếp công suất) Sơ đồ nguyờn lý c mụ t trờn hỡnh qđặt pđặt q - p PI Chọn sector Khâu đo dòng ớc lợng điện áp từ thông ảo công suất tøc thêi ia Ua Ub Uc ib Sa Sb dq Bảng đóng cắt dp UDC UDCđặ t Sc Sa Sb Sc ia ib UDC ic L PWM Hình Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu điều khiển theo phương pháp DPC Vùng vị trí vector hiệu điện từ thông chia thành 12 sector sector biểu diễn dạng số sau: π π (n − 2) ≤ γ n < (n − 1) với n=1,2 12 6 Hình Chọn sector cho phương pháp điều khiển DPC Sau xác định vị trí từ thơng ảo thuộc sector nào, ta lựa chọn trạng thái đóng cắt tối ưu cho van mạch cầu chỉnh lưu nhờ vào bng chuyn mch: 52 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 Bng 1: Bng chuyn mạch cho 12 sector dùng cho phương pháp điều khiển DPC dp dq 1 Sector 101 110 101 100 Sector 101 111 100 110 Sector 100 010 100 110 Sector 100 000 110 010 Sector 110 011 110 010 Sector 110 111 010 011 Sector 010 001 010 011 Sector 010 000 011 001 Sector 011 101 011 001 Sector 10 011 111 001 101 Sector 11 001 100 001 101 Sector 12 001 000 101 100 2.2 Mơ tả tốn học nghịch lưu: Bộ nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp chiều thành xoay chiều ba pha thay đổi số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt van IGBT Điện áp đầu cực mạch nghịch lưu biểu diễn bằng: S S u1 = Sw U dc nên ta có : (5) u1A = SwA U dC  u1B = SwB U dC u = S U wC dC  1C (6) Tổ hợp trạng thái đóng ngắt mạch nghịch lưu pha ta vec tơ điện áp, có hai điện áp vec tơ không U0 U7 u =Sw U dc (7) Trong Sw0 thành phần thứ tự khơng hàm đóng ngắt Sw : Sw = (Sw A +Sw B +Sw C ) (8) Thành phần điện áp thứ tự không thông thường bỏ qua hệ thống lưới điện pha dây khơng có đường dẫn cho dịng điện thứ tự khơng, nên điện áp thứ tự khơng khơng tạo dịng điện Tuy nhiên trường hợp có hai nghịch lưu nối song song với điểm nối trực tiếp phía xoay chiều chiều gây dịng điện thứ tự khơng chạy vịng xuất đường dẫn cho Khi ta khơng thể bỏ qua dịng điện thứ tự khơng Sơ đồ ngun lý điều khiển nghịch lưu mơ tả hình Bộ tạo trễ Uđk Bộ lọc LC Mạch điều chế xung đóng cắt Đo lờng Điều chỉnh điện áp Điện áp đặt Tải Hỡnh S nguyờn lý điều khiển nghịch lưu 53 T¹p chÝ Khoa häc & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 iu chỉnh công suất từ nguồn Để điều chỉnh công suất qua biến đổi PWM ta thực số phương pháp sau: thay đổi giá trị cuộn cảm đầu vào chỉnh lưu; thay đổi thông số luật điều khiển 3.1 Phương pháp 1: thay đổi giá trị cuộn cảm đầu vào Thật ta có cơng thức biểu quan hệ cơng suất tác dụng chỉnh lưu với giá trị điện cảm L sau: dP L + R.P = Φ.∆u cq (9) dt Trong đó: L, R: giá trị điện cảm, điện trở đầu vào chỉnh lưu PWM Φ: vectơ từ thơng ảo phía lưới ∆ucq: điện áp đầu điều chỉnh dòng: ∆u Cq = Kp(i*Cq − i Cq ) + K I ∫ (i*Cq − i Cq ).dt P: công suất tác dụng Khi mô phỏng, ta lý tưởng hoá bỏ qua giá trị điện trở R, nên phương trình (9) trở thành: dP L = Φ.∆u cq dt Φ∆u cq ⇒P= dt (10) L ∫ Quan sát (10) ta thấy giá trị điện cảm L lớn cơng suất tác dụng P giảm Tuy nhiên, nội dung báo không ứng dụng điều khiển theo hướng 3.2 Phương pháp 2: thay đổi thơng số luật điều khiển Cơng suất phía luới thay đổi độ rộng xung đóng cắt thay đổi, bám theo nguyên tắc ta nghiên cứu cơng thức tốn học mơ tả quan hệ cơng suất trạng thái đóng cắt nhánh van để từ làm sở thiết kế mạch vịng điều chỉnh cơng suất phát từ nguồn cục phụ tải tiêu thụ yêu cầu Công suất tác dụng nguồn phát qua biến đổi : p = Re{[u a ia + u b i b + u c ic } di di di       p = Re{  R.ia + L a + u sa  ia +  R.i b + L b + u sb  i b +  R.ic + L c + u sc  ic } dt dt dt       di di di       = Re{  R.ia2 + L.ia a + fa Udc ia  +  R.i b2 + L.i b b + f b Udc i b  +  R.ic2 + L.ic c + fc Udc ic  } dt dt dt       Khi biến tần làm việc xác lập xem khơng có biến thiên dịng điện di nên = , ta có: p = Re{ R.i a2 + f a U dc i a + R.i 2b + f b U dc i b + R.i c2 + f c U dc i c } dt ( 54 ) ( ) ( ) Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 = Re{R.I (1 + e j240 + e j240 ) + U dc I ( (2.s wa − (s wb + s wc ) ) + ( 2s wb − (s wa + s wc ) e− j120 +(2s wc − (s wa + s wb )e j120  } = A + B.f (s wa ,s wb ,s wc ) Công suất phản kháng nguồn phát qua biến đổi : Tương tự ta có: q = Im{[u a ia + u b ib + u c ic } = C + D.f (s wa ,s wb ,s wc ) Tuy nhiên, trọng tâm báo ứng dụng phương pháp thứ (11a) (11b) Kết mơ Trên hình : mô điện áp đầu biến tần có dạng hình sin Hình Điện áp đầu biến tần ứng với thời gian đóng cắt tdc = 10-6s P1 P2 Hình Cơng suất tác dụng lưới nhận thay đổi độ rộng xung 55 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/Năm 2007 – Q2 Q1 Hình Cơng suất phản kháng lưới nhận thay đổi độ rộng xung Trên hình hình 8: cho thấy thay đổi thông số luật điều khiển ta điều chỉnh lượng công suất tác dụng công suất phản kháng từ nguồn cục đáp ứng cho lưới yêu cầu Điều với mơ hình tốn học (11a),(11b) Kết luận Kết mô theo Matlab, Simulink phần mềm Plecs, hồn tồn chứng tỏ điều khiển lượng công suất P; Q phát từ nguồn điện cục cung cấp cho tải Tóm tắt Bài báo giới thiệu ưu điểm vượt trội biến đổi đại PWM khả truyền thành phần công suất theo hai hướng, có điều chỉnh hệ số cosϕ theo mong muốn, tác giả ứng dụng vào điều khiển công suất nguồn điện cục cung cấp lượng cho lưới điện chung Summary This article introduces once of the salient strongpoints of modern converter PWM (pulse-width modulations) that capacity transmistion elements power to two direction, to adjust coefficient of cosϕ as desire It is appied to control power between local souces to supply for general gird by author Tài liệu tham khảo [1] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất.Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2007 [2] Abhijit D Pathak MOSFET/IGBT Driver Theory and Applications Ixys Application Note AN0002, 2001 [3] Nguyễn Phùng Quang Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha Nhà xuất Giáo dục 1998 [4] Tạp chí tự động hoá ngày nay-Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động năm 2006 năm 2007 [5] Đại học Bách Khoa Hà Nội Hội nghị khoa học lần thứ 20 năm 2006 56