Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ba bậc t npc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ VĂN MINH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CHO NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2023 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên Cán chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Chấn Việt Cán chấm nhận xét 2: TS Văn Tấn Lượng Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày 04 tháng 02 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Phan Quốc Dũng - Chủ tịch Hội đồng TS Trương Phước Hòa - Thư ký Hội đồng TS Nguyễn Chấn Việt - Cán Phản biện TS Văn Tấn Lượng - Cán Phản biện PGS.TS Nguyễn Thanh Phương - Ủy viên Hội đồng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ VĂN MINH MSHV: 2170137 Ngày, tháng, năm sinh: 11/04/1998 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 8520201 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CHO NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC PULSE WIDTH MODULATION FOR THREE PHASE THREE LEVEL INVERTER II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu phân tích hoạt động nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC Tìm hiểu phương pháp điều chế độ rộng xung giải thuật điều khiển cho nghịch lưu nối lưới ba pha ba bậc T-NPC Thực mô nghịch lưu nối lưới ba bậc T-NPC phần mềm PLECS Xây dựng mơ hình thực nghiệm, tiến hành thực nghiệm phân tích kết nghịch lưu nối lưới ba pha ba bậc T-NPC III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên Tp HCM, ngày 01 tháng 10 năm 2022 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy Nguyễn Đình Tuyên, cảm ơn thầy dìu dắt em đến với điện tử cơng suất từ ngày đầu đến thực luận văn thạc sĩ này, bộn bề công việc, thầy dành thời gian tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em Cảm ơn thầy có định hướng quý giá giúp em thực luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tiến sĩ Phạm Minh Đức – giảng viên trẻ nhiệt huyết, truyền đạt kinh nghiệm thực chiến giúp em thực hóa mục tiêu đặt trình thực nghiệm luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy quản lý Phịng thí nghiệm điện tử cơng suất Pelab 115B1 tạo điều kiện thuận lợi, cho phép em sử dụng trang thiết bị phịng thí nghiệm nhằm hồn thành thực nghiệm luận văn tốt nghiệp Xin khắc ghi tình cảm thân thiết, hỗ trợ nhiệt tình, ln sẵn lòng giúp đỡ anh, em, bạn bè Pelab 115B1 Cuối xin cảm ơn gia đình sát cánh bên từ lúc chập chững, động viên, tin tưởng con, giúp vững niềm tin vượt qua ngưỡng cửa đời Tp.Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2022 Học viên Võ Văn Minh ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) kỹ thuật điều chế độ rộng xung hình sine (SPWM), kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) đề xuất kỹ thuật điều chế vector không gian dạng tổng quát (GNPWM), ứng dụng nghịch lưu T-NPC nối lưới Lý thuyết kiểm chứng thông qua mô thực nghiệm Luận văn gồm chương : - Chương 1: Tổng quan đề tài - Chương 2: Nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC - Chương 3: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC - Chương 4: Điều khiển nối lưới - Chương 5: Mô nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC - Chương 6: Thực nghiệm nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC - Chương : Kết luận iii ABSTRACT This thesis presents research on Pulse width modulations such as Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM), Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) and proposed Genneral Nearset three Space Vector Pulse Width Modulation (GNPWM) Theories is verified through simulation and experiment This thesis include chapter : - Chapter 1: Overview - Chapter 2: Three phase three level T-NPC inverter - Chapter 3: Pulse width modulations for three phase three level T-NPC inverter - Chapter 4: Grid connected control - Chapter 5: Simulation of three phase three level T-NPC inverter - Chapter 6: Implementation of three phase three level T-NPC inverter - Chapter 7: Conclusion iv LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận nêu luận văn trung thực không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo yêu cầu Tác giả luận văn Võ Văn Minh v MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Phạm vi phương pháp thực CHƯƠNG NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC 2.1 Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC (3L-TNPC) 2.2 Nguyên lý hoạt động nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC 2.2.1 Trạng thái đóng ngắt 2.2.2 Sự chuyển mạch 2.3 Điện áp Common mode 10 2.4 Dịng qua điểm trung tính (Neutral point current) 11 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CHO NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC 13 3.1 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung hình sine (SPWM) 13 3.2 Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) 16 3.3 Kỹ thuật điều chế vector không gian dạng tổng quát (GNPWM) 29 CHƯƠNG 4.1 ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI 37 Vịng khóa pha 37 4.1.1 Vịng khóa pha dựa hệ quy chiếu đồng (SRF-PLL) 39 4.1.2 PLL) Vịng khóa pha dựa hai tích phân tổng quát bậc hai (DSOGI 40 4.2 Điều khiển dòng điện, điện áp 46 CHƯƠNG 5.1 MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC 49 Phương pháp mô 49 vi 5.2 Mơ hình thơng số mơ 50 5.3 Kết mô 53 5.3.1 Mô DSOGI-PLL 53 5.3.2 Mơ điều khiển vịng hở - tải trở 55 5.3.3 Mô điều khiển vịng kín - nối lưới 57 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC 61 6.1 Mơ hình thơng số thực nghiệm 61 6.2 Kết thực nghiệm 73 6.2.1 Thực nghiệm điều khiển vòng hở - tải trở 73 6.2.2 Thực nghiệm điều khiển vịng kín - nối lưới 76 CHƯƠNG KẾT LUẬN 80 7.1 Kết luận 80 7.2 Hướng phát triển 80 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 81 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 84 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Vị trí nghịch lưu hệ thống lượng tái tạo Hình 2.1 Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC (3L-TNPC) Hình 2.2 Trạng thái chuyển mạch P sang O dòng điện dương Hình 2.3 Trạng thái chuyển mạch P sang O dòng điện âm Hình 2.4 Trạng thái chuyển mạch O sang P dịng điện dương Hình 2.5 Trạng thái chuyển mạch O sang P dòng điện âm Hình 2.6 Trạng thái chuyển mạch N sang O dòng điện dương Hình 2.7 Trạng thái chuyển mạch N sang O dòng điện âm Hình 2.8 Trạng thái chuyển mạch O sang N dòng điện dương Hình 2.9 Trạng thái chuyển mạch O sang N dòng điện âm Hình 2.10 Giản đồ vector khơng gian với vector trạng thái triệt tiêu điện áp CMV 11 Hình 3.1 Bộ so sánh tạo xung đóng ngắt cho khóa cơng suất 13 Hình 3.2 Phạm vi điều chế SPWM 14 Hình 3.3 Sóng mang nghịch pha (a) pha (b) 15 Hình 3.4 Kỹ thuật điều chế spwm với sóng mang pha 15 Hình 3.5 Giản đồ vector không gian ba bậc 17 Hình 3.6 Xác định vị trí vector tham chiếu tam giác (region) thuộc sector I 19 Hình 3.7 Sector I tam giác 20 Hình 3.8 Trình tự chuyển mạch tam giác 24 Hình 3.9 Trình tự chuyển mạch tam giác 25 Hình 3.10 Trình tự chuyển mạch tam giác 25 Hình 3.11 Trình tự chuyển mạch tam giác 26 viii Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên Hình 6.12 Mạch đo điện áp DC bus Hình 6.13 Sơ đồ kết nối mơ hình thực nghiệm 70 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên  Các thành phần hệ thực nghiệm bao gồm:  Nguồn chiều cách ly: 400VDC – 3kW  Nguồn phụ: 15VDC, cấp nguồn cho mạch điều khiển mạch lái  Máy đo sóng (Oscilloscope) probe cách ly đo dạng sóng dịng áp  Máy tính dùng để nhúng chương trình lên mạch điều khiển thực sửa lỗi trực tiếp  Bộ nghịch lưu T-NPC  Biến áp: 10kVA Hình 6.14 Bố trí thực nghiệm 71 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên  Lưu đồ code Hình 6.15 Lưu đồ code 72 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên 6.2 Kết thực nghiệm 6.2.1 Thực nghiệm điều khiển vòng hở - tải trở Hình 6.16 Xung điều khiển khóa T1 T3, có dead time Hình 6.17 Kỹ thuật SPWM: Điện áp dây vAB trước sau lọc, tỷ số biên độ 0.35 (hình a), 0.5 (hình b), 0.65 (hình c) 73 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên Hình 6.18 Kỹ thuật CNPWM: Điện áp dây vAB trước sau lọc, tỷ số biên độ 0.35 (hình a), 0.57 (hình b), 0.65 (hình c) Hình 6.19 Kỹ thuật GNPWM: Điện áp dây vAB trước sau lọc, tỷ số biên độ 0.35 (hình a), 0.57 (hình b), 0.65 (hình c) 74 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên  Nhận xét: trình thực nghiệm kiểm chứng kết mô điều khiển vịng hở, nối tải - Xung điều khiển có giá trị điện áp kích với thiết kế (+20V → -5V MOSFET, +15 → -5V IGBT), khóa đối nghịch có deadtime đảm bảo cho khóa khơng dẫn, điện áp kích khóa MOSFET IGBT bật tắt không bị vọt, hay tạo thành gai lớn cho thấy mạch phần cứng thiết kế tốt - Dạng sóng điện áp dây sau tụ lọc kỹ thuật SPWM, CNPWM, GNPWM mô theo trường hợp tỷ số điều chế biên độ nhỏ hơn, lớn giá trị lớn giống mô Thực nghiệm chứng minh phần cứng hoạt động bình thường kỹ thuật lập trình đúng, tạo tiền đề thực điều khiển nối lưới nghịch lưu TNPC 75 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tun 6.2.2 Thực nghiệm điều khiển vịng kín - nối lưới  Kỹ thuật SPWM: Hình 6.20 Kỹ thuật SPWM: Điện áp Vga, dịng điện Iga góc ϴ Hình 6.21 Kỹ thuật SPWM: THDi dịng điện phía lưới I ga 76 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên  Kỹ thuật CNPWM: Hình 6.22 Kỹ thuật CNPWM: Điện áp Vga, dòng điện Iga góc ϴ Hình 6.23 Kỹ thuật CNPWM: THDi dịng điện phía lưới Iga 77 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên  Kỹ thuật GNPWM: Hình 6.24 Kỹ thuật GNPWM: Điện áp Vga, dòng điện Iga góc ϴ Hình 6.25 Kỹ thuật GNPWM: THDi dịng điện phía lưới Iga 78 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên  Nhận xét: thực nối lưới điện áp lưới 127 Vrms, điều khiển dịng điện igd = 10 A tương ứng với cơng suất P = 2.7 kW - DSOGI-PLL thực tốt chức bắt góc pha lưới - Dạng sóng dòng điện, điện áp ứng với kỹ thuật hợp dạng hình sine, chất lượng sóng hài dịng điện ba kỹ thuật đạt tiêu chuẩn nối lưới THDiSPWM = 2.72%, THDiGNPWM = 3.27% THDiCNPWM = 3.35%, kết thực nghiệm kỹ thuật CNPWM GNPWM, chất lượng THDi tương đồng Giá trị THDi kết thực nghiệm cao mơ mơ hình thực nghiệm khơng phải lý tưởng, có ảnh hưởng nhiễu điện từ trường từ nguồn, trang thiết bị khác khu vực thực nghiệm - Dạng sóng dịng điện điện áp thực nghiệm gần với mô - Hệ số công suất đảm bảo gần dòng điện phản kháng điều khiển với giá trị đạt 0, giá trị xác lập gần giá trị đặt Qua việc thực mô thực nghiệm đánh giá kỹ thuật nêu báo cáo sau: - Kỹ thuật SPWM kỹ thuật điều chế đơn giản, dễ thực hiện, nhiên vấn đề điện áp CMV, dòng iNP không giải CNPWM/ GNPWM SPWM không khai thác mức điện áp nguồn DC cao kỹ thuật CNPWM/ GNPWM, tỷ số điều chế biên độ điện áp pha điện áp nguồn DC 0.5, so với 0.57 CNPWM/ GNPWM - Kỹ thuật CNPWM/ GNPWM có khả giải vấn đề điện áp CMV, dịng điện iNP thơng qua việc chọn vector điện áp thích hợp chuỗi trạng thái, nhiên kỹ thuật GNPWM có ưu điểm CNPWM khối lượng tính tốn hơn, có đưa hệ số phân phối cặp vector dự phòng, cho phép dễ dàng thực điều khiển hồi tiếp giá trị 79 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên CHƯƠNG KẾT LUẬN 7.1 Kết luận Luận văn tập trung tìm hiểu phân tích hoạt động nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC Đã tìm hiểu kỹ thuật điều chế độ rộng xung kỹ thuật điều chế độ rộng xung hình sine, kỹ thuật điều chế vector khơng gian đề xuất kỹ thuật điều chế vector không gian dạng tổng quan cho điều khiển nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC Áp dụng kỹ thuật DSOGI-PLL bắt góc pha lưới điện Đã thực nối lưới thành công với công suất đưa lên lưới 2.7kW Sử dụng thành thạo phần mềm PLECS để thực mô miền rời rạc nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC ứng dụng nối lưới Kết mô thực nghiệm xác thực lý thuyết Đạt mục tiêu đảm bảo tiêu chuẩn sóng hài nối lưới Tiềm phương pháp CNPWM GNPWM việc giải điện áp Common mode cân điện áp tụ kiểm chứng cơng trình sau 7.2 Hướng phát triển  Tiến hành nâng cao công suất tối đa nghịch lưu 10kW  Thực nghiệm kiểm tra tính DSOGI-PLL với trường hợp lưới điện gặp cố  Tiến hành thí nghiệm giải công suất khác để đánh giá hiệu suất tổn thật T-NPC  Kiểm tra tính khả thi giải thuật GNPWM nghịch lưu đa bậc (5 bậc, bậc, …)  Áp dụng thêm giải thuật như: giải thuật điều chế vector không gian ảo nhằm giải vấn đề điện áp Common mode dịng điện qua điểm trung tính  Thực điều khiển theo chiều chỉnh lưu AC/DC, nhằm đánh giá khả phần cứng 80 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tun DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Kỷ yếu hội nghị nước N D Tuyen, V V Minh, L A Nhuan, D N Phat, T P Hoa and N D Hung “The General Carrier-based PWM Implementation based on Space Vector Analysis for Three-phase Three-level T-type NPC Inverter,” in 2022 6th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), Nha Trang, Vietnam, pp 399-404, 2022 81 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R Teodorescu, M Liserre and P Rodríguez, Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems West Sussex, UK: Wiley, 2011 [2] P Rodríguez, R Teodorescu, I Candela, A V Timbus, M Liserre and F Blaabjerg “New positive-sequence voltage detector for grid synchronization of power converters under faulty grid conditions,” in 2006 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference, Jeju, S.Korea, 2006, pp 1-7 [3] A Dholakia, S Paul, S Ghotgalkar and K Basu “A Simple Carrier-Based Implementation for a General 3-level Inverter Using Nearest Three Space Vector PWM Approach,” in 2020 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Detroit, MI, USA, 2020, pp 4349-4355 [4] J H Seo, C H Choi and D S Hyun “A new simplified space-vector pwm method for three-level inverters,” IEEE Transactions on power electronics, vol 16, no 4, pp 545–550, 2001 [5] I Staudt “AN-11001: 3L NPC & TNPC Topology.” Internet: www.semikron-danfoss.com/#smkq/AN-11001, October 2015 [6] A Zorig, M Belkheiri, S Barkat and A Rabhi “Control of three-level NPC inverter based grid connected PV system,” in 2015 3rd International Conference on Control, Engineering & Information Technology (CEIT), Tlemcen, Algeria, 2015, pp 1-6 [7] M H Rashid, Power electronics Devices, circuits, and applications Harlow, UK: Pearson Education, 2014 [8] M Bhardwaj, B Basile, H Ramakrishnan, M K Pachipulusu, R Riccardo and K Le “TIDA-01606: 10-kW, Bidirectional Three-Phase Three-Level (Ttype) Inverter and PFC Reference Design.” Internet: www.ti.com/tool/TIDA01606, December 2022 [9] F Blaabjerg, T Orlowska-Kowalska and J Rodriguez, Advanced and Intelligent Control in Power Electronics and Drives Springer, 2014 82 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên [10] X Ruan, X Wang, D Pan and D Yang, Control Techniques for LCL-Type Grid Connected Inverters Singapore: Spinger, august 2017 [11] S Bacha, I Muntranu and A I Bratcu, Power Electronic Converters Modeling and Control Springer, 2014 [12] B Liu and B M Song “Modeling and analysis of an LCL filter for gridconnected inverters in wind power generation systems,” in 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting, Detroit, MI, USA, 2011, pp 1-6 [13] S Srivastava and M A Chaudhari “Comparison of SVPWM and SPWM Schemes for NPC Multilevel Inverter,” in 2020 IEEE International Students' Conference on Electrical, Electronics and Computer Science (SCEECS), Bhopal, India, 2020, pp 1-6 [14] A Bellini and S Bifaretti “Comparison between sinusoidal PWM and Space Vector Modulation Techniques for NPC inverters,” in 2005 IEEE Russia Power Tech Conference, St Petersburg, Russia, 2005, pp 1-7 [15] D Pan, X Ruan, X Wang, H Yu and Z Xing “Analysis and Design of Current Control Schemes for LCL-Type Grid-Connected Inverter Based on a General Mathematical Model,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 32, no 6, pp 4395-4410, June 2017 83 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Võ Văn Minh Ngày, tháng, năm sinh: 11/04/1998 Nơi sinh: Đồng Nai Địa liên lạc: 75/88 Nguyễn Tư Giản, phường 12, quận Gị Vấp, Thành Phố Hồ Chính Minh Email: vovanminhelectro@gmail.com Điện thoại: 0982920608 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2016 – 2021: học Đại học Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh 2021 – 2022: học Cao học Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC 2020 – 2021: Kỹ sư điện Công ty cổ phần kỹ thuật Tân Phát Long 2021 – 2022: Nghiên cứu Phịng thí nghiệm nghiên cứu điện tử công suất (Power Electronics Research Laboratories) – Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh 84