HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP
HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Hệ thống điện mặt trời sản xuất điện từ ánh sáng mặt trời thông qua các tấm pin quang điện (PV), được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện - các phần tử bán dẫn chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở của tế bào quang điện thay đổi tùy thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên và nhiệt độ môi trường.
Dưới đây là mô hình tổng quát của tế bào quang điện:
Hình 2.1 Mô hình tế bào quang điện
Dựa theo mô hình được cho ở hình 2.1, liên hệ giữa các đại lượng được viết dưới dạng công thức như sau:
[exp( s ) 1] s ph s c sh q V IR V IR
Is: dòng bão hòa q = 1.6 x 10 -19 C : điện tích nguyên tử k=1.38 x 10 -23 J/K: hằng số Boltzmann
TC : nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện A: hằng số lý tưởng của vật liệu bán dẫn
Rsh : điện trở song song (shunt)
Rs: điện trở nối tiếp (serial)
Từ đó, mối quan hệ giữa điện áp/ dòng điện và điện áp/ công suất của tế bào quang điện được vẽ lại như hình 2.2
Hình 2.2 Đặc tính I-V (trái) và P-V (phải) của tế bào quang điện
Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện của tế bào quang điện là phi tuyến, với một điểm làm việc tối ưu tại đó công suất phát là lớn nhất Để hệ thống hoạt động hiệu quả, các bộ biến đổi công suất cần có khả năng điều khiển để duy trì hoạt động tại điểm này, quy trình này được gọi là kỹ thuật bám điểm làm việc tối ưu (MPPT).
HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP
Trong hệ thống điện mặt trời nối lưới không biến áp, bộ biến đổi công suất kết nối trực tiếp với lưới điện mà không cần biến áp trung gian Thay vào đó, hệ thống sử dụng mạch lọc để nâng cao chất lượng điện năng và giảm méo dạng dòng điện khi đưa vào lưới.
Một số ưu điểm của hệ thống điện mặt trời nối lưới không biến áp bao gồm:
Hệ thống không sử dụng biến áp trung gian, giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện năng, từ đó tiết kiệm chi phí và tăng độ tin cậy cho toàn bộ hệ thống.
Hệ thống này có cấu trúc đơn giản hơn nhờ không sử dụng biến áp trung gian, điều này giúp việc lắp đặt và bảo trì trở nên dễ dàng hơn.
Tiết kiệm chi phí là một lợi ích lớn của hệ thống này, vì việc không sử dụng biến áp trung gian giúp giảm đáng kể cả chi phí đầu tư ban đầu lẫn chi phí vận hành và bảo trì.
DÒNG RÒ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP
Dòng điện rò rỉ trong hệ thống điện mặt trời nối lưới xuất hiện do sự tồn tại của điện dung ký sinh giữa các tấm pin mặt trời (PV) và mặt đất Khi điện dung ký sinh này xảy ra, tấm PV và lưới điện hình thành một vòng kín, dẫn đến sự xuất hiện của điện áp common-mode (CMV), từ đó tạo ra dòng điện rò.
Trong hệ thống điện mặt trời nối lưới không biến áp, dòng điện rò có thể phát sinh do điện dung ký sinh giữa các tấm PV và đất Khi không có máy biến áp, trở kháng vòng lặp thấp dẫn đến dòng rò lớn, gây ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống Ngược lại, với máy biến áp tần số cao, dòng điện rò do CMV có thể được triệt tiêu một phần nhờ vào điện dung ký sinh giữa các cuộn dây trong vòng kín.
Khi AC kết nối với lưới điện, nó có thể gây ra các sự cố như biến dạng dòng điện và nhiễu điện từ, ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị điện trong hệ thống Hơn nữa, dòng điện rò có thể dẫn đến nhiễm điện cho vỏ của bộ biến đổi công suất năng lượng mặt trời, đe dọa an toàn vật lý.
Tiêu chuẩn VDE-AR-N 4105 và VDE 0126-1-1 quy định rằng trị hiệu dụng của bộ biến đổi công suất nối lưới không được vượt quá 300mA Dòng rò có thành phần phức tạp, bao gồm cả DC và AC, với giá trị hiệu dụng thấp Do đó, cảm biến đo lường cần phải được thiết kế đặc biệt với độ chính xác cực cao để phát hiện dòng rò hiệu quả.
CẤU HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 2 GIAI ĐOẠN NỐI LƯỚI
CẤU HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI 2 GIAI ĐOẠN NPC NỐI LƯỚI
Bộ biến đổi công suất nhiều giai đoạn là thiết bị có khả năng xử lý công suất qua nhiều giai đoạn Trong hệ thống điện mặt trời nối lưới, giai đoạn đầu tiên chuyển đổi dòng điện DC, trong khi giai đoạn tiếp theo thực hiện nghịch lưu để tạo ra điện áp hình sin tương tự như điện áp lưới, giúp truyền tải công suất hiệu quả.
Bộ biến đổi công suất nối lưới hai giai đoạn (đỏ) được so sánh với bộ biến đổi một giai đoạn trong bảng 3.1 dưới đây.
Bảng 3.1 So sánh bộ biến đổi công suất 2 giai đoạn với 1 giai đoạn trong hệ thống điện mặt trời nối lưới: Ưu điểm Nhược điểm
- Dễ dàng hơn trong việc lựa chọn điện áp DC-Link và kích thước tụ điện
- Tuổi thọ của tụ điện DC-Link cao do yêu cầu điện dung thấp
- Do có nhiều biến hơn nên có thể dễ dàng phát triển các giải thuật điều khiển
- Điện áp đầu vào DC thấp
- Do thiếu cách ly điện, dòng điện rò ở common mode có thể chạy qua các tụ điện ký sinh giữa hệ thống PV và mặt đất
- Dòng điện rò làm tăng tổn thất hệ thống, gây sóng hài và tăng rủi ro an toàn điện
Các bộ biến đổi công suất đa bậc hiện nay, ngoài nghịch lưu 2 bậc, được ưa chuộng trong các ứng dụng công nghiệp và nối lưới nhờ khả năng cung cấp điện áp lớn hơn và giảm thiểu sóng hài so với biến tần 2 bậc thông thường Các cấu hình phổ biến của bộ biến đổi đa bậc bao gồm Fly Capacitor (FC), Neutral Point Clamped (NPC) và Cascaded H-bridge (CH), với sự so sánh chi tiết được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2 So sánh các cấu hình bộ nghịch lưu DC-AC nối lưới đa bậc
Cấu hình Ưu điểm Nhược điểm
NPC - Chia sẻ tổn thất không cân bằng giữa các khóa và cân bằng điện áp được giải quyết bằng cách sử dụng diode kẹp trung tính
- Giảm số lượng của tụ nguồn
Có thể sạc trước cho tụ
- Mạch cân bằng điện áp phức tạp Số lượng bậc tăng lên thì số lượng Diode kẹp cũng tăng lên
- Các khóa vòng trong và vòng ngoài có tổn thất công suất không đều nhau
FC - Giảm số lượng nguồn DC
- Có thể điều khiển được hướng đi của dòng công suất tác dụng và phản kháng
- Điện áp tụ có thể được cân bằng bằng cách sử dụng dự phòng pha
- Mạch cân bằng điện áp phức tạp
- Số lượng bậc tăng lên thì số lượng tụ nguồn cũng tăng lên
- Trong truyền tải công suất thực tế sẽ có nhiều tổn thất và tần số chuyển mạch cao
CH - Dễ dàng mở rộng lên nhiều bậc cao hơn do tính mô đun
- Do sử dụng nguồn DC riêng nên giảm nguy cơ bị điện giật
- Có thể sử dụng cấu hình nguồn bất đối xứng
- Để tăng điện áp ra cần nhiều nguồn DC
- Chuyển mạch phải chịu được điện áp khóa bằng giá trị của điện áp đầu vào
- Yêu cầu số lượng mạch điều khiển cổng lớn hơn
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề xuất cấu hình 2 giai đoạn với nghịch lưu 3 bậc NPC để thực hiện phân tích Các thành phần chính trong bộ biến đổi công suất sẽ được trình bày chi tiết, như thể hiện trong hình 3.2.
- Bộ biến đổi công suất tăng áp (mạch Booster) cho giai đoạn DC-DC
- Bộ biến đổi công suất nghịch lưu NPC 3 pha 3 bậc cho giai đoạn DC-
- Cuộn kháng L để giảm nhấp nhô dòng điện đưa vào lưới
Hình 3.2 Bộ biến đổi công suất nối lưới 3 pha 2 giai đoạn với mạch nghịch lưu dạng NPC 3 bậc 3.1.2 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
Công suất và điện áp của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) luôn thay đổi do biến động nhiệt độ và bức xạ Trong các ứng dụng nối lưới, bộ biến đổi công suất thường được thiết kế với điện áp đầu vào của mạch điều khiển DC-DC thấp hơn đầu ra Giải pháp này sử dụng mạch tăng áp để tạo ra điện áp cao và ổn định tại điểm liên kết DC, trước khi chuyển sang giai đoạn nghịch lưu áp.
Mạch tăng áp DC-DC bao gồm cuộn dây (Ldc), khóa công suất, Diode và tụ điện để giảm nhấp nhô điện áp ra Khi khóa công suất ở trạng thái ON, năng lượng được lưu trữ trong cuộn dây, và khi ở trạng thái OFF, năng lượng được chuyển đến tải qua Diode Quá trình này lặp đi lặp lại để tăng áp đầu ra đến mức mong muốn.
Mạch tăng áp có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra vượt trội hơn điện áp đầu vào (Vout > Vin) Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra được xác định theo công thức cụ thể.
Vout : điện áp đầu ra (V)
Vin: điện áp đầu vào (V) D: độ rộng xung điều khiển (tỉ số điều chế) 3.1.3 BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC BẰNG NGHỊCH LƯU NPC 3 BẬC
Hình 3.4 cho thấy sơ đồ mạch của nghịch lưu NPC 3 bậc:
Cấu hình bộ nghịch lưu NPC 3 bậc bao gồm nhánh A (khối công suất pha A) với 4 khóa công suất S1 đến S4 và 4 Diode mắc song song ngược Các Diode này đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, giúp hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các khóa công suất.
Nguồn một chiều VDC cung cấp cho bộ nghịch lưu được chia thành hai tụ điện C1 và C2 mắc nối tiếp, tạo ra điểm trung tính G Hai diode DG1 và DG2 kết nối với điểm G, được gọi là các diode kẹp Khi các khóa S2 và
S3 ON, đầu ra A của nghịch lưu được kết nối với điểm trung tính thông qua một trong các Diode kẹp
Trong pha A, trạng thái hoạt động của các khóa trong nghịch lưu NPC 3 bậc được thể hiện qua các trạng thái chuyển mạch như được trình bày trong bảng 3.3.
Bảng 3.3 Các trạng thái chuyển mạch của NPC 3 bậc Trạng thái chuyển mạch
Trạng thái các khóa VAG VAO
P ON ON OFF OFF Vdc/2 Vdc
O OFF ON ON OFF 0 Vdc/2
N OFF OFF ON ON -Vdc/2 0
Trạng thái chuyển mạch “P” (Positive) biểu thị rằng hai khóa phía trên (S1 &
Khi S2 ở chân A đang ON, điện áp đầu cuối biến tần VAG tại điểm A so với điểm trung tính nguồn G đạt giá trị +Vdc/2 Trong trạng thái “N” (Negative), S1 và S2 đều OFF, dẫn đến VAG có giá trị ±Vdc/2 Khi ở trạng thái “O”, hai khóa bên trong S2 và S3 được ON, làm cho VAG được kẹp lại.
Dòng điện tải iA sẽ xác định diode kẹp nào được bật, với DG1 hoạt động khi iA dương (iA > 0) Khi đó, đầu A sẽ được kết nối với điểm G thông qua sự dẫn điện của diode DG1.
Theo bảng 3.3, các khóa S1 và S3 hoạt động bổ sung cho nhau và không thể dẫn đồng thời; khi một khóa được bật, khóa còn lại phải tắt Tương tự, S2 và S4 cũng hoạt động theo nguyên tắc này.
Tổng hợp các điều kiện trên, các công thức thể hiện cho các trạng thái đóng cắt của các khóa có thể thể hiện dưới đây
- Ở các khóa hoạt động theo kiểu bổ sung cho nhau:
- Điện áp pha A – âm nguồn DC (O):
- Điện áp pha A – điểm trung tính nguồn G:
3.1.3.3 SỰ CHUYỂN MẠCH CỦA LINH KIỆN
Khi các khóa công suất thay đổi trạng thái, mạch không thể chuyển ngay lập tức mà cần một khoảng thời gian chuyển mạch Để phân tích quá trình này, chúng ta nghiên cứu sự chuyển đổi giữa các trạng thái trong nghịch lưu NPC 3 bậc, cụ thể là từ trạng thái chuyển mạch [O] sang [P] bằng cách tắt khóa S3 và bật khóa S1 Hình 3.5 minh họa các tín hiệu cổng vg1 đến vg4, tương ứng với các khóa S1 đến S4 trong quá trình chuyển mạch Giữa hai lần chuyển mạch, cần có thời gian trống “Δ” cho cặp khóa S1 và S3.
Hình 3.5 Tín hiệu cổng của chuyển mạch từ [O] lên [P]
Giả sử rằng dòng tải iA không đổi trong quá trình chuyển mạch, với các tụ điện C1 và C2 đủ lớn để duy trì điện áp Vdc/2, và tất cả các khóa công suất lý tưởng, quá trình chuyển mạch từ [O] sang [P] sẽ được phân tích dựa trên chiều dòng tải.
- Chuyển mạch từ [O] sang [P] với dòng điện dương iA >0 được thể hiện trong hình 3.6:
- Ở trạng thái chuyển mạch [O], các khóa S1 và S4 bị tắt trong khi S2 và
ĐIỀU KHIỂN TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 2 GIAI ĐOẠN
Các khâu điều khiển trong bộ biến đổi công suất nối lưới điện mặt trời 2 giai đoạn được đề xuất thể hiện ở hình 3.8 dưới
Hình 3.8 Sơ đồ khối điều khiển trong bộ biến đổi công suất 2 giai đoạn
Hệ thống chuyển đổi từ PV đến lưới điện sẽ trải qua hai giai đoạn, do đó, hệ thống điều khiển cũng sẽ được chia thành hai giai đoạn nhằm thực hiện các mục đích khác nhau.
Trong giai đoạn biến đổi DC-DC, bộ điều khiển áp dụng kỹ thuật MPPT để tối ưu hóa điểm công suất tối đa Giai đoạn chuyển đổi DC-AC sử dụng nghịch lưu NPC 3 bậc để tạo ra nguồn điện xoay chiều 3 pha thông qua điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) Để phát công suất vào lưới điện, cần có chiến lược điều khiển đồng bộ hóa, do đó kỹ thuật PLL được sử dụng để đồng bộ các tham số giá trị pha và tần số của đầu ra nghịch lưu với lưới điện Ngoài ra, các kỹ thuật điều khiển khác cũng sẽ được xem xét và đề xuất nhằm tối ưu hóa công suất phát vào lưới điện.
1 Điều khiển điện áp DC tại điểm nối chung (Vdc)
2 Điều khiển công suất phát theo phương pháp điều khiển định hướng áp (VOC) trong hệ tọa độ đồng bộ
3.2.2 ĐIỀU KHIỂN TÌM KIẾM ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI MPP
Khi một tấm hoặc mảng pin mặt trời (PV) được kết nối với tải, điểm làm việc của hệ thống PV sẽ được xác định tại giao điểm giữa đặc tuyến I-V của pin mặt trời và đặc tuyến I-V của tải Hình 3.9 minh họa đặc tuyến của mảng PV; nếu mạch điện phía sau có điện trở tương đương Rtd, ta có thể phân tích vị trí tương đối của đặc tuyến I-V của tải so với đặc tuyến I-V của hệ thống PV.
Việc điều chỉnh D một cách phù hợp cho phép kiểm soát điểm làm việc của hệ thống tại điểm MPP hoặc gần điểm MPP, như thể hiện trong đặc tuyến I-V tải và I-V của mảng PV.
Cấu trúc của mạch điều khiển vòng kín của điều khiển điện áp làm việc của hệ thống PV với cấu hình mạch tăng áp được cho như sau:
Hình 3.10 Mạch điều khiển vòng kín điều khiển điện áp hệ thống PV
Việc tìm kiếm điểm công suất cực đại (MPPT) là một quá trình liên tục do đặc tuyến I-V của hệ thống PV thay đổi theo điều kiện bức xạ và nhiệt độ Các thuật toán phổ biến để điều khiển bám điểm MPP bao gồm phương pháp nhiễu loạn và tìm kiếm (P&O), điện dẫn gia tăng (InC) và ứng dụng Logic mờ (FLC).
Trong luận văn này, học viên sẽ trình kỹ thuật MPPT theo phương pháp P&O tương ứng với cấu hình mạch tăng áp như đã trình bày ở phần trước
Phương pháp P&O sử dụng cặp cảm biến để đo dòng và điện áp của các tế bào quang điện trong hệ thống điện mặt trời Giải thuật này được chia thành hai giai đoạn chính: giai đoạn "perturb" (P) và giai đoạn "observe" (O).
Trong giai đoạn "perturb", giải thuật P&O điều chỉnh đầu ra điện áp của tế bào quang điện bằng cách tăng hoặc giảm một giá trị nhỏ và theo dõi sự thay đổi của dòng điện đầu vào Nếu dòng điện đầu vào tăng, giải thuật sẽ tiếp tục tăng điện áp; nếu dòng điện đầu vào giảm, giải thuật sẽ giảm điện áp Quá trình này được lặp lại liên tục nhằm xác định điểm công suất tối đa (MPP).
Trong giai đoạn "observe", giải thuật P&O theo dõi sự thay đổi dòng điện đầu vào khi đầu ra điện áp được điều chỉnh trong giai đoạn "perturb" Nếu dòng điện đầu vào tăng, giải thuật sẽ tăng đầu ra điện áp, ngược lại, nếu dòng điện đầu vào giảm, đầu ra điện áp sẽ được giảm Quá trình này lặp đi lặp lại liên tục nhằm đảm bảo hệ thống điện mặt trời hoạt động tại điểm công suất tối đa (MPP) Nguyên tắc của giải thuật này được thể hiện trong hình 3.11 và 3.12.
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán của phương pháp P&O
Hình 3.12 minh họa lưu đồ thuật toán của phương pháp P&O, cho thấy sự điều khiển thay đổi điện áp của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) dựa trên bốn vùng làm việc khác nhau.
- Vùng (i): (ΔP < 0 và ΔV < 0) -> Điện áp được điều hỉnh tăng
- Vùng (ii): (ΔP > 0 và ΔV > 0) -> Điện áp được điều hỉnh tăng
- Vùng (iii): (ΔP > 0 và ΔV < 0) -> Điện áp được điều hỉnh giảm
- Vùng (iv): (ΔP < 0 và ΔV > 0) -> Điện áp được điều hỉnh giảm
- Vùng (v): (ΔP = 0 và ΔV = 0) -> Điện áp được giữ nguyên
Phương pháp P&O là một giải pháp đơn giản và dễ áp dụng, lý tưởng cho các hệ thống điện mặt trời có kích thước nhỏ hoặc vừa Mặc dù vậy, phương pháp này gặp một số hạn chế như độ chính xác không cao, dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện ánh sáng không ổn định, và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với các phương pháp MPPT khác.
3.2.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ HÓA
Trong lưới điện lý tưởng với các pha đối xứng và cân bằng, việc tính toán góc pha của vector điện áp dây giúp suy ra góc pha của vector điện áp pha Tuy nhiên, do các thuật toán điều khiển công suất hiện đại thường sử dụng hệ tọa độ tĩnh (αβ) hoặc hệ tọa độ xoay đồng bộ (dq), nên việc tính toán góc quay điện áp (θ) trở nên quan trọng hơn so với góc pha của lưới điện.
Hệ thống điện có thể gặp phải các hiện tượng không mong muốn như thành phần thứ tự ngược và sóng hài, làm cho vector điện áp không quay đều và quỹ đạo của nó không còn là đường tròn Sự xuất hiện của dao động hài bậc cao có thể dẫn đến nhiều điểm giao nhau trong một chu kỳ điện áp lưới, gây ra sự không tuyến tính trong việc tăng giảm góc pha và giảm chất lượng hệ thống điều khiển Để khắc phục vấn đề này, thay vì tính toán trực tiếp góc pha của vector điện áp lưới, người ta tính toán góc pha của vector thành phần thứ tự thuận bậc 1, sử dụng bộ điều khiển đặc biệt gọi là vòng khóa pha (PLL-Phase Locked Loop).
Đề xuất đồng bộ hóa trong luận văn sử dụng cấu trúc vòng khóa pha trong hệ tọa độ đồng bộ (SRF-PLL), bao gồm chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tĩnh αβ và sau đó sang hệ trục tọa độ quay dq qua phép biến đổi Clark và Park Hệ thống điều khiển vận tốc góc quay của hệ trục tọa độ đồng bộ, đảm bảo vectơ điện áp lưới chiếu lên trục q bằng 0, giúp vectơ điện áp nằm trên trục d Nhờ đó, tốc độ quay của hệ trục tọa độ đồng bộ theo sát tốc độ của vectơ điện áp lưới, từ đó xác định được tần số và góc pha của điện áp lưới.
Hình 3.13 Vòng điều khiển vòng khóa pha (PLL)
Trong quá trình tuyến tính hóa PLL, hệ thống được giả định hoạt động ở trạng thái sai lệch nhỏ so với trạng thái thực của lưới, với ω* = ω và θ* ≈ θ cos( *) sin( *) d q e.
Với V là modul vector điện áp
Nếu 2 vế của (3.7) chia cho V ta sẽ có đại lượng θe = Vd/V được xem như tín hiệu sai lệch pha giữa góc pha thực và góc pha tính toán Từ đó, mạch vòng tuyến tính của vòng khóa pha được cho như sau:
Hình 3.14 Sơ đồ mạch vòng tuyến tính PLL Hàm truyền của mạch vòng tuyến tính sẽ được cho như sau:
BẬC
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SIN
SINPWM, hay SPWM, là phương pháp điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang, thường được áp dụng trong điều chế nghịch lưu Nguyên lý của kỹ thuật này dựa vào việc so sánh sóng mang tần số cao (vc) với tín hiệu điều khiển dạng sin (vm) Điểm giao nhau giữa vc và vm xác định thời điểm và quá trình chuyển mạch của khóa bán dẫn, tạo ra sóng PWM tại mỗi giao điểm Khi sóng hình sin có biên độ lớn hơn sóng tam giác, đầu ra xung điều khiển sẽ là ON (1), ngược lại, khi vc nhỏ hơn vm, đầu ra sẽ là OFF (0) Tần số chuyển đổi của nghịch lưu (fs) được xác định bởi tần số của sóng tam giác vc, và thành phần tần số cơ bản trong điện áp đầu ra có thể được điều khiển thông qua tỉ số điều chế.
Kỹ thuật SPWM trong bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC sử dụng hai bộ so sánh riêng biệt cho mỗi nhánh pha để tạo ra các tín hiệu điều khiển Các tín hiệu điều khiển này bao gồm ba sóng hình sin lệch pha 120 độ Mặc dù có nhiều kỹ thuật sóng mang khác nhau, nhưng phổ biến nhất là sử dụng hai tín hiệu sóng mang vc (vc1 và vc2) cùng với một tín hiệu điều chế vm, như được minh họa trong hình 4.1 và 4.2.
Hình 4.1 Bộ so sánh tạo xung đóng ngắt cho các khóa công suất
Hình 4.2 Bố trí sóng mang nghịch pha (a) và cùng pha (b)
Từ đó, có thể vẽ được dạng áp điều khiển cho S1 và S2 trong trường hợp sử dụng phương pháp sóng mang cùng pha như sau:
Việc sử dụng đồng thời hai sóng mang trong phương pháp sóng mang cùng pha mang lại nhiều lựa chọn về bố trí, bao gồm bố trí cùng pha (PD), nghịch pha (POD) hoặc lệch pha một góc xác định Các phương pháp này sẽ ảnh hưởng đến giá trị sóng hài điện áp đầu ra và điện áp common-mode, điều này sẽ được phân tích chi tiết trong chương tiếp theo.
Thành phần cơ bản Vout1 của điện áp pha đầu ra được mô tả trong phương trình dưới đây trong vùng điều chế tuyến tính:
Chỉ số điều chế (ma) có giá trị từ 0 đến 1, cho thấy sự thay đổi tuyến tính của biên độ và chỉ số điều chế của thành phần cơ bản trong điện áp đầu ra Phạm vi này được gọi là phạm vi điều khiển tuyến tính Khi ma lớn hơn 1, hiện tượng quá điều chế xảy ra, dẫn đến việc đầu ra của bộ nghịch lưu không còn duy trì mối quan hệ tăng tuyến tính với ma.
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN
Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) là phương pháp ứng dụng vector không gian trong máy điện xoay chiều, mở rộng cho các hệ thống điện 3 pha SVPWM hiện nay được sử dụng phổ biến trong điện tử công suất, đặc biệt trong điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như truyền động điện xoay chiều, mạch lọc tích cực và điều khiển thiết bị công suất trong hệ thống truyền tải điện Bài viết này sẽ trình bày về kỹ thuật SVPWM và ứng dụng của nó trong nghịch lưu NPC 3 bậc.
Để điều chế ba tín hiệu điện áp pha tham chiếu, giả sử ba pha ở điều kiện cân bằng, ta có vA + vB + vC = 0 Việc biến hình từ các tín hiệu vA, vB và vC thành vector không gian vρ được thực hiện thông qua một phương trình cụ thể.
Công thức (4.4) được gọi là phép biến hình vector không gian và đại lượng vector 𝑣⃗ là vector không gian của đại lượng ba pha
Với hằng số k có thể chọn 2 k 3, khi đó:
Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc bao gồm bốn loại vector không gian: 6 vector lớn, 6 vector trung, 12 vector nhỏ và 3 vector zero Những vector này cấu thành giản đồ vector không gian, như được thể hiện trong hình 4.4, với độ lớn của các vector được liệt kê trong bảng 4.1.
Hình 4.4 Giản đồ vector không gian với nghịch lưu 3 bậc Bảng 4.1 Độ lớn và trạng thái đóng ngắt của vector không gian
Vector Trạng thái đóng cắt Độ lớn vector không gian 𝒗⃗
Vector không PPP, OOO, NNN 0
Vector nhỏ ONN, POO, PPO, OON, NON, OPO,
OPP, NOO, NNO, OOP, POP, ONO
Vector trung bình PON, OPN, NPO, NOP, ONP, PNO Vdc/√3
Vector lớn PNN, PPN, NPN, NPP, NNP, PNP 2.Vdc/3
Tỷ số điều chế m a được xác định theo công thức dưới đây:
Do đó khi m a =1, vector tham chiếu vr ref có độ lớn tương ứng với độ lớn của vector trung bình (bán kính đường tròn nội tiếp lục giác)
Các bước thực hiện SVPWM theo kỹ thuật 3 vector gần nhất:
Vị trí của vector Vref trên giản đồ vector không gian trong một thời điểm luôn thuộc một trong 6 sector thể hiện ở hình 4.5
Hình 4.5 Phân chia sector trong giản đồ vector không gian
Dựa theo góc lệch θ, sector hiện tại của Vref có thể được xác định bởi bảng sau:
Bảng 4.2 Vị trí sector theo góc θ
Sector I II III IV V VI
Bước 2: Xác định tam giác (region):
Trong mỗi sector, bốn tam giác đều được phân chia Nếu giá trị m1 và m2 là hình chiếu của vector tham chiếu vrref lên hai cạnh bên của sector I, thì từ m1 và m2, chúng ta có thể xác định vị trí của đỉnh vector vrref thuộc tam giác nào trong bốn tam giác đã cho, dựa vào bảng 4.3.
Hình 4.6 Xác định vị trí của vector tham chiếu trong các tam giác (region) thuộc sector I
3 ref ref ref ref ref a V b m V m b m V m V c V b q p p q p q q q ỡù ỡ ù = = ù ổ ử ù ù = ỗ + ữ ù ù ỗỗ ữữ ù ù ố ứ ù = ị ù í í ù ù ù ù ù ù ù = - = - ù ù ùợ ùợ
Bảng 4.3 Xác định vị trí tam giác theo m1, m2
Giá trị m1 và m2 Vị trí tam giác m1