tóm tắt: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập

Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƯƠNG ANH TUẤN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CHO NGHỊCH LƯU BA MỨC HÌNH T TRONG CHẾ ĐỘ NỐI LƯỚI VÀ ĐỘC LẬP Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Hà Nội 2023 Cơng trình hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Hoàng Phương PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Tiềm Phản biện 2: PGS.TS Ngô Đức Minh Phản biện 3: PGS.TS Phạm Tâm Thành Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 14 giờ, ngày 04 tháng 12 năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam Mở đầu Sự cần thiết đề tài Nghịch lưu ba mức giải pháp cho ứng dụng địi hỏi cơng suất lớn điện áp cao đến 900V Trong nghịch lưu ba mức nghịch lưu hình T có ưu như: tiết kiệm đáng kể số lượng van bán dẫn công suất mà tạo mức điện áp yêu cầu, đảm bảo chất lượng dạng sóng điện áp yêu cầu công suất lớn, trao đổi dịng cơng suất theo hai chiều, sử dụng nguồn DC Có hai vấn đề mà nghịch lưu ba pha hình T cần phải giải cân điện áp điểm trung tính DC giảm điện áp common-mode Việc cân điện áp điểm trung tính DC gây tượng áp van cơng suất làm tăng THD dịng điện đầu Còn điện áp common-mode gây nên dòng rò làm giảm tuổi thọ cách điện, nhiễu điện từ an tồn điện Vậy việc tìm phương pháp điều chế vừa giảm điện áp common-mode, vừa cân điện áp điểm trung tính DC hướng nghiên cứu đề tài nhằm nâng cao độ tin cậy việc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T Mạch vịng điều khiển nghịch lưu hình T gồm mạch vịng mạch vịng dịng điện, mạch vịng ngồi mạch vịng cơng nghệ mạch vòng điện áp chiều trung gian, mạch vịng cơng suất Mạch vịng cơng nghệ bên ngồi thường yêu cầu thời gian tác động chậm mạch vòng dịng điện bên Mạch vịng dịng điện đóng vai trị quan trọng, phải đảm bảo vấn đề như: đảm bảo khả tác động nhanh, đảm bảo hệ thống không bị tải Do vậy, việc nâng cao chất lượng mạch vòng dòng điện phương pháp điều khiển cải tiến có khả đảm bảo vấn đề điều khiển điện áp chiều trung gian vấn đề điều khiển mạch vịng cơng suất bên ngồi lưới ổn định Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến nhằm vừa cân điện áp điểm trung tính DC, vừa giảm điện áp common-mode Nghiên cứu khả áp dụng số phương pháp điều khiển điều khiển PI, điều khiển chế độ trượt…cho mạch vòng điều khiển biến đổi Kiểm chứng phương pháp điều chế, thuật tốn chuyển mạch phương pháp điều khiển thơng qua minh chứng mô thực nghiệm Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Nghịch lưu hình T ba pha hoạt động chế độ nối lưới độc lập  Phạm vi nghiên cứu: Phương pháp điều chế cải tiến cho nghịch lưu hình T ba pha để cân điện áp điểm trung tính DC giảm điện áp common-mode Phương pháp điều khiển dòng điện cải tiến nhằm nâng cao chất lượng điều khiển mạch vòng dòng điện Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm - Nghiên cứu lý thuyết phương pháp điều chế thuật toán chuyển mạch, phương pháp điều khiển đảm bảo yêu cầu đặt cho biến đổi - Mô 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 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: Kết nghiên cứu giúp làm đơn giản hóa việc đồng thời cân điện áp điểm trung tính DC giảm điện áp common-mode Phương pháp điều chế SVM cải tiến cho nghịch lưu ba pha hình T có xét đến trường hợp ổn định điện áp, tần số lưới Tiếp đó, luận án đề xuất áp dụng điều khiển dòng điện theo phương pháp chế độ trượt cải tiến FTSMC để nâng cao tốc độ đáp ứng chất lượng điều khiển có nhiễu, phụ tải lưới cân Ý nghĩa thực tiễn: Các kết nghiên cứu kiểm chứng mô hình thực nghiệm chứng tỏ khả ứng dụng thực tiễn Bố cục luận án Nội dung luận án trình bày thành chương phần kết luận sau: Chương trình bày tổng quan cấu trúc ứng dụng nghịch lưu nguồn áp hai mức, nghịch lưu NPC ba mức nghịch lưu ba pha hình T Qua phân tích, đánh giá cơng trình nghiên cứu cơng bố, luận án vấn đề chưa giải triệt để Từ luận án tập trung nghiên cứu đưa đề xuất áp dụng phương hướng thực mục tiêu nghiên cứu luận án Chương trình bày phương pháp điều chế PWM, SVM 6Segment, SVM 8-Segment dùng để điều khiển nghịch lưu hình T ba pha Tiếp theo, luận án đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến để đồng thời cân điện áp điểm trung tính DC giảm điện áp common-mode (CMV) Thuật toán kiểm chứng thông qua mô Matlab/Simulink hệ thống thực nghiệm Chương trình bày điều khiển dòng điện theo phương pháp điều khiển chế độ trượt cấu trúc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T nối lưới để tăng tốc độ đáp ứng, nâng cao chất lượng điều khiển có nhiễu lưới khơng cân Chương trình bày điều khiển dòng điện theo phương pháp điều khiển chế độ trượt cấu trúc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T chế độ độc lập để tăng tốc độ đáp ứng, nâng cao chất lượng điều khiển tải không cân tải phi tuyến Chương trình bày quy trình thực nghiệm kết thu Từ kết kiểm nghiệm tính đắn lý thuyết thuật tốn đề xuất áp dụng Kết luận kiến nghị Trình bày tóm lược kết đạt luận án; đồng thời hạn chế đề xuất hướng nghiên cứu Các đóng góp luận án - Đề xuất áp dụng thuật tốn điều chế FSVM cho nghịch lưu hình T ba pha vừa giảm điện áp common-mode, vừa cân điện áp điểm trung tính DC chế độ bình thường hệ thống ổn định - Áp dụng phương pháp điều khiển pháp chế độ trượt cải tiến FTSMC kết hợp với quan sát trạng thái SOB ước lượng nhiễu DOB giúp cho mục tiêu điều khiển đảm bảo dù điều kiện lưới cân bằng, cân bằng, tải thay đổi hay nhiễu thay đổi theo thời gian - Xây dựng hệ thống thực nghiệm kiểm chứng kết tính tốn, thiết kế Bộ thực nghiệm góp phần chứng minh khả thực tiễn với cấu trúc mạch phức tạp thiết bị vi xử lý DSP phục vụ tốt công tác thử nghiệm nghiên cứu nghịch lưu hình T Chương Tổng quan 1.1 Xu hướng phát triển nghịch lưu nguồn áp Hình 1.1 Các ứng dụng nghịch lưu nguồn áp Xu hướng ứng dụng u cầu cơng suất lớn hơn, điện áp DC cao đến 900V, tần số chuyển mạch cao đến 50 kHz nghịch lưu nguồn áp hai mức trở nên hiệu Lúc này, nghịch lưu hai mức bộc lộ nhược điểm như: chất lượng điện áp thấp, tốc độ biến thiên du/dt lớn, độ méo sóng hài(THD) cao, điện áp van lớn, tổn thất chuyển mạch cao Để khắc phục hạn chế nghịch lưu hai mức cần phải có nghịch lưu ba mức 1.2 Các cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba mức 1.2.1 Cấu trúc nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC) Nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC) cấu trúc nghịch lưu ba mức điển hình Vì có hai tụ điện mắc nối tiếp nên có thêm mức điện áp thêm vào Vdc/2 hai mức điện áp Vdc, thực cách kích mở van bán dẫn nối điểm mạch DC (hay điểm nối tụ điện) với tải nối điểm vào pha thông qua điốt Nhìn chung, nghịch lưu NPC giải pháp tốt cho ứng dụng công suất lớn, điện áp cao Tuy nhiên, cấu trúc có số lượng điốt lớn, mạch phức tạp, làm cho hệ thống cồng kềnh 1.2.2 Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha Nghịch lưu hình T ba pha phát triển từ cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức Cấu trúc nghịch lưu cấu thành từ van IGBT mắc kiểu thông thường van IBGT mắc kiểu E chung tạo thành nhánh chữ T Nghịch lưu hình T kết hợp ưu điểm nghịch lưu hai mức với ưu điểm nghịch lưu NPC ba mức Do đó, nghịch lưu hình T coi giải pháp thay cho nghịch lưu NPC ba mức Tuy nhiên, nhược điểm nghịch lưu hình T khả chặn ngược chuyển mạch hai chiều AC với van IGBT thông thường 1.2.3 Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT Cấu trúc cầu thành từ van bán dẫn mắc kiểu thông thường van mắc song song tạo thành nhánh chữ T Để khắc phục nhược điểm IGBT thông thường, hãng Fuji Electric cho đời hệ mơđun IGBT (dịng V) với cơng nghệ RB-IGBT chun tích hợp cho cấu trúc nghịch lưu hình T ICM CPE C1 2 DC Source P S SA4 A1 O C2 ICM C PE 2 SA3 SB4 SB3 SC4 SC3 SA2 SB1 SC1 Lf Lg VS Z Co SB2 SC2 Cf ICM N Hình 1.2 Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT Nghịch lưu hình T sử dụng RB-IGBT khắc phục nhược điểm khả chặn ngược nghịch lưu hình T, phù hợp với hệ thống yêu cầu công suất lớn hơn, điện áp DC cao đến 900V 1.3 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T Đối với phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T yêu cầu quan trọng phải giảm điện áp common-mode cân điện áp điểm trung tính DC Kỹ thuật điều chế phổ biến thường sử dụng là: sinPWM dùng nhiều sóng mang điều chế véctơ khơng gian (SVM) Tuy nhiên phương pháp khơng có khả vừa giảm điện áp common-mode, vừa cân điện áp điểm trung tính DC Vì vậy, luận án đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến FSVM nhằm mục đích vừa cân điện áp điểm trung tính DC, vừa giảm điện áp common-mode áp dụng riêng cho nghịch lưu hình T 1.4 Phương pháp điều khiển mạch vịng dịng điện Mỗi phuơng pháp điều khiển có ưu riêng áp dụng tùy theo trường hợp cụ thể Các phương pháp điều khiển PI chế độ trượt FTSMC phương pháp mà tác giả lựa chọn áp dụng cho mạch vòng điều khiển nghịch lưu hình T Những nguyên lý điều khiển trình bày chương luận án 1.5 Định hướng nghiên cứu dự kiến đóng góp luận án Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp điều chế cải tiến, thiết kế điều khiển dòng điện theo phương pháp chế độ trượt với kết dự kiến đóng góp cho luận án cụ thể sau: - Đề xuất áp dụng thuật toán phương pháp điều chế véctơ không gian cải tiến để vừa giảm điện áp common-mode vừa cân điện áp điểm trung tính DC - Đề xuất áp dụng điều khiển dòng điện theo phương pháp chế độ trượt cải tiến để tăng tốc độ đáp ứng, cải thiện chất lượng dòng điện, điều khiển dịng điện có nhiễu thay đổi theo thời gian 1.6 Kết luận Qua đánh giá, phân tích chương 1, luận án đưa đề xuất giải cụ thể sau: - Xây dựng thuật tốn điều chế véctơ khơng gian cải tiến FSVM cho nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT trình bày chương - Ứng dụng điều khiển chế độ trượt cải tiến FTSMC cho điều khiển dòng điện hoạt động chế độ nối lưới độc lập Các kết nghiên cứu chứng minh mô Matlab/Simulink thể chi tiết chương chương - Kiểm chứng tính đắn lý thuyết chương 2, chương chương thông qua thực nghiệm Các kết thực nghiệm trình bày chương Chương Phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T ba pha 2.1 Đặt vấn đề Đối với nghịch lưu hình T ba pha cần phải có phương pháp điều chế phù hợp để giảm mức điện áp common-mode đảm bảo khả cân điện áp điểm trung tính DC q trình hoạt động 2.2 Phương pháp điều chế PWM 2.2.1 Nguyên lý phương pháp điều chế PWM a Phương pháp dịch mức sóng mang Ta có kiểu bố trí sóng mang : Sóng mang pha ; Sóng mang đối xứng qua trục thời gian ; Sóng mang ngược pha hai sóng mang kề nhau, dịch góc 180 độ b Phương pháp dịch pha sóng mang Sử dụng hai sóng cưa ngược pha (lệch pha 1800) để so sánh với sóng sin chuẩn 2.2.2 Mơ phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu hình T pha a Nguyên lý phát xung Hình 2.1 Nguyên lý phát xung cấu trúc hình T pha Sử dụng tín hiệu sin mẫu Vref so sánh với sóng mang dịch pha 1800 Nửa chu kỳ đầu việc điều chế cho đóng cắt van SA1 SA4, nửa chu kỳ sau điều chế cho hai van SA3 SA2 b Kết mô Bảng 2.1 Thông số mô Tên thông số Giá trị Công suất 15kW Điện áp DC 700V Điện áp AC 380V/50Hz Tần số đóng cắt 10kHz Lọc LCL 0,68mH/16,31μF/0,141mHF/0,141mH Tụ điện phía DC 470μF/0,141mHF Tụ điện CPE/Co 1nF/1nF Kịch mô phỏng: Chế độ nối lưới ba pha lý tưởng 2.3 Phương pháp điều chế SVM Qua bước chuyển hệ tọa độ từ abc sang 0αβ, quy chuẩn độ dài véctơ theo mức điện áp , tính tốn mơđun góc pha véctơ điện áp hình thành khơng gian véctơ hệ tọa độ 0αβ Từ đồ thị thấy véctơ lớn chia mặt phẳng làm góc phần sáu Trong góc phần véctơ nhỏ trung bình lại chia làm tam giác đều, tam giác có đỉnh điểm cuối véctơ Quy chuẩn độ dài véctơ theo , tam giác có cạnh Hệ thống tam giác sở cho phép điều chế véctơ không gian Start Calculate Y V, dPSVM1-3,dNSVM1-3 V>k N V < -k