Nghiên ứu bộ nghịch lưu nối lưới có chế độ hoạt động buck in buck và boost in boost ở phía dc

Các b ộ CSI đượ ử ục s d ng trong các b nghộ ịch lưu công suất lớn, phải có điện cảm đầu vào lớn và điện áp đầu ra nghịch lưu nguồn dòng cao hơn điện áp DC đầu vào và không cho phép làm

Trang 1

Chuyên ngành: ĐIỀU KHI N VÀ T Ể Ự ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ T Ự ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA H C Ọ

TS PHẠM VIỆT PHƯƠNG

HÀ NỘI – 2018

Trang 2

Luận văn Thạc Sĩ Chuyên ngành: Điều khi n & T ể ự Động Hóa

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Hoàng Đình Nguyễn

H c viên l p cao họ ớ ọc Đ ềi u khi n và t ng hóa 2015ể ự độ B – rường đại họ T c Bách khoa Hà N ội

Xin cam đoan: đề tài “Nghiên cứu b ộ nghịch lưu nối lưới có ch ế độ hoạt động

“Buck in buck” và “Boost in boost” ở phía DC” do th y giáo TS ầ Phạm Việt Phương hướng d n là c a riêng tôi ẫ ủ

“Tôi cam đoan rằng, ngo i tr các k t qu tham kh o t ạ ừ ế ả ả ừ các công trình khác như

đã ghi rõ trong luận văn, các công việc trình bày trong luận văn này là do chính tôi thực hiện và chưa có phần n i dung nào c a luận văn này đượ ộp để ấộ ủ c n l y m t b ng ộ ằ

c p ấ ở trường này hoặc trường khác”

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CH VIỮ ẾT TẮT 4

DANH M C B NGỤ Ả 5

DANH MỤC HÌNH V Ẽ VÀ SƠ ĐỒ 6

PHẦN MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 - T NG QUAN V NGHỔ Ề ỊCH LƯU NỐI LƯỚI 11

1.1Các b nghộ ịch lưu sử ụ d ng chuyển mạch cưỡng b c 12ứ 1.1.1 Chuy n mể ạch cưỡng b c trong các b nghứ ộ ịch lưu 12

1.1.2 M t s b nghộ ố ộ ịch lưu sử ụ d ng chuy n mể ạch cưỡng b c 13ứ 1.2 Các b nghộ ịch lưu sử ụ d ng chuyển m ch m m 14ạ ề 1.2.1 Chuy n m ch m m trong các b nghể ạ ề ộ ịch lưu 14

1.2.2 Một số cấu trúc bộ nghịch lưu nối lưới chuyển mạch mềm 14

1.3 Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2 - B NGHỘ ỊCH LƯU AALBORG 21

2.1C u trúc, nguyên lý hoấ ạ ột đ ng 21

2.1.1 C u trúc b nghấ ộ ịch lưu Aalborg cấu trúc nửa cầu 21

2.1.2 Nguyên lí hoạ ột đ ng của bộ nghịch lưu Aalborg 22

2.2Tính toán thông số ạ m ch l c 24ự 2.2.1Tính chọn van bán d n 24ẫ 2.2.2Tính chọn b l c LCL 26ộ ọ 2.3 Kết luận chương 2 29

CHƯƠNG 3 - MÔ HÌNH HÓA VÀ THI T K B ĐI U KHI N 30 Ế Ế Ộ Ề Ể 3.1Mô hình hóa bộ nghịch lưu Aalborg 30

Trang 4

3.1.1Mô hình bộ ến đổ bi i trong ch ế độBoost 313.1.2Mô hình bộ ến đổ bi i trong ch Buck 37ế độ3.2Thiết kế ộ điể b u khi n 42ể3.2.1Thiết kế ộ điề b u khi n cho ch ể ế độBoost 443.2.2Thiết kế ộ điề b u khi n cho ch Buck 48ể ế độ3.3Kết luận chương 3 51

CHƯƠNG 4 - MÔ PH NG B NGHỎ Ộ ỊCH LƯU AALBORG 534.1Thông số và điều ki n mô ph ng 53ệ ỏ4.2Sơ đồ kh i mô ph ng 53ố ỏ4.3Kết quả mô ph ng 57ỏ4.3.1Trường hợp điện áp DC đầu vào lớn hơn biên độ điện áp lưới và b ngh ch ộ ịlưu hoạ ột đ ng trở ạng thái đầy t 57ải.4.3.2Trường hợp điện áp DC đầu vào thấp hơn biên độ điện áp lưới và b ngh ch ộ ịlưu hoạ ột đ ng trở ạng thái đầy t i 59ả4.3.3Trường hợp điện áp DC đầu vào thấp hơn biên độ điện áp lưới và công suất bơm vào lưới thay đổi 614.3.4Trường hợp điện áp DC đầu vào biến đổi 644.4Kết luận chương 4 67

KẾT QUẢ VÀ BÀN LU N 68Ậ Phụ ụ l c 1: Code m-ﬁle 71

Trang 5

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CH VIỮ ẾT TẮT Các chữ ký hi u ệ

Chữ ế vi t tắt Ý nghĩa

DC Dòng điện một chiều (Direct current)

AC Dòng điện xoay chi u (Aternating current) ề

VSI Nghịch lưu nguồn áp (Voltage source inverter)

CSI Nghịch lưu nguồn dòng (Current source inverter)

ZSI Nghịch lưu nguồn Z (Z Source Inverter) –

ZVS Điện áp trên van b ng không (Zero Voltage Switching) ằZCS Dòng điện trên van b ng không (Zero Current Switching) ằ

Các ký hiệu

Ký hi uệ Đơn vị Ý nghĩa

1 & 2 V Giá trị điện áp m t chi u m ch nghộ ề ạ ịch lưu Aalborg

P W Giá trị công suất bơm vào lưới

_ V Điện áp hi u d ng cệ ụ ủa lưới điện

_ A Dòng điện hi u d ng c a lư i đi n ệ ụ ủ ớ ệ

Ω Điện tr ở tương đương của b ộ nghich lưu Aalborg _ V Điện áp đỉnh c a điủ ện áp lưới

_ A Dòng điện đỉnh của lưới

2 H Giá trị ộ ả cu n c m m ch nghạ ịch lưu Aalborg

C F Giá trị ụ ệ ủ t đi n c a m ch nghạ ịch lưu Aalborg

Hz Giá trị ầ ố ộng hưở t n s c ng c a bộ ọủ l c LCL

Hz Giá trị ầ ố ủ t n s c a lưới điện

Hz Giá tr t n s chuy n m ch cao c a b nghị ầ ố ể ạ ủ ộ ịch lưu Aalborg

W Công suất ph n kháng trên t ả ụ

Dòng điệ ứn t c th i trên cu n c m ờ ộ ả 1

A Dòng điệ ứn t c thời phía lưới điện

Trang 6

DANH M C B NGỤ Ả

B ng 2 1 Tham s b l c LCL 29 ả ố ộ ọ

B ng 4 1 Thông s mả ố ạch lực mô ph ng 53ỏ

Trang 7

DANH MỤC HÌNH V Ẽ VÀ SƠ ĐỒ

Hình 1 1 Dạng điện áp và dòng điện qua van khi chuyển m ch cư ng b c 12 ạ ỡ ứHình 1 2 B nghộ ịch lưu nguồn áp và ngu n dòng 1 pha n(a) ồ (b) ối lưới 13 Hình 1 3 Điện và dòng áp điện chuyển m ch m m trong van 14 ạ ềHình 1 4 Nghịch lưu nguồn Z m t pha nộ ối lưới 15 Hình 1 5 B nghộ ịch lưu chuyển m ch m m t nhiên 1 pha n i lư i 16 ạ ề ự ố ớHình 1 6 B nghộ ịch lưu 2 tầng công suất nối lưới ộm t pha 17 Hình 1 7 Nguyên t c ắ hoạ ột đ ng c a b nghủ ộ ịch lưu 2 tầng công suất 17 Hình 1 8 B nghộ ịch lưu ba tầng công suất nối lưới m t pha 18 ộHình 1 9 Nguyên tắc ho t đ ng c a bộạ ộ ủ nghịch lưu ba tầng công su t 18 ấHình 1 10 Bộ nghịch lưu Aallborg loại A (a) và bộ nghịch lưu Aallborg loại B (b) 19 Hình 2 1 Bộ nghịch lưu Aalborg cấu trúc n a c u 21 ử ầHình 2 2 Mạch điện tương đương khi E1 và E2cao hơn biên độ điện áp lưới trong

nửa chu kì dương (a) và nửa chu kì âm (b) 22 Hình 2 3 Th t làm vi c c a b nghứ ự ệ ủ ộ ịch lưu khi điện áp E1 và E2 nhỏ hơn biên độđiện áp lưới trong chu kì dương (a) và âm (b) của điện áp lưới 22 Hình 2 4 Mạch tương đương trong chu kì dương củ ộa b nghịch lưu (a) trong khoảng thời gian T1 và T3, (b) trong khoảng th i gian Tờ 2 23 Hình 2 5 Mạch tương đương trong chu kì âm của b nghộ ịch lưu (a) trong khoảng thời gian T4 và T6, (b) trong kho ng th i gian Tả ờ 5 23 Hình 3 1 Sơ đồ kh i mô hình không gian tr ng thái [10] 31 ố ạHình 3 2 Sơ đồ tương đương bộ nghịch lưu Aalborg ở ch Boost 31 ế độHình 3 3 Sơ đồ ạch điệ m n thay th tr ng thái 1 32 ế ạHình 3 4 Sơ đồ ạch điệ m n thay th tr ng thái 2 33 ế ạHình 3 5 Sơ đồ ạch điệ m n b nghộ ịch lưu Aalborg ở ch Buck 38 ế độHình 3 6 Sơ đồ ạch điệ m n thay th c a ch Buck tr ng thái 1 38 ế ủ ế độ ở ạHình 3 7 Sơ đồ thay th c a ch Buck tr ng thái 2 40 ế ủ ế độ ở ạHình 3 8 Sơ đồ điều khi n b nghể ộ ịch lưu Aalborg 43 Hình 3 9 Đồ ị th Bode c a hàm truyủ ền đối tượng 45

Trang 8

Hình 3 10 Sơ điều khi n ch Boost 45 ể ở ế độ Hình 3 11 Đồ ị th Bode c a b ủ ộ điều khi n PI 46 ể Hình 3 12 Đồ ị th Bode h h bao g m b ệ ở ồ ộ điều khi n 47 ể Hình 3 13 Đáp ứng bước nh y c a hàm truy n h kín khi có b ả ủ ề ệ ộ điều khi n 47 ể Hình 3 14 Sơ đồ điều khi n ch Buck 48 ể ở ế độ Hình 3 15 Đồ ị th Bode c a đ i tưủ ố ợng khi chưa có bộ điều khi n 49 ể Hình 3 16 Đồ ị th Bode c a b ủ ộ điều khi n PI 50 ể Hình 3 17 Đồ ị th Bode h h bao g m b ệ ở ồ ộ điều khi n 50 ể Hình 3 18 Đáp ứng bước nh y c a h kín khi có b ả ủ ệ ộ điều khi n 51 ể Hình 4 1 Sơ đồ kh i t ng quát mô ph ng 54 ố ổ ỏ Hình 4 2 Sơ đồ kh i đi u khi n 54 ố ề ể

Hình 4 3 Sơ đồ kh i m ch l c b nghố ạ ự ộ ịch lưu Aalborg 55

Hình 4 4 Sơ đồ kh i ch n ch làm vi c 55 ố ọ ế độ ệ Hình 4 5 Sơ đồ kh i b ố ộ điều khi n Mode 1 56 ể ở Hình 4 6 Khối tổng h p xung 56 ợ Hình 4 7 Điện áp DC (E1, E2), điện áp lưới (Vg(t)) và dòng điện bơm vào lưới 57

Hình 4 8 Dòng điện cu n c m phía m t chi u iộ ả ộ ề LN(t) và iLP(t) 58

Hình 4 9 Biểu đồ xung cho t ng van ừ ở TH1 58

Hình 4 10 Dạng tín hiệu điện áp lưới, điện áp đầu vào một chiều và dòng điện đầu ra phía lưới 59

Hình 4 11 Dạng tín hiệu dòng điện qua các cu n c m Lộ ả P và LN 60

Hình 4 12 Dạng xung c p cho các van ng v i trư ng h p mô ph ng th hai 61 ấ ứ ớ ờ ợ ỏ ứ Hình 4 13 Dạng tín hiệu điện áp lưới, điện áp đầu vào một chiều và dòng điện đầu ra phía lưới 62

Hình 4 14 Dạng tín hiệu dòng điện qua các cuộn cảm LP và LN 63

Hình 4 15 Dạng xung c p cho các van ng v i trư ng h p mô ph ng th ba 64 ấ ứ ớ ờ ợ ỏ ứ Hình 4 16 Dạng tín hiệu điện áp lưới, điện áp đầu vào một chiều và dòng điện đầu ra phía lưới 65

Hình 4 17 Dạng tín hiệu dòng điện qua các cu n c m Lộ ả P và LN 66 Hình 4 18 Dạng xung c p cho các van ng v i trư ng h p mô ph ng th 67ấ ứ ớ ờ ợ ỏ ứ tư

Trang 9

Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành: Điều khi n & T ể ự Động Hóa

PHẦN M Ở ĐẦU

1 Lý do chọ n đ ềtài

Do nh ng thách th c v ữ ứ ề năng lượng trên toàn c u hi n nay, vi c phát tri n các ầ ệ ệ ể

b nghộ ịch lưu sử ụng năng lượ d ng tái t o có kh ạ ả năng nối được với lưới điện đang ngày càng tr nên th c s c n thi t Các nguở ự ự ầ ế ồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặ ời…có giá trịt tr điện áp dao động trong m t d i r ng, các yêu cộ ả ộ ầu

nối lưới nghiêm ng mong muặt, ốn tăng hiệu su t c a các b nghấ ủ ộ ịch lưu nối lưới Trong khuôn kh c a khóa h c Cao hổ ủ ọ ọc, chuyên ngành Điều khi n và T ng hóa ể ự độ

tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đượ ự ạo điềc s t u kiện giúp đỡ ủa nhà trườ c ng

và Tiến sĩ Phạm Việt Phương, tác gi ả đã lựa chọn đề tài t t nghi p c a mình là ố ệ ủ

“Nghiên c u b ngh ứ ộ ịch lưu nối lưới có ch ế độ hoạt động “Buck in buck” và “Boost

in boost” ở phía DC ”.

2 Cơ sở khoa h c và th c ti n cọ ự ễ ủa đề tài

Các b nghộ ịch lưu nối lưới là các b biộ ến đổi DC/AC với điều kiện điện áp hay dòng điện đầu ra có dạng hình sin có cùng biên độ ầ, t n s và góc pha so v i lư i ố ớ ớđiện và có kh ả năng bơm công suất vào lư i điớ ệ Ởn các b nghộ ịch lưu nối lưới, phía

đầu ngu n là m t ngu n DC m t chi u và yêu cồ ộ ồ ộ ề ầu đầu ra là nối lưới nên vi c nệ ối lưới điện chính là việc bơm công suất toàn ph n , bao gầ S ồm công su t ph n kháng và ấ ả Q

công su t tác d ng ấ ụ P vào lưới Trong th c t , viự ế ệc bơm công suất vào lưới bao gi ờcũng có thành phần , tuy nhiên viQ ệc đưa công suất Q v b ng không (ho c x p x ề ằ ặ ấ ỉ

b ng không) là mằ ục tiêu điều khiển đặt ra, Q càng nh càng tỏ ốt để công su t tác d ng ấ ụ

P được đưa lên lưới nhiều hơn Như vậy, vấn đề điều khi n b nghể ộ ịch lưu nối lưới

đặt ra chính là điều khi n h s công su t sao cho cos ể ệ ố ấ =1

Trong luận văn này, tác gi t p trung nghiên c u v b nghả ậ ứ ề ộ ịch lưu Aalborg [1] với các ưu đ ểi m: là b nghộ ịch lưu nối lưới hai t ng công suầ ất trong đó: tầng công suất DC/DC đóng cắ ở ầt t n s cao và cố có u trúc là c bấ ác ộ ến đổ bi i Buck Boost nên có –

kh ả năng tăng – ả gi m áp phù h p v i vi c s d ng nguợ ớ ệ ử ụ ồn năng lượng tái t o khi mà ạđiện áp DC đầu vào có kh ả năng thay đổi trong m t d i r ng chuy n m ch v i t n s ộ ả ộ ể ạ ớ ầ ố

Trang 10

cao Phía t ng công su t DC/AC chuy n m ch v i t n s ầ ấ ể ạ ớ ầ ố lưới giúp t n hao chuyổ ển

m ch trong b biạ ộ ến đổi được giảm thiểu đáng kể

3 Đố i tư ợng và ph m vi nghiên cạ ứu của đề tài

Phần m u ở đầ

Chương này sẽ trình bày các vấn đề ổ t ng quan c a các b nghủ ộ ịch lưu nối lưới,

so sánh những ưu điểm của chuy n m ch mể ạ ềm so với chuy n m ch cưỡể ạ ng b c ứ trong các b nghộ ịch lưu nối lưới M t s c u trúc b nghộ ố ấ ộ ịch lưu chuyển m ch mạ ềm cũng được đưa ra để ấy rõ hơn những ưu, nhược điể th m c a chuy n m ch m m ủ ể ạ ề

Chương 2 B ngh ộ ịch lưu Aalborg

Trong chương này sẽ trình bày nguyên lý hoạt động, các ch làm vi c cế độ ệ ủa

b nghộ ịch lưu Aalborg Các thông số ạ m ch lực cũng được tính toán ở cuối chương này

Chương 3. Mô hình hóa và thi t k b ế ế ộ điề u khi n cho b ngh ể ộ ịch lưu Aalborg

Bằng phương pháp mô hình tín hiệu nh n hành mô hình hóa b nghỏtiế ộ ịch lưu

T ừ mô hình hóa đã có, thiết k b ế ộ điều khi n cho b nghể ộ ịch lưu trong hai chế độ Buck

và Boost

Chương 4 Mô ph ng b ngh ỏ ộ ịch lưu Aalborg

Tiến hành mô ph ng b nghỏ ộ ịch lưu bằng ph n m m Matlab và ki m ch ng ầ ề ể ứ

nh ng kữ ết quả lý thuyết ở các chương trên

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Hiểu rõ, ch ng trong vi c xây d ng c u trúc b nghủ độ ệ ự ấ ộ ịch lưu Aalborg cùng bộđiều khi n, ng d ng vào các nguể ứ ụ ồn năng lượng tái t o phân tán nạ ối lưới

Để hoàn thành được luận văn này, tôi xin được g i l i cử ờ ảm ơn tới Thầy giáo -

TS PHẠM VIỆT PHƯƠNG và t p th các th y cô trong b môn T ậ ể ầ ộ ự động hóa công nghi p, Việ ện Điện, Trường Đại h c Bách Khoa Hà Nọ ội đã tận tình gi ng d y và ả ạhướng d n trong nhẫ tôi ững tháng năm qua, cũng như tạo mọi điều ki n t t nh t cho ệ ố ấ

Trang 11

tôi Và đặc bi t là tệ ới gia đình, đã cổ vũ động viên trong quá trình th c hi n lutôi ự ệ ận văn này

Cuối cùng, v i ki n th c và th i gian h n ch , ớ ế ứ ờ ạ ế tôi còn để ạ l i nhi u thi u sót ề ếtrong luận văn này Vì vậy, r t mong nhtôi ấ ận được sự góp ý t phía các th y, các cô ừ ầcũng như bạn đọc để ả b n luận văn này được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018

H c viên thọ ực hiện

Hoàng Đình Nguyễn

Trang 12

CHƯƠNG 1 - T NG QUAN V NGHỔ Ề ỊCH LƯU NỐI LƯỚI

Các b nghộ ịch lưu nối lưới cơ bản được chia thành nghịch lưu nguồn áp – VSI (Voltage source inverter) và nghịch lưu nguồn dòng CSI (Current source inverter) –Các b VSI ph i có t ộ ả ụ điện dung lượng l n ớ ở đầu vào, điện áp đầu ra b nghộ ịch ưl u ngu n áp ồ thấp hơn điện áp DC đầu vào và không cho phép ng n mắ ạch ở đầ u ra d n ẫ

đến xu t hi n th i gian ch t (deadtime) trong m i nhánh van là nguyên nhân gây ra ấ ệ ờ ế ỗnhiễu điệ ừn t EMI Các b ộ CSI đượ ử ục s d ng trong các b nghộ ịch lưu công suất lớn,

phải có điện cảm đầu vào lớn và điện áp đầu ra nghịch lưu nguồn dòng cao hơn điện

áp DC đầu vào và không cho phép làm vi c h m ch ệ ở ạ

Như vậy, c hai b nghả ộ ịch lưu nguồn dòng và ngu n áp ch th c hiồ ỉ ự ện được m t ộ

chức năng là tăng áp hoặc giảm áp B nghộ ịch lưu nguồn Z (Z Source Inverter) [2] –được đề xuất để ử ụng đầy đủ các tính năng cơ bả s d n của VSI và CSI là tăng – ả gi m

áp Tuy nhiên, so v i VSI ho c CSI, b nghớ ặ ộ ịch lưu nguồn Z có m ch c m kháng lạ ả ớn phía đầu ngu n gây tồ ổn hao điện dẫn tăng và khó khăn trong việc tính toán

Các b nghộ ịch lưu nối lưới s dử ụng năng lượng tái tạo thì có đặc điểm điện áp DC đầu vào biến đổi trong m t d i khá lộ ả ớn Ví dụ, điện áp DC đầu ra c a các b ủ ộPV (PV-

đ ệi n m t tr i) có th ặ ờ ể thay đổi khi có những thay đổ ềi v nhiệt độ, cường độ ánh sáng

m t trặ ời Để có th s d ng d ng ngu n DC biể ử ụ ạ ồ ến đổi này trong vi c nệ ối lưới, các b ộ

biến đổi hai t ng hay ba t ng công suầ ầ ất được đề xu t v i vi c chúng có th phân t ng ấ ớ ệ ể ầcông suất, đặc bi t cho các h ệ ệthống d a theo VSI V i mong muự ớ ốn điện áp đầu ra có chất lượng t t, b nghố ộ ịch lưu cần ph i chuy n m ch v i t n s ả ể ạ ớ ầ ố cao Nhưng nếu chuy n ể

m ch v i t n s cao mà chuy n mạ ớ ầ ố ể ạch cưỡng b c (hard switching) thì gây ra t n hao ứ ổđóng cắt l n khi mà trong các b biớ ộ ến đổi chuy n m ch t n s cao t n th t ch yể ạ ầ ố ổ ấ ủ ếu là tổn hao đóng cắt Vì v y s d ng chuyậ ử ụ ển m ch m m (soft switching) s giúp h n ch ạ ề ẽ ạ ế

t n hao trong các b ổ ộ biến đổi chuy n m ch v i t n s cao Và viể ạ ớ ầ ố ệc đề xu t các b ấ ộnghịch lưu nhiề ầu t ng công su t vấ ới ý tưởng ch có t ng công su t làm vi c v i tỉ ầ ấ ệ ớ ần

s ốcao ẽs giúp giảm thiểu đáng kể ổ t n hao chuyển mạch

Trang 13

1.1 Các ộb nghịch lưu sử ụ d ng chuy n m ch ể ạ cưỡng b c ứ

1.1.1 Chuy n m ch ể ạ cưỡng b c trong các b nghứ ộ ịch lưu

Chuy n mể ạch cưỡng b c là viứ ệc đóng cắt các van t m t thại ộ ời điểm b t kấ ỳ,

m c cho ặ dòng điện và điện áp trên van khác không khi van đóng cắt Trong các b ộ

biến đổi công suất, năng lượng t n hao chính trong các b biổ ộ ến đổi là tổn hao đóng

c t trên van và t n hao trên các ph n t ắ ổ ầ ử thụ độ ng Công su t tấ ổn hao đóng c t trên ắvan là do dòng điện và điện áp qua van khi đóng cắt không th b ng không m t cách ể ằ ộ

tức thời, các van phải đóng cắt trong điều kiện dòng điện và điện áp cao

Hình 1.1 cho ta th y vi c chuyấ ệ ển m ch vạ ới dòng điện và điện áp khác không, gây ra t n ổ thất công su t chuy n m ch trên van T n s chuy n m ch càng cao, công ấ ể ạ ầ ố ể ạsuấ ổt t n hao trên van càng l n Khi làm vi c chớ ệ ở ế ộ d dài h n, van chuy n m ch d ạ ể ạ ễnóng lên do công suất tổn hao chuy n thành nhiể ệt năng, điều này ảnh hưởng đến đặc tính làm vi c c a van ệ ủ thay đổi Vi c t n th t khi chuy n m ch c ng b c trên van gây ệ ổ ấ ể ạ ữ ứ

t n thổ ất lớn, hi u su t làm việ ấ ệc củ ộ ến đổi không caoa b bi

Hình 1 1 Dạng điện áp và dòng điện qua van khi chuy n mể ạch cưỡng b c ứVấn đề gây ra mất năng lượng khi chuyển mạch này có th ể được gi m t i thiả ố ểu

b ng cách thêm các m ch Snubber giằ ạ ảm di/dt hoặc dv/dt giúp gi m t n th t chuyả ổ ấ ển

m ch Tuy nhiên, v i vi c thêm mạ ớ ệ ạch Snubber vào làm tăng kích thước b biộ ến đổi

và việc di/dt hay dv/dt thay đổ ới l n làm sinh ra sóng nhiễu điệ ừn t (EMI) Quá trình này gây xung dòng điện và điện áp l n lên van ớ

Trang 14

1.1.2 M t s b nghộ ố ộ ịch lưu sử ụ d ng chuy n m ch c ng b c ể ạ ưỡ ứ

B nghộ ịch lưu ngu n áp ồ VSI như ở Hình 1.2a có nguyên lý gi m áp (step-ảdown) gi ng vố ới bộ chuyển đổi Buck, điều này có nghĩa là điện áp DC đầu vào ph i ả

lớn hơn biên độ ủa điện áp lướ c i, nếu điện áp DC đầu vào nh ỏ hơn biên độ điện áp lướ ẽ ải s x y ra hiện tượng năng lượng t ừ lưới đẩy ngược v phía ngu n DC s gây ề ồ ẽcháy n và h ng h ổ ỏ ệthống

B ngh cộ ị h lưu CSI như ở Hình 1.2b có nguyên lý tăng áp (step-up) gi ng v i ố ớ

b chuyộ ển đổi Boost, điều này có nghĩa là điện áp DC đầu vào ph i thả ấp hơn biên độđiện áp lưới [3] Cu n cộ ảm LD được thêm vào phía đầu nguồn giúp dòng điện DC đầu vào không đổi và làm tăng điện áp DC lên Nếu điện áp DC đầu nguồn cao hơn biên

c a VSI thủ ấp hơn nhưng CSI không có tổn hao do điện áp ngược

Trên th c t ự ế đầu ra điện áp DC là các nguồn năng lượng tái t o (VD: nguạ ồn phân tán PV) nh ng b biữ ộ ến đổi VSI và CSI s có nh ng h n ch khi n i vẽ ữ ạ ế ố ới lưới điện khi mà điện áp DC đầu vào có d i biả ến đổ ộng và khi đó giải pháp đưa ra là i r

c n các b nghầ ộ ịch lưu 2 chế độ tăng – ả gi m áp

Vì v y, viậ ệc sử ụ d ng các b chuyộ ển đổi DC/DC phíở a đầu ngu n vào DC có ồ

kh ả năng tăng áp và giảm áp giúp gi i quyả ết vấn đề trên

Trang 15

1.2 Các b ộ nghịch lưu sử ụ d ng chuy n m ch m m ể ạ ề

Việ ử ụng phương pháp chuyểc s d n m ch cư ng b c gây nhi u t n th t trên ạ ỡ ứ ề ổ ấvan, m t giộ ải pháp được đưa ra là sử ụ d ng b biộ ến đổ ội c ng h ng s d ng dưở ử ụ ao động

c a mủ ạch L C ạo ra điề - t u ki n chuyệ ển m ch m m cho van ạ ề

1.2.1 Chuy n m ch m m trong các b nghể ạ ề ộ ịch lưu

Chuy n mể ạch mềm xảy ra khi dòng điện hoặc điện áp trên van bằng không trước khi van đóng cắt [4] T c là van chuyứ ển mạch khi điện áp trên van b ng không (Zero ằVoltage Switching - ZVS) hoặc dòng điện trên van b ng không (Zero Current ằSwitching - ZCS) V i ZVS, van s ớ ẽ đóng (ON) lại t i thạ ời điểm điện áp trên van b ng ằkhông ho c x p x b ng không; còn v i ZCS, van s m (OFF) t i thặ ấ ỉ ằ ớ ẽ ở ạ ời điểm dòng điện trên van b ng không ho c x p x bằ ặ ấ ỉ ằng không Như vậy, công su t t n hao khi ấ ổchuy n m ch trên van b ng không ho c x p x b ng không, t n hao khi chuy n mể ạ ằ ặ ấ ỉ ằ ổ ể ạch được giảm đáng kể Hình 1.3 mô t ả dòng điện và điện áp khi chuy n mạể ch m m qua ềvan ở chế độ ZVS và ZCS

Hình 1 3 Điệ n áp dòng và điện chuy n m ch m m trong van ể ạ ềViệc chuyển mạch mềm giúp giảm được tổn hao đóng cắt trên van, cải thiện tổn hao và tín hiệu đầu ra khi sử dụng tần số cao đóng cắt Hiệu suất làm việc của bộ biến đổi được nâng cao

1.2.2 Một số cấu trúc bộ nghịch lưu nối lưới chuyển mạch mềm

a Bộ nghịch lưu nguồn Z (Z – Source Inverter)

Trang 16

Bộ nghịch lưu nguồn Z ở Hình 1.4 có mạch trở kháng đặt ở giữa nguồn DC đầu vào và mạch van bán dẫn Với việc dùng các mạch trở kháng thụ động được nối theo hình chữ Z, bộ biến đổi có thể hoạt động với nguồn DC dạng VSI hoặc CSI Điều này giúp bộ ZSI có chức năng tăng – giảm áp [2] Trên lý thuyết, việc ZSI có thể làm việc ở 2 chế độ tăng áp và giảm áp giúp cả thiện được việc nhiễu sóng điện

từ EMI Khi điện áp DC đầu vào cao hơn biên độ điện áp lưới thì bộ biến đổi sẽ làm việc như một CSI Khi điện áp DC đầu vào thấp hơn biên độ điện áp lưới thì bộ biến đổi sẽ làm việc như một VSI Như vậy, ZSI có dạng bộ biến đổi Buck Boost ở phía -nguồn DC

Hình 1 4 Nghịch lưu nguồ n Z m t pha nộ ối lưới.

Tuy nhiên, việc có mạch trở kháng được thêm vào trong mạch gây ra tổn hao điện dẫn tăng lên Việc tính toán và xác định thông số sẽ khó khăn với bộ biến đổi có dạng kiểu Buck Boost này khi mà điện áp DC đầu vào biến đổi trong một dải rộng,-

và hiệu suất của bộ biến đổi dường như không cao hơn các bộ nghịch lưu 2 chế độ thông thường khi mà các van luôn làm việc ở tần số cao [5]

b Bộ nghịch lưu chuyển mạch mềm tự nhiên (Natural Soft – Switching Inverter)

Thiết kế dựa theo các ưu điểm và khắc phục được các hạn chế của VSI và CSI,

bộ nghịch lưu chuyển mạch mềm tự nhiên [6] ở Hình 1.5 được đề xu t V i van IGBT ấ ớ

5 làm van chuyển đổi giữa 2 chế độ VSI và CSI

Nguyên lý hoạt động:

- Khi van 5 OFF, bộ nghịch lưu làm việc như mộ ột b CSI v i cu n cớ ộ ảm

có cảm kháng lớn giúp duy trì dòng điện không đổi

Trang 17

- Khi van 5 ON, bộ nghịch lưu làm việc như một bộ VSI với bộ lọc LC đầu vào và bộ lọc LCL ở đầu ra Vì vậy, bộ nghịch lưu kiểu này có thể thích hợp với điện

áp DC đầu vào thay đổi lớn, đặc biệt với máy phát điện sức gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu chỉnh lưu cầu diode

Hình 1 5 B nghộ ịch lưu chuyển mạch ề m m t nhiên 1 pha nự ối lưới.

Với ưu điểm của bộ nghịch lưu chuyển mạch mềm tự nhiên có hiệu suất cao hơn các bộ VSI và CSI truyền thống vì có nhiều công tắc chuyển mạch mềm hoặc công tắc chuyển mạch tương tự như chuyển mạch mềm Tuy nhiên, việc có cuộn cảm

và tụ điện lớn phía đầu nguồn gây một số khó khăn như tính toán và xảy ra việc lọc quá mức ở đầu vào trong chế độ VSI

c Bộ nghịch lưu 2 tầng công suất

Hình 1.6 mô tả sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu 2 tầng công suất Đây là bộ biến đổi có cấu trúc được tạo thành từ một bộ biến đổi VSI truyền thống và một bộ biến đổi Boost DC – DC Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi hai tầng công suất này như sau: Tầng công suất DC – AC được nối ở phía lưới còn tầng công suất DC –, DC được sử dụng để chuyển dải điện áp DC ở phía nguồn đầu vào sang điện áp DC ổn định để đưa vào tầng công suất DC – AC

Trang 18

Hình 1 6 B nghộ ịch lưu 2 tầng công suất nối lưới ộ m t pha

Nguyên lý hoạt động đư c th hi n Hình 1.7: ợ ể ệ ở

- Khi điện áp DC đầu vào cao hơn giá trị điện áp lướ ứi t c th i, van 5 OFF ờ

B nghộ ịch lưu làm việc như một bộ VSI thông thường với tụ ảm kháng đầ c u vào với Diode 2 n i song song gi m tố ả ổn hao dòng điện đi qua cuộn cảm và vi c có t ệ ụ

giúp điện áp DC đầ ổn định hơn Bộ ịch lưu làm việc ở chế độ “Buck” hay step down –

- Khi điện áp DC đầu vào thấp hơn giá trị điện áp lướ ứi t c th i, van ờ 5 đóng

c t v i t n s ắ ớ ầ ố cao, phía đầu ngu n DC s hoồ ẽ ạt động như mộ ột b boost DC/DC giúp điện áp DC ổn định hơn Bộ nghịch lưu làm việ ởc ch ế độ “Boost” hay step – up

Hình 1 7 Nguyên t c hoắ ạ ột đ ng c a b nghủ ộ ịch lưu 2 tầng công suất

Điểm n i b t c a b nghổ ậ ủ ộ ịch lưu này là ở ọ m i th i đi m ch ờ ể ỉ có phía đầu ngu n ồ

DC làm việc ở ầ t n s cao, các van còn l i làm viố ạ ệc ở ầ t n s ố lưới Đặc điểm này có th ểtóm g n l i trong b biọ ạ ộ ến đổi “Buck in Buck” và “Boost in Boost”, nghĩa là bộ ến bi

đổi này ch làm vi c ch ỉ ệ ở ế độ “Buck” hay “Boost” vớ ầi t n s ố cao khi “Boost” hay

“Buck” thực s c n thiự ầ ết để ả gi m t n hao do chuy n m ch gây ra Tuy nhiên, trong ổ ể ạthời gian làm việc ở chế độ “Boost” giống như ở b nghộ ịch lưu chuyển m ch mềạ m t ựnhiên v i viớ ệc lọc quá mức xảy ra, tổn hao điện d n x y ra là không th ẫ ả ểtránh khỏi

Trang 19

d B ngh cộ ị h lưu 3 tầng công su t ấ

Ở ộ b nghịch lưu hai tầng công su t trên, ch ấ ế độ “Buck” vẫn chưa được th ể

hi n rõ ràng T nhệ ừ ững ưu nhược điểm trên, b nghộ ịch lưu ba tầng công suất được đề

xuất ở Hình 1.8 V i vi c m t b ớ ệ ộ ộ Buck DC/DC được thêm vào đằng sau b Boost ộDC/DC T Hình 1.8 có th ừ ể đễ dàng nh n th y ba t ng công su t là hai t ng Boost và ậ ấ ầ ấ ầBuck DC/DC ở phía đầu ngu n và m t t ng DC/AC phía nồ ộ ầ ở ối lưới Vi c s dệ ử ụng MOSFET thay th cho IGBT ế ở phía DC/AC để ả gi m tổn hao điện dẫn, đặc bi t vệ ới

những vùng điện áp th p ấ

Hình 1 8 B nghộ ịch lưu ba tầng công suất nối lưới mộ t pha

Nguyên lý hoạ ột đ ng của bộ nghịch lưu ba tầng công suất được thể ệ ở hi n Hình 1.9

- Khi điện áp DC đầu vào cao hơn giá trị điện áp lướ ứi t c thời, b nghộ ịch lưu

hoạt động ch ế độ Buck Nghĩa là van 5 OFF, van 6 đóng cắt ở ầ ố t n s cao, các van

1 đến 4 làm việc ở ầ ố lưới t n s

- Khi điện áp DC đầu vào thấp hơn giá trị điện áp lưới tức thời, bộ nghịch lưu

hoạt động ở ch độ Boost Nghĩa là vế an 6 ON, van 5 đóng cắ ởt t n s cao, các van ầ ố

1 đến 4 làm việc ở ầ ố lưới t n s

Hình 1 9 Nguyên t c hoắ ạ ột đ ng c a b nghủ ộ ịch lưu ba tầng công su ất

Trang 20

Như vậy, m i thở ọ ởi điểm chỉ có m t ch m vi c và ch có mộ ế độlà ệ ỉ ột van đóng

cắt ở ầ ố t n s cao ( 5 hoặc 6) các van còn l i làm viạ ệc ở ầ t n s ố lưới Như vậy, t n hao ổtrên van được gi m thiểu đáng kểả M c dù là b nghặ ộ ịch lưu ba tầng công suất, nhưng

hi u su t trung bình c a b biệ ấ ủ ộ ến đổi có th ể lên đến 98% và hi u suệ ất đỉnh có th ể đạt 98,6% trên 1KW khi v n hành ậ

Tuy nhiên, b nghộ ịch lưu này vẫn chưa giải quyết được vấn đề ọ l c quá m c ứnhư ở ộ b nghịch lưu hai tầng công su t nêu trên Ngoài ra, trong suấ ốt chế độ “Buck”,

b l c LC có th gây ra mộ ọ ể ộ ố ấn đề khi điềt s v u khi n b i vì nó thêm mể ở ột điểm không vào

e Bộ nghịch lưu Aalborg

Nhằm gi i quyế ấ đề ọả t v n l c quá m c vì b lứ ộ ọc LC phía đầu vào b ngh ch ở ộ ịlưu ba t ng công su t không c n thi t nên b nghầ ấ ầ ế ộ ịch lưu Aalborg được đề xu t v i ấ ớtên g i: b nghọ ộ ịch lưu “ Buck in Buck” và “Boost in Boost” kiểu m i nớ ối lưới một pha g m loồ ại A ở Hình 1.10a và loại B ở Hình 1.10b

Hình 1 10 B nghộ ịch lưu Aallborg loại A (a) và b nghộ ịch lưu Aallborg loại B

(b)

B nghộ ịch lưu Aalborg được thi t k d a trên b nghế ế ự ộ ịch lưu ba tầng công su t, ấ

b nghộ ịch lưu Aalborg làm việc ở hai ch ế độ trong đó chỉ ộ m t ch phía DC/DC ế độ ởlàm việc ở ầ ố t n s cao và phía DC/AC làm việc ở ầ ố lướ t n s i Việc thay đổ ấi c u trúc khi mà k t h p 2 ch Buck và ch Boost giúp gi m thiế ợ ế độ ế độ ả ểu m t cu n c m và mất ộ ộ ả

Trang 21

đi tụ vi c l c quá mệ ọ ức phía đầu nguồn được tri t tiêu c u trúc b nghệ Ở ấ ộ ịch lưu

loại A, cu n cộ ảm L P hoặc L N s dử ụng cho trường hợp điện áp dương và điện áp âm đóng vai trò như cuộn c m trong các b biả ộ ến đổi Buck (ho c Boost) nh m th hi n ặ ằ ể ệđặc tính tăng – ả gi m áp c a b nghủ ộ ịch lưu Bộ nghịch lưu loại B s d ng m t cu n ử ụ ộ ộ

cảm L M s d ng cho c hai n a chu k ử ụ ả ử ỳ âm và dương giúp tiết kiệm hơn nhưng có nguyên lý tương tự như loại A

Như vậy, b nghộ ịch lưu Aalborg đã cải thiện được các nhược điểm c a b ủ ộnghịch lưu 3 tầng công suất (như lọc quá mức đầu vào, t i thi u hóa c m kháng cố ể ả ủa

b l c trong mộ ọ ạch) đồng th i v n gi ờ ẫ ữ nguyên được ưu điểm đó là chuyển m ch m m ạ ềqua van Nh ờ đó, bộ nghịch lưu Aalborg đạt được hi u suệ ất cao hơn so với nh ng b ữ ộnghịch lưu khác với cùng điều ki n c a nguệ ủ ồn DC đầu vào

Trang 22

CHƯƠNG 2 - B NGHỘ ỊCH LƯU AALBORG

2.1 C u trúc, nguyên lý hoấ ạ t đ ộng

2.1.1 C u trúc b ngh ch lấ ộ ị ưu Aalborg cấu trúc nửa cầu

Hình 2 1 B nghộ ịch lưu Aalborg cấu trúc n a c u ử ầ

B nghộ ịch lưu có cuộn cảm Lp phía m t chi u thay vì hai cu n cở ộ ề ộ ảm như

c u trúc nghấ ịch lưu ba tầng công suất So sánh v i b nghớ ộ ịch lưu 3 tầng công suất, b ộnghịch lưu Aalborg có tầng “Boost” và tầng “Buck” hoán đổi cho nhau và luân phiên làm vi c m t cách linh hoệ ộ ạt Như vậy, b nghộ ịch lưu Aalborg đã tiết kiệm được một cuộ ản c m so v i cớ ấu trúc ba t ng kiầ ểu cũ Theo lí thuyết thì tổn th t công suấ ất dẫn s ẽ

giảm và đạt được hiệu suất cao hơn

C u trúc b nghấ ộ ịch lưu Aalborg gồm các khối chính như sau:

 Khối nguồn đầu vào DC (E 1 , E 2) có nhi m v cung cệ ụ ấp năng lượng cho lưới Nguồn DC đầu vào có d i biả ến đổ ội r ng t 150-350V, phù h p v i các ng ừ ợ ớ ứ

d ng s d ng các nguụ ử ụ ồn năng lượng tái t o ạ

 Khối DC/DC g m t ng Buck, Boost v i các van MOSFET Sồ ầ ớ 1 , S 2 , S 4 , S 5 làm

vi c v i t n s cao và các diode ệ ớ ầ ố D 1,D 4 chuy n m ch nhanh Kh i này có nhiể ạ ố ệm

v biụ ến điện áp DC m t chiộ ều chưa phù hợp thành điện áp phù hợp để đảm

bảo điều ki n nệ ối lưới

 Khối DC/AC g m MOSFET ồ S 3 và S 6 chuy n mể ạch t n s ở ầ ố lướ ới v i nhi m v ệ ụchuy n nguể ồn năng lượng DC sang lưới

Trang 23

2.1.2 Nguyên lí hoạ ột đ ng của bộ nghịch lưu Aalborg

a Khi điện áp m t chi u lộ ề ớn hơn biên độ ện áp lướ đi i (|E 1| ho c |ặ E 2| ≥ Vg_A)

Hình 2 2 Mạch điện tương đương khi E1 và E 2cao hơn biên độ điện áp lưới

trong nửa chu kì dương (a) và nửa chu kì âm (b)

Khi biên độ điện áp lưới V g_A lớn hơn điện áp DC đầu vào thì mạch tương đương của b nghộ ịch lưu Aalborg như Hình 2.2 Trong suốt chu kì dương của điện

áp lưới (Hình 2.2(a)), S3 ON, S 2 OFF, S 1 làm việc ở t n s ầ ố cao để đạt được dòng điện bơm vào lưới hình sin và E1 cung c p toàn b nấ ộ ăng lượng Tương tự trong su t chu ố

kì âm của điện áp lưới V g (Hình 2.2(b)), S 6 ON, S 5 OFF, S 4 làm việc ở ầ ố cao, E t n s 2

lúc này s cung cẽ ấp năng lượng bơm vào lưới B nghộ ịch lưu lúc này làm việc như là

một bộ VSI nối lưới thông qua b lộ ọc LCL

b Khi điện áp m t chi u nh ộ ề ỏ hơn biên độ điện áp lưới (|E1 | và |E2| < V g_A)

Hình 2 3 Thứ ự t làm việc của b nghộ ịch lưu khi điện áp E 1 và E 2 nh ỏ hơn biên

độ điện áp lưới trong chu kì dương (a) và âm (b) của điện áp lưới

Khi điện áp DC đầu vào (E 1 , E 2) nh ỏ hơn biên độ điện áp lưới (V g_A), việc điều khi n tr nên ph c tể ở ứ ạp hơn Hình 2.3 mô t trình t hoả ự ạt động c a b nghủ ộ ịch lưu

Trang 24

Aalborg khi điện áp DC đầu vào nh ỏ hơn biên độ điện áp lưới Trình t s ự ẽ được chia làm sáu phần trong một chu kì điện áp lưới

Hình 2 4 Mạch tương đương trong chu kì dương của b nghộ ịch lưu (a) trong

khoả ng th i gian Tờ 1 và T 3, (b) trong kho ng thả ời gian T2

Trong kho ng ả T 1 và T 3 , S 3 mở ON, S 1 làm việc ở ầ ố t n s cao, t t c ấ ảcác van còn

lại đóng OFF Mạch tương đương được ch ra Hình 2.4(a), lúc này b nghỉ ở ộ ịch lưu làm việc như mộ ột b Buck với bộ ọ l c LCL k t nế ối vào lưới

Trong kho ng ả T 2 , S 1 và S 3 mở ON, S 2 làm việc ở ầ ố t n s cao, t t c ấ ảcác van còn lại ở ạng thái đóng OFF Mạch tương đương như tr Hình 2.4(b), lúc này b nghộ ịch lưu làm vi c giệ ống như mộ ộ ến đổt b bi i Boost v i b lớ ộ ọc CL nối lưới Nếu dòng điện c a ủcuộ ản c m Boost có th ể điều khiển hoàn toàn được thì mạch tương đương có thể xem như mộ ột b CSI

Hình 2 5 Mạch tương đương trong chu kì âm của b nghộ ịch lưu (a) trong

khoả ng th i gian Tờ 4 và T 6 , (b) trong kho ng thả ời gian T5

Tương tự, trong kho ng th i gian ả ờ T 4 và T 6 , S 6 ON, S 4 đóng cắ ở ầt t n s cao, tố ất

c các van còn lả ại ở trạ ng thái OFF Mạch tương đương được ch ra Hình 2.5(a), ỉ ởlúc này b nghộ ịch lưu làm việc như một bộ Buck với bộ ọc LCL ế ố l k t n i vào lưới

Trong kho ng ả T 5 , S 4 và S 6 mở ON, S 5 làm việc ở ầ t n s cao, t t c các van còn ố ấ ả

lại ở trạng thái đóng OFF Mạch tương đương ở Hình 2.5(b), lúc này b nghộ ịch lưu

Trang 25

làm vi c giệ ống như mộ ộ ến đổt b bi i Boost v i b lớ ộ ọc CL nối lưới Nếu dòng điện c a ủcuộ ản c m Boost có th ể điều khiển hoàn toàn được thì mạch tương đương có thể xem như mộ ột b CSI

T nh ng phân tích trên, có th ừ ữ ở ểthấ ằy r ng b nghộ ịch lưu Aalborg không thểxem đơn giản như là bộ VSI hoặc CSI đơn thuần Đặc điểm n i b t c a c a b nghổ ậ ủ ủ ộ ịch lưu này là cảm kháng c a b l c trong vòng công su t là nh nh t nên vi c quá l c ủ ộ ọ ấ ỏ ấ ệ ọ

s không x y ra, vì th theo lí thuy t thì b nghẽ ả ế ế ộ ịch lưu này có lợi th ế để đạt được hi u ệsuất cao hơn với cùng m t đi u kiộ ề ện điện áp DC đầu vào

2.2 Tính toán thông số ạ m ch l c ự

Do b nghộ ịch lưu có tính đố ứi x ng, vi c tính ch n van s ệ ọ ẽ tương tự ở ử n a chu

kì dương cũng như nửa chu kì âm

Yêu cầu b nghộ ịch lưu:

 Điện áp DC đầu vào dao động trong d i Uả DC = 150V ÷ 350V

 Công suấ ủ ột c a b ngh ch ị lưu P = 2000W

 Điện áp xoay chi u Về g = 220 (V)

nghịch lưu V g chính bằng điện áp lưới điện Và công suất đầu vào DC b ng công suằ ất đầu ra bơm vào lưới Áp dụng định luật Ohm, điện tr ở tương đương ứng v i công ớsuất nối lưới như sau:

P = hay Rf = (2.1)Trong đó:

Trang 26

 V g-RMS: giá tr hi u d ng cị ệ ụ ủa điện áp lưới

 P: công suất phát vào lưới

T ừ đó, suy ra điện tr ở tương đương ứng v i công su t nớ ấ ối lưới như sau:

R f = =24.2 Ω

b Tính chọn van nghịch lưuS 3 , S 6

Mục tiêu điều khiển là hướng tới điện áp và dòng điện đồng pha nhau, tức cosφ = 1, do v y công su t toàn ph n c a b nghậ ấ ầ ủ ộ ịch lưu lúc này cũng chính bằng công suất hi u d ng ệ ụ

ho ng h t công su Dòng điện bơm vào lưới trung bình khi ạ ột đ ế ất:

I g_RMS = = = 9.1A (2.2) c

Biên độ ủa dòng bơm vào lưới: Ig_A = Ig_RMS = 12.85A (2.3)

T n s làm vi c c a van phía nghầ ố ệ ủ ịch lưu là 50Hz Điện áp chịu đựng l n ớ

nh t bấ ằng biên độ điện áp lưới

n t qua diode Dòng điệ ối đa D1: I D1_Max = I g_A = 12.85A

L y h s d k = 2, ch n diode có dòng làm viấ ệ ố ựtrữ ọ ệc I = 25.7A

, t

Giả thiết dòng đi qua tụ là không đáng kể ừ đây ta có dòng qua van S 1 và

S 4 ởchế độ Buck: I Buck_Max =I g_A= = 12.85 A (2.4)

Trang 27

T n s làm viầ ố ệc của van là 40 kHz

n van Chọ S 1 và S 4 có dòng làm vi c : ệ I 1_Buck = k.I Buck_Max = 2I Buck_Max = 25.7 A

V i k = 2 là h s ớ ệ ố đã bao gồm độ ự d trữ

 Mạch ở chế độ Boost

n qua Dòng điệ S 2 và S 5 ở chế độ Boost s l n nhẽ ớ ất khi mà điện áp U DC =

150V và V g = 220 V

Dòng qua van S 2 và S 5 ởchế độ Boost:

I Boost_Max = = = 26.67 A (2.5)

Chọn van S 2 và S 5 chịu được dòng điện:

I 1_Boost = k.I Boost_Max = 1.5 I Boost_Max= 40A

Tiêu chu n 2: Tẩ ổng điện cảm L1 và L 2 phải đủ nh ỏ để điện áp rơi trên cuộn

cảm trong suốt quá trình hoạ ột đ ng nh ỏ hơn 10% điện áp định mức của lưới

Tiêu chu n 3: Giá tr c a cu n cẩ ị ủ ộ ảm L1thỏa mãn độ đập mạch dòng điện nh ỏhơn 40%

Tiêu chu n 4: Tiêu chu n IEEE 519-1992 khuy n ngh các sóng hài b c cao ẩ ẩ ế ị ậhơn 35 có biên độ dòng điện nh ỏ hơn 0.3% biên độ dòng điệ ở ần t n s lư i ố ớ

Tiêu chu n 5: T n s cẩ ầ ố ộng hưởng f res hay ω res n m trong khoằ ảng mườ ầi l n

t n s ầ ố lưới và m t n a t n s chuy n mộ ử ầ ố ể ạch để không gây ra các vấn đề ộng hưở c ng trong phổ sóng hài th p và cao ấ

Trang 28

D a vào các tiêu chu n nêu ự ẩ ở trên, ta đi vào tính toán cụthể thông s b lố ộ ọc LCL cho b nghộ ịch lưu Aalborg, ở đây bộ ọ l c LCL bao g m: cu n cồ ộ ảm LP (hoặc L N);

t ụ điện và cu n cC ộ ảm L2

 Tính chọ ụn t : DC ựa trên công su t ph n kháng tiêu th ta tính ch n t ấ ả ụ ọ ụ C

V i các thành ph n t n s 50 Hz, c m kháng cớ ầ ầ ố ở ả ủa cuộ ản c m có th b qua, ể ỏ

do đó điện áp rơi trên cuộn c m r t nh , có th b qua giá tr ả ấ ỏ ể ỏ ị đó Vì vậy, điện áp trên

t ụV C lúc này s x p x bẽ ấ ỉ ằng điện áp V g Với cosφ = 1 thì công su t hi u d ng s b ng ấ ệ ụ ẽ ằcông suất toàn ph n ầ Do đó, công suất phản kháng tiêu th ụtrên tụ:

Áp d ng tiêu chu n 1 và t ụ ẩ ừ phương trình(2.6) ta tìm được gi i h n giá tr t ớ ạ ị ụđiện C như sau:

C ≤ 5%× (2.7) Thay các giá tr vào công thị ức (2.7) ta được:

C ≤ 5%× = 6.6 µF (2.8)

 Theo tiêu chuẩn 2: 0.1Vg

Trong đó là điện áp rơi trên cuộn cảm L= L1 +L 2; V g là điện áp lưới

Chọn độ đậ ạch dòng điệ ịu đự ịch lưu để ọ L 1

B qua ỏ điện áp rơi trên cuộn cảm L2 và theo tài li u [9]: ệ

(2.9)

là h s u ch xác l p, Trong đó: D ệ ố điề ế ậ U DClà điện áp m t chiộ ều đầu vào, UC

là điện áp trên t , Tụ SWlà chu kì băm xung PWM

Biến đổi hệ phương trình (2.9) ta được:

(2.10)

Trang 29

Theo ệ cuộ ảm phía lưới L2 có th ể chọn b ng cu n c m phía ằ ộ ảnghịch lưu hoặc nhỏ hơn để ổn định, do đó ta có thể chọn:

Trang 30

Nội dung chương này làm rõ cấ ạu t o c a b nghủ ộ ịch lưu Aalborg, nguyên lý

hoạt động ứng v i t ng ch ớ ừ ế độ Buck là khi điện áp DC cao hơn điện áp lưới và Boost

là khi điện áp DC đầu vào nh ỏ hơn điện áp lưới Tính toán thông s m ch l c m t ố ạ ự ộcách c ụthể thông qua các tiêu chu n ẩ Ở chương tiếp theo, s ẽ đi vào mô hình hóa và tính toán bộ điều khi n cho b nghể ộ ịch lưu Aalborg

Trang 31

CHƯƠNG 3 - MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾ T K B ĐI U KHI N Ế Ộ Ề Ể

3.1 Mô hình hóa b ộ nghịch lưu Aalborg

Quá trình thi t k m t h ế ế ộ ệ thống điều khiển thường được th c hiự ện sau bước

mô hình hóa, phân tích h ệthống, ch n b ọ ộ điều khi n phù hể ợp Trong đó mô hình hóa

là bước c u n i giầ ố ữa đối tượng v t lí và lí thuyậ ết điều khi n Tính chính xác c a mô ể ủhình ảnh hưởng tr c tiự ếp đến chất lượng h thốệ ng S dụng phương pháp mô hình tín ử

hi u nh ệ ỏ để mô hình hóa b biộ ến đổi Mô hình tín hi u nh theo lí thuy t ch phù hệ ỏ ế ỉ ợp

với đầu ra là h ng s , tuy nhiên có th ằ ố ể coi điện áp lưới như là “trạng thái ổn định” do

t n s ầ ố đóng cắt ớn hơn rất nhiề ầl u l n so với tầ ố lưới n s

Các van bán dẫn được lí tưởng hóa để ễ d dàng phân tích

Để mô hình hóa được thu n ti n và d quan sát, các kí hi u sau s ậ ệ ễ ệ ẽ được s ử

d ng: ụ

 E mô t ả điện áp đầu vào một chiều E 1 hoặc E 2

 i 1 mô t ả dòng điện cu n c m m t chi u ộ ả ộ ề L P hoặc L N

 i g mô t ả dòng điện cu n c m xoay chi u ộ ả ề L 2

 L 1 mô t ảcuộ ảm Ln c P hoặc L N

 Điện tr trong c a hai cu n c m Lở ủ ộ ả P hoặc L N là R 1

Theo tài liệu [10], mô hình không gian tr ng thái t ng quát có d ng chu n hóa ạ ổ ạ ẩnhư sau :

Trong đó:

Vector u là vector tín hiệu vào

Vector y là vector tín hiệu ra

Vector x là vector tín hiệu tr ng thái ạ

Trang 32

Ma trận A là ma tr n h ậ ệthống

Ma trận B là ma trận điều khi n ể

Hai ma tr n ậ C và D là các ma trận đầu ra

Biểu di n h ễ ệ phương trình mô tả không gian trạng thái trên sơ đồ khối như Hình 3.1:

Hình 3 1 Sơ đồkhố i mô hình không gian tr ng thái ạ [10]

3.1.1 Mô hình bộ ến đổ bi i trong ch ế độBoost

B nghộ ịch lưu Aalborg làm việc ở chế độ Boost có sơ đồ thay th ế như ởHình 3.2 V i nguyên lý van ớ 2đóng cắt với tầ ốn s cao Các van 1, 3 ON và các van còn

lại OFF

Hình 3 2 Sơ đồ tương đương bộ nghịch lưu Aalborg ở chế độ Boost

Ở ạ tr ng thái 1 van 2 ON trong th i gian [ +ờ t; t dTs] ta có sơ đồ ạch điệ m n thay thế ở Hình 3.3

Trang 33

Hình 3 3 Sơ đồ ạch điệ m n thay th ng thái 1 ếtrạ

Áp dụng định luật Kirchhoff 1và 2 có được h ệ phương trình mô tả ạch điệ m n

ứng v i ch Boost tr ng thái 1 v i van ớ ế độ ở ạ ớ S ON và diode D OFF :

Trang 34

Hình 3 4 Sơ đồ ạch điệ m n thay th ng thái 2 ếtrạ

Khi đó, điện áp trên t và ụC L 2 được nạp năng lượng, điện áp V Ckhi đó bằng điện áp ngu n cồ E ộng với điện áp trên L 1 và phần điện áp rơi trên điện tr ởcuộ ảm n c

R 1 Vì v y, tính chậ ất đặc trưng của ch Boost c a b nghế độ ủ ộ ịch lưu là điện áp ra l n ớhơn điện áp vào

S dử ụng các định luật Kirchhoff 1 và 2 vào sơ đồ ạch ở m Hình 3.4 ta có h ệphương trình mô tả sơ đồ ạch điệ m n b nghộ ịch lưu ở ch Boost trong tr ng thái 2 ế độ ạ

với van S OFF và diode D ON:

Trang 35

Trang 36

Theo tài li u [11], mô hình trung bình mô t mệ ả ạch điện v i s tham gia cớ ự ủa hệ

Tiêu đề	Nghiên Cứu Bộ Nghịch Lưu Nối Lưới Có Chế Độ Hoạt Động “Buck In Buck” Và “Boost In Boost” Ở Phía DC
Tác giả	Hoàng Đình Nguyễn
Người hướng dẫn	TS. Phạm Việt Phương
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	3,19 MB