Nghiên ứu hệ thống điều khiển hế độ làm việ song song ủa bộ bán dẫn ông suất trong nguồn phát phân tán dùng bộ điều khiển dòng deadbeat

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN HÙNG CƯỜNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA BỘ BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG DEADBEAT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI, NĂM 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131846121000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Trần Hùng Cường NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA BỘ BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG DEADBEAT Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngành: Điều khiển Tự động hóa NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Trần Trọng Minh HÀ NỘI, NĂM 2013 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .8 Chương I YÊU CẦU VỀ BỘ BÁN DẪN CÔNG SUẤT DÙNG CHO KẾT NỐI NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ 11 1.1 Yêu cầu chế độ độ làm việc bán dẫn công suất dùng cho kết nối nguồn phát phân tán .11 1.2 Ứng dụng biến đổi đa mức dùng cầu H hệ thống điện thông minh 14 1.3 Xây dựng cấu trúc biến đổi đa mức dùng cầu chữ H 17 1.3.2 Khâu cách ly DC-AC 19 1.3.3 Xây dựng sơ đồ cấu trúc biến đổi đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng 20 Chương II NGHỊCH LƯU ĐA MỨC DÙNG CẦU H-BRIDGE NỐI TẦNG 22 2.1 Nghịch lưu nguồn áp đa mức nối tầng kiểu cầu H-Brige pha 22 2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa cấp nối tầng dùng cầu H-Brige 24 2.2.1 Điều chế hai cấp điện áp phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu H-Bridge 25 2.2.2 Điều chế ba cấp điện áp phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu HBridge 26 2.2.3 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức 27 2.3 Mô nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng pha 32 2.3.1 Mô nghịch lưu mức dùng cầu H-Bridge pha 32 2.3.2 Mô nghịch lưu mức dùng cầu H-Bridge pha 34 2.4 Mô nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng ba pha 36 2.4.1 Mô nghịch lưu ba pha mức dùng cầu H-Bridge 36 2.3.2 Mô nghịch lưu mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 37 Chương III CHỈNH LƯU TÍCH CỰC ĐA MỨC DÙNG CẦU H –BRIDGE NỐI TẦNG 40 3.1 Chỉnh lưu tích cực pha 40 3.2 Chỉnh lưu tích cực ba pha 43 3.3 Mạch vịng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực 46 3.3.1 Mạch vòng dòng điện 47 3.3.2 Mạch vòng điện áp 52 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp 3.4 Hệ thống điều khiển mô chỉnh lưu tích cực pha 54 3.4.1 Mơ chỉnh lưu tích cực pha mức điều chỉnh PID để điều chỉnh điện áp 54 3.4.2 Mơ chỉnh lưu tích cực pha mức dùng điều chỉnh Deadbeat để điều chỉnh điện áp 57 3.4.3 Mô chỉnh lưu tích mức pha dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 60 3.5 Mơ chỉnh lưu tích cực ba pha 66 3.5.1 Mô chỉnh lưu tích cực ba pha mức 66 3.5.2 Chương IV Mô chỉnh lưu ba pha đa mức ba pha 69 BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC DÙNG MATRIX-CONVERTER 73 4.1 Sơ đồ DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao dùng Matrix-Converter 73 4.2 Điều chế PWM cho biến đổi DC-AC-AC dùng sơ đồ Matrix Converter 74 4.3 Điều khiển chuyển mạch cho Matrix-Converter 76 4.3.1 Vấn đề chuyển mạch cho van bán dẫn hai chiều 76 4.3.2 Thiết kế điều khiển chuyển mạch cho Matrix Converter 79 4.4 Mô sơ đồ DC-AC-AC pha sử dụng sơ đồ Matrix Converter 82 4.5 Mô khâu DC-AC-AC pha mức sử dụng sơ đồ Matrix Converter 87 Chương V BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC-AC CĨ KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI CƠNG SUẤT HAI CHIỀU 90 5.1 Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi cơng suất hai chiều pha 90 5.2 Mô biến đổi AC-DC-AC-AC ba pha mức có khả trao đổi cơng suất hai chiều 95 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤC LỤC .101 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc biến đổi AC-DC-AC có khâu trung gian chiều 12 Hình 1.2 Cấu trúc biến đổi chế độ nối lưới 13 Hình 1.3 Cấu trúc biến đổi chế độ ốc đảo 14 Hình 1.4 Chuyển đổi từ việc kết nối nguồn phân tán chế độ ốc đảo 14 Hình 1.5 Mơ hình mạng lưới hệ thống điện thơng minh 15 Hình 1.6 Cấu trúc mơ hình hệ thống điện thơng minh 16 Hình 1.7 Cấu trúc biến đổi ba cổng kết nối nguồn/lưới với 17 Hình 1.8 Cấu trúc biến đổi hai cổng kết nối nguồn/lưới với 17 Hình 1.9 Mơ hình cấu trúc biến đổi 18 Hình 1.10 Mơ hình biến đổi pha với khâu cách ly DC-DC 19 Hình 1.11 Mơ hình biến đổi pha với khâu cách ly DC-AC kết hợp với khâu MatrixConverte 19 Hình 1.12 Cấu trúc tổng quát ba pha biến đổi AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao 21 Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu đa mức nối tầng dùng cầu H-bridge 22 Hình 2.2 Sơ đồ cầu H-Bridge 23 Hình 2.3 Đồ thị mô tả phương pháp PWM 24 Hình 2.4 Sơ đồ trình tạo xung vng hai bậc từ sóng sin xung tam giác 26 Hình 2.5 Sơ đồ ều ch ế nghị ch lưu đa mức sử dụng hai sóng sin chuẩ n ngư ợc pha 180 o 26 Hình 2.6 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức dùng hai sóng tam giác lệch pha 180 o 27 Hình 2.7 Hình dạng tín hiệu sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang .28 Hình 2.8 Sơ đồ nghịch lưu áp đa mức ba pha 28 Hình 2.9 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức phương pháp đa sóng mang sử dụng hai sóng sin chuẩn lệch pha 180 o 29 Hình 2.10 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức phương pháp đa sóng mang sử dụng hệ thống xung tam giác lệch pha 180 o 29 Hình 2.11 Hình dạng tín hiệu điều chế phương pháp đa sóng mang nghịch lưu đa mức 30 Hình 2.12 Tín hiệu điều chế nghịch lưu với hệ số điều chế thấp 31 Hình 2.13 Tín hiệu điều chế nghịch lưu với hệ số điều chế cao 32 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu pha mức 32 Hình 2.15 Mơ hình mơ nghịch lưu pha mức 33 Hình 2.16 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều nghịch lưu pha 33 Hình 2.17 Hình dạng điện áp phía xoay chiều nghịch lưu pha 33 Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu pha mức 34 Hình 2.19 Mơ hình mơ nghịch lưu mức pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 34 Hình 2.20 Mơ hình mơ khâu điều chế PWM mức 35 Hình 2.21 Hình điện áp phía xoay chiều nghịch lưu mức pha 35 Hình 2.22 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều nghịch lưu mức pha 35 Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu ba pha mức 36 Hình 2.24 Mơ hình mơ nghịch lưu mức ba pha dùng cầu H-Bridge 36 Hình 2.25 Hình dạng điện áp nghịch lưu ba pha 36 Hình 2.26 Hình dạng điện áp nguồn xoay chiều nghịch lưu ba pha 37 Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu ba pha mức ba pha 37 Hình 2.28 Mơ hình mơ nghịch lưu mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 38 Hình 2.29 Hình dạng dịng điện nguồn xoay chiều nghịch lưu mức ba pha 38 Hình 2.30 Hình dạng điện áp nguồn xoay chiều nghịch lưu mức ba pha 39 Hình 3.1 Sơ đồ chỉnh lưu pha 40 Hình 3.2 Mạch điện tương đương (a) biểu đồ vector (b) 41 Hình 3.3 Chiều dòng điện V1, V4 điều khiển mở, iL< 42 Hình 3.4 Chiều dòng điện V2, V3 điều khiển mở, iL> 43 Hình 3.5 Sơ đồ chỉnh lưu tích cực ba pha 44 Hình 3.6 Mơ hình mạch vịng dịng điện dùng điều chỉnh PI tuyến tính 48 Hình 3.7 Kết mơ biến dịng điện mơ hình VSI với PI tuyến tính (a) điều khiển để đáp ứng dòng điện thực bám sát với biên độ dòng điện đặt 48 Hình 3.8 Đồ thị giải thích ngun lý hệ điều khiển dịng theo ngưỡng deadbeat 50 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển chỉnh lưu tích cực dùng điều chỉnh dịng điện theo ngưỡng deadbeat, tần số đóng cắt không đổi 50 Hình 3.10 Mạch vịng điều khiển điện áp 53 Hình 3.11 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực pha dùng PID cho mạch vịng dịng điện 54 Hình 3.12 Cấu trúc điều chỉnh dòng điện PID 55 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Hình 3.13 Cấu trúc mơ khâu điều chế độ rộng xung PWM 55 Hình 3.14 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 56 Hình 3.15 Hình dạng điện áp vào biến đổi 56 Hình 3.16 Hình dạng điện áp phía chiều 57 Hình 3.17 Hình dạng dịng điện điện áp phía nguồn xoay chiều 57 Hình 3.19 Cấu trúc điều chỉnh deadbeat 58 Hình 3.20 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha dùng điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điện 58 Hình 3.21 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 59 Hình 3.22 Hình dạng điện áp nguồn điện áp đầu vào phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 59 Hình 3.23 Hình dạng điện áp phía chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 59 Hình 3.24 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực đa mức pha dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 60 Hình 3.25 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha mức dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 61 Hình 3.26 Hình dạng điện áp phía chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 62 Hình 3.27 Hình dạng điện áp nguồn dịng điện phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 62 Hình 3.28 Hình dạng điện áp đầu vào phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 62 Hình 3.29 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực đa mức pha dùng điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điện 63 Hình 3.30 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha mức dùng điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điện 64 Hình 3.31 Hình dạng điện áp vào sơ đồ H-Bridge chỉnh lưu mức 65 Hình 3.32 Hình dạng dịng điện, điện áp phía xoay chiều chỉnh lưu mức 65 Hình 3.33 Hình dạng điện áp phía chiều chỉnh lưu mức 65 Hình 3.34 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tựa theo điện áp cho chỉnh lưu tích cực ba pha mức 67 Hình 3.35 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực ba pha mức dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 68 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Hình 3.36 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều chỉnh lưu ba pha mức .69 Hình 3.37 Hình dạng điện áp phía xoay chiều chỉnh lưu ba pha mức 69 Hình 3.38 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tựa theo điện áp cho chỉnh lưu tích cực ba pha mức 70 Hình 3.39 Mơ hình mơ mạch nghịch lưu đa mức pha dùng điều chỉnh deadbeat 71 Hình 3.40 Hình dạng điện áp pha phía chiều 71 Hình 3.41 Hình dạng dịng điện ba pha phía xoay chiều chỉnh lưu tích cực ba pha mức 72 Hình 3.42 Hình dạng điện áp ba pha phía xoay chiều 72 Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc khâu chuyển mạch van hai chiều Matrix-Conveter 73 Hình 4.2 Sơ đồ điều chế độ rộng xung PWM cho Matrix Converter 75 Hình 4.3 Chuyển mạch nghịch lưu thường 77 Hình 4.4 Sơ đồ mơ tả q trình chuyển mạch 77 Hình 4.5 Đồ thị tín hiệu điều khiển chuyển mạch 78 Hình 4.6 Trạng thái logic van chuyển mạch bốn bước 78 Hình 4.7 Đồ thị bóng trạng thái chuyển mạch hai pha đầu vào 80 Hình 4.8 Trạng thái logic van trình chuyển mạch 80 Hình 4.9 Sơ đồ chuyển mạch van bốn bước từ va S1 sang van S2 ngược lại 81 Hình 4.10 Sơ đồ chuyển mạch van bốn bước từ va S3 sang van S4 ngược lại 81 Bảng 4.11 Bảng trạng thái lơgic q trình chuyển mạch 81 Hình 4.12 Mơ hình mơ khâu DC-AC pha dùng sơ đị Matrix Converter 83 Hình 4.13 Mơ hình mạch chuyển đổi công suất hai chiều 84 Hình 4.14 Mơ hình mạch điều khiển qua trình trao đổi cơng suất hai chiều 84 Hình 4.15 Mơ hình mơ mạch điều khiển trình chuyển mạch dùng ToolBox StateFlow 85 Hình 4.16 Hình dạng điện áp đầu phía xoay chiều khâu DC-AC 86 Hình 4.17 Hình dạng Zoom điện áp đầu phía xoay chiều khâu DC-AC 86 Hình 4.19 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều khâu DC-AC 86 Hình 4.20 Cấu trúc điều khiển cho khâu DC-AC -AC mức sử dụng sơ đồ Matrix Converter 87 Hình 4.21 Mơ hình mơ khâu DC-AC pha mức dùng sơ đồ Matrix Converter 88 Hình 4.22 Hình dạng điện áp phía xoay chiều khâu DC-AC pha mức 89 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Hình 4.23 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều khâu DC-AC pha mức 89 Hình 4.24 Hình dạng điện áp đầu vào phía xoay chiều khâu DC-AC pha mức 89 Hình 4.25 Hình dạng điện áp phía chiều khâu DC-AC pha mức 89 Hình 5.1 Sơ đồ biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi cơng suất hai chiều pha .90 Hình 5.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển biến đổi AC-DC-AC-AC pha 91 Hình 5.3 Mơ hình mơ biến đổi AC-DC-AC-AC pha 92 Hình 5.4 Hình dạng điện áp vào khâu AC-DC biến đổi 93 Hình 5.5 Hình dạng Zoom điện áp vào khâu AC-DC biến đổi 93 Hình 5.6 Hình dạng điện áp vào khâu DC-AC biến đổi 93 Hình 5.7 Hình dạng điện áp tụ điện phía chiều biến đổi 93 Hình 5.8 Hình dạng dịng điện điện áp xoay chiều phía AC-DC 94 Hình 5.9 Hình dạng dịng điện điện áp xoay chiều phía DC-AC 94 Hình 5.10 Cấu trúc điều khiển tổng thể biến tần AC-DC-AC-AC pha 95 Hình 5.11 Sơ đồ mô tổng thể biến đổi AC-DC-AC-AC đa mức 96 Hình 5.12 Hình dạng dịng điện ba pha nguồn xoay chiều phía nghịch lưu 97 Hình 5.13 Hình dạng điện áp ba pha nguồn xoay chiều phía nghịch lưu 97 Hình 5.14 Hình dạng dịng điện ba pha nguồn xoay chiều phía chỉnh lưu 97 Hình 5.15 Hình dạng điện áp ba pha nguồn xoay chiều phía chỉnh lưu 98 Hình 5.16 Hình dạng điện áp chiều pha mơ hình 98 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp MỞ ĐẦU Hiện nay, trình khai thác ngày cạn kiệt nguồn lượng thủy điện, nhiệt điện, dẫn đến việc phải chuyển hướng khai thác nguồn lượng tương lai để đảm bảo nhu cầu lượng cho phụ tải lượng gió, lượng mặt trời… Các nguồn gọi nguồn lượng phân tán Đặc điểm nguồn lượng phân tán công suất nhỏ, phân bố rời rạc vùng miền khác nhau, nối lưới điện lớn làm việc cách độc lập chất lượng điện phụ thuộc nhiều vào tác động yếu tố bên ngồi khó kiểm sốt tác động mơi trường, khí hậu… Việc kết nối nguồn phát phân tán lưới điện nhỏ kết nối với lưới quốc gia địi hỏi có biến đổi điện tin cậy, hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn Bộ biến đổi đa mức thiết bị biến đổi đáp ứng yêu cầu Nó làm việc hệ thống biến đổi dùng để kết nối phần lưới điện, có khả điều khiển dịng cơng suất theo hai chiều, kể công suất tác dụng lẫn công suất phản kháng, cấu trúc biến đổi có phận cách ly với khâu trung gian tần số cao yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an tồn Từ u cầu luận văn nghiên cứu biến đổi (AC-DC-AC-AC) kết nối nguồn phát phân tán lại với phương pháp điều khiển thích hợp, để đáp ứng tốt nhu cầu trao đổi công suất nguồn điện nguồn phát phân tán ngày quan tâm phát triển mạnh tương lai Mục tiêu tổng thể luận văn xây dựng biến đổi có cấu trúc AC-DC-AC-AC với khâu trung gian chiều, khâu trung gian tần số cao, có tụ điện lớn làm kho tích trữ lượng để đáp ứng nhu cầu kết nối nguồn điện hệ thống điện.Với yêu cầu biến đổi kiểm sốt tốt trao đổi công suất nguồn lưới điện với nhau, với cách ly độc lập bên, tạo nên cân công suất nguồn Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC ghép nối từ hai cấu trúc Chỉnh lưu (AC-DC) Nghịch lưu (DC-AC-AC) xây dựng khóa bán