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

62Hình 3.27 Hình dạng điện áp nguồn và dòng điện phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực một pha 7 mức.. Do bộ biến tần này có th trể ao đổi công suấ hai chiều vì vậy, nó đượ xây dựng t

-

TRẦN HÙNG CƯỜNG

LUẬN VĂN TH C SĨ KHOA H Ạ Ọ C

NGÀNH: ĐIỀ U KHI N VÀ T Ể Ự ĐỘ NG HÓA

HÀ NỘI, NĂM 2013

-

Tr ầ n Hùng Cư ờ ng

Chuyên ngành: Điề u khi n và T ng hóa ể ự độ

LUẬN VĂN TH C SĨ KHOA H Ạ Ọ C

Ngành: Điề u khiể n và T ng hóa ự độ

C NGƯỜ I HƯ Ớ NG DẪN KHOA HỌ

TS Trần Trọng Minh

Chương I YÊU CẦU V B BÁN D N CÔNG SU T DÙNG CHO K T N I Ề Ộ Ẫ Ấ Ế Ố

NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN TRONG LƯỚ ĐIỆI N NH 11Ỏ

1.1 Yêu c u và ch làm viầ ế độ độ ệc của bộ bán dẫn công su t dùng cho k t n i ấ ế ố ngu n phát phân tán 11 ồ

1.2 Ứng dụng bộ biến đổi đa mức dùng cầu H trong hệ thống điện thông minh 14

1.3 Xây d ng c u trúc b ự ấ ộ biến đổi đa mức dùng c u ch H 17 ầ ữ 1.3.2 Khâu cách ly DC-AC 19

1.3.3 Xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi đa mức dùng c u H-Bridge nối tầng ầ 20

Chương II NGHỊCH LƯU ĐA MỨC DÙNG C U H-BRIDGE N I T NG 22 Ầ Ố Ầ 2.1 Nghịch lưu nguồn áp đa mức nối tầng kiểu cầu H Brige một pha- 22

2.2 Phương pháp điề chế độ ộu r ng xung PWM cho nghịch lưu đa cấp nối tầng dùng c u H-Brige 24 ầ 2.2.1 Điều chế hai cấp điện áp bằng phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu

H-Bridge 25

2.2.2 Điều chế ba cấp điện áp bằng phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu H-Bridge 26

2.2.3 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức 27

2.3 Mô ph ng nghỏ ịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge n i tố ầng một pha 32

2.3.1 Mô phỏng nghịch lưu một mức dùng cầu H-Bridge một pha 32

2.3.2 Mô phỏng nghịch lưu 7 mức dùng cầu H-Bridge một pha 34

2.4 Mô ph ng nghỏ ịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge n i t ng ba pha 36 ố ầ 2.4.1 Mô phỏng nghịch lưu ba pha một mức dùng cầu H-Bridge 36

2.3.2 Mô phỏng nghịch lưu 7 mức ba pha dùng cầu H Bridge n- ối tầng 37

Chương III CHỈNH LƯU TÍCH CỰC ĐA MỨC DÙNG C U H –BRIDGE N I Ầ Ố T NG 40Ầ 3.1 Chỉnh lưu tích cực một pha 40

3.2 Chỉnh lưu tích cực ba pha 43

3.3 Mạch vòng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực 46

3.3.1 Mạch vòng dòng điện 47

3.3.2 Mạch vòng điện áp 52

3.4 H thệ ống điều khi n và mô ph ng ch nh ể ỏ ỉ lưu tích cực một pha 54 3.4.1 Mô ph ng chỏ ỉnh lưu tích cực một pha m t mức bộ điềộ u ch nh PID để điều ỉchỉnh điện áp 54 3.4.2 Mô phỏng chỉnh lưu tích cực một pha m t mức dùng bộ điều chỉnh ộ

Deadbeat để điều chỉnh điện áp 57 3.4.3 Mô phỏng bộ chỉnh lưu tích 7 mức một pha dùng bộ điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 60 3.5 Mô ph ng chỏ ỉnh lưu tích cực ba pha 66 3.5.1 Mô phỏng chỉnh lưu tích cực ba pha một m c 66 ứ

3.5.2 Mô ph ng chỏ ỉnh lưu ba pha đa mức ba pha 69

Chương IV 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 bộ 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 đ chuyển mạch cho van bán dẫn hai chiều 76 ề4.3.2 Thiết kế điều khiển chuy n mạch cho Matrix Converter 79 ể4.4 Mô phỏng sơ đồ DC-AC-AC m t pha s dộ ử ụng sơ đồ Matrix Converter 82 4.5 Mô phỏng khâu DC-AC-AC một pha 7 mức sử dụng sơ đồ Matrix Converter 87

Chương V BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC-AC CÓ KH Ả NĂNG TRAO ĐỔI CÔNG

SU T HAI CHI U 90Ấ Ề

5.1 Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC có khả năng trao đổi công suất hai chiều một pha 90 5.2 Mô ph ng b biỏ ộ ến đổi AC-DC-AC-AC ba pha 7 m c có kh ứ ả năng trao đổi công su t hai chi u 95 ấ ề

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRI N 99Ể TÀI LIỆU THAM KH O 100 Ả

PH C L C 101Ụ Ụ

DANH M C HÌNH V Ụ Ẽ

Hình 1.1 C u trúc b biấ ộ ến đổi AC DC- -AC có khâu trung gian một chiề 12u.

Hình 1.2 C u trúc b biấ ộ ến đổi trong ch nế độ ố i lư i ớ 13

Hình 1.3 C u trúc b biấ ộ ến đổi trong ch ế độ ố c đ ảo. 14

Hình 1.4 Chuyển đổi từ việc kết nối các ngu n phân tán trong ch ồ ế độ ố c đ ảo. 14

Hình 1.5 Mô hình mạng lưới ệ thống điệh n thông minh 15

Hình 1.6 C u trúc mô hình h ấ ệ thống điện thông minh. 16

Hình 1.7 C u trúc b biấ ộ ến đổi ba c ng kổ ết nối các nguồ n/lư i vớ ớ i nhau. 17

Hình 1.8 C u trúc b biấ ộ ến đổi hai c ng kổ ết nối các nguồ n/lư i vớ ớ i nhau 17

Hình 1.9 Mô hình c u trúc b biấ ộ ến đổi 18

Hình 1.10 Mô hình b biộ ến đổi một pha v i khâu cách ly DC-ớ DC 19

Hình 1.11 Mô hình b biộ ến đổi một pha v i khâu cách ly DC-ớ AC kết hợp v i khâu Matrix-ớ Converte 19

Hình 1.12 C u trúc t ng quát ba pha b biấ ổ ộ ến đổi AC DC AC- - -AC có khâu trung gian t n ầ s cao.ố 21

Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu đa mứ c n i t ng dùng c u H-bridge 22 ố ầ ầ Hình 2.2 Sơ đồ ộ ầ m t c u H-Bridge 23

Hình 2.3 Đồ ị th mô t ả phương pháp PWM 24

Hình 2.4 Sơ đồ quá trình t o xung vuông hai b c t sóng sin và xung tam giác 26 ạ ậ ừ Hình 2.5 Sơ đ đi ồ ề u ch nghị ế ch lưu đa m c s d ng hai sóng sin chuẩ ứ ử ụ n ngư ợc pha nhau 180 o 26

Hình 2.6 Sơ đồ điều ch nghế ịch lưu đa mức dùng hai sóng tam giác l ch pha 180ệ o 27

Hình 2.7 Hình d ng tín hi u s dạ ệ ử ụng phương pháp điều chế đa sóng mang 28

Hình 2.8 Sơ đồ nghịch lưu áp đa mứ c ba pha 28

Hình 2.9 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức bằng phương pháp đa sóng mang s ử d ng hai sóng sin chu n l ch pha nhau 180ụ ẩ ệ o 29

Hình 2.10 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức bằng phương pháp đa sóng mang sử d ng h ụ ệ thống xung tam giác l ch pha nhau 180ệ o 29

Hình 2.11 Hình d ng c a tín hiạ ủ ệu điều chế ằng phương pháp đa sóng mang trong b nghịch lưu đa mức 30

Hình 2.12 Tín hiệu điều chế ủ c a b nghộ ịch lưu với hệ ố điều chế thấ 31 s p Hình 2.13 Tín hiệu điều chế ủ c a b nghộ ịch lưu với hệ ố điều chế s cao. 32

Hình 2.14 Sơ đồ ấu trúc mạch bộ c PWM cho nghịch lưu một pha một mức 32

Hình 2.15 Mô hình mô ph ng nghỏ ịch lưu một pha một mức 33

Hình 2.16 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều của nghịch lưu mộ t pha 33

Hình 2.17 Hình dạng điện áp phía xoay chiều của nghịch lưu một pha 33

Hình 2.18 Sơ đồ ấ c u trúc m ch b PWM cho nghạ ộ ịch lưu mộ t pha 7 m c ứ 34

Hình 2.19 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mứ c m t pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 34 ộ Hình 2.20 Mô hình mô phỏng khâu điều chế PWM 7 mức 35

Hình 2.21 Hình điện áp phía xoay chi u c a nghề ủ ịch lưu 7 mứ c m t pha ộ 35

Hình 2.22 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mứ c m t pha ộ 35

Hình 2.23 Sơ đồ ấu trúc mạch bộ c PWM cho nghịch lưu ba pha một ức m 36

Hình 2.24 Mô hình mô ph ng nghỏ ịch lưu một mức ba pha dùng c u H-Bridge ầ 36

Hình 2.25 Hình dạng điện áp ra c a b nghủ ộ ịch lưu ba pha 36

Hình 2.26 Hình dạng điện áp trên nguồn xoay chiều b nghộ ịch lưu ba pha 37

Hình 2.27 Sơ đồ ấu trúc mạch ộ c b PWM cho nghịch lưu ba pha 7 mức ba pha. 37

Hình 2.28 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 38

Hình 2.29 Hình dạng dòng điện ngu n xoay chi u b nghồ ề ộ ịch lưu 7 mức ba pha 38

Hình 2.30 Hình dạng điện áp trên nguồn xoay chiều b nghộ ịch lưu 7 mức ba pha. 39

Hình 3.1 Sơ đồ chỉnh lưu một pha. 40

Hình 3.2 Mạch điện tương đương (a) và biểu đồ vector (b) 41

Hình 3.3 Chiều dòng điện khi V1, V4 được điều khiển mở, iL< 0 42

Hình 3.4 Chiều dòng điện khi V2, V3 được điều khiển mở, iL> 0 43

Hình 3.5 Sơ đồ chỉnh lưu tích cực ba pha. 44

Hình 3.6 Mô hình mạch vòng dòng điện dùng b ộ điều chỉnh PI tuy n tính.ế 48

Hình 3.7 K t qu mô ph ng biế ả ỏ ến dòng điện c a mô hình ủ VSI với bộ PI tuyến tính (a) điều khi n ể để đáp ứng dòng điện th c bám sát vự ới biên độ dòng điện đặ t 48

Hình 3.8 Đồ thị ả gi i thích nguyên lý h ệ điều khiển dòng theo ngưỡng deadbeat. 50

Hình 3.9 Sơ đồ ấ c u trúc h ệ thống điều khiển chỉnh lưu tích cực dùng b ộ điều chỉnh dòng điện theo ngưỡng deadbeat, t n s ầ ố đóng cắt không đổ i 50

Hình 3.10 Mạch vòng điều khiển điện áp. 53

Hình 3.11 Cấu trúc điều khi n cho chể ỉnh lưu tích cực một pha dùng PID cho m ch vòng ạ dòng điện 54

Hình 3.12 C u trúc b ấ ộ điều chỉnh dòng điện PID 55

Hình 3.13 C u trúc mô ph ng khâu ấ ỏ điều chế độ ộ r ng xung PWM. 55

Hình 3.14 Mô hình mô ph ng chỏ ỉnh lưu tích cực một pha dùng b ộ điều chỉnh PID cho

mạch vòng dòng điệ 56n Hình 3.15 Hình dạng điện áp vào b biộ ến đổi 56

Hình 3.16 Hình dạng điện áp phía một chiề 57u Hình 3.17 Hình d ng dòạ ng điện và điện áp phía ngu n xoay chi u.ồ ề 57

Hình 3.19 C u trúc b ấ ộ điều chỉnh deadbeat. 58

Hình 3.20 Mô hình mô ph ng ch nh lỏ ỉ ưu tích cực một pha dùng b ộ điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điệ 58n Hình 3.21 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực một pha một mức 59

Hình 3.22 Hình dạng điện áp nguồn và điện áp đầu vào phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu

Hình 3.26 Hình dạng điện áp phía mộ t chi u sơ đồ chỉnh lưu tích cự ề c m t pha 7 mức ộ 62

Hình 3.27 Hình dạng điện áp nguồn và dòng điện phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích

Hình 3.32 Hình dạng dòng điện, điện áp phía xoay chi u c a b ề ủ ộ chỉnh lưu 7 mức 65

Hình 3.33 Hình dạng điện áp phía một chiều b ộ chỉnh lưu 7 mức 65

Hình 3.34 Sơ đồ ấu trúc hệ thống điề khiể ựa theo điệ c u n t n áp cho chỉnh lưu tích cực ba

pha một mức 67

Hình 3.35 Mô hình mô ph ng chỏ ỉnh lưu tích cực ba pha 7 m c dùng b ứ ộ điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điệ 68n.

Hình 3.36 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều của b ộ chỉnh lưu ba pha 7 mức 69

Hình 3.37 Hình dạng điện áp phía xoay chi u c a b ề ủ ộ chỉnh lưu ba pha 7 mức 69

Hình 3.38 Sơ đồ ấu trúc hệ thống điề c u khi n tể ựa theo điện áp cho chỉnh lưu tích cực ba pha 7 mức 70

Hình 3.39 Mô hình mô ph ng m ch nghỏ ạ ịch lưu đa mức một pha dùng b ộ điều chỉnh deadbeat 71

Hình 3.40 Hình dạng điện áp trên m t pha phía mộ ột chiề u. 71

Hình 3.41 Hình dạng dòng điện trên ba pha phía xoay chiều của chỉnh lưu tích cực ba pha 7 mức 72

Hình 3.42 Hình dạng điện áp trên ba pha phía xoay chi u.ề 72

Hình 4.1 Sơ đồ ấ c u trúc khâu chuy n m ch van hai chi u Matrix-Conveter 73 ể ạ ề Hình 4.2 Sơ đồ điều chế độ ộ r ng xung PWM cho Matrix Converter. 75

Hình 4.3 Chuy n m ch trong nghể ạ ịch lưu thường. 77

Hình 4.4 Sơ đồ mô tả quá trình chuy n mể ạch 77

Hình 4.5 Đồ ị th tín hiệu điề u khi n chuy n m ch 78 ể ể ạ Hình 4.6 Tr ng thái logic các van trong chuyạ ển mạch bốn bước 78

Hình 4.7 Đồ ị th qu bóng tr ng thái chuy n m ch giả ạ ể ạ ữa hai pha đầ u vào 80

Hình 4.8 Trạng thái logic c a các van trong quá trình chuy n mủ ể ạch 80

Hình 4.9 Sơ đồ chuy n m ch van bể ạ ốn bướ ừ va S1 sang van S2 và ngượ ạc t c l i 81

Hình 4.10 Sơ đồ chuy n m ch van bể ạ ốn bướ ừ c t va S3 sang van S4 và ng c l i 81 ượ ạ B ng 4.11 B ng tr ng thái lôgic quá trình chuy n mả ả ạ ể ạch 81

Hình 4.12 Mô hình mô ph ng khâu DC-ỏ AC một pha dùng sơ đò Matrix Converter 83

Hình 4.13 Mô hình m ch chuyạ ển đổi công su t hai chi u.ấ ề 84

Hình 4.14 Mô hình mạch điều khi n qua trình trể ao đổi công su t hai chi u.ấ ề 84

Hình 4.15 Mô hình mô ph ng mỏ ạch điều khi n quá trình chuy n m ch dùng ToolBox ể ể ạ StateFlow 85

Hình 4.16 Hình dạng điện áp đầu ra phía xoay chi u c a khâu DC-ề ủ AC 86

Hình 4.17 Hình dạng Zoom điện áp đầu ra phía xoay chi u c a khâu DC-ề ủ AC 86

Hình 4.19 Hình dạng dòng điện phía xoay chi u khâu DC-ề AC 86

Hình 4.20 Cấ u trúc đi ều khi n cho khâu DCể -AC AC 7 mức sử ụ- d ng sơ đ Matrix ồ Converter 87

Hình 4.21 Mô hình mô ph ng khâu DC-ỏ AC một pha 7 mức dùng sơ đồ Matrix Converter 88 Hình 4.22 Hình dạng điện áp phía xoay chi u khâu DC-ề AC một pha 7 mức 89

Hình 4.23 Hình dạng dòng điện phía xoay chi u khâu DC-ề AC một pha 7 mức 89

Hình 4.24 Hình dạng điện áp đầu vào phía xoay c hiều khâu DC-AC một pha 7 mức 89

Hình 4.25 Hình dạng điện áp phía một chiều khâu DC-AC một pha 7 mức 89

Hình 5.1 Sơ đồ ộ ến đổi AC DC AC AC có khả năng trao đổ b bi - - - i công su t hai chi u mấ ề ột pha 90

Hình 5.2 C u trúc h ấ ệ thống điều khi n b biể ộ ến đổi AC DC AC AC mộ- - - t pha. 91

Hình 5.3 Mô hình mô ph ng b biỏ ộ ến đổi AC DC AC AC mộ- - - t pha 92

Hình 5.4 Hình dạng điện áp vào khâu AC-DC của bộ ến đổi 93 bi Hình 5.5 Hình dạng Zoom điện áp vào khâu AC-DC của b biộ ến đổi 93

Hình 5.6 Hình dạng điện áp vào khâu DC-AC của bộ ến đổi 93 bi Hình 5.7 Hình dạng điện áp trên t ụ điện phía một chiều c a b biủ ộ ến đổi 93

Hình 5.8 Hình dạng dòng điện và điện áp xoay chi u phía AC-ề DC 94

Hình 5.9 Hình dạng dòng điện và điện áp xoay chi u phía DC-ề AC 94

Hình 5.10 Cấu trúc điều khi n t ng th bi n tể ổ ể ế ần AC DC AC AC mộ- - - t pha. 95

Hình 5.11 Sơ đồ mô ph ng t ng th c a b biỏ ổ ể ủ ộ ến đổi AC DC AC AC đa mức 96- -

-Hình 5.12 -Hình dạng dòng điện ba pha trên ngu n xoay chi u phía nghồ ề ịch lưu 97

Hình 5.13 Hình dạng điện áp ba pha trên ngu n xoay chi u phía nghồ ề ịch lưu 97

Hình 5.14 Hình dạng dòng điện ba pha trên ngu n xoay chi u phía ồ ề chỉnh lưu 97

Hình 5.15 Hình dạng điện áp ba pha trên ngu n xoay chi u phía chồ ề ỉnh lưu 98

Hình 5.16 Hình dạng điện áp một chiều trên pha c a mô hình.ủ 98

ở các vùng mi n khác nhau, nó có th ề ể được nối lưới điện l n ho c làm vi c m t ớ ặ ệ ộcách độc lập và chất lượng điện ph thu c nhiụ ộ ều vào các tác động c a các yếủ u t ốbên ngoài và khó có thể ểm soát được như sự ki tác đ ng của môi trườộ ng, khí hậu…

Việc kết nối nguồn phát phân tán trong lưới điện nhỏ hoặc kết nối với lưới quốc gia đòi hỏi có các b bi n độ ế ổi điện năng tin cậy, hi u suệ ất cao, kích thước nh g n B ỏ ọ ộ

biến đổ đa mức chính là các thiết bịi biến đổi có thể đáp ứng các yêu cầu này Nó làm việc như mộ ệ ốt h th ng biến đổi dùng để ế k t nối giữa các phần của lưới điện, có

kh ả năng điều khiển dòng công suất theo hai chiều, kể ả công suất tác dụng lẫn c công su t phấ ản kháng, và c u trúc ấ b biộ ến đổi có bộ ph n ậ cách ly với khâu trung gian tần số cao là yêu c u bầ ắt buộc để đảm b o an toànả T ừyêu cầu đó trong luận văn này sẽ nghiên c u m t b bi n i (AC-DC-AC-ứ ộ ộ ế đổ AC có th k t n i các ngu n ) ể ế ố ồphát phân tán l i v i nhau bạ ớ ằng các phương pháp điều khi n thích hể ợp, để đáp ứng tốt nhu cầu trao đổi công suất giữa các nguồn điện khi các nguồn phát phân tán ngày càng được quan tâm và phát tri n m nh tronể ạ g tương lai

Mục tiêu tổng thể ủa ận văn là xây dựng mộ c lu t b biộ ến đổi có cấu trúc AC-DC-AC-AC với khâu trung gian một chiề và khâu trung gian tần sốu, cao, có tụđiện l n làm kho tích tr ớ ữ năng lượng để đáp ứng nhu c u k t n i các nguầ ế ố ồn điện trong hệ ống điệ th n.Với yêu c u là bầ ộ ế bi n đổi này có th kiể ểm soát t t số ự trao đổi công su t giấ ữa các ngu n ho c các lưồ ặ ới điện v i nhau, i sớ vớ ự cách ly đ c lậộ p giữa các bên, và t o nên s ạ ựcân bằng công su t giấ ữa các nguồn

B biộ ến đ i ổ AC-DC-AC-AC ở đây được ghép ối từ ai cấu trúc cơ bản là n h

b Chộ ỉnh lưu (AC DC) và bộ- Nghịch lưu (DC-AC-AC) xây dựng trên các khóa bán

dẫn hai chiều kết hợp với khâu trung gian tần số cao nhằm thực hi n các mệ ục tiêu chính như:

- Độc lập ki m soát dòng ể điệ , điện n áp gi a ữ các bên

- Cân b ng công su t giằ ấ ữa các lưới và ngu n ồ

- Dòng điện, điện áp phía xoay chiều có dạng sin điện áp phía m t chiều ổn định ộ

Luận văn hướng tới xây dựng bộ ến đổi để ứng dụng trong lưới điện thông biminh, nh m nâng cao khằ ả năng hoạt động của lưới này cung cấp điện cho phụ ả t i

với chất lượng tốt Đây là đề tài mới để ứng dụng trong điều khiển và cải thiện chất lượng điện năng của h thệ ống điện, nó th c s c n thiự ự ầ ết đối v i h thớ ệ ống điện ở

hiện tại và tương lai khi các nguồn phát phân tán phát triển nhiều từ các nguồn năng lượng điện gió, năng lượng điện mặt trời… để thay thế các nguồn phát truyền thống

Chính vì th , tôi chế ọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống điề u khiển chế độ làm

việ c song song c a b bán d n công su t trong ngu n phát phân tán dùng bộ ủ ộ ẫ ấ ồ điều khi n dòng deadbeat” do th y giáo T.S Tr n Trể ầ ầ ọng Minh hướng d n ẫ

đồ nghịch lưu đa mức dùng c u ch H n i tầ ữ ố ầng, các sơ đồ chỉnh lưu đa mức và quá trình chuyển mạch van trong sơ đồ Matrix Converter với quá trình phân tích các thuật toán về biến đổi độ ộng xung trong các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu, xây dựng rphương pháp điều khi n áp d ng trong mô hình b biể ụ ộ ến đổi, để đả m b o thông s ả ốdòng điện và điện áp các phía, k c ở ể ả trong điều kiện điện áp lưới m t cân b ng ấ ằ

T ừ đó xây dựng mô hình mô phỏng dựa trên phần mềm Matlab để kiểm nghiệm và minh chứng các kết quả thực hiện được và làm cơ sở đánh giá khả năng ứng d ng ụtrong thực tế

Luận văn được trình b y trong 5 ầ chương chính:

việc cũng như khả năng ứng dụng của ộb biến đổi đa mứ , từ đó xây dựng sơ đồc

c u trúc cấ ủa ộ ến đổb bi i

Chương II: Nghị ch lưu đa m ức dùng u H cầ -Bridge nối tầng trình bầy cấu

trúc và sự hoạt động của bộ nghịch lưu áp đa mức ki u c u H nể ầ ối tầng, phân tích các phương pháp điều ch cho b nghế ộ ịch lưu Xây dựng và trình b y k t qu mô ầ ế ả

ph ng cỏ ủa bộ nghịch lưu

Chương III: Chỉnh lưu tích cực dùng cầu H-Bridge nối tầng trình bầy sự hoạt

động c a sơ đồủ ch nh lưu tích cựỉ c m t pha, ba pha Nộ êu phương pháp pháp điều khiển của sơ đồ và thể hiện sự hoạt động của sơ đồ qua mô hình và kết quả mô phỏng

quy t c th c hi n chuy n mắ ự ệ ể ạch trong sơ đồ khóa bán d n hai chiẫ ều từ đó lựa chọn quy t c chuyắ ển mạch phù hợp để áp dụng trong sơ đồ Matrix-Converter của bộ ế bi n

đổi, th hi n quá trình làm vi c cể ệ ệ ủa sơ đồ qua mô hình và k t qu mô ph ng ế ả ỏ

hai chiều xây dựng mô hình mô ph ng t ng th c a b biỏ ổ ể ủ ộ ến đổi, trình b y k t qu ầ ế ả

mô ph ng c a mô hình tỏ ủ ừ đó nêu ra nêu ra kết luận và các kết quả nhận được trong

thời gian tìm hiểu, nghiên cứu đề tài, đồng thời đưa ra phương hương phát triển mới cho luận văn

Do trình độ ki n th c có hế ứ ạn cũng như hạn ch trong kinh nghi m th c t ế ệ ự ếnên luận văn không th tránh kh i nh ng thi u sót, kính mong các th y cô giáo chể ỏ ữ ế ấ ỉ

bảo để ận văn được ho lu àn thiện hơn

Tôi xin b y tầ ỏ lòng biết ơn sâu sắc tới toàn thể các thầy cô giáo bộ môn Điều Khiển Tự Động và bộ môn Tự Động Hóa, đặc biệt sự hướng dẫn chỉ ảo tận tình b

của thầy giáo T.S Trần Trọng Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất có thể cho tôi th c hiự ện đ ềtài Xin cảm ơn các bạn cùng phòng nghiên cứu về ự ợ s h p tác nhiệt tình và hi u qu ệ ả

M t l n n a tôi xin chân thành cộ ầ ữ ảm ơn!

5

Hà Nội, ngày 14 tháng năm 2013

H c viên ọ

Trần Hùng Cườ ng

Chương I YÊU CẦU VỀ BỘ BÁN DẪN CÔNG SUẤT DÙNG CHO KẾT

NỐI NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ

1.1 Yêu cầ và chế độ độu làm vi c c a b ệ ủ ộ bán dẫn công suất dùng cho k t ế

n i nguố ồn phát phân tán

S phát tri n cự ể ủa điệ ửn t công suất đã tạo ra được nhi u b bán d n công suề ộ ẫ ất

làm vi c kiệ ểu đa mức gây nhi u s chú ý trong nhề ự ững năm gầ đây như là mộn t gi i ả

pháp hi u quệ ả cho các ứng dụng công suất l n ớ và điện áp cao ộ biến đổi này có B

th tể ạo ra điện áp dạng sin ừ các bước điện áp nhỏ hơn từ các nguồn DC cách ly t

hoặc từ các cấp điện áp dùng bộ phân áp bằng một l ạt tụ Thiết bị này được gọi là o

biến tần đa cấ Biế ần đa ấp n t c p có th là khâu biể ến đổi năng lượng điệ lý tưởn ng

cho k t n các nguế ối ồn năng lượng tái t o vạ ới lưới điện, bao g m hồ ầu hết các nguồn

phân tán như pin ặ m t tr i, pin nhiên li u, tua-bin ờ ệ điện s c gió C u trúc bi n tứ ấ ế ần đa

cấp đã được phát triển để có th s d ng các thi t b ể ử ụ ế ị đóng cắt bán d n vẫ ới điện áp

tương đối th p cho các ng d ng yêu cấ ứ ụ ầu điện áp cao, công su t l n ấ ớ

Yêu cầu cơ bản đặt ra v i các b biớ ộ ến đổ đa mứi c dùng c u ch H là hi u ầ ữ ệ

su t biấ ến đổi cao, tần số thay đổi trong d i rả ộng, điện áp thay đổi được từ không đến

giá trị định mứ độ chính xác điềc, u chỉnh và độ tác động nhanh cao, làm vi c tin ệ

c y Biậ ến tần đa mức dùng cầu chữ H được chế ạo trên cơ sở ắc nối tiếp các sơ t m

đồ để tăng cườ ng kh ả năng chịu điện áp c a b bi n đ i, nủ ộ ế ổ ối song song để tăng

cường kh ả năng chịu dòng điện Vì v y nó có th làm vi c vớ ảậ ể ệ i d i công su t l n t ấ ớ ừ

vài trăm W đến hàng nghìn kW, được s d ng k t n i các nguử ụ để ế ố ồn điện l i v i ạ ớ

nhau Nhằm mục đích trao đổi công suất có điều khiển giữa các nguồn điện hoặc

các lưới điện v i nhau khi m t trong các bên thi u h t công su t ho c gặớ ộ ế ụ ấ ặ p s c ự ố

mất điện hoặc điện áp nguồn xuống quá thấp hoặc tăng cao Do bộ biến tần này có

th trể ao đổi công suấ hai chiều vì vậy, nó đượ xây dựng trên cấu trúc t c

Chỉnh lưu Khâu trung gian một chiề- u – Nghịch lưu (AC-DC-AC) như hình 1.1 Từ

đó ta thấy bi n t n ph i làm vi c trong hai ch ế ầ ả ệ ế độ đó là chuyển năng lượng phía

một chiều sang xoay chiều (chế độ nghịch lưu) và chuyển năng lượng từ phía xoay

chiều sang một chiều (chế độ chỉnh lưu) Khâu trung gian một chiều làm cho chỉ nh lưu và nghịch lưu làm việc tương đối độ ậc l p v i nhau, nh có khâu trung gian t n ớ ờ ầ

s ố cao kích thước máy biến áp sẽ giảm nhỏ đáng kể, tránh được sử ụng máy biế d n

áp tở ần số cơ bản 50 Hz rất cồng kềnh Khâu biến đổi AC AC sử ụng cấu trúc - dbiến tần trực tiếp kiểu ma trận đảm bảo chức năng truyền công suất hai chiều với

hiệu quả cao Nhờ ấu trúc biến tần trực tiếp với điều khiển chuyển mạch đơn giản ctheo điện áp, khâu trung gian tr nên thu n bán dở ầ ẫn, kích thước nh g n vì không ỏ ọ

cần đến các tụ điện lớn Do đó các phương pháp biến điệu để ạo ra điện áp ra hình tsin được th c hi n d ự ệ ễ dàng hơn Thông thường điện áp phía DC được điều khi n ể

gi ữ không đổi, nên b ến tầ có thể trao đổi năng lượng với lưới theo cả hai chiềi n u

nh ờ các phương pháp điều ch ế

Hình 1.1 Cấu trúc bộ biến đổi AC-DC-AC có khâu trung gian một chiều.

Sơ đồ có th hoể ạt động trong hai ch : ế độ

- Ch kế độ ết nối giữa các lưới điện hay các điểm nút trong hệ thống điện với nhau (Ch ế đô nối lưới)

- Ch ế độ ốc đảo (hoạt động và cung c p cho phu t i mấ ả ột cách độc lập)

• Ch nế độ ối lưới

Ch ế độ này sử ụng để ết nối các mạng lưới điện ba pha với nhau có cùng d k

hoặc khác cấp điện áp, nhằm tạo ra sự linh hoạt trong việc truyền dẫn công suất

giữa các nguồn điện và lưới điện để cung cấp năng lượng cho phụ ải với chất lượng t

tốt Chế độ này rất hữu ích đối với các nguồn điện hay lưới điện công suất nhỏ(nguồn điện phân tán), nó sẽ nâng cao được sự ổn định và chất lượng điện năng cho các lưới này, t ừ đó có thể liên kết và trao đổi công su t vấ ới các lưới điện khác

Hình 1.2 Cấu trúc bộ biến đổi trong chế độ nối lưới

V mề ặt kỹ thuật, sơ đồ ết nối tớ k i các lưới điện thông qua biến tầ có khản năng trao đổi công su t hai chi u ấ ề Quá trình này có th cung c p ho c tiêu th ể ấ ặ ụcông su t tác d ng và công su t phấ ụ ấ ản kháng tùy thu c vào công suộ ấ ừ lướt t i hay ngu n ồ điệ được kết nốn i ho c nhu c u tiêu th cặ ầ ụ ủa phụ ả t i Trong khi truyền dẫ cácn dòng chảy công suất, sơ đ ồcó thể ể ki m soát sự cân bằng năng lượng giữa các cổng

với hiệu suất và đ tin cậy tương đối cao ộ Ngoài ra, sơ đồ có thể duy trì được sự cân

bằng và độ ổn định điện áp trên liên kết DC link về- mặt thời gian mà không phụthuộc vào chiều công suất giữa các cổng Bên cạ h đó sơ đồ cón , kh ả năng ểm soát kicác vấn đề phát sinh trong hệ ống điện như ạn chế được các thành phần sóng hài th h

bậc cao, kiểm soát tốt khả năng dao động về điện áp và tần số khi thông số ủa lướ c i thay đổi và không ảnh hưởng đến quá trình làm vi c cũnệ g như chất lượng ho t ạ

động c a các lư i khác Tóm lủ ớ ại sơ đồ có th ki m soát t t s cân b ng công su t ể ể ố ự ằ ấ

của các nguồ ở các cổn ng trên c ba pha ả

• Ch ế độ ốc đảo

Ch này ế độ áp dụng cho các hệ ống điện độc lập cung cấp cho một nhóm th

ph tụ ải nhất định, phù hợp cho các lưới điện công suất nhỏ ở vùng sâu, vùng xa, các vùng biên gi i, hớ ải đảo mà hệ thống lưới điện quốc gia chưa vươn tới được Trong trường h p này, sơ đ b t bu c đ ki m soát ợ ồ ắ ộ ể ể điện áp và tần s ố được cung

c p vấ ới chất lượng tốt để cung cấp điện trực tiếp cho các phụ ả t i Việc kiểm soát và điều khi n c a sơ đồ ẽ đáp ứể ủ s ng t t các ch làm vi c và các s c phát sinh c a ố ế độ ệ ự ố ủlưới điện và quá trình k t n i gi a các ngu n phát phân tán l i v i nhau ế ố ữ ồ ạ ớ

Hình 1.3 Cấu trúc bộ biến đổi trong chế độ ốc đảo

Mô tả tín hiệu ra c a quá ủ này được minh h a trong hình 1.4ọ v i dớ ạng dòng điện trong h t a đ 0ệ ọ ộ dq và quá trình chuy n đ i c a bi n t n trong m t th i gian ể ổ ủ ế ầ ộ ờ

ngắn và ta thấy rắng sơ đồ đã kiểm soát được tín hiệu dòng điện xác lậ ở ột chếp m

độ ớ m i trong gi i h n cho phép ớ ạ

Hình 1.4 Chuyển đổi từ việc kết nối các nguồn phân tán trong chế độ ốc đảo

H thệ ống điện thông minh là h thệ ống có sự ế ợ k t h p linh ho t gi a các ngu n ạ ữ ồ

và các tải và các thi t bế ị ự ữ năng lượ d tr ng, hệ ố th ng này g m có nhi u nguồ ề ồn điện khác nhau như: Nhiệt điện, thủy điện, điện m t trặ ời, điện gió, điện dierzen… cung

cấp năng lượng cho một nhóm phụ ải nhấ ị t t đ nh, khiến cho lưới điện này làm việc linh hoạt hơn, tin cậy hơn, đặc điệt có khẳ năng kiểm soát t t các vềố kh ả năng truyền công suất cũng như chất lượng và độ tin cậy của hệ thống nhờ các bộ bi n ế

đổ ối lưới Để đạt được điều đó ệ ống đã ứi n , h th ng d ng và phát tr n nhi u các công ụ ể ề

ngh mệ ới vào lưới điện để phục vụ cho việc truyền tải, phân phối và kết hợp với các thiết bị truyền thông như: FACTS, CUPS, để thuận tiên cho việc liên lạc và trao đổi thông tin trong hệ thống trong những trường hợp khẩn cấp và trong quá trình sản

xu t Mô hình cấ ủa hệ thống điện thông minh được th hiể ện như hình 1.3

Hình 1.5 Mô hình mạng lưới hệ thống điện thông minh

Do s khai thác c n kiự ạ ệt các nguồn năng lượng truyền thống nên xu hướng

hiện nay và tương lai là dần chuyển sang các nguồn năng lượng tái tạo Vì vậy ệc viphát triển các hệ ống điện thông minh là yêu cầu cấp thiết để ải quyết vấn đề ề th gi v nhu cầu năng lượng trong cuộc sống Để khai thác được các tiềm năng của nguồn năng lượng tái t o thì c n ph i có h thạ ầ ả ệ ống điều khi n phân phể ối và lưu trữ năng lượng m t cách h p lý và linh ho t gi a các lưộ ợ ạ ữ ới điện, đồng th i ph i tích h p ờ ả ợđược đầy đủ các ch tiêu chỉ ất lượng v các yêu c u cề ầ ủa lưới điện trong h th ng ệ ốđiện như tính hiệu qu , đ linh hoả ộ ạt, độ an toàn, độ tin c y cao và d dàng th c hi n ậ ễ ự ệtrong lưới điện…

T phân ừ tích trên ta thấy rằng bộ bi n ế đổi (AC-DC-AC-AC) trong hệ th ng ốđiện thông minh là c n thi t v i các yêu c u cơ bảầ ế ớ ầ n là t o ra ạ điện áp, dòng điện, hình dạng có chất lượng tốt, h s ệ ốcông suất cao Đây là các chỉtiêu quan trọng để đánh giá chất lượng c a ủ các bibộ ến đổi Việc đưa ộ ến đổb bi i AC-DC-AC-AC vào

h thệ ống điện thông minh có thể ết nối nhiều các nguồn phát công suất nhỏ ại vớ k l i nhau m t cách linh ho t vộ ạ ới sơ đồ ấ c u trúc th hiể ện như hình 1.5

Hình 1.6 Cấu trúc mô hình hệ thống điện thông minh

Quá trình xây d ng h thự ệ ống điện thông minh sẽ mang lại rất nhi u lề ợi ích như:

• S giẽ ảm tả cho lưới vào giờ cao điểm và có khả năng dự ữ vào giời tr thấp điểm

• Hạn chế đượ các chi phí đầu tư mớ ề cơ sở ạ ầng cũng như các nhà máy c i v h ttrong quá trình h ệ thống đang hoạt động

• Hạn chế được tối đa quá trình tổn thất công suất cũng như các hoạt động và chi phí bảo trì

• Nâng cao đươc khả năng trao đổi công suất giữa các lư i mà vẫn đảm bảớ o được chất lượng điện áp và độ ổn định c a h th ng ủ ệ ố

• D ễ dàng cho phép các ệ ống lưu trữ như ESS và DG tham gia vào hoạh th t

động h th ng m t cách linh ho t mà không ệ ố ộ ạ ảnh hưởng đến các thông s k ố ỹthu t cậ ủa lưới

• Thông qua ệh th ng ố giám sát và thông tin liên lạ có thể quan sát và kiểc, m soát t t các thông s và thu th p thông tiố ố ậ n về các v ị trí trong hệ thông Từ đó

có cách điều khi n và kh c ph c sự ố ộể ắ ụ c m t cách nhanh chóng t ừ đó nâng cao được chất lượng c a h th ng ủ ệ ố

b bi th ng tVai trò của ộ ến đổi trong hệ ống điện này là tạo ra sự đáp ứ ốt quá trình thay đổi linh ho t c a ph t i vào các thạ ủ ụ ả ời điểm khác nhau v i chi phí t i thi u ớ ố ể

mà vẫn đảm bảo được chất lượng cung cấp điện và mức độ tin c y cậ ủa hệ ố th ng 1.3 Xây dựng cấu trúc ộ biế b n đ đa mức dùng cầu chữ ổi H

Cấu trúc bộ biến đổi như hình 1.7 gồm ba cổng có thể kết nối với các nguồn hoặc các lưới khác nhau

Hình 1.7 Cấu trúc bộ biến đổi ba cổng kết nối các nguồn/lưới với nhau.

Cổng 1 và cổng 2 được nối với các lưới điện hoặc nguồn điện còn cổng 3 có thể là một hệ thống lưu trữ năng lượng hay một nguồn điện công suất nhỏ Ưu điểm của bộ biến đổi này là có thể trao đổi công suất hai chiều giữa cổng 1 và cổng 2 Trong chế độ làm việc, công suất dư thừa có thể được lưu trữ vào cổng 3 và truyền trở lại vào cổng 1 và cổng 2 khi các cổng này có nhu cầu về công suất Quá trình này tạo ra sự hoạt động linh hoạt về công suất của các lưới điện trong quá trình vận hành Tuy nhiên, do được kết nối tới ba cổng nên cấu trúc sơ đồ tương đối phức tạp,

và việc thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi cũng rất khó khăn Vì vậy, việc xây dựng bộ biến đổi này không khả thi trong thực tế

Để đơn giản trong việc xây dựng bộ biến đổi như trên, trong luận văn này sẽ xây dựng bộ biến đổi gồm hai cổng thực hiện việc trao đổi công suất hai chiều giữa các nguồn/lưới Cấu trúc tổng thể hệ thống của bộ biến đổi được mô tả trong hình 1.8

Hình 1.8 Cấu trúc bộ biến đổi hai cổng kết nối các nguồn/lưới với nhau.

Hệ thống cấu trúc này gồm có hai cổng được kết nối với nhau qua bộ biến đổi Với cấu trúc này, cổng 1 và cổng 2 có thể là các nguồn hoặc các lưới Mục đích của việc xây dựng cấu trúc này là thực hiện việc truyền và trao đổi công suất giữa hai nguồn/lưới điện khác nhau Trong đó hướng tới việc thực hiện liên kết các lưới điện với nhau đặc biệt là các nguồn phát phân tán Việc thiết kế và xây dựng cấu trúc bộ biến đổi hai cổng được thực hiện dễ dàng hơn so với cấu trúc biến tần ba cổng Vì vậy trong luận văn này sẽ thực hiện xây dựng bộ biến đổi có cấu trúc hai cổng

B biộ ến đổ đa mức dùng cầu chữ H được xây dựng trên cấu trúc chỉnh lưu i – khâu trung gian một chiều – nghịch lưu (AC-DC-AC) như hình 1.9

Hình 1.9 Mô hình cấu trúc bộ biến đổi

Ở đây khâu cách ly có thể được b trí theo hai ki u khác nhau dố ể ẫn đến cácphương pháp ềđi u khi n khác nhau và do đó có thể có những kếể t qu khác nhau gồm: ả

- S d ng khâu ử ụ cách ly DC-DC như hình 1.9a

- S d ng khâu cách ly DC-AC (ử ụ sơ đồ Matrix-Converter) như hình 1.9b

Quá trình này được thự ện theo hai giai đoạ

Giai đoạn 1: Xây d ng b chự ộ ỉnh lưu thực hi n bi n đệ ế ổi điện áp xoay chi u ềthành điện áp m t chi u (AC- DC) ộ ề

Giai đoạn 2: Xây d ng b nghự ộ ịch lưu thực hi n biệ ến đổi điện áp m t chi u ộ ềthành điện áp xoay chi u (DC AC) thông qua máy biề - ến áp cách ly t n s ầ ố cao kết

h p vợ ới khâu trao đổi công su t hai chiấ ều Matrix-Converter

1.3.1 Khâu cách ly DC-DC

Hình 1.9a là cấu trúc chuyển đổi với khâu cách ly DC-DC Trong sơ đồ này

các đầu vào/đầu ra (AC-DC/DC-AC) và giai đoạ cách ly (DCn -DC) được minh họa như hình 1.10

Hình 1.10 Mô hình b biộ ến đổi m t pha v i khâu cách ly DC-DC ộ ớ

Đầu vào và u ra đầ là các H-Bridge thông thường Khâu cách ly DC-DC được liên k t thông quaế một bi n áp n sế tầ ố cao tạo sự các ly đ c lập tương đố ầộ i c n thiết

gi a nguữ ồn và ả và được ết i k t n i v i ố ớ các cổng Nó cũng có thể được thiết kế để tăng hoặc gi m ả điện áp giữa hai phía để đáp ng ứ các yêu c u c th ầ ụ ể cho lưới điện

hoặc cho ph t i Viụ ả ệc sử ụ d ng một biến áp ần số cao cho t phép thiết kế ệ h th ng ố

Đầu vào c a sơ đồủ là các H-Bridge thông thường Khâu cách ly DC-AC được liên k t thông qua m t bi n áp t n s cao t o s ế ộ ế ầ ố ạ ự các ly độ ập tương đố ầc l i c n thiết giữ lướa i và t i k t n i v i ả ế ố ớ các cổng và nó làm việc trực tiếp v i ớ điện áp AC thông qua b chuyộ ển đổi Matrix-Converter để thực hiện trao đổi công su t hai ấchi u m t cách linh ho t ề ộ ạ

Kết luận: Sơ đồ ử ụ s d ng khâu cách ly DC AC có nhi- ều ưu đi m như: Có khả năng ểngăn chặn điện áp ngược cho thi t b , giế ị ảm đi được một giai đoạn chuyển đổi do đó

sơ đồ đơn giản, v i hi u qu chuyớ ệ ả ển đổi cao hơn so với sơ đồ ử ụ s d ng khâu cách ly DC-DC Vì vậy trong cấ trúc tổng thể ta chọn phương án dùng cấu trúc sử ụu d ng khâu cách ly DC-AC

1.3.3 Xây dựng sơ đồ ấu trúc ộ biế c b n đ ổi đa mứ c dùng cầu H-Bridge n i ố

tầng

Yêu cầu của sơ đ là công suất có thể trao đổi qua lại với nhau qua bộ ến ồ biđổi Tuy nhiên đố ới v i các lưới điện công su t lấ ớn, điện áp cao rất khó để ự th c hi n ệcác sơ đồ chỉnh lưu và sơ đồ nghịch lưu một m c, do công ngh bán dứ ệ ẫn chưa cho phép chế ạ t o các thiết bị bán d n vẫ ới điện áp quá cao và công su t quá lấ ớ Đển kh c ắ

phục các nhược điểm này ta đi nghiên cứu xây dựng các ộ ến đổb bi i

(AC-DC-AC-AC) kiểu đa mức nối tầng với khâu trung gian tần số cao Quá trình này sẽ nâng cao

kh ả năng chịu điện áp cho bộ bán dẫn Với mục đích nâng cao được tuổi thọ ủa bộ cbán d n, tẫ ạo ra điện áp ổn định trên khâu trung gian m t chiộ ều và dòng điện, điện

áp phía xoay chi u có dề ạng hình sin Đồng th i công suờ ất của pha A của cổng này

có thể trao đổi qua lại với công su t các pha A, B, C cấ ủa cổng kia và ngược lại Quá trình này cũng xảy ra tương tự trong các pha B và C S ự trao đổi công suất như

vậy sẽ ạo ra sự cân bằng công suất trên cả ba pha của các cổ t ng Vì vậy sơ đồ ấ c u trúc b biộ ến đổ được thể ện như hình 1.12.i hi

Hình 1.12 Cấu trúc tổng quát ba pha bộ biến đổi AC-DC-AC-AC có khâu trung

gian tần số cao

Việc sử ụng hàng loạt các cấu H Bridge mắc nối tiếp nhau trên một pha, để d

-tổng hợp một dạng sóng điện áp bậc thang từ nhiều liên kết DC điện áp thấp Các sóng dạng bậc thang này sẽ được điều chế sau đó tạo ra được một sóng sin với điện

áp cao Do đó sơ đồ linh hoạt hơn trong việc tạo điện áp điện áp cao và khả năng điều khiển chiều công suất Quá trình này cho phép các linh kiện điên tử làm vi c ệcác giá trị điện áp thấp nhưng vẫ ạo ra được điện t n áp cao mong mu n c a sơ đồ ố ủ

S kự ết nối này đã tạo đư c bộ chuyển đổi với 7 mức điện áp trên các pha và sựợ liên

h giệ ữa các cổng để truyền công suất hai chiều mà không gây ra ự s mất cân bằng công su t trên c ba pha cấ ả ủa các ổngc

Chương II NGHỊCH LƯU ĐA MỨC DÙNG CẦU H-BRIDGE NỐI TẦNG

Bộ nghịch lưu là bộ phận quan trong trong các bộ biến đổi, có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn năng lượng một chiều không đổi sang dạng năng lượng xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng như: pin mặt trời, pin nhiên liệu, tụ điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu hoặc lọc phẳng

Cấu trúc một pha của bộ nghịch lưu áp đa ấ c p kiểu H nối tầng được minh

h a trong hình 2.1 ọ

Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu đa mức nối tầng dùng cầu H-bridge

Cấu trúc bộ nghịch lưu đa cấp nối tầng hình 2.1 được tạo thành từ một loạt các b biộ ến đổi cầu mộ pha (thường gọi là cầu chữt H), mỗ ầu có một nguồn DC i criêng bi t Nghệ ịch lưu này có thể ạ t o ra dạng sóng điện áp gần như hình sin từ ột m

s nguố ồn DC riêng biệt Hình 2.1 cho thấy cấu trúc của mộ pha của một nghịch t lưu M-c p, t c u ch H n i t ng M i c u ch H có th t o ra ba c p ấ ừ ầ ữ ố ầ ỗ ầ ữ ể ạ ấ điện áp khác nhau trên đầu ra + Vdc, 0 và Vdc bằng cách kết nối các nguồn DC vớ ầi đ u ra AC

bằng bốn trạng thái đóng cắt có thể ủa bốn van bán dẫ Điện áp đầu ra của c n ngh ch ị

E

E

t

lưu M-c p là t ng c a t t c các giá tr u ra c a các m ch c u Nấ ổ ủ ấ ả ị đầ ủ ạ ầ ếu như có N cầu trên m t m ch thì s có M = 2N + 1 cộ ạ ẽ ấp điện áp Trong luận văn này chỉ áp d ng ụ

sơ đồ nghịch lưu gồm ba c u và tạo ra dạng điện áp là M=2*3+1=7 mức như hình 2.1 ầ

Ưu điểm của sơ đồ:

- Điều khiển đơn giản vì các biến đổi có cùng m t c u trúc ộ ấ

- Giảm điện áp đặt lên các van bán d n ẫ

- C i thi n chả ệ ất lượng sóng hài trên điện áp ra

- Tăng khả năng của các bộ biến đổi công suất theo xu hướng công suất lớn, chịu được điện áp cao, dòng l n, t n s cao ớ ầ ố

Mục đích: làm cho các phầ ửn t bán d n chẫ ịu điện áp thấp hơn nhiều so v i ớ điện áp

ra phía t i nên giá thành h ả ạ

Trong sơ đồ nghịch lưu ầc u chữ H một pha g m b n van IGBT có diode ồ ố

mắc song song ngược như hình 2 Trong quá trình hoạ ộ.2 t đ ng, các IGBT trên cùng

m t nhánh ộ không được mở đồ ng th i, vì gây ra hiờ ện tượng ngắn m ch ngu n ạ ồ

Hình 2.2 Sơ đồ một cầu H-Bridge

Các tr ng thái khóa và mạ ức làm việc của sơ đ nghồ ịch lưu nguồn áp c u ba ầ

mức một pha được th hi n trong b ng 3.1 ể ệ ả

Bảng 3.1: Trạng thái các khoá và mức điện áp ứng với mức logic

thấp hơn tín hiệu răng cưa van khóa lại để điện áp ra bằng không ỹK thuật này có

ưu điểm là tương đối đơn giản có và d th c hi n ễ ự ệ

Nguyên lý điều ch rế độ ộng xung PWM được th c hiự ện như hình 2.3:

Hình 2.3 Đồ thị mô tả phương pháp PWM.

Với Ui không đổi, còn tín hiệu đ t thay đặ ổi theo hàm sin tần số thấp, có biên độ Ur,m

t là thời điểm tín hi u chuệ ẩn

b ng tín hiằ ệu xung răng cưa ở chu k c t m u th ỳ ắ ẫ ứ k Do đó ta có:

hoặc dưới tác d ng cụ ủa điện c m t i ả ả

2.2.1 Điều chế hai cấ p đi n áp bằng phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu ệ Bridge

H-Hình 2.4 Sơ đồ quá trình tạo xung vuông hai bậc từ sóng sin và xung tam giác

Điều chế hai cấp điện áp có tín hiệu điện áp ra đơn giản nhưng điện áp sẽ có bước nhảy tương đố ới l n vì v y s làm chậ ẽ o dòng điện đập m ch nhiạ ều hơn nên dạng dòng điện s ẽ không được như mong muốn

2.2.2 Điều chế ba cấ p đi n áp bằ ệ ng phương pháp đ ộ ộ r ng xung PWM cho cầu

H-Bridge

Điện áp đượ ạc t o riêng cho n a chu k ử ỳ dương và nửa chu k âm, g m hai ỳ ồtrường h p ợ như sau:

• Trường h p 1: S d ng hai sóng sin chuợ ử ụ ẩn ngược pha nhau 180o

Hình 2.5 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức sử dụng hai sóng sin chuẩn ngược

pha nhau 180o

Để tạo được điện áp dùng hai sóng sin chuẩn cùng biên độ, tần số, lệch pha nhau 180o để so sánh với một xung tam giác có chu kỳ cố định Quá trình so sánh này sẽ tạo ra được các xung điện áp ra ở nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm ứng với mỗi sóng sin chuẩn

• Trường h p 2: S d ng hai sóng tam giác l ch pha nhau 180ợ ử ụ ệ o

Hình 2.6 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức dùng hai sóng tam giác lệch pha 180o

Trường hợp này để ạo được điệ t n áp ra ta s d ng m t sóng sin chu n so ử ụ ộ ẩsánh với hai sóng tam giác có cùng biên độ ầ, t n s và l ch pha nhau 180ố ệ o Tương tự như trường h p trên quá trình so sánh này s tợ ẽ ạo ra đượ các xung điệc n áp ra n a ở ửchu k ỳ dương và nửa chu k âm ỳ ứng với mỗi dạng xung tam giác

2.2.3 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa ứm c

Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH PWM) Để- th c hi n t o ự ệ ạ

giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng m t phộ a tải, ta s d ng m t tử ụ ộ ập hợp sóng mang (d ng tam giác) và m t tín hiạ ộ ệu điều khiển (d ng sin) K t qu là dạ ế ả ạng điện áp

ra có nhi u m c khác nhau ề ứ Đố ới bội v nghịch lưu áp m mức, số sóng mang được

s dử ụng là (m 1) Chúng có tần số- fc và cùng biên độ đỉnh đỉnh A– cr Sóng điều

khiển hay sóng điều chế) có biên độ đỉnh đỉnh bằng A ( – m và tần số fm và dạng sóng của nó thay đổi chung quanh trục tâm của hệ thống (m 1) sóng mang Nếu -sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng sóng mang đó sẽ được kích đóng, trong trường hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang tương ứng của nó, sóng mang sẽ bị khóa kích Quá trình này thể hiện như hình vẽ 2.7

Hình 2.7 Hình dạng tín hiệu sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang.

Với điều khiển nghịch lưu áp ba pha thì hình dạng sóng điều chế được thể hiện như hình 2.8

Hình 2.8 Sơ đồ nghịch lưu áp đa mức ba pha

• Phân tích quá trình điều chế đa sóng mang trên một pha.

Xét trường h p 1: S d ng hai sóng sin chuợ ử ụ ẩn ngược pha nhau 180o

Hình 2.9 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức bằng phương pháp đa sóng mang

sử dụng hai sóng sin chuẩn lệch pha nhau 180o

• Xét trường h p 2: S d ng hai sóng tam giác l ch pha nhau 180ợ ử ụ ệ o

Hình 2.10 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức bằng phương pháp đa sóng

mang sử dụng hệ thống xung tam giác lệch pha nhau 180o

Từ các trường hợp trên ta thấy rằng khi số bậc của mô hình tăng lên thì quá trình điều chế được thực hiện với nhiều các sóng mang tam giác hơn khi đó tín hiệu cần điều khiển sẽ có được hình dạng trơn tru hơn Tuy nhiên để thực hiện được điều này thì quá trình xây dựng thuật toán điều khiển sẽ phức tạp hơn

Hình 2.11 Hình dạng của tín hiệu điều chế bằng phương pháp đa sóng mang

trong nghịch lưu đa mức

Xét pha a của bộ ịch lưu đa mức với n ệm vụ điều khiển quá trình đóng mở ủ c a các van Sa1, Sa2, Sa3, Sa4 trên m t ph n t nghộ ầ ử ịch lưu, được thi t l p ế ấtrên cơ sở so sánh sóng điều khi n Uể m của pha a và sóng mang Ucr (điều khiển tín hiệu xung cho cặp van Sa1 và Sa3) và sóng mang up2 (điều khiể tín hiệu xung cho n

c p van Sa2 và Sa4) C th là: Uặ ụ ể m > Ucr suy ra (Sa1=1; Sa3=0)

T ừ đó sử ụng các hệ ức trên để xác định điên áp tải Trong đó, c ỉ ố d th h s biên

độ ma và t l t n s mỉ ệ ầ ố f trong b nghộ ịch lưu đa mức được xác định như sau:

( 1)

m a

c

c f m

Trong đó : Am : Biên độ ủ c a tín hiệu điều khi n ể

Ac : Biên độ ủa tín hiệ c u xung tam giác

fc : Tần số của tín hiệu điều khiển

fm : Tần số của tín hiệu xung tam giác

Hệ số điều chế trong sơ đồ phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu điều khiển và biên độ của các xung tam giác Điều này có nghĩa là hệ số điều chế phụ thuộc vào giá trị điện áp phía một chiều Vì vậy khi điện áp phía một chiều không ổn định thì

hệ số điều chế cũng thay đổi theo

Trường hợp hệ số điều biên thấp: Bộ nghịch lưu sẽ không sử dụng hết tất cả

các sóng mang tam giác trong quá trình điều chế như hình 2.12 Vì vậy gây sự lãng phí trong quá trình thiết kể bộ điều khiển Lúc này có thể bộ nghịch lưu sẽ hoạt động với phương pháp điều chế như sự điều chế PWM thông thường

Hình 2.12 Tín hiệu điều chế của bộ nghịch lưu với hệ số điều chế thấp.

Trường hợp hệ số điều biên cao: Tín hiệu điều khiển của bộ nghịch lưu sẽ

vượt quá ngưỡng của các sóng mang tam giác như hình 2.13 Khi đó bộ điều khiển

sẽ không điều chế được toàn phần của các sóng cần điều chế Vì vậy tín hiệu ở ngõ

ra sẽ không được như mong muốn Để kiểm soát được vấn đề này cần phải xây dựng một bộ điều khiển phức tạp hơn

Hình 2.13 Tín hiệu điều chế của bộ nghịch lưu với hệ số điều chế cao.

Kết luận: T ừ phân tích các phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu nguồn áp như trên ta thấy rằng phương pháp điều ch r ng xung PWM có nhiế độ ộ ều ưu điểm

là đơn gi n, d th c hi n Vì vả ễ ự ệ ậy trong phương pháp điều ch cho b nghế ộ ịch lưu đa

mức dùng cầu H nối tầng ta chọ phương pháp điều chế độ ộng xung PWM để làm n r

b ộ điều chế cho sơ đồ nghịch lưu Và thay vì sử ụng hai sóng hình sin ngược nhau d

để so sánh v i m t xung tam giác thì trong luớ ộ ận văn này tôi sử ụng hai xung răng dcưa ngược nhau để so sánh v i m t tín hi u sin chu n ớ ộ ệ ẩ

2.3 Mô phỏng nghịch lưu đa mứ dùng cầu Hc -Bridge n i tố ầng một pha

2.3.1 Mô phỏng nghịch lưu ộ m t m c ứ dùng cầu H-Bridge m t pha ộ

Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu một pha một mức.

tạo thời gian trễ để tránh dòng đâm xuyên trên các van của sơ nghịch lưu, sau đó được đưa đi đóng cắt các van c a b nghủ ộ ịch lưu.

b) Mô hình mô phỏng

Hình 2.15 Mô hình mô phỏng nghịch lưu một pha một mức.

b) K t qu mô phế ả ỏng

Hình 2.16 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều của nghịch lưu một pha

Hình 2.17 Hình dạng điện áp phía xoay chiều của nghịch lưu một pha

Nhận xét: Dòng điện và điện áp phía xoay chiều có dạng sin chuẩn với tần

Voltage

Sine Wave

R 15

2.3.2 Mô phỏng nghịch lưu 7 mức dùng cầu H-Bridge một pha

a) Cấu trúc bộ điều chế độ ộ r ng xung PWM cho nghịch lưu 7 mức một pha

Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu một pha 7 mức.

b) Mô hình mô ph ng ỏ

Hình 2.19 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mức một pha dùng cầu H Bridge nối tầng.

DC/AC Half-Bridge Multilevel Inverter

v + - V3

v + - V2

v + - V1

Sine Wave Reference

Scope2

Scope1

i + -I1

g A B

+ -

H Bridge2

g A B

+ -

H Bridge1

g A B

+ -

1 ohm

5 mH

I load

V inv erter

Hình 2.20 Mô hình mô phỏng khâu điều chế PWM 7 mức b) K t qu mô phế ả ỏng

Hình 2.21 Hình điện áp phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mức một pha

Hình 2.22 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mức một pha

Nhận xét: Dòng điện phía xoay chiều bộ nghịch lưu có dạng sin chuẩn với

tần số không đổi Điện áp phía xoay chiều có số ậc là 7 được tổng hợp từ các giá b

tr ị điện áp ra trên m i c u H-Bridge ỗ ầ

1 s Integrator2

1 s Integrator1

1 s Integrator

-1 -1 -1

Fo=50Hz Fo=50Hz Fo=50Hz

1 Sin ref

2.4 Mô phỏng nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge n i tố ầng ba pha

2.4.1 Mô phỏng ng ịch lưu ba pha mộh t mức dùng cầu H-Bridge

a) Cấu trúc bộ điề chế độ ộng xung PWM cho nghịch lưu mộu r t mức ba pha

Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu ba pha một mức.

v + - Vab-i nv1 g

A B C +

-Universal Bri dge

3 arm s

A B C

A B C Three-Phase Parallel RLC Branch

Scope1

Uref Pulses

Di screte PWM Generator

6 pulses

a b c

3-phase Programmable Source

A B C

Hình 2.26 Hình dạng điện áp trên nguồn xoay chiều bộ nghịch lưu ba pha.

2.3.2 Mô phỏng nghịch lưu 7 mức ba pha dùng cầu H-Bridge n i tố ầng

Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu ba pha 7 mức ba pha

a) Mô hình mô phỏng

Hình 2.28 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng

Mô hình mô ph ng nghỏ ịch lưu 7 mức ba pha hình 2.28 được xây ng tdự ừ ba

mô hình nghịch lưu 7 mức một pha hình 2.19 Vì v y thuậ ật toán điều khi n và ểphương pháp điều ch ế cho mô hình 2.28 trên các pha tương tự như hình 2.19 Tuy nhiên đây là mô hình ba pha nên tín hiệu sin chuẩn đ điể ều chỉnh các pha được điều khiển lệch pha nhau các góc 120o

b) K t qu mô phế ả ỏng

Hình 2.29 Hình dạng dòng điện nguồn xoay chiều bộ nghịch lưu 7 mức ba pha

Three phases DC/AC Half-Bridge Multilevel Inverter

Ts = 5e-006 s.

Va b c

I a b c A B C

a b c

V-I Measurement

Scope1

A B C

A B C