Nghiên ứu và xây dựng thuật toán điều khiển để đồng bộ hóa bộ biến đổi bán dẫn ông suất với lưới điện

M ch khóa pha dùng hàm arctang .... Phase-Locked Oscillator Control Systems.. Phase Locked Loops .... Charge-Pump PLLs .... Digital Single-phase PLL .... Amplitude Compensation in Digita

NGHIÊN C U VÀ XÂY D NG THU  U KHI NG

B HÓA B   BII BÁN D N CÔNG SU T V  N

ng d n  : TS Tr n Tr ng Minh  

Hc viên : Nguy n M nh Hà  Chuyên ngành u khi n và T ng hóa   

1



M C LC 1

L 4

LU 5

DANH M C B NG BI U 7

DANH MC HÌNH V 7

NG QUAN 11

1.1 Các khái ni m công su t 11 

  u ki n dòng áp là hình sin 11

1.1.2 Khái ni m công su u ki n không sin 15

1.1.3 Công sun trong các h thng ba pha 21

1.2 T ng quan v  chn 32

   i s c x n 32

1.2.2 Sóng hài 35

1.3 Các b bi n t công sut và ng d ng c a nó 40  

 40

 41

 S c n thi  t phi có mch vòng khóa pha 45

CH KHÓA PHA 51

2.1 M ch zero-detector 51

2.2 M ch khóa pha dùng hàm arctang 52

2.3 Cn ca b khóa pha PLL 53

2.4 Phase-Locked Oscillator Control Systems H  thu khi n s d ng b     ng khóa pha (PLO) 55

2.4.1 Tuy n tính hóa b   u khi n PLO 56

2.5 Phase Locked Loops 58

2.5.1 Charge-Pump PLLs 60

2.5.2 B khóa pha trong h t    ng b SRF PLL- 62

2

Kt qu mô ph ng khi s d ng b l    c trình bày   m c 3.3 65

2.5.3 Digital Single-phase PLL 65

2.5.4 Amplitude Compensation in Digital PLLs 66

2.6 Digital Alternatives to PLLs 68

 68

2.7 B PLL thích nghi cho ng d ng Flexible AC Transmis-sion Systems    (FACTS) 69

2.7.1 M c tiêu chính 69

2.7.2 C u trúc c a b   PLL thích nghi 69

2.7.3 Thi t k b PLL thích nghi 71  

NG 77

3.1 B khóa pha PLO 77

3.1.1 Tham s h  thng 77

3.1.2 K t qu mô ph  i giá tr  t 78

3.1.3 H thi có s   m  i xng v   79

3.1.4 H thi c  ó s m t cân b ng và có c sóng hài b c 5, b   c 7 80

3.1.5 H thi có s  m t cân b ng và có c sóng hài b c 5, b   c 7 và s   i t i 81

3.1.6 H thi có s i t n s 81

3.2 B khóa pha trong h t    ng b SRF-PLL 82

3.2.1 H thn áp cân b ng hình sin 83

3.2.2 H thn áp cân b ng hình sin có bi ng nh y pha 84

3.2.3 H thn áp cân b ng hình sin có bi i t n s 85

3.2.4 H thi không cân bng hình sin 86

3.2.5 H thi có sóng hài 87

3.3 B khóa pha trong h t    ng b SRF-PLL có s b Pre-Filter 88 

3.3.1 H thn áp cân b ng hình sin 88

3.3.2 H thn áp cân b ng hình sin có s bi  ng v pha 89

3

3.3.3 H thn áp cân b ng hình sin có s   i ca t  n s c n áp

i 90

3.3.4 Khi có sóng hài và có s  i ci 91

3.4 Digital Alternatives to PLLs 92

3.5 B PLL thích nghi cho ng d ng Flexible AC Transmis-sion Systems    (FACTS) 93

3.5.1 H thi cân bng hình sin 95

3.5.2 H thi cân bng hình sin có bing v pha 96

3.5.3 H thi hình sin có bing v t n s 97  

3.5.4 H th 50% 98

3.5.5 H thi có sóng hài 99

K T LUN 100

TÀI LIU THAM KH O 102

 tài “Nghiên c u và xây d ng thu ứ ự ật toán điề u khi ển để

đồ ng b hóa b bi ộ ộ ến đổ i bán d n công su t v ẫ ấ ới lưới điệ ” n do thy Trn Tr ng 

Minh ng d n là công trình nghiên c u c  a riêng tôi

Ngoài các tài li u tham kh n ra cui lum b o r ng không  sao chép các công trình ho c k t qu c   i khác N u phát hi n có s sai ph   m

vu trách nhim

Hc viên

Nguy n M nh Hà  

5



Ngày nay cùng v i s phát tri n c a b bi      i công su t, ng d ng c   a chúng vào th c t trong các quá trình s n xu t và trong cu c s ng hàng ngày, vi      c nâng cao chng các b  u khi n cho các b bi  i công su t, các thi t b   

b o v   n rt cn thit

Các b  u khii cung c p chính xác t n s    c a

n, t  i có th  u chn Vì v y, vi ng b hóa các b bi  i bán d n công su t v        t quan trng trong viu khi n các b bi  i bán d n công su t

Hi c t m quan tr Nghiên c u và xây d ứ ự ng

thuật toán điề u khi ển để đồ ng b hóa b bi ộ ộ ến đổ i bán d n công su t v ẫ ấ ới lướ i

6

Do qu thu ki n th c t còn nhi    n lukhông tránh kh i nh ng thi u sót, r   c s  a các th y cô và các bng nghi p 

Tôi xin chân thành c thy giáo TS Trn Tr ng Minh   c tip

ng d n hoàn thành lu y cô trong b môn T   ng Hóa Vi n  

n - i H c Bách Khoa Hà N   tác gi trong quá trình thc hin b n lu 

Hà N i, ngày  tháng   3

H  c viên

Nguy n M nh   Hà

7



 33

  47

 3 77

 77

D     th n áp và công suât t c th i 11  

Hình 1.2 Tam giác công sut 14

Hình 1.3 T  di n công su t 18 

  n áp ba pha cân b   n áp ba pha không cân b ng   n áp ba pha b méo 22 

Hình 1.5 Thành ph n th t    thu n, th t    c và th t không c a m t h      th ng ba pha không cân b ng 23 

Hình 1.6 H   t ng b dq 24 

Hình 1.7 Các thành ph n công su  a Akagi 30

 32

 33

 35

- 36

- 36

 37

 40

 41

 42

 43

 44



8

 47

 48

Hì 49

  50

Hình 2.1 D ng tín hi u c a m ch zero-detector 51   

Hình 2.2 Minh h  a ng c a xung áp lên b   zero -detector 52

Hình 2.3 Minh h  a ng c a sóng hài lên b   zero -detector 52

 n áp trên h t    53

Hình 2.5 C u trúc b   n 53

Hình 2.6 Mô hình phi tuy n cho b khóa pha PLL 54 

Hình 2.7 Mô hình tuy  n t nh cho b  khóa pha PLL 55

Hình 2.8 C u trúc h th   u khi n s d ng b      ng khóa pha (PLO) 55

 57

 kh i c a h th     u khi n PLO v i th i gian tr l n nh t 58      

   i u khi  t chi u s d      n m t pha 59 

 n c a b PLL 60  

  i c a b  Chare -  61

 kh i c a b SRF-PLL 62   

 kh i b SRF-PLL v i b l c ti n x lý 64       

 ng t n s     c a b l c A(z) 65  

  b khóa pha PLL c a h th ng m t pha s d ng b nhân làm b         dò pha 65

 67

Hình  67

 -TAD) 68

 70

 71

 72

9

 74

 76

 76

Hình 3.1 C u trúc h th   u khi n s d ng b      ng khóa pha (PLO) 77

 0 và 90 0 78

79   79

  80

  80

  81

  81

 mô ph ng b khóa pha SRF 82  

Hì  b ngu n ba pha ph c v   mô ph ng 82 

 u ra c a pha và t n s c a b SRF-       i cân bng hình sin 83

 u ra c a pha và t n s c a b SRF-       i cân b ng hình sin có bi  ng v pha 84 

 u ra c a pha và t n s c a b SRF-       i cân b ng hình sin có bi  i t  n s 85

 u ra c a pha và t n s c a b SRF-       i không cân bng hình sin 86

 u ra c a pha và t n s c a b SRF-       i có sóng hài và có s  bi ng v pha 87 

10

  u ra c a pha và t n s c a b SRF-PLL có b       Pre -Filter

 i không cân b ng 88 

  u ra c a pha và t n s c a b SRF-PLL có b       Pre -Filter khi có s  bi ng v pha c   i 89

  u ra c a pha và t n s c a b SRF-PLL có b       Pre -Filter khi có s  bi ng v t n s c     i 90

 ng pha c a b SRF-PLL có b    Pre -Filter khi có s    i c a  ng h p có sóng hài 91 

 92

  92

  93

Hình 3.23  mô ph ng b PLL thích nghi   93

  b ngu n m t pha ph c v mô ph ng 94     

 ng pha c a b    n áp hình sin 95

 ng pha c a b  n áp hình sin có bi  ng v       pha 96

 ng pha c a b  n áp hình sin có bi  ng v       t n s   97

 ng pha c a b  n áp hình sin có bi  ng v        98

  ng pha c a b     n áp có sóng hài và có s  bi  ng 99

14

ch   th ng là tuy n tính (ch   ch a các ph n t th ng R,L,C), ngu n     kích thích h thu hòa, và tr ng thái c a h thp

S



Hình 1.2 Tam giác công su t 

M i quan h   gia công su t tác d ng, công su t toàn ph n và h s công su      t

c th hi n m t cách rõ ràng trên tam giác công su t th hi n trên       hình 1.2 Da vào tam giác công su t, ta có th d n ra h qu : N     i là không ph i là thu n  

15

tr thì công su t ph n kháng Q là khác 0, và công su t tác d ng P s nh       sut toàn phn S, do v y h s công su t      s nh 

T t c nh ng khái ni   m  c m 1.1.1   c s d ng t   tính toán trong các h  th n, các thi t b          Tuy nhiên, nh ng khái ni m này ch     thng làm viu kin

16

 công su t toàn ph (1.15) (1.7) u khác bing V và I là giá tr hi u d ng c a d ng sóng dòng     

n áp và thành phn bc ký hi u là nsut tác dng và công sut ph

n áp khác ba, trong công th c (1.18), công su t ph n kháng   sinh ra b i các thành ph u hòa cùng b c có th   trit tiêu l u y dn

d(1.17) t lý rõ ràng, c 

u kiu hòa và bu hòa Công su t tác d i di n cho giá tr  trung bình c a công su t t c th i Trái l    ng công su t ph n kháng v  à công su t toàn ph n ch    ng d n xu t lý c th

Do s t n t i c a công su    u king công su t có th   c bi u di  i d ng hình h c trong h c t  tr  vuông góc

H s công su  t  theo (1.14) là t s gi a công su t tác d ng và công su t toàn      

ph n Bây gi ,    thành tr cos  trong t  di n công sut  hình 1.3

d ch chuy n-displacement factor   ( os )c  M t khái ni m khác: h  mé s o ( os )c  ,

   s gi a modul c a S PQ và công su t toàn ph n S  

19



Công su t ph n kháng Q và công su t sóng hài (công su t méo) D là các công    

thc toán hc có th d n t i nh ng nh    m lc bit là khi các khái nic

m r   phân tích các m n ba pha   (1.22) , (1.23) , (1.24), (1.25) xem m   u ki  u hòa là t ng h p c a r   t nhi u m     c l c kích thích các t n s kh       ng công suc không cung c p nh  thích h thi t k các b 

 Công sut toàn ph n P S:

Chúng ta có th ki m ch ng r ng không có khác bi t gi a công su t tác d       ng

và công su t toàn ph   c a Fryze trong mi n th i gian và trong  

a Budeanu trong mi n t n s Có th d dàng xác nh n công su t tác       

d ng tính toán t công th  c (1.17) là gi ng v i bi u th c (1.26), và công su t toàn     

ph n trong các bi u th  c (1.15) và (1.27) là m t Tu     a Budeanu v công su t ph n kháng trong công th   c (1.18) và c a Fryze trong công thc (1.29) là khác nhau

ng minh h s công su t tác d ng      t giá tr c  i ( 1) khi

và ch khi  n áp tc thi là t  c l l v i thì  1

21

1.1.3.  ba pha

  ng hay phân tích m n ba pha b    ba

mn m t pha c l  n hóa này b c l r t nhi   m,

c bing h p m n ba pha có các thi t b    n t phân tích ho c các t i phi tuy n Công su t tác d ng, ph n kháng và toàn ph n trong m      n ba pha n là c ng ba ph n các công su  n m t pha 

t lý và bi u di n toán h c c   i

ng công su t trong h th ng m t pha và ba pha     

i vì mn ba pha b c l nh ng tính ch t không th quan sát     

ba pha  có dây d n th    c g i là dây d n trung tính Trong c hai   

ng h p, h th  c phân lo i thành h ba pha b n dây N      th ng

c tit ho c ch có m  m nt trên toàn h th c

gi là h thng ba pha - ba n là h thng ba pha

Trong m t h  thng ba pha, n  c n áp c a các pha 

là b ng nhau, và góc pha c a chúng l ch nhau m t góc là     2

3

 , thì h  thc

gi x  c l i h thc gt cân b

 i x 4-a, 1.4-b minh h a ví d v h th ng ba pha cân b ng      

và không cân b ng v   n áp Hình 1.4-c minh h a h  thn áp ba pha b méo 

y, ngoài hin áp ba pha còn có hing m t cân b ng  

gia các pha

22

Hình 1.4 (a):  n áp ba pha cân b  n áp ba pha không cân b ng 

 n áp ba pha b méo 

Có hai lo i m t cân b     c ch ra trong lý thuy t v các thành   

phi xng áp d ng cho h  thn áp ph c ba pha 

 n áp ph c không cân b ng   ( , , )V V V a b c i

1 131

a b c

2

11

a b c

ho thành ph n th t không Tuy nhiên phc    ng ch có thành ph n th t    

c có th xu t hi n trong h th ng ba pha - ba dây Trong h th ng ba pha b n         dây, c hai thành ph n th t     c và th t   u có th t n t  

n th t   n ch y trong dây trung tính 

 trên có th áp d ng cho các sóng có cùng b  u hòa M r  i v i m t h  thng ba pha u dòng áp là tun hoàn, chúng ta có th dùng phép phân tích Four  tách tín hi u c a t ng pha ra   thành các thành phng lý thuy t các thành ph n  

 i x ng cho ba thành ph n có cùng b  u hòa c a ba pha     n

Chuy     c s d     thng ba pha thành h thng hai pha

Chuyi Clarke chuyi h thng ba pha sang h th

24

 và v quay cùng t n s v i vabc, chúng ch a c thành ph n th t        thun và th t ngh ch, còn thành ph n th t không thì không n m trong v        và v

mn m t pha và ba pha   có ít nh m t t  i công sut

ph n kháng Q, nó không th hi n cùng m t hi    ng trong m n m t pha 

và ba pha

Gi  s chúng ta có m t h th ng dòng áp ba pha ch ch thành ph n th t        thu  n t n s  n (h th u hòa và cân b ng) : 

2

3 2

26

Các ký hi u V +, I+,V,I  c s d nh n m ng

ca thành phn th t thu n   

   i v i h th ng m t pha có ho c không có dây trung tính, công su t tác d ng    

t c th i ba pha   p t3( ) mô t dòng công su t t c th i truy n t i gi a ngu n và t i, nó         

nh  c (1.3), nh  t tác d ng 

và công su t ph n kháng công th c (1.44), công su t tác d ng t c th i là h ng s          

và b ng 3P (ba l n công su t tác d ng c    a   m t nh t quán v   nh

  th ng m t pha, công su t tác d ng (trung bình) ba      nh

27

ng hng x y ra m t      các pha còn l i, v i góc pha l  o   s d c Do v y, công sut toàn phn ba pha   nh n  

S  S  V I 

(1.47)

ng công su t ph c ba pha   S3  ng ba phn công sut phc m t  (1.12)

  i P V Icos, ho     n công su  ng

 i v i mn m t  i Q V Isin

Ví d , gi m  n ba ng n i v i h    thng t  n ba pha hình sao cân b ng N n thc b qua, thì máy phát không tiêu th  công su  - n t ng h p này, trên m i

 n áp ph c vuông góc v   n pha ph  ng, và công su t 

3 0

P  M t máy phát không cung c p công su t tác d     m ng,

nó không sinh mô- n t Mi vng m t pha n i

v m t t i   i gi a máy phát và t   n, công su t tác 

1.1.3.3  ba 

Các khái ni m truy n th ng v công su t toàn ph n và công su t ph n kháng        

là mâu thu n n u áp d ng v i các h      thng không cân b ng ho c b méo C hai    phép ti p c n c a Budeanu và c     phân tích các h thng ba ng

D a vào các giá tr hi u d ng c    công sut toàn ph n ba  c chp nh n s d ng khá ph bi n :     

+) Phép tính toán theo t ng pha riêng r :  

(1.50) +) ng h p giá tr hi u d   

cc tính toán theo biu th c  (1.16)

Có th  chng minh r  i v i h thng ba u hòa cân b ng, công su t toàn  

ph(1.50) và (1.51  ) u

ki n b u hòa, ta thy S S3  S và S3 n ch là 

nht lý rõ ràng Tuy nhiên, m t s  tác gi s d ng chúng v i cách hi    t tác d ng c i có th  c khi h s công su t b   

29

Công thc (1.51) s d ng khái ni  m n áp hi u d ng t ng h p     và n

hi u d ng t ng h p     Các khái ni xu t trong các nghiên c        t toàn ph n cho t i b t k    

    tr n hi u d ng t ng h   c tính toán theo công th c:

2 2 2 à 2 2 2

V  V V V v I  I I I (1.52) Giá tr  n áp hi u d ng t ng h p tính toán theo     (1.52 ) c tính toán t các giá tr hi u d ng c   n áp pha Va, Vb, Vc , có giá tr b ng v i giá tr hi u d     ng

cn áp dây n thu hòa và cân b

30

truy n th ng C   th m m i v công su t t c th i có th      

c bi u di n trên h t          

Hình 1.7 Các thành ph n công su   a Akagi

Công su t t c th i bao g m 3 thành ph n trong hình 1.7 : Thành ph n công su      t

thc p, công su t o q và công sut thc truy n qua dây trung tính p 0

0 0

00

i u

- Dòng h u d ng t c th i trên tr    c  c chia thành 2 thành ph n gây ra công su t h u d ng t c th i    ip và gây ra công su t ph n kháng t c th   i iq vi trc 

- T ng c a công su t h u d ng t c th i trên tr       c  và  t o thành công su t th  c

tc thi

- T ng công su t ph n kháng trên các tr   c  và  luôn b ng không Các thành 

ph n này không tham gia vào dòng công su t t c th   i gi a t i và ngu n mà   

 i b i các pha Công su t  ng mô t   ng c a các công sut phn kháng này

m c  t c n ng các thành

ph n hài b c cao trong công su t ph n kháng và công su t h u d ng, bao g m c         

chéo gi a các thành ph n dòng và áp các t n s      m

1.2 

 làm n i b t t m quan tr ng c a b khóa pha thì tôi xin phân tích nh ng       

hing bng x y ra trong m n

1.2.1 

H u h t các hi  ng b t liên quan t i h thn áp D i

c và kho ng th i gian x y ra s      i t mili giây t i vài gi i

ta phân chia các hing b  ng x  n trên hình 1.8

Hình 1.8 

- S can thi i.p c

Khi ngu n c p t    ng h i ph   i ta g i là hi  ng short interruption Hic minh h a trên hình 1.9 

H u qu t các thi t b b o v , m t thông tin và gây l i cho các thi t       

b x    nh

Hình 1.9  short interuption

2. Voltage sags/dips

n áp lõm là s suy gi n áp t c th t ng t t i m t th   m giá tr     c ng gi a 90% và 1% (theo IEC 61200-2-1) so v  n áp quy chun, tic ph c h i trong m t kho ng th i gian r t ng n t n        a chu k c n ba n áp quy chun

34

nh mng s d ng giá tr hi u d ng rms c a tín hi u trên m t chu        

k  n T là kho ng th i gian x y ra hi    ng

T/2 > T > 30T: lõm tc thi: instantaneous sag

30T > T > 3s : lõm thoáng qua : momentary sag 

 S   t t i công su t l ng b , lò h quang,  máy hàn c ng d n t  i s suy git ngn áp

Hing: Có bii rt nhanh c a giá tr   n áp trong kho ng m t

n vài mili giây Giá tr  n áp có th lên r c

xu ng r t th p   

t các t  n và t i c m l n   

H u qu ng các thit b bán d n, v t li  n Gây nhi u 

 n t cho thi t b  

Hing:  n áp gi a các pha không b ng nhau  

Nguyên nhân: T i m t cân b ng t c là có t    i lm ng, t i kéo trên 

hu nh quang Trong các h  thn b  n b i quá trình chuy n

m ch nên bi u hòa M t khác, m t hàm không sin có th phân tíc   h (mt cách gng cu hòa hình sin có t n s khác  nhau theo công th c khai tri c minh h a trong hình 1.10, 1.11, 1.12 

Hình 1.10 

Gi   s i tác d ng c a t i phi tuy   n các pha không có hình sin và

kt qu sau khi phân tích Fourier có d ng: 

32.sin 3 sin 2 1

k La

k Lc

Có th  th y r ng các dòng pha bao g m hai thành ph n: Thành ph  ng

u hòa có t n s b ng t n s c     n áp ba pha chu n g n, còn các thành phu hòa có t n s là b i s nguyên l n c a t n s         c gi

là sóng hài (bc cao)

* Sóng hài là thành ph n không mong mu n trên p  n truy n t 

ng ng c a sóng hài qua m t s    ng trong

ng nh t là ch s TDH:   

37

- T 

2

2 1 2 1

k k

THD

I I

   l c ng công su t gây ra b i các thành ph n hài và   

ng công su t gây ra b i thành phn Tiêu chu   n THD<5%.

39

các sóng h