Trang 1 Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023YSC2023-ỈUHYSC5.F140NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐIÈƯ CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN ĐẺ GIẢM ĐIẸN ÁP COMMON MODE CHO Bộ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẠC HÌNH
Trang 1Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH
YSC5.F140
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐIÈƯ CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN
ĐẺ GIẢM ĐIẸN ÁP COMMON MODE CHO Bộ NGHỊCH LƯU BA PHA BA
BẠC HÌNH T
NGUYỄN NGỌCQUỲNH1, NGUYỄN THỊ NGỌC HÂN1, TRẦNTẤN TÀI1*,
CHÂUMINH THUYÊN1, NGUYỄNHOÀI PHONG1
}Khoa Công nghệ Điện, Trường Đại học Công nghiệp Thành phổ Hồ Chỉ Minh
Hrantantai@iuh edu vn
T óm tắt. Ngày nay,với sự phát hiểnmạnhmẽ của các ứng dụng năng lượng tái tạo, việc nghiên cứu về cácbộ nghịchlưu càng trở nên quan trọng Những ưu điểm của bộ nghịch lưu đabậc có thể kể đến như: chất lượng điện áp ngõ ra tốt, cấu trúcđơn giản dễ điềukhiển,thường được ứng dụng rộng rãitrong các ứngdụng có công suất vừa và nhỏ Tuy nhiên, vẫntồn tạimột sốnhược điểm như: trong quá hình hoạt động,bộnghịch lưu sản sinhrađiệnáp common modelớn đây là nguyên nhân lớn nảy sinhra nhiều vấn
đềgiảmchất lượng điện đầu ra,nhiễu EMI, làm hỏng 0 bi của độngcơ Trong bàibáo này, mộtnghiêncứu
về các giải thuật điềuchế vector không gian để giảmđiện áp common mode chobộnghịch lưuba pha ba bậc hình T Bên cạnhđó, phân tíchtrạngtháihoạt độngcủa mạchvà mô hình toán củabộ nghịchlưu ba pha ba bậc hình T Ngoàira,sosánh các giảithuật điềuchế vectorkhông gian đưa racác ưu nhược điểm của từng thuật toán để giảmđiện ápcommonmode.Kết quả được kiểmchứng dựa hên phần mềmđiện tử công suấtPLECS
Từ khóa Giảm điệnáp commonmode, nghịch lưuba pha babậc hìnhT, điệnápcommon mode
INVERTER
Abstract.Nowadays, withdie rapid development of renewable energy applications, the study of inverters becomes more and more important The advantages ofmulti-level inverters can be mentioned as: good output voltage quality,simplestructure, easy to control,often widelyapplied in small andmedium capacity applications However, there are still some disadvantagessuch as: duringoperation, the inverter produces
a large common mode voltage, which is a major cause of many problems with output power quality reduction, EMInoise, damage die motor'sballbearing.In this paper, a study on spatial vectormodulation algorithms to reduce common mode voltage for three-level t-type inverter Besides, state analysis, cữcuit operation and mathematicalmodel of a three-level t-type inverter er In addition,comparing spatial vector modulation algorithms gives advantages and disadvantages of each algorithm to reduce commonmode voltage Verified results based on PLECS power electronics software
Trong những năm gần đây, với sự pháthiểnmạnh mẽ của các ứngdụngvề nguồn năng lượng tái như hệ thốngphát điện bằng năng lượng mặttrời (PV) [1], hệthống tua-bin gió [2], các bộ biếntần trung thế [3] v.v Việcnghiêncứu các bộ nghịch lưu ngày càng hở nênquantrọng [4] Thông thường, các bộ nghịch lưu 2bậc được sửdụngnhư một giải pháp Tuynhiên,nghịch lưu 2 bậcthường có các bộ lọc cókích thước lớn, tần sốchuyển mạchthấpvà chất lượng điện áp ngõ ra còn thấplà những mặt hạn chế củacấu hìnhnày
© 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 439
Trang 2Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH
Để giảm thiểu những nhược điểm trên, nghịch lưu đa bậc được sửdụng Các cấuhình nghịch lưuđabậc truyền thống có thể kể đến nhưsau: cấu hình nghịchlưu diode kẹp (NPC) [5] vànghịchlưu ghép tầng (CHB) [6], Các cáu hình kể trên sử dụngnhiều linh kiện thụ động sẽ làmtăng kích thước vàchiphí cho hệ thống điện So với các cáu hình nghịch lưu đabậctruyền thổng trên thì cấu hình nghịch lưu babậc hìnhT [7] sử dụng các khóa bán dẫnhai chiều đểtạoliênkếtgiữa tâm của điện ápngõ vào và ngõ ra Nghịch lưu
ba bậc hình T kết họp các ưu điểm của nghịch lưuhai bậc rà nghịchlưuđa bậc như: nguyên lý hoạtđộng đơn giản, tổn hao chuyển mạchvà tổn haodẫn thấp và chất lượng đỉện áp đầuratốt [8- 9], Do đó, nghịch lưuba pha ba ba bậc hình T được sử dụng trong rộng rãitrong các ứng dụng yêu cầucông suất vừarà nhỏ Một nhược điểmcòn tồntại của các phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) truyền thống là giátrị điện áp conmon mode khá cao [ 10 - 11 ] sẽgâyra một số vấnđề không mong muốn Trongcác ứngdụng
về điều khiểnđộngcơ, điện áp commonmode là nguyênchínhtạo ra điện áp trên các trục động cơ vàdòng điện qua vòng bicủa động cơ [12]và chính các nguyên nhân đólàm giảm tuổi thọcủa động cơ.Ngoài ra, điệnápcommon mode còn gâyra nhiễuđiệntừ (EMI) ảnhhưởng đến cácthiết bị điện tử đậtgầnbộ nghịch lưu [13 - 15], Do đó, điện áp common mode được sinhra bởi các bộnghịchlưuphải được quan tâm và những phương pháp giảm điệnápcommon modethật sự quan trọng vàcần thiết cho mộtbộnghịch lưu Mộtphươngphápđiều chế sử dụng nhũng vectorzero, vector trung bình và vector lớn để tểng họp vector điện áp tham chiếu đã được đề xuất trong tài liệu [lổ] vàcườngđộđiệnáp common mode được giới hạn trongphạm vi mộtphần sáuđiện áp một chiều
Trongbàibáo này, một sơ đồ điều chế vector khônggian giảm điện áp common mode cho bộ nghịch lưu
ba pha ba bậc hình T được được đề xuất, cấu trúc bài báo được chiathành 5 phần: 1) gióithiệutổng quan
về bài báo, 2) trìnhbàycấu trúcbộnghịch lưubapha ba bậc hình T, 3) trình bày giảithuật PWM đểgiảm đỉệnáp commode, 4) kết quảmô phỏng, 5) kết luận
cáu tạo của bộ nghịch lưu ba pha babậc hìnhT gồmcó 3nhánh, mỗi nhánh gồm có 4 khóa bán dẫn được biểu diễn như Hình 1
Hình 1 Cấutrúcbộ nghịch lưu baphababậc hình T Khi kích hoạt trạng thái khóasix, S2x(a,b, c) thì điện áp ngõra VxO đạt được giá trị +VDC/2 Tương tự như vậy, khi kích hoạt trạng thái khóa S2x, S3x thìđượcnối với điểm trung tính (”O”) của nguồn với ngố
ra Vi vậy, điện áp ngõ raVxObằngkhông Và cuối cùng điện áp ngõ raVxO đạt giátrị -Vdc/2 khi kích hoạt trạng thái khóa S3x, S4x
Bảng 1 Trạng thái cáckhóa củabộnghịchlưuba pha babậc hình T (x = a,b, c )
440 © 2023 Trường Đại học côngnghiệp thành phốHồchí Minh
Trang 3Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈƯH
Phươngpháp PWM truyền thốngđiều khiển cho mạch nghịch lưu đa bậc sử dụng ba tín hiệu tham chiếu
códạng sine vàhai sóng mang tần số cao Xungkíchchocác khóa bán dẫn được thểhiện dưới hình2 dưới đây
Hình 2 Phươngpháp PWM truyềnthốngchobộnghịch lưu truyền thống đa bậc
3 GIẢI THUẬT PWM ĐẺ GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO Bộ NGHỊCH LƯU
Điệnáp common mode do bộnghịch lưubapha đa bậc gây ra bỏi các giá trịđiện ápđầuravà có thể tính bằng
Y—
Ởđây VA0, VB0 , vco là điện áp ra bapha
Trong bài viết này đề xuất một Sỡ đồ SVM cho bộ nghịch lưu bapha ba bậc hình T rà với sơ đồvector khônggian được hiển thị trong Hình 3 Trong đó ta chỉ sử dụng các vectorlớn, vector trung bình và vector không để có thểgiới hạn điện áp common modetrongkhoảng l/6Vdc đến -l/6Vdc,và đảmbảo chất lượng điện ápngõ ra ồnđịnh,hiệusuấtcao
Hình 3 Sơ đồvectorkhông gianđượcđểxuất Giả sử vectorđiệnáptham chiếu vre f nằm trong Khu vực 1, vector lớny13, vector trung bình v7, và vector
0 V Q được tổng hợp thành vector áp tham chiếu Theo nguyên tắc cân bằngvolt-second ta được
Trong đó,vector điện áp v13, v7, vo và vref đượchiển thị bằng
© 2023 TrườngĐạihọcCôngnghiệp Thành phốHồ Chí Minh 441
Trang 4Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH
2 , VÌ3 = 2 VdC
—1
v7 = -=Vdc.e&
V3
Vo = 0
<ũ^f = Vref-eJỠ
(3)
Thời gian của các vector lớn (V13), vector trungbình (V7),và vector không(Vũ)có thể đượctínhnhư sau:
(ti = mV3Tstn£- ỡ)
I T2 = 2msin(ỡ)
Trong đó Tl, T2,T0 lần lượt là thời gian của các vector lớn (V13), vector trung bình (V7) và vectorkhông (Vo) Tslà chukỉ chuyển đổi trong thời gian 0 < ỡ <^, m là tỷ số điều chế, có thểđược định nghĩalà
Vdc
Độ lớncựcđại của vector điện ápthamchiếu V ref bằngđộ dài của vector trung bìnhvà đượcthể hiện như sau:
Vdc
v ref,max
(6)
Thay thế công thứcsố(6) và công thứcsố (5) ta tìm được tỷsố điều chế lớn nhất là
Giá trị RMS lớn nhất của giữa hai điệnáphên dây đượctínhbằng:
Có thể thấy rằng việc sử dụng sơđồ được để xuất cũnggiốngvới phương pháp SVM thôngthường Mặc
dùkhông sử dụng các vector nhỏ để tổng hợp vectorđiệnáptham chiếu, thì cácliênkết điện ápkhông bị ảnh hưởng nhiều
Trình tự chuyển đổiđược chọntrong Khu vực 1 là [OOO] - [PON] - [PNN] - [PON] - [OOO],và thời gian chuyển đổi hạng thái của pha A, B, c được hiển thị trong Hình 4:
442 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh
Trang 5Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈƯH
000 - PON - PNN - PON -000
Hình 4 Trình tụ chuyểnmạch ở Khuvực 1
Có thể thấy rằng độ rộng xungdương của pha A và độ rộng xung âm củapha c có thời gian dùng là nhu nhau
Khi vector điện áp tham chiếu v refnằm trong Khu vực 2, vector lớn v14, vector trungbình ĩ^, và vector không Vo được tổnghọp thành vector tham chiếu Theo nguyên tắc cân bằng volt-second
Trong đó, vector điện áp y14, Vy, Vọ và K-e/ được hiển thị bằng
2*
1/13 = ^Vdc
13 3
—» 1 22E
< v7 = — Vdc e 6
5 = 0
< '4ejf = V re f e ỉ&
(10)
Thờigian của các vectorlón (K13), vector trung bình (V7), vàvector không (Vo) có thể được tính như sau:
Tl = m^ĨTsín^e
-T2 = 2msin I — - ỡ
l TO = Ts - TI - T2
Ởđây chukì chuyển đổi trong khoảng £ « 6 < ^.
Trình tự chuyểnđổi đuợc chọn trong Khu vực 2 là[000] - [PON] - [PPN] - [P0N] - [000], và thời gian chuyển đổi trạng tháicủa pha A, B,cđược hiển thị trong Hình 5
© 2023TrườngĐại học Công nghiệp Thành phổ Hồ Chí Minh 443
Trang 6Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH
Ts
Phase A
Phase B
Phase c
TO/2 T2/2 T1 T2/2 TO/2
Vcm
va:í>
0
o
o
o
E
o
N
£
£
N
ooo - PON - PNN - PON - ooo
Hình5.Trình tự chuyểnmạchởKhuvục 2
Sơ đồ điều khiển tổng quát của bộnghịchlưu ba pha babậc hình T được hiển thị trong Hình6
PWM Hình 6 Sờ đồ điềukhiểncủabộnghịchluuba pha babậc hình T
4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Để kiểm chúng giải thuật giảm điện áp common-mode cho bộ nghịch lưu ba pha babậc hình T được trình bày trong phần III, nhóm nghiêncứu tiến hành môphỏng và thực nghiệm dụa trên phầnmềm PSIM với các thông số sau:
Bảng 2 Các thông số trongmô phỏng PSIM
Mạch lọc RC LfvàCf 2 mH và 10 ịiF
444 © 2023Trường Đạihọc Côngnghiệp thànhphốHồChíMinh
Trang 7Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈƯH
-100
-200
-300
300
200
100
VR
Time (s)
100 .Ị - Ị- .4 Ị - -J 4 Ị - Ị 4 -
wwvmvAW
.100 -1 - * -1 - * -■ - *
-1 -0 08 0 04 0.1 0.12 0.14 0 18 0 ia 0 2 0 22
Time|ỉ)
Hình7 Kết quả môphỏng giải thuật giảm điệnápcommon-mode chobộ nghịchluuba pha ba bậc hình T.Từ trên xuốngdướitheothứ tự là: dòngđiện 3 pha (ia, ib,ic),điệnáp dây (VAB),điệnápcực(VAO), điện áptrên tải (VR), điệnápcommon-modetrước khi giải thuật (VCM)vàđiệnápcommon-mode(Vcmv)khisửdụnggiải thuật
© 2023 TrườngĐạihọcCôngnghiệp Thành phốHồ Chí Minh 445
Trang 8Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH
Với kết quả được biểu diễn ở Hình 7, có thểthấyrằngkhi sửdụng giải thuật PWM bằng vectorlớn, vector trung bình và vectorkhông được trình bàyởtrên, thì điện ápcommon-mode luônđược giớihạn trong phạm
vi l/6Vdc đến-l/6Vdcso với điện áp common mode khichưacógiải thuậtPWM
Mạch nghịchlưu trên tạo ra ba bậc điện áp + 200V, ovvà -200V ở ngõ ra, được thể ở dạng sóng VAO trong Hình 7
Vớiđiện áp ngõ vào là 400Vdcvà chỉ số điều chế là 0.866, điện áp ngõ ra trêntải đượctính toángần bằng 115VRMS , và dòng điệnngõ racó giá trị hiệu dụng 11.95A được biểudiễn bằng dạng sóng VR vàia, ib,
ic trênHình 7
5 KÉT LUẬN
Bài viết nàytrình bày giảithuật PWM điều khiểncho mạch nghịch lưu ba pha ba bậchĩnh T nhằm mục đích giảmđiện áp common-mode Nguyênlý hoạt động, lý thuyết đểgiảm điện ápcommon-modeđãđược trình bàyvà kiểmchúng qua cáckết quả môphỏng dưới sự hỗ trọ’ của phần mềmPSIM cấu hìnhvàgiải thuật cho bộ nghịch lưu hìnhT đã đượcphântích phù hợp vớicác ứngdụng yêu cầu công suất vừavànhỏ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] u M Choi, F Blaabjerg, and K B Lee, “Control strategy of two capacitor voltages for separate MPPTs in photovoltaic systems using neutral-point-clamped inverters,” IEEE Trans Ind Appl., vol 51, no 4, pp 3295-3303, July/Aug 2015
[2] J s Lee and K B Lee, “Open-switch fault tolerance control for a three-level NPC/T-type rectifier in wind turbine systems,” IEEE Trans Ind Electron., vol 62, no 2, pp 1012-1021, Feb 2015
[3] c Xia, G Zhang, Y Yan, X Gu, T Shi, and X He, “Discontinuous space vector PWM strategy of neutral-point- clamped three-level inverters for output current ripple reduction,” IEEE Trans Power Electron., vol 32, no 7, pp 5109-5121, July 2017
[4] D T Do and M K Nguyen, “Three-level quasi-switched boost Ttype inverter: analysis, PWM control, and verification,” IEEE Trans Ind Electron., vol 65, no 10, pp 8320 -8329, Oct 201
[5] Q Song, w Liu, Q Yu, X Xie, and z Wang, “A neutral-point potential balancing algorithm for three-level NPC inverters using analytically injected zero-sequence voltage,” in Proc IEEE Applied Power Electronics Conf., vol 1,
2003, pp 228-233
[6] M Malinowski, K Gopakumar, J Rodriguez, and M A Peerez, “A survey on cascaded multilevel inverters,” IEEE Trans Ind Electron., vol 57, no 7, pp 2197-2206, Jul 2010
[7] Ghasem Hosseini Aghdam, "Optimised active harmonic elimination technique for three-level T-type inverters,” IET Power Electron.,vol 8, no 11, pp 425-433, jun 201
[8] H Xiao and s Xie, “Transformerless split-inductor neutral point clamped three-level PV grid-connected inverter,” IEEE Trans Power Electron., vol 27, no 4, pp 1799-1808, Apr 2012
[9] M Schweizer and J w Kolar, “Design and implementation of a highly efficient 3-level T-type converter for low- voltage applications,
[10] Nho-Van Nguyen, Tam-Khanh TuNguyen, Hong-Hee Lee, “A Reduced Switching Loss PWM Strategy to Eliminate Common Mode Voltage in Multilevel Inverters”,27 IEEE Transactions on Power Electronics, PTC’05, vol
30, no 10, pp 1-15, Oct 2015
[11] Nho-Van Nguyen, Tam-Khanh Tu Nguyen, Hong-Hee Lee, “Eliminated Common-Mode Voltage Pulsewidth Modulation to Reduce Output Current Ripple for Multilevel Inverters”, IEEE Transactions on Power Electronics, PTC’05, vol 31, issue 8, pp 1-15, Aug 2016
446 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh
Trang 9Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH
[12] u T Shami and H Akagi, “Experimental discussionson a shaft end-to-end voltage appearing in an inverter- driven motor,” IEEE Trans Power Electron., vol 24, no 6, pp 1532-1540, Jun 2009
[13] J Shang and Y w Li, “A space-vector modulation method for commonmode voltage reduction in current-source converters,” IEEE Trans Power Electron., vol 29, no 1, pp 374-385, Jan 2014
[14] z Liu, z Zheng, s D Sudhoff, c Gu, and Y Li, “Reduction of common mode voltage in multiphase two-level inverters using SPWM with phase-shifted carriers,” IEEE Trans Power Electron., vol 31, no 9, pp 6631-6645, Sep 2016
[15] X Chen, D Xu, F Liu, and J Zhang, “A novel inverter-output passive filter for reducing both differential- and common-mode dv/dt at the motor terminals in PWM drive systems,” IEEE Trans Ind Electron., vol 54, no 1, pp 419-426, Feb 2007
[16] J s Lee and K B Lee, “New modulation techniques for a leakage current reduction and a neutral-point voltage balance in transformerless photovoltaic systems using a three-level inverter,” IEEE Trans Power Electron., vol 29,
no 4, pp 1720-1732, Apr 2014
© 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 447