Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ biến đổi đa mức mmc sử dụng thuật toán điều chế nlm cải tiến

Tính mới và sáng tạo - Tạo ra mô hình BBĐ MMC phục vụ đào tạo, nghiên cứu khoa học về hướng phát triển mới về bộ biến đổi đa mức sử dụng trong hệ thống nguồn điện mặt trời công suất lớn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU CHẾ NLM CẢI TIẾN Mã số đề tài : Chủ nhiệm đề tài: TS Trần Hùng Cƣờng THANH HÓA, THÁNG 3 /2023 Trang i DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH 1 Danh sách đơn vị phối hợp chính TT Tên đơn vị Địa chỉ Nội dung tham gia 315 A2 CSC Toàn bộ đề tài 1 Khoa KTCN 2 Danh sách thành viên tham gia nghiên cứu TT Học hàm, học vị Đơn vị công tác Nội dung tham gia Họ và tên 1 ThS Phạm Thị Hà Khoa KTCN, ĐH Phân tích hoạt động Tìm HĐ kiếm tài liệu, viết báo cáo tổng kết 2 ThS Lê Việt Anh Khoa KTCN, ĐH Mô phỏng, lấy kết quả HĐ thực hiện Trang ii Trang i MỤC LỤC ii Mục Tên chƣơng, phần, mục và tiểu mục iii Danh sách thành viên tham gia đề tài và đơn vị phối hợp chính iv v Mục lục vi Danh mục chữ cái viết tắt 1 Danh mục hình vẽ 1 Danh mục bản biểu 2 Thông tin kết quả nghiên cứu 2 2 Ch1 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu 3 4 1.1 Giới thiệu về bộ biến đổi MMC 4 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 6 1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 7 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 9 1.3 Ứng dụng của bộ biến đổi MMC 10 1.4 Cấu trúc và hoạt động của bộ biến đổi MMC 11 1.4.1 Cấu trúc của bộ biến đổi MMC 1.4.2 Nguyên lý tạo một mức điện áp của SM dạng nửa cầu 11 1.4.3 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC 1.5 Vấn đề điều chế cho bộ biến đổi MMC 14 1.6 Kết luận 16 16 Ch2 Mô hình hóa và điều chế nlm cải tiến cho bộ biến đổi MMC 17 2.1 Mô hình trạng thái liên tục của BBĐ MMC khi nối tải R-L 20 23 2.2 Mô hình MMC trong phương điều chế mức gần nhất NLM 27 27 Ch3 Điều chế NLM cho bộ biến đổi MMC 28 28 3.1 Điều chế NLM cổ điển cho MMC 31 3.2 Điều chế NLM cải tiến cho MMC 33 3.3 Thuật toán cân bằng điện áp trên các tụ của MMC 35 3.4 Mô phỏng các phương pháp điều chế NLM cải tiến cho MMC 36 Ch4 Thiết kế xây dựng thực nghiệm BBĐ MMC với NLM cải tiến 36 4.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC 39 4.2 Tính toán thiết kế hệ thống thực nghiệm 42 4.2.1 Tính toán thiết kế mạch lực 43 4.2.2 Tính toán thiết kế mạch đo 46 4.2.3 Mạch ADC 4.2.4 Mạch đệm ADC 4.2.5 Mạch FPGA 4.2.6 Sản phẩm mạch được thiết kế 4.3 Kết quả thực nghiệm Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục Trang iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu, chữ viết tắt Đƣợc hiểu là MMC Modular Multilevel Converter SM Sub - Module BBĐ Bộ biến đổi FPGA Field Programmable Gate Array ĐTCS Điện tử công suất HVDC Hight Voltage Direct Curent (Truyền tải điện áp cao một chiều) THD Total Harmonic Distortion (Tổng méo sóng hài) NLM Nearest Level Modulation Trang iv DANH MỤC HÌNH VẼ TT Tên hình Trang 4 1 Hình 1.1 Một số ứng dụng của BBĐ đa mức trong thực tế 2 Hình 1.2 Cấu trúc bộ biến đổi MMC 4 3 Hình 1.3 Trạng thái đóng cắt của S1 và S2 6 4 Hình 1.4 Tổng quan về các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi 9 đa mức 5 Hình 2.1 Cấu trúc BBĐ MMC một pha 11 6 Hình 2.2 Cấu trúc mô hình trung bình của BBĐ MMC 12 7 Hình 2.3 Đồ thị mô tả sự tạo thành điện áp đầu ra của MMC khi áp 14 dụng phương pháp điều chế NLM cải tiến 8 Hình 2.4 Tín hiệu điện áp ra và điện áp đặt của phương pháp điều 15 chế NLM 9 Hình 3.1 Sơ đồ phương pháp NLM cổ điển 16 10 Hình 3.2 Nguyên lý của phương pháp NLM cổ điển 16 11 Hình 3.3 Sơ đồ phương pháp NLM cải tiến 18 12 Hình 3.4 Nguyên lý của phương pháp NLM cải tiến 19 13 Hình 3.5 Thuật toán cân bằng điện áp tụ điện 21 14 Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán cân bằng điện áp tụ điện 22 15 Hình 3.7 Cấu trúc phương pháp điều chế NLM cải tiến cho BBĐ 23 MMC 16 Hình 3.8 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A của MMC 24 17 Hình 3.9 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc 24 18 Hình 3.10 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải 24 19 Hình 3.11 Kết quả phân tích Fourier điện áp đầu ra AC 25 20 Hình 3.12 Kết quả phân tích Fourier dòng điện trên tải 25 21 Hình 3.13 Dạng điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới 25 pha A 22 Hình 3.14 Dòng điện vòng trong các pha của bộ biến đổi 25 23 Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thực nghiệm một pha của BBĐ 28 MMC 24 Hình 4.2 Sơ đồ thiết kế mạch gồm 2 SM 29 25 Hình 4.3 Cấu trúc mạch đo dòng điện nhánh 31 26 Hình 4.4 Cấu trúc mạch đo điện áp trên các tụ của SM 31 27 Hình 4.5 Mạch đo dòng điện nhánh 31 28 Hình 4.6 Mạch đo điện áp tụ của SM 32 29 Hình 4.7 Mạch ADC thực hiện bởi IC MCP3208 33 30 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch Driver 33 31 Hình 4.9 Khối nguồn cấp cho mạch driver 34 32 Hình 4.10 Sơ đồ thiết kế của mạch driver 35 33 Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý và bo mạch thực mạch Dead Time 35 34 Hình 4.12 Sơ đồ mô tả tuần tự lập trình trên FPGA 36 35 Hình 4.13 Bo mạch gồm 2 SM 37 36 Hình 4.14 Bo mạch Driver cấp xung cho 4 IGBT 37 37 Hình 6.15 Mạch đo dòng và tụ điện trên các nhánh cho một pha 37 38 Hình 4.16 Kit FPGA AX 309 Xilinx 37 39 Hình 4.17 Mô hình tổng thể hệ thống thực nghiệm bộ biến đổi 38 MMC 40 Hình 4.18 Mẫu xung ra của FPGA và Drive cấp cho IGBT 39 41 Hình 4.19 Hình dạng điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A 39 42 Hình 4.20 Hình dạng điện áp trên tải xoay chiều của pha A, B, C 40 43 Hình 4.21 Hình dạng dòng điện trên tải xoay chiều của pha A, B, C 40 44 Hình 4.22 Hình dạng điện áp trên tụ điện của SM1 pha A, B, C 40 45 Hình 4.23 Hình dạng dòng điện vòng pha A, B, C 40 Trang v DANH MỤC BẢNG BIỂU TT Tên bản biểu Trang 7 1 Bảng 1.1 Điện áp ngõ ra của SM 2 Bảng 3.1 Kết quả so sánh giữa hai phương pháp NLM cổ điển 13 và NLM cải tiến 3 Bảng 3.2 Thông số mô phỏng BBĐ MMC 23 4 Bảng 4.1 Thống kê thiết bị mạch lực MMC 29 5 Bảng 4.2 Bảng số liệu giá trị Lo và CSM 30 6 Bảng 4.3 Thông số thực nghiệm BBĐ MMC 30 Trang vi THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1 Thông tin chung - Tên đề tài: Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ biến đổi đa mức MMC sử dụng thuật toán điều chế NLM cải tiến - Mã số: - Thời gian thực hiện: 12 tháng, từ tháng 11 năm 2020 đến tháng 11 năm 2021 - Cấp quản lý: Cấp cơ sở - Cơ quan quản lí đề tài: Trường Đại học Hồng Đức - Đơn vị chủ trì đề tài: Khoa Kỹ thuật – Công nghệ - Chủ nhiệm đề tài: Trần Hùng Cường Đơn vị công tác: Khoa Kỹ thuật – Công nghệ Điện thoại: 0989100048 Email: tranhungcuong@hdu.edu.vn 2 Mục tiêu - Xây dựng mô hình BBĐ MMC ba pha có 12SM trên mỗi pha phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học cho giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật điện - Xây dựng được hệ thống mạch đo, mạch điều khiển cho BBĐ MMC có 12SM trong mỗi pha - Thực hiện mô phỏng và thực nghiệm thuật toán điều chế NLM cải tiến cho bộ biến đổi đa mức MMC 3 Tính mới và sáng tạo - Tạo ra mô hình BBĐ MMC phục vụ đào tạo, nghiên cứu khoa học về hướng phát triển mới về bộ biến đổi đa mức sử dụng trong hệ thống nguồn điện mặt trời công suất lớn - Phát triển phương pháp điều chế mới là phương pháp NLM cải tiến để nâng cao hiệu quả hoạt động, cải thiện chất lượng điện năng của quá trình biến đổi điện năng DC/AC của BBĐ MMC - Phát triển thuật toán NLM cải tiến với quy luật cho cấu hình MMC có thể mở rộng số mức bất kỳ 4 Kết quả nghiên cứu Nhóm tác giả đã tìm hiểu, phân tích cấu trúc của hệ thống bộ biến đổi MMC, phân tích phương pháp điều chế NLM cải tiến áp dụng cho bộ biến đổi MMC, áp dụng thuật toán cân băng điện áp tụ điện và xây dựng hệ thống thực nghiệm mạch lực bộ biến đổi MMC với cấu hình 12SM trên mỗi pha, xây dựng hệ thống thực nghiệm các mạch điều khiển, mạch đo lường để kiểm chứng các kết quả mô phỏng so với thực tế, lập trình cho thiết bị vi điều khiển trung tâm FPGA để điều khiển các hoạt động của MMC với phương pháp đã đề xuất Sử dụng kết quả viết bài báo khoa học đăng trên tạp chí chuyên ngành 5 Sản phẩm của đề tài  Sản phẩm khoa học: - Báo cáo tổng kết đề tài; - 01 bài báo đăng trên tạp chí chuyên ngành tính điểm ghi danh trường ĐH Hồng Đức; - 01 bài báo đăng trên tạp chí trường ĐH Hồng Đức;  Sản phẩm nghiên cứu phục vụ đào tạo: - Mô hình mô phỏng BBĐ MMC được áp dụng phương pháp điều chế NLM - Hệ thống đo lường phục vụ điều khiển cho BBĐ MMC - Mô hình thực nghiệm bộ biến đổi MMC sử dụng thuật toán điều chế NLM 6 Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng ứng dụng Đề tài thành công sẽ giúp trang bị thêm mô hình đào tạo, nghiên cứu cho ngành Kỹ thuật điện tại khoa KTCN, sản phẩm là nền tảng giáo viên, sinh viên ngành điện tiếp tục cải tiến và phát triển hệ thống Khi mô hình được xây dựng thành công sẽ xây dựng tài liệu lý thuyết, hướng dẫn tính toán thiết kế hệ thống mạch lực, hệ thống điều khiển để các đối tượng quan tâm dễ dàng đọc và nghiên cứu, sau đó lưu tại phòng bộ môn Kỹ thuật điện – Điện tử để làm tài liệu phục vụ tham khảo cho các học phần như: điện tử công suất, thiết kế hệ thống điều khiển cho điện tử công suất