Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Bộ chuyển đổi AC/DC mật độ công suất cao dựa bộ lọc LCL cho các ứng dụng sạc nhanh

-

NGUYỄN VĂN MINH TÂM

BỘ CHUYỂN ĐỔI AC/DC MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT CAO DỰA BỘ LỌC LCL CHO CÁC ỨNG DỤNG SẠC NHANH

LCL FILTER BASED HIGH POWER DENSITY AC/DC CONVERTER FOR FAST CHARGING APPLICATIONS

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Chấn Việt

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Trần Quốc Hoàn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày 20 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Nguyễn Văn Nhờ - Chủ tịch Hội đồng 2 TS Trương Phước Hòa - Thư ký Hội đồng 3 TS Nguyễn Chấn Việt - Cán bộ Phản biện 1 4 TS Trần Quốc Hoàn - Cán bộ Phản biện 2

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN MINH TÂM MSHV: 2270013 Ngày, tháng, năm sinh: 18/11/1999 Nơi sinh: Bạc Liêu Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số:8520201

- Đề xuất phương pháp thiết kế cho bộ lọc LCL- Xây dựng cấu hình cho bộ chuyển đổi

- Phân tích và thiết kế bộ điều khiển- Thiết kế phần cứng cho toàn bộ hệ thống- Mô phỏng và thực nghiệm

Tp HCM, ngày 20 tháng 01 năm 2024

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả những người đã hỗ trợ và đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận văn này

Trước hết, tôi muốn gửi lời tri ân chân thành đến Thầy Nguyễn Đình Tuyên, người đã tận tâm hướng dẫn và chia sẻ sự am hiểu sâu rộng trong lĩnh vực nghiên cứu Những lời chỉ dẫn, phản hồi cấp thiết và sự khích lệ của Thầy là nguồn động viên quan trọng giúp tôi vượt qua những thách thức và phát triển từng bước trong quá trình nghiên cứu

Tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt đến gia đình và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh, chia sẻ những niềm vui và áp lực, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi tập trung vào nghiên cứu Sự hỗ trợ tinh thần từ họ không chỉ giúp tôi vượt qua những khó khăn mà còn là nguồn động viên lớn

Tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia - HCM (Mã số đề tài: DN2002-20-04) đã hỗ trợ nghiên cứu này.

Cuối cùng, tôi gửi lời cảm ơn đến tất cả những người đã đóng góp, trực tiếp hay gián tiếp, vào quá trình nghiên cứu này Sự đồng lòng và hỗ trợ của mọi người đã làm cho hành trình nghiên cứu của tôi trở nên ý nghĩa và thành công hơn

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 01 năm 2024 Học viên

Nguyễn Văn Minh Tâm

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này trình bày đề xuất một phương pháp thiết kế bộ lọc LCL đơn giản và đạt hiệu quả cao trong ứng dụng AC/DC cũng như ứng dụng DC/AC Với phương pháp đề xuất, bộ lọc LCL có kích thước nhỏ gọn hơn nhiều lần so với việc sử dụng các cuộn lọc L thông thường Mô phỏng và thực nghiệm bộ chuyển đổi với bộ lọc LCL sẽ kiểm chứng cho các phân tích và thiết kế bộ lọc

Luận văn gồm 7 chương :

ABSTRACT

This thesis presents a proposal for a simple and highly effective LCL filter design method in AC/DC applications as well as DC/AC applications With the proposed method, the LCL filter is many times more compact in size than using conventional L filter rolls Simulation and experiment of the converter with LCL filter will validate the analysis and filter design

The thesis includes 7 chapters: - Chapter 1: Overview

- Chapter 2: Modeling the converter - Chapter 3: LCL filter design - Chapter 4: Controller design - Chapter 5: Simulation - Chapter 6: Hardware design - Chapter 7: Experiment - Chapter 8: Conclusions - Chapter 9: Appendix

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng yêu cầu

Tác giả luận văn

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA BỘ CHUYỂN ĐỔI 8

2.1 Mô hình hóa bộ chuyển đổi 8

2.2 Thuật toán vòng khóa pha 15

2.2.1 Lý thuyết cơ bản 16

2.2.2 Xác định góc pha cho bộ chuyển đổi ba pha dùng DSOGI – PLL 19

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ LỌC LCL 27

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 33

4.1 Bộ điều khiển dòng điện dùng bộ điều khiển PI 33

4.2 Thiết kế vòng điều khiển điện áp 39

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG 41

5.1 Mô phỏng kiểm chứng vòng khóa pha 41

5.2 Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển dòng điện 42

5.3 Kết quả mô phỏng bộ converter ở trạng thái xác lập 43

5.4 Kết quả mô phỏng điều khiện điện áp DC – Link 45

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 46

6.1 BỘ LỌC LCL 46

6.2 Thiết kế phần cứng 47

6.3 Thiết kế mạch in 52

7.1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm 54

7.2 Kết quả thực nghiệm 58

7.2.1 Đo đạc các tìn hiệu dòng điện điện áp bằng mạch thiết kế 58

7.2.2 Kết quả thực nghiệm thuật toán vòng khóa pha 59

7.2.3 Thực nghiệm với tải thuần trở ở chế độ inverting 60

7.2.4 Điều khiển ở chế độ chỉnh lưu với tải thuần trở 62

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN 66

8.1 Kết luận 66

8.2 Hướng phát triển 66

CHƯƠNG 9 PHỤ LỤC 67

9.1 Thiết kế gate driver 67

9.2 Chọn IC đo đạc tín hiệu dòng điện/ điện áp 69

9.3 Mạch điều khiển 70

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 71

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 75

Hình 2.3 Nguyên lý chuyển trục tọa độ 12

Hình 2.4 Mô hình tín hiệu tương đương nhỏ của bộ chuyển đổi trong hệ tọa độ dq 14Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán vòng khóa pha dựa trên DSOGI 15

Hình 2.6 Sơ đồ thuật toán vòng khóa pha cơ bản 16

Hình 2.7 Cấu trúc Second Order Generalized Integrator (SOGI) 20

Hình 2.8 Đáp ứng tần số của bộ tính toán thứ tự pha dựa trên DSOGI – QSG SG 25

Hình 3.1 Mạch tương đương một pha của bộ lọc LCL giữa lưới và bộ chuyển đổi 28Hình 3.2 Sự ảnh hưởng của việc chọn hệ số lên độ tự cảm 31

Hình 3.3 Sơ đồ thiết kế bộ lọc LCL (a) và đồ thị thiết bộ lọc LCL trong luận văn (b) 32

Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển tách dòng trục d và trục q 33

Hình 4.2 Trễ thời gian truyền và trễ thời gian lấy mẫu trong điều khiển số: (a) lấy mẫu đơn và (b) lấy mẫu kép 36

Hình 4.3 Sơ đồ khối tổng thể của vòng điều khiển dòng điện lưới 37

Hình 4.4 Biểu đồ bode hàm truyền vòng hở với mô hình cuộn L thông thường, mô hình bộ lọc LCL và bộ lọc LCL có điện trở giảm chấn 38

Hình 4.5 Sơ đồ vòng điều khiển điện áp DC 39

Hình 4.6 Hàm truyền vòng hở vòng điều khiển điện áp 40

Hình 5.1 Kết quả mô phỏng thuật toán vòng khóa pha trong điều kiện lưới bị mất

cân bằng 42

Hình 5.2 Kết quả mô phỏng thay đổi dòng điện đặt 43

Hình 5.3 Kết quả mô phỏng ở trạng thái xác lập 44

Hình 5.4 Kết quả mô phỏng điều khiển thay đổi điện áp DC 45

Hình 6.1 Biểu đồ chọn kích thước lõi theo năng lượng 48

Hình 6.2 Đặc tính DC bias của lõi ở các điểm hoạt động khác nhau 49

Hình 6.3 So sánh thể tích của bộ lọc khi dùng bộ lọc LCL và bộ lọc L thông thường 50

Hình 6.4 Dây Lizt được dùng trong luận văn: (a) cấu tạo 3D và (b) ảnh chụp thực tế 51

Hình 8.1 Mô hình thực nghiệm 54

Hình 8.2 Lưu đồ thực hiện điều khiển bộ chuyển đổi trong thực nghiệm 55

Hình 8.3 Kết quả thực nghiệm đo dòng điện 58

Hình 8.4 Kết quả thực nghiệm đo điện áp lưới 58

Hình 8.5 Kết quả thực nghiệm đo điện áp ngõ ra DC 59

Hình 8.6 Kết quả thực nghiệm thuật toán vòng khóa pha 60

Hình 8.7 Kết quả thực nghiệm với tải R, dòng điện đặt thấp 60

Hình 8.8 Kết quả đo đạc dòng điện AC phía bộ chỉnh lưu và dòng điện hòa lưới 61

Hình 8.9 Kết quả đo đạc và đánh giá dòng điện phía lưới trên một pha và đánh giá theo tiêu chuẩn IEC61000-3-2 62

Hình 8.10 Kết quả đo đạc và phân tích FFT tại tần số thấp (a) và tần số đóng cắt (b) 63

Hình 8.11 Kết quả đo đạc và phân tích hệ số công suất 64

Hình 8.12 Kết quả thực nghiệm thay đổi dòng điện điều khiển 64

Hình 8.13 Kết quả thực nghiệm thay đổi điện áp điều khiển ở 5KW 65

Hình 9.1 Mạch Schematic của một Gate Driver 67Hình 9.2 Đồ thị thể hiện liên hệ giữa dòng qua kênh và điện trở khi ON với từng giá trị VGS 68Hình 9.3 Sơ đồ phân tích nguyên lý hoạt động 68Hình 9.4 Cảm biến dòng điện ACS770KCB-150B-PFF-T (a); (b) Mạch nguyên lý và các linh kiện đi cần phụ cần gắn vào; (c) Mô hình 3D 69Hình 9.5:Sơ đồ chân ACPL-C790-000E (a), Mạch nguyên lý ACPL-C790-000E, Mô hình 3D(c) 70Hình 9.6 Thiết kế mạch điều khiển dựa trên chip TMS32028377D của Texas

Intrument 70

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số các cổng sạc phổ biến trên thế giới 4

Bảng 3.1 Bảng giới hạn dòng điện dựa trên tiêu chuẩn IEEE 519-1992 27

Bảng 5.1 Thông số mô phỏng 41

Bảng 6.1 Bảng khảo sát vật liệu lõi dựa trên bảng dữ liệu của nhà sản xuất 47

Bảng 6.2 Bảng thông số kích thước lõi CH610060 48

Bảng 6.3 Bảng so sánh thể tích và số lượng lõi khi dùng bộ lọc L thông thường và bộ lọc LCL 50

Bảng 8.1 Bảng tổng hợp kết quả điều khiển 65

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BEV Battery Electric Vehicle

CATL Contemporary Amperex Technology Co Limited DLL Dynamic Link Library

DSOGI Double Second Order Generalized Integrator DSP Digital Signal Processor

EMI Electromagnetic interference EV Electric Vehicle

MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

PD Phase Detector

PEV Persuasive Electric Vehicle

PFC Power Factor Correction

PHEV Hybrid Plug-in Electric Vehicle PI Proportional Integral

PLL Phase – Locked Loop

PSC Positive-Sequence Calculator PSD Positive-Sequence Detector PWM Pulse-width Modulation QSG Quadrature Signal Generator

SOGI Second Order Generalized Integrator SRF Synchronous Reference Frame THD Total Harmonic Distortion VCO Voltage-controlled Oscillator WHO World Health Organization

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan

Hiện nay, không khí ngày càng bị ô nhiễm do các hoạt động sản xuất của các ngành công nghiệp nặng, các công trình lớn, các phương tiện di chuyển [1] Điều này đã làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe, cuộc sống của con người

Các đô thị lớn nói riêng chịu tác động mạnh do ô nhiễm không khí từ các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội, giao thông vận tải Trong đó, khí thải từ các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ, đặc biệt là xe ô tô, xe gắn máy chiếm tỉ lệ lớn nhất đồng thời cũng chiếm tỷ trọng lớn trong tổng lượng phát thải gây ô nhiễm môi trường không khí đô thị ở Việt Nam

Xét riêng lĩnh vực giao thông vận tải, các loại ô tô hạng nhẹ, ô tô tải và ô tô bus lần lượt chiếm 44%, 27% và 6% lượng khí thải carbon mỗi năm Các phương tiện giao thông cơ giới sử dụng nhiên liệu hóa thạch như xăng và dầu diesel, quá trình đốt cháy nhiên liệu dẫn tới phát sinh nhiều loại khí thải như SO2, NO2, CO, bụi (TSP, PM10, PM2.5); thậm chí rò rỉ, bốc hơi nhiên liệu khi vận hành phát sinh Benzen, Toluen Những khí thải gây ô nhiễm không khí này còn được WHO gọi là “kẻ giết người thầm lặng” bởi chúng tích lũy và gây ra các bệnh nguy hiểm Để giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí từ việc, ngoài những chính sách dùng những phương tiện công cộng, hạn chế những chiếc xe lỗi thời phát ra nhiều khí thải, thì việc đưa xe điện vào thay thế các phương tiện dùng nhiên liệu hóa thạch là tất yếu

1.2 Các xu hướng

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp xe điện đã trở thành một xu hướng quan trọng, đánh dấu sự chuyển đổi toàn cầu từ các phương tiện sử dụng nhiên liệu hoá thạch sang công nghệ sạch và bền vững Nhiều hãng xe ô tô hàng đầu trên thế giới đã tích cực tham gia đua tranh trong lĩnh vực này, mang đến nhiều sự đổi mới

Các hãng xe như Tesla, Nissan, và Chevrolet đã định hình định hình ngành công nghiệp xe điện với việc phát triển và giới thiệu các mô hình như Tesla Model 3, Nissan Leaf, và Chevrolet Bolt EV Tesla, đặc biệt, đã nổi tiếng với công nghệ tiên tiến và khả năng di chuyển xa trên mỗi lần sạc Các mô hình này không chỉ đáp ứng nhu cầu về hiệu suất và tiện ích mà còn chú trọng đến thiết kế và trải nghiệm người lái Cụ thể có thể thấy trong Hình 1.1, các nhà sản xuất ô tô lớn đang đầu tư mạnh vào phát triển xe điện Trong đó, các hãng xe ô tô truyền thống như BMW, Nissan, Hyundai, Toyota, Ford,… cũng đã thay đổi dây chuyển sản xuất để bắt kịp xu thế Họ cho ra đời những mẫu xe lai xăng – điện, và cả xe điện với các mẫu xe điện mới mang tính năng và thiết kế hiện đại, đáp ứng được nhu cầu của người tiêu dùng

Ngoài các hãng xe lớn, các công ty công nghệ như Apple và Google cũng đang tham gia vào cuộc đua xe điện, dự kiến sẽ đưa ra các giải pháp độc đáo và tích hợp công nghệ thông tin vào các mô hình xe của họ Các công ty khởi nghiệp cũng đang phát triển các giải pháp mới cho xe điện như hệ thống pin mới, hệ thống sạc nhanh,

các hệ thống quản lý năng lượng,… Những giải pháp này giúp tăng thời gian sử dụng và độ bền của pin, giảm thời gian sạc và đảm bảo an toàn cho xe điện

Tổng cộng, sự đa dạng và cạnh tranh ngày càng tăng trong ngành công nghiệp xe điện đã mang lại nhiều lựa chọn cho người tiêu dùng, đồng thời thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xe điện với hy vọng giảm thiểu ảnh hưởng của các phương tiện giao thông đối với môi trường

Việc phát triển xe điện đang được coi là một trong những giải pháp quan trọng để giảm thiểu khí thải và đóng góp vào việc bảo vệ môi trường Nhiều quốc gia trên thế giới đã đưa ra các chính sách khuyến khích sử dụng xe điện như miễn thuế nhập khẩu, hỗ trợ mua xe, hỗ trợ xây dựng cơ sở hạ tầng sạc điện, giảm thuế tiêu thụ đặc biệt cho các loại xe sử dụng năng lượng mới

Với sự phát triển của các công nghệ mới và nhu cầu của thị trường, xe điện dần trở nên phổ biến hơn Nhiều dự báo cho thấy số lượng xe điện sẽ tăng đáng kể trong tương lai và có thể sẽ trở thành một phương tiện giao thông chính thống trong tương lai Có nhiều loại đầu cắm sạc khác nhau cho xe điện, phản ánh sự đa dạng trong tiêu chuẩn và công nghệ sạc trên thế giới:

Đầu cắm sạc loại 1 (SAE J1772): Sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản và Bắc Mỹ, đây là đầu cắm một pha có khả năng cung cấp công suất lên đến 7.4 kW

Đầu cắm sạc loại 2 (Mennekes): Là tiêu chuẩn chính thức trong Liên minh châu Âu, đầu cắm ba pha này cung cấp công suất cao hơn so với loại 1, lên đến 22 kW cho sạc riêng và 43 kW cho sạc công cộng

Bảng 1.1 Thông số các cổng sạc phổ biến trên thế giới

Type Design Output Power Locations

public charging

Đầu cắm sạc GB/T: Phát triển bởi Trung Quốc theo tiêu chuẩn quốc gia Guobiao (GB/T), có hai biến thể: một dành cho sạc AC và một dành cho sạc nhanh DC

Hệ thống Sạc kết hợp (CCS): Là tiêu chuẩn đầu cắm sạc nhanh DC tại Bắc Mỹ (CCS1) và châu Âu (CCS2), hỗ trợ cả sạc AC và sạc DC và tích hợp đầu cắm sạc AC Loại 1 và Loại 2

Đầu cắm sạc CHAdeMO: Phát triển tại Nhật Bản, hỗ trợ sạc nhanh lên đến 500 kW và sạc hai chiều

Đầu cắm sạc DC GB/T: Cung cấp công suất lên đến 500 kW, với phiên bản mới có thể đạt đến 900 kW

Đầu cắm sạc ChaoJi: Tương thích ngược với đầu cắm GB/T và CHAdeMO, hỗ trợ tích hợp công nghệ xe-đến-lưới (V2G) và xe-đến-nhà (V2H), đại diện cho sự hợp nhất giữa Trung Quốc và Nhật Bản trong lĩnh vực sạc điện

Những loại đầu cắm này phản ánh không chỉ sự phát triển công nghệ sạc điện mà còn sự đa dạng và tích hợp trong ngành công nghiệp xe điện toàn cầu

Một trong những thành phần góm phần vào sự phổ biến của xe điện đó chính là bộ sạc tích hợp On-board Charger

Đến năm 2020, hầu hết các bộ sạc có thể đạt công suất từ 6 kW đến 10 kW, với một số có thể lên đến 22 kW, như trong mẫu xe Renault Zoe Mật độ công suất đạt khoảng 3.3 kW/L, với hiệu suất cao nhất được ước đạt trên 97% Mục tiêu cho năm 2025 tại Hoa Kỳ là đạt công suất và mật độ công suất cụ thể lần lượt là 4 kW/kg và 4.6 kW/L, cùng với hiệu suất cao nhất là 98%.[2]

1.3 Giới hạn đề tài

Một trong những thành phần làm tang khối lượng và kích thước của bộ sạc đó chính là các lõi từ trong các bộ chuyển đổi như bộ lọc máy biến áp trong bộ DC-DC hay bộ lọc L giữa lưới và bộ sạc tích hợp Do đó, nghiên cứu này nhằm giải quyết những hạn chế này và đóng góp vào bức tranh phát triển của bộ sạc hai chiều, với một sự tập trung đặc biệt vào việc giảm kích thước và khối lượng

Bộ lọc LCL là một giải pháp tốt để vượt qua những nhược điểm của các cuộn cảm truyền thống trong các ứng dụng công suất cao Tuy nhiên, bộ lọc này cần được thiết kế cẩn thận để đạt được hệ số công suất đồng nhất và tránh vấn đề dao động

LCL Tuy nhiên, trong các tài liệu này không có cách dễ dàng nào được trình bày để thiết kế các giá trị tối ưu của tham số LCL Cũng trong tài liệu [3]-[8], phương pháp giảm chấn thụ động đã được đề xuất để giảm giảm đỉnh cộng hưởng của bộ lọc LCL Tuy nhiên phương pháp này là tang giá cho bộ lọc và cả hiệu suất bị giảm Các phương phảm giảm chấn chủ động cũng được đề xuất như trong [9] – [13], tuy nhiên các phương pháp này cần thêm các tín hiệu hồi tiếp nên sẽ cần phản thêm các cảm biến dòng/ áp làm tăng giá cho hệ Để khắc phục, phương pháp giảm chấn bằng phần mềm không dùng them sensor được đề xuất trong [13] – [15], tuy nhiên làm tang thời gian xử lý và không mang lại hiệu quả cao Trong [16], tài liệu đã chỉ ra rằng bộ lọc

Driver boardLCL filter

HeatsinkDC link capacitor

LCL vẫn hoàn toàn có thể hoạt động tốt kể cả khi không dùng các phương pháp giảm chấn

Hình 1.2 thể hiện bộ lọc LCL trong ứng dụng sạc xe điện Ở đây để kiểm chứng phương pháp thiết kế, bộ lọc LCL sẽ được thay thế cuộn L thông thường trong bộ chỉnh lưu ba pha hai bậc

Trong Luận văn, mô hình hóa bộ chuyển đổi ba pha, các phép chuyển trục tọa độ và thuật toán vòng khóa pha sẽ được trình bày trong Chương 3 Chương 4 trình bày phương pháp thiế kế bộ lọc LCL đề xuất Thiết kế bộ điều khiển sẽ được trình bày trong Chương 5 Tất cả các nội dung lý thuyết cũng sẽ được kiểm chứng thông qua các kết quả mô phỏng trong Chương 6 Trong chương 7,8, và 9 sẽ trình bày về thiết kế hệ thực nghiệm và kết quả thực nghiệm với bộ lọc LCL

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA BỘ CHUYỂN ĐỔI

Trong chương này, Luận văn trình bày mô hình toán bộ chuyển đổi Mô hình này được dùng để phục vụ cho việc phân tích đặc tính, thiết kế bộ điều khiển Mô hình hóa sẽ phân tích với cấu hình sử dụng bộ chuyển đổi dùng bộ lọc thông thường L Luận văn sẽ phân tích trình bày từ miền thời gian

2.1 Mô hình hóa bộ chuyển đổi

Tương tự với mô hình động của bộ chuyển đổi DC / DC, phương pháp tiếp cận trạng thái có thể được sử dụng để cho phép mô hình mạch liên tục Tuy nhiên, khác với bộ chuyển đổi DC / DC, điện áp AC ở phía đầu vào luôn thay đổi theo thời gian, khó có thể tìm thấy điểm hoạt động tĩnh nếu không có sự trợ giúp của phép biến đổi hệ quy chiếu (phép biến đổi Clarke và phép biến đổi Park), điều này làm thay đổi hệ thống ba pha tĩnh sang hệ thống hai pha quay Các mạch dq vẫn là phi tuyến tính do có nhiều nhiễu, trong khi thiết kế bộ điều khiển cổ điển (như đồ thị Bode và đồ thị Nyquist,…) thường dựa vào hệ thống tuyến tính Do thực tế là các biến mạch là tuyến tính với nhiễu nhỏ xung quanh điểm hoạt động tĩnh, một mô hình tín hiệu nhỏ có thể được thiết lập để thực hiện quy trình cổ điển của thiết kế bộ điều khiển

Để đơn giản hóa các phép phân tích, tính toán, luận văn giả sử rằng bộ lọc LCL ở tần số thấp có đáp ứng như là một cuộn L thông thường Điều này cũng sẽ được phân tích trong các kết quả thực hiện Áp dụng định luật kirchoff dòng ở phía ngõ ra DC và áp phía đầu vào AC, hai phương trình được thành lập

Hình 2.1 Cấu hình bộ chỉnh lưu tích cực ba pha hai bậc với bộ lọc LCL

  

  

(2.4)

Trong đó, Sx là viết tắt của phương trình trạng thái đóng cắt, có giá trị thay đổi 1và 0

tùy thuộc vào việc bật hoặc tắt; vgx là viết tắt của điện áp lưới, igx cho dòng điện phía

xoay chiều và ký hiệu con abc cho hệ thống ba pha vdc là điện áp một chiều được ký

hiệu là, iload là dòng điện DC ngõ ra; LT là tổng độ tự cảm và C là tụ điện ở DC ngõ ra

a Thành lập mô hình trung bình trong hệ trục abc

Trong phần này, một cách tiếp cận về giá trị trung bình của một biến trạng thái được trình bày theo mô hình trung bình bằng cách lấy tích phân trong một chu kỳ đóng cắt của một tín hiệu theo mẫu như sau:

( )( )( )

( )

( )( )( )

( )

32

Dựa vào Hình 2.2a, phép chuyển đổi Clarke, hệ quy chiếu abc tĩnh ba pha có thể được chuyển thành hệ trục tọa độ hai pha αβ:

Như vậy, phép biến đổi Clark sẽ được thực hiện như (2.7) và phép biến đổi Clake ngược được thực hiện như (2.9):

Trong đó, k là một hằng số có giá trị bằng2

3cho trường hợp phép biến đổi bảo toàn biên độ và bằng 2

3 cho trường hợp bảo toàn công suất

Để hiểu rõ phép biến đổi Park, giả sử trong hệ tọa độ Oxy như Hình 2.3 ta có điểm A(x,y) với x= cos , y=sin; Vị trí điểm A’(x’,y’) là ảnh của A(x,y) trong không gian sau khi biến đổix'=cos( − ), 'y =sin( − )với  là độ lớn của vector Khi đó,

Sử dụng công thức cộng lượng giác, phương trình tọa độ của điểm A’:

Từ 2.11, phép biển đổi ngược từ điểm A’ thành điểm A được tính như sau:

Với những phân tích trên, phép biến đổi Park và phép biến đổi Park ngược Áp dụng vào Hình 2.2b:

x axisA x y ϕ

Hình 2.3 Nguyên lý chuyển trục tọa độ

c Thành lập mô hình tín hiệu nhỏ trên hệ trục dq

Kết hợp phương trình trạng thái (2.6) và phép biến đổi Clark, mô hình trung bình trong hệ tọa độ dq của bộ chỉnh lưu được trình bày như sau:

Cần lưu ý rằng, các thành phần ghép nối trong phương trình đầu tiên của phương trình xuất phát từ phép biến đổi Park, So với phương trình mô tả trong hệ abc, mô hình trạng thái liên tục của bộ chuyển đổi dưới khung quay đồng bộ hai pha trở nên đơn giản và liên tục Mô hình động tín hiệu nhỏ có thể đạt được bằng cách thêm nhiễu xung quanh điểm hoạt động tĩnh

Trong đó, X là thành phần tĩnh và ˆx là thành phần nhiễu loạn, dao động quanh điểm tĩnh Với cách tiếp cận này sau khi bỏ qua các thành phần nhiễu loạn, chỉ còn lại những thành phần tĩnh, không đổi, (2.16) được viết lại như sau:

( )( )

( )( )

( )( )

( )



Trong khi đó, các thành phần nhiễu loạn – mô hình tín hiệu nhỏ thu được:

Mô hình tín hiệu nhỏ được trình bày trong Hình 2.4 Có thể thấy rằng, mô hình tín hiệu nhỏ của bộ chỉnh lưu tích cực tương đương với mô hình hai bộ boost converter ghép song song lại với nhau Khi đó, các hàm trruyền được xác định và một điều quan trọng hơn nữa là nó tuyến tính Vậy nên các bộ điều khiển cổ điển như bộ điều khiển PI hoàn toàn có thể áp dụng vào để điều khiển bộ chỉnh lưu tích cực này

Hình 2.4 Mô hình tín hiệu tương đương nhỏ của bộ chuyển đổi trong hệ tọa độ dq

2.2 Thuật toán vòng khóa pha

Pha, biên độ và tần số của điện áp lưới là những thông tin vô cùng quan trọng đối trong việc điều khiển và giám sát trong các bộ chuyển đổi nối lưới Trong rất nhiều ứng dụng, việc nhận biết nhanh và chính xác góc pha, biên độ và tần số của điện áp là một điều cần thiết để đảm bảo độ chính xác giữa tín hiệu tham chiếu và tín hiệu đầu ra Trong chương này, luận văn trình bày về giải thuật vòng khoá pha (PLL) cho bộ chỉnh lưu tích cực ba pha

Nhiệm vụ chính của cấu trúc PLL là xác định tần số và pha tham chiếu, liên quan đến việc điều chỉnh hệ số công suất Cũng sử dụng cấu trúc PLL, các thông số điện áp lưới, chẳng hạn như biên độ và tần số điện áp lưới, có thể được theo dõi Giám sát điện áp lưới được sử dụng để đảm bảo rằng các hoạt động của bộ chỉnh lưu tuân thủ các yêu cầu, tiêu chuẩn về hoạt động trong điều kiện biến dạng lưới phổ biến như méo dạng sóng hài, sụt áp, mất điện áp, biến đổi tần số và nhảy pha

Thông thường, tần số lưới điện ở Việt Nam nằm trong khoảng từ 49Hz đến 51Hz Tuy nhiên trong điều kiện thay đổi đột ngột, các sự cố thoáng qua làm cho tần số dao động đáng kể Các sự cố thoáng qua này có thể làm ảnh hưởng đến quá trình

Clarke transform

'

bằng thì việc sử dụng SRF – PLL cho kết quả tốt Tuy nhiên với điều kiện điện áp lưới bị méo, mất cân bằng thì sử dụng SRF – PLL làm giảm hiệu suất động tổng thể của PLL[18] Để khắc phục tình trạng đó, bài báo [19] đã đề xuất một kỹ thuật PLL như Hình 2.5 Luận văn sẽ áp dụng giải thuật này vào việc cho việc xác định thông tin lưới

2.2.1 Lý thuyết cơ bản

Có thể hiểu PLL đơn giản là một hệ thống vòng kín điều khiển pha của tín hiệu đầu ra sao cho pha sai số giữa tín hiệu đầu ra này so với giá trị tham chiếu là nhỏ nhất Cấu trúc phổ biến của một bộ PLL một pha đơn giản như Hình 2.6 Thông thường, sự khác biệt chính giữa các phương pháp PLL là cấu trúc tạo ra hệ thống điện áp trực giao

Vòng điều khiển bám pha sẽ bám theo tần số và pha của điện áp lưới rồi đưa ra tại đầu ra của vòng điều khiển hai tham số là tần số và pha Điện áp lưới đo được có thể được viết dưới dạng tần số lưới grid như sau:

Mục đích của khối phát hiện pha là so sánh tín hiệu điện áp hình sin đầu vào với tín hiệu khóa từ VCO và tạo ra tín hiệu lỗi tỷ lệ với sai số góc Đối với điều này, khối phát hiện pha nhân đầu ra VCO và giá trị đầu vào đo được để nhận được:

K v

Đối với hoạt động ở trạng thái ổn định, (ωgrid−ωPLL) có thể bỏ qua và đối với giá trị

θ rất nhỏsinθθ Sai số có thể được tính xấp xỉ:

2−= gridgridPLLpd

KK s

TF s PD s LPF s VCO s

Hàm truyền vòng kín pha của hệ thống là:

( )( )( )( )( )

K1 K sLF s

H s 1 H s

KΘ s

s K sT

Các hàm truyền ở trên cho phép đưa ra một số kết luận sơ bộ về hiệu suất của PLL trong Hình 4.2 Hàm truyền vòng hở của (2.27) cho thấy rằng PLL này là hệ thống bậc 2, với hai cực ở gốc tọa độ, có nghĩa là nó có thể bám theo một đoạn thay đổi theo hàm dốc của góc pha đầu vào Hàm truyền vòng kín pha cho thấy rằng PLL thể hiện đặc tính lọc thông thấp khi xác định góc pha đầu vào, dẫn đến làm giảm sai số do nhiễu có thể có và hài bậc cao trong tín hiệu đầu vào

Các hàm truyền bậc hai này có thể được viết theo cách chuẩn hóa như sau:

2ζω s ωs 2ζω s ω

+ +

s 2ζω s ω=

Trong đó: n p gridi

K vω

Bên cạnh đó, như đã trình bày ở trên, rõ ràng là đặc tính LPF của bộ điều khiển PI không thể sử dụng để loại bỏ thành phần tần số hai lần lưới khỏi đầu ra trong trường hợp các ứng dụng kết nối với lưới Do đó, các phương pháp thay thế phải được sử dụng để tuyến tính hóa khối PD Vì vậy dưới đây luận văn sẽ trình bày một phương pháp PLL để tuyến tính hoá đầu ra của khối PD, đó chính là sử dụng tín hiệu trực giao (SOGI)

2.2.2 Xác định góc pha cho bộ chuyển đổi ba pha dùng DSOGI – PLL

Dựa trên việc phân tích cấu trúc của bộ lọc tích cực trong ứng dụng PLL trong tài liệu [22], bộ SOGI được đề xuất để cải thiện việc tính toán cũng như khả năng đáp ứng Hiệu quả của SOGI so với các phương pháp khác như trễ T/4, EPLL,… đã được

bậc hai để tạo ra hai tín hiệu trực giao, là tích phân hai lần của tín hiệu tần số ωo để tạo hai tín hiệu Vα và Vβ vuông pha nhau:

Hàm truyền vòng kín tích phân tổng quát bậc hai có thể được viết là



Như vậy rõ ràng thành phần qv’ sẽ luôn trễ pha so với v’ và không phụ thuộc vào các giá trị khác như k, ω , ω Tuy nhiên, biên độ và pha khi tần số cộng hưởng của SOGI-QSG ω′, không khớp với tần số tín hiệu đầu vào ω Để QSG hoạt động tốt, cần phải lựa chọn một giá trị k phù hợp với ωn nhất định, ở đây chọn k= 2, kết quả v’ và qv’ thể hiện trong hình trên Có nhiều phương pháp rời rạc hóa để thực hiện QSG đã được đề cập trong [23]

Để thuận tiện cho mô phỏng rồi lập trình, hàm truyền được rời rạc hóa Thay

2 z 1s

T z 1−=

+ , thực hiện các phép biến đổi toán học thu được:

Trước hết, luận văn sẽ sử dụng phương pháp đã được nghiên cứu nhiều, trình bày về phương pháp tính toán thành phần thứ tự thuận trong hệ trục αβ Gọi thành phần tức thời thứ tự thuậnvabc+ của điện áp ba pha được viết dưới dạng vector:

T 1 a , a e3

a 1

−+

12

−      

Với

q =e− là toán tử dịch pha trong miền thời gian khi thu dạng sóng có pha vuông góc với trễ 900 so với pha ban đầu Phương trình 4.22 được sử dụng trong DSOGI – PLL Thành phần thứ tự thuận tính từ hài bậc n ở điện áp đầu vào được cho bởi:

1 n1

n 12

( )

2n

T rong đó, ω là tần số cơ bản của lưới, ω là tần số cộng hưởng DSOGI – PLL, và dấu dương, âm của n biểu thị cho thứ tự thuận, nghịch của điện áp đầu vào Biến đổi toán học phương trình 4.25:

nω nω

  +  −        

Biểu thức của (4.25) xác định chính xác sai số trong tính toán thứ tự thuận khi tần số cộng hưởng DSOGI-QSG không khớp với tần số lưới Các phương trình này có thể được sử dụng để bù sai số ước tính khi tần số lưới điện thực tế được phát hiện đúng cách bằng một cơ chế bổ sung như PLL Mặc dù PLL được sử dụng để phát hiện tần số lưới, đầu ra của nó không được sử dụng để tính toán và bù sai số của biểu thức (4.25) Tuy nhiên, trong trường hợp này, đầu ra của PLL tự động điều chỉnh tần số cộng hưởng của DSOGI-QSG để đạt được chức năng thích ứng tần số trong bộ xác định thứ tự thuận như đã được đề xuất trong [19] Từ 4.25 cũng suy ra được với thành phần β:

 = −

(2.45)

Tín hiệu trực giao được tạo ra tử phần SOGI và PSD sẽ được đưa qua khối Park Transformation để chuyển hệ trục tọa độ đứng yên Vα, Vβ sang hệ tọa độ quay Vq, Vd Giá trị Vd được đưa vào bộ lọc - ở đây là khâu PI

Rời rạc hóa phục vụ mô phỏng trong miền rời rạc cũng như thực nghiệm, bộ lọc PI được triển khai như phương trình dưới: