Mô phỏng bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC có nối lưới dùng giải thuật Space Vector Pulse Width Modulation có điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bằng phần mềm Matlab
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là bộ biến đổi ba pha ba bậc NPC có nối lưới Nghiên cứu sử dụng vi điều khiển F28379D Launch pad có cấu hình mạnh dual cores giá thành rẻ vào phát triển bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC, đồng thời nghiên cứu triển khai giải thuật đều chế Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) đã học để áp dụng vào điều khiển mạch phần cứng thực tế và viết giải thuật hòa lưới dùng vòng khóa pha SRF – PLL.
Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu gồm hai phần là xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm thiết kế thi công phần cứng nhằm kiểm chứng lại mô phỏng lý thuyết Đề tài thực hiện những công việc như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên các kiến thức đã học và tìm hiểu các bài báo đã được công bố trên các tạp chí có uy tín như IEEE, các sách đã phát hành của các nhà xuất bản lớn, các tài liệu của các nhà chế tạo lớn như ABB, Siemens, Schneider
- Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng bộ biến đổi NPC, phương pháp điều rộng xung vector không gian (SVPWM) được sử dụng để điều khiển bộ biến đổi công suất ba pha có nối lưới
- Thực nghiệm: nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng thông qua mạch điều khiển thực tế sử dụng Card DSP TMS320F28379D Launch pad của hãng Texas Instruments (TI).
Kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài
Do thực hiện một khối lượng công việc tương đối lớn trong một khoảng thời gian ngắn là 06 tháng nên kết quả đã đạt được ở một số phần nhất định như sau:
- Tìm hiểu và viết thành công chương trình mô phỏng toàn bộ hệ thống bằng Matlab Simulink, bao gồm điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q phát lên lưới có hòa đồng bộ sử dụng vòng khóa pha SRF – PLL
- Mặc dù ngặp không ít khó khăn về phần mềm và phần cứng khi nghiên cứu và viết chương trình trên Board điều khiển TMS320F28379D Launch Pad là loại Vi điều khiển tương đối mới của dòng TI C2000 Chương trình điều khiển đã được viết bằng Code Composer Studio 6.0 bao gồm các thiết lập các kênh ePWM có deadband đặt mềm từ chương trình để tránh hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạch, đọc và xuất các giá trị Analog từ các cảm biến dòng áp, xử lý các chương trình ngắt, viết giải thuật SVPWM và SRF-PLL
- Thi công phần cứng nhằm kiểm chứng lại lý thuyết đã mô phỏng gồm các phần như sau:
Thiết kế và chạy thành công phần biến tần ba pha ba bậc NPC sử dụng phương pháp điều chế SinPWM và Space Vector PWM với điện áp đầu vào UDC là 340Vdc và đầu ra đặt 156Vac peak
Đọc điện áp ba pha của lưới và phát ngược từ biến tần trở lại lưới, có qua biến áp để thao tác hòa đồng bộ với lưới Kết quả đạt được cho dạng điện áp đầu ra sau máy biến áp tăng áp của bộ nghịch lưu và điện áp lưới gần giống nhau Đo điện áp ba pha từ lưới và tạo điện áp phát từ phía inverter ra cho điện áp dây gần như đồng bộ với lưới
Đã viết toàn bộ giải thuật và chạy thử chưa nối lưới phát ra điện áp gần như đồng bộ với điện áp và tần số lưới (bao gồm cả giải thuật SRF PLL, PQ control …) Tuy nhiên các giá trị qua sát trên CCS vẫn còn cần phải tinh chỉ về phần cứng và phần mềm để có kết quả tốt hơn trước khi hòa lưới
Hướng phát triển của đề tài:
- Về phần cứng cần phải cân chỉnh & thay đổi lại mạch:
Tiếp tục cân chỉnh lại các cảm biến cho chính xác hơn đảm bảo sai số nhỏ càng nhỏ càng tốt
Tạo bộ nguồn DC cấp riêng cho cho mạch NPC và có công suất lớn hơn để đảm bảo vấn đề thu phát công suất giữa lưới và inverter khi có chênh lệch điện áp trong quá trình hòa lưới Mặt khác đảm bảo vấn đề cân bằng tụ đối với mạch nghịch lưu NPC phải có thêm giải thuật cân bằng tụ, hoặc làm 02 nguồn VDC/2 độc lập ra
Thiết kế thêm mạch bảo vệ quá dòng, quá áp cho Inverter, bảo vệ công suất ngược từ lưới về inverter
Bảo vệ Sync- check relay (25) cho mạch hòa đồng bộ
Tiếp tục xử lý các hệ số làm tròn cho phù hợp để điện áp đầu ra tốt hơn
Có thể phải tiếp tục tuning hệ số Kp, Ki của các bộ điều khiển dòng Id, Iq để có đáp ứng tốt hơn trong mô hình thực nghiệm
Phát triển thêm chế độ điều khiển Off- Grid cho bộ nghịch lưu, tiến xa hơn nữa là Hybrid invert kết nối nhiều nguồn năng lượng tái tạo và phát triển cho các ứng dụng như sau:
Smart Solar inverter kết nối lưới
Wind turbine kết nối lưới
TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH BA PHA VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG
Bộ nghịch lưu ba pha NPC
Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha NPC có thể dùng như bộ biến đổi công suất để kết nối các nguồn tích trữ năng lượng như ắc quy, điện mặt trời hoặc đầu ra của nguồn của lưới điện siêu nhỏ (Microgrid) kết nối lên lưới điện truyền thống như hình 5
Hình 6 Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC
Hình 7 Cấu trúc một nhánh pha A của bộ nghịch lưu NPC Phân tích các trạng thái đóng cắt cho một nhánh pha A trên hình 7, ta có bảng các trạng thái như trong bảng 1
Bảng 1 Các trạng thái kích cho pha A và các mức điện áp
Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM)
Phương pháp điều chế vector không gian là phương pháp số, trong đó mục tiêu là tạo điện áp tải PWM trung bình bằng điện áp tải cho trước hoặc bằng điện áp tham chiếu Điều này có thể thực hiện trong mỗi chu kỳ đóng ngắt của bộ nghịch lưu và tính toán thời gian tồn tại thích hợp của từng trạng thái Quá trình lựa chọn trạng thái và thời gian được thực hiện bằng các phép biến hình vector không gian
2.2.1 Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) Việc đóng cắt các khóa công suất trong các nhánh pha của mạch nghịch lưu tạo ra điện áp pha tải với vector không gian của nó thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc
Hình 9 Sơ đồ vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Như vậy, đối với nghịch lưu ba bậc thì sẽ có 27 trạng thái kích đóng khác nhau như trong bảng 2 ứng với 19 vector không gian theo hình 9 và hình 10
Hình 10 Sơ đồ các vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Trạng thái đóng ngắt Loại vector Độ lớn vector
PNP Bảng 2 Trạng thái đóng ngắt và độ lớn của vector không gian
Phương pháp chuyển đổi hệ trục tọa độ abc sang αβ
Hình 11 Vector điện áp tham chiếu trên hệ trục tọa độ abc và αβ Chiếu vector Vref lên các hệ trục abc và αβ ta có công thức sau:
Với giá trị 𝑎 = 𝑒 Biên độ và góc quay của vector Vref được xác định theo công thức số 2
𝑉 = 𝑉 + 𝑉 , 𝜃 = tan ( ) (2) Giá trị điện áp tham chiếu quy đổi
Giá trị điện áp tham chiếu theo hệ trục αβ như sau:
Có ba bước chính để có được chuỗi trạng thái đóng ngắt thích hợp trong từng khoảng thời gian lấy mẫu trong kỹ thuật điều chế vector không gian
Bước 1: Lựa chọn các vector cơ bản phù hợp
Dựa vào bảng 2 có tất cả 27 trạng thái đóng ngắt khác nhau ứng với 19 vector Giá trị điện áp của những vector này có thể chia thành 4 nhóm: vector lớn, vector vừa, vector nhỏ và vector không Trong mặt phẳng, chia hình lục giác thành 6 tam giác chính được giới hạn bởi các vector lớn và vector không Trong mỗi tam giác chính, được chia thành 4 tam giác nhỏ Có tất cả 24 tam giác nhỏ trong mặt phẳng hình lục giác Các đỉnh của tam giác nhỏ đại diện cho các vector không gian Trong đó các vector không có 3 trạng thái đóng ngắt khác nhau, vector nhỏ có hai trạng thái đóng ngắt khác nhau Các vector có nhiều trạng thái đóng ngắt khác nhau gọi là vector trùng lặp
Bước 2: Tính toán thời gian tồn tại T a , T b , T c của mỗi vector trong từng tam giác nhỏ Tùy thời điểm và vị trí của vector tham chiếu V ref mà ta có thể xác định được chuỗi đóng ngắt và thời gian tồn tại của các vector Đây là bước tính tìm ra độ lớn của vector trung bình trong khoảng thời gian một chu kỳ lấy mẫu T s
Hình 12 Vector điện áp và thời gian tồn tại ở sector I Như vậy, theo hình 12, vector tương đương với vector tham chiếu V ref có thể thực hiện bằng cách điều khiển duy trì tác dụng theo trình tự vector V 1 trong thời gian T a , vector V 7 trong thời gian T b và vector V 2 trong thời gian T c theo hệ thức:
Giải hệ phương trình trên, sẽ tìm ra được T a , T b , T c Bước 3: Thiết lập chuỗi đóng ngắt
Với những vector không gian đã được chọn và thời gian tồn tại của chúng, bước tiếp theo là sắp xếp trình tự thay đổi của trạng thái đóng ngắt ứng với các vector đã được chọn
2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian có giảm và triệt tiêu điện áp common-mode Điện áp common-mode (CMV) của mạch nghịch lưu là điện áp giữa tâm tải và tâm nguồn một chiều cung cấp cho mạch Với mạch nghịch lưu NPC 3 bậc hình thì điện áp common- mode của chúng chính là điện áp giữa 2 điểm N và 0 tức là điện áp V NO Người ta chứng minh được rằng điện áp common-mode tác động lên dòng điện của động cơ xoay chiều và làm giảm tuổi thọ động cơ a) Giảm điện áp common-mode
- Giá trị điện áp common-mode của vector không gian gồm các giá trị 0;
- Giải thuật điều chế vector không gian có giảm điện áp common-mode thực hiện như giải thuật điều chế vector không gian nhưng ở bước chọn chuỗi đóng ngắt thì không sử dụng các vector có điện áp common-mode có giá trị
b) Triệt tiêu điện áp common-mode (Zero common-mode method)
Phương pháp Zero common-mode (ZCM) được biết đến lần đầu tiên vào năm 2000 do Haoran Zhang and Annette von Jouanne Phương pháp này sử dụng sáu vector vừa và một vector không do những vector này đều có điện áp common-mode bằng 0 và có khả năng làm cân bằng tụ
2.3 Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện
Phương pháp điều khiển dòng điện là một trong những vấn đề cần nghiên cứu nhất trong lĩnh vực điện tử công suất, do đó điều khiển dòng điện đóng vai trò quan trọng được xem như là ứng dụng đầu tiên của MPC(Model Predictive Control) trong sơ đồ điều khiển dòng điện Điều khiển dự báo được dựa trên thực tế là chỉ một số hữu hạn số lượng trạng thái đóng ngắt tích cực có thể được tạo ra bởi chuyển đổi tĩnh điện và kiểu mẫu của hệ thống đó có thể được dùng để dự báo các trạng thái của biến cho mỗi trạng thái đóng ngắt Để sự lựa chọn của các trạng thái đóng ngắt thích hợp được áp dụng, một tiêu chuẩn lựa chọn cần được định nghĩa
Tiêu chuẩn này bao gồm một hàm giá trị sẽ được đánh giá cho giá trị dự báo của biến được điều khiển Dự báo giá trị tương lai của những biến này được tính toán cho mỗi trạng thái đóng ngắt tích cực và sau đó trạng thái mà có hàm giá trị nhỏ nhất thì được chọn
Giải thuật điều khiển này được tóm tắt theo những bước sau đây:
- Định nghĩ hàm giá trị g
- Xây dựng một mô hình chuyển đổi và trạng thái đóng ngắt tích cực của nó
- Xây dựng mô hình tải cho việc dự báo
Mô hình thời gian rời rạc của tải cần để dự báo đánh giá trạng thái của biến bởi hàm giá trị đó là dòng điện qua tải
Hình 13 Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Trong bộ nghịch lưu ba bậc NPC, giá trị dự báo của dòng điện qua tải và điện áp của hai tụ được dự báo phụ thuộc vào 27 trạng thái đóng ngắt của 19 vector không gian
Dòng điện qua tụ được tạo ra dựa vào dòng điện tải, trạng thái đóng ngắt Để có được giá trị này thì việc đo dòng điện qua tải và điện áp trên hai tụ là rất cần thiết
Sau khi tạo được giá trị dự báo của dòng điện qua tải và điện áp trên hai tụ thì hàm giá trị g đánh giá cho từng trạng thái đóng ngắt Trạng thái đóng ngắt nào có giá trị g nhỏ nhất thì sẽ được chọn làm trạng thái đóng ngắt và áp dụng cho trạng thái kế tiếp
Hàm giá trị g gồm có các thành phần sau:
* 1 , 1 C 1,2 1 g f i k i k h V k (11) Phần tử thứ nhất trong hàm giá trị g là hàm tính toán sự sai lệch giữa dòng điện dự báo và dòng điện tham chiếu Hàm f được định nghĩa trong công thức sau:
GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP HÒA ĐỒNG BỘ
Phương pháp phát hiện điểm không(ZCD)
Hình 14 Sơ đồ mạch và dạng sóng điện áp của ZCD Đường màu đen là điện áp V1 tương ứng với điện áp lưới điện Đường màu hồng là điện áp V2 tương ứng với dạng sóng điện áp phát hiện được Ở đây ta thấy mỗi lần điện áp lưới đi qua điểm zezo thì ngõ ra V2 lại đổi trạng thái dựa vào dạng sóng V2 ta có thể biết được góc pha của lưới điện Ưu điểm của phương pháp này: Thực hiện mạch đơn giản
Nhược điểm: Thông thường lưới điện có rất nhiều nhiễu và mất cân bằng có nhiều thời điểm đi qua điểm zezo nhiều lần liên tục điều này dẫn đến phát hiện dạng sóng lưới điện bị sai hệ thống sẽ mất cân bằng và dễ xảy ra hư hỏng do hòa lưới mất đồng bộ.
Phương pháp vòng khóa pha
PLL là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong quân sự, hàng không vũ trụ, hệ thống điện tử mà một vài thông tin phản hồi được dùng để đồng bộ với một số sự kiện một cách định kỳ với một số sự kiện dễ nhận biết bên ngoài
Hình 15 Sơ đồ các khối cơ bản của PLL
Khối phase detector (PD) khối này có nhiệm vụ tạo ra một tín hiệu tỉ lệ thuận với sự khác biệt giữ tín hiệu đầu ra và đầu vào
Loop filter (LF) khối này lọc các thành phần xoay chiều tần số cao từ khối PD khối này thường là một bộ mạch lọc thông thấp hoặc một bộ điều khiển PI
Voltage control oscillator khối này tạo ra một điện áp xoay chiều cho tần số phụ thuộc vào điện áp ở ngõ vào và tần số trung tâm ωc
Hình 16 Khối điều chỉnh PLL tổng quát
Hình 17 Khối điều chỉnh vòng khóa pha PLL ở chế độ tín hiệu bé Giả sử: kpd = kvco = 1 và V=1 ta có hàm truyền pha điều khiển vòng kín
( ) = (14) Hàm truyền sai số vòng kín:
- Phương pháp phát hiện pha sử dụng tín hiệu pha vuông góc( thành phần trực giao)
Hình 18 Sơ đồ khối PLL với bộ phát hiện pha lý tưởng
Tín hiệu sai số góc pha như sau:
𝑉 𝑉 (19) Nếu điện áp đầu vào của PLL là
Hình 19 Bộ phát hiện pha sử dụng bộ tạo tín hiệu pha vuông góc và biến đổi Park
−sin 𝜃 sin 𝜃 − cos 𝜃 cos 𝜃 = 𝑉 sin( 𝜃 − 𝜃 )
− cos(𝜃 − 𝜃 ) (21) Khi khóa pha hoàn hảo thì 𝜃 = 𝜃
- Phương pháp chuyển đổi trễ T/4:
Hình 20 Phương pháp chuyển đổi trễ T/4 Đặc điểm của phương pháp này: Phương pháp này hoạt động tốt với tần số điện lưới cố định dạng sóng sin Nếu tần số lưới điện đang thay đổi nhiều PLL sẽ mất ổn định trong việc ước lượng gây ra sai số khi đồng bộ pha
- Phương pháp chuyển đổi nghịch đảo
Hình 21 Phương pháp chuyển đổi nghịch đảo Đặc điểm của phương pháp này: Tín hiệu đầu ra của bộ αβ-dq được đưa qua mạch lọc thông thấp LPF vào bộ dq- αβ sau đó một tín hiệu vβ được đưa về bộ αβ-dq để tạo thành phần trực giao
- Phương pháp SRF- PLL : Đây là phương pháp truyền thống để sử dụng tách pha để hòa đồng bộ cho các bộ nghịch lưu ba pha nối lưới
Hình 22 Phương pháp SRF PLL truyền thống Hàm truyền pha vòng kín:
( )= ( ) (23) Hàm truyền sai số vòng kín:
( ) = 1 − 𝐻 Ɵ (𝑠) ( )= (24) Mô phỏng cho SRF –PLL như sau:
Hình 23 Mô phỏng SRF PLL
Giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu ba pha nối lưới
cho trước, khi điện áp và tần số của bộ nghịch lưu thay đổi trong một khảng xác định Công suất tác dụng và công suất phản kháng được duy trì khi kết nối lưới như hình vẽ 3.3
Hình 24 Công suất phản kháng và công suất tác dụng của bộ nghịch lưu
MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC CÓ NỐI LƯỚI 22 4.1 Tổng quan chương trình mô phỏng
Khối vòng khóa pha
Khối SRF – PLL là khối vòng khóa pha cổ điển có nhiệm vụ tách góc quay theta từ điện áp của lưới để dùng cho các phép biến đổi từ hệ trục abc sang dq và ngược lại
Hình 27 Cấu trúc của vòng khóa pha PLL
Khối PLL chuẩn của Matlab được phát triển dựa trên bộ điều khiển PLL hình 28 của Pierre Giroux, Gilbert Sybille, Power System Laboratory, IREQ, Hydro-Quebec tháng 08 năm 2007
Hình 28 Sơ đồ khối chuẩn trong Matlab của vòng khóa pha cho bộ hòa đồng bộ
Do khối mô phỏng có sẵn này khó phục vụ cho việc tự lập trình trên code composer studio nên chương trình PLL được viết theo giải thuật SRF PLL có lưu đồ khối như sau:
Hình 29 Sơ đồ vòng khóa pha dạng SRF -PLL cho bộ hòa đồng bộ Sơ đồ khối rút gọn của giải thuật SRF-PLL truyền thống có dạng trong hình 30
Hình 30 Khối bộ hòa đồng bộ góc quay bằng vòng khóa pha SRF-PLL
Khối chuyển đổi hệ trục tọa độ
Khối chuyển đổi hệ trục tọa độ trong mô phỏng Matlab Simulink ta sử dụng các khối như sau:
- Chuyển đổi hệ trục tọa độ từ hệ trục abc sang hệ trục dq0 cho dòng điện và điện áp đọc về từ lưới
- Chuyển đổi hệ trục tọa độ từ hệ trục dq0 sang hệ trục αβ0 cho điện áp điều khiển đầu ra sau bộ điều khiển dòng điện sang bên giải thuật điều khiển vector không gian
Ngoài ra trong khi thực hiện viết chương trình trên code composer studio ta còn sử dụng phương pháp chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ0
Khối biến đổi hệ trục abc sang dq cho dòng điện và điện áp lấy tín hiệu góc quay theta từ vòng khóa pha SRF PLL, để chuyển điện áp và dòng điện từ hệ trục abc sang hệ trục dq0
𝑣 𝑣 = sin 𝜔𝑡 sin(𝜔𝑡 − ) sin(𝜔𝑡 + ) cos 𝜔𝑡 cos(𝜔𝑡 − ) cos(𝜔𝑡 + ) ×
𝑖 𝑖 = sin 𝜔𝑡 sin(𝜔𝑡 − ) sin(𝜔𝑡 + ) cos 𝜔𝑡 cos(𝜔𝑡 − ) cos(𝜔𝑡 + ) ×
Hình 32 Khối biến đổi hệ trục abc sang dq0 cho điện áp và dòng điện
Hình 33 Dòng điện Id_f và Iq_f sau phép biến đổi dang hệ trục tọa độ dq0
Hình 34 Điện áp của bộ nghịch lưu sau phép biến đổi dq0
Khối chuyển đổi hệ trục dq0 sang αβ0 hình 35 vẫn cần có thành phần góc quay theta để đưa vào phép biến đổi, dùng để chuyển điện áp điều khiển từ hệ trục dq0 sang điện áp αβ phù hợp với giải thuật vector không gian Kết quả mô phỏng chuyển đổi giá trị Valpha và Vbeta được thể hiện theo hình 40
Hình 35 Khối biến đổi dq0 sang alpha beta
Khối tính toán công suất tác dụng và công suất phản kháng
Hình 36 Khối tính toán chuyển đổi công suất tác dụng và phản kháng sang dòng điện
Công suất tác dụng P_set1 và công suất phản kháng Q_set1 được đưa vào khối tính toán chuyển đổi dựa vào điện áp lưới Vd_f và Vq_f cho ra dòng yêu cầu Id_ref và Iq_ref
Id_ref= (2/3)*(P_ref*Vd_f + Q_ref*Vq_f)/(Vd_f*Vd_f + Vq_f*Vq_f); (27) Iq_ref= (2/3)*(P_ref*Vq_f - Q_ref*Vd_f)/(Vd_f*Vd_f + Vq_f*Vq_f); (28)
Hình 37 Khối đo công suất tác dụng và phản kháng phát lên lưới
Chương trình tính toán công suất phát lên lưới dựa trên cảm biến dòng điện và điện áp ba pha gửi về như sau
P_cal= 1.5*(Vd_f*Idf + Vq_f*Iqf); (29) Q_cal= 1.5*(Vq_f*Idf - Vd_f*Iqf); (30)
Khối điều khiển dòng điện
Giá trị Id_ref được so sánh với giá trị Idf đọc về từ lưới sau, độ chênh lệch dòng điện này được điều chỉnh qua bộ điều khiển PI dòng điện như hình 38
Hình 38 Khối điều khiển PI dòng điện
Hình 39 Điện áp theo hệ trục dq0 sau bộ điều khiển dòng điện Đầu ra của phần điều khiển dòng điện PI là điện áp điều khiển theo hệ trục dq0 là Vd_CTL và Vq_CTL để đưa vào bộ biến đổi điện áp từ hệ trục dq0 sang hệ trục αβ
Khối giải thuật vector không gian
Điện áp Valpha và Vbeta sau đó được đưa vào khối điều khiển xuất xung theo giải thuật Space Vector Pulse Width Modulation Ở đây ta dùng giải thuật SVPWM sử dụng 03 vector gần
Hình 41 Khối biến đổi hệ trục tọa độ và khối điều khiển xuất xung SVPWM
Tín hiệu đầu ra từ giải thuật SVPWM được so sánh với xung tam giác để tạo xung kích đầu ra, do kích điều khiển cho IGBT theo nguyên tắc kích đối nghịch nên chỉ cần 06 tín hiệu so sánh đầu ra cho 12 khóa IGBT như hình 41.
Khối đầu ra của bộ nghịch lưu và lưới
Hình 43 Các khối động lực bao gồm inverter, mạch lọc cảm kháng và nối lưới
Khối động lực của bộ nghịch lưu gồm 12 khóa công suất IGBT và 06 diode kẹp được mô phỏng nối lưới thông qua 03 cuộn kháng L theo hình 43
Giá trị điện áp và dòng điện theo giá trị đặt công suất tác dụng P và công suất phản
Hình 44 Điện áp dây đầu ra của bộ nghịch lưu VAB
Hình 45 Điện áp pha C và trung tính của tụ điện VCN
Đáp ứng điều khiển PQ khi hòa lưới
Hình 47 Mô hình tổng quát mô phỏng lấy đáp ứng điều khiển PQ
Chương trình mô phỏng xem xét đáp ứng điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q cho hai trường hợp như sau:
- Trường hợp 1: tăng công suất tác dụng P, giảm công suất phản kháng Q
- Trường hợp 2: giảm công suất tác dụng P, tăng công suất phản kháng Q
Trường hợp 1: Tăng công suất tác dụng từ 3000W lên 5000W, giảm công suất phản kháng 1000 Var xuống 500 Var Ta thấy đáp ứng điều khiển công suất đo được bám theo công suất đặt tương đối tốt trong trường hợp này
Hình 48 Đáp ứng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q trong trường hợp 1
Hình 49 Đáp ứng của điện áp dây VAB của bộ nghịch lưu và điện áp dây Vab của lưới trường hợp 1
Hình 50 Đáp ứng của dòng điện ba pha với thay đổi công suất đặt trường hợp 1
Trường hợp 2: Giảm công suất tác dụng từ 4000W lên 2000W, tăng công suất phản kháng 700 VAR xuống 1200 VAR Ta thấy đáp ứng điều khiển công suất đo được cũng bám theo công suất đặt tương đối tốt trong trường hợp này
Hình 51 Đáp ứng của hệ thồng với việc thay đổi công suất đặt trong trường hợp 2
Hình 52 Đáp ứng điện áp dây VAB của bộ nghịch lưu và điện áp dây Vab của lưới trong trường hợp 2
Hình 53 Đáp ứng của dòng điện ba pha với thay đổi công suất đặt trường hợp 2
Nhận xét chung về đáp ứng của phần điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q là tốt, bám theo giá trị đặt cho cả hai trường hợp
Nhận xét về méo dạng và THD của hệ thống là nhỏ, đây là ưu điểm của giải thuật SVPWM cụ thể các giá trị đo được trên mô phỏng lần lượt như sau:
- Giá trị THDi đo được cho dòng điện pha a là 4,73%
- Giá trị THDv đo được cho điện áp pha VCN là 51,72%
- Giá trị THD đo được cho điện áp dây VAB là 31,77%.
Sơ đồ giải thuật tổng quát
Sơ đồ giải thuật tổng quát cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có nối lưới được thể hiện qua lưu đồ giải thuật hình 50
Hình 54 Lưu đồ giải thuật tổng quát
Mô hình thực nghiệm tổng quát
Hình 55 Hình chụp tổng quát phần cứng thực nghiệm Các thiết bị thực nghiệm phần cứng:
- Máy biến áp tự ngẫu
- Mạch tạo nguồn DC cấp cho bộ nghịch lưu
- Nguồn +/-15 Vdc để cấp cho các mạch lái và Board điều khiển
- Mạch điều khiển F28379D Launch Pad
- Mạch giao tiếp đọc tín hiệu từ cảm biến dòng và áp
- 03 bộ cảm biến dòng và 03 bộ cảm biến áp
- Biến áp 03 pha cách ly tăng áp 200Vac/400 Vac dùng để tăng áp đầu ra trước khi hòa lưới
- Các thiết bị đo : Oscilloscope Hantek, Oscilloscope Tektronic, đồng hồ đo Multimeter
- Máy tính có cài đặt chương trình code composer studio
Giới thiệu về vi điều khiển của hãng Texas Instrument TMS320F28379D
Giới thiệu sơ bộ về đồ chân và cấu trúc của Vi xử lí TMS320F28379D theo như hình 51
Transformer Grid abc dq abc dq Vdc
Iabc Vabc Đây là dòng Vi xử lý khá mới trong dòng C2000 của Texas Instrument theo cấu trúc vi xử lý hai nhân (Dual cores):
- Hai nhân 32 bit CPUs - Tốc độ lên đến 200 MHz
- Xử lý tính toán dấu phẩy động
- Sử dụng số thực dấu phẩy động
- Xử lý tính toán các hàm lượng giác
512KB or 1 MB bộ nhớ Flash
172 KB or 204 KB bộ nhớ RAM
- Bộ điều khiển 6 kênh truy cập bộ nhớ trực tiếp (Direct Memory Access) - Điều khiển xung clock và hệ thống
- Khối mở rộng ngắt ngoại vi (PIE) có 14 đường ngắt, trong đó 02 đường ngắt kết nối trực tiếp đến timer 1 và timer 2
- Cổng ngoại vi nối tiếp:
CAN, McBSP, USB, SCI, SPI (Serial Peripheral Interface)
I2C (Inter-Integrated-Circuit) - 04 bộ chuyển đổi ADCs, mỗi bộ 16 kênh (12 bits/16 bits)
- 03 bộ DAC đầu ra 12 bits
- 196 chân GPIO có thể trộn các chức năng chung, có lọc ngõ vào
- Điều khiển thiết bị ngoại vi nâng cao:
24 ngõ ra ePWM, có khả năng thiết lập dead band bằng phần mềm
6 ngõ vào chức năng capture(eCAP)
03 bộ giao tiếp encoder - Enhanced Quadrature Encoder Pulse (eQEP)
08 bộ lọc SDFM - Hỗ trợ kết nối USB qua JTAG
- Phần mềm hỗ trợ phát triển bao gồm:
Sơ đồ khối chức năng và sơ đồ lõi xử lý của bộ điều khiển được mô tả theo hình 58 và hình 59
Hình 58 Sơ đồ khối chức năng của Vi xử lí TMS320F28379D (hai nhân)
Hình 59 Sơ đồ lõi xử lý của F28379D
Các ứng dụng được đề xuất dùng bộ điều khiển như sau
- Biến tần công nghiệp (Industrial Drives)
- Bộ biến đổi năng nượng mặt trời loại nhỏ
- Bộ đo đếm thông minh (smart metering)
- Năng lượng số (Digital power).
Giới thiệu về Board điều khiển TMS320F28379D Launchpad
Board điều khiển này dùng vẫn dùng vi xử lí hai nhân F28379D nhưng về mạch phần cứng có số chân kết nối ra ngoài giới hạn, cụ thể là chỉ kết nối ra ngoài có 12 chân GPIO cho việc xuất xung ePWM và các chân GPIO cho việc đọc ADC và xuất DAC bị giới hạn Việc chọn Board F28379D vì chi phí rẻ mà vẫn đáp ứng được nhu cầu thiết kế:
- 12 chân GPIO xuất xung ePWM, có cho phép cấu hình Deadband
- 06 kênh Analog Input để đọc giá trị các cảm biến dòng và áp
Hình 60 Sơ đồ tổng quan của Board điều khiển TMS320F28379D Launch Pad
Hình 61 Sơ đồ các chân kết nối ra của Board F28379D Launch Pad
Mạch lái cho khóa công suất IGBT
Mạch lái bao gồm ba phần chính:
- Optocoupler dùng để cách ly tín hiệu điện điều khiển giữa Vi xử lí và IGBT
- Mạch kết nối nhận và khuếch đại tín hiệu từ optocoupler
- Switching transitor đóng vai trò cấp điện nạp (charge) hoặc xả( discharge) cho cực cổng IGBT
Ngoài ra mạch lái còn được thiết kế có tích hợp thêm một số chức năng bảo vệ quá dòng ngắn mạch cho IGBT
Hình 62 Sơ đồ nguyên lý của Board Mạch điều khiển Driver tích hợp điển hình Dựa vào cách lắp đặt và thiết kế ta có thể chia IGBT driver thành các loại như sau:
- IGBT Driver tích hợp không có cấp nguồn sẵn ở bên trong hoặc có cấp nguồn sẵn ở bên trong
- IGBT Driver có thể gắn trực tiếp lên IGBT có sẵn cấp nguồn điện bên trong - IGBT Driver không có thể gắn trực tiếp lên IGBT có sẵn cấp nguồn điện bên trong b Mạch lái tích hợp QC962-8A
QC962-8A là mạch lái tích hợp của hãng Mornsun Guangzhou Science& Technology Co.,Ltd Mạch nhận tín hiệu xung vuông từ các bộ điều khiển, sau khi cách ly và khuếch đại được đưa váo chân kích của IGBT để điều khiển đóng cắt IGBT Tín hiệu điều khiển được cách ly nhờ bộ Optocoupler quang chuyển mạch nhanh QC962-8A cũng có thể phát hiện các trạng thái sụt áp bão hòa dưới của cực C( Collector) của IGBT để xác định nhanh chóng hiện tượng quá dòng hoặc ngắn mạch của IGBT để kích hoạt chức năng bảo vệ IGBT khi xảy ra lỗi QC962-8A là mạch driver tích hợp không có nguồn sẵn ở bên trong
Hình 63 Sơ đồ mạch lái cho IGBT c QA01 cấp nguồn DC/DC cho mạch lái IGBT
Nhận nguồn 0& 15V biến đổi thành -8.7 & 15 V cấp nguồn cách ly cho mạch lái IGBT là Vcc và Vee
Hình 64 Bộ nguồn cách ly DC/DC cho mạch lái d Giá trị điện trở cổng Rg
Hình 65 Điện trở cổng Rg cho IGBT
Dòng điện ngõ ra sẽ tăng nếu giá trị Rg giảm và nhiễu chuyển mạch sẽ tăng lên tương ứng Do vậy tổn thất chuyển mạch sẽ giảm khi tốc độ đóng cắt tăng và ngược lại Vì vậy người sử dụng có thể sử dụng bảng tra điện trở cổng Rg và tinh chỉnh nó dựa trên thực nghiệm
Bảng 4 Bảng tra điện trở cổng Rg Mạch lái được thiết kế tổng cộng có 2 kênh ePWM đầu ra để lái cho 02 IGBT
Hình 66 Board mạch Driver tích hợp 02 kênh e Bảo vệ trùng dẫn
Quá trình đóng ngắt xung để tránh trường hợp trùng dẫn đưa đến ngắn mạch, vì thế giữa các xung đóng ngắt phải có môt ̣ khoảng thời gian các khoá cùng tắt gọi là deadtime hay deadband Dùng cấu hình deadband trực tiếp từ Vi xử lý TMS320F28379D tạo deadband cho các khóa kích đối nghịch.
Thông số của IGBT
Công suất của bộ nghịch lưu dự kiến thiết kế là 7 KVA, ta tính được dòng trên các pha là 20,8 A, được tính với điện áp phát ra là 156 Vpeak, sau đó biến áp tăng áp lên bằng điện áp lưới.Lựa chọn IGBT loại FGL40N120AND có sẵn trên thị trường giá thành tương đối hợp lý dòng ra 40 amperes cao hơn dòng yêu cầu là 40A để dự phòng hư hỏng linh kiện do quá dòng trong lúc thử nghiệm
Bảng 5 Bảng thông số của IGBT
Thông số của Diode kẹp
Lựa chọn diode chuyển mạch nhanh có dòng 80A cao hơn yêu cầu để tránh quá dòng khi thử nghiệm, điện áp 600V, các diode này không có sẵn tại Việt Nam thường phải đặt hàng từ nước ngoài về
Bảng 6 Bảng thông số của Diode kẹp
Mạch cảm biến điện áp
Bảng 7 Bảng thông số cùa cảm biến điện áp
Hình 67 Mạch cảm biến điện áp
Mạch cảm biến dòng điện
Bảng 8 Bảng thông số của cảm biến dòng điện
Hình 68 Mạch cảm biến dòng điện
5.9 Mạch giao tiếp với cảm biến dòng và áp
Hình 69 Mạch giao tiếp của Vi xử lý với cảm biến Điện trở Rs được chọn cho phù hợp với giá trị của cảm biến Hall là từ 100Ω- 330 Ω
First order low pass filter (dạng đảo)
Hình 70 Mạch First order low pass filter
Với hệ số khuếch đại: 𝐾 = − Mạch khuếch đại đảo
Hình 71 Mạch khuếch đại đảo
Vout = -Rf/Rin*Vin (35) Mạch lọc thông thấp
Hình 72 Mạch lọc thông thấp 𝑓 = = 28.6 𝑘𝐻𝑧 (36) Mạch cộng với R1= R2 =R3=R4 =R
Hình 74 Board giao tiếp cảm biến điện áp và dòng điện với Vi xử lý F28379D
Theo thiết kế đúng ta phải chọn máy biến áp cách ly 7 KVA Trong điều kiện kinh phí hạn chế ta sử dụng máy biến áp ba pha 1 KVA 200Vac/400Vac dùng để tăng áp từ điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu là 200 Vac lên bằng điện áp ba pha của lưới là 400 Vac.
Mạch tạo nguồn DC cấp cho bộ nghịch lưu
Để tạo nguồn Vdc/2 ta dùng chỉnh lưu cầu lấy nguồn từ biến áp tự ngẫu, sau đó qua bộ chỉnh lưu cầu và đưa vào hai tụ tạo điện áp Vdc/2 cho mạch nghịch lưu
Hình 76 Mạch cấp nguồn Vdc/2 cho bộ nghịch lưu
Mạch lọc LC
Sử dụng mạch lọc LC để lọc đầu ra trước khi hòa lưới, mô hình thực tế khác với mô phỏng ở máy biến áp tăng áp và mạch lọc LC
Hình 77 Mạch lọc thông thấp LC
Với là giá trị dòng điện ripple, thường được chọn là 10% dòng điện định mức fs là tần số chuyển mạch Prated,Vrated, f lần lượt là công suất, điện áp và tần số danh định của hệ thống
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Tổng quan về các chế độ thực nghiệm
Các chế độ chạy thử nghiệm thực tế đã triển khai, dùng thiết bị đo và chương trình code composer studio để giám sát các tín hiệu dòng điện, điện áp và các biến trong chương trình
- Chạy inverter độc lập vòng hở cấp nguồn cho tải ba pha với theo giải thuật SinPWM và SVPWM
- Chạy inverter đo điện áp ba pha từ lưới về sau đó phát điện áp ngược lên giống điện áp lưới
- Chạy inverter có giải thuật đầy đủ có PLL và điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q.
Chạy Inverter điều khiển độc lập cấp nguồn cho tải ba pha
Giải thuật SinPWM so sánh sóng mang với hai sóng tam giác được viết dùng để kiểm tra toàn bộ chức năng của bộ nghịch lưu trước khi áp dụng giải thuật SVPWM Khi kiểm tra xong toàn bộ phần cứng, đã tiến hành viết giải thuật SVPWM cho bộ nghịch lưu Kết quả đo được trong phần 6.2 lấy từ thực nghiệm chạy bộ nghịch lưu với giải thuật SVPWM
Chế độ đặt các thông số phần cứng và phần mềm
- Điện áp cấp vào UDC 40 Vdc
- Điện áp trên hai tụ Vc1 7Vdc
- Điện áp trên hai tụ Vc2 5Vdc
- Giá trị điện áp pha đặt 156 Vpeak Điện áp pha đầu ra theo thiết kế của inverter hoàn toàn có thể nâng lên cao hơn nữa, như do giới hạn về thiết bị máy biến áp tự ngẫu hiện có chỉ nâng điện áp lên được 250Vac để cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu cầu tạo nguồn DC đầu vào cho inverter, nên chỉ có thể chọn với chỉ số điều chế thích hợp với các thông số phía trên
Hình 79 Điện áp trên pha b và trung tính của tụ VBN
Giá trị điện áp pha đo được trên một pha b và điểm trung tính của tụ VBN theo hình 79 có dạng giống với kết quả mô phỏng của Matlab Simulink hình 45
Hình 80 Điện áp dây VAB của Inverter Giá trị điện áp dây đo được trên hai pha VAB theo hình 80 có dạng giống với kết quả mô
Hình 81 Điện áp dây VAB sau cuộn L=0.5mH Điện áp dây VAB đầu ra của inverter hình 81 và điện áp pha VBN hình 82 sau khi qua mạch lọc L trước máy biến áp tăng áp có thành phần sóng hài nhỏ hơn trong hình 81
Hình 82 Điện áp sơ cấp pha B và trung tính của máy biến áp VBN
Dạng sóng điện áp dây của bộ nghịch lưu sau khi qua máy biến áp tăng áp đã lọc bớt các thành phần hài bậc cao, sau đó qua mạch lọc LC để lọc thêm các thành phần hài bậc thấp cho đầu ra có dạng sóng sin có chất lượng sóng hài giống như điện áp lưới Giá trị THD của lưới và của inverter đo được 1.46%
Hình 83 Điện áp dây VAB phía thứ cấp sau máy biến áp 200Vac/400Vac
Hình 84 Điện áp dây thứ cấp của máy biến áp VAB (màu vàng) và VBC (màu xanh)
Hình 85 Điện áp dây phía thứ cấp máy biến áp VAB (màu vàng) & VCA (màu xanh) sau bộ lọc LC
Chế độ đo điện áp từ lưới và phát lại
Thực nghiệm ở chế độ điện áp dây Vab và Vbc của lưới, sau đó tính ra điện áp pha Va, Vb, Vc chưa dùng sử dụng giải thuật vòng khóa pha SRF-PLL cho inverter phát lại điện áp về lưới Mục đích của việc chạy chế độ này nhằm thực hiện tinh chỉnh các thông số chương trình cho cảm biến điện áp, đồng thời kiểm tra toàn bộ phần cứng kể cả các cảm biến
Kết quả đo được ở chế độ này cho kết quả gần giống với chế độ chạy inverter độc lập
Hình 86 Điện áp pha giữa pha A và trung tính của tụ VAN
Hình 87 Điện áp dây VAB trước bộ lọc
Hình 88 Điện áp dây Vab& Vbc của phía inverter sau lọc
Hình 89 Điện áp dây Vab& Vbc của Inverter sau lọc
Hình 90 Điện áp dây Vbc& Vca của Inverter sau lọc
Kết quả trong hình 91, 92 và 93 cho thấy điện áp dây đầu ra của phía inverter gần như đồng bộ với điện áp lưới
Hình 91 Điện áp lưới Vab grid so với điện áp pha Vab inverter
Hình 92 Điện áp lưới Vbc grid so với Vbc inverter
Hình 93 Điện áp lưới Vca grid so với điện áp Vca inverter
Hòa lưới và điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
Khi chạy chế độ này thì toàn bộ chương trình đầy đủ theo yêu cầu của luận văn tốt nghiệp thạc sĩ đã được viết hoàn chỉnh dựa vào mô phỏng trên Matlab Simulink, chương trình này được viết riêng trên code composer studio hoàn toàn độc lập với chương trình Matlab simulink bao gồm các chức năng như sau:
- Cấu hình định thời gian xuất xung ePWM có deadband tránh việc trùng dẫn các khóa công suất
- Cấu hình đọc các cảm biến điện áp, dòng điện và bộ lọc số LPF
- Giải thuật cho vòng khóa pha SRF- PLL để lấy góc quay theta cho các phép biến đổi hệ trục tọa độ
- Giải thuật cho bộ điều khiển PI cho dòng điện
- Giải thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC
Kết quả đo được các dạng điện áp pha và điện áp lưới gần đồng bộ với nhau giống như chạy ở chế độ trong mục 6.3
Hình 94 Điện áp dây Vab inverter (màu vàng) và Vab lưới (màu xanh)
Hình 95 Điện áp pha Vbc inverter (màu vàng) và Vbc lưới (màu xanh)
Hình 96 Điện áp dây VCA inverter (màu vàng) và Vca lưới (màu xanh) Nhận xét về chất lượng của chương trình
Dựa vào kết quả đo được đầu ra và kết quả theo dõi các biến số điện áp và dòng điện qua các phép biến đổi trong chương trình Code composer studio có thể khẳng định giải thuật tốt đáp ứng yêu cầu về việc hòa lưới Theo dõi biến điện áp Vd_f, Vq_f đọc về ta thấy có sự thay đổi dao động trong khoảng nhất định chứ không ổn định như việc mô phỏng do điện áp lưới cũng có thay đổi theo như hình 97
Dựa vào dạng sóng đo đo được ở đầu ra chứng tỏ bộ SRF- PLL đã hoạt động tốt trong điều kiện bình thường của lưới điện
Hình 97 thông số đọc được từ màn kế nối với Ti C 2000
[1] Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất 1, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2008
[2] Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng, Mô phỏng Điện tử công suất trong MATLAB/SIMULINK, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2011
[3] Sriharirao Namballa, T Vamsee Kiran, A Space Vector PWM Scheme for Neutral Point Clamped Multilevel Inverters, International Journal of Power System Operation and Management ISSN: 2231 – 4407, Volume-1, Issue-4, 2012
[4] Bin-Wu, “High-Power Converters and AC Drives”, Chapter 8, IEEE Press 2006
[5] Rene Vargas, Patricio Cortes, Ulrich Ammann, Jose Rodriguez, Jorge Pontt,
“Predictive Control of a Three-Phase Neutral-Point-Clamped Inverter”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 54, No 5, Octorber 2007
[6] Mario Schweizer, Jonann W Kolar, Design and implementation of a Highly Efficent Three- Level T- Type converter for low voltage applications, IEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL.28, NO.2, FEBRUARY 2013
[7] Omar Abdel-Rahim, Masato Takeuchi, T-Type Three level Neutral Point Clamped Inverter with Model Predictve Control for Grid Connected Photovoltaic Applications, Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2016 19th International Conference
[7] P Upendra Kumar, Prashant Kumar Das, K Durga Malleswara Rao, B Venkata Ramana, Modelling And Analysis of Multilevel Inverters Using Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM),International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA) ISSN: 2248-9622, Vol 2, Issue 2, Mar-Apr 2012, pp.536-542
[8] Haibing Hu, Wenxi Yao, and Zhengyu Lu, Design and Implementation of Three- Level Space Vector PWM IP Core for FPGAs, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL 22, NO 6, NOVEMBER 2007
[9] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodr´ıguez, Grid converters for Photovoltaic and wind power systems, IEEE, A John Wiley and Sons, 2011
[10] Các tài liệu tham khảo về phần cứng và phần mềm cho vi xử lý TMS320F28379D của hãng Texas Instrument
[11] S Sumthi, L Ashok Kumar, P Surekha, Solar PV and Wind Energy Conversion Systems, Springer, 2015.
