Điều này dẫn đến việc các bộ chỉnh lưu có kích thước lớn và cồng kềnh, công tác chế tạo mạch in phức tạp, đồng thời, cần phải sử dụng một lượng lớn các khóa SW và diode kẹp Clamped-diode
BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC DẠNG KẸP ĐA BẬC – MLC 2 VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp đa bậc – MLC 2
1.1.1 Cấu tạo bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp đa bậc – MLC 2
Bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp đa bậc (MLC 2 ) là một dạng nghịch lưu cải biến từ bộ nghịch lưu dạng kẹp diode truyền thống Ở bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp thì điện áp của từng pha không được các khóa đóng ngắt nối trực tiếp với các nguồn, tụ điện DC như ở dạng nghịch lưu đa bậc dạng kẹp diode truyền thống mà được lấy từ các điểm điện áp phụ được điều khiển bởi các khóa trong bộ khóa kẹp điện áp đa bậc MCU và hai điểm điện áp thấp nhất (V1) và lớn nhất (Vn) như hình 1.1
Bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp n bậc gồm có hai phần: m khóa kẹp điện áp (MCU) m n 2 bậc hoặc 3 1
m n bậc dùng để đóng, ngắt kết nối lần lượt một số bậc điện áp trên tụ (nguồn) DC đến điểm điện áp phụ pi
Khóa nghịch lưu (PL) m2bậc kết nối điểm điện áp V1, Vn và các điểm điện áp phụ Vp với ngõ ra của pha nghịch lưu
Khóa nghịch lưu m + 2 bậc pha a
Khóa kẹp điện áp đa bậc
(Multilevel Clamping Unit) Điểm điện áp phụ
Hình 1.1 Nguyên lý cấu tạo bộ nghịch lưu đa bậc dạng MLC 2
Qua sơ đồ nguyên lý cấu tạo, ta có thể xem một cách đơn giản cấu tạo của bộ nghịch lưu MLC 2 có dạng như bộ nghịch lưu m2 bậc dạng kẹp diode truyền thống, trong đó điện áp ở mỗi bậc (trừ điện áp ở bậc thấp nhất và bậc cao nhất) được điều khiển để nhận được m n2 hoặc
m n bậc điện áp khác nhau Khi đó điện áp ngõ ra của PL sẽ nhận được n bậc điện áp khác nhau
1.1.2 Vai trò của từng cụm linh kiện
Theo hình 1.1, Khóa kẹp đa bậc (MCU): có nhiệm vụ cấp một số bậc điện áp trên một số tụ điện cho điểm điện áp phụ Vpi để cung cấp thêm trạng thái điện áp cho khóa đóng ngắt của bộ nghịch lưu Định mức linh kiện trên cụm linh kiện này là điện áp trên mỗi tụ điện hay nguồn DC
Định mức này tương đương với định mức của bộ nghịch lưu truyền thống Các khóa kẹp đa bậc (MCU) ở đây là điểm mới so với bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp diode truyền thống
Khóa nghịch lưu đa bậc nối với ngõ ra của pha PL: nhiệm vụ là tạo ra điện áp pha tâm nguôn cần thiết cho pha tương ứng Khóa nghịch lưu đa bậc này giống với bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp diode cổ điển m + 2 bậc Định mức linh kiện trên cụm đóng ngắt này bằng điện áp chênh lệch lớn nhất trên hai MCU cộng thêm điện áp trên một tụ điện hay ngồn DC
1.1.3 Nguyên lý hoạt động Điện áp của pha a trong hình 1.1 được điều khiển bằng cách kết hợp điều khiển khóa đóng ngắt điện áp kẹp (MCU) và khóa nghịch lưu PL Việc điều khiển trạng thái của khóa nghịch lưu đa bậc pha a (phase leg a – PL a) sẽ nối điện áp ngõ ra Va với điểm điện áp phụ Vpi hay V+n, V-n Khi trạng thái của khóa nghịch lưu đa bậc pha a được nối với trạng thái điện áp phụ pi, thì trạng khóa kẹp điện áp đa bậc thứ i (MCUi) được điều khiển để nối điện áp pha a với điện áp trên nguồn thích hợp
Khóa nghịch lưu đa bậc chỉ thay đổi trạng thái đóng, ngắt khi cần thay đổi kết nối với điểm điện áp phụ của MCU khác hoặc điện áp V0, Vn+ Nếu chỉ cần thay đổi điện áp trong phạm vi điều khiển của một MCU nào đó thì trạng thái đóng ngắt của PL không thay đổi mà chỉ thay đổi trạng thái đóng, ngắt của MCU tương ứng với bậc điện áp tương ứng
Nếu tất cả các PL của bộ nghịch lưu không sử dụng điểm điện áp phụ của một MCU nào thì trạng thái đóng, ngắt các khóa của MCU đó không cần xét đến
1.1.4 Bộ nghịch lưu 5 bậc dạng kẹp đa bậc - MLC 2 5 bậc
Nguyên lý cấu tạo bộ nghịch lưu 5 bậc dạng kẹp đa bậc gồm một MCU ba bậc và các PL ba bậc như hình 1.2 Khóa MCU được nối với các điểm điện áp
V2, V3, và V4 để đóng, ngắt tạo ra điện áp theo yêu cầu ở điểm điện áp phụ Vp1 ở điểm p1 PL được điều khiển đóng ngắt để tạo ra điện áp theo yêu cầu cho pha a là V1, V5 hay Vp1 Cấu tạo của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc với phần điện áp kẹp dùng chung gồm có một MCU ba bậc gồm bốn khóa dùng chung cho ba pha Các định mức linh kiện của bộ MCU này là điện áp trên mỗi tụ điện (
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 5 bậc dạng kẹp đa bậc
Bộ nghịch lưu bao gồm thêm ba PL ba bậc để điều khiển điện áp ngõ ra là
V1, V5 hay Vp1 theo yêu cầu Do Vp1 được cấp độc lập từ bộ MCU có thể nhận các giá trị V2, V3, V4 nên định mức linh kiện của từng PL là
Theo cấu trúc bộ nghịch lưu 5 bậc MLC 2 , hình 1.3, ta cần tổng cộng 12 khóa đóng ngắt và 8 diode
Hình 1.3 Cấu trúc bộ nghịch lưu MLC 2 năm bậc với phần kẹp điện áp đa bậc dùng chung
1.1.4.2 Nguyên lý hoạt động Điện áp trên mỗi pha được điều khiển bằng việc điều khiển các khóa đóng, ngắt trên PL của pha tương ứng và trên khối MCU Các khóa đóng, ngắt trên PL được điều khiển để điện áp pha tương ứng đạt giá trị V1, V5 hoặc Vp1 Để điện áp pha cần điều khiển đạt được điện áp V2, V3 hay V4 thì cần điều khiển MCU vào giá trị tương ứng cần thiết, đồng thời điều khiển khóa trên PL vào điểm điện áp Vp1 Khi đóng ngắt các khóa theo nguyên tắc đối nghịch thì ứng với giá trị điện áp “pha a” là trạng thái đóng ngắt của các khóa được thể hiện trong bảng 1.1
Bảng 1.1 Trạng thái đóng, ngắt các khóa để tạo điện áp pha tâm nguồn trên “pha a” Đối với bộ nghịch lưu 5 bậc MLC 2 kiểu dùng chung MCU, khi điện áp một pha nhận giá trị điện áp Vp1 thì hai pha còn lại chỉ có thể nhận giá trị điện áp
V1, V5 hoặc giá trị mà Vp1 đang cung cấp chứ không thể yêu cầu điện áp khác lấy từ điểm Vp1 được Hay nói cách khác thì bộ nghịch lưu này tương ứng với bộ nghịch lưu ba bậc, trong đó với bậc điện áp ở giữa có khả năng nhận một trong ba giá trị điện áp khác nhau.
Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp đa bậc – MLC 2
1.2.1 Phương pháp điều khiển tổng quát
Bộ nghịch lưu đa bậc MLC 2 có một số trạng thái điện áp không thể cung cấp đồng thời cho từng pha khi các điện áp yêu cầu này nằm trong cùng khu vực điều khiển của cùng một MCU Nên các phương pháp điều khiển cho bộ nghịch lưu MLC 2 này cần phải xem xét kỹ xem có phù hợp không Phương pháp có thể áp dụng cho bộ nghịch lưu này là phương pháp điều chế độ rộng xung bằng phương pháp véctơ không gian (SVPWM) Do bộ nghịch lưu MLC 2 này có thể điều chế trực tiếp được hầu hết các véctơ không gian cơ bản trong từng sector để phục vụ cho việc điều chế véctơ không gian
Do các PL của bộ nghịch lưu này ngoài lấy nguồn từ các MCU thì được cấp nguồn trực tiếp từ hai điểm điện áp nhỏ nhất V1 và điện áp lớn nhất Vn nên các véctơ lớn nhất, các véctơ nằm trên các tia có góc là bội số 60 0 đều có thể tạo
Trạng thái S a1 S a2 S d1 S d2 Điện áp “pha a” (V a0 )
5 1 1 - - V5 ra được Ngoài ra, nếu tăng số lượng MCU lên thì hầu hết các véctơ bên trong của từng sector đều có thể điều chế trực tiếp bằng việc đóng, ngắt các khóa của MCU và PL Từ đó, việc điều chế điện áp nghịch lưu bằng giải thuật điều chế điều rộng xung véctơ không gian là hoàn toàn có thể thực hiện được
Ngoài giải thuật điều chế bằng phương pháp điều rộng xung véctơ không gian thì các giải thuật khác như điều rộng xung sóng mang có thể thực hiện được trong một số trường hợp
1.2.2 Phương pháp điều khiển cho bộ nghịc lưu MLC 2 5 bậc Đối với bộ nghịch lưu MLC 2 , ứng với trạng thái đóng, ngắt của các khóa thì ta có thể xác định được vectơ không gian tổng hợp được bởi bộ nghịch lưu MLC 2 năm bậc với phần kẹp điện áp đa bậc dùng chung ở sector thứ nhất như hình 1.4
Hình 1.4 Các vectơ không gian điều chế trực tiếp của bộ nghịch lưu MLC 2 ở sector thứ nhất
Ta thấy rằng các vectơ điều chế trực tiếp từ bộ nghịch lưu nằm ở đường biên của hình tam giác (hình 1.4), để tổng hợp các vectơ bên trong như bộ nghịch lưu năm bậc sử dụng diode kẹp cổ điển ta tổng hợp thêm các vectơ V X
Hình 1.5 Các vectơ không gian điều chế trực tiếp và tổng hợp của bộ nghịch lưu MLC 2 ở sector thứ nhất
Với bộ các vectơ điều chế trực tiếp và tổng hợp như trên, ta có thể tạo được các vectơ cơ bản của bộ nghịch lưu năm bậc để điều chế các vectơ cần thiết cho quá trình nghịch lưu tạo nguồn điện áp xoay chiều ba pha.
DẠNG TỔNG QUÁT CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC DẠNG KẸP ĐA BẬC – MLC 2
Hai cấu trúc tổng quát của bộ nghịch lưu MLC 2 nhiều pha
Bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp đa bậc có hai dạng cơ bản: các khóa kẹp điện áp đa bậc (MCU) sử dụng riêng cho từng pha và các khóa kẹp điện áp đa bậc (MCU) dùng chung cho các pha
2.1.1 Các khóa kẹp điện áp đa bậc sử dụng riêng cho từng pha
Ngõ vào của khóa nghịch lưu của từng pha được nối riêng với các khóa kẹp điện áp trung gian Ở dạng này, các bậc điện áp được điều chế linh động như bộ nghịch lưu đa bậc truyền thống, số lượng khóa đóng ngắt không thay đổi về số lượng nhưng định mức linh kiện lớn hơn so với bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp diode truyền thống Tuy vậy, số lượng diode được giảm Mô hình nguyên lý được thể hiện qua hình 2.1
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp đa bậc với các khóa kẹp điện áp đa bậc dùng riêng cho từng pha
2.1.2 Các khóa kẹp điện áp đa bậc dùng chung cho các pha
Bộ nghịch lưu đa bậc cấu tạo dạng có ngõ vào của các khóa nghịch lưu của từng pha PL được nối chung với các điểm điện áp trung gian pi do các khóa kẹp điện áp do MCU tạo ra Ưu điểm của dạng này là số lượng các khóa và diode được giảm thiểu đáng kể so với bộ nghịch lưu dạng kẹp diode truyền thống Số lượng các khóa đóng ngắt cần điều khiển ít hơn nên đơn giản hóa mạch điều khiển cho bộ nghịch lưu
Khuyết điểm của bộ nghịch lưu MLC 2 kiểu dùng chung các khóa kẹp điện áp đa bậc MCU cho các pha là trạng thái điện áp giữa các pha có thể bị phụ thuộc lẫn nhau trong quá trình điều khiển Khi các pha cần các điện áp pha tâm nguồn khác nhau của cùng một khóa kẹp điện áp MCU thì chỉ có thể nhận được một điện áp chung phù hợp do giải thuật điều khiển xác định Như hình 2.2, điện áp pha a cần nhận trạng thái V+(n-1) còn điện áp pha b cần nhận trạng thái điện áp
V+(n-2) thì không thể thực hiện được mà giải thuật điều khiển sẽ xác định một tổ hợp các trạng thái khóa khác để tạo được điện áp yêu cầu Khó khăn này có thể giải quyết được bằng cách tìm hiểu và xác định giải thuật điều khiển hợp lý
Khuyết điểm thứ hai của bộ nghịch lưu MLC 2 kiểu dùng chung các khóa kẹp điện áp đa bậc cho các pha cũng là khuyết điểm của bộ nghịch lưu MLC 2 là điện áp định mức của một số linh kiện đóng ngắt lớn hơn so với giá trị định mức linh kiện của bộ nghịch lưu đa bậc truyền thống Nhưng với số lượng linh kiện sử dụng ít hơn nên khả năng giảm chi phí đầu tư như đặt ra ban đầu là có thể đạt được
So sánh qua ưu điểm và khuyết điểm của bộ nghịch lưu MLC 2 kiểu khóa kẹp điện áp đa bậc dùng chung so với bộ MLC 2 kiểu khóa kẹp điện áp đa bậc sử dụng riêng cho từng pha, ta thấy cấu hình của bộ MLC 2 kiểu khóa kẹp điện áp đa bậc dùng chung có ưu điểm hơn về chi phí đầu tư ban đầu cũng như các khuyết điểm của bộ này có thể khắc phục được bằng cách phát triển giải thuật điều khiển Do đó, luận văn này tập trung tìm hiểu về bộ nghịch lưu MLC 2 kiểu khóa kẹp điện áp đa bậc dùng chung cho các PL
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp đa bậc với các khóa kẹp điện áp đa bậc dùng chung
Cấu hình tối ưu cho bộ nghịch lưu MLC 2
2.2.1 Tối thiểu linh kiện sử dụng
Theo sơ đồ hình 2.3, số lượng linh kiện đóng ngắt cần sử dụng để tạo nên bộ nghịch lưu trên một pha với số bậc bằng nhau của kiểu kẹp diode cổ điển với kiểu MLC 2 là tương đương nhau trong khi số diode của kiểu MLC 2 ít hơn
Nhưng theo sơ đồ nguyên lý cấu tạo bộ nghịch lưu MLC 2 dạng các khóa kẹp điện áp đa bậc dùng chung, số lượng linh kiện trong các khóa của các MCU trong một bộ có hệ số nhân là 1 Trong khi số lượng linh kiện đóng ngắt của PL tương ứng phải nhân lên với số pha Do đó, nhằm tối thiểu linh kiện sử dụng thì việc tăng số bậc của MCU lên là giải pháp tốt hơn so với việc tăng số MCU và số bậc của PL
Việc tăng số bậc của MCU lên cũng bị giới hạn bởi định mức của linh kiện đóng ngắt và diode trên PL Định mức linh kiện của PL phải lớn hơn một bậc so với điện áp mức chênh lệch lớn nhất Vpi của một MCU nếu MLC 2 chỉ có một MCU, hay định mức linh kiện của PL phải gấp hai lần mức điện áp chênh lệch lớn nhất Vpi của một MCU cộng thêm điện áp trên một tụ hay nguồn DC nếu MLC 2 có từ hai MCU trở lên
V 1 a)Kiểu kẹp diode truyền thống b) Kiểu MLC 2
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp diode truyền thống và kiểu MLC 2 trên một pha
2.2.2 Đơn giản nguyên lý điều khiển
Với mục đích quá trình điều khiển dễ dàng, quen thuộc thì việc tăng số bậc của PL cũng như tăng số MCU lên đồng thời giảm số bậc của MCU thì các trạng thái điện áp do một MCU điều khiển sẽ giảm xuống, từ đó việc điều khiển được thực hiện dễ dàng hơn Một ưu điểm khác của việc giảm số bậc của MCU là làm giảm chênh lệch điện áp ngõ ra trên một MCU, từ đó có thể giảm được định mức linh kiện đóng ngắt trên PL
Việc tăng số MCU, số bậc của PL lên sẽ làm cho các véctơ tổng hợp trực tiếp từ bộ nghịch lưu sẽ đầy đủ hơn, giúp dễ dàng hơn trong việc điều khiển bằng phương pháp điều rộng xung véctơ không gian
665 331 443 221 a) sơ đồ nguyên lý cấu tạo b) các véctơ điều chế trực tiếp ở sector 1 c) Tổng hợp tất cả các véctơ điều chế trực tiếp Hình 2.4 Bộ nghịch lưu MLC 2 6 bậc với 1 MCU 4 bậc và PL 3 bậc và các véctơ tổng hợp trực tiếp
Vp2 a) sơ đồ nguyên lý cấu tạo b) các véctơ điều chế trực tiếp ở sector 1 c) Tổng hợp tất cả các véctơ điều chế trực tiếp Hình 2.5 Bộ nghịch lưu MLC 2 6 bậc với 2 MCU 2 bậc và PL 4 bậc và các véctơ tổng hợp trực tiếp
Véctơ còn thiếu trong bộ nghịch lưu MLC 2 6 bậc với 2 MCU 2 bậc và PL
4 bậc có thể tổng hợp theo công thức
Nhưng nếu giảm số bậc của MCU đến mức tối thiểu thì bộ nghịch lưu MLC 2 sẽ quay về bộ nghịch lưu kiểu kẹp diode cổ điển Lúc đó những ưu điểm của bộ nghịch lưu MLC 2 sẽ không còn nữa
2.2.3 Định hướng tối ưu cấu hình cho bộ nghịch lưu MLC 2
2.2.3.1 Tính số bậc cho MCU và PL Để xác định cấu hình tối ưu cho bộ nghịch lưu, cần xác định được số bậc cho MCU, số lượng MCU và số bậc của PL Nhằm đơn giản hơn trong quá trình tìm hiểu, chỉ xét các MCU có cùng số bậc
Xét bộ nghịch lưu MLC 2 n bậc
Gọi: m là số bộ MCU
Ta có các mối qua hệ:
Số bậc điện áp của PL: m2
Số bậc điện áp cấp vào cho các MCU: n2
Khi n23 thì m = 1 và số bậc của MCU là 3
Chọn m là một số nguyên mà n2 có thể chia hết cho m Số bậc điện áp của mỗi MCU là m n2
Khi không chọn được số nguyên m để n2 không chia hết cho m thì xét 3
n có chia hết cho m hay không Nếu chia hết thì khi đó số bậc của mỗi MCU là 3 1
2.2.3.2 Nguyên lý xét cấu hình tối ưu
Việc chọn số bộ MCU m phụ thuộc vào việc phối hợp hài hòa giữa điện áp định mức của các linh kiện sử dụng ở PL và số lượng các véctơ không gian có thể trực tiếp điều chế Nếu chọn m quá nhỏ thì có ưu điểm là làm giảm tổng số linh kiện đóng ngắt và diode sử dụng trong bộ MLC 2 nhưng khuyết điểm chính là điện áp định mức ở các linh kiện đóng ngắt và diode ở PL sẽ gia tăng và có thể đạt đến 2 lần chênh lệch điện áp lớn nhất trên mỗi MCU cộng thêm điện áp trên một tụ điện Đồng thời số véctơ điều chế trực tiếp từ bộ MLC 2 sẽ ít có các véctơ ở phía trong từng sector (hình 2.4) Khi đó để tổng hợp các véctơ còn thiếu đó cần kết hợp từ các véctơ có sẵn Việc tổng hợp này làm tăng sự thay đổi điện áp pha tâm nguồn trong một khoảng đóng ngắt của pha đang điều chế Điều này dẫn đến việc có thể làm gia tăng sóng hài so với việc véctơ đó được điều chế trực tiếp từ bộ MLC 2
Nếu chọn m quá lớn thì đạt được ưu điểm là giảm định mức các linh kiện sử dụng trên PL cũng như điều chế trực tiếp được hầu hết các véctơ phía trong của từng sector (hình 2.5) Nhưng khuyết điểm của việc chọn m lớn quá là làm tăng số bậc của PL, tức làm gia tăng số linh kiện đóng ngắt và diode cần sử dụng cho bộ nghịch lưu MLC 2
Việc chọn giá trị m sao cho tối ưu tổng chi phí đầu tư ban đầu; sóng hài, hệ độ méo dạng toàn phần và tổn hao trong quá trình đóng ngắt trong quá trình vận hành thì cần có công trình nghiên cứu sâu hơn.
GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU MLC 2 5 BẬC
Cơ sở lý thuyết của phương pháp điều khiển điều rộng xung véctơ không gian – SVPWM
3.1.1 Sơ lược về phương pháp điều rộng xung véctơ không gian
Phương pháp điều khiển điều rộng xung véctơ không gian là phương pháp phổ biến nhất trong kỹ thuật điều khiển điện tử công suất liên quan đến các đại lượng xoay chiều ba pha Phương pháp này có ưu điểm về tính mềm dẻo cao trong quá trình tổng hợp giản đồ đóng cắt tối ưu và rất thích hợp cho ứng dụng điều khiển dùng máy tính số Phương pháp này ứng dụng kỹ thuật toán học biến đổi từ đại lượng xoay chiều ba pha cân bằng sang một véctơ không gian theo hệ thức sau goi là phép biến đổi abc αβ
Qua phép biến đổi abc αβ thì mỗi trạng thái của điện áp xoay chiều ứng với duy nhất một véctơ không gian trong hệ tọa độ αβ Từ đó, để tạo ra một trạng thái điện áp xoay chiều trên ba pha thì chỉ cần tổng hợp được một véctơ tương ứng bên hệ tọa độ αβ
Từ đó ứng với trạng thái đóng, ngắt các khóa điều khiển, ta có thể xác định được các véctơ cơ bản của bộ nghịch lưu thông qua phép biến đổi abc αβ Từ các véctơ cơ bản này, bằng giải thuật điều khiển sẽ tổng hợp được véctơ gần với véctơ cần tổng hợp nhất
Hình 3.1 Véctơ không gian cần điều chế di chuyển liên tục theo một đường trong vùng véctơ điện áp nghịch lưu
Phương pháp điều rộng xung véctơ không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của véctơ không gian trên quỹ đạo đường tròn của véctơ điện áp bộ nghịch lưu Với sự dịch chuyển liên tục, đều của véctơ không gian trên quỹ đạo tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến tính hơn Nhưng do tần số đóng ngắt của linh kiện bị giới hạn nên véctơ không gian thực tế không di chuyển liên tục mà theo những nấc gián đoạn sau một chu kỳ lấy mẫu TS của bộ nghịch lưu
Trong vùng điều chế tuyến tính của bộ nghịch lưu áp thì điện áp tối đa của véctơ cần điều chế chỉ đạt được giá trị V dc
3 Nếu điện áp véctơ cần điều chế lớn hơn giá trị V dc
3 thì cần sử dụng kỹ thuật điều chế ở vùng quá bão hòa
3.1.2 Giải thuật điều khiển điều rộng xung véctơ không gian cho bộ nghịch lưu đa bậc
Giải thuật điều khiển điều rộng xung véctơ không gian cho bộ nghịch lưu đa bậc gồm các bước sau:
+ Chuyển đổi véctơ không gian điện áp chuẩn trong hệ tọa độ ba pha abc sang hệ trục tọa độ hai pha vuông góc αβ
+ Chuyển đổi véctơ từ hệ trục αβ sang hệ hai pha không vuông góc trục kl
+ Tính toán tìm 3 véctơ không gian điện áp gần với điện áp V ref (k,l) nhất
+ Tính toán tỉ lệ duy trì (Duty Cycles Computation) 3 véctơ không gian điện áp tìm được ở bước trên d0, d1, d2
+ Chọn tổ hợp đóng, ngắt các khóa phù hợp để tạo ra 3 véctơ không gian với thời gian duy trì tìm được ở bước trên
3.1.2.1 Chuyển đổi véctơ không gian điện áp chuẩn trong hệ tọa độ ba pha abc sang hệ trục tọa độ hai pha vuông góc αβ
Việc chuyển đổi véctơ không gian này áp dụng công thức (3.1) đã được trình bày ở trên
Vùng điều chế điện áp của bộ nghịch lưu áp được chia ra làm sector như hình 3.2 Ở mỗi sector, vùng điều chế điện áp được chia ra làm nhiều tam giác nhỏ với đỉnh là các véctơ điện áp đã được điều chế từ bộ nghịch lưu
Tính tỉ lệ điều biên m là tỉ số giữa biên độ điện áp véctơ V ref (,) với giá trị lớn nhất mà bộ nghịch lưu có thể điều chế được trong vùng tuyến tính
Góc phi của véctơ điện áp yêu cầu so với véctơ k được sử dụng để xác định xem V ref (,) đang thuộc về sector nào Nếu V ref (,) nằm ở sector khác sector 1 thì góc của V ref (,) sẽ được trừ đi (sector -1) x 60 0 để đưa vector
V ref về sector thứ nhất và tính toán lại trọng hệ tọa độ (k,l)
Hình 3.2 Vùng điện áp điều chế của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
3.1.2.2 Chuyển đổi véctơ từ hệ trục αβ sang hệ hai pha không vuông góc trục kl Điện áp yêu cầu từ hệ trục vuông góc αβ V ref (,) được chuyển đổi sang hệ tọa độ không vuông góc kl như hình 3.3 thông qua công thức l n k m V
Trong đó: a là điện áp trên mỗi bậc k l n.l m.k
Hình 3.3 Véctơ V ref trong hệ tọa độ không vuông góc k,l
3.1.2.3 Tính toán tìm 3 véctơ không gian điện áp gần với điện áp
Giá trị m và n được tính ở bước trên được dùng để xác định tam giác nào (reg) mà véctơ V ref (k,l) đang nằm trong
Phần nguyên của m và n sẽ xác định được hai tam giác (reg) gần nhất mà véctơ V ref (k,l) đang nằm trong đó m,n 1 và m,n 2 như hình 3.3 Vị trí chính xác của tam giác được xác định thông qua một tham số phụ nữa là D
Trong đó int(x) là hàm lấy phần nguyên của biến x
Nếu D1 thì véctơ V ref (k,l) nằm trong tam giác m,n 1, nếu D1thì véctơ V ref (k,l) nằm trong tam giác m,n 2 như hình 3.3 Từ đây ta có thể xác định được chính xác 3 véctơ không gian điện áp gần với điện áp cần điều chế
3.1.2.4 Tính toán tỉ lệ duy trì (Duty Cycles Computation) 3 véctơ không gian điện áp tìm được ở bước trên d 0 , d 1 , d 2 a Véctơ V ref ( k , l )
Hình 3.4 Tỉ lệ duy trì đóng, các véctơ tổng hợp nên véctơ yêu cầu ở tam giác [m,n] 1
Qua hình 3.4 ta thấy được để tổng hợp véctơ V ref (k,l) từ ba véctơ V 1
2 n int(n p (3.8) b Véctơ V ref (k,l) nằm trong tam giác[m,n] 2
Hình 3.5 Tỉ lệ duy trì đóng, các véctơ tổng hợp nên véctơ yêu cầu ở tam giác [m,n] 2
Qua hình 3.5 ta dễ dàng thấy được để tổng hợp véctơ V ref (k,l) từ ba véctơ
, V 4 theo nguyên tắc tương tự như ở tam giác m,n 1
(3.11) c Tính toán tỉ lệ duy trì (Duty Cycles Computation) 3 véctơ không gian điện áp tìm được ở bước trên d 0 , d 1 , d 2
Gọi tỉ lệ duy trì véctơ V 3 hay véctơ V 4 là d0, tỉ lệ duy trì véctơ V 1 là d1, tỉ lệ duy trì véctơ V 2 là d2 ta có:
1 int int khi V ref (k,l) nằm trong tam giác m,n 1 (3.12)
1 int khi V ref (k,l) nằm trong tam giác m,n 2 (3.13)
3.1.2.5 Chọn tổ hợp đóng, ngắt các khóa phù hợp để tạo ra 3 véctơ không gian với thời gian duy trì tìm được ở bước trên
Việc chọn tổ hợp đóng ngắt các khóa phụ thuộc vào từng sector, từng reg cấu trúc và số bậc của mỗi bộ nghịch lưu cụ thể.
5 bậc
Cấu tạo bộ nghịch lưu MLC 2 năm bậc
Như đã trình bày sơ lược ở chương 1, cấu tạo của bộ nghịch lưu 5 bậc dạng MLC 2 gồm có 1 MCU ba bậc dùng chung cho 3 pha được nối với các điểm điện áp V2, V3 và V4; và 3 PL là bộ khóa đóng ngắt ba bậc nối với các điểm điện áp V1, V5 và Vp1 như hình 3.6 Định mức linh kiện trên bộ MCU là
V dc và trên các PL là
Điện áp DC được cấp vào điểm điện áp V1 và điện áp V5
Hình 3.6 Cấu trúc bộ nghịch lưu MLC 2 năm bậc
Chuyển đổi véctơ không gian và xác định các véctơ điều chế trực tiếp từ bộ nghịch lưu MLC 2
Do cấu tạo của bộ nghịch lưu MLC 2 kiểu dùng chung MCU như hình 3.6 nên một số trạng thái điện áp pha tâm nguồn ngõ ra của các pha không thể tổng hợp được Đó là trạng thái các pha nhận các điện áp khác nhau thuộc cùng một MCU, ở đây là trạng thái điện áp V2, V3 hoặc V4 không thể được cấp đồng thời cho ngõ ra các pha Do đó số lượng các véctơ tổng hợp từ bộ nghịch lưu MLC 2 năm bậc bị hạn chế đáng kể so với bộ nghịch lưu năm bậc dạng kẹp diode truyền thống
Theo các trạng thái của các pha như bảng 1.1 thì bộ nghịch lưu MLC 2 có thể tổng hợp được các trạng thái như bảng 3.1
Bảng 3.1 Các trạng thái có thể tổng hợp được từ bộ MLC 2 5 bậc
Từ các trạng thái véctơ ở bảng 3.1, qua phép biến đổi véctơ không gian từ hệ tọa độ ba pha abc sang tọa độ vuông góc αβ (công thức 3.1) ta được vùng không gian điều chế của bộ nghịch lưu MLC 2 năm bậc như hình 3.7
Hình 3.7 Vùng điện áp điều chế của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Vùng không gian điều chế của bộ nghịch lưu MLC 2 được chia làm 6 sector có góc là 60 0 Trong mỗi sector, vùng không gian điều chế được chia làm
16 reg khác nhau được ký hiệu từ 1 đến 16 ở sector như hình 3.7, ở các sector khác thì việc chia reg cũng được làm và đặt tên tương tự như ở sector 1
Véctơ điện áp yêu cầu nghịch lưu V ref (abc) trong tọa độ thực xoay chiều abc cũng được chuyển đổi sang véctơ V ref () hệ tọa độ véctơ không gian vuông góc αβ theo công thức 3.1 Đồng thời xác định tỉ lệ điều biên m theo công thức 3.2.
Chuyển đổi véctơ từ hệ trục αβ sang hệ hai pha không vuông góc trục kl
Với điện áp trên mỗi bậc là
V dc a , tiến hành chuyển đổi véctơ điện áp yêu cầu V ref () trong hệ tọa độ trục αβ vuông góc sang véctơ V ref (kl) trong hệ tọa độ kl không vuông góc theo công thức 3.2 Ở đây không tiến hành chuyển đổi trực tiếp từ hệ tọa độ ba pha abc sang hệ tọa độ kl không vuông góc là để có được véctơ V ref () trong hệ tọa độ trục αβ vuông góc là do hệ tọa độ αβ vuông góc rất phổ biến nên một phương pháp bất khác đã xác định được véctơ V ref () thì vẫn có thể đưa vào và tính toán tiếp tục được.
Tính toán tìm 3 véctơ không gian điện áp gần với điện áp V ref ( k , l ) nhất và tính toán tỉ lệ duy trì 3 véctơ không gian điện áp này
V ref nhất và tính toán tỉ lệ duy trì 3 véctơ không gian điện áp này d 0 , d 1 , d 2
Việc tính toán tìm 3 véctơ không gian điện áp của bộ MLC 2 gần với điện áp V ref (k,l) được tính toán như bước 3.1.2.3 đã trình bày ở phần trước
Tuy nhiên ở bộ nghịch lưu MLC 2 này thì một số véctơ trong vùng không gian điện áp bên trong từng sector lại không thể trực tiếp điều chế được mà phải tổng hợp từ các véctơ đã điều chế trực tiếp được Nhưng các véctơ còn thiếu V X
, V Z có thể tổng hợp được theo công thức sau như đã trình bày ở chương 1
Hình 3.8 Các vectơ không gian điều chế trực tiếp và tổng hợp của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc ở sector thứ nhất
Việc tính toán tỉ lệ duy trì đóng ngắt 3 véctơ không gian điện áp gần với véctơ V ref (k,l) nhất được tiến hành như phần trình bày ở phần 3.1.2.4 Tuy nhiên với việc các véctơ V X
, V Y , V Z được tổng hợp từ các véctơ đã được điều chế trực tiếp nên tỉ lệ duy trì các véctơ không gian được điều chế trực tiếp cần sự tổng hợp Bảng 3.2 thể hiện tỉ lệ thời gian duy trì các véctơ ở sector 1
Bảng 3.2 Tỉ lệ duy trì các véctơ không gian dược điều chế trực tiếp ở các sector của bộ MLC 2 năm bậc a) Sector 1
Reg Tỉ lệ duy trì thời gian đóng các véctơ không gian
Reg Tỉ lệ duy trì thời gian đóng các véctơ không gian
Reg Tỉ lệ duy trì thời gian đóng các véctơ không gian
Reg Tỉ lệ duy trì thời gian đóng các véctơ không gian
Reg Tỉ lệ duy trì thời gian đóng các véctơ không gian
Reg Tỉ lệ duy trì thời gian đóng các véctơ không gian
Chọn tổ hợp đóng, ngắt các khóa phù hợp để tạo ra 3 véctơ không gian với thời gian duy trì tìm được ở bước trên
Nguyên tắc tạo tổ hợp đóng ngắt các khóa là các khóa được đóng ngắt đói nghịch Tức nếu khóa Sa1 ở trạng thái 1 thì khóa Sa1’ ở trạng thái 0 Hai khóa không thể đồng thời cùng ở trạng thái 1 hoặc trạng thái 0 Nói cách khác thì trạng thái hai khóa phải thỏa thệ thức S a 1 S a 1 '1
Tiến hành chọn tổ hợp đóng ngắt các khóa, ta vẽ trạng thái các khóa tương ứng với các véctơ cần thiết để tổng hợp nên véctơ V ref và cùng với tỉ lệ duy trì trạng thái của véctơ đó
Bảng 3.3 Trạng thái đóng, ngắt các khóa ở pha “x”
Ví dụ như ở reg 4 của sector 1 trong bảng 3.2 và bảng 3.3 ta xác định được hai bộ trạng thái đóng, ngắt của các khóa như hình 3.9 Hình 3.9 a là tổ hợp véctơ V ref bởi ba véctơ 211, 311 và 331 với tỉ lệ duy trì thời gian đóng ngắt lần lượt là d0, d1/2 và d1/2+d2 Hình 3.9 b là tổ hợp véctơ V ref bởi ba véctơ 544, 533 và 553 cũng với tỉ lệ duy trì thời gian đóng ngắt lần lượt là d0, d1/2 và d1/2+d2
Hình 3.9 Trạng thái các khóa đóng ngắt để tổng hợp nên véctơ V ref
Trạng thái S x1 S x2 S d1 S d2 Điện áp tâm nguồn“pha x”
Từ trạng thái đóng ngắt của các khóa trên hình 3.9, ta xem xét bố trí vị trí các véctơ lại sao cho số lần đóng, ngắt của các khóa trong một chu kỳ lấy mẫu là ít nhất đồng thời hạn chế số lần đóng, ngắt của các khóa có định mức linh kiện lớn hơn ở các PL Từ đó ta có được giản đồ đóng ngắt các khóa ở reg 4 sector 1 theo hình 3.9 a trở thành hình 3.10
Hình 3.10 Trạng thái các khóa trong bộ MLC 2 5 bậc bằng phương pháp SVPWM Ở đây ta thấy một trường hợp cần xử trí là việc điều khiển trạng thái đóng ngắt của khóa Sd2 Để tạo được trạng thái đóng ngắt của Sd2 như hình 3.10 thì ta tạo ra hai trạng thái khóa Sd2m và Sd2n ảo Tỉ lệ duy trì thời gian đóng của khóa
Sd2m ảo là tổng tỉ lệ duy trì thời gian đóng của khóa Sd2 và tỉ lệ duy trì thời gian ngắt của khóa Sd2 ở phần giữa của chu kỳ Tỉ lệ duy trì thời gian đóng của khóa
Sd2n ảo là là tỉ lệ duy trì thời gian ngắt khóa Sd2 ở phần giữa chu kỳ trong khi tỉ lệ thời gian duy trì Sau đó trạng thái khóa Sd2 được xác định bằng cách lấy trạng thái của khóa Sd2m trừ đi trạng thái khóa Sd2n n d m d d S S
Hình 3.11 Cách tạo ra trạng thái đóng ngắt yêu cầu cho khóa S d2
Trạng thái khóa Sd1 và Sd2 phải điều khiển như phần trên chỉ xuất hiện ở một số reg trong vùng nghịch lưu của bộ MLC 2 Nên trong những vùng reg mà
Sd1 và Sd2 có thể điều khiển bình thường thì đặt Sdim = Sdi, Sdin = 0
Trạng thái đóng ngắt các khóa và tỉ lệ duy trì thời gian đóng các khóa ở các sector được trình bày qua các trạng thái khóa như sau
MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU MLC 2 5 BẬC
Mô hình mô phỏng
Nghiên cứu này sử dụng chương trình Simulink của Matlab để mô phỏng quá trình điều khiển và kết quả nghịch lưu điện áp của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc Chương trình ứng dụng giải thuật điều khiển véctơ không gian để tạo các xung điều khiển các khóa của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc, đưa các tín hiệu điều khiển này đến mô hình IGBT-diode trong SimPowerSystems để mô phỏng kết quả dạng sóng điện áp nghịch lưu ứng với các tham số điều khiển khác nhau Cung cấp điện áp này cho tải và quan sát dạng sóng dòng điện ứng với các tải khác nhau
Hình 4.1 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
4.1.2 Vai trò của các thành phần trong mô hình mô phỏng
Trong mô hình mô phỏng như hình 4.1, mỗi khối có vai trò nhất định trong quá trình điều khiển và mô phỏng kết quả của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Phần giải thuật điều khiển để tạo các xung đóng ngắt cho các khóa của bộ nghịch lưu MLC 2 theo giải thuật điều rộng xung véctơ không gian
Hình 4.2 Phần giải thuật điều khiển tạo xung kích cho các khóa của bộ nghịch lưu MLC 2
Qua phần giải thuật điều khiển các khóa của bộ nghịch lưu MLC 2 ta thấy được các thông số cần cung cấp cho mô hình điều khiển là tỉ lệ điều biên m, tần số điện áp cần điều chế freq, tần số lấy mẫu hay số lần tính toán trạng thái đóng ngắt các khóa trong một giây Từ các thông số này, chương trình sẽ tính toán và xác định thời điểm đóng, ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu MLC 2 Các tín hiệu này được sử dụng để điều khiển các khóa đóng ngắt trong bộ nghịch lưu nhằm tạo điện áp điều chế V ref (abc) theo yêu cầu đã được xác định trước
Theo giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc bằng phương pháp điều rộng xung véctơ không gian đã trình bày ở chương 3 Điện áp từ hệ tọa độ abc xoay chuyển sang hệ tọa độ αβ vuông góc thì ta xác định được góc là góc lệch giữa véctơ điện áp V ref () với trục α Đồng thời xác định được độ lớn của véctơ điện áp cần điều chế V ref ()
Từ giá trị độ lớn của véctơ điện áp này và giá trị điện áp Vdc cấp vào bộ nghịch lưu, ta có thể xác định được độ lớn của tỉ lệ điều biên m Mô hình mô phỏng này sử dụng tỉ lệ điều biên m là tham số điều khiển bộ nghịch lưu để dễ dàng kết hợp với các phương ứng dụng khác nếu đã xác định được tỉ lệ điều biên m và góc thì có thể đưa vào mô hình này và thực hiện mô phỏng quá trình làm việc
Hình 4.3 Mô hình xác định sector, reg và tỉ lệ duy trì thời gian điều chế các véctơ cơ bản
Tần số điện áp điều chế (freq) như hình 4.3 được đưa vào khối tạo sóng tam giác để tạo sóng tam giác có dạng có chu kỳ là freq, biên độ là 2π như hình 4.4
Hình 4.4 tính toán giá trị góc cho phần điều khiển điện áp
Giá trị tỉ lệ điều biên m và góc của điện áp yêu cầu được đưa vào khối SVPWM_Multilevel để tính toán và xác định sector, reg mà véctơ V ref đang nằm trong đó Đồng thời cũng tính toán tỉ lệ thời gian duy trì các véctơ cơ bản của bộ nghịch lưu đa bậc như phần 3.2.4 đã trình bày Khối SVPWM_Multilevel xuất ra 5 tín hiệu bao gồm: sector, reg, d 0 , d 1 , d 2 để quá trình được tiếp tục
Các giá trị ngõ ra của khối SVPWM_Multilevel được đưa vào khối MLC2_5L_swtich để tính toán tỉ lệ duy trì thời gian đóng của các khóa trong bộ nghịch lưu và hai tỉ lệ duy trì thời gian đóng của hai khóa Sd1n và Sd2n ảo theo nguyên lý đã trình bày ở phần 3.2.5 Tín hiệu ngõ ra của khối MLC2_5L_switch là 10 tín hiệu bao gồm 8 tín hiệu điều khiển cho 8 khóa ở phần dương của bộ MLC 2 và 2 tín hiệu của hai khóa ảo Ở đây sử dụng hai tín hiệu của khóa Sd1 và
Sd2 để lưu dữ liệu của Sd1m và Sd2m nhằm tiết kiệm thông tin bộ nhớ làm việc
Hình 4.5 Mô hình xác định tỉ lệ duy trì thời gian đóng của các khóa của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Hình 4.6 Mô hình tạo sóng tam giác
Hình 4.7 Mô hình tạo trạng thái điều khiển tất cả các khóa của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Phần mô hình tạo sóng tam giác nhằm tạo tín hiệu để so sánh với giá trị tỉ lệ duy trì thời gian đóng của các khóa, từ đó xác định trạng thái của các khóa trong một chu kỳ lấy mẫu như hình 4.8
Hình 4.8 Nguyên lý tạo xung điều khiển các khóa khi so sánh tỉ số duy trì thời gian đóng với sóng tam giác
Hình 4.9 Mô hình mạch công suất bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc được cấp nguồn DC từ một khối nguồn DC và tín hiệu điều khiển các khóa đóng ngắt từ kết quả của giải thuật điều khiển ở trên Ngõ ra của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc được cấp nguồn cho một tải để quan sát dạng sóng điện áp và dòng điện của bộ nghịch lưu
Nguồn DC dùng cấp cho bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc trong nghiên cứu bộ nghịch lưu là nguồn từ mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển có tụ lọc nên điện áp cấp cho bộ nghịch lưu khá phẳng và không bị giới hạn về công suất cấp
Hình 4.10 Nguồn DC cấp cho bộ nghịch lưu
Cấu tạo mạch công suất của bộ nghịch lưu đa bậc MLC 2 5 bậc gồm những khóa IGBT-diode và diode trong mô hình SimPowerSystems được kết nối theo cấu trúc hình 1.3, ta được hình 4.11
Hình 4.11 Mô hình kết nối các linh kiện công suất và tín hiệu điều khiển trong bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Với mô hình gồm các phần tính toán giá trị điều khiển các khóa cho bộ nghịch lưu cũng như mô hình các linh kiện công suất được kết nối phù hợp đã đủ khả năng cho việc thực hiện mô phỏng kết quả làm việc của bộ nghịch lưu MLC 2
Kết quả mô phỏng
4.2.1 Khảo sát sự thay đổi điện áp, đòng điện trên tỉ lệ điều biên m
4.2.1.1 Kết quả điện áp, dòng điện mô phỏng a Khi tỉ số điều biên bằng 1
Hình 4.12 Điện áp pha tâm nguồn ba pha của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi m = 1
Qua dạng sóng điện áp pha tâm nguồn của ba pha Va0, Vb0, Vc0 ta nhận thấy có sự khác biệt giữa điện áp pha tâm nguồn của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc với bộ nghịch lưu 5 bậc kiểu diode kẹp truyền thống Khi điện áp pha tâm nguồn gần giá trị V1 và V5 thì có thời điểm giá trị điện áp pha tâm nguồn không đóng ngắt với giá trị V2 hoặc V4 theo thứ tự mà đóng ngắt với điện áp V3 như hình 4.12 Trong khi đóng ngắt thì bộ nghịch lưu đa bậc kiểu diode kẹp truyền thống chỉ đóng ngắt quanh điện áp trên một tụ điện Nhưng ở bộ MLC 2 5 bậc này do các PL đóng ngắt giữa điểm điện áp V1, V5 và Vp1 thì có trường hợp khi MCU đóng ngắt để cấp điện áp V3 cho điểm Vp1 Khi đó khoảng đóng ngắt giữa các khóa trên PL có thể lên tới hai lần điện áp trên tụ điện Việc này làm gia tăng sóng hài bậc cao cũng như hệ số THD của bộ nghịch lưu kiểu MLC 2 so với kiểu nghịch lưu đa bậc kiểu kẹp diode truyền thống
Do điện áp pha tâm nguồn trên các pha của bộ nghịch lưu MLC 2 có dạng khác so với bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp diode truyền thống nên điện áp pha ngõ ra của bộ nghịch lưu này cũng có dạng khác so với bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp diode truyền thống Qua hình 4.13, 4.14 và 4.15, ta thấy được có những thời điểm điện áp pha dao động trong khoảng lớn hơn khoảng đóng ngắt bình thường của bộ nghịch lưu đa bậc dạng kẹp diode truyền thống
Hình 4.13 Điện áp dây trên ba pha của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Hình 4.14 Điện áp pha trên ba pha của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Hình 4.15 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi tải R0Ω
Hình 4.16 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi tải R0Ω, L = 50 mH, m = 1
So sánh hai hình 4.15 với hình 4.16 ta thấy dạng sóng điện áp điều chế được rất gần với dạng sóng sin chuẩn do khi cấp nguồn cho tải RL thì dạng sóng dòng điện rất gần dạng sóng sin Từ đó, ta có nhận xét bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc đã điều chế được điện áp xoay chiều hình sin Để kiểm chứng nhận xét trên, ta sử dụng công cụ Powergui FFT Analysis Tool để phân tích dạng sóng điện áp pha của bộ nghịch lưu như hình
4.17 Phân tích điện áp pha a trong một chu kỳ từ 0,04 đến 0,06 giây bằng
Powergui FFT Analysis Tool ta được một số thông số sau:
Giá trị điện áp pha hiệu dụng: V a rms 220,1V
Giá trị hệ số méo dạng toàn phần: THD14,81%
Sóng hài bậc ba: 0,02%, sóng hài bậc năm: 0,41%
Hình 4.17 Phân tích Fourier dạng sóng điện áp pha điều chế từ bộ MLC 2 5 bậc b Khi tỉ số điều biên bằng 0,95
Giảm tỉ số điều biên của bộ nghịch lưu và khảo sát dạng sóng điện áp của bộ nghịch lưu So sánh hình 4.12 với hình 4.18, ta thấy dạng sóng điện áp pha tâm nguồn của các pha có thêm một giai đoạn đóng ngắt trong khoảng
2V4 dc , đó là tại reg 13 của các sector Điều này làm gia tăng sóng hài và THD của bộ nghịch lưu khi tỉ số điều biên m giảm
Hình 4.18 Dạng sóng điện áp pha tâm nguồn ba pha của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Hình 4.19 Điện áp trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc c Khi tỉ số điều biên bằng 0,9
Hình 4.20 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi tải R = 100Ω, L = 50mH, m = 0,9 d Khi tỉ số điều biên bằng 0,8
Hình 4.21 Điện áp trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Qua dạng sóng điện áp pha của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc thì ta thấy khi giảm tỉ số điều biên xuống thì dạng sóng điện áp thay đổi đáng kể và xấu hơn so với tỉ lệ điều biên là 1 Đồng thời, khi sử dung công cụ phân tích Fourier thì cũng nhận được kết quả hệ số méo dạng toàn phần của dạng sóng điện áp cũng tăng lên như bảng 4.1 e Khi tỉ số điều biên bằng 0,7
Hình 4.22 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi tải R = 100Ω, L = 50mH, m = 0,7 f Khi tỉ số điều biên bằng 0,5
Hình 4.23 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc tải R0Ω, L = 50mH
Khi tỉ lệ điều biên còn 0,5 thì ta thấy được dạng sóng điện áp gồm ít các bậc được đóng ngắt hơn Trạng thái điện áp ở đây được tổ hợp từ ít các véctơ hơn Theo hình 4.23 thì khi tỉ lệ điều biên là m0,5 thì bộ nghịch lưu chỉ tổng hợp từ các reg 2, 3, 4 ở các sector mà thôi Lúc này bộ nghịch lưu MLC 2 này chỉ còn tương đương với bộ nghịch lưu ba bậc với tỉ lệ điều biên m1 Qua số liệu ở bản 4.1 cũng thấy rõ là hế số THD tăng lên rõ rệt so với khi tỉ lệ điều biên m1
Một minh chứng khác của sự gia tăng sóng hài là theo hình 4.23 ta thấy dạng sóng dòng điện khi tỉ lệ điều biên m0,5có phần nhấp nhô hơn dạng sóng dòng điện khi tỉ lệ điều biên m1 ở hình 4.16
Hình 4.24 Vùng điện áp điều chế và các sector, reg của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc g Khi tỉ số điều biên bằng 0,1
Hình 4.25 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc tải R0Ω, L = 50mH, m = 0,1
Khỉ giảm tỉ lệ điều biên m0,1 thì ta thấy dạng sóng điện áp và dòng điện thay đổi rõ rệt so với trường hợpm1 Dạng sóng điện áp ở hình 4.25 cho ta thấy giống như được điều chế từ bộ nghịch lưu hai bậc với điện áp nguồn DC cung cấp bằng
V V (với Vdc’ là điện áp DC cấp cho bộ nghịch lưu hai bậc và Vdc là điện áp hiện tại cấp cho bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc Do dó, hệ số méo dạng toàn phần THD của điện áp khi m0,1 tăng lên rất lơn so với khi m1 Theo như bảng 4.1 là hệ số méo dạng toàn phần tăng lên khoảng 10 lần Đồng thời, hình 4.25 cũng thể hiện rõ dạng sóng dòng điện cung cấp cho tải RL cũng có sự nhấp nhô đáng kể so với khi tỉ lệ điều biên m1 cho dù có tải giống nhau
4.2.1.2 Nhận xét kết quả phân tích điện áp
Qua các lần mô phỏng dạng sóng điện áp với các tỉ lệ điều biên khác nhau, ta ghi nhận lại kết quả phân tích dạng sóng điện áp với các thông số: giá trị hiệu dụng điện áp pha, hệ số méo dạng toàn phần THD, tỉ lệ thành phần DC, tỉ lệ thành phần hài bậc cao (2,3,4,…11) so với thành phần hài cơ bản Các giá trị phân tích được liệt kê trong bảng 4.1
Bảng 4.1 Giá trị phân tích Fourier sóng điện áp từ bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc theo tỉ lệ điều biên
Giá trị hiệu dụng áp pha
Tỉ lệ sóng hài bậc (%)
T rị h iệu d ụ n g (V ) hệ số điều bi ên m Hình 4.26 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa trị điện áp hiệu dụng và tỉ lệ điều biên m Ý nghĩa của việc điều chỉnh tỉ lệ điều biên m là điều khiển độ lớn của điện áp điều chế Qua các số liệu ở bảng 1 ta vẽ được đồ thị như hình 4.26 Ta dễ thấy được có mối quan hệ tuyến tính giữa trị hiệu dụng điện áp điều chế với tỉ lệ điều biên m Đồng thời với việc giảm tỉ lệ điều biên m cũng làm gia tăng hệ số méo dạng toàn phần và tỉ lệ thành phần hài bậc cao so với hài cơ bản Nhận xét này thể hiện rất rõ qua hai đồ thị ở hình 4.26 và 4.27 Dễ nhận thấy rằng mối quan hệ này là không tuyến tính, khi tỉ lệ điều biên m giảm thì hệ số méo dạng toàn phần tăng rất nhanh
Hình 4.27 Đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa tỉ số hệ số méo dạng toàn phần THD với tỉ lệ điều biên m
Bên cạnh đó do những véctơ nằm ở trong lòng từng sector (véctơ V X
V Z được tổng hợp từ các véctơ đã được điều chế trực tiếp từ bộ nghịch lưu
MLC 2 5 bậc nên tỉ lệ sóng hài của điện áp điều chế tăng lên khi véctơ V ref nằm gần các véctơ này
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 tỉ l ệ s ó ng hà i b ậ c 3 hệ số điều biên m
Hình 4.28 Mối quan hệ giữa tỉ lệ hài bậc ba trên hài cơ bản với tỉ lệ điều biên m
4.2.2 Khảo sát kết quả ngõ ra trên sự thay đổi tần số
4.2.2.1 Thay đổi tần số độc lập với m a f = 60Hz
Hình 4.29 Điện áp pha tâm nguồn ba pha của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi f = 60Hz
Hình 4.30 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi R = 100Ω, L = 50mH với f = 60Hz
Hình 4.31 Điện áp pha trên ba pha của bộ nghịch lưu MLC 2 với f = 60Hz
Hình 4.32 Kết quả phân tích Fourier điện áp pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc với f `Hz b f = 40Hz
Hình 4.33 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi R = 100Ω, L = 50mH với f = 40Hz c f = 25Hz
Hình 4.34 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi R = 100Ω, L = 50mH với f = 25Hz d f = 10Hz
Hình 4.35 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi R = 100Ω, L = 50mH với f = 10Hz
Hình 4.36 Kết quả phân tích Fourier điện áp pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc với fHz
Qua các kết quả mô phỏng và phân tích từ hình 4.29 đến 4.36, ta nhận thấy tần số của điện áp nguồn được điều khiển độc lập và chính xác Hệ số méo dạng toàn phần rất ít thay đổi khi thay đổi tần số độc lập với tỉ lệ điều biên
4.2.2.2 Điều khiển theo nguyên tắc V/f
Hình 4.37 Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu theo nguyên lý V/f a f = 45Hz
Hình 4.38 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi R = 100Ω, L = 50mH với f = 45Hz
Hình 4.39 Điện áp pha trên ba pha của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc với f = 45Hz
Hình 4.40 Kết quả phân tích Fourier điện áp pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc với fEHz b fHz
Hình 4.41 Điện áp và dòng điện trên pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi R = 100Ω, L = 50mH với f = 45Hz
Qua các kết quả mô phỏng và phân tích từ hình 4.38 đến 4.42, ta nhận thấy tần số của điện áp nguồn được điều khiển theo nguyên tắc V/f và chính xác, tỉ lệ điện áp với tần số không thay đổi khi thay đổi tần số thấp hơn tần số 50Hz
Hệ số méo dạng toàn phần tăng lên khi tần số giảm do tỉ lệ điều biên cũng giảm đồng thời với sự thay đổi tần số
Hình 4.42 Kết quả phân tích Fourier điện áp pha a của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc với fEHz
Do hạn chế về thời gian nên nghiên cứu này chưa tìm hiểu đến việc tính toán tổn hao trong quá trình đóng, ngắt các linh kiện bán dẫn trong quá trình điều chế điện áp yêu cầu Hạn chế thứ hai của nghiên cứu là chưa tìm ra giải pháp cân bằng điện áp trên các tụ điện của bộ nghịch lưu MLC 2 do số lượng một số véctơ cơ bản không tổng hợp trực tiếp được nên khi sử dụng tải lớn trong một thời gian dài sẽ gây ra sự mất cân bằng điện trên các tụ.
ỨNG DỤNG BỘ NGHỊCH LƯU MLC 2
Giới thiệu mô hình ứng dụng
Mô hình ứng dụng nguồn pin năng lượng mặt trời để nghịch lưu và cấp điện áp xoay chiều có điều khiển công suất phản kháng lên lưới điện ba pha đã được nhóm nghiên cứu Nguyễn Nhựt Quang và Nguyễn Trường Đang Vũ phát triển tại phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử công suất, Khoa Điện – Điện tử, Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh trên bộ nghịch lưu hai bậc 6 khóa
Hình 5.1 Mô hình ứng dụng năng lượng mặt trời kết lưới sử dụng bộ nghịch lưu 2 bậc
Luận án này kế tục những kết quả của nhóm nghiên cứu trước đó và tiếp tục phát triển ứng dụng để đưa bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc vào điều chế điện áp xoay chiều có điều khiển công suất phản kháng và hòa với lưới điện xoay chiều từ nguồn pin năng lượng mặt trời với giả sử cân bằng điện áp trên các tụ điện của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Hình 5.2 Mô hình ứng dụng năng lượng mặt trời kết lưới xoay chiều sử dụng bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc từ nguôn pin năng lượng mặt trời
Nguyên lý hoạt động cơ bản: nguồn pin năng lượng mặt trời PV System dùng để cấp nguồn cho bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc thông qua bộ BuckBoost
IncCond MPPT nhằm điều khiển nguồn pin năng lượng mặt trời cung cấp công suất cực đại cho bộ nghịch lưu Đồng thời tín hiệu điện áp của lưới điện và dòng điện sau khi qua bộ lọc của bộ nghịch lưu MLC 2 được thu thập về để lấy tín hiệu điều khiển trạng thái đóng ngắt các khóa trong bộ MLC 2 để đạt được điện áp của lưới điện và dòng công suất phản kháng đặt của bộ điều khiển
5.1.1 Mô hình pin năng lượng mặt trời
Từ thông số và đặc tuyến của pin năng lượng mặt trời, nhóm nghiên cứu đã viết các mô hình mô phỏng các tấm pin năng lượng mặt trời như hình 5.4 với các tín hiệu vào ra được thể hiện ở hình 5.5 Trong đó Photovoltalic là một đơn vị pin năng lượng mặt trời chịu ảnh hưởng bởi cường độ ánh sáng mặt trời chiếu vào đơn vị pin mặt trời, nhiệt độ trên tấm pin mặt trời Tín hiệu điện áp và dòng điện ngõ ra của đơn vị pin năng lượng mặt trời có dạng đường đặc tuyến
ISC-MPP-VOC ở hình 5.6 Giá trị điện áp và dòng điện là hàm số phụ thuộc vào nhau
Hình 5.3 Các tấm pin năng lượng mặt trời đang hoạt động
Mô hình mô phỏng một đơn vị nguồn pin năng lượng mặt trời có các thông số:
Hệ thống pin năng lượng mặt trời gồm các đơn vị pin năng lượng mặt trời kết nối với nhau thành Np dãy kết nối song song nhau tăng dòng cho bộ nguồn pin năng lượng mặt trời Trong mỗi dãy, có Ns các đơn vị pin năng lượng mặt trời được nối nối tiếp nhau để gia tăng điện áp cho bộ nguồn pin năng lượng mặt trời
Trong thí nghiệm mô phỏng của luận án này sử dụng hệ thống pin mặt trời gồm 4 dãy pin kết nối song song, và mỗi dãy pin gồm có 40 đơn vị pin Hệ thống pin này cung cấp điện áp không tải là V0 = 800V, dòng điện max là Imax = 20A và có công suất cực đại P max 12.800W
Hình 5.4 Mô hình nguồn pin năng lượng mặt trời
Hình 5.5 Tín hiệu vào và tín hiệu ra của bộ mô phỏng nguồn pin năng lượng mặt trời
Hình 5.6 Đặc tuyến V-A và P của pin mặt trời
Mỗi đơn vị pin năng lượng mặt trời tồn tại một điểm trên đặc tuyến VA mà tại đó công suất ngõ ra của pin năng lượng mặt trời đạt cực đại Trên hình 5.6, điểm công suất cực đại là điểm điện áp VMPP, IMPP thì khi đó công suất trên một đơn vị pin năng lượng mặt trời đạt cực đại là PMPP
Hình 5.7 Mô hình bộ BuckBoost IncCond MPPT
Trong mô hình bộ BuckBoost IncCond MPPT, từ tín hiệu điện áp và dòng điện đo được của hệ thống nguồn pin năng lượng mặt trời, chương trình sử dụng giải thuật tìm ra điện áp Vref = VPPT mà tại đó hệ thống đạt công suất cực đại Tín hiệu điện áp của ngồn pin năng lượng mặt trời được so sánh với tín hiệu điện áp
Vref vừa tìm được để điều khiển đóng ngắt IGBT ở hình 5.8 để cấp nguồn cho tụ điện C(8mF) Mô hình mô phỏng này sử dụng phương pháp điều khiển cung cấp công suất cực đại ở mỗi điều kiện ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời cho tải
Hình 5.8 Khóa đóng ngắt điều khiển bộ BuckBoost IncCond MPPT
5.1.3 Mô hình bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Hình 5.9 Mô hình bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Mô hình bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc đã được trình bày chi tiết ở phần 4.1.2
5.1.4 Bộ lọc dòng điện của bộ nghịch lưu Điện áp của bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc được qua bộ lọc dòng điện trước khi cấp đến hệ thống lưới Do điện áp của bộ nghịch lưu MLC 2 là những xung đóng, ngắt nên để nối lưới thì cần phải làm sử dụng bộ lọc để làm dạng sóng dòng điện ít dao động hơn
Hình 5.10 Bộ lọc dòng điện của bộ nghịch lưu
5.1.5 Hệ thống nguồn xoay chiều ba pha
Hình 5.11 Hệ thống nguồn xoay chiều ba pha
Từ các mô hình tạo điện áp xoay chiều sin chuẩn như hình 5.12, khi đưa vào giá trị các góc pha lệch nhau
2 mô hình tạo được nguồn áp xoay chiều ba pha cân bằng
Hình 5.12 Mô hình tạo điện áp xoay chiều sin chuẩn cho từng pha
5.1.6 Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu
Hình 5.13 Bộ chuyển đổi tin hiệu abc sang dq
Các tín hiệu điện áp và dòng điện trong hệ tọa độ abc xoay chiều được chuyển đổi sang hệ tọa độ vuông góc quay dq0 để có thể điều khiển độc lập giá trị dòng điện tác dụng và dòng điện phản kháng
Hình 5.14, tín hiệu dòng điện từ bộ nghịch lưu sau khi được chuyển đổi qua hệ trục tọa độ vuông góc xoay dq0 được đưa vào mô hình để so sánh với giá trị đặt và tính ra giá trị điện áp Vd, Vq dùng tính toán giá trị điều khiển bộ nghịch lưu MLC 2
Giá trị nguồn DC trên tụ phía sau bộ BuckBoost được đem so sánh với giá trị điện áp Vref, từ đó xác định dòng điện Id cần thiết để hệ thống có thể duy trì được điện áp Vref trên tụ Cin 5mF đã được đề cập Sau khi so sánh giá trị dòng điện bộ nghịch lưu với giá trị dòng điện yêu cầu, cùng với giá trị điện áp xoay chiều cần đạt để hòa lưới thì chương trình tính toán giá trị điện áp Vd và Vq như hình 5.15 Từ giá trị Vd, Vq và góc, chương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ vuông góc xoay dq0 sang hệ tọa độ vuông góc tĩnh αβ Từ đó xác định độ lớn của véctơ điện áp cần điều chế V ref
So sánh với giá trị điện áp Vdc, từ đó xác định được tỉ lệ điều biên m và góc φ cho bộ nghịch lưu như hình 5.16
Hình 5.14 Mô hình tạo tín hiệu điều khiển bộ nghịch lưu MLC 2 cho nguồn pin năng lượng mặt trời
Các quá trình tính toán trong bộ control_SVPWM_MLC2_5L đã được trình bày ở phần 4.1.2 Các tín hiệu điều khiển các khóa trong bộ nghịch lưu MLC 2 được lấy ra khỏi bộ control_SVPWM_MLC2_5L và cấp vào cho mô hình nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Hình 5.15 Mô hình xác định giá trị V d , V q các giá trị ngõ vào
Hình 5.16 Chuyển đổi từ hệ trục dq xoay sang hệ trục αβ và biên độ, góc pha
Hình 5.17 Khối đo lường và quan sát tín hiệu
Các giá trị cần thiết để quan sát quá trình mô phỏng được đưa vào Scope để quan sát dạng sóng tín hiệu.
Mô phỏng ứng dụng bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc cho nguồn
5.2.1 Điều kiện ánh sáng tốt, nhiệt độ 25 0 C, tải R
Kết quả mô phỏng ở trạng thái xác lập ta có được các tín hiệu sau:
Hình 5.18 Điện áp và dòng điện ngõ ra của hệ thống pin mặt trời
Hình 5.19 Điện áp pha a của bộ nghịch lưu trước khi qua bộ lọc
Hình 5.20 Tỉ lệ điều biên m trong giai đoạn xác lập
Hình 5.21 Giá trị V d và V q yêu cầu bộ nghịch lưu đều chế
Yêu cầu của mô hình yêu cầu điện áp bộ hiệu dụng bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc cung cấp cho tải là 220V, không cung cấp công suất phản kháng cho tải, đồng thời duy trì điện áp trên tụ điện cấp nguồn cho bộ nghịch lưu là 650V Với các yêu cầu đó, mô hình xác định giá trị điện áp Vd và Vq yêu cầu như hình 5.21
Từ đó xác định trị hiệu tỉ lệ điều biên cho bộ nghịch lưu và đóng ngắt các khóa trên bộ nghịch lưu Khi đó các tụ điện trên bộ nghịch lưu phóng, xả liên tục để cấp nguồn cho tải, đồng thời bộ nghịch lưu cũng lấy nguồn từ nguồn pin năng lượng mặt trời từ tụ điện DC của bộ BuckBoost Tụ điện DC này được cấp nguồn không liên tục từ nguồn pin năng lượng mặt trời nên điện áp trên tụ DC có chiều hướng dao động liên tục Khi đó tỉ lệ điều biên m của bộ nghịch lưu thay đổi liên lục để đảm bảo cấp nguồn cho tải nhưng vẫn giữ được điện áp trên tụ DC này và các yêu cầu khác mà chương trình đã đặt ra
Hình 5.22 Điện áp trên tụ điện sau bộ BuckBoost cấp cho bộ MLC 2 5 bậc
Kết quả dạng sóng điện áp trên tụ nguồn cấp cho bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc cho ta thấy mô hình đã giữ được giá trị điện áp yêu cầu trên tụ điện là 650V và không thay đổi trong quá trình hoạt động ở trạng thái xác lập của bộ MLC 2 5 bậc
Hình 5.23 Dòng điện ba pha của lưới điện và của bộ nghịch lưu MLC 2
Qua hai dạng sóng dòng điện của lưới so sánh với dạng sóng dòng điện của bộ nghịch lưu ta thấy được chúng cùng pha và dao động điều hòa Điều này chứng tỏ không có dòng công suất phản kháng trao đổi với tải hay hệ thống điện Để thuận tiện trong quá trình quan sát dạng sóng điện áp cùng với dòng điện, giá trị điện áp ngõ ra giảm 15 lần so với giá trị thực khi vẽ trong các hình bên dưới
Hình 5.24 Sóng dòng điện của bộ MLC 2 và điện áp của lưới (đã giảm tỉ lệ)
Hình 5.25 Sóng dòng điện và điện áp của lưới (đã giảm tỉ lệ)
Từ hình 5.24 ta thấy được dạng sóng dòng điện từ bộ nghịch lưu MLC 2 cùng pha với dạng sóng điện áp của lưới điện Điều này chứng tỏ bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc không cung cấp công suất phản kháng như tham số điều khiển đã quy định
5.2.2 Điều kiện nhiệt độ không đổi, bức xạ ánh sáng thay đổi đột ngột, tải R
Sau khi hệ thống đạt trạng thái xác lập ở nhiệt độ 25 0 C, thay đổi đột ngột cường độ bức xạ ánh sáng chiếu vào hệ thống pin mặt trời xuống còn 0,8 ở thời điểm 0,75s ta được các kết quả sau
Hình 5.26 Điện áp và dòng điện ngõ ra của hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hình 5.27 Điện áp trên tụ bộ BuckBoost cấp nguồn cho bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Qua kết quả mô phỏng ta nhận thấy khi cường độ bức xạ ánh sáng giảm đột ngột thì đặc tuyến V-A của hệ thống pin thay đổi, làm giảm công suất của hệ thống pin Bộ BuckBoost IncCond MPPT ngay lập tự tìm điểm công suất cực đại ứng với điều kiện mới Tại điểm công suất cực đại mới này có điện áp và dòng điện thấp hơn so với điểm công suất cực đại ban đầu Do chương trình IncCond MPPT xác định điện áp VPPT mới thấp hơn điện áp hiện tại nên kích đóng khóa để đổ công suất qua bên tụ C 8mF để cấp nguồn cho bộ nghịch lưu Điều này khiến cho điện áp trên tụ này tăng lên rồi sau đó tiếp tục dao động đến khi đạt trạng thái xác lập sau khoảng 0,05s như hình 5.27
Hình 5.28 Điện áp lưới và dòng điện từ bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi có sự thay đổi
Khi có sự thay đổi điện áp trên tụ cung cấp cho bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc thì qua bộ điều khiển sẽ điều khiển thay đổi điện áp Vd, Vq để giảm điện áp trên tụ điện về giá tri 650V Do việc thay đổi Vd, Vq thì dòng điện trên pha a tăng lên lập tức rồi sau đó dao động khác dạng sin Rồi sau đó trở lại dạng hình sin như yêu cầu điều chế Do công suất cung cấp từ bộ nguồn pin mặt trời giảm xuống nên dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu cũng giảm khi đạt trạng thái xác lập Do dòng điện từ bộ nghịch lưu giảm xuống như tải không đổi nên dòng điện từ nguồn đổ vào tải cũng tăng lên như dạng sóng hình 5.29
Hình 5.29 Điện áp và dòng điện cung cấp từ lưới khi có sự thay đổi
Hình 5.30 Sự thay đổi dòng điện trên 3 pha của lưới điện và dòng điện từ bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Qua hình 5.30 ta thấy được trạng thái dao động của dòng điện nguồn và dòng điện của bộ nghịch lưu khi có sự thay đổi điều kiện bên ngoài tác động đến nguồn pin năng lượng mặt trời Dòng điện trên tất cả các pha của nguồn và bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc đều dao động và tiến đến xác lập sau khoảng 4 chu kỳ Dòng điện từ lưới tăng lên để bù lại việc dòng điệ từ bộ nghịch lưu cấp ra giảm xuống
Tuy có sự thay đổi về công suất, dòng điện nhưng công suất phảng kháng mà bộ nghịch lưu cung cấp cho tải và lưới là không có do sóng điện áp và dòng điện từ bộ nghịch lưu cùng pha (hình 5.28)
5.2.3 Điều kiện ánh sáng tốt, nhiệt độ 33 0 C, tải R
Kết quả mô phỏng ở trạng thái xác lập ta có được các tín hiệu sau:
Hình 5.31 Điện áp và dòng điện ngõ ra của hệ thống pin mặt trời
Hình 5.32 Điện áp trên tụ điện sau bộ BuckBoost cấp cho bộ MLC 2 5 bậc
So sánh giữa hình 5.18 với 5.31 ta thấy với điều kiện mới thì điện áp ngõ ra của hệ thống pin năng lượng mặt trời giảm, so với trạng thái ban đầu Điều này dẫn đến công suất ngõ ra của hệ thống pin năng lượng mặt trời bị giảm xuống Tuy có sự thay đổi về điện áp và công suất ngõ ra của hệ thống pin năng lượng mặt trời, nhưng qua bộ BuckBoost IncCond MPPT thì điện áp trên tụ cấp nguồn cho bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc vẫn giữ ở mức điện áp 650V (hình 5.22 và hình 5.32)
Do đó bộ nghịch lưu được điều khiển và làm việc với các thông số giống như ở phần 5.2.1 Chỉ có khác là do công suất từ nguồn pin năng lượng mặt trời thấp hơn so với trạng thái ban đầu nên dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu giảm so với phần trước hình 5.35 Điều này cũng dẫn đến dòng điện cung cấp từ lưới phải lớn hơn hình 5.36
Hình 5.33 Tỉ lệ điều biên m trong giai đoạn xác lập
Hình 5.34 Giá trị V d và V q yêu cầu bộ nghịch lưu đều chế
Hình 5.35 Sóng dòng điện của bộ MLC 2 và điện áp của lưới (đã giảm tỉ lệ)
Hình 5.36 Sóng dòng điện và điện áp của lưới (đã giảm tỉ lệ)
Hình 5.37 Dòng điện ba pha của lưới điện và của bộ nghịch lưu MLC 2
Hình 5.38 Điện áp pha a của bộ nghịch lưu trước khi qua bộ lọc
Dạng sóng điện áp và dòng điện từ bộ nghịch lưu vẫn duy trì được dạng sóng sin Đồng thời bộ nghịch lưu vẫn đảm bảo không cung cấp hay tiêu thụ công suất phản kháng cho tải hay trao đổi với hệ thống điện Điều này là do lúc đầu đặt giá trị Iq = 0 Việc điện áp lưới và dòng điện từ bộ nghịch lưu cùng pha ở hình 5.35 đã minh chứng cho điều này
5.2.4 Điều kiện nhiệt độ 33 0 C, bức xạ ánh thay đổi đột ngột, tải R
Sau khi hệ thống đạt trạng thái xác lập ở nhiệt độ 33 0 C, thay đổi đột ngột cường độ bức xạ ánh sáng chiếu vào hệ thống pin mặt trời xuống còn 0,85 ở thời điểm 0,75s ta được các kết quả sau
Hình 5.39 Điện áp và dòng điện ngõ ra của hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hình 5.40 Điện áp trên tụ bộ BuckBoost cấp nguồn cho bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc
Tương tự như phần mô phỏng trước, khi cường độ bức xạ ánh sáng giảm đột ngột thì đặc tuyến V-A của hệ thống pin thay đổi (hình 5.39), làm giảm công suất của hệ thống pin Bộ BuckBoost IncCond MPPT ngay lập tự tìm điểm công suất cực đại ứng với điều kiện mới Tại điểm công suất cực đại mới này có điện áp và dòng điện thấp hơn so với điểm công suất cực đại ban đầu Do chương trình IncCond MPPT xác định điện áp VPPT mới thấp hơn điện áp hiện tại nên kích đóng khóa để đổ công suất qua bên tụ C 8mF để cấp nguồn cho bộ nghịch lưu Điều này khiến cho điện áp trên tụ này tăng lên rồi sau đó tiếp tục dao động đến khi đạt trạng thái xác lập sau khoảng 0,05s như hình 5.40
Hình 5.41 Điện áp lưới và dòng điện từ bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc khi có sự thay đổi
Hình 5.42 Điện áp và dòng điện cung cấp từ lưới khi có sự thay đổi
Hình 5.43 Sự thay đổi dòng điện trên 3 pha của lưới điện và dòng điện từ bộ nghịch lưu MLC 2 5 bậc