Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn Thầy hướng dẫn nhà khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các số liệu, kết luận án hoàn toàn trung thực chưa tác giả khác công bố Người hướng dẫn khoa học Hà Nội, ngày 12 tháng 02 năm 2020 Tác giả luận án Trần Hùng Cường i LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành sở kết nghiên cứu Tôi trường Bách khoa Hà Nội, sau thời gian học tập nghiên cứu, Tơi hồn thành luận án hướng dẫn PGS.TS Trần Trọng Minh TS Phạm Việt Phương, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trước hết, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc dẫn tận tình tập thể thầy hướng dẫn, người dìu dắt, chia sẻ, quan tâm, tạo điều kiện, giúp đỡ kịp thời thời gian chun mơn để tơi hồn thiện luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô mơn Tự động hóa Cơng nghiệp, Thầy Cơ công tác viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, có ý kiến góp ý chân thành, sâu sắc suốt q trình tơi học tập, làm việc, xây dựng thực nghiệm bước thực luận án Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo, Viện Điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi nhiều mặt để tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn anh chị em Nghiên cứu sinh chuyên ngành, bạn sinh viên Tự động hóa, kỹ sư nhà nghiên cứu trẻ Phòng thí nghiệm 203-C9 trường ĐH Bách khoa Hà Nội, người Tôi đồng hành, động viên, giúp đỡ lẫn nhau, trao đổi chuyên môn, hỗ trợ Tơi việc tìm kiếm tài liệu nghiên cứu học tập để tơi có kết ngày hơm Tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, động viên tạo điều kiện Ban giám hiệu trường Đại học Hồng Đức, Ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Công nghệ đồng nghiệp khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức giúp đỡ tạo điều kiện mặt thời gian, công việc để Tôi học tập, nghiên cứu cách thuận lợi Sau cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình Tơi quan tâm, động viên giúp đỡ để Tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Hà Nội, ngày 12 tháng 02 năm 2020 Tác giả luận án Trần Hùng Cường ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC 1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2 Cấu trúc hoạt động biến đổi MMC 1.2.1 Cấu trúc biến đổi MMC 1.2.1 Nguyên lý tạo mức điện áp SM dạng nửa cầu 10 1.2.2 Nguyên lý hoạt động biến đổi MMC 11 1.3 Vấn đề điều chế cho biến đổi MMC 13 1.4 Vấn đề điều khiển cho biến đổi MMC 14 1.5 Định hướng nghiên cứu đóng góp luận án 18 1.6 Tóm tắt kết luận 19 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI MMC 20 2.1 Mơ hình trạng thái liên tục BBĐ MMC nối tải R-L 20 2.2 Mơ hình BBĐ MMC chế độ nối lưới 26 2.3 Mơ hình MMC phương pháp điều chế 30 2.3.1 Mơ hình MMC phương điều chế mức gần NLM 30 2.3.1.1 Điều chế NLM cổ điển cho MMC 31 2.3.1.2 Điều chế NLM cải tiến cho MMC 33 2.4 Mô phương pháp điều chế cho MMC 40 2.4.1 Mô phương pháp điều chế NLM cải tiến cho BBĐ MMC 41 2.4.2 Mô phương pháp điều chế PS-PWM cho BBĐ MMC 42 2.5 Tóm tắt kết luận 44 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SVM CHO BBĐ MMC 46 3.1 Phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức 46 3.1.1 Trạng thái khóa bán dẫn, trạng thái mức vector trạng thái 47 3.1.2 Tính hệ số điều chế theo phương pháp điều chế từ ba vector gần 51 3.1.4 Xác định vector trạng thái sector 54 3.2 Trật tự tối ưu số lần chuyển mạch chất lượng sóng hài điện áp 57 3.3 Thứ tự chuyển mạch tối ưu điều chế ba vector gần 59 3.4 Thực quy luật điều chế SVM cho MMC 63 3.5 Thuật toán cân điện áp tụ MMC 65 iii 3.6 Mô phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC 67 3.7 Điều khiển dự báo cân điện áp trung bình tụ điện 69 3.7.1 Mơ hình dự báo dòng điện vòng, điện áp tụ điện MMC 72 3.7.2 Hàm mục tiêu thuật toán điều khiển dự báo cân giá trị trung bình điện áp tụ điện 74 3.7.3 Thuật tốn tối ưu hóa giá trị dự báo điện áp trung bình tụ điện nhánh pha 75 3.8 Điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao dòng điện vòng MMC 76 3.9 Mơ hình kết mơ MMC dựa thuật tốn điều khiển dự báo dòng điện vòng cân điện áp tụ điện 80 3.9.1 Mơ hình khối mơ matlab-simulink 80 3.9.3 Kết mô 85 3.10 Tóm tắt kết luận 89 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC ỨNG DỤNG CỦA MMC 91 4.1 Điều khiển BBĐ MMC nối lưới điện xoay chiều ba pha 91 4.1.1 Thiết kế điều khiển dòng điện 92 4.1.2 Thiết kế điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng 94 4.1.3 Kết mô hệ thống biến đổi MMC nối lưới 96 4.2 Ứng dụng D-STATCOM bù CSPK dựa MMC 99 4.2.1 Giới thiệu STATCOM bù công suất phản kháng 99 4.2.2 Cấu trúc DSTATCOM dựa MMC 100 4.2.3 Nguyên lý làm việc D-STATCOM 101 4.2.4 Thiết kế điều khiển D-STATCOM dựa MMC 103 4.2.5 Mô hệ thống D-STATCOM dựa MMC 105 4.3 Tóm tắt kết luận 107 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI MMC 109 5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC 109 5.2 Tính tốn thiết kế hệ thống thực nghiệm 110 5.2.1 Tính tốn thiết kế mạch lực 110 5.2.2 Tính tốn thiết kế mạch đo 112 5.2.3 Mạch ADC 114 5.2.3 Tính toán thiết kế mạch driver 115 5.2.4 Mạch đệm ADC 116 5.2.5 Mạch FPGA 117 5.2.6 Sản phẩm mạch thiết kế 117 5.3 Kết thực nghiệm 120 5.3.1 Kết thực nghiệm phương pháp điều chế PWM cho MMC 120 5.3.2 Kết thực nghiệm phương pháp điều chế NLM cho MMC 122 iv 5.3.3 Kết thực nghiệm phương pháp điều chế SVM cho MMC 124 5.4 Tóm tắt kết luận 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 130 PHỤC LỤC 139 Phục lục Các chương trình lập trình 139 Phục lục Hình ảnh số khối thực mô Matlab-Simmulink 146 Phục lục Tính tốn thơng số hệ thống mạch đo thực nghiệm MMC 148 v DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu L R Lo C Ro U id, iq i∝, iβ iv ix iDC iref iref_d, iref_d iHx iLx vHx vx vLx VDC VC Vdiff P Q VSM vex kH, kL VCx Đơn vị Ý nghĩa H Cuộn cảm tải Điện trở tải  H Cuộn cảm nhánh MMC F Tụ điện SM Điện trở nhánh MMC  V Điện áp nguồn điện phía xoay A Dòng điện chạy qua cuộn cảm hệ tọa độ dq A Dòng điện chạy qua cuộn cảm hệ tọa độ ∝β A Dòng điện vòng A Dòng điện phía đầu xoay chiều A Dòng điện phía chiều A Dòng điện đặt A Dòng điện đặt trục d trục q hệ tọa độ dq A Dòng điện chạy nhánh A Dòng điện chạy nhánh V Điện áp tổng nhánh V Điện áp phía xoay chiều V Điện áp tổng nhánh V Điện áp nguồn chiều V Điện áp tụ điện V Độ chênh lệch điện áp nhánh nhánh W Công suất tác dụng Var Công suất phản kháng V Điện áp SM V Điện áp biến đổi Chỉ số chèn SM nhánh nhánh V Điện áp tổng tụ điện chèn vào pha Cx F Điện dung tổng pha Cl Ll ωs F H rad/s Điện dụng lọc nối lưới Điện cảm lọc nối lưới Tần số góc dòng điện điện áp lưới vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ĐTCS BBĐ SVM CHB FPGA HB DSP FACTS FC IGBT PV NPC MPC FCS PLL PWM MMC STATCOM FOC THD NLM SVM SM PS-PWM LS-PWM IPD POD APOD CSPK Điện tử công suất Bộ biến đổi Space Vector Modulation Điều chế véc tơ không gian Cascaded H -bridge Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng Field Programmable Gate Mảng cổng lập trình Array H-Bridge Cầu H Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số Flexible AC Transmission Hệ thống truyền tải xoay chiều linh System hoạt Flying Capacitor Tụ bay Insulated Gate Bipolar Van IGBT Transistor Photovoltaic Điện mặt trời Neutral –point converter Bộ biến đổi đa mức diode chốt Model Predictive Control Điều khiển dựa mô hình dự báo Finite Control Set Điều khiển hữu hạn trạng thái đóng cắt Phase Locked Loop Vòng khóa pha Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung Modular multilevel Converter Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module Static Synchronous Thiết bị bù đồng tĩnh Compensator Flux oriented control Điều khiển tựa theo từ thông Total Harmonic Distortion Tổng méo sóng hài Nearest Level Modulation Điều chế mức gần Space Vector Modulation Điều chế vector không gian Sub Module Bộ biến đổi nửa cầu Phase Shift Carrier Based Điều chế theo sóng mang dạng dịch pha Modulation Level Shift Carrier Based Điều chế theo sóng mang dạng dịch mức Modulation In Phase Disposition Sóng mang pha Phase Opposite Disposition Sóng mang đối xứng qua trục thời gian Alternative Phase Opposite Sóng mang ngược pha hai sóng Disposition mang kề nhau, dịch góc 180o Cơng suất phản kháng vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Điện áp ngõ SM 11 Bảng 2.1 Số mức điện áp đầu NVL cải tiến 23 Bảng 2.2 Kết so sánh hai phương pháp NLM cổ điển NLM cải tiến 35 Bảng 2.3 Thông số mô BBĐ MMC 40 Bảng 3.1 Bảng vector trạng thái cho MMC ba pha mức (góc phần sáu I, II, III) 50 Bảng 3.2 Bảng vector trạng thái sector 56 Bảng 3.3 Chuyển mạch tối ưu cho nhóm tam giác 1, 2, 3, 58 Bảng 3.4 Bảng gán trạng thái khóa cho vector điều chế NVM sector I, trạng thái [kg, kh] , mg + mh 60 Bảng 3.6 Bảng gán trạng thái khóa cho vector điều chế NVM sector II, trạng thái [kg, kh], mg + mh 60 Bảng 3.8 Bảng hệ số điều chế hệ tọa độ abc cho sector 62 Bảng 3.9 Bảng hệ số điều chế cho pha, sector I, III, V, mg + mh 1 62 Bảng 3.11 Bảng hệ số điều chế cho pha, sector II, IV, VI, mg + mh 1 63 viii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Một số ứng dụng BBĐ đa mức thực tế Hình 1.2 Cấu trúc biến đổi MMC Hình 1.3 Trạng thái đóng cắt S1 S2: (a) (b) Khi dòng điện có chiều dương; (c) (d) dòng điện có chiều âm 10 Hình 1.4 Tổng quan phương pháp điều chế cho biến đổi đa mức 13 Hình 2.1 Cấu trúc BBĐ MMC pha 21 Hình 2.2 Cấu trúc mơ hình trung bình BBĐ MMC 21 Hình 2.3 Đồ thị mơ tả tạo thành điện áp đầu MMC áp dụng phương pháp điều chế NLM cải tiến 23 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý BBĐ MMC nối lưới 27 Hình 2.5 Sơ đồ tương đương BBĐ MMC nối lưới 27 Hình 2.6 Biểu diễn vector điện áp dòng điện hệ trục tọa độ 29 Hình 2.7 Tín hiệu điện áp điện áp đặt phương pháp điều chế NLM 30 Hình 2.8 Sơ đồ phương pháp NLM cổ điển 31 Hình 2.9 Nguyên lý phương pháp NLM cổ điển 32 Hình 2.10 Sơ đồ phương pháp NLM cải tiến 33 Hình 2.11 Nguyên lý phương pháp NLM cải tiến 34 Hình 2.12 Cấu trúc phương pháp điều chế NLM cải tiến cho BBĐ MMC 35 Hình 2.13 Điều chế sóng mang dịch mức kiểu IPD 36 Hình 2.14 Điều chế sóng mang dịch mức kiểu APOD 37 Hình 2.15 Điều chế sóng mang dịch mức kiểu POD 37 Hình 2.16 Điều chế sóng mang dịch pha sử dụng hai sóng mang ngược pha 180o 38 Hình 2.17 Điều chế sóng mang dịch pha sử dụng hai sóng sin ngược pha 180o 38 Hình 2.18 Điều chế PSPWM cho biến đổi MMC 39 Hình 2.19 Nguyên lý tạo xung cho phương pháp PS-PWM 39 Hình 2.20 Cấu trúc phương pháp điều chế PSPWM cho BBĐ MMC 40 Hình 2.21 Điện áp nhánh nhánh pha A MMC 41 Hình 2.22 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc 41 Hình 2.23 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải 41 Hình 2.24 Dạng điện áp tụ điện nhánh nhánh pha A 41 Hình 2.25 Dòng điện vòng pha biến đổi 41 Hình 2.26 Kết phân tích Fourier điện áp đầu AC 42 Hình 2.27 Kết phân tích Fourier dòng điện tải 42 Hình 2.28 Điện áp nhánh nhánh pha A MMC 43 Hình 2.29 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải 43 Hình 2.30 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc 43 Hình 2.31 Dạng điện áp tụ điện nhánh nhánh pha A 43 ix Hình 2.32 Dòng điện vòng pha BBĐ MMC 43 Hình 2.33 Kết phân tích Fourier điện áp đầu pha A 44 Hình 2.34 Kết phân tích Fourier dòng điện đầu 44 Hình 3.1 Trạng thái vector điện áp BBĐ ba mức tọa độ gh 50 Hình 3.2 Trạng thái vector điện áp BBĐ ba mức tọa độ abc 50 Hình 3.3 Vector khơng gian cho MMC ba pha mức (N = 2, M = 5) 51 Hình 3.4 Tổng hợp vector điện áp từ ba vector đỉnh tam giác 51 Hình 3.5 Đồ thị minh họa q trình tính tốn hệ số điều chế 53 Hình 3.6 Ba hệ tọa độ khơng vng góc tạo nên góc phần sáu (các Sector) 53 Hình 3.7 Thuật tốn xác định sector lớn 54 Hình 3.8 Tín hiệu PWM thời gian sử dụng vector tích cực, vector khơng 58 Hình 3.9 Trật tự chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu ba pha mức 58 Hình 3.10 Trật tự chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu mức (góc phần sáu thứ I)59 Hình 3.11 Mẫu xung điều chế SVM cho sector I, III, V 61 Hình 3.12 Mẫu xung điều chế cho sector II, IV, VI 61 Hình 3.13 Mẫu xung chuyển hệ tọa độ abc, sector I,III,V, mg + mh 61 Hình 3.15 Mẫu xung chuyển sang hệ tọa độ abc, sector II, IV, VI, 62 Hình 3.16 Mẫu xung chuyển sang hệ tọa độ abc, sector II, IV,VI, 62 Hình 3.17 Giá trị kHx kHx suốt nửa chu kỳ đóng cắt Ts 64 Hình 3.18 Cấu trúc phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC 65 Hình 3.19 Thuật tốn cân điện áp tụ điện 66 Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý thuật toán cân điện áp tụ điện 66 Hình 3.21 Lưu đồ thuật toán cân điện áp tụ điện 67 Hình 3.22 Điện áp nhánh nhánh pha A MMC 68 Hình 3.23 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải 68 Hình 3.24 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc 68 Hình 3.25 Dạng điện áp tụ điện nhánh nhánh pha A 68 Hình 3.26 Dòng điện vòng pha pha biến đổi MMC 69 Hình 3.27 Kết phân tích Fourier điện áp đầu pha A 69 Hình 3.28 Kết phân tích Fourier dòng điện đầu 69 Hình 3.29 Cấu trúc nguyên lý làm việc điều khiển dự báo 70 Hình 3.30 Nguyên tắc hoạt động thuật tốn MPC 75 Hình 3.31 Cấu trúc MPC cân điện áp trung bình tụ điện MMC 76 Hình 3.32 Cấu trúc điều khiển dòng điện vòng pha MMC 78 Hình 3.33 Lưu đồ thuật tốn điều khiển dự báo xác định JVmin kOpt 79 Hình 3.34 Sơ đồ cấu trúc mơ hệ thống BBĐ MMC áp dụng điều khiển cân điện áp trung bình tụ điều khiển dòng điện vòng dựa thuật tốn điều chế SVM 80 x ... quan biến đổi đa mức MMC 1.3 Vấn đề điều chế cho biến đổi MMC Hình 1.4 Tổng quan phương pháp điều chế cho biến đổi đa mức (nguồn: [42] ) Phương pháp điều chế điều khiển cho BBĐ đa mức quan tâm nghiên. .. đóng góp luận án hướng phát triển đề tài Chương 1: Tổng quan biến đổi đa mức MMC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC Bộ biến đổi đa mức có cấu trúc module hóa (MMC) BBĐ đa mức DC-AC có... hạn chế; điều khiển hạn chế dòng điện vòng; điều khiển cân điện áp tụ điện với phương pháp điều khiển đơn giản phù hợp; triển khai ứng dụng MMC cách hiệu cách kết hợp phương pháp điều chế điều khiển