Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Hùng Cường NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CƠNG SUẤT ĐA MỨC KIỂU MODULE HĨA Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Hà Nội- 2020 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: HD1: PGS TS Trần Trọng Minh HD2: TS Phạm Việt Phương Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Anh Nghĩa Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 30 phút, ngày 14 tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Trần Hùng Cường, Nguyễn Văn Tiến, Phạm Việt Phương, Trần Trọng Minh, Phương pháp điều chế NLM (Nearest Level Modulation) thuật toán cân lượng cho biến đổi đa mức cấu trúc module, Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá VCCA-2015 (10/2015) Tran Hung Cuong, Tran Trong Minh, Hoang Thanh Nam, Model Predictive Control Method for Modular Multilevel Converter Application, the 11th SEATUC Symposium, tháng năm 2016 Phạm Việt Phương, Trần Hùng Cường, Áp dụng phương pháp điều chế NLM (Nearest – Level - Modulation) cho biến đổi đa mức cấu trúc Module MMC, Chuyên san kỹ thuật điều khiển & tự động hóa số năm 2017 pp 12-17 Hồng Thành Nam, Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương (2017) Điều khiển dự báo cho nghịch lưu bảy mức cấu trúc cầu H nối tầng, Hội thảo Điều khiển Tự động hóa cho phát triển bền vững (CASD-2017) Hoàng Thành Nam, Trần Hùng Cường, Phạm Việt Phương, Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phuương, Giảm số lượt tính tốn hàm mục tiêu phương pháp điều khiển dự báo cho biến đổi đa mức cầu H nối tầng để giảm tần số đóng cắt van, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hoá VCCA-2017 (12/2017) Trần Hùng Cường, Hoàng Thành Nam, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Vũ Hoàng Phương, Điều khiển dự báo hữu hạn trạng thái đóng cắt van cho biến đổi đa mức có cấu trúc MMC, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hoá VCCA-2017 (12/2017) Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Điều khiển dự báo hữu hạn trạng thái đóng cắt van cho biến đổi đa mức cấu trúc MMC, Tạp chí khoa học Công nghệ, số 133 (3.2019) Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Phạm Đỗ Tường Linh, Điều khiển miến đổi đa mức có cấu trúc MMC dựa phương pháp dự báo dòng điện, Tạp chí Khoa học cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, Vol 17, No 1.1-2019, pp 26-30 Tran Hung Cuong, Pham Viet Phuong, Tran Van Phuong, Tran Trong minh, Experiment on Nearest Level Modulation algorithm for FPGA based Modular Multilevel Converters, 10th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia (ICPE 2019-ECCE Asia), (5/2019) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng 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 22 tháng 05 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, Tơi xin bày tỏ lịng 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 chuyên môn để tơi hồn thiện luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô môn Tự động hóa Cơng nghiệp, Thầy Cơ cơng 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 Tơi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phịng 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 Phịng 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 Tôi 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 ln quan tâm, động viên giúp đỡ để Tôi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Hà Nội, ngày 22 tháng 05 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 nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu 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 27 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 2.3.2 Phương pháp điều chế PWM………………………………… ………………….34 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 iii else 143 Phục lục kA=ksim-kh; kB=ksim+1; kC=ksim-k0; dA=d1; dB=d1+d2; dC=d1+d2+d3; end case if Dtype==1 kA=ksim-k0; kB=ksim; kC=ksim-kg; dA=d1+d2+d3; dB=d1; dC=d1+d2; else kA=ksim-k0; kB=ksim+1; kC=ksim-kg; dA=d1+d2+d3; dB=d1+d2; dC=d1; end case if Dtype==1 kA=ksim-k0; kB=ksim-kh; kC=ksim; dA=d1+d2+d3; dB=d1+d2; dC=d1; else kA=ksim-k0; kB=ksim-kh; kC=ksim+1; dA=d1+d2+d3; dB=d1; dC=d1+d2; end case if Dtype==1 kA=ksim-kg; kB=ksim-k0; kC=ksim; dA=d1+d2; dB=d1+d2+d3; dC=d1; else kA=ksim-kg; kB=ksim-k0; kC=ksim+1; dA=d1; dB=d1+d2+d3; dC=d1+d2; end case if Dtype==1 kA=ksim; kB=ksim-k0; kC=ksim-kh; dA=d1; dB=d1+d2+d3; dC=d1+d2; else kA=ksim+1; kB=ksim-k0; kC=ksim-kh; dA=d1+d2; 144 Phục lục dB=d1+d2+d3; dC=d1; end end kABC=[kA;dA;kB;dB;kC;dC]; levelA=level2UpLo(kA,dA,vdiff_A); levelB=level2UpLo(kB,dB,vdiff_B); levelC=level2UpLo(kC,dC,vdiff_C); levelsim=[levelA,levelB,levelC]; end function kt_uplo = level2UpLo(kh,dh,vdiff) N=6; Ts=0.25e-3; k_up=(N-(kh+1-dh)-vdiff)/2; k_lo=(N+(kh+1-dh)-vdiff)/2; a_up=1; a_lo=1; if k_up=N k_up=N; else a_up=1-(k_up-floor(k_up)); k_up=floor(k_up); end if k_lo=N k_lo=N; else a_lo=1-(k_lo-floor(k_lo)); k_lo=floor(k_lo); end t_up=Ts*a_up; t_lo=Ts*a_lo; if t_lo>t_up t1=t_up; k_up1=k_up; k_lo1=k_lo; t2=t_lo-t_up; k_up2=k_up+1; k_lo2=k_lo; t3=Ts-(t1+t2); k_up3=k_up+1; k_lo3=k_lo+1; else t1=t_lo; k_up1=k_up; k_lo1=k_lo; t2=t_up-t_lo; k_up2=k_up; k_lo2=k_lo+1; t3=Ts-(t1+t2); k_up3=k_up+1; k_lo3=k_lo+1; end kt_uplo = [k_up1;k_lo1;t1;k_up2;k_lo2;t2;k_up3;k_lo3;t3]; end 145 Phục lục Phụ lục Hình ảnh số khối thực mô Matlab-Simmulink Triangle Generator Goto Triangle Generator1 Goto1 >= From1 Triangle Generator2 Goto2 Triangle Generator3 Goto3 Goto4 >= From3 Goto5 Relational Operator4 From9 PhaA [x3] Relational Operator10 From16 >= >= From10 [x4] From17 Relational Operator7 >= From11 Operator3 >= [x6] From5 [x5] [x5] Relational From18 Relational Operator5 [x6] From12 Relational Relational Operator9 >= >= vb Relational Operator11 Relational Operator16 >= >= [x5] Relational Operator15 PhaB [x4] Relational Relational Operator14 >= >= Operator1 From4 va From15 Relational [x3] [x4] [x6] [x2] Operator8 >= [x5] Triangle Generator5 From8 Operator2 From2 >= >= Relational Relational Operator12 [x2] [x3] [x4] From14 Relational Operator6 [x2] [x3] Triangle Generator4 From7 Relational Operator [x2] [x1] [x1] [x1] From >= >= >= [x1] vc [x6] From19 Relational Operator19 Operator18 Hình PL1 Khối tạo xung điều khiển phương pháp PS-PWM 5/6 In1 Constant 1/6 xungTG Gain >= 1/2 Constant1 1/6 1/6 xungTG1 Constant2 -1/6 Gain1 1/6 xungTG2 Constant3 Gain2 1/6 xungTG3 Gain3 >= >= >= -1/2 Constant4 -5/6 1/6 xungTG4 Gain4 Constant5 1/6 >= >= xungTG5 Gain5 Hình PL2 Khối tạo xung điều khiển phương pháp LS-PWM pha A PhaC 146 Phục lục + G Vcap1 G + - Vcap1 Vcap1 G + Vcap2 HB G1 HB1 3 G Vcap1 G2 + - Vcap3 HB2 4 G Vcap1 G3 + - Vcap4 HB3 5 G Vcap1 G4 + - Vcap5 HB4 6 Vcap6 G Vcap1 G5 + - HB5 Hình PL3 Khối SM mắc nối tiếp nhánh pha A Uq Uq1 Ud Ud1 Divide Iq Pdef Ud Iq1 Ud ref Ud err Udin PI id_ref Ud* PI regulator with anti-windup D active_regulator Id P 100*pi*(L1) Id Ud Iq Q 100*pi*(L1) Iq Uq Uqin PI err -1 id_ref Gain active_regulator1 Uq Qdef Uq Uq Uq ref Uq* PI regulator with anti-windup D1 Uq2 Ud Ud2 Divide1 Id Id1 Hình PL Khối cấu trúc điều khiển MMC chế độ nối lưới Vdc_ref Constant1 dang_Vdc dang_Id Goto Goto2 Ud -1 PI(z) Vdc PI(z) Ud Udin Goto4 Gain1 Vdc Controller Ud Id id Controller 100*pi*(L1_SVM) Id Iq Q 100*pi*(L1_SVM) Iq Uqin Uq PI(z) Q Controller Step dang_Q PI(z) -1 iq Controller Gain Uq Goto6 Uq Uq dang_Iq Goto1 Step1 Q_ref Goto3 Uq2 Goto5 Ud Ud2 Id Divide1 Id1 Hình PL Khối cấu trúc điều khiển MMC chế độ bù công suất phản kháng 147 Phục lục Phụ lục Tính tốn thơng số hệ thống mạch đo thực nghiệm MMC • Tính tốn thơng số phần tử mạch đo dòng điện Biên độ điện áp mạch đo dịng điện nhánh cơng thức (6.1) Av = 1 + ( f / fo ) Equation Chapter (Next) Section (6.1) Với thành phần chiều tần số f = nên Vout-chia áp = Vin-RC = Vout-RC = 3V (xét trường hợp đầu max 3V) Phần tử giới hạn điện áp gồm diode D1 D2 mắc chiều với mức điện áp chuẩn VREF 3V GND 5V Mục đích giới hạn điện áp đầu 0-3V, đảm bảo chắn đầu không 3V Q trình tính tốn chi tiết thơng số phần tử mạch đo dòng điện thể phục lục Yêu cầu điện áp mạch đo lường 0-3V có mục đích cung cấp tín hiệu đo lường cho vi điều khiển Để tính chọn thông số thiết bị, ta tiến hành xét giá trị điện áp lớn 3V để tính tốn giá trị phần tử Từ đó, điện áp mạch lọc RC có giá trị 3V, điện áp mạch chia áp Điện áp đầu mạch chia áp Vout_chia áp 3V, đồng thời xét điện áp đầu vào khuếch đại tín hiệu V+IN lớn 15V, điện áp đầu VOUT khếch đại thuật tốn tính theo công thức (3.9) sau: VOUT = G* ( VIN+ − VIN− ) = 30 V (6.2) Theo cấu trúc IC khuếch đại INA128, đầu VOUT IC so sánh với điện áp VREF nên giá trị điện áp vào Vin_chia áp mạch chia áp như: Vin_ chia ap =VOUT +VREF =31,5 ( V) (6.3) Dựa vào mạch chia áp cơng thức (5.2), ta có: Vout _ chia ap = Vin _ chia ap R4 R4 + R3 (6.4) Thay số vào (6.4) ta được: R3 = R Vin _ chia ap − Vout _chia ap out _ chia ap V = 19 (6.5) Chọn giá trị điện trở R3 R4 cho đảm bảo tỷ số Các giá trị R C mạch lọc chọn cho tần số lọc fo = 20kHz R= 8, 25.10−6 = 2π fo C C (6.6) Trên thị trường, ta chọn giá trị R, C đảm bảo tỷ số • Tính tốn thơng số phần tử mạch đo điện áp Điện áp đầu mạch chia áp Vout_chia áp 3V, đồng thời xét điện áp đầu vào khuếch đại tín hiệu V+IN lớn 15V, điện áp đầu VOUT khếch đại thuật tốn tính theo cơng thức (5.2) (6.7): 148 Phục lục VOUT = G* ( VIN+ − VIN− ) = V Trong đó: G = 1+ (6.7) 50kΩ = 3, 75 điện trở RG = 18,18 (kΩ) RG Theo cấu trúc IC khuếch đại INA128, đầu VOUT IC so sánh với điện áp VREF nên giá trị điện áp vào Vin_chia áp mạch chia áp là: (6.8) Vin_ chia ap =VOUT +VREF =18 ( V) Dựa vào mạch chia áp 0-3V theo cơng thức (6.9), ta có: R36 Vin _ chia ap − Vout _chia ap = =5 R41 Vout _ chia ap (6.9) Chọn giá trị điện trở R36 R41 cho đảm bảo tỷ công thức (6.9) Xét phân áp đầu vào với điện áp vào Vin_chia áp lớn 200V, ta có: Vout _ chia ap = Vin _chia ap R39 = 100 ( mV) R39 + R31 + R27 + R38 + R32 + R28 (6.10)  R27 = R38 = R32 = R28 = 470 kΩ  R31 = 120 kΩ; R39 = kΩ Trong đó:  Bộ lọc điện áp đầu vào IC HCPL-7800 có tần số fo = =32,7 kHz Các giá 2π RC trị R C lọc chọn cho tần số lọc fo = 32,7 kHz, ta có: R= 4,87.10 − = 2π f oC C (6.11) Chọn giá trị R, C đảm bảo tỷ số (6.11), có R = 487,5Ω, C = 104 pF Bộ lọc điện áp đầu INA128 có tần số fo = =20 kHz Các giá trị R 2π RC C mạch lọc chọn cho tần số lọc fo = 20kHz, ta có: 8, 25.10 −6 R= = 2π fo C C (6.12) Ta chọn giá trị R, C đảm bảo tỷ số (3.25), với R = 25kΩ, C = 330pF • Tính tốn phần tử mạch đo điện áp tụ điện Vout _ chia ap = Vin _ chia ap R39 R39 +R31 +R27 + R38 + R32 + R28 Vout _ chia ap = Vin _chia ap R41 R41 + R36 (6.13) (6.14) Điện áp đầu vào mạch chia áp điện áp VOUT INA128 Điện áp đầu mạch chia áp có giá trị 0-3V • Ngun lý xác định D_OUT ADC Hình 5.7 Xung CS, CLK, D_IN cấp từ vi điều khiển Khi tín hiệu CS mức thấp MCP3208 hoạt động, vi điều khiển cấp xung CLK D_IN để chọn giá trị đầu vào từ chân CH0, CH1, CH2, CH3, CH4, CH5, CH6, CH7 Đầu số D_OUT 149 Phục lục tính tốn cơng thức cho bên dưới, sau chuyển đổi sang mã nhị phân 12 bits: D _ OUT = 4096.VIN VREF (6.15) Ở VIN điện áp đầu vào tương tự VREF điện áp đặt, có giá trị 3,3V 150 ... 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 đặc tính ưu việt tính module hóa, cấu hình... Điện mặt trời Bộ biến đổi đa mức diode chốt Điều khiển dựa mơ hình dự báo Điều khiển hữu hạn trạng thái đóng cắt Vịng khóa pha Điều chế độ rộng xung Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module Thiết bị... hạn chế; điều khiển hạn chế dịng 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