Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực và nghịch lưu đa cấp ứng dụng cho mạng điện nguồn phân tán

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGUYỄN MINH HUẤN NGHIÊN CỨU CHỈNH LƯU TÍCH CỰC VÀ NGHỊCH LƯU ĐA CẤP ỨNG DỤNG CHO MẠNG ĐIỆN NGUỒN PHÂN TÁN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Thái Nguyên, 2017 ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN MINH HUẤN NGHIÊN CỨU CHỈNH LƯU TÍCH CỰC VÀ NGHỊCH LƯU ĐA CẤP ỨNG DỤNG CHO MẠNG ĐIỆN NGUỒN PHÂN TÁN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái nguyên, 2017 iii LỜI MỞ ĐẦU Trong thời gian thực luận văn tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phòng ban chức năng, thầy cô giáo bạn bè, đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa sau đại học, giảng viên tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS TS Ngô Đức Minh dẫn khoa học, định hướng nghiên cứu tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình làm luận văn Mặc dù cố gắng trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên luận văn cịn thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo để luận văn hồn thiện Cuối tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người ủng hộ động viên trình nghiên cứu luận văn Thái Nguyên, tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Minh Huấn LỜI CAM ĐOAN iv Tôi tên Nguyễn Minh Huấn lớp CHK17-TĐH xin cam đoan luận văn:”Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực nghịch lưu đa cấp ứng dụng mạng điện nguồn phân tán” tự tổng hợp nghiên cứu, không chép Mọi tham khảo luận văn trích dẫn rõ rang tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm công bố Tôi xin chịu trách nhiệm khai trước Nhà trường Hội đồng khoa học! Thái Nguyên, tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Minh Huấn v MỤC LỤC MỞ ĐẦU xi CHƯƠNG I MẠNG ĐIỆN PHÂN TÁN VÀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT DÙNG CHO KẾT NỐI NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN 1.1 Mạng điện phân tán 1.2 Bộ biến đổi công suất áp dụng kết nối nguồn phát phân tán 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Ứng dụng biến đổi đa mức dùng cầu H hệ thống điện thông minh 1.2.3 Xây dựng cấu trúc biến đổi đa mức dùng cầu chữ H 10 1.2.4 Xây dựng sơ đồ cấu trúc biến đổi đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng 13 CHƯƠNG II 15 NGHỊCH LƯU ĐA MỨC DÙNG CẦU H-BRIDGE NỐI TẦNG 15 2.1 Nghịch lưu nguồn áp đa mức nối tầng kiểu cầu H-Bridge pha 15 2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa cấp nối tầng dùng cầu H-Bridge 17 2.2.1 Điều chế hai cấp điện áp phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu HBridge 19 2.2.2 Điều chế ba cấp điện áp phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu HBridge 19 2.2.3 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức 20 2.3 Mô nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng pha 25 2.3.1 Mô nghịch lưu mức dùng cầu H-Bridge pha 25 2.3.2 Mô nghịch lưu mức dùng cầu H-Bridge pha 27 2.4 Mô nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng ba pha 29 2.4.1 Mô nghịch lưu ba pha mức dùng cầu H-Bridge 29 2.4.2 Mô nghịch lưu mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 30 CHƯƠNG III: 34 CHỈNH LƯU TÍCH CỰC ĐA MỨC DÙNG CẦU H -BRIDGE NỐI TẦNG 34 3.1 Chỉnh lưu tích cực pha 34 vi 3.2 Chỉnh lưu tích cực ba pha 38 3.3 Mạch vòng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực 41 3.3.1 Mạch vòng dòng điện 41 3.3.2 Mạch vòng điện áp 46 3.4 Hệ thống điều khiển mơ chỉnh lưu tích cực pha 47 3.4.1 Mơ chỉnh lưu tích cực pha mức điều chỉnh PID để điều chỉnh điện áp 48 3.4.2 Mô chỉnh lưu tích cực pha mức dùng điều chỉnh Deadbeat để điều chỉnh điện áp 51 3.4.3 Mơ chỉnh lưu tích mức pha dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 54 3.4.4 Mô chỉnh lưu tích cực đa mức pha dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 57 3.5 Mơ chỉnh lưu tích cực ba pha 59 3.5.1 Mơ chỉnh lưu tích cực ba pha mức 59 3.5.2 Mô chỉnh lưu ba pha đa mức 63 CHƯƠNG IV 67 BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC-AC TRAO ĐỔI CÔNG SUẤT HAI CHIỀU 67 4.1 Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC trao đổi công suất hai chiều pha 67 4.2 Mô biến tần AC-DC-AC ba pha đa mức 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1 Mơ hình hệ thống điện đại Hình Cấu trúc biến đổi AC-DC-AC có khâu trung gian chiều Hình Cấu trúc biến đổi chế độ nối lưới Hình Cấu trúc biến đổi chế độ ốc đảo Hình Mơ hình mạng lưới hệ thống điện thông minh Hình Cấu trúc mơ hình hệ thống điện thông minh Hình Cấu trúc biến đổi ba cổng kết nối nguồn/lưới với 10 Hình Cấu trúc biến đổi hai cổng kết nối nguồn/lưới với 11 Hình Mơ hình cấu trúc biến đổi 11 Hình 10 Mơ hình biến đổi pha với khâu cách ly DC-DC 12 Hình 11 Mơ hình biến đổi pha với khâu cách ly DC-AC kết hợp với khâu Matrix-Converter 13 Hình 12 Cấu trúc tổng quát ba pha biến đổi AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao 14 Hình Sơ đồ nghịch lưu đa mức nối tầng dùng cầu H-bridge 15 Hình 2 Sơ đồ cầu H-Bridge 16 Hình Đồ thị mô tả phương pháp PWM 17 Hình Sơ đồ q trình tạo xung vng hai bậc từ sóng sin xung tam giác 19 Hình Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức sử dụng hai sóng sin chuẩn ngược pha 180o 19 Hình Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức dùng hai sóng tam giác lệch pha 180o 20 Hình Hình dạng tín hiệu sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang 21 Hình Sơ đồ nghịch lưu áp đa mức ba pha 21 Hình Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức phương pháp đa sóng mang sử dụng hai sóng sin chuẩn lệch pha 180o 22 Hình 10 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức phương pháp đa sóng mang sử dụng hệ thống xung tam giác lệch pha 180o 22 Hình 11 Hình dạng tín hiệu điều chế phương pháp đa sóng mang nghịch lưu đa mức 23 Hình 12 Tín hiệu điều chế nghịch lưu với hệ số điều chế thấp 24 Hình 13 Tín hiệu điều chế nghịch lưu với hệ số điều chế cao 25 Hình 14 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu pha mức 25 Hình 15 Mơ hình mô nghịch lưu pha mức 26 Hình 16 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều nghịch lưu pha 26 Hình 17 Hình dạng điện áp phía xoay chiều nghịch lưu pha 26 Hình 18 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu pha mức 27 viii Hình 19 Mơ hình mơ nghịch lưu mức pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 27 Hình 20 Mơ hình mơ khâu điều chế PWM mức 28 Hình 21 Hình điện áp phía xoay chiều nghịch lưu mức pha 28 Hình 22 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều nghịch lưu mức pha 28 Hình 23 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu ba pha mức 29 Hình 24 Mơ hình mơ nghịch lưu mức ba pha dùng cầu H-Bridge 29 Hình 25 Hình dạng điện áp nghịch lưu ba pha 30 Hình 26 Hình dạng điện áp nguồn xoay chiều nghịch lưu ba pha 30 Hình 27 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu ba pha mức ba pha 31 Hình 28 Mơ hình mơ nghịch lưu mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 31 Hình 29 Hình dạng dịng điện nguồn xoay chiều nghịch lưu mức ba pha 32 Hình 30 Hình dạng điện áp nguồn xoay chiều nghịch lưu mức ba pha 32 Hình Sơ đồ chỉnh lưu pha 34 Hình Mạch điện tương đương (a) biểu đồ vector (b) 35 Hình 3 Chiều dịng điện V1, V4 điều khiển mở, iL  37 Hình Chiều dòng điện V2, V3 điều khiển mở, iL> 37 Hình Sơ đồ chỉnh lưu tích cực ba pha 38 Hình Mơ hình mạch vịng dịng điện dùng điều chỉnh PI tuyến tính 42 Hình Kết mơ biến dịng điện mơ hình VSI với PI tuyến tính (a) điều khiển để đáp ứng dòng điện thực bám sát với biên độ dịng điện đặt 43 Hình Đồ thị giải thích ngun lý hệ điều khiển dịng theo ngưỡng deadbeat 44 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển chỉnh lưu tích cực dùng điều chỉnh dịng điện theo ngưỡng deadbeat, tần số đóng cắt khơng đổi 44 Hình 10 Mạch vòng điều khiển điện áp 47 Hình 11 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực pha dùng PID cho mạch vòng dòng điện 48 Hình 12 Cấu trúc điều chỉnh dòng điện PID 48 Hình 13 Cấu trúc mơ khâu điều chế độ rộng xung PWM 49 Hình 14 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 49 Hình 15 Hình dạng điện áp vào biến đổi 50 Hình 16 Hình dạng điện áp phía chiều 50 Hình 17 Hình dạng dịng điện điện áp phía nguồn xoay chiều 50 ix Hình 18 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực pha dùng điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điện 51 Hình 19 Cấu trúc điều chỉnh deadbeat 52 Hình 20 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha dùng điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điện 52 Hình 21 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 53 Hình 22 Hình dạng điện áp nguồn điện áp đầu vào phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 53 Hình 23 Hình dạng điện áp phía chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 53 Hình 24 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực đa mức pha dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 54 Hình 25 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha mức dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 55 Hình 26 Hình dạng điện áp phía chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 56 Hình 27 Hình dạng điện áp nguồn dịng điện phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 56 Hình 28 Hình dạng điện áp đầu vào phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 56 Hình 29 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực đa mức pha dùng điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điện 57 Hình 30 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha mức dùng điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điện 58 Hình 31 Hình dạng điện áp vào sơ đồ H-Bridge chỉnh lưu mức 58 Hình 32 Hình dạng dịng điện, điện áp phía xoay chiều chỉnh lưu mức 59 Hình 33 Hình dạng điện áp phía chiều chỉnh lưu mức 59 Hình 34 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tựa theo điện áp cho chỉnh lưu tích cực ba pha mức 61 Hình 35 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực ba pha mức dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 62 Hình 36 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều chỉnh lưu ba pha mức 63 Hình 37 Hình dạng điện áp phía xoay chiều chỉnh lưu ba pha mức 63 x Hình 38 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tựa theo điện áp cho chỉnh lưu tích cực ba pha mức 64 Hình 39 Mơ hình mơ mạch nghịch lưu đa mức pha dùng điều chỉnh deadbeat 65 Hình 40 Hình dạng điện áp pha phía chiều 65 Hình 41 Hình dạng dịng điện ba pha phía xoay chiều chỉnh lưu tích cực ba pha mức 66 Hình 42 Hình dạng điện áp ba pha phía xoay chiều 66 Hình Sơ đồ biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi công suất hai chiều pha 67 Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển biến đổi AC-DC-AC-AC pha 68 Hình Mơ hình mơ biến đổi AC-DC-AC-AC pha 70 Hình 4 Hình dạng điện áp vào khâu AC-DC biến đổi 70 Hình Hình dạng Zoom điện áp vào khâu AC-DC biến đổi 70 Hình Hình dạng điện áp vào khâu DC-AC biến đổi 71 Hình Hình dạng điện áp tụ điện phía chiều biến đổi 71 Hình Hình dạng dịng điện điện áp xoay chiều phía AC-DC 71 Hình Hình dạng dịng điện điện áp xoay chiều phía DC-AC 72 Hình 10 Cấu trúc điều khiển tổng thể biến tần AC-DC-AC-AC pha 73 Hình 11 Sơ đồ mơ tổng thể biến đổi AC-DC-AC-AC đa mức 75 64 Hình 38 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tựa theo điện áp cho chỉnh lưu tích cực ba pha mức b) Mơ hình mơ Cấu trúc sơ đồ cấu tạo ba sơ đồ chỉnh lưu mức pha ghép nối lại với Phía xoay chiều nối với lưới xoay chiều ba pha ghép nối hình vẽ 3.39 65 Three phases Half-Bridge Cascaded Multilevel Active Rectifier cells per phase, levels Source Uabc [G_HB_A] Gates Discrete, Ts = 1e-006 s Source Iabc From2 Conn1 Udc U-I source Conn2 levels H Bridge Multilevel Cell [G_HB_B] Gates From3 Conn1 Udc Conn2 levels H Bridge Multilevel Cell1 [G_HB_C] Gates 1/3 Udc_Phase C From4 Conn1 Udc A B C A B C RL Branch -K- [Vabc] Gain3 Goto1 -K- [iABC] Gain1 Goto Vabc A Iabc B a b C c A B C Three-Phase Source V-I Measurement1 Gain Conn2 Udc_Sum_Error levels H Bridge Multilevel Cell2 Ctrl_Output Udc_Sum [iABC] From [Vabc] From1 Controller PID Controller3 Goto2 iABC [G_HB_B] HB Gates A uABC PID(s) Ud ref [G_HB_A] Scope2 abc Sine Ref HB Gates B Goto3 [G_HB_C] HB Gates C delta Ud levels H bridge PWM controller Goto4 Hình 39 Mơ hình mơ mạch chỉnh lưu đa mức ba pha dùng điều chỉnh Deadbeat c) Kết mô Amature Current [A] 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 -50 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Time [s] Hình 40 Hình dạng điện áp pha phía chiều 0.3 66 Amature Current [A] 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Time [s] Hình 41 Hình dạng dịng điện ba pha phía xoay chiều chỉnh lưu tích cực ba pha mức Voltage [V] 400 300 200 100 -100 -200 -300 -400 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 Time [s] Hình 42 Hình dạng điện áp ba pha phía xoay chiều Nhận xét: Dịng điện điện áp phía xoay chiều ba pha có dạng sin chuẩn với tần số khơng đổi Tín hiệu điện áp phía chiều khơng đổi với biên độ dao động nhỏ, đạt sau 0,58s KẾT LUẬN CHƯƠNG III Chương III: “Chỉnh lưu tích cực đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng” giải vấn đề sau: - Nguyên cứu nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu tích cực dùng cầu HBridge - Xây dựng mạch vòng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực - Mơ chỉnh lưu tích cực pha, ba pha phần mềm Matlab Đánh giá chất lượng biến đổi khả áp dụng kết nối nguồn phát phân tán 67 CHƯƠNG IV BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC-AC TRAO ĐỔI CÔNG SUẤT HAI CHIỀU 4.1 Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC trao đổi công suất hai chiều pha Sơ đồ cấu trúc biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi cơng suất hai chiều dùng khâu trung gian tần số cao dùng Matrix-Converter thể Hình 4.1 Hình Sơ đồ biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi cơng suất hai chiều pha Mơ hình biến đổi AC-DC-AC-AC xây dưng thông qua ghép nối sơ đồ chỉnh lưu (AC-DC), sơ đồ nghịch lưu (DC-AC), sơ đồ Matrix Converter có khả trao đổi cơng suất hai chiều Trong đó, sơ đồ chỉnh lưu nghịch lưu ghép nối theo kiểu Back-to-Back thông qua mạch truyền dẫn công suất chiều DC-link, sơ đồ nghịch lưu sơ đồ Matrix Converter ghép nối với thông qua máy biến áp trung gian tần số cao thực trình cách ly độc lập phía, mục đích làm cho phía hoạt động cách độc lập tần số điện áp Đầu phía nối với nguồn xoay chiều thực chất nguồn phát phân tán lưới điện nhỏ Thông qua biến đổi, công suất nguồn phát phân tán trao đổi qua lại với nguồn phát phân tán mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động Kết lưới điện nhỏ có kết hợp có khả hoạt động hiệu Từ ghép nối ta thiết kế hệ thống điều khiển mô 68 biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi cơng suất hai chiều pha sau: a) Mơ hình hệ thống điều khiển Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển biến đổi AC-DC-AC-AC pha Trong cấu trúc điều khiển biến đổi AC-DC-AC-AC sử dụng điều chỉnh PID để điều chỉnh dòng điện điện áp với phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho phía chỉnh lưu nghịch lưu với thuật tốn điều khiển phù hợp Trong q trình điều khiển, ta đo điện áp tụ chiều sau giá trị điện áp so sánh với giá trị đặt phía Q trình so sánh đưa tín hiệu sai lệch giá trị thực giá trị đặt Tín hiệu đưa vào điều chỉnh dòng điện điện áp để triệt tiêu giá trị sai lệch Kết tạo giá trị sin chuẩn bám theo tín hiệu đặt Và tín hiệu đưa vào điều chế độ rộng xung PWM đưa hệ thống xung vng đóng cắt hệ thống van bán dẫn sơ đồ 69 b) Cấu trúc mô AC 110V 50Hz Udc Ref.1 Udc.Ref A B DC+ DC- Subsystem Rd Discrete, Ts = 1e-006 s LowF Current &Voltage Low f req v oltage High f req current Current [GatesHigh] [HF_I] HF -K- PI(s) PI voltage Error_Udc [GatesLow] HF trans Gates Conn1 Conn2 Conn3 BDSwitches2 Gates Conn1 Conn2 Conn3 BDSwitches3 [LF_I] LF LF2 [HF_U] L V2 + - v IL i - + AC-DC-AC converter with intermediate high frequency link No modulation on primery side Low frequency voltage is formed by PWM on secondary side using a matrix converter fs=10kHz, S=1.5kVA, Uin=50VDC, Uout=220VAC, 50Hz [LF_U] [HF_I] High f req v oltage g + -i [GatesHigh] I_HF [GatesLow] + -i Idc Idc A B Gates 2-4 [LF_U] SineWav e Gates 1-3 Gates prime H Bridge - + [HF_U] Low Freq Current powergui [LF_I] 1/50 Gain Cdc + - v Udc V1 PI(s) PI current Current1 Udc Ref.2 PWM HF link Controller1 Mod index Current errror Udc Vol.Reg Output AC V + - v LF1 [LF_U] 70 Hình Mơ hình mơ biến đổi AC-DC-AC-AC pha c) Kết mô Amature Current [A] 250 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 Time [s] Hình 4 Hình dạng điện áp vào khâu AC-DC biến đổi Amature Current [A] 250 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 0.015 0.016 0.017 0.018 0.019 0.02 0.021 0.022 0.023 0.024 Time [s] Hình Hình dạng Zoom điện áp vào khâu AC-DC biến đổi 0.025 71 Amature Current [A] 1500 1000 500 -500 -1000 -1500 0.005 0.01 0.015 0.02 0.03 0.025 0.035 0.05 0.045 0.04 Time [s] Hình Hình dạng điện áp vào khâu DC-AC biến đổi Amature Current [A] 250 200 150 100 50 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 Time [s] Hình Hình dạng điện áp tụ điện phía chiều biến đổi Amature Current [A] 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 Time [s] Hình Hình dạng dịng điện điện áp xoay chiều phía AC-DC 0.05 72 Amature Current [A] 400 Curent Voltage 300 200 100 -100 -200 -300 -400 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Time [s] Hình Hình dạng dịng điện điện áp xoay chiều phía DC-AC Nhận xét: Kết dòng điện điện áp phía xoay chiều có dạng sin chuẩn mong muốn Giá trị điện áp tụ điện phía chiều ổn định với độ đập mạch nhỏ Điện áp đầu vào khâu biến đổi có độ đập mạch ổn định khơng có tượng q áp van Kết thể mơ hình có khả trao đổi công suất hai chiều cách linh hoạt phía Tuy nhiên giá trị biên độ tín hiệu điện áp vào khâu DC-AC khơng ổn định, xảy tượng áp với giá trị lớn 4.2 Mô biến tần AC-DC-AC ba pha đa mức a) Mơ hình hệ thống điều khiển 73 Hình 10 Cấu trúc điều khiển tổng thể biến tần AC-DC-AC-AC pha Trong sơ đồ cấu trúc điều khiển sử dụng điều chỉnh PID để điều chỉnh dòng điện điện áp hệ tọa độ 0dq thơng qua thuật tốn chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang 0dq Tín hiệu sau điều chỉnh lại chuyển đổi hệ tọa độ abc đưa vào khâu điều chế độ rộng xung để tạo hệ thống xung vuông với chu kỳ thay đổi để điều khiển hệ thống van phia biến tần 74 -KGain3 -KGain1 From2 [G_HB_A] [Vabc] Goto1 [iABC] Goto From3 A B C [G_HB_B] A Vabc Source Uabc Iabc Source Iabc B a A b B c C C Gates A+ A- Udc [SineA] Sine D2+ D1- D1+ D1D2- From7 D2+ D3+ D1+ D2- Sine D1+ D1D2+ D2D3+ A+ A- A- A+ A- Subsystem2 D3- D3+ D2- D2+ D1- D1+ Sine Subsystem1 D3- A+ Subsystem D3- From9 [SineC] From8 [SineB] D3- 1/3 Udc_Sum A B C Goto6 [V1abc] [i1ABC] -K- -K- Gain4 Goto5 Ctrl_Output [SineA] Goto8 [SineB] Goto9 [SineC] Goto7 Scope1 Three-Phase Source1 C B A Gain2 Vabc A Source I1abc Iabc a B b C c A B C Udc_Sum_Error delta Ud uABC abc iABC Controller1 Source V1abc Source I1abc RL Branch1 V-I Measurement2 [i1ABC] PID Controller1 From6 [G_HB_A] [G_HB_B] Goto3 Goto4 [G_HB_C] PID(s) Goto2 Ud ref1 From5 [V1abc] Gain D3+ Udc D1+ D1D2- D2+ D3+ D3- Udc D1+ D1D2- D2+ D3+ D3- Ctrl_Output levels H bridge PWM controller HB Gates C Sine Ref HB Gates B HB Gates A Scope2 levels H Bridge Multilevel Cell2 A- A+ Gates levels H Bridge Multilevel Cell1 A- A+ Gates levels H Bridge Multilevel Cell Three phases Half-Bridge Cascaded Multilevel Active Rectifier cells per phase, levels Discrete, Ts = 1e-006 s A B C RL Branch [G_HB_C] From4 delta Ud uABC abc iABC Controller Source Iabc Udc_Sum_Error iABC [Vabc] From1 PID Controller3 PID(s) From [iABC] Three-Phase Source V-I Measurement1 Ud ref b) Cấu trúc mơ 75 Hình 11 Sơ đồ mô tổng thể biến đổi AC-DC-AC-AC đa mức c) Kết mô Amature Current [A] 150 100 50 -50 -100 -150 0.05 0.1 0.15 Time [s] Hình 12 Sơ đồ mơ tổng thể biến đổi AC-DC-AC-AC đa mức Amature Current [A] 400 300 200 100 -100 -200 -300 -400 0.05 0.1 0.15 Time [s] Hình 13 Hình dạng điện áp ba pha nguồn xoay chiều phía nghịch lưu Voltage [V] -1 -2 -3 -4 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Time [s] Hình 14 Hình dạng dịng điện ba pha nguồn xoay chiều phía chỉnh lưu 76 Amature Current [A] 150 100 50 -50 -100 -150 -200 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Time [s] Hình 15 Hình dạng điện áp ba pha nguồn xoay chiều phía chỉnh lưu Amature Current [A] 600 500 400 300 200 100 -100 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 Time [s] Hình 16 Hình dạng điện áp chiều tụ điện mơ hình Nhận xét: Dịng điện điện áp phía nguồn xoay chiều đạt dạng sin với tần số khơng đổi sau 0,1s Tín hiệu điện áp phía chiều có dạng khơng đổi với độ đập mạch nhỏ có giá trị biên độ bám sát giá trị biên độ điện áp đặt Tuy nhiên kết dòng điện, điện áp tồn độ đập mạch dạng sóng sin KẾT LUẬN CHƯƠNG IV Chương IV: “Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC trao đổi công suất hai chiều” đạt kết sau: - Xây dựng sơ đồ cấu trúc biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi công suất hai chiều Tiến hành mô phần mềm Matlab Từ kết mô cho thấy khả ứng dụng biến đổi AC-DC-AC-AC để kết nối nguồn phát phân tán với lưới điện 0.2 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN: Qua thời gian nghiên cứu tìm hiểu đạt số kết sau: - Tìm hiểu phân tích cấu trúc chỉnh lưu đa mức, nghịch lưu đa mức khâu truyền dẫn công suất hai chiều Matrix-Converter - Nghiên cứu, phân tích phương pháp điều khiển cho chỉnh lưu, nghịch lưu - Phân tích thiết kế hệ thống điều khiển cho sơ đồ truyền dẫn công suất hai chiều Matrix-Converter - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển PID, Deadbeat áp dụng cho biến đổi DC-AC, AC-DC - Lập trình tính tốn thơng số cho điều chỉnh PID dùng biến đổi - Xây dựng mô hình mơ chỉnh lưu đa mức, nghịch lưu đa mức, khâu truyền dẫn công suất hai chiều dùng Matrix Converter Đưa nhận xét, đánh giá kết mô KIẾN NGHỊ Với kết tại, biến đổi hoạt động ổn định, cho đáp ứng tốt với luật điều khiển đặt Tuy nhiên số hạn chế biến đổi xây dựng sở kết nối tới hai cổng, số tiêu đặt chưa cho kết mong muốn độ đập mạch tín hiệu điện áp chiều đáng kể, hệ thống điều khiển biến đổi cịn tương đối phức tạp Vì đưa số hướng phát triển sau Nghiên cứu cài đặt thuật toán điều khiển sơ đồ ba pha ứng dụng vào biến đổi đơn giản hiệu hơn, giúp hệ thống đáp ứng tốt Thiết kế biến đổi với khả trao đổi công suất hai chiều tới nhiều cổng để phục vụ kết nối trao đổi công suất với nhiều nguồn phát 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt: [1] [2] [3] [4] [5] Trần Trọng Minh, Điện tử công suất nâng cao, Bộ mơn Tự động hóa Xí nghiệp Cơng nghiệp, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2010 Trần Trọng Minh, Luận án Xây dựng Biến tần kiểu ma trận Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp Cơng nghiệp, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2007 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2005 Tài liệu tiếng anh: [6] Ryszard Strzelecki; Grzegorz Benysek, Power Electronics in Smart Electrical [7] Energy Networks, Springer-Verlag London Limited, 2008 Simone Buso, Paolo Mattavelli; Digital Control in Power Electronics; Morgan & Claypool, 2006 [8] [9] Ali Keyhani Mohammadn Min Dai, Integration of green and renewable energy in electric power systems , 2009 Min Dai, M.N Marwali, Jin-Woo Jung, and A Keyhani, Power flow control of a singledistributed generation unit, IEEE Trans Power Electron.,vol 23, issue 1, pp 343–352,Jan 2008 [10] Leopoldo Silva, César Silva, Student Member, High-Voltage Multilevel Converter With Regeneration Capability, Vol 49, No 4, August 2002 [11] Surin Khomfoi and Leon M Tolbert, Multilevel Power Converters ... từ nguồn lượng điện gió, lượng điện mặt trời… để thay nguồn phát truyền thống Chính thế, tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực nghịch lưu đa cấp ứng dụng cho mạng điện nguồn phân tán? ??... TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGUYỄN MINH HUẤN NGHIÊN CỨU CHỈNH LƯU TÍCH CỰC VÀ NGHỊCH LƯU ĐA CẤP ỨNG DỤNG CHO MẠNG ĐIỆN NGUỒN PHÂN TÁN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã... 34 CHỈNH LƯU TÍCH CỰC ĐA MỨC DÙNG CẦU H -BRIDGE NỐI TẦNG 34 3.1 Chỉnh lưu tích cực pha 34 vi 3.2 Chỉnh lưu tích cực ba pha 38 3.3 Mạch vịng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực