Nghiên cứu hệ thống điều khiển chế độ làm việc song song của bộ bán dẫn công suất trong nguồn phát phân tán dùng bộ điều khiển dòng deadbeat

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN HÙNG CƯỜNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA BỘ BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG DEADBEAT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI, NĂM 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Trần Hùng Cường NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA BỘ BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG DEADBEAT Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngành: Điều khiển Tự động hóa NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Trần Trọng Minh HÀ NỘI, NĂM 2013 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .8 Chương I YÊU CẦU VỀ BỘ BÁN DẪN CÔNG SUẤT DÙNG CHO KẾT NỐI NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ 11 1.1 Yêu cầu chế độ độ làm việc bán dẫn công suất dùng cho kết nối nguồn phát phân tán .11 1.2 Ứng dụng biến đổi đa mức dùng cầu H hệ thống điện thông minh 14 1.3 Xây dựng cấu trúc biến đổi đa mức dùng cầu chữ H 17 1.3.2 Khâu cách ly DC-AC 19 1.3.3 Xây dựng sơ đồ cấu trúc biến đổi đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng 20 Chương II NGHỊCH LƯU ĐA MỨC DÙNG CẦU H-BRIDGE NỐI TẦNG 22 2.1 Nghịch lưu nguồn áp đa mức nối tầng kiểu cầu H-Brige pha 22 2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa cấp nối tầng dùng cầu H-Brige 24 2.2.1 Điều chế hai cấp điện áp phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu H-Bridge 25 2.2.2 Điều chế ba cấp điện áp phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu HBridge 26 2.2.3 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức 27 2.3 Mô nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng pha 32 2.3.1 Mô nghịch lưu mức dùng cầu H-Bridge pha 32 2.3.2 Mô nghịch lưu mức dùng cầu H-Bridge pha 34 2.4 Mô nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng ba pha 36 2.4.1 Mô nghịch lưu ba pha mức dùng cầu H-Bridge 36 2.3.2 Mô nghịch lưu mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 37 Chương III CHỈNH LƯU TÍCH CỰC ĐA MỨC DÙNG CẦU H –BRIDGE NỐI TẦNG .40 3.1 Chỉnh lưu tích cực pha 40 3.2 Chỉnh lưu tích cực ba pha 43 3.3 Mạch vịng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực 46 3.3.1 Mạch vòng dòng điện 47 3.3.2 Mạch vòng điện áp 52 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp 3.4 Hệ thống điều khiển mô chỉnh lưu tích cực pha .54 3.4.1 Mơ chỉnh lưu tích cực pha mức điều chỉnh PID để điều chỉnh điện áp 54 3.4.2 Mơ chỉnh lưu tích cực pha mức dùng điều chỉnh Deadbeat để điều chỉnh điện áp 57 3.4.3 Mô chỉnh lưu tích mức pha dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 60 3.5 Mơ chỉnh lưu tích cực ba pha 66 3.5.1 Mô chỉnh lưu tích cực ba pha mức 66 3.5.2 Chương IV Mô chỉnh lưu ba pha đa mức ba pha 69 BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC DÙNG MATRIX-CONVERTER 73 4.1 Sơ đồ DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao dùng Matrix-Converter 73 4.2 Điều chế PWM cho biến đổi DC-AC-AC dùng sơ đồ Matrix Converter 74 4.3 Điều khiển chuyển mạch cho Matrix-Converter 76 4.3.1 Vấn đề chuyển mạch cho van bán dẫn hai chiều 76 4.3.2 Thiết kế điều khiển chuyển mạch cho Matrix Converter 79 4.4 Mô sơ đồ DC-AC-AC pha sử dụng sơ đồ Matrix Converter 82 4.5 Mô khâu DC-AC-AC pha mức sử dụng sơ đồ Matrix Converter 87 Chương V BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC-AC CĨ KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI CƠNG SUẤT HAI CHIỀU 90 5.1 Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi cơng suất hai chiều pha 90 5.2 Mô biến đổi AC-DC-AC-AC ba pha mức có khả trao đổi cơng suất hai chiều .95 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤC LỤC .101 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc biến đổi AC-DC-AC có khâu trung gian chiều 12 Hình 1.2 Cấu trúc biến đổi chế độ nối lưới 13 Hình 1.3 Cấu trúc biến đổi chế độ ốc đảo 14 Hình 1.4 Chuyển đổi từ việc kết nối nguồn phân tán chế độ ốc đảo 14 Hình 1.5 Mơ hình mạng lưới hệ thống điện thơng minh 15 Hình 1.6 Cấu trúc mơ hình hệ thống điện thơng minh 16 Hình 1.7 Cấu trúc biến đổi ba cổng kết nối nguồn/lưới với 17 Hình 1.8 Cấu trúc biến đổi hai cổng kết nối nguồn/lưới với 17 Hình 1.9 Mơ hình cấu trúc biến đổi 18 Hình 1.10 Mơ hình biến đổi pha với khâu cách ly DC-DC 19 Hình 1.11 Mơ hình biến đổi pha với khâu cách ly DC-AC kết hợp với khâu MatrixConverte 19 Hình 1.12 Cấu trúc tổng quát ba pha biến đổi AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao 21 Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu đa mức nối tầng dùng cầu H-bridge 22 Hình 2.2 Sơ đồ cầu H-Bridge 23 Hình 2.3 Đồ thị mô tả phương pháp PWM 24 Hình 2.4 Sơ đồ q trình tạo xung vng hai bậc từ sóng sin xung tam giác 26 Hình 2.5 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức sử dụng hai sóng sin chuẩn ngược pha 180o 26 Hình 2.6 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức dùng hai sóng tam giác lệch pha 180o 27 Hình 2.7 Hình dạng tín hiệu sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang 28 Hình 2.8 Sơ đồ nghịch lưu áp đa mức ba pha 28 Hình 2.9 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức phương pháp đa sóng mang sử dụng hai sóng sin chuẩn lệch pha 180o 29 Hình 2.10 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức phương pháp đa sóng mang sử dụng hệ thống xung tam giác lệch pha 180o 29 Hình 2.11 Hình dạng tín hiệu điều chế phương pháp đa sóng mang nghịch lưu đa mức 30 Hình 2.12 Tín hiệu điều chế nghịch lưu với hệ số điều chế thấp 31 Hình 2.13 Tín hiệu điều chế nghịch lưu với hệ số điều chế cao 32 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu pha mức 32 Hình 2.15 Mơ hình mơ nghịch lưu pha mức 33 Hình 2.16 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều nghịch lưu pha 33 Hình 2.17 Hình dạng điện áp phía xoay chiều nghịch lưu pha 33 Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu pha mức 34 Hình 2.19 Mơ hình mơ nghịch lưu mức pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 34 Hình 2.20 Mơ hình mơ khâu điều chế PWM mức 35 Hình 2.21 Hình điện áp phía xoay chiều nghịch lưu mức pha 35 Hình 2.22 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều nghịch lưu mức pha 35 Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu ba pha mức 36 Hình 2.24 Mơ hình mơ nghịch lưu mức ba pha dùng cầu H-Bridge 36 Hình 2.25 Hình dạng điện áp nghịch lưu ba pha 36 Hình 2.26 Hình dạng điện áp nguồn xoay chiều nghịch lưu ba pha 37 Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc mạch PWM cho nghịch lưu ba pha mức ba pha 37 Hình 2.28 Mơ hình mơ nghịch lưu mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng 38 Hình 2.29 Hình dạng dòng điện nguồn xoay chiều nghịch lưu mức ba pha 38 Hình 2.30 Hình dạng điện áp nguồn xoay chiều nghịch lưu mức ba pha 39 Hình 3.1 Sơ đồ chỉnh lưu pha 40 Hình 3.2 Mạch điện tương đương (a) biểu đồ vector (b) 41 Hình 3.3 Chiều dịng điện V1, V4 điều khiển mở, i L < 42 Hình 3.4 Chiều dịng điện V2, V3 điều khiển mở, i L > 43 Hình 3.5 Sơ đồ chỉnh lưu tích cực ba pha 44 Hình 3.6 Mơ hình mạch vịng dịng điện dùng điều chỉnh PI tuyến tính 48 Hình 3.7 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 dòng điện đặt 48 Hình 3.8 Đồ thị giải thích ngun lý hệ điều khiển dịng theo ngưỡng deadbeat 50 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển chỉnh lưu tích cực dùng điều chỉnh dòng điện theo ngưỡng deadbeat, tần số đóng cắt khơng đổi 50 Hình 3.10 Mạch vịng điều khiển điện áp 53 Hình 3.11 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực pha dùng PID cho mạch vịng dòng điện 54 Hình 3.12 Cấu trúc điều chỉnh dòng điện PID 55 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Hình 3.13 Cấu trúc mơ khâu điều chế độ rộng xung PWM 55 Hình 3.14 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 56 Hình 3.15 Hình dạng điện áp vào biến đổi 56 Hình 3.16 Hình dạng điện áp phía chiều 57 Hình 3.17 Hình dạng dịng điện điện áp phía nguồn xoay chiều 57 Hình 3.19 Cấu trúc điều chỉnh deadbeat 58 Hình 3.20 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha dùng điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điện 58 Hình 3.21 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 59 Hình 3.22 Hình dạng điện áp nguồn điện áp đầu vào phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 59 Hình 3.23 Hình dạng điện áp phía chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 59 Hình 3.24 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực đa mức pha dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 60 Hình 3.25 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha mức dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 61 Hình 3.26 Hình dạng điện áp phía chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 62 Hình 3.27 Hình dạng điện áp nguồn dịng điện phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 62 Hình 3.28 Hình dạng điện áp đầu vào phía xoay chiều sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha mức 62 Hình 3.29 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực đa mức pha dùng điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điện 63 Hình 3.30 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực pha mức dùng điều chỉnh Deadbeat cho mạch vòng dòng điện 64 Hình 3.31 Hình dạng điện áp vào sơ đồ H-Bridge chỉnh lưu mức 65 Hình 3.32 Hình dạng dịng điện, điện áp phía xoay chiều chỉnh lưu mức 65 Hình 3.33 Hình dạng điện áp phía chiều chỉnh lưu mức 65 Hình 3.34 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tựa theo điện áp cho chỉnh lưu tích cực ba pha mức 67 Hình 3.35 Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực ba pha mức dùng điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện 68 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Hình 3.36 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều chỉnh lưu ba pha mức 69 Hình 3.37 Hình dạng điện áp phía xoay chiều chỉnh lưu ba pha mức 69 Hình 3.38 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tựa theo điện áp cho chỉnh lưu tích cực ba pha mức 70 Hình 3.39 Mơ hình mơ mạch nghịch lưu đa mức pha dùng điều chỉnh deadbeat 71 Hình 3.40 Hình dạng điện áp pha phía chiều 71 Hình 3.41 Hình dạng dịng điện ba pha phía xoay chiều chỉnh lưu tích cực ba pha mức 72 Hình 3.42 Hình dạng điện áp ba pha phía xoay chiều 72 Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc khâu chuyển mạch van hai chiều Matrix-Conveter 73 Hình 4.2 Sơ đồ điều chế độ rộng xung PWM cho Matrix Converter 75 Hình 4.3 Chuyển mạch nghịch lưu thường 77 Hình 4.4 Sơ đồ mơ tả trình chuyển mạch 77 Hình 4.5 Đồ thị tín hiệu điều khiển chuyển mạch 78 Hình 4.6 Trạng thái logic van chuyển mạch bốn bước 78 Hình 4.7 Đồ thị bóng trạng thái chuyển mạch hai pha đầu vào 80 Hình 4.8 Trạng thái logic van trình chuyển mạch 80 Hình 4.9 Sơ đồ chuyển mạch van bốn bước từ va S1 sang van S2 ngược lại 81 Hình 4.10 Sơ đồ chuyển mạch van bốn bước từ va S3 sang van S4 ngược lại 81 Bảng 4.11 Bảng trạng thái lôgic trình chuyển mạch 81 Hình 4.12 Mơ hình mơ khâu DC-AC pha dùng sơ đị Matrix Converter 83 Hình 4.13 Mơ hình mạch chuyển đổi cơng suất hai chiều 84 Hình 4.14 Mơ hình mạch điều khiển qua trình trao đổi cơng suất hai chiều 84 Hình 4.15 Mơ hình mơ mạch điều khiển q trình chuyển mạch dùng ToolBox StateFlow 85 Hình 4.16 Hình dạng điện áp đầu phía xoay chiều khâu DC-AC 86 Hình 4.17 Hình dạng Zoom điện áp đầu phía xoay chiều khâu DC-AC 86 Hình 4.19 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều khâu DC-AC 86 Hình 4.20 Cấu trúc điều khiển cho khâu DC-AC-AC mức sử dụng sơ đồ Matrix Converter 87 Hình 4.21 Mơ hình mơ khâu DC-AC pha mức dùng sơ đồ Matrix Converter 88 Hình 4.22 Hình dạng điện áp phía xoay chiều khâu DC-AC pha mức 89 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Hình 4.23 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều khâu DC-AC pha mức 89 Hình 4.24 Hình dạng điện áp đầu vào phía xoay chiều khâu DC-AC pha mức 89 Hình 4.25 Hình dạng điện áp phía chiều khâu DC-AC pha mức 89 Hình 5.1 Sơ đồ biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi cơng suất hai chiều pha 90 Hình 5.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển biến đổi AC-DC-AC-AC pha 91 Hình 5.3 Mơ hình mơ biến đổi AC-DC-AC-AC pha 92 Hình 5.4 Hình dạng điện áp vào khâu AC-DC biến đổi 93 Hình 5.5 Hình dạng Zoom điện áp vào khâu AC-DC biến đổi 93 Hình 5.6 Hình dạng điện áp vào khâu DC-AC biến đổi 93 Hình 5.7 Hình dạng điện áp tụ điện phía chiều biến đổi 93 Hình 5.8 Hình dạng dịng điện điện áp xoay chiều phía AC-DC 94 Hình 5.9 Hình dạng dịng điện điện áp xoay chiều phía DC-AC 94 Hình 5.10 Cấu trúc điều khiển tổng thể biến tần AC-DC-AC-AC pha 95 Hình 5.11 Sơ đồ mơ tổng thể biến đổi AC-DC-AC-AC đa mức 96 Hình 5.12 Hình dạng dịng điện ba pha nguồn xoay chiều phía nghịch lưu 97 Hình 5.13 Hình dạng điện áp ba pha nguồn xoay chiều phía nghịch lưu 97 Hình 5.14 Hình dạng dịng điện ba pha nguồn xoay chiều phía chỉnh lưu 97 Hình 5.15 Hình dạng điện áp ba pha nguồn xoay chiều phía chỉnh lưu 98 Hình 5.16 Hình dạng điện áp chiều pha mơ hình 98 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp MỞ ĐẦU Hiện nay, q trình khai thác ngày cạn kiệt nguồn lượng thủy điện, nhiệt điện, dẫn đến việc phải chuyển hướng khai thác nguồn lượng tương lai để đảm bảo nhu cầu lượng cho phụ tải lượng gió, lượng mặt trời… Các nguồn gọi nguồn lượng phân tán Đặc điểm nguồn lượng phân tán công suất nhỏ, phân bố rời rạc vùng miền khác nhau, nối lưới điện lớn làm việc cách độc lập chất lượng điện phụ thuộc nhiều vào tác động yếu tố bên ngồi khó kiểm sốt tác động mơi trường, khí hậu… Việc kết nối nguồn phát phân tán lưới điện nhỏ kết nối với lưới quốc gia địi hỏi có biến đổi điện tin cậy, hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn Bộ biến đổi đa mức thiết bị biến đổi đáp ứng yêu cầu Nó làm việc hệ thống biến đổi dùng để kết nối phần lưới điện, có khả điều khiển dịng cơng suất theo hai chiều, kể công suất tác dụng lẫn công suất phản kháng, cấu trúc biến đổi có phận cách ly với khâu trung gian tần số cao yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn Từ yêu cầu luận văn nghiên cứu biến đổi (AC-DC-AC-AC) kết nối nguồn phát phân tán lại với phương pháp điều khiển thích hợp, để đáp ứng tốt nhu cầu trao đổi công suất nguồn điện nguồn phát phân tán ngày quan tâm phát triển mạnh tương lai Mục tiêu tổng thể luận văn xây dựng biến đổi có cấu trúc AC-DC-AC-AC với khâu trung gian chiều, khâu trung gian tần số cao, có tụ điện lớn làm kho tích trữ lượng để đáp ứng nhu cầu kết nối nguồn điện hệ thống điện.Với yêu cầu biến đổi kiểm sốt tốt trao đổi cơng suất nguồn lưới điện với nhau, với cách ly độc lập bên, tạo nên cân công suất nguồn Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC ghép nối từ hai cấu trúc Chỉnh lưu (AC-DC) Nghịch lưu (DC-AC-AC) xây dựng khóa bán Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp 4.5 Mô khâu DC-AC-AC pha mức sử dụng sơ đồ Matrix Converter a) Hệ thống điều khiển Hình 4.20 Cấu trúc điều khiển cho khâu DC-AC-AC mức sử dụng sơ đồ Matrix Converter Sơ đồ cấu trúc khâu DC-AC-AC pha mức ghép nối từ khâu DC-AC-AC mức Sau điện áp phía chiều tổng hợp phản hồi âm để so sánh với giá trị đặt điện áp chiều Tín hiêuh sai lệch so sánh đưa vào mạch vòng điều chỉnh điện áp mạch vịng điều chỉnh dịng điện Q trình điều chỉnh xong ta thu tín hiệu sin chuẩn Tín hiệu đưa vào khâu điều chế độ rộng xung để tạo hệ thống xung vuông đóng cắt hệ thống van sơ đồ Q trình thể hình 4.19 87 Đại học Bách Khoa Hà Nội b) Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Mơ hình mơ 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=250 Hz, Uout=220VAC, 50Hz Discrete, Ts = 1e-006 s powergui [LF_I] [I_HF1] + Rd + v - C dc Udc V1 - LF2 g i - + [G_H1] G_H [G_L1] LF1 L LF + v - IL V G_L A i + - B I_HF AC HF1 LF2 HF2 H Bridge Subsystem HF trans [G_H2] + Rd1 + v - C dc1 g G_H [G_L2] LF1 G_L A V2 - HF1 B LF2 HF2 H Bridge1 Subsystem1 HF trans.1 [G_H3] + Rd2 + v - C dc2 g G_H [G_L3] LF1 G_L A V3 - HF1 B LF2 HF2 H Bridge2 Subsystem2 HF trans.2 SineWav e Gates high Saw Out1 Out2 HB Out3 Gates low [G_H1] [G_L1] PWM HF link Controller Out4 Out5 Out6 SineWav e HB1_G HB HB3_G 1/3 HB1 Gain2 Gates high [G_H2] Gates low [G_L2] Saw HB2_G PWM HF link Controller1 HB2 HB3 SineWav e Sawtooth Generator Gates high [G_H3] Gates low [G_L3] Saw HB [LF_I] PI(s) -K- Current errror Gain PWM HF link Controller2 Mod index [LF_U] PI current -K[LF_I] Udc/3 Error_Udc Current1 Timer PI(s) PI voltage Current Ref [LF_U] [I_HF1] Low Freq Current Low f req v oltage High f req current Error_Udc Current Hình 4.21 Mơ hình mơ khâu DC-AC pha mức dùng sơ đồ Matrix Converter c) Kết mô 88 [LF_U] LF1 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp [ ] 400 300 200 100 -100 -200 -300 -400 0.01 0.02 0.04 0.03 0.05 0.06 Time [s] Hình 4.22 Hình dạng điện áp phía xoay chiều khâu DC-AC pha mức [ ] 250 200 150 100 50 -50 -100 0 01 02 03 04 05 06 Time [s] Hình 4.23 Hình dạng dịng điện phía xoay chiều khâu DC-AC pha mức [ ] 800 600 400 200 -200 -400 -600 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Time [s] Hình 4.24 Hình dạng điện áp đầu vào phía xoay chiều khâu DC-AC pha mức [ ] 180 160 140 120 100 80 60 40 20 -20 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Time [s] Hình 4.25 Hình dạng điện áp phía chiều khâu DC-AC pha mức Nhận xét: Dạng dòng điện điện áp phía xoay chiều khâu DC-AC pha mức có dạng sin chuẩn với tần số khơng đổi Tín hiệu điện áp đầu vào nghịch lưu phía xoay chiều có dạng mức với độ đập mạch ổn định không xảy tượng áp Điện áp tụ điện chiều ổn định với độ đập mạch nhỏ 89 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Chương V BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC-AC CĨ KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI CƠNG SUẤT HAI CHIỀU 5.1 Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi cơng 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 5.1 Hình 5.1 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 90 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Kết lưới điện nhỏ có kết hợp có khả hoạt động hiệu Từ ghép nối ta thết kế hệ thống điều khiển mô biến đổi AC-DC-AC-AC có khả trao đổi cơng suất hai chiều pha sau: a) Mơ hình hệ thống điều khiển Hình 5.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển biến đổi AC-DC-AC-AC pha Trong cấu trúc 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 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 91 Mơ hình mơ b) Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Đại học Bách Khoa Hà Nội AC 110V 50Hz Udc Ref.1 Udc.Ref A B DC+ DC- Subsystem Rd Discrete, Ts = 1e-006 s Current LowF Current &Voltage Low f req v oltage High f req current High f req v oltage g i +- I_HF [GatesHigh] [HF_I] HF PI(s) -K- [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] Low Freq Current powergui [LF_I] [HF_I] [HF_U] + A B [GatesHigh] i + - Idc Idc - H Bridge [GatesLow] Gates prime Gates 2-4 SineWav e Gates 1-3 [LF_U] Error_Udc PI voltage AC V +v - LF1 [LF_U] 92 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 Hình 5.3 Mơ hình mơ biến đổi AC-DC-AC-AC pha Đại học Bách Khoa Hà Nội c) Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Công Nghiệp Kết mô [ ] 250 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 0.005 0.01 0.015 0.035 0.03 0.025 0.02 0.045 0.04 0.05 Time [s] Hình 5.4 Hình dạng điện áp vào khâu AC-DC biến đổi [ ] 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 0.02 Time [s] Hình 5.5 Hình dạng Zoom điện áp vào khâu AC-DC biến đổi [ ] 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 5.6 Hình dạng điện áp vào khâu DC-AC biến đổi [ ] 1500 1000 500 -500 -1000 -1500 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Time [s] 0.03 0.035 0.04 0.045 Hình 5.7 Hình dạng điện áp tụ điện phía chiều biến đổi 93 0.05 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp [ ] 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 5.8 Hình dạng dịng điện điện áp xoay chiều phía AC-DC 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 0.05 Time [s] Hình 5.9 Hình dạng dịng điện điện áp xoay chiều phía DC-AC Nhận xét: Kết dịng 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 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 không ổn định, xảy tượng áp với giá trị lớn 94 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp 5.2 Mô biến tần AC-DC-AC ba pha đa mức a) Mơ hình hệ thống điều khiển Hình 5.10 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 thông qua thuật toán 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 95 A B C -K- Gain1 -K- Gain3 Vabc From2 [G_HB_A] [Vabc] Goto1 [iABC] Goto From3 A B C [G_HB_B] Source Uabc A B C Iabc Source Iabc a b c Gates A+ A- Udc [SineA] Sine D2+ D1- D1+ D1D2- From7 D2+ D3+ D1+ D2D3- Sine D1+ D1D2+ D2D3+ Ud ref1 A+ A- A- A+ A- Subsystem2 D3- D3+ D2- D2+ D1- D1+ Sine Subsystem1 D3- A+ Subsystem D3- [SineB] Udc_Sum From9 [SineC] From8 D3+ D3- D3+ D2- D2+ D1- D1+ Udc levels H Bridge Multilevel Cell Gates A+ A- 1/3 Gain [G_HB_A] Goto2 [G_HB_B] Goto3 [G_HB_C] Goto4 A B C -K- [V1abc] [i1ABC] Goto6 -K- Goto5 C Ctrl_Output [SineA] Goto8 [SineB] Goto9 [SineC] Goto7 Scope1 Three-Phase Source1 C B A Gain2 Gain4 c Vabc A Source I1abc Iabc a B b A B C Udc_Sum_Error delta Ud uABC abc iABC Controller1 Source V1abc Source I1abc RL Branch1 V-I Measurement2 [i1ABC] From5 From6 [V1abc] PID(s) PID Controller1 Hình 5.11 Sơ đồ mô tổng thể biến đổi AC-DC-AC-AC đa mức Three phases Half-Bridge Cascaded Multilevel Active Rectifier cells per phase, levels Discrete, Ts = 1e-006 s A B C D3- D3+ D2- D2+ D1- D1+ Udc levels H Bridge Multilevel Cell1 Gates A+ A- levels H Bridge Multilevel Cell2 Ctrl_Output HB Gates A Scope2 Sine Ref HB Gates B HB Gates C levels H bridge PWM controller 96 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 Kết mô c) Mơ hình mơ b) Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Đại học Bách Khoa Hà Nội Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp [ ] 150 100 50 -50 -100 -150 0.05 0.1 0.15 Time [s] Hình 5.12 Hình dạng dịng điện ba pha nguồn xoay chiều phía nghịch lưu [ ] 400 300 200 100 -100 -200 -300 -400 0.15 0.1 0.05 Time [s] Hình 5.13 Hình dạng điện áp ba pha nguồn xoay chiều phía nghịch lưu [ ] 150 100 50 -50 -100 -150 -200 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Time [s] Hình 5.14 Hình dạng dịng điện ba pha nguồn xoay chiều phía chỉnh lưu 97 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp g [ ] -1 -2 -3 -4 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Time [s] Hình 5.15 Hình dạng điện áp ba pha nguồn xoay chiều phía chỉnh lưu [ ] 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 0.2 Time [s] Hình 5.16 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 98 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 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 cơng suất hai chiều Matrix-Converter  Tìm hiểu lý thuyề điều khiển PID, Deadbeat áp dụng cho biến đổi DC-AC, AC-DC  Lập trình tính tốn thông số cho điều chỉnh PID dùng biến đổi  Xây dựng mơ hình mơ chỉnh lưu đa mức, nghịch lưu đa mức, khâu truyền dẫn công suất hai chiều dùng Matix Converter Đưa nhận xét, đánh giá kết mô HƯỚNG PHÁT TRIỂN 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 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 tơi 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 99 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt: [1] Trần Trọng Minh, Điện tử công suất nâng cao, Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp Cơng nghiệp, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2010 [2] Trần Trọng Minh, Luận án Xây dựng Biến tần kiểu ma trận Bộ mơn Tự động hóa Xí nghiệp Cơng nghiệp, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2007 [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 [4] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [5] 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: [1] Ryszard Strzelecki; Grzegorz Benysek, Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks, Springer-Verlag London Limited, 2008 [2] Simone Buso, Paolo Mattavelli; Digital Control in Power Electronics; Morgan & Claypool, 2006 [3] Ali Keyhani Mohammadn Min Dai, Integration of green and renewable energy in electric power systems , 2009 [4] 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 [5] Leopoldo Silva, César Silva, Student Member, High-Voltage Multilevel Converter With Regeneration Capability, Vol 49, No 4, August 2002 [6] Surin Khomfoi and Leon M Tolbert, Multilevel Power Converters, 100 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp PHỤC LỤC Chương trình tính toán hệ số điều chỉnh cho điều chỉnh PID %Design a PI regulator for DC voltage loop Rdc = 20; %Omh Eacrms = 220; %VAC Vdc = 450; %VDC Cdc = 5000e-6; %uF syms Kp Ki ; %F = subs(G, s, i*w) %Giw = abs(F) phm = 60*pi/180; Tdc = Cdc*Rdc/2; K = Rdc*Eacrms^2/(2*Vdc); omegaCL=2*pi*25;%Cross frequency of voltage loop is low as 15 Hz k1 = sqrt(Ki^2 + (omegaCL*Kp)^2) - (omegaCL/K)*(sqrt(1+ (omegaCL*Tdc)^2)) k2 = -pi + phm - atan(1/(omegaCL*Tdc)) - atan((omegaCL*Kp)/Ki) A=solve(k1,k2); kp = double(A.Kp)%take positive results only ki = double(A.Ki)%take positive results only Kp = kp(2) Ki = ki(2) s = tf('s') G = (Kp + Ki/s)*K/(1 + s*Tdc) bodeplot(G) 101 ... YÊU CẦU VỀ BỘ BÁN DẪN CÔNG SUẤT DÙNG CHO KẾT NỐI NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ 11 1.1 Yêu cầu chế độ độ làm việc bán dẫn công suất dùng cho kết nối nguồn phát phân tán ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Trần Hùng Cường NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA BỘ BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN... nguồn lượng điện gió, lượng điện mặt trời… để thay nguồn phát truyền thống Chính thế, chọn đề tài ? ?Nghiên cứu hệ thống điều khiển chế độ làm việc song song bán dẫn công suất nguồn phát phân tán