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 tỷ lệ cộng hưởng PR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ PHƯƠNG HẢO 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 TỶ LỆ CỘNG HƯỞNG (PR) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI, NĂM 2013 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Công Nghiệp Lời cảm ơn! Được hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Trần Trọng Minh, thầy mơn Tự động hố, với nỗ lực thân, bảo, giúp đỡ động viên gia đình bạn bè em hoàn thành đề tài luận văn Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Trần Trọng Minh, người ln quan tâm động viên, khích lệ tận tình hướng dẫn em suốt trình thực luận văn Các vấn đề đề cập đến luận văn chắn không tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tác giả Lê Phương Hảo Học viên: Lê Phương Hảo Page Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp MỤC LỤC Danh mục hình vẽ Danh mục bảng ……11 Mở Đầu 12 ĐẶT VẤN ĐỀ……………………………………………………………………… .12 VẤN ĐỀ VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU…………………………………… …… 13 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI………………………………………………………… 13 Chương CẤU TRÚC TỔNG THỂ CỦA BỘ BIẾN ĐỔI 14 1.1 Cấu trúc chuyển đổi 14 1.1.1 Cấu trúc sơ 14 1.1.2 Cấu trúc chi tiết 15 1.1.3 Khâu cách ly DC-DC… ……………………… 16 1.1.4 Khâu cách ly DC-AC….……………………………………………… 16 1.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc 17 1.3 Nguyên lý điều khiển sơ đồ thông số kỹ thuật cần thiết 20 Tóm tắt 20 Chương BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC 21 2.1 Mở đầu 21 2.2 Các cấu trúc biến tần đa mức 22 2.3 Cấu trúc biến tần đa mức kiểu cầu H nối tầng 26 2.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 27 2.5 Bộ biến tần đa cấp pha dùng cầu chữ H cách ly 29 Học viên: Lê Phương Hảo Page Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp 2.5.1 Phân tích cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu mức 29 2.5.2 Cấu trúc chi tiết khối 31 2.5.3 Kết mô phỏng……………………………………………………… 32 Nhận xét 32 2.6 Bộ biến tần đa cấp ba pha……………………………………………… 32 2.6.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM…………………………… 32 2.6.2 Mơ hình mơ phỏng……………………………………………………… 32 2.6.3 Kết mô phỏng……………………………………………………… 34 Nhận xét……………………………………………………………………… 34 Chương BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC XÂY DỰNG TRÊN CẤU TRÚC BIẾN TẦN ĐA MỨC 35 3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động chỉnh lưu tích cực pha 35 3.1.1 Cấu tạo……………………………………………………………… 35 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 36 3.2 Hệ thống điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu tích cực pha………… 40 3.2.1 Phương pháp điều chỉnh dịng PI tuyến tính……………………………40 3.2.2 Phương pháp điều chỉnh dịng PI cộng hưởng (PR)……………… 41 3.3 Bộ chỉnh lưu tích cực pha………………………………………… 43 3.3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển biến đổi…………………… 3.3.2 Thông số mơ hình mơ phỏng……………………………………… 45 43 3.3.3 Cấu trúc chi tiết khối……………………………………………… 47 3.3.4 Kết mô phỏng…………………………………………………… Học viên: Lê Phương Hảo 48 Page Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Nhận xét………………………………………………………………………… 48 3.4 Bộ chỉnh lưu tích cực đa mức 49 3.4.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển……………………………………… 49 3.4.2 Thơng số mơ hình mơ 50 3.4.3 Kết mô 52 3.5 Bộ chỉnh lưu đa mức ba pha 53 3.5.1 Thuật toán điều khiển chế độ ba pha……………………………… 53 3.5.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển………………………………………… 61 3.5.3 Mơ hình mơ phỏng……………………………………………………… 63 3.5.4 Kết mô phỏng……………………………………………………… 64 Nhận xét……………………………………………………………………… 64 Chương 4: BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC ĐA MỨC XÂY DỰNG TRÊN BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC CÓ CÁCH LY TẦN SỐ CAO 65 4.1 Bộ biến đổi DC-AC-AC dùng matrix converter…………………………65 4.2 Điều chế PWM cho biến đổi DC-AC-AC dùng matrix converter… 66 4.3 Điều khiển chuyển mạch cho Matrixconverter……………………… 69 4.4 Nghịch lưu đa mức xây dựng biến đổi DC-AC-AC…………… 74 4.5 Ứng dụng nghịch lưu đa mức nối tầng…………………………… 75 4.6 Bộ chỉnh lưu tích cực xây dựng biến đổi DC-AC-AC……… 76 4.6.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển cho biến đổi……………………… 76 4.6.2 Thông số mơ hình mơ phỏng………………………………………… 79 Học viên: Lê Phương Hảo Page Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp 4.6.3 Cấu trúc chi tiết khối……………………………………………… 81 4.6.4 Kết mô phỏng……………………………………………………… 83 Nhận xét……………………………………………………………………… 84 4.7 Bộ chỉnh lưu tích cực đa mức nối tầng xây dựng biến đổi DCAC-AC………………………………………………………………………… 85 4.7.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển cho biến đổi……………………… 85 4.7.2 Thơng số mơ hình mơ phỏng………………………………………… 86 4.7.3 Kết mô phỏng……………………………………………………… 88 Nhận xét………………………………………………………………………………… 88 4.8 Bộ chỉnh lưu tích cực đa mức ba pha nối tầng xây dựng biến đổi DC-AC-AC…………………………………………………………………… 89 4.8.1 Cấu trúc điều khiển……………………………………………………… 89 4.8.2 Thông số mơ hình mơ phỏng………………………………………… 91 4.8.3 Kết mơ phỏng……………………………………………………… 92 Nhận xét……………………………………………………………………… 93 4.9 Hệ thống điều khiển dòng lượng UPFC………………………… 93 4.9.1 Nguyên lý điều khiển UPFC…………………………………………… 93 4.9.2 Ngun lý điều khiển dịng cơng suất………………………………… 95 CHƯƠNG 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TỔNG THỂ CỦA BỘ BIẾN ĐỔI 101 5.1 Bộ biến đổi tổng thể……………………………………………… 101 5.1 Mơ hình mơ phỏng……………………………………………… …….103 Học viên: Lê Phương Hảo Page Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp 5.2 Kết mô phỏng………………………………………………… … 104 Nhận xét…………………………………………………………………… ….105 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 108 Học viên: Lê Phương Hảo Page Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Cấu trúc tổng thể biến đổi……………………………………………14 Hình 1.2: Cấu trúc sơ biến đổi…………………………………………… 15 Hình 1.3: Mơ hình cấu trúc biếnđổi………………………………………………… 15 Hình 1.4: Mơ hình biến đổi pha với khâu cách ly DC-DC………………… 16 Hình 1.5: Mơ hình biến đổi pha với khâu cách ly DC-AC kết hợp với khâu Cyclo-Converter…………………………………………………………………………… 17 Hình 1.6: Cấu trúc chi tiết ba pha biến đổi với trình chuyển đổi đa cấp…………………………………………………………………………………………… 19 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc biến tần đa mức dùng điơt chốt…………………… 23 Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc biến tần đa mức dùng flying-capacitor……………… 24 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc biến tần đa mức kiểu nối tầng……………………… 25 Hình 2.4: Sơ đồ đa mức dùng cầu H-bridge………………………………………… 26 Hình 2.5: Phương pháp điều chế PWM dịch pha cho nghịch lưu cầu H nối tần 28 Hình 2.6: Mơ hình mơ biến tần mức pha………………………… 30 Hình 2.7: Khâu tạo hệ thống xung tam giác ngược pha 180o…………… 31 Hình 2.8: Khâu tạo tín hiệu xung đóng cắt van cầu………….… Hình 2.9: Hình dạng điện áp ra……………………………………………………… 32 31 Hình 2.10: Tín hiệu điều chế PWM cho biến tần ba pha ba cấp………………… 33 Hình 2.11: Mơ hình mơ biến tần đa mức ba pha…………………………… 33 Học viên: Lê Phương Hảo Page Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Hình 2.12: Hình dạng điện áp ba pha………………………………………… 34 Hình 3.1: Sơ đồ chỉnh lưu pha…………………………………………………… 35 Hình 3.2: Mạch điện tương đương (a) biểu đồ vector (b)……………………… 37 Hình 3.3: Chiều dòng điện V1, V4 điều khiển mở, iL   0 > ………………… 39 Hình 3.4: Chiều dịng điện V2, V3 điều khiển mở, i L > 0…………… 39 Hình 3.5: Đáp ứng điều chỉnh PI……………………………………………… 41 Hình 3.6: Cấu trúc điều chỉnh cộng hưởng PR……………………………… 42 Hình 3.7: Đáp ứng điều chỉnh cộng hưởng………………………………… Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống cấu trúc điều khiển………………………………………… 44 Hình 3.9: Mơ hình mơ mạch chỉnh lưu tích cực pha…………………… 46 43 Hình 3.10: Cấu trúc điều chỉnh dịng điện PID…………………………………… 47 Hình 3.11: Cấu trúc mơ khâu điều chế độ rộng xung PWM………………… 47 Hình 3.12: Tín hiệu điện áp đặt điện áp chiều đầu biến đổi…… 48 Hình 3.13: Hình dạng dịng điện điện áp lưới biến đổi………………… 48 Hình 3.14: Tín hiệu đầu điều chỉnh PR…………………………………… 48 Hình 3.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tíc cực ba mức…………………… 49 Hình 3.16: Mơ hình mơ chỉnh lưu tích cực đa mức pha………………… 51 Hình3.17: Hình dạng điện áp dịng điện lưới biến đổi………………… 52 Hình 3.18: Tín hiệu điện áp đặt điện áp chiều đầu biến đổi…… 52 Học viên: Lê Phương Hảo Page Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Hình 3.19: Tín hiệu dịng điện chiều biến đổi…………………………… 52 Hình 3.20: Hệ tọa độ 0αβ………………………………………………………………… 54 Hình 3.21: Mơ hình mơ chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ 0αβ… 55 Hình 3.22: Đồ thị thể trình chuyển từ hệ trục tọa độ 0αβ sang hệ tọa độ 0dq…………………………………………………………………………………………… 56 Hình 3.23 : Mơ hình mơ chuyển đổi hệ tọa độ từ 0αβ sang hệ tọa độ 0d 57 Hình 3.24 : Mơ hình mô chuyển đổi hệ tọa độ từ 0dq sang hệ tọa độ abc 58 Hình 3.25: Mơ hình mơ điểu chỉnh dịng điện hệ tọa độ odq… 58 Hình 3.26: Biểu diễn đại lượng vector tọa đô dq tựa điện áp…………… 59 Hình 3.27: Cấu trúc khối đồng tựa điện áp lưới PLL…………………………… 61 Hình 3.28: Cấu trúc điều khiển biến đổi……………………………………… 62 Hình 3.29: Mơ hình mơ chỉnh lưu đa mức ba pha……………………… 63 Hình 3.30: Tín hiệu sai lệch lượng đăt đầu tổng phía chiều… 64 Hình 3.31: Tín hiệu điện áp pha C………………………………………………… 64 Hình 3.32: Tín hiệu điện áp tổng hợp ba pha………………………………… 64 Hình 4.1: Sơ đồ biến đổi DC-AC-AC dùng matrix converter………………… 65 Hình 4.2: Mẫu xung điều khiển PWM cho matrix converter……………………… 67 Hình 4.3: Đồ thị bóng trạng thái chuyển mạch hai pha đầu vào 69 Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc khâu chuyển mạch van hai chiều Cyclo-Conveter…… 69 Học viên: Lê Phương Hảo Page ... điều khiển, kiểm sốt tốt nguồn lượng Việc ghép nối làm việc song song nguồn phát phân tán nhằm mục đích quy họp nguồn lượng nhỏ lẻ thành nguồn phát có cơng suất lớn trao đổi linh hoạt cơng suất. ..p2 4.9.2 Nguyên lý điều khiển dịng cơng suất Bộ biến đổi nối tiếp UPFC điều khiển cơng suất tác dụng công suất phản kháng tức thời, sinh điện áp V bus điều khiển ac dòng điều khiển is đường d...s Thực tế Vc ( pc ) điều khiển công suất phản kháng q nơi UPFC lắp đặt • Dĩ nhiên việc điều khiển công suất tác dụng p thông qua Vc (qc ) khơng tách • hồn hảo việc điều khiển công suất phản khá