Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khoa công suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - C H LƯƠNG TRẦN NGHĨA NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU U TE KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM H SỐ KHĨA CƠNG SUẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chun ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số ngành: 60 52 50 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2012 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG Cán chấm nhận xét : C H Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: U TE (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) H Xác nh Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Khoa quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày … tháng… năm 2012 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LƯƠNG TRẦN NGHĨA Giới tính: Nam Ngày, tháng năm sinh: 24 / 09 / 1986 Nơi sinh: CÀ MAU Chuyên ngành: Thiết bị, mạng nhà máy điện MSHV: 1081031018 C H I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHĨA CƠNG SUẤT U TE II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Giới thiệu nghịch lưu đa bậc ứng dụng Trình bày cấu trúc nghịch lưu đa bậc giảm số khóa công suất phương pháp điều khiển Mô nghịch lưu đa bậc giảm số khóa cơng suất H matlab/simulink Đánh giá kết luận III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/09/2011 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/03/2012 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình khác C H nêu Luận văn trung thực chưa công bố công Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn H U TE cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực luận văn Lương Trần Nghĩa LỜI CẢM ƠN Xin gởi lời cám ơn chân thành đến PGS.TS Phan Quốc Dũng nhiệt tình hướng dẫn tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Xin chân thành gửi lời cám ơn đến toàn thể quý thầy cô trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp Hồ Chí Minh giảng dạy, hướng dẫn tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu C H Xin cám ơn anh chị em lớp 10SMĐ ngành Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện chia sẻ, hỗ trợ, giúp đỡ suốt trình học tập vừa qua Cuối cùng, quan trọng nhất, xin gửi lời cám ơn đến thành viên U TE gia đình bạn bè động viên, khích lệ, hỗ trợ cách hay cách H khác cho công việc học tập Xin chân thành cảm ơn! Học viên thực Lương Trần Nghĩa i TÓM TẮT ĐỀ TÀI Để khắc phục nhược điểm phương pháp SHE, hai báo [15] & [16] đưa phương pháp đơn giản trực tiếp xác định góc kích, hai cách khác nhau, áp dụng tính góc kích cho nghịch lưu đa bậc dạng cascaded Hai phương pháp làm giảm số lượng tính tốn cần thiết, khơng giải phương trình phi tuyến, tính tốn số hàm lượng giác Trong luận văn này, tập trung phâp tích, cải tiến hai phương pháp [15] &[16] để áp dụng tính góc kích C H cho nghịch lưu đa bậc giảm số khóa cơng suất [3] Bài báo [3] giới thiệu cấu trúc nghịch lưu đa bậc cấu trúc giảm số khóa cơng suất so với cấu trúc truyền thống số bậc điều chế, U TE báo xây dựng nghịch lưu đa bậc giảm số khóa mà khơng đề cập đến phương pháp điều khiển nên Luận văn đề xuất phương pháp điều khiển (rút từ [15] & [16]) cho nghịch lưu Nó kiểm chứng mơ matlab/simulink Tuy nhiên cịn số hạn chế, giảm số khóa cấu trúc truyền thống số bậc lớn 7, số bậc điều chế phụ thuộc vào số khóa H unit số unit ii ABSTRACT To overcome the disadvantages of the SHE method, two papers [15] & [16] gave a simple method directly determines conducting angle, for two different ways to apply determines conducting angle in inverters cascaded These methods reduce the amount of computation required, not solving nonlinear equations, calculating only some trigonometric functions In this analysis focused measures, improvements in the two methods [15] & [16] to apply determines conducting angle C H for multi-level inverter With Reduced Number of Switches [3] The paper [3] has introduced a new structure of multi-level inverters are key structures reduce capacity than traditional structure with some degree of modulation, this paper only inverter multi-building reduce the number of key steps U TE that not mention the method should control thesis proposes a new control methods (drawn from [15] & [16]) for this inverter It is verified by simulation in matlab / simulink But there are some limitations, only reduce the number of courses than the traditional structure of rank greater than degrees of modulation H depends on the number keys on each unit and the unit in a set iii MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỀ TÀI i ABSTRACT ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG .vi DANH MỤC CÁC HÌNH .viii MỞ ĐẦU C H Chương 1: TỔNG QUAN …………… 1.1 Giới thiệu sơ lược nghịch lưu đa bậc 1.2 Một số cấu trúc phổ biến nghịch lưu đa bậc U TE 1.2.1 Bộ nghịch lưu đa bậc dạng diode kèm (Diode-clamped multilevel converters) 1.2.2 Bộ nghịch lưu đa bậc dạng tụ kèm (Flying capacitor multilevel converters) 1.2.3 Bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascaded (cascaded multilevel H converters) 1.3 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu đa bậc 1.3.1 Phương pháp sóng mang (multilevel carrier-based PWM) 1.3.2 Phương pháp vector không gian (multilevel space vector PWM) 12 1.3.3 Phương pháp khử sóng hài chọn lọc (Selective Harmonic elimination) 14 1.4 Một số ứng dụng nghịch lưu đa bậc thực tế 16 Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 19 2.1 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc giảm số khóa 19 iv 2.1.1 Cấu trúc ghép khóa 19 2.1.2 So sánh cấu trúc giảm số khóa với cấu trúc khác 22 2.1.3 Một số cấu trúc tối ưu 27 2.1.4 Cấu trúc tối ưu cho giảm số khóa kết luận 31 2.2 Phương pháp điều khiển 32 2.2.1 Phương pháp on-line xác định góc kích cho multilevel cascaded inverter 32 C H 2.2.2 Phương pháp Kang [16] 45 2.2.3 Phương pháp cải tiến cho nghịch lưu đa bậc giảm số khóa 54 2.2.3.1 Phương pháp on-line cải tiến cho nghịch lưu giảm số khóa 54 U TE 2.2.3.2 Phương pháp Kang cải tiến cho nghịch lưu giảm số khóa .57 2.2.4 So sánh phương pháp online phương pháp Kang điều kiển cho nghịch lưu đa bậc giảm số khóa 60 Chương 3: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHĨA CƠNG SUẤT BẰNG MATLAB/SIMULINK……………………………………………69 H A - XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG BẰNG MATLAB/SIMULINK 69 B - CHẠY MƠ HÌNH MƠ PHỎNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ONLINE CẢI TIẾN 75 3.1 Mô nghịch lưu đa bậc giảm khóa cơng suất 75 3.2 Khảo sát đánh giá kết mô 83 Chương 4: KẾT LUẬN .85 Kết đạt hướng phát triển Tài liệu tham khảo………………………………………………………………….88 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PMW (pulse width modulation): điều chế độ rộng xung SPWM (sinusoidal pulse width modulation): điều chế độ rộng xung dạng sóng sin THPWM (third harmonic injection pulse width modulation): điều chế độ rộng xung têm hài bậc ba SVM (space vector pulse width modulation): điều chế độ rộng xung véc tơ không gian SH-PWM (subharmonic pulse width modulation): điều chế độ rộng xung với hài C H bội SFO-PWM (switching frequency optimal pulse width modulation): điều chế độ rộng xung với tần số đóng cắt tối ưu U TE SHE (Selective harmonic elimination): khử sóng hài chọn lọc SDCS: (source dc shares): điện áp nguồn độc lập BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IEGT, IGCT, SCR: ký hiệu tên linh kiện điện tử công suất H Nstep: số bậc sóng điện áp Nswitch: số khóa cơng suất nghịch lưu : số nguồn dc nghịch lưu : điện áp đỉnh khóa THD%: tổng số độ méo dạng sóng hài vref : điệp áp tham chiếu : góc điều khiển khóa cơng suất Vdc : điện áp nguồn dc M: tỷ số điều biên III PHÂN TÍCH PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN “ONLINE” CHO BỘ NGHỊCH LƯU CASCADED TRUYỀN THỐNG ĐỂ KHẮC PHỤC MỘT SỐ NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG TE  C H SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP ONLINE PHÁP SHE, PHƯƠNG PHÁP ONLINE TIẾP CẬN TRỰC TIẾP VỚI CÁC TÍNH TỐN ĐƠN GIẢN HƠN TỔNG HỢP CHÍNH H  U XÁC ĐỊNH GĨC KÍCH XÁC CÁC THÀNH PHẦN SÓNG ĐIỆN ÁP NGÕ RA, GIẢM THIỂU ĐỘ MÉO DẠNG VÀ HỆ SỐ THD TRÊN TOÀN PHẠM VI ĐIỀU BIÊN  PHƯƠNG PHÁP NÀY LÀ MỘT SỰ KẾT HỢP CỦA PHƯƠNG PHÁP DIỆN TÍCH VÀ NGUYÊN LÝ XẾP CHỒNG H NHỮNG GĨC KÍCH CĨ ĐƯỢC BẰNG CÁCH CHIA SĨNG ĐIỆN C  TE ÁP THAM CHIẾU THEO CHIỀU DỌC, THÀNH NHỮNG KHU VỰC ĐIỆN ÁP, TƯƠNG ỨNG VỚI NÓ LÀ MỖI GĨC KÍCH θ TỪ ĐĨ XÁC  H U ĐỊNH GĨC KÍCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN PHƯƠNG PHÁP NÀY ỨNG DỤNG CHO BỘ NGHỊCH LƯU CASCADED KIỂU CẦU-H CÁC BƯỚC XÁC ĐỊNH GĨC KÍCH H U TE C H 1- TRƯỚC TIÊN, PHÂN CHIA DIỆN TÍCH SĨNG ĐIỆN ÁP THAM CHIẾU THÀNH k LẦN BẰNG CÁCH PHÂN PHỐI CÁC GÓC α XÁC ĐỊNH ĐỘ LỚN THEO DẠNG SIN VỚI THÀNH PHẦN CƠ BẢN CHO MỖI BẬC CỦA BƯỚC XUNG DẠNG SÓNG ÁP RA, BẰNG CÁCH SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP DIỆN TÍCH TE C H 2- H U 3- TÍNH TỐN GĨC KÍCH θj CHO TỪNG BẬC ĐỂ BIÊN ĐỘ CỦA CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA SÓNG VUÔNG BẰNG Mj CUỐI CÙNG PHƯƠNG PHÁP ONLINE ĐÃ XÂY DỰNG ĐƯỢC CƠNG THỨC XÁC ĐỊNH GĨC KÍCH NHƯ SAU: C H Khi góc α xác định sau: TE Tương ứng với tỷ số điều biên M < 0.64 U Tương ứng với tỷ số điều biên M > 0.64, H 4- d hệ số, xác định THD% IV CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP “ONLINE” ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHÓA - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỚI CŨNG THỰC HIỆN CÁC CUỐI CÙNG TA CŨNG XÂY DỰNG ĐƯỢC CÔNG THỨC C - H BƯỚC TƯƠNG TỰ NHƯ PHƯƠNG PHÁP ONLINE H U TE TÍNH GĨC KÍCH CHO BỘ NGHỊCH LƯU NHƯ SAU: Do đặc điểm cấu tạo cấu trúc giảm số khóa khác với cấu trúc cascaded truyền thống nên giá trị N tính sau: XÂY DỰNG MƠ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU GIẢM SỐ KHĨA C - H V CHẠY MƠ PHỎNG VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỚI CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHOA TE VÀ CHẠY MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỀ XUẤT MÔ PHỎNG CHO BỘ NGHỊCH LƯU 11 BẬC VÀ BỘ U - H NGHỊCH LƯU 41 BẬC MÔ PHỎNG CHO BỘ NGHỊCH LƯU 11 BẬC, TỶ SỐ ĐIỀU BIÊN M=0.6 Dạng sóng điện áp nghịch lưu H C TE U -1 H Step-pulse output voltage waveform, [Va/Vdc] -2 -3 -4 -5 0.005 0.01 0.015 0.02 Time (s) 0.025 0.03 0.035 0.04 Phân tích phổ sóng hài khơng xét đến hài bội 3, THD = 9.893%, (11 bậc) H 3.5 C TE 2.5 U 1.5 H Voltage, Vn/Vdc 0.5 11 13 15 17 Harmonic order 19 21 23 25 27 29 31 Phân tích phổ sóng hài có xét đến hài bội 3, THD = 24.05%, (11 bậc) H 3.5 C TE 2.5 U 1.5 H Voltage, Vn/Vdc 0.5 11 13 15 17 Harmonic order 19 21 23 25 27 29 31 MÔ PHỎNG CHO BỘ NGHỊCH LƯU 41 BẬC VỚI TỶ SỐ ĐIỀU BIÊN M=0.63 Dạng sóng điện áp nghịch lưu 41 bậc C H 15 TE 10 U -5 H Step-pulse output voltage waveform, [Va/Vdc] 20 -10 -15 -20 0.005 0.01 0.015 0.02 Time (s) 0.025 0.03 0.035 0.04 Phân tích phổ sóng hài không xét đến hài bội 3, THD = 3.543%, (41 bậc) 20 18 H 16 C TE 12 10 U H Voltage, Vn/Vdc 14 11 13 17 15 Harmonic order 19 21 23 25 27 29 31 Phân tích phổ sóng hài có xét đến hài bội 3, THD = 8.349%, (41 bậc) 20 18 H 16 C TE 12 10 U H Voltage, Vn/Vdc 14 11 13 15 17 Harmonic order 19 21 23 25 27 29 31 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ - DỰA VÀO HAI ƯU ĐIỂM NỔI BẬT: THỨ NHẤT, CẤU TRÚC ĐIỀU CHẾ ĐƯỢC SỐ BẬC LỚN NHƯNG SỐ KHĨA CƠNG SUẤT H THẤP THỨ HAI LÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TÍNH TỐN C ĐƠN GIẢN NÊN ĐỀ TÀI ĐỀ XUẤT MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TE KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH VỚI SỐ BẬC LỚN GIẢM ĐỘ MÉO BỘ NGHỊCH LƯU NÀY CẦN NHIỀU NGUỒN DC ĐỘC LẬP, H - U DẠNG HỌA TẦN VÀ SÓNG ÁP RA GẦN SIN DO ĐÓ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO LÀ ĐIỀU CẦN QUAN TÂM ĐỀ NGHỊ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI VÀO HỆ THỐNG NỐI LƯỚI CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI H C TE U H ... TÀI: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHĨA CƠNG SUẤT U TE II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Giới thiệu nghịch lưu đa bậc ứng dụng Trình bày cấu trúc nghịch lưu đa bậc giảm số. .. nghiên cứu nghịch lưu đa bậc giảm số khóa cồng suất, thứ ba nghiên cứu phương pháp điều khiển [4] & [5] để ứng dụng cho nghịch lưu giảm số khóa cơng suất NỘI DUNG 2.1 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc. .. 1.4 Một số ứng dụng nghịch lưu đa bậc thực tế 16 Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 19 2.1 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc giảm số khóa