Study on decentralized control method for multilevel converter

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ AN NHUẬN NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN CHO BỘ ĐA BẬC KIỂU MODULE CHUYÊN NGÀNH :KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ HỌC VIÊN: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH,năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên Cán hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Phan Quốc Dũng Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê An Nhuận MSHV: 1770572 Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1994 Nơi sinh: Tỉnh Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số : 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN CHO BỘ ĐA BẬC KIỂU MODULE II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển phân tán - Đọc lý thuyết điều khiển phân tán cho trường hợp - Tiến hành mô cho trường hợp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/02/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/06/2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên PGS.TS Phan Quốc Dũng Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) LỜI CÁM ƠN  Tơi xin gửi đến Thầy Nguyễn Đình Tun, Thầy Phan Quốc Dũng kính trọng lịng biết ơn sâu sắc Cảm ơn hai Thầy giảng dạy kiến thức kinh nghiệm cung cấp tài liệu để tơi hồn thành luận văn Thầy tạo điều kiện tốt để nghiên cứu, nâng cao kiến thức tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học Thật vinh dự tự hào học tập làm việc Thầy suốt thời gian qua Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cô PTN Nghiên cứu Điện tử công suất, môn Cung cấp điện, Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh nâng đỡ dìu dắt, truyền đạt cho tơi kiến thức kinh nghiệm q báu suốt q trình tơi học tập trường Tôi xin cảm ơn giúp đỡ anh chị em PTN Nghiên cứu điện tử công suất – 115B1, bạn cao học đồng hành, hỗ trợ, chia sẻ giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Cuối quan trọng tơi gia đình tôi, nguồn động lực, chổ dựa vững để tơi vượt qua khó khăn hạn chế thân Cám ơn bố, mẹ hiểu, định hướng, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho theo đuổi đam mê Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2019 Lê An Nhuận TĨM TẮT LUẬN VĂN Bài viết trình bày việc thực điều khiển phân tán để kiểm soát biến đổi đa bậc với sóng mang lệch pha.Phương pháp đề xuất sử dụng kết nối cục điều khiển độc lập khác nhau, cho phép chúng tự điều chỉnh sóng mang khơng cell kích hoạt loại bỏ Ngồi ra, cịn nghiên cứu phương pháp khác biệt nguyên tắc sử dụng kết nối cục từ hai điều khiển sơ cấp độc lập lân cận điều khiển phân tán thông thường, phương pháp đề xuất sử dụng thông tin cục từ điều khiển sơ cấp độc lập lân cận cho phép chúng tự điều chỉnh sóng mang ABSTRACT This paper presents the implementation of a decentralized modulation for the control of multilevel converters requiring phase-shifted carriers Contrary to the principle using a "master" controller providing a set of interleaved carriers, the proposed method uses local interconnections between different independent elementary controllers allowing them to self-align their own carrier regardless the number of actives cells Besides in difference of principle using local interconnections from two neighbor independent elementary controllers in the conventional decentralized control, the proposed method uses local informations from only one neighbor independent elementary controller allowing them to self-align their own carriers regardless the number of actives cells LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận nêu luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu Tác giả luận văn Lê An Nhuận LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển điện tử công suất 1.2 Ý nghĩa điện tử công suất sống 1.3 Lý chọn đề tài 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Phạm vi nghiên cứu hướng phát triển CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển số 2.2.Liên kết sóng mang 11 2.3.Phương trình phương pháp 12 2.4.Phương pháp cập nhật với hệ số K cell lấy thông tin từ cell liền kề 14 2.5.Phương pháp cập nhật cần dùng thơng tin từ cell với cell lân cận 16 CHƯƠNG III HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRÊN PLECS 20 3.1Giới thiệu 20 3.2 Sơ đồ hệ thống Plecs 21 a.Sơ đồ mạch cell xây dựng phần mềm Plecs 21 b Phương pháp cập nhật sử dụng hệ số K 33 c Phương pháp cập nhật cần dùng thơng tin từ cell với cell lân cận 71 3.3 Kết luận chương 83 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 84 4.1 Hạn chế 84 4.2 Hướng phát triển 84 CHƯƠNG V TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 87 GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển điện tử công suất Điêṇ tử công suất bắt đầu từ viêc ̣ Peter Cooper Hewitt phát minh chỉnh lưu hồ quang thủy ngân vào năm 1902 Nó đươc ̣ sử duṇ g để biến đổi dòng điêṇ xoay chiều (AC) thành dòng môṭ chiều (DC) Từ thâp ̣ niên những năm 1920s, những nghiên cứu về những thiết bi đ ̣óng cắt có thể điều khiển đươc ̣ thyratrons và khóa hồ quang thủy ngân rất đươc ̣ quan tâm Vào thời gian đó Uno Lamm đã phát minh khóa thủy ngân với các điện cực biến đổi thích hợp cho truyền tải điện áp trực tiếp điện áp cao Năm 1933 chỉnh lưu selenium đời Năm 1947, bóng bán dẫn điểm lưỡng cực đươc ̣ phát minh bởi Walter H Brattain và John Bardeen taị Bell Labs Năm 1948 Shockley's phát minh BJT đã tăng cương tính ởn định , hiệu śt và giảm giá thành transistors Những năm 1950s, những diode bán dẫn công suất lớn bắt đầu phổ biến thi ̣trường và thay thế các loaị đèn chân không Năm 1956 SCR đươc ̣ giới thiêụ bởi General Electric đã tăng mức công suất các thiết bi ̣biến đổi lên rất nhiều lần Những năm 1960s là giai đoaṇ cải thiêṇ về tốc đô ̣của BJT nhờ đó cho phép taọ những bô ̣DC/DC tầng số cao Kế đến là những năm 1976 MOSFETs đời và 1982 IGBT và thương mại hóa đã taọ nền tảng cho ngành điêṇ tử công suất đại ngày GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN 1.2 Ý nghĩa điện tử công suất sống Sự phát triển công nghệ thiết bị thế kỷ 20 đã tăng cường quan tâm đến hệ thống điện Nền văn minh đại dựa nhu cầu lượng ngày càng tăng và thay thế hoạt động người những cỗ máy phức tạp ngày phổ biến, đó, các nghiên cứu về thiết bị phát điện chuyển đổi lượng ngày trở nên quan trọng Do đó, chủn đởi lượng kiểm sốt q trình chủn đởi lượng hai vấn đề yêu cầu phải đáng tin cậy, an toàn sẵn sàng để thực tất yêu cầu, từ phía người sử dụng và các quy định pháp lý, và để giảm tác động không tốt đến môi trường Hiện nay, điêṇ tử công suất có măṭ hầu hết các thiết bi ̣sử duṇg điêṇ chúng ta Điêṇ tử công suất đã giúp cho việc sử dụng điện cách hiệu quả, an toàn và thuâṇ tiêṇ Điêṇ tử công suất đóng vai trò quan trọng mơ hình cơng nghệ và thiết kế để điều khiển lượng Dòng điện,điện áp đặc tính đóng ngắt linh kiện bán dẫn liên tục hoàn thiện,phạm vi ứng dụng ngày càng mở rộng chiếu sáng, nguồn, điều khiển độngcơ,tự động hóa cơng nghiệp, giao thơng, lưu trữ lượng, truyền tải điện xa với hiệu suất cao với đặc điểm điều khiển chặt chẽ đã giúp cho điêṇ tử công suất có lợi thế nhiều điều khiển động so với hệ thống điều khiển điện trước GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Hình 3.42 Góc pha sóng mang trường hợp sóng mang Hình 3.43 Giá trị góc lệch sóng mang trường hợp sóng mang GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 73 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN *) Trường hợp sóng mang k 0 k 0 0 Thông số đầu vào 1  2 N  180 Hình 3.44 Góc sóng mang trường hợp sóng mang Hình 3.45 Góc pha sóng mang trường hợp sóng mang GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 74 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Hình 3.46 Giá trị góc lệch sóng mang trường hợp sóng mang *) Trường hợp sóng mang k 0 k 0 Thông số đầu vào 1  2 N  180 Hình 3.47 Góc sóng mang trường hợp sóng mang GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 75 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Hình 3.48 Góc pha sóng mang trường hợp sóng mang Hình 3.49 Giá trị góc lệch sóng mang trường hợp sóng mang GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 76 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN *) Trường hợp sóng mang k 0 k 0 0 Thông số đầu vào 1  2 N  180 Ở phương pháp ở trường hợp sóng mang hệ thớng hoạt động bình thường khác với phương pháp cở điển về phương pháp hệ số K ở phương pháp này cần sóng mang trở lên Hình 3.50 Liên kết sóng mang trường hợp cell Hình 3.51 Góc sóng mang trường hợp sóng mang GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 77 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Hình 3.52 Góc pha sóng mang trường hợp sóng mang Hình 3.53 Giá trị góc lệch sóng mang trường hợp sóng mang GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 78 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Dựa vào kết mô cho trường hợp 2,3,4 và sóng mang ta Bảng 3.4 Bảng 3.4 Sớ lượng sóng mang Thời gian xác lập 2 17 25 Đồ thị Đồ thị tương quan giữa số lượng sóng mang và thời gian xác lập 2 17 25 Hình 3.54 Đồ thị tương quan số lượng sóng mang thời gian xác lập GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 79 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN *) Thay đổi số lượng cells tái cấu trúc lại sóng mang Phương pháp này đảm bảo ổn định hệ thống trường hợp cần thiết dù thêm thêm loại bỏ cell khỏi hệ thống Điều giữ cho hệ thống ổn định có vấn đề cell hệ thống Ở ta loại bỏ cell mơ hình ở hình 3.55 thêm vào Vì tính mạnh mẽ thuật tốn cập nhật, hệ thớng tự nhiên hội tụ về trạng thái xen kẽ dự kiến điểm cân Hình 3.55 Nguyên tắc cập nhật có cell bị ngắt khỏi hệ thống GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 80 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Trong trường hợp mô này đầu tiên ta loại bỏ cell 4,5 để cho cell 1,2 hoạt động tới lần lặp thứ 0.03s Hình 3.56 Tái cấu trúc cell xuống cell Tiếp đó từ vòng lặp 0.03 tới vòng lặp 0.065 cell hoạt động lại Hình 3.56 Tái cấu trúc cell lên cell GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 81 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Tiếp đó từ 0.065 đến 0.1 cell kích hoạt lại đó hệ thớng quay lại cell bình thường Hình 3.57 Tái cấu trúc cell lên cell Dưới là đoạn Code để thực điều chỉnh thời gian tăng giảm cell time_on_1 = 1/200*Time_max; time_off_1 = 200/200*Time_max; time_on_2 = 1/200*Time_max; time_off_2 = 200/200*Time_max; time_on_3 = 30/200*Time_max; time_off_3 = 150/200*Time_max; time_on_4 = 60/200*Time_max; time_off_4 = 1/200*Time_max; time_on_5 = 130/200*Time_max; time_off_5 = 1/200*Time_max; GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 82 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Hình 3.58 Tái cấu trúc pha sóng mang tồn q trình Những thay đởi thực hệ thống từ cell xuống cell cho đến quay lại cell kết thúc mô cho thấy mọi trường hợp, hệ thống tự điều chỉnh không cần bất kỳ trợ giúp khác để đạt đến trạng thái cân dự kiến Và trình hội tụ củng diễn nhanh sau vài vịng lặp đã hội tụ 3.3 Kết luận chương Chương này đã xây dựng phần mô về điều khiển phân tán cho trường hợp từ phương pháp cổ điển, phơng pháp hệ số K phương pháp cập nhật cho kết giống với lý thuyết đưa Và củng đưa ưu khuyết điểm phương pháp GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 83 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN CHƯƠNG IV KẾT LUẬN Luận văn đã đáp ứng nhu cầu tìm hiểu xây dựng mơ phongr về điều khiển phân tán cho phương pháp từ cổ điển, hệ số K cho đến phương pháp cập nhật nhất cần dùng cell thay cell phương án trước Nắm vững kiến thức về điện tử công suất và phương pháp điểu khiển phân tán Nắm vững kiến thức về sử dụng phần mềm mô PLECS hiểu xây dựng mô phong mạch phần mềm Kết mô luận văn này sử dụng để tiến hành thực nghiệm mô cho nghiên cứu về giải thuật điều khiển phân tán tiếp theo 4.1 Hạn chế Luận văn đã trình bày về lý thuyết mô về điều khiển phân tán chưa tiến hành thực nghiệm được, kết dừng lại ở việc mô mà chưa xây dựng mạch thực tế để kiểm chứng 4.2 Hướng phát triển Tiếp tục nghiên cứu về điều khiển phân tán ứng dụng cho biến đổi đa bậc cách xây dựng mạch thực nghiệm chạy kết để kiểm chứng Mô thực nghiệm ở điều khiển dòng và điều khiển áp cho giải thuật điều khiển phân tán GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 84 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN CHƯƠNG V TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L-A Gregoire, I Seleme, M Cousineau, P Ladoux, "Real-Time Simulation of Interleaved Converters with Decentralized Control" in ICREPQ, Madrid, 1964, pp 1564 [2] G Gateau, P Q Dung, M Cousineau, P U T Do and H N Le, "Digital implementation of decentralized control for multilevel converter", 2017 International Conference on System Science and Engineering (ICSSE), Ho Chi Minh City, 2017, pp 558562 [3] S I Seleme, L A Gregoire, M Cousineau and P Ladoux, "Decentralized Controller for Modular Multilevel Converter," PCIM Europe 2016; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2016, pp 1-8 [4] H D Thai, O Deleage, H Chazal, Y Lembeye, R Rolland and J Crebier, "Design of Modular Converters; Survey and Introduction to Generic Approaches," 2009 TwentyFourth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Washington, DC, 2009, pp 1427-1433 [5] J Rodriguez, S Bernet, B Wu, J O Pontt and S Kouro, "Multilevel Voltage- Source-Converter Topologies for Industrial Medium-Voltage Drives," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 54, no 6, pp 2930-2945, Dec 2007 [6] A Bhinge, N Mohan, R Giri and R Ayyanar, "Series-parallel connection of DC- DC converter modules with active sharing of input voltage and load current," APEC Seventeenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (Cat No.02CH37335), Dallas, TX, USA, 2002, pp 648-653 vol.2 GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 85 LUẬN VĂN THẠC SĨ [7] HVTH: LÊ AN NHUẬN M.Cousineauand Z.Xiao,"Fully masterless control of parallel converter," in Power Electronics and Applications(EPE),2013 15th European Conference on, 2013, pp 1-10 [8] M.Cousineau, Z.Xiao,"Fully decentralized modular approach for parallel converter control," inProc.APEC Applied Power Electronics Conf., US Long Beach, CA, 17-21 March 2013 , pp 237-243 [9] M.Cousineau, M.LeBolloch, N.Bouhalli, E.Sarraute, and T.Meynard,"Triangular carrier self-alignment using modular approach for interleaved converter control," in Power Electronics and Applications (EPE 2011), Proceedings of the 201 I-14th European Conference on, 20 II , pp 1-10 GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 86 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Lê An Nhuận Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1994 Nơi sinh: Tỉnh Bình Định Địa liên lạc: 435S Phạm Văn Đơng,P.11,Q.Bình Thạnh,Tp.HCM Email: nhuanbk1994@gmail.com Phone: 0344030503 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2012-2017: Sinh Viện Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 2017- nay: Nghiên Cứu Viên Phòng Điện Tử Công Suất 115B1, thuộc Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 87 ... using local interconnections from two neighbor independent elementary controllers in the conventional decentralized control, the proposed method uses local informations from only one neighbor independent... presents the implementation of a decentralized modulation for the control of multilevel converters requiring phase-shifted carriers Contrary to the principle using a "master" controller providing... controller providing a set of interleaved carriers, the proposed method uses local interconnections between different independent elementary controllers allowing them to self-align their own carrier