Điều khiển bộ chỉnh lưu 3 pha PWM bằng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o - ĐẶNG THANH QUAN ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU PHA PWM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP Chuyên ngành : Thiết bị, mạng nhà máy điện Mã số ngành : 60.52.50 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Lê Minh Phương Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc só bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày … tháng.… năm 2009 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, xin chân thành cảm ơn Quý thầy trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy truyền đạt, trang bị kiến thức khoa học kỹ thuật quý báo cho tơi q trình học Cao học ngành “Thiết bị, mạng nhà máy điện” Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn Thầy Lê Minh Phương người tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm giúp đỡ điều kiện để tơi hồn thành tập luận văn Để có thành ngày hơm nay, xin chân thành cảm ơn cha, mẹ khơng ngại gian khó ni tơi ăn học nên người Tơi xin cám ơn gia đình, anh em, bạn bè thân hữu giúp đỡ động viên tơi suốt q trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2009 Học viên thực Đặng Thanh Quan LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, việc sử dụng lọc tích cực ngày trở nên quan trọng quy định công ty điện lực giới hạn nhiễm sóng hài việc sử dụng rộng rãi biến đổi công suất hồn tồn khơng điều khiển Các biến đổi cơng suất không điều khiển làm giảm hệ số công suất, phát sóng hài cơng suất phản kháng vào lưới điện Đã có nhiều nổ lực để khắc phục vấn đề này, từ việc thay đổi cấu trúc biến đổi công suất để đạt hệ số công suất đơn vị đến việc sử dụng hệ thống bù lọc tích cực Trong phương pháp lọc tích cực việc sử dụng biến đổi AC/DC không gây ô nhiễm lưới điện quan tâm Ở mức cơng suất trung bình, giải pháp tốt chuyển đổi pha AC/DC chỉnh lưu PWM dựa vào biến đổi nguồn áp bậc Bằng phương pháp điều khiển cụ thể, chỉnh lưu PWM có khả trào lưu công suất hai chiều với hệ số công suất đơn vị, điều khiển điện áp DC, điều khiển dịng điện phía đường dây dạng sin có chức giống lọc tích cực Vì thế, chỉnh lưu PWM ngày sử dụng phổ biến ứng dụng công nghiệp Nội dung luận văn trình bày phương pháp điều khiển chỉnh lưu pha PWM theo phương pháp điều khiển cơng suất trực tiếp (DPC) cho dịng điện nguồn gần dạng sin pha với điện áp pha tương ứng để đạt hệ số công suất đơn vị độ méo dạng dòng điện nguồn giảm thiểu đến mức nhỏ Luận văn gồm phần sau : Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2: Bộ chỉnh lưu pha PWM Chương 3: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu pha PWM Chương 4: Điều khiển chỉnh lưu pha PWM phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC) Chương 5: Mô phương pháp điều khiển công suất trực tiếp dựa vào ước lượng công suất theo vector điện áp (V-DPC) MATLAB/ SIMULINK Chương 6: Tổng kết đề tài Do thời gian có hạn, điều kiện tiếp cận thực tế chưa nhiều nên luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót, tơi mong góp ý, dẫn thông cảm Quý thầy cô bạn Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2009 Học viên thực Đặng Thanh Quan LÝ LỊCH TRÍCH NGANG : Họ tên: Đặng Thanh Quan Ngày, tháng, năm sinh: 18/03/1977 Nơi sinh: Tỉnh Long An Địa liên lạc: Điện lực Bình Dương, Số 03 Cách Mạng Tháng Tám, Phường Chánh Nghĩa, Thị xã Thủ Dầu Một, Tỉnh Bình Dương Q TRÌNH ĐÀO TẠO : Năm 1995-2000 : học đại học trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM (ngành Điện-Điện tử) Năm 2007 trúng tuyển vào khóa cao học 18 trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM tiếp tục học Q TRÌNH CƠNG TÁC : Năm 2000- đến : cơng tác Điện lực Bình Dương TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC _ Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐẶNG THANH QUAN Phái Ngày, tháng, năm sinh: 18/03/1977 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng Nhà Máy Điện : Nam MSHV : 01807290 I - TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU PHA PWM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu chỉnh lưu pha PWM 2- Tìm hiểu phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM 3- Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu PWM phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC) sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô hệ thống điều khiển đánh giá kết thu III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/02/2009 IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2009 V - CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ MINH PHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ hội đồng chun ngành thơng qua TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH Ngày tháng năm 2009 TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH MỤC LỤC NỘI DUNG Chương : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài Trang Chương 2: BỘ CHỈNH LƯU PHA PWM 2.1 Giới thiệu số cấu trúc chỉnh lưu pha PWM 2.2 Nguyên lý làm việc chỉnh lưu pha PWM 11 2.3 Mơ hình tốn học chỉnh lưu pha PWM 14 2.3.1 Điện áp dòng điện đường dây 15 2.3.2 Điện áp ngõ vào chỉnh lưu pha PWM 16 2.3.3 Mơ hình tốn học chỉnh lưu pha PWM 17 2.4 Tính tốn cơng suất chỉnh lưu 20 2.5 Phạm vi giới hạn tham số chỉnh lưu PWM 20 2.5.1 Giới hạn cực tiểu điện áp DC-link 20 2.5.2 Giới hạn giá trị điện áp điện cảm 21 2.6 Vận hành khơng có cảm biến 23 2.6.1 Khơng có cảm biến dịng điện điện áp AC 23 2.6.2 Khơng có biến dịng AC 25 2.6.3 Khơng có cảm biến điện áp AC 26 2.7 Ước lượng điện áp nguồn từ thông ảo 26 2.7.1 Ước lượng điện áp nguồn 26 2.7.2 Ước lượng từ thông ảo 27 Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU PHA PWM 31 3.1 Phương pháp điều khiển theo dòng điện 32 3.2 Phương pháp điều khiển theo điện áp 35 3.3 Phương pháp điều khiển theo dòng tải 37 3.4 Phương pháp điều khiển định hướng theo vectơ điện áp (VOC) 38 3.5 Phương pháp điều khiển định hướng theo vectơ từ thông ảo (VFOC) 43 3.6 Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC) 45 Chương 4: ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU PHA PWM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP (DPC) 47 4.1 Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp dựa vào ước lượng công suất theo vectơ điện áp (V-DPC) 48 4.1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển chỉnh lưu PWM theo V-DPC 48 4.1.2 Nguyên lý điều khiển theo V-DPC 49 4.2 Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp dựa vào ước lượng công suất theo từ thông ảo (VF-DPC) 52 4.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VF-DPC 52 4.2.2 Nguyên lý điều khiển theo VF-DPC 53 NỘI DUNG Trang 4.3 Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp dùng vectơ không gian (DPC-SVM) 4.3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp DPC-SVM 4.3.2 Nguyên lý điều khiển theo DPC-SVM 4.4 Bộ điều khiển dải trễ (bộ điều khiển công suất) 4.5 Lựa chọn phân vùng vectơ bảng đóng cắt Chương : MƠ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP V-DPC BẰNG MATLAB/ SIMULINK 5.1 Mơ hình thơng số mơ 5.1.1 Các thông số điện hệ thống 5.1.2 Mơ hình tồn hệ thống điều khiển chỉnh lưu pha PWM phương pháp V-DPC 5.1.3 Mơ hình thông số cài đặt khối chức 5.2 Kết mô 5.2.1 Trường hợp chỉnh lưu có tải R = 20 Ω 5.2.2 Trường hợp chỉnh lưu có tăng tải lên 50% 5.2.3 Trườnghợp hệ thống có tải gây méo dạng dịng điện nguồn 5.2.4 Trường hợp hệ thống có tải gây méo dạng cân dòng điện nguồn 5.2.5 Điều chỉnh gián tiếp hệ số công suất cách thay đổi giá trị công suất phản kháng điều khiển Chương : TỔNG KẾT ĐỀ TÀI 103 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 58 58 58 61 62 69 70 70 71 72 80 80 85 91 97 Chương Giới thiệu đề tài CH

NG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Chương trình bày lý thực hiện, mục tiêu nhiệm vụ đề tài, bao gồm phần sau : 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài CBHD : TS Lê Minh Phương HVTH : Đặng Thanh Quan Chương Giới thiệu đề tài 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ : Ngày nay, thiết bị máy vi tính, máy thu truyền hình, máy in,….được sử dụng ngày nhiều đời sống xã hội ngày nâng cao Các thiết bị có tải phi tuyến, chúng nguồn góc gây sóng hài dịng điện, dẫn đến tăng cơng suất phản kháng tổn thất công suất đường dây tải điện Sóng hài gây tượng giao thoa điện từ chúng gây tượng nguy hiểm (do tượng cộng hưởng tạo ra) làm ảnh hưởng xấu đến thiết bị tự động điều khiển, hệ thống bảo vệ phụ tải khác, kết làm giảm độ tin cậy tính hệ thống thiết bị Ngoài ra, tải phi tuyến dịng điện khơng hình sin tạo điện áp khơng hình sin tổng trở lưới điện, điện áp khơng hình sin xuất nhiều nút lưới điện Nó gây tượng nhiệt đường dây, nhiệt máy biến áp máy phát, dẫn đến tổn hao sắt từ nhiều Nếu giảm thành phần sóng hài dòng điện đường dây xuống vài phần trăm tránh vấn đề đề cập Hiện tại, có nhiều phương pháp giảm sóng hài, kỹ thuật dựa thành phần thụ động, chỉnh lưu diode pha pha hỗn hợp kỹ thuật điện tử công suất chẳng hạng như: chỉnh lưu nhiều xung, lộc tích cực chỉnh lưu PWM Hình 1.1 trình bày kỹ thuật giảm sóng hài dịng điện pha phổ biến nhất, chúng chia thành hai loại sau [20]: A Giảm sóng hài tải phi tuyến lắp đặt sẵn B Giảm sóng hài thơng qua việc lắp đặt tải điện tử cơng suất tuyến tính Trước đây, kỹ thuật sử dụng lọc thụ động đấu nối song song phía AC phổ biến Tuy nhiên, chúng kềnh càng, đắt tiền gây tượng cộng hưởng Những năm gần đây, kỹ thuật lọc tích cực biến đổi PWM thay chúng thiết bị cơng nghệ Bộ chỉnh lưu PWM thực thi chức lọc tích cực, giống lọc tích cực [14] CBHD : TS Lê Minh Phương HVTH : Đặng Thanh Quan Chương Mô phương pháp V-DPC MATLAB/SIMULINK 500 Ua 5xIa Ia-Ua [A,V] Dòng điện nguồn Điện áp nguồn -500 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 t [s] Hình 5.39 Dạng sóng dịng điện điện áp nguồn chỉnh lưu PWM không hoạt động • Khi chỉnh lưu PWM hoạt động : 500 Ua 5xIa Ia-Ua [A,V] Dòng điện nguồn Điện áp nguoàn -500 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 t [s] Hình 5.40 Dạng sóng dịng điện điện áp nguồn chỉnh lưu PWM hoạt động • Kết khảo sát : Chế độ hoạt động hệ thống Khi chỉnh lưu PWM không hoạt động Khi chỉnh lưu PWM hoạt động Hệ số công suất cosϕ = 0,82 cosϕ = 0,93 f) Công suất tác dụng p phản kháng q tức thời : CBHD : TS Lê Minh Phương 95 HVTH : Đặng Thanh Quan Chương 5 Mô phương pháp V-DPC MATLAB/SIMULINK x 105 p p (est) p (est)- p [W] Công suất tác dụng thực tế -1 Công suất tác dụng ước lượng -2 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 a) t [s] Công suất tác dụng p x 10 q q (est) q (est) - q [Var] Công suất phản kháng thực tế -2 Công suất phản kháng ước lượng -4 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 t [s] b) Cơng suất phản kháng q Hình 5.41 Cơng suất tác dụng p công suất phản kháng q Tóm tắt kết khảo sát trường hợp tải gây méo dạng dòng điện nguồn : Chế độ hoạt động hệ thống Khi chỉnh lưu PWM không hoạt động Khi chỉnh lưu PWM hoạt động CBHD : TS Lê Minh Phương 96 THD (%) dòng điện nguồn 9,35 8,22 Cosϕ 0,82 0,93 HVTH : Đặng Thanh Quan Chương Mô phương pháp V-DPC MATLAB/SIMULINK 5.2.4 Trường hợp hệ thống có tải gây méo dạng cân dịng điện nguồn : a) Thơng số mơ hình : Mơ hình hệ thống minh họa hình 5.42, hệ thống có mang tải gây méo dạng cân (12%) dòng điện nguồn minh họa hình 5.43 Tải gồm chỉnh cầu pha điều khiển hoàn toàn (thyristor) điện trở R=35Ω Bộ chỉnh lưu cầu có tải R =10Ω, L=50mH, góc kích điều khiển tạo xung đồng phía trước có cuộn cản có tác dụng làm giảm độ dốc dòng điện chỉnh lưu cầu Tải gây méo dạng cân dịng điện nguồn Hình 5.42 Mơ hình hệ thống chỉnh lưu pha PWM/V-DPC trường hợp có tải gây méo dạng cân dòng điện nguồn CBHD : TS Lê Minh Phương 97 HVTH : Đặng Thanh Quan Chương Mô phương pháp V-DPC MATLAB/SIMULINK Hình 5.43 Mơ hình tải gây méo dạng cân dòng điện nguồn b) Điện áp DC-link ngõ : 600 Udc-Udc* [V] 500 400 Điện áp DC điều khiển = 540V 300 200 100 0 Điện áp DC-link 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 t [s] Hình 5.44 Điện áp DC-link ngõ • Nhận xét : Kết cho thấy rằng, hệ thống có tải gây méo dạng cân dịng điện nguồn điện áp DC-link ngõ đạt mức giá trị điện áp DC điều khiển mong muốn dù có tượng dao động nhỏ không đáng kể c) Điện áp nguồn : CBHD : TS Lê Minh Phương 98 HVTH : Đặng Thanh Quan Chương Mô phương pháp V-DPC MATLAB/SIMULINK Điện áp nguồn Uabc (V) 400 300 Uabc (V) 200 100 -100 -200 -300 -400 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5 0.51 t (s) Bộ chỉnh lưu PWM hoạt động 0.52 0.53 0.54 0.55 Bộ chỉnh lưu PWM không hoạt động Hình 5.45 Dạng sóng điện áp nguồn • Nhận xét : Kết cho thấy chỉnh lưu PWM không hoạt động hoạt động dạng sóng điện áp nguồn hồn tồn dạng hình sin d) Dịng điện nguồn : • Khi chỉnh lưu PWM khơng hoạt động : 100 Iabc [A] 50 -50 -100 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 t [s] a) Dòng điện nguồn (THD =8,12%) THD= 8.12% Mag (% of Fundamental) 0 10 Harmonic order 12 14 16 18 20 b) Phân tích Fourier dịng điện nguồn Hình 5.46 Dạng sóng mật độ phổ dịng điện nguồn chỉnh lưu PWM không hoạt động CBHD : TS Lê Minh Phương 99 HVTH : Đặng Thanh Quan Chương Mơ phương pháp V-DPC MATLAB/SIMULINK • Khi chỉnh lưu PWM hoạt động : 100 Iabc [A] 50 -50 -100 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 t [s] a) Dòng điện nguồn (THD=7,13%) THD= 7.13% Mag (% of Fundamental) 0 10 Harmonic order 12 14 16 18 20 b) Phân tích Fourier dịng điện nguồn Hình 5.47 Dạng sóng mật độ phổ dịng điện nguồn chỉnh lưu PWM hoạt động • Kết khảo sát : Chế độ hoạt động hệ thống Khi chỉnh lưu PWM không hoạt động Khi chỉnh lưu PWM hoạt động THD (%) dòng điện nguồn 8,12 7,13 e) Hệ số cơng suất : • Khi chỉnh lưu PWM không hoạt động : CBHD : TS Lê Minh Phương 100 HVTH : Đặng Thanh Quan Chương Mô phương pháp V-DPC MATLAB/SIMULINK 1000 800 Ua 5xIa Dòng điện nguồn Ia-Ua [A,V] 600 400 200 -200 -400 Điện áp nguồn -600 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 t [s] Hình 5.48 Dạng sóng dịng điện điện áp nguồn chỉnh lưu PWM khơng hoạt động • Khi chỉnh lưu PWM hoạt động : 1000 Ua 5xIa 800 Dòng điện nguồn Ia-Ua [A,V] 600 400 200 -200 -400 Điện áp nguồn -600 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 t [s] Hình 5.49 Dạng sóng dịng điện điện áp nguồn chỉnh lưu PWM hoạt động • Kết khảo sát : Chế độ hoạt động hệ thống Khi chỉnh lưu PWM không hoạt động Khi chỉnh lưu PWM hoạt động Hệ số công suất cosϕ = 0,87 cosϕ = 0,95 f) Công suất tác dụng p phản kháng q tức thời : CBHD : TS Lê Minh Phương 101 HVTH : Đặng Thanh Quan Chương x 10 Mô phương pháp V-DPC MATLAB/SIMULINK p(est) -p [W] Công suất tác dụng thực tế -2 Công suất tác dụng ước lượng -4 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 t [s] a) Công suất tác dụng p x 10 q (est) - q [Var] Công suất phản kháng thực tế -2 Công suất phản kháng ước lượng -4 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 t [s] b) Công suất phản kháng q Hình 5.50 Cơng suất tác dụng p cơng suất phản kháng q Tóm tắt kết khảo sát trường hợp tải gây méo dạng cân dòng điện nguồn : Chế độ hoạt động hệ thống Khi chỉnh lưu PWM không hoạt động Khi chỉnh lưu PWM hoạt động CBHD : TS Lê Minh Phương 102 THD (%) dòng điện nguồn 8,12 7,13 Cosϕ 0,87 0,95 HVTH : Đặng Thanh Quan Chương Mô phương pháp V-DPC MATLAB/SIMULINK 5.2.5 Điều chỉnh gián tiếp hệ số công suất cách thay đổi giá trị công suất phản kháng điều khiển q*: Để cải thiện hệ số công suất hệ số dịch pha, dòng điện nguồn điều khiển cho dạng sóng pha với điện áp nguồn Phương pháp DPC điều khiển gián tiếp hệ số công suất cách thay đổi công suất phản kháng điều khiển q* Điều khiển hệ số công suất trễ q* >0 hệ số công suất sớm q*0) Khi q*=7000Var, hệ thống có hệ số cơng suất cosϕ =0,91, thấy dòng diện nguồn trễ (chậm) pha so với điện áp nguồn góc ϕ=24,50 • Điều khiển hệ số công suất sớm (leading PF) : 800 Ua 10xIa Điện áp nguồn 600 Dòng điện nguồn Ia-Ua [A,V] 400 200 -200 -400 -600 -800 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 t [s] a) Dạng sóng dịng điện điện áp nguồn x 10 p [W] 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 t [s] b) Công suất tác dụng p CBHD : TS Lê Minh Phương 104 HVTH : Đặng Thanh Quan 0.6 Chương Mô phương pháp V-DPC MATLAB/SIMULINK 4 x 10 q [Var] -1 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 t [s] c) Công suất phản kháng Hình 5.52 Dạng sóng dịng điện điện áp nguồn, dạng sóng cơng suất điều kiện hệ số công suất sớm (q*