Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Hùng Cường NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CƠNG SUẤT ĐA MỨC KIỂU MODULE HĨA Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Hà Nội- 2020 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: HD1: PGS TS Trần Trọng Minh HD2: TS Phạm Việt Phương Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Anh Nghĩa Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 30 phút, ngày 14 tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Trần Hùng Cường, Nguyễn Văn Tiến, Phạm Việt Phương, Trần Trọng Minh, Phương pháp điều chế NLM (Nearest Level Modulation) thuật toán cân lượng cho biến đổi đa mức cấu trúc module, Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá VCCA-2015 (10/2015) Tran Hung Cuong, Tran Trong Minh, Hoang Thanh Nam, Model Predictive Control Method for Modular Multilevel Converter Application, the 11th SEATUC Symposium, tháng năm 2016 Phạm Việt Phương, Trần Hùng Cường, Áp dụng phương pháp điều chế NLM (Nearest – Level - Modulation) cho biến đổi đa mức cấu trúc Module MMC, Chuyên san kỹ thuật điều khiển & tự động hóa số năm 2017 pp 12-17 Hồng Thành Nam, Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương (2017) Điều khiển dự báo cho nghịch lưu bảy mức cấu trúc cầu H nối tầng, Hội thảo Điều khiển Tự động hóa cho phát triển bền vững (CASD-2017) Hoàng Thành Nam, Trần Hùng Cường, Phạm Việt Phương, Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phuương, Giảm số lượt tính tốn hàm mục tiêu phương pháp điều khiển dự báo cho biến đổi đa mức cầu H nối tầng để giảm tần số đóng cắt van, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hoá VCCA-2017 (12/2017) Trần Hùng Cường, Hoàng Thành Nam, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Vũ Hoàng Phương, Điều khiển dự báo hữu hạn trạng thái đóng cắt van cho biến đổi đa mức có cấu trúc MMC, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hoá VCCA-2017 (12/2017) Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Điều khiển dự báo hữu hạn trạng thái đóng cắt van cho biến đổi đa mức cấu trúc MMC, Tạp chí khoa học Công nghệ, số 133 (3.2019) Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Phạm Đỗ Tường Linh, Điều khiển miến đổi đa mức có cấu trúc MMC dựa phương pháp dự báo dòng điện, Tạp chí Khoa học cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, Vol 17, No 1.1-2019, pp 26-30 Tran Hung Cuong, Pham Viet Phuong, Tran Van Phuong, Tran Trong minh, Experiment on Nearest Level Modulation algorithm for FPGA based Modular Multilevel Converters, 10th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia (ICPE 2019-ECCE Asia), (5/2019) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn Thầy hướng dẫn nhà khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các số liệu, kết luận án hoàn toàn trung thực chưa tác giả khác công bố Người hướng dẫn khoa học Hà Nội, ngày 22 tháng 05 năm 2020 Tác giả luận án Trần Hùng Cường i LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành sở kết nghiên cứu Tôi trường Bách khoa Hà Nội, sau thời gian học tập nghiên cứu, Tơi hồn thành luận án hướng dẫn PGS.TS Trần Trọng Minh TS Phạm Việt Phương, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trước hết, Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc dẫn tận tình tập thể thầy hướng dẫn, người dìu dắt, chia sẻ, quan tâm, tạo điều kiện, giúp đỡ kịp thời thời gian chuyên môn để tơi hồn thiện luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô môn Tự động hóa Cơng nghiệp, Thầy Cơ cơng tác viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, có ý kiến góp ý chân thành, sâu sắc suốt q trình tơi học tập, làm việc, xây dựng thực nghiệm bước thực luận án Tơi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phịng đào tạo, Viện Điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi nhiều mặt để tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn anh chị em Nghiên cứu sinh chuyên ngành, bạn sinh viên Tự động hóa, kỹ sư nhà nghiên cứu trẻ Phịng thí nghiệm 203-C9 trường ĐH Bách khoa Hà Nội, người Tôi đồng hành, động viên, giúp đỡ lẫn nhau, trao đổi chuyên môn, hỗ trợ Tôi việc tìm kiếm tài liệu nghiên cứu học tập để tơi có kết ngày hơm Tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, động viên tạo điều kiện Ban giám hiệu trường Đại học Hồng Đức, Ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Công nghệ đồng nghiệp khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức giúp đỡ tạo điều kiện mặt thời gian, công việc để Tôi học tập, nghiên cứu cách thuận lợi Sau cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình Tơi ln quan tâm, động viên giúp đỡ để Tôi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Hà Nội, ngày 22 tháng 05 năm 2020 Tác giả luận án Trần Hùng Cường ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC 1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 Cấu trúc hoạt động biến đổi MMC 1.2.1 Cấu trúc biến đổi MMC 1.2.1 Nguyên lý tạo mức điện áp SM dạng nửa cầu 10 1.2.2 Nguyên lý hoạt động biến đổi MMC 11 1.3 Vấn đề điều chế cho biến đổi MMC 13 1.4 Vấn đề điều khiển cho biến đổi MMC 14 1.5 Định hướng nghiên cứu đóng góp luận án 18 1.6 Tóm tắt kết luận 19 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI MMC 20 2.1 Mơ hình trạng thái liên tục BBĐ MMC nối tải R-L 20 2.2 Mơ hình BBĐ MMC chế độ nối lưới 27 2.3 Mơ hình MMC phương pháp điều chế 30 2.3.1 Mơ hình MMC phương điều chế mức gần NLM 30 2.3.1.1 Điều chế NLM cổ điển cho MMC 31 2.3.1.2 Điều chế NLM cải tiến cho MMC 33 2.3.2 Phương pháp điều chế PWM………………………………… ………………….34 2.4 Mô phương pháp điều chế cho MMC 40 2.4.1 Mô phương pháp điều chế NLM cải tiến cho BBĐ MMC 41 2.4.2 Mô phương pháp điều chế PS-PWM cho BBĐ MMC 42 2.5 Tóm tắt kết luận 44 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SVM CHO BBĐ MMC 46 3.1 Phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức 46 3.1.1 Trạng thái khóa bán dẫn, trạng thái mức vector trạng thái 47 3.1.2 Tính hệ số điều chế theo phương pháp điều chế từ ba vector gần 51 3.1.4 Xác định vector trạng thái sector 54 3.2 Trật tự tối ưu số lần chuyển mạch chất lượng sóng hài điện áp 57 3.3 Thứ tự chuyển mạch tối ưu điều chế ba vector gần 59 iii 3.4 Thực quy luật điều chế SVM cho MMC 63 3.5 Thuật toán cân điện áp tụ MMC 65 3.6 Mô phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC 67 3.7 Điều khiển dự báo cân điện áp trung bình tụ điện 69 3.7.1 Mơ hình dự báo dịng điện vòng, điện áp tụ điện MMC 72 3.7.2 Hàm mục tiêu thuật toán điều khiển dự báo cân giá trị trung bình điện áp tụ điện 74 3.7.3 Thuật toán tối ưu hóa giá trị dự báo điện áp trung bình tụ điện nhánh pha 75 3.8 Điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao dòng điện vòng MMC 76 3.9 Mơ hình kết mơ MMC dựa thuật tốn điều khiển dự báo dịng điện vòng cân điện áp tụ điện 80 3.9.1 Mơ hình khối mô matlab-simulink 80 3.9.3 Kết mô 85 3.10 Tóm tắt kết luận 89 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC ỨNG DỤNG CỦA MMC 91 4.1 Điều khiển BBĐ MMC nối lưới điện xoay chiều ba pha 91 4.1.1 Thiết kế điều khiển dòng điện 92 4.1.2 Thiết kế điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng 94 4.1.3 Kết mô hệ thống biến đổi MMC nối lưới 96 4.2 Ứng dụng D-STATCOM bù CSPK dựa MMC 99 4.2.1 Giới thiệu STATCOM bù công suất phản kháng 99 4.2.2 Cấu trúc DSTATCOM dựa MMC 100 4.2.3 Nguyên lý làm việc D-STATCOM 101 4.2.4 Thiết kế điều khiển D-STATCOM dựa MMC 103 4.2.5 Mô hệ thống D-STATCOM dựa MMC 106 4.3 Tóm tắt kết luận 108 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI MMC 109 5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC 109 5.2 Tính tốn thiết kế hệ thống thực nghiệm 110 5.2.1 Tính tốn thiết kế mạch lực 110 5.2.2 Tính tốn thiết kế mạch đo 112 5.2.3 Mạch ADC 114 5.2.3 Tính tốn thiết kế mạch driver 115 5.2.4 Mạch đệm ADC 116 5.2.5 Mạch FPGA 117 5.2.6 Sản phẩm mạch thiết kế 117 iv 5.3 Kết thực nghiệm 120 5.3.1 Kết thực nghiệm phương pháp điều chế PWM cho MMC 120 5.3.2 Kết thực nghiệm phương pháp điều chế NLM cho MMC 122 5.3.3 Kết thực nghiệm phương pháp điều chế SVM cho MMC 124 5.4 Tóm tắt kết luận 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 130 PHỤ LỤC 139 Phụ lục Các chương trình lập trình 139 Phụ lục Hình ảnh số khối thực mô Matlab-Simmulink 146 Phụ lục Tính tốn thơng số hệ thống mạch đo thực nghiệm MMC 148 v DANH MỤC KÝ HIỆU VCxΣ Đơn vị Ý nghĩa H Cuộn cảm tải Điện trở tải Ω H Cuộn cảm nhánh MMC F Tụ điện SM Điện trở nhánh MMC Ω V Điện áp nguồn điện phía xoay A Dịng điện chạy qua cuộn cảm hệ tọa độ dq A Dòng điện chạy qua cuộn cảm hệ tọa độ ∝β A Dòng điện vịng A Dịng điện phía đầu xoay chiều A Dịng điện phía chiều A Dịng điện đặt A Dòng điện đặt trục d trục q hệ tọa độ dq A Dòng điện chạy nhánh A Dòng điện chạy nhánh V Điện áp tổng nhánh V Điện áp phía xoay chiều V Điện áp tổng nhánh V Điện áp nguồn chiều V Điện áp tụ điện V Độ chênh lệch điện áp nhánh nhánh W Công suất tác dụng Var Công suất phản kháng V Điện áp SM V Điện áp biến đổi Chỉ số chèn SM nhánh nhánh V Điện áp tổng tụ điện chèn vào pha CxΣ F Điện dung tổng pha Cl Ll ωs F H rad/s Điện dụng lọc nối lưới Điện cảm lọc nối lưới Tần số góc dịng điện điện áp lưới Ký hiệu L R Lo C Ro u id, iq i∝, iβ iv ix iDC iref iref_d, iref_d iHx iLx vHx vx vLx VDC VC Vdiff P Q VSM vex kH, kL vi Tài liệu tham khảo [67] Makoto Hagiwara, Member, IEEE, Ryo Maeda, and Hirofumi Akagi, Fellow, [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] IEEE (2010), “Control and Analysis of the Modular Multilevel Cascade Converter Based on Double-Star Chopper-Cells (MMCC-DSCC)” IEEE Transactions on Power Electronics, pages 1649 – 1658, October 2010 Hassan Mohammadi Pirouzy, (2010), “Modular Multilevel Converter Based STATCOM Topology Suitable for Medium-Voltage Unbalanced Systems” Journal of Power Electronics, Vol 10, No 5, September 2010 R E Betz, T Summers, and T Furney “Symmetry compensation using a Hbridge multilevel STATCOM with zero sequence injection”, IEEE Industry Applications Conference, Oct 2006 M A Perez, S Bernet, J Rodriguez, S Kouro, and R Lizana, “Circuit topologies, modelling, control schemes and applications of modular multilevel converters”, IEEE Trans Power Electron, vol 30, no 1, pp - 17, Jan 2015 KALLE ILVES (2012), “Modeling and Design of Modular Multilevel Converters for Grid Applications”, Electrical Energy Conversion, School of Electrical Engineering- Sweden, December-2012 Makoto Hagiwara, Member, IEEE, and Hirofumi Akagi, (2010), “NegativeSequence Reactive-Power Control by the Modular Multilevel Cascade Converter Based on Double-Star Chopper-Cells (MMCC-DSCC)”, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, November 2010 Suman Debnath, Jiangchao Qin, Behrooz Bahrani, Maryam Saeedifard, and Peter Barbosa, (2015), "Operation, Control, and Applications of the Modular Multilevel Converter A Review", IEEE transactions on power electronics, VOL 30, NO 1, January 2015 Arman Hassanpoor, Staffan Norrga, Member, IEEE, Alireza Nami (2015), “Loss Evaluation for Modular Multilevel Converters with Different Switching Strategies”, ICPE-2015-ECCE, Asia, 1-5 June 2015, Seoul, Korea Patricio Cortés, Samir Kouro, Bruno La Rocca, José I León, Sergio Vazquez and Leopoldo G Franquelo (2012), “Guidelines for Weighting Factors Design in Model Predictive Control of Power Converters and Drives ”, IEEE International Conference on Industrial Technology, Electronics Engineering Department University of Seville Seville, Spain, December 2012 Patrycjusz Antoniewicz M.Sc, (2009), “Predictive Control of Three Phase ACDC Converters”, 15th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), December 2015 W Kramer, S Chakraborty, B Kroposki, and H Thomas (2008), “Advanced Power Electronic Interfaces for Distributed Energy Systems Part 2: Modeling, Development, and Experimental Evaluation of Advanced Control Functions for Single-Phase Utility-Connected Inverter”, Technical Report NREL/TP-55044313 November-2008 Simon P Teeuwsen, (2014); “Simplified Dynamic Model of a Voltage_Sourced Converter with Modular Multilevel Converter Design”; IEEE/PES Power Systems Conference and Exposition , April 2009 Helfried Peyrl, Junyi Liu, Tobias Geyer (2012), “An FPGA Implementation of the Fast Gradient Method for Solving the Model Predictive Pulse Pattern Control Problem”, EEE International Symposium on Sensorless Control for 136 Tài liệu tham khảo [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] Electrical Drives and Predictive Control of Electrical Drives and Power Electronics (SLED/PRECEDE), Oct-2013 Seddik Bacha, Iulian Munteanu, Antoneta Iuliana Bratcu “Power Electronic Converters Modeling and Control”, 2014 ISSN 1439-2232 Springer London Heidelberg New York Dordrecht, September-2013 Troster, E., (2009) New German grid codes for connecting PV systems to theă medium voltage power grid”, In: 2nd International Workshop on Concentrating Photovoltaic Power Plants: Optical Design, Production, Grid Connection, 9–10 March-2009 Michal Sztykiel1, Rodrigo da Silva, Remus Teodorescu, Lorenzo Zeni, Lars Helle and Philip Carne Kjaer (2012), “Modular Multilevel Converter Modelling, Control and Analysis under Grid Frequency Deviations”, Power Electron., vol 24, no 3, Mar A Lesnicar, and R Marquardt (2013), “An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range”, I Paper accepted for presentation at 2013 IEEE Bologna PowerTech Conference, June-2013, Bologna, Italy Feyzullah Erturk (2015), “Investigation of modular multilevel converter control methods”, Department of Electrical and Electronics Engineering Bin Wu (2006) “High – Power converters and AC Drives” Power Technology & Power Engineering, Wiley – Intersciemce, 978-1-119-15603-1, 2014 Arne Nysveen (2009), “Transmission solutions for connecting offshore power plants to the onshore grid”, Master of Science in Energy and Environment, orwegian University of Science and Technology, Department of Electric Power Engineering October 2009 Leopoldo G Franquelo, Jose Rodriguez, Jose I Leon, Samir Kouro, Ramon Portillo, (2008) “The Age of Multilevel Converters Arrives”, IEEE industrial electronics magazine, June 2008 Michail Vasladiotis “Analysis, Implementation and Experimental Evaluation of Control Systems for a Modular Multilevel Converter”, Master of Science Thesis, Stockholm, Sweden 2009 Y Cheng, C Qian, M L Crow, S Pekarek, and S Atcitty (2006), “A comparison of diode-clamped and cascaded multilevel converters for a STATCOM with energy storage,” IEEE Trans Ind Electron., vol 53, no 5, pp 1512–1521, May-2006 Michail Vasiladiotis (2009); “Analysis, Implementation and Experimental Evaluation of Control Systems for a Modular Multilevel Converter”; IEEE Transactions on Power Electronics 30(1):431-439, January 2015 L Sugasini (2016); “Renewable Energy Based Diode Clamped Multilevel Inverter with Reduced number of switches for Drives Application”; International Journal of A dvanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, July-2016 R.latha, C.Bharatiraja ,R.Palanisamy, sudeepbanerji, Dr.Subhransu.Sekhar.Dash (2013), “Hysteresis Current Controller based Transformerless Split Inductor NPC-MLI for Grid Connected PV- System”, International Conference on Design 137 Tài liệu tham khảo and manufacturing 2013(IConDM 2013) Procedia Engineering, Procedia Engineering 64:224-233, December 2013 [93] Antonio Dell Aquila, Member, IEEE, Marco Liserre, Member, IEEE, Vito Giuseppe Monopoli, Member, IEEE, and Paola Rotondo (2005), “An EnergyBased Control for an n-H-Bridges Multilevel Active Rectifier”, IEEE transactions on industrial electronics 52, NO 3, May-2005 [94] Ali Keshavarzian and Hossein Iman-Eini (2011); “A New Strategy for Control of Cascaded H-bridge Rectifiers with Unequal Loads”; 2nd Power Eletronics, Drive Systems and Technologies Conference, Oct-2011 [95] F Z Peng (2001), “A generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing,” IEEE Trans Ind Applicat., vol 37, pp 611–618, Mar./Apr-2001 [96] M D Manjrekar, P K Steimer, and T A Lipo (2000), “Hybrid multilevel power conversion system: a competitive solution for high-power applications”, IEEE Trans Ind Applicat., vol 36, pp 834–841, May/June 2000 [97] R Lund, M Manjrekar, P Steimer, and T Lipo (1999), “Control strategy for a hybrid seven level inverter” in Proc European Power Electronics Conf (EPE„99), Lausanne, Switzerland, CD-ROM, July-1999 [98] Antonios Antonopoulos, Lennart Aă ngquist, Hans-Peter Nee (2014), On Dynamics and Voltage Control of the Modular Multilevel Converter”, Laboratory of electrical machines and power electronics royal institute of technology (KTH) Teknikringen 33, 100 44 Stockholm, Sweden, 2014 [99] Udana N Gnanarathna, Aniruddha M Gole, Athula D Rajapakse, and Sanjay K Chaudhary (2012); “Loss Estimation of Modular Multi-Level Converters using Electro-Magnetic Transients Simulation”; Power Electronics and Motion Control Conference IEEE 5th International, September-2-12 [100] W A Hill and C D Harbourt (1999), “Performance of medium voltage multilevel inverters” in Conf Rec IEEE-IAS Annu Meeting, Pheonix, AZ, Oct, pp 1186–119 [101] Tefano Bifaretti, Pericle Zanchetta, Florin Iov, and Jon C Clare, “Power Flow Control through a Multi-Level H-Bridge based Power Converter for Universal and Flexible Power Management in Future Electrical Grids”, 13th International Power Electronics and Motion Control Conference, September 2008 [102] Wen Wu, Xuezhi Wu, Long Jing, Jinke Li (2016), “Design of Modular Multilevel Converter Hardwarein-Loop Platform Based on RT-lab”, IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMCECCE Asia), July 2016 138 Phục lục PHỤ LỤC Phụ lục Các chương trình lập trình Phụ lục 1.1 Chương trình lập trình thuật toán cân điện áp tụ điện pha A function [s1,s2,s3,s4,s5,s6] = CBa(x1,vc1,vc2,vc3,vc4,vc5,vc6,ia) s1=0;s2=0;s3=0;s4=0;s5=0;s6=0; y=zeros(7);k=zeros(7);s=zeros(7); y(1)=vc1;y(2)=vc2;y(3)=vc3;y(4)=vc4;y(5)=vc5;y(6)=vc6; if (x1==6) s1=1;s2=1;s3=1;s4=1;s5=1;s6=1; end if(x1==0) s1=0;s2=0;s3=0;s4=0;s5=0;s6=0; end if(x1>0&&x1k(j)) a=k(j); k(j)=k(i); k(i)=a; end end end if(iak(6-x1)) s(i)=1; end end end if(ia>0) for i=1:6 if(y(i) No = 3; else No = 6; end elseif z2x > No = 2; else No = 5; end elseif z1x > No = 1; else No =4; end duty = [0 0]; switch No case duty = [z1x z1y]; case duty = [z2x z2y]; case duty = [z3x z3y]; case duty = [-z1x -z1y]; case duty = [-z2x -z2y]; case duty = [-z3x -z3y]; end d1 = duty(1)/udc; d2 = duty(2)/udc; d = d1 + d2; if d > 12.0 d1 = 12*d1/d; d2 = 12*d2/d; d0 = 0; else d0 = 12- (d1 + d2); end y = [No d1 d2]; b) Chương trình xác định tam giác loại 1, tam giác loại hệ số điều chế (Function2) function y=TriType11H(x) m1 = x(1); m2 = x(2); SecNo = x(3); 140 Phục lục kg=floor(m1); kh=floor(m2); mg=m1-kg; mh=m2-kh; m0=mg+mh; d1 = 0; d2 = 0; d3 = 0; checkodd=mod(SecNo,2); if m01 D=2; d1=1-mh; d2=1-mg; d3=m0-1; end else if m0=1 if i_sign==1 j=1; while j(N-k_up) Von(I_sort(j))=1; j=j-1; end end end y = Von; Phụ lục 1.4 Chương trình lập trình thuật tốn điều khiển dự báo dòng điện vòng cân điện áp trung bình nhánh pha (Function 3) 141 Phục lục function [simV,kopt,Jvmin,kABCout] = Simulator(u1, u2, u3, u4, u5) d123=u1; Dtype=u1(4); kg=u1(5); kh=u1(6); SecNo=u1(7); iABC=u2; icirABC=u3; veABCuplo=u4; vdiff=u5; icirA=zeros(7,1); icirB=zeros(7,1); icirC=zeros(7,1); icirA(1)=icirABC(1); icirB(1)=icirABC(2); icirC(1)=icirABC(3); veAup=zeros(7,1); veAlo=zeros(7,1); veBup=zeros(7,1); veBlo=zeros(7,1); veCup=zeros(7,1); veClo=zeros(7,1); veAup(1)=veABCuplo(1); veAlo(1)=veABCuplo(2); veBup(1)=veABCuplo(3); veBlo(1)=veABCuplo(4); veCup(1)=veABCuplo(5); veClo(1)=veABCuplo(6); kABCout=zeros(6,1); L=3.6e-3; C=2200e-6; Vdc=600; Vce=Vdc/6; kmax=6; k0=kh+kg; ksmin=-kmax+k0; if (k0==2*kmax-1)&&(Dtype==1) ksmax=kmax-1; elseif (k0==2*kmax-2)&&(Dtype==1) ksmax=kmax-1; else ksmax=kmax-2; end kopt=ksmin; Jvmin=1e9; for ksim=ksmin:1:ksmax [simlevel,kABC]=kABCuplo(ksim,k0,kg,kh,d123,Dtype,SecNo,vdiff); levelA=simlevel(:,1); levelB=simlevel(:,2); levelC=simlevel(:,3); for j=1:1:3 icirA(j+1)=icirA(j)+(Vdc-levelA(3*j-2)*veAup(j)-levelA(3*j1)*veAlo(j))*levelA(3*j)/(2*L); veAup(j+1)=veAup(j)+((icirA(j+1)+icirA(j))/2-iABC(1)/2)*levelA(3*j)/C; veAlo(j+1)=veAlo(j)+((icirA(j+1)+icirA(j))/2+iABC(1)/2)*levelA(3*j)/C; %Phase B icirB(j+1)=icirB(j)+(Vdc-levelB(3*j-2)*veBup(j)-levelB(3*j1)*veBlo(j))*levelB(3*j)/(2*L); veBup(j+1)=veBup(j)+((icirB(j+1)+icirB(j))/2-iABC(2)/2)*levelB(3*j)/C; veBlo(j+1)=veBlo(j)+((icirB(j+1)+icirB(j))/2+iABC(2)/2)*levelB(3*j)/C; %Phase C icirC(j+1)=icirC(j)+(Vdc-levelC(3*j-2)*veCup(j)-levelC(3*j1)*veClo(j))*levelC(3*j)/(2*L); veCup(j+1)=veCup(j)+((icirC(j+1)+icirC(j))/2-iABC(3)/2)*levelC(3*j)/C; veClo(j+1)=veClo(j)+((icirC(j+1)+icirC(j))/2+iABC(3)/2)*levelC(3*j)/C; end 142 Phục lục for j=4:1:6 %Phase A icirA(j+1)=icirA(j)+(Vdc-levelA(19-3*j)*veAup(j)-levelA(203*j)*veAlo(j))*levelA(21-3*j)/(2*L); veAup(j+1)=veAup(j)+((icirA(j+1)+icirA(j))/2-iABC(1)/2)*levelA(21-3*j)/C; veAlo(j+1)=veAlo(j)+((icirA(j+1)+icirA(j))/2+iABC(1)/2)*levelA(21-3*j)/C; %Phase B icirB(j+1)=icirB(j)+(Vdc-levelB(19-3*j)*veBup(j)-levelB(203*j)*veBlo(j))*levelB(21-3*j)/(2*L); veBup(j+1)=veBup(j)+((icirB(j+1)+icirB(j))/2-iABC(2)/2)*levelB(21-3*j)/C; veBlo(j+1)=veBlo(j)+((icirB(j+1)+icirB(j))/2+iABC(2)/2)*levelB(21-3*j)/C; %Phase C icirC(j+1)=icirC(j)+(Vdc-levelC(19-3*j)*veCup(j)-levelC(203*j)*veClo(j))*levelC(21-3*j)/(2*L); veCup(j+1)=veCup(j)+((icirC(j+1)+icirC(j))/2-iABC(3)/2)*levelC(21-3*j)/C; veClo(j+1)=veClo(j)+((icirC(j+1)+icirC(j))/2+iABC(3)/2)*levelC(21-3*j)/C; end Jv=(veAup(7)-veAlo(7))^2+(veBup(7)-veBlo(7))^2+(veCup(7)-veClo(7))^2; if Jvt_up t1=t_up; k_up1=k_up; k_lo1=k_lo; t2=t_lo-t_up; k_up2=k_up+1; k_lo2=k_lo; t3=Ts-(t1+t2); k_up3=k_up+1; k_lo3=k_lo+1; else t1=t_lo; k_up1=k_up; k_lo1=k_lo; t2=t_up-t_lo; k_up2=k_up; k_lo2=k_lo+1; t3=Ts-(t1+t2); k_up3=k_up+1; k_lo3=k_lo+1; end kt_uplo = [k_up1;k_lo1;t1;k_up2;k_lo2;t2;k_up3;k_lo3;t3]; end 145 Phục lục Phụ lục Hình ảnh số khối thực mô Matlab-Simmulink Triangle Generator Goto Triangle Generator1 Goto1 From Goto3 >= Triangle Generator4 Goto4 >= >= From8 Relational Operator2 [x2] From15 Relational >= >= [x3] [x3] From2 Relational Operator4 PhaA From9 Relational Operator10 From16 [x4] [x4] From3 Relational From10 Operator1 PhaC >= >= [x4] [x6] Relational Operator15 PhaB >= [x5] Relational Operator14 Operator8 >= Relational Operator12 [x2] [x3] [x4] From14 Relational Operator6 [x2] From1 Triangle Generator3 From7 Relational Operator [x3] Goto2 [x1] [x1] [x1] [x2] Triangle Generator2 >= >= >= [x1] From17 Relational Operator7 Relational Operator16 >= Triangle Generator5 Goto5 From4 [x5] [x5] Relational From11 Operator3 From18 Relational [x6] >= >= From5 vb Relational Operator11 [x6] From12 Relational Operator18 Relational Operator9 Operator5 >= va >= >= [x5] vc [x6] From19 Relational Operator19 Hình PL1 Khối tạo xung điều khiển phương pháp PS-PWM 5/6 In1 Constant 1/6 xungTG Gain >= 1/2 Constant1 1/6 xungTG1 Gain1 >= 1/6 Constant2 1/6 xungTG2 Gain2 >= -1/6 Constant3 1/6 xungTG3 Gain3 >= pha A -1/2 Constant4 1/6 xungTG4 Gain4 >= -5/6 Constant5 1/6 xungTG5 Gain5 >= Hình PL2 Khối tạo xung điều khiển phương pháp LS-PWM 146 Phục lục + Vcap1 G G + - Vcap1 HB 2 Vcap1 G G1 + - Vcap2 HB1 3 Vcap1 G G2 + - Vcap3 HB2 4 Vcap1 G G3 + - Vcap4 HB3 5 Vcap1 G G4 - Vcap5 Vcap1 G Vcap6 + HB4 G5 + - HB5 Hình PL3 Khối SM mắc nối tiếp nhánh pha A Uq Uq1 Ud Ud1 Divide Iq Pdef Ud Iq1 Ud ref Ud err Udin PI id_ref Ud* PI regulator with anti-windup D active_regulator Id P 100*pi*(L1) Id Ud Iq Q 100*pi*(L1) Iq Uq Uqin PI err id_ref -1 Gain active_regulator1 Uq Qdef Uq Uq Uq ref Uq* PI regulator with anti-windup D1 Uq2 Ud Ud2 Divide1 Id Id1 Hình PL Khối cấu trúc điều khiển MMC chế độ nối lưới Vdc_ref dang_Vdc Constant1 Goto dang_Id Goto2 Ud -1 PI(z) Vdc PI(z) Ud Udin Goto4 Gain1 Vdc Controller Ud Id id Controller 100*pi*(L1_SVM) Id Iq Q 100*pi*(L1_SVM) Iq Uqin Uq PI(z) Q Controller Step dang_Q PI(z) -1 Uq iq Controller Gain Goto6 Uq Uq dang_Iq Goto1 Step1 Q_ref Goto3 Uq2 Goto5 Ud Ud2 Id Divide1 Id1 Hình PL Khối cấu trúc điều khiển MMC chế độ bù công suất phản kháng 147 Phục lục Phụ lục Tính tốn thơng số hệ thống mạch đo thực nghiệm MMC • Tính tốn thơng số phần tử mạch đo dịng điện Biên độ điện áp mạch đo dòng điện nhánh công thức (6.1) Av = 1 + ( f / fo ) Equation Chapter (Next) Section (6.1) Với thành phần chiều tần số f = nên Vout-chia áp = Vin-RC = Vout-RC = 3V (xét trường hợp đầu max 3V) Phần tử giới hạn điện áp gồm diode D1 D2 mắc chiều với mức điện áp chuẩn VREF 3V GND 5V Mục đích giới hạn điện áp đầu 0-3V, đảm bảo chắn đầu khơng q 3V Q trình tính tốn chi tiết thơng số phần tử mạch đo dịng điện thể phục lục Yêu cầu điện áp mạch đo lường 0-3V có mục đích cung cấp tín hiệu đo lường cho vi điều khiển Để tính chọn thơng số thiết bị, ta tiến hành xét giá trị điện áp lớn 3V để tính tốn giá trị phần tử Từ đó, điện áp mạch lọc RC có giá trị 3V, điện áp mạch chia áp Điện áp đầu mạch chia áp Vout_chia áp 3V, đồng thời xét điện áp đầu vào khuếch đại tín hiệu V+IN lớn 15V, điện áp đầu VOUT khếch đại thuật tốn tính theo cơng thức (3.9) sau: VOUT= G * (VIN+ − VIN−= ) 30V (6.2) Theo cấu trúc IC khuếch đại INA128, đầu VOUT IC so sánh với điện áp VREF nên giá trị điện áp vào Vin_chia áp mạch chia áp như: Vin _ chia ap = VOUT + VREF = 31,5 (V ) (6.3) Dựa vào mạch chia áp cơng thức (5.2), ta có: Vout _ chia ap = Vin _ chia ap R4 R4 + R3 (6.4) Thay số vào (6.4) ta được: R3 Vin _ chia ap − Vout _ chia ap 19 = = R4 Vout _ chia ap (6.5) Chọn giá trị điện trở R3 R4 cho đảm bảo tỷ số Các giá trị R C mạch lọc chọn cho tần số lọc fo = 20kHz = R 8, 25.10−6 = 2π f oC C (6.6) Trên thị trường, ta chọn giá trị R, C đảm bảo tỷ số • Tính tốn thơng số phần tử mạch đo điện áp Điện áp đầu mạch chia áp Vout_chia áp 3V, đồng thời xét điện áp đầu vào khuếch đại tín hiệu V+IN lớn 15V, điện áp đầu VOUT khếch đại thuật tốn tính theo công thức (5.2) (6.7): 148 Phục lục VOUT= G * (VIN+ − VIN−= ) 3V Trong đó: G = 1+ (6.7) 50kΩ = 3, 75 điện trở RG = 18,18 (kΩ) RG Theo cấu trúc IC khuếch đại INA128, đầu VOUT IC so sánh với điện áp VREF nên giá trị điện áp vào Vin_chia áp mạch chia áp là: Vin _ chia ap = VOUT + VREF = 18 (V ) (6.8) Dựa vào mạch chia áp 0-3V theo công thức (6.9), ta có: R36 Vin _ chia ap − Vout _ chia ap = = R41 Vout _ chia ap (6.9) Chọn giá trị điện trở R36 R41 cho đảm bảo tỷ công thức (6.9) Xét phân áp đầu vào với điện áp vào Vin_chia áp lớn 200V, ta có: Vout _ chia ap = Vin _ chia ap R39 = 100 ( mV ) R39 + R31 + R27 + R38 + R32 + R28 (6.10) R28 470k Ω  R27 = R38 = R32 = = 120k Ω; R39 = 1k Ω  R31 = Trong đó:  Bộ lọc điện áp đầu vào IC HCPL-7800 có tần số f o = =32,7 kHz Các giá 2π RC trị R C lọc chọn cho tần số lọc fo = 32,7 kHz, ta có: 4,87.10−6 = R = 2π f oC C (6.11) Chọn giá trị R, C đảm bảo tỷ số (6.11), có R = 487,5Ω, C = 104 pF Bộ lọc điện áp đầu INA128 có tần số f o = =20 kHz Các giá trị R 2π RC C mạch lọc chọn cho tần số lọc fo = 20kHz, ta có: = R 8, 25.10−6 = 2π f oC C (6.12) Ta chọn giá trị R, C đảm bảo tỷ số (3.25), với R = 25kΩ, C = 330pF • Tính tốn phần tử mạch đo điện áp tụ điện Vout _ chia ap = Vin _ chia ap R39 R39 + R31 + R27 + R38 + R32 + R28 Vout _ chia ap = Vin _ chia ap R41 R41 + R36 (6.13) (6.14) Điện áp đầu vào mạch chia áp điện áp VOUT INA128 Điện áp đầu mạch chia áp có giá trị 0-3V • Nguyên lý xác định D_OUT ADC Hình 5.7 Xung CS, CLK, D_IN cấp từ vi điều khiển Khi tín hiệu CS mức thấp MCP3208 hoạt động, vi điều khiển cấp xung CLK D_IN để chọn giá trị đầu vào từ chân CH0, CH1, CH2, CH3, CH4, CH5, CH6, CH7 Đầu số D_OUT 149 Phục lục tính tốn cơng thức cho bên dưới, sau chuyển đổi sang mã nhị phân 12 bits: D _ OUT = 4096.VIN VREF (6.15) Ở VIN điện áp đầu vào tương tự VREF điện áp đặt, có giá trị 3,3V 150 ... Chương 1: Tổng quan biến đổi đa mức MMC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC Bộ biến đổi đa mức có cấu trúc module hóa (MMC) BBĐ đa mức DC-AC có đặc tính ưu việt tính module hóa, cấu hình... 1.4 Tổng quan phương pháp điều chế cho biến đổi đa mức (nguồn: [42]) Phương pháp điều chế điều khiển cho BBĐ đa mức quan tâm nghiên cứu nhiều năm qua, nhằm mục đích đạt hiệu truyền dẫn lượng điện... hạn chế; điều khiển hạn chế dòng điện vòng; điều khiển cân điện áp tụ điện với phương pháp điều khiển đơn giản phù hợp; triển khai ứng dụng MMC cách hiệu cách kết hợp phương pháp điều chế điều khiển