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

Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

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 ... 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