Thiết kế bộ điều khiển cho máy biến áp điện tử một pha

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN TỬ MỘT PHA DESIGN THE CONTROLLER FOR SINGLE PHASE SOLID STATE Bùi Văn Huy1,*, Phạm Văn Minh1, Quách Đức Cường1, Trịnh Trọng Chưởng1, Nguyễn Văn Đồi1, Duangpasert Ounheuan2 TĨM TẮT Máy biến áp truyền thống thiết bị làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, chúng có nhược điểm thiết bị thụ động không thiết kế để làm việc với phụ tải thay đổi nhanh đồng thời chúng chiếm diện tích lớn khơng phù hợp với ứng dụng yêu cầu không gian hẹp Trong năm gần đây, số nhà khoa học tập trung nghiên cứu cấu trúc máy biến áp điện tử (Solid State Transformers - SST) Bản chất cấu trúc gồm biến đổi điện tử công suất máy biến áp tần số cao, với cấu trúc mạch lực phương pháp điều khiển thích hợp, máy biến áp điện tử hứa hẹn giải nhiều yêu cầu phức tạp thực tiễn tương lai mà máy biến áp truyền thống chưa giải Nội dung báo tập trung nghiên cứu vào việc phân tích cấu trúc, chức tổng hợp điều khiển cho hệ thống máy biến áp điện tử pha Phương pháp thiết kế điều khiển minh chứng bằng việc mô Matlab simulink Những kết mô chứng minh tính đắn phương pháp điều khiển thực Từ khóa: Tự động hóa; máy biến áp điện tử; biến tần ma trận; máy biến áp tần số cao; lưới điện thông minh ABSTRACT Traditional transformers are devices that work on the principle of electromagnetic induction, they have the basic drawback of being a passive device and are not designed to work with rapidly changing loads while they occupy Large volume is not suitable for applications requiring small space In recent years, a number of scientists have been focusing on the Solid State Transformers The nature of this structure is composed of high-power electronic converters and high-frequency transformers, with appropriate circuit structure and control method, electronic transformers will promise to solve many complex requirements Magazine of practical and future that traditional transformers have not yet solved The content of this paper focuses on the analysis of structure, function and controller synthesis for a single-phase electronic transformer system Controller design method will be demonstrated by simulation on Matlab simulink The simulation results prove the correctness of the control method performed Keywords: Automation; solid state transformers; matrix converter; high frequency transformers; smart grid Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Học viện Phát triển giáo dục nghề nghiệp, Cộng hòa Dân chủ nhân dân Lào * Email: huybv.ac@gmail.com Ngày nhận bài: 05/11/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/12/2020 Ngày chấp nhận đăng: 26/02/2021 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn GIỚI THIỆU Thông thường, máy biến áp gồm có cuộn dây sơ cấp hay nhiều cuộn dây thứ cấp liên kết qua trường điện từ Khi đưa nguồn điện xoay chiều vào cuộn sơ cấp, tạo trường điện từ Theo định luật cảm ứng Faraday trường điện từ tạo dòng điện cảm ứng cuộn thứ cấp Máy biến áp truyền thống phần tử quan trọng việc truyền tải điện từ nơi sản xuất tới nơi tiêu thụ điện Ngày nay, mức độ tham nguồn lượng tái tạo vào lưới điện tăng quy mô chủng loại Sự tham gia nguồn lượng bổ sung nguồn lượng cần thiết nguồn lượng điện có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch ngày cạn kệt thủy điện khai thác hết Mặt khác, tham gia nguồn lượng đặt yêu cầu cao như: đảm bảo hệ số cơng suất, giảm sóng hài, bền vững với nhiễu loạn lưới, trao đổi công suất hai chiều tin cậy kịp thời Với yêu cầu máy biến áp truyền thống khó đáp ứng lĩnh vực đặc thù Một lý khác cần xem xét, số ứng dụng đặc thù địi hỏi biến đổi điện áp, cơng suất lớn địi hỏi diện tích lắp đặt nhỏ gọn máy biến áp truyền thống đáp ứng Trong năm gần đây, số nhà khoa học nước tập trung nghiên cứu cấu trúc máy biến áp (Solid State Transformers - SST), số tác giả nước gọi tên máy biến áp thể rắn, nhiên rõ ràng việc dịch chưa thể rõ chất SST, báo tác giả gọi tên thiết bị máy biến áp điện tử Bản chất cấu trúc máy biến áp điện tử gồm biến đổi điện tử công suất máy biến áp tần số cao, với cấu trúc mạch lực phương pháp điều khiển thích hợp, máy biến áp điện tử hứa hẹn giải nhiều yêu cầu phức tạp thực tiễn tương lai Nội dung báo đề cập tổng quan cấu hình máy biến áp điện tử pha, đề xuất cấu hình máy biến áp điện tử pha thuật toán điều chế điều khiển hệ thống đề xuất Những thuật toán điều chế điều khiển kiểm chứng cách mô Matlab/Simulinks Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 29 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NỘI DUNG CHÍNH 2.1 Tổng quan máy biến áp điện tử pha Hiện có nhiều cấu hình máy biến áp điện tử xây dựng tảng van bán dẫn đề cập nhiều tài liệu [1, 2, 3] Các cấu hình ngồi chức biến đổi điện áp số cấu hình trao đổi cơng suất hai chiều Hình Cấu trúc mạch lực MBA điện tử pha Hình Một số cấu hình máy biến áp điện tử [1] Cấu trúc máy biến áp điện tử bao gồm khâu cách ly máy biến áp tần số cao, phân loại theo kiểu sơ đồ khối hình gồm loại chính: Trong cấu trúc hình 3, điện áp tụ chiều đóng vai trị khâu trung gian trao đổi cơng suất biến đổi A biến đổi B, C Bộ biến đổi A thực chất chỉnh lưu tích cực, biến đổi B C thực chất biến đổi DC-AC-AC với khâu AC-AC điều chế kiểu biến tần ma trận giới thiệu [4], tụ điện đóng vai trị khâu chiều trung gian DC-link Đầu vào AC biến đổi A thường nối với lưới điện lớn đầu biến đổi C thường nối với nguồn điện phân tán có cơng suất nhỏ (nguồn điện xoay chiều có nguồn gốc từ pin mặt trời sức gió) Thơng qua biến đổi, cơng suất nguồn phát phân tán trao đổi qua lại với nguồn lưới Cấu trúc điều khiển hệ thống máy biến áp điện tử pha hình Cấu hình khối hình 1a khơng có khâu chiều trung gian, khâu biến đổi trực tiếp AC/AC; Cấu hình gồm khối có khâu chiều điện áp thấp hình 1b; Cấu hình gồm hai khối với khâu trung gian chiều điện áp cao hình 1c; Cấu hình gồm khối với hai khâu chiều trung gian (một khâu điện áp cao khâu điện áp thấp) hình 1d Như phân tích trên, máy biến áp điện tử gồm máy biến áp tần số cao biến đổi điện tử cơng suất Như hình 2, rõ ràng cơng suất 5-kVA, tần số làm việc khác dẫn đến kích thước máy biến áp thay đổi đáng kể làm máy biến áp điện tử có kích thước nhỏ gọn hơn, phù hợp cho lĩnh vực đặc thù cần vị trí lắp đặt nhỏ gọn [1, 2, 3] Hình Cấu trúc điều khiển cho MBA điện tử pha 2.3 Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống Hình Kích thước máy biến áp tần số cao máy biến áp tần số thông thường [2] Xét mặt trao đổi lượng hai biến đổi có dạng chỉnh lưu tích cực hình 5, Z coi tổng trở tương đương phía cịn lại hệ thống, R L điện trở điện cảm cuộn cảm nối nguồn với biến đổi, is dòng điện biến đổi trao đổi với lưới, it dịng điện từ phía tải tương đương truyền vào biến đổi Ta có phương trình mơ tả hệ (1) 2.2 Cấu trúc SST pha Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất cấu hình máy biến áp điện tử pha có cấu trúc mạch lực biến đổi AC-DC-AC-AC cho hình 3, bao gồm hai cầu H (Bộ biến đổi A, B) biến tần ma trận pha (bộ biến đổi C) 30 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) R * is  L dis  uconv  us dt (1) Từ (1) ta có (2) is  uconv  us u  s R  Ls R  Ls (2) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 CLTC is it R, L S3 S1 ic AC/DC Hoặc DC/AC/AC us Uconv AC S2 DC C Z Udc S4 GPRh (s)  K ph  KIh Hình Sơ đồ hệ chỉnh lưu tích cực Trong trạng thái nguồn điện xoay chiều ổn định việc điểu khiển dịng điện bơm vào lưới thực thông qua điện áp nghịch lưu biến đổi uconv Cấu trúc mạch vòng điều khiển cho hình is* Đối với nghịch lưu nguồn áp, lượng đặt dòng điện điều khiển dòng điện vòng hay lượng đặt điện áp điều khiển điện áp vịng ngồi ln thay đổi, sử dụng cấu trúc điều khiển PI ln tồn sai lệch tĩnh Vì vậy, nhóm tác giả sử dụng cấu trúc điều khiển cộng hưởng PR để giải vấn đề Cấu trúc điều chỉnh PR có dạng (5) Us C s is R s Trong đó, Kph KIh hệ số tỷ lệ hệ số tích phân điều khiển PR Nếu chọn h = tức điều khiển cộng hưởng tần số cấu trúc điều khiển PR trở thành (6): GPRh (s)  K ph  K Ih  RL s G s (5) s2  h2 12 s (6) s  12 Bộ điều chỉnh dịng cộng hưởng PR có cấu trúc cụ thể hình Hình Cấu trúc vịng điều khiển dòng điện is* K pi  Giả sử điều khiển dịng điện hoạt động ổn định hàm truyền vịng kín điều khiển dịng điện sấp xỉ K ii s s  02 Us R is  RL s C  s G s Ta có phương trình (3) uC  1 * iC  *(iS  it ) jC jC (3) *(iS  it ) Cs (4) Hay: uC  uC* + Cu  s  - is* is 1 C *s Trong :  Sóng hài bậc h = => Cộng hưởng tần số bản, C(s) hàm truyền điều chỉnh dòng PR G(s) hàm truyền đối tượng điều chỉnh dòng điện  i*s giá trị đặt dịng điện - uc Hình Cấu trúc điều khiển cộng hưởng dòng  is giá trị thực tế đầu dòng tải it  ω0 tần số dòng điện  R L điện trở, điện cảm nối tiếp đầu vào biến đổi Hình Cấu trúc điều khiển điện áp tụ C Coi it nhiễu, cấu trúc điều khiển điện áp uc hình u*c + uc Cu ( s ) i  Kpi, Kii tham số điều khiển cần tính Hàm truyền vịng kín mơ (7): GPR (s)  C *s is i*s K pi s2  K ii s  K pi 2o Ls  (R  K pi )s2  (K ii  2oL )s  K pi 2o  2oR (7) Thay s = jω vào (7) tính ta (8): GPR (s)  Hình Cấu trúc điều khiển cộng hưởng cho điện áp tụ Uc rút gọn Trong đó: Cu(s) điều khiển điện áp chiều C tụ điện chiều trung gian 2.4 Tổng hợp điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng điều khiển Bộ điều khiển cộng hưởng ứng dụng phổ biến biến đổi nối lưới, nguyên lý tổng hợp điều khiển cộng hưởng nhiều tài liệu trình bày (chẳng hạn [6]) Trong báo này, nhóm tác giả áp dụng luật điều khiển cộng hưởng để tổng hợp vòng điều khiển cho máy biến áp điện tử pha Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn  K ii2 2  K pi2 (2o  2 )2 (8) [K ii  L(2o  2 )]2  (R  K pi )2 (2o  2 )2 Cho Kii = biểu thức (8) viết lại (9): TPR ( j)  K pi2 (2o  2 )2 (9) L(2o  2 )]2  (R  K pi )2 (2o  2 )2 Nếu tần số góc ban đầu ωib xác định Kpi xác định sau để có hệ số suy giảm -3db hay TPR ( j)  (10) Thay (10) vào (9) giải phương trình ta được: Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 31 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bảng Tham số mô hệ thống (11) K pi  R  2.R  (L.ib )2 (ωib tần số góc ban đầu) Xét khâu tích phân Tính Kii Giải phương trình (10) với ẩn Kii, Kpi biết ta có (12) K ii    20  fb fb ( (R  K pi )2  L.fb   2.K pi2  L.fb ) (12) Như phân tích trên, điều khiển cộng hưởng mạch vòng điện áp cho (7) u*c K pu uc K s  iu s  0 i C1 ( s ) C *s G1 ( s ) STT Tham số L1 R1 L2 R2 C 10 11 0 Điện áp cổng Điện áp cổng ωib ωfb U*C Discrete 1e-06 s 100π rad V V rad rad 220 sin(  t) 2.450 π 2.550 π 1/50 [ui_out2] [GatesHigh] LF4 [i_L2] iL Trong đó: Udc.Ref  C1(s) hàm truyền điều chỉnh áp PR DC+ A Cdc AC 110V 50Hz * [GatesLow] i - + v - Udc - V1 [HF_I] g + i - A + B I_HF + IL2 Gates L HF + + A D B DC- L i + - Gates H C Idc + v - [u_out2] V2 LF2 AC + v - [U2] V LF1 Converter B B  u c giá trị đặt điện áp tụ điện HF trans matrix converter Gates prime  uc giá trị thực tế điện áp tụ điện Converter A  C điện dung tụ điện SineWave Gates 1-3 [GatesHigh] Gates 2-4 [GatesLow] current control [U2] [Udc] [Udc_ref] PWM HF link Controller1  Kpu, Kiu hệ số cần tính -K- [Udc] [ui_out2] [Udc_ref] LF Ta có hàm truyền vịng kín hệ thống: + + Udc Ref.1  G1(s) hàm truyền tương đương vịng kín điều khiển dòng điện tải o K pu s  K iu s  K pu  uC  u*C Cs3  K pu s2  (K iu  2o C)s  K pu 2o LF3 Hien thi voltage control Hình 11 Sơ đồ mơ hệ SST K i2 2  K p2 (2o  2 )2 [K i  C(2o  2 )]2  K p2 (2o  2 )2 [u_out2] (13) Thay s = jω vào (13) tính ta được: TPR (s)  Đơn vị H  H  F V 110 sin(  t) Hình 10 Cấu trúc điều khiển cộng hưởng cho điện áp tụ uc TPR (s)  Giá trị 4,5e-3 0,01 7,5e-3 0,01 0,001 200 (14) Giả sử có khâu tỉ lệ bỏ qua khâu tích phân Xét Kiu = tính Kpu Thay Kiu = vào (14) giải phương trình TPR (s)  ta được: K pu  (C.ib )2  C.ib (15) Với: ωib tần số góc ban đầu Xét khâu tích phân Tính Kiu Giải phương trình với ẩn Kiu, Ppu biết ta K iu   fb  02  fb 2 ( K pu2   C.fb   2.K pu  C.fb ) (16) Trong đó, ωfb tần số góc cuối KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ BÀN LUẬN Trên sở phân tích tổng hợp điều khiển mục 2, nhóm tác giả xây dựng mơ hình mơ máy biến áp điện tử pha với thông số cụ thể bảng Hình 11 thể sơ đồ mơ máy biến áp điện tử pha, hình 12 mơ tả khâu chuyển mạch Hình 12 Sơ đồ mơ khâu chuyển mạch Kết mơ hình 13 ÷19 cho thấy, dạng dòng điện qua cổng có dạng sin hiệu chỉnh hệ số cơng suất, cơng suất trao đổi hai chiều phía AC DC, điện áp chiều trung gian giữ bám với giá trị đặt chứng tỏ vấn đề trao đổi công suất đảm bảo 32 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 DONG DIEN QUA CUON CAM VA DIEN AP NGUON CONG 200 FFT window: of 25 cycles of selected signal 100 40 20 0 -20 -40 0.2 -100 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Time [s] 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 13 Dịng điện qua cuộn cảm điện áp nguồn cổng DIEN AP DAU VAO BO BIEN DOI A 400 200 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Time [s] 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.4 0.45 0.5 0.45 0.5 Hình 14 Điện áp đầu vào biến đổi A 250 200 150 100 50 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Time [s] Hình 15 Điện áp đặt điện áp thực tế khâu DC_link 400 200 -200 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Time [s] 0.3 0.35 Hình 16 Dạng dịng điện qua cuộn cảm điện áp nguồn cổng 2000 1000 -1000 -2000 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Time [s] 0.3 0.35 Hình 17 Điện áp đầu vào biến đổi C FFT window: of 25 cycles of selected signal 50 -50 0.2 0.21 0.22 0.23 0.24 Time (s) 0.25 0.26 0.27 Fundamental (50Hz) = 75.14 , THD= 4.70% Mag (% of Fundamental) 0.24 Time (s) 0.25 0.26 0.27 0.8 0.6 0.4 0.2 200 400 600 Frequency (Hz) 800 1000 Hình 19 Phân tích sóng hài dòng điện cổng (0,2- 0,28s) -200 -400 0.23 Fundamental (50Hz) = 42.35 , THD= 1.87% 0 -400 0.22 Mag (% of Fundamental) -200 0.21 0.4 KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết nghiên cứu việc điều khiển máy biến áp điện tử pha xây dựng sở ACDC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao Việc tổng hợp điều khiển dòng điện điện áp theo kết hợp sử dụng phương pháp điều chế phương án chuyển mạch theo kiểu biến tần ma trận đảm bảo khả tạo dịng phía xoay chiều có dạng sin, cơng suất trao đổi hai chiều hai phía máy biến áp Tuy nhiên, nghiên cứu kiểm chứng mô phỏng, cần tiếp tục nghiên cứu thử nghiệm mơ hình thực tế LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội hỗ trợ nghiên cứu thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường năm 2019, mã số: 332019-RD/HĐ-ĐHCN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Falcones, X Mao, R Ayyanar, 2010 Topology Comparison for Solid State Transformer Implementation Power and Energy Society General Meeting, IEEE 2010 [2] Aumkar Borgaonkar, 2015 Solid State Transformers: A Review of Technology and Applications Research [3] Xu She, Alex Huang, 2013 Solid State Transformer in the Future Smart Electrical System 2013 IEEE Power & Energy Society General Meeting [4] Bùi Văn Huy, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, 2014 Bộ biến đổi DC-AC-AC qua khâu trung gian tần số cao có khả trao đổi cơng suất hai chiều Hội nghị tồn quốc lần thứ Cơ Điện tử - VCM-2014 (trang 136 -142) [5] Bùi Văn Huy, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh, Vũ Hồng Phương, Trần Đình Thoại, 2015 Thực nghiệm nghịch lưu DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao có khả trao đổi cơng suất hai chiều Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA 2015 tháng 11/2015 (trang 197-203) [6] Bùi Văn Huy, Trần Trọng Minh, Nguyễn Văn Liễn, 2014 Điều khiển dịng cơng śt hai chiều qua bộ biến đổi AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng với khâu trung gian tần số cao Chuyên san điều khiển tự động hóa Số 11- Tháng12/2014 ISSN 1859-0551 (trang 24-31) 0 200 400 600 Frequency (Hz) 800 1000 Hình 18 Phân tích sóng hài dịng điện cổng (0,2- 0,28s) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn AUTHORS INFORMATION Bui Van Huy1, Pham Van Minh1, Quach Duc Cuong1, Trinh Trong Chuong1, Nguyen Van Doai1, Duangpasert Ounheuan2 Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry Vocational Education Development Institute, Lao Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 33 ... trúc điều khiển cộng hưởng cho điện áp tụ Uc rút gọn Trong đó: Cu(s) điều khiển điện áp chiều C tụ điện chiều trung gian 2.4 Tổng hợp điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng điều khiển Bộ điều khiển. .. hai chiều Hình Cấu trúc mạch lực MBA điện tử pha Hình Một số cấu hình máy biến áp điện tử [1] Cấu trúc máy biến áp điện tử bao gồm khâu cách ly máy biến áp tần số cao, phân loại theo kiểu sơ... với hai khâu chiều trung gian (một khâu điện áp cao khâu điện áp thấp) hình 1d Như phân tích trên, máy biến áp điện tử gồm máy biến áp tần số cao biến đổi điện tử cơng suất Như hình 2, rõ ràng