Bài viết đề xuất thuật toán điều chế độ rộng xung cải tiến để giải quyết vấn đề mất cân bằng điện áp trên các tụ điện một chiều cho nghịch lưu T-type 1 pha. Bằng cách thay đổi hệ số điều chế, các trạng thái dư được sử dụng tác động vào quá trình phóng hoặc nạp cho các tụ điện DC để cân bằng được điện áp. Sự thay đổi của điện áp trên các tụ điện một chiều trong các trạng thái hoạt động được phân tích trong bài báo này.
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 015-021 Cải tiến thuật toán cân điện áp tụ cho nghịch lưu kiểu T-type pha Improved Capacitor Voltage Balancing Algorithm for a Single-phase T-type Inverter Vũ Hoàng Phương*, Kiều Hữu Phúc, Trần Văn Phương, Nguyễn Đình Ngọc, Nguyễn Quang Địch Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam * Email: phuong.vuhoang@hust.edu.vn Tóm tắt Bài báo đề xuất thuật tốn điều chế độ rộng xung cải tiến để giải vấn đề cân điện áp tụ điện chiều cho nghịch lưu T-type pha Bằng cách thay đổi hệ số điều chế, trạng thái dư sử dụng tác động vào q trình phóng nạp cho tụ điện DC để cân điện áp Sự thay đổi điện áp tụ điện chiều trạng thái hoạt động phân tích báo Thuật tốn đề xuất kiểm chứng cho ứng dụng nghịch lưu kiểu T-type pha chế độ độc lập Hơn ảnh hưởng cân điện áp lên tổng méo sóng hài điện áp đầu phân tích So với thuật tốn ban đầu, thuật tốn cải tiến cho thấy chất lượng điện áp đầu giảm 1,28% tổng độ méo sóng hài Thêm vào đó, cấu trúc điều khiển biến đổi giúp đạt thời gian phản hồi nhanh chóng hệ thống Các kết mô phỏng, thực nghiệm khẳng định hiệu phương pháp điều chế độ rộng xung cải tiến cho nghịch lưu đa mức pha kiểu T-type Từ khóa: Nghịch lưu kiểu T-type, cân điện áp tụ, điều chế độ rộng xung (PWM) Abstract The paper proposes an improved pulse width modulation algorithm to solve the voltage imbalance on DC capacitors for single-phase T-type inverter By changing the modulation index, the residual states can be applied to the discharge or charge state on the DC capacitors to balance the voltage The variation of the voltage across the DC capacitors in the operating states is analyzed in this paper The proposed algorithm is validated for application in single-phase T-type inverters in independent mode Furthermore, the effect of the voltage imbalance on the total output voltage harmonic distortion is analyzed Compared with the original algorithm, the improved algorithm shows that the output voltage quality reduces 1.28% of the total harmonic distortion Additionally, the converter control structure helps in achieving the fast time response of the system The simulation and experimental results have confirmed the effectiveness of the improved pulse width modulation method for single-phase T-type inverter Keywords: T-type inverter, balance capacitor voltages, pulse width modulation (PWM) Giới thiệu * van, nâng cao hiệu suất giảm tần số chuyển mạch Hiện nay, có nhiều sơ đồ cho biến đổi đa mức như: kiểu diode kẹp (Neutral-Point Clamped-NPC), kiểu cầu H nối tầng (Cascaded Hbridge multilevel-CHB), kiểu T-type [3-8] Tuy nhiên, nghịch lưu kiểu T-type có nhiều lợi hệ thống lượng mặt trời áp mái sử dụng cho lưới điện pha [8] Năng lượng tái tạo điểm nóng tồn cầu Vì vây việc xây dựng đưa vào ứng dụng hệ thống điện dùng lượng tái tạo trở thành yêu cầu thiết Trong số nguồn lượng tái tạo, lượng mặt trời trường hợp điển hình Với yêu cầu chuyển đổi từ nguồn điện chiều cung cấp từ pin mặt trời sang nguồn điện xoay chiều, nghịch lưu phải đạt tiêu chí chất lượng điện áp đầu để cấp cho tải sử dụng hòa lưới [1,2] Do đó, nghịch lưu đa mức ứng dụng cho hệ thống phát điện lượng mặt trời nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm, nghịch lưu có nhiều ưu điểm giảm sóng hài, tăng hiệu suất chuyển đổi mà không tăng điện áp đặt lên Các thuật toán cân điện áp tụ điện DC nghiên cứu để nâng cao độ tin cậy biến đổi kiểu T-type pha [9] Tuy nhiên, kết đạt cơng trình công bố cho thấy độ chênh lệch điện áp tụ DC cịn lớn Do đó, báo đề xuất thuật toán cân điện áp tụ DC mới, thuật toán cho phép hệ số điều chế van bán dẫn thay đổi dựa vào giá trị đo điện áp tụ DC, nên trạng thái phóng nạp tụ điện DC kiểm soát mức chênh lệch điện áp tụ DC giảm đáng kể Hiệu phương pháp đề xuất kiểm ISSN: 2734-9381 https://doi.org/10.51316/jst.149.etsd.2021.1.2.3 Received: February 29, 2020; accepted: September 17, 2020 15 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 015-021 chứng mơ hình mơ thực nghiệm dải công suất 5kW thu trạng thái SA3, SA4 Tương tự với nhánh B có trạng thái van SB3 SB4 Thuật toán cân điện áp tụ Bảng Hình cho thấy trạng thái phóng nạp tụ điện bị tác động mức điện áp đầu ±½ VDC Với mức điện áp đầu ±½ VDC có chứa trạng thái dư cho phép thay đổi điện áp tụ DC Dựa vào đặc điểm này, điện áp tụ điện cân thời gian dẫn dòng van bán dẫn phù hợp Do đó, điều chế độ xung thực dịch mức sóng sine chuẩn (Hình 5) để cân điện áp tụ Trên Hình cấu trúc nghịch lưu kiểu T-Type mức pha bao gồm cầu H-bridge van IGBT(SA1, SA2, SB1, SB2) nhánh kết nối với điểm trung tính tụ thơng qua van hai chiều (SA3, SA4) (SB3, SB4) Mỗi nhánh tạo mức điện áp đầu tổng hợp điện áp nhánh tạo giá trị điện áp khác +VDC, +0,5VDC, 0, -0.5VDC, -VDC Các trạng thái dẫn dòng của van bán dẫn thể Hình 2, tổ hợp trạng thái tạo mức điện áp đầu nghịch lưu T-type pha thay đổi điện áp mỗi tụ DC Bảng 1, “ ↓ ” – điện áp tụ DC có xu hướng giảm, “ ↑ ”- điện áp tụ DC có xu hướng tăng, “-”- điện áp tụ DC không thay đổi giá trị [9] Điều chế nghịch lưu T-Type mức dựa phương pháp PWM dịch mức sóng mang (Hình 4), sóng mang đồng pha với so sánh với sóng Sine chuẩn-được gọi hệ số điều chế Từ đó, việc lấy đảo trạng thái van SA1, SA2 C1 SA3 SA1 SB1 C1 SA2 SB4 SB2 C2 SA3 SA1 SB1 C1 SA4 SB3 C2 SB4 SA3 SA2 SB2 C2 SA1 SB4 Vc = +VDC/2 Vout SB3 B VC2 SA2 SA3 SB4 SB1 C1 SA3 SB2 C2 SB4 SB2 Hình Cấu trúc nghịch lưu T-type SA1 SB1 C1 SA3 SA1 SB1 SA2 SB2 SA4 SB3 SA2 SB2 C2 SB4 Vout = SA1 SB1 C1 SA3 SA1 SB1 SA2 SB2 SA4 SB3 SA2 SB2 C2 SB4 Vout = SA1 SB1 C1 SA4 SB3 SA2 A Vout = -VDC/2 SA4 SB3 C2 SB4 SB1 SB4 SA4 SB3 Vout = +VDC/2 C1 SA4 VDC C2 SA1 SA3 Vout = -VDC Vout = +VDC C1 VC1 SA4 SB3 SA4 SB3 C2 SA3 C1 SA3 SA1 SB1 SA2 SB2 SA4 SB3 SA2 Vout = -VDC/2 SB2 C2 SB4 Vout = Hình Trạng thái dẫn dịng van mức điện áp đầu khác 16 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 015-021 Bảng Trạng thái van bán dẫn ứng với mức điện áp trạng thái phóng nạp tụ điện Biên độ điện áp SA1 SA2 SA3 SA4 SB1 SB2 SB3 SB4 VC1 VC2 +VDC On Off Off Off Off On Off Off - - On Off Off Off Off Off On Off ↓ ↑ Off Off Off On Off On Off Off ↑ ↓ On Off Off Off On Off Off Off - - Off On Off Off Off On Off Off Off Off On On Off Off On On Off Off On Off On Off Off Off ↑ ↓ Off On Off Off Off Off Off On ↓ ↑ Off On Off Off On Off Off Off - - +1/2VDC -1/2VDC -VDC VDC VC2 VC1 ĐC điện áp Us* u* s PR us m PR is PWM SB3 SA4 SA3 SA2 SA1 SB2 SB1 Cf 𝜔 Sin() SB4 ĐC dịng điện Lf Rload Hình Cấu trúc điều khiển nghịch lưu kiểu T-type ứng dụng chế độ độc lập Thuật toán cân điện áp tụ thực sau: d SB2 Bước 1: Đọc giá trị điện áp tụ VC1, VC2 SA1 Bước 2: So sánh giá trị điện áp VC1, VC2 t(s) SA2 +) Nếu VC1>=VC2 ta phóng điện tụ C1, nạp điện tụ C2 SB1 +) Nếu VC1 V C2 V C1 < V C2 V C1 > V C2 Hình 9-Hình 11 cho thấy kết thuật toán cân điện áp tụ DC theo [9] thuật tốn đề xuất Khi có thuật tốn cân chênh lệch điện áp tụ điện giảm xuống Ngồi ra, Hình ta thấy dạng xung van trường hợp sử dụng phương pháp cải tiến so với phương pháp đề cập [9] Nhờ chênh lệch điện áp tụ DC lớn đạt ∆VC = V, khi sử dụng phương pháp tài liệu [9] đạt ∆VC = 50 V Do đó, độ méo sóng hài điện áp sau lọc LC THD = 1,8% VC1>= VC2 V C1 < V C2 d A1 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 No Phóng điện tụ C2, nạp điện tụ C1 (giảm dA1, tăng d B1) Duty a) Mẫu xung thực thuật toán cân tụ DC theo [9] Hình Thuật tốn cân điện áp tụ cải tiến dA1 dA1 dA1 t 0,5T 0,5T T dA2 dA2 T dB1 0,5T dB2 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 t dA2 dB1 dB2 0,02 0,025 dB1 t T t dB2 0,5T T Hình Hệ số điều chế phương pháp cân điện áp tụ điện trước [9] b) Mẫu xung thực thuật toán cân tụ cải tiến Hình Mẫu xung đưa đến van bán dẫn 18 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 015-021 Kết mô Bảng thể thông số hệ thống mô 400 200 Bảng Thông số mô -200 Ký hiệu Tham số Giá trị P Công suất danh định 5kW VDC Điện áp đầu vào 400VDC Vrms Điện áp đầu 220VAC fg Tần số 50 Hz fs Tần số đóng kHz 400 Lf Cuộn cảm lọc mH 200 Cf Tụ điện lọc 20 µF -200 C1, C2 Tụ điện phía chiều 940 µF -400 -400 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 a) Điện áp trước sau lọc LC sử dụng thuật toán cân điện áp tụ tài liệu [9] 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 220 0,11 0,12 0,13 b) Điện áp trước sau lọc LC sử dụng thuật toán cân điện áp tụ cải tiến 200 Hình 11 Điện áp đầu trước sau lọc LC 180 Bước mô kiểm chứng thuật toán cân điện áp tụ điện DC áp dụng hệ thống nghịch lưu kiểu T-type chế độ độc lập Bảng đưa thông số điều chỉnh cộng hưởng 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,4 a) thuật toán cân điện áp tụ [9] Bảng Thông số điều khiển Tham số 201 Giá trị Bộ điều khiển điện áp 200 Kpv; Kiv 199 0,04; 273 Bộ điều khiển dòng điện 0,045 0,05 0,055 0,06 0,065 Kpc; Kic 0,07 5; 85000 400 b) thuật toán cân điện áp tụ đề xuất 200 Hình 10 Điện áp tụ -200 Phân tích kết mơ tổng hợp Bảng cho thấy, với tham số điều kiện mô thấy thuật toán cân điện áp tụ cải tiến cho chênh lệch điện áp tụ điện thấp cho đầu chất lượng tốt so với thuật tốn mơ tả [9] -400 Khơng có cân Cân điện áp tụ [9] Cân điện áp tụ cải tiến ∆VC 70V 50V 3V THD 3,89% 3,08% 1,8% 0,1 0,15 0,2 Hình 12 Điện áp đặt điện áp tải 50 Bảng So sánh chênh lệch điện áp tụ theo phương pháp Các trường hợp 0,05 -50 0,05 0,1 0,15 Hình 13 Dịng điện qua tải 19 0,2 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 015-021 Kết Hình 12 điện áp tải (điện áp sau lọc LC) bám với giá trị đặt Tại thời điểm 0.1s, công suất tải thay đổi từ 2,5kW lên 5kW thể dịng điện tải Hình 13, điện áp tải ổn định sau khoảng thời gian độ 20ms Xây dựng hệ thống thực nghiệm ∆VC Một số thông số hệ thống thực nghiệm Bảng Ở công suất 6kW, thuật toán cân điện áp tụ cải tiến áp dụng, chênh lệch điện áp ∆VC = 20V Hình 15 Với hình dạng điện áp Hình 16, hệ số méo dạng sóng hài điện áp sau lọc LC đạt 4,25% Hình 15 Chênh lệch điện áp tụ Trong dải cơng suất 3kW, thuật tốn cân điện áp tụ cải tiến áp dụng, chênh lệch điện áp ∆VC = 10V Hình 17 Với hình dạng điện áp Hình 18, hệ số méo dạng sóng hài điện áp sau lọc LC đạt 4,25% Bảng Thông số mạch thực Kí hiệu Tham số Giá trị VDC Điện áp đầu vào 400 VDC Vrms Điện áp đầu 220 VAC f1 Tần số 50 Hz fs Tần số phát xung kHz Lf Cuộn cảm lọc 0,8 mH Cf Tụ điện lọc 20 µF C1, C2 Tụ điện phía chiều 940 µF IGBT Fuji 12MBI75VN-120-50 (1,2kV/50A) Card điều khiển TMS320F28379D Hình 16 Điện áp đầu trước sau lọc ∆VC Hình 17 Điện áp tụ điện Hình 14 Mơ hình thực nghiệm nghịch lưu T-Type pha Hình 18 Điện áp đầu trước sau lọc 20 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 015-021 Kết thực nghiệm có sai khác so với mơ nguồn điện chiều đặt vào mạch nghịch lưu T-Type pha cấp nguồn chỉnh lưu diode pha, nên điện áp bị đập mạch lần chu kỳ điện áp lưới công suất hữu hạn Trong đó, nguồn chiều sơ đồ mô nguồn lý tưởng multilevel inverters IET Power Electronics, 6: 554560 http://doi:10.1049/iet-pel.2011.0499 [5] M Ben Smida and F Ben Ammar, Modeling and DBC-PSC-PWM Control of a Three-Phase FlyingCapacitor Stacked Multilevel Voltage Source Inverter, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 57, no 7, pp 2231-2239, July 2010, http://doi:10.1109/TIE.2009.2030764 Kết luận Bài báo đề xuất thuật toán cân điện áp tụ điện cách thay đổi hệ số điều chế Thuật toán đưa giảm chênh lệch điện áp tụ điện Nhờ giảm độ méo sóng hài điện áp đầu tang độ tin cậy biến đổi nghịch lưu kiểu T-type pha Tính hiệu khả thi thuật toán đề xuất kiểm chứng kết mô thực nghiệm cho T-type pha chế độ độc lập Thuật toán cân điện áp tụ đề xuất áp dụng cho T-type pha chế độ nối lưới, công bố báo [6] Y Ounejjar and K Al-Haddad, Multiband hysteresis controller of the novel three phase seven-level PUCNPC converter, IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Vienna, Austria, 2013, pp 6257-6262, http://doi:10.1109/IECON.2013.6700164 [7] U Choi, F Blaabjerg and K Lee, Reliability Improvement of a T-Type Three-Level Inverter With Fault-Tolerant Control Strategy, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 30, no 5, pp 2660-2673, May 2015, http://doi:10.1109/TPEL.2014.2325891 Lời cảm ơn [8] A Anthon, Z Zhang, M A E Andersen, D G Holmes, B McGrath and C A Teixeira, The Benefits of SiC mosfets in a T-Type Inverter for Grid-Tie Applications, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 32, no 4, pp 2808-2821, April 2017, http://doi:10.1109/TPEL.2016.2582344 Nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Đề tài cấp Khoa học cấp Nhà nước mã số KC.05.22/16-20 tạo điều kiện cho thực viết Tài liệu tham khảo [9] M Aly, E M Ahmed, M Orabi and M Shoyama, An enhanced PWM method for loss balancing of five level T-type inverter in PV systems, 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), San Antonio, TX, USA, 2018, pp 25302535, http://doi:10.1109/APEC.2018.8341373 [1] IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, in IEEE Std 519-2014 (Revision of IEEE Std 519-1992) , 11 June 2014, http://doi: 10.1109/IEEESTD.2014.6826459 [2] R Teodorescu, M Liserre, P, Rodriguez, Grid Converter for Photovoltaic and Wind Power Systems, John Wiley &Sons, 2011 [10] M Parvez, M F M Elias and N A Rahim, Performance analysis of PR current controller for single-phase inverters, 4th IET Clean Energy and Technology Conference (CEAT 2016), Kuala Lumpur, Malaysia, 2016, pp 1-8, http://doi: 10.1049/cp.2016.1311 [3] M F Kangarlu and E Babaei, A Generalized Cascaded Multilevel Inverter Using Series Connection of Submultilevel Inverters, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 28, no 2, pp 625-636, Feb 2013, http://doi:10.1109/TPEL.2012.2203339 [11] Simone Buso and Paolo Mattavelli, Digital Control in Power Electronics, Morgan & Claypool, 2006, http://doi: 10.2200/S00047ED1V01Y200609PEL002 [4] Al‐Judi, A and Nowicki, E (2013), Cascading of diode bypassed transistor‐voltage‐source units in 21 ... 0 ,1 220 0 ,11 0 ,12 0 ,13 b) Điện áp trước sau lọc LC sử dụng thuật toán cân điện áp tụ cải tiến 200 Hình 11 Điện áp đầu trước sau lọc LC 18 0 Bước mơ kiểm chứng thuật tốn cân điện áp tụ điện DC áp. .. Thuật toán cân điện áp tụ thực sau: d SB2 Bước 1: Đọc giá trị điện áp tụ VC1, VC2 SA1 Bước 2: So sánh giá trị điện áp VC1, VC2 t(s) SA2 +) Nếu VC1>=VC2 ta phóng điện tụ C1, nạp điện tụ C2 SB1... Phóng điện tụ C2, nạp điện tụ C1 (giảm dA1, tăng d B1) Duty a) Mẫu xung thực thuật tốn cân tụ DC theo [9] Hình Thuật toán cân điện áp tụ cải tiến dA1 dA1 dA1 t 0,5T 0,5T T dA2 dA2 T dB1 0,5T dB2