tài liệu điều khiển điện tử công suất Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện tử công suất (Modeling and Control of Power Electronic Converter) Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương 7252017)
BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP – VIỆN ĐIỆN Mơ hình hóa thiết kế điều khiển cho biến đổi Điện tử công suất Modeling and Control of Power Electronic Converter Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương 7/25/2017 Lecture notes on modeling and design of control system for power electronic converter CONTENTS DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNEquation Chapter Section 19 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất 19 1.2 Mạch phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn 20 1.2.1 Điều khiển mở cho Tiristor 20 1.2.2 Điều khiển đóng cắt cho MOSFET 22 1.2.3 Điều khiển đóng cắt cho IGBT 24 1.2.4 Mạch driver cho MOSFET IGBT 26 1.3 Mục tiêu đặt thiết kế điều khiển biến đổi 27 1.4 Các loại hệ thống điều khiển 30 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWMEquation Chapter Section 32 2.1 Các dạng sơ đồ điều chế 32 2.1.1 Điều chế trích mẫu tự nhiên 32 2.1.2 Phương pháp biến điệu độ rộng xung ứng dụng điều khiển số: PWM trích mẫu 35 2.2 Phân tích sóng hài dạng sóng điều chế PWM 37 2.2.1 Điều chế trích mẫu tự nhiên 37 2.2.2 Điều chế PWM trích mẫu 44 2.3 Mơ hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang không đổi 46 2.3.1 Mô hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM trích mẫu tự nhiên 46 2.4 Mơ hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang thay đổi 49 2.5 Điều chế PWM cho nghịch lưu 51 2.5.1 Điều chế PWM cho nghịch lưu pha nửa cầu 51 2.5.2 Điều chế PWM cho nghịch lưu cầu pha 52 2.5.3 Thời gian chết chu kỳ điều chế 55 2.6 Điều chế PWM cho nghịch lưu nguồn áp ba pha 55 2.6.1 Phương pháp sinPWM 55 2.6.2 PWM) Điều chế PWM cho nghịch lưu ba pha, có thêm vào thành phần thứ tự không (ZSS59 2.7 Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) 61 2.7.1 Khái niệm vector không gian 61 2.7.2 Trạng thái đóng cắt van vector trạng thái 62 2.7.3 Xác định hệ số điều chế 65 2.7.4 Mẫu xung tối ưu thứ tự thực vector 68 2.7.5 Mẫu xung tối ưu sẵn sàng cho cài đặt vi điều khiển 69 2.7.6 Quá điều chế (Overmodulation) 71 2.7.7 Mô phương pháp SVM 72 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊNG KÍN CHO CHỈNH LƯU TIRISTOR Equation Chapter Section 78 3.1 Mạch tạo xung điều khiển biến đổi Tiristor 78 3.1.1 Nguyên lý tạo xung điều khiển cho biến đổi Tiristor 78 3.1.2 Mạch tạo xung điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha 80 3.2 Mơ hình hóa tổng hợp mạch vòng dòng điện cho chỉnh lưu Tiristor 83 3.2.1 Mơ hình hóa mạch vịng dòng điện sử dụng biến đổi chỉnh lưu tiristor 83 3.2.2 Chỉnh lưu tiristor đóng vai trị biến đổi nguồn dòng 87 MƠ HÌNH HĨA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Chapter Section 91 4.1 Các phương pháp mơ hình hóa biến đổi bán dẫn công suất 91 4.2 Mơ hình đóng cắt 92 4.2.1 Mô hình tốn học 92 4.2.2 Mơ hình đóng cắt cho biến đổi DC-DC 93 4.3 Mơ hình trung bình cổ điển 97 4.3.1 Cơ sở toán học mơ hình trung bình 97 4.3.2 Tuyến tính hóa mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ 98 4.4 Mơ hình trung bình cho biến đổi DC-DC lý tưởng 99 4.4.1 Mơ hình trung bình cho Buck converter 99 4.4.2 Mơ hình trung bình cho Boost conveter 99 4.5 Mơ hình trung bình cho biến đổi DC-DC có tính tới tổn hao 101 4.5.1 Mơ hình trạng thái trung bình cho Bộ biến đổi kiểu boost có tổn hao 103 4.5.2 Mơ hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu buck có tổn hao 104 4.5.3 Mơ hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu Buck- boost có tổn hao 106 4.6 Mô kiểm chứng mơ hình 107 4.6.1 Mơ hình mơ biến đổi kiểu buck 107 4.6.2 Mơ hình mơ boost converter 109 PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH PHẦN TỬ VÀ MẠNG ĐĨNG CẮT Equation Section (Next) 112 5.1 Phương pháp trung bình phần tử đóng cắt 112 5.1.1 Sơ đồ tương đương bất biến phần tử đóng cắt 112 5.1.2 Mơ hình trung bình phần tử đóng cắt cho Bộ biến đổi kiểu buck 116 5.2 Phương pháp trung bình hóa mạng đóng cắt 117 5.2.1 Trung bình hóa mạng đóng cắt cho sơ đồ Bộ biến đổi kiểu boost 117 5.2.2 Trung bình hóa mạch đóng cắt cho Buck, Buck-boost 121 5.2.3 Hàm truyền cho biến đổi có tính tới điện trở cuộn cảm r L điện trở rESR tụ 122 5.2.4 Hàm truyền có tính tới tổn hao van bán dẫn điôt 124 5.2.5 Mô hình trung bình tính tới tổn hao q trình đóng cắt 126 MƠ HÌNH TRUNG BÌNH TỔNG QUÁT Equation Section (Next) 128 6.1 Mơ hình trạng thái trung bình tổng quát vectơ động 128 6.1.1 Khái niệm phazor động 128 6.1.2 Phương trình với biến động tín hiệu nhỏ 130 6.1.3 Liên hệ phazor động dạng sóng thực 131 6.2 Mơ hình trung bình tổng qt 132 6.3 Mơ hình trung bình tổng qt cho nghịch lưu nguồn áp pha 133 6.3.1 Mơ hình nghịch lưu nguồn áp cầu pha xung chữ nhật 133 6.3.2 Mơ hình nghịch lưu nguồn áp cầu pha điều chế PWM 136 6.4 Mô hình trung bình tổng quát cho nghịch lưu ba pha 138 6.4.1 Sơ đồ chỉnh lưu kiểu Boost ba pha 138 6.4.2 Sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp 142 MƠ HÌNH TRUNG BÌNH HẠ BẬC Equation Section (Next) 146 7.1 Phương pháp giảm bậc phương trình trạng thái 146 7.2 Mơ hình giảm bậc cho Bộ biến đổi kiểu boost chế độ DCM 147 7.3 Mơ hình trung bình giảm bậc biến đổi DC-AC nối lưới 149 DC/DC THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Section (Next) 153 8.1 Thiết kế điều khiển dựa đáp ứng tần số 153 8.1.1 Đáp ứng tần số hệ tuyến tính 153 8.1.2 Đáp ứng thời gian hệ thống điều khiển 154 8.1.3 Các bù tiêu biểu 158 8.2 Điều khiển trực tiếp đầu 161 8.2.1 Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp đầu 161 8.2.2 Ví dụ thiết kế cho biến đổi DC/DC kiểu Buck 164 8.2.3 Ví dụ thiết kế cho biến đổi DC/DC kiểu Boost 168 8.3 Điều khiển gián tiếp đầu – cấu trúc hai mạch vòng 176 8.4 Điều khiển theo dịng điện lập trình (Current-programmed Mode – CPM) 177 8.4.1 Sự ổn định D>0,5 179 8.4.2 Mơ hình biến đổi điều khiển theo dòng điện 183 8.4.3 Ví dụ thiết kế cho biến đổi DC/DC kiểu Buck 184 8.4.4 Ví dụ thiết kế cho biến đổi DC/DC kiểu Boost 190 8.5 Điều khiển phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực 199 8.5.1 Các bước tiến hành thiết kế 199 8.5.2 Mô kiểm chứng thiết kế 203 8.6 Triển khai cấu trúc điều khiển DC/DC thực tế 205 8.6.1 Kỹ thuật điều khiển tương tự 206 8.6.2 Kỹ thuật điều khiển số 206 ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC VÀ AC-DC Equation Section (Next) 211 9.1 Đặc điểm yêu cầu điều khiển cho biến đổi có khâu xoay chiều tần số thấp 211 9.2 Thiết kế điều khiển hệ tọa độ quay 0dq 213 9.2.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực 213 9.2.2 Xác định thông số điều chỉnh PI 216 9.2.3 Kết mô 218 9.2.4 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu pha làm việc độc lập 223 9.3 Các điều chỉnh cộng hưởng 230 9.3.1 Khái niệm điều chỉnh cộng hưởng 230 9.3.2 Phương pháp thiết kế điều chỉnh PR 233 9.3.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực pha 240 9.3.4 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp độc lập pha 246 9.4 Thuật toán vịng khóa pha 251 9.4.1 Thuật tốn vịng khóa pha pha 251 9.4.2 Thuật tốn vịng khóa pha pha 254 9.5 Triển khai hệ thống điều khiển biến đổi DC/AC thực tế 257 10 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Equation Section (Next) 266 10.1 Một số sở toán học 266 10.2 Bậc tương đối động học không 268 10.3 Tổng quan phương pháp điều khiển phi tuyến áp dụng cho Điện tử cơng suất 270 11 TUYẾN TÍNH HĨA BẰNG PHẢN HỒI CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Equation Section (Next) 272 11.1 Khái niệm tuyến tính hóa nhờ phản hồi 272 11.2 DC/DC Khả vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa xác cho biến đổi 275 11.2.1 Xét ví dụ cho biến đổi DC/DC kiểu Buck 275 11.2.2 Xét ví dụ biến đổi DC/DC kiểu Boost 278 11.3 AC/DC 12 Khả vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa xác cho biến đổi 283 ĐIỀU KHIỂN TỰA PHẲNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 284 12.1 Hệ phẳng điều khiển tựa khiển phẳng 284 12.2 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tựa phẳng 286 12.3 Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho biến đổi DC/DC 288 12.3.1 Ví dụ cho biến đổi Buck 288 12.3.2 Ví dụ cho biến đổi Boost 291 12.4 Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho nghịch lưu nguồn áp ba pha nối lưới 296 12.4.1 Xác định mơ hình tựa phẳng 296 12.4.2 Thiết kế trực tiếp 297 12.4.3 Điều khiển nối cấp 298 12.4.4 Mô 299 13 ĐIỀU KHIỂN TỰA THỤ ĐỘNG CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Equation Section (Next) 301 13.1 Định nghĩa hệ thụ động 301 13.2 Biểu diễn Euler-Lagrange cho hệ động học 302 13.3 Mơ hình tổng qt dạng thụ động cho biến đổi bán dẫn công suất 303 13.4 Ví dụ biểu diễn dạng Euler-Lagrange biến đổi 305 13.5 Điều khiển ổn định cho biến đổi bán dẫn công suất 312 13.5.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển ổn định 312 13.5.2 Tính tốn biến điều khiển cho vấn đề ổn định hệ thống 313 13.5.3 Hệ điều khiển thụ động thích nghi ước lượng tham số 314 13.6 Ví dụ thiết kế điều khiển tựa thụ động cho Bộ biến đổi kiểu boost 315 13.6.1 Tính tốn tín hiệu điều khiển 315 13.6.2 Tính chọn hệ số cho ma trận cản dịu 317 13.6.3 Phân tích tính ổn định hệ kín 318 13.6.4 Thích nghi ước lượng tham số 319 13.6.5 Mơ hình mơ hệ thống điều khiển tựa thụ động thích nghi ước lượng tham số cho Bộ biến đổi kiểu boost 320 14 ĐIỀU KHIỂN HỆ CÓ CẤU TRÚC THAY ĐỔI Equation Section (Next) 321 14.1 Hệ thống điều khiển kiểu rơ-le 321 14.2 Chế độ trượt VSS 322 14.2.1 Ví dụ hệ VSS đơn giản 322 14.2.2 Chế độ trượt VSS 325 14.2.3 Tính ổn định chế độ trượt 325 14.2.4 Điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck 326 14.2.5 Mô hệ điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck 328 14.3 Điều kiện tồn chế độ trượt 330 14.4 Điều khiển tương đương 331 14.4.1 Điều khiển tương đương hệ tuyến tính điều khiển vơ hướng 332 14.4.2 Điều khiển tương đương hệ tuyến tính điều khiển vector 333 14.4.3 Điều khiển tương đương hệ phi tuyến tính dạng affin 334 14.5 Phương pháp thiết kế điều khiển theo mode trượt 334 14.5.1 Thiết kế điều khiển trượt cho biến đổi kiểu buck 335 14.5.2 Thiết kế điều khiển trượt cho biến đổi kiểu boost 339 14.5.3 Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-DC 345 14.6 15 Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-AC 347 Tài liệu tham khảo 349 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt Chữ viết tắt Ý nghĩa PAF Bộ lọc tích cực (Power Active Filter) CCM Chế độ dòng điện liên tục (Continuous-conduction mode) DCM Chế độ dòng điện gián đoạn (Discontinuous-conduction mode) SISO Một đầu vào – đầu (Single Input Single Output) CF PWM Bộ điều chế với tần số không đổi MIMO Nhiều đầu vào – nhiều đầu (Multiple-Input-Multiple-Output) PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation) SWM Điều chế vector khơng gian (Space vector modulation) ZOH Khâu trích mẫu giữ bậc không (Zero-Order Hold) PFC Hiệu chỉnh hệ số công suất (Power factor correction) PM Dự trữ pha (Phase Margin) GM Dự trữ biên độ (Gain Margin) ADC Chuyển đổi tương tự sang số (Analog to Digital Converter) DAC Chuyển đổi số sang tương tự (Digital to Analog Converter) PLL Vịng khóa pha (Phase Locked Loop) PI Bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân (Proportional Integral) PR Bộ điều chỉnh cộng hưởng tần số (Proportional Resonant) DSP Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) VOC Điều khiển tựa điện áp lưới (Voltage Oriented Control) EMI Nhiễu điện từ (Electromagnetic interference) UPS Thiết bị cấp nguồn liên tục (Uninterruptible power supplier) RHP Điểm zero nằm bên phải mặt phẳng phức (Right half plane) ESR Nội trở nối tiếp tụ điện (Equivalent series resistance) PV Pin mặt trời (Photovoltaics) FPGA Field-programmable gate array MBA Máy biến áp SMC Điều khiển trượt (Sliding mode control) Các ký hiệu Ký hiệu Thứ nguyên Ý nghĩa td s Thời gian trễ iT A Dòng qua tiristor ID A Dòng qua tiristor tăng đến ID vT V Điện áp ca-tôt a-nốt Von V Điện áp ca-tôt a-nốt giảm xuống đến Von tgt s Thời gian mở van diT/dt Tốc độ giảm dịng qua van khơng Irr A Giá trị đỉnh dòng qua van trr s Thời gian dịng có giá trị âm,thời gian phục hồi Qrr C Điện tích phục hồi tq s Thời gian khóa van,lớn thời gian phục hồi khoảng lần dvT/dt V/s Tốc độ tăng điện áp Uco V Điện áp ngắn mạch van bị khóa RGint Ω Điện trở nội cực điều khiển RGext Ω Điện trở mắc nối tiếp cực điều khiển VP V Giá trị đỉnh xung điều khiển đưa từ Driver UGS, VGS V UDS, VDS V CGS F Tụ CGS CDS F Tụ CDS T, T1, T2 s Hằng số thời gian CDSl F Tụ CDS mức thấp UGS(th) V Giá trị ngưỡng UGS tụ (CGS + CDSl) nạp td(on) = t1 s Thời gian trễ mở VDD V Giá trị điện áp nguồn t1,t2, t3, t4 s Các khoảng thời gian đặc trưng A1 Đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ (CGS + CGD) A2 Đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ CGD khoảng t2 đến t4 td(off) s Thời gian trễ khóa RDS(on) Ω Điện trở DS dẫn U dc us* m PWM S3 S2 Ut PR S1 is* U t* S4 ĐC dòng điện ĐC điện áp is LC filter sin() Cf RMS Zt Hình 9.38 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập nguồn áp pha sử dụng phương pháp đo giá trị hiệu dụng 9.4 Thuật tốn vịng khóa pha Đối với thiết bị điện tử công suất nối lưới, việc xác định góc pha lưới điện vấn đề quan trọng nhằm đảm bảo việc điều khiển dòng lượng gữa hệ thống lưới điện Trong trường hợp điện áp lưới lý tưởng: biên độ điện áp tần số khơng thay đổi việc xác định góc đồng khơng gặp vấn đề lớn Tuy nhiên, điều kiện không thỏa mãn (thực tế thường hay gặp) cần có thuật tốn xác định xác góc pha điện áp lưới Vì thuật tốn vịng khóa pha đời để giải nhiệm vụ cho biến đổi pha nối lưới 9.4.1 Thuật tốn vịng khóa pha pha Trong lưới điện lý tưởng, pha đối xứng cân bằng, việc tính tốn góc pha vector điện áp dẫn tới việc biết góc pha pha Tuy nhiên, nay, việc tính tốn góc pha pha khơng quan trọng tính tốn góc quay vector điện áp, thuật toán điều khiển đại thực hệ trục tọa độ tĩnh αβ hệ trục tọa độ quay dq Đối với lưới điện lý tưởng, vector điện áp có quỹ đạo đường tròn quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ với tần số quay với tần số quay lưới điện Do vậy, để biết góc pha vector điện áp, cần sử dụng hàm số arctan Tuy nhiên, lưới điện thực tế vấn đề lại trở nên khác Như phân tích trên, lưới điện xuất hiện tượng khơng mong muốn Nếu điện áp pha tồn thành phần thứ tự ngược có chứa thành phần sóng hài bậc cao bậc bản, vector điện áp khơng cịn quay quỹ đạo quay khơng cịn đường trịn Ngồi ra, việc tồn thành phần hài bậc cao dẫn tới khả tồn nhiều hai điểm qua không chu kỳ điện áp lưới Hai tượng làm cho góc pha tính tốn nhờ hàm arctan khơng cịn góc pha tăng tuyến tính, dẫn tới làm giảm chất lượng hệ thống điều khiển Để giải vấn đề trên, thay tính tốn trực tiếp góc pha vector điện áp lưới, người ta tìm cách tính tốn góc pha vector thành phần thứ tự thuận bậc Để thực việc đó, cần tới cấu trúc đặc biệt gọi vịng khóa pha (PLL-Phase Locked Loop) 251 θ ωref V’ PI abc αβ Hình 9.39 Cấu trúc vịng khóa pha cho lưới điện ba pha (PLL-3) cấu trúc vịng khóa pha có tên gọi SRF-PLL (Synchronous Reference Frame-Phase Locked Loop) Cấu trúc gồm có khối chuyển vị tọa độ từ hệ trục tọa độ tĩnh sang hệ trục tọa độ quay, điều chỉnh PI khối tích phân Nó làm việc theo nguyên tắc điều khiển vận tốc góc quay hệ trục tọa độ đồng dq cho hình chiếu vec-tơ điện áp lưới lên trục q (lúc vec-tơ điện áp lưới nằm trục d) Nhờ tốc độ quay hệ trục tọa độ đồng bám theo tốc độ quay vector điện áp lưới Nhờ vào xác định tốc độ quay góc quay hệ trục tọa độ đồng bộ, ta tính tần số góc pha điện áp lưới Để tuyến tính hóa vịng khóa pha, hệ thống giả định trạng thái có sai lệch Dưới điều kiện đó, ta có: nhỏ so với trạng thái thực lưới điện, nghĩa có En cos( ) En end e nq En sin( ) En ( ) En e (9.101) Với En modul vector điện áp Bằng cách chia hai vế cho En , có đại lượng enq En e đóng vai trị tín hiệu sai lệch pha góc pha thực góc pha tính tốn vector điện áp Từ nhận xét trên, ta xây mạch vịng tuyến tính cho vịng khóa pha hình En sin s * Hình 9.40 Sơ đồ đơn giản mạch vịng điều chỉnh góc pha PLL Hàm truyền kín mạch vịng điều chỉnh góc pha: 252 G θ (s)= K p s+K i (9.102) s +K p s+K i Hệ số Kp, Ki điều chỉnh xác định thông qua mục tiêu: Độ điều chỉnh σ