Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi MMC dùng vi mạch tích hợp FPGA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà Nội, 06/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC DÙNG VI MẠCH TÍCH HỢP FPGA Trưởng mơn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : TS Phạm Việt Phương Sinh viên thực : Nguyễn Văn Uy Lớp : KTĐK&TĐH 03-K58 MSSV : 20134533 Giáo viên duyệt : Hà Nội, 06/2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp với tên đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho biến đổi MMC dùng vi mạch tích hợp FPGA”, em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Phạm Việt Phương Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà nội, ngày 04 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Văn Uy MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI MMC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ 1.1 Tổng quan biến đổi nghịch lưu đa mức cấu trúc module MMC 1.1.1 Sơ đồ cấu trúc biến đổi nghịch lưu đa mức MMC 1.1.2 Nguyên lý hoạt động biến đổi nghịch lưu đa mức MMC 1.2 Tổng quan phương pháp điều chế cho biến đổi MMC 1.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung Pulse Width Modulation PWM 1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian SVM 1.2.3 Phương pháp điều chế NLM 10 1.2.4 Nhận xét 11 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NLM VÀ THUẬT TOÁN CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO MMC 12 2.1 Thuật toán NLM 12 2.2 Phương pháp NLM cổ điển 13 2.3 Phương pháp NLM cải tiến 16 2.4 Thuật toán cân lượng 18 Chương 3: MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC 22 3.1 Mơ hình hóa biến đổi nghịch lưu đa mức MMC 22 3.2 Tính tốn tụ điện cuộn cảm biến đổi đa mức cấu trúc module 25 3.3 Thiết kế điều khiển cho biến đổi đa mức cấu trúc MMC 27 3.3.1 Bộ điều khiển dòng điện khung tọa độ quay dq 29 3.3.2 Bộ điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng 31 Chương 4: TÌM HIỂU VÀ ỨNG DỤNG FPGA VÀO THỰC NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI MMC 34 4.1 Tổng quan FPGA 34 4.1.1 Khái niệm FPGA 35 4.1.2 Cấu trúc FPGA 36 4.1.3 Phân loại FPGA 38 4.1.4 Vai trò ứng dụng FPGA 38 4.2 Ứng dụng Kit FPGA Xilinx Spartan-6 XC6SLX9 vào thực nghiệm 40 Chương 5: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 42 5.1 Mô biến đổi đa mức cấu trúc module 42 5.1.1 Mạch vòng điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng 45 5.1.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện 47 5.1.3 Kết điện áp dòng điện 49 5.2 Mạch thực nghiệm biến đổi đa mức cấu trúc module 51 5.2.1 Mạch lực biến đổi MMC 53 5.2.2 Mạch driver cho biến đổi MMC 53 5.2.3 Mạch đo cho biến đổi MMC 54 5.2.4 Mạch ADC 56 5.2.5 Kit FPGA 57 5.2.6 Kết thực nghiệm 58 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 65 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc biến đổi nghịch lưu đa mức MMC [6] Hình 1.2 Trạng thái đóng cắt van sub-module SM Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động pha biến đổi MMC Hình 1.4 Ứng dụng biến đổi đa mức [1] Hình 1.5 Tổng quan phương pháp điều chế cho biến đổi đa mức [1] Hình 1.7 Phương pháp dịch pha sóng mang Hình 1.8 Mặt phẳng vector cho biến đổi N mức [4] 10 Hình 1.9 Nội dung phương pháp điều chế NLM [6] 10 Hình 2.1 Cấu trúc MMC pha [5] 12 Hình 2.2 Sơ đồ khối phương pháp NLM cổ điển 14 Hình 2.3 Nguyên lý phương pháp NLM cổ điển [5] 14 Hình 2.4 Sơ đồ phương pháp NLM cải tiến 16 Hình 2.5 Nguyên lý phương pháp NLM cải tiến [5] 17 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý thuật toán cân lượng [6] 19 Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán cân lượng 20 Hình 3.1 Mơ hình trung bình pha cấu trúc MMC [4] 22 Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển MMC 27 Hình 3.3 Sơ đồ mạch nối lưới tương đương [3] 28 Hình 3.4 Sơ đồ mạch vòng dòng điện [9] 29 Hình 3.5 Vector điện áp vector dòng điện trục tọa độ dq,  [9] 29 Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển dòng điện 30 Hình 3.7 Sơ đồ khối điều khiển dòng điện 30 Hình 3.8 Sơ đồ khối điều khiển cơng suất tác dụng 31 Hình 3.9 Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh MMC [4] 33 Hình 4.1 Mơ hình FPGA 36 Hình 4.2 Các loại cấu trúc FPGA 38 Hình 4.3 Kit FPGA AX309 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9 40 Hình 4.4 Sơ đồ khối Kit FPGA AX309 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9 [12] 40 i Danh mục hình vẽ Hình 5.1 Sơ đồ mơ tổng qt biến đổi MMC với SM nhánh 43 Hình 5.2 Cấu trúc mô SM 43 Hình 5.3 Bộ điều khiển dòng điện 44 Hình 5.4 Bộ điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng 44 Hình 5.5 Cấu trúc khối NLM 44 Hình 5.6 Đồ thị Bode hệ hở mạch vịng cơng suất tác dụng 45 Hình 5.7 Đáp ứng bước nhảy hệ kín vịng điều khiển công suất 46 Hình 5.8 Đáp ứng cơng suất tác dụng 46 Hình 5.9 Đáp ứng công suất phản kháng 47 Hình 5.10 Biểu đồ Bode vòng hở mạch vòng dòng điện 48 Hình 5.11 Đáp ứng bước nhảy hệ kín vịng điều khiển dịng điện 48 Hình 5.12 Đáp ứng dịng điện id công suất tác dụng thay đổi 49 Hình 5.13 Đáp ứng dịng điện iq cơng suất phản kháng thay đổi 49 Hình 5.14 Điện áp pha biến đổi trạng thái ổn định 50 Hình 5.15 THD điện áp pha ổn định 50 Hình 5.16 Dòng điện pha ổn định 51 Hình 5.17 THD dòng điện biến đổi trạng thái ổn định 51 Hình 5.18 Hệ thống thực nghiệm biến đổi MMC với SM nhánh 52 Hình 5.19 Mạch lực biến đổi MMC 53 Hình 5.20 Sơ đồ khối mạch driver 54 Hình 5.21 Mạch driver điều khiển IGBT 54 Hình 5.22 Mạch đo lường 55 Hình 5.23 Sơ đồ nguyên lý phân áp giá trị điện áp tụ điện đo 55 Hình 5.24 Cảm biến dòng LEM 56 Hình 5.25 Mạch ADC 56 Hình 5.26 Sơ đồ nguyên lý deadtime 57 Hình 5.27 Sơ đồ mơ tả lập trình FPGA 57 Hình 5.28 Điện áp pha thực nghiệm biến đổi MMC với N=2 58 Hình 5.29 Điện áp ba pha thực nghiệm biến đổi MMC với N=2 59 Hình 5.30 Điện áp ba pha mơ vịng hở biến đổi MMC với N=2 59 Hình 5.31 Điện áp pha thực nghiệm biến đổi MMC với N=4 60 ii Danh mục hình vẽ Hình 5.32 Điện áp dây thực nghiệm biến đổi MMC với N=4 60 Hình 5.33 Điện áp dây mơ vịng hở biến đổi MMC với N=4 60 Hình 5.34 Điện áp ba pha thực nghiệm biến đổi MMC với N=4 61 Hình 5.35 Điện áp ba pha mơ vịng hở biến đổi MMC với N=4 61 iii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1 Bảng trạng thái mô tả hoạt động SM………………… ……… .5 Bảng 5.1 Thông số mô nghịch lưu MMC với SM nhánh pha 42 Bảng 5.2 Thông số thực nghiệm 52 iv Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MMC Modular Multilevel Converter Bộ biến đổi đa mức cấu trúc mô đun NLM Nearest Level Modulation Điều chế gần mức SVM Space Vector Modulation Điều chế vectơ không gian PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung THD Total Harmonics Distortion Méo dạng sóng hài tổng HVDC High Voltage Direct Current Truyền tải điện cao áp chiều SM Submodule DDS Direct Digital Synthesizers Bộ tổng hợp số FPGA Field-Programmable Gate Cấu trúc phần tử mảng lập Array trình v ... vào hệ thống điện tử công suất dần phổ biến nhằm đáp ứng yêu cầu cao điều khiển Với đề tài: ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho biến đổi MMC dùng vi mạch tích hợp FPGA? ??, em thực công vi? ??c... nghiệp với tên đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho biến đổi MMC dùng vi mạch tích hợp FPGA? ??, em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Phạm Vi? ??t Phương Các số liệu kết hoàn toàn với thực... BÁCH KHOA HÀ NỘI VI? ??N ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC DÙNG VI MẠCH TÍCH HỢP FPGA Trưởng môn