(Luận văn thạc sĩ) cấu trúc phát điện tối ưu của hệ thống điện việt nam khi có sự tham gia của phát điện hạt nhân năm 2000

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ HỒNG ÁNH NGHIÊN CỨU BỘ CHỈNH LƯU BA PHA CASCADE BẬC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S K C0 4 4 Tp Hồ Chí Minh, năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ HỒNG ÁNH NGHIÊN CỨU BỘ CHỈNH LƯU BA PHA CASCADE BẬC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN VĂN NHỜ Tp Hồ Chí Minh, năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng năm 2014 Nguyễn Thị Hồng Ánh iii LỜI CẢM TẠ Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ, giảng viên hƣớng dẫn em th ực luận văn, đã ta ̣o điề u kiê ̣n thuâ ̣n lơ ̣i và hƣớng dẫn tâ ̣n tiǹ h, định hƣớng nhắc nhở kịp thời thời gian qua để em hoàn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh cung cấp cho em kiến thức quý báu làm tảng cho nghiên cứu để hoàn thành luận văn Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trƣờng Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện sở vật chất, phịng thí nghiệm để em triển khai đề tài suốt thời gian qua Tôi chân thành cảm ơn các anh em phòng thí nghiê ̣m , bạn bè lớp đã cùng nghiên cƣ́u giúp đỡ nhiề u quá trin ̀ h thƣ̣c hiê ̣n đề tài TP Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng năm 2014 Học viên thực Nguyễn Thị Hồng Ánh iv MỤC LỤC Trang tựa Trang QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM TẠ iv TÓM TẮT LUẬN VĂN .v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH CÁC HÌNH x DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii CHƢƠNG TỔNG QUAN .1 1.1 nƣớc Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu .1 1.1.2 Một số kết nghiên cứu nƣớc 1.2 Mục đích đề tài nghiên cứu 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài .4 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan chỉnh lƣu 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Các cấu trúc chỉnh lƣu ba pha 2.2 2.2.1 Các phƣơng pháp điều khiển Kỹ thuật điều chế theo dòng điện đặt (Hysteresis current control) 10 vi 2.2.2 Kỹ thuật điều chế Delta-Sigma .11 2.2.3 Kỹ thuật điều chế sóng mang (CPWM) 13 2.3 Mạch chỉnh lƣu cầu pha 16 2.3.1 Sơ đồ mạch chỉnh lƣu cầu pha .16 2.3.2 Nguyên lý làm việc .16 2.3.3 Phƣơng pháp điều khiển: 17 2.3.4 Phân tích thành phần hài .18 2.4 Mạch chỉnh lƣu ba pha có điều khiển: .18 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý: 18 2.4.2 Các chế độ hoạt động: 19 2.4.3 Phƣơng trình toán học mạch chỉnh lƣu ba pha: .20 2.4.4 Phƣơng pháp điều khiển theo ngõ vào có ba loại 24 2.5 Mạch chỉnh lƣu ba pha cascade năm bậc 25 2.5.1 Sơ đồ khối mạch .25 2.5.2 Sơ đồ mạch nguyên lý 26 2.5.3 Hoạt động mạch: 31 2.5.4 Mơ hình tốn học: 34 2.5.5 Thiết kế điều khiển: 35 CHƢƠNG 41 MÔ PHỎNG MẠCH VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 41 3.1 Mô mạch chỉnh lƣu ba pha cascade năm bậc: .41 3.1.1 Sơ đồ mô chỉnh lƣu: .41 3.1.2 Sơ đồ Thiết lập thông số cho khối: 42 3.2 Sơ đồ điều khiển dùng phƣơng pháp dịng điện đặt: 46 3.2.1 Mơ hình mô khối điều khiển: 46 3.2.2 Thực mô dùng phƣơng pháp dòng điện đặt .48 3.3 Sơ đồ điều khiển dùng phƣơng pháp điều chế sóng mang: .51 3.3.1 Mơ hình mơ khối điều khiển: 51 3.3.2 Thực mô phỏng: 53 vii 3.4 Thực mô chế độ xác lập dùng phƣơng pháp dòng điện đặt phƣơng pháp sóng mang 56 3.4.1 Phƣơng pháp dòng điện đặt 56 3.4.2 Phƣơng pháp sóng mang .60 3.5 Mô với nguồn 200V 240V ta thu đƣợc bảng kết sau 65 3.6 Mô chế độ độ dùng phƣơng pháp dịng điện đặt phƣơng pháp sóng mang 65 3.6.1 Phƣơng pháp dòng điện đặt 65 3.6.2 Phƣơng pháp điều chế sóng mang 67 3.7 Nhận xét: 70 CHƢƠNG 71 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 71 4.1 Kết luận 71 4.2 Hƣớng phát triển đề tài .71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 viii CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nƣớc 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu Vào đầu kỷ XIX, lƣợng điện đƣợc đƣa vào sử dụng nhiều lĩnh vực kỹ thuật, đến thập niên 70-80 kỷ XX, kỹ thuật điện tử đƣợc ứng dụng mạch điều khiển, đo lƣờng, khống chế, bảo vệ… hệ thống điện công nghiệp Đến thập niên 90 kỷ XX, kỹ thuật điện tử ứng dụng rộng rãi thành cơng việc thay khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho phụ tải, làm nguồn công suất lớn công nghiệp Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp nhanh, kèm theo yêu cầu cao khâu truyền động ổn định điện áp có điều chỉnh điện áp, thiếu đƣợc dây chuyền cơng nghiệp điều khiển xác để chuyển động phức tạp nhiệm vụ hệ thống truyền động Một thiết bị góp phần quan trọng cho thiết bị điều khiển nguồn AC/DC gọi chuyển đổi AC/DC hay chỉnh lƣu Trong ứng dụng truyền thống nhƣ điều khiển động điện, nguồn công suất, phạm vi ứng dụng biến đổi công suất ngày đƣợc mở rộng nhƣ lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp, lƣu trữ lƣợng, cịn đƣợc ứng dụng truyền tải điện Vấn đề hiệu chỉnh hệ số cơng suất, méo dạng sóng hài nhƣ đƣợc đề xuất với đa dạng giải pháp nhƣ dùng bù, lọc thụ động tích tực … nhằm cải tiến chất lƣợng điện Các nghiên cứu biến đổi trƣớc cho thấy bên cạnh chức chuyển đổi cơng suất có số nhƣợc điểm nhƣ hệ số công suất thấp, lƣợng chảy theo chiều có nhiều sóng hài bậc cao Do biến đổi AC/DC PWM (pulse width modulation) khắc phục đƣợc nhƣợc điểm để bắt kịp với yêu cầu đặt tình hình Ở biến đổi lƣợng điện khóa chuyển mạch nguồn đƣợc điều khiển transistor lƣỡng cực có cực cửa cách ly (IGBT), thyristor tắt mở cực cửa (GTO), Thyristor điều khiển có cực cửa kết hợp (IGCT) đƣợc chứa mạch công suất chỉnh lƣu để tích cực thay đổi dạng sóng dịng điện ngõ vào, làm giảm độ méo, giảm sóng hài chúng cải thiện đƣợc hệ số cơng suất Trong năm gần đây, chỉnh lƣu đa bậc đƣợc nghiên cứu rộng rãi Nó đƣợc chấp nhận thay chỉnh lƣu hai bậc truyền thống nhiều ứng dụng Với cấu tạo đa bậc, điện áp bán dẫn công suất giảm, cải thiện đƣợc dạng sóng điện áp phía DC, kích thƣớc lọc nhỏ hơn, giảm điện áp khóa cơng suất Kiểu đa bậc thơng dụng dạng cascade với lợi dạng khác nhƣ: cấu tạo đơn giản, thành phần linh kiện, cấu trúc dạng mođun, vấn đề cân áp tụ điện đơn giản Tuy nhiên tăng nhiều bậc chỉnh lƣu trở nên cồng kềnh việc điều khiển trở nên phức tạp Với đặc điểm nêu, nhà khoa học nghiên cứu để tìm phƣơng án chỉnh lƣu tốt Một phƣơng án để hạn chế nhƣợc điểm nói phƣơng pháp chỉnh lƣu PWM đề luận văn tốt nghiệp đƣợc chọn “Nghiên cứu nguồn AC/DC pha dạng Cascade bậc” dùng phƣơng pháp Để nghiên cứu chỉnh lƣu học viên sử dụng phần mềm Matlab Simulink hãng Mathwork, Inc, phần mềm có nhiều thuận lợi riêng biệt Matlab cho phép sử dụng ngôn ngữ cấp cao nhƣ C, C++ Matlab có hàng trăm hàm xây dựng sẵn sử dụng nhiều lĩnh vực: toán học, thống kê, xử lý thu nhận ảnh, xử lý tín hiệu, mơ phỏng,… Simulink tảng mà có nhiều hàm giống Matlab có nhiều tập khối chuẩn cho phép ngƣời dùng thực nhiệm vụ nhƣ: xử lý ngõ vào/ra, phép tổng, hiển thị, 1.1.2 Một số kết nghiên cứu nƣớc Qua liệu internet, tạp chí khoa học, có số tài liệu có liên quan đến đề tài  Tổng quan phƣơng pháp PI dùng để điều khiển đƣờng DC chỉnh lƣu tích cực đa bậc dạng cầu H Bộ chỉnh lƣu tích cực đa bậc cầu H dạng Cascade cho phép cung cấp nhiều tải DC Vấn đề điều khiển chủ yếu quản lý đƣợc n+1 biến trạng thái với n hàm chuyển mạch Cấu trúc đa bậc dạng cầu H đƣợc quan tâm có dạng mơđun, cấu trúc đơn giản, thành phần (khơng có diode kẹp hay tụ cân bằng), có đƣờng dc riêng biệt cấp cho tải khác Bài so sánh giải pháp điều khiển PI lựa chọn phƣơng pháp tối ƣu [1]  Bộ chỉnh lƣu ba pha cầu H cascade bậc với phƣơng pháp dòng zero (ZCI) Bộ chỉnh lƣu đƣợc đề xuất để đạt đƣợc hệ số công suất 1, chất lƣợng công suất đƣợc cải tiến Bộ chuyển đổi đƣợc điều khiển theo phƣơng pháp khung tham chiếu đồng bộ(SRF) để tạo dòng điện dây dạng sin với hệ số công suất Phƣơng pháp SRF thực theo phƣơng pháp dị tìm điện áp tham chiếu ngõ yêu cầu dòng điện dây Giải pháp ZCI dùng để cân điện áp đƣờng DC riêng biệt Phƣơng pháp đảm bảo điện áp tụ điện phía đƣờng DC hội tụ điện áp tham chiếu, tải gắn với chúng có cơng suất khác Phƣơng pháp đạt THD dƣới 2% [2]  Các chiến lƣợc PWM đa bậc đƣợc đề xuất cho ứng dụng công suất cao nhƣ bù công suất phản kháng[3] Các chỉnh lƣu đa bậc đƣợc nghiên cứu để đạt đƣợc hệ số công suất cao ngõ vào, giảm 1.25 249.5 (50Ω) Không tải 260.5 246.6 (12.5Ω) 61 Bảng 12 Bảng kết đo hệ số công suất nguồn v Tải (KW) Giá trị đo 0.417 0.9992 Dạng sóng hệ số cơng suất (150Ω) 1.25 0.999 (50Ω) 0.9986 (12.5Ω) Không tải S 0.3549 62 Bảng 13 Bảng số liệu độ méo dạng dòng điện nguồn i S Tải Giá trị đo (KW) (%) Độ méo dạng (THD) 0.417 (150Ω) 5.5 1.25 (50Ω) 1.85 63 (12.5Ω) 2.42 Không tải 820.99 Bảng 14 Bảng so sánh kết mô với tải khác Nguồn 220V THD (%) Thông số R=12.5Ω 2.42 V dc (V) 246.6 Độ xác điện Nhấp nhơ áp áp (%) (V) 98.64 (5KW) 64 2.5 Hệ số công suất 0.9986 R=50Ω 1.85 249.5 99.8 1.5 0.999 5.5 250.4 99.84 1.5 0.9992 820.99 260.5 95.8 0.3549 (1250W) R=150Ω (417W) Không tải Kết đo Bảng 14 cho thấy nhấp nhô điện áp tải nhỏ với cơng suất tải nhỏ, nhƣng độ méo dạng dịng điện nguồn thấp 3.5 Mô với nguồn 200V 240V ta thu đƣợc bảng kết sau Chế độ giả định lƣới điện bị suy giảm 200V tăng lên 240V(tức thay đổi 10%) Mạch chỉnh lƣu có đáp ứng ngõ khơng thay đổi có độ xác cao Bảng 15 Bảng so sánh kết chế độ xác lập với nguồn 200V, 240V Nguồn 240V THD Vdc Độ xác điện áp Nhấp nhô áp (%) (V) (%) (V) 6.37 250.3 99.88 Thông số R=100Ω 200V Độ vọt lố THD Vdc Độ xác điện áp Nhấp nhô áp Độ vọt lố 4.67 250.4 99.84 2.25 3.6 Mô chế độ độ dùng phƣơng pháp dòng điện đặt phƣơng pháp sóng mang 3.6.1 Phƣơng pháp dịng điện đặt 65 Mơ trạng thái độ thay đổi tải thay đổi nguồn để giả định hoạt động mạch có tải nguồn thay đổi đột ngột tác động vào mạch chỉnh lƣu việc khảo sát đƣợc thực Thay đổi tải: Thứ tự thay đổi là: không tải→100Ω→ 50Ω Khi t