Thiết kế bộ biến đổi DC/AC cho hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập
MỤC LỤC
SUBJECT SUMMARY
TÍNH CHỌN MẠCH LỰC BỘ BIẾN ĐỔI DC/AC 3 PHA
Bộ biến đổi DC/AC hay gọi là bộ nghịch lưu (ở đây là bộ nghịch lưu độc lập), là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Nghịch lưu độc lập và biến tần được sư dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện (từ các nguồn độc lập như ắc quy), các hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng, luyện kim. Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO, MOSFET càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp.
Thông thường ta xét loại phụ tải điện trở-điện cảm (RT−LT), đây là loại tải xoay chiều hay gặp nhất, vì ngay cả động cơ xoay chiều không đồng bộ cũng có thể thay thế tương đương bằng dạng tải này. Ta gọi điện áp giữa các điểm A,B,C so với điểm cực âm của nguồn cung cấp một chiều là UA0, UB0,UC0 và điện áp trên các phụ tải ZA, ZB, ZC làUA, UB,UC; điện áp dây phụ tải là UAB, UBC, UCA. Bộ biến đổi dòng điện (nghịch lưu dòng điện): Là bộ biến đổi một chiều-xoay chiều mà nguồn cung cấp là nguồn dòng điện và phụ tải không có tính chất dao động cộng hưởng hoặc nếu có tính chất dao động cộng hưởng thì tần số cộng hưởng f0nhỏ hơn tần số dòng điện ra của bộ biến đổi f (f cũng là tần số làm việc của bộ biến đổi).
Trong sơ đồ này thì các tiristor chính T1 T4 làm nhiệm vụ biến đổi dòng một chiều Id thành dòng xoay chiều it, để tạo ra nguồn có đặc trưng nguồn dòng điện ta mắc nối tiếp với mạch nguồn một điện cảm lớn L0, tải của bộ biến đổi có thể là thuần trở hoặc điện trở điện cảm hoặc có thêm điện dung, ở đây ta nghiên cứu với loại phụ tải phổ biến nhất là tải điện trở điện cảm (Rt-Lt). Từ đồ thị dòng tải ta thấy rằng dòng tải là dòng xoay chiều không hình sin, với sóng hài bậc nhất dòng điện có tần số bằng tần số khống chế bộ biến đổi (tần số khống chế các van) và các thành phần sóng hài bậc cao. Cũng tương tự như với nghịch lưu điện áp là ta có thể tạo ra hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha từ nguồn cung cấp là nguồn dòng một chiều bằng cách sử dụng ba bộ biến đổi một pha làm việc cùng tần số và thứ tự lệch nhau 1/3 chu kỳ hoặc dùng một bộ biến đổi ba pha.
Trong sơ đồ cũng sử dụng 6 tiristor phân làm 2 nhóm van như nghịch lưu áp, để cho nguồn cung cấp có đặc trưng nguồn dòng ta mắc nối tiếp với nguồn điện cảm lớn L0, trong sơ đồ này ta mắc tải dạng hình sao (Y). Do đặc điểm là dòng nguồn liên tục và không đổi, liên hệ với sự hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha khi dòng mạch một chiều (tải) là liên tục thì mỗi van trong một chu kỳ chỉ dẫn dòng một khoảng thời gian bằng 1/3 chu kỳ ta suy ra: Trong sơ đồ nghịch lưu dòng cầu ba pha thì mỗi van trong sơ đồ chỉ dẫn dòng một khoảng thời gian bằng 1/3 chu kỳ của dòng điện ra trên tải, tức là góc dẫn của mỗi van là: = 2/3 Từ đó ta có đồ thị dòng tải của bộ biến đổi như hình 2.10. Giá trị điện cảm không lớn như nghịch lưu dòng (Ld = ∞) và không nhỏ hơn nghịch lưu áp (Ld = 0), mà chiếm một vị trí trung gian sao cho khi kết hợp với điện cảm của tải Lt và tụ điện C thì trong mạch sẽ xuất hiện hiện tượng dao động.
Tuy nhiên thành phần dòng i2 sẽ không thể suy giảm nhanh được do lượng điện tích tích lũy trong lớp n−¿¿ (tương đương với bazo của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể xuất hiện vùng dòng điện bị kéo dài khi khóa một IGBT. Trong thời gian trễ khi mở Id(on) tín hiệu điều khiên nạp điện cho tụ Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emito tăng theo quy luật hàm mũ, từ ko đến giá trị ngưỡng U¿(th) (khoảng 3 đến 5 V), chỉ bắt đầu từ đó MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng ra đến độ dày nhất định vì ở bên trong vùng N khi các điện tử di chuyển đi sẽ để lại các Ion dương, còn bên vùng P khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp cách điện tử hóa trị ngoài cùng, tạo nên các Ion âm.
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BBĐ DC/AC CHO HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3 PHA ĐỘC LẬP
Trong trường hợp tổng quát với hệ 3 pha đối xứng (có thể cân bằng hoặc không cân bằng) vector không gian điện áp 3 pha có thể biểu diễn bởi 2 thành phần thuận và nghịch. Trong hệ thống điện áp 3 pha có dạng sin và cân bằng, thì quỹ đạo của vector không gian U là một đường tròn, có bán kính bằng với biên độ điện áp pha |U| =Um. Còn nếu điện áp của hệ sin nhưng mất cân bằng, thì quỹ đạo vector U vẽ nên sẽ có dạng elip, đường bán kính dài có độ lớn bằng biên độ thành phần thứ tự thuận |UP| = Up.
Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác Vtri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn Vc (gọi là tín hiệu điều khiển). Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha, thì ở ngừ ra sẽ thu được dạng xung điện ỏp mà thành phần điều hũa cơ bản cú tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển Vc và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang. Nếu để ý đến hệ thức tính chỉ số điều chế, ta thấy phương pháp SPWM đạt được chỉ số lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng với biên độ sóng mang.
¿ ra từ khâu điều chỉnh điện áp được đưa vào khâu điều chỉnh dòng điện và sau khi qua khâu điều chỉnh dòng điện tín hiệu ra là hai tín hiệu áp usd và usq qua khâu chuyển tọa độ để cung cấp tín hiệu cho PWM. Các hệ thống điều khiển áp dụng và thử nghiệm cho điện tử công suất bao gồm rất nhiều các cấu trúc khác nhau, tuy nhiên cho đến nay có thể chia làm hai lớp chính: hệ tuyến tính và hệ phi tuyến. Đối với các bộ biến đổi ba pha việc biểu diễn các đại lượng ba pha, điện áp hay dòng điện, bằng một vector trên hệ tọa độ tĩnh αβ được coi như một phương pháp tiêu chuẩn.
Ta có mối quan hệ hàm truyền đạt giữa đòng điện đầu ra mạch nghịch lưu với dòng điện đặt và nhiễu điện áp (nhiễu điện áp được hiểu là thành phần điện áp lưới trong trường hợp nghịch lưu làm việc ở chế độ nối lưới và thành phần điện áp sau mạch lọc LC khi nghịch lưu làm việc ở chế độ độc lập). Trong các sơ đồ điều khiển nghịch lưu nguồn áp, tần số phát xung thông thường từ một vài kHz trở lờn, do đú chu kỳ phỏt xung Ts rất bộ (cỡ dưới 100 às), nờn động học khâu PWM được bỏ qua trong quá trình thiết kế bộ điều chỉnh dòng điên, phương trình trên được viết lại. Qua sự phân tích ở trên ta thiết kế mạch vòng dòng điện điều khiễn trên tọa độ quay dp, trong đó mạch tích hợp hai bộ điều khiễn PI bằng phương pháp tối ưu đối xứng modun một bộ nằm trên trục d và một bộ nằm trên trục q.
Với cách thể hiện đối tượng điều khiển ở giưới khi đó đầu ra bộ điều chỉnh dòng điên có thứ nguyên là điện áp, điều này rất thuận tiện khi kết hợp thuật toán điều chế độ rộng xung PWM như sinPWM hoặc SVM trong cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực nói riêng hoặc nghịch lưu nguồn áp 3 pha nói chung. Mô hình đối tượng mạch vòng điều chỉnh điện áp được viết trên hệ trục độ abc như giưới dựa vào phương trình Kirchhof viết cho nút dòng điện tại điểm kết nối giữa tải và mạch lọc LC đầu ra nghịch lưu nguồn áp. Tương tự với mạch vòng áp ta áp dụng phép biến đổi hệ tọa độ CLAKE và PARK ta biến đổi phương trình cân bằng dòng từ hệ tọa độ tĩnh abc sang hệ tọa độ quay dq với tốc độ quay là ω là tần số cơ bản của điện áp đầu ra.
