Thiết kế và điều khiển bộ biến đổi AC Battery 1 pha sử dụng cấu trúc Four-leg Converter (Interleaved Full Bridge)

Mô hình hóa bộ điều khiển và xác định các hàm truyền đối tượng

Mạch vòng điện áp có nhiệm vụ điều khiển điện áp trên tụ DC có giá trị. Đầu ra của vòng điều khiển điện áp trở thành giá trị dòng điện tham chiếu cho mạch vòng điều khiển dòng điện, vì vậy ta cần xác định mối quan hệ giữa giá trị điện áp DC và dòng điện đặt vào bộ điều khiển dòng điện sau khi bỏ qua tổn thất bộ biến đổi nghịch lưu nguồn áp và tải mắc ở phía mạch DC. Bộ lọc Notch, còn được gọi là bộ lọc băng thông, là một loại thiết bị điện tử hoặc mạch dùng để từ chối hoặc chặn việc truyền tải các tín hiệu ở một dải tần số cụ thể, trong khi vẫn cho phép các tín hiệu có tần số ngoài dải tần số đó truyền qua.

Để đảm bảo chất lượng điện áp DC, ta cần loại bỏ dao động ở tần số bậc hai gây ra do sự chênh lệch công suất phía lưới. Vì vậy cần phải sử dụng bộ lọc Notch, bộ lọc này cho phép tất cả các tần số đi qua, trừ dải tần số hẹp xung quanh tần số cắt. Với hệ thống 1 pha, công suất truyền tải dao động với tần số gấp đôi tần số cơ bản của điện áp lưới.

Đối với các thiết bị điện tử công suất nối lưới, việc xác định góc pha của lưới điện là rất quan trọng để điều khiển dòng năng lượng giữa hệ thống và lưới điện. Khi điện áp lưới ở trạng thái lý tưởng, với biên độ và tần số không đổi, việc xác định góc đồng bộ khá đơn giản. Tuy nhiên, trong thực tế, khi các điều kiện này không được đảm bảo, cần có một thuật toán xác định chính xác góc pha điện áp lưới.

Thuật toán vòng khóa pha (PLL) đã được phát triển để giải quyết vấn đề này cho các bộ biến đổi một pha nối lưới. Cấu trúc trên có đầu vào từ điện áp lưới được đo về, đầu ra là góc pha của điện áp lưới được tính toán. Đầu tiên điện áp lưới được đi qua một khối tạo điện áp ảo en chậm pha hơn điện áp lưới 90° nhằm thực hiên biến đổi Park, chuyển hệ trục tọa độ   dq.

Sau đó điện áp trên trục q được điều khiển sao cho eq = 0, khi đó vector điện áp lưới sẽ nằm trên trục d. Khi tốc độ quay của hệ bám sát theo tốc độ quay của điện áp lưới, ta có thể xác định được tần số của điện áp lưới qua một bộ điều chỉnh PI và từ đó có thể tìm được góc pha của điện áp lưới. Cấu trúc tạo điện áp 𝛽 ảo được sử dụng phổ biến là sử dụng bộ lọc bậc 2 để lọc ra tần số yêu cầu và lấy tích phân điện áp sau lọc để tạo ra điện áp en ảo trễ pha 90 độ so với điện áp 𝛼.

Kết quả mô phỏng 3.2.1 Thông số mô phỏng

Với tụ DC nhỏ, lượng công suất đệm này gây ra dao động điện áp lớn gây ra mất điều khiển. Vòng điều khiển được thiết kế trên hệ tọa độ dq, dao động điện áp trên tụ DC sau khi đi qua bộ điều chỉnh PI trở thành thành phần bù lượng đặt dòng điện cho vòng điều khiển dòng điện vào pin. Phía DC/DC sử dụng hai bộ biến đổi CFDAB mắc song song và hoạt động ở chế độ Buck.

Do dao động lớn trên tụ DC nên dạng dòng điện bị méo, dẫn đến hệ số méo tổng sóng hài ( THD ) cao và giảm chất lượng cũng như hiệu suất của hệ thống. Tại thời điểm bắt đầu chỉnh lưu, giá trị điện áp DC quá độ trong khoảng thời gian 0,1s trước khi đi vào ổn định với độ quá điều chỉnh nhỏ ( 4,1% ). Tại thời điểm 0,4 s điện áp trên tụ bị sụt một lượng đáng kể do có công suất 6,6kW đẩy vào pin.

Do vẫn còn công suất chênh lệch giữa hai phía và giá trị điện dung của tụ DC nhỏ nên tồn tại dao động điện áp lớn, điều này không có lợi cho chất lượng dòng điện lên lưới cũng như với hiệu suất toàn hệ thống. Nhìn chung, ngoài mức dao động điện áp lớn đã được dự báo trước, hệ thống đã thỏa mãn các yêu cầu điều khiển đặt ra. Với kịch bản mô phỏng giống với phần 3.2.2, các kết quả sẽ được so sánh để chỉ ra tác động của vòng điều khiển dao động điện áp đối với hệ thống AC Battery.

Ngoài ra trong chế độ này bộ lọc Notch ở khâu phản hồi điện áp cũng được loại bỏ, lý do vì bộ lọc này sẽ chặn hết các tín hiệu ở 100Hz về bộ điều chỉnh, khiến bộ điều chỉnh không thể loại bỏ được các dao động ở tần số này. Trước khi xét chi tiết từng kết quả mô phỏng khác nhau, nhìn tổng quát thì hệ thống đã có thể hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu điều khiển. Có thể thấy dạng dòng điện trong chế độ mô phỏng này đã đẹp hơn dạng dòng điện khi không sử dụng vòng điều chỉnh điện áp rất nhiều, điều đó được thể hiện rừ ràng qua chỉ số THD.

So với mức dao động điện áp đỉnh-đỉnh 185V khi không sử dụng vòng điều khiển dao động điện áp, độ đập mạch trong chế độ này chỉ còn khoảng 2,8V. Từ kết quả mô phỏng ta có thể thấy yêu cầu về giảm độ lớn tụ DC đã đạt được khi độ đập mạch trên tụ DC không còn đáng kể và không ảnh hưởng đến chất lượng dòng điện lên lưới. Có thể thấy, khi sử dụng phương pháp sạc hình sin, các dòng điện bên phía mạch CFDAB như dòng điện qua cuộn cảm couple, dòng rò đều dao động với tần số 100 Hz.

Kết luận: Với phương pháp sạc hình sin, ta có thể sử dụng tụ film với giá trị điện dung nhỏ cho DC bus, từ đó nâng cao tuổi thọ của bộ biến đổi AC Battery. Áp dụng vòng điều khiển dao động điện áp có thể giảm đáng kể độ đập mạch trên tụ DC, giảm THD của dòng điện lên lưới cũng như tăng hiệu suất của toàn bộ biến đổi.