Ph ơng pháp điều khiển các khóa công suất trong bộ nghịch lu nguôn ap

3. 4M ch nghịch lu kết nố il ới điện phân phối

3.4.2 Ph ơng pháp điều khiển các khóa công suất trong bộ nghịch lu nguôn ap

Có rất nhiều ph ơngpháp đểđiều khiển các chuyển m ch công suất bên trong bộ nghịch l u nh ng thông dụng hơn c là ph ơng pháp SPWM ( Sinusoidal pulse width modulation)

Về nguyên lý, ph ơng pháp thực hiện kỹ thuật analog. Gi n đồ kích đóng công tắc c a bộ nghịch l u dựa trên cơ s so sánh hai tính hiệu cơ b n:

Sóng mang up (carrier signal) tần số cao.

Sóng điều chế ur (reference signal) (hoặc sóng điều chế-modulation signal) d ng sin. Ví dụ: công tắc lẻđ ợc kích khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur > up). Trong tr ng hợp ng ợc l i công tắc chẵn đ ợc kích đóng.

Sóng mang up có thể d ng tam giác. Tần sốsóng mang càng cao, l ợng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện còn có

th i gian đóng ton và th i gian ngắt toff nhất định. Các yếu tố này làm h n chế việc chọn tần số sóng mang.

Sóng điều khiển ur mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ b n c a điện áp ngõ ra. Trong tr ng hợp bộ nghịch l u áp ba pha ph i đ ợc t o lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ c a nó. Trong tr ng hợp bộ nghịch l u áp một pha, ta cần t o hai sóng điều khiển lệch pha nhau nửa chu kỳ (t c chúng ng ợc pha nhau). Đểđơn gi n m ch kích hơn nữa, ta có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất để kích đóng, ví dụ: cặp công tắc (S1S4) đ ợc kích đóng theo quan hệ giữa sóng điều khiển và sóng mang, còn cặp (S2S3) đ ợc kích đóng ng ợc l i với chúng. Lúc đó hình thành tr ng thái kích đóng (S1S2) hoặc (S3S4).

Gọi mf

là tỉ sốđiều chế tần số (frequency modulation ratio):

carrier 3.25 f reference f m f 

Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện. Điểm bất lợi c a việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng ngắt lớn và giá trị này cũng bị giới h n b i tốc độ đóng cắt c a IGBT (IGBT có một thông số quang trọng đó là th i gian chết Td, nếu IGBT chuyển m ch onoff on hoặc

off on

off   trong kho ng th i gian này thì IGBT sẽ không đáp ng đ ợc và sẽ không xuất hiện chuyển m ch). T ơng tự, gọi là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio): khi sóng điều khiển d ng sin (Vdk) và sóng mang tam giác (Vt).

3.26 dk a t V m V 

Nếu Vdk Vt (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa thành phần cơ b n c a áp ra và áp điều khiển là tuyến tính. Trong nghiên c u này, chúng ta chỉxét đến tr ng hợp điều khiển tuyến tính Vdk Vt

. Đối với bộ nghịch l u áp một pha:

Đối với bộ nghịch l u áp ba pha: 3.28 2 dc a V E m

Gi n đồ xung kích bằng ph ơng pháp SPWM theo hình 2.1.

Hình 3. 14 Gi n đồ xung kích bộ nghịch l u một pha bằng ph ơng pháp SPWM Nh hình 3.14 cho thấy hai sóng điều khiển sin lệch nhau 1800, tần số và góc pha ban đầu c a hai sóng quyết định tần số và góc pha c a điện áp ngõ ra E. Tần số sóng mang Vt sẽ quyết định độ rộng xung cũng nh sóng hài điện áp ngõ ra.

Theo công th c (3.25) và (3.26) độ lớn c a hai sóng mang và sóng điều khiển sẽ phụ thuộc trực tiếp đến điện áp ngõ ra E.

Tr ng hợp khi tần số sóng mang fc c a sóng mang càng cao thì độ rộng xung càng nhỏ dẫn đến điện áp và dòng điện trên t i càng giống hình sin.

Ta có : dk dc t V E ma V V  

Hình 3. 15 Gi n đồ dòng và áp ngõ ra nghịch l u dùng ph ơng pháp SPWM Nếu ta luôn giữ đ ợc giá trị Vdc Vt thì điện áp ngõ ra sẽ bằng với điện áp điều khiển: E Vdk. Hay nói cách khác là khi có sự thay đổi điện áp Vdc thì ta sẽ điều chỉnh giá trị Vt hay nếu Vdc Vt thì điện áp ngõ ra c a bộ nghịch l u không phụ thuộc vào sựthay đổi điện áp c a nguồn mô ̣t chiêu mà nó ch ỉ phụ thuộc ( bằng với) điện áp điều khiển Vdk.

Tuy nhiên , bô ̣ nghi ̣ch l u đ ợc khảo sat va hoa ̣t động trong vung điêu chê tuyên tinh, nghĩa là Vdk<Vdc. Nên ta không thể ta ̣o ra mô ̣t điê ̣n ap xoay chiêu co giá trị đỉnh lớn hơn giá trị điện áp một chiều ngõ vào.

Có nhiều ph ơng pháp khác nhau để điều khiển các bộ nghịch l u nguồn dòng. Tuy nhiên ph ơng phap điêu khiển nguôn dòng phổ biên n hât hiê ̣n nay la ph ơng phap hysteresis ( ph ơng phap bang bang). Xét m ch điện đ ợc kết nối nh hình 3.16.

Xét d ng sóng dòng điện t i một chân c a bộ nghịch l u, gi sử t i chân a. T i thơi điểm khoa S1 đong va S4 mở, lúc này dòng điện Ia tăng lên , lúc này, điê ̣n ap t i a sẽ là +Vdc, làm cho dòng điện Ia trên ma ̣ch tăng lên. Khi Ia v ợt qua gia tri ̣ Ia

mong muôn thi khoa S1 mở va S4 đóng, lúc này điện t hê ta ̣i điểm a sẽ băng không, khi đo dong điê ̣n Ia trên ma ̣ch sẽ giảm dân. Khi dong điê ̣n Ia gi m xuống d ới giá trị Ia thì sẽ có sự chuyển m ch x y ra : Khóa S1 đong la ̣i va S4 mở ra, lúc này dòng điê ̣n Ia sẽ tăng tr l i . Nh vâ ̣y qua trinh thay đổi dong điê ̣n la ̣i tiêp tục va dong điê ̣n bơm ra t bô ̣ nghi ̣ch l u sẽ bam theo dong điê ̣n hinh sine mong muôn . Hình 3.18 minh ho ̣a cho giải thuâ ̣t điêu khiển bang bang ta ̣i mỗi că ̣p chân của mỗi pha trong bô ̣ nghi ̣c l u . Hình 3.17 biễu diễn da ̣ng song dong điê ̣n mong muôn Ia và d ng sóng dòng điện bơm ra từ bộ nghịch l u tron g mô ̣t ban ki d ơng . T i bán kì âm thi qua trìnhcũng diễn ra t ơng tự nh bán kì d ơng.

Hình 3. 17 D ng sóng dòng điện trong ph ơng pháp bang bang trên một pha

* a I a I  I S1 4 S

Trong ph ơng pháp bang bang, dòng điện thực tế sẽ dao động quanh dòng điện mong muốn một kho ng HBcho tr ớc. Ng i ta gọi đây chính là bandwidth (băng thông) trong ph ơng pháp bang bang. Nh vậy, giá trị HB này có nh h ng rất quang trọng đến độ nhiễu hài bậc cao cho dòng điện ngõ ra. Nếu giá trị HB này lớn thì sẽ càng làm tăng thêm tổng độ méo d ng sóng hài bậc cao. Còn ng ợc l i, nếu giá trị HB nhỏ thì sẽ làm tăng số lần chuyển m ch trong một đơn vị th i gian, từ đó làm tăng tổn hao chuyển m ch trong các linh kiện bán dẫn, đây cũng là nhân tố làm gi m hiệu suất c a bộ nghịch l u.

Để làm gi m nh ợc điểm này c a ph ơng pháp bang bang, một đề xuất đ ợc đ a ra đó là gắn thêm vào ngay sau ngõ vào sai số dòng điện một bộ điều chỉnh dòng điện PI. Ph ơng pháp đề xuất đ ợc thể hiện trong hình bên d ới, ph ơng pháp này đem l i kết qu rất kh quan, nó đư c i thiện đáng kể tổng độ méo d ng sóng hài ngõ ra. * a I a I  I S1 4 S PI

Hình 3. 19 gi i thuật điều khiển bang bang c i tiến trên một cặp chân c a bộ nghịch l u

Nh vâ ̣y, ph ơng phap bang bang la ph ơng phap điêu khiển dong điê ̣n vơi các thông số điều khiển chính là giá trị dòng điện mong muốn bơm vào đặt tr ớc Ia

và giá trị dòng điện thực tế bơm vào l ơi điê ̣n Ia. Quá trình điều khiển chuyển m ch bán dẫn phụ thuộc vào sai số c a hai giá trị này.

Qua viê ̣c khảo sat nguyên tăc điêu khiển của ph ơng phap bang bang ta co thể rút ra đ ợc nhận xét về u và nh ợc điểm c a ph ơng pháp này nh sau:

u điểm:

-Kh năng đáp ng động rất tốt: ph ơng phap nay đong mở cac chuyển ma ̣ch công suât d ̣a trên s ̣ thay đổi của gia tri ̣ dong điê ̣n đ a ra t bộ nghi ̣ch l u,

dòng điện muốn bơm vào l ới cũng có thể thay đổi rất nhanh mà dòng điện bơm ra t bô ̣ nghi ̣ch l u vẫn bam theo rât nhanh.

-Giá thành thực hiện thấp và thuận tiện trong việc thi công m ch: m ch điện ho t động dựa trên nguyên tắc so sánh hai giá trị dòng điện nên gi i thuật điều khiển kha đơn giản, không yêu câu cac thuâ ̣t toan ph c ta ̣p nên chi phi cho bô ̣ điêu khiển kha thâp so vơi cac ph ơng phap khac. Hơn n ̃a trong m ch chỉ cân mô ̣t cảm biên dong điê ̣n để đo điê ̣n ap ngõ ra bộ nghi ̣ch l u va một cảm biên điê ̣n ap để xac đi ̣nh điê ̣n ap l ơi điê ̣n t đo xac đi ̣nh công suât bơm ra t bô ̣ nghi ̣ch l u nên chi phi cho cac thiêt bi ̣ cảm biên sẽ gi m đi rất nhiều. Điêu này góp phần gi m giá thành s n xuất. Viê ̣c giải thuâ ̣t điêu khiển đơn giản cũng góp phần làm cho việc thi công thêm thuận tiện.

Nh ợc điểm:

Bên ca ̣nh các u điểm thi ph ơng pháp bang bang cũng tôn ta i nh ̃ng nh ợc điểm nh sau:

-Trong tra ̣ng thai ổn đi ̣nh dong điê ̣n sẽ bi ̣ nhâp nho kha lơn, viê ̣c lam giảm s ̣ nhâp nhô phụ thuô ̣c vao tôc đô ̣ đong căt của cac linh kiê ̣n ban dẫn cũng nh kh năng xử lí c a bộ điều khiển. Vì vậy, khi co yêu câu vê đô ̣ nhâp nhô cang thâp thi ta phải tôn nhiêu chi phi hơn cho cac bộ chuyển ma ̣ch công suât co tôc đô ̣ đong ngăt nhanh

-Chu ki đong căt của cac chuyển ma ̣ch sẽ thay đổi liên tục phụ thuộc vao sai sô gi ̃a hai tin hiê ̣u dong điê ̣n điêu khiển, hâu nh không thể can thiê ̣p t cac gia trị điều khiển bên ngoài. Điêu nay dẫn đên viê ̣c ta không thể xac đi ̣nh chinh xác hao tổn khi đóng cắt các chuyển m ch công suất. Làm gi m kh năng d ̣ đoan hiê ̣u suât chuyển đổi năng l ợng t nguôn mô ̣t chiêu sang xoay chiêu của thiêt bi ̣.

-S ̣ đong căt gi ̃a cac pha trong cac bộ nghi ̣ch l u ba pha la hoan toan độc lâ ̣p vơi nhau gi ̃a cac pha do no chỉ d ̣a trên gia tri ̣ dong điê ̣n trên mỗi pha để tac đô ̣ng cho bản thân chinh pha đo ma không chi ̣u tac động hay tac động đên cac

pha khac. Điêu nay sẽ lam cho viê ̣c liên kêt nhiêu bộ nghi ̣ch l u hay ghep nôi l i với nhau sẽ thêm khó khăn.

-Ph ơng phap điêu khiển nay sẽ lam xuât hiê ̣n cac nhiễu hai bâ ̣c cao cho dong điê ̣n đ a ra t bô ̣ nghi ̣ch l u.

-Trong vân đê điêu khiển bô ̣ nghi ̣ch l u co s ̉ dụng đên cac bộ PID, hiê ̣n cho đến nay vẫn ch a có một ph ơng trình nào để tính chính xac cac gia tri ̣ Ki,Kp c a các bộ điều chỉnh này. Hiê ̣n nay, chỉ có một số ph ơng pháp gần đúng trong viê ̣c xac đi ̣nh cac hê ̣ sô điêu khiển trong bô ̣ điêu chỉnh. Do đo, trong qua trình thiết kế sẽ gặp nhiều khó khăn trong viê ̣c xac đi ̣nh cac thông sô cho bô ̣ điêu chỉnh.

Máy phát điện gió công suất nhỏ hòa đồng bộ l ới điện phân phối đ ợc thiết kê để h ơng đên viê ̣c cung câp mô ̣t giải phap h ̃u hiê ̣u trong viê ̣c cung câp thêm nguôn năng l ợng cho cac vung duyên hải va hải đảo. Các nơi này có tiềm năng rất lơn vê năng l ợng gio va đông thơi cũng gă ̣p kho khăn trong viê ̣c cung câp điê ̣n t l ơi điê ̣n quôc gia do đ ơng truyên tải xa va chi phi lăp đă ̣t lơn.

T i vùng duyên hải Nam Trung Bộ, nơi ma may phat điê ̣n sẽ đ ợc lăp đă ̣t , có vâ ̣n tôc gio trung binh hăng năm đa ̣t 6.5 đến 7 m/s ( theo bảng sô liê ̣u thu thâ ̣p đ ơc qua bảng đô gio hinh 2.7). Do đo, máy phát điện đ ợc thiết kế bắt đầu ho t động khi vâ ̣n tôc gio đa ̣t 5 m/s va đên vâ ̣n tôc 10 m/s thi đa ̣t công suât đi ̣nh m c của may phát. Trong khoảng vâ ̣n tôc gio 5 đến 10 m/s, máy phát sẽ ho t động t i vùng hiệu suât c ̣c đa ̣i của tubin gio. Khi vâ ̣n tôc gio đa ̣t t 10 đến 14 m/s thi may phat sẽ hoa ̣t đô ̣ng

4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió vào l ới điện phân phối.

Máy phát điện năng l ợng gió hòa đồng bộ l ới điện phân phối đ ợc mô phỏng nh trong hình 4.1 bên d ơi. Để thuâ ̣n tiê ̣n trong thiêt kê cũng nh mô phỏng m ch điện, m ch mô phỏng matlab đ ợc phân chia thành các module theo ch c năng va nhiê ̣m vụ của chung.

Hình 4. 1 Sơ đồ khối m ch mô phỏng

4.1.1 Khôi tubin gio va may phat.

Khối tubin và máy phát đ ợc đ ợc thể hiê ̣n chung qua khôi “wind tubin” . Nhiê ̣m vụ của khôi la d ̣a vao gia tri ̣ gio ngõ vao để tinh toan mô phỏng va xuât ra

giá trị dòng điện ba pha xoay chiều t ơng ng với mỗi vận tốc gió v à điều kiện vận hành c a máy phát.

Với đặc thù c a vận tốc quay c a tubin gió khá thấp trong khi máy phát điện đồng bộnam châm vĩnh cửu ho t động hiệu qu t i công suất quay lớn. Do đó, một hộp số có tỉ sốbánh răng cốđịnh đ ợc dùng đểthay đổi tốc độ quay giữa máy phát điện và tubin gió. Trong m ch mô phỏng, hộp số có tỉ lệ 1:16.

Hình 4. 2 Sơđồ kết c a khối tubin và máy phát điện

Sơ đô kêt nôi đ ợc thể hiê ̣n nh trong hinh 4.2. Bên trong khôi may phat va tubin gio gôm co khôi tubin gio va khôi may phat điê ̣n đông bô ̣ nam châm vĩnh c ̉ u có mối liên hệ qua l i chặt chẽ với nhau.

Khôi tubin gio nhâ ̣n gia tri ̣ vâ ̣n tôc gio t bên ngoai va gia tri ̣ vâ ̣n tôc goc quay t may phat để tính toán ra công suất mà tubin gió có thể thu đ ợc từ môi tr ng bên ngoai. Viê ̣c tinh toan nay đ ̣a vao cac ph ơng trinh 3.12, 3.13, 3.14 trên. Trong đo, tubin gio la loa ̣i tubin 3 cánh có chiều dài mỗi cánh là 2m, các cánh qua ̣t có góc pitch cố định và đ ợc thiết lập với  0 nhăm thu đ ợc công suât tôi đa nh thể hiê ̣n trong hinh 3.5 vê đ ơng cong hiê ̣u suât Cp , mâ ̣t đô ̣ không khi xem nh gi ̃

vùng có đ ộ cao thấp, các vùng ven biển. Sơ đồ kết nối khối mô phỏng tubin gió đ ợc thể hiện trong hình

Hình 4. 3 Sơ đồ kết nối trong mô phỏng khối tubin gió

Khối máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu: máy phát điện sẽ nhận giá trị công suất từtubin gió d ới d ng mô men xoắn đ ợc tính toán trong khối tubin để