3.1.1. Phõn loại theo bộ biến đổi cụng suất
Sơ đồ miờu tả nguyờn lý làm việc của nghịch lưu PWM:
58
Sơ đồ thay thế 1 pha của nghịch lưu PWM như hỡnh 3.2:
Hỡnh 3.2Sơ đồ thay thế một pha nghịch lưu PWM Trong đú:
L, R là điện trở và điện cảm đường dõy uL là điện ỏp nguồn
uS là điện ỏp của bộ biến đổi được điều khiển từ phớa một chiều
Nhận thấy rằng nghịch lưu PWM cú cấu trỳc phần cứng (hỡnh 3.1) giống như bộ nghịch lưu nguồn ỏp VSI, do đú uS phụ thuộc vào hệ số điều chế của VSI và điện ỏp trờn tụ. Điện cảm L nối giữa lưới và nghịch lưu PWM là một phần khụng thể thiếu của mạch nghịch lưu đúng vai trũ như thành phần tớch phõn của hệ và một nguồn dũng để tạo đặc tớnh nõng của chỉnh lưu PWM. Điện ỏp rơi trờn cuộn cảm L là u1 chớnh là hiệu giữa điện ỏp nguồn uL và điện ỏp của bộ biến đổi uS:
u1 = uL-uS
Với uL là điện ỏp nguồn khụng đổi, do đú sẽ điều khiển được u1 thụng qua điều khiển uS. Từ việc điều khiển được u1 ta sẽ điều khiển được dũng điện iL chạy trờn đường dõy.
Hỡnh 3.3Giản đồ vectơ nghịch lưu PWM
Khi điều khiển iL trựng uL hoặc ngược với uL thỡ cos =1 thể hiện dưới đồ thị vectơ như sau:
59
Khi iL trựng với uL thỡ cụng suất truyền từ lưới về tải, khi iL ngược với uL thỡ cụng suất truyền từ tải ra lưới và như vậy cụng suất cú thể truyền theo hai chiều.
Với cấu trỳc phần cứng giống như bộ lọc tớch cực AF gồm bộ nghịch lưu nguồn ỏp VSI và tụ C nờn cú thể sử dụng nghịch lưu PWM để thực hiện chức năng của mạch lọc tớch cực với cựng thuật toỏn điều khiển như bộ lọc tớch cực.
3.1.2. Cấu trỳc điều khiển
Cú hai phương phỏp chớnh để lọc súng điều hũa bậc cao tựy thuộc vào cỏch mà dũng điện được đo. Hai cỏch này cú cấu trỳc điều khiển khỏc nhau do đú sẽ cú một số đặc điểm khỏc nhau.
1. Phương phỏp vũng hở.
Phương phỏp này dựa trờn việc đo thành phần dũng điện phớa tải từ đú tỏch ra thành phần súng điều hũa chứa trong dũng tải (hỡnh 3.5):
Hỡnh 3.5 Cấu trỳc ĐK vũng hở nghịch lưu PWM với chức năng mạch lọc tớch cực Theo phương phỏp này khụng cú thụng tin phản hồi về dũng điện trờn lưới. Tất cả sai lệch trong hệ thống cả trong quỏ trỡnh đo và điều khiển sẽ gõy ra cỏc súng điều hũa trờn dũng điện lưới, cỏc thành phần này là khụng xỏc định. Cấu trỳc điều khiển này cú ưu điểm là ổn định nhưng yờu cầu số cảm biến đo dũng nhiều (4 cảm biến).
2. Phương phỏp vũng kớn.
Phương phỏp này dựa trờn việc đo dũng điện trờn lưới từ đú xỏc định được dũng bự cần thiết.
Theo phương phỏp điều khiển vũng kớn sẽ cú thờm một mạch vũng điều chỉnh dũng điện lưới bờn ngoài mạch vũng điều chỉnh dũng tải. Phương phỏp này cú ưu điểm là thuật toỏn điều khiển đơn giản hơn so với cấu trỳc vũng hở và yờu cầu số cảm biến đo dũng ớt hơn (2 cảm biến).
60
Hỡnh 3.6 Cấu trỳc ĐK vũng kớn nghịch lưu PWM với chức năng mạch lọc tớch cực
3.2. Ứng dụng nghịch lưu PWM để làm bộ lọc tớch cực
Ta xột một số phương phỏp trong hai nguyờn tắc điều khiển trờn
3.2.1. Cỏc phương phỏp dựa trờn miền tần số
Phương phỏp này dựa trờn phõn tớch Fourier. Phõn loại phương phỏp này thành 3 phương phỏp chớnh là phương phỏp DFT (Discrete Fourier Transform), phương phỏp FFT (Fast Fourier Transform), phương phỏp RDFT (Recursive Discrete Fourier Transform).
- Phương phỏp DFT: là thuật toỏn biến đổi cho cỏc tớn hiệu rời rạc, kết quả của phộp phõn tớch đưa ra cả biờn độ và pha của thành phần súng điều hũa mong muốn theo cụng thức sau:
(3.1) Ta cú thể viết dưới dạng sau:
Trong cỏc biểu thức (3.1) – (3.4):
N là số mẫu trong một chu kỳ tần số cơ bản
x(n) là tớn hiệu đầu vào ( dũng hoặc ỏp ) ở thời điểm n Xh là vectơ Fourier của súng điều hũa bậc h của tớn hiệu vào
là biờn độ vectơ Xh
h là gúc pha của vecto Xh Xhr là phần thực của Xh Xhi là phần ảo của Xh
(3.2) (3.3) (3.4)
61
Mỗi thành phần điều hũa được xỏc định, từ đú tổng hợp lại trong miền thời gian để tạo tớn hiệu bự cho bộ điều khiển.
- Phương phỏp FFT (Hỡnh 3.7)
Cỏc bước thực hiện phương phỏp FFT:
+ Lấy mẫu dũng điện tải và tớnh toỏn biờn độ và pha của từng thành phần súng điều hũa (ứng với mỗi tần số khỏc nhau).
+ Số lượng mẫu trong một chu kỳ càng lớn thỡ giỏ trị fmax càng lớn.
+ Tỏch thành phần dũng cơ bản từ dũng đầu vào. Dễ dàng thực hiện việc này bằng cỏch thiết lập tần số từ 0 đến 50 Hz sau đú thực hiện FFT-1 (IFFT) để cú tớn hiệu trong miền thời gian bao gồm biờn độ và pha của mỗi thành phần súng điều hũa. Việc tớnh toỏn này thực hiện trong mỗi chu kỳ của dũng chớnh để đảm bảo rằng FFT tớnh toỏn hoàn tất trong một chu kỳ để trỏnh mộo do phổ tần số.
Hỡnh 3.7Phương phỏp FFT + Tổng hợp dũng bự từ cỏc thành phần súng điều hũa.
Ưu điểm của phương phỏp FFT là cú thể tỏc động tới từng thành phần súng điều hũa theo ý muốn nhưng cú khối lượng tớnh toỏn rất lớn.
3.2.2. Cỏc phương phỏp dựa trờn miền thời gian
Phương phỏp này cú ưu điểm hơn là khối lượng tớnh toỏn ớt hơn so với phương phỏp dựa trờn miền tần số. Phương phỏp này cú thể chia thành phương phỏp trờn tọa độ dq, phương phỏp dựa trờn thuyết p-q…
- Phương phỏp xỏc định dũng bự trong hệ dq: theo phương phỏp này cú thể xỏc định toàn bộ dũng bự hoặc cú thể lựa chọn từng thành phần súng điều hũa cần bự.
62
+ Phương phỏp xỏc định toàn bộ dũng bự: phương phỏp này dựa trờn tọa độ dq để tỏch thành phần súng điều hũa bậc cao ra khỏi thành phần súng cơ bản. Thuật toỏn thể hiện phương phỏp cho trờn hỡnh 3.8 [22]:
Hỡnh 3.8.Thuật toỏn xỏc định dũng bự trong hệ dq
Phộp quay tọa độ dq quay với gúc quay của tần số cơ bản. Khi đú trong tọa độ dq thành phần dũng với tần số cơ bản coi như thành phần dũng một chiều và thành phần súng điều hũa như thành phần dũng xoay chiều. Sau đú sử dụng bộ lọc thụng cao tỏch ra thành phần xoay chiều, thành phần này chớnh là thành phần của cỏc súng điều hũa bậc cao.
Sau khi tớnh được dũng bự cần thiết trong hệ dq ta cần chuyển sang hệ tọa độ chuẩn abc. Biến đổi từ dq sang abc như sau:
+ Phương phỏp xỏc định từng thành phần súng điều hũa cần bự: phương phỏp này dựa trờn cơ sở phộp quay tọa độ. Điểm khỏc biệt so với phương phỏp trờn là từ dũng cần tỏch ra súng điều hũa sẽ chuyển sang tọa độ dq với gúc quay bằng bội số lần của gúc quay thành phần cơ bản, khi đú trong tọa độ mới dq thành phần một chiều tương ứng với thành phần súng điều hũa cần tỏch và bằng cỏch sử dụng bộ lọc thụng thấp ta cú thể tỏch ra được thành phần một chiều này. Sau đú chuyển sang tọa độ abc theo cụng thức (3-5) sẽ xỏc định được thành phần súng điều hũa tương ứng. Ưu điểm của phương phỏp này là cú thể tỏc động tới từng thành phần súng điều hũa bậc cao muốn lọc. Hỡnh 3.9 thể hiện thuật toỏn của phương phỏp này [22]:
63
Hỡnh 3.9.Thuật toỏn lựa chọn súng điều hũa cần bự trong hệ dq - Phương phỏp xỏc định dũng bự dựa trờn lý thuyết p-q.
Thuyết p-q hay thuyết cụng suất tức thời được đưa ra bởi Akagi vào năm 1983 với mục đớch là để điều khiển mạch lọc tớch cực.
Mụ hỡnh bộ lọc tớch cực theo lý thuyết p-q [18] [20][22]:
Hỡnh 3.10.Mụ hỡnh bộ lọc tớch cực theo lý thuyết p-q.
Cỏc bước để xỏc định dũng bự cần thiết theo phương phỏp này được tiến hành như sau:
Tớnh toỏn dũng điện và điện ỏp trong hệ tọa độ 0αβ từ hệ tọa độ abc. + Với hệ thống 3 pha cú dõy trung tớnh:
64 Cụng thức quy đổi dũng điện:
+ Với hệ thống 3 pha cú dõy trung tớnh:
Cụng thức quy đổi điện ỏp và dũng điện tương ứng là:
Cụng suất tải được tớnh theo cụng thức:
Trong đú p, q được chia ra:
- Thành phần một chiều , tương ứng với thành phần cơ bản của dũng tải.
- Thành phần điều hũa bậc cao ~p, ~q
(3.6) (3.7) (3.9) (3.8) (3.10) (3.11) (3.12)
65
P3-phase : tổng cụng suất tức thời xỏc định bởi tải P: thành phần cụng suất tỏc dụng của p3-phase Q: thành phần cụng suất phản khỏng của p3-phase
Nguồn chỉ cung cấp thành phần cụng suất một chiều của tải và cụng suất tổn hao của bộ nghịch lưu. Mạch lọc tớch cực cú nhiệm vụ cung cấp thành phần cụng suất xoay chiều ~p của p và cụng suất phản khỏng q.
Khi đú ta cú cụng suất cung cấp bởi mạch lọc:
Và dũng cần bự là:
Tuy nhiờn do điện ỏp trờn tụ là khụng ổn định, do đú để đảm bảo điện ỏp trờn tụ khụng đổi thỡ nguồn cần cung cấp một cụng suất p0 để duy trỡ điện ỏp trờn tụ khụng đổi. Bởi vậy, cụng thức tớnh dũng bự cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng lọc súng điều hũa và bự cụng suất phản khỏng:
Từ cụng thức này, ta tớnh được dũng bự trong hệ tọa độ abc:
Từ đú ta cú thuật toỏn điều khiển theo thuyết p-q:
(3.13)
(3.14)
(3.15)
66
Hỡnh 3.11.Thuật toỏn điều khiển dựa trờn thuyết p-q.
Như vậy bằng cỏch sử dụng thuyết p-q ta đó xỏc định được dũng bự cần thiết từ đú xõy dựng cấu trỳc điều khiển cho bộ lọc song song.
Theo phương phỏp sử dụng thuyết p-q để tớnh toỏn dũng bự cần thiết cho chức năng lọc súng điều hũa bậc cao và bự CSPK cú hạn chế là điện ỏp trong tớnh toỏn yờu cầu phải sin và cõn bằng. Nếu điều này khụng được thỏa món thỡ bản thõn thuyết p-q khụng cũn đỳng nữa. Giải phỏp để khắc phục hiện tượng điện ỏp lưới khụng sin hoặc mất cõn bằng cú hai cỏch là:
* Cỏch thứ nhất là lọc bỏ thành phần súng điều hũa trong điện ỏp lưới trước khi đưa vào tớnh toỏn. Giải phỏp này thường được sử dụng khi súng điều hũa điện ỏp cú tần số cao và khi lọc thành phần điều hũa khụng làm thay đổi gúc pha của điện ỏp. Hơn nữa giải phỏp này chỉ đỏp ứng tốt khi khụng cú thành phần thứ tự nghịch. Đõy là hạn chế của giải phỏp này.
* Cỏch thứ hai người ta thường sử dụng đú là dựng mạch PLL (Phase- locked-loop) để xỏc định thành phần cơ bản của điện ỏp tại điểm kết nối.
Ngoài ra khi sử dụng thuyết p-q để thực hiện thuật toỏn điều khiển thiết bị lọc súng điều hũa bậc cao và bự CSPK cũn xuất hiện thành phần dũng điện ảo. Tất nhiờn thành phần dũng ảo cú thể bị triệt tiờu nếu như lọc với đặc tớnh giống nhau tức là thành phần này chỉ xuất hiện khi trong quỏ trỡnh tớnh toỏn dũng bự chuẩn ta chỉ bự p hoặc q hoặc chỉ bự q. Khi tớnh toỏn dũng bự cho cả p và q thỡ sẽ triệt tiờu được thành phần dũng ảo này.
3.3. Cấu trỳc mạch lọc súng điều hũa dựng nghịch lưu PWM 3.3.1. Nguyờn lý điều khiển 3.3.1. Nguyờn lý điều khiển
Trong cấu trỳc này, nghịch lưu PWM thực hiện cả chức năng lọc súng điều hũa bậc cao và bự CSPK. Sơ đồ cấu trỳc điều khiển như hỡnh 3.12
Nguồn một chiều cấp cho nghịch lưu cú thể cấp trực tiếp từ nguồn một chiều hoặc
Tớnh toỏn u, u Tớnh toỏn i, i Tớnh toỏn p q Tớnh toỏn ic* ic Tớnh toỏn ica* icb* icc*
67
từ tụ điện. Trong thực tế người ta thường sử dụng tụ điện để tạo điện ỏp một chiều cấp cho bộ nghịch lưu.
Để đảm bảo nguồn một chiều cấp cho nghịch lưu cú giỏ trị ổn định một bộ điều chỉnh điện ỏp được sử dụng. Điện ỏp trờn tụ C được đo và so sỏnh với giỏ trị điện ỏp chuẩn udc_ref – udc. Sai lệch của hai tớn hiệu này được đưa vào bộ điều khiển PI, tớn hiệu ra của bộ điều khiển được sử dụng để tớnh toỏn dũng bự ic* và ic* cần thiết để loại bỏ súng điều hũa bậc cao và bự CSPK. Dũng bự này được coi như là tớn hiệu chuẩn và dũng điện phỏt ra bởi bộ nghịch lưu phải đảm bảo bỏm theo dũng này. Để thực hiện việc này cú thể cú nhiều cỏch nhưng phương phỏp điều khiển dũng theo phương phỏp dũng chuẩn (hysteresis current control) là phương phỏp điều khiển được sử dụng phổ biến bởi những ưu điểm của nú như đỏp ứng dũng điện nhanh, chớnh xỏc, đơn giản và dễ thực hiện.
Đầu vào của bộ điều khiển được lấy từ sai lệch khi so sỏnh dũng thực ih và dũng chuẩn ih*, từ đú tạo ra xung đúng cắt bộ nghịch lưu để đảm bảo dũng bự cấp từ bộ nghịch lưu bỏm theo dũng bự chuẩn ih* được tớnh từ thuyết p-q tức thời. Tiếp theo ta xem xột nguyờn lý hoạt động của bộ điều khiển dũng điện theo dũng điện chuẩn.
Hỡnh 3.12.Cấu trỳc điều khiển nghịch lưu PWM làm bộ lọc tớch cực Tải
Tớnh toỏn p, q
Tớnh toỏn ic*, ic
68
3.3.2. Nguyờn lý điều khiển dũng theo dũng điện chuẩn
Cơ sở của phương phỏp điều khiển thớch nghi là phương phỏp điều khiển dựa trờn việc điều khiển dũng điện thực bỏm theo dũng điện chuẩn[23 ].
Theo đú một băng sai lệch sẽ được thiết lập với việc đặt sai lệch giới hạn trờn và sai lệch giới hạn dưới và mục đớch của phương phỏp điều khiển này là làm sao cho dũng thực bỏm theo dũng chuẩn và nằm trong cựng dung sai này.
Hỡnh 3.13.Sơ đồ mụ tả phương phỏp điều khiển dũng theo dũng điện chuẩn Độ rộng băng sẽ bằng hai lần sai lệch, sai lệch là hiệu giữa dũng giới hạn trờn với dũng chuẩn hoặc của dũng chuẩn với dũng giới hạn dưới. Sự chuyển mạch của cỏc van theo nguyờn tắc này như sau:
- Khi sai lệch nằm trong băng sai lệch thỡ sẽ khụng cú sự chuyển mạch nào. - Khi dũng vượt qua giới hạn trờn thỡ bộ nghịch lưu sẽ chuyển mạch sao cho dũng giảm xuống để sai lệch nằm trong vựng cho phộp và ngược lại khi dũng giảm xuống nhỏ hơn giới hạn dưới thỡ bộ nghịch lưu chuyển mạch để dũng tăng lờn.
Để rừ hơn ta phõn tớch sự chuyển mạch của bộ nghịch lưu với dũng pha A:
Giới hạn trờn Giới hạn dưới Điện ỏp trờn cuộn cảm Dũng thực tế qua cuộn cảm Dũng chuẩn Băng sai lệch
69
Hỡnh 3.14.Điều khiển phỏt xung cho pha A bộ lọc tớch cực Trong đú :
ia là dũng thực pha A ia* là dũng đặt pha A
ia* là sai lệch giữa dũng thực và dũng đặt
Hỡnh 3.15.Sơ đồ mụ tả điều khiển dũng điện pha A
Khi dũng thực ia tăng dần tới dũng giới hạn trờn thỡ vg1=”1” do đú T1 dẫn trong khoảng thời gian t1 khi đú dũng ia tăng. Ở thời điểm t1 thỡ ia tiến tới giới hạn trờn vg1=0, vg4=1 do đo T4 dẫn trong khoảng thời gian t2. Tại thời điểm t2 thỡ ia tiến tới giới hạn dưới vg1=0, vg4=1 do đú T1 dẫn dũng ia lại tăng lờn và quỏ
Điều khiển
Giới hạn trờn
70
trỡnh lại lặp lại như ban đầu, T1 và T4 liờn tục đúng cắt để dũng thực ia nằm trong băng giới hạn trờn và dưới.
Theo phương phỏp điều khiển này thỡ:
- Điều chỉnh tần số dũng đặt sẽ điều chỉnh được tần số dũng thực
- Biờn độ của dũng thực được điều chỉnh thụng qua biờn độ của dũng đặt - Khi độ rộng của băng giảm thỡ dũng được điều chỉnh sẽ bỏm theo dũng đặt