Xem xét phân tích lý thuyết của một bộ biến đổi cầu 6 xung thường, các giả định được thực hiện như sau:
Dòng một chiều Id là không đổi (tức là cuộn san dòng Ld là vô cùng).
Các van là các khóa lý tưởng.
Hệ thống dòng xoay chiều là vô cùng mạnh (tức là các sức điện động cảm ứng 3 pha cân bằng và hình sin hoàn toàn).
Hình 2- 2: Mạch cầu 6 xung
Vì có điện kháng tản Lc của máy biến áp bộ biến đổi nên chuyển mạch của van
không xảy ra tức thời. Trùng dẫn là cần thiết và phụ thuộc vào thông số mạch. Trường hợp tổng quát nhất, điện kháng tản của máy biến áp bộ biến đổi với giá trị đặc trưng từ 13-18% có thể hai hoặc là ba van dẫn đồng thời. Về cơ bản, điều này kết quả như là một góc chuyển mạch µ nhỏ hơn 60˚, thường từ 20˚-25˚. Trong thời gian chuyển mạch có ba van dẫn đồng thời, tuy vậy ở giữa các lần chuyển mạch chỉ có hai van dẫn. Trường hợp hai hoặc là ba van dẫn được hiển thị trong hình 2-3
28
Để lấy được các mối liên hệ giữa các biến số ở phía AC-DC của bộ biến đổi, hai trường hợp sau được xem xét: đầu tiên, với một bộ biến đổi lý tưởng không có điện kháng tản (chuyển mạch) tức là không có góc trùng dẫn chuyển mạch. Và thứ hai, với một điện kháng tản dẫn đến góc trùng dẫn chuyển mạch nhỏ hơn 60˚.
2.1.1 Trƣờng hợp không có góc trùng dẫn chuyển mạch
Các sức điện động cảm ứng pha tức thời của nguồn xoay chiều 3 pha là:
Các sức điện động cảm ứng dây tương ứng là :
Các dạng sóng được hiện thị trong hình 2.3
Hình 2- 4: Dạng sóng của điện áp dây và điện áp pha
Các điện áp một chiều qua cầu là khác với điện áp pha, chẳng hạn như miền gạch chéo A0 (hình 2-4) trong thời gian đó van T1 và T5 đang dẫn.
29
Điện áp một chiều trung bình Vd xác định bằng việc lấy tích phân điện áp tức thời trong thời gian 60˚.
Ở đây: Vd0 được gọi là điện áp một chiều không tải lý tưởng với α = 0˚. Em là điện áp đỉnh xoay chiều ; ELL là điện áp dây hiệu dụng.
Mạch tương đương của bộ biến đổi chỉ với hai van dẫn hiển thị trong hình 2-4
Hình 2- 5: Bộ biến đổi cầu với hai van dẫn
Với một góc trễ α, Tích phân có hạn được tăng bởi α, và do đó:
Mối quan hệ giữa dòng xoay chiều và dòng một chiều
Giả sử không có tổn thất cầu, nguồn xoay chiều cấp vào trong cầu là tương đương nguồn một chiều phát ra từ cầu, tức là:
Ở đây IL1 là thành phần tần số cơ bản của dòng điện dây và ϕ là góc pha giữa điện áp dây và dòng điện dây. Điện áp dây và dòng điện dây được mô tả trong hình 2-6, Dòng điện dây có dạng chữ nhật, và với không có trùng dẫn tức là không có góc trễ, nó sẽ cùng pha với điện áp dây. Tuy nhiên, với có trễ, dòng này sẽ bị thay thế bởi góc α.
30
Hình 2- 6: Mối liên hệ giữa dòng xoay chiều và một chiều với không có trùng dẫn
Bằng phân tích Fourie, giá trị dòng điện dây được đưa ra bởi:
2.1.2 Trƣờng hợp với góc trùng dẫn chuyển mạch nhỏ hơn 60 độ
Tham chiếu đến điều kiện điện cảm chuyển mạch và góc trùng dẫn chuyển mạch nhỏ hơn 60˚, tức là khi ba van dẫn.
Hình 2- 7: Bộ biến đổi cầu với van 1,2 và 3 dẫn
Trong khoảng thời gian này (hình 2-7), dòng một chiều được chuyển từ van 1 đến van 3. Thời điểm đầu, wt = α, i1 = Id, i3 = 0. Thời điểm cuối, wt = α + µ, i1 = 0 và i3 = Id.
31 Xung quanh mạch: Trong mạch đóng cắt: Và i1 = Id – i3 (2-12) Do đó: di1/dt = 0 – di3/dt (2-13)
Chúng ta có thể coi sức điện động cảm ứng trong mạch đóng cắt như sau:
Tích phân phương trình này ta được:
Phương trình này cho thấy rằng dòng i3 bao gồm một thành phần một chiều và
một thành phần hình sin. Thành phần hình sin làm trễ điện áp chuyển mạch ở 90 độ kể từ khi mạch cảm ứng hoàn toàn, và nó có giá trị đỉnh 1,732.ELL/2wLc. Giá trị dòng điên này là giá trị ngắn mạch dây-dây ở nguồn xoay chiều. Thành phần một chiều phụ thuộc vào điều kiện cosα.
Thời điểm cuối chuyển mạch, wt = α + µ, và i3 = Id. Sử dụng vào trong phương trình (2-15) đưa ra:
Điện áp một chiều trung bình của bộ biến đổi (được biểu diễn bởi miền A0 trong hình 2-8) bị giảm do ảnh hưởng của trùng dẫn gây ra bởi một điện áp rơi ∆Vd
được biểu diễn bởi miền A trong hình 2-8, qua điện trở kháng chuyển mạch. Trong thời gian chuyển mạch, điện áp dây của pha ngắn mạch là 0. Điều này có nghĩa rằng, các điện áp pha là bằng nhau, và hai điện trở kháng pha jwLc hoạt động như một bộ chia điện áp.
Điện áp rơi một chiều, được biểu diễn bởi miền A, được đưa ra bởi:
32
Khi Id = 1,732. VLL/2wLc.(cosα – cos(α+µ)), từ phương trình 2-16, chia hai phương trình này và sử dụng mối quan hệ giữa Vm và VLL đưa ra mối quan hệ giữa điện áp rơi và dòng một chiều.
Do đó, điện áp một chiều với trùng dẫn được đưa ra bởi:
Ở đây:
Hình 2- 8: Điện áp một chiều với ảnh hưởng của trùng dẫn
Đối với một bộ chỉnh lưu, các phân tích của cầu đưa ra điện áp một chiều đầu ra như sau:
Các kết quả từ mô phỏng EMTP của chỉnh lưu 6 xung được biểu diễn trong hình 2-9. Từ trên xuống dưới: Ba điện áp pha xoay chiều, 2 dòng điện van, hai điện áp van, dòng một chiều, điệp áp một chiều và điện áp chuyển mạch trên cuộn thứ cấp của máy biến áp bộ biến đổi. Thấy rõ là sự trùng dẫn và góc mở, cũng như các gợn sóng hài trên các tín hiệu của dòng và điện áp một chiều. Cũng nhìn thấy các nấc chuyển mạch trên điện áp xoay chiều cuộn thứ cấp máy biến áp.
33
Hình 2- 9: Các kết quả từ mô phỏng EMTP của chỉnh lưu
Đối vơi nghịch lưu có hai tùy chọn có thể phụ thuộc vào việc lựa chọn hoặc là góc trễ (phương trình 2) hoặc là góc tắt dần (phương trình 3) như là biến số điều khiển.
Ở đây:
- Vdr và Vdi – Điện áp một chiều của chỉnh lưu và nghịch lưu
- Vdor và Vdoi – Điện áp một chiều hở mạch của chỉnh lưu và nghịch lưu - Rcr và Rci – Điện trở chuyển mạch tương đương của chỉnh lưu và nghịch lưu - Lcr và Lci – Điện cảm tản của máy biến áp chỉnh lưu và nghịch lưu
- Id – Dòng một chiều ; α – Góc mồi
- β – Góc vượt trước của nghịch lưu, (β = π – α)
34
2.2 BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ÁP VSC 2.2.1 Giới thiệu 2.2.1 Giới thiệu
Lợi ích thương mại của các van GTO và IGBT công suất cao và điện áp cao vào những năm 1990 đưa ra vận hành khả thi của các bộ VSC trong đề án HVDC. Về bản chất, tác động của một bộ VSC trên hệ thống điện xoay chiều có thể được xấp xỉ như là tổng của một bộ CSC thường và SVC lắp song song, nhưng bổ sung thêm tính linh hoạt của chuyển mạch an toàn. [2].
Các loại khác nhau của phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) có thể được sử dụng để vận hành VSC trong chế độ nghịch lưu để cung cấp đầu ra hình sin đến hệ thống xoay chiều. Những lợi thế của VSC là:
Điều khiển nhanh công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng.
Nó cung cấp chất lượng điện năng mức cao.
Tác động đến môi trường tối thiểu.
Khả năng kết nối đến các mạng xoay chiều kém hoặc thậm chí mạng chết.
Ứng dụng công nghệ này như sau:
Truyền tải HVDC công suất thấp (< 250MW) (thương mại gọi là “HVDC Light”)
Tính toán VAR (SVC và STATCOM)
Các bộ lọc hoạt tính.
35
Các bộ VSC dùng các van tự khóa/mở (GTOs, IGBTs) có thể được đóng hay cắt. Điều này là tương phản với các CSC thông thường vận hành với các van Thyristor tự chuyển mạch đường dây. Sự khóa/mở trong một van VSC chuyển mạch cưỡng bức có thể xảy ra nhiều lần trên một chu kỳ, trong khi ở một CSC chuyển mạch đường dây, nó có thể xảy ra chỉ một lần trong một chu kỳ. Đặc điểm này cho phép điện áp/dòng điện trong một VSC được điều chế để sinh ra một đầu ra gần hình sin và điều khiển hệ số công suất tốt. Hơn nữa, việc đảo công suất trong một VSC có thể được thực hiện với việc đảo điện áp hoặc đảo dòng điện ở phía một chiều. Ngược lại, với một bộ CSC, đảo công suất chỉ có thể xảy ra với đảo điện áp.
Trong hình 2-10, các nguyên lý vận hành của một VSC là rõ ràng. Tụ Cd phía
một chiều và cuộn dây Lc phía xoay chiều là các bộ phận cần thiết của VSC. Điện
áp một chiều Vd được giám sát và được so sánh với giá trị đặt Vref để phát ra một tín
hiệu sai lệch điều khiển bộ điều khiển PWM. Khi dòng một chiều Id là dương, VSC
hoạt động như một bộ chỉnh lưu, tụ một chiều được xả như khi nó cấp cho tải một chiều, và hệ thống điều khiển sẽ thay đổi góc mở để nhập công suất từ hệ thống điện xoay chiều. Khi dòng Id âm, bộ VSC hoạt động như một bộ nghịch lưu, tụ điện được nạp từ nguồn một chiều và hệ thống điều khiển sẽ thay đổi góc mở để xuất công suất đến hệ thống xoay chiều.
VSC cũng có thể điều chế góc mở của các van để điều khiển công suất phản kháng, có thể thu được một hệ số công suất đơn vị (hoặc bất kỳ giá trị nào khác cho vấn đề đó).
Bộ điều khiển PWM phát ra một điện áp Vgen với tần số tương tự như điện áp hệ thống xoay chiều Vs. Bằng cách thay đổi biên độ của Vgen và mối liên hệ pha của nó với Vs, bộ biến đổi có thể được thực hiện để vận hành trong cả 4 góc phần tư nghĩa là vận hành chỉnh lưu/nghịch lưu với hệ số công suất trễ pha/sớm pha. Các mối liên hệ pha cho một vận hành được minh họa trong hình 2-11.
36
Hình 2- 11: Vận hành 4 góc phần tư của bộ VSC
(a)Vận hành chỉnh lưu ở hệ số công suất đơn vị (b)Vận hành nghịch lưu ở hệ số công suất đơn vị
(c)Phản kháng hoàn toàn với dòng sớm pha
(d)Phản kháng hoàn toàn với dòng trễ pha.
Hình 2-12 minh họa vận hành của một bộ nghịch lưu VSC cấp cho một tải cảm ứng từ một nguồn cấp điện một chiều. Hình 2-12a thể hiện điện áp đầu ra được sinh ra bởi bộ nghịch lưu và các thành phần cơ bản của nó. Hình 2-12b cho biết dòng điện đầu ra trước khi lọc. Sự điều chế PWM có thể nhận thấy rõ ràng. Hình 2-12c thể hiện dòng điện van (van với Diode đối song song); nửa dương là dòng điện trong van, ngược lại nửa âm là dòng điện Diode. Và hình 2-12d thể hiện điện áp qua van với mô hình PWM.
37
Hình 2- 12: Các kết quả từ vận hành VSC
2.2.2 Điều khiển của điện áp tụ một chiều
Như giải thích ban đầu, điện áp tụ một chiều của VSC có thể được điều chế bởi một bộ điều khiển PWM như là một chức năng của dòng điện hoặc điện áp xoay chiều. Phiên bản với điều khiển dòng xoay chiều là đơn giản hơn và ổn định hơn phiên bản với điều khiển điện áp xoay chiều. Hai phiên bản này sẽ được mô tả kế tiếp.
2.2.3 VSC với điều khiển dòng xoay chiều
VSC với chế độ điều khiển dòng xoay chiều được thể hiện trong hình 2-13. Mục đích ở đây là cưỡng bức các dòng điện pha theo một dòng điện đặt trước hình sin Iref. Biên độ của giá trị dòng điện đặt này thực hiện chức năng của điện áp tụ một chiều Vd và điện áp một chiều Vref mong muốn.
38
Hình 2- 13: Bộ chỉnh lưu với PWM điều khiển dòng nguồn áp
Mẫu dạng sóng dòng điện hình sin mong muốn được duy trì như sau:
Trong đó: w giống như tần số nguồn và φ là góc lệch pha mong muốn. Do đó,
đồng bộ điện áp nguồn là cần thiết để thu được sin(wt+φ) chính xác. Đo các dòng
pha tức thời là cần thiết để tạo ra một sai lệch giữa chúng với giá trị dòng đặt, và sai lệch này là được giảm thiểu bởi các tính chất của mạch phản hồi kín.
Trong một bộ VSC với điều khiển dòng xoay chiều, do đó cần thiết để giám sát 3 điện áp và dòng pha xoay chiều (lưu ý rằng, như thể hiện trong hình, đo dòng 2 pha có thể chấp nhận được nếu không có kết nối trung gian).
Tiếp theo, các phương pháp điều chế tạo ra mô hình PWM kích mở các van bộ biến đổi để dòng điện theo giá trị đặt. Các phương pháp đều khả thi và sẽ được trình bày dưới đây.
2.2.3.1 Các phƣơng pháp điều chế PWM
Ba phương pháp điều chế PWM được sử dụng rộng rãi theo giá trị dòng điện đặt được trình bày ở đây.
39
1. Lấy mẫu có chu kỳ (PS) (Hình 2-14)
Phương pháp này sử dụng một đồng hồ tần số cố định để điều khiển các van công suất của VSC. Một tín hiệu sai lệch phát ra từ việc đo các giá trị dòng điện đặt & dòng điện dây được sử dụng để điều chế tần số nhịp & điều chế PWM sử dụng một bộ so sánh & flip-flop loại D. Thời gian tối thiểu giữa chuyển mạch được giới hạn bởi tần số nhịp.
Hình 2- 14: Phương pháp lấy mẫu có chu kỳ điều chế PWM
2. Bộ so sánh có ngƣỡng hiệu chỉnh đƣợc (Hysteresis Band – HB)
Bộ so sánh có ngưỡng hiệu chỉnh được (HB) điều chế các van bộ biến đổi khi sai lệch giữa Idây và Iref vượt quá đại lượng cố định của Iref (điển hình 5-10% giá trị đặt). Trong trường hợp này, tần số chuyển mạch là không cố định và biến đổi như là một chức năng của đại lượng Iref, ngưỡng hiệu chỉnh được h và điện cảm trong tải.
Hình 2- 15: Bộ so sánh có ngưỡng hiệu chỉnh được (HB) điều chế PWM
3. Sóng mang tam giác (Triangular Carrier – TC)
Phương pháp TC so sánh sai lệch giữa Idây và Iref với một tần số cố định, biên độ sóng mang tam giác cố định. Một bộ điều chỉnh PI cung cấp các đặc tính tĩnh và động đến mạch phản hồi. Phương pháp này phức tạp hơn hai phương pháp kia trong việc thực hiện khi độ khuếch đại của bộ điều khiển PI cần được lựa chọn.
40
2.2.4 VSC với điều khiển điện áp xoay chiều
Hình 2-17 thể hiện một phiên bản một pha tương đương của VSC với điều khiển điện áp. Trong mạch này, điện áp được sinh ra Vgen có thể được điều khiển ở cả biên độ và pha với điện áp nguồn VS. Một lợi thế của phương pháp này là nó không yêu cầu dòng xoay chiều đầu vào được giám sát. Mẫu Vgen thu được bên dưới từ hình:
Hình 2- 17: Thực thi bộ chỉnh lưu với điện áp điều khiển cho vận hành hệ số công suất đơn vị [2]
Giả sử rằng: vs = V*sqrt(2) thì dòng điện sẽ có dạng:
Giải Vgen đưa ra:
41
Phương trình này cung cấp một phương thức điều khiển Vgen thông qua việc điều chế Imax. Phương trình này cũng điều khiển hệ số công suất cosφ. Trường hợp hệ số công suất đơn vị được mong muốn thì cosφ = 1 và sinφ = 0, và có thể được sử