Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu khả năng áp dụng một số phương pháp điều khiển như điều khiển PI, điều khiển trượt…cho mạch vòng điều khiển của bộ biến đổi; Kiểm chứng các phương pháp điều chế, thuật toán chuyển mạch và phương pháp điều khiển thông qua những minh chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƯƠNG ANH TUẤN Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƯƠNG ANH TUẤN Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Vũ Hoàng Phương 2. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Hà Nội - 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Vũ Hoàng Phương PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Dương Anh Tuấn i
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS.Vũ Hoàng Phương và PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn, những người đã tận tình hướng dẫn chuyên môn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS.Trần Trọng Minh đã góp ý về công nghệ thực tiễn, động viên tác giả trong những lúc gặp khó khăn khi tiếp cận với hệ thống mà mình nghiên cứu. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Giáp Văn Nam, cũng như tất cả các giảng viên, các cán bộ kỹ thuật thuộc Khoa Tự động hóa – Trường Điện- Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chuyên môn quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Đề tài khoa học cấp Nhà nước mã số KC.05.22/16-20 đã tạo điều kiện hỗ trợ trong quá trình thực hiện mô hình thực nghiệm. Tác giả cũng xin cảm ơn tới Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới vợ, hai con cùng toàn thể gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt luận án này. Tác giả luận án ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. I LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. II MỤC LỤC.......................................................................................................III DANH MỤC KÝ HIỆU ................................................................................. VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................VIII DANH MỤC HÌNH ẢNH...........................................................................VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................XIII MỞ ĐẦU ....................................................................................................... XV CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................ 1 1.1. Xu hướng phát triển hiện nay của nghịch lưu nguồn áp. ............................ 1 1.2. Các cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba mức.................................................. 3 1.2.1. Cấu trúc nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC) ........................................... 3 1.2.2. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha ...................................................... 4 1.2.3. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT ....................... 8 1.3. Phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T .......................................... 10 1.4. Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện........................................ 12 1.5. Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án ....................... 13 1.6. Kết luận ..................................................................................................... 14 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHO NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA................................................................................................................ 15 2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 15 2.2. Phương pháp điều chế PWM .................................................................... 17 2.2.1. Nguyên lí phương pháp điều chế PWM ............................................ 17 2.2.2. Mô phỏng phương pháp điều chế PWM cho bộ nghịch lưu hình T 3 pha ............................................................................................................... 18 2.3. Phương pháp điều chế SVM ..................................................................... 21 2.3.1. Chuyển hệ tọa độ từ abc sang 0αβ..................................................... 21 2.3.2. Quy chuẩn độ dài các véctơ theo mức điện áp 𝑉𝑑𝑐. ......................... 22 2.3.3. Tính toán mô đun và góc pha của véctơ điện áp ra. .......................... 23 2.3.4. Hình thành không gian véctơ trên hệ tọa độ 0αβ. ............................. 24 2.3.5. Xác định vị trí của véctơ điện áp ra v trong sector lớn. .................... 25 2.3.6. Xác định vị trí của véctơ điện áp v trong các tam giác con............... 26 iii
2.3.7. Tính toán hệ số điều chế (thời gian sử dụng các véctơ trong mỗi chu kì điều chế Ts). ............................................................................................ 27 2.3.8. Cân bằng điện áp trên 2 tụ DC. ......................................................... 29 2.3.9. Tính toán hệ số điều chế thực hiện nhánh van mạch nghịch lưu trong mỗi chu kì điều chế Ts. ............................................................................... 30 2.4. Các phương pháp điều chế cấp xung cho van. ......................................... 30 2.4.1. Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn ................................................ 30 2.4.2. Phương pháp điều chế SVM 6- Đoạn. .............................................. 34 2.4.3. Mô phỏng hai phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn và SVM 6-Đoạn ..................................................................................................................... 38 2.5. Phương pháp điều chế FSVM đề xuất áp dụng cho nghịch lưu ba pha hình T ....................................................................................................................... 42 2.6. Mô phỏng phương pháp FSVM ........................................................... 51 2.7. Kết luận ..................................................................................................... 54 CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA ................................................................................................................... 55 3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 55 3.2. Mô hình toán học của nghịch lưu hình T ba pha ...................................... 55 3.3. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI .......................................... 56 3.3.1. Cấu trúc điều khiển............................................................................ 56 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện .. ................................................... 57 3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển điện áp .......................................................... 59 3.4. Mô phỏng cấu trúc điều khiển nối lưới sử dụng bộ điều khiển PI ........... 59 3.4.1. Tính chọn tham số mạch lực nghịch lưu hình T ba pha .................... 59 3.4.2. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink ...................... 60 3.5. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu.......................... 66 3.5.1. Cấu trúc điều khiển ............................................................................ 66 3.5.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ..................................................... 67 3.5.3. Thiết kế bộ điều khiển điện áp ........................................................... 71 3.6. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trong chế độ nối lưới. ............ 72 3.7. Kết luận………………………………………………………………… 78 CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA TRONG CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP................................................................................................ 79 iv
4.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 79 4.2. Mô hình toán học của nghịch lưu hình T ba pha ...................................... 79 4.3. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI ......................................... 80 4.4. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ............................................................ 82 4.5. Thiết kế bộ điều khiển điện áp .................................................................. 82 4.6. Mô phỏng bộ điều khiển PI trên phần mềm Matlab/Simulink ................. 83 4.7. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu mới .................. 89 4.7.1. Cấu trúc điều khiển............................................................................ 89 4.7.2. Thiết kế bộ điều khiển điện áp và dòng điện..................................... 90 4.8. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trên phần mềm Matlab/Simulink .............................................................................................. 92 4.9. Kết luận………………………………………………………………… 98 CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA .......................................................................................................................... 99 5.1. Đặt vấn đề………………………………………………………………. 99 5.2. Điều kiện thực nghiệm .............................................................................. 99 5.3. Kết quả thực nghiệm ............................................................................... 101 5.4. Kết luận ................................................................................................... 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..... 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 116 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 123 Phụ lục 1. Hệ thống thực nghiệm nghịch lưu hình T ba pha ......................... 123 Phụ lục 2. Mô phỏng bằng Matlab/Simulink ................................................. 130 Phụ lục 3. Thiết kế mạch vòng khóa pha PLL……………………………...130 v
DANH MỤC KÝ HIỆU Đơn Ký hiệu Ý nghĩa vị m Số mức điện áp có thể tạo ra ở nghịch lưu 𝑉 (V) Điện áp một chiều nguồn đầu vào nghịch lưu 𝑉 (V) Điện áp common - mode CMV Điện áp common – mode chuẩn hóa theo Vdc 𝑈 , 𝑈 , 𝑈 (V) Điện áp pha A, B, C so với trung tính nguồn 𝑈 (V) Điện áp giữa điểm trung tính nguồn và lưới điện 𝐼 A Dòng điện rò trong hệ thống 𝑉 , 𝑉 , 𝑉 A Điện áp trên các pha 𝐶 F Tụ ký sinh nối đất của nguồn DC 𝐶 F Tụ nối đất ký sinh của điểm trung tính lưới điện 𝐿, 𝐿 H Cuộn cảm trong bộ lọc LCL 𝐶 F Tụ trong bộ lọc LCL 𝑉 (V) Điện áp trên tụ nối đất ký sinh của nguồn DC 𝑉 , 𝑉 , 𝑉 (V) Điện áp trên các tụ lọc của pha A, B, C 𝐼 ,𝐼 , 𝐼 A Dòng điện của pha A, B, C v , v  (V) Tọa độ của vector điện áp đặt trên hệ trục  𝐼 A Dòng điện qua tải id, iq A Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ dq vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Ý nghĩa DC Direct Current Điện một chiều AC Alternative Current Điện xoay chiều THD Total Harmonic Distortion Tổng độ méo sóng hài PV Photovoltaics Quang điện Diode Clamped Multilevel NPC Nghịch lưu dạng điốt kẹp Inverter Flying Capacitor Multilevel FC Nghịch lưu dạng tụ bay Inverter CHB Cascaded H-Bridge Nghịch lưu cầu H nối tầng PFC Power Factor Correction Bộ điều chỉnh hệ số công suất OBC On-Board Charger Bộ sạc xe điện V2G Vehicle to Grid Xe nối lưới PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SVM Space Vector Modulation Điều chế véctơ không gian CMV Common-mode Voltage Điện áp common mode Flexibility in Space Vector FSVM Điều chế véctơ không gian linh hoạt Modulation SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt PI Proportional-Integral Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ Fixed-time sliding mode FTSMC Điều khiển trượt thời gian cố định control SOB State Observer Bộ quan sát trạng thái DOB Disturbance observer Bộ quan sát nhiễu LMI Linear matrix inequality Bất đẳng thức ma trận tuyến tính OVS Overshoot Độ quá điều chỉnh Insulated Gate Bipolar IGBT Transistor có cực điều khiển cách ly Transistors RB-IGBT Reverse Blocking IGBT IGBT chặn đảo ngược DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Các ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp...................................................... 1 Hình 1.2. Cấu hình bộ biến đổi công suất cho hệ thống nguồn phân tán .................. 2 Hình 1.3. Hệ thống On-board Charger (OBC) sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp ..... 2 Hình 1.4. Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức .......................................... 3 Hình 1.5. Cấu trúc bộ nghịch lưu ba mức NPC ......................................................... 4 Hình 1.6. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha ............................................................ 5 Hình 1.7. Chuyển mạch AC sử dụng van IGBT+điốt(a) và RB-IGBT(b) .................. 5 Hình 1.8. Cấu trúc bán dẫn của van IGBT thông thường(a) và RB-IGBT(b)............ 6 Hình 1.9. Sụt áp khi dẫn của RB-IGBT và IGBT thông thường ................................. 6 Hình 1.10. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT ............................ 8 Hình 1.11. Trạng thái đóng cắt của nghịch lưu hình T .............................................. 9 Hình 1.12. Dạng điện áp dây đầu ra của nghịch lưu hình T ba pha.......................... 9 Hình 1.13. Các phương pháp điều chế cho nghịch lưu ba mức ............................... 11 Hình 2.1. Mô hình rút gọn của bộ nghịch lưu hình T ba pha (trái) và mạch common- mode tuơng đương(phải) .......................................................................................... 15 Hình 2.2. Điện áp NP dựa theo trạng thái đóng cắt của véctơ nhỏ loại P và véctơ nhỏ loại N ................................................................................................................. 16 Hình 2.3. Phương pháp điều chế sin PWM .............................................................. 17 Hình 2.4. Phương pháp dịch mức sóng mang cùng pha .......................................... 17 Hình 2.5. Phương pháp dịch pha sóng mang ........................................................... 18 Hình 2.6. Nguyên lý phát xung cấu trúc hình T ba pha ........................................... 18 Hình 2.7. Trạng thái các van dẫn ............................................................................. 19 Hình 2.8. Dòng điện đầu ra sau lọc của phương pháp PWM .................................. 20 Hình 2.9. THD dòng điện đầu ra sau lọc của phương pháp PWM .......................... 20 Hình 2.10. Điện áp CMV của phương pháp PWM................................................... 20 Hình 2.11. Đồ thị dòng rò của phương pháp PWM ................................................. 21 Hình 2.12. Đồ thị điện áp trên 2 tụ DC của phương pháp PWM ............................. 21 Hình 2.13. Đồ thị véctơ không gian xây dựng từ Bảng 2.3 ...................................... 25 Hình 2.14. Ba hệ tọa độ không vuông góc tạo nên các góc phần sáu ..................... 25 Hình 2.15. Quá trình tính toán 𝑚 , 𝑚 .................................................................... 28 Hình 2.16. Tổng hợp véctơ điện áp ra từ 3 véctơ đỉnh của tam giác con ................ 28 Hình 2.17 Thuật toán cân bằng điện áp trên tụ ....................................................... 30 Hình 2.18. Thuật toán cân bằng điện áp tụ bằng SVM ............................................ 31 Hình 2.19. Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn ứng với tam giác 2, sector I, m=131 Hình 2.20. Mẫu xung cấp cho van ............................................................................ 33 Hình 2.21. Phương pháp điều chế SVM 6- Đoạn ứng với tam giác 2, Sector I ....... 35 Hình 2.22. Mẫu xung cấp cho van ............................................................................ 37 viii
Hình 2.23. Đồ thị và THD dòng điện đầu ra sau lọc ............................................... 39 Hình 2.24. Đồ thị điện áp common-mode................................................................. 40 Hình 2.25. Đồ thị dòng rò ........................................................................................ 40 Hình 2.26. Đồ thị điện áp trên 2 tụ DC .................................................................... 41 Hình 2.27. Trạng thái trong không gian véctơ và trình tự chuyển mạch của (a) ZSVM, (b) PSVM và (c) NSVM................................................................................. 43 Hình 2.28. Mẫu xung chuyển mạch cho từng Section trong chế độ ZSVM .............. 47 Hình 2.29. Mẫu xung chuyển mạch cho từng Section trong chế độ PSVM.............. 48 Hình 2.30. Mẫu xung chuyển mạch cho từng Section trong chế độ NSVM ............. 49 Hình 2.31. Thuật toán điều chế cân bằng tụ ............................................................ 50 Hình 2.32. Đồ thị và THD của dòng điện đi lên lưới sau lọc (THD = 2.85%) ........ 52 Hình 2.33. Đồ thị điện áp trên 2 tụ điện DC ( △Cmax = 6V) .................................. 52 Hình 2.34. Đồ thị điện áp common-mode................................................................. 52 Hình 2.35. Đồ thị dòng rò ........................................................................................ 53 Hình 2.36. Dòng điện đầu ra sau lọc của (a) FSVM, THD=2.85%;(b) SVM 6- Đoạn, THD=3.18%;(c) SVM 8- Đoạn, THD = 1,99% ............................................ 53 Hình 2.37. Điện áp trên tụ của (a) FSVM △Cmax=6V, (b) SVM 6-Đoạn △Cmax=9V, (c)SVM 8-Đoạn △Cmax=18V ............................................................ 53 Hình 2.38. Điện áp CMV của (a) FSVM; (b) SVM 6-Đoạn; c) SVM 8-Đoạn.......... 53 Hình 2.39. Dòng điện rò của (a) FSVM RMS=30mA, (b) SVM 6-Đoạn RMS=191mA, (c) SVM 8- Đoạn RMS=188mA ........................................................ 53 Hình 3.1. Cấu trúc nghịch lưu ba pha hình T nối lưới ............................................. 55 Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu ba pha hình T chế độ nối lưới khi sử dụng bộ điều khiển PI ............................................................................................... 58 Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện trên hệ toạ độ quay dq khi sử dụng bộ điều khiển PI ............................................................................................... 59 Hình 3.4. Cấu trúc mạch vòng dòng điện kênh d .................................................... 59 Hình 3.5. Cấu trúc bộ điều khiển điện áp................................................................. 60 Hình 3.6. Dòng điện đầu ra bộ biến đổi ................................................................... 61 Hình 3.7. Dòng điện đi lên lưới ................................................................................ 61 Hình 3.8. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều .............................................................. 61 Hình 3.9. Giá trị THD của dòng đi lên lưới ............................................................. 61 Hình 3.10. Điện áp lưới ............................................................................................ 62 Hình 3.11. Dòng điện đi lên lưới .............................................................................. 62 Hình 3.12. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 62 Hình 3.13. Điện áp lưới ............................................................................................ 62 Hình 3.14. Dòng điện đi lên lưới .............................................................................. 63 Hình 3.15. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 63 Hình 3.16. Điện áp lưới ............................................................................................ 63 ix
Hình 3.17. Dòng đi lên lưới ...................................................................................... 63 Hình 3.18. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 64 Hình 3.19. Điện áp lưới ............................................................................................ 64 Hình 3.20. Dòng điện đi lên lưới .............................................................................. 64 Hình 3.21. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 65 Hình 3.22. Điện áp lưới ............................................................................................ 65 Hình 3.23. Dòng đi lên lưới ...................................................................................... 65 Hình 3.24. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 65 Hình 3.25. Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu ba pha hình T chế độ nối lưới khi sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu .......................................................................... 66 Hình 3.26. Vùng LMI theo chiều dọc ....................................................................... 68 Hình 3.27. Dòng điện đầu ra bộ biến đổi ................................................................. 72 Hình 3.28. Dòng điện đi lên lưới .............................................................................. 72 Hình 3.29. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 72 Hình 3.30. Giá trị THD của dòng đi lên lưới ........................................................... 72 Hình 3.31. Điện áp lưới ............................................................................................ 73 Hình 3.32. Dòng điện đi lên lưới .............................................................................. 73 Hình 3.33. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 73 Hình 3.34. Điện áp lưới ............................................................................................ 74 Hình 3.35. Dòng điện đi lên lưới .............................................................................. 74 Hình 3.36. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 74 Hình 3.37. Điện áp lưới ............................................................................................ 75 Hình 3.38. Dòng điện đi lên lưới .............................................................................. 75 Hình 3.39. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 75 Hình 3.40. Điện áp lưới ............................................................................................ 76 Hình 3.41. Dòng điện đi lên lưới .............................................................................. 76 Hình 3.42. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 76 Hình 3.43. Điện áp lưới ............................................................................................ 77 Hình 3.44. Dòng điện đi lên lưới .............................................................................. 77 Hình 3.45. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 77 Hình 4.1. Cấu trúc nghịch lưu hình T chế độ độc lập .............................................. 79 Hình 4.2. Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha hình T chế độ độc lập khi sử dụng bộ điều khiển PI .............................................................................. 80 Hình 4.3. Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ toạ độ quay d-q ........................... 82 Hình 4.4. Cấu trúc mạch vòng dòng điện kênh d ..................................................... 81 Hình 4.5. Cấu trúc mạch vòng điện áp kênh d ......................................................... 81 Hình 4.6. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 84 Hình 4.7. Giá trị THD của điện áp tải ..................................................................... 84 x
Hình 4.8. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 85 Hình 4.9. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 86 Hình 4.10. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 87 Hình 4.11. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 88 Hình 4.12. Giá trị THD của điện áp tải ................................................................... 88 Hình 4.13. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu hình T chế độ độc lập .......................... 89 Hình 4.14. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 93 Hình 4.15. Giá trị THD của điện áp trên tải ............................................................ 93 Hình 4.16. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 94 Hình 4.17. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 95 Hình 4.18. Giá trị THD của điện áp tải ................................................................... 95 Hình 4.19. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 96 Hình 4.20. Giá trị THD của điện áp tải ................................................................... 96 Hình 4.21. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 97 Hình 4.22. Giá trị THD của điện áp tải ................................................................... 97 Hình 5.1. Cấu trúc hệ thống nghịch lưu hình T ba pha ........................................... 99 Hình 5.2. Board driver, van và bộ lọc ...................................................................... 99 Hình 5.3. Board mạch đo + mạch điều khiển ........................................................ 100 Hình 5.4. Hệ thống thực nghiệm ............................................................................ 100 Hình phụ 1. Module van IGBT 12MBI100VN-120-50 ........................................... 123 Hình phụ 2. Cấu tạo Module van IGBT 12MBI100VN-120-50 ............................. 123 Hình phụ 3. Kết quả mô phỏng với giá trị tụ đã chọn ............................................ 124 Hình phụ 4. Mô phỏng công suất tổn thất qua van ................................................ 124 Hình phụ 5. Nguyên lý mạch driver sử dụng HCPL316J ....................................... 125 Hình phụ 6. Thiết kế mạch nguồn cho driver bộ DC/AC 3 pha ............................. 127 Hình phụ 7. PCB Broad mạch driver ,van và mạch lọc ......................................... 127 Hình phụ 8. PCB Broad mạch đo+ mạch điều khiển ............................................. 128 Hình phụ 9. PCB mạch nguồn ................................................................................ 129 Hình phụ 10. Cấu trúc mô phỏng bộ nghịch lưu hình T trong chế độ nối lưới...... 130 xi
Hình phụ 11. Sơ đồ mô phỏng khối các mạch vòng điều khiển ............................. 130 Hình phụ 12. Sơ đồ mô phỏng trong khối “mạch lực” .......................................... 131 xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Bảng so sánh tổn thất của các cấu trúc nghịch lưu ................................... 7 Bảng 1.2. Trạng thái đóng cắt van của pha A ............................................................ 8 Bảng 1.3. Bảng so sánh đặc tính của các cấu trúc nghịch lưu ................................ 10 Bảng 2.1. Thông số mô phỏng phương pháp PWM ................................................. 19 Bảng 2.2. Véctơ điện áp ra ....................................................................................... 22 Bảng 2.3. Bảng tính toán mô đun và góc pha của véctơ điện áp ra ........................ 23 Bảng 2.4. Bảng xác định vị trí các góc phần sáu ..................................................... 26 Bảng 2.5. Bảng xác định tam giác con trong các góc phần sáu .............................. 27 Bảng 2.6. Xác định trạng thái van 𝑉1 → 𝑉6 theo yêu cầu nạp xả tụ ...................... 29 Bảng 2.7. Bảng chuyển trạng thái của 3 véc tơ 𝑉1, 𝑉7, 𝑉8 .................................... 31 Bảng 2.8. Bảng thứ tự đóng cắt các véctơ trong Sector I ........................................ 32 Bảng 2.9. Bảng tính toán hệ số điều chế cấp cho các van ....................................... 34 Bảng 2.10. Thứ tự đóng cắt các véctơ trong Sector I ............................................... 36 Bảng 2.11 Tính toán hệ số điều chế cấp cho các van .............................................. 38 Bảng 2.12. Thông số mô phỏng ................................................................................ 38 Bảng 2.13. Các mức điện áp common-mode trong bộ 3 pha hình T ........................ 43 Bảng 2.14. Véctơ biên chuẩn trong từng Section của chế độ ZSVM ....................... 44 Bảng 2.15. Véctơ biên chuẩn trong từng Section của chế độ PSVM ....................... 44 Bảng 2.16. Véctơ biên chuẩn trong từng Section của chế độ NSVM ....................... 45 Bảng 2.17. Ma trận 3x3 trong từng Section của các chế độ điều chế ...................... 46 Bảng 2.18. Hệ số điều chế cho các nhánh van cho chế độ ZSVM ........................... 47 Bảng 2.19. Bảng trị chân lý của cổng logic XOR .................................................... 48 Bảng 2.20. Hệ số điều chế cho các nhánh van cho chế độ PSVM ........................... 49 Bảng 2.21. Bảng trị chân lý của cổng logic XNOR .................................................. 49 Bảng 2.22. Hệ số điều chế cho các nhánh van cho chế độ NSVM ........................... 50 Bảng 2.23. Tham số mô phỏng phương pháp FSVM bộ 3 pha hình T ..................... 51 Bảng 2.24. Tổng hợp kết quả so sánh ...................................................................... 54 Bảng 3.1. Thông số thiết kế nghịch lưu hình T ......................................................... 59 Bảng 3.2. Thông số mô phỏng bộ điều khiển PI....................................................... 60 Bảng 3.3. Thông số mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu ....................................... 74 Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu và PI ............................... 78 Bảng 4.1. Thông số mô phỏng bộ điều khiển PI....................................................... 83 Bảng 4.2. Thông số mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu ....................................... 92 Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển đề xuất áp dụng và bộ điều khiển PI ... 98 xiii
Bảng 5.1. Thông số hệ thống .................................................................................. 101 Bảng phụ 1. Thông số van IGBT 12MBI100VN-120-50 ........................................ 123 Bảng phụ 2 Tính toán tổn thất qua van .................................................................. 124 Bảng phụ 3. Các thông số giới hạn của IC driver HCPL316J .............................. 125 Bảng phụ 4. Điều kiện hoạt động ........................................................................... 125 Bảng phụ 5. Thông số của IC HCPL316J .............................................................. 125 Bảng phụ 6. Thông số nguồn cần thiết ................................................................... 126 Bảng phụ 7. Thông số nguồn TEC 2-2415WI ........................................................ 126 xiv
MỞ ĐẦU `1.Tính cấp thiết của đề tài Khi có các nguồn điện phân tán tham gia vào hệ thống thì mức độ phức tạp của hệ thống năng lượng ngày càng tăng lên. Vì thế cần thiết có những bộ biến đổi điện tử công suất đáp ứng được khả năng kết nối, trao đổi công suất và ổn định hệ thống năng lượng [1] - [5]. Yêu cầu của bộ biến đổi là phải điều khiển được dòng công suất giữa các thành phần của lưới để phát huy hết công suất của các nguồn phát trong khi phải tránh được các xung động đột ngột do mất tải hay do chính các nguồn phát biến động [6]. Ngoài vấn đề về cấu trúc bộ biến đổi thì mạch vòng dòng điện với khả năng điều chỉnh chính xác, ổn định bền vững là yếu tố tiên quyết cho quá trình trao đổi năng lượng diễn ra theo như mong muốn [7] - [10]. Nghịch lưu ba mức chính là một giải pháp cho những ứng dụng đòi hỏi công suất lớn và điện áp cao trong lĩnh vực hạ thế [11] - [18]. Bộ nghịch lưu ba mức dùng điốt kẹp (NPC) [19], [20] và gần đây là nghịch lưu hình T đã cho thấy những ưu điểm vượt trội so với nghịch lưu hai mức truyền thống. Với nghịch lưu ba mức, các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở mức điện áp và tần số thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số và điện áp ra của quá trình điều chế cao, giảm đáng kể tổn thất trong quá trình đóng cắt van, làm cho dạng sóng đầu ra có độ méo sóng hài (THD) thấp hơn, tốc độ biến thiên điện áp du/dt thấp hơn, đó là những yếu tố rất quan trọng ở dải công suất lớn, điện áp cao. Trong các bộ nghịch lưu ba mức thì bộ nghịch lưu hình T có những ưu thế hơn như: tiết kiệm đáng kể số lượng van bán dẫn công suất mà vẫn tạo ra được mức điện áp như yêu cầu, đảm bảo chất lượng dạng sóng điện áp và yêu cầu công suất lớn, trao đổi được dòng công suất theo hai chiều, chỉ sử dụng một nguồn DC [21] - [25]. Có hai vấn đề mà nghịch lưu ba pha hình T cần phải giải quyết là cân bằng điện áp trên các tụ DC và giảm điện áp common-mode (điện áp common-mode đã được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEC 60950 và TCVN 7326-2003). Việc mất cân bằng điện áp trên các tụ DC sẽ gây hiện tượng quá áp trên các van công suất và làm giảm chất lượng sóng hài của điện áp đầu ra. Điện áp common-mode gây nên dòng rò làm giảm tuổi thọ về cách điện, gây nhiễu điện từ và giảm độ an toàn điện [26]. Đã có một số phương pháp nghiên cứu như [27] - [39] được giới thiệu. Tuy nhiên, tác giả nhận thấy là chưa có phương pháp nào vừa có thể giảm điện áp common- mode lại vừa cân bằng được điện áp trên các tụ DC cho riêng cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha. Vậy việc đưa ra một phương pháp điều chế có thể vừa giảm điện áp common-mode, vừa cân bằng được điện áp trên các tụ DC là hướng nghiên cứu của đề tài nhằm nâng cao độ tin cậy trong việc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T. Cùng với phương pháp điều chế phát xung cho bộ biến đổi thì chất lượng điện áp, dòng diện do mạch vòng điều khiển quyết định. Chính mạch vòng điều khiển sẽ cung cấp lượng đặt thích hợp cho khâu điều chế. Để thiết kế hệ thống điều khiển nghịch lưu ba pha hình T, luận án đã mô hình hoá đối tượng và trên cơ sở đó thiết lập các mạch vòng điều khiển phù hợp với đối tượng [40]. Cấu trúc mạch vòng điều xv
khiển cho nghịch lưu hình T gồm có: mạch vòng trong là mạch vòng dòng điện, mạch vòng ngoài là mạch vòng điện áp một chiều. Thông thường, các mạch vòng điều khiển có thể sử dụng bộ điều khiển PI. Bộ điều khiển này có ưu điểm là thiết kế đơn giản và đáp ứng nhanh khi hệ thống là tuyến tính. Tuy nhiên, do bản thân mô hình điều khiển là phi tuyến hoặc khi hệ thống mất ổn định như điện áp pha mất cân bằng hay tải thay đổi đột ngột thì dẫn đến đáp ứng động học và chất lượng bộ điều khiển sẽ bị suy giảm. Trong mạch vòng điều khiển thì mạch vòng dòng điện đóng vai trò quan trọng, nó phải đảm bảo các vấn đề như: đảm bảo khả năng tác động nhanh; đảm bảo hệ thống không bị quá tải…Do vậy, việc nâng cao chất lượng mạch vòng dòng điện bằng các phương pháp điều khiển cải tiến thì mới có khả năng đảm bảo được đáp ứng động học và chất lượng bộ điều khiển khi hệ thống là phi tuyến hoặc mất ổn định. 2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: Bộ biến đổi hình T ba pha ứng dụng trong chế độ nối lưới và độc lập Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau: - Phương pháp điều chế cải tiến và thuật toán chuyển mạch cho nghịch lưu hình T ba pha để cân bằng điện áp trên các tụ DC và giảm điện áp common-mode. - Phương pháp điều khiển dòng điện cải tiến nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của mạch vòng dòng điện. 3. Mục đích nghiên cứu: - Đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến nhằm có thể vừa cân bằng được điện áp trên các tụ DC , vừa giảm điện áp common-mode. - Nghiên cứu khả năng áp dụng một số phương pháp điều khiển như điều khiển PI, điều khiển trượt…cho mạch vòng điều khiển của bộ biến đổi. - Kiểm chứng các phương pháp điều chế, thuật toán chuyển mạch và phương pháp điều khiển thông qua những minh chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm. 4. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều chế và thuật toán chuyển mạch, các phương pháp điều khiển đảm bảo các yêu cầu đã đặt ra cho bộ biến đổi. - Mô phỏng các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển mạch trên Matlab/Simulink. - Kiểm chứng các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển mạch trên các hệ thống thực nghiệm. 5. Ý nghĩa của đề tài: Đề cập tới một đối tượng nghiên cứu đang ứng dụng trong những lĩnh vực đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển của nền kinh tế, luận án đem lại nhiều ý nghĩa cả về khoa học lẫn thực tiễn. Ý nghĩa khoa học: Kết quả của nghiên cứu này giúp đưa ra phương pháp điều chế SVM cải tiến cho nghịch lưu ba pha hình T để có thể đồng thời cân bằng điện áp trên các tụ DC và giảm điện áp common-mode, có xét đến các trường hợp hệ thống mất ổn định ở điện áp, tần số lưới hoặc tham số của phụ tải... Tiếp đó, luận án xvi
đã đề xuất áp dụng bộ điều khiển trượt kháng nhiễu FTSMC kết hợp với khâu quan sát nhiễu DOB để nâng cao tốc độ đáp ứng và chất lượng điều khiển khi có nhiễu, phụ tải hoặc lưới mất cân bằng. Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng bằng mô hình thực nghiệm chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn. Luận án đã có những đóng góp giúp cho việc ứng dụng của nghịch lưu ba pha hình T trong thực tế trở nên đơn giản, an toàn và đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về chất lượng. 6. Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án: - Xây dựng thành công phương pháp điều chế SVM cải tiến cho nghịch lưu hình T ba pha có thể cân bằng điện áp trên các tụ DC và đồng thời giảm điện áp common-mode. - Đề xuất áp dụng bộ điều khiển trượt kháng nhiễu FTSMC để giải quyết được vấn đề như đáp ứng chậm, giảm chất lượng điều khiển khi có nhiễu, phụ tải hoặc điện áp lưới không cân bằng. 7. Bố cục của luận án Toàn bộ quyển luận án được chia thành 5 chương nội dung và phần kết luận, các nội dung cơ bản như sau: Chương 1 trình bày tổng quan về cấu trúc và ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp hai mức, nghịch lưu NPC ba mức và nghịch lưu ba pha hình T. Qua phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã được công bố, luận án chỉ ra các vấn đề chưa được giải quyết triệt để. Từ đó luận án tập trung nghiên cứu và đưa ra đề xuất áp dụng phương hướng thực hiện các mục tiêu nghiên cứu của luận án. Chương 2 trình bày các phương pháp điều chế PWM, SVM 6-Đoạn (6 lần chuyển trạng thái trong 1 chu kỳ chuyển mạch), SVM 8-Đoạn (8 lần chuyển trạng thái trong 1 chu kỳ chuyển mạch) dùng để điều khiển bộ nghịch lưu hình T ba pha. Tiếp theo, luận án đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến để đồng thời cân bằng được điện áp trên các tụ DC và giảm điện áp common-mode (CMV). Thuật toán này sẽ được kiểm chứng thông qua mô phỏng Matlab/Simulink và hệ thống thực nghiệm. Chương 3 trình bày về bộ điều khiển trượt kháng nhiễu FTSMC kết hợp với khâu quan sát nhiễu DOB trong cấu trúc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T nối lưới để tăng tốc độ đáp ứng, nâng cao chất lượng điều khiển khi có nhiễu hoặc lưới không cân bằng. Chương 4 trình bày về bộ điều khiển trượt kháng nhiễu FTSMC kết hợp với khâu quan sát nhiễu DOB trong cấu trúc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T chế độ độc lập để tăng tốc độ đáp ứng, nâng cao chất lượng điều khiển khi tải không cân bằng hoặc tải phi tuyến. Chương 5 trình bày các quy trình thực nghiệm và các kết quả thu được. Từ kết quả này sẽ kiểm nghiệm được tính đúng đắn lý thuyết của thuật toán đề xuất áp dụng. xvii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Xu hướng phát triển hiện nay của nghịch lưu nguồn áp. Trong các ứng dụng về công suất, nghịch lưu nguồn áp đang chiếm lĩnh vị trí rất quan trọng. Điện áp ra của bộ nghịch lưu được chia thành các mức xếp tầng, số lượng mức càng tăng thì càng gần hình sin [6]. Hình 1.1. Các ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp Hình 1.1 thể hiện các ứng dụng rộng rãi của nghịch lưu nguồn áp hiện nay, ví dụ như trong hệ thống nguồn năng lượng phân tán, hệ thống sạc cho xe điện, hệ thống truyền động động cơ, các bộ tích trữ năng lượng... Trong đó, ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp trong hệ thống năng lượng phân tán và hệ thống sạc cho xe điện đang được tập trung phát triển mạnh mẽ. Lợi ích của các bộ biến đổi điện tử công suất này bao gồm tăng hiệu suất, chi phí thấp hơn và giảm kích thước hệ thống [11], [13], [15]. Để có tác dụng nối lưới hay cấp cho phụ tải xoay chiều, các nguồn phân tán phải được chuyển đổi sang AC. Do đó, nghịch lưu nguồn áp được sử dụng để chuyển đổi nguồn DC sang nguồn AC. Các bộ nghịch lưu phải đảm bảo điều khiển được dòng công suất theo 2 chiều, đồng thời cũng chứa các chức năng bảo vệ giám sát việc kết nối lưới điện với nguồn phân tán và có thể cách ly nếu xảy ra sự cố. Hệ thống nguồn phân tán có thể được cấu trúc thành một số cấu hình hoạt động. Mỗi cấu hình có các bộ biến đổi điện tử công suất cơ bản kết nối hệ thống với lưới điện chung như trong Hình 1.2 [41], [42]. Xe điện hiện đang là xu thế phát triển trong ngành công nghiệp ô tô và rất có thể sẽ thay thế xe xăng trong một vài năm tới. Do vậy, việc nghiên cứu các cấu trúc để thiết kế các bộ sạc cho xe điện đã và đang được triển khai rất mạnh mẽ trong các trung tâm nghiên cứu, các phòng thí nghiệm về điện tử công suất. Có nhiều hệ thống sạc trong đó phổ biến nhất là hệ thống On-board Charger (OBC) như trong Hình 1.3 với các ưu điểm như: thời gian sạc nhanh, nguồn điện AC phổ biến, khả năng tản nhiệt tốt, an toàn, nhẹ và nhỏ vì bộ sạc nằm trên xe [43]. 1