Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có tính đến sự cố van bán dẫn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:193

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ "Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có tính đến sự cố van bán dẫn" được thực hiện với các mục tiêu chính sau: Tổng quát hóa phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến tình huống sự cố van bán dẫn; Phát hiện nhanh và chính xác vị trí cầu H bị lỗi để cấu trúc lại hệ thống;...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có tính đến sự cố van bán dẫn

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của các Thầy hƣớng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án đƣợc trích dẫn đầy đủ. Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Tác giả luận án Mai Văn Chung i
LỜI CẢM ƠN Luận án này đƣợc hoàn thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của tôi tại trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Sau một thời gian học tập nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận án này dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Vũ Hoàng Phương và PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Trƣớc hết, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn tận tình của tập thể các thầy hƣớng dẫn, những ngƣời đã dìu dắt, chia sẻ, quan tâm, tạo mọi điều kiện, giúp đỡ kịp thời để tôi hoàn thiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, đã cho tôi môi trƣờng làm việc chuyên nghiệp, năng động và có những ý kiến góp ý chân thành, sâu sắc trong suốt quá trình tôi học tập, làm việc, xây dựng thực nghiệm cũng nhƣ từng bƣớc thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo, Viện Điện Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về nhiều mặt để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em Nghiên cứu sinh của bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, những ngƣời luôn cùng tôi đồng hành, luôn động viên, giúp đỡ lẫn nhau, cùng trao đổi chuyên môn, hỗ trợ tôi trong việc tìm kiếm tài liệu nghiên cứu trong học tập để tôi có kết quả nhƣ ngày hôm nay. Tôi xin chân thành cảm ơn nhóm nghiên cứu Điện tử công suất làm việc tại phòng 203/C9 Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội, những ngƣời luôn cùng Tôi đồng hành, luôn động viên, giúp đỡ lẫn nhau, cùng trao đổi chuyên môn, hỗ trợ trong nghiên cứu, triển khai thực nghiệm để tôi có kết quả nhƣ ngày hôm nay. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện của Ban giám hiệu trƣờng Đại học Hùng Vƣơng, Ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Công nghệ và các đồng nghiệp tại khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trƣờng Đại học Hùng Vƣơng đã giúp đỡ tạo điều kiện về mặt thời gian, công việc để Tôi học tập, nghiên cứu một cách thuận lợi. Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình Tôi đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ để Tôi vƣợt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Mai Văn Chung ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii MỤC LỤC .......................................................................................................... iii DANH MỤC KÝ HIỆU...................................................................................... vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ viii DANH MỤC BẢNG............................................................................................ x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................... xi MỞ ĐẦU.............................................................................................................. 1 Chƣơng 1. Tổng quan nghịch lƣu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng ứng dụng cho hệ truyền động không đồng bộ ................................................................................... 5 1.1. Nghịch lƣu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng ........................................... 5 1.2. Phƣơng pháp điều khiển mạch vòng dòng điện ...................................... 8 1.2.1 Tổng quan các phƣơng pháp thiết kế mạch vòng dòng điện ...................... 8 1.2.2. Phƣơng pháp điều chế.............................................................................. 10 1.2.3. Phƣơng pháp điều khiển dự báo dòng điện ............................................. 13 1.2.4. Phát hiện và xử lý lỗi của nghịch lƣu đa mức khi xảy ra lỗi van công suất ............................................................................................................................ 16 1.3. Định hƣớng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án .................. 21 1.4. Kết luận ................................................................................................ 21 Chƣơng 2. Điều khiển nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng dựa trên điều chế vector không gian ..................................................................................................... 23 2.1. Điều khiển nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng có xét đến lỗi van bán dẫn cấp nguồn cho hệ truyền động theo nguyên lý FOC ........................ 23 2.1.1. Cấu trúc của hệ truyền động .................................................................... 23 2.1.2. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha ................................................ 26 2.2. Phƣơng pháp phát hiện sự cố hở mạch van bán dẫn ............................. 27 2.3. Tổng quát hóa điều chế vector không gian cho cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng có xét đến tình huống lỗi van bán dẫn ............................ 31 2.3.1. Tổng quát hóa phƣơng pháp điều chế SVM ............................................ 31 2.3.1.1. Tìm vector điện áp đặt .................................................................. 32 2.3.1.2. Xác định vị trí của điện áp đặt ...................................................... 32 2.3.1.3. Hệ số điều chế và thứ tự chuyển mạch ......................................... 38 2.3.1.4. Xác định trạng thái của các vector chuẩn ..................................... 42 2.3.1.5. Tổ chức đóng ngắt van bán dẫn .................................................... 44 iii
2.3.2. Cấu hình lại nghịch lƣu và ảnh hƣởng không gian vector điện áp khi có tình huống sự cố hở mạch van bán dẫn .............................................................. 44 2.3.2.1. Cấu hình lại nghịch lƣu khi bị lỗi ................................................. 44 2.3.2.2. Ảnh hƣởng của lỗi tới không gian vector ..................................... 45 2.3.3. Những thay đổi của thuật toán điều chế SVM cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng có xét đến sự cố hở mạch van bán dẫn............................................. 47 2.3.3.1. Tìm vector điện áp đặt mới. .......................................................... 47 2.3.3.2. Trật tự chuyển mạch và hệ số điều chế. ........................................ 49 2.3.3.3. Xác định trạng thái không lỗi và có CMV nhỏ nhất của vector chuẩn. ............................................................................................................. 49 2.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá các thuật toán đề xuất ......................... 51 2.4.1. Tổng quát hóa điều chế trong điều kiện tối ƣu tần số đóng cắt ............... 51 2.4.2. Phát hiện và xử lý lỗi trong điều kiện tối ƣu điện áp common mode. ..... 54 2.4.3. Mô phỏng và đánh giá hệ truyền động FOC – IM cấp nguồn bởi nghịch lƣu đa mức với các kịch bản khác nhau. ............................................................ 59 2.5. Kết luận chƣơng 2 ................................................................................. 69 Chƣơng 3. Ứng dụng điều khiển dự báo cho mạch vòng dòng điện của nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng........................................................................................ 71 3.1. Thiết kế bộ điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng cấp nguồn hệ truyền động không đồng bộ. ............................... 71 3.2. Đề xuất hàm mục tiêu bổ sung thành phần triệt tiêu điện áp common mode và tối ƣu đóng cắt cho nghịch lƣu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng ................................................................................................................. 76 3.2.1. Triệt tiêu điện áp common-mode ............................................................. 76 3.2.2. Tối ƣu số lần đóng cắt van bán dẫn ......................................................... 78 3.2.3. Giảm thiểu khối lƣợng tính toán hàm mục tiêu ....................................... 80 3.2.4. Hàm mục tiêu của thuật toán MPC cải tiến ............................................. 81 3.3. Mô phỏng kiểm chứng .......................................................................... 83 3.3.1. Kết quả mô phỏng với trƣờng hợp không có lỗi van bán dẫn ................. 83 3.3.2. Kết quả mô phỏng với trƣờng hợp lỗi van bán dẫn ................................. 94 3.4. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................. 97 Chƣơng 4. Xây dựng hệ thống thực nghiệm ...................................................... 99 4.1. Thực nghiệm thuật toán tổng quát hóa điều chế SVM ......................... 99 4.1.1. Điều kiện thực nghiệm............................................................................. 99 4.1.2. Triển khai thuật toán trên FPGA ........................................................... 100 4.1.3. Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 101 iv
4.2. Kết quả thực nghiệm thuật toán SVM cho CHB – MLI trong điều kiện lỗi. .......................................................................................................... 102 4.2.1. Điều kiện thực nghiệm........................................................................... 102 4.2.2. Triển khai thuật toán trên FPGA ........................................................... 103 4.2.3. Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 104 4.2.3.1. Thuật toán phát hiện lỗi. ............................................................. 104 4.2.3.2. Phƣơng pháp điều chế SVM trong trƣờng hợp có lỗi. ................ 105 4.3. Thực nghiệm thuật toán MPC cải tiến tải RL ..................................... 108 4.3.1. Điều kiện thực nghiệm........................................................................... 108 4.3.2. Triển khai thuật toán trên FPGA ........................................................... 110 4.3.3. Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 111 4.4. Thực nghiệm thuật toán MPC cải tiến nối tải IM ............................... 115 4.4.1. Điều kiện thực nghiệm........................................................................... 115 4.4.2. Triển khai thuật toán trên FPGA ........................................................... 117 4.4.3. Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 118 4.5. Kết luận ............................................................................................... 122 Kết luận và kiến nghị ....................................................................................... 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........... 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 128 PHỤ LỤC....................................................................................................... PL-1 Phụ lục 1. Hệ thống thực nghiệm nghịch lƣu 11 mức cầu H nối tầng..... PL-1 Phụ lục 2. Thiết kế mạch đo phát hiện lỗi................................................ PL-3 Phụ lục 3. Mạch đo dòng điện.................................................................. PL-5 Phụ lục 4. Xây dựng thuật toán MPC cải tiến cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng nối tải trở cảm và mô phỏng kiểm chứng ............................. PL-7 Phụ lục 5. Chi tiết các bƣớc tính toán tham số động cơ và tham số mô phỏng ........................................................................................................... PL-17 Phụ lục 6. Kit FPGA Spartan 6 và triển khai thuật toán. ....................... PL-21 Phụ lục 7. Kít FPGA Z7 20 và Triển khai các thuật toán bằng ngôn ngữ VHDL trên nền tảng FPGA .............................................................. PL-27 Phụ lục 8. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng trên Matlab – Simulink. ............... PL-42 v
DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Số cầu H (modul công suất) trên 1 pha ở n nghịch lƣu m Số mức điện áp có thể tạo ra ở nghịch lƣu H A1 , H A2 ,...H An Tên các cầu H của pha A thứ 1 đến thứ n H B1 , H B 2 ,...H Bn Tên các cầu H của pha B thứ 1 đến thứ n HC1 , HC 2 ,...HCn Tên các cầu H của pha C thứ 1 đến thứ n Điện áp một chiều trên mỗi cell ở nghịch Vdc (V) lƣu Điện áp ra (phía xoay chiều) trên cầu H thứ Vo _ cellx x ở nghịch lƣu 4 van bán dẫn trên pha A cầu H thứ k mắc S A1.k ; S A2.k ; S A3.k ; S A4.k sơ đồ cầu H K A1k , K A2k 2 khóa đóng ngắt pha A, cầu thứ k VCMV (V) Điện áp common - mode Điện áp common – mode chuẩn hóa theo CMV Vdc Điện áp pha A, B, C so với trung tính U AN ,U BN ,UCN (V) nguồn k AN , kBN , kCN Mức điện áp giữa AN, BN, CN Điện áp pha của pha A, B, C so với trung u AZ , uBZ , uCZ (V) tính tải Tọa độ của vector điện áp đặt trên hệ trục v , v (V)  v ch , v ch Chuẩn hóa các đại lƣợng v , v theo 2 3 Vdc (V1x ,V1 y )(V2 x ,V2 y )(V3 x ,V3 y ) Tên gọi 3 hệ trục tọa độ lệch nhau  3 V ,V  Tên gọi chung của 3 hệ trục x y (V1x ,V1 y )(V2 x ,V2 y )(V3 x ,V3 y ) Phần nguyên của tọa độ vector đặt trên trục kx , k y tọa độ (VxVy ) Phần thập phân của tọa độ vector đặt trên mx , my trục tọa độ (VxVy ) vi
D1 , D2 2 loại tam giác eA , eB , eC Tổng số cầu H lỗi trên pha A,B,C is Vector dòng stator isa , isb , isc A Dòng trên các pha isd , isq Thành phần dòng stator trên trục d, trục q is , is A Thành phần dòng stator trên trục  , trục  mw , mM N.m Momen tải, momen động cơ s Hệ số trƣợt , s , r rad/s Vận tốc góc cơ, mạch stator, vận tốc trƣợt  s , r Từ thông stator, từ thông rotor Thành phần trục d , q của từ thông rotor, từ  rd , rq , sd , sd thông stator f s , Ts Tần số và chu kỳ băm xung s Góc pha từ thông Lm , Lr , Ls Hỗ cảm, điện cảm rotor, điện cảm stator Lsd , Lsq Điện cảm stator trên trục d, trục q Rr , Rs Điện trở rotor, stator Ttm Chu kỳ trích mẫu  Hệ số tản toàn phần L H Cuộn cảm trên tải R  Điện trở trên tải Lo H Cuộn cảm trên nhánh của MMC C F Tụ điện của SM Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa id, iq A độ dq Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa i∝, iβ A độ ∝β iref A Dòng điện đặt Dòng điện đặt trục d và trục q trong hệ tọa iref_d, iref_d A độ dq VC V Điện áp tụ điện P W Công suất tác dụng Q Var Công suất phản kháng KHcell Mức điện áp ra theo điều chế trên cell vii
Vout_cell Mức điện áp ra thực tế đo đƣợc trên cell Vc_cell Mức điện áp thực tế sau chuẩn hóa trên cell DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ĐTCS Điện tử công suất BBĐ Bộ biến đổi CHB Cascaded H -Bridge Nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng FPGA Field Programmable Gate Mảng cổng lập trình đƣợc Array HB H-Bridge Cầu H DSP Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số FACTS Flexible AC Transmission Hệ thống truyền tải xoay chiều linh System hoạt FC Flying Capacitor Tụ bay IGBT Insulated Gate Bipolar Van IGBT Transistor PV Photovoltaic Điện mặt trời NPC Neutral –point converter Bộ biến đổi đa mức trung tính chốt MPC Model Predictive Control Điều khiển dựa trên dự báo mô hình FCS Finite Control Set Tập điều khiển hữu hạn PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung MMC Modular multilevel Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module Converter STATCOM Static Synchronous Thiết bị bù đồng bộ tĩnh Compensator FOC Flux oriented control Điều khiển tựa theo từ thông THD Total Harmonic Distortion Tổng méo sóng hài NLM Nearest Level Modulation Điều chế mức gần nhất SVM Space Vector Modulation Điều chế vector không gian PS-PWM Phase Shift Carrier Based Điều chế theo sóng mang dạng dịch Modulation pha LS-PWM Level Shift Carrier Based Điều chế theo sóng mang dạng dịch Modulation mức IPD In Phase Disposition Sóng mang cùng pha POD Phase Opposite Disposition Sóng mang đối xứng qua trục thời gian viii
APOD Alternative Phase Opposite Sóng mang ngƣợc pha giữa hai sóng Disposition mang kề nhau, dịch một góc 180o CSPK Công suất phản kháng ix
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. So sánh số linh kiện trong một pha của các cấu trúc NLĐM ............... 6 Bảng 2. 1. KHcellx, Vout_cellx,trạng thái đóng cắt van và Vc_cellx của cầu H thứ x. . 29 Bảng 2. 2. Xác định sector chứa điện áp đặt. ....................................................... 36 Bảng 2. 3. Quá trình chuyển mạch cho sector I, III, V (mx  my  mo ) ................ 40 Bảng 2. 4 Quá trình chuyển mạch trên các sector II, IV, VI (mx  my  mo ) ....... 41 Bảng 2. 5. Xác định trạng thái của vector chuẩn (k0  kx  k y ) ........................... 44 Bảng 2. 6. Vị trí của các vector không gian bị ảnh hƣởng bởi các cầu H bị lỗi. . 46 Bảng 2. 7. Chuyển mạch cho tất cả các sector phƣơng pháp SVM cải tiến ........ 49 Bảng 2. 8. Ma trận chuyển đổi trạng thái vector chuẩn. ...................................... 50 Bảng 2. 9. Kịch bản lỗi......................................................................................... 54 Bảng 2. 10. So sáng kết quả các thuật toán đã có với thuật toán phát hiện lỗi đề xuất ........................................................................................................................... 56 Bảng 2. 11. Kết quả mô phỏng khi sử dụng SVM cải tiến. ................................. 58 Bảng 2. 12. So sánh thuật toán đề xuất với các thuật toán đã có. ........................ 58 Bảng 2. 13. Kịch bản mô phỏng tải động cơ ........................................................ 59 Bảng 2. 14. Thống kê mức giảm điện áp ............................................................. 59 Bảng 2. 15. Tốc độ động cơ ................................................................................ 62 Bảng 2. 16. Điện áp Common - mode ở hai trƣờng hợp. .................................... 68 Bảng 2. 17. Mức trạng thái từng pha theo kịch bản mô phỏng. .......................... 68 Bảng 2. 18. Thông số mô phỏng thuật toán SVM tổng quát ............................... 20 Bảng 3. 1. Bảng trạng thái đóng cắt. .................................................................... 79 Bảng 3. 2. Giá trị đặt của các bộ điều khiển PI. ................................................... 84 Bảng 3. 3. Giá trị các trọng số trong các giai đoạn khảo sát. ............................... 84 Bảng 3. 4. Khảo sát số lần chuyển mức của điện áp pha A. ................................ 88 Bảng 3. 5.Giá trị momen tải. ................................................................................ 88 Bảng 3. 6. Khảo sát số lần chuyển mức của điện áp pha A. ................................ 89 Bảng 4. 1. Thông số mô phỏng và thực nghiệm. ............................................... 109 Bảng 4. 2. Giá trị của biên độ dòng điện đặt. ..................................................... 110 Bảng 4. 3. Giá trị các trọng số trong các giai đoạn khảo sát. ............................. 110 Bảng 4. 4. Thông số động cơ và mô phỏng ....................................................... 116 Bảng 4. 5. Kịch bản mô phỏng bộ điều khiển dòng điện ................................... 116 x
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Phân loại NLĐM (nguồn [18]).............................................................. 6 Hình 1. 2. Cấu trúc hệ PV dùng cấu trúc CHB (nguồn [17]) ................................. 7 Hình 1. 3. Các phƣơng án cấp nguồn DC cách ly cho nghịch lƣu cầu H nối tầng. 7 Hình 1. 4. Sơ đồ cấu trúc hệ thống nghịch lƣu ba pha 11 mức cầu H nối tầng. .... 8 Hình 1. 5. Tổng quan về các phƣơng pháp điều chế cho bộ biến đổi đa mức (nguồn: [42]) ............................................................................................................. 12 Hình 1. 6. Vector không gian điện áp của CHB - MLI 11 mức CHB ................. 12 Hình 1. 7. Sơ đồ khối phát hiện lỗi theo sai lệch điện áp [73]. ............................ 17 Hình 1. 8. Sơ đồ khối phát hiện lỗi theo sai lệch dòng điện với dòng dự báo [77]. .................................................................................................................................. 17 Hình 1. 9. Hình ảnh mô tả phƣơng pháp “bypass cell” [47] ................................ 18 Hình 1. 10. Hình ảnh mô tả phƣơng pháp dịch điểm trung tính [79], [41] .......... 19 Hình 1. 11. Ảnh hƣởng của vector điện áp ra khi mạch nghịch lƣu xảy ra lỗi. .. 20 Hình 2. 1. Cấu trúc điều khiển FOC cho IM cấp nguồn bởi nghịch lƣu đa mức có xét đến tình huống sự cố hở mạch van bán dẫn........................................................ 25 Hình 2. 2. Cấu trúc cơ bản của CHB-MLI ........................................................... 27 Hình 2. 3. Sơ đồ khối phƣơng pháp phát hiện ..................................................... 28 Hình 2. 4. Mối quan hệ giữa tín hiệu KHcellx, Vout_cellx,trạng thái đóng cắt van và Vc_cellx của cầu H thứ x. ............................................................................................ 29 Hình 2. 5. Các tín hiệu trong thuật toán phát hiện lỗi ......................................... 30 Hình 2. 6. Sơ đồ khối các bƣớc triển khai phƣơng pháp SVM ............................ 31 Hình 2. 7. Minh họa một vector chuẩn CHB-MLI 5 mức ................................... 34 Hình 2. 8. Ba hệ trục tọa độ không vuông góc [84] ............................................. 35 Hình 2. 9. Mối quan hệ giữa hệ tọa độ V1x ,V1 y  và  ,   ................................. 36 Hình 2. 10. Tam giác chứa điện áp đặt ................................................................ 37 Hình 2. 11. Quá trình tính toán đại lƣợng mx,my,kx,ky ...................................... 37 Hình 2. 12. Xác định hệ số điều chế khi nằm trong tam giác loại D1 .................. 39 Hình 2. 13. Xác định hệ số điều chế khi nằm trong tam giác loại D2 .................. 39 Hình 2. 14. Quá trình chuyển mạch cho sector I, III, V ....................................... 40 Hình 2. 15. Quá trình chuyển mạch cho sector II, IV, VI .................................... 41 Hình 2. 16. Biểu thị một vector chuẩn trên sector I ............................................. 42 Hình 2. 17. Tạo tín hiệu đóng ngắn van đƣa tới van bán dẫn .............................. 44 Hình 2. 18. Cấu hình cầu H có thêm contactor ở đầu ra ..................................... 45 Hình 2. 19. Ảnh hƣởng của lỗi lên không gian vector. ........................................ 46 xi
Hình 2. 20. Sector I của CHB-MLI 5 mức khi 1 cầu H của pha A bị lỗi. ........... 47 Hình 2. 21. Điện áp lớn nhất có thể đạt đƣợc khi nghịch lƣu có cầu H bị lỗi. ... 48 Hình 2. 22. Lƣu đồ thuật toán xác định giá trị điện áp đặt mới khi có lỗi. .......... 48 Hình 2. 23. Biểu diễn một vector chuẩn trên sector I. ......................................... 51 Hình 2. 24. Hình ảnh dạng điện áp trên pha A của nghịch lƣu đa mức ............... 52 Hình 2. 25. Hình ảnh dạng điện áp trên tải .......................................................... 53 Hình 2. 26. Hình ảnh dạng điện áp trên dây của nghịch lƣu ................................ 53 Hình 2. 27. Dạng tín hiệu Vc_cellHA3 , KHcellHA3 , T1, T2, fault signal của cầu HA3 trong trƣờng hợp không có lỗi. ................................................................................. 55 Hình 2. 28. Dạng tín hiệu Vc_cellHA3 , KHcellHA3 , T1, T2, fault signal của cầu HA3 trong trƣờng hợp lỗi hở mạch. .................................................................................. 55 Hình 2. 29. Dạng sóng a) điện áp pha nghịch lƣu b) điện áp pha trên tải c) dòng điện qua tải d) CMV của hệ thống khi áp dụng thuật toán SVM thông thƣờng (I), cải tiến (II) ...................................................................................................................... 58 Hình 2. 30. Biên độ điện áp tối đa của CHB-MLI điều chế trƣờng hợp III......... 60 Hình 2. 31. Biên độ điện áp tối đa của CHB-MLI điều chế với thuật toán SVM trƣờng hợp II ............................................................................................................. 60 Hình 2. 32. Đáp ứng tốc độ khi dùng thuật toán SVM cải tiến............................ 61 Hình 2. 33. Đáp ứng tốc độ khi dùng thuật toán của trƣờng hợp II ..................... 61 Hình 2. 34. Đáp ứng tốc độ khi dùng thuật toán của trƣờng hợp I ..................... 61 Hình 2. 35. Đáp ứng momen khi dùng thuật toán SVM cải tiến với trƣờng hợp III .................................................................................................................................. 63 Hình 2. 36. Đáp ứng momen khi dùng thuật toán SVM với trƣờng hợp II ......... 63 Hình 2. 37. Đáp ứng momen khi dùng thuật toán SVM với trƣờng hợp I........... 63 Hình 2. 38. Đáp ứng từ thông khi dùng thuật toán SVM với trƣờng hợp I ......... 64 Hình 2. 39. Điện áp dây khi dùng thuật toán SVM cải tiến (trƣờng hợp III) ...... 65 Hình 2. 40. Điện áp dây khi dùng thuật toán SVM phƣơng pháp trong trƣờng hợp II................................................................................................................................ 65 Hình 2. 41. Điện áp dây khi dùng thuật toán SVM trong trƣờng hợp I ............... 66 Hình 2. 42. Điện áp dây khi dùng thuật toán SVM cải tiến (trƣờng hợp III) ...... 66 Hình 2. 43. Dòng điện pha A va B khi sử dụng thuật toán trong trƣờng hợp I ... 66 Hình 2. 44. Điện áp common-mode khi dùng SVM cải tiến trong trƣờng hợp III .................................................................................................................................. 67 Hình 2. 45. Điện áp common-mode khi dùng SVM trong trƣờng hợp I ............. 67 Hình 2. 46. Mức trạng thái kAN, kBN, kCN khi xét tới lỗi van trong phƣơng pháp 67 Hình 2. 47. Mức trạng thái kAN, kBN, kCN khi xét tới lỗi van trong trƣờng hợp II 68 Hình 3. 1. Cấu trúc điều khiển dự báo FCS - MPC cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng cấp nguồn hệ truyền động không đồng bộ ................................................. 72 xii
Hình 3. 2. Mặt phẳng biểu diễn hai hệ tọa độ và dq....................................... 74 Hình 3. 3. Giản đồ thời gian làm việc của bộ điều khiển dự báo. ........................ 76 Hình 3. 4. Minh họa vector chuẩn có mức trạng thái có CMV=0 của nghịch lƣu 5 mức cấu trúc cầu H nối tầng ..................................................................................... 78 Hình 3. 5. Minh họa một tập hợp 19 vector. ........................................................ 81 Hình 3. 6. Cấu trúc điều khiển của thuật toán MPC cải tiến cho hệ thống nghịch lƣu đa mức nối tải động cơ. ...................................................................................... 83 Hình 3. 7. Lƣu đồ thuật toán triển khai phƣơng pháp MPC đề xuất trên vi điều khiển. ........................................................................................................................ 83 Hình 3. 8. Kết quả đáp ứng của bộ điều khiển từ thông. ..................................... 85 Hình 3. 9. Kết quả đáp ứng của bộ điều khiển tốc độ. ......................................... 85 Hình 3. 10. Dạng momen trên trục động cơ. ........................................................ 86 Hình 3. 11. Dòng điện đầu ra ba pha nghịch lƣu. ............................................... 86 Hình 3. 12. Dạng dòng điện trên pha A. .............................................................. 87 Hình 3. 13. Dạng điện áp common-mode. ........................................................... 87 Hình 3. 14. Dạng điện áp trên pha A. .................................................................. 87 Hình 3. 15. Dạng điện áp trên pha A trƣớc (a) và sau (b) khi tối ƣu đóng cắt. ... 88 Hình 3. 16. Đáp ứng của bộ điều khiển từ thông. ................................................ 89 Hình 3. 17. Đáp ứng của bộ điều khiển tốc độ..................................................... 89 Hình 3. 18. Dạng momen trên trục động cơ với thuật toán 19 vector liền kề đề xuất ........................................................................................................................... 90 Hình 3. 19. Dạng momen trên trục động cơ với thuật toán 7 vector liền kề ........ 90 Hình 3. 20. Dòng điện trên ba pha nghịch lƣu. .................................................... 91 Hình 3. 21. Dòng điện trên ba pha nghịch lƣu. .................................................... 91 Hình 3. 22. Dạng điện áp common-mode với thuật toán 19 vector điện áp liền kề đề xuất....................................................................................................................... 91 Hình 3. 23. Dạng điện áp common-mode với thuật toán 7 vector điện áp liền kề .................................................................................................................................. 92 Hình 3. 24. Dạng điện áp ba pha .......................................................................... 92 Hình 3. 25. Dạng điện áp trên pha A. .................................................................. 92 Hình 3. 26. Điện áp trên pha A trƣớc (a) và sau (b) khi tối ƣu đóng cắt với thuật toán 7 vector điện áp liền kề ..................................................................................... 93 Hình 3. 27. Điện áp trên pha A trƣớc (a) và sau (b) khi tối ƣu đóng cắt thuật với toán 19 vector điện áp liền kề đề xuất ...................................................................... 93 Hình 3. 28. Đáp ứng tốc độ với phƣơng pháp điều khiển dự báo dòng điện trong điều kiện lỗi vãn công suất ....................................................................................... 95 Hình 3. 29. Đáp ứng momen với phƣơng pháp điều khiển dự báo dòng điện trong điều kiện lỗi vãn công suất ....................................................................................... 95 xiii
Hình 3. 30. Dạng của điện áp dây với phƣơng pháp điều khiển dự báo dòng điện trong điều kiện lỗi vãn công suất .............................................................................. 96 Hình 3. 31. Dạng của điện áp pha với phƣơng pháp điều khiển dự báo dòng điện trong điều kiện lỗi vãn công suất .............................................................................. 97 Hình 4. 1. Cấu trúc hệ thống thực nghiệm nghịch lƣu 11 mức cầu H nối tầng điều chế vector không gian ....................................................................................... 99 Hình 4. 2. Hệ thống thực nghiệm nghịch lƣu 11 mức cầu H nối tầng ............... 100 Hình 4. 3. Sơ đồ khối thực hiện thuật toán điều chế SVM tổng quát trên FPGA ................................................................................................................................ 101 Hình 4. 4. Dạng sóng điện áp pha 11 mức ......................................................... 102 Hình 4. 5. Dạng sóng điện áp trên tải................................................................. 102 Hình 4. 6. Tín hiệu mở van a) điều chế bằng SVM, b) điều chế SVM .............. 102 Hình 4. 7. Cấu trúc hệ thống thực nghiệm CHB – MLI phát hiện và xử lý lỗi . 103 Hình 4. 8. Hệ thống thực nghiệm CHB-MLI phát hiện và xử lý lỗi. ................. 103 Hình 4. 9. Sơ đồ khối thực hiện thuật toán điều chế SVM phát hiện và xử lý lỗi trên FPGA ............................................................................................................... 104 Hình 4. 10. Các tín hiệu fault signal, KHcellx và Vc_cellx của cầu HA3 ............... 105 Hình 4. 11. Các tín hiệu T1, T2, fault signal, KHcellx và Vc_cellx của cầu HA3 trong FPGA a) không có lỗi b) van S1 của cầu HA3 lỗi. ....................................... 105 Hình 4. 12. Điện áp đầu ra nghịch lƣu. .............................................................. 106 Hình 4. 13. Điện áp đầu ra trên tải. .................................................................... 107 Hình 4. 14. Dòng điện qua tải. ........................................................................... 107 Hình 4. 15. CMV. ............................................................................................... 108 Hình 4. 16. Sơ đồ cấu trúc bộ thực nghiệm MPC cho CHB – MLI nối tải RL . 109 Hình 4. 17. Lƣu đồ khối thực thi thuật toán MPC cải tiến trên kit Zybo Z7-20.111 Hình 4. 18. Mô hình thực nghiệm. ..................................................................... 112 Hình 4. 19. Kết quả thực nghiệm: Dòng điện trên ba pha tải. ........................... 112 Hình 4. 20. Kết quả thực nghiệm: Điện áp trên ba pha của nghịch lƣu ............. 112 Hình 4. 21. Kết quả thực nghiệm: Phản ứng của hệ thống khi có sự thay đổi biên độ dòng điện đặt. .................................................................................................... 113 Hình 4. 22. Kết quả thực nghiệm: Điện áp 1 pha khi biên độ dòng đặt là 2A. .. 113 Hình 4. 23. Kết quả thực nghiệm: Điện áp 1 pha khi biên độ dòng đặt là 4A. .. 114 Hình 4. 24. Kết quả thực nghiệm: Điện áp common-mode ............................... 114 Hình 4. 25. Cấu trúc điều khiển MPC cho CHB – MLI nối tải động cơ ........... 115 Hình 4. 26. Hình ảnh bộ thực nghiệm điều khiển MPC với tải IM ................... 116 Hình 4. 27 Sơ đồ khối chức năng thực hiện thuật toán trên FPGA ................... 117 Hình 4. 28. Dòng isq ........................................................................................... 118 Hình 4. 29. Dòng điện isd................................................................................... 118 xiv
Hình 4. 30. Dòng điện iαβ ................................................................................... 119 Hình 4. 31. Đáp ứng tốc độ quay ....................................................................... 120 Hình 4. 32. Dòng iαβ ........................................................................................... 120 Hình 4. 33. Điện áp pha A dạng 11 mức, tốc độ 2400 vòng/phút .................... 120 Hình 4. 34 Điện áp pha A dạng 9 mức, tốc độ 1800 vòng/phút ........................ 121 Hình 4. 35. Xung điều khiển van: a) Khi chƣa có tối ƣu đóng cắt; b) Khi tối ƣu đóng cắt................................................................................................................... 121 Hình 4. 36. Thời gian tính toán của chƣơng trình thuật toán ............................. 122 xv
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, hệ thống truyền động trung áp ngày càng đƣợc sử dụng phổ biến trong công nghiệp và giao thông vận tải. Hệ thống này động cơ thƣờng điều khiển theo phƣơng pháp vector và đƣợc cấp nguồn bởi nghịch lƣu đa mức. Qua cấu trúc điều khiển này, nhận thấy rằng ngoài các bộ điều khiển momen, tốc độ và vị trí thì điều khiển nghịch lƣu đa mức cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lƣợng truyền động điện. Bởi vì bộ nghịch lƣu đa mức giúp cho quá trình sử dụng linh kiện bán dẫn với kích thƣớc nhỏ hơn, dễ dàng trong quá trình thiết kế nhiệt của thiết bị, đƣa ra dạng điện áp đầu ra có độ méo sóng hài (THD) thấp và tốc độ biến thiên điện áp dv/dt thấp [1]. Tuy nhiên nghịch lƣu đa mức yêu cầu khối lƣợng, thời gian tính toán lớn, phức tạp và mất nhiều thời gian xây dựng phần cứng và mềm. Bên cạnh đó, với việc tăng số mức, khả năng lỗi một hoặc nhiều van bán dẫn hoàn toàn có thể xảy ra [2] và chiếm 38% nguyên nhân xảy ra lỗi của nghịch lƣu đa mức [3]. Thông thƣờng thiết bị bảo vệ sẽ tác động để ngắt bộ nghịch lƣu đa mức ra khỏi lƣới điện nếu bị lỗi, dẫn đến động cơ dừng làm việc. Việc dừng đột ngột động cơ trong thực tế đôi khi có thể gây ra sự cố nghiêm trọng, ví dụ nhƣ hiện tƣợng búa nƣớc trong hệ thống bơm cột áp cao. Mặt khác, nếu tiếp tục làm việc trong điều kiện lỗi có thể dẫn đến điện áp đầu ra mất cân bằng gây nguy hiểm cho động cơ nếu chạy liên tục trong một thời gian dài. Do đó, việc thiết kế thuật toán điều chế vector không gian thực hiện một cách thống nhất áp dụng cho nghịch lưu với số mức mong muốn kể cả trong trường hợp lỗi van bán dẫn là rất quan trọng và cần phải giải quyết trong thực tế. Phƣơng pháp điều khiển dự báo (FCS – MPC) cho nghịch lƣu đa mức đang là xu hƣớng nhờ các ƣu điểm: khái niệm trực quan, thiết kế đơn giản, điều khiển đƣợc đa mục tiêu, không phân biệt về điều chế và điều khiển, phù hợp với các đối tƣợng phi tuyến….Do đó MPC cho phép giải quyết triệt để vấn đề còn tồn tại của điều chế vector không gian, nhƣ tối ƣu tần số đóng cắt và triệt tiêu điện áp common mode không thể thực hiện cùng một thời điểm. Đồng thời để tăng độ tin cậy cho những đề xuất giải quyết trên trong việc điều khiển nghịch lƣu đa mức có xét đến trƣờng hợp sự cố van bán dẫn, thì việc đƣa các kết quả nghiên cứu này vào ứng dụng cụ thể nào đó chẳng hạn nhƣ hệ truyền động trung áp, động cơ công suất lớn… là thực sự có ý nghĩa trong nghiên cứu lý thuyết cũng nhƣ thực tiễn. Việc nghiên cứu này sẽ giúp cho các kỹ sƣ thiết kế, vận hành hệ truyền động trung áp động cơ đƣợc cấp nguồn bởi nghịch lƣu đa mức có xét đến trƣờng hợp sự cố trở nên đơn giản hơn. Đặc biệt 1
là xét đến trường hợp điển hình trong điều khiển nghịch lưu đa mức là triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu tần số đóng cắt được thực hiện đồng thời. Đây cũng là hƣớng nghiên cứu của đề tài nhằm mục đích góp phần nâng cao độ tin cậy cho hệ truyền động này. Các kết quả nghiên cứu sẽ đƣợc đƣợc minh chứng bằng mô phỏng offline và thực nghiệm. Đối tượng nghiên cứu Nghịch lƣu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ trung thế. Mục tiêu của đề tài Luận án thực hiện nghiên cứu, lựa chọn cấu trúc nghịch lƣu đa mức và đề xuất phƣơng pháp điều chế, điều khiển cho nghịch lƣu đa mức có xét đến tình huống sự cố van bán dẫn khi cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ với các mục tiêu sau: tổng quát hóa phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến tình huống sự cố van bán dẫn; phát hiện nhanh và chính xác vị trí cầu H bị lỗi để cấu trúc lại hệ thống; ứng dụng phƣơng pháp điều khiển dự báo để giải quyết những vấn đề còn tồn tại trong điều chế vecto không gian như tối ưu tần số đóng cắt và triệt tiêu điện áp common mode không thể thực hiện cùng một thời điểm; kiểm chứng qua ứng dụng cho hệ truyền động trung áp có xét đến trường hợp lỗi van bán dẫn của nghịch lưu đa mức. Phạm vi nghiên cứu - Điều chế SVM cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng với mức điện áp mong muốn có xét đến sự cố van bán dẫn. - Thuật toán phát hiện, xử lý lỗi van bán dẫn cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng. - Phƣơng pháp điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng, có khả năng triệt tiêu điện áp common mode và tối ƣu tần số đóng cắt. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu thực tiễn: Để thấy đƣợc các bộ biến đổi làm việc trong thực tế, NCS và nhóm nghiên cứu đi thực tế tại Công ty nƣớc Sông đà, Nhà máy giấy An Hòa, Nhà máy giấy Bãi bằng. Qua đó, nghiên cứu sinh có cái nhìn rõ hơn về các bộ biến đổi hoạt động trong thực tế: Công suất, kích thƣớc, điều khiển, giám sát…qua đó hình thành ý tƣởng của nghiên cứu. 2
- Nghiên cứu trên lý thuyết: + Tổng hợp, phân tích, đánh giá các cấu trúc, phƣơng pháp điều chế SVM cho nghịch lƣu đa mức. Từ đó lựa chọn đƣợc cấu trúc nghịch lƣu đa mức và đề xuất phƣơng pháp điều chế SVM cải tiến để giải quyết vấn đề nghiên cứu đặt ra. + Nghiên cứu, thiết kế thuật toán phát hiện và xử lý lỗi van bán dẫn. + Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển hiện đại để thiết kế bộ điều khiển có khả năng đồng thời triệt tiêu điện áp common mode và tối ƣu đóng cắt cho nghịch lƣu đa mức. + Thực hiện mô phỏng để có kết quả đánh giá sơ bộ. + Thực hiện kiểm chứng tính đúng đắn lý thuyết bằng thực nghiệm. Ý nghĩa của đề tài: Ý nghĩa khoa học: Kết quả của nghiên cứu này giúp làm đơn giản hóa trong cách triển khai và dễ dàng thực hiện tới mức mong muốn với thuật toán tổng quát hóa điều chế SVM cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng có xét đến lỗi van bán dẫn (SVM cải tiến). Trong trƣờng hợp lỗi van bán dẫn, với thuật toán đề xuất mức giảm của điện áp là nhỏ nhất, chất lƣợng điện áp, dòng điện đƣợc đảm bảo. Bên cạnh đó, luận án đã đề xuất hàm mục tiêu của bộ điều khiển dự báo dòng điện đƣợc bổ sung khả năng triệt tiêu điện áp common mode, tối ƣu tần số chuyển mạch và làm việc đƣợc trong cả trƣờng hợp có lỗi van bán dẫn. Đồng thời, luận án đề xuất thuật toán sử dụng 19 vector điện áp liền kề với các phép tính song song đƣợc thực hiện trên FPGA giúp cho khối lƣợng tính toán giảm xuống, thời gian tính toán là nhỏ nhất của bộ điều khiển dự báo dòng điện. Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu đã đƣợc kiểm chứng thông qua mô hình thực nghiệm chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn. Với đóng góp của luận án giúp cho việc ứng dụng của nghịch lƣu đa mức trong thực tế trở nên đơn giản, an toàn và thỏa mãn nhiều yêu cầu khác nhau về chất lƣợng. Dự kiến kết quả đạt được - Xây dựng thành công thuật toán điều chế SVM tổng quát cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng đƣợc thực hiện một cách đồng nhất, có thể mở rộng đến mức mong muốn kể cả trƣờng hợp có sự cố lỗi van bán dẫn. 3
- Đề xuất bộ điều khiển dự báo dòng điện giải quyết đƣợc vấn đề đồng thời triệt tiêu điện áp common mode và tối ƣu đóng cắt; giảm khối lƣợng tính toán và cải thiện đáp ứng động học cho hệ truyền động bằng thuật toán 19 vector liền kề trong một chu kỳ trích mẫu. - Xây dựng mô hình thực nghiệm nghịch lƣu 11 mức cấu trúc cầu H nối tầng để có thể kiểm nghiệm và đánh giá các kết quả nghiên cứu lý thuyết. Bố cục luận án Toàn bộ quyển luận án đƣợc chia thành bốn chƣơng nội dung và phần kết luận, các nội dung cơ bản nhƣ sau: Chương 1 trình bày tổng quan về cấu trúc của nghịch lƣu đa mức, điều chế cho nghịch lƣu đa mức có xét đến tình huống lỗi van bán dẫn, các phƣơng pháp điều khiển mạch vòng dòng điện trong hệ truyền động không đồng bộ và phƣơng pháp phát hiện lỗi. Qua phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã đƣợc công bố, luận án chỉ ra các vấn đề chƣa đƣợc giải quyết triệt để. Từ đó luận án tập trung nghiên cứu và đƣa ra đề xuất phƣơng hƣớng thực hiện các mục tiêu nghiên cứu của luận án. Chương 2 trình bày phƣơng pháp điều chế SVM tổng quát đƣợc xây dựng một cách thống nhất với nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng đến mức mong muốn trong cả trƣờng hợp lỗi van bán dẫn mà vẫn đảm bảo chất lƣợng điện áp ra với độ sụt giảm của điện áp là nhỏ nhất. Bên cạnh đó, luận án trình bày đề xuất phƣơng pháp phát hiện lỗi và cấu hình lại nghịch lƣu để hệ thống có thể tiếp tục làm việc khi xảy ra lỗi. Đồng thời thuật toán phát hiện và xử lý lỗi sẽ đƣợc kiếm chứng thông qua hệ truyền động không đồng bộ theo nguyên lý FOC. Chương 3 trình bày về ứng dụng điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng có khả năng đồng thời triệt tiêu điện áp common mode và tối ƣu tần số đóng cắt. Tiếp theo luận án đề xuất phƣơng pháp sử dụng 19 vector điện áp liền kề cho hàm mục tiêu và các giải pháp để giảm khối lƣợng, thời gian tính toán của bộ điều khiển. Bên cạnh đó phƣơng pháp điều khiển MPC đƣợc xây dựng trong trƣờng hợp có lỗi của van bán dẫn, để hệ thống có thể tiếp tục làm việc với mức độ sụt giảm điện áp là nhỏ nhất. Chương 4 trình bày các tính toán, thiết kế, quy trình thực nghiệm và các kết quả thu đƣợc. Từ kết quả này sẽ kiểm nghiệm đƣợc tính đúng đắn lý thuyết của thuật toán đề xuất. Phần cuối của luận án là đƣa ra các đóng góp mới và những kiến nghị nghiên cứu trong tƣơng lai. 4
Chương 1. Tổng quan nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng ứng dụng cho hệ truyền động không đồng bộ Trong chƣơng 1 sẽ trình bày tổng quan về cấu trúc, phƣơng pháp điều chế nghịch lƣu đa mức khi làm việc bình thƣờng hoặc khi xảy ra lỗi van bán dẫn. Bên cạnh đó, trong chƣơng 1 liệt kê các phƣơng pháp điều khiển dòng điện stator tuyến tính, phi tuyến và dự báo cho hệ truyền động không đồng bộ theo nguyên lý FOC. Từ đó luận án tập trung nghiên cứu và đƣa ra phƣơng hƣớng thực hiện các mục tiêu nhƣ phát hiện, xử lý lỗi, triệt tiêu đồng thời điện áp common mode và tối ƣu tần số đóng cắt của nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng. 1.1. Nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng Đối với hệ truyền động trung áp, nghịch lƣu đa mức thƣờng đƣợc lựa chọn nhờ các ƣu điểm: dạng sóng đầu ra có độ méo sóng hài (THD) thấp hơn, giảm điện áp đặt lên các linh kiện bán dẫn công suất, tốc độ biến thiên điện áp dv/dt thấp hơn [1], [4]... Nghịch lƣu đa mức có cấu trúc cơ bản: nghịch lƣu dùng điôt chốt điểm trung tính (NPC) [5]; nghịch lƣu dùng hệ thống tụ bay (FC) [6], [7]; cầu H nối tầng (CHB) [8], [9], [10]; bộ biến đổi đa cấp module (MMC) [11]–[13]. Dạng cấu trúc của nghịch lƣu đa mức thể hiện nhƣ Hình 1. 1, so sánh thiết bị nhƣ Bảng 1. 1. Trong các cấu trúc của nghịch lƣu đa mức, cấu trúc nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng (CHB) có tính module hóa cao, linh hoạt trong sửa chữa và thay thế thiết bị do đó giảm chi phí trong sản xuất và vận hành, không cần thêm các phần tử phụ trợ nhƣ đi ốt, tụ điện, độ tin cậy cao [2], [14]. Với cấu trúc module hóa, CHB có thể tạo ra số mức điện áp rất lớn. Với lợi thế này, có thể xây dựng đƣợc các BBĐ CHB làm việc ở cấp điện áp từ trung thế (MV – từ trên 1 kV đến 60 kV), đến mức cao thế (HV – 110 kV đến 220 kV). Do đó, CHB - MLI đƣợc sử dụng rộng rãi hơn trong công nghiệp cho các ứng dụng khác nhau. Trong đó, nghịch lƣu đa mức đặc biệt phù hợp với ứng dụng nhƣ: - Nối lưới: Đối với hệ thống năng lƣợng điện mặt trời nối lƣới, thông thƣờng gồm nhiều tấm pin năng lƣợng điện mặt trời riêng lẻ và chiếm một khu vực có diện tích lớn nhƣ Hình 1. 2. Do cƣờng độ bức xạ mặt trời có thể không đều do mây che khuất, vật cản…sẽ làm công suất trên các tấm pin không đều. Để nâng cao hiệu suất, thông thƣờng sẽ chia nhỏ thành các nhóm PV để điều khiển sẽ tạo ra công suất là cân bằng và cao nhất có thể. Cấu trúc bộ biến đổi CHB với đặc thù đƣợc cấp bởi các nguồn DC cách ly riêng lẻ. Do đó, Cấu trúc bộ biến đổi CHB đặc biệt phù hợp với ứng dụng năng lƣợng điện mặt trời nối lƣới [15]–[17]. 5