Luận văn:Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậcNghiên cứu phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khoa công suất

Chia sẻ: Nguyen Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

207
lượt xem 63
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuy ển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Nếu đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp thì bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp, ngược lại gọi là bộ nghịch lưu dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn áp, và nguồn một chiều cung cấp cho bộ...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn:Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậcNghiên cứu phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khoa công suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- LƯƠNG TRẦN NGHĨA H NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU C KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM TE SỐ KHÓA CÔNG SUẤT U LUẬN VĂN THẠC SĨ H Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số ngành: 60 52 50 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2012
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG Cán bộ chấm nhận xét 1 :... Cán bộ chấm nhận xét 2 :... H Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM ngày . . tháng . . . năm . . . C Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) TE 1. .. 2. .. 3. .. U 4. .. 5. .. H Xác nh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Khoa quản lý chuyên ngành
TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 2012 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LƯƠNG TRẦN NGHĨA Giới tính: Nam Ngày, tháng năm sinh: 24 / 09 / 1986 Nơi sinh: CÀ MAU Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV: 1081031018 I- TÊN ĐỀ TÀI: H NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHÓA CÔNG SUẤT C II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: TE 1. Giới thiệu nghịch lưu đa bậc và ứng dụng 2. Trình bày cấu trúc nghịch lưu đa bậc giảm số khóa công suất và phương pháp điều khiển 3. Mô phỏng bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa công suất bằng U matlab/simulink H 4. Đánh giá và kết luận III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/09/2011 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/03/2012. V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công H trình nào khác. C Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. TE Học viên thực hiện luận văn U H Lương Trần Nghĩa
LỜI CẢM ƠN Xin gởi lời cám ơn chân thành nhất đến PGS.TS Phan Quốc Dũng đã nhiệt tình hướng dẫn tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Xin chân thành gửi lời cám ơn đến toàn thể quý thầy cô trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt cho tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Xin cám ơn các anh chị em lớp 10SMĐ ngành Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy H Điện đã chia sẻ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập vừa qua. Cuối cùng, nhưng quan trọng nhất, xin gửi lời cám ơn đến các thành viên C trong gia đình cùng bạn bè đã động viên, khích lệ, hỗ trợ cách này hay cách TE khác cho công việc học tập của tôi. Xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện U H Lương Trần Nghĩa
i TÓM TẮT ĐỀ TÀI Để khắc phục những nhược điểm của phương pháp SHE, hai bài báo [15] & [16] đã đưa ra một phương pháp đơn giản trực tiếp xác định góc kích, bằng hai cách khác nhau, áp dụng tính góc kích cho bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascaded. Hai phương pháp này làm giảm số lượng tính toán cần thiết, không giải các phương trình phi tuyến, chỉ tính toán một số hàm lượng giác. Trong luận văn này, chỉ tập trung phâp tích, cải tiến hai phương pháp trong [15] &[16] để áp dụng tính góc kích cho bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa công suất trong [3]. H Bài báo [3] đã giới thiệu một cấu trúc mới về bộ nghịch lưu đa bậc đó là cấu trúc giảm số khóa công suất hơn so với cấu trúc truyền thống cùng số bậc điều chế, C bài báo này chỉ xây dựng bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa mà không đề cập đến TE phương pháp điều khiển nên Luận văn đề xuất một phương pháp điều khiển mới (rút ra từ [15] & [16]) cho bộ nghịch lưu này. Nó được kiểm chứng bằng mô phỏng trong matlab/simulink. Tuy nhiên còn một số hạn chế, chỉ giảm số khóa hơn cấu trúc truyền thống khi số bậc lớn hơn 7, số bậc điều chế được phụ thuộc vào số khóa U trên mỗi unit và số unit trong một bộ. H
ii ABSTRACT To overcome the disadvantages of the SHE method, two papers [15] & [16] gave a simple method directly determines conducting angle, for two different ways to apply determines conducting angle in inverters cascaded. These methods reduce the amount of computation required, not solving nonlinear equations, calculating only some trigonometric functions. In this analysis focused measures, improvements in the two methods [15] & [16] to apply determines conducting angle for multi-level inverter With Reduced Number of Switches [3]. H The paper [3] has introduced a new structure of multi-level inverters are key structures reduce capacity than traditional structure with some degree of C modulation, this paper only inverter multi-building reduce the number of key steps that do not mention the method should control thesis proposes a new control TE methods (drawn from [15] & [16]) for this inverter. It is verified by simulation in matlab / simulink. But there are some limitations, only reduce the number of courses than the traditional structure of rank greater than 7 degrees of modulation U depends on the number keys on each unit and the unit in a set. H
iii MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỀ TÀI..................................................................................................... i ABSTRACT................................................................................................................ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH.......................................................................................viii MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 Chương 1: TỔNG QUAN .........................................................…………….............3 H 1.1 Giới thiệu sơ lược về bộ nghịch lưu đa bậc .........................................................3 1.2 Một số cấu trúc phổ biến của bộ nghịch lưu đa bậc..............................................4 C 1.2.1 Bộ nghịch lưu đa bậc dạng diode kèm (Diode-clamped multilevel TE converters)...................................................................................................................4 1.2.2 Bộ nghịch lưu đa bậc dạng tụ kèm (Flying capacitor multilevel converters)...................................................................................................................6 U 1.2.3 Bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascaded (cascaded multilevel converters)...................................................................................................................7 H 1.3 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc..............................................9 1.3.1 Phương pháp sóng mang (multilevel carrier-based PWM)................................9 1.3.2 Phương pháp vector không gian (multilevel space vector PWM)...................12 1.3.3 Phương pháp khử sóng hài chọn lọc (Selective Harmonic elimination)..........14 1.4 Một số ứng dụng của bộ nghịch lưu đa bậc trong thực tế...................................16 Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN................................................................19 2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa......................................................19
iv 2.1.1 Cấu trúc cơ bản ghép các khóa........................................................................19 2.1.2 So sánh cấu trúc giảm số khóa với cấu trúc khác............................................22 2.1.3 Một số cấu trúc tối ưu......................................................................................27 2.1.4 Cấu trúc tối ưu cho giảm số khóa và kết luận..................................................31 2.2 Phương pháp điều khiển.....................................................................................32 2.2.1 Phương pháp on-line xác định góc kích cho multilevel cascaded inverter......................................................................................................................32 2.2.2 Phương pháp Kang [16]...................................................................................45 H 2.2.3 Phương pháp cải tiến cho bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa........................54 2.2.3.1 Phương pháp on-line cải tiến cho bộ nghịch lưu giảm số khóa....................54 C 2.2.3.2 Phương pháp Kang cải tiến cho bộ nghịch lưu giảm số khóa.......................57 TE 2.2.4 So sánh phương pháp online và phương pháp Kang điều kiển cho bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa............................................................................................60 Chương 3: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHÓA CÔNG U SUẤT BẰNG MATLAB/SIMULINK……………………………………………69 A - XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB/SIMULINK...........69 H B - CHẠY MÔ HÌNH MÔ PHỎNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ONLINE CẢI TIẾN..................................................................................................................75 3.1 Mô phỏng bộ nghịch lưu đa bậc giảm khóa công suất........................................75 3.2 Khảo sát và đánh giá kết quả mô phỏng.............................................................83 Chương 4: KẾT LUẬN.......................................................................................85 Kết quả đạt được và hướng phát triển Tài liệu tham khảo………………………………………………………………….88
v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PMW (pulse width modulation): điều chế độ rộng xung SPWM (sinusoidal pulse width modulation): điều chế độ rộng xung dạng sóng sin THPWM (third harmonic injection pulse width modulation): điều chế độ rộng xung têm hài bậc ba SVM (space vector pulse width modulation): điều chế độ rộng xung bằng véc tơ không gian SH-PWM (subharmonic pulse width modulation): điều chế độ rộng xung với hài bội 3 H SFO-PWM (switching frequency optimal pulse width modulation): điều chế độ rộng xung với tần số đóng cắt tối ưu C SHE (Selective harmonic elimination): khử sóng hài chọn lọc TE SDCS: (source dc shares): điện áp nguồn độc lập BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IEGT, IGCT, SCR: ký hiệu tên các linh kiện điện tử công suất U Nstep: số bậc của sóng điện áp ra H Nswitch: số khóa công suất trong bộ nghịch lưu : số nguồn dc trong bộ nghịch lưu : điện áp đỉnh của các khóa THD%: tổng số độ méo dạng sóng hài vref : điệp áp tham chiếu : góc điều khiển các khóa công suất Vdc : điện áp nguồn dc M: tỷ số điều biên
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 bảng trạng thái đóng cắt các khóa công suất...............................................5 Bảng 2.1: Bảng trạng thái đóng cắt các khóa............................................................21 Bảng 2.2: So sánh cấu trúc giảm số khóa [3] với cấu trúc cascaded........................26 Bảng 2.3: Xác định các góc kích cho 11-level biến tần cascaded.............................36 Bảng 2.4: tối ưu giá trị của hệ số d cho khoảng 0.64 ≤ M ≤ 1..................................39 Bảng 2.5 Các góc kích được tính bằng phương pháp online cho 11-level, nguồn dc cân bằng....................................................................................................................40 H Bảng 2.6 Các góc kích được tính bằng phương pháp online cho 13-level, nguồn dc cân bằng....................................................................................................................42 C Bảng 2.7 Các góc kích được tính bằng phương pháp online cho 15-level, nguồn dc cân bằng....................................................................................................................43 TE Bảng 2.8 Các góc kích được tính bằng phương pháp online cho 11-level, nguồn dc không cân bằng.........................................................................................................44 U Bảng 2.9 Số lượng góc kích theo tỷ số điều biên......................................................50 Bảng 2.10 Liệt kê các góc kích theo các tỷ số điều biên Mi trong một inverter 11- H level................................................................................................................................50 Bảng 2.11: Kết quả tính góc kích, theo phương pháp online....................................56 Bảng 2.12: Kết quả tính góc kích, theo phương pháp Kang.....................................59 Bảng 2.13 So sánh THD% giửa phương pháp online và phương pháp Kang cho bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa, không xét đến hài bội 3........................................60 Bảng 2.14 So sánh THD% giửa phương pháp online và phương pháp Kang cho bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa, có xét đến hài bội 3..............................................65 Bảng 3.1: Bảng đóng cắt IGBT cho bộ nghịch lưu 11-level.....................................75
vii Bảng 3.2: Kết quả tính góc kích, fundamental harmornic........................................76 Bảng 3.3: Bảng đóng cắt IGBT cho bộ nghịch lưu 15-level.....................................77 Bảng 3.4: Kết quả tính góc kích, fundamental harmornic........................................78 Bảng 3.5: Bảng đóng cắt IGBT cho bộ nghịch lưu 17-level.....................................79 Bảng 3.6: Kết quả tính góc kích, fundamental harmornic........................................80 Bảng 3.7: Bảng đóng cắt IGBT cho bộ nghịch lưu 31-level.....................................81 Bảng 3.8: Kết quả tính góc kích, fundamental harmornic........................................81 Bảng 3.9: Bảng đóng cắt IGBT cho bộ nghịch lưu 31-level.....................................83 H Bảng 3.10: Kết quả tính góc kích, fundamental harmornic......................................83 C TE U H
viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc của một bộ nghịch lưu dạng diode kèm.......................................4 Hình 1.2: Cấu trúc của một bộ nghịch lưu dạng tụ kèm.............................................6 Hình 1.3: Cấu trúc một pha của bộ nghịch lưu dạng cascaded...................................8 Hình 1.4: Phân loại các phương pháp điều chế PWM của bộ nghịch lưu đa bậc.......9 Hình 1.5: Mô phỏng tính hiệu điều chế và sóng điện áp pha ngỏ ra sử dụng 5 nguồn dc độc lập (60V), cho bộ nghịch lưu đa bậc cascaded với ba kỹ thuật chính (a) H SPWM, (b) THPWM, (c) SVM................................................................................10 Hình 1.6: Dạng điều chế và dạng sóng ngõ ra với các thông số (m = 6, mf = 21, ma = C 0.8)............................................................................................................................12 TE Hình 1.7: Hình lục giác trong phương pháp SVPWM..............................................12 Hình 1.8: không gian vector điện áp cho bộ nghịch lưu sáu bậc..............................13 Hình 1.9: Bộ ghép kênh mô hình của bộ nghịch lưu diode kẹp sáu bậc...................14 U Hình 1.10: Dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascaded 11 bậc...............16 H Hình1.11: Ứng dụng bộ nghịch lưu trong điều khiển động cơ.................................17 Hình 1.12: Ứng dụng bộ nghịch lưu trong lò cảm ứng trung tần..............................17 Hình 1.13: Ứng dụng bộ nghịch lưu trong hệ thống năng lượng tái tạo...................18 Hình 2.1: Một vài phương pháp bố trí khóa hai chiều..............................................19 Hinh 2.2 (a) cấu trúc cơ bản cho submultilevel converter, (b) kiểu sóng điện áp ngõ ra của V0 ...................................................................................................................20 Hình 2.3: Cấu trúc mở rộng của cấu trúc đơn vị.......................................................20 Hình 2.4: Các units được kết nối thành series...........................................................22 Hình 2.5: (a) cấu trúc cơ bản, (b) dạng sóng điện áp ngõ ra.....................................22
ix Hình 2.6: (a) Mở rộng cấu trúc cơ bản, (b) kết nối k lần cấu trúc cơ bản.................23 Hình 2.7: So sánh Nstep/NIGBT giữa cấu trúc giảm số khóa với cấu trúc trong [13] & [14]............................................................................................................................24 Hình 2.8: So sánh số IGBT cần cho điều chế Nstep điện áp ra V0 giữa cấu trúc giảm số khóa với cấu trúc trong [13] & [14].....................................................................24 Hình 2.9: Chuẩn điện áp trên các khóa hai chiều để điều chế Nstep điện áp ra V0 giữa cấu trúc giảm số khóa với cấu trúc trong [13] & [14]...............................................25 Hình 2.10: Bộ nghịch lưu cascaded (11-level)..........................................................25 Hình 2.11: Bộ nghịch lưu giảm số khóa (a) 11-level, (b) 15-level..........................26 H Hình 2.12: Biến thiên so với n.........................................................................27 C Hình 2.13: Biến thiên ( ) so với n...................................................................28 TE Hình 2.14: Biến thiên n/ln(n) so với n......................................................................29 Hình 2.15: Biến thiên P/(n - 1) so với n....................................................................31 Hình 2.16: Cấu trúc tối ưu cho giảm số khóa...........................................................31 U Hình 2.17: Phương pháp tiếp cận trực tiếp xác định góc kích..................................34 H Hình 2.18: a) hệ số THD với k số bước xung cho 11-level và b) hệ số THD tối ưu...............................................................................................................................36 Hình 2.19: Dạng sóng điện áp đầu ra và phân tích phổ cho M = 0.5, biến tần 11- level với nguồn dc cân bằng......................................................................................41 Hình 2.20: Dạng sóng điện áp đầu ra và phân tích quang phổ cho M = 0.9 (overmodulation), biến tần 11-level với nguồn dc cân bằng....................................42 Hình 2.21: Dạng sóng điện áp đầu ra và phân tích phổ cho M = 0.64 M,biến tần 13- level với nguồn dc cân bằng......................................................................................43
x Hình 2.22: Dạng sóng điện áp đầu ra và phân tích phổ cho M = 0.64 M, biến tần 15- level với nguồn dc cân bằng......................................................................................44 Hình 2.23: Dạng sóng điện áp đầu ra và phân tích phổ cho M = 0.5,biến tần 11-level với các nguồn dc không cân bằng.............................................................................45 Hình 2.24: Dạng sóng điện áp tham chiếu và tổng hợp sóng bước xung (step pulse wave) trong một biến tần cascaded...........................................................................46 Hình 2.25: Điện áp tham chiếu và góc kích ảo trong trường hợp của Mi= /4........47 Hình 2.26: Điện áp ra của inverter cascaded 11-level trong thời gian nửa chu kỳ dương, trong trường hợp của Mi= /4......................................................................48 H Hình 2.27: Dạng sóng áp ra và FFT, trong trường hợp Mi = 0.8..............................51 Hình 2.28: Dạng sóng áp ra và FFT, trong trường hợp Mi = 0.5..............................52 C Hình 2.29: Dạng sóng áp ra và FFT, trong trường hợp Mi = 0.4..............................53 TE Hình 2.30: Dạng sóng áp ra và FFT, trong trường hợp Mi = 0.64............................57 Hình 2.31: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.8 (11-level), THD=3.477%............................................................................................................59 U Hình 2.32: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.4 (11-level), H THD=9.55% không tín đến hài bội 3, PP online......................................................61 Hình 2.33: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.4 (11-level), THD=14.20% không tín đến hài bội 3, PP Kang......................................................61 Hình 2.34: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.5 (11-level), THD=6.01% không tín đến hài bội 3, PP online......................................................62 Hình 2.35: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.5 (11-level), THD=11.92% không tín đến hài bội 3, PP Kang......................................................62 Hình 2.36: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.6 (11-level), THD=9.82% không tín đến hài bội 3, PP online......................................................62
xi Hình 2.37: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.6 (11-level), THD=8.20% không tín đến hài bội 3, PP Kang........................................................62 Hình 2.38: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.7 (11-level), THD=11.63% không tín đến hài bội 3, PP online....................................................63 Hình 2.39: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.7 (11-level), THD=6.39% không tín đến hài bội 3, PP Kang........................................................63 Hình 2.40: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.8 (11-level), THD=14.82% không tín đến hài bội 3, PP online....................................................64 Hình 2.41: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.8 (11-level), H THD=3.47% không tín đến hài bội 3, PP Kang........................................................64 Hình 2.42: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.4 (11-level), C THD=48.38% có tính đến hài bội 3, PP online.........................................................65 TE Hình 2.43: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.4 (11-level), THD=18.28% có tính đến hài bội 3, PP Kang..........................................................65 Hình 2.44: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.5 (11-level), U THD=46.38% có tính đến hài bội 3, PP online.........................................................66 Hình 2.45: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.5 (11-level), H THD=13.16% có tính đến hài bội 3, PP Kang..........................................................66 Hình 2.46: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.6 (11-level), THD=24.05% có tính đến hài bội 3, PP online.........................................................67 Hình 2.47: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.6 (11-level), THD=9.42% có tính đến hài bội 3, PP Kang............................................................67 Hình 2.48: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.7 (11-level), THD=15.06% có tính đến hài bội 3, PP online.........................................................67 Hình 2.49: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.7 (11-level), THD=8.27% có tính đến hài bội 3, PP Kang............................................................67
xii Hình 2.50: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.8 (11-level), THD=18.84% có tính đến hài bội 3, PP online.........................................................68 Hình 2.51: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.8 (11-level), THD=4.571% có tính đến hài bội 3, PP Kang..........................................................68 Hình 3.1: Mô hình mô phỏng cho 11-level sóng điện áp ra......................................70 Hình 3.2: Mô hình mô phỏng cho 15-level sóng điện áp ra......................................71 Hình 3.3: Mô hình mô phỏng cho 17-level sóng điện áp ra......................................72 Hình 3.4: Mô hình mô phỏng cho 31-level sóng điện áp ra......................................73 Hình 3.5: Mô hình mô phỏng cho 53-level sóng điện áp ra......................................74 H Hình 3.6: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.64, PP online, 11- C level...........................................................................................................................76 Hình 3.7: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.64, PP online, 15- TE level...........................................................................................................................78 Hình 3.8: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.64, PP online, 17- level...........................................................................................................................80 U Hình 3.9: Mô phỏng bộ nghịch lưu 21 bậc, THD = 10.01% có xét đến hài bội ba...........81 H Hình 3.10: Mô phỏng bộ nghịch lưu 23 bậc, THD = 9.953% có xét đến hài bội ba.........81 Hình 3.11: Mô phỏng bộ nghịch lưu 25 bậc, THD = 9.633% có xét đến hài bội ba..........82 Hình 3.12: Mô phỏng bộ nghịch lưu 41 bậc, THD = 8.927% có xét đến hài bội ba..........82 Hình 3.13: Mô phỏng bộ nghịch lưu 43 bậc, THD = 8.349% có xét đến hài bội ba..........83
NGHIÊN C ỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHÓA CÔNG SUẤT RESEARCH METHODS CONTROL OF MULTILEVEL CONVERTER REDUCTION NUMBER OF SWITCHS LƯƠNG TRẦN NGHĨA(1), PHAN QUỐC DŨNG(2) (1) E-mail: luongtrannghia_cm@yahoo.com.vn; pqdung@hcmut.edu.vn Khoa Cơ – Điện – Điện Tử, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP. HCM, Việt Nam (2) Khoa Điện-Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, Việt Nam 268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10 TÓM TẮT Để tính được những góc kích các khóa công suất thì các phương pháp thông thường dùng phương pháp lập Newton-Raphson để giải các phương trình phi tuyến trong chuỗi Fourier. Nhược điểm của H phương pháp này là việc giải các phương trình phi tuyến mất nhiều thời gian và khó thực hiện đối với số bậc lớn [6]. Để khắc phục những nhược điểm này, trong [4] đã đưa ra một phương pháp đơn giản trực tiếp xác định góc kích, áp dụng tính góc kích cho bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascaded truyền C thống. Phương pháp này làm giảm số lượng tính toán cần thiết, không giải các phương trình phi tuyến, chỉ tính toán một số hàm lượng giác. Đề tài đề xuất một phương pháp điều khiển mới (rút ra từ [4]) cho bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa công suất . Được kiểm chứng bằng mô phỏng trong TE matlab/simulink. Tuy nhiên còn một số hạn chế, chỉ giảm số khóa hơn cấu trúc truyền thống khi số bậc lớn hơn 7, không điều chế ra số bậc bất kỳ, số bậc điều chế được phụ thuộc vào số khóa trên mỗi unit và số unit trong một bộ. ABSTRACT U For calculation of conducting angles for the switches power follow the conventional method using Newton-Raphson method of preparation for solving nonlinear equations in the Fourier series. The H drawback of this method is the solution of nonlinear equations take a long time and difficult to implement for a large number of levels [6]. Order to overcome this drawback, in [4] gave a simple method directly determines conducting angles, apply the conducting angles for multi-level converters cascaded traditional format. This method reduces the number of calculations required, not solving nonlinear equations, calculating only some trigonometric functions. Threads proposed a new control methods (drawn from [4]) for multi-level converter reduced number of switches. . It is verified by simulation in matlab/simulink. But there are some limitations, only reduce the number of courses than traditional structure when larger than levels of 7, modulation is not out of any level, levels of modulation depends on the number switches on each unit and the unit in a converter. 1. GIỚI THIỆU một ứng dụng quan trọng và rất phổ biến vì giá thành rẽ, đa dạng về công suất, điều quan trọng Ngày nay sự phát triển công nghiệp trong là nó được điều khiển một cách linh hoạt, đáp nước cũng như trên thế giới đã đạt được những ứng từ yêu cầu thấp đến cao nhờ bộ biến tần. thành tựu to lớn, trong sự phát triển đó đòi hỏi Bộ nghịch lưu là một phần của bộ biến tần. công nghệ phải đi trước, để tạo điều kiện thuận Ngoài ra trên thế giới đang đẩy mạnh phát lợi cho việc ứng dụng nó vào nghành công triển nguồn năng lượng mới (năng lượng tái nghiệp. Động cơ không đồng bộ (induction) là tạo) để sản xuất ra điện năng. Để thay thế cho
nguồn năng lượng truyền thống sắp cạn kiệt và ô nhiễm môi trường như (dầu, than, khí đốt…), bằng các nguồn năng lượng mới như: năng lượng mặt trời, gió, sóng biển... Trong đó bộ nghịch lưu là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong việc nối lưới cho các hệ thống này. Vì thế, việc nghiên cứu để phát triển, nâng cao hiệu quả và giảm giá thành của bộ nghịch lưu Hình 1: Một vài phương pháp bố trí khóa hai đa bậc là góp phần vào sự phát triển chung cho chiều nền công nghiệp và nghành năng lượng tái tạo • Trong hình 1 (a) đi ều khiển dễ dàng, hiện nay. Nghịch lưu đa bậc được chấp nhận nhưng trạng thái ON bị sụt áp cao, nó để thay thế nghịch lưu áp hai bậc cho ứng dụng bằng tổng điện áp sụt trên hai điốt và một công suất lớn và điện áp cao. Với cấu tạo đa IGBT. bậc, điện áp ngõ ra được tăng lên tổn hao • Trong hình 1 (b) làm giảm sự sụt áp ở chuyển mạch linh kiện giảm và họa tần ngõ ra trạng thái ON, nhưng cần hai IGBT. Một được cải thiện đáng kể. Bài viết này giới thiệu bất lợi là mỗi IGBT cần có một cổng điều một phương pháp điều khiển mới cho cấu trúc khiển độc lập dẫn đến, hệ thống phức tạp nghịch lưu đa bậc giảm số khóa công suất [3], và giá thành đắt. với cách tiếp cận trực tiếp để xác định góc • Trong hình 1 (c) là một cách nối ghép phổ biến, có tổn thất truyền dẫn giống với cấu H kích, điều khiển trạng thái đóng cắt các khóa công suất trong bộ nghịch lưu giảm số khóa. trúc trong hình 1 (b). Ưu điểm của cấu Đặc điểm của cấu trúc này là cấu tạo đơn giản, trúc này so với các cấu trúc trước đó là có cấu trúc dạng cell liên kết với nhau, tránh mỗi khóa hai chiều chỉ cần có một mạch được vấn đề cân bằng áp tụ, tuy nhiên cần C điều khiển cổng kích [3]. nhiều nguồn dc độc lập và khi muốn tăng số Cấu trúc cơ bản trong hình 2 gồm một bậc điện áp ngõ ra thì số lượng linh kiện tăng điện áp dc (điện áp dc bằng V dc ) với hai khóa TE lên. Với cấu tạo cần nhiều nguồn dc độc lập chuyển mạch hai chiều S 1 và S 2 trong hình (a) như thế, tính thực tiễn của luận văn là dùng bộ và dạng sóng điển hình V 0 được thể hiện trong nghịch lưu này để nối lưới cho hệ thống năng hình (b). Rõ ràng hai khóa S 1 và S 2 không thể lượng mặt trời. Đề tài tập chung nghiên cứu ba ON cùng lúc, vì xảy ra ngắn mạch nguồn dc. nội dung chính: Thứ nhất tìm hiểu tổng quan Đáng chú ý là nó tạo ra được hai giá trị điện áp về cấu trúc và phương pháp đi ều khiển bộ ở ngõ ra V 0 . U nghịch lưu đa bậc đã được ứng dụng nhiều trong thực tiễn, thứ hai là phân tích, nghiên cứu về bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa H cồng suất, thứ ba là nghiên cứu 2 phương pháp điều khiển trong [4] & [5] để ứng dụng cho bộ nghịch lưu giảm số khóa công suất. 2. NỘI DUNG 2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa trong [3] Mỗi một unit thì cần có khóa đóng cắt hai chiều để tổng hợp dòng điện và điện áp cả hai hướng, trong hình 1 là cách nối ghép cơ bản để phối hợp tạo ra một khóa hai chiều, điều khiển Hình 2: (a) cấu trúc cơ bản cho bộ nghịch lưu điện áp và dòng điện. Để đơn giản hóa các đa bậc giảm số khóa chương trình điều khiển đóng ngắt , nó có (b) kiểu sóng điện áp ngõ ra của V 0 những ưu điểm và nhược điểm của mỗi cách [3] ghép nối. Từ cấu trúc đơn vị ở hình 2 (a) được kết nối thành unit ở hình 3. Trong bảng 1 trình bày
giá trị điện áp V 0 tương ứng với các trạng thái đóng cắt của các khóa S 1 , S 2 , … ,S n , có thể thấy n giá trị khác nhau đạt được cho V 0 . Hình 4: Các units được kết nối thành series Hình 3: Cấu trúc mở rộng của cấu trúc đơn vị [3] cấu trúc tối ưu cho minimmum số khóa với số bậc điện áp không đổi Bảng 1: Bảng trạng thái đóng cắt các khóa: Cấu trúc cải tiến bao gồm k lần unit liên Switch states kết với nhau, mỗi unit có n i khóa (i = 1, 2, …, State v0 k) do đó: S1 S2 S 3 … S n-1 S n H 1 1 0 0 … 0 0 0 2 0 1 0 … 0 0 V dc,1 Trong trường hợp này, ta có maximum số 3 0 0 1 … 0 0 V dc,1 C bậc điện áp từ phương trình (1), xét công thức (1) và (4) để đạt được tối đa số bậc điện áp khi +V dc,2 số switch không đổi. TE … … … … … … … … n-1 0 0 0 … 1 0 Từ (4) và (5) ta có: U n 0 0 0 … 0 1 Maximum số voltage steps sẽ là: H Cấu trúc unit trên hình 3 được kết nối với nhau thành một chuỗi liên kết như hình 4 nhằm tăng giá trị cho điện áp V 0 . Hình 4 có k ần l unit với n k khóa đóng cắt, nhưng chỉ duy nhất Từ (6), (7) ta có: một khóa trên mỗi unit được on trong mỗi trạng thái đóng cắt khi bộ nghịch lưu hoạt động. Ở đây số bậc và điện áp maximum ngõ ra được tính như sao: Nó có thể được chứng minh rằng số lượng tối đa các voltage steps có thể đạt được với các switch bằng nhau. Vì vậy, nếu số lượng các thiết bị chuyển mạch trong mỗi đơn vị mở rộng được giả định bằng n, sau đó xem xét phương Cấu trúc trong hình 4, để điều chế ra điện trình (8), tổng số các thiết bị chuyển mạch áp V 0 thì cần tính điện áp dc vào cho từng unit ( ) có thể đạt được như sau: theo công thức sau: