Mô hình bộ biến đổi DC/DC tăng áp sử dụng cấu hình MMC - Boost Converter

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Mô hình bộ biến đổi DC/DC tăng áp sử dụng cấu hình MMC - Boost Converter trình bày ứng dụng của MMC-Boost Converter biến đổi điện áp DC/DC. Quá trình chuyển đổi năng lượng được thực hiện nhờ phương pháp điều chế PWM với mục đích tạo ra các tín hiệu điều khiển đóng cắt van IGBT trên các SM với tần số phù hợp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Mô hình bộ biến đổi DC/DC tăng áp sử dụng cấu hình MMC - Boost Converter

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2023. ISBN: 978-604-82-7522-8 MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TĂNG ÁP SỬ DỤNG CẤU HÌNH MMC - BOOST CONVERTER Trần Hùng Cường Trường Đại học Thủy lợi, email: Cuongth@tlu.edu.vn 1. GIỚI THIỆU CHUNG có N các SM, nhánh dưới có M các SM nối tiếp nhau. Điện áp đầu ra điện áp đầu ra của Bộ biến đổi (BBĐ) DC/DC có nhiều ứng BBĐ xấp xỉ bằng tổng điện áp của các SM dụng trong công nghiệp và các thiết bị điện tử được chèn vào (bật ON) trong 1 chu kỳ. [1]. Tuy nhiên, để biến đổi ở mức điện áp cao Cuộn cảm L được sử dụng để duy trì đầu vào thì các BBĐ DC/DC thông thường còn nhiều điện áp nguồn, cuộn cảm LS được mắc nối nhược điểm như: các linh kiện điện tử phải có tiếp với các SM nhánh trên để giảm sự thay kích thước lớn để chịu được dòng điện và điện đổi điện áp tổng ở nhánh trên khi mạch hoạt áp cao và thường gây ra tổn hao trong BBĐ. động luân phiên ở chế độ 1 và 2 và tạo ra sự BBĐ DC-DC cải tiến sử dụng cấu hình đa mức chênh lệch điện áp giữa các nhánh và điện áp MMC (MMC-Boost Converter) có thể khắc đầu ra. Trong mô hình này, sử dụng cấu trúc phục các nhược điểm của BBĐ DC/DC thông BBĐ đổi có N = 4 và M = 2. thường và được ứng dụng nhiều trong các hệ thống PV, UPS…[2]. MMC-Boost Converter iN LS có khả năng cho hệ số biến đổi gấp N lần và có vC1 C tần số hoạt động của mạch thấp hơn nhiều lần + C so với BBĐ Boost Converter thông thường, LS vC2 BBĐ này có tính modun hóa cao và cách thức SM1 C điều khiển linh hoạt. Ngoài ra, do đặc điểm cấu L SM2 tạo nên BBĐ sẽ có hiện tượng chuyển mạch SMN+1 CH vH vC3 C mềm (soft-switching), điều này sẽ nâng cao tần vL CH vH số làm việc sẽ giúp giảm kích thước và khối SMN+M vC4 C lượng của các linh kiện, cải thiện chất lượng + iL L C đầu ra. Tuy nhiên, BBĐ này cũng tồn tại một vC5 iM C số nhược điểm như, số lượng Sub-Module (SM) lớn dẫn đến phải cân bằng điện áp trên tụ vL vC6 của các SM. Bài báo này trình bày ứng dụng a) b) C của MMC-Boost Converter biến đổi điện áp DC/DC. Quá trình chuyển đổi năng lượng Hình 1. Cấu trúc của MMC-Boost Converter được thực hiện nhờ phương pháp điều chế PWM với mục đích tạo ra các tín hiệu điều 3. HOẠT ĐỘNG CỦA MMC-BOOST khiển đóng cắt van IGBT trên các SM với tần CONVERTER số phù hợp. Cấu hình và nguyên lý hoạt động của BBĐ được chứng minh bằng việc mô Trong quá trình hoạt động, bộ điều khiển phỏng trên phần mềm Matlab/ Simulink. luôn được thiết kế sao cho luôn đảm bảo có ít nhất 3 SM nhánh trên được bật (ON) trong 2. CẤU TRÚC CỦA MMC-BOOST một chu kỳ làm việc. Khi một SM ở nhánh CONVERTER trên được tắt (OFF) thì sẽ có một SM ở nhánh Hình 1 trình bày cấu trúc MMC-Boost dưới được bật (ON), vì vậy trong mọi chế độ converter. Sơ đồ BBĐ có 2 nhánh, nhánh trên chỉ có số lượng 4 các SM được nối tiếp với 292
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2023. ISBN: 978-604-82-7522-8 nhau. Giả sử điện áp tụ điện trên các SM là vH  vC1  vC 3  vC 4  vC 6 (2) không đổi, giản đồ xung điện áp trên mỗi SM vH  vC1  vC 2  vC 4  vC 5 (3) và tổng điện áp trên mỗi nhánh như hình 2. vH  vC1  vC 2  vC 3  vC 6 (4) Ts vH  vC 2  vC 3  vC 4  vC 5 (5) vC1 0 v1 t Từ (1) và (5) ta có: vC1  vC 5 (6) vC2 Từ (3) và (5) ta có: vC1  vC 3 (7) v2 0 t vC3 v3 Từ (6) và (7) ta có: vC1  vC 3  vC 5 (8) 0 t vC4 Tương tự ta cũng có: v4 0 t vC 2  vC 4  vC 6 (9) vC5 v5 0 t Từ kết quả của (8) và (9), kết luận rằng vC6 v6 điện áp của mỗi SM nhánh trên được cân bằng 0 t bởi điện áp của các SM nhánh dưới. Nghĩa là 4vC vC1 = vC2 = vC3 = vC4 = vC5 = vC6. Khi đó điện 3vC vN t Te áp nhánh trên trong chế độ này được xác định: vC 0 vM t vH = 4vC. Như vậy, điện áp đầu ra của BBĐ trong tất cả các chế độ là bằng nhau và bằng Hình 2. Giản đồ xung điện áp trên mỗi SM Nvc. Do đó, chế độ hoạt động của BBĐ được và điện áp trên mỗi nhánh quy về 2 chế độ: Chế độ 1 tương đương với các chế độ 1, 3, 5, 7. Chế độ 2 tương đương trong đó: Te là chu kỳ lý tưởng của mạch, Ts với các chế độ 2, 4, 6, 8. Chế độ hoạt động là chu kỳ đóng cắt của IGBT nhánh trên. Từ của BBĐ được thể hiện như hình 3. hình 4, các chế độ hoạt động của BBĐ được iN LS iN LS thể hiện như trên bảng 1. vC1 C vC1 C Bảng 1. Trạng thái hoạt động vC2 C vC2 C vN của các SM trong các chế độ vN vC3 vC3 Chu kỳ 1Te 2Te 3Te 4Te C C Chế độ 1 2 3 4 5 6 7 8 vC4 C CH vH vC4 C CH vH Chế độ tương đương 1 2 1 2 1 2 1 2 iL L iL L iM iM SM1 1 0 1 1 1 1 1 1 vC5 C vM vC5 C vM SM2 1 1 1 0 1 1 1 1 vL vC6 C vL vC6 C SM3 1 1 1 1 1 0 1 1 a) b) SM4 1 1 1 1 1 1 1 0 Hình 3. a) Mạch hoạt động ở chế độ 1; SM5 0 1 0 0 0 1 0 0 b) Mạch hoạt động ở chế độ 2 SM6 0 0 0 1 0 0 0 1 Gọi iL, iN, iM lần lượt là dòng điện của cuộn Xét chế độ 1, 3, 5, 7: Từ bảng 1, thấy rằng cảm L, dòng điện nhánh trên và dòng điện các chế độ 1, 3, 5, 7 là giống nhau, khi đó các nhánh dưới của BBĐ. Dòng điện trong chế độ tụ điện của các SM ở nhánh trên được nối nối 1 và 2 được thể hiện như phương trình (10): tiếp với nhau, điện áp đầu ra bằng tổng điện iM  iL  iN (10) áp tụ điện của các SM nhánh trên như (1): Gọi d là tỉ số giữa thời gian hoạt động chế vH  vC1  vC 2  vC 3  vC 4  4vC (1) độ 1 so với chu kỳ lý tưởng của mạch. Khi đó, trong đó: vc là điện áp tụ trung bình của 1 SM giá trị đặt điện áp của SM trong nhánh dưới là: Xét chế độ 2, 4, 6, 8: Trong các chế độ này, v vM  vcj  L có 3SM nhánh trên được bật và 1 SM được tắt. 1 d Nhánh dưới có 1 SM được bật và 1 SM được trong đó j = 5 hoặc j = 6. Đây cũng chính là tắt. Điện áp đầu ra trong chế độ này như sau: điện áp của mỗi SM nhánh trên. 293
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2023. ISBN: 978-604-82-7522-8 Từ đó, điện áp đầu ra được xác định Hình 5 cho thấy điện UN, UM đúng với yêu như (11). cầu khi có một SM được OFF ở nhánh trên N 1  d N 1  d N M làm cho điện áp nhánh trên bị sụt, đồng thời vH  . vcj  .  vcj (11) cũng có một SM nhánh dưới được ON để bù N j 1 M j  N 1 lại điện áp sụt ở nhánh trên, kết quả là ta được Độ đập mạch dòng điện iL được tính theo điện áp đầu ra không bị thay đổi. Hình 6 cho v thấy điện áp đầu ra đạt giá trị cực đại bằng công thức: I L  L dTe . Tần số đóng cắt của L 403.2(V) với độ quá điều chỉnh bằng 34.5%, fe f giá trị xác lập là 297.7V, thời gian xác lập t = IGBT là: fu  ; f d  e fu: tần số đóng cắt N M 2.5s, và độ đập mạch điện áp khoảng 1%. Từ nhánh trên và nhánh dưới. Độ mở van nhánh đó cũng thấy được dòng điện đầu ra phù hợp trên được tính theo (12): với điện áp đầu ra và tải đã chọn. Hình 7 là 1 dòng điện iL, iN, iM của BBĐ, dòng điện iL có x  1  (1  d ) * (12) giá trị trung bình và độ đập mạch là 5A, dòng N Dòng điện đỉnh qua qua IGBT và đi-ốt: điện iN bắt đầu cộng hưởng từ không đi xuống âm ở chế độ 1, khi ở chế độ 2 dòng điện 4I I max  L  2 I 0 (13) nhánh trên iN dương và về 0 trước khi kết thúc  một chu kì hoạt động , mối quan hệ của các dòng điện luôn thỏa mãn công thức iM  iL  iN 4. MÔ PHỎNG KẾT QUẢ đúng theo lí thuyết đã trình bày. Kịch bản mô phỏng: N = 4, M = 2, vL = 30V, vH = 300V, CH = 120μF, CM = CN = 50 4. KẾT LUẬN μF, Ls = 120μH, L = 900 μH, Ro = 600Ω, fe = Bài báo đã giới thiệu cấu trúc BBĐ MMC- 4000Hz, fu = 1000Hz, fd= 2000HZ. Boost Converter chuyển đổi điện áp DC/DC. Qua đó đã phân tích được cách thức hoạt động của của BBĐ và nguyên tắc nâng điện áp DC khi hoạt động trong các chế độ của nó. Quá trình kiểm chứng được thực hiện bằng phương pháp điều chế PWM để tạo ra xung đóng cắt Hình 4. Giản đồ xung điều khiển PWM cho các van của các SM. Các kết quả thu được cho thấy dòng điện và điện áp luôn ổn định với độ đập mạch nhỏ nằm trong giới hạn cho phép, dòng điện chạy trêm các cuộn cảm ổn định và không có quá độ. Các kết quả đã đạt được đã Hình 5. Điện áp đầu ra U0, UN, UM đúng với mô tả lý thuyết về BBĐ. Đây là cơ sở để ứng dụng BBĐ trong thực tế các nguồn DC/DC có điện áp cao và công suất lớn. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xiaotian Zhang ; Timothy C Green “The New Hình 6. Điện áp đầu ra U0 dòng điện I0 Family of High Step Ratio Modular Multilevel DC-DC Converters” IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp.1743 - 1750. March 2015. [2] Mhiesan, Haider Ghazi, “High Step-Up/Down Transformerless Multilevel Converter for Hình 7. Dòng điện cuộn cảm iL , iN, iM Renewable Energy Applications”. May 2016. 294