Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: 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

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội 2023

Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS.TS. Vũ Hoàng Phương 2. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

● Tạp chí quốc tế (Thuộc danh mục ESCI, Scopus, SCIE)

[1] Phuong Vu, Quan Nguyen, Minh Tran, Duong Tuan, Hung Tran (2018), “A systematic design of PR current controllers for single-phase LCL-type grid-connected inverters under distorted grid voltage”, Journal of Electrical Systems, vol.14, Issue: 4, Pages: 103-115.

T-type Inverters”, [2] D. A. Tuan, P. Vu and N. V. Lien (2021), “Design and Control of a Three-Phase T-Type Inverter using Reverse- Blocking IGBTs”, Eng. Technol. Appl. Sci. Res., vol. 11, no. 1, pp. 6614–6619. [3] Anh Tuan Duong, Thanh Long Pham, Van Nam Giap, Phuong Vu (2023), “Disturbance Observer Based on Fixed-Time Sliding Mode Control and Optimal State Observer for Three- IEEE Access Phase Three-Level . DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3281672

● Hội nghị Quốc tế (Thuộc danh mục Scopus)

[4] Duong Anh Tuan, Pham Thanh Long, Pham Anh Dung, Pham Quoc Huy, Nguyen Vu Nguyen Khoi, Le Xuan Khoi, Vu Hoang Phuong, Giap Van Nam (2022), “A Novel Modulation Method to Eliminate Leakage Current and Minimize Capacitor Voltage Ripple for Grid-Connected Three-Level T-Type Inverter”, Hội nghị quốc tế lần thứ 11 về Điều khiển, Tự động hóa và Công nghệ thông tin, ICCAIS 2022.

● Hội nghị trong nước

[5] Dương Anh Tuấn, Phạm Quốc Huy, Phạm Thành Long, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Văn Liễn (2022), “Điều khiển nghịch lưu T-type 3 pha nối lưới theo nguyên lý vector”, Hội thảo khoa học “Công nghệ mới & Ứng dụng trong lĩnh vực Điện-Điện tử-Tự động hóa”, Trường ĐH Giao thông vận tải.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ● Tạp chí trong nước

[6] Dương Anh Tuấn, Phạm Thành Long, Phạm Anh Dũng, Lê Xuân Khôi, Giáp Văn Nam, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Văn Liễn (2023), " Bộ điều khiển kháng nhiễu dựa trên chế độ trượt và khâu quan sát trạng thái cho bộ biến đổi ba pha ba mức hình T trong chế độ chỉnh lưu tích cực", Chuyên san Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa, quyển 27, số 2, 8/2023, trang 55-62.

Mở đầu 1. Sự cần thiết của đề tài Nghịch lưu ba mức là một giải pháp cho những ứng dụng đòi hỏi công suất lớn và điện áp cao đến hơn 900V. 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. Có hai vấn đề mà nghịch lưu ba pha hình T cần phải giải quyết là cân bằng điện áp điểm trung tính DC và giảm điện áp common-mode. Việc mất cân bằng điện áp điểm trung tính DC sẽ gây hiện tượng quá áp trên các van công suất và làm tăng THD của dòng điện đầu ra. Còn điện áp common-mode sẽ gây nên dòng rò làm giảm tuổi thọ về cách điện, nhiễu điện từ và mất an toàn điện. Vậy việc tìm ra một phương pháp điều chế có thể vừa giảm điện áp common-mode, vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC là hướng nghiên cứu của đề tài nhằm nâng cao độ tin cậy trong việc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T. Mạch vòng điều khiển nghịch lưu hình T gồm mạch vòng trong là mạch vòng dòng điện, mạch vòng ngoài là mạch vòng công nghệ như mạch vòng điện áp một chiều trung gian, mạch vòng công suất. Mạch vòng công nghệ bên ngoài thường yêu cầu thời gian tác động chậm hơn mạch vòng dòng điện bên trong. 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 vấn đề điều khiển điện áp một chiều trung gian và vấn đề điều khiển các mạch vòng công suất bên ngoài khi lưới mất ổn định. 2. Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến nhằm có thể vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC, vừa giảm điện áp common-mode. Nghiên cứu khả năng áp dụng một số phương pháp 1

điều khiển như điều khiển PI, điều khiển chế độ 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. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu: Nghịch lưu hình T ba pha hoạt động trong chế độ nối lưới và độc lập



Phạm vi nghiên cứu: Phương pháp điều chế cải tiến cho nghịch lưu hình T ba pha để cân bằng điện áp điểm trung tính 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. 4. Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

- 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 khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Kết quả của nghiên cứu này giúp làm đơn giản hóa trong việc đồng thời cân bằng điện áp điểm trung tính DC và giảm điện áp common- mode. Phương pháp điều chế SVM cải tiến cho nghịch lưu ba pha hình T có xét đến các trường hợp mất ổn định ở điện áp, tần số lưới... Tiếp đó, luận án đã đề xuất áp dụng bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp chế độ trượt cải tiến FTSMC 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. 6. Bố cục của luận án

Nội dung của luận án được trình bày thành các chương và phần

kết luận 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- Segment, SVM 8-Segment 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 điểm trung tính 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 dòng điện theo phương pháp điều khiển chế độ trượt 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 dòng điện theo phương pháp điều khiển chế độ trượt 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. Kết luận và kiến nghị

Trình bày tóm lược những kết quả đã đạt được của luận án; đồng 3

thời chỉ ra những hạn chế và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo. 7. Các đóng góp của luận án

- Đề xuất áp dụng thuật toán điều chế FSVM cho bộ nghịch lưu hình T ba pha có thể vừa giảm được điện áp common-mode, vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC trong chế độ bình thường và khi hệ thống mất ổn định.

- Áp dụng phương pháp điều khiển pháp chế độ trượt cải tiến FTSMC kết hợp với bộ quan sát trạng thái SOB và bộ ước lượng nhiễu DOB giúp cho mục tiêu điều khiển được đảm bảo dù trong điều kiện lưới cân bằng, mất cân bằng, tải thay đổi hay nhiễu thay đổi theo thời gian.

- Xây dựng hệ thống thực nghiệm kiểm chứng các kết quả tính toán, thiết kế. Bộ thực nghiệm đã góp phần chứng minh được khả năng thực tiễn với cấu trúc mạch phức tạp trên thiết bị vi xử lý DSP và phục vụ tốt công tác thử nghiệm trong nghiên cứu về nghịch lưu hình T.

Chương 1. Tổng quan

1.1. Xu hướng phát triển hiện nay của nghịch lưu nguồn áp

Hình 1.1. Các ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp Xu hướng hiện nay của các ứng dụng đó là yêu cầu công suất lớn hơn, điện áp DC cao đến hơn 900V, tần số chuyển mạch cao đến 50

kHz thì nghịch lưu nguồn áp hai mức trở nên kém hiệu quả. Lúc này, nghịch lưu hai mức đã bộc lộ những nhược điểm như: chất lượng điện áp ra còn thấp, tốc độ biến thiên du/dt lớn, độ méo sóng hài(THD) cao, điện áp trên van lớn, tổn thất chuyển mạch cao. Để có thể khắc phục được những hạn chế này của nghịch lưu hai mức thì cần phải có nghịch lưu ba mức. 1.2. Các cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba mức 1.2.1. Cấu trúc nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC) Nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC) là cấu trúc nghịch lưu ba mức điển hình. Vì có hai tụ điện mắc nối tiếp nên có thêm một mức điện áp được thêm vào là Vdc/2 ngoài hai mức điện áp 0 và Vdc, thực hiện bằng cách kích mở các van bán dẫn nối điểm giữa của mạch DC (hay là điểm nối các tụ điện) với tải hoặc nối các điểm này vào các pha thông qua các điốt. Nhìn chung, bộ nghịch lưu NPC là giải pháp tốt cho các ứng dụng công suất lớn, điện áp cao. Tuy nhiên, cấu trúc này có số lượng điốt lớn, mạch phức tạp, do đó làm cho hệ thống cồng kềnh hơn. 1.2.2. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha Nghịch lưu hình T ba pha được phát triển từ cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức. Cấu trúc nghịch lưu này được cấu thành từ 6 van IGBT mắc kiểu thông thường và 6 van IBGT mắc kiểu E chung tạo thành 3 nhánh chữ T. Nghịch lưu hình T về cơ bản kết hợp được các ưu điểm của bộ nghịch lưu hai mức với những ưu điểm của bộ nghịch lưu NPC ba mức. Do đó, nghịch lưu hình T được coi là một giải pháp thay thế cho nghịch lưu NPC ba mức. Tuy nhiên, nhược điểm của nghịch lưu hình T là khả năng chặn ngược của chuyển mạch hai chiều AC với van IGBT thông thường. 1.2.3. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT Cấu trúc này cầu thành từ 6 van bán dẫn mắc kiểu thông thường và 6 van mắc song song tạo thành 3 nhánh chữ T. Để khắc phục những nhược điểm của IGBT thông thường, hãng Fuji Electric đã cho ra đời thế hệ môđun IGBT mới (dòng V) với công nghệ RB-IGBT chuyên 5

SA1

SB1 SC1

SA4

ICM 2

CPE 2

Lg VS

SA3

DC Source

ICM

SA2

SB2 SC2

SB4 SB3SC4 SC3

ICM 2

CPE 2

tích hợp cho cấu trúc nghịch lưu hình T.

Hình 1.2. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT

Nghịch lưu hình T sử dụng RB-IGBT khắc phục được nhược điểm về khả năng chặn ngược của nghịch lưu hình T, phù hợp với các hệ thống là yêu cầu công suất lớn hơn, điện áp DC cao đến hơn 900V.

1.3. Phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T

Đối với phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T thì yêu cầu quan trọng nhất là phải giảm được điện áp common-mode và cân bằng điện áp điểm trung tính DC. Kỹ thuật điều chế phổ biến thường được sử dụng là: sinPWM dùng nhiều sóng mang và điều chế véctơ không gian (SVM). Tuy nhiên cả 2 phương pháp trên đều không có khả năng vừa giảm được điện áp common-mode, vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC. Vì vậy, luận án đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến FSVM nhằm mục đích vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC, vừa giảm được điện áp common-mode áp dụng riêng cho nghịch lưu hình T.

1.4. Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện

Mỗi phuơng pháp điều khiển đều có những ưu thế riêng và được áp dụng tùy theo từng trường hợp cụ thể. Các phương pháp điều khiển PI và chế độ trượt FTSMC là các phương pháp mà tác giả lựa chọn

áp dụng cho mạch vòng điều khiển của bộ nghịch lưu hình T. Những nguyên lý cơ bản của các bộ điều khiển này sẽ trình bày ở chương 3 của luận án.

1.5. Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án

Luận án tập trung nghiên cứu về phương pháp điều chế cải tiến, thiết kế bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp chế độ trượt mới với các kết quả và dự kiến đóng góp cho luận án cụ thể như sau:

- Đề xuất áp dụng thuật toán phương pháp điều chế véctơ không gian cải tiến để vừa giảm được điện áp common-mode vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC .

- Đề xuất áp dụng bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp chế

độ trượt cải tiến để tăng tốc độ đáp ứng, cải thiện chất lượng dòng điện, điều khiển được dòng điện ngay cả khi có nhiễu thay đổi theo thời gian.

1.6. Kết luận

Qua các đánh giá, phân tích tại chương 1, luận án đưa ra các đề xuất giải quyết cụ thể như sau:

- Xây dựng thuật toán điều chế véctơ không gian cải tiến FSVM cho nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT và được trình bày tại chương 2.

- Ứng dụng điều khiển chế độ trượt cải tiến FTSMC cho bộ điều khiển dòng điện hoạt động ở chế độ nối lưới và độc lập. Các kết quả nghiên cứu được chứng minh bởi mô phỏng Matlab/Simulink và được thể hiện chi tiết tại chương 3 và chương 4.

- Kiểm chứng tính đúng đắn lý thuyết của chương 2, chương 3 và chương 4 thông qua thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm được trình bày tại chương 5.

Chương 2. Phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T ba pha

2.1. Đặt vấn đề

Đối với nghịch lưu hình T ba pha cần phải có phương pháp điều chế phù hợp để giảm được mức điện áp common-mode và đảm bảo khả năng cân bằng điện áp điểm trung tính DC trong quá trình hoạt động.

2.2. Phương pháp điều chế PWM

2.2.1. Nguyên lý phương pháp điều chế PWM

a. Phương pháp dịch mức sóng mang

Ta có 3 kiểu bố trí sóng mang : Sóng mang cùng pha ; Sóng mang đối xứng qua trục thời gian ; Sóng mang ngược pha giữa hai sóng mang kề nhau, dịch một góc 180 độ.

b. Phương pháp dịch pha sóng mang

Sử dụng hai sóng răng cưa ngược pha nhau (lệch pha 1800) để so sánh với cùng một sóng sin chuẩn.

2.2.2. Mô phỏng phương pháp điều chế PWM cho bộ nghịch lưu hình T 3 pha

a. Nguyên lý phát xung

Hình 2.1. Nguyên lý phát xung cấu trúc hình T 3 pha Sử dụng một tín hiệu sin mẫu Vref so sánh với 2 sóng mang dịch pha nhau 1800. Nửa chu kỳ đầu việc điều chế cho đóng cắt 2 van SA1 và SA4, nửa chu kỳ sau điều chế cho hai van SA3 và SA2. 8

b. Kết quả mô phỏng

Bảng 2.1. Thông số mô phỏng

Tên thông số Giá trị

Công suất 15kW

Điện áp DC 700V

Điện áp AC 380V/50Hz

Tần số đóng cắt 10kHz

Lọc LCL 0,68mH/16,31μF/0,141mH

Tụ điện phía DC 470μF

Tụ điện CPE/Co 1nF/1nF

Kịch bản mô phỏng: Chế độ nối lưới ba pha lý tưởng 2.3. Phương pháp điều chế SVM Qua các bước chuyển hệ tọa độ từ abc sang 0αβ, quy chuẩn độ dài

các véctơ theo mức điện áp , tính toán môđun và góc pha của

véctơ điện áp ra sẽ hình thành không gian véctơ trên hệ tọa độ 0αβ. Từ đồ thị có thể thấy 6 véctơ lớn chia mặt phẳng ra làm 6 góc phần sáu. Trong mỗi góc phần 6 này các véctơ nhỏ và trung bình lại chia ra làm 4 tam giác đều, mỗi tam giác đều có đỉnh là điểm cuối của các

véctơ. Quy chuẩn độ dài các véctơ theo , các tam giác đều có

cạnh bằng 1. Hệ thống các tam giác đều này là cơ sở cho phép điều chế véctơ không gian.

(O,P,N) V10

(N,P,N) V11

(P,P,N) V9

(P,O,N) V8

(N,P,O) V12

(O,P,O) (N,O,N) V3

4 (P,P,O) (O,O,N) V2

(N,P,P) V13

(P,N,N) V7

2 (P,O,O) (O,N,N) V1

(O,P,P) (N,O,O) V4

1

2

(0,0,0) V0

(P,N,O) V18

(N,O,P) V14

(P,O,P) (O,N,O) V6

(O,O,P) (N,N,O) V5

(N,N,P) V15

(P,N,P) V17

(O,N,P) V16

Hình 2.2. Đồ thị véctơ không gian Các bước tiếp theo là xác định vị trí của véctơ điện áp ra v trong sector lớn, xác định vị trí của véctơ điện áp v trong các tam giác con, tính toán hệ số điều chế (thời gian sử dụng các véctơ trong mỗi chu kì điều chế Ts), cân bằng điện áp trên 2 tụ DC và tính toán hệ số điều chế thực hiện nhánh van mạch nghịch lưu trong mỗi chu kì điều chế Ts 2.4. Các phương pháp điều chế cấp xung cho van 2.4.1. Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn là phương pháp điều chế mà trạng thái của các véctơ (ba véctơ gần nhất với véctơ điện áp ra) được lặp lại sau mỗi nửa chu kì đóng cắt. Phương pháp này sử dụng cả hai trạng thái của các véctơ nhỏ, từ đó làm giảm tổn thất trên van và làm giảm sóng hài của điện áp đầu ra. Tuy nhiên, sử dụng cả hai trạng thái của véctơ nhỏ sẽ ảnh hưởng đến vấn đề cân bằng điện áp trên 2 tụ DC. 2.4.2. Phương pháp điều chế SVM 6-Đoạn Phương pháp điều chế SVM 6-Đoạn là phương pháp điều chế trong mỗi chu kì điều chế, duy nhất chỉ có hai van phải chuyển trạng thái. 10

NPN

PPN

OPO

NPO

PON

Vref

OON Vref

Vref

OOO

NOO

NPP

PNN

POO

PNO

NOP

ONO

OOP

PNP

NNP

Vì thế nên tổn thất trên van sẽ tự động giảm xuống chỉ còn tầm 2/3 giá trị tổn thất ban đầu. Ngoài ra, việc sử dụng hai trạng thái riêng biệt của các véctơ nhỏ sẽ giúp cân bằng điện áp trên 2 tụ DC tốt hơn, tuy nhiên cũng sẽ làm tăng sóng hài của điện áp đầu ra. 2.4.3. Mô phỏng hai phương pháp điều chế SVM 8- Đoạn và SVM 6- Đoạn Về kịch bản và thông số mô phỏng vẫn giống như khi mô phỏng theo phương pháp PWM. Tổng kết : Cả 3 phương pháp trên đều không có khả năng giảm được điện áp common-mode. Vì vậy cần thiết phải có 1 phương pháp điều chế vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC và vừa giảm được điện áp common-mode. 2.5. Phương pháp điều chế FSVM đề xuất áp dụng cho nghịch lưu ba pha hình T OPN

ONP PON OOO OPN OOO PON

d2/2

d1/2

d2/2

PPN OPO POO OPO PPN d1/2 d1/2

d3/2

OON ONO PNN ONO OON d1

d3/2

d2/2

d3/2

SA1

SA2

SB1

SB2

SC1

SB1

SC1

SC2

(c)

(a)

(b)

Hình 2.3. Trạng thái trong không gian véc tơ và trình tự chuyển mạch của (a) ZSVM, (b) PSVM và (c) NSVM Bước đầu tiên là lựa chọn Section chứa véctơ điện áp, sau đó tính toán hệ số điều chế của các véctơ biên chuẩn, tiếp theo tính toán thời gian đóng cắt các nhánh van và cân bằng điện áp trên tụ

Start

Calculate V, dPSVM1-3,dNSVM1-3

V > k

V < -k

PSVM

ZSVM

NSVM

End

Hình 2.4. Thuật toán điều chế cân bằng tụ Ba chế độ điều chế có thể tạo ra dòng điện i NP theo hướng ngược nhau, lựa chọn chế độ điều chế tối ưu trong 3 chế độ sẽ tạo ra dòng iNP có thể điều chỉnh và kiểm soát được điện áp trên tụ điện. 2.6. Mô phỏng phương pháp FSVM Về kịch bản và thông số mô phỏng vẫn giống như khi mô phỏng theo phương pháp PWM, SVM 8- Đoạn và SVM 6- Đoạn. 2.7. Kết luận Không những đáp ứng được yêu cầu của bộ nghịch lưu hình T là cân bằng điện áp điểm trung tính DC và giảm được điện áp common- mode, phương pháp FSVM cũng cho chất lượng điện áp cũng như dòng điện đầu ra tốt, đạt giá trị THD <5% (theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014). Tuy nhiên, phương pháp mới cũng có một số hạn chế như khả năng cân bằng điện áp điểm trung tính DC bị suy yếu trong điều kiện hệ số công suất thấp và hệ số điều chế cao và giá trị THD cũng cao hơn so với phương pháp SVM 8- Đoạn.

Chương 3. Điều khiển nghịch lưu hình T ba pha trong chế độ nối lưới

SC1

SB1

SA3

3.1. Đặt vấn đề Bên cạnh phương pháp điều chế véctơ không gian SVM để điều khiển phát xung cho bộ biến đổi thì chất lượng điện áp, dòng điện do chất lượng mạch vòng điều khiển quyết định. 3.2. Mô hình toán học của nghịch lưu hình T ba pha

C1

SA1 ia

SA2

+

SB3

O

> >

J

SB2

SC3

SC2

c SC4

SA4

SB4

C2

N

SC1

SA1

SB1

SA3

UC1

SA4

SB3

Udc

SB4

SC3

UC2

SC2

SA2

SB2

SC4

eabc

iabc

SVM

UC1 UC2

abc

PLL

Vabc

abc

ed , eq

id , iq

Vsd , Vsq

*Udc

id* iq*

Hình 3.1. Cấu trúc nghịch lưu ba pha hình T hoà lưới Từ Hình 3.1, ta sẽ xây dựng được phương trình mô tả hoạt động của nghịch lưu hình T phía Ac và DC. 3.3. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI 3.3.1. Cấu trúc điều khiển

PI 0

PI PI

BĐK PI

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

Idc

Udc

* Id

* Udc

3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển điện áp Cấu trúc của bộ điều khiển điện áp DC được thể hiện trong Hình 3.3.

+

-

R(s)

Gi(s)

1 C.s

Hình 3.3. Cấu trúc bộ điều khiển điện áp

nde

isd

3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện Nhận thấy, đối tượng điều khiển là khâu tích phân nên ta có thể sử dụng bộ điều khiển PI với hàm truyền như công thức dưới đây để điều khiển:

PI ω L

isq

ω L

PI

e nq

Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện trên hệ toạ độ quay dq khi sử dụng bộ điều khiển

3.3.4. Thiết kế mạch vòng khóa pha

abc

eabc

eαβ

αβ

enq

*

αβ

dt

ωref

Hình 3.5. Cấu trúc vòng khoá pha cho lưới điện 3 pha

3.4. Mô phỏng cấu trúc điều khiển nối lưới sử dụng bộ điều khiển PI 3.4.1. Tính chọn tham số mạch lực nghịch lưu hình T ba pha Để vừa đáp ứng được những yêu cầu và tiêu chuẩn khắt khe (IEEE- 519) trong việc kiểm soát chất lượng điện áp và dòng điện của một bộ nghịch lưu nối lưới, vừa đơn giản trong việc thiết kế, mạch lọc L được lựa chọn. 3.4.2. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink

Bảng 3.1. Thông số mô phỏng

Thông số Giá trị

Công suất P 15kW

Điện áp lưới 380V/50Hz

600V Điện áp Vdc

Cuộn cảm L 1,2mH

940µF Tụ điện DC-link, C1 = C2

10kHz Tần số điều chế fsw

0,5315; 119,2751 kup, kui

1,617; 5081,07 kip, kii

Lưới áp điện 10%, giảm biên pha áp độ 3 Kịch bản mô phỏng theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014 bao gồm: điện lý tưởng, biên độ điện áp 1 pha giảm 10%, biên độ 2 phagiảm 10%, tần số thay điện đổi ±1%, điện áp có thành phần sónghài bậc 5, 7, 13 (THD = 8%).

Hình 3.6. THD dòng điện và độ lệch điện áp trên tụ DC 3.5. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu

SC1

SA1

SB1

SA3

UC1

SA4

SB3

Udc

SB4

SC3

UC2

SC2

SA2

SB2

SC4

eabc

iabc

SVM

UC1 UC2

abc

LLP

Vabc

abc

ed , eq

id , iq

Vsd , Vsq + Vdi , Vqi dd , dq

3.5.1. Cấu trúc điều khiển

^ ^ dd , dq

DOB

*Udc

^^ id , iq

+ -

FTSMC

id* iq*

SOB

PI 0

LMI

BĐK kháng nhiễu BĐK PI

Hình 3.7. Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu ba pha hình T chế độ nối lưới khi sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu

3.5.2. Thiết kế bộ điều khiển điện áp

Để đơn giản hoá, bộ điều khiển PI được sử dụng để kiểm soát điện

áp DC đầu ra và đã được thiết kế như ở phần 3.3.2.

3.5.3. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện

(3.1)

3.5.3.1. Bộ quan sát nhiễu DOB

Nếu ma trận (A+LC) là ổn định, tức là có các nghiệm của phương trình đặc tính có phần thực âm, thì sai lệch sẽ tiến về không,

. Để ước lượng nhiễu một cách chính xác, tức là

ta lựa chọn luật hội tụ như sau:

(3.2)

Trong đó: là một số dương.

(3.3)

3.5.3.2. Bộ điều khiển FTSMC

Từ phép biến đổi trên và ma trận B là một ma trận vuông 2x2, giá trị của thành phần cân bằng được tính toán bởi:

(3.4)

Trạng thái của hệ thống sẽ hội tụ về mặt trượt định trước trong một khoảng thời gian cố định với thành phần đóng cắt được đề xuất áp dụng bởi phương trình:

-1

(3.5)

u



B

 ˆ X - A X - D d - LC X - X

eq

r



 ˆ  e 

 

 

3.6. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trong chế độ nối lưới

Thông số và kịch bản mô phỏng giống như ở phần 3.4

Hình 3.8. THD dòng điện và độ lệch điện áp trên tụ với FTSMC

3.7. Kết luận

Trong chương này, luận án đã trình bày bộ điều khiển chế độ trượt FTSMC giúp cho mục tiêu điều khiển được đảm bảo dù trong điều kiện lưới cân bằng, mất cân bằng, tải hay nhiễu thay đổi theo thời gian.

lập

Chương 4. Điều khiển nghịch lưu hình T trong chế độ độc 4.1. Đặt vấn đề

SC1

SA1

SB1

SA4

isa

iLa

Vsa

SA3

SB4

isb

iLb

Vsb

Việc đảm bảo chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra với các dạng tải khác nhau là một yêu cầu quan trọng khi nghiên cứu và thiết kế bộ nghịch lưu ba pha hình T trong chế độ độc lập. 4.2. Mô hình toán học của nghịch lưu hình T ba pha

LOAD

SB3

SC4

isc

iLc

Vsc

SC2

SA2

SB2

SC3

VLa VLb VLc

Hình 4.1. Cấu trúc nghịch lưu hình T chế độ độc lậpTừ

Hình 4.1, ta xây dựng được phương trình mô tả phía nguồn và tải

Udc1 Udc2

dc1U

dc2U

SA3

SB3

SC3

4.3. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI

SVM

abc

Vabc

SC4

SB4

dq

SA2

SA4 SA1

[Vsd,Vsq]T

SB2

SB1

SC2

SC1

isabc

[isd ,isq]T

dq

abc

PI PI

Lf + Lf

*]T

[isd

*,isq

Cf

PI PI

*]T

[VLd

* ,VLq

VLabc

-

[VLd ,VLq]T

dq

abc

Load

Hình Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha 4.2. hình T chế độ độc lập khi sử dụng bộ điều khiển PI

CfvLq

4.4. Thiết kế bộ điều khiển điện áp

+

Vsd

PI

1 Cfs

iLd

Hình 4.3. Cấu trúc mạch vòng điện áp kênh d

Liisq

4.5. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện

+

isd

PI

1 Lis

VLd

Hình 4.4. Cấu trúc mạch vòng dòng điện kênh d 4.6. Mô phỏng bộ điều khiển PI trên phần mềm Matlab/Simulink

Kịch bản mô phỏng: Tải ba pha cân bằng (R load), tải không cân bằng

Bảng 4.2. Thông số mô phỏng chế độ độc lập

Thông số Giá trị

600V Điện áp Vdc

Điện áp đầu ra 380V/50Hz

Lọc LC 1,2mH, 20µF

940µF Tụ điện DC-link, C1 = C2

10kHz Tần số điều chế fsw

Tải điện trở 9,68 Ω

Bộ điều khiển điện áp 0,056 ; 82,0513 kpv, kiv

14,015 ; 9256,2 Bộ điều khiển dòng điện kpi, kii

Hình 4.5. THD và độ lệch điện áp trên tải trường hợp tải mất cân bằng

4.7. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu mới

4.7.1. Cấu trúc điều khiển

dcU

Udc1 Udc2

dc1U

dc2U

SA3

SB3

SC3

SVM

abc

Vabc

SC4

SB4

dq

SA2

SA4 SA1

[Vsd,Vsq]T

[ldi , lqi]T

SB2

SB1

DOB

[l^

di,l^

qi]T

SC2

SC1

FTSMC

*]T

[isd

*,isq

SOB

LMI

isabc

dq

-

BĐK kháng nhiễu

abc

[isd ,isq]T

Lf + Lf

[ld u ,l uq ]T

DOB

Cf

+ - [l^

du ,l^

qu]T

*]T

[VLd

* ,VLq

FTSMC

SOB

LMI

VLabc

dq

+-

abc

Load

[VLd ,VLq]T

BĐK kháng nhiễu ω

Hình 4.6.

Cấu trúc điều khiển nghịch lưu hình T chế độ độc lập

4.7.2. Thiết kế bộ điều khiển điện áp và dòng

điện

mô

Do trên thực tế, hệ thống có thể chịu thêm nhiễu hoặc tham số hình không hoàn toàn chính xác, khi

ta có:

đó

(4.1)

, khi

Để dễ dàng cho việc thiết kế, đặt đó hệ trên trở thành:

(4.2)

 X = A .X + B .u + E .l y = C X

  

Ta có hệ phương trình ước lượng trạng thái và luật hội tụ nhiễu như sau:

 ˆ ˆ X = A X + B u + E l - L C X - X





(4.3)

ˆ ˆ y = C X ˆ l = l +

 l



      

Ở đây, ma trận E nên chọn chính bằng ma trận đơn vị. bộ DOB được sử dụng để bù nhiễu của nghịch lưu ba pha hình T thông qua các kênh đầu vào điều khiển.

- 1

T

u

T = ( B B ) B



e

e q

r

  X - A X - E l - L C X - X +



 

 

c 2 d

sign



(4.4) Trạng thái của hệ thống sẽ hội tụ về mặt trượt định trước trong một khoảng thời gian cố định với thành phần đóng cắt được đề xuất áp dụng bởi phương trình: c 1 d 1

u



s

sign

s

  s

 2

sw

 1

4.8. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trên phần mềm Matlab/Simulink Bảng 4.3. Thông số mô phỏng chế độ độc lập

Thông số Giá trị

600V Điện áp Vdc

Điện áp đầu ra 380V/50Hz

Lọc LC 1,2mH; 20µF

940µF Tụ điện DC-link, C1 = C2

10kHz Tần số đóng cắt fsw

Tải điện trở 9,68 Ω

Bộ điều khiển điện áp L=-2500, κ= ρ1 = ρ2=0,0005; λ=3000; c1=4; c2=5; d1=5; d2=4

Bộ điều khiển dòng điện L=-10000; κ= ρ1 = ρ2=0,0005, λ=10000; c1=4; c2=6; d1=6; d2=4

Kịch bản mô phỏng giống như phần 4.6

4.7. THD và độ lệch điện áp trên tải trường hợp tải mất cân bằng

Hình 4.9. Kết luận Trong các kịch bản khác nhau, kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển FTSMC đề xuất áp dụng đều cho ra chất lượng điện áp, dòng điện, giá trị THD tốt hơn so với bộ điều khiển PI truyền thống. Chương 5. Thực nghiệm hệ thống nghịch lưu hình T ba pha 5.1. Đặt vấn đề Bộ thực nghiệm nghịch lưu hình T ba pha được xây dựng với mục tiêu: kiểm chứng thuật toán điều chế FSVM với cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha; kiểm chứng thuật toán điều khiển chế độ trượt cải tiến FTSMC cho bộ điều khiển dòng điện cho nghịch lưu hình T. 5.2. Điều kiện thực nghiệm

Hình 5.1. Hệ thống thực nghiệm

Các kịch bản thực nghiệm cũng giống như khi mô phỏng để đánh giá tính khả thi của phương pháp điều chế cũng như bộ điều khiển đề xuất áp dụng. Bảng 5.4. Thông số hệ thống

STT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

UDC 1 Điện áp 1 chiều 168 V

C1, C2 2 Điện dung tụ 1 chiều 940

3 Tần số phát xung f 10 kHz

Lf 4 1 mH Giá trị điện cảm cuộn lọc

Cf 5 Giá trị tụ lọc 20

6 Điện trở tải R 64

5.3. Kết quả thực nghiệm

Hình 5.2. THD và độ lệch của điện áp trên tải khi không cân bằng Nhận xét: Các kết quả thực nghiệm trong các kịch bản là giống với mô phỏng, đều cho chất lượng điện áp tốt, cân bằng điện áp trên tụ, thời gian đáp ứng nhanh. Có sự sai khác là do các thông số khác nhau và nhiễu thực tế là khác nhau.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trước tiên, luận án tiến hành phân tích sự thay đổi của trạng thái mạch nghịch lưu trong việc cùng tạo ra một véctơ điện áp với các mức khác nhau và các công việc cần thiết khác. Từ đó, luận án đã khái quát hóa thành công phương pháp điều chế FSVM cho nghịch lưu hình T trong điều kiện tối ưu đóng cắt. Từ phương pháp điều chế SVM cải tiến này sẽ giảm được điện áp common-mode, từ đó hạn chế được dòng rò trong mạch. Đồng thời, phương pháp điều chế FSVM cũng cân bằng được điện áp điểm trung tính DC. Đây là những ưu điểm mà các phương pháp điều chế SVM trước đây chưa đáp ứng được.

Luận án xây dựng được bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp chế độ trượt cải tiến FTSMC kết hợp với bộ quan sát trạng thái SOB và bộ ước lượng nhiễu DOB nhằm mục đích tăng tốc độ đáp ứng, tăng chất lượng điều khiển khi có nhiễu, lưới hoặc tải không cân bằng. Các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/ Simulink được thực hiện để đánh giá chất lượng của bộ điều khiển đề xuất áp dụng và được so sánh với bộ điều khiển PI, từ đó thấy rõ được những ưu điểm vượt trội mà bộ điều khiển đề xuất áp dụng đem lại.

Những hạn chế của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo - Phương pháp điều chế FSVM tuy đồng thời giảm được điện áp common-mode vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC nhưng về THD lại cao hơn so với phương pháp SVM 8-Segment. Vì vậy cần nghiên cứu cải tiến phương pháp FSVM để có thể giảm được THD hơn nữa.

- Phạm vi của luận án đã thực hiện thiết kế bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp chế độ trượt cải tiến FTSMC nhưng mới dừng ở kiểm chứng thực nghiệm ở chế độ độc lập. Nghiên cứu tiếp theo sẽ thực hiện chạy chế độ nối lưới trên mô hình thực nghiệm.