Luận án tiến sĩ Điều khiển bộ biến đổi đa bậc nguồn áp ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới (TT)

DC-Mục đích nghiên cứu:  Đề xuất thuật toán mới nhằm cân bằng điện áp trên các tụ điện một chiều trung gian, đề xuất thuật toán điều chế và chuyển mạch cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâ

MỞ ĐẦU

Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển, ổn định và kết nối các nguồn điện phân tán, đặc biệt khi các nguồn phát này nối với lưới điện Công suất của các nguồn phát phân tán nối lưới ngày càng cao đặt ra yêu cầu cần có sự thay đổi về cấu trúc bộ biến đổi để thay thế các bộ biến đổi hai mức truyền thống Nghịch lưu đa bậc chính là một giải pháp cho những ứng dụng đòi hỏi công suất lớn và điện áp cao Trong các ứng dụng

sử dụng nghịch lưu đa bậc, điện áp của ngõ ra được tăng lên, tổn hao chuyển mạch của linh kiện điện tử công suất giảm Nghịch lưu đa bậc phân nhỏ các bước nhảy điện áp ra phía xoay chiều, nhờ đó giảm được tốc độ tăng điện áp du/dt trên tải, các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở mức điện áp thấp, tần số đóng cắt của các van mạch lực thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số điện áp ra của quá trình điều chế cao Như vậy nghịch lưu đa bậc giảm đáng kể tổn thất trong quá trình đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của điện

áp ra, đó là những yếu tố rất quan trọng ở dải công suất lớn Trong các bộ biến đổi đa bậc thì bộ nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H có những ưu thế hơn so với những loại khác như: cấu tạo đơn giản, ít thành phần linh kiện, cấu trúc dạng module, dễ nâng cấp mở rộng hệ thống

Đối tượng nghiên cứu:

Bộ biến đổi đa bậc nối tầng AC-DC-AC-AC có khâu cách ly tần số cao gồm 2 cổng: cổng 1 là xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc cầu

H nối tầng; cổng 2 xây dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu đa bậc AC-AC nối tầng, khâu DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao

DC-Mục đích nghiên cứu:

 Đề xuất thuật toán mới nhằm cân bằng điện áp trên các tụ điện một chiều trung gian, đề xuất thuật toán điều chế và chuyển mạch cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao và khâu AC-AC điều khiển chuyển mạch kiểu biến tần ma trận

 Nghiên cứu khả năng áp dụng một số phương pháp điều khiển như điều khiển PI, cộng hưởng, tựa thụ động và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số để kiểm chứng khả năng làm việc của

bộ biến đổi

2

 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

Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển mạch 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

Phạm vi nghiên cứu:

 Luận án giải quyết vấn đề trao đổi công suất giữa hai nguồn điện xoay chiều với giả thiết hai nguồn đó không có những trạng thái không bình thường Do đó, luận án không xử lý những vấn đề khi trên lưới điện xuất hiện các trạng thái không bình thường

 Các nguồn phát điện phân tán có thể làm việc ở chế độ nối lưới hoặc ốc đảo Để các nguồn điện phân tán có thể nối lưới được thì chúng phải thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật nhất định Những vấn đề về yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo nguồn phát phân tán nối lưới cũng như chế độ làm việc ốc đảo của nguồn phát phân tán không phải phạm vi nghiên cứu của luận án

 Vấn đề chế tạo máy biến áp tần số cao HF là một nội dung quan trọng đối với bộ biến đổi, tuy nhiên trong luận án cũng chưa đề cập về vấn đề này

 Bài toán điều khiển đặt ra trong luận án là Điều khiển trao công suất tác dụng và thu phát công suất phản kháng Luận án không giải quyết bài toán điều khiển hệ số cosφ ở hai cổng

 Luận án triển khai mô phỏng ở cấp trung áp 3,3 kV và thực nghiệm ở cấp điện áp 220V Tuy nhiên, những bộ biến đổi đa bậc có ưu điểm lớn khi ứng dụng cho những nguồn phát phân tán có công suất lớn và điện áp cao Việc chọn mức điện áp phù hợp không phải phạm vi nghiên cứu của luận án

Ý nghĩa của đề tài:

Nghiên cứu những bộ biến đổi có khả năng kết nối linh hoạt các nguồn điện phân tán có bản chất khác nhau, đảm bảo cách ly, đảm bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng và thu phát công suất phản

kháng độc lập, đảm bảo độ tin cậy và khả năng dễ dàng mở rộng hệ thống là một nhu cầu bức thiết hiện nay Đề tài nghiên cứu bộ biến đổi đa bậc nối tầng có cấu trúc AC-DC-AC-AC, có khâu cách ly tần

số cao đáp ứng đòi hỏi yêu cầu của thực tiễn Một loạt các vấn đề về điều chế, điều khiển chuyển mạch, các mạch vòng điều khiển dòng điện, điện áp và công suất đã được đề tài đưa ra phương án giải quyết mang đến những đóng góp khoa học thực sự cho nghiên cứu này

Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án:

 Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ một chiều trung gian

 Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật toán chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận

 Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai chiều bằng các phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số

Bố cục luận án gồm 4 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Bộ biến đổi hai cổng AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao: Phân tích cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi mà luận án nghiên cứu; đề xuất thuật toán cân bằng điện áp một chiều trung gian của bộ biến đổi; đề xuất phương pháp điều chế và thuật toán chuyển mạch cho bộ DC-AC-AC; trình bày phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa bậc kiểu dịch pha ở cổng 1 và cổng 2

Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi: Các vòng điều khiển dòng điện, điện áp một chiều trung gian, điều khiển công suất P,Q đều được đưa ra phân tích và thiết kế Vòng điều khiển dòng điện được quan tâm đặc biệt và thiết kế với thuật toán là thuật toán PI, cộng hưởng, tựa thụ động

Chương 4 Thiết kế hệ thống thực nghiệm: Thiết kế hệ thống thực nghiệm Luận án trình bày các cấu trúc và kết quả thực nghiệm nhằm: kiểm nghiệm thuật toán cân bằng điện áp trên tụ một chiều trung gian trong bộ biến đổi đa bậc nối tầng cầu chữ H; kiểm nghiệm thuật toán chuyển mạch 4 bước theo điện áp kết hợp điều chế phía sơ cấp máy biến áp tần số cao cho bộ biến đổi DC-AC-AC, khâu AC-

AC điều chế theo kiểu biến tần ma trận; kiểm nghiệm khả năng nối tầng của bộ biến đổi DC-AC-AC thông qua mô hình nghịch lưu nối tầng 7 bậc; kiểm nghiệm khả năng trao đổi công suất hai chiều của

bộ biến đổi AC-DC-AC-AC một pha 3 bậc;

Mỗi IGBT chỉ có thể chịu được điện áp tối đa khoảng 6,5 kV Như vậy, để có thể dùng bộ biến đổi nghịch lưu hai mức cho những ứng dụng điện áp cao thì có thể mắc nối tiếp các van IGBT Tuy nhiên, vấn đề thách thức đối với giải pháp này là làm sao điều khiển đồng thời các van Bộ biến đổi đa bậc có thể là khâu biến đổi năng lượng điện lý tưởng cho kết nối các nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện, bao gồm hầu hết các nguồn phân tán như pin mặt trời, pin nhiên liệu, điện sức gió Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp

1.2 Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp

1.3 Các phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc

Có ba phương pháp điều chế phổ biến cho các bộ biến đổi đa bậc:

 Điều chế tại tần số cơ bản

 Điều chế theo sóng mang (carrier based PWM)

 Điều chế vector không gian

1.4 Tổng quan về phương pháp chuyển mạch trong biến tần ma trận khóa hai chiều

1.5 Các phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện cho bộ biến đổi đa bậc

Gồm hai nhóm phương pháp điều khiển là phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến

1.6 Tổng quan về tình hình ứng dụng bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối nguồn điện phân tán với lưới

Do sự phát triển của công nghệ bán dẫn đặc biệt là công nghệ chế tạo IGBT, hàng loạt các bộ biến đổi đa bậc được sử dụng trong các ứng dụng ở mức trung và cao áp Điển hình như các hệ thống lọc tích cực

(AF), STATCOMs, DVRs và UPFCs Hoặc hệ thống kết nối các nguồn phân tán có bản chất khác nhau như bộ biến đổi UNIFLEX-

PM (Universal Flexible Power Management system) kiếu DC-AC hoặc AC-DC-AC-AC Khi đó lưới được tổ chức dưới dạng như hình 1.23

AC-DC-Hình 1.23 Cấu trúc lưới điện phân tán sử dụng bộ Uniflex-PM

1.6.1 Cấu trúc bộ AC-DC-DC-AC

1.7 Định hướng và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

1.7.1 Định hướng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là bộ biến đổi đa bậc nối tầng dùng để trao đổi công suất giữa hai nguồn điện xoay chiều Bộ biến đổi đó đảm bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng ở hai cổng đồng thời có khả năng tự thu phát công suất phản kháng ở mỗi cổng một cách độc lập Luận án tập trung nghiên cứu bộ biến đổi AC-DC-AC-

AC với khâu trung gian tần số cao Những nhiệm vụ nghiên cứu có thể liệt kê tóm tắt ở mục 1.7.2 sau đây

1.7.2 Những nhiệm vụ cần giải quyết của luận án

 Lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi:

Cấu trúc bộ biến đổi mà luận án lựa chọn được xây dựng trên cơ sở

bộ đa bậc nối tầng cầu chữ H ở phía cổng 1(thường dùng để nối với lưới), ở cổng 2 có cấu trúc đa bậc nối tầng trên cơ sở module DC-

 Điều chế cho bộ biến đổi đa bậc nối tầng ở hai cổng

 Cân bằng điện áp một chiều trung gian

 Điều chế bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng và đảm bảo quá trình chuyển mạch một cách tin cậy ở khâu AC-AC theo nguyên

lý biến tần ma trận

 Vấn đề điều khiển:

Luận án sẽ lần lượt thiết kế bộ điều khiển PI, PR, tựa thụ động và thích nghi tựa thụ động nhằm đảm bảo quá trình trao đổi công suất hai chiều của bộ biến đổi

1.7.3 Đóng góp của luận án

 Dự kiến luận án có một số đóng góp mới như sau:

 Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ một chiều trung gian

 Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật toán chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận

 Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai chiều bằng các phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động

và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số

 Với kết quả nghiên cứu đó, dự kiến đem lại những ý nghĩa về mặt

khoa học lẫn thực tiễn:

 Ý nghĩa khoa học: đề xuất thuật toán cân bằng điện áp trên tụ một chiều trung gian mới , đảm bảo quá trình điều chế và chuyển mạch an toàn của khâu DC-AC-AC bằng phương pháp điều chế phía sơ cấp máy biến áp tần số cao kết hợp thuật toán chuyển mạch kiểu biến tần ma trận phía thứ cấp Với những cấu trúc điều khiển thích hợp, bộ biến đổi hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu trao đổi công suất hai chiều của bộ biến đổi

 Ý nghĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu là tiền đề cho việc tích hợp các nguồn phát phân tán với lưới tại Việt Nam với mức cỡ trung áp và công suất cỡ vài trăm kVA đến vài MVA

2 Bộ biến đổi 2 cổng AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao

2.1 Cấu trúc của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng

Cấu trúc chi tiết của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng được cho như Hình 2.1

AC DC

AC DC

AC DC

AC DC

AC

DC

AC DC

AC DC

AC

AC

AC AC

AC AC

AC AC

AC AC

AC AC

AC

AC

AC AC

AC AC

AC

Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống

AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng

Bộ biến đổi ở cổng 1 đảm nhiệm hai nhiệm vụ chính là ổn định điện áp một chiều trung gian của từng pha, cân bằng điện

áp trên các tụ một chiều trung gian và thu hoặc phát công suất phản kháng Q

Bộ biến đổi ở cổng 2 điều khiển cả quá trình trao đổi công suất tác dụng P và thu phát công suất phản kháng Q Bộ biến đổi cho phép trao đổi P và Q một cách độc lập ở cổng 2

2.2 Phân tích bộ biến đổi phía cổng 1

Đối với nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng thì phương pháp điều chế sóng mang kiểu dịch pha là phương pháp phù hợp nhất

Xét về chức năng bộ biến đổi, cổng 1 có vai trò như bộ chỉnh lưu tích cực trong đó phía DC đóng vai trò là phụ tải Vì mạch vòng điện áp chỉ có một mạch vòng chung tác động lên giá trị trung bình của điện

áp DC nên nếu tải các khâu khác nhau thì không có gì đảm bảo điện

áp trên các tụ DC sẽ bằng nhau Trong các ứng dụng back-to-back của sơ đồ nối tầng thì cân bằng điện áp trên các tụ DC là yêu cầu bắt buộc, nó là một thách thức đối với việc điều chế và điều khiển bộ biến đổi Nội dung về cân bằng điện áp trên tụ một chiều trung gian được trình bày ở mục 2.2.1 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng

 Các phương pháp điều chế cho một module cầu H

 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu 7bậc nối tầng cầu H

2.2.1 Cân bằng điện áp các khâu DC NL đa bậc nối tầng cầu H

 Các phương pháp cân bằng điện áp trên tụ DC

 Thuật toán mới cân bằng điện áp trên tụ DC

Ở đây sẽ xây dựng phương pháp cân bằng điện áp trên tụ DC áp dụng được không phụ thuộc vào phương pháp điều chế PWM Các

Hình 2.7 Điều chế kiểu dịch pha cho bộ nghịch lưu cầu H 7 bậc

chế độ phóng nạp tụ ứng với các trạng thái van được tóm tắt như bảng 2.3

Bảng 2.3 Trạng thái van và tình trạng phóng nạp của tụ một chiều

đối với một cầu chữ H

0 (S1, S3),

(S2,S4)

0 Không thay đổi Không thay đổi

Tác động của thuật toán tóm tắt lại trong bảng 2.5, những ô có dấu

“-” nghĩa là bỏ qua, không tác động gì

Bảng 2.5 Tác động cân bằng điện áp trên các tụ một chiều cho

nghịch lưu nối tầng 3 cầu H

hi-1, hi+1 =0 (bypass Ci-1,

Ci+1)

hj = 1 (discharge

Cj)

hj-1, hj+1 =0 (bypass Cj-1,

Ci+1)

h=-2

-

hi =0 (bypass Ci )

hi-1, hi+1 = -1 (discharge

Ci-1, Ci+1 )

hj = 0 (bypass Cj )

hj-1, hj+1 = -1 (charge Cj-

= 12 , Rdc2 = 8 , Rdc3 = 6 Udc,ref = 150 V

Kết quả MP cho thấy mặc dù có sự chênh lệch về giá trị C và R nhưng điện áp trên các tụ vẫn được cân bằng Điện áp đầu vào bộ biến đổi có dạng 7 bậc

2.3 Phân tích bộ biến đổi ở cổng 2

Bộ biến đổi ở cổng 2 gồm 3 pha, mỗi pha có 3 module DC-AC-AC 2.3.1 Các nguyên lý điều chế mạch AC-AC

2.3.2 Điều chế PWM cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu AC-AC điều chế kiểu biến tần ma trận

L

i L

0 50 100 200

Dien ap mot chieu tren cac tu

Time [s]

-500 0

Time [s]

(a) Dạng điện áp trên các tụ

(b) Điện áp ngay đầu vào bộ biến đổi

(c)

Hình 2.12 Chỉnh lưu tích cực trên cơ sở NL đa bậc cầu H

Bộ DC-AC-AC cũng có thể điều chế theo phương pháp điều chế lưỡng cực và điều chế đơn cực trong đó phương pháp điều chế đơn cực có chất lượng về sóng hài tốt hơn

 Phương pháp dùng hai sóng mang

 Phương pháp điều chế sử dụng hai sóng điều chế ngược pha

Phương pháp điều chế đơn cực sử dụng một sóng mang và hai sóng điều chế cho trên Hình 2.19 Tín hiệu sóng mang là xung răng cưa được phát đồng bộ với tín hiệu điều khiển các van V1¸ V4 phía sơ cấp biến áp

điều khiển van S3 là

đảo của van S1, tín

hiệu điều khiển van S2

là đảo của van S4

-1

1

-1 1

Hình 2.19 Mẫu xung điều khiển PWM cho matrix converter dùng 2 sóng điều chế

2.3.3 Điều khiển chuyển mạch cho biến tần ma trận

Sử dụng phương pháp chuyển mạch diễn ra theo 4 bước, từ t1, t2, t3, đến t4 Chuyển mạch ngược lại từ S3 về S1 theo bốn bước t5, t6, t7, t8

theo trình tự như hình 2.22 và 2.23 Mỗi bước của quá trình chuyển mạch cần một thời gian bằng td, là thời gian để van khoá lại hoàn toàn, td cỡ 1÷2 µs đối với IGBT Điện áp uf là hoàn toàn xác định được, do đó việc chuyển mạch 4 bước phía thứ cấp máy biến áp kết hợp với điều chế phía sơ cấp máy biến áp chính là một trong những đóng góp của luận án

12

2.3.4 Mô phỏng, kiểm chứng phương pháp điều chế và chuyển mạch 2.3.5 Bộ nghịch lưu 7 bậc xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng

L

u s

+U dc1

HF V1

Hình 2.29 Nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở

bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng

-1 0 1

-1 0

Hình 2.31 Giản đồ xung điều khiển các van phía sơ cấp MBA

1

-1 0

1

-1 0

Hình 2.32 Điều chế PWM dịch pha cho DC-AC-AC nối tầng

Áp dụng phương pháp dịch pha tất cả các module DC-AC-AC Kết quả cho trên hình 2.34 cho thấy dạng điện áp đầu ra bộ nghịch lưu có dạng 7 bậc (hình b), dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tải có dạng sin (hình c và d)

t t t t

t t

1 0 S1 S3 S1a S1b S3a S3b

t 1 t 2 t 3 t 4 U f (t)< 0 t 5 t 6 t 7 t 8

t d

Hình 2.23 Quá trình chuyển mạch giữa van S1 và S3 khi uf(t)<0