Điều khiển bộ biến đổi đa bậc nguồn áp ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VĂN HUY ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐA BẬC NGUỒN ÁP ỨNG DỤNG TRONG CÁC NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN CÓ NỐI LƯỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật đi

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI VĂN HUY

ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐA BẬC NGUỒN ÁP ỨNG DỤNG TRONG CÁC NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN CÓ NỐI LƯỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 62520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

2 PGS.TS Trần Trọng Minh

Hà Nội - 2017

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được hoàn thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của tôi tại trường Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Liễn và PGS.TS Trần Trọng Minh, Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn, những người đã luôn gắn liền với mọi hoạt động khoa học của tác giả, về

sự chỉ dẫn nhiệt tình, tin tưởng, quan tâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn thành bản luận án

Tôi xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu tại các buổi tác giả báo cáo khoa học của PGS.TS Bùi Quốc Khánh, GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS Tạ Cao Minh,

TS Nguyễn Thế Công, PGS.TS.Nguyễn Quang Địch, PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh,

TS Đỗ Mạnh Cường, TS Dương Minh Đức, TS Phạm Việt Phương cùng các cán bộ, giảng viên bộ môn TĐHCN- Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về nhiều mặt để tôi hoàn thành luận án Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có địa điểm nghiên cứu và triển khai thực nghiệm của đề tài

Tôi xin cảm ơn TS.Vũ Hoàng Phương và các sinh viên cùng nhóm nghiên cứu đã hỗ trợ rất đắc lực và hiệu quả cho tôi trong việc hoàn thành các mô hình thực nghiệm

Tôi cũng muốn cảm ơn TS.Nguyễn Tùng Lâm - BM TĐHCN, TS.Đào Phương Nam -

BM Điều khiển tự động ĐHBKHN và TS Trần Duy Trinh - ĐH Sư phạm kỹ thuật Vinh là những người xuyên trao đổi chuyên môn, hỗ trợ tác giả trong việc tìm kiếm tài liệu nghiên cứu và động viên giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình triển khai luận án

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện của Ban giám hiệu trường Đại học Thành Đô và các đồng nghiệp tại khoa Công nghệ Kỹ thuật Điện

Tự động hóa - Đại học Thành Đô

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình tôi, đặc biệt là vợ và con gái

Sự quan tâm, động viên và giúp đỡ của gia đình đã giúp tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN ………2

MỤC LỤC ……… 3

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG 8

DANH MỤC HÌNH VẼ 9

MỞ ĐẦU 14 1 TỔNG QUAN 18

1.1 Vai trò của những bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối nguồn phát phân tán với lưới điện 18

1.2 Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp 20

1.2.1 Nghịch lưu dùng điôt kẹp các mức điện áp 20

1.2.2 Nghịch lưu đa bậc dạng tụ bay (flying capacitor - Clamped) 22

1.2.3 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H 23

1.2.4 Nghịch lưu đa bậc tổng quát 25

1.2.5 Những cấu trúc nghịch lưu đa bậc đặc biệt khác 26

1.3 Các phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc 28

1.3.1 Điều chế tại tần số cơ bản 28

1.3.2 Điều chế theo sóng mang 29

1.3.3 Điều chế vector không gian (SVM) 30

1.4 Tổng quan về phương pháp chuyển mạch trong biến tần ma trận 31

1.5 Các phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện cho bộ biến đổi đa bậc 32

1.6 Tổng quan về tình hình ứng dụng bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối nguồn điện phân tán với lưới 34

1.6.1 Cấu trúc bộ AC-DC-DC-AC 37

1.6.2 Cấu trúc bộ AC-DC-AC-AC 38

1.7 Định hướng và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 39

1.7.1 Định hướng nghiên cứu 39

1.7.2 Những nhiệm vụ cần giải quyết của luận án 41

1.7.3 Đóng góp của luận án 41

1.8 Tóm tắt và kết luận 42

Trang 5

2 BỘ BIẾN ĐỔI HAI CỔNG AC-DC-AC-AC CÓ KHÂU TRUNG GIAN TẦN SỐ CAO 43

2.1 Cấu trúc của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng 43

2.2 Phân tích bộ biến đổi phía cổng 1 44

2.2.1 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng 46

2.2.2 Cân bằng điện áp các khâu DC Nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H 48

2.3 Phân tích bộ biến đổi ở cổng 2 54

2.3.1 Các nguyên lý điều chế mạch AC-AC 55

2.3.2 Điều chế PWM cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu AC-AC điều chế kiểu biến tần ma trận 56

2.3.3 Điều khiển chuyển mạch cho biến tần ma trận 58

2.3.4 Mô phỏng, kiểm chứng phương pháp điều chế và thuật toán chuyển mạch 62

2.3.5 Bộ nghịch lưu 7 bậc xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng 63

3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI 68

3.1 Mô hình trạng thái và vấn đề điều khiển công suất của bộ biến đổi nối lưới 68

3.1.1 Mô hình trạng thái liên tục 68

3.1.2 Điều khiển công suất trong bộ biến đổi nối lưới 70

3.2 Phân tích cấu trúc điều khiển 70

3.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển PI cho bộ biến đổi 72

3.3.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện 72

3.3.2 Thiết kế mạch vòng điện áp một chiều trung gian ở cổng 1 74

3.3.3 Thiết kế các vòng điều khiển công suất 75

3.4 Cấu trúc điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện 78

3.4.1 Cấu trúc của bộ điều khiển cộng hưởng 78

3.4.2 Thiết kế bộ điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện của hệ thống AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng 82

3.5 Cấu trúc điều khiển tựa thụ động cho mạch vòng dòng điện 82

3.5.1 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động 82

3.5.2 Xây dựng bộ điều khiển tựa thụ động cho mạch dòng điện 83

3.6 Cấu trúc điều khiển tựa thụ động thích nghi tham số cho mạch vòng dòng điện 85 3.7 Mô phỏng kiểm chứng kết quả 89

3.7.1 Mô phỏng hệ điều khiển trên hệ tọa độ dq với bộ điều khiển PI cho mạch vòng dòng điện 90

3.7.2 Mô phỏng điều khiển bộ biến đổi với cấu trúc điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện 94

3.7.3 Mô phỏng điều khiển trên hệ dq với bộ điều khiển tựa thụ động 97

Trang 6

3.7.4 Mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển tựa thụ động khi có sai lệch R, L 99

3.7.5 Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển tựa thụ động có khâu thích nghi tham số 101 3.7.6 Đánh giá kết quả mô phỏng 103

4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 105

4.1 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng thuật toán cân bằng điện áp trên tụ 105

4.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống và mô hình thực nghiệm 105

4.1.2 Các kết quả thực nghiệm 108

4.2 Hệ thống thực nghiệm bộ DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao 110

4.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm 110

4.2.2 Thuật toán điều chế 113

4.2.3 Kết quả thực nghiệm 114

4.3 Thực nghiệm bộ nghịch lưu 7 bậc DC-AC-AC nối tầng 116

4.3.1 Sơ đồ thực nghiệm 116

4.4 Thực nghiệm bộ biến đổi AC-DC-AC-AC một pha ba bậc 120

4.4.1 Sơ đồ thực nghiệm 120

4.4.2 Cấu trúc điều khiển 120

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 134

PHỤ LỤC ……… 135

PL 1.Một số hình ảnh về Kit FPGA và Xilinx Blockset 135

PL 2.Một số cấu trúc điều khiển thực hiện trên Malab-Simulink 137

Trang 7

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

dạng trường

chiều linh hoạt

hình dự báo

Trang 8

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

Trang 9

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Trạng thái van tương ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 3 bậc diot kẹp21

Bảng 1.2 Trạng thái van tương ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 5 bậc diot kẹp21

Bảng 1.3 Trạng thái van ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 3 bậc loại tụ kẹp 22

Bảng 1.4 Trạng thái van ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 5 bậc kiểu tụ bay 23

Bảng 2.1 Trạng thái các van của một module cầu H ứng với các trạng thái khác nhau của điện áp đầu ra 45 Bảng 2.2 Các mức điện của nghịch lưu đa bậc với 3 cầu, điện áp một chiều bằng nhau 45 Bảng 2.3 Trạng thái van và tình trạng phóng nạp của tụ DC đối với một cầu chữ H 50

Bảng 2.4 Trạng thái của van đối với các mức điện áp ra trong sơ đồ nối tầng 3 cầu H 50

Bảng 2.5 Tác động cân bằng điện áp trên các tụ DC cho nghịch lưu nối tầng 3 cầu H 51

Bảng 3.1 Bảng tham số hệ thống bộ biến đổi 90

Bảng 3.2 Tham số bộ điều khiển 90

Bảng 3.3 Tham số bộ điều khiển cộng hưởng 94

Bảng 3.4 Tham số các bộ điều khiển 97

Bảng 4.1 Bảng thông số mô hình thực nghiệm DC-AC-AC 111

Bảng 4.2 Bảng thông số LEM LAH 55-P 112

Bảng 4.3 Bảng thông số dải đo dòng điện, điện áp của mạch đo 112

Bảng 4.4 Các tham số thực nghiệm 121

Trang 10

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện tử công suất ứng dụng trong nguồn phân tán [107] 18

Hình 1.2 Cấu hình nghịch lưu thông thường trong các ứng dụng công suất lớn [99] 19

Hình 1.3 Vấn đề khi mắc nối tiếp các van 19

Hình 1.4 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc dùng diot kẹp 3 mức (a) và 5 mức(b) [54] 21

Hình 1.5 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc kiểu tụ bay (a) 3 mức (b) 5 mức [54] 23

Hình 1.6 Nghịch lưu đa bậc nối tầng 7 bậc (a) và 9 bậc (hình b) [29] 24

Hình 1.7 Nghịch lưu đa bậc 3 pha 2 mức nối tầng [38] 25

Hình 1.8 Sơ đồ nghịch lưu đa bậc dạng tổng quát [41] 25

Hình 1.9 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai nhiều mức [111] 26

Hình 1.10 Sơ đồ nghịch lưu đa bậc nối tầng bất đối xứng với giá trị điện áp của mỗi tầng khác nhau 27 Hình 1.11 Nghịch lưu đa bậc nối tầng bất đối xứng với tần số khác nhau 27

Hình 1.12 Nghịch lưu đa bậc lai sử dụng cấu trúc chuyển mạch mềm 27

Hình 1.13 Điện áp ra nghịch lưu đa bậc trong điều chế tại tần số cơ bản 28

Hình 1.14 Điều chế tại tần số cơ bản sử dụng thuật toán cân bằng điện áp[49] 28

Hình 1.15 Điều chế sóng mang dịch mức 29

Hình 1.16 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch 31

Hình 1.17 Trạng thái logic của các van trong chuyển mạch bốn bước theo điện áp 32

Hình 1.18 Phân loại các cấu trúc bộ điều khiển dòng điện cho nghịch lưu đa bậc nối lưới 33 Hình 1.19 Hệ thống STATCOM 1-MVA 6,6 kV xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng [45] 34

Hình 1.20 Hệ thống AF dựa trên bộ nghịch lưu đa bậc điốt kẹp 3 pha ba bậc [46] 35

Hình 1.21 Cấu hình hệ AF trên cơ sở bộ nghịch lưu tụ kẹp 7 bậc[74] 35

Hình 1.22 Cấu hình bộ biến đổi 3 cổng UNIFLEX-PM xây dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu cầu H nối tầng ứng dụng để tích hợp các nguồn điện phân tán vào lưới [92], [93] 36

Hình 1.23 Cấu trúc lưới điện phân tán sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất Uniflex-PM[105] 36 Hình 1.24 Sơ đồ cấu hình Uniflex-PM (Khâu DC-DC cách ly) 37

Hình 1.25 Sơ đồ cấu hình Uniflex-PM (Khâu DC-AC cách ly) 38

Hình 1.26 Module DC-AC-AC 39

Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống AC-DC-AC-AC xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H và bộ DC-AC-AC 43

Hình 2.2 Cấu trúc bộ biến đổi của cổng 1 44

Trang 11

Hình 2.3 Cấu trúc một module cầu H công suất 44

Hình 2.4 Phương pháp điều chế 1 cực tính với hai sóng điều chế 46

Hình 2.5 Phương pháp điều chế 1 cực tính với một sóng điều chế hai sóng mang 47

Hình 2.6 Phương pháp điều chế 2 cực tính 47

Hình 2.7 Điều chế sóng mang kiểu dịch pha cho bộ nghịch lưu cầu H 7 bậc[29] 48

Hình 2.8 Trạng thái tụ nạp khi S1, S4 = 1, iL>0 50

Hình 2.9 Trạng thái tụ phóng khi S2, S3=1, iL>0 50

Hình 2.10 Tụ chỉ cấp dòng ra tải khi S2, S4=1, iL>0 50

Hình 2.11 Tụ chỉ cấp dòng ra tải khi S1, S3=1, iL>0 50

Hình 2.12 Chỉnh lưu tích cực trên cơ sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H 52

Hình 2.13 Thực thi thuật toán cân bằng điện áp trên tụ bằng matlab Simulink 52

Hình 2.14 Kết quả mô phỏng thuật toán cân bằng điện áp trên tụ 53

Hình 2.15 Kết quả phân tích sóng hài dòng điện chạy qua cuộn cảm từ t =0,3s đến 0,4s 53 Hình 2.16 Cấu trúc bộ biến đổi ở cổng 2 (a) và Sơ đồ cấu trúc của một module DC-AC-AC(b) 54 Hình 2.17 Sự tương đương về mặt điều chế giữa khâu AC-AC (a) và cầu H (b) 56

Hình 2.18 Mẫu xung điều chế PWM cho matrix converter dùng hai sóng mang ngược pha 57 Hình 2.19 Mẫu xung PWM cho matrix converter dùng 2 sóng điều chế ngược pha 58

Hình 2.20 Quy ước về chiều dòng điện 59

Hình 2.21 Quy ước về dấu uf 59

Hình 2.22 Đồ thị thời gian quá trình chuyển mạch giữa van 2 chiều S1 và S3 khi uf(t)>0 60 Hình 2.23 Đồ thị thời gian quá trình chuyển mạch giữa van 2 chiều S1 và S3 khi uf(t)<0 60 Hình 2.24 Đồ thị trạng thái logic chuyển mạch, khi uf(t) > 0, ví dụ trạng thái 1 là 1100 60

Hình 2.25 Mô hình logic chuyển mạch dùng StateFlow 61

Hình 2.26 Chỉnh lưu tích cực trên cơ sở bộ biến đổi DC-AC-AC 62

Hình 2.27 Thực thi thuật toán điều chế trên phần mềm matlab Simulink 62

Hình 2.28 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC-AC-AC 63

Hình 2.29 Khả năng xảy ra ngắn mạch trong sơ đồ back-to-back của nghịch lưu nối tầng 64 Hình 2.30 Nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng 65

Hình 2.31 Giản đồ xung điều khiển các van dạng dịch pha phía sơ cấp máy biến áp 66

Hình 2.32 Điều chế PWM dịch pha cho nghịch lưu 3 DC-AC-AC nối tầng 66

Hình 2.33 Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở DC-AC-AC nối tầng 66

Hình 2.34 Kết quả mô phỏng nghịch lưu đa bậc nối tầng DC-AC-AC 66

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu nối lưới [78] 68

Hình 3.2 Sơ đồ thay thế mạch điện phía lưới với bộ biến đổi đa bậc 69

Hình 3.3 Mô hình bộ biến đổi phía lưới 69

Hình 3.4 Biểu diễn vector dòng điện phía lưới 70

Trang 12

Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phía cổng 1 71

Hình 3.6 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển ở cổng 2 71

Hình 3.7 Cấu trúc bộ điều khiển ở cổng 1,2 trên trục tọa độ dq 73

Hình 3.8 Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng trong hệ tọa độ dq 73

Hình 3.9 Quy ước dạng dòng điện và điện áp phía một chiều trung gian 74

Hình 3.10 Sơ đồ khối vòng kín bộ điều khiển điện áp một chiều trung gian 75

Hình 3.11 Mạch vòng điều khiển công suất ở 2 cổng 75

Hình 3.12 Cấu trúc điều khiển PI ở cổng 1 76

Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển PI ở cổng 2 76

Hình 3.14 Cấu trúc bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng 76

Hình 3.15 Cấu trúc bộ điều khiển cộng hưởng [43] 78

Hình 3.16 Biểu đồ Bode cho bộ điều khiển cộng hưởng 79

Hình 3.17 Bộ điều chỉnh cộng hưởng bù hài bậc 1,3,5,7 79

Hình 3.18 Cấu trúc điều khiển PR cho một pha của bộ nghịch lưu đa bậc phía lưới 80

Hình 3.19 Sơ đồ khối bộ điều khiển PR (hình a) và cấu trúc bộ điều khiển trên hệ tọa độ αβ (hình b) 81 Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển cổng 2 với bộ điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện 82 Hình 3.21 Cấu trúc hệ thống điều khiển ở cổng 2 84

Hình 3.22 Cấu trúc hệ thống điều khiển ở cổng 2 88

Hình 3.23 Cấu trúc điều khiển dòng điện thích nghi tựa thụ động ở cổng 2 88

Hình 3.24 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển 89

Hình 3.25 Dạng điện áp một chiều của các tụ pha A,B,C và điện áp trung bình trên một pha 91 Hình 3.26 Dạng điện áp ngay đầu vào bộ biến đổi phía cổng 1 và cổng 2 91

Hình 3.27 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2 92

Hình 3.28 Công suất tác dụng trao đổi ở hai cổng 92

Hình 3.29 Công suất phản kháng trao đổi ở 2 cổng 93

Hình 3.30 Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ở cổng 1 và cổng 2 93

Hình 3.36 Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ỏ cổng 1 và 2 96

Trang 13

Hình 3.42 Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ỏ cổng 1 và 2 99

Hình 3.44 Công suất tác dụng và công suất phản kháng trao đổi ở hai cổng 100

Hình 3.45 Phân tích sóng hài dòng điện ở 2 cổng khi hệ thống đã ổn định 100

Hình 3.46 Dạng điện áp một chiều của các tụ pha A,B,C và điện áp trung bình trên một pha 101 Hình 3.47 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 1 và 2 101

Hình 3.48 Dạng điện áp đầu vào hai cổng bộ biến đổi 102

Hình 3.49 Giá trị công suất tác dụng trao đổi ở cổng 1,2 102

Hình 3.50 Giá trị đặt và giá trị thực của công suất phản kháng ở cổng 1 và 2 102

Hình 3.51 Phân tích sóng hài dạng dòng điện ở cổng 2 khi t=0,14->0,144s 103

Hình 4.1 Cấu trúc thực nghiệm chỉnh lưu tích cực một pha 7 bậc nối tầng 106

Hình 4.2 Hình ảnh mạch lực bộ chỉnh lưu tích cực 7 bậc nối tầng cầu H 106

Hình 4.3 Mô hình thực nghiệm nghịch lưu đa bậc trong phòng thí nghiệm 107

Hình 4.4 Điều chế kiểu dịch pha hai sóng điều chế cho sơ đồ 7 mức đã quy đổi về dạng 0¸1 107 Hình 4.5 Giao diện điều khiển và kết quả thực nghiệm, Udref = 50VDC 108

Hình 4.6 Giao diện điều khiển và kết quả thực nghiệm, Udref = 100VDC 109

Hình 4.7 Giao diện điều khiển và kết quả thực nghiệm, Ud,ref = 150VDC 109

Hình 4.8 Điện áp đo trên mỗi cầu H đo bằng Osiloscope 110

Hình 4.9 Điện áp ra mạch nghịch lưu Multilevel đo bằng Osiloscope 110

Hình 4.10 Cấu trúc mô hình hệ thống thực nghiệm DC-AC-AC 111

Hình 4.11 Sơ đồ thiết kế mạch nguyên lý mạch lực 112

Hình 4.12 sơ đồ mạch Driver phát xung vào van 112

Hình 4.13 Nguyên lí đo điện áp 112

Hình 4.14 Nguyên lí đo dòng điện dùng LEM 112

Hình 4.15 Mạch van tích hợp mạch Driver on Board 112

Hình 4.16 CPLD EPM3064 ALU44-10 113

Hình 4.17 Mạch đo lường 113

Hình 4.18 Mẫu xung điều khiển phía sơ cấp máy biến áp 113

Hình 4.19 Mẫu xung điều chế theo phương pháp 2 sóng điều chế quy đổi về 0÷1 114

Hình 4.20 Dạng sóng uf, Upwm+, uS1 115

Hình 4.21 Dạng sóng uf, upwm-, uS4 115

Hình 4.22 Điện áp đầu ra bộ biến đổi và điện áp trên tải khi Udc = 80V 115

Hình 4.23 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm (đo trên máy hiện sóng) 115

Trang 14

Hình 4.24 Dạng dòng chạy qua cuộn cảm đo trên máy tính, lượng đặt dòng thay đổi từ 4-6A 115

Hình 4.25 Cấu trúc thực nghiệm bộ nghịch lưu DC-AC-AC 7 bậc nối tầng 116

Hình 4.26 Hình ảnh mạch lực của bộ DC-AC-AC 7 bậc nối tầng và kit FPGA 117

Hình 4.27 Sơ đồ điều khiển một module DC-AC-AC trên Toolbox System Generation for DSP 117 Hình 4.28 Thực thi thuật toán dịch pha 118

Hình 4.29 Dạng xung trước và sau tầng driver 118

Hình 4.30 Thời gian deadtime (đo 2 xung vào van V1 và V2) 118

Hình 4.31 Sự dịch pha các tín hiệu phần sơ cấp giữa 3 module ( Đo ở van V1 của mỗi module) 119 Hình 4.32 Dạng điện áp ở phía sơ cấp máy biến áp tần số cao 119

Hình 4.33 Dạng xung vào van S4b của 3 module 119

Hình 4.34 Điện áp đo được đầu ra của một module 119

Hình 4.35 Điện áp đo đầu ra đo được của bộ biến đổi nối tầng DC-AC-AC 7 bậc 119

Hình 4.36 Cấu trúc bộ AC-DC-AC-AC 1 pha 3 mức 120

Hình 4.37 Cấu trúc điều khiển hệ AC-DC-AC-AC một pha 3 mức 120

Hình 4.38 Hình ảnh thực nghiệm bộ AC-DC-AC-AC 121

Hình 4.39 Giá trị điện áp một chiều trung gian (B) và điện áp đo trên thứ cấp máy biến áp (A) (Tỷ lệ đo 10:1) 122

Hình 4.40 Đo dòng điện (1:1500) và điện áp phía chỉnh lưu AC-DC- Trường hợp truyền công suất 122 Hình 4.41 Đo dòng điện (1:1500) và điện áp phía chỉnh lưu AC-DC- trường hợp nhận công suất 122 Hình 4.42 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 2 (hình A) và dạng điện áp một chiều (hình B) 122 Hình 4.43 Điện áp ra nghịch lưu DC-AC-AC (A) và điện áp thứ cấp máy biến áp tự ngẫu(B) 122 Hình 4.44 Phân tích phổ dòng diện phía lưới 122

Hình 4.45 Góc đồng bộ điện áp lưới trên Control desk 123

Trang 15

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 [19], [23], [80] Sự xuất hiện các hệ phát điện phân tán từ các nguồn năng lượng tái tạo là

sự bổ sung cần thiết cho các nguồn thủy điện và nhiệt điện Các nguồn năng lượng này tạo

ra từ các nguồn điện sơ cấp khác nhau, để có thể cung cấp cho phụ tải điện hoặc hòa với lưới điện quốc gia nhằm hỗ trợ lưới quốc gia Theo [79], mức độ tham gia của các nguồn điện phân tán vào hệ thống cung cấp điện đang có sự gia tăng mạnh trên toàn thế giới Điều này có thể tác động tích cực đến mạng lưới cung cấp điện nhưng nếu không được quản lý và điều phối hợp lý có thể gây tác động tiêu cực đến mạng lưới cung cấp điện Lấy năng lượng mặt trời làm ví dụ, đây là nguồn năng lượng được triển khai ở nhiều quốc gia, xét về tác động tích cực, việc triển khai năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho các tải phân tán đã làm giảm dòng điện chạy qua lại trong mạng điện từ đó giảm tổn thất và sụt điện áp Tuy nhiên, tác động tiêu cực mà các nguồn năng lượng này có thể gây ra như gây biến động điện áp, thay đổi hệ số công suất, biến động tần số, gây các sự cố về dòng điện, tăng độ méo sóng hài dòng điện

Khi có các nguồn điện tham gia vào hệ thống thì mức độ phức tạp của hệ thống năng lượng ngày càng tăng lên đặt ra cần thiết có những bộ biến đổi điện tử công suất đáp ứng được khả năng kết nối, trao đổi công suất và ổn định hệ thống năng lượng Yêu cầu của bộ biến đổi là phải điều khiển được dòng công suất giữa các thành phần của lưới để phát huy hết công suất của các nguồn phát trong khi phải tránh được các xung động đột ngột do mất tải hay do chính các nguồn phát biến động Ngoài vấn đề về cấu trúc bộ biến đổi thì mạch vòng dòng điện với khả năng điều chỉnh chính xác, ổn định bền vững là yếu tố tiên quyết cho quá trình trao đổi năng lượng diễn ra theo như mong muốn

Tuy nhiên, việc phát triển về mặt quy mô và sản lượng của nguồn điện phân tán tích hợp vào lưới điện cũng đặt ra hai thách thức cơ bản Thứ nhất, đó là sự tương quan, trao đổi công suất giữa các nguồn điện được sản xuất từ các nguồn điện truyền thống với các nguồn năng lượng phân tán Thứ hai, đó là thách thức về việc ứng dụng điện tử công suất

mở rộng cả về mặt phạm vi và công suất trong việc truyền tải phân phối điện năng từ việc tạo ra, truyền tải, phân phối và các ứng dụng của người dùng

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 [50] 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 và tần số thấp trong khi vẫn đảm bảo tần

số và 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

Việc sử dụng các bộ biến đổi đa bậc nối tầng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới

là chủ đề đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước,

Trang 16

điển hình là các nghiên cứu công bố trong các tài liệu [34], [70], [80], [81], [82], [83] đã đưa ra bộ biến đổi UNIFLEX-PM (Universal Flexible Power Management system) với hai cấu hình cơ bản là cấu trúc AC-DC- DC-AC và AC-DC-AC-AC Các bộ biến đổi này đều

có khả năng trao đổi công suất hai chiều, đảm bảo khả năng cách ly và đảm bảo độ tin cậy cao và có cấu trúc module do đó dễ dàng bảo trì, mở rộng hệ thống Tuy nhiên, cả hai bộ biến đổi mà các nhóm tác giả đã đề xuất đều có những hạn chế Đối với bộ biến đổi AC-DC-DC-AC cần thiết rất nhiều tụ một chiều trung gian điều này dẫn đến việc cân bằng điện áp một chiều trung gian phức tạp hơn Đối với bộ biến đổi AC-DC-AC-AC, khâu AC-

AC lại điều chế theo kiểu Cyclo converter để chuyển mạch tự nhiên điều này sẽ dẫn đến hai nhược điểm: nhược điểm thứ nhất là quá trình điều chế độ rộng xung diễn ra ở phần sơ cấp máy biến áp tần số cao dẫn đến trong chế độ quá độ, dòng từ hóa không được cân bằng; nhược điểm thứ 2 là quá trình chuyển mạch phía AC-AC cần thiết phải biết dấu của điện áp và dòng điện đầu ra tần số thấp, điều này rất khó thực hiện được ở vùng tín hiệu nhỏ gần không, có đập mạch Do đó, luận án tiếp tục nghiên cứu những vấn đề về điều khiển điều chế, chuyển mạch cho bộ biến đổi đa bậc AC-DC-AC-AC nhằm đáp ứng nhiệm

vụ kết nối các nguồn điện phân tán với lưới Với cấu hình mạch lực như vậy, nhiệm vụ tiếp theo đặt ra là điều khiển các mạch vòng 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, ta hoàn toàn có thể dùng các phương pháp điều khiển

cơ bản, chẳng hạn PI, để điều khiển mà vẫn đảm bảo chất lượng 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 thông qua các khâu như hạn chế dòng điện Đảm bảo chất lượng mạch vòng dòng điện 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, trong một số trường hợp, mạch vòng dòng điện có chức năng thay thế luôn cả chức năng điều khiển công suất Do đó, một nhiệm vụ nghiên cứu quan trọng là phải kiểm chứng khả năng làm việc của bộ biến đổi khi sử dụng một số luật điều khiển dòng điện khác nhau

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 DC-AC-AC nối tầng

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

§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

Trang 17

§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:

Trang 18

Chương 1 Tổng quan: Nghiên cứu vai trò của bộ biến đổi đa bậc đối với việc nối lưới các nguồn phát phân tán Tác giả nghiên cứu và phân tích tình hình ứng dụng bộ biến đổi

đa bậc trong việc nối lưới các nguồn phát phân tán về các phương diện: cấu trúc bộ biến đổi; phương pháp điều chế; phương pháp điều khiển Qua những tổng hợp trên một số công trình nghiên cứu trước đây về bộ biến đổi đa bậc, tác giả chỉ ra những vấn đề cần tập trung nghiên cứu và giải quyết

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 mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ một chiều trung gian; 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: trọng tâm của chương này là xây dựng hệ điều khiển cho bộ biến đổi đã đề cập ở chương 2 Các vòng điều khiển dòng điện, điện áp một chiều trung gian và 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 và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số

Chương 4 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

Cuối cùng là mục Kết luận và kiến nghị, chỉ ra những đóng góp chính của luận án và hướng phát triển tiếp của đề tài

Trang 19

và các khâu lọc Trong hệ thống cũng có kho lưu trữ điện, hệ thống cần phải đảm bảo khả năng trao đổi công suất hai chiều giữa lưới và kho điện [106]

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện tử công suất ứng dụng trong nguồn phân tán [107]

Nhìn vào sơ đồ cấu trúc Hình 1.1 dễ dàng nhận thấy, các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò cực kỳ quan trọng, chúng thực hiện các nhiệm vụ biến đổi AC-DC, DC-DC, DC-AC và đảm bảo hiệu suất cao và khả năng làm việc tin cậy của hệ thống Bộ biến đổi điện tử công suất cũng phải quản lý được các chế độ hoạt động của nguồn phân tán (chế độ nối lưới và chế độ độc lập); quản lý năng lượng mà cụ thể là các quá trình thu phát công suất; đảm bảo khả năng tích hợp nhiều nguồn điện phân tán vào lưới Các bộ biến đổi điện

tử công suất cũng chính là khâu then chốt để các nguồn điện phân tán có thể tích hợp vào lưới quốc gia cũng như nó có thể đảm nhiệm các chức năng đặc biệt khác chẳng hạn như chức năng như bộ Statcom, chức năng bù công suất phản kháng, phục hồi điện áp động (DVR)… Với xu hướng phát triển mạnh mẽ của các phương pháp điểu khiển hiện đại, các

bộ biến đổi điện tử công suất ngày nay có thể đảm bảo được các yêu cầu về phân phối truyền tải điện từ nguồn điện đến các hộ tiêu thụ điện [39]

Trang 20

Trong các tài liệu [19], [21], [80], [107] đã trình bày một số cấu hình của bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới Các cấu trúc này có đặc điểm là sử dụng các bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha, 3 pha thông thường hoặc nghịch lưu nguồn Z Khi các bộ biến đổi này ứng dụng cho những hệ thống có điện áp lớn và công suất cao hơn thì sẽ đòi hỏi cần có những linh kiện điện tử công suất với khả năng: chịu điện áp lớn, yêu cầu du/dt cao, điện áp Common mode lớn và có khả năng đóng cắt với tần

số cao [26] Theo [99], 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 như Hình 1.2 Tuy nhiên, vấn đề thách thức đối với giải pháp này là làm sao điều khiển đồng thời các van Nếu không, để xảy ra trường hợp như Hình 1.3b sẽ làm phá huỷ van T4

Hình 1.2 Cấu hình nghịch lưu thông thường trong

các ứng dụng công suất lớn [99] Hình 1.3 Vấn đề khi mắc nối tiếp các van

Như vậy các cấu trúc dựa trên cơ sở cấu trúc các bộ biến đổi hai mức chỉ phù hợp với các ứng dụng công suất nhỏ Mặt khác công suất của các nguồn điện phân tán tích hợp trong lưới điện ngày càng lớn và sẽ tiếp tục tăng cao trong vài thập kỷ tới [39] Khi công suất phát của các nguồn điện sức gió hay điện mặt trời lớn cỡ khoảng 10MW và điện áp cao thì những cấu trúc kiểu nghịch lưu nguồn áp hai mức không còn phù hợp Cấu trúc các

bộ biến đổi đa bậc đã được phát triển để có thể sử dụng các thiết bị đóng cắt bán dẫn với điện áp tương đối thấp, có sẵn trên thị trường cho các ứng dụng yêu cầu điện áp cao, công suất lớn [59] Hơn nữa, so với các bộ biến đổi 2 mức truyền thống thì bộ biến đổi đa bậc có lợi hơn về chất lượng sóng hài dẫn đến việc thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ biến đổi không phức tạp như bộ biến đổi 2 mức [59] Với những lý do trên, bộ biến đổi đa bậc được coi

như một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao

Ngoài ưu thế về điện áp, bộ biến đổi đa bậc có thể tạo ra điện áp dạng sin từ các bước điện áp nhỏ hơn từ các nguồn DC cách ly hoặc từ các cấp điện áp dùng bộ phân áp bằng một loạt các tụ 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 [71]

Nghịch lưu đa bậc có ba cấu trúc cơ bản: 1 Nghịch lưu dùng điôt kẹp các mức điện áp;

2 Nghịch lưu dùng hệ thống tụ kẹp (tụ bay); 3 Nghịch lưu nối tầng Trong nghịch lưu dùng điôt kẹp nguồn một chiều DC được tạo ra nhiều mức nhờ hệ thống tụ phân áp, các điôt có tác dụng găm các mức điện áp trên sơ đồ van vào các mức điện áp này Sơ đồ có thể chỉ cần một nguồn DC duy nhất, tuy nhiên nhược điểm là cần tới nhiều điôt trong mạch

Trang 21

chốt và vấn đề cân bằng các mức điện áp DC tương đối phức tạp Trong nghịch lưu dùng

hệ thống tụ kẹp thì mỗi mức điện áp một chiều do một nguồn DC đảm nhiệm và có tụ DC riêng của mình, do đó sơ đồ không cần đến các điôt kẹp, không có vấn đề về cân bằng điện

áp DC, tuy vậy lại cần có nhiều nguồn DC cách ly

Nghịch lưu nối tầng có thể có nhiều dạng nhưng phổ biến nhất là dạng gồm nhiều cầu chữ H nối tiếp với nhau ở phía xoay chiều, có ưu điểm lớn nhất là tính mô-đun hoá cao Như đã chỉ ra trong [46], [51] lợi thế của các nghịch lưu đa bậc dùng các khâu biến đổi nối tầng bao gồm: (1) các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở tần số cơ bản (hoặc gần tần số này),

do đó giảm đáng kể tổn hao do quá trình đóng cắt, (2) không cần dùng máy biến áp ở tần

số lưới cung cấp các mức điện áp cần thiết, (3) kết cấu kiểu mô-đun hoá nên cấu trúc mạch lực đơn giản hơn, số lượng thiết bị ít hơn và (4) vì không có biến áp hệ thống có thể đáp ứng nhanh hơn nhiều Những cấu trúc cơ bản đó sẽ được phân tích ở mục 1.2 dưới đây Trong các bộ biến đổi PWM nối lưới thông thường, để giảm thiểu ảnh hưởng của tần số đóng cắt cao fpwm do quá trình điều chế thì việc thiết kế cuộn cảm đầu vào và mạch lọc LC cần thiết là khá phức tạp Mặt khác, quá trình điều khiển khi đầu vào phía xoay chiều là mạch LCL cũng là một bài toán nan giải Điều này dẫn đến mối quan tâm lớn đến bộ biến đổi đa bậc trong các hệ thống thiết bị tham gia vào quá trình điều khiển và đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống điện nói chung và trong lưới tích hợp nguồn phân tán nói riêng, tiêu biểu như các hệ thống bù tĩnh (SVC, STATCOM), các hệ thống điều khiển dòng năng lượng (UPFC), phục hồi điện áp động hay các bộ lọc tích cực Tương tự như vậy các ứng dụng trong các hệ truyền động công suất lớn, điện áp cao biến đổi đa bậc cũng đem lại những hiệu quả đáng kể

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 [51] Bộ biến đổi điện tử công suất nói chung và bộ biến đổi đa bậc nói riêng khi được ứng dụng vào các nguồn điện phân tán có nối lưới phải đảm bảo các yêu cầu đó là: Kiểm soát biến động điện áp; điều khiển hệ số công suất; kiểm soát được biến động tần số; giảm sóng hài; đảm bảo khả năng cách ly; có thể truyền công suất tác dụng hai chiều và thu phát công suất phản kháng; đảm bảo về độ tin cậy và linh hoạt khi vận hành; bền vững với những biến động ngắn hạn (lồi lõm điện áp), mất cân bằng pha… [100] Để đảm bảo được các yêu cầu trên, việc khảo sát cấu hình các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp để lựa chọn phương án mạch lực cho hợp lý, nghiên cứu chọn lựa hoặc đề xuất các thuật toán điều chế chuyển mạch phù hợp với cấu hình mạch lực là những công việc phải thực hiện trước Sau đó, cần thiết phải nghiên cứu áp dụng các phương pháp điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt ra cho hệ thống

1.2 Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp

1.2.1 Nghịch lưu dùng điôt kẹp các mức điện áp

Năm 1981 Nabae, Takahashi và Akagi đã đề xuất cấu trúc Neutral – point converter là

bộ biến đổi 3 bậc sử dụng diot kẹp [27] Hình 1.4 thể hiện cấu trúc bộ nghịch lưu ba bậc và năm bậc với diot kẹp (theo [53]) Đối với mạch nghịch lưu 3 bậc, điện áp một chiều được chia thành 3 mức bởi hai tụ C1, C2 điểm giữa của hai tụ là điểm nối chung N Điện áp đầu

ra UaN có 3 trạng thái là Udc/2, 0 và –Udc/2 Để tạo ra mức điện áp, trạng thái các van tương ứng chỉ ra như Bảng 1.1 dưới đây

Trang 22

Bảng 1.1 Trạng thái van tương ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 3 bậc diot kẹp

Trong sơ đồ Hình 1.4a dưới đây, thành phần quan trọng trong sơ đồ là hai diot D1 và

D1’ Hai diot này đóng vai trò chốt điện áp và chia điện áp DC thành hai mức Khi cả hai van S1 và S2 được mở thì điện áp Ua0 = Udc Trong trường hợp đó thì D1’ đóng vai trò cân bằng điện áp rơi trên hai khoá là S1’ và S2’, trong đó S1’ chịu điện áp trên tụ C1 và S2’ chịu điện áp trên tụ C2 Điện áp UaN là điện áp xoay chiều còn điện áp Ua0 là điện áp một chiều chính là điện áp trên tụ C1 Mức chênh lệch điện áp giữa UaN và Ua0 chính là điện áp trên tụ

C2 và bằng Udc/2 Nếu coi Ua0 là điện áp đầu ra thì sơ đồ mạch trở thành bộ biến đổi DC/DC với ba mức điện áp là Udc, Udc/2, 0 Hình 1.4b minh hoạ bộ biến đổi 5 mức bao gồm 4 tụ điện mắc nối tiếp C1, C2, C3 và C4

-4

DC

U

Hình 1.4 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc dùng diot kẹp 3 mức (a) và 5 mức(b) [53]

Phương pháp điều chế được biểu diễn như Bảng 1.2

Bảng 1.2 Trạng thái van tương ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 5 bậc diot kẹp

§Cần thiết số lượng nhỏ các tụ, tất cả các pha sử dụng chung một nguồn DC Vì lý

do đó, cấu trúc này thường được sử dụng như bộ biến đổi back-to-back

§Khi số bậc đủ lớn sẽ không cần thiết kế khâu lọc và chất lượng sóng hài vẫn đảm bảo

§Tất cả các van đều đóng cắt ở tần số cơ bản do đó hiệu suất bộ biến đổi cao

Trang 23

§Có thể điều khiển được chiều dòng công suất phản kháng

vNhược điểm:

§Điều khiển luồng công suất tác dụng khó khăn vì đòi hỏi cần phải theo dõi và điều khiển chính xác mức điện áp một chiều trên tụ, điều này dẫn đến các tụ một chiều hay vượt quá ngưỡng nạp hay ngưỡng xả

§Khi cấu trúc có bậc n lớn hơn 3 thì điện áp mà diode kẹp phải chịu đựng là

Udc(n-2)/(n-1) cao Do đó sẽ phức tạp trong thiết kế như phải kết nối nối tiếp các diode Vấn đề không cân bằng điện áp các tụ điện ở biến đổi đa bậc dạng này có thể gây ra quá áp trên một hay nhiều linh kiện đóng cắt Mặt khác, số lượng diot cần thiết lớn dẫn đến hệ thống trở lên đồ sộ, kềnh càng

Nhìn chung, cấu trúc hệ thống sử dụng diot kẹp là giải pháp tốt cho các ứng dụng công suất lớn và đòi hỏi giảm thiểu số lượng tụ điện Tuy nhiên, khi số lượng mức điện áp tăng lên sẽ làm cho số lượng diot cần thiết tăng do đó làm cho hệ thống phức tạp hơn

1.2.2 Nghịch lưu đa bậc dạng tụ bay (flying capacitor - Clamped)

Cấu trúc nghịch lưu dạng tụ bay (flying capacitor-FC) hay còn gọi là tụ kẹp được đề xuất năm 1992 bởi Meynard và Foch [101] Cấu trúc nghịch lưu dạng tụ bay hay còn gọi là

tụ kẹp tương tự như cấu trúc nghịch lưu điôt kẹp chỉ khác không có điôt kẹp mà thay bằng

tụ điện Ở đây ta khảo sát cấu trúc bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức (3L-FLC inverter) gồm có các khoá chuyển mạch Hình 1.5a mô tả cấu trúc bộ nghịch lưu 3 bậc điện

áp bằng cách điều khiển các van như Bảng 1.3

Bảng 1.3 Trạng thái van ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 3 bậc loại tụ kẹp

Có thể tóm lược một số ưu nhược điểm của cấu hình này như sau [71], [76]:

Trang 24

§Số lượng tụ điện lớn sẽ làm cho hệ thống trở lên cồng kềnh và giá thành hệ thống tăng cao; khi số mức điện áp càng lớn thì sẽ làm cho độ phức tạp của hệ thống tăng lên

Hình 1.5 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc kiểu tụ bay (a) 3 mức (b) 5 mức [53]

Bảng 1.4 Trạng thái van ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 5 bậc kiểu tụ bay

1.2.3 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H

Trong các cấu trúc nghịch lưu đa bậc nguồn áp thì cấu trúc đa bậc trên cơ sở nghịch lưu cầu H một pha nối tầng là đơn giản nhất Mỗi cầu chính là một bộ biến đổi 3 mức truyền thống, có thể tạo các mức điện áp là +E, 0, -E Nếu ta có M số cầu sẽ tạo ra 2M+1 mức

Trang 25

điện áp Để tạo ra bộ biến đổi ba pha ta chỉ cần đấu 3 bộ biến đổi một pha theo hình sao hoặc hình tam giác

4

H

v E

N

Hình 1.6 Nghịch lưu đa bậc nối tầng 7 bậc (a) và 9 bậc (hình b) [28]

Đối với cấu trúc kiểu này ta có thể tóm tắt ưu nhược điểm như sau [76]:

vVề ưu điểm:

Số lượng mức điện áp đầu ra lớn hơn hai lần số nguồn điện một chiều (N = 2M+1); Cấu trúc mạch gồm các cầu H mắc nối tiếp do đó cấu trúc mạch lực đơn giản, tính module hoá cao, dễ mở rộng hệ thống

vNhược điểm:

Mỗi cầu H cần có một nguồn DC riêng cách ly (nếu không hiện tượng ngắn mạch sẽ xảy ra) và các nguồn DC này vẫn có thể có sự sai lệch điện áp

vMột dạng khác của nghịch lưu đa bậc nối tầng

Một kiểu khác của nghịch lưu đa bậc nối tầng sử dụng bộ nghịch lưu ba pha hai mức được cho như Hình 1.7 [37] Nguyên lý của bộ biến đổi này là sử dụng máy biến áp ba pha

để tạo các mức điện áp khác nhau cấp vào đầu vào mạch chỉnh lưu Đặc biệt, ở đầu ra của

bộ nghịch lưu, người ta sử dụng các máy biến áp để cộng thêm các mức điện áp khác nhau,

bộ biến đổi của ba pha được đồng bộ lệch pha nhau 1200 giữa các pha Ví dụ, để có ba mức điện áp pha giữa pha a và pha b, các bộ biến đổi có thể tạo ra điện áp bằng cách: uab= ua1-b1

+ ub1-a2 + ua1-b2

Ba bộ biến đổi có công suất giống nhau nên việc điều khiển trở lên dễ hơn Tuy nhiên, cấu hình này có nhược điểm là các bộ biến đổi cần các nguồn DC cách ly, có thêm máy biến áp để tăng áp đầu ra dẫn đến cấu trúc hệ thống phức tạp cũng như giá thành hệ thống tăng lên

Trang 26

Hình 1.7 Nghịch lưu đa bậc 3 pha 2 mức nối tầng [37]

Trong nghịch lưu đa bậc thì sơ đồ dùng cầu chữ H nối tầng được sử dụng rộng rãi [46], [47] vì mạch lực đơn giản, có tính mô đun hoá cao Khi ứng dụng trong chỉnh lưu tích cực

sơ đồ sẽ bao gồm các nghịch lưu cầu chữ H một pha với nguồn DC cách ly riêng biệt ở phía một chiều, còn phía xoay chiều thì nối tiếp nhau

1.2.4 Nghịch lưu đa bậc tổng quát

Cấu trúc nghịch lưu tổng quát (Generalized Multilevel Cells) đã được giới thiệu trong tài liệu [40] và có sơ đồ như Hình 1.8 Các cấu trúc trước đây như cấu trúc có diot kẹp, cấu trúc có tụ kẹp đều có thể nhận được từ mạch nghịch lưu đa bậc tổng quát Ngoài ra, nghịch lưu đa bậc tổng quát có thể cân bằng mỗi mức điện áp mà không quan tâm đến đặc tính tải

Vì vậy, nghịch lưu đa bậc tổng quát là bộ có thể cân bằng mức điện áp tự động tại bất kỳ mức điện áp nào, nó không phụ thuộc đó là bộ biến đổi công suất tác dụng hoặc công suất phản kháng và không cần sự hỗ trợ của mạch khác Với nguyên tắc này, ta có thể thiết kế một cách bao quát các bộ nghịch lưu đã tồn tại

Trang 27

1.2.5 Những cấu trúc nghịch lưu đa bậc đặc biệt khác

vCấu trúc nghịch lưu đa bậc lai nhiều mức

Đối với những ứng dụng điện áp cao và công suất lớn, có thể sử dụng các mạch đa bậc loại diốt kẹp (diode-clamped) hoặc tụ kẹp (capacitor-clamped) để thay thế các mạch cầu H trong sơ đồ nghịch lưu nối tầng nhằm giảm số lượng các nguồn điện một chiều riêng biệt [111] Cấu trúc nghịch lưu 7 bậc nối tầng cần ba nguồn dc riêng biệt cho một pha và 9 nguồn riêng biệt cho 3 pha

Hình 1.9 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai nhiều mức [111]

Hình 1.9 thể hiện một bộ nghịch lưu 9 bậc nối tầng gồm chín mức điện áp nhưng chỉ cần sử dụng hai nguồn điện một chiều DC cách ly cho mỗi pha và sáu nguồn riêng biệt cho

3 pha Trong cấu trúc trên có sự kết hợp giữa mạch nghịch lưu 3 bậc với tụ điện kẹp và nghịch lưu nối tầng trong đó mạch nghịch lưu 3 bậc có tụ điện kẹp đóng vai trò như là một

tế bào của nghịch lưu nối tầng Ta cũng hoàn toàn có thể thay thế mạch nghịch lưu dùng tụ kẹp bằng mạch nghịch lưu dùng diot kẹp

vNghịch lưu đa bậc lai không đối xứng (Asymmetric Hybrid Multilevel Cells)

Như đã trình bày ở trên, điện áp mỗi mức trong nghịch lưu đa bậc nối tầng thường được giữ bằng nhau Tuy nhiên, ta có thể tạo ra điện áp ở các tế bào [68], [89], cấu trúc như vậy gọi là cấu trúc nghịch lưu đa bậc bất đối xứng Tuỳ thuộc vào giá trị của các nguồn dc mà các mức điện áp có thể có những mức đặc biệt, đặc điểm này cho phép ta tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra hơn Hình 1.10 bao gồm hai cầu H nối tầng với nhau, mỗi cầu H được cung cấp bởi một nguồn DC, tuy nhiên hai nguồn dc có giá trị khác nhau Một nguồn có điện áp

Udc và một nguồn có điện áp Udc/2

Một loại nghịch lưu đa bậc nối tầng bất đối xứng khác đó là mức điện áp của mỗi tầng khác nhau nhưng một tầng được điều chế độ rộng xung (PWM) với tần số cao trong khi các tầng khác chỉ điều chế ở tần số thấp, Hình 1.11 là một ví dụ Trong Hình 1.11, cầu H ở trên được điều chế với tần số cao, thường gồm các van IGBT, cầu dưới được điều chế với tần số thấp thường bằng với tần số cơ bản thường được cấu tạo từ các van GTO Việc điều chế PWM ở tần số cao sẽ làm trơn dạng sóng của điện áp ra [68], [89]

Trang 28

dc U

dc

U 2

Hình 1.10 Sơ đồ nghịch lưu đa bậc nối tầng không đối xứng với giá trị điện áp của mỗi tầng

khác nhau

Hình 1.11 Nghịch lưu đa bậc nối tầng không đối xứng với tần số khác nhau

vNghịch lưu đa bậc sử dụng cấu trúc chuyển mạch mềm

Trong các bộ biến đổi đa bậc, để giảm thiểu tổn thất đóng cắt và nâng cao hiệu suất của

hệ thống, kỹ thuật chuyển mạch mềm được sử dụng bằng cách thêm vào các phần tử L hoặc LC

Hình 1.12 Nghịch lưu đa bậc lai sử dụng cấu trúc chuyển mạch mềm

Cấu trúc nghịch lưu đa bậc kiểu này thường là sự kết hợp giữa các bộ biến đổi đa bậc với các bộ dao động cộng hưởng (ARCP), mạch chuyển mạch qua không, Hình 1.12 là một

ví dụ minh hoạ mạch sự kết hợp nghịch lưu sử dụng tụ kẹp và các mạch chuyển mạch mềm

Trang 29

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 là:

§Điều chế tại tần số cơ bản

§Điều chế theo sóng mang (carrier based PWM)

§Điều chế vector không gian

1.3.1 Điều chế tại tần số cơ bản

Điều chế tại tần số cơ bản là phương pháp cộng điện áp ở mỗi mức để tạo nên điện áp đầu ra sao cho có lợi nhất về thành phần sóng hài [64] Ví dụ dạng điện áp ra trong nghịch lưu 7 mức, trong mỗi nửa chu kỳ điện áp ra ba mức điện áp P1, P2, P3 tạo nên điện áp ra đối xứng qua góc p/2, bắt đầu từ các góc q1, q2, q3 Phân tích dạng điện áp ra uo thành sóng điều hòa Fourier cho thấy các thành phần sóng hài từ bậc cơ bản đến bậc 3, 5, 7, … sẽ phụ thuộc vào ba biến q1, q2, q3 Như vậy ta có ba bậc tự do để giải bài toán triệt tiêu một số thành phần sóng hài không mong muốn, chủ yếu là các sóng bậc cao thấp nhất Với ba biến

tự do có thể triệt tiêu được ba sóng hài, ví dụ bậc 3, 5, 7 Nếu số mức nhiều hơn có thể lựa chọn triệt tiêu được nhiều sóng hài hơn

Ưu điểm của phương pháp này là các van chỉ phải đóng cắt ở tần số sóng cơ bản mà vẫn đảm bảo được chất lượng sóng hài của điện áp đầu ra, điều rất cần thiết đối với các ứng dụng công suất lớn, điện áp cao Tuy nhiên quá trình điều chế biên độ sóng cơ bản sẽ đòi hỏi phải thay đổi tức thời các góc pha q1, q2, q3 dẫn tới thuật toán triệt tiêu sóng hài bậc cao phải được cập nhật online Khó khăn nữa của phương pháp này là không thể đảm bảo chính xác các góc pha theo như tính toán khi điều khiển các bộ biến đổi trong mạch lực Nhìn vào Hình 1.13 dễ thấy trong một chu kỳ thì tụ điện ở cầu thứ nhất có điện áp lớn nhất

và tụ điện cầu thứ 3 có điện áp nhỏ nhất, điều này gây mất cân bằng điện áp trên các tụ Những nghiên cứu chỉ ra ở [48] đã đề xuất phương pháp cân bằng điện áp bằng cách quay vòng mẫu xung như Hình 1.14 nhằm cân bằng điện áp trên các tụ điện

Hình 1.13 Điện áp ra nghịch lưu đa bậc trong

điều chế tại tần số cơ bản

0

u o

V3 V2 V1

u o

V1 V3 V2

u o

V2 V1 V3

Hình 1.14 Điều chế tại tần số cơ bản sử

dụng thuật toán cân bằng điện

áp[48]

Trang 30

1.3.2 Điều chế theo sóng mang

Đối với nghịch lưu nối tầng thì điều chế theo sóng mang có thể coi là phương pháp hiệu quả nhất, dễ thực hiện mà vẫn đảm bảo tần số đóng cắt của van thấp so với tần số điều chế tại điện áp đầu ra Tùy theo cách thức sắp đặt các sóng mang, phương pháp chia làm hai dạng chính là điều chế theo sóng mang dạng dịch pha (Phase-shift Carrier-based Modulation) và điều chế theo sóng mang dạng dịch mức (Level-shift Carrier-based Modulation)

Có ba phương án thực hiện PWM dịch mức tùy theo pha của các răng cưa với nhau là ([28], [31]):

§Pha như nhau (IPD – In Phase Disposition), khi tất cả các răng cưa đồng pha với nhau như Hình 1.15a

§Lệch pha xen kẽ 180° (APOD – Alternative Phase Opposition Disposition), khi pha của mỗi răng cưa ở mức cạnh nhau ngược pha nhau như Hình 1.15b

§Pha ngược nhau (POD – Phase Opposition Disposition), khi pha của các răng cưa xếp trên mức 0 lệch 180° so với các răng cưa đối xứng ở dưới mức như Hình 1.15c

Trang 31

Các phương pháp dịch mức sóng mang cũng áp dụng cho các nghịch lưu đa bậc khác như nghịch lưu dùng điôt kẹp và nghịch lưu dùng tụ kẹp, chúng có hiệu quả khác nhau về khả năng đảm bảo độ méo sóng hài THD Theo [31] phân tích về chỉ tiêu THD đối với sơ

đồ NPC thì tốt nhất là IPD, sau đến APOD và cuối cùng là POD Các phương pháp này không nên dùng cho nghịch lưu nối tầng vì dẫn tới tình trạng không cân bằng về số lần đóng cắt cho các cầu H ở các mức khác nhau

vPhương pháp dịch pha

Phương pháp dịch pha rất thích hợp áp dụng cho bộ nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H vì tính mô đun hóa của nó [49] Theo phương pháp dịch pha tất cả các cầu H đều tuân theo cùng một sóng sin chuẩn Sóng răng cưa bao gồm M sóng, M là số cầu H, mỗi sóng lệch pha nhau 180°/M chu kỳ răng cưa Mỗi cầu H gồm hai nhánh nửa cầu Trong mỗi nhánh nửa cầu van trên, nối với +Udc, van dưới, nối với –Udc mở ngược nhau

Đối với cầu chữ H có thể điều chế điện áp một cực tính và hai cực tính, trong đó dạng một cực tính sẽ cho thành phần sóng hài tốt hơn Khi điều chế một cực tính mỗi nhánh nửa cầu được điều khiển bởi tín hiệu PWM bởi hai răng cưa lệch nhau 180° Như vậy số răng cưa tăng lên gấp đôi, mỗi răng cưa lại có một sóng mang ngược pha với nó

Phương pháp dịch pha đảm bảo rằng sóng hài bậc cao do quá trình điều chế đưa ra có tần số bằng 2.M.fpwm, nghĩa là cao hơn 2.M lần tần số đóng cắt của mỗi cầu H, nghĩa là tổn hao do đóng cắt trên van nhỏ hơn 2.M lần so với nghịch 2 mức thông thường Cùng với việc các van chỉ phải chịu điện áp (N-1)/2 lần nhỏ hơn so với biên độ điện áp ra mong muốn, tốc độ tăng điện áp đặt trên tải đầu ra du/dt cũng (N-1)/2 lần nhỏ hơn, thì đây chính

là những ưu điểm quan trọng nhất của nghịch lưu đa bậc, đặc biệt trong các ứng dụng ở dải công suất lớn và điện áp cao

Theo phương pháp dịch pha mỗi cầu H đều làm việc như nhau trong toàn dải điều chế (biên độ sóng sin chuẩn thay đổi từ không đến biên độ của xung răng cưa) nên điện áp Udc

được sử dụng như nhau Vì vậy trong chế độ nghịch lưu nói chung không cần thực hiện thuật điều khiển cân bằng điện áp trên các tụ một chiều Tuy nhiên khi làm việc trong chế

độ chỉnh lưu tích cực nếu các phụ tải phía DC không bằng nhau, tất yếu sẽ dẫn đến các điện áp phía một chiều DC sẽ có giá trị khác nhau, hay còn gọi là không cân bằng Chế độ không cân bằng của các điện áp DC sẽ làm cho dòng xoay chiều phía AC bị méo, độ méo sóng hài THD tăng mạnh, điều này dẫn đến phải xây dựng những thuật toán phức tạp để cân bằng điện áp DC

1.3.3 Điều chế vector không gian (SVM)

Phương pháp SVM áp dụng cho cho nghịch lưu đa bậc trình bày trong một số tài liệu chẳng hạn như [17], [73] Phương pháp điều chế vector không gian có thể áp dụng cho tất

cả các loại nghịch lưu đa bậc ba pha Theo SVM mỗi trạng thái đóng cắt của van (State Switch) xác định được một vector trạng thái (State Vector) Các vector trạng thái có độ dài

và hướng cố định trên mặt phẳng vector 0αβ, tạo nên mặt phẳng vector không gian Nối đỉnh của các vector trạng thái lại với nhau sẽ chia mặt phẳng tọa độ thành các miền giống nhau, gọi là các sector Về hình học mỗi vector ở trong một sector có thể được tổng hợp bởi các vector mà đầu mút của nó tạo nên đỉnh của sector Tạo nên điện áp đầu ra của sơ

đồ nghịch lưu tương đương với tạo nên vector quay tương ứng với các điện áp ba pha thành phần Khi đầu mút của vector quay ở trong sector nào thì nó được tổng hợp từ các vector trạng thái, có đỉnh tạo nên sector đó

Phương pháp SVM là phương pháp số hoàn toàn, có thể cài đặt trên các vi xử lý hiện đại Về chất lượng thành phần sóng hài điện áp ra và số lần chuyển mạch của van, có thể chứng minh được rằng trong dải điều chế tuyến tính SVM cũng tương đương với các

Trang 32

phương pháp điều chế sóng mang (Carrier based Modulation – CBM) Tuy nhiên trong dải

hệ số điều chế gần bằng 1 SVM vượt trội hơn CBM và đặc biệt tốt hơn ở vùng quá điều chế, thể hiện ở hệ số biến đổi điện áp tốt hơn, hay nói cách khác là SVM sử dụng điện áp một chiều tốt hơn

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

Các phương pháp chuyển mạch trong biến tần ma trận đã được trình bày kỹ trong tài liệu [16] Ở mục này, tác giả chỉ tóm tắt một số điểm cơ bản liên quan đến luận án

Chuyển mạch là quá trình chuyển dòng điện từ một van đang dẫn bị khóa lại sang một van khác vừa mở ra Với khâu AC-AC điều chế theo kiểu biến tần ma trận không sử dụng các mạch RC, bộ phận làm tăng kích thước và tổn thất, nên quá trình chuyển mạch sẽ phức tạp hơn Tùy theo dấu của điện áp hay chiều dòng điện biết được mà thực hiện chuyển mạch theo dòng điện hoặc theo điện áp nhưng sử dụng chuyển mạch theo phương pháp nào thì đều phải đảm bảo hai yêu cầu là không được làm ngắn mạch điện áp đầu vào và không được làm hở mạch dòng đầu ra

Có nhiều quy tắc chuyển mạch như chuyển mạch 1 bước, 2 bước, 4 bước, chuyển mạch thông minh, Tuy nhiên kĩ thuật chuyển mạch bốn bước là một phương pháp hiệu quả, hay được sử dụng Quy tắc chuyển mạch bốn bước theo điện áp cho như Hình 1.16

A U

B U AB

1

A S

2

A S

2

A D

1

A D

1

B S

2

B D

2

B S

1

B D

Hình 1.16 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch

Giả sử UAB đang dương, cần yêu cầu chuyển mạch từ pha A đang dẫn sang pha B, trình

tự chuyển mạch tiến hành theo các bước sau:

§ Bước 1: Điều khiển mở van S B1, nếu dòng điện i L >0 (tức là S A1 đang dẫn) thì cũng không làm ngắn mạch U AB, nếu dòng điện đang âm i L <0 (tức là S A2

đang dẫn) nhưng do U AB >0 nên S B1 không thể dẫn dòng do diode D B2 bị chặn, vì vậy cũng không làm ngắn mạch U AB được

§ Bước 2: Đưa tín hiệu ngắt van S A1 Nếu i L >0 thì dòng tải sẽ chuyển từ pha A sang pha B và S B1 sẽ dẫn dòng Nếu i L <0 thì S A2 đang dẫn dòng sẽ tiếp tục dẫn và đi qua D A1 Do có D B2 và D A1 chặn (U AB >0) nên không bị ngắn mạch điện áp U AB

Trang 33

§ Bước 3: Đưa tín hiệu mở van S B2 Nếu i L >0 thì S B1 đang dẫn dòng tiếp tục dẫn, dòng điện chảy qua S B1 và S B2và không làm ngắn mạch U AB Nếu i L <0

thì S A2 đang dẫn sẽ chuyển sang van S B2 vì điện áp U AB >0 sẽ khóa D A1 lại, cũng không làm hở mạch dòng tải

§ Bước 4: Đưa tín hiệu ngắt van S A2 Như vậy đã hoàn thành chuyển chuyển mạch từ pha A sang pha B

Phân tích tương tự cho trường hợp U AB <0, quá trình chuyển mạch có thể tổng hợp như cho trên Hình 1.17

Hình 1.17 Trạng thái logic của các van trong chuyển mạch bốn bước theo điện áp

Thời gian trễ t d giữa các bước chuyển mạch tương đương với thời gian khóa của van IGBT, thường chọn khoảng 1 2 s¸ m

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

Trong rất nhiều nhiệm vụ của hệ thống kết nối các nguồn phân tán thì điều khiển dòng điện đóng vai trò quan trọng Khả năng đáp ứng và chất lượng chung của hệ thống phụ thuộc phần lớn vào chất lượng của việc áp dụng chiến lược điều khiển dòng điện Nó đảm bảo những điều kiện cơ bản như đảm bảo độ méo sóng hài thấp, đáp ứng động học tốt, điều chỉnh được điện áp 1 chiều trung gian và trong một số trường hợp, bộ điều khiển dòng thực hiện luôn cả chức năng điều khiển luồng công suất hai chiều [62]

Các cấu trúc điều khiển dòng điện có thể ứng dụng cho các bộ biến đổi đa bậc có thể phân loại như cho trên Hình 1.18 Việc lựa chọn bộ điều khiển dòng xuất phát từ mô hình dòng điện được mô tả trên các hệ trục tọa độ khác nhau Bộ điều chỉnh dòng điện được phân thành 2 nhóm chính là bộ điều chỉnh dòng điện được thiết kế theo phương pháp tuyến tính và bộ điều khiển dòng được thiết kế theo phương pháp phi tuyến Với phương pháp thiết kế tuyến tính: điều khiển dòng kiểu PI [58], [67], hysteresis (bang-bang) [38], [81] và cấu trúc điều khiển dòng kiểu cộng hưởng (PR) Với phương pháp thiết kế phi tuyến: điều

Trang 34

khiển tuyến tính hóa chính xác; phương pháp điều khiển tựa thụ động [20], [61]; phương pháp tựa phẳng Ngoài ra, một số phương pháp như điều khiển mờ, điều khiển trên cơ sở mạng nơ-ron, điều khiển dự báo [60], [102] cũng đã và đang được ứng dụng trong việc điều khiển mạch vòng dòng điện của bộ biến đổi đa bậc

Hình 1.18 Phân loại các cấu trúc bộ điều khiển dòng điện cho nghịch lưu đa bậc nối lưới

Bộ điều khiển Hysteresis là một phương pháp thông dụng có khả năng ứng dụng đơn giản trong thực tế Bộ điều khiển dòng kiểu Hysteresis có đặc điểm là đáp ứng động học tốt, tính bền vững cao, điều khiển đơn giản, tin cậy và không cần biết đến tham số của tải Tuy nhiên bộ điều khiển này có hạn chế là độ nhấp nhô dòng điện lớn trong chế độ ổn định

do đặc tính của bộ điều khiển là khâu rơ le có trễ và tần số đóng cắt liên tục, không có sự phối hợp giữa các bộ điều khiển Hysteresis của các pha, nên không có một chiến lược cho việc tạo ra các véc tơ zero Do đó, tần số chuyển mạch tăng lên khi điều khiển với chỉ số điều biến thấp Ngoài ra điện áp ra sẽ chứa các hài với tần số không phải là bội của tần số

cơ bản

Phương pháp điều khiển dự báo (Model Predictive Control-MPC) thuộc lớp phương pháp điều khiển tối ưu số và được sử dụng trong lĩnh vực điều khiển quá trình từ những năm 1970 Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng, sự phát triển của các bộ vi xử lý và FPGA đã khiến MPC được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống biến đổi điện tử công suất, đặc biệt là ứng dụng điều khiển dòng trong bộ biến đổi đa bậc như trong [60] và [102] đã trình bày Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển dự báo là tại thời điểm k hiện tại và trên cơ sở cực tiểu hóa một hàm mục tiêu Q nào đó được xây dựng từ chất lượng mong muốn, ta sẽ xác định được dải tín hiệu điều khiển tương lai ui, i = k, k+1,…, k+N Trong số các tín hiệu điều khiển tương lai mà ta tìm được đó ta chỉ sử dụng

uk làm tín hiệu điều khiển ở thời điểm hiện tại k Ở thời điểm k+1 tiếp theo, ta lặp lại chu trình trên để có uk+1 và như vậy bộ điều khiển phải lặp lại bài toán tối ưu theo hàm mục tiêu Q tại từng chu kỳ trích mẫu [4]

Phương pháp điều khiển trượt ứng dụng điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất được

đề cập trong nhiều tài liệu chẳng hạn như [91], [97] Phương pháp điều khiển trượt được biết đến như là một công cụ hữu hiệu và đơn giản để giải quyết các bài toán điều khiển thích nghi và điều khiển bền vững [6], là trường hợp riêng của hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi được đặc trưng bởi luật điều khiển phản hồi và luật lựa chọn, luật lựa chọn còn gọi là các hàm chuyển mạch Phương pháp điều khiển trượt gồm hai công việc chính: đầu tiên là phải thiết kế hàm chuyển mạch để chuyển động trượt thỏa mãn các đặc tính cần thiết kế, thứ 2 là lựa chọn luật điều khiển để hàm chuyển mạch thu hút về mặt trượt

Trang 35

Các phương pháp điều khiển dựa trên nguyên lý phẳng và phương pháp tuyến tính hóa chính xác đã được đề cập trong các tài liệu như [12], [78].Ý tưởng của phương pháp tuyến tính hóa chính xác là nếu mô hình phi tuyến thỏa mãn một số điều kiện nào đó, tức là ta chỉ

ra nó thuộc một lớp nào đó, ta có thể sử dụng một phép chuyển hệ tọa độ trạng thái sao cho khi sang không gian trạng thái mới nó là tuyến tính, trên không gian trạng thái mới ta có thể thiết kế bộ điều khiển tuyến tính cho hệ thống Đối với phương pháp dựa trên nguyên

lý phẳng, ý tưởng của phương pháp là nếu ta biết trước đầu ra sẽ diễn biến như thế nào và giả thiết là đối tượng điều khiển đã thực hiện đúng như yêu cầu y*, ta sử dụng một mô hình ngược tính ngược được giá trị đầu vào u, mô hình đảo chính là bộ điều khiển

Các phương pháp điều khiển PI, PR (cộng hưởng) và điều khiển tựa thụ động là các phương pháp mà tác giả lựa chọn áp dụng cho bộ biến đổi Những nguyên lý cơ bản của các bộ điều khiển này tác giả sẽ trình bày ở chương 3

Mỗi phương pháp điều khiển đều có những ưu nhược điểm riêng, tùy theo đặc thù của cấu hình bộ biến đổi và yêu cầu điều khiển mà người thiết kế sẽ chọn lựa phương pháp phù hợp với ứng dụng của mình

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

Trong những năm vừa qua, số lượng bài báo và công trình khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu về việc điều khiển ổn định và kết nối các nguồn điện phân tán là rất lớn, những vấn đề này đã được trình bày ở trong các tài liệu [2], [3], [8], [18], [19], [21], [23], [32], [34], [41], [69], [70], [80], [82], [108] Các bộ biến đổi dùng để kết nối các nguồn điện phân tán phần lớn có cấu trúc back to back (BTB) hoặc kết nối các nguồn điện phân tán với nhau thành hệ thống thông qua DC bus hoặc AC bus và dựa trên cơ sở nghịch lưu nguồn áp 2 mức thông thường hoặc nghịch lưu nguồn Z Tuy nhiên, 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 [93] Các hệ thống như lọc tích cực (AF), STATCOMs, DVRs và UPFCs đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng điện năng theo tiêu chuẩn của lưới (grid codes), khá nhiều cấu hình của các hệ thống

đó được xây dựng trên cơ sở các bộ biến đổi đa bậc đã đề cập trong các tài liệu như [44], [45], [74] và [95] Một số cấu trúc ứng dụng điển hình cho như trên các Hình 1.19, Hình 1.20, Hình 1.21

Hình 1.19 Hệ thống STATCOM 1-MVA 6,6 kV xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc cầu H

nối tầng [44]

Trang 36

Hình 1.20 Hệ thống AF dựa trên bộ nghịch lưu đa bậc điốt kẹp 3 pha ba bậc [45]

Hình 1.21 Cấu hình hệ AF trên cơ sở bộ nghịch lưu tụ kẹp 7 bậc[74]

Các bộ biến đổi đa bậc kiểu nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng (CHB) và nghịch lưu đa bậc kiểu điốt kẹp (NPC) là những cấu trúc rất phù hợp với các ứng dụng Statcom [92] Nghiên cứu đánh giá việc sử dụng hai cấu trúc trên cho ứng dụng Statcom cho thấy CHB

có hiệu suất, đáp ứng động học tốt và việc điều khiển đơn giản hơn so với NPC [112] Việc khai thác các nguồn phát phân tán đã có sự phát triển quan trọng trong suốt thập kỷ qua, nhu cầu tích hợp nhiều nguồn phát phân tán (với bản chất khác nhau ví dụ nguồn điện mặt trời, sức gió…) với các kho điện và lưới điện đặt ra yêu cầu: lưới điện phải được tổ chức kiểu lưới điện thông minh Để đảm bảo điều đó, lưới điện cần sử dụng các bộ biến đổi đáp ứng được khả năng làm việc ở mức điện áp và hiệu suất cao hơn Ngoài ra, bộ biến đổi cũng phải đảm bảo chất lượng điện năng và đáp ứng được các quá trình trao đổi công suất [92] Nếu sử dụng bộ biến đổi có cấu hình truyền thống thì khó có thể đạt được những yêu cầu phức tạp của lưới điện như vậy Bộ biến đổi đa bậc đã được sử dụng như một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này, điển hình là trong các tài liệu [54], [93], [102], [103], [104], [105] và [106] đưa ra bộ biến đổi UNIFLEX-PM (Universal Flexible Power Management system) Đây là bộ biến đổi linh hoạt có thể dùng để kết nối nhiều nguồn phát phân tán khác nhau và các kho điện với lưới Một cấu hình UNIFLEX-PM gồm 3 cổng với khâu DC-DC cách ly cho như trên Hình 1.22 Bộ biến đổi này được xây dựng trên cơ sở các bộ đa bậc nối tầng cầu H hoặc cấu trúc đa bậc trên cơ sở bộ DC-AC-AC nối tầng Ứng dụng của bộ biến đổi UNIFLEX-PM trong lưới điện phân tán cho như Hình 1.23, bộ biến đổi đóng vai trò như thiết bị kết nối đa cổng, kết nối nhiều nguồn điện phân tán có bản chất khác nhau và kho lưu trữ điện với lưới

Trang 37

Có hai cấu hình UNIFLEX-PM được giới thiệu, đó là cấu hình với khâu cách ly là

DC-DC và cấu hình có khâu cách ly DC-DC-AC Ở mục tiếp theo đây sẽ phân tích hai cấu trúc này với cấu hình dùng để kết nối 2 cổng xoay chiều

Hình 1.22 Cấu hình bộ biến đổi 3 cổng UNIFLEX-PM xây dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu cầu

H nối tầng ứng dụng để tích hợp các nguồn điện phân tán vào lưới [92], [93]

Hình 1.23 Cấu trúc lưới điện phân tán sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất Uniflex-PM[105]

Trang 38

1.6.1 Cấu trúc bộ AC-DC-DC-AC

Hình 1.24 Sơ đồ cấu hình Uniflex-PM (Khâu DC-DC cách ly)

Trong [102], [103] nhóm tác giả đã đưa cấu trúc kết nối hai nguồn điện phân tán ở cấp điện áp cỡ trung áp với bộ biến đổi AC-AC có khâu trung gian DC-DC tần số cao và xây dựng trên cơ sở nghịch lưu cầu H 7 bậc như Hình 1.24 Các bộ biến đổi AC-DC và DC-

AC đều là bộ nghịch lưu cầu H thông thường Tuy nhiên cấu trúc có đến 18 tụ điện một chiều, việc phải đảm bảo cân bằng điện áp một chiều trên các tụ điện cả hai phía là một vấn đề phức tạp

Trang 39

1.6.2 Cấu trúc bộ AC-DC-AC-AC

Một cấu trúc đa bậc nối tầng dùng để kết nối các nguồn phân tán với khâu DC-AC cách

ly như Hình 1.25, đã được giới thiệu trong [106] Khối AC-DC là cầu H và khối

DC-AC-AC có cấu trúc như Hình 1.26 Khối DC-AC-AC-DC-AC-AC được điều chế theo nguyên lý cycloconverter

Hình 1.25 Sơ đồ cấu hình Uniflex-PM (Khâu DC-AC cách ly)

Trang 40

Hình 1.26 Module DC-AC-AC

Việc sử dụng cấu trúc nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H ở cổng 1 và bộ biến đổi AC-AC đa bậc nối tầng, trong đó khâu DC-AC có phần cách ly tần số cao và khâu AC-AC được điều chế theo phương pháp cycloconverter có nhược điểm là quá trình điều chế độ rộng xung diễn ra bên sơ cấp máy biến áp HF Điều này dẫn đến trong chế độ quá độ dòng

DC-từ hóa không được cân bằng, dẫn tới tình trạng DC-từ hóa cưỡng bức một chiều Nhược điểm thứ hai là quá trình chuyển mạch đòi hỏi cần biết được dấu của cả dòng điện và điện áp đầu

ra tần số thấp, điều này rất khó có thể thực hiện được ở vùng tín hiệu nhỏ gần không, có đập mạch

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 ứng dụng để kết nối nguồn điện phân tán với lưới quốc gia mà tổng quát là kết nối hai nguồn điện xoay chiều ở mức trung áp 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 Với mức điện áp cỡ trung áp (3,3kV- 6kV), cấu hình bộ biến đổi dựa trên bộ nghịch lưu đa bậc hoàn toàn phù hợp Mục 1.2 đã trình bày các cấu trúc đa bậc cơ bản, tác giả đặc biệt quan tâm đến bộ biến đổi đa bậc nối tầng vì những ưu điểm như: cấu trúc mạch lực đơn giản, tính module hoá cao, đảm bảo độ tin cậy cao và dễ mở rộng hệ thống Đối với bộ biến đổi điện tử công suất dùng để kết nối các nguồn điện phân tán, vấn đề cách ly đóng vai trò cực kỳ quan trọng vì các lý do: thứ nhất không xác định được điểm nối đất và những sự cố xảy ra ở nguồn phát phân tán phải đảm bảo không ảnh hưởng đến lưới; thứ hai trong một số trường hợp các nguồn phát phân tán có nhu cầu làm việc ở chế độ ốc đảo khi đó bản thân bộ biến đổi đã có

sự cách ly sẽ đảm bảo việc chuyển chế độ làm việc sang chế độ ốc đảo được dễ dàng hơn Việc cách ly giữa hai nguồn điện xoay chiều có thể thực hiện bằng máy biến áp ở tần số thấp, tuy nhiên kích thước máy biến áp sẽ làm bộ biến đổi trở lên cồng kềnh Một giải pháp

ở đây là sử dụng khâu cách ly tần số cao với cấu trúc như Hình 1.24, Hình 1.25 với việc sử

Định dạng
Số trang	139
Dung lượng	16,88 MB