Nghiên cứu bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại t

TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung chính của luận văn là dựa trên việc sử dụng bài báo của tạp chí IEEE để thiết kế và thực nghiệm một bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T L-AHB để giảm

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN QUỐC HOÀN

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN TẦN MỘT PHA

BẤT ĐỐI XỨNG 5 BẬC LOẠI T

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số : 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019

Trang 2

Công trình được hoàn thành tại : Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên

Cán bộ chấm nhận xét 1:………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày …… tháng …… năm…

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1………

2………

3………

4………

5………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : Nguyễn Quốc Hoàn MSHV: 1570869

Ngày, tháng, năm sinh: 30/01/1982 Nơi sinh: Hà Nam

I.TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T (A Phase Asymmetrical T-Type Five-level Inverter)

single-II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Phân tích hoạt động, điều khiển bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T (A single-Phase Asymmetrical T-Type Five-level Inverter)

- Sử dụng PSIM mô phỏng bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T

- Thiết kế, thực hiện và chạy thực nghiệm bộ nghịch lưu sử dụng Kit của vi điều khiển TMS320F28379D

- Kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài

III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2019

IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 1/6/2019

V.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trong thực tế, không có sự thành công nào mà không gắn liền với những

sự hỗ trợ, giúp đỡ dù nhiều hay ít, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều

sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè

Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy PGS.TS.Nguyễn Đình Tuyên đã trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu, và tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Em cũng xin chân thành cảm ơn Khoa Điện – Điện Tử, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và nghiên Đồng thời cũng xin được ghi nhớ tình cảm và sự giúp đỡ của anh chị em trong PTN Nghiên cứu điện tử công suất – 115B1, các bạn cao học đã đồng hành, hỗ trợ, chia sẻ và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn

bè, những người luôn dành cho tôi sự quan tâm động viên, tình yêu thương và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có động lực học tập, phấn đấu trong suốt thời gian qua

Do thời gian và trình độ còn nhiều hạn chế nên luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô

và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2019

Nguyễn Quốc Hoàn

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nội dung chính của luận văn là dựa trên việc sử dụng bài báo của tạp chí IEEE

để thiết kế và thực nghiệm một bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T L-AHB) để giảm dòng điện rò, cấu trúc bao gồm 2 nhánh thông thường và một nhánh loại T , nối điểm giữa nguồn DC và một nhánh ở trên

(5T-Luận văn này phân tích bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T AHB) và thực hiện phương pháp điều chế độ rộng xung PWM ở nhiều mức điện áp

(5T-L-và hệ số điều chế khác nhau Xác minh bằng thực nghiệm trên tải 1 pha

Trang 6

ABSTRACT

The main content of the thesis is based on the use article of the IEEE to design and and experiment an asymmetric multiphase T-inverter (5T-L-AHB) to reduce leakage current, the structure consists of usual two leg and one T-leg, connecting points between the DC source and an up leg

This thesis analyzes the 5T-L-AHB inverter and performs method modulation PWM pulse at different voltage levels and modulation coefficients Verification by experiment on 1-phase load

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thực Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu

Trang 8

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Đối tượng thực hiện và mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Phạm vi nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2: bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T 3

2.1 Tổng quan về hệ thống điện mặt trời 3

2.1.1 Hệ thống điện cho những nơi tiêu thụ ít năng lượng điện 3

2.1.2 Hệ thống điện mặt trời ở nông thôn 3

2.1.3 Hệ thống điện mặt trời vùng đô thị 4

2.1.4 Hệ thống một bộ nghịch lưu với nhiều bộ chỉnh lưu 4

2.1.5 Hệ thống điện mặt trời sử dụng nhiều bộ nghịch lưu 5

2.1.6 Hệ thống pin mặt trời tích hợp bộ nghịch lưu 6

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu một pha năm bậc kiểu T 6

2.2.1 Tổng quát: 6

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 9

2.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin 14

2.2.3.1 Nguyên lý 14

2.2.3.2 Phương pháp Sin PWM cho bộ nghịch lưu đa bậc 17

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA ĐA BẬC 5L-T-AHB 20

3.1 Mô phỏng luật điều khiển đóng cắt các khóa công suất 20

3.1.1 Xây dựng mô hình bộ nghịch lưu một pha năm bậc bằng PSIM 20

3.1.2 Kết quả mô phỏng 22

3.1.3 Kết luận chương 3 31

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 32

4.1 Thiết kế mạch 32

4.1.1 Mạch nguồn DC 32

4.1.2 Mạch điều khiển 33

4.1.3 Mạch lái 34

Trang 9

4.1.4 Mạch công suất 35

4.1.5 Cổng logic 36

4.1.6 Tải R-L 37

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA ĐA BẬC 5L-T-AHB 38

5.1 Phương pháp thực nghiệm 38

5.2 Kết quả thực nghiệm 39

5.3 Kết luận chương 5 66

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 67

6.1 Kết luận 67

6.2 Những hạn chế 67

6.3 Hướng phát triển của đề tài 68

Trang 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Hệ thống điện cabin (từ Microchip Technology Inc) 3

Hình 2.2: Hệ thống điện mặt trời ở nông thôn (từ Microchip Technology Inc) 3

Hình 2.3: Hệ thống điện mặt trời ở đô thị ( từ Microchip Technology Inc) 4

Hình 2.4: Hệ thống điện mặt trời một bộ nghịch lưu với nhiều bộ chỉnh lưu (từ Microchip Technology Inc) 4

Hình 2.5: Hệ thống điện mặt trời sử dụng nhiều bộ nghịch lưu (từ Microchip Technology Inc) 5

Hình 2.6: Hệ thống pin mặt trời tích hợp biến tần (từ Microchip Technology Inc) 6

Hình 2.7: Mô hình của bộ nghịch lưu một pha không biến áp 7

Hình 2.8: Mạch theo mô hình 5L-T-AHB 9

Hình 2.9: Trạng thái 1 10

Hình 2.13: Trạng thái 3, cấu hình 1 12

Hình 2.14: Trạng thái 3, cấu hình 2 13

Hình 2.15: Mô hình chế độ chung cho biến tần một pha không biến áp 5L-T-AHB 13 Hình 2.16: Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh 15

Hình 2.17: Điều chế độ rộng xung 16

Hình 2.18: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu POD 17

Hình 2.19: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu DP 18

Hình 2.20: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu APOD 18

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch điều khiển và công suất 20

Hình 3.2: Sơ đồ khối công suất 5L-T-AHB 21

Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển 5L-T-AHB 21

Hình 3.4: Sóng điều khiển và sóng mang bố trí đối xứng qua trục 0 (POD) 22

Hình 3.5: Xung điều khiển khóa S1 23

Hình 3.9: Xung điều khiển khóa S5, S6 24

Hình 3.10: Điện áp đầu ra v AB khi m = 0.8, R G = 25Ω 25

Hình 3.11: Phân tích FFT của điện áp đầu ra v AB khi m = 0.8, R G = 25Ω 25

Hình 3.12: Dòng điện đầu ra i L qua tải R-L khi m = 0.8, R G = 25Ω 26

Hình 3.13: Điện áp v BZ khi m = 0.8, R G = 25Ω 26

Trang 11

Hình 3.14: Điện áp v CM khi m = 0.8, R G = 25Ω 27

Hình 3.15: Dòng điện i CM khi m = 0.8, R G = 25Ω 27

Hình 3.16: Điện áp v CM , điện áp v BZ và i CM của tác giả m = 0.8, R G = 25Ω 28

Hình 3.19: Dòng điện i CM khi m = 0.8, R G = 5Ω, C G = 10nF 30

Hình 3.20: Dòng điện i CM khi m = 0.8, R G = 10Ω, C G = 10nF 30

Hình 4.1: Cấu trúc phần cứng của bộ nghịch lưu một pha năm bậc 32

Hình 4.2: Bộ nguồn DC đầu vào của bộ nghịch lưu 5L-T-AHB 33

Hình 4.3: Mạch điều khiển DSP TMS320F28379D của hãng TI 33

Hình 4.4: Mạch lái TX-DA962D6 34

Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly 34

Hình 4.6: Xung qua mạch lái 35

Hình 4.7: Mạch công suất 35

Hình 4.8: Sơ đồ chân và bảng chức năng IC 74HC541 36

Hình 4.9: Sơ đồ chân và bảng chức năng IC 74HC04 36

Hình 4.10: Sơ đồ chân và bảng chức năng IC 74LS08 37

Hình 4.11: Tải 1 pha R-L 37

Hình 5.1: Mạch thực tế bộ nghịch lưu 38

Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng theo mạch thực tế 38

Hình 5.3: Dạng xung kích các khóa S1, S3 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m= 0.4 39

Hình 5.4: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 40

Hình 5.5: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 40

Hình 5.6: Điện áp ngõ ra khi m = 0.4, V DC /2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 41

Hình 5.7: Dòng tải khi khi m = 0.4, V DC /2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 41

Hình 5.9: Dòng tải khi khi m = 0.4, V DC /2 = 20 V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 42

Trang 12

Hình 5.11: Dòng tải khi khi m = 0.4, V DC /2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)

43

Hình 5.12: Dạng xung kích các khóa S1,S3 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m

= 0.5 44 Hình 5.13: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m = 0.5 44 Hình 5.14: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m = 0.5 45 Hình 5.15: Điện áp ngõ ra khi m = 0.5, V DC /2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 45 Hình 5.16: Dòng tải khi khi m = 0.5, V DC /2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)

46

Hình 5.17: Điện áp ngõ ra khi m = 0.5, V DC /2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 46 Hình 5.18: Dòng tải khi khi m = 0.5, V DC /2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)

47

48

49

Hình 5.23: Dạng xung kích các khóa S1, S3 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m

= 0.8 49 Hình5.24: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m = 0.8 50 Hình 5.25: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m = 0.8 50 Hình 5.26: Điện áp ngõ ra khi m = 0.8, V DC /2 =15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 51 Hình 5.27: Dòng tải khi khi m = 0.8, V DC /2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)

51

52

Trang 13

53

54

= 0.9 55 Hình 5.35: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m = 0.9 55 Hình 5.36: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m = 0.9 56 Hình 5.37: Điện áp ngõ ra khi m = 0.9, V DC /2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 56 Hình 5.38: Dòng tải khi khi m = 0.9, V DC /2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)

57

58

59

60

= 1.1 60 Hình 5.46: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m = 1.1 61 Hình 5.47: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m = 1.1 61 Hình 5.48: Điện áp ngõ ra khi m = 1.1, V DC /2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 62

Trang 14

Hình 5.49: Dòng tải khi khi m = 1.1, V DC /2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)

62

63

64

65

Trang 15

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng tóm tắt điện áp cơ bản theo từng cấu hình 14

Trang 16

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PSIM – Power electronics and motor drive simulation

5L-T-AHB – A Single-Phase Asymmetrical T-type Five-level Transformerless PV Inverter

PV – Photo Voitaic

EMI – Electric Magnetic Interference

PWM – Pulse–width Modulation

NPC – Neutral Point Clamped

CMI – Cascade Multilevel Inverter

CMV – Common Mode Voltage

POD – Phase Opposition Disposition

DP – In Phase Disposition

APOD – Alternative Phase Opposition Disposition

THD – Total Harmonic Distortion

RMS – Root Mean Square

Trang 17

DANH MỤC KÝ HIỆU SỬ DỤNG

C1, C2 Tụ điện chia nguồn

Cp,Cp1, Cp2 Tụ điện hình thành giữa tế bào PV và khung nối đất

Vđk Điện áp sóng điều khiển

Ton,Toff Thời gian đóng, ngắt của khóa công suất

mf Hệ số điều chế tần số

ma Hệ số điều chế biên độ

fs,fout Tần số đóng cắt khóa công suất, tần số điện áp ngõ ra

Trang 18

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Từ những nguồn năng lượng con người đã phát hiện thì điện năng đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người nhờ những ưu điểm vượt trội (dễ chuyển thành các dạng năng lượng khác, dễ dàng truyền tải đi xa, hiệu suất cao) Điện năng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ công nghiệp, dịch vụ, đến phục vụ cho đời sống con người

Nguồn năng lượng để tạo ra điện trước đây là thủy điện, nhiệt điện, điện hạt nhân, Những nguồn năng lượng trên ít nhiều đều gây ảnh hưởng đến môi trường của con người, ngoài ra thì nhiên liệu hóa thạch (nguồn nguyên liệu của nhiệt điện) ngày càng cạn kiệt do sự khai thác quá mức của con người trước đây Vì vậy mà những nguồn năng lượng mới giải quyết những vấn đề

đó đang lên ngôi và được các nước trên thế giới nghiên cứu và áp dụng, điển hình là năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm và phát triển Chính nguyên nhân ấy mà hệ thống tấm pin năng lượng mặt trời (PV- photovoltaic) ngày càng phổ biến

Thông thường năng lượng từ pin mặt trời được tích trữ lại trong bình nạp (accqui) rồi sử dụng năng lượng trong bình nạp đó để nối lưới và sinh hoạt

Ưu điểm của phương pháp này là điện áp bình nạp cố định, dẫn đến bộ chuyển đổi ra điện áp sử dụng khá đơn giản Tuy nhiên, nó có nhược điểm là gây tổn hao lớn khi chuyển đổi năng lượng phải qua 2 khâu - từ pin xuống bình nạp rồi

từ bình nạp lên điện áp sử dụng, đồng thời phải tốn thêm thiết bị tích trữ năng lượng như accqui với giá thành tương đối cao Bởi vậy, vấn đề đặt ra là tại sao chúng ta không dùng chính lưới điện để làm nguồn “tích trữ năng lượng”? Như vậy, trong lúc chúng ta sử dụng năng lượng từ lưới điện thì chúng ta cũng

có thể gửi năng lượng lên trên lưới điện Chính vì lý do trên, ta cần nghiên cứu

và chế tạo bộ nghịch lưu đa bậc để chuyển đổi điện DC thành AC để có thể hòa lưới Bộ đa bậc sẽ làm giảm điện áp chịu đựng lên khóa công suất và làm giảm kích thước và giá cả của bộ lọc LC

Trang 19

1.2 Đối tượng thực hiện và mục tiêu nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bộ nghịch lưu một pha năm bậc NPC

T-Mục tiêu nghiên cứu :

Phân tích nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu, nguyên lý đóng cắt các khóa công suất IGBT và xây dựng phương pháp điều chế Sin PWM cho bộ nghịch lưu đa bậc

Thực hiện bộ nghịch lưu và kiểm tra các thông số điện áp, dòng điện của

bộ nghịch lưu để từ đó đánh giá chất lượng và phát triển nó

Phần mềm sử dụng:

- Dựa vào phần mềm mô phỏng PSIM9.0.3 để mô phỏng bộ nghịch lưu

và các xung điều khiển cho các khóa công suất

- Sử dụng phần mềm Code Composer Studio (CCS) để lập trình tạo xung Sin PWM cho Kit của vi điều khiển TMS320F28379D

- Phần mềm Altium 2017 để thiết kế các mạch của bộ nghịch lưu

Trang 20

CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN TẦN MỘT PHA BẤT ĐỐI XỨNG 5 BẬC LOẠI T

2.1 Tổng quan về hệ thống điện mặt trời

Các hệ thống pin năng lượng mặt trời được phân loại theo Microchip Technology Inc

2.1.1 Hệ thống điện cho những nơi tiêu thụ ít năng lượng điện

Hình 2.1: Hệ thống điện cabin (từ Microchip Technology Inc)

Là một hệ thống cung cấp điện áp 12 Vdc đơn giản cung cấp ánh sáng cho một căn nhà (nhỏ) độc lập Tấm thu năng lượng mặt trời nhỏ (<100W) được kết nối trực tiếp với pin Pin được nối với đèn và các thiết bị DC khác sử dụng điện áp 12 volt như hình 2.1 Tuổi thọ pin bị tổn hại bởi việc sạc pin không được kiểm soát Hệ thống này không thể dùng để kết lưới và được coi

là "ngoài lưới"

2.1.2 Hệ thống điện mặt trời ở nông thôn

Hình 2.2: Hệ thống điện mặt trời ở nông thôn (từ Microchip Technology Inc)

Trang 21

Gồm các tấm pin lớn hơn có khả năng tạo ra điện áp từ 24-96 Vdc được kết nối với một hệ thống biến đổi để tạo ra 120/240 Vac để dùng cho các hoạt động chiếu sáng và các thiết bị gia dụng Tuổi thọ pin được cải thiện với một mô-đun sạc được điều chỉnh Điện áp DC cao hơn hỗ trợ mức điện năng vừa phải Hệ thống không thể dùng để kết lưới và được coi là "ngoài lưới"

2.1.3 Hệ thống điện mặt trời vùng đô thị

Hình 2.3: Hệ thống điện mặt trời ở đô thị ( từ Microchip Technology Inc)

Gồm các tấm pin lớn cung cấp điện áp từ 200-400 Vdc được kết nối với một bộ nghịch lưu để tạo ra 120/240 Vac ở mức công suất trung bình (2-10KW) Hệ thống này được kết nối với các đường dây điện AC (tức là nối lưới) như thể hiện trong hình 2.3 Khách hàng bán điện cho công ty điện trong ngày và mua điện từ công ty điện trong đêm

2.1.4 Hệ thống một bộ nghịch lưu với nhiều bộ chỉnh lưu

Hình 2.4: Hệ thống điện mặt trời một bộ nghịch lưu với nhiều bộ chỉnh

lưu (từ Microchip Technology Inc)

Trang 22

Sử dụng bộ chỉnh lưu cho mỗi chuỗi cung cấp năng lượng thu được từ các tấm pin mặt trời như thể hiện trong hình 2.4 Bộ chỉnh lưu có thể là các mô-đun riêng biệt hoặc nằm trong bộ nghịch lưu Phương pháp này dễ hư hỏng do chỉ có một bộ nghịch lưu , và liên quan đến sự phân bố điện áp DC cao - một tình huống nguy hiểm vì khả năng kết hợp điện nguồn trực tiếp khó đạt được

2.1.5 Hệ thống điện mặt trời sử dụng nhiều bộ nghịch lưu

Hình 2.5: Hệ thống điện mặt trời sử dụng nhiều bộ nghịch lưu (từ

Microchip Technology Inc)

Gồm các tấm pin lớn có khả năng tạo ra điện áp từ 200-400 Vdc được kết nối với các bộ nghịch lưu để tạo ra điện áp 120/240 Vac ở mức công suất trung bình (2-10 kW) Các bộ nghịch lưu được kết nối với lưới điện như trong hình 2.5 Việc sử dụng nhiều bộ nghịch lưu để nâng cao năng lượng thu được

từ các tấm pin mặt trời và nâng cao độ tin cậy hệ thống nâng cao

Trang 23

2.1.6 Hệ thống pin mặt trời tích hợp bộ nghịch lưu

Hình 2.6: Hệ thống pin mặt trời tích hợp biến tần (từ Microchip

Technology Inc)

Mỗi tấm pin năng lượng được kết hợp biến tần của riêng mình Biến tần kết hợp mô-đun còn được gọi là bộ biến tần Việc kết hợp các bộ biến tần vào các tấm pin mặt trời làm giảm đáng kể chi phí lao động, cải thiện độ an toàn

và tối đa hoá việc thu năng lượng mặt trời

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu một pha năm bậc kiểu T

2.2.1 Tổng quát:

Với sự nghiên cứu và phát triển, các bộ nghịch lưu không biến áp đã cho

ta thấy được những cải tiến và ưu điểm so với những bộ nghịch lưu với biến

áp cách ly trước đây Cụ thể là các bộ nghịch lưu không biến áp có kích thước

và trọng lượng nhỏ hơn, chi phí sản xuất thấp hơn cũng như hiệu quả hơn [1]– [7] Chính vì những cải tiến và ưu điểm đó, các bộ nghịch lưu không biến áp

sẽ dần trở thành giải pháp được ưu tiên cho các bộ biến đổi năng lượng tái tạo, đặc biệt là cho các bộ biến đổi năng lượng mặt trời (PV)

Trang 24

Hình 2.7: Mô hình của bộ nghịch lưu một pha không biến áp

Hình 2.7 cho ta thấy một mô hình đơn giản của bộ nghịch lưu một pha không biến áp Vì không có máy biến áp (ở tần số cao hoặc thấp) nên có một mối nối điện giữa bộ chuyển đổi điện và lưới điện Kết quả là dòng điện rò có thể chạy xuống đất Trên thực tế thì dòng điện rò tương ứng với dòng điện thông thường và vì thế ta dễ nhầm lẫn giữa chúng Dòng chảy rò rỉ bao gồm dòng điện của các điện dung ký sinh Cp1 và Cp2, đó là điện dung được hình thành giữa các tế bào PV và khung nối đất của bảng PV [8], [9] Các giá trị của Cp1 và Cp2 thường từ vài microfarad đến vài nanofarad, nó phụ thuộc vào các điều kiện về độ ẩm, bụi, kích thước tấm PV, cấu trúc khung, Dòng điện

rò có thể ảnh hưởng đến hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống và có thể gây ra các vấn đề nhiễu điện từ (EMI- ElectroMagnetic Interference) [10], [11] Thêm vào đó, nó còn là một mối nguy hiểm tiềm ẩn đối với con người khi tiếp xúc với các bảng PV Do đó ở Đức, họ đã cho ra một tiêu chuẩn có tên DIN VDE 0126-1-1 Trong đó xác định rằng: “Bất cứ khi nào dòng diện rò vượt quá 300 mA, thì hệ thống PV phải được ngắt kết nối trong vòng 0,3 giây” [12]

Cường độ và tần số của dòng rò rỉ trong một hệ thống PV chủ yếu phụ thuộc vào kiểu biến tần và phương pháp điều chế Các mô hình biến tần không biến áp khác nhau đã được xem xét tập trung vào việc phân tích dòng rò rỉ Ví

Trang 25

dụ, bộ chỉnh lưu cầu H một pha với phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực

và bộ chỉnh lưu ghim điểm trung tính (NPC – Neutral Point Clamped ) là các cấu trúc liên kết có dòng rò rất thấp

Một trong những mục tiêu chính trong việc thiết kế các bộ chỉnh lưu kết nối lưới không biến áp là giảm hoặc loại bỏ dòng rò rỉ Các giải pháp được báo cáo cho đến nay có thể được phân loại trong việc thiết kế các chương trình điều chế và kiểm soát [11], [16], [19] và đề xuất các mô hình mới [10], [20] - [22]

Các mô hình không biến áp toàn kỳ và các sơ đồ điều chế của chúng để đối phó với việc giảm dòng rò rỉ được trình bày trong [20], [22] - [24] Một cải tiến là mô hình biến tần H6 nhằm giảm hiện tượng rò rỉ được trình bày trong [20] Trong [25], một chiến lược điều chế cho một mô hình mới của một bộ chuyển đổi bộ chỉnh lưu ghim điểm trung tính (NPC – Neutral Point Clamped)

ba pha được đề xuất Mô hình này bao gồm hai thiết bị chuyển mạch bổ sung, hai điốt và tụ phân cực ở phía DC Trong mô hình này, các điốt và bộ chia điện dung hạn chế điện áp của các thiết bị chuyển mạch Trong [26], một mô hình khác được trình bày, bao gồm thêm hai thiết bị chuyển mạch và diode

Mô hình này có thể giảm thiểu hiện tượng rò rỉ bằng cách sử dụng phương pháp PWM đơn cực Trong [27], một bộ chỉnh lưu một pha kết lưới không biến áp sử dụng hai cuộn cảm Cuộn cảm hoạt động riêng biệt cho bán kỳ dương và bán kỳ âm Ngoài ra, hai thiết bị chuyển mạch phía AC tách riêng các nguồn PV ra từ lưới, làm giảm hiện tượng rò rỉ tần số cao

Nhiều biến tần cho phép giảm điện áp trong vật liệu bán dẫn công suất,

và kích thước của các bộ lọc đầu ra thụ động [29], có thể là giảm chi phí hệ thống Dựa trên những lợi ích này, việc áp dụng các mô hình đa tầng trong các

hệ thống PV cũng đã được quan tâm trong những năm gần đây [6], [13], [28], [30] Các mô hình đa bậc đã chứng minh những ưu điểm nhất định để đưa điện vào lưới với các mô hình đơn giản Ví dụ, nó đã chỉ ra rằng bộ nghịch lưu liên tầng đa bậc (CMI – Cascade multilevel Inverter) không cần một giai đoạn tăng

Trang 26

điện áp, cải thiện hiệu quả của hệ thống PV Hơn nữa, khi điện áp đầu ra AC được hình thành bởi nhiều cấp điện áp, thì độ méo dài sóng hài (THD) giảm đáng kể, làm giảm kích thước của bộ lọc đầu ra Các mô hình đa bậc và các chương trình điều chế liên quan cũng đã được trình bày để giảm hiện tượng rò

rỉ

Trong [6], một mô hình cầu H với hai thiết bị chuyển mạch bổ sung và một bộ chia điện dung được trình bày, sử dụng một sơ đồ PWM Một mô hình chuyển đổi một pha ba bậc sáu khóa được đề xuất trong [31] Trong [30], một

mô hình biến tần H6 cải tiến mà không có tụ phân cực ở đầu vào được đề xuất, trong đó sử dụng một sơ đồ điều chế lai Một mô hình một pha đa bậc dựa trên biến tần cầu H cho các hệ thống PV được trình bày trong [32] Mô hình này có thể được xem như một biến tần loại T, vì nó sử dụng một công tắc hai chiều để tạo ra năm bậc trong điện áp đầu ra Bộ chuyển đổi hai chiều được xây dựng bởi bốn diode và một bộ chuyển mạch Hơn nữa, giải pháp đề xuất không giải quyết vấn đề rò rỉ hiện nay Một phân tích về biến tần đa bậc loại T được định hướng hơn đã được thực hiện trong [33], nơi đánh giá hiệu quả, độ tin cậy, chất lượng nguồn và tổn thất điện phân phối được trình bày Kết luận rằng mô hình loại T có thể cải thiện đáng kể chất lượng điện năng, gây tổn hại cho việc giảm nhẹ hiệu quả

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.8: Mạch theo mô hình 5L-T-AHB

Trang 27

Nó dựa trên cấu hình cầu H, nơi chuyển mạch hai chiều nằm giữa điểm giữa của của nguồn DC với điểm giữa S1 và S3 Điều này cho phép tạo ra ba bậc đầu

Phân tích hoạt động:

Ban đầu, ta giả sử mạch ở bán chu kỳ dương, các mức điện áp VPV và

VPV/2 được tạo ra Hình 2.9 cho thấy cấu hình điện áp đầu ra VAB= VPV, khi đó khóa S1, S4 ON và S2,S3,S5,S6, D1 và D2 đều OFF tương ứng với hoạt động bình thường của mạch cầu H Dòng điện sẽ đi từ nguồn qua S1 và trở về thông qua S4

Hình 2.9: Trạng thái 1

Trang 28

Trong cấu hình của hình 2.10, S1 bị tắt, trong khi S6 và D2 được bật (S4 vẫn ON), và S2, S3, S5 và D1 bị tắt Trong trường hợp này, điện áp đầu ra bằng một nửa và dương, nghĩa là VAB = VPV/2 Dòng điện từ tụ điện C2 qua các công tắc S6, S4 và D2 Trong trường hợp đặc biệt này, khi VAB = VPV/2, S5 và S6 có thể được bật đồng thời, do đó cho phép dòng điện tải âm hoặc dương (khả năng quản lý điện phản ứng)

Tiếp theo, trong giai đoạn bán kỳ âm, các mức điện áp –VPV và –VPV/2 được tạo ra

Trang 29

Các trạng thái rỗng hoặc không có thể tạo ra theo hai cấu hình khác nhau,

cụ thể là bằng cách đồng thời ON công tắc S3 và S4 hoặc công tắc S1 và S2

và các thành phần còn lại được giữ OFF như hình 2.13 và 2.14

Hình 2.13: Trạng thái 3, cấu hình 1

Trang 31

Bảng 2.1: Bảng tóm tắt điện áp cơ bản theo từng cấu hình

Dựa vào hình 2.8, hình 2.15 ta được:

2.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin

2.2.3.1 Nguyên lý

Phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:

Trang 32

Sóng mang Vm (carrier signal) tần số cao từ hang chục đến hàng trăm kHz

Sóng điều khiển Vđk (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin

Ví dụ: công tắc chẵn sẽ được kích đóng khi sóng điều chế lớn hơn sóng mang (Vđk > Vm), ngược lại thì công tắc lẻ sẽ kích đóng

Hình 2.16: Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh

Sóng mang Vm có thể ở dạng tam giác Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao sẽ làm cho tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi có thời gian đóng Ton, và ngắt Toff nhất định Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang

Sóng điều khiển Vđk mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha, ba sóng điều khiển của ba phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của

nó Đối với bộ nghịch lưu đa bậc (m bậc) , thì số sóng mang là m-1

Trang 33

Hình 2.17: Điều chế độ rộng xung

Gọi mf là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio):

mf = 𝑓𝑐𝑎𝑟𝑟𝑖𝑒𝑟𝑓𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒 =𝑓𝑡𝑟𝑖𝑎

𝑓𝑠𝑖𝑛𝑒 (2.7) Với fcarrier : tần số sóng mang

freference: tần số sóng điều khiển

Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là tổn hao do đóng ngắt lớn Tương tự gọi ma là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio)

ma = 𝑉𝑚−𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒𝑉𝑚−𝑐𝑎𝑟𝑟𝑖𝑒𝑟 = 𝑉𝑚−𝑠𝑖𝑛𝑒

𝑉𝑚−𝑡𝑟𝑖𝑎 (2.8) Với Vm-reference : Điện áp đỉnh của sóng điều khiển

Vm-carrier: Điện áp đỉnh của sóng mang

Nếu ma ≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản của áp ra và áp điều chế là tuyến tính

Trang 34

Khi giá trị ma > 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn biên độ sóng mang thì biên độ hài cơ bản điện áp tăng không tuyến tính theo biến ma Lúc này, bắt đầu xuất hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn Trường hợp này được gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc điều chế mở rộng

2.2.3.2 Phương pháp Sin PWM cho bộ nghịch lưu đa bậc

a) Các sóng mang liên tiếp đối xứng qua trục không – POD (Phase Opposition Disposition) Các sóng mang nằm trên trục 0 sẽ cùng pha nhau, ngược lại các sóng mang nằm dưới trục 0 sẽ bị dịch 180o

Hình 2.18: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu POD

Trang 35

b) Các sóng mang bố trí cùng pha – DP (In Phase Disposition)

Hình 2.19: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu DP

c) Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180o – APOD (Alternative Phase Opposition Disposition)

Hình 2.20: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu APOD

Trang 36

- Ưu điểm:

+ Giảm tổng sóng hài (THD) điện áp ngõ ra,

+ Giảm dòng điện rò

Trang 37

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA ĐA BẬC

5L-T-AHB

Trong chương 2, bộ nghịch lưu một pha đa bậc đã được trình bày Tuy nhiên, trong giới hạn đề tài, việc triển khai giải thuật nối lưới rất khó thực hiện Do đó cấu hình này chỉ thực hiện trên tải RL

3.1 Mô phỏng luật điều khiển đóng cắt các khóa công suất

Giới thiệu chung về mạch điều khiển và công suất

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch điều khiển và công suất

Các yêu cầu của mạch điều khiển:

- Phát xung điều khiển đến các khóa theo đúng luật đóng ngắt

- Đảm bảo các khóa cùng nhánh không bị trùng dẫn

- Tần số và điện áp ngõ ra thay đổi được

3.1.1 Xây dựng mô hình bộ nghịch lưu một pha năm bậc bằng PSIM

Dựa vào bài báo “A Single-Phase Asymmetrical T-type Five-level Transformerless PV Inverter” của các tác giả Gerardo Escobar Valderrama, Senior Member, IEEE, Gerardo Vazquez Guzman, Member, IEEE, Erick Pool Mazun, Member, IEEE, Panﬁlo Raymundo Martinez Rodriguez, Member, IEEE, Manuel Lopez Sanchez, Member, IEEE, Jose Miguel Sosa Zu˜niga, Member, IEEE”

Nguồn

DC

(PV)

Bộ biến tần pha năm bậc (5L-T-AHB)

Tải R-L

Xung điều khiển

Trang 38

Sơ đồ mô phỏng tổng quát của bộ nghịch lưu một pha năm bậc như hình gồm khối công suất, khối điều khiển, tải R-L và nguồn DC thay cho pin mặt trời

Hình 3.2: Sơ đồ khối công suất 5L-T-AHB

Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển 5L-T-AHB

Thông số mô phỏng bộ nghịch lưu 5L-T-AHB:

Nguồn DC: 100V

Trang 39

Thông số tải ngõ ra: Rs=50Ω, L= 3mH

Ta mô phỏng theo phần lý thuyết bài báo

Hình 3.4: Sóng điều khiển và sóng mang bố trí đối xứng qua trục 0 (POD)

Trang 40

Dạng xung của các khóa công suất:

Hình 3.5: Xung điều khiển khóa S1

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	5,8 MB