Nghiên cứu hệ thống điều khiển chế độ làm việc song song của bộ bán dẫn công suất trong nguồn phát phân tán dùng bộ điều khiển dòng tỷ lệ cộng hưởng PR

Như một hệ thống biến đổi dùng kết nối giữa các phần tử của lưới điện, bộ biến đổi cần có khả năng điều ển dòng công suất theo hai chiều, kể cả công suất tác dụng lẫn công suất phản... M

-

LÊ PHƯƠNG HẢO

NGHIÊN C ỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC SONG SONG C ỦA BỘ BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG NGUỒN

PHÁT PHÂN TÁN DÙNG B Ộ ĐIỀU KHIỂN DÒNG

T Ỷ LỆ CỘNG HƯỞNG (PR)

LU ẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ N ỘI, NĂM 2013

L ời cảm ơn!

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Trần Trọng Minh, các thầy cô

trong bộ môn Tự động hoá, cùng với sự nỗ lực của bản thân, sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của gia đình bạn bè em đã hoàn thành đề tài luận văn Em xin gửi lời cảm ơn sâu

sắc nhất đến thầy giáo TS Trần Trọng Minh, người đã luôn quan tâm động viên,

khích lệ và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Tác giả

Lê Phương Hảo

M ỤC LỤC

Danh m ục hình vẽ 6

Danh m ục bảng ……11

M ở Đầu 12

ĐẶT VẤN ĐỀ……… .12

VẤN ĐỀ VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU……… …… 13

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI……… 13

Chương 1 CẤU TRÚC TỔNG THỂ CỦA BỘ BIẾN ĐỔI 14

1.1 C ấu trúc chuyển đổi 14

1.1.1 Cấu trúc sơ bộ 14

1.1.2 Cấu trúc chi tiết 15

1.1.3 Khâu cách ly DC-DC… .……… 16

1.1.4 Khâu cách ly DC-AC….……… 16

1.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc 17

1.3 Nguyên lý điều khiển của sơ đồ và thông số kỹ thuật cần thiết 20

Tóm tắt 20

Chương 2 BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC 21

2.1 M ở đầu 21

2.2 Các c ấu trúc bộ biến tần đa mức 22

2.3 C ấu trúc bộ biến tần đa mức kiểu cầu H nối tầng 26

2.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 27

ộ biến tần đa cấp một pha dùng cầu chữ H cách ly 29

2.5.1 Phân tích cấu trúc bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu 7 mức 29

2.5.2 Cấu trúc chi tiết các khối 31

2.5.3 Kết quả mô phỏng……… 32

Nhận xét 32

2.6 B ộ biến tần đa cấp ba pha……… 32

2.6.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM……… 32

2.6.2 Mô hình mô phỏng……… 32

2.6.3 Kết quả mô phỏng……… 34

Nh ận xét……… 34

Chương 3 BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC XÂY DỰNG TRÊN CẤU TRÚC BIẾN T ẦN ĐA MỨC 35

3.1 C ấu tạo và nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu tích cực một pha 35

3.1.1 Cấu tạo……… 35

3.1.2 Nguyên lý hoạt động 36

3.2 H ệ thống điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu tích cực một pha………… 40

3.2.1 Phương pháp điều chỉnh dòng PI tuyến tính……… 40

3.2.2 Phương pháp điều chỉnh dòng PI cộng hưởng (PR)……… 41

3.3 B ộ chỉnh lưu tích cực một pha……… 43

3.3.1 Cấu trúc và hệ thống điều khiển của bộ biến đổi……… 43

3.3.2 Thông số và mô hình mô phỏng……… 45

3.3.3 Cấu trúc chi tiết các khối……… 47

3.3.4 Kết quả mô phỏng……… 48

Nhận xét……… 48

3.4 B ộ chỉnh lưu tích cực đa mức 49

3.4.1 Cấu trúc và hệ thống điều khiển……… 49

3.4.2 Thông số và mô hình mô phỏng 50

3.4.3 Kết quả mô phỏng 52

3.5 Bộ chỉnh lưu đa mức ba pha 53

3.5.1 Thuật toán điều khiển trong chế độ ba pha……… 53

3.5.2 Cấu trúc và hệ thống điều khiển……… 61

3.5.3 Mô hình mô phỏng……… 63

3.5.4 Kết quả mô phỏng……… 64

Nhận xét……… 64

Chương 4: BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC ĐA MỨC XÂY DỰNG TRÊN BỘ

BI ẾN ĐỔI DC-AC-AC CÓ CÁCH LY TẦN SỐ CAO 65

4.1 B ộ biến đổi DC-AC-AC dùng matrix converter………65

4.2 Điều chế PWM cho bộ biến đổi DC-AC-AC dùng matrix converter… 66

4.3 Điều khiển chuyển mạch cho Matrixconverter……… 69

4.4 Ngh ịch lưu đa mức xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC……… 74

4.5 Ứng dụng của nghịch lưu đa mức nối tầng……… 75

4.6 B ộ chỉnh lưu tích cực xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC……… 76

4.6.1 Cấu trúc và hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi……… 76

4.6.2 Thông số và mô hình mô phỏng……… 79

4.6.3 Cấu trúc chi tiết các khối……… 81

4.6.4 Kết quả mô phỏng……… 83

Nh ận xét……… 84

4.7 B ộ chỉnh lưu tích cực đa mức nối tầng xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC……… 85

4.7.1 Cấu trúc và hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi……… 85

4.7.2 Thông số và mô hình mô phỏng……… 86

4.7.3 Kết quả mô phỏng……… 88

Nh ận xét……… 88

4.8 B ộ chỉnh lưu tích cực đa mức ba pha nối tầng xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC……… 89

4.8.1 Cấu trúc điều khiển……… 89

4.8.2 Thông số và mô hình mô phỏng……… 91

4.8.3 Kết quả mô phỏng……… 92

Nh ận xét……… 93

4.9 H ệ thống điều khiển dòng năng lượng UPFC……… 93

4.9.1 Nguyên lý điều khiển UPFC……… 93

4.9.2 Nguyên lý điều khiển dòng công suất……… 95

CHƯƠNG 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TỔNG THỂ CỦA BỘ BIẾN ĐỔI 101

5.1 B ộ biến đổi tổng thể……… 101

5.2 K ết quả mô phỏng……… … 104

Nh ận xét……… ….105

K ẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 106

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 107

PH Ụ LỤC 108

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: C ấu trúc tổng thể của bộ biến đổi………14

Hình 1.2: Cấu trúc sơ bộ của bộ biến đổi……… 15

Hình 1.3: Mô hình c ấu trúc bộ biếnđổi……… 15

Hình 1.4: Mô hình b ộ biến đổi một pha với khâu cách ly DC-DC……… 16

Hình 1.5: Mô hình b ộ biến đổi một pha với khâu cách ly DC-AC kết hợp với khâu Cyclo-Converter……… 17

Hình 1.6: C ấu trúc chi tiết ba pha của bộ biến đổi với quá trình chuyển đổi đa c ấp……… 19

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần đa mức dùng điôt chốt……… 23

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần đa mức dùng flying-capacitor……… 24

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần đa mức kiểu nối tầng……… 25

Hình 2.4: Sơ đồ đa mức dùng cầu H-bridge……… 26

Hình 2.5: Phương pháp điều chế PWM dịch pha cho nghịch lưu 3 cầu H nối tần 28

Hình 2.6: Mô hình mô ph ỏng bộ biến tần 7 mức một pha……… 30

Hình 2.7: Khâu t ạo ra hệ thống xung tam giác ngược pha nhau 180 o ……… 31

Hình 2.8: Khâu t ạo tín hiệu xung đi đóng cắt các van trên mỗi cầu………….… 31

Hình 2.9: Hình d ạng điện áp ra……… 32

Hình 2.10: Tín hi ệu điều chế PWM cho bộ biến tần ba pha ba cấp……… 33

Hình 2.11: Mô hình mô ph ỏng bộ biến tần đa mức ba pha……… 33

Hình 2.12: Hình d ạng điện áp ra trên ba pha……… 34

Hình 3.1: Sơ đồ chỉnh lưu một pha……… 35

Hình 3.2: M ạch điện tương đương (a) và biểu đồ vector (b)……… 37

Hình 3.3: Chi ều dòng điện khi V1, V4 được điều khiển mở, i L 0 > ……… 39

Hình 3.4: Chiều dòng điện khi V2, V3 được điều khiển mở, i L > 0………

39 Hình 3.5: Đáp ứng của bộ điều chỉnh PI……… 41

Hình 3.6: C ấu trúc của bộ điều chỉnh cộng hưởng PR……… 42

Hình 3.7: Đáp ứng của bộ điều chỉnh cộng hưởng……… 43

Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống cấu trúc điều khiển……… 44

Hình 3.9: Mô hình mô ph ỏng mạch chỉnh lưu tích cực một pha……… 46

Hình 3.10: C ấu trúc bộ điều chỉnh dòng điện PID……… 47

Hình 3.11: C ấu trúc mô phỏng khâu điều chế độ rộng xung PWM……… 47

Hình 3.12: Tín hi ệu điện áp đặt và điện áp một chiều đầu ra của bộ biến đổi…… 48

Hình 3.13: Hình d ạng dòng điện và điện áp lưới của bộ biến đổi……… 48

Hình 3.14: Tín hi ệu đầu ra của bộ điều chỉnh PR……… 48

Hình 3.15: C ấu trúc điều khiển của bộ chỉnh lưu tíc cực ba mức……… 49

Hình 3.16: Mô hình mô ph ỏng chỉnh lưu tích cực đa mức một pha……… 51

Hình3.17: Hình d ạng điện áp và dòng điện lưới của bộ biến đổi……… 52

Hình 3.19: Tín hi ệu dòng điện một chiều của bộ biến đổi……… 52

Hình 3.20: Hệ tọa độ 0αβ……… 54

Hình 3.21: Mô hình mô ph ỏng chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ 0αβ… 55

Hình 3.22: Đồ thị thể hiện quá trình chuyển từ hệ trục tọa độ 0αβ sang hệ tọa độ 0dq……… 56

Hình 3.23 : Mô hình mô ph ỏng bộ chuyển đổi hệ tọa độ từ 0αβ sang hệ tọa độ 0d 57

Hình 3.24 : Mô hình mô ph ỏng bộ chuyển đổi hệ tọa độ từ 0dq sang hệ tọa độ abc 58 Hình 3.25: Mô hình mô phỏng bộ điểu chỉnh dòng điện trong hệ tọa độ odq… 58

Hình 3.26: Bi ểu diễn các đại lượng vector trên tọa đô dq tựa điện áp……… 59

Hình 3.27: Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL……… 61

Hình 3.28: C ấu trúc điều khiển của bộ biến đổi……… 62

Hình 3.29: Mô hình mô ph ỏng bộ chỉnh lưu đa mức ba pha……… 63

Hình 3.30: Tín hi ệu sai lệch giữa lượng đăt và đầu ra tổng phía một chiều… 64

Hình 3.31: Tín hiệu điện áp trên pha C……… 64

Hình 3.32: Tín hi ệu điện áp tổng hợp trên cả ba pha……… 64

Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến đổi DC-AC-AC dùng matrix converter……… 65

Hình 4.2: M ẫu xung điều khiển PWM cho matrix converter……… 67

Hình 4.3: Đồ thị quả bóng trạng thái chuyển mạch giữa hai pha đầu vào 69

Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc khâu chuyển mạch van hai chiều Cyclo-Conveter…… 69

Hình 4.5: Chuy ển mạch từ V1 sang V3 và ngược lại với u f >0………

70 Hình 4.6: Chuy ển mạch từ V1 sang V3 và ngược lại với u f <0………

71 Hình 4.7: Tr ạng thái logic của các van trong quá trình chuyển mạch……… 72

Hình 4.8: Mô hình logic chuy ển mạch dùng StateFlow……… 73

Hình 4.9: Nghịch lưu đa mức trên cơ sở bộ biến đổi DC-AC-AC……… 74

Hình 4.10: Khả năng xảy ra ngắn mạch trong sơ đồ back-to-back của nghịch lưu nối t ầng……… 76

Hình 4.11: C ấu trúc điều khiển cho bộ MC……… 78

Hình 4.12: Mô phỏng bộ chỉnh lưu tích cực một pha với phía DC cách ly………… 80

Hình 4.13: Mô hình m ạch chuyển đổi công suất hai chiều……… 81

Hình 4.14: Mô hình mạch điều khiển chuyển mạch van của bộ MC……… 82

Hình 4.15: Hình dạng dòng điện xoay chiều phía đầu vào bộ cyclo……… 83

Hình 4.16: Hình d ạng điện áp xoay chiều đầu vào bộ MC……… 83

Hình 4.17: Hình dạng điện áp bên sơ cấp bộ biến đổi……… 83

Hình 4.18: Hình d ạng dòng điện phía bên sơ cấp bộ biến đổi……… 84

Hình 4.19: Hình d ạng dòng điện một chiều của bộ biến đổi……… 84

Hình 4.20: C ấu trúc và hệ trúc và hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu tíc cực đa mức xây dựng dựa trên bộ biến đổi DC-AC-AC……… 85

Hình 4.21: Mô hình mô ph ỏng bộ chỉnh lưu tíc cực đa mức xây dựng trên bộ biến đổi

DC-AC-AC……… 87

Hình 4.22: Hình d ạng dòng điện phía xoay chiều đầu vào bộ MC……… 88

Hình 4.23: Hình dạng điện áp phía xoay chiều đầu vào bộ MC……… 88

Hình 4.24: Hình d ạng điện áp đầu ra đa mức trên ba cầu MC……… 88

Hình 4.25: Hình d ạng giá trị điện áp phía một chiều trên một bộ MC……… 89

Hình 4.26: C ấu trúc điều khiển của bộ biến đổi……… 90

Hình 4.27: Mô hình mô ph ỏng bộ biến đổi……… 91

Hình 4.28: Điện áp nguồn Vab……… 92

Hình 4.2: 9 Điện áp trên pha c……… 92

Hình 4.30: giá tr ị so sánh giữa điện áp đặt và điện áp đầu ra Udc……… 92

Hình 4.31: Mạch lực của bộ biến đổi nối tiếp song song……… 93

Hình 4.32: Mô hình UPFC trên lưới truyền tải……… 94

Hình 4.33: Phần mắc nối tiếp của UPFC……… 95

Hình 4.34: Điện áp bù V c phía nối tiếp……… 96

Hình 4.35: Sơ đồ pha điều khiển dòng công suất……… 97

Hình 4.36: Nguyên lý tổng quát điều khiển dòng công suất……… 99

Hình 5.1: Sơ đồ mô phỏng tổng thể của bộ biến đổi……… ….103

Hình 5.2: Trung bình giá trị điện áp một chiều trên cả ba pha……… 104

Hình 5.3: Hình d ạng dòng điện trên nguồn xoay chiều i abc ……….104

Hình 5.4: Hình d ạng điện áp trên nguồn xoay chiều

suất nhỏ lẻ, phân bố rời rạc và không ổn định chính vì vậy cần phải có chiến lược điều khiển, kiểm soát tốt các nguồn năng lượng này Việc ghép nối và làm việc song song giữa các nguồn phát phân tán là nhằm mục đích có thể quy họp được những nguồn năng lượng nhỏ lẻ thành nguồn phát có công suất lớn và có thể trao đổi linh hoạt công suất hai chiều giữa các nguồn năng lượng với nhau mà vẫn đảm bảo được sự làm việc độc lập giữa chúng và còn có khả năng kết nối với lưới điện quốc gia Việc kết nối nguồn phát phân tán trong lưới điện nhỏ có kết nối với lưới điện quốc gia đòi hỏi có các bộ biến đổi điện năng tin cậy, hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn Biến tần đa mức chính là các thiết bị biến đổi có thể đáp ứng các yêu cầu này Như một hệ thống biến đổi dùng kết nối giữa các phần tử của lưới điện, bộ biến đổi cần có khả năng điều

ển dòng công suất theo hai chiều, kể cả công suất tác dụng lẫn công suất phản

kháng, hơn nữa phải có cách ly là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn Cấu trúc bộ

biến đổi đưa ra trong luận văn này đảm bảo hoàn toàn các yêu cầu về truyền công suất hai chiều, cách ly thông qua bộ biến đổi DC-AC-AC., trong đó khâu trung gian DC-

AC dùng máy biến áp tần số cao Nhờ có khâu trung gian tần số cao kích thước máy

biến áp sẽ giảm nhỏ đáng kể Khâu biến đổi AC-AC sử dụng cấu trúc biến tần kiểu

trực tiếp với điều khiển chuyển mạch đơn giản theo điện áp, khâu trung gian trở nên thuần bán dẫn, kích thước trở nên nhỏ gọn vì không cần đến các tụ lớn

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Đưa ra được cấu trúc bộ biến đổi và xây dựng hệ thống điều khiển để kết nối

giữa các thanh cái điện xoay chiều trong lưới điện nhỏ có nhiều nguồn phát phân tán dùng năng lượng tái tạo

VẤN ĐỀ VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Phân tích cấu trúc mạch lực và xây dựng hệ thống điều khiển biến tần đa cấp

nối tầng bao gồm thuật toán, điều chế độ rộng xung, logic điều khiển chuyển mạch, cấu trúc và tham số các mạch vòng điều chỉnh

Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab để kiểm chứng khả năng hoạt động

và những đặc tính của hệ thống

Bản luận văn gồm 4 chương Chương 1: Đưa ra cấu trúc sơ bộ và cấu trúc chi

tiết của bộ biến đổi có khả năng nối lưới, trao đổi được công suất hai chiều… mà ta đang đi xây dựng và mô phỏng Chương 2: Đưa ra các cấu trúc biến tần đa cấp, so sánh ưu, nhược điểm của các cấu trúc biến tần đó để lựa chọn cấu trúc sử dụng trong

bộ biến đổi lựa chọn phương pháp điều khiển để từ đó xây dựng mô hình mô phỏng

Chương 3: Nêu cấu trúc, nguyên lý làm việc, cấu trúc và tham số các mạch vòng điều

chỉnh của bộ biến đổi chỉnh lưu tích cực Chương 4: Phân tích nguyên lý chuyển

mạch van, logic điều khiển chuyển mạch, phương pháp điều khiển PWM cho bộ biến đổi Matrix Converter Cấu trúc và hệ thông điều khiển, mô hình mô phỏng của bộ biến đổi Chương 5: Mô hình mô phỏng cấu trúc tổng thể của bộ biến đổi nối tầng đa

cấp mà ta xây dựng

Chương 1: CẤU TRÚC TỔNG THỂ CỦA BỘ BIẾN ĐỔI

Mục tiêu tổng thể của luận văn là xây dựng một cấu trúc bộ biến đổi tiên tiến để đáp ứng nhu cầu ứng dụng và phát triển của các nguồn năng lượng mới vào Hệ Thống Điện Việt Nam trong tương lai Với yêu cầu là bộ biến đổi này có thể kết nối với một loạt các tải, các nguồn hoặc các lưới điện với nhau để ứng dụng cho việc trao đổi công suất giữa các nguồn năng lượng tái tạo, các lưới điện hoặc giữa các lưới với các hệ

thống lưu trữ năng lượng với mục tiêu chính là có thể điều khiển linh hoạt hai chiều công suất giữa các nguồn với sự cách ly độc lập giữa các bên, và tạo nên sự cân bằng công suất giữa các nguồn và tải, đặc biệt là mục tiêu kiểm soát tốt chiều truyền công suất giữa các vị trí khác nhau trong hệ thống điện

1.1 Cấu trúc biến đổi

1.1.1 Cấu trúc sơ bộ

Cấu trúc tổng thể hệ thống của bộ biến đổi được mô tả trong hình 1.1

Hình 1.1 C ấu trúc tổng thể của bộ biến đổi

Theo nghiên cứu của tác giả trong dự án Uniflex hệ thống cấu trúc này gồm có hai cổng được kết nối với nhau Với cấu trúc này, cổng 1 và cổng 2 có thể là các nguồn điện phân tán hoặc các lưới điện độc lập nhau, cổng 3 là một hệ thống lưu trữ năng lượng điện được kết nối với lưới qua bộ biến đổi Mục đích của việc xây dựng cấu trúc này là thực hiện việc truyền và trao đổi công suất giữa các nguồn và các lưới điện khác nhau và có khả năng hòa lưới các nguồn điện và lưới điện phân tán công suất nhỏ vào các lưới công suất lớn của lưới điện quốc gia

Việc kết nối ba cổng như trên gặp phải rất nhiều khó khăn về cấu trúc bộ biến đổi và việc điều khiển cũng rất phức tạp Vì vậy để đơn giản hơn trong luân văn này chỉ đưa ra cấu trúc tổng thể của bộ biến đổi kết nối chỉ gồm hai cổng là hai nguồn phát xoay chiều

Hình 1 2: Cấu trúc sơ bộ của bộ biến đổi

Bộ biến đổi này có nhiệm vụ:

- Kết nối và trao đổi được công suất phản kháng và công suất tác dụng qua lại giữa hai nguồn một cách linh hoạt

- Có tính modul hóa để có thể dễ dàng thay đổi khi sửa chữa hoặc hư hỏng

- Phải có cách ly độc lập hai nguồn để đảm bảo tính làm việc độc lập của mỗi nguồn và giảm bớt kích thước của bộ biến đổi

1.1.2 C ấu trúc chi tiết

Bộ biến đổi được xây dựng trên cơ sở cấu trúc của bộ chỉnh lưu - khâu trung gian một chiều - nghịch lưu (AC-DC-AC) như hình 1.3

Hình 1.3 Mô hình c ấu trúc bộ biến đổi

Ở đây khâu cách ly có thể được bố trí theo hai kiểu khác nhau dẫn đến các phương pháp điều khiển khác nhau và do đó có thể có những kết quả khác nhau gồm:

Hình 1.4 Mô hình b ộ biến đổi một pha với khâu cách ly DC-DC

Các khâu vào và đầu ra là các H-Bridge thông thường Khâu cách ly DC-DC được liên kết thông qua một biến áp tần số cao tạo sự các ly độc lập tương đối cần thiết giữa nguồn và tải và được kết nối với các cổng Nó cũng có thể được thiết kế để tăng hoặc giảm điện áp giữa hai phía để đáp ứng các yêu cầu cụ thể cho lưới điện hoặc cho tải Việc sử dụng một biến áp tần số cao cho phép thiết kế hệ thống nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt

T ừ các phân tích trên ta nhân thấy cấu trúc sử dụng khâu cách ly DC-AC có nhi ều ưu điểm hơn so với cấu trúc sử dụng khâu cách ly DC-DC Vì vậy trong cấu trúc t ổng thể ta chọn phương án dùng cấu trúc sử dụng khâu cách ly DC-AC Và để đảm bảo yêu cầu modul hóa ta sẽ xây dưng bộ biến đổi trên cơ sở cấu trúc nối tầng

1.2 Xây d ựng sơ đồ cấu trúc của bộ biến đổi ba pha

Mô hình được xây dựng phải đảm bảo công suất có thể trao đổi qua lại với nhau qua bộ biến đổi Đồng thời năng lượng của pha A của cổng này có thể trao đổi qua lại với năng lượng các pha A, B, C của cổng kia và ngược lại Quá trình này cũng xảy ra tương tự trong các pha B và C Sự trao đổi năng lượng như vậy sẽ tạo ra sự cân bằng công suất trên cả ba pha của các cổng

Khâu trung gian một chiều trong sơ đồ làm cho chỉnh lưu và nghịch lưu làm việc tương đối độc lập với nhau, do đó các phương pháp biến điệu để tạo ra điện áp ra hình sin được thực hiện dễ dàng hơn

Để thực hiện được điều này bộ biến đổi sử dụng nhiều các modun được mắc nối

tiếp nhau trên cả ba pha để thực hiện việc trao đổi công suất giữa các cổng Các modun này là các cầu H-bridge một pha có thể truyền công suất từ một chiều sang xoay chiều và ngược lại Điều này dẫn đến việc sử dụng một cấu trúc chuyển đổi đa

cấp với các H-Bridge ( bộ AC/DC) có cấu trúc chi tiết như hình 1.6

Việc chuyển đổi năng lượng trong chuyển đổi đa cấp là sử dụng một loạt các thiết bị bán dẫn để tạo ra các tín hiệu bậc thang liên kết từ nhiều nguồn DC điện áp thấp Các sóng dạng bậc thang này sẽ được điều chế sau đó tạo ra được một sóng sin với điện áp cao Do đó sơ đồ linh hoạt hơn trong việc tạo điện áp điện áp cao và khả năng điều khiển chiều công suất

Cấu trúc trên hình 1.6 sử dụng các H-Bridge chuyển đổi cascaded cho mỗi

khâu Trong đó cổng 1 có 3 chuyển đổi cầu H-Bridge trên một pha và được kết nối

lần lượt với các pha A, B, C của cổng 2 như hình vẽ Nghĩa là năng lượng trong một pha của cổng 1 sẽ được phân phối trên tất cả ba pha của cổng 2 Sự kết nối như vậy đã tạo được sự liên hệ giữa các cổng để truyền công suất hai chiều mà không gây ra sự mất cân bằng công suất tại các cổng Quá trình như vậy đã tạo ra được bộ chuyển đổi với 7 mức điện áp trên các pha Tất cả các cổng tương tác với nhau thông qua các liên kết DC Các liên kết DC cũng tạo ra sự cách ly giữa các cổng bằng cách sử dụng khâu DC-AC với chuyển đổi với tần số cao (MF) thông qua máy biến áp cách ly Cấu trúc này cho phép quá trình truyền công suất hai chiều một cách linh hoạt giữa các cổng khi kết hợp với một bộ điều khiển thích hợp Đặc biệt cấu trúc này cũng tạo được sự cân bằng công suất trên cả ba pha của các cổng và đây là một ưu điểm vượt trội của

mô hình so với các mô hình khác

Hình 1.6 Cấu trúc chi tiết ba pha của bộ biến đổi với quá trình chuyển đổi đa

c ấp

1.3 Nguyên lý điều khiển của sơ đồ và thông số kỹ thuật cần thiết

- Chế độ kết nối giữa các lưới điện hay các điểm nút trong hệ thống điện với nhau (Chế đô nối lưới)

- Chế độ ốc đảo (hoạt động và cung cấp cho phu tải một cách độc lập)

Từ những yêu cầu và đảm bảo khả năng hoạt động như trên yêu cầu ta phải phải thiết kế và tính toán thông số hai cấu trúc mạch vòng điều khiển đó là mạch vòng dòng điện và mạch vòng điện áp (các mạch vòng điều khiển sẽ được xây dựng và tính toán cụ thể cho mỗi bộ biến đổi)

Tóm t ắt: Trong chương 1 đã đưa ra cấu trúc tổng thể và cấu trúc chi tiết của bộ

bi ến đổi kết nối hai nguồn phát xoay chiều đảm bảo các yêu cầu đưa ra của bộ biến đổi đó là có khả năng trao đổi linh hoạt công suất hai chiều bằng cách sử dụng cấu trúc bi ến đổi như chỉnh lưu tích cực, dùng van bán dẫn hai chiều … Có tính modul hóa bằng cách sử dụng cấu trúc nối tầng hay biến tần đa mức có cách ly độc lập hai phía b ằng cách sử dụng cấu trúc biến đổi DC-AC-AC có cách ly sử dụng máy biến áp

t ần số cao Trong chương 2, chương 3, chương 4, chương 5 của luận văn sẽ lần lượt phân tích c ấu tạo, nguyên lý hoạt động, cấu trúc điều khiển, ưu nhược điểm, mô hình

mô ph ỏng, kết quả mô phỏng đạt được của những bộ biến đổi được lựa chọn sử dụng trong cấu trúc của bộ biến đổi tổng thể

Ch ương 2: BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC

2.1 M ở đầu

Biến tần đa cấp đạt được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây như một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao Biến tần đa cấp có thể tạo ra điện áp dạng sin từ các nguồn DC cách ly Biến tần đa cấp 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 tua-bin điện sức gió Cấu trúc biến tần đa cấp đã được phát triển để có thể sử dụng các thiết bi đóng cắt bán dẫn với điện áp tương đối thấp cho các ứng dụng yêu cầu điện áp cao, công suất lớn Đặc biệt

là khả năng ứng dụng của thiết bị bán dẫn trong hệ thống điện xoay chiều công suất

lớn để điều khiển công suất phản kháng cải thiện sự ổn định hệ thống điện từ đó yêu

cầu sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp với điện áp cao và công suất lớn vì những ưu điểm sau:

- Các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở các tần số cơ bản hoặc gần tần số này do đó

giảm đáng kể tổn hao do quá tình đóng cắt

- Nó giúp loại bỏ sự cần thiết của máy biến áp cung cấp các cấp điện áp cần thiết

- Kết cấu modul hóa nên cấu trúc mạch lực đơn giản hơn, số lượng thiết bị ít hơn

- Vì không có biến áp hệ thống nên có thể đáp ứng nhanh hơn nhiều

- Giảm được giá thành do phải biến đổi cấp điện áp, sử dụng ít dây dẫn hơn

Như đã biết 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 Không những thế quá trình điều khiển khi đầu vào phía xoay chiều là mạch LCL cũng là bài toán nan giải Điều này dẫn tới mối quan tâm lớn đến biến tần đa mức trong các hệ thống thiết bị tham gia vào quá trình điều khiển và đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống điện, tiêu

lượng (UPFC), phục hồi điện áp động (DVR), hay các bộ lọc tích cực Tương tự như

vậy các ứng dụng trong các hệ thống truyền động công suất lớn, điện áp cao biến tần

đa cấp cũng mang lại hiều quả đáng kể

Ngày nay việc xây dựng và đưa vào các hệ thống điện dùng năng lượng tái tạo

đã trở thành một yêu cầu bức thiết Các hệ thống năng lượng tái tạo đặc trưng bởi các nguồn phát phân tán trong một lưới điện yếu quy mô tương đối nhỏ, có thể kết nối với lưới điện quốc gia và phải có khả năng làm việc trong chế độ ốc đảo Việc kết nối nguồn phát phân tán trong lưới điên nhỏ có kết nối với lưới quốc gia đòi hỏi có bộ biến đổi tin cậy, hiệu suất cao, kích thươc nhỏ gọn Biến tần đa mức chính là các thiết

bị biến đổi có thể đáp ứng các yêu cầu này Như một hệ thống biến đổi dùng để kết

nối giữa các phần của lưới điện, bộ biến đổi cần có khả năng điều khiển dòng công suất hai chiều, kể cả công suất tác dụng lẫn công suất phản kháng, hơn nữa phải có cách ly là yêu cầu bắt buộc đảm bảo an toàn

Trong chương này sẽ đưa ra cấu trúc của bộ biến tần đa mức, so sánh ưu nhược điểm của các cấu trúc biến tần đa cấp để lựa chọn bộ biến tần hợp lý, nêu phương pháp điều chế độ rông xung PWM cho bộ biến tần đa cấp đã lựa chon Mô hình mô ph ỏng ứng dụng cấu trúc biến tần đa mức

2.2 Các c ấu trúc bộ biến tần đa mức

Cấu trúc chung của bộ biến đổi đa mức nối tầng được tạo thành từ một loạt các

bộ biến đổi cầu một pha Lý do sử dụng các khóa chuyển mạch này là dòng điện bị phân chia trong các khóa chuyển mạch và cho phép làm việc với công suất định mức lớn hơn công suất từng mức riêng rẽ Khi số lượng mức tăng lên dạng sóng điện áp ra

tổng hợp có dạng bậc thang gần với điện áp mong muốn, độ méo điều hòa giảm đi và

gần bằng 0 khi số mức tăng lên Cấu trúc của bộ nghịch lưu nhiều mức bắt đầu từ ba mức, gồm hai tụ điện mắc nối tiếp và sử dụng đầu giữa như trung tính Mỗi pha của

bộ biến đổi ba mức có đôi thiết bị chuyển mạch mắc nối tiếp Đầu giữa của mỗi đôi được chốt vào trung tính qua các điốt chốt Dạng sóng tạo nên gần như hình chữ nhật

Có ba loại biến tần đa mức không sử dụng máy biến áp đó là:

- Bộ biến tần đa mức dùng tụ điện thay đổi (flying-capacitor inverter)

- Bộ biến tần đa mức dùng điốt chốt (diot-clamped inverter)

- Bộ biến tần đa mức dùng cầu nối tầng H (cascad H-bridge inverter)

So sánh ưu nhược điểm của các cấu trúc bộ biến tần đa mức:

• B ộ biến tần đa mức dùng điốt chốt

Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần đa mức dùng điôt chốt

Ưu điểm:

- Khi số cầu bộ biến đổi cao thì độ méo thấp và không cần bộ lọc

- Các ứng xuất trên khóa chuyển mạch thấp vì tần số chuyển mạch dưới 500Hz

- Có thể không cần điều khiển công suất phản kháng

Nhược điểm:

- Số điốt quá nhiều khi số mức tăng lên

- Khó điều khiển dòng công suất qua mỗi bộ biến đổi

• B ộ biến tần đa mức dùng flying-capacitor

Ưu điểm:

- Khi số cầu của bộ biến đổi lớn không cần bộ lọc

- Có thể điều khiển dòng công suất tác dụng và phản kháng

Nhược điểm:

- Số lượng tụ điện nhiều

- Điều khiển sẽ trở nên khó khăn khi số cell m tăng lên

Hình 2 2 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần đa mức dùng flying-capacitor

• B ộ biến tần đa mức kiểu nối tầng

Ưu điểm:

- Có ít linh kiện hơn các sơ đồ khác

- Điều khiển đơn giản vì các biến đổi có cùng một cấu trúc

- Sử dụng modul công suất chuẩn, giá thành hạ, thuận tiện cho việc bảo trì, thay thế khi hư hỏng

- Cần nhiều nguồn cách ly

Hình 2 3 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần đa mức kiểu nối tầng

Nh ận xét: Trong các sơ đồ bộ biến tần đa mức, sơ đồ tụ điện biến đổi khó thực

hiện bởi vì mỗi tụ được nạp với điện áp khác nhau khi số mức tăng lên Sơ đồ có điốt

chốt khó mở rộng sang nhiều mức vì vấn đề liên lạc một chiều không cân bằng, số điốt chốt tăng lên và khó bố trí tụ liên lạc một chiều và các thiết bị khi điện áp tăng lên Bộ biến tần đa mức nối tầng cần phân tách nhuồn một chiều, có khả năng modul hóa, vấn đề không cân bằng của điện áp liên lạc một chiều không xảy ra, do đó có thể

mở rộng ở nhiều mức Vì ưu điểm này Bộ biến tần đa mức nối tầng được sử dụng

rộng rãi trong truyền tải điện một chiều cao áp, bộ bù tĩnh, bộ điều khiển dòng công

suất UPFC, bộ ổn định và bộ truyền động cơ công suất lớn “Với những ưu điểm như

trên trong luận văn này sẽ lựa chọn phương pháp áp dụng bộ biến tần đa mức dùng c ầu chữ H cách ly”

2.3 C ấu trúc bộ biến tần đa mức kiểu cầu H nối tầng

Cấu trúc một pha của một biến tần nguồn áp kiểu cầu H nối tầng m cấp được minh họa trong hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ đa mức dùng cầu H-bridge

Một nghịch lưu đa cấp nối tầng được tạo thành từ một loạt các bộ biến đổi cầu một pha (thường gọi là cầu chữ H), mỗi cầu có một nguồn DC riêng biệt Nghịch lưu này có thể tạo ra dạng sóng điện áp gần như hình sin từ một số nguồn DC riêng biệt,

có thể được lấy từ pin mặt trời, pin nhiên liệu, tụ điện, Hình 2.4 cho thấy cấu trúc

của một pha của một nghịch lưu M-cấp, từ cầu chữ H nối tầng Mỗi cầu chữ H có thể

tạo ra ba cấp điện áp khác nhau trên đầu ra + Vdc, 0 và Vdc bằng cách kết nối các nguồn DC với đầu ra AC bằng bốn trạng thái đóng cắt có thể của bốn van bán dẫn Điện áp đầu ra của nghịch lưu M-cấp là tổng của tất cả các giá trị đầu ra của các mạch cầu Với M mức trên dạng sóng điện áp đầu ra có một mức không là chung khi

tất cả các cầu H đều cho đầu ra không, vậy trong nửa chu kỳ sẽ có số mức là (M-1)/2, chính là số cầu H thành phần Như vậy số mức chỉ có thể là số lẻ, ví dụ 3 mức (chỉ

gồm một cầu H, N=1), 5 mức (2 cầu H, N=2), 7 mức (3 cầu H, N=3), … Sơ đồ 7 mức, gồm 3 cầu H cho trên hình 2.4 Dạng điện áp trên đầu ra Van = Va1 + Va2 + Va3, cho trên hình 2.5b Trên hình 2.5b thể hiện mỗi cầu H chỉ cho ra điện áp dạng chữ nhật

một cực tính trong mỗi nửa chu kỳ Như vậy ở mỗi cầu H hai nhánh van của nó điều khiển theo kiểu dịch pha (phase shift), mỗi van dẫn trong 180° ở tần số cơ bản

2.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

Đối với nghịch lưu đa mức cầu chữ H thì phương pháp dịch pha là tiêu chuẩn

áp dụng vì tính modul hóa của nó Theo phương pháp dịch pha tất cả các cầu H đều tuân theo một sóng hình sin chuẩn Sóng răng cưa bao gồm N sóng, N là số cầu H, mỗi sóng lệch pha nhau 1800/N chu kỳ răng cưa Trong mỗi cầu H thì nhánh cầu dương và nhánh cầu âm lại có răng cưa lệch nhau 1800 Trong luận văn này tôi sử

dụng bộ biến tần gồm ba cầu, chính vì vậy số răng cưa bao gồm 3 răng cưa và mỗi sóng lệch pha nhau là 600, trong mỗi cầu H số nhánh cầu dương và âm lại có răng cưa lệch nhau 1800

Hình 2.5: Phương pháp điều chế PWM dịch pha cho nghịch lưu 3 cầu H nối tầng

Phương pháp dịch pha đảm bảo rằng sóng hài bậc cao do quá trình điều chế đưa

ra có tần số bằng 2.N.fpwm , nghĩa là cao hơn 2.N lần tần số đóng cắt của mỗi cầu H Nói cách khác để đảm bảo sóng hài bậc cao thấp nhất ở một tần số nào đó thì mỗi cầu thành phần chỉ phải đóng cắt ở tần số nhỏ hơn 2.N lần, nghĩa là tổn hao do đóng cắt trên van nhỏ hơn 2.N lần so với nghịch 2 mức thông thường Cùng với việc các van

chỉ phải chịu điện áp (M-1)/2 lần nhỏ hơn so với biên độ điện áp ra mong muốn, tốc

độ tăng điện áp đặt trên tải đầu ra dV/dt cũng (M-1)/2 lần nhỏ hơn, thì đây chính là

những ưu điểm quan trọng nhất của nghịch lưu đa mức, đặc biệt trong các ứng dụng ở

dải công suất lớn, 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 Vdc được sử dụng như nhau Vì vậy nói chung không cần thực hiện thuật điều khiển cân bằng điện áp trên các tụ một chiều

2.5 B ộ biến tần đa cấp một pha dùng cầu chữ H cách ly

Luận văn này trình bày sơ đồ biến tần đa cấp gồm 7 mức Sơ đồ gồm ba cầu chữ H

- Mỗi cầu H-Bridge được nối với một nguồn 1 chiều DC được kết nối với một pha

của cầu là cầu 1 pha

- Dùng phương pháp điều chế PWM để điều khiển đóng cắt các van của các cầu

2.5.1 Phân tích c ấu trúc bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu 7 mức và mô hình mô

ph ỏng:

∗ Hệ thống gồm ba máy phát sin chuẩn lần lượt lệch pha nhau một góc π/3

∗ Các hệ thống sin chuẩn này được đưa qua khâu (relay) khâu trễ có ngưỡng để tạo tín hiệu xung vuông từ những tín hiệu hình sin Như vậy những xung vuông này cũng lần lượt lệch pha nhau một góc là π/3

∗ Ba tín hiệu xung vuông này được đưa và khâu tích phân 1/s Qua khâu này các tín hiệu xung vuông sẽ thành các tín hiệu xung tam giác và cũng lệch pha nhau một góc π/3

∗ Các tín hiệu xung tam giác này vẫn còn chứa thành phần một chiều vì vậy ta đưa các tín hiệu xung tam giác này qua khâu lọc với tần số f=50Hz để lọc hết thành

phần một chiều

∗ Các xung tam giác được đưa qua khâu -1 để được thành phần xung tam giác ngược nhau Đầu ra ta sẽ được hệ thống ba cặp xung tam giác ngược nhau và lệch nhau

600

∗ Các xung tam giác này được đưa vào để so sánh với tín hiệu sin chuẩn Tín hiệu đầu ra của ba bộ so sánh sẽ đưa đi để điều khiển các khóa S1, S2, S3,S4 của ba cầu sau đây là hình ảnh so sánh để đưa tín hiệu điều khiển của một cầu mỗi cầu gồm hai xung tam giác ngược pha nhau so sánh với một tín hiệu sin chuẩn và hai cầu còn lại cũng được làm tương tự nhưng với bộ xung tam giác lệch pha với bộ xung

của cầu 1 là 600 và 1200

∗ Mô hình mô phỏng như hình 2.6

Hình 2.6 Mô hình mô ph ỏng bộ biến tần 7 mức một pha

DC/AC Half-Bridge Multilevel Inverter

7 levels

Discrete,

Ts = 5e-006 s.

Vdc2 Vdc1 Vdc

v + -

V3

v + -

V2

v + -

I1

g A B

+

-H Bridge2

g A B

+

-H Bridge1

g A B

1 ohm

5 mH

I load

V inv erter

2.5.2 C ấu trúc chi tiết các khối

1 Kh ối điều chế độ rông xung 7 mức dùng phương pháp điều chế PWM

Hình 4.15: C ấu trúc khối điều chế độ rộng xung PWM 7 mức

a Khâu t ạo ra ba cặp xung tam giác ngược pha nhau 180 o Sowtooth

Hình 2.7: Khâu tạo ra hệ thống xung tam giác ngược pha nhau 180 o

b Khâu t ạo ra tín hiệu xung điều khiển cho các van trên mỗi cầu H-Bridge

Hình 2.8: Khâu t ạo tín hiệu xung đi đóng cắt các van trên mỗi cầu

The 'Model initialization function' defined in the

Model Properties automatically sets the sample time Ts

to 1/60/3240 = 5.14e-6 s

6 Out6

5 Out5

4 Out4

3 Out3

2 Out2

1 Out1

Sine Wave2

Sine Wave1

Relay2 Relay1 Relay

1 s Integrator2

1 s Integrator1

1 s Integrator

-K- -K-

-K- -K-

Fo=50Hz Fo=50Hz Fo=50Hz

1 Out1

>=

>=

NOT NOT

2 In2

1 In1

I n1

I n2

I n3 Out 1

Gate H_br2

I n1

I n2

I n3 Out 1

Gate H_br1

I n1

I n2

I n3 Out 1

Gate H_br

1

Si ne Ref.

Các xung tam giác tạo ra từ hình 2.7 sẽ được đưa vào để so sánh với tín hiệu sin

chuẩn (được tạo ra từ bộ điều chỉnh) Tín hiệu đầu ra của ba bộ so sánh sẽ đưa đi để điều khiển quá trình đóng cắt các van S1, S2, S3,S4 của ba cầu H-Bridge

2.5.3 K ết quả mô phỏng

Hình 2.9: Hình d ạng điện áp ra

Nh ận xét: Ta thấy điện áp đầu ra tổng hợp trên 3 cầu có dạng sin gồm 7 mức

Như vậy bộ biến tần mà ta mô phỏng có thể hoạt động tốt và khả năng tổng hợp được điện áp đạt như ta mong muốn tức là điện áp đặt lên mỗi cầu là nhỏ cụ thể trong luận văn này điện áp trên mỗi cầu chỉ băng 1/3 điện áp tổng, nhưng điện áp tổng hợp đầu

ra l ớn

2.6 B ộ biến tần đa cấp ba pha

2.6.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

Tương tự như điều chế cho một pha Ta cũng sử dụng phương pháp dịch pha là tiêu chuẩn áp dụng Theo phương pháp dịch pha tất cả các cầu H đều tuân theo một sóng hình sin chuẩn Sóng răng cưa bao gồm N sóng, N là số cầu H, mỗi sóng lệch pha nhau 1800/N chu kỳ răng cưa Trong mỗi cầu H thì nhánh cầu dương và nhánh cầu

âm lại có răng cưa lệch nhau 1800 Như vậy đối với biến tần đa cấp ba pha ta sẽ có ba sóng sin chuẩn làm tín hiệu để so sánh với 6 tín hiệu xung răng cưa như hình 2.10 Nguyên lý cũng giống như ta điều chế cho một pha

0 0.01

0.02 0.03

0.04 0.05

Hình 2.10 Tín hi ệu điều chế PWM cho bộ biến tần ba pha ba cấp

a b c

V-I Measurement

Scope1

A B C

A B C

RL Branch

abc

Discrete 3-phase Programmable Source

i + -

Sine Ref

Conn1

Conn2

7 levels H Bridge Multilevel Cell1

Sine Ref

Conn1

Conn2

7 levels H Bridge Multilevel Cell

Bộ biến tần đa cấp ba pha là môt hệ thống bao gồm ba bộ biến tần đa cấp một pha chính vì vậy thuật toán điều khiển, điều chế cho bộ biến đổi này cũng không khó khăn và khác biệt so với bộ biến tần đa cấp một pha Như vậy ta cũng có 3 hệ thống điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung như phân tích trên mô hình bộ

biến tần đa cấp một pha

2.6.3 K ết quả mô phỏng

Hình 2.12: Hình d ạng điện áp ra trên ba pha

Nhận xét: Như trên mô phỏng ta thấy tổng hợp điện áp của bộ biến tần có dạng sin g ồm 7 mức và các tín hiệu điện áp trên ba pha là cách nhau một góc 60 0 như vậy

b ộ biến tần đa mức mà ta xây dựng và mô phỏng hoạt động tốt và cho ra đáp ứng như yêu c ầu

Chương 3: BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC XÂY DỰNG TRÊN CẤU TRÚC

BI ẾN TẦN ĐA MỨC

Chỉnh lưu tích cực là bộ biến đổi có khả năng trao đổi được công suất hai chiều Bằng cách thay đổi góc pha của sóng hài cơ bản và thay đổi hệ số điều chế PWM có

thể thay đổi dòng điện phía xoay chiều cả về giá trị lẫn góc pha so với điện áp lưới L,

từ 0° đến 180°, như vậy bộ biến đổi có thể làm việc trong các chế độ: 1 Chuyển năng lượng từ phía xoay chiều sang phía một chiều nếu 0 ≤ L < 90°, nghĩa là chế độ chỉnh lưu; 2 Chuyển năng lượng từ phía một chiều sang phía xoay chiều nếu 90° ≤ L ≤ 180°, nghĩa là chế độ nghịch lưu Thông thường điện áp phía DC được điều khiển giữ không đổi, do đó bộ biến đổi có thể trao đổi năng lượng với lưới theo cả hai chiều nhờ thay đổi hệ số điều chế PWM, tức là thay đổi giá trị biên độ của thành phần sóng cơ bản của điện áp xoay chiều của nghịch lưu Để quá trình năng lượng diễn ra hiệu quả nhất thường điều chỉnh để giữ góc pha L gần bằng không hoặc 180° Sau đây là cấu

tạo và nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu tích cực

3.1 C ấu tạo và nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu tích cực một pha

Hình 3.1 Sơ đồ chỉnh lưu một pha

3.1.1 C ấu tạo

Phần bán dẫn chính là nghịch lưu cầu một pha, gồm các van V1, V2, V3, V4

và các điôt song song ngược

Các van V1, V2,V3, V4 có thể là các IGBT hoặc các van điều khiển hoàn toàn khác như MOSFET hay GTO

Giữa đầu ra xoay chiều của nghịch lưu 𝑢𝑢𝑖𝑖 với điện áp nguồn 𝑢𝑢1 có điện cảm L Phía một chiều có tụ C có giá trị đủ lớn để san bằng điện áp 𝑢𝑢𝐷𝐷𝐷𝐷 và tụ C được

mắc song song với điện trở R

Khi các IGBT V1, V2, V3, V4 không được điều khiển mở, các điôt ngược tạo nên

một cầu chỉnh lưu cầu thông thường

Giả thiết rằng tụ một chiều C có giá trị đủ lớn nên điện áp một chiều 𝑢𝑢𝐷𝐷𝐷𝐷 thay đổi

chậm, có thể coi rằng u DC =U DC =co tns

• Điện cảm L đóng hai vai trò quan trọng trong mạch điện:

+ Trở kháng X L =ωL chính là phần tử hạn chế dòng điện có thể xuất hiện giữa hai nguồn điện áp là s.đ.đ nghịch lưu ui và s.đ.đ u1 phía lưới Ở đây bỏ qua ảnh

phần sóng hài cơ bản thì phía lưới có tần số ω 1, phía nghịch lưu có tần số ωi Sơ đồ hình 3.1 có mạch điện tương đương như trên hình 3.2a

Hình 3.2 M ạch điện tương đương (a) và biểu đồ vector (b)

Nếu tần số ω ω1 ≠ i dòng điện qua cuộn cảm L sẽ chứa nhiều sóng hài bậc cao

cùng tần số Khi đó có thể mô tả mạch điện tương đương trên hình 3.2a bằng biểu

đồ vector như trên hình 3.2b

+ Điện cảm L đảm bảo độ đập mạch cho phép trên dạng sóng của dòng điện i L Dòng iL đập mạch là do điện áp 𝑢𝑢𝑖𝑖 có dạng là các xung điện áp biên độ +/-UDC với chu kỳ lặp lại T S (T Slà chu kỳ đóng cắt của quá trình điều chế)

Nếu xét ở tần số sóng cơ bản đồ thị vector trên hình 3.2b thể hiện mối quan hệ

vector

1

U =U +U Trên đồ thị cũng thể hiện hai trường hợp

Thứ nhất: Khi dòng qua cuộn cảm cùng pha với điện áp lưới

Thứ hai: Khi dòng có cùng giá trị nhưng ở một góc pha khác so với điện áp Trong trường hợp chung có thể thấy rằng độ dài của vector điện áp đầu ra nghịch lưu

i

U phải có giá trị lớn hơn độ dài của vector điện áp lưới U1 Từ đây rút ra điều kiện ràng buộc đối với điện áp phía một chiều u DC phải có giá trị lớn hơn giá trị biên độ

của điện áp xoay chiều phía lưới U 1.m Trong thực tế u DC được điều khiển giữ ở một giá trị không đổi, vì vậy đây là một điều kiện cho phép xác định giá trị điện cảm L cần thiết

Điều kiện thứ hai để xác định điện cảm L là độ đập mạch cho phép của dòng iL

, tùy thuộc vào phép điều chế được sử dụng Do phép điều chế, điện áp đầu vào nghịch lưu ui sẽ có dạng các xung điện áp với biên độ ±u DC, dẫn đến dòng điện qua

cuộn cảm L có dạng đập mạch quanh dạng sóng hình sin Độ đập mạch phụ thuộc tần

số đóng cắt của các van V1, V2, V3, V4, nói cách khác là tần số lấy mẫu fs, và chính

f : tần số điện áp xoay chiều

Quá trình làm việc của sơ đồ:

Trường hợp 1: Khi mở V1, V4