Study on decentralized control method for multilevel converter

Bài viết này trình bày việc thực hiện một điều khiển phân tán để kiểm soát các bộ biến đổi đa bậc với các sóng mang lệch pha.Phương pháp được đề xuất sử dụng các kết nối cục bộ giữa các

-

LÊ AN NHUẬN

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PHÂN

TÁN CHO BỘ ĐA BẬC KIỂU MODULE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Phan Quốc Dũng

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…………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN CHO BỘ

ĐA BẬC KIỂU MODULE

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu lý thuyết về điều khiển phân tán cơ bản

- Đọc và lý thuyết về điều khiển phân tán cho 3 trường hợp

- Tiến hành mô phỏng cho 3 trường hợp trên

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/02/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/06/2019

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



Tôi xin được gửi đến Thầy Nguyễn Đình Tuyên, Thầy Phan Quốc Dũng sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc Cảm ơn hai Thầy đã giảng dạy kiến thức và kinh nghiệm của mình cũng như cung cấp tài liệu để tôi có thể hoàn thành luận văn này Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi nghiên cứu, nâng cao kiến thức và tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học mới Thật vinh dự và tự hào khi được học tập và làm việc cùng Thầy trong suốt thời gian qua

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy, Cô trong PTN Nghiên cứu Điện tử công suất, bộ môn Cung cấp điện, Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã nâng đỡ và dìu dắt, truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu nhất trong suốt quá trình tôi học tập ở trường

Tôi cũng xin được cảm ơn 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 và quan trọng nhất đối với tôi đó là gia đình tôi, là nguồn động lực, chổ dựa vững chắc để tôi có thể vượt qua những khó khăn hạn chế của bản thân Cám ơn bố,

mẹ đã hiểu, định hướng, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho con có thể theo đuổi đam mê của mình

Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2019

Lê An Nhuận

Bài viết này trình bày việc thực hiện một điều khiển phân tán để kiểm soát các bộ biến đổi đa bậc với các sóng mang lệch pha.Phương pháp được đề xuất sử dụng các kết nối cục bộ giữa các bộ điều khiển cơ bản độc lập khác nhau, và cho phép chúng tự điều chỉnh sóng mang của mình không khi các cell được kích hoạt hoặc loại bỏ

Ngoài ra, còn nghiên cứu phương pháp mới khác biệt về nguyên tắc sử dụng kết nối cục bộ từ hai bộ điều khiển sơ cấp độc lập lân cận trong điều khiển phân tán thông thường, phương pháp được đề xuất sử dụng thông tin cục bộ từ chỉ một bộ điều khiển sơ cấp độc lập lân cận cho phép chúng tự điều chỉnh các sóng mang của mình

This paper presents the implementation of a decentralized modulation for the control of multilevel converters requiring phase-shifted carriers Contrary to the principle using a "master" controller providing a set of interleaved carriers, the proposed method uses local interconnections between different independent elementary controllers allowing them to self-align their own carrier regardless the number of actives cells

Besides in difference of principle using local interconnections from two neighbor independent elementary controllers in the conventional decentralized control, the proposed method uses local informations from only one neighbor independent elementary controller allowing them to self-align their own carriers regardless the number of actives cells

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, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu

Tác giả luận văn

Lê An Nhuận

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG 1 MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1 Lịch sử phát triển của điện tử công suất 2

1.2 Ý nghĩa điện tử công suất trong cuộc sống 3

1.3 Lý do chọn đề tài 5

1.4 Đối tượng nghiên cứu 6

1.5 Phạm vi nghiên cứu và hướng phát triển 7

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1.Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển số 8

2.2.Liên kết các sóng mang 11

2.3.Phương trình cơ bản của phương pháp 12

2.4.Phương pháp cập nhật với hệ số K các cell lấy thông tin từ 2 cell liền kề 14

2.5.Phương pháp cập nhật chỉ cần dùng thông tin từ chính cell đó với 1 cell lân cận 16

CHƯƠNG III HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRÊN PLECS 20

3.1Giới thiệu 20

3.2 Sơ đồ của hệ thống Plecs 21

a.Sơ đồ mạch cơ bản 4 cell xây dựng bằng phần mềm Plecs 21

b Phương pháp cập nhật sử dụng hệ số K 33

c Phương pháp cập nhật chỉ cần dùng thông tin từ chính cell đó với 1 cell lân cận 71

3.3 Kết luận chương 83

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 84

4.1 Hạn chế 84

4.2 Hướng phát triển 84

CHƯƠNG V TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 87

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

2

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lịch sử phát triển của điện tử công suất

Điêṇ tử công suất bắt đầu từ viêc ̣ Peter Cooper Hewitt phát minh ra bộ chỉnh lưu

hồ quang thủy ngân vào năm 1902 Nó đươc̣ sử duṇ g để biến đổi dòng điêṇ xoay chiều (AC) thành dòng môṭ chiều (DC) Từ thâp ̣ niên những năm 1920s, những

nghiên cứu về những thiết bi đ ̣óng cắt có thể điều khiển đươc ̣ như thyratrons và khóa

hồ quang thủy ngân rất đươc ̣ quan tâm Vào thời gian đó Uno Lamm đã phát minh ra một khóa thủy ngân với các điện cực biến đổi thích hợp cho truyền tải điện áp trực tiếp điện áp cao Năm 1933 bộ chỉnh lưu bằng selenium ra đời

Năm 1947, bóng bán dẫn điểm lưỡng cực đươc̣ phát minh bởi Walter H Brattain và John Bardeen taị Bell Labs Năm 1948 Shockley's phát minh ra BJT đã tăng cương

tính ổn định , hiệu suất và giảm giá thành transistors Những năm 1950s, những con diode bán dẫn công suất lớn bắt đầu phổ biến ra thi ̣trường và thay thế các loaị đèn chân không Năm 1956 SCR đươc ̣ giới thiêụ bởi General Electric đã tăng mức công suất của các thiết bi ̣biến đổi lên rất nhiều lần

Những năm 1960s là giai đoaṇ cải thiêṇ về tốc đô ̣của BJT nhờ đó cho phép taọ ra những bô ̣DC/DC tầng số cao Kế đến là những năm 1976 MOSFETs ra đời và 1982 khi IGBT và được thương mại hóa đã taọ nền tảng cho ngành điêṇ tử công suất hiện đại ngày nay

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

3

1.2 Ý nghĩa điện tử công suất trong cuộc sống

Sự phát triển của các công nghệ và thiết bị mới trong thế kỷ 20 đã tăng cường sự quan tâm đến các hệ thống điện Nền văn minh hiện đại dựa trên nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và thay thế các hoạt động của con người bằng những cỗ máy phức tạp và ngày càng phổ biến, do đó, các nghiên cứu về thiết bị phát điện và chuyển đổi năng lượng ngày càng trở nên quan trọng

Do đó, chuyển đổi năng lượng và kiểm soát quá trình chuyển đổi năng lượng là hai vấn đề được yêu cầu phải đáng tin cậy, an toàn và sẵn sàng để thực hiện tất cả các yêu cầu, từ phía người sử dụng và các quy định pháp lý, và để giảm tác động không tốt đến môi trường

Hiện nay, điêṇ tử công suất đang có măṭ trên hầu hết các thiết bi ̣sử duṇg điêṇ của chúng ta Điêṇ tử công suất đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả,

an toàn và thuâṇ tiêṇ hơn Điêṇ tử công suất đóng vai trò quan trọng trong các mô hình công nghệ và được thiết kế để điều khiển năng lượng

Dòng điện,điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn liên tục được hoàn thiện,phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng như trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển độngcơ,tự động hóa công nghiệp, giao thông, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện

đi xa với hiệu suất cao với đặc điểm điều khiển chặt chẽ đã giúp cho điêṇ tử công suất có lợi thế hơn nhiều trong điều khiển động cơ so với các hệ thống điều khiển cơ điện trước đây

Sự chú ý trong bảo vệ môi trường gần đây làm tăng sự quan tâm trong sản xuất điện từ các nguồn tái tạo: hệ thống năng lượng gió và hệ mặt trời đang được ứng dụng rộng rải và được cho là đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sản xuất năng lượng trên toàn thế giới trong những năm tới đây

(A)

Hình 1.1 Hình ảnh về năng lượng tái tạo: (A) Năng lượng gió (B) Năng lượng mặt trời

Không chỉ các tiện ích trong nhà, mà còn ứng dụng công nghiệp và thậm chí các yêu cầu mạng điện cho thấy tầm quan trọng mà việc cung cấp và kiểm soát năng lượng sẽ

có trong các nghiên cứu trong tương lai

1.3 Lý do chọn đề tài

Trong tư thế luôn sẵn sàng đáp ứng với sự bùng nổ về nhu cầu năng lượng thì song song đó các yếu tố về việc giảm chi phí, trọng lượng, khối lượng, của hệ thống điện rất được quan tâm Vì thế lĩnh vực chuyển đổi năng lượng đã không ngừng phát triển mạnh

mẽ, được ứng dụng và tạo tính ảnh hưởng quan trọng đến nhiều lĩnh vực năng lượng tái tạo, môi trường, hàng không, vận tải, Trên thế giới đang có nhiều nghiên cứu về sự phát triển các cấu trúc chuyển đổi mới phù hợp hơn, đồng thời nghiên cứu thực hiện các công nghệ tích hợp sáng tạo và các phương pháp kiểm soát tối ưu

kỹ thuật khác, các hệ thống mô-đun và phân tán đang trở thành cấu trúc liên kết được đề xuất để đạt được các yêu cầu dự án hiện đại: cấu hình này đảm bảo hoạt động đáng tin cậy hơn, tạo điều kiện cho chẩn đoán, bảo trì và cấu hình lại hệ thống điều khiển Đặc biệt trong các tình huống cần sự an toàn cao, cấu hình mô-đun cho phép hệ thống điều khiển cách ly

sự cố, điều khiển quá trình ở trạng thái an toàn dễ dàng và trong nhiều trường hợp cho phép người ta đạt được một hoạt động gần như bình thường ngay cả trong điều kiện bị lỗi

Và trong luận văn này, tôi sẽ giới thiệu nguyên tắc điều khiển mới là điều khiển phân tán dựa trên nguyên tắc điều khiển phân tán cho bộ biến đổi công suất đa bậc

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu tạo sóng mang cho bộ nghịch lưu đa pha Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phương pháp điều khiển phân tán truyền thống và có tính mới khi thay đổi hệ số điều chỉnh K và điều khiển phân tán khi chỉ có 2 cell mà hệ thống vẫn hoạt động bình thường được Phân tích mô phỏng lại 3 phương án khi hoạt động bình thường và tìm vùng giá trị

hệ số K hoạt động ổn định Và mô phỏng có sự cố sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

7

1.5 Phạm vi nghiên cứu và hướng phát triển

Phạm vi của đề tài giới hạn trong việc phân tích công thức và tiến hành mô phỏng cho các trường hợp điều khiển phân tán

Để thực hiện được ta cần tiến hành các bước sau

+ Đọc và tìm hiểu lý thuyết dựa trên các bài báo đã được công bố trên các hội nghị tạp chí uy tín về những kiến thức nền tảng có liên quan để đưa ra phương pháp

mô phỏng

+ Tiến hành mô phỏng bằng việc sử dụng phần mền Plecs để mô phỏng cho phương pháp mà ta đã đề ra

Hướng phát triển đề tài

+ Do chỉ dừng lại ở vệc mô phỏng nên bước tiếp theo sẽ tập trung vào thiết kế phần cứng để tiến hành thực nghiệm

+ Có thể mô phỏng cho các trường hợp cân bằng dòng và cân bằng áp

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

8

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trên thế giới, các bộ biến đổi đa bậc MMC-FCMC (flying-capacitor multicell converters) đã được các nhà khoa học ở Mỹ, Úc,Anh, nghiên cứu và cải tiến Năm 2015, một nhóm nghiên cứu Mỹ - Iran đã thực hiện thành công phần cứng phiên bản cải tiến nhất của bộ biến đổi đa bậc MMC với 3module, mỗi module là một bộ FCMC (flying-capacitor multicell converters) sử dụng phương pháp PS-PWM Tuy nhiên, chưa thể chuyển đổi linh hoạt cấu trúc bộ nghịch lưu khi thêm bớt các module

Ở trong nước, một nhóm nghiên cứu trường ĐH Bách khoa Hà Nội và ĐH Hồng Đức đã mô phỏng bộ MMC áp dụng phương pháp điều chế NLM (Nearest Level Modulation) và thuật toán cân bằng năng lượng Tuy nhiên, nghiên cứu này dừng lại ở mức độ mô phỏng kiểmchứng tính đúng đắn của lý thuyết

2.1.Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển số

Đề tài này được nguyên cứu thực hiện dựa trên kết quả của một nghiên cứu trước đây Nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu các thành phần module cũng như việc điệc khiển không tập trung của hệ thống Tất cả các module sử dụng thông tin có sẵn từ các module kế cận để thực hiện hướng tới cùng một mục tiêu chung, là các sóng mang được phân bố cách đều nhau

Phương pháp điều khiển cổ điển được sử dụng hiện thực hóa hệ thống điều khiển bằng phương pháp điều khiển tập trung để tạo các tín hiệu điều khiển nhưng trong Hình 2.2 A Vì vậy,hệ thống tạo góc pha cho các sóng mang đảm nhận vai trò quản lý cũng như tái cấu trúc lại hệ thống các sóng mang Trong trường hợp có 4 sóng mang được khởi tạo, góc lệch pha lần lượt của các sóng mang lần lượt là [0,π/2,π,3π/2]

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

9

Nếu hệ thống này được tái cấu trúc lại một cách tự động (bỏ đi hoặc thêm vào một

bộ phận để cải thiện về công suất hoặc trong các trường hợp có lỗi ở một bộ phận nào đó)

hệ thống điều khiển tập trung đòi hỏi phải tái cấu trúc hoàn toàn tất cả các sóng mang Việc tái cấu trúc như vậy yêu cầu nhiều thông tin giữa hệ thống điều khiển chung với các bộ phận cell khác

Ngoài ra, trong trường hợp xảy ra lỗi tại một bộ phận nào đó, việc quan sát lỗi trước tiên sẽ được thực hiền trên nội bộ của bộ phận đó,rồi gửi tín hiệu lỗi đến bộ điều khiển trung tâm để phát lệnh tái cấu trúc lại hệ thống.Do vậy,ta thấy việc tái cấu trúc như vậy sẽ đòi hỏi thời gian thực hiện đáp ứng tái cấu trúc lâu hơn

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

10

Trong Hình 2.2B thể hiện một sơ đồ mới hơn trong việc tạo ra các sóng mang số

dựa trên nguyên tắc liên kết tín hiệu giữa các bộ phận cell với nhau Mỗi bộ phận cell như

vậy sẽ giao tiếp để nhận tín hiệu từ hai cell kế cận và từ đó có thể tạo ra được góc lệch pha

mới hay giá trị tại thời điểm đó cho sóng mang hiện tại Trong trường hợp tái cấu trúc, ta

thực hiện một động tác cơ bản là tín hiệu đi vòng qua (Bypass) cell cần loại bỏ mà không

cần thay đổi nguyên lý trao đổi thông tin được thiết lập trước đó

2.3.Phương trình cơ bản của phương pháp

Như đã nói ở trên, việc tính toán góc pha của cell cần tính hoàn toàn dựa vào thông tin được gửi đến từ các cell sóng mang « hàng xóm », cụ thể là 2 sóng mang kế cận.Vì vậy khi ta đã xác định được góc pha của 2 cell kế cận, ta dễ dàng có được góc lệch pha của sóng mang hiện tại dựa vào phương trình dưới đây

  và n1 có giá trị trong khoảng từ 0 đến 3600

Khoảng cách góc nằm trong khoảng từ 0° đến 360° Giá trị n sẽ tiến tới trạng thái ổn định ngay khi n1 và n1 đạt được giá trị cuối cùng của nó Giá trị cuối cùng của các sóng mang có thể đạt được sau vài chu kỳ lặp, bởi vì n1lại được tính dựa vào n2 và

n

 ,

Trong hệ thống này sẽ xuất hiện 2 trạng thái cân bằng, nhưng chỉ một trong hai giá trị là giá trị ổn định Điểm cân bằng đầu tiên là khi tất cả các sóng mang có cùng chung một góc lệch pha, vì vậy, hệ thống sẽ luôn nằm ở vị trí cân bằng đó Nếu một trong các sóng mang lệch khỏi vị trí cân bằng thì hệ thống sẽ bắt đầu vòng lặp và chuyển dần tới vị trí cân bằng ổn định

Số vòng lặp cần thiết để hệ thống đạt đến trạng thái cân bằng phụ thuộc vào số lượng song mang cần tạo ra và giá trị góc pha ban đầu của chúng Một cách lý tưởng, góc pha của các cell sóng mang sẽ được phân chia sắp xếp trong khoảng 360°, tuy nhiên điều này đồng nghĩa với việc ta cũng biết được số lượng cell có mặt trong hệ thống Và cũng nhờ vậy mà việc điều khiển trở nên không tập trung hoàn toàn

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

14

Để duy trì được mỗi cell chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời cùa các cell kế cận, thì θ1

sẽ nhận giá trị cố định là 180° Việc lựa chọn giá trị 180°để đảm bảo việc chuyển đổi hệ thống trở nên nhanh hơn Số lượng vòng lặp cần thiết trước khi đạt đến vị trí cân bằng là một hàm chỉ phụ thuộc vào số lượng song mang có mặt trong hệ thống

Để có được hàm này, phương trình (2.1) có thể được sử dụng để xây dựng một chuỗi hình học, nhưng vì sự không liên tục của nó ta cần sử dụng một cách tiếp cận khác Bằng việc mô phỏng cho số lượng sóng mang khác nhau quy luật sau được được hình thành cho quá trình khởi động cũng như tái cấu trúc lại các sóng mang

2.4.Phương pháp cập nhật với hệ số K các cell lấy thông tin từ 2 cell liền kề

Trong phương pháp được đề cập ở trên, sự ổn định của hệ thống phụ thuộc vào giá trị góc pha của các sóng mang Vì lý do đó, phương pháp này được đưa ra nhằm cải thiện

sự không ổn định của hệ thống vì sự thay đổi lớn của khoảng cách góc lệch pha sau mỗi lần lặp.Bằng việc sử dụng thêm giá trị tỉ số và giá trị góc giới hạn, độ lớn của góc cập nhật

sẽ được giảm đi đáng kể

Với giá trị n kđược tính theo công thức (2.1) của phương pháp trên sẽ được xem là 1

-n k) lớn hơn góc giới hạn, ta sẽ sử dụng góc cập nhật mới chính là góc giới hạn thay cho góc cập nhật trước đó

Hình 2.4 Quy tắc cập nhật mới

A Nguyên tắc tính toán; B Sơ đồ khối mô tả phương pháp

2.5.Phương pháp cập nhật chỉ cần dùng thông tin từ chính cell đó với 1 cell lân cận

Ở hình 2.5 dưới đây đề xuất một cách tiếp cận mới về thế hệ sóng mang của kỹ thuật điều khiển phân tán dựa trên nguyên tắc chuỗi của các cell khác nhau Quy tắc mới này cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển của từng cell bằng cách sử dụng giao tiếp tối thiểu giữa các cell với nhau

Hình 2.5 Nguyên tắc kết nối các sóng mang

  : góc điều chỉnh lý tưởng

Quy tắc đề xuất để điều chỉnh góc pha của đầu ra được tính toán được trình bày trong sơ đồ Hình 2.8

Các công cụ của PLECS có thể được áp dụng cho nhiều ngành kĩ thuật về điện tử công suất.Nó được thiết kế với các tiếp cận từ trên xuống, PLECS dễ dàng cho việc mô hình hóa, việc mô phỏng một hệ thống hoàn chỉnh, nó bao gồm các nguồn điện, các bộ biến đổi công suất và các tải

Bao gồm trong PLECS, một thư viện các linh kiện trong các lĩnh vực như điện, từ, nhiệt và hệ thống cơ khí của bộ biết đổi công suất và việc điều khiển chúng Các mạch điện tử công suất được thể hiện bằng các sơ đồ và hình ảnh quen thuộc và trực quan cho các kỹ

sư điện

Các thiết bị đặc trưng cho hệ thống điện tử công suất như linh kiện bán đẫn, cuộn cảm,và các tụ điện được bố trí trên sơ đồ mạch và và kết nói với nhau một cách đơn giản bằng các đường dây thiết kế trong công cụ của Plecs

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

21

3.2 Sơ đồ của hệ thống Plecs

a.Sơ đồ mạch cơ bản 4 cell xây dựng bằng phần mềm Plecs

Hình 3.1 Sơ đồ bộ tạo xung

Các cell (trừ cell 1) có cấu trúc mô phỏng hoàn toàn giống hệt nhau Từ trái sang

phải (theo góc độ của người nhìn) gồm các khối: Khối Enable -> Khối liên kết và tính

toán->Khối so sánh Đầu ra của bộ tạo xung là các tín hiệu (T1, B1), (T2,B2), (T3,B3) và

(T4,B4),với T là tín hiệu xung kích cho các IGBT ở trên và B là tín hiệu xung kích cho các IGBT ở dưới

Cho phép bật tắt một cặp xung (T,B)

Khối liên kết và tính toán

Khối khác biệt duy nhất giữa cell 1 và các cell còn lại Đầu ra của khối là các giá trị góc lệch pha, và biên độ sóng tam giác để đưa vào bộ so sánh

Với phương pháp cơ bản này thì Cell 1 do luôn giữ góc pha ban đầu là 180 nên sẽ không có sự tính toán cho góc lệch pha vì thế Cell 1 sẽ có cấu trúc khác với các Cell còn lại

Hình 3.2 Cấu trúc của Cell 1

Hình 3.3 Cấu trúc của các Cell 2,3,và 4

Tất cả các cell đều có khâu trễ bậc 1 (Delay) để thực hiện lấy mẫu tín hiệu Điều này giúp ta tuỳ ý điều chỉnh thời gian thực hiện từng vòng lặp Các Switch trên sơ đồ chỉ hoạt động khi Enable được bật Khi ấy, mọi thông tin của cell sẽ bị bỏ qua: cell sẽ chỉ đóng vai trò truyền thông tin trung gian giữa hai cell kế nó và không tham gia vào vòng lặp để đạt giá trị cân bằng

Bằng cách so sánh biên độ sóng mang Carrier với sóng Sine thì khối so sánh sẽ xuất

ra cặp xung tín hiệu T,B tương ứng để kích cho IGBT

*)Ta tiến hành chạy mô phỏng chương trình mô phỏng với 4 cell

Hình 3.5 Quá trình hội tụ pha các sóng mang của bộ 4 cell cơ bản

*) Thay đổi số lượng cells tái cấu trúc lại sóng mang

Trước hết ta khởi tạo 4 sóng mang, sau khoảng thời gian đủ lớn để hệ thống cân bằng pha và ổn định, tại vòng lạp thứ 15 sóng mang thứ 3 (màu xanh dương) được tắt đi

Hệ thống sẽ chỉ còn 3 sóng mang cho đến vòng lặp 30, sóng mang thứ 3 sẽ được bật trở lại Thông qua lượt mô phỏng này, ta đồng thời quan sát được 2 tác vụ thêm 1 cell vào hệ thống và loại 1 cell ra khỏi hệ thống

Hình 3.6 Tái cấu trúc pha sóng mang khi thay đổi số lượng mô-đun

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

26

Bộ FCMC (flying-capacitor multicell converters ) 4 mô – đun

*) Trường hợp 4 mô-đun cùng hoạt động

Sau khi điều chế, các cặp xung điều khiển (T, B) kích các cặp IGBT của từng cell theo quy tắc kích xung đối ngẫu Để đẩy nhanh giai đoạn quá độ, các mức điện áp ban đầu của các tụC1, C2, C3 được thiết lập với các giá trị lần lượt là Vin/4, (2Vin)/4, (3Vin)/4

+ Hệ thống được mô phỏng theo chế độ Fixed – step, với fixed – step size là 10-6s + Vin = 300V

+ Các sóng tam giác được điều chế vơi biên độ A=1, f=500Hz

+ Sóng sin được chọn trong khối so sánh có biên độ As=0.6 và fs = 50Hz

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

27

Điện áp ngõ ra bộ MMC-FCMC 4 mô- đun

Tín hiệu ngõ ả hệ thống ở giai đoạn ổn định gồm 5 mức điện áp là 150V, 75V, 0V,

-75V, -150V

Giá trị điện áp hiệu dụng đầu ra Vrms = 68.65 V

Hệ số méo dạng toàn phần của áp đầu ra là THD: 0.452

Phân tích Fourier quá trình hoạt động của bộ MMC-FCMC 4 mô-đun

*) Trường hợp thay đổi số lượng cell

Thời gian mô phỏng của hệ thông là t= 4s

Đầu tiên ta cho hệ thống hoạt động bình thường tới 1.5s ta tiến hành loại bỏ 1 cell

ra khỏi hệ thống lúc này hệ thống chỉ còn lại 3 cell tiếp đó tới giây thứ 3 ta sẽ khôi phục lại cell đã hỏng đó Dưới đây là kết quả mô phỏng

- Giai đoạn hệ thống hoạt động ổn định đầu tiên

Tín hiệu ngõ ả hệ thống ở giai đoạn ổn định gồm 5 mức điện áp là 150V, 75V, 0V, -75V, -150V

Giá trị điện áp hiệu dụng đầu ra Vrms = 68.65 V

Hệ số méo dạng toàn phần của áp đầu ra là THD: 0.452

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

29

Phân tích Fourier quá trình hoạt động của bộ MMC-FCMC 4 mô-đun

Biên độ hài bậc cao có giá trị không đáng kể

- Xét trường hợp ổn định sau khi xảy ra sự cố bây giờ hệ thống chỉ còn hoạt động với

3 sóng mang

Tín hiệu ngõ ả hệ thống ở giai đoạn ổn định gồm 4 mức điện áp là 150V, 50V,-50V, -150V

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

30

Giá trị điện áp hiệu dụng đầu ra Vrms = 75,49 V

Hệ số méo dạng toàn phần của áp đầu ra là THD: 0.678

Ta thấy rằng sau khi giảm 1 cell đi thì giá trị điện áp tăng và hệ số méo dạng cũng tăng theo

Theo kết quả phân tích Fourier thì giá trị biên độ hài bậc cao đáng chú ý ở đây là hài bậc

10 và 19 Lúc này chất lượng điện áp đầu ra sẽ kém hơn so với trường hợp 4 cell

GVHD:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

PGS.TS.PHAN QUỐC DŨNG

31

- Xét trường hợp ổn định sau khi tái cấu trúclại hệ thống 4 sóng mang

Tín hiệu ngõ ả hệ thống ở giai đoạn ổn định gồm 5 mức điện áp là 150V, 75V, 0V, -75V, -150V

Giá trị điện áp hiệu dụng đầu ra Vrms = 68.65 V

Hệ số méo dạng toàn phần của áp đầu ra là THD: 0.452