tóm tắt: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập

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

DƯƠNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
CHO NGHỊCH LƯU BA MỨC HÌNH T TRONG CHẾ ĐỘ
NỐI LƯỚI VÀ ĐỘC LẬP

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội 2023


Cơng trình được hồn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Vũ Hoàng Phương
2. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Văn Tiềm
Phản biện 2: PGS.TS. Ngô Đức Minh
Phản biện 3: PGS.TS. Phạm Tâm Thành

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi 14 giờ, ngày 04 tháng 12 năm 2023

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


Mở đầu
1. Sự cần thiết của đề tài
Nghịch lưu ba mức là một giải pháp cho những ứng dụng đòi hỏi công
suất lớn và điện áp cao đến hơn 900V. Trong các bộ nghịch lưu ba mức thì
bộ nghịch lưu hình T có những ưu thế hơn như: tiết kiệm đáng kể số lượng
van bán dẫn công suất mà vẫn tạo ra được mức điện áp như yêu cầu, đảm
bảo chất lượng dạng sóng điện áp và u cầu cơng suất lớn, trao đổi được
dịng cơng suất theo hai chiều, chỉ sử dụng một nguồn DC. Có hai vấn đề
mà nghịch lưu ba pha hình T cần phải giải quyết là cân bằng điện áp điểm
trung tính DC và giảm điện áp common-mode. Việc mất cân bằng điện áp
điểm trung tính DC sẽ gây hiện tượng quá áp trên các van cơng suất và làm
tăng THD của dịng điện đầu ra. Còn điện áp common-mode sẽ gây nên
dòng rò làm giảm tuổi thọ về cách điện, nhiễu điện từ và mất an tồn điện.
Vậy việc tìm ra một phương pháp điều chế có thể vừa giảm điện áp
common-mode, vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC là hướng
nghiên cứu của đề tài nhằm nâng cao độ tin cậy trong việc điều khiển
nghịch lưu ba pha hình T. Mạch vịng điều khiển nghịch lưu hình T gồm
mạch vịng trong là mạch vịng dịng điện, mạch vịng ngồi là mạch vịng
cơng nghệ như mạch vịng điện áp một chiều trung gian, mạch vịng cơng
suất. Mạch vịng cơng nghệ bên ngồi thường yêu cầu thời gian tác động
chậm hơn mạch vòng dịng điện bên trong. Mạch vịng dịng điện đóng vai
trị 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... Do vậy, việc nâng cao

chất lượng mạch vòng dòng điện bằng các phương pháp điều khiển cải tiến
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 vịng cơng suất bên ngồi khi
lưới mất ổn định.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến nhằm có thể vừa cân
bằng được điện áp điểm trung tính DC, vừa giảm điện áp common-mode.
Nghiên cứu khả năng áp dụng một số phương pháp điều khiển như điều
khiển PI, điều khiển chế độ trượt…cho mạch vòng điều khiển 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.

1


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu: Nghịch lưu hình T ba pha hoạt động trong
chế độ nối lưới và độc lập
 Phạm vi nghiên cứu: Phương pháp điều chế cải tiến cho nghịch lưu
hình T ba pha để cân bằng điện áp điểm trung tính DC và giảm điện áp
common-mode. Phương pháp điều khiển dòng điện cải tiến nhằm nâng cao
chất lượng điều khiển của mạch vòng dòng điện.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
- Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều chế và thuật toán
chuyển mạch, các phương pháp điều khiển đảm bảo các yêu cầu đã đặt ra
cho bộ biến đổi.
- Mô phỏng các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán
chuyển mạch trên Matlab/Simulink.

- Kiểm chứng các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán
chuyển mạch trên các hệ thống thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Kết quả của nghiên cứu này giúp làm đơn giản hóa trong việc đồng
thời cân bằng điện áp điểm trung tính DC và giảm điện áp common-mode.
Phương pháp điều chế SVM cải tiến cho nghịch lưu ba pha hình T có xét
đến các trường hợp mất ổn định ở điện áp, tần số lưới... Tiếp đó, luận án đã
đề xuất áp dụng bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp chế độ trượt cải
tiến FTSMC để nâng cao tốc độ đáp ứng và chất lượng điều khiển khi có
nhiễu, phụ tải hoặc lưới mất cân bằng.
Ý nghĩa thực tiễn:

Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng bằng mơ hình thực
nghiệm chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn.
6. Bố cục của luận án
Nội dung của luận án được trình bày thành các chương và phần kết
luận như sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về cấu trúc và ứng dụng của nghịch lưu
nguồn áp hai mức, nghịch lưu NPC ba mức và nghịch lưu ba pha hình T.
Qua phân tích, đánh giá các cơng trình nghiên cứu đã được công bố, luận
án chỉ ra các vấn đề chưa được giải quyết triệt để. Từ đó luận án tập trung

2


nghiên cứu và đưa ra đề xuất áp dụng phương hướng thực hiện các mục
tiêu nghiên cứu của luận án.
Chương 2 trình bày các phương pháp điều chế PWM, SVM 6Segment, SVM 8-Segment dùng để điều khiển bộ nghịch lưu hình T ba
pha. Tiếp theo, luận án đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến để

đồng thời cân bằng được điện áp điểm trung tính DC và giảm điện áp
common-mode (CMV). Thuật toán này sẽ được kiểm chứng thông qua mô
phỏng Matlab/Simulink và hệ thống thực nghiệm.
Chương 3 trình bày về bộ điều khiển dịng điện theo phương pháp
điều khiển chế độ trượt trong cấu trúc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T
nối lưới để tăng tốc độ đáp ứng, nâng cao chất lượng điều khiển khi có
nhiễu hoặc lưới khơng cân bằng.
Chương 4 trình bày về bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp
điều khiển chế độ trượt trong cấu trúc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T
chế độ độc lập để tăng tốc độ đáp ứng, nâng cao chất lượng điều khiển khi
tải không cân bằng hoặc tải phi tuyến.
Chương 5 trình bày các quy trình thực nghiệm và các kết quả thu
được. Từ kết quả này sẽ kiểm nghiệm được tính đúng đắn lý thuyết của
thuật toán đề xuất áp dụng.
Kết luận và kiến nghị
Trình bày tóm lược những kết quả đã đạt được của luận án; đồng thời
chỉ ra những hạn chế và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
7. Các đóng góp của luận án
- Đề xuất áp dụng thuật tốn điều chế FSVM cho bộ nghịch lưu hình T
ba pha có thể vừa giảm được điện áp common-mode, vừa cân bằng được
điện áp điểm trung tính DC trong chế độ bình thường và khi hệ thống mất
ổn định.
- Áp dụng phương pháp điều khiển pháp chế độ trượt cải tiến FTSMC
kết hợp với bộ quan sát trạng thái SOB và bộ ước lượng nhiễu DOB giúp
cho mục tiêu điều khiển được đảm bảo dù trong điều kiện lưới cân bằng,
mất cân bằng, tải thay đổi hay nhiễu thay đổi theo thời gian.
- Xây dựng hệ thống thực nghiệm kiểm chứng các kết quả tính tốn,
thiết kế. Bộ thực nghiệm đã góp phần chứng minh được khả năng thực tiễn
với cấu trúc mạch phức tạp trên thiết bị vi xử lý DSP và phục vụ tốt công
tác thử nghiệm trong nghiên cứu về nghịch lưu hình T.

3


Chương 1. Tổng quan
1.1. Xu hướng phát triển hiện nay của nghịch lưu nguồn áp

Hình 1.1. Các ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp
Xu hướng hiện nay của các ứng dụng đó là u cầu cơng suất lớn hơn,
điện áp DC cao đến hơn 900V, tần số chuyển mạch cao đến 50 kHz thì
nghịch lưu nguồn áp hai mức trở nên kém hiệu quả. Lúc này, nghịch lưu
hai mức đã bộc lộ những nhược điểm như: chất lượng điện áp ra còn thấp,
tốc độ biến thiên du/dt lớn, độ méo sóng hài(THD) cao, điện áp trên van
lớn, tổn thất chuyển mạch cao. Để có thể khắc phục được những hạn chế
này của nghịch lưu hai mức thì cần phải có nghịch lưu ba mức.
1.2. Các cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba mức
1.2.1. Cấu trúc nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC)
Nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC) là cấu trúc nghịch lưu ba mức điển
hình. Vì có hai tụ điện mắc nối tiếp nên có thêm một mức điện áp được
thêm vào là Vdc/2 ngoài hai mức điện áp 0 và Vdc, thực hiện bằng cách
kích mở các van bán dẫn nối điểm giữa của mạch DC (hay là điểm nối các
tụ điện) với tải hoặc nối các điểm này vào các pha thơng qua các điốt. Nhìn
chung, bộ nghịch lưu NPC là giải pháp tốt cho các ứng dụng công suất lớn,
điện áp cao. Tuy nhiên, cấu trúc này có số lượng điốt lớn, mạch phức tạp,
do đó làm cho hệ thống cồng kềnh hơn.

4


1.2.2. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha

Nghịch lưu hình T ba pha được phát triển từ cấu trúc nghịch lưu nguồn
áp ba pha hai mức. Cấu trúc nghịch lưu này được cấu thành từ 6 van IGBT
mắc kiểu thông thường và 6 van IBGT mắc kiểu E chung tạo thành 3 nhánh
chữ T. Nghịch lưu hình T về cơ bản kết hợp được các ưu điểm của bộ
nghịch lưu hai mức với những ưu điểm của bộ nghịch lưu NPC ba mức. Do
đó, nghịch lưu hình T được coi là một giải pháp thay thế cho nghịch lưu
NPC ba mức. Tuy nhiên, nhược điểm của nghịch lưu hình T là khả năng
chặn ngược của chuyển mạch hai chiều AC với van IGBT thông thường.
1.2.3. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT
Cấu trúc này cầu thành từ 6 van bán dẫn mắc kiểu thông thường và 6
van mắc song song tạo thành 3 nhánh chữ T. Để khắc phục những nhược
điểm của IGBT thông thường, hãng Fuji Electric đã cho ra đời thế hệ
môđun IGBT mới (dịng V) với cơng nghệ RB-IGBT chun tích hợp cho
cấu trúc nghịch lưu hình T.
ICM CPE
C1
2
2
DC
Source

P
S
SA4 A1

O
C2

ICM C
PE

2
2

SA3
SB4
SB3
SC4
SC3 SA2

SB1 SC1
Lf

Lg

VS
Z
Co

SB2 SC2

Cf

ICM

N

Hình 1.2. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT
Nghịch lưu hình T sử dụng RB-IGBT khắc phục được nhược điểm về
khả năng chặn ngược của nghịch lưu hình T, phù hợp với các hệ thống là
yêu cầu công suất lớn hơn, điện áp DC cao đến hơn 900V.

1.3. Phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T
Đối với phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T thì yêu cầu quan
trọng nhất là phải giảm được điện áp common-mode và cân bằng điện áp
điểm trung tính DC. Kỹ thuật điều chế phổ biến thường được sử dụng là:
sinPWM dùng nhiều sóng mang và điều chế véctơ không gian (SVM). Tuy

5


nhiên cả 2 phương pháp trên đều khơng có khả năng vừa giảm được điện áp
common-mode, vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC. Vì vậy,
luận án đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến FSVM nhằm mục
đích vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC, vừa giảm được điện
áp common-mode áp dụng riêng cho nghịch lưu hình T.
1.4. Phương pháp điều khiển mạch vịng dịng điện
Mỗi phuơng pháp điều khiển đều có những ưu thế riêng và được áp
dụng tùy theo từng trường hợp cụ thể. Các phương pháp điều khiển PI và
chế độ trượt FTSMC là các phương pháp mà tác giả lựa chọn áp dụng cho
mạch vòng điều khiển của bộ nghịch lưu hình T. Những nguyên lý cơ bản
của các bộ điều khiển này sẽ trình bày ở chương 3 của luận án.
1.5. Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án
Luận án tập trung nghiên cứu về phương pháp điều chế cải tiến, thiết
kế bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp chế độ trượt mới với các kết
quả và dự kiến đóng góp cho luận án cụ thể như sau:
- Đề xuất áp dụng thuật tốn phương pháp điều chế véctơ khơng gian
cải tiến để vừa giảm được điện áp common-mode vừa cân bằng được điện
áp điểm trung tính DC .
- Đề xuất áp dụng bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp chế độ
trượt cải tiến để tăng tốc độ đáp ứng, cải thiện chất lượng dòng điện, điều
khiển được dòng điện ngay cả khi có nhiễu thay đổi theo thời gian.

1.6. Kết luận
Qua các đánh giá, phân tích tại chương 1, luận án đưa ra các đề xuất
giải quyết cụ thể như sau:
- Xây dựng thuật tốn điều chế véctơ khơng gian cải tiến FSVM cho
nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT và được trình bày tại chương 2.
- Ứng dụng điều khiển chế độ trượt cải tiến FTSMC cho bộ điều khiển
dòng điện hoạt động ở chế độ nối lưới và độc lập. Các kết quả nghiên cứu
được chứng minh bởi mô phỏng Matlab/Simulink và được thể hiện chi tiết
tại chương 3 và chương 4.
- Kiểm chứng tính đúng đắn lý thuyết của chương 2, chương 3 và
chương 4 thông qua thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm được trình bày
tại chương 5.

6


Chương 2. Phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T ba pha
2.1. Đặt vấn đề
Đối với nghịch lưu hình T ba pha cần phải có phương pháp điều chế
phù hợp để giảm được mức điện áp common-mode và đảm bảo khả năng
cân bằng điện áp điểm trung tính DC trong quá trình hoạt động.
2.2. Phương pháp điều chế PWM
2.2.1. Nguyên lý phương pháp điều chế PWM
a. Phương pháp dịch mức sóng mang
Ta có 3 kiểu bố trí sóng mang : Sóng mang cùng pha ; Sóng mang đối
xứng qua trục thời gian ; Sóng mang ngược pha giữa hai sóng mang kề
nhau, dịch một góc 180 độ.
b. Phương pháp dịch pha sóng mang
Sử dụng hai sóng răng cưa ngược pha nhau (lệch pha 1800) để so sánh
với cùng một sóng sin chuẩn.

2.2.2. Mơ phỏng phương pháp điều chế PWM cho bộ nghịch lưu hình
T 3 pha
a. Nguyên lý phát xung

Hình 2.1. Nguyên lý phát xung cấu trúc hình T 3 pha

7


Sử dụng một tín hiệu sin mẫu Vref so sánh với 2 sóng mang dịch pha
nhau 1800. Nửa chu kỳ đầu việc điều chế cho đóng cắt 2 van SA1 và SA4,
nửa chu kỳ sau điều chế cho hai van SA3 và SA2.
b. Kết quả mô phỏng
Bảng 2.1. Thông số mô phỏng
Tên thông số

Giá trị

Công suất

15kW

Điện áp DC

700V

Điện áp AC

380V/50Hz

Tần số đóng cắt

10kHz

Lọc LCL

0,68mH/16,31μF/0,141mHF/0,141mH

Tụ điện phía DC

470μF/0,141mHF

Tụ điện CPE/Co

1nF/1nF

Kịch bản mô phỏng: Chế độ nối lưới ba pha lý tưởng
2.3. Phương pháp điều chế SVM
Qua các bước chuyển hệ tọa độ từ abc sang 0αβ, quy chuẩn độ dài các
véctơ theo mức điện áp

, tính tốn mơđun và góc pha của véctơ điện áp

ra sẽ hình thành khơng gian véctơ trên hệ tọa độ 0αβ. Từ đồ thị có thể thấy
6 véctơ lớn chia mặt phẳng ra làm 6 góc phần sáu. Trong mỗi góc phần 6
này các véctơ nhỏ và trung bình lại chia ra làm 4 tam giác đều, mỗi tam
giác đều có đỉnh là điểm cuối của các véctơ. Quy chuẩn độ dài các véctơ
theo

, các tam giác đều có cạnh bằng 1. Hệ thống các tam giác đều này

là cơ sở cho phép điều chế véctơ không gian.

8


(O,P,N)
V10

(N,P,N)
V11

4

(O,P,O)
(N,O,N)
V3

(N,P,O)
V12
(N,P,P)
V13

(P,P,N)
V9

(O,P,P)
(N,O,O)
V4

(P,P,O)
(O,O,N)
V2

3

1
(0,0,0)
V0

(N,N,P)
V15

(P,O,O)2
(O,N,N)
1 V1

(P,O,P)
(O,N,O)
V6

(O,O,P)
(N,N,O)
V5

(N,O,P)
V14

(P,O,N)
V8

(O,N,P)
V16

(P,N,N)
V7
2

(P,N,O)
V18

(P,N,P)
V17

Hình 2.2. Đồ thị véctơ khơng gian
Các bước tiếp theo là xác định vị trí của véctơ điện áp ra v trong sector
lớn, xác định vị trí của véctơ điện áp v trong các tam giác con, tính tốn hệ
số điều chế (thời gian sử dụng các véctơ trong mỗi chu kì điều chế Ts), cân
bằng điện áp trên 2 tụ DC và tính tốn hệ số điều chế thực hiện nhánh van
mạch nghịch lưu trong mỗi chu kì điều chế Ts
2.4. Các phương pháp điều chế cấp xung cho van
2.4.1. Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn
Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn là phương pháp điều chế mà trạng
thái của các véctơ (ba véctơ gần nhất với véctơ điện áp ra) được lặp lại sau
mỗi nửa chu kì đóng cắt. Phương pháp này sử dụng cả hai trạng thái của
các véctơ nhỏ, từ đó làm giảm tổn thất trên van và làm giảm sóng hài của
điện áp đầu ra. Tuy nhiên, sử dụng cả hai trạng thái của véctơ nhỏ sẽ ảnh
hưởng đến vấn đề cân bằng điện áp trên 2 tụ DC.
2.4.2. Phương pháp điều chế SVM 6-Đoạn
Phương pháp điều chế SVM 6-Đoạn là phương pháp điều chế trong

mỗi chu kì điều chế, duy nhất chỉ có hai van phải chuyển trạng thái. Vì thế

9


nên tổn thất trên van sẽ tự động giảm xuống chỉ cịn tầm 2/3 giá trị tổn thất
ban đầu. Ngồi ra, việc sử dụng hai trạng thái riêng biệt của các véctơ nhỏ
sẽ giúp cân bằng điện áp trên 2 tụ DC tốt hơn, tuy nhiên cũng sẽ làm tăng
sóng hài của điện áp đầu ra.
2.4.3. Mô phỏng hai phương pháp điều chế SVM 8- Đoạn và SVM 6Đoạn
Về kịch bản và thông số mô phỏng vẫn giống như khi mô phỏng theo
phương pháp PWM.
Tổng kết : Cả 3 phương pháp trên đều khơng có khả năng giảm được
điện áp common-mode. Vì vậy cần thiết phải có 1 phương pháp điều chế
vừa cân bằng được điện áp điểm trung tính DC và vừa giảm được điện áp
common-mode.
2.5. Phương pháp điều chế FSVM đề xuất áp dụng cho nghịch lưu ba
pha hình T
OPN
NPO

Vref

PON

OOO

OPO
Vref
POO

NPP
PNO

NOP

NPN

PPN

NOO

PNP

NNP

PPN OPO POO OPO PPN

d2/2 d1/2 d3 d1/2 d2/2

OON ONO PNN ONO OON
d3/2 d2/2 d1 d2/2 d3/2

d1/2 d3/2 d2 d3/2 d1/2

SA1

SA1

SA1

SA2

SA2

SA2

SB1

SB1

SB1

SB2

SB2

SB2

SC1

SC1

SB1

SC2

SC2

(a)

PNN

ONO

OOP

ONP
PON OOO OPN OOO PON

OON
Vref

SC2

(b)

(c)

Hình 2.3. Trạng thái trong khơng gian véc tơ và trình tự chuyển mạch của
(a) ZSVM, (b) PSVM và (c) NSVM
Bước đầu tiên là lựa chọn Section chứa véctơ điện áp, sau đó tính tốn
hệ số điều chế của các véctơ biên chuẩn, tiếp theo tính tốn thời gian đóng
cắt các nhánh van và cân bằng điện áp trên tụ

10


Start
Calculate

Y

V, dPSVM1-3,dNSVM1-3

V>k

N
V < -k
0
N

N

N

0
Y

Y
PSVM

Y

ZSVM

NSVM

End
Hình 2.4. Thuật toán điều chế cân bằng tụ
Ba chế độ điều chế có thể tạo ra dịng điện iNP theo hướng ngược
nhau, lựa chọn chế độ điều chế tối ưu trong 3 chế độ sẽ tạo ra dịng iNP có
thể điều chỉnh và kiểm sốt được điện áp trên tụ điện.
2.6. Mơ phỏng phương pháp FSVM
Về kịch bản và thông số mô phỏng vẫn giống như khi mô phỏng theo
phương pháp PWM, SVM 8- Đoạn và SVM 6- Đoạn.
2.7. Kết luận
Không những đáp ứng được yêu cầu của bộ nghịch lưu hình T là
cân bằng điện áp điểm trung tính DC và giảm được điện áp commonmode, phương pháp FSVM cũng cho chất lượng điện áp cũng như dòng
điện đầu ra tốt, đạt giá trị THD <5% (theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014).
Tuy nhiên, phương pháp mới cũng có một số hạn chế như khả năng cân
bằng điện áp điểm trung tính DC bị suy yếu trong điều kiện hệ số công
suất thấp và hệ số điều chế cao và giá trị THD cũng cao hơn so với
phương pháp SVM 8- Đoạn.

11


Chương 3. Điều khiển nghịch lưu hình T ba pha trong chế độ
nối lưới
3.1. Đặt vấn đề
Bên cạnh phương pháp điều chế véctơ không gian SVM để điều khiển
phát xung cho bộ biến đổi thì chất lượng điện áp, dịng điện do chất lượng
mạch vịng điều khiển quyết định.
3.2. Mơ hình tốn học của nghịch lưu hình T ba pha
IO
L

SA1
ia
a

eb

L

ib

ec

L

SC1

SB1

SA3 C1
SA2
SB3

b

J

SB2
SC3

ic

SA4

+

O

c
SC4

SB4

SC2

>>

n

ea

P IL

C2
N

Hình 3.1. Cấu trúc nghịch lưu ba pha hình T hồ lưới
Từ Hình 3.1, ta sẽ xây dựng được phương trình mơ tả hoạt động của
nghịch lưu hình T phía Ac và DC.
3.3. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI
3.3.1. Cấu trúc điều khiển
ea

n

L

eb

L

ec

L

ia

SA1

ib

SC1

SA3
SA4

b

SB4

ic
SA2

eabc

SB1

a

SB2

SC2

c

UC1

SB3

Udc

SC3
UC2

SC4

iabc
UC1
SVM

PLL
ed , eq

abc
dq

UC2

Vabc
abc
dq

id , iq

Vsd , Vsq

PI
PI
BĐK PI

id*
iq*

PI
0

- +Udc*

BĐK PI

Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu ba pha hình T chế độ nối
lưới khi sử dụng bộ điều khiển PI

12


3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển điện áp
Cấu trúc của bộ điều khiển điện áp DC được thể hiện trong Hình 3.3.
*
Udc

+

R(s)

-

Idc

I*d

Gi(s)

-

1 Udc
C.s

+

Hình 3.3. Cấu trúc bộ điều khiển điện áp
3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
Nhận thấy, đối tượng điều khiển là khâu tích phân nên ta có thể sử

dụng bộ điều khiển PI với hàm truyền như cơng thức dưới đây để điều
khiển:

end
i*sd

u*sd

ud
+

PI

isd

ωL L

isq

ωL L

i*sq

-

uq
PI

u*sq

enq

Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện trên hệ toạ độ quay dq
khi sử dụng bộ điều khiển
3.3.4. Thiết kế mạch vịng khóa pha
eabc

abc

eαβ
αβ

αβ

enq
ωLref

dq

dt

Hình 3.5. Cấu trúc vịng khố pha cho lưới điện 3 pha

13

*


3.4. Mô phỏng cấu trúc điều khiển nối lưới sử dụng bộ điều khiển PI
3.4.1. Tính chọn tham số mạch lực nghịch lưu hình T ba pha

Để vừa đáp ứng được những yêu cầu và tiêu chuẩn khắt khe (IEEE519) trong việc kiểm sốt chất lượng điện áp và dịng điện của một bộ
nghịch lưu nối lưới, vừa đơn giản trong việc thiết kế, mạch lọc L được
lựa chọn.
3.4.2. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink
Bảng 3.1. Thông số mô phỏng
Thông số

Giá trị

Công suất P

15kW

Điện áp lưới

380V/50Hz

Điện áp Vdc

600V

Cuộn cảm L

1,2mH

Tụ điện DC-link, C1 = C2

940µF

Tần số điều chế fsw

10kHz

kup, kui

0,5315; 119,2751

kip, kii

1,617; 5081,07

Kịch bản mô phỏng theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014 bao gồm: Lưới
điện lý tưởng, biên độ điện áp 1 pha giảm 10%, biên độ điện
áp 2 pha giảm 10%, biên độ điện áp 3 pha giảm 10%, tần
số thay đổi ±1%, điện áp có thành phần sóng hài bậc 5, 7, 13 (THD =
8%).

Hình 3.6. THD dòng điện và độ lệch điện áp trên tụ DC

14


3.5. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu
3.5.1. Cấu trúc điều khiển
ea

L

eb

n

L

ec

L

SA1

ia

SB1

SA3

a

SA4

ib

b

SB4

ic
SA2

eabc

SC1

SB2

SC2

c

UC1

SB3

Udc

SC3
UC2

SC4

iabc
UC1
SVM

PLL
ed , eq

abc
dq

UC2

Vabc
abc
dq

i d , iq
d^d , d^q

DOB
+ -

SOB

^i , ^i
d q

LMI

Vsd , Vsq
+
+ Vdi , Vqi
- + dd , dq
id*
FTSMC iq*

PI
0

- +Udc*

BĐK kháng nhiễu BĐK PI

Hình 3.7. Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu ba pha hình T chế độ nối
lưới khi sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu
3.5.2. Thiết kế bộ điều khiển điện áp
Để đơn giản hoá, bộ điều khiển PI được sử dụng để kiểm soát điện áp
DC đầu ra và đã được thiết kế như ở phần 3.3.2.
3.5.3. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
3.5.3.1. Bộ quan sát nhiễu DOB
 Xˆ = AXˆ + Bu + Ddˆ - LC X - Xˆ


 yˆ = CXˆ





(3.1)

Nếu ma trận (A+LC) là ổn định, tức là có các nghiệm của phương trình
đặc tính có phần thực âm, thì sai lệch sẽ tiến về khơng,

. Để ước

lượng nhiễu một cách chính xác, tức là d = d - dˆ  0 ta lựa chọn luật hội

tụ như sau:
d  k d

15

(3.2)


Trong đó: k là một số dương.

 dˆ = d  k d

(3.3)

3.5.3.2. Bộ điều khiển FTSMC
Từ phép biến đổi trên và ma trận B là một ma trận vuông 2x2, giá

trị của thành phần cân bằng được tính tốn bởi:
ueq B -1  X r - AXˆ - Ddˆ - LC X - Xˆ  e 







(3.4)

Trạng thái của hệ thống sẽ hội tụ về mặt trượt định trước trong một
khoảng thời gian cố định với thành phần đóng cắt được đề xuất áp dụng

bởi phương trình:

c1

c2

usw 1 s d1 sign  s    2 s d2 sign  s 

(3.5)

3.6. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trong chế độ nối lưới
Thông số và kịch bản mơ phỏng giống như ở phần 3.4

Hình 3.8. THD dòng điện và độ lệch điện áp trên tụ với FTSMC
3.7. Kết luận
Trong chương này, luận án đã trình bày bộ điều khiển chế độ trượt
FTSMC giúp cho mục tiêu điều khiển được đảm bảo dù trong điều kiện
lưới cân bằng, mất cân bằng, tải hay nhiễu thay đổi theo thời gian.

16


Chương 4. Điều khiển nghịch lưu hình T trong chế độ độc lập
4.1. Đặt vấn đề
Việc đảm bảo chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra với các dạng tải
khác nhau là một yêu cầu quan trọng khi nghiên cứu và thiết kế bộ nghịch
lưu ba pha hình T trong chế độ độc lập.
4.2. Mơ hình tốn học của nghịch lưu hình T ba pha
P
C1

SA4

SA3

O

SB3

SB1

SC1

SB4
SC4
SA2

SC3

C2

SA1

SB2

SC2

Vsa isa Li

iLa

Vsb isb

iLb

Vsc isc

iLc

VLa VLb VLc

N

LOAD

Cf

Hình 4.1. Cấu trúc nghịch lưu hình T chế độ độc lập
Từ Hình 4.1, ta xây dựng được phương trình mơ tả phía nguồn và tải
4.3. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI
U dc
Udc1 Udc2

Udc1

Udc2

SC3

abc
dq

Vabc

SVM
SA2

SB3

SA3

SC4

SB4

SA4
SA1

[Vsd ,Vsq ]T

dq
abc

[isd ,isq ]T

[i sd*,isq *]T

SC1

isabc

L f + Lf
Cf

PI
PI
[VLd* ,VLq*]T

VLabc

-

[VLd ,VLq]T

dq
abc

Load

θ



ωL

SB1

SC2

θ

PI
PI

SB2

Hình 4.2. Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha hình T
chế độ độc lập khi sử dụng bộ điều khiển PI

17


4.4. Thiết kế bộ điều khiển điện áp
CfvLq
V*sd

+

1
C fs

PI

Vsd

iLd

Hình 4.3. Cấu trúc mạch vòng điện áp kênh d
4.5. Thiết kế bộ điều khiển dịng điện
Liisq
i*sd

+

isd

1
Lis

PI
VLd

Hình 4.4. Cấu trúc mạch vịng dịng điện kênh d
4.6. Mơ phỏng bộ điều khiển PI trên phần mềm Matlab/Simulink
Kịch bản mô phỏng: Tải ba pha cân bằng (R load), tải không cân bằng
Bảng 4.1. Thông số mô phỏng chế độ độc lập
Thông số

Giá trị

Điện áp Vdc

600V

Điện áp đầu ra

380V/50Hz

Lọc LC

1,2mH, 20µF

Tụ điện DC-link, C1 = C2

940µF

Tần số điều chế fsw

10kHz

Tải điện trở

9,68 Ω

Bộ điều khiển điện áp kpv, kiv

0,056 ; 82,0513

Bộ điều khiển dòng điện kpi, kii

14,015 ; 9256,2

18