ứng dụng bộ biến đổi pwm trong điều khiển, công suất giữa các nguồn điện cục bộ

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ
-
Sè 4
(44)
/
N¨m 2007
–

50

ỨNG DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI PWM TRONG ĐIỀU KHIỂN
CÔNG SUẤT GIỮA CÁC NGUỒN ĐIỆN CỤC BỘ
Ngô Đức Minh – (Trường Đại học KTCN - ĐH Thái Nguyên)

1. Đặt vấn đề
Việc nghiên cứu các bộ biến đổi PWM đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên
cứu mạnh trong khoảng mươi năm trở lại đây và thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội: khả năng
truyền năng lượng theo cả hai hướng với cosϕ điều khiển được, dung lượng sóng hài thấp.
Trong tình hình thiếu hụt năng lượng hiện nay, nhiều nguồn điện cục bộ đang được huy
động tích cực để bổ sung công suất cho lưới. Vì trong vận hành khai thác công suất từ các nguồn
điện cục bộ, do tính không ổn định, tần số và công suất phát của mỗi nhà máy phụ thuộc nhiều
yếu tố khách quan, như chế độ gió (phong điện); các chế độ thuỷ văn (thuỷ điện nhỏ) cần điều
tiết lượng công suất phát ra từ các nhà máy vào lưới thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật, hoặc kể cả
trong trường hợp điều tiết mang tính thương mại (phân chia công suất P, Q được bán ra cho từng
nhà máy điện). Nghiên cứu tính năng đặc biệt của bộ biến đổi PWM, sẽ đưa ra ứng dụng để thực
hiện ý tưởng trên.

Trên sơ đồ hình 1. :
- lưới cấp điện cho các phụ tải 1 ; 2 ; 3 ...;
- máy phát F
1

cấp cho lưới lượng P
1
và Q
1
; hoặc điều chỉnh khác;
- máy phát F
2
cấp cho lưới lượng P
2
và Q
2
= 0 ; hoặc điều chỉnh khác.
Nội dung bài báo tác giả muốn thực hiện là:
- Giả thiết trên lưới ( các phụ tải: tải
1
,

tải
2
, tải
3
....) cần lượng công suất tính toán là:
P(kW) và Q(kVAr)
- Bộ biến đổi PWM
1
nối với nguồn F
1
, điều khiển cấp cho lưới P
1
và Q

1

- Bộ biến đổi PWM
2
nối với nguồn F
2
, điều khiển cấp cho lưới P
2
và Q
2

Yêu cầu điều khiển là: thay đổi được các giá trị: P
1
, P
2
, Q
1
, Q
2
theo ý nuốn ( thậm trí là
một trong đại lượng trên = 0 ) nhưng luôn đảm bảo điều kiện:
P
1
+ P
2
= P và Q
1
+ Q
2
= Q

BB§
1
t¶i 1
t¶i 2
t¶i 3
t¶i ...
F
1
F
2


P
1
Q
1
P
2
BB§
2
Hình 1. Sơ đồ lưới có nhận điện từ 02 nguồn điện cục bộ

Q
2

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ
-
Sè 4
(44)
/

N¨m 2007
–

51
Để thực hiện được ý tưởng điều khiển ta xây dựng sơ đồ cấu trúc như hình 2.


2. Mô tả toán học cấu trúc điều khiển
cấu trúc sơ đồ được thể hiện trên hình 2. Trước khi đi vào vấn đề điều khiển, ta nhắc lại
các mô tả toán học quen thuộc cho của từng khối: chỉnh lưu, nghịch lưu, bộ điều khiển biến tần
và đưa ra các thuật toán điều khiển tương ứng.
2.1. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu và phương pháp điều khiển
Phương trình cân bằng điện áp bộ chỉnh lưu được mô tả như sau:
L I S
u u u= +
(1)
L
L L S
di
u Ri L u
dt
= + + (2)
a a a Sa
b b b Sb
c c c Sc
u i i u
d
u R i L i u
dt
u i i u

       
       
= + +
       
       
       
(3)
Ngoài ra dòng
đ
i
ệ
n:

dc
a a b b c c dc
du
C S i S i S i i
dt
= + + − (4)
Hình 2. Sơ đồ điều chỉnh công suất từ các nguồn đến hộ phụ tải sử dụng các
bộ biến tần dùng PWM
Tạp chí Khoa học & Công nghệ
-
Số 4
(44)
/
Năm 2007


52

n nay, ó cú rt nhiu phng phỏp iu khin b chnh lu PWM nh: VOC, DPC,
VFVOC, VFDPC. t c mc tiờu l iu khin cỏc thnh phn cụng sut phỏt vo li t
cỏc ngun cc b, tỏc gi a ra phng phỏp iu khin DPC (iu khin trc tip cụng sut).
S nguyờn lý c mụ t trờn hỡnh 3.

Vựng v trớ ca vector hiu in th v t thụng c chia thnh 12 sector v cỏc sector
c biu din di dng s nh sau:
n
(n 2) (n 1)
6 6

< v

i n=1,2....12

Sau khi

ó xỏc

nh

c v

trớ t

thụng

o thu

c sector no, ta s

l

a ch

n tr

ng thỏi

úng
c

t t

i

u cho cỏc van c

a m

ch c

u ch

nh l

u nh

vo b

ng chuy

n m

ch:
U
DC


Hỡnh 3. S nguyờn lý b chnh lu iu khin theo phng phỏp DPC

Khâu đo dòng ớc lợng
điện áp hoặc từ thông ảo
và công suất tức thời
Bảng
đóng cắt

PI

U
a

U
b

U
c

L

PWM
i
a

i
b

i
c

S
a

S
b

S
c

S
a

S
b

S
c

-
-

-
p q
qđặt
d
q
d
p

pđặt
UDCđặ
t
U
DC

i
a

i
b

Chọn sector
Hỡnh 4. Chn sector cho phng phỏp iu khin DPC
Tạp chí Khoa học & Công nghệ
-
Số 4
(44)
/
Năm 2007

53
Bng 1: Bng chuyn mch cho 12 sector dựng cho phng phỏp iu khin DPC.
dp dq Sector
1
Sector
2
Sector
3
Sector
4
Sector
5
Sector
6
Sector
7
Sector
8
Sector
9
Sector
10
Sector
11
Sector
12
1 0 101 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001
1 110 111 010 000 011 111 001 000 101 111 100 000
0 0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101
1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100

2.2. Mụ t toỏn hc b nghch lu:
B nghch lu dựng bin i in ỏp mt chiu thnh xoay chiu ba pha cú th thay
i c tn s nh vic thay i qui lut úng ct cỏc van IGBT.
in ỏp ti u cc ca mch nghch lu cú th biu din bng:

S S
1
w dc
u = S . U (5)
nờn ta cú :
1A wA dC
1B wB dC
1C wC dC
u = S . U
u = S . U
u = S . U





(6)
T

h

p cỏc tr

ng thỏi

úng ng

t c

a m

ch ngh

ch l

u 3 pha ta

c 8 vec t



i

n ỏp,
trong

ú cú hai

i

n ỏp vec t

khụng l U
0
v U

7


0 w0 dc
u =S . U (7)
Trong

ú S
w0
l thnh ph

n th

t

khụng c

a hm

úng ng

t Sw :

w0 wA wB wC
1
S = (S +S +S )
3
(8)
Thnh ph

n

i

n ỏp th

t

khụng thụng th

ng l cú th

b

qua vỡ trong h

th

ng l

i

i

n 3 pha 3 dõy khụng cú

ng d

n cho dũng

i

n th

t

khụng, nờn

i

n ỏp th

t

khụng s


khụng t

o ra dũng

i

n. Tuy nhiờn n

u trong tr

ng h

p cú hai b

ngh

ch l

u n

i song song v

i
cỏc

i

m n

i tr

c ti

p

c

phớa xoay chi

u v m

t chi

u s

gõy ra dũng

i

n th

t

khụng ch

y
vũng vỡ xu

t hi

n

ng d

n cho nú. Khi

ú ta khụng th

b

qua dũng

i

n th

t

khụng

c.
S



nguyờn lý

i

u khi

n b

ngh

ch l

u

c mụ t

trờn
hỡnh 5.

Tải

Bộ lọc
LC


Đo
lờng
Điều
chỉnh
điện áp
Mạch điều
chế xung
đóng cắt
Bộ
tạo
trễ

Uđk
Điện
áp đặt
Hỡnh 5. S nguyờn lý iu khin b nghch lu
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ
-
Sè 4
(44)
/
N¨m 2007

–

54

3. Điều chỉnh công suất từ các nguồn
Để điều chỉnh công suất qua bộ biến đổi PWM ta có thể thực hiện bằng một số phương
pháp sau: thay đổi giá trị cuộn cảm đầu vào bộ chỉnh lưu; hoặc thay đổi thông số luật điều khiển.
3.1. Phương pháp 1: thay đổi giá trị cuộn cảm đầu vào
Thật vậy ta có công thức biểu quan hệ công suất tác dụng của bộ chỉnh lưu với giá trị
điện cảm L như sau:
cq
dP
L R.P . u
dt
+ = Φ ∆ (9)
Trong
đ
ó:
L, R: giá tr
ị

đ
i
ệ
n c
ả
m,
đ
i
ệ

n tr
ở

đầ
u vào b
ộ
ch
ỉ
nh l
ư
u PWM
Φ
: vect
ơ
t
ừ
thông
ả
o phía l
ướ
i
∆
u
cq
:
đ
i
ệ
n áp
đầ

u ra b
ộ

đ
i
ề
u ch
ỉ
nh dòng:
* *
Cq Cq Cq I Cq Cq
u Kp(i i ) K (i i ).dt∆ = − + −
∫

P: công su
ấ
t tác d
ụ
ng
Khi mô ph
ỏ
ng, ta
đ
ã lý t
ưở
ng hoá khi b
ỏ
qua giá tr
ị

đ
i
ệ
n tr
ở
R, nên ph
ươ
ng trình (9) tr
ở
thành:
cq
dP
L . u
dt
= Φ ∆

cq
u
P dt
L
Φ∆
⇒
=
∫
(10)
Quan sát (10) ta th
ấ
y giá tr
ị

đ
i
ệ
n c
ả
m L càng l
ớ
n thì công su
ấ
t tác d
ụ
ng P càng gi
ả
m.
Tuy nhiên, n
ộ
i dung bài báo không
ứ
ng d
ụ
ng
đ
i
ề
u khi
ể
n theo h
ướ
ng này.
3.2. Phương pháp 2: thay đổi thông số luật điều khiển

Công su
ấ
t phía lu
ớ
i s
ẽ
thay
đổ
i khi
độ
r
ộ
ng xung
đ
óng c
ắ
t thay
đổ
i, bám theo nguyên t
ắ
c
này ta
đ
i nghiên c
ứ
u các công th
ứ
c toán h
ọ
c mô t

ả
quan h
ệ
gi
ữ
a công su
ấ
t và tr
ạ
ng thái
đ
óng c
ắ
t
các nhánh van
để
t
ừ

đ
ó làm c
ơ
s
ở
thi
ế
t k
ế
các m
ạ

ch vòng
đ
i
ề
u ch
ỉ
nh công su
ấ
t phát ra t
ừ
các
ngu
ồ
n c
ụ
c b
ộ
khi ph
ụ
t
ả
i tiêu th
ụ
yêu c
ầ
u.

Công su
ấ
t tác d

ụ
ng c
ủ
a ngu
ồ
n phát qua b
ộ
bi
ế
n
đổ
i :
a a b b c c
p Re{[u .i u .i u .i }= + +

a b c
a sa a b sb b c sc c
2 2 2
a b c
a a a dc a b b b dc b c c c dc c
di di di
p Re{ R.i L u .i R.i L u .i R.i L u .i }
dt dt dt
di di di
Re{ R.i L.i . f .U .i R.i L.i . f .U .i R.i L.i . f .U .i }
dt dt dt
     
= + + + + + + + +
     
     

     
= + + + + + + + +
     
     

Khi b
ộ
bi
ế
n t
ầ
n làm vi
ệ
c xác l
ậ
p thì có th
ể
xem nh
ư
không có s
ự
bi
ế
n thiên v
ề
dòng
đ
i
ệ
n

nên
di
0
dt
= , ta có:
( ) ( ) ( )
2 2 2
a a dc a b b dc b c c dc c
p Re{ R.i f .U .i R.i f .U .i R.i f .U .i }= + + + + +