NGHIÊN cứu bộ NGHỊCH lưu CASCADE bảy bậc cầu h HOÀ lưới 2

GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

M CL C

LÝ L CH KHOA H C ..............................................................................................i
L IăCAMăĐOAN ..................................................................................................... ii
L I C Mă N .......................................................................................................... iii
M C L C .................................................................................................................iv
DANH M C B NG BI U ......................................................................................vi
DANH M C HÌNH NH ...................................................................................... vii
TÓM T T LU NăVĔN ...........................................................................................ix
ABSTRACT ..............................................................................................................ix
Ch

ngă1:ăT NG QUAN .........................................................................................1

1.1Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu ..........................................................................1
1.2Mục đích của đề tài ............................................................................................. 3
1.3Phạm vi của đề tài ............................................................................................... 3
1.4Ph ơng pháp nghiên cứu ....................................................................................3
1.5Điểm mới của đề tài ............................................................................................4
1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài ..................................................................................4
Ch

ngă2:ăăC ăS

LÝ THUY T ............................................................................5

2.1 Tổng quan về nghịch l u đa bậc ........................................................................5
2.1.1 Khái niệm ....................................................................................................5
2.1.2 Phân loại. .....................................................................................................5

2.2 Các cấu trúc bộ nghịch l u đa bậc .....................................................................6
2.2.1 Cấu trúc bộ nghịch l u NPC ...........................................................................6
2.2.2 Cấu trúc bộ nghịch l u kẹp tụ ....................................................................7
2.2.3 Cấu trúc bộ nghịch l u dạng cascade ..........................................................8
2.2.4 Nhận xét ......................................................................................................9
2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho bộ nghịch l u 3 pha 7 bậc
Cascade ....................................................................................................................9
2.3.1 Ph ơng pháp điều chế độ rộng xung sin SPWM ........................................9

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang iv


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
2.3.2 Ph ơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến ...........................................13
2.3.3 Vector không gian .....................................................................................14
2.4 Ph ơng pháp nối l ới ......................................................................................17
2.4.1 Vòng khóa pha........................................................................................... 19
2.4.2 Hệ qui chiếu αβ .........................................................................................20
2.4.3 Đồng bộ xoay khung tham chiếu............................................................... 20
2.4.4 Lựa chọn thông số PI.................................................................................22
2.5 Bộ lọc LCL ......................................................................................................23
Ch

ngă 3:ă K

PH NG C A B

THU Tă ĐI U KHI N SÓNG MANG VÀ K T QU

MÔ

NGH CH L UăBAăPHAăCASCADEă7ăB C .......................24

3.1 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch l u ba pha cầu H gồm ba mạch Cascade 7 bậc .24
3.2 Kỹ thuật điều khiển bộ nghịch l u ba pha Cascade 7 bậc ............................... 25
3.2.1 Xét nguyên lý 1 pha của bộ nghịch l u Cascade 7 bậc ............................. 25
3.2.2 Kỹ thuật PWM dùng sóng mang ............................................................... 26
Ch

ngă4:ăXỂYăD NG MÔ HÌNH MÔ PH NG ..............................................30

4.1 Sơ đồ mô hình mô phỏng bộ nghịch l u cascade bảy bậc............................... 30
4.2 Mô hình mô phỏng vòng khóa pha PLL – SRF PLL.......................................34
4.3 Yêu cầu thông số của hệ thống ........................................................................36
4.4 Kết quả mô phỏng ............................................................................................ 39
4.4.1 Với điều kiện điện áp l ới cân bằng..........................................................39
4.4.2 Tr ờng hợp điện áp không cân bằng .........................................................43
Ch

ngă5:ăK T LU NăVÀăH

NG PHÁT TRI N..........................................48

5.1 Kết luận ............................................................................................................48
5.2 H ớng phát triển .............................................................................................. 48
TÀI LI U THAM KH O ......................................................................................49
PH L C .................................................................................................................51

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang v


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

DANH M C B NG BI U
Bảng 4.1 : So sánh về ba ph ơng pháp bộ nghịch l u 7 bậc ....................................34
Bảng 4.2: Tiêu chuẩn tổng hài .................................................................................42
Bảng 4.3:Tiêu chuẩn về điệp áp không cân bằng ....................................................43

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang vi


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

DANH M C HÌNH NH
Hình 2.1: Bộ nghịch l u áp dạng NPC .......................................................................6
Hình 2.2: Bộ nghịch l u áp dạng kẹp tụ. ....................................................................7
Hình 2.3: Bộ nghich l u áp đa bậc dạng Cascade ......................................................8
Hình 2.4: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục. ..........10
Hình 2.5: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn. ......11
Hình 2.6: Đ ờng đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ số biên độ sóng sin/biên độ sóng
mang ......................................................................................................11
Hình 2.7 : Ph ơng pháp PD ......................................................................................12
Hình 2.8 : Ph ơng pháp POD ...................................................................................12
Hình 2.9: Ph ơng pháp APOD .................................................................................13

Hình 2.10: Dạng sóng điều khiển và sóng mang MSPWM ......................................14
Hình 2.11: Dạngxung kíchtrong MSPWM ............................................................... 14
Hình 2.12: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch l u 3 bậc. ..........................................17
Hình 2.13: Mô hình t ơng đ ơng. ............................................................................17
Hình 2.14: Biều đồ pha giữa điện áp l ới U và góc  ..............................................17
Hình2.15: Vòng khóa pha. ........................................................................................19
Hình 2.16: Tọa độ không gian vector d và q. ............................................................ 21
Hình 2.17: Mô hình SRF PLL. ..................................................................................21
Hình 2.18: Bộ lọc LCL.............................................................................................. 23
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý. .......................................................................................24
Hình 3.2: Sơ đồ phân tích một nhánh Cascade 7 bậc................................................25
Hình 3.3: L u đồ phát xung SPWM dùng nhiều sóng mang. ...................................26
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý tạo xung SPWM bằng nhiều sóng mang. ......................28
Hình 3.5:Dạng sóng sin và sóng mang 7 bậc ............................................................ 29
Hình 4.1 : Cấu hình bộ nghịch l u cầu H bảy bậc ....................................................30
Hình 4.2 :Mô hình mô phỏng vòng hở bộ nghịch l u cầu H bảy bậc. ......................30
Hình 4.3: Mô phỏng ph ơng pháp PD bảy bậc khi ma = 0.9 ...................................31
Hình 4.4: Mô phỏng ph ơng pháp POD bảy bậc khi ma = 0.9 ................................ 32
Hình 4.5: Mô phỏng ph ơng pháp APOD bảy bậc khi ma = 0.9 ............................. 33

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang vii


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

Hình 4.6: Vòng khóa pha SRF-PLL..........................................................................34
Hình 4.7: Tần số của PLL .........................................................................................35
Hình 4.8:Góc pha PLL .............................................................................................. 35

Hình 4.9: Dạng sóng bắt pha của PLL ......................................................................35
Hình 4.10: Điện áp hồi tiếp về của bộ PLL .............................................................. 36
Hình 4.11: Sơ đồ khối của hệ thống. .........................................................................37
Hình 4.12:Mô hình mô phỏng vòng hở bộ nghịch l u cầu H đa bậc nối l ới. .........38
Hình 4.13: Bộ lọc ngõ ra L-C-L. ...............................................................................39
Hình 4.14: Mô hình chuyển đổi Va , Vb và Vc sang hệ trục tọa độ V và V .............39
Hình 4.15: Mô hình chuyển đổi từ Vdq  TV . ......................................................39
Hình 4.16: Góc pha ớc tính khi hòa l ới. ............................................................... 40
Hình 4.17: Dạng sóng ngõ ra ba pha khi qua bộ nghịch l u cascsde cầu H. ............40
Hình 4.18: Dạng sóng ngõ ra khi qua bộ lọc LCL. ...................................................40
Hình 4.19: Dạng sóng ngõ ra của ba pha. .................................................................41
Hình 4.20: Dạng sóng ngõ ra và dạng sóng của l ới. ...............................................41
Hình 4.21: Dạng sóng ba pha ngõ ra và dạng sóng của l ới . ..................................41
Hình 4.22: Mô phỏng tiêu chuẩn PLL bắt pha. .........................................................42
Hình 4.23: THD của điện áp ngõ ra. .........................................................................42
Hình 4.24: Tần số nối l ới. .......................................................................................43
Hình 4.25: Dạng sóng điện áp l ới. ..........................................................................44
Hình 4.26: Dạng sóng thu đ ợc khi nối l ới của bộ nghịch l u. .............................. 44
Hình 4.27: Điện áp ngõ ra bắt pha với điện áp l ới. .................................................44
Hình 4.28: THD của ngõ ra điện áp không cân bằng. ...............................................45
Hình 4.29: Tần số PLL. ............................................................................................. 45
Hình 4.30: Khóa ngắt tín hiệu khi có sự cố ................................................................ 46
Hình 4.31: Điện áp l ới với tần số 51hz ....................................................................... 46
Hình 4.32: Dạng sóng ngõ ra ....................................................................................... 47
Hình 4.33: Dạng sóng ngõ ra khi nối l ới .................................................................... 47

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang viii

GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

TÓM T T LU NăVĔN
Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang để điều chế
bộ nguồn ba pha cầu H gồm ba mạch Cascade bảy bậc và thực hiện ph ơng pháp
SRF PLL để bắt pha hòa l ới. Với cấu trúc Cascade này sẽ làm cho dạng điện áp tốt
hơn, chất l ợng dòng điện đ ợc cải thiện, số lần chuyển mạch ít, điện áp trên mỗi
linh kiện giảm, tăng công suất cho mạch. Ph ơng pháp SRF PLL đ ợc sử dụng tốt
trong điều kiện điện áp l ới cân bằng và ít chính xác trong điều kiện không cân
bằng.
Các ph ơng pháp, giải thuật trên đ ợc thực hiện bằng mô phỏng trên
Matlab\Simulink
ABSTRACT
The subjectuses technical Sin Pulse Width Modulation to convert DC voltage to
Cascade three – phase seven levels and implementation SRFPLL methods to
tracking phase grid. Structure of Cascade will creat better shape voltage, current
quality improvement, less switching frequency, the voltage across each component
decreases, increasing thecapacity ofthecircuit. SRFPLL method is used well in
balancing the grid voltage and less accurate in unbalance conditions.
The methods and algorithms are simulatied byMatlab\Simulink.

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang ix


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

Ch

ngă1:

T NGăQUAN
1.1 T ngăquanălĩnhăv cănghiênăc u
Những thập niên 70-80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ đ ợc ứng dụng
trong những mạch điều khiển, đo l ờng, khống chế, bảo vệ…hệ thống điện công
nghiệp gọi là điện tử công nghiệp.
Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đư ứng dụng khá rộng rãi và
thành công trong việc thay thế các khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn
cho những phụ tải một pha, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công
nghiệp…Với u điểm là kích th ớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, đáp ứng
tần số đ ợc mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày
càng đ ợc cải tiến dần.
Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp rất nhanh, Các nguồn năng l ợng
lớn chủyếu có nguồn gốc năng l ợng hóa thạch luôn gây ô nhiễm môi tr ờng, đang
cạn kiệt dần và làm cho trái đất ấm dần lên. Việc tìm ra và sử dụng các nguồn năng
l ợng sạch, vô tận luôn là u tiên hàng đầu. Năng l ợng mặt trời, năng l ợng gió đư
thỏa mãn đ ợc những yêu cầu trên, nh ng có công suất không lớn và rất không tập
trung. Để tận dụng có hiệu quả, cần phải kết nối các nguồn năng l ợng này thông
qua hệthống l ới điện phân phối có sẵn bằng các bộ nghịch l u có khả năng kết nối
với điện xoay chiều
Việc nghiên cứu điều khiển nghịch l

kết nối với điện phân phối đư có từ hơn 30

năm qua. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các ph ơng pháp điều khiển
nghịch l u nối đư và đang đ ợc thực hiện ngày một nhiều hơn.
+ Các công trình nghiên cứungoài n ớc:
- Trong bài báo“Design and Simulation of three phase Inverter for grid

connected Photovoltic systems”[3] đư bơm công suất tác dụng lên l ới đồng thời sử
dụng bộ chuyển đổi d-q để đồng bộ và độ méo dạng sóng hài trong mô phỏng là

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 1


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
1.78% tuy nhiên việc sử dụng bộ nghịch l u VSI làm cho độ méo dạng sóng hài
tăng cao.
- Bài báo “Investigation of Three-Phase Grid-Connected Inverter for
Photovoltaic Application”[4] đư hòa l ới với độ méo dạng của điện áp là 2.48% và
cũng sử dụng ph ơn pháp vòng khóa pha, sử dụng bộ chuyển đổi d-q bộ điều chỉnh
PI.
Bài báo“Modifying the three-phase synchronous reference frame phaselocked-loop to remove unbalance and harmonic errors” [13] cho thấy nếu l ới hoạt
động trong điều kiện điện áp lý t ởng nh điện áp l ới cân bằng,tần số là một hằng
số và không có nhiễu) thì khi đó vòng khóa pha SPF-PLL sẽ đồng bộ tín hiệu một
cách chính xác và cao. Tuy nhiên với ngõ vào không cân bằng nh là điện áp không
cân bằng, biên độ các pha không bằng nhau hay góc pha không lệch nhau 120 độ.
Khi đó việc bắt pha sẽ thiếu chính xác.
Cũng trong bài báo này cho ta biết đ ợc rằng việc cải tiến ph ơng pháp
SRF- PLL để cải thiện việc bắt pha trong điều kiện không cân bằng bằng các
ph ơng pháp nh

DDSRF-PLL(decoupled double synchronous reference frame

phase-locked loop), hay DSRF-PLL(double synchronous reference frame phaselocked loop) thì việc bắt pha trong điều kiện không cân bằng tốt hơn, tuy nhiên việc
thiết kế phức tạp cũng cần cải thiện khi các tín hiệu đầu vào là bị méo dạng bởi
sóng hài.

Theo bài báo “ Comparative Study of Single Phase PLL Algorithms for Grid
Synchronization Applications” [12] đư đề cập tới giải pháp sữ dụng ph ơng pháp
SOGI-PLL (Second Order Generalized Integrator based Phase-locked loop) với
hiệu suất của ph ơng pháp này phụ thuộc vào điều kiện tần số  là tần số góc của
tín hiệu,việc tính toán và điều chỉnh trong ph ơng pháp SOGI-PLL là chính là điều
chỉnh cho thích hợp với tần số. Trong ph ơng pháp SOGI-PLL có thể lọc ra tín hiệu
nhiễu,hài nh ng lại ờidễ bị ảnh h ởng bởi độ sai lệch DC trong tín hiệu điện áp
Trong bài báo “Simple Methods for Detecting Zero Crossing” [11] ta thấy
rằng việc bắt pha khá chính xác mặt dù lỗi pha không thể loại bỏ hoàn toàn và cần

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 2


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
l u ý trong việc sử dụng ph ơng pháp Detecting Zero Crossing là hiệu suất của
ZCD(detecting zero crossing) bị ảnh h ởng bởi chất l ợng điện, đặc biệt trong
tr ờng hợp l ới điện yếu.
Với mục tiêu chuyển đổi các nguồn năng l ơng khác thành năng l ợng điện hòa vào
l ới điện phân phối.
1.2 M căđíchăc aăđ tài
Mục đích của đề tài là xây dựng mô hình nghịch l u ba pha 7 bậc dạng
cascade cầu H hòa l ới. Với kỹ thuật điều chế đ ợc đ a ra tôi mong muốn nó đảm
bảo phù hợp với kết quả tính toán và độ méo dạng của tín hiệu đầu ra (THD) thấp.
Đề tài “Nghiên cứu bộ nghịch l u cascade cầu bảy bậc H hòa l ới ” có nội
dung chủ yếu:
- Tầm quan trọng của đề tài.
- Xây dựng ph ơng trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng
l ợng.

- Dùng phần mềm Matlab mô phỏng khi hòa năng l ợng mặt trời vào l ới.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài.
1.3 Ph m vi c a đ tài
- Nghiên cứu bộ nghịch l u công suất nhỏ ba pha khi hòa vào l ới điện.
- Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa vào l ới điện phân phối.
- Đ a ra mô hình mô phỏng bộ nghịch l u cascade bảy bậc hòa l ới.
1.4 Ph

ngăphápănghiên c u

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Nghiên cứu các mô hình hòa đồng bộgiữa ngõ ra bộ nghịch l u và l ới
điện.
- Các thông số ảnh h ởng đến việc hòa l ới.
- Xây dựng mô hình mô phỏng, từ đó phục vụ cho thiết kếvà thi công mô
hình thực tế sau này.
- Phân tích các kết quảnhận đ ợc và các kiến nghị.
- Đánh giá tổng quát toàn bộ đềtài. Đềnghịh ớng phát triển của đềtài

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 3


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
1.5 Đi m m i c aăđ tài
- Tìm ra các thông số ảnh h ởng đến việc hòa đồng bộ.
- Đ a ra giải thuật đểtính toán bộ nghịch l u hòa l ới.
1.6 Giáătr ăth căti năc aăđ tài
Từ yêu cầu cấp thiết từ thực tế, góp phần tiết kiệm năng l ợng của các hộ

tiêu thụ điện cũng nh cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng l ợng. Sử
dụng nguồn năng l ợng sẳn có trong tự nhiên có thể dự trữ nó góp phần giảm quá
tải của nguồn l ới khi giờ cao điểm. Những vùng xa xôi cũng có thể sữ dụng các
nguồn năng l ợng nhỏ nh năng l ợng gió, n ớc đồng bộ với nhau để phục vụ
chung cho cộng đồng. Chính vì lý do trên, đề tài: "nghiên cứu bộ nghịch l u
cascade bảy bậc cầu H nối l ới" đ ợc hình thành.
- Có kết quả khả quan từmột mô hình thiết kếchính xác bộchuyển đổi hòa
l ới.
- Giúp cho các nhà thiết kếcác tài liệu quan trọng trong tính toán thiết
kếbộchuyển đổi hòa vào l ới điện quốc gia.
- Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện, đặc
biệt trong lĩnh vực điện tử công suất.

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 4


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

Ch

ngă2:ă

C ăS ăLụăTHUY T
2.1 T ngăquanăv ăngh chăl uăđaăb c
2.1.1 Khái ni m
Bộ nghịch l u đa bậc có nhiệm vụ chuyển đổi năngl ợng từ nguồn điện một
chiều không đổi sang nguồn xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Bộ nghịch
l u áp là một bộ nghịch l u có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối t ợng

điều khiển ngõ ra là điện áp. Bộ nghịch l u dòng là bộ nghịch l u có nguồn cung
cấp là nguồn dòng và đối t ợng điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng.
Bộ nghịch l u áp cung cấp và điều khiển áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện
áp một chiều có thể là: pin điện, ắc quy, điện áp một chiều đ ợc chỉnh l u từ điện
áp xoay chiều đ ợc lọc phẳng…Các tải xoay chiều th ờng mang tính cảm kháng
nh động cơ xoay chiều, lò cảm ứng…), dòng điện qua các linh kiện không thể
đóng ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, linh kiện trong bộ nghịch
l u áp phải có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó. Trong các ứng dụng với công
suất lớn có thể dùng GTO, IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Mỗi linh
kiện còn mắc thêm diode đối song để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt linh
kiện.
2.1.2 Phân lo i.
Bộ nghịch l u áp có nhiều loại cũng nh nhiều ph ơng pháp điều khiển khác
nhau:
+ Theo số pha: nghịch l u một pha, nghịch l u ba pha.
+ Theo số cấp điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm có điện thế chuẩn
trên mạch có: hai bậc (two level), đa bậc (multi level - ba bậc trở lên)
Bộ nghịch l u áp hai bậc có nh ợc điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn
dây động cơ với độ dốc (dv/dt) khá lớn gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại
trạng thái khác zero của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC (commonmode

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 5


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
voltage) lớn. Bộ nghịch l u đa bậc phát triển để giải quyết hạn chế của nghịch l u
hai bậc và nó th ờng đ ợc sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn.
u điểm của bộ nghịch l u áp đa bậc là công suất của bộ nghịch l u tăng

lên, điện áp đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình
đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo; tần số đóng ngắt lớn, các thành phần hài
bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch l u hai bậc.
+ Theo cấu hình bộ nghịch l u: dạng cascade (cascade converter), dạng
nghịch l u chứa diode kẹp NPC (neutral point clamped multi converter), dạng
nghịch l u kẹp tụ (Flying capacitor converter),các loại nghịch l u lai,..
2.2ăCácăcấuătrúcăb ăngh chăl uăđaăb c
2.2.1ăCấuătrúcăb ăngh chăl uăNPCă(NeutralăPointăClamped)
Sử dụng trong tr ờng hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC.
Bộ nghịch l u đa bậc NPC có một mạch nguồn DC đ ợc phân chia thành một số
cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Giả sử mạch nguồn DC
gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có thể đạt đ ợc
n+1 giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch l u là n+1 bậc.

Vd/2

+
-

Vd/2

+
-

Vd

Hình 2.1: Bộ nghịch l u áp dạng NPC
Bộ nghịch l u áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và
giảm sự tăng vọt điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch l u đa bậc, dv/dt trên

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 6


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
linh kiện và tần số đóng ngắt giảm đi một nữa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai
áp trên các diode khác nhau, ngoài ra cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên
tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.
2.2.2Cấu trúc b ngh chăl uăkẹp t (Flying capacitor inverter)

A
B

Vd

C

Hình 2.2: Bộ nghịch l u áp dạng kẹp tụ.
u điểm chính của bộ nghịch l u này là:
+ Khi tần số tăng cao thì không dùng bộ lọc.
+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và công suất phản kháng từ đó có thể
điều tiết đ ợc phân bố công suất trong l ới dùng biến tần.
Nh ợc chính của bộ nghịch l u này là:
+ Số l ợng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành
tăng và độ tin cậy giảm.
+ Việc điều khiển khó khăn khi số bậc nghịch l u tăng cao.

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 7


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
2.2.3Cấu trúc b ngh chăl uăd ng cascade
A

+
-

Vd/2

+
-

Vd/2

B

+
-

+
-

C

Vd/2

+

-

Vd/2

Vd/2

+
-

Vd/2

Hình 2.3: Bộ nghich l u áp đa bậc dạng Cascade
Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp cho tr ờng hợp sử dụng nguồn DC
có sẵn, ví dụ d ới dạng acquy, pin. Bộ nghịch l u Cascade gồm nhiều bộ nghịch
l u áp cầu H một pha ghép nối tiếp với nhau. Bằng cách kích đóng các linh kiện
trong mỗi bộ nghịch l u áp một pha, ba mức điện áp (-Vd/2, 0, Vd/2) đ ợc tạo
thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch l u áp trên một nhánh sẽ tạo nên n
mức điện áp âm (-Vd/2, -2*Vd/2, ...-n*Vd/2); n mức điện áp d ơng (Vd/2,
2*Vd/2,…n*Vd/2) và mức áp 0. Nh vậy, bộ nghịch l u áp dạng cascade gồm n bộ
nghịch l u áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghich l u (2n+1) bậc.
Tần số đóng ngắt trong một linh kiện có thể giảm đi n lần, và dv/dt cũng vậy.
Điện áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp.
Ngoài ra còn có dạng ghép từ ngõ ra của bộ nghịch l u áp bap ha, cấu trúc này cho
phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch nghịch l u đạt đ ợc sự cânbằng
điện áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module. Tuy nhiên
cần sử dụng biến áp ở ngõ ra.

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 8

GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

2.2.4Nh n xét
Trong các dạng sơ đồ vừa nêu trên tuy mỗi sơ đồ đều có những u và nh ợc
điểm riêng nh ng thông dụng nhất vẫn là dạng cascade và dạng NPC vì sơ đồ dùng
tụ khó thực hiện bởi vì mỗi nhóm tụ trong mạch đ ợc nạp với mức điện áp khác
nhau khi mạch làm việc với số bậc lớn. Trong chuyên đề này chỉ phân tích bộ
nghịch l u áp dạng sơ đồ cấu trúc dạng cascade 7 bậc.
2.3 K ă thu t đi uă ch ă đ ă r ngă xung (PWM)ă choă b ă ngh chă l uă 3ă phaă 7 b că
Cascade
2.3.1ăPh

ngăphápăđi u ch đ r ng xung sin SPWM

SPWM: Sin Pulse Width Modulation [1] Để tạo ra giản đồ xung kích đóng
ngắt các linh kiện trong một pha tải, ng ời ta so sánh một sóng mang tam giác và
một tín hiệu điều khiển dạng sin. Đối với bộ nghịch l u n bậc, số sóng mang đ ợc
sử dụng là n-1, chúng có cùng tần số và biên độ đỉnh đỉnh. Gọi Am và fm lần l ợt là
biên độ đỉnh – đỉnh và tần số của sóng điều khiển; Ac và fc lần l ợt là biên độ đỉnh –
đỉnh và tần số sóng điều khiển (sóng điều chế). Sóng điều khiển thay đổi quanh tâm
của hệ thống sóng n-1 mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì
linh kiện t ơng ứng đó đ ợc điều khiển kích đóng t ơng ứng ng ợc lại nếu sóng
điều khiển nhỏ hơn sóng mang nào đó thì linh kiện bị kích khóa.
Gọi ma chỉ số biên độ (amplitude modulation ratio):
ma =

Am
Ac

(2.1)

Nếu ma ≤ 1 thì biên độ sóng sin nhỏ hơn sóng mang, quan hệ giữa thành
phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính.
Gọi mf là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio):
mf =

fc
fm

(2.2)

Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số sóng hài xuất hiện.
Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do dóng ngắt lớn.
Đối với bộ nghịch l u 1 pha, biên độ áp pha hài cơ bản:

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 9


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

(2.3)
với Vd là tổng điện áp nguồn DC
Đối với bộ nghịch l u 3 pha, biên độ áp pha hài cơ bản:
U t(1)m = ma ×

Vd

2

(2.4)

Hình 2.4: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục.
Khí giá trị ma>1, biên độ tính hiệu điều chế lớn hơn biên độ sóng mang thì
biên độ hài cơ bản tăng không tuyến tính theo ma. Lúc này, bắt đầu xuất hiện sóng
hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn cho bởi ph ơng pháp 6 b ớc.
Ph ơng pháp SPWM đạt đ ợc chỉ số lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên
độ sóng điều chế bằng biên độ sóng mang. Khi đó:
mSPWM_max =

U(1) m

(2.5)

U(1) m-six_step

Với: U(1)m là biên độ hài cơ bản.
U(1)m-six_step là biên độ cực đại hài bậc cao theo ph ơng pháp 6 b ớc.
Vd
π
m SPWM_max = 2 = = 0.785
2
Vd 4
π

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 10

GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

Hình 2.5: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn.
m
1
0,785

0
1

Am/Ac

Hình 2.6: Đ ờng đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ số
biên độ sóng sin/biên độ sóng mang
Trong ph ơng pháp sin – tam giác có hai ph ơng pháp th ờng dùng là :
+ Dịch pha.
+ Dịch mức.
Ph

ngăphápăPD(Phaseă Disposition): là ph ơng pháp mà tất cả các sóng

mang tam giác có cùng tần số cùng biên độ . Hơn nữa tất cả (m – 1) sóng mang phải
cùng pha với nhau. Nó dựa trên cơ bản so sánh sóng sin tham chiếu với các sóng
mang tam giác dịch chuyển theo chiều dọc. Ph ơng pháp này sử dụng (m – 1) sóng
mang để tạo ra m bậc.trong ph ơng pháp này 2 dạng song mang tam giác so sánh
với dạng song sin nh hình bên d ới :

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 11


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

Hình 2.7 : Ph ơng pháp PD
Ph

ngă phápă POD(Phaseă Oppositionă Disposition):trong ph ơng pháp

này, các tín hiệu sóng mang nằm phía trên trục 0 thì tất cùng biên độ cùng tần số và
cùng pha. Các tín hiệu sóng mang nằm d ới trục 0 thì có cùng biên độ cùng pha và
lệch pha với các tín hiệu nằm trên trục 0 một góc 180o,trong ph ơng pháp này 4
dạng song mang tam giác so sánh với dạng sóng sin nh hình bên d ới:

Hình 2.8 : Ph ơng pháp POD
Ph

ngăphápăAPOD(AlternateăPhaseăOppositionăDisposition):tất cả các

sóng mang liên tiếp nhau cùng biên độ cùng tần số nh ng lệch nhau 180o. Có nghĩa
là các sóng mang chẳn cùng pha với nhau, các sóng mang lẻ thì cùng pha với nhau
và lệch 180o so với sóng mang chẳn, trong ph ơng pháp này 6 dạng song mang tam
giác so sánh với dạng sóng sin nh hình bên d ới:

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 12

GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

Hình 2.9: Ph ơng pháp APOD
Ph

ngă phápă PS(Phaseă Shifted): trong ph ơng pháp này tất cả các sóng

mang có cùng biên độ cùng tần số nh ng góc pha cho mỗi sóng mang sẽ đ ợc điều
chỉnh, với m mức điện áp ta cần có ( m – 1 ) sóng mang và với mỗi sóng mang sẽ
dịch pha một góc

trong ph ơng pháp này 6 dạng song mang tam giác so

sánh với dạng sóng sin nh hình bên d ới.
Trong một bộ chuyển đổi cascade cầu H m – mức sử dụng ph ơng pháp sin –
tam giác thì ta có (m -1 ) sóng tam giác, tất cả các sóng tam giác cùng tần số, cùng
biên độ. (m -1) sóng tam giác đ ợc bố trí sao cho phù hợp với từng ph ơng pháp.
2.3.2ă Ph

ngă phápă đi u ch

đ

r ng xung c i bi n (MSPWM: Modified

SPWM)
Nh ợc điểm của ph ơng pháp SPWM là khả năng điều khiển tuyến tính chỉ
thực hiện với chỉ số điều chế m nằm trong phạm vi 0 ≤ m ≤ 0.785 (t ơng ứng với
ma ≤ 1). Để mở rộng phạm vi điều khiển tuyến tính, ph ơng pháp điều chế độ rộng

xung sin cải biến đư đ ợc áp dụng, trong đó mỗi sóng điều chế đ ợc cộng thêm tín
hiệu thứ tự không (sóng bội ba). Ph ơng pháp này cho phép thực hiện điều khiển
tuyến tính điện áp tải với chỉ số điều chế nằm trong phạm vi 0 ≤ m ≤ 0.907, biên độ
sóng hài bậc một điện áp tải đạt đ ợc cực đại bằng Vd
cực đại tính bằng:
m MSPWM_max =

HVTH: Lê Quang Hiếu

Vd 3
π
=
=0.907
2  Vd π 2 3

3 ⁄

√

chỉ số điều chế

(2.6)

Trang 13


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
Nguyên lý th c hi n: giản đồ kích đóng linh kiện cũng dựa vào kết quả so
sánh các tín hiệu điều khiển và sóng mang (dạng tam giác) tần số cao. Sóng điều
chế đ ợc tạo thành bằng cách cộng thành phần tín hiệu sin với thành phần hài bội

ba (thành phần thứ tự không). Với ph ơng pháp này chỉ số điều chế trong vùng điều
chế tuyến tính có thể đạt lớn hơn 0,907.

Hình 2.10: Dạng sóng điều khiển và sóng mang MSPWM

Hình 2.11: Dạngxung kíchtrong MSPWM
2.3.3. Vector không gian
2.3.3.1 Khái ni m vector không gian
Ph ơng pháp điều chế vector không gian [1] xuất phát từ các ứng dụng của
vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó đ ợc mở rộng triển khai trong
các hệ thống điện ba pha.
Giả sử đại l ợng 3 điện áp pha va, vb, vc cân bằng, thỏa hệ thức:
va + vb + vc = 0

HVTH: Lê Quang Hiếu

(2.7)

Trang 14


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
Thực hiện phép biến hình từ các đại l ợng điện áp ba pha va, vb, vc sang đại
l ợng vector v ⃗ theo hệ thức:

2

(2.8)

v = k.(va +a.vb +a .vc )

1
2

Trong đó: a = e j2π/3 = - +j

3
̅
2

π⁄

-

√

Phép biến hình thực hiện nh trên đ ợc gọi là phép biến hình vector không
gian và đại l ợng ⃗ đ ợc gọi là vector không gian của đại l ợng ba pha.

Hằng số k có thể chọn các giá trị khác nhau. Với k=2/3 ta có phép biến hình

không bảo toàn công suất. Với k  2 3 phép biến hình bảo toàn công suất.
Để minh họa cụ thể cho khái niệm này ta xét các đại l ợng ba pha dạng cosin
nh sau:
va = v m .cos(x - θ0 )
2π
)
3
4π
vc = v m .cos(x - θ 0 )
3

v b = v m .cos(x - θ 0 -

(2.9)

Vector không gian theo định nghĩa sẽ là:
v

2
2π  2
4π  


v m .cos(x - θ0 )+a.v m .cos  x - θ0  +a .v m .cos  x - θ0 

3
3 
3  



v  Vm cos(x - θ0 )+j.sin  x - θ0   Vm .e j(x - θ0 )

(2.10)

Nh vậy, trong tọa độ vuông góc α - β , vector không gian v có biên độ Vm
bắt đầu từ vị trí Vm × e jθ

0

sẽ quay quanh trục tọa độ với tần số góc ω .

2.3.3.2 Vector không gian c a b ngh chăl uăápăđaăb c
Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp ba pha tải. Theo lý thuyết về
không gian vector thì điện áp ba pha đó có thể biểu diễn d ới dạng vector không
gian. Và nó sẽ thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc. Vị trí của mỗi vector
điện áp trong không gian sẽ phụ thuộc vào các trạng thái đóng ngắt linh kiện. Tiến
hành khảo sát cụ thể cho các bộ nghịch l u ba và năm bậc để xác định giản đồ
vector không gian điện áp.

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 15


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
+ Giản đồ vector điện áp bộ nghịch l u ba bậc:
Nh đư biết, khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện tạo nên 27 trạng thái
khác nhau. Ta xét mỗi trạng thái minh họa bởi tổ hợp (ka kb kc), với:
ka = 0, 1, 2
kb = 0, 1, 2
kc = 0, 1, 2
Và ka, kb, kc là hệ số trạng thái t ơng ứng của các pha a, b, c. Các hệ số này
phụ thuộc vào cách quy ớc tr ớc, giả sử quy ớc nh sau: (sự quy ớc này dựa
vào bảng trạng thái đóng ngắt).
{
{
{

Trong quá trình kích theo qui luật đối nghịch:

(2.11)
Với x=a,b,c.
Theo định nghĩa vector không gian, t ơng ứng 3x3x3=27 trạng thái kích dẫn
linh kiện ta thu đ ợc 19 vị trí vector không gian của vector điện áp tạo thành, gồm
12 vector nằm trên đỉnh và trung điểm của lục giác lớn bao bên ngoài, 6 vector điện
áp nằm trên 6 đỉnh hình lục giác bên trong và vector không tại tâm của hình lục
giác. Đối với các vector nằm tại đỉnh các hình lục giác bên trong, tồn tại hai trạng
thái kích dẫn khác nhau của linh kiện nh ng lại có cùng chung vị trí vector không
gian. Tồn tại ba trạng thái kích dẫn khác nhau cho cùng vector không.

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 16


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng

β
020

021

010

121

221

112
001

012

002

220

110

000
111
222

122
011

022

120

210

211

α

100

212
101

102

200

201

202

Hình 2.12: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch l u 3 bậc.
2.4 Ph

ngăphápăn iăl

i

Từ [2] ta có sơ đồ t ơng đ ơng cho việc nối l ới.

Hình 2.13: Mô hình t ơng đ ơng.

Hình 2.14: Biều đồ pha giữa điện áp l ới U và góc  .

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 17


GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
Công suất truyền qua cuộn kháng đ ợc bơm vào l ới đ ợc mô tả nh biểu
thức nh sau:

E  U  jX s I

(2.12)

E sin( )  X s I cos( )

(2.13)







Công suất tác dụng P từ bộ nghịch l u để nối l ới có thề tính toán nh sau:

P  UI cos( ) 

EU
sin 
Xs

(2.14)

Từ đó suy ra công suất phản kháng :

EU
U2
Q

cos  
Xs
Xs

(2.15)

Trong đó là góc lệch pha giữa điện áp E ( điện áp đầu ra của bộ nghịch luu)
và điện áp l ới U
Để bơm công suất vào l ới thì biên độ của điện áp đầu ra bộ nghịch l u E
phải bằng hoặc lớn hơn điện áp l ới đỉnh và phải sớm pha hơn.
Để kết nối l ới thì điện áp ngõ ra từ bộ nghịch l u phải cùng tần số ở mỗi
pha của ba pha. Điều này có thể thu đ ợc nếu nh góc pha của điện áp l ới đ ợc dò
tìm. Trong hệ thống điều khiển cho bộ nghịch l u, dạng sóng sin sẽ đ ợc tạo ra với
việc lựa chọn điều khiển theo ph ơng pháp SPWM với việc lựa chọn pha khác nhau
nhằm mục đích giữ ngõ ra bộ nghịch l u đ ợc đồng bộ với l ới.
Kết nối l ới bộ nghịch l u trong việc phân bổ hệ thống chung đ ợc kết nối
với hệ thống mạng l ới điện mà cố thể ảnh h ởng bởi việc rớt l ới bởi vì có nhiều
yếu tố. việc điều khiển những bộ nghịch l u này trong điều kiện không bình th ờng
sẽ đảm bảo rằng việc bảo vệ những bộ nghịch l u này sẽ bị lỗi.
Vì vậy việc hoạt động chính xác các bộ nghịch l u này là một trong những
việc điều khiển chính trong việc kết nối l ới và giải thuật đồng bộ điện áp l ới
nhằm tách rõ ràng các chuỗi thành phần tại những tần số cơ bản của l ới điện ba
pha.
Các Ph ơng pháp đồng bộ l ới điện:

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 18

GVHD: TS. Nguyễn Thị L ỡng
Trong hòa đồng bộ l ới điện có nhiều ph ơng pháp đề suất :
-

Ph ơng pháp ZCD ( Zero Crossing Detector) là một mạch tách phần

chuyển tiếp của điện áp AC từ một cực đến cực còn lại. Khi đó chuyển tiếp từ
d ơng sang âm xảy ra một xung đ ợc tạo ra biểu diễn 0 độ và 180 độ cho các
tr ờng hợp còn lại. Hiệu suất của ZCD bị ảnh h ởng bởi chất l ợng điện,đặc biệt
trong tr ờng hợp l ới điện yếu.
- Ph ơng pháp vòng khóa pha (PLL) là một hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong
đó tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa pha và tần số tín hiệu ra theo tần số và tín hiệu
vào. Thuận lợi của hệ thống điều khiển đồng bộ dựa vào vòng khóa pha nhanh và
chính xác đ ợc áp dụng cho việc nối l ới. Vòng khóa pha PLL cung cấp liên tục
thông tin liên tục về góc pha và biên độ của điện áp l ới cơ bản
Ph ơng pháp SRF PLL là một trong những ph ơng pháp đề cập ở trên với
hiệu suất tốt trong điều kiện l ới lý t ởng, trong điều kiện không lý t ởng việc bắt
pha sẽ kém hiệu quả, và do đó hệ thống SRF-PLL sẽ đ ợc khảo sát sâu hơn.
2.4.1 Vòng khóa pha
Cấu trúc của PLL [5] đ ợc trình bày nh hình bên d ới bao gồm ba khối
chung:

Vi(t),fi
Tách sóng pha

Vo(t),fo

Vd(t)

Lọc thông thấp

VCO

Vdc(t)

Khuếch đại một
chiều

Vdc(t)

fo

Hình2.15: Vòng khóa pha.
Kh i tách pha: so sánh giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của VCO để tạo tín
hiệu sai lệch

HVTH: Lê Quang Hiếu

Trang 19