Điện tử công suất nâng cao

1/24/2015

Ts. Trần Trọng Minh
Bộ môn Tự động hóa,
Viện Điện, ĐHBK Hà nội
Hà nội, 5 - 2014



Tại sao gọi là ĐTCS nâng cao?
◦ Sau khi đã có được những khái niệm cơ bản về các BBĐ
bán dẫn công suất, các loại bộ biến đổi bán dẫn (AC-DC,
AC-AC, DC-DC, DC-AC),
◦ Sau khi đã biết về Điều khiển trong ĐTCS, các quy luật điều
chế PWM, SVM, các phương pháp xây dựng các mạch vòng
điều chỉnh,
◦ Ta có thể bắt đầu nghiên cứu các ứng dụng của ĐTCS trong
các hệ thống, các môi trường đặc thù khác nhau.
◦ Mỗi hệ thống, mỗi môi trường đặc thù này đặt ra các vấn đề
khác nhau cần giải quyết. Giải quyết được một số vấn đề này
là mục tiêu của ĐTCS nâng cao!

1/24/2015

2

1


1/24/2015



Mục tiêu:
◦ Giới thiệu những xu hướng phát triển và ứng dụng quan trọng của Điện
tử công suất.
◦ Phương pháp phân tích các bộ biến đổi bán dẫn công suất trong các
phạm vi ứng dụng đặc thù, hiểu rõ các đặc tính kỹ thuật yêu cầu.
◦ Nắm rõ cấu trúc mạch động lực, hệ thống điều khiển bộ biến đổi bán dẫn
công suất trong các lĩnh vực ứng dụng.



Yêu cầu:
◦ Đã có kiến thức cơ bản về ĐTCS, về Điều khiển ĐTCS!!!
◦ Sử dụng tốt Matlab-Simulink,
◦ Đọc được tài liệu tham khảo tiếng Anh.



Thi, kiểm tra:
◦ Được lựa chọn: 1. Xây dựng được một mô hình mô phỏng, trình bày ở
lớp; 2. Làm bài viết 120 phút, được dùng tất cả các loại tài liệu (Open
book exam.).
1/24/2015



3

Phần I:

◦ I.1 Giới thiệu những xu hướng phát triển và ứng dụng quan trọng của Điện tử công
suất.
◦ I.2 Nhắc lại về Mô hình hóa và mô phỏng Điện tử công suất



Phần II
◦ II.1 Các phương pháp điều khiển phi tuyến các bộ biến đổi bán dẫn công suất
(Chương 8, TLTK 1)
◦ II.2 Tuyến tính hóa bằng phương pháp phản hồi trạng thái (Chương 9, TLTK 1)
◦ II.3 Điều khiển tựa thụ động cho Điện tử công suất (Chương 10, TLTK 1)
◦ II.4 Điều khiển hệ có cấu trúc thay đổi – Sliding mode (Chương 11, TLTK 1)
◦ II.5 Điều khiển biến phẳng - Flatness



Phần III
◦ Các bộ nghịch lưu đa cấp và ứng dụng (NCS. Bùi Văn Huy, Bộ môn TĐH XNCN).

Phần IV:







Điều khiển Chỉnh lưu tích cực

Phần V:

◦ Điện tử công suất trong hệ thống truyền tải điện linh hoạt (FACTS) (TS. Phạm Việt
Phương, Bộ môn TĐH XNCN).).
1/24/2015

4

2


1/24/2015











1. Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện
tử công suất (Bài giảng Điều khiển Điện tử công suất); Trần
Trọng Minh; 2014.
2. Power Electronic Converters Modeling and Control; Seddik
Bacha, Iulian Munteanu, Antonera Iuliana Bratcu; Springer
2014.
3. Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks;
Ryszard Strzelecki, Grzegorz Benysek; Springer 2008.
4. Digital Control in Power Electronics; Simone Buso and

Paolo Mattavelli; Copyright © 2006 by Morgan & Claypool.
Một số tài liệu khác …

1/24/2015

5

1/24/2015

6

Phần I

3


1/24/2015




I.1 Các vấn đề chung
I.2 Mô hình hóa và mô phỏng mạch ĐTCS

1/24/2015



Sẽ tìm hiểu những vấn đề khi muốn tăng công suất của các bộ
biến đổi theo hướng dòng điện lớn và điện áp cao. Phải làm

thế nào?



Sẽ tìm hiểu lĩnh vực ứng dụng quan trọng của ĐTCS trong
điều khiển hệ thống năng lượng, bù và đảm bảo chất lượng
điện áp. Đặc biệt liên quan đến lưới điện phân tán.

7

◦ Những ứng dụng rộng rãi của ĐTCS trong điều khiển máy điện đã được
đề cập đến trong các môn học về Truyền động điện. Không đề cập ở đây.
◦ Các bộ biến đổi dùng thyristor trong các bộ chỉnh lưu hay những bộ
nguồn cho các quá trình công nghệ đã đề cập đầy đủ trong chương trình
ĐTCS cơ bản.

1/24/2015

8

4


1/24/2015








Xu hướng phát triển: dải
công suất trải rộng, từ nhỏ,
…
… Đến lớn và rất lớn.
Ứng dụng: rộng khắp, từ
các thiết bị cầm tay, dân
dụng đến các hệ thống thiết
bị công nghiệp.
Đặc biệt: tham gia vào điều
khiển trong hệ thống năng
lượng.

Xu hướng







Vài W đến vài trăm W,
thành phần chính trong các
hệ thống Power
management của các thiết bị
nhỏ.
Vài trăm kW đến vài chục
MW.
FACTS: hệ truyền tải,

DG – Distributed
Generation, Custom Grid,
Renewable Energy System,
…

Ví dụ
1/24/2015



Sự phát triển của ĐTCS liên
quan đến:
◦ Công nghệ chế tạo các phần tử
bán dẫn công suất đạt được
những bước tiến lớn.
◦ Các tiến bộ vượt bậc trong
công nghệ các phần tử điều
khiển và lý thuyết điều khiển.

Nguyên nhân phát triển





9

MOSFET, IGBT: tần số đóng cắt
cao, chịu được điện áp cao, dòng
điện lớn.

Các chip vi xử lý, vi điều khiển,
DSP 16 bit, 32 bit, nhanh, mạnh
về điều khiển:
◦ Tích hợp ADC, đầu vào counter,
PWM built-in;
◦ Truyền thông: I2C, CAN, UART,
…

Các dữ liệu thực tế
1/24/2015

10

5


1/24/2015



Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất.
1/24/2015

11

1/24/2015

12

Điện tử công suất từ trước đến nay và từ nay về sau

6


1/24/2015

Các bộ biến đổi Điện tử công suất.

1/24/2015



13

Sơ đồ khối chức năng của bộ biến đổi.
1/24/2015

14

7


1/24/2015



Sơ đồ các lớp mạch của bộ biến đổi.
1/24/2015



15

Các phần tử trong mạch của bộ
biến đổi.
1/24/2015

16

8


1/24/2015



Tỷ lệ khối lượng và thể tích các phần tử trong bộ
biến đổi bán dẫn.
1/24/2015

17

1/24/2015

18

9


1/24/2015







Chuyển mạch: vấn đề cực kỳ quan trọng đối với công suất lớn.
Ba loại chuyển mạch: Cứng (Hard switching), Snubbered, Soft-switching.
1/24/2015

19

1/24/2015

20

Mạch L1-D1-R1: hỗ trợ khi mở (turn-on),
Mạch D2-R2-C2: hỗ trợ khi khóa (turn-off).

10


1/24/2015

Zero current switch - ZCS

Zero voltage switch - ZVS
1/24/2015




21

Bài tập 1: Mô phỏng bộ nghịch lưu soft switching.
Tài liệu: Soft Switching Space Vector PWM Inverter Using a
New Quasi-Paralell Resonant DC link; Yong C. Jung, Hyo L.
Liu, Guk C. Cho, Gyu H. Cho; IEEE Trans. On Power
Electronics, Vol. 11, NO. 3, May 1996.

1/24/2015

22

11


1/24/2015



Mạch điện tương đương và đồ thị dạng dòng điện, điện áp:

1/24/2015



23

Tài liệu tham khảo:
◦ 1. Modeling and simulation of power electronic converters; Maksimovic
D., Stankocovic A.M., Thottuvelil V.J., Verghese G.C.; Proceedings of
the IEEE, Vol. 89, No. 6, June 2001.
◦ 2. Generalized Averaging methode for power conversion circuits; Sander
S.R., Noworolski J.M., Liu X.Z, Verghese G.C.; IEEE Trans. on Power
Electronics, Vol. 6, No. 2, April 1991
◦ 3. Automatic modelling of Power Electronic Converter, Average model
construction and Modelica model generation ; Loig ALLAIN Asma
MERDASSI, Laurent GERBAUD; Proceedings 7th Modelica
Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009.
◦ 4. Fundamentals of Power Electronics; R. W. Erickson, Dragan
Maksimovic, Kluwer Academic Publishers, 2004.

1/24/2015

24

12


1/24/2015





Các phương pháp mô hình hóa ĐTCS:
◦ Vì các bộ biến đổi bán dẫn công suất là những hệ thống đóng cắt nên hệ
phương trình mô tả mạch điện có dạng thay đổi ứng với mỗi trạng thái

đóng cắt của van. Các quá trình xảy ra trong BBĐ cũng thường có tính
chu kỳ. Vì vậy có hai cách tiếp cận khi mô hình hóa BBĐ:
◦ 1. Tiến hành phép trung bình hóa để loại bỏ yếu tố đóng cắt, mục tiêu là
thu được một hệ phương trình trên các đại lượng liên tục, có thể là phi
tuyến. Tiếp theo có thể nghiên cứu tiếp hệ phi tuyến này bằng các công
cụ đã biết, ví dụ thông qua tuyến tính hóa để có được hệ tuyến tính hoặc
có thể dùng trực tiếp các công cụ phi tuyến.
◦ Theo hướng này phổ biến nhất là: 1. Phương pháp trung bình hóa hệ
phương trình trạng thái; 2. Trung bình hóa mạng đóng cắt.
◦ 2. Mô hình hóa bằng hệ trích mẫu, tức là chấp nhận tính gián đoạn của
các đại lượng cần quan tâm. Phương pháp này không phổ biến lắm.
Sau đây sẽ xét hướng tiếp cận thứ nhất.

1/24/2015









25

Đưa ra được quan hệ đầu ra – đầu vào trong quá trình xác lập
như điện áp, dòng điện phụ thuộc vào mạch điện và các thông
số của sơ đồ.
Đưa ra được hình dạng dòng điện, điện áp trên mỗi phần tử
bán dẫn.

Xác định các đặc tính động của sơ đồ, qua đó xác định được
cấu trúc của các mạch vòng, đảm bảo độ quá điều chỉnh, thời
gian và độ chính xác điều chỉnh.
Sau khi các phần tử của sơ đồ đã được lựa chọn và có thể đã
xây dựng được mô hình vật lý, cần tiến hành phân tích các chế
độ làm việc bất thường.

1/24/2015

26

13


1/24/2015







1. Mô hình trạng thái đóng cắt
(Mô hình chính xác – Exact
model)
2. Mô hình giá trị trung bình



1.



2.

3. Mô hình trung bình tổng
quát



3.



4.



5. Dùng khi thiết kế bộ đ/c số.

◦ Mô hình trung bình tín hiệu lớn
(DC),
◦ Mô hình trung bình tín hiệu nhỏ
(AC),
◦ Dynamic phazor



4. Mô hình trung bình tương
đương

◦ Tín hiệu nhanh (AC), tín hiệu
chậm (DC).



5. Mô hình trích mẫu

◦ Discrete sample model.

◦ Phi tuyến
◦ Tần số không đổi (T=const)
◦ Cho quan hệ vào ra. Không phù
hợp với chế độ dòng gián đoạn.
◦ Tuyến tính hóa quanh điểm làm
việc cân bằng.
◦ Phù hợp với nhiều sơ đồ. Tính
chính xác tăng thì độ phức tạp
tăng theo (số bậc p/t tăng).
◦ Giảm bậc.
◦ Không phù hợp với một số chế
độ làm việc.

1/24/2015











27

Mô hình trạng thái đóng cắt sử dụng trực tiếp hàm đóng cắt
của van bán dẫn q(t) để mô tả hoạt động của sơ đồ.
Các mô hình này gần với trạng thái làm việc thật của bộ biến
đổi.
Tính gần đúng có thể được áp dụng theo mức độ tăng dần độ
phức tạp để thể hiện các đặc tính theo thời gian của các dạng
dòng điện, điện áp cần quan tâm.
Lúc đầu có thể coi các van bán dẫn như những khóa lý tưởng,
nối hoặc cắt hoàn toàn một phần mạch điện.
Sau đó có thể tính tới sụt áp trên van khi dẫn dòng với một
phần điện trở động thể hiện sụt áp theo độ lớn của dòng điện

1/24/2015

28

14


1/24/2015



Có thể lập phương trạng thái cho

mỗi khoảng làm việc, ứng với
mỗi trạng thái đóng cắt của van:



Trong đó:
◦
◦
◦
◦
◦

T: chu kỳ hoạt động
ti: thời điểm chuyển mạch thứ i.
N: số trạng thái trong chu kỳ T.
x: vector trạng thái (dim[n]).
Ai: ma trận trạng thái cho thời điểm
thứ i (dim [n,n]).
◦ Bi: ma trận vào cho trạng thái thứ i
(dim [n,p]).
◦ e: vector đầu vào (dim[p]).



Sơ đồ mô hình BBĐ

◦ Với mỗi trạng thái của van mô hình
ứng với một hệ phương trình vi phân
tuyến tính.
◦ Trong một chu kỳ T có N trạng thái, i

= 1, …, N.

1/24/2015

◦ Đưa vào hàm điều khiển đóng
cắt hi(0,1 hoặc -1,1) liên
hệ giữa các trạng thái trong
một chu kỳ T, ta có p/t trạng
thái tổng quát như sau:



Trong đó:
◦ A: ma trận trạng thái, không
phụ thuộc vào trạng thái đóng
cắt,
◦ x: vector trạng thái (dim[n]).
◦ Bi: ma trận vào, phụ thuộc lệnh
điều khiển hi.
◦ bi và d: thành phần của ma trận
đầu vào.

29

◦ Mô hình chính xác thể hiện
BBĐ bán dẫn là hệ thống có
cấu trúc thay đổi, phi tuyến.
◦ Mô hình chính xác dùng để
phân tích các chế độ làm việc
của BBĐ.

◦ Là cơ sở để chuyển sang các
mô hình trạng thái trung bình.

1/24/2015

30

15


1/24/2015



Ví dụ:Boost converter
◦ Hai trạng thái V thông và D
thông,
◦ Mô tả bởi hai hệ p/t:

◦ Đưa vào hàm điều khiển đóng
cắt h0,1:
◦ Trong đó:
◦ Trong đó:



1/24/2015

31

1/24/2015

32

Bài tập 2.1: Thiết lập mô
hình trạng thái cho các bộ
biến đổi DC-DC, giống như
đã làm cho Boost
Converter:
◦ 1. Buck Converter,
◦ 2. Buck-Boost Converter,
◦ 3. Flyback Converter



Bài tập 2.2: Xây dựng mô
hình trạng thái chính xác
cho Taped inductor Boost
converter.

16


1/24/2015

◦ Đa số các BBĐ làm việc với
tần số nào đó.
◦ Mô hình trung bình thể hiện
đặc tính của quá trình ở mức độ
chính xác nào đó, phù hợp với

yêu cầu xem xét trong một
khoảng thời gian nhất định.
◦ Bỏ qua ảnh hưởng của quá
trình đóng cắt nên dễ dàng hơn
cho việc phân tích mạch.

◦ Cơ sở của phép trung bình hóa
là phép lấy trung bình trượt:

◦ Trong đó:

◦

Là hệ số của sóng hài
bậc k trong phân tích Fourier
của tín hiệu x(t).

1/24/2015

◦ Mô hình trung bình tín hiệu lớn
chỉ tính tới giá trị DC trong
phân tích Fourier, nghĩa là lấy
các hệ số với k= 0.

◦ Có thể lấy các tích chập để thể
hiện chính xác hơn:

33

◦ Đối với phương trình trạng thái

tổng quát chuyển thành:

◦ Các ma trận A, Bi, bi, không
phụ thuộc thời gian, p/t trên
chuyển thành:

◦ Với k=0:
◦ Thông thường:

1/24/2015

34

17


1/24/2015





Bài tập 3.1: Từ mô hình
chính xác của Boost, Buck,
Boost-Buck, Flyback
Converters, hãy xác lập mô
hình giá trị trung bình tín
hiệu lớn (DC).
Bài tập 3.2: Từ mô hình
chính xác của Taped

inductor Boost Converters,
hãy xác lập mô hình giá trị
trung bình tín hiệu lớn
(DC).

1/24/2015





Mô hình trung bình tín hiệu lớn
có dạng phi tuyến. Chưa thể dùng
các phương pháp tuyến tính để
tổng hợp các mạch vòng điều
chỉnh.
Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ:
◦ Giả sử mô hình có dạng:

◦ Trong đó: y vector đầu ra (dim[q]); x
vector trạng thái (dim[n]); u vector tín
hiệu vào (dim[p]).
◦ Tuyến tính hóa quang điểm làm việc
cân bằng (xe, ue) bằng cách giải hệ với
dx/dt = 0.



Lấy số gia:



Hệ trở thành:



Các ma trận có dấu ngã ở mũ tính
bằng:



Hàm truyền cho hệ SISO:

1/24/2015

35

36

18


1/24/2015



Bài tập 4:
◦ Từ mô hình giá trị trung bình
tín hiệu lớn (DC), hãy xây
dựng các mô hình tín hiệu nhỏ

(AC) cho Boost, Buck, BoostBuck Converters.
◦ Có nhận xét gì về các hàm
truyền thu được? Nhận xét
thông qua đặc tính tần số của
các hàm truyền tương ứng,
điểm cực, điểm zero, …, hệ số
khuếch đại. Thông qua một ví
dụ cụ thể nào đó.

1/24/2015









Mô hình trung bình tổng quát cho
phép phân tích chính xác hơn
những sơ đồ có các biến vừa một
chiều (DC) vừa xoay chiều (AC).
Giả thiết rằng chu kỳ T gần như
không đổi hoặc thay đổi chậm.
Phương trình trạng thái cho thành
phần sóng hài bậc k của phân tích
Fourier viết dưới dạng:

Trong đó:



Thông thường ta chỉ tính đến
thành phần sóng hài bậc nhất,
k=1, cho các biến xoay chiều:



Đối với các thành phần một
chiều, k=0:



Với lưu ý rằng các ma trận A, Bi
bất biến theo thời gian, phương
trình trạng thái của mô hình chính
xác sẽ trở thành:

1/24/2015

37

38

19


1/24/2015



Các tích chập được tính bằng:



Thông thường chỉ tính đến thành
phần DC (k=0) và sóng cơ bản
(k=1) nên trong biểu thức trên p
và k-p chỉ lấy các giá trị -1,0,1.
Các thành phần xk gọi là các
phazor động vì chúng là các số
phức (vector), có độ dài thay đổi
theo thời gian.
Biên độ của phazor hạng k được
tính từ phần thực và ảo, ví dụ đối
với sóng cơ bản:













Giá trị theo thời gian được tính
ngược lại bằng:

với
 Nhận xét:
◦ Mức độ chính xác tăng lên nếu tính đến
các sóng hài bậc cao hơn.
◦ Mức độ phức tạp cũng tăng lên nhanh
vì số phương trình tăng lên theo.
◦ Có một số nghiên cứu xây dựng các
phần mềm để tự động hóa quá trình
xây dựng và khảo sát mô hình trung
bình tổng quát. Ví dụ AMG trên nền
Modelica.
◦ Nếu không có phần mềm tự động thì
việc tính toán khá phức tạp.

1/24/2015

39

1/24/2015

40

Mô hình trung bình tổng quát có
thể trở nên khá phức tạp nên hạn
chế sử dụng mặc dù có thể đạt độ
chính xác cao tùy ý.
Ý đồ giảm bậc của hệ thống dẫn

tới việc xét các biến phân thành
chậm (DC) và nhanh (AC).
Phương trình trạng thái cho tín
hiệu chậm xs:

20


1/24/2015



Phương trình trạng thái cho tín
hiệu nhanh xf:



P/t trạng thái trung bình:



Thay
vào pttt của biến chậm
và tiến hành lấy trung bình, thu
được p/t tín hiệu lớn:



Nhận xét:
◦ Giống như mô hình trung bình tổng

quát, nếu không có phần mềm tự động
thì mô hình trung bình tương đương
cũng rất khó áp dụng.



Cho
và coi biến chậm
không đổi Xs, tìm giá trị xác lập
của biến nhanh
.

1/24/2015







Sau khi có được mô hình
giá trị trung bình, gọi là mô
hình tín hiệu lớn, bước tiếp
theo là xây dựng mô hình
tín hiệu với các biến động
nhỏ (AC).
Số lượng phương trình tăng
lên tùy theo mức độ chính
xác yêu cầu.
Do tần số đưa vào như biến

đầu vào nên có thể khảo sát
đặc tính điều khiển khi thay






41

đổi tần số.
Có thể dùng để khảo sát các
bộ biến đổi cộng hưởng (nối
tiếp, song song, LLC, LCC,
…).
Nếu không được tự động
hóa thì việc xây dựng các
mô hình này là một nhiệm
vụ khá phức tạp.

1/24/2015

42

21


1/24/2015

Phần II



1/24/2015

43

1/24/2015

44

Xem Chương 8 trong TLTK 1.

22


1/24/2015





Xem Chương 9 TLTK 1

1/24/2015

45

1/24/2015

46

Xem Chương 10 TLTK 1

23


1/24/2015



Xem Chương 11 TLTK 1

1/24/2015

47

1/24/2015

48

Phần III

24


1/24/2015









Khi công suất BBĐ tăng lên, đến vài MW, các phần tử bán dẫn
phải làm việc với điện áp cao, đóng cắt dòng điện lớn hơn.
Các vấn đề đặt ra đối với tốc độ tăng điện áp dU/dt, cùng với
nó là độ đập mạch dòng điện ΔI.
Ở công suất lớn tần số PWM fs không thể rất cao hơn tần số
cơ bản ra mong muốn được, fs có thể chỉ cỡ 1-2 kHz trở
xuống, thậm chí đến vài trăm Hz.
Giải pháp là:
◦ Sử dụng biến tần trên cơ sở nghịch lưu đa mức (Multilevel Inverter).
◦ Ghép nối tiếp, song song các BBĐ.
◦ Sử dụng các thuật toán tối ưu thành phần sóng hài bằng các quy luật
điều chế cố định, theo chương trình định trước.
◦ Giảm tốn thất chuyển mạch bằng dùng các phương pháp chuyển mạch
mềm (Đã nghiên cứu ở trên, phần I.1.6).
1/24/2015



49

Mục tiêu đặt ra của nghịch lưu đa cấp là:
◦ Giảm tốc độ tăng điện áp của các xung điện áp đầu ra lên tải. dU/dt ảnh
hưởng đến khả năng cách điện của cáp dẫn và của cách điện dây cuốn
động cơ. dU/dt cũng làm tăng dòng rò cáp dẫn và dây cuốn động cơ.

◦ Giảm điện áp đặt lên các van bán dẫn (Voltage stress).
◦ Cải thiện chất lượng sóng hài trên sóng điện áp ra. Lưu ý rằng với BBĐ
làm việc với điện áp cao, dòng điện lớn không thể cho các van đóng cắt
với tần số cao được.
◦ Cải thiện chất lượng sóng hài không đồng nghĩa với giảm được độ đập
mạch của dòng tải ΔIL. Ví dụ với quy luật điều chế theo mẫu xung định
sẵn có thể tối ưu về thành phần sóng hài trong nghịch lưu hai cấp nhưng
trong nghịch lưu hai cấp thì ΔIL lớn gấp đôi so với nghịch lưu ba cấp với
cùng giá trị điện áp ra yêu cầu. Do bước nhảy điện áp trong nghịch lưu
đa cấp nhỏ hơn nên cải thiện được độ đập mạch dòng điện, từ đó giảm
được tổn thất do sóng hài dòng điện sinh ra.

1/24/2015

50

25