Luận án tiến sĩ Điều khiển bộ biến đổi đa bậc nguồn áp ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới (TT)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.2 MB, 24 trang )
MỞ ĐẦU
Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò rất quan trọng trong
việc điều khiển, ổn định và kết nối các nguồn điện phân tán, đặc biệt
khi các nguồn phát này nối với lưới điện. Công suất của các nguồn
phát phân tán nối lưới ngày càng cao đặt ra yêu cầu cần có sự thay
đổi về cấu trúc bộ biến đổi để thay thế các bộ biến đổi hai mức
truyền thống. Nghịch lưu đa bậc chính là một giải pháp cho những
ứng dụng đòi hỏi công suất lớn và điện áp cao. Trong các ứng dụng
sử dụng nghịch lưu đa bậc, điện áp của ngõ ra được tăng lên, tổn hao
chuyển mạch của linh kiện điện tử công suất giảm. Nghịch lưu đa
bậc phân nhỏ các bước nhảy điện áp ra phía xoay chiều, nhờ đó giảm
được tốc độ tăng điện áp du/dt trên tải, các van bán dẫn chỉ phải
đóng cắt ở mức điện áp thấp, tần số đóng cắt của các van mạch lực
thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số điện áp ra của quá trình điều chế
cao. Như vậy nghịch lưu đa bậc giảm đáng kể tổn thất trong quá trình
đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của điện
áp ra, đó là những yếu tố rất quan trọng ở dải công suất lớn. Trong
các bộ biến đổi đa bậc thì bộ nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H có
những ưu thế hơn so với những loại khác như: cấu tạo đơn giản, ít
thành phần linh kiện, cấu trúc dạng module, dễ nâng cấp mở rộng hệ
thống...
Đối tượng nghiên cứu:
Bộ biến đổi đa bậc nối tầng AC-DC-AC-AC có khâu cách ly tần số
cao gồm 2 cổng: cổng 1 là xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc cầu
H nối tầng; cổng 2 xây dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu đa bậc DCAC-AC nối tầng, khâu DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao.
Mục đích nghiên cứu:
Đề xuất thuật toán mới nhằm cân bằng điện áp trên các tụ điện
một chiều trung gian, đề xuất thuật toán điều chế và chuyển
mạch cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu trung gian tần số
cao và khâu AC-AC điều khiển chuyển mạch kiểu biến tần ma
trận.
Nghiên cứu khả năng áp dụng một số phương pháp điều khiển
như điều khiển PI, cộng hưởng, tựa thụ động và tựa thụ động có
khâu thích nghi tham số để kiểm chứng khả năng làm việc của
bộ biến đổi.
1
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.
Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều khiển, điều
chế và thuật toán chuyển mạch 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.
Phạm vi nghiên cứu:
Luận án giải quyết vấn đề trao đổi công suất giữa hai nguồn
điện xoay chiều với giả thiết hai nguồn đó không có những
trạng thái không bình thường. Do đó, luận án không xử lý
những vấn đề khi trên lưới điện xuất hiện các trạng thái không
bình thường.
Các nguồn phát điện phân tán có thể làm việc ở chế độ nối
lưới hoặc ốc đảo. Để các nguồn điện phân tán có thể nối lưới
được thì chúng phải thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật nhất
định. Những vấn đề về yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo nguồn phát
phân tán nối lưới cũng như chế độ làm việc ốc đảo của nguồn
phát phân tán không phải phạm vi nghiên cứu của luận án.
Vấn đề chế tạo máy biến áp tần số cao HF là một nội dung
quan trọng đối với bộ biến đổi, tuy nhiên trong luận án cũng
chưa đề cập về vấn đề này.
Bài toán điều khiển đặt ra trong luận án là Điều khiển trao
công suất tác dụng và thu phát công suất phản kháng. Luận án
không giải quyết bài toán điều khiển hệ số cosφ ở hai cổng.
Luận án triển khai mô phỏng ở cấp trung áp 3,3 kV và thực
nghiệm ở cấp điện áp 220V. Tuy nhiên, những bộ biến đổi đa
bậc có ưu điểm lớn khi ứng dụng cho những nguồn phát phân
tán có công suất lớn và điện áp cao. Việc chọn mức điện áp phù
hợp không phải phạm vi nghiên cứu của luận án.
Ý nghĩa của đề tài:
Nghiên cứu những bộ biến đổi có khả năng kết nối linh hoạt các
nguồn điện phân tán có bản chất khác nhau, đảm bảo cách ly, đảm
bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng và thu phát công suất phản
2
kháng độc lập, đảm bảo độ tin cậy và khả năng dễ dàng mở rộng hệ
thống là một nhu cầu bức thiết hiện nay. Đề tài nghiên cứu bộ biến
đổi đa bậc nối tầng có cấu trúc AC-DC-AC-AC, có khâu cách ly tần
số cao đáp ứng đòi hỏi yêu cầu của thực tiễn. Một loạt các vấn đề về
điều chế, điều khiển chuyển mạch, các mạch vòng điều khiển dòng
điện, điện áp và công suất đã được đề tài đưa ra phương án giải quyết
mang đến những đóng góp khoa học thực sự cho nghiên cứu này.
Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án:
Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ
một chiều trung gian.
Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật
toán chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận.
Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai
chiều bằng các phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động và
tựa thụ động có khâu thích nghi tham số.
Bố cục luận án gồm 4 chương như sau:
Chương 1 Tổng quan
Chương 2 Bộ biến đổi hai cổng AC-DC-AC-AC có khâu trung gian
tần số cao: Phân tích cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi mà luận án
nghiên cứu; đề xuất thuật toán cân bằng điện áp một chiều trung gian
của bộ biến đổi; đề xuất phương pháp điều chế và thuật toán chuyển
mạch cho bộ DC-AC-AC; trình bày phương pháp điều chế cho bộ
biến đổi đa bậc kiểu dịch pha ở cổng 1 và cổng 2
Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi: Các vòng
điều khiển dòng điện, điện áp một chiều trung gian, điều khiển công
suất P,Q đều được đưa ra phân tích và thiết kế. Vòng điều khiển
dòng điện được quan tâm đặc biệt và thiết kế với thuật toán là thuật
toán PI, cộng hưởng, tựa thụ động.
Chương 4 Thiết kế hệ thống thực nghiệm: Thiết kế hệ thống thực
nghiệm. Luận án trình bày các cấu trúc và kết quả thực nghiệm
nhằm: kiểm nghiệm thuật toán cân bằng điện áp trên tụ một chiều
trung gian trong bộ biến đổi đa bậc nối tầng cầu chữ H; kiểm nghiệm
thuật toán chuyển mạch 4 bước theo điện áp kết hợp điều chế phía sơ
cấp máy biến áp tần số cao cho bộ biến đổi DC-AC-AC, khâu ACAC điều chế theo kiểu biến tần ma trận; kiểm nghiệm khả năng nối
tầng của bộ biến đổi DC-AC-AC thông qua mô hình nghịch lưu nối
tầng 7 bậc; kiểm nghiệm khả năng trao đổi công suất hai chiều của
bộ biến đổi AC-DC-AC-AC một pha 3 bậc;
3
Cuối cùng là mục Kết luận và kiến nghị, chỉ ra những đóng góp
chính của luận án và hướng phát triển tiếp của đề tài.
1 . TỔNG QUAN
1.1 Vai trò của những bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối
nguồn phát phân tán với lưới điện
Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò cực kỳ quan trọng,
chúng thực hiện các nhiệm vụ biến đổi AC-DC, DC-DC, DC-AC và
đảm bảo hiệu suất cao và khả năng làm việc tin cậy của hệ thống. Bộ
biến đổi điện tử công suất cũng phải quản lý được các chế độ hoạt
động của nguồn phân tán (chế độ nối lưới và chế độ độc lập); quản lý
năng lượng mà cụ thể là các quá trình thu phát công suất; đảm bảo
khả năng tích hợp nhiều nguồn điện phân tán vào lưới.
Mỗi IGBT chỉ có thể chịu được điện áp tối đa khoảng 6,5 kV. Như
vậy, để có thể dùng bộ biến đổi nghịch lưu hai mức cho những ứng
dụng điện áp cao thì có thể mắc nối tiếp các van IGBT. Tuy nhiên,
vấn đề thách thức đối với giải pháp này là làm sao điều khiển đồng
thời các van. Bộ biến đổi đa bậc có thể là khâu biến đổi năng lượng
điện lý tưởng cho kết nối các nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện,
bao gồm hầu hết các nguồn phân tán như pin mặt trời, pin nhiên liệu,
điện sức gió... Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp
1.2 Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp
1.3 Các phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc
Có ba phương pháp điều chế phổ biến cho các bộ biến đổi đa bậc:
Điều chế tại tần số cơ bản
Điều chế theo sóng mang (carrier based PWM)
Điều chế vector không gian.
1.4 Tổng quan về phương pháp chuyển mạch trong biến tần ma
trận khóa hai chiều
1.5 Các phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện cho bộ
biến đổi đa bậc
Gồm hai nhóm phương pháp điều khiển là phương pháp điều khiển
tuyến tính và phi tuyến.
1.6 Tổng quan về tình hình ứng dụng bộ biến đổi đa bậc trong
việc kết nối nguồn điện phân tán với lưới
Do sự phát triển của công nghệ bán dẫn đặc biệt là công nghệ chế tạo
IGBT, hàng loạt các bộ biến đổi đa bậc được sử dụng trong các ứng
dụng ở mức trung và cao áp. Điển hình như các hệ thống lọc tích cực
4
(AF), STATCOMs, DVRs và UPFCs... Hoặc hệ thống kết nối các
nguồn phân tán có bản chất khác nhau như bộ biến đổi UNIFLEXPM (Universal Flexible Power Management system) kiếu AC-DCDC-AC hoặc AC-DC-AC-AC. Khi đó lưới được tổ chức dưới dạng
như hình 1.23
Hình 1.23. Cấu trúc lưới điện phân tán sử dụng bộ Uniflex-PM
1.6.1 Cấu trúc bộ AC-DC-DC-AC
1.7 Định hướng và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
1.7.1 Định hướng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là bộ biến đổi đa bậc nối tầng
dùng để trao đổi công suất giữa hai nguồn điện xoay chiều. Bộ biến
đổi đó đảm bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng ở hai cổng đồng
thời có khả năng tự thu phát công suất phản kháng ở mỗi cổng một
cách độc lập. Luận án tập trung nghiên cứu bộ biến đổi AC-DC-ACAC với khâu trung gian tần số cao. Những nhiệm vụ nghiên cứu có
thể liệt kê tóm tắt ở mục 1.7.2 sau đây.
1.7.2 Những nhiệm vụ cần giải quyết của luận án
Lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi:
Cấu trúc bộ biến đổi mà luận án lựa chọn được xây dựng trên cơ sở
bộ đa bậc nối tầng cầu chữ H ở phía cổng 1(thường dùng để nối với
lưới), ở cổng 2 có cấu trúc đa bậc nối tầng trên cơ sở module DC5
AC-AC để ghép nối với nguồn phân, module DC-AC-AC lại được
điều chế và thực hiện chuyển mạch theo nguyên lý biến tần ma trận.
Vấn đề điều chế:
Với cấu trúc bộ biến đổi mà luận án lựa chọn, các vấn đề điều chế
cần giải quyết là:
Điều chế cho bộ biến đổi đa bậc nối tầng ở hai cổng
Cân bằng điện áp một chiều trung gian
Điều chế bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng và đảm bảo quá
trình chuyển mạch một cách tin cậy ở khâu AC-AC theo nguyên
lý biến tần ma trận
Vấn đề điều khiển:
Luận án sẽ lần lượt thiết kế bộ điều khiển PI, PR, tựa thụ động và
thích nghi tựa thụ động nhằm đảm bảo quá trình trao đổi công suất
hai chiều của bộ biến đổi.
1.7.3 Đóng góp của luận án
Dự kiến luận án có một số đóng góp mới như sau:
Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ
một chiều trung gian.
Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật
toán chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận.
Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai
chiều bằng các phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động
và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số.
Với kết quả nghiên cứu đó, dự kiến đem lại những ý nghĩa về mặt
khoa học lẫn thực tiễn:
Ý nghĩa khoa học: đề xuất thuật toán cân bằng điện áp trên tụ
một chiều trung gian mới , đảm bảo quá trình điều chế và
chuyển mạch an toàn của khâu DC-AC-AC bằng phương pháp
điều chế phía sơ cấp máy biến áp tần số cao kết hợp thuật toán
chuyển mạch kiểu biến tần ma trận phía thứ cấp. Với những cấu
trúc điều khiển thích hợp, bộ biến đổi hoàn toàn đáp ứng được
yêu cầu trao đổi công suất hai chiều của bộ biến đổi
Ý nghĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu là tiền đề cho việc tích
hợp các nguồn phát phân tán với lưới tại Việt Nam với mức cỡ
trung áp và công suất cỡ vài trăm kVA đến vài MVA.
2 . Bộ biến đổi 2 cổng AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số
cao
2.1 Cấu trúc của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng
6
Cấu trúc chi tiết của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng được cho
như Hình 2.1
Cổng 1
Cổng 2
Bộ biến đổi ở cổng 1
đảm nhiệm hai nhiệm vụ
chính là ổn định điện áp
một chiều trung gian của
từng pha, cân bằng điện
áp trên các tụ một chiều
trung gian và thu hoặc
phát công suất phản
kháng Q.
Bộ biến đổi ở cổng 2
điều khiển cả quá trình
trao đổi công suất tác
dụng P và thu phát công
suất phản kháng Q . Bộ
biến đổi cho phép trao
đổi P và Q một cách độc
lập ở cổng 2.
A1
A2
DC
AC
HF
AC
HF
AC
HF
AC
A1
DC
AC
DC
AC
AC
A2
DC
AC
DC
AC
AC
A3
DC
AC A1
AC
B1
B2
DC
AC
HF
AC
HF
AC
HF
AC
B1
DC
AC
DC
AC
AC
B2
DC
AC
DC
AC
B3
DC
AC
AC
AC
C1
C2
DC
AC
HF
AC
HF
AC
HF
AC
C1
DC
AC
DC
AC
AC
C2
DC
AC
DC
AC
AC
C3
DC
AC
AC
Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống AC-DC-ACAC đa bậc nối tầng
2.2 Phân tích bộ biến đổi phía cổng 1
Đối với nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng thì phương pháp điều chế
sóng mang kiểu dịch pha là phương pháp phù hợp nhất.
Xét về chức năng bộ biến đổi, cổng 1 có vai trò như bộ chỉnh lưu tích
cực trong đó phía DC đóng vai trò là phụ tải. Vì mạch vòng điện áp
chỉ có một mạch vòng chung tác động lên giá trị trung bình của điện
áp DC nên nếu tải các khâu khác nhau thì không có gì đảm bảo điện
áp trên các tụ DC sẽ bằng nhau. Trong các ứng dụng back-to-back
của sơ đồ nối tầng thì cân bằng điện áp trên các tụ DC là yêu cầu bắt
buộc, nó là một thách thức đối với việc điều chế và điều khiển bộ
biến đổi. Nội dung về cân bằng điện áp trên tụ một chiều trung gian
được trình bày ở mục 2.2.1 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa
bậc cầu H nối tầng
Các phương pháp điều chế cho một module cầu H
Phương pháp điều chế cho nghịch lưu 7bậc nối tầng cầu H
7
Dạng sóng điện áp ra và các dạng xung điều khiển được cho như
hình 2.7.
cr1
cr2
cr3
1.0
m(t )
0
-1.0
cr1
sg11
sg31
vH 1
cr3
cr2
E
sg12
sg 32
vH 2
E
sg13
sg 33
vH 3
E
v AN
0
3E
v AN vH 1 vH 2 vH 3
Hình 2.7 Điều chế kiểu dịch pha cho bộ nghịch lưu cầu H 7 bậc
2.2.1 Cân bằng điện áp các khâu DC NL đa bậc nối tầng cầu H
Các phương pháp cân bằng điện áp trên tụ DC
Thuật toán mới cân bằng điện áp trên tụ DC
Ở đây sẽ xây dựng phương pháp cân bằng điện áp trên tụ DC áp
dụng được không phụ thuộc vào phương pháp điều chế PWM. Các
8
chế độ phóng nạp tụ ứng với các trạng thái van được tóm tắt như
bảng 2.3
Bảng 2.3 Trạng thái van và tình trạng phóng nạp của tụ một chiều
đối với một cầu chữ H
hi Trạng thái
Điện áp
Trạng thái tụ DC
van
ra uo,i
iL > 0
iL < 0
1
S1, S4
+Udc
Nạp điện
Phóng điện
-1
S3, S2
-Udc
Phóngđiện
Nạp điện
0
(S1, S3),
0
Không thay đổi Không thay đổi
(S2,S4)
Tác động của thuật toán tóm tắt lại trong bảng 2.5, những ô có dấu
“-” nghĩa là bỏ qua, không tác động gì.
Bảng 2.5 Tác động cân bằng điện áp trên các tụ một chiều cho
nghịch lưu nối tầng 3 cầu H
h
iL > 0
iL < 0
Udc,j,max
Udc,i,min
Udc,j,max
Udc,i,min
h=3
h=2
hj= 0
hi= 0
(bypass Cj)
(bypass Ci)
hj-1, hj+1 = 1
hi-1, hi+1 = 1
(charge Cj-1,
(discharge
Cj+1)
Ci-1, Ci+1)
h=1
hi = 1
hj = 1
(charge Ci)
(discharge
hi-1, hi+1 =0
Cj)
(bypass Ci-1, hj-1, hj+1 =0
Ci+1)
(bypass Cj-1,
Cj+1)
h=0
h= -1
hj = -1
hi = -1
(discharge
(charge Ci)
9
Cj)
hj-1, hj+1 =0
(bypass Cj-1,
Cj+1)
hi-1, hi+1 =0
(bypass Ci-1,
Ci+1)
h=-2
hi =0
(bypass Ci )
hi-1, hi+1 = -1
(discharge
Ci-1, Ci+1 )
-
-
hj = 0
(bypass Cj )
hj-1, hj+1 = -1
(charge Cj1,Cj+1)
-
-
h=3
Để kiểm chứng thuật toán cân bằng điện áp trên tụ, tác giả đã xây
dựng mô hình mô phỏng chỉnh lưu tích cực 1 pha 7 bậc. Các tụ một
chiều : Cdc1 = 5400 µF, Cdc2 = 6000 µF, Cdc3 = 6600 µF. Phụ tải: Rdc1
= 12 , Rdc2 = 8 , Rdc3 = 6. Udc,ref = 150 V.
Dien ap mot chieu tren cac tu
200
S1
L
S3
iL
150
100
C1
50
R1
S2
0
Udc,1
S4
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
[s]
(a). Dạng điện áp trên các tụDang dienTimeap dau
vao bo bien doi
500
S1
S3
0
C2
us
R2
S2
S1
-500
0.2
Udc,2
S4
0.24
R3
S4
0.26
us/Usm
S3
0.28
0.3
Time [s]
0.32
0.34
0.36
0.38
0.4
iL
G_HB1
Udref
C3
S2
0.22
(b). Điện áp ngay đầu vào bộ biến đổi
PI
X
PI
PWM
(c)
Udc,3
G_HB2
G_HB3
Ud,av=(Udc1+Udc2+Udc3)/3
Hình 2.12 Chỉnh lưu tích cực trên cơ sở NL đa bậc cầu H
Kết quả MP cho thấy mặc dù có sự chênh lệch về giá trị C và R
nhưng điện áp trên các tụ vẫn được cân bằng. Điện áp đầu vào bộ
biến đổi có dạng 7 bậc.
2.3 Phân tích bộ biến đổi ở cổng 2
Bộ biến đổi ở cổng 2 gồm 3 pha, mỗi pha có 3 module DC-AC-AC.
2.3.1 Các nguyên lý điều chế mạch AC-AC
2.3.2 Điều chế PWM cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu AC-AC
điều chế kiểu biến tần ma trận
10
Bộ DC-AC-AC cũng có thể điều chế theo phương pháp điều chế
lưỡng cực và điều chế đơn cực trong đó phương pháp điều chế đơn
cực có chất lượng về sóng hài tốt hơn.
Phương pháp dùng hai sóng mang
Phương pháp điều chế sử dụng hai sóng điều chế ngược pha
Phương pháp điều chế đơn cực sử dụng một sóng mang và hai sóng
điều chế cho trên Hình 2.19. Tín hiệu sóng mang là xung răng cưa
được phát đồng bộ với tín hiệu điều khiển các van V 1 ¸ V 4 phía sơ
cấp biến áp.
Hai tín hiệu sóng m(t)
(a)
và – m(t) ngược pha
nhau 180o, upwm+ và
upwm- là đầu ra so sánh
(b)
giữa m(t) và –m(t) với u
(c)
sóng mang.Vì tín
u
hiệu u f có dạng xoay (d)
uc
1
-m(t)
m(t)
0
Time [s]
-1
1
uf
Time [s]
-1
1
pwm+
Time [s]
-1
1
pwm-
Time [s]
-1
chiều biên độ 1 nên
(e)
xung mở van S1 là tích
uf*upwm+ và lấy tích (f)
uf*upwm- sẽ được xung
mở van S4.Tín hiệu (g)
điều khiển van S3 là
Hình 2.19 Mẫu xung điều khiển PWM cho
đảo của van S1, tín
matrix converter dùng 2 sóng điều chế
hiệu điều khiển van S2
là đảo của van S4.
2.3.3 Điều khiển chuyển mạch cho biến tần ma trận
Sử dụng phương pháp chuyển mạch diễn ra theo 4 bước, từ t1, t2, t3,
đến t4. Chuyển mạch ngược lại từ S3 về S1 theo bốn bước t5, t6, t7, t8
theo trình tự như hình 2.22 và 2.23. Mỗi bước của quá trình chuyển
mạch cần một thời gian bằng td, là thời gian để van khoá lại hoàn
toàn, td cỡ 1÷2 µs đối với IGBT. Điện áp uf là hoàn toàn xác định
được, do đó việc chuyển mạch 4 bước phía thứ cấp máy biến áp kết
hợp với điều chế phía sơ cấp máy biến áp chính là một trong những
đóng góp của luận án.
1
S1=uf*upwm+
S3=\S1
Time [s]
-1
1
S4=uf*upwmS2=\S4
Time [s]
-1
1 1
2 4
3
4
1 13 3
4 24 2
1
2
3 31 1
2 42 4
3
4
1 13 3
4 24 2
1
2
3 31
2 42
3
4
3
2
13 1
24 4
1
2
1 31 3
4 42 2
3
4
3 13 1
2 24 4
+Uf
um(t)
Time [s]
0
-Uf
11
1
S1
0
S3
S1a
S1b
t
S3a
t
1
S1
0
S3
S1a
S1b
t
t
t
S3b
2
td
t1
3
t2
4
5
t3
t4
6
Uf(t)>0
t5
7
8
t7
t6
t
t
t
S3a
S3b
t
1
t
t
t
1 8 7
1
td
t1
t8
6
t2 t3
5
t4
4
Uf(t)< 0
3
t5 t6
2
1
t7 t8
Hình 2.23 Quá trình chuyển mạch
giữa van S1 và S3 khi uf(t)<0
Hình 2.22 Quá trình chuyển mạch
giữa van S1 và S3 khi uf(t)>0
2.3.4 Mô phỏng, kiểm chứng phương pháp điều chế và chuyển mạch
2.3.5 Bộ nghịch lưu 7 bậc xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC nối
tầng
0
0
0
600 120 180 240
S1b
S1a
V1
V3
S3b
L
0
S3a
HF
+Udc1
3000 3600 4200 4800
1
-1
1
uf
Uf1
Uf2
600
0
V2
S2a
S4a
-1
1
V4
S2b
S4b
S1b
S3b
S1a
S3a
600
Uf3
0
V1
V3
-1
Hình 2.31 Giản đồ xung điều
khiển các van phía sơ cấp MBA
HF
+Udc2
uf
V2
S2a
S4a
S2b
S4b
us
600
V4
1200
1800
2400
3000
3600
4200
4800
1
V1
V3
+Udc3
S1b
S3b
S1a
S3a
0
600
Uf2
0
uf
V2
Uf1
-1
1
HF
S2a
S4a
S2b
S4b
-1
1
V4
600
Uf3
0
-1
Hình 2.29 Nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở
bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng
Hình 2.32. Điều chế PWM dịch pha
cho DC-AC-AC nối tầng.
Áp dụng phương pháp dịch pha tất cả các module DC-AC-AC. Kết
quả cho trên hình 2.34 cho thấy dạng điện áp đầu ra bộ nghịch lưu có
dạng 7 bậc (hình b), dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tải có
dạng sin (hình c và d).
12
Điện áp đầu ra bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng
Điện áp đầu ra của một bộ biến đổi dc-ac-ac
2000
4000
1000
2000
0
0
-1000
-2000
-2000
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
-4000
0
0.06
0.01
0.02
Dòng điện trên tải
400
20
200
0
0
-20
-200
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
Điện áp trên tải sau khâu lọc
40
-40
0.03
Time [s]
(b)
Time [s]
(a)
0.04
0.05
-400
0
0.06
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
Time [s]
Time [s]
(c)
(d)
Hình 2.34 Kết quả MP nghịch lưu 7 bậc nối tầng DC-AC-AC
2.4 Tóm tắt và kết luận
Chương này đã giải quyết 3 vấn đề chính là: cân bằng điện áp trên tụ
một chiều trung gian, đề xuất thuật toán điều chế và chuyển mạch
khâu DC-AC-AC và đảm bảo khả năng nối tầng của bộ biến đổi theo
phương pháp điều chế sóng mang kiểu dịch pha áp dụng cho cả hai
cổng. Các phân tích lý thuyết là kết quả mô phỏng đã chứng minh
tính đúng đắn của những giải pháp đề ra..
3 . THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI
3.1 Mô hình trạng thái và vấn đề điều khiển công suất của bộ
biến đổi nối lưới
3.1.1 Mô hình trạng thái liên tục
Trên hệ tọa độ dq
Hệ tọa độ cố định :
íï
ï
ï
ï
ï
ì
ï
ï
ï
ï
ïî
d id
= -
R
dt
L
d iq
R
= -
dt
L
id + w L iq +
iq - w L id +
1
L
1
L
(u d
)
- ed
(u q -
eq
(3.2)
)
éu
ê a
êu
ëê b
ù
éi
ú= R ê a
ú
êi
ú
êë b
û
ù
d éia
ú+ L
ê
ú
d t êêi b
ú
û
ë
(0.1)ùú+
ú
ú
û
ée
ê sa
êe
ëê s b
ù
ú
ú
ú
û
(3.4)
3.1.2 Điều khiển công suất trong bộ biến đổi nối lưới
3.2 Phân tích cấu trúc điều khiển
R
L
R
PLL
iS(abc)
dq
eq
dq
iq
ddref
id
abc
Q1
Bộ điều
khiển dòng
daref
dbref
dq
dqref
abc
dcref
iS(abc)
ed
abc
iqref
idref
Bộ điều
khiển điện
áp DC
dq
eq
dq
iq
ddref
id
Bộ điều chế
cân bằng
điện áp trên
tụ PWM
abc
udc_đo
Bộ điều
khiển Q
Nghịch lưu
đa bậc DC/
AC/AC nối
tầng
PLL
Nghịch lưu
đa bậc nối
tầng chữ H
ed
abc
Q1ref
L
eS(abc)
eS(abc)
Q2
Q2ref
udcref
Bộ điều
khiển Q
Bộ điều
khiển dòng
iqref
daref
dbref
dq
dqref
idref
abc
Bộ điều
khiển P
Bộ điều chế
PWM
dcref
P2
P2ref
Hình 3.6 Hệ điều khiển ở cổng 2
Hình 3.5 Hệ điều khiển cổng 1
13
3.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển PID cho bộ biến đối
3.3.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện
ed
ed
idref
+ -
PI2
id
+
udref
-
Ls
wL
wL
X
iq
id
1
R
+
X
wL
iqref
+
+
-
+
+
+
+
uqref
-
+
Phía bộ điều khiển dòng eq
iq
1
R
-
PI4
Ls
Phía bộ biến đổi
eq
Hình 3.7 Cấu trúc bộ điều khiển ở cổng 1,2 trên trục tọa độ dq
3.3.2 Thiết kế mạch vòng điện áp một chiều trung gian ở cổng 1
3.3.3 Thiết kế các vòng điều khiển công suất
iqref
Udc_ref
+
P_2
Q_ref2 -
PI3
+
PI1
-
idref
-
iqref
+
id
U_dc
Q_ref
P_ref2
PI1
-
PI3
+
Q2
Q
(a)
idref
(b)
Hình 3.11 Mạch vòng điều khiển công suất ở 2 cổng
3.4 Cấu trúc điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện
3.4.1 Cấu trúc của bộ điều khiển cộng hưởng
Điều kiện ổn định của bộ điều khiển cộng hưởng
Bộ điều chỉnh cộng hưởng PR trên hệ tọa độ tĩnh αβ trong hệ
thống 3 pha 3 dây
ua
ub
uc
qPcc2
3-Phase
PLL
Upcc2
qPcc2
i
P2*
P2
Q2
-+
+-
Q*
P2 Controller i
(PI)
*
d
Q2
Controller
(PI)
iq*
*
i
dq
i*
+-
+-
e
Current
Controller
(PR)
Current
Controller
(PR)
*
u
++
ua*
ub*
u*
abc
++
uc*
e
i
Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển cổng 2 với bộ điều khiển cộng hưởng cho
mạch vòng dòng điện
3.5 Cấu trúc điều khiển tựa thụ động cho mạch vòng dòng điện
14
3.5.1 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động
3.5.2 Xây dựng bộ điều khiển tựa thụ động cho mạch dòng điện
R
L
eS(abc)
abc
dq
eq
id
abc
dq
Nghịch lưu
đa bậc DC/
AC/AC
nối tầng
PLL
ed
iS(abc)
iq
ud
ed
Rid*
Liq
r1 (id* id )
uq
eq
Riq*
Lid*
r2 (iq* iq )
(3.46)
eq
ddref
daref
Điều khiển
dq
dbref
dòng tựa
dqref
abc dcref
thụ động
Bộ điều
chế PWM
Q2ref
iqref
+
PI
iq
id
Q2
Q2
Q2ref
P2
Bộ điều
khiển Q
iqref
idref
Bộ điều
khiển P
P2ref
(a)
+
-
udref
idref
PI
P2
P2ref
uqref
Bộ điều
khiển dòng
tựa thụ động
(b)
ed
Hình 3.21 Cấu trúc hệ thống điều khiển ở cổng 2
3.6 Cấu trúc điều khiển tựa thụ động thích nghi tham số cho
mạch vòng dòng điện
3
Cuộn cảm có L và R luôn tồn tại sai số íïïï $g
L
L = l 1w
(- iq* z1 + id* z 2 )
trong quá trình chế tạo hoặc có thể không ïïïï
(R + r)
3
được xác định giá trị một cách chính xác ïïïï µg
L
ìR = l 2
(id* z1 + iq* z 2 )
ï
khi lắp đặt. Sử dụng luật hiệu chỉnh (3.67) ïï
(R + r)
với các tham số l 1 , l 2 là các hằng số thích ïïïï z1 = %i d = id* - id ; z 2 = %i q = iq* - i q
ï
ï
ï
nghi khi thiết kế bộ chỉnh định tham số.
ïî
(3.67)
3.7 Mô phỏng kiểm chứng kết quả
3.7.1 Mô phỏng hệ điều khiển trên hệ tọa độ dq với bộ điều khiển PI
cho mạch vòng dòng điện
2000
Tụ 1 Pha A
Tụ 2 Pha A
Tụ 3 pha A
500
0.5
1
A. Điện áp trên các tụ một chiều của pha A
Tụ 1 pha C
Tụ 2 pha C
Tụ 3 pha C
1500
Điện áp (V)
Time [s]
1000
Điện áp (V)
1000
0
0
1000
500
1.5
0
0
0
0.5
1
B. Điện áp trên các tụ một chiều của pha B
1.5
Time [s]
4000
3000
500
0
Tụ 1 pha B
Tụ 2 pha B
Tụ 3 pha B
1500
Điện áp (V)
Điện áp (V)
1500
Giá trị thực điện áp tổng trung bình của các tụ trên một pha
2000
Giá trị đặt điện áp tổng trung bình của các tụ trên một pha
1000
0.5
1
C. Điện áp trên các tụ một chiều của pha C
1.5
0
0
0.5
1
1.5
D. Điện áp trung trên các tụ một chiều của 1 pha Time [s]
Time [s]
Hình 3.25 Điện áp các tụ pha A,B,C và điện áp trung bình trên một pha
15
150
Dòng điện (A)
100
50
0
-50
-100
-150
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
1.4
B. Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 1 từ 1s đến 1.5s
1.45
Time [s]
1.5
Dòng điện (A)
100
50
0
-50
-100
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
1.4
1.45
D.Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 2 (từ 1 đến 1.5s)
1.5
Time [s]
Hình 3.27 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2
1
1
0.5
Q1(pu)
P1(pu)
0.5
0
-1
0
Giá trị đặt
Giá trị thực
-0.5
-0.5
-1
0
0.5
A. Công suất tác dụng trao đổi ở cổng 1
1
Time [s]
1.5
0
0.5
A. Giá trị đặt và giá trị thực công suất phản kháng ở cổng 1
1
Time [s]
Q2(pu)
P2(pu)
0.5
0
Giá trị thực
Giá trị đặt
-0.5
0.5
1
Time [s]
B. Giá trị đặt và giá trị thực công suất tác dụng ở cổng 2
1.5
-1
0
0.5
1
Time [s]
B. Giá trị đặt và giá trị thực công suất phản kháng ở cổng 2
Hình 2.28 Công suất P ở hai cổng
Dòng điện (A)
100
50
0
-50
-100
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
1.4
1.45
Dòng điện (A)
B. Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 1 từ 1s đến 1.5s
1.5
Time [s]
100
50
0
-50
-100
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.5
Hình 2.29 Công suất Q ở hai cổng
3.7.2 Mô phỏng cấu trúc ĐK cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện
1
1.5
1
Giá trị đặt
Giá trị thực
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.80
1.25
D.Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 2 (từ 1 đến 1.5s)
1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
Time [s]
Hình 3.33 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2
16
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.60
1
Q1(pu)
P1(pu)
0.5
0
-0.5
-1 0
Time [s]
0.5
A. Cổng 1
1
1
1.5
-1
Q2(pu)
P2(pu)
0
FFT window: 2 of 75 cycles of selected signal
-0.5
0.5
A. Cổng 1
1
0.5
50
B.Cổng 2
0
Time [s]
0.5
1
1.5
FFT window: 2 of 75 cycles of selected signal
50
1.405
1.41
1.415
1.42
Time (s)
1.425
1.43
0
0
1
0.5
Time [s]
B. Cổng 2
1.5
Hình 3.35 Q trao đổi ở 2 cổng
-50
1.4
1.5
0
-1
Hình 3.34 P trao đổi ở hai cổng
Time [s]
0.5
-0.5
0
1
-50
1.4
1.435
1.405
1.41
1.415
1.42
Time (s)
1.425
1.43
1.435
Fundamental (50Hz) = 72.07 , THD= 0.85%
Fundamental (50Hz) = 80.43 , THD= 1.85%
0.7
0.2
0.18
0.6
Mag (% of Fundamental)
Mag (% of Fundamental)
0.16
0.5
0.4
0.3
0.2
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.1
0.02
0
0
100
200
300
Frequency (Hz)
400
500
0
600
0
100
200
300
Frequency (Hz)
400
500
Cổng 1 (t = 1.4s đến 1.44s)
Cổng 2 (t = 1.4s đến 1.44s)
Hình 3.36 Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ở 2 cổng
3.7.3 Mô phỏng điều khiển bộ điều khiển tựa thụ động
Hệ số suy giảm r1 = r2 = 0.05.
100
50
0
-50
-100
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
1.4
B. Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 1 từ 1s đến 1.5s
1.45
1.5
Time [s]
100
50
0
-50
-100
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
D.Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 2 (từ 1 đến 1.5s)
1.35
1.4
Time [s]
1.45
1.5
Hình 3.37 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2
17
600
1
0.5
Q1(pu)
P1(pu)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1 0
A. Cổng 1
Time [s]
1.
5
1
0
0.5
-0.5
0
1
0.
8
0.
6
0.
4
0.
2
-0
0.
20.
40.
6
0.
8
10
A. Cổng 1
1
1
Time [s] 1.5
1
1.
Time [s] 5
0.5
Q2(pu)
P2(pu)
0.
5
0
-0.5
0.
5
Time [s]
1.
5
1
0.5
10
B.Cổng 2
B. Cổng 2
FFT window: 2 of 75 cycles of selected signal
FFT window: 2 of 75 cycles of selected signal
Hình 3.40 Công suất tác dụng trao
đổi ở hai cổng
Hình 3.41 Công suất phản kháng
trao đổi ở 2 cổng
50
2000
0
0
-50
1.4
1.405
1.41
1.415 1.42 1.425
Time (s)
-2000
1.43 1.435
1.4
1.405
1.41 1.415 1.42 1.425
Time (s)
1.43 1.435
Fundamental (50Hz) = 81.15 , THD= 1.78%
Fundamental (50Hz) = 2696 , THD= 0.34%
0.06
0.6
Mag (% of Fundamental)
Mag (% of Fundamental)
0.7
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0
100
200
300
400
Frequency (Hz)
500
600
0
100
200
300
400
Frequency (Hz)
500
600
b.Cổng 2 (t = 1.4s đến 1.44s)
a.Cổng 1(t = 1.4s đến 1.44s)
Hình 3.40 Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ở cổng 1 và 2
3.7.4 Mô phỏng bộ điều khiển tựa thụ động khi có sai lệch R, L
3.7.5 Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển tựa thụ động có khâu
thích nghi tham số
Tham số mô phỏng: tham số danh định cổng 2 : R = 0.01Ω, L =
0.0075H. Tham số thực tế: R = 0.015 Ω, L = 0.0045 H (L sai lệch
40%, R sai lệch 50%). r1 = r2 = 0 .0 5; L 1 = 0 .0 5; L 2 = 0 .0 5
100
Dòng điện (A)
50
0
-50
-100
0
0.5
Time [s]
1
B.Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 2 (từ 0 đến 1.5s)
100
1.5
Dòng điện (A)
50
0
-50
-100
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
C.Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 2 (từ 1 đến 1.5s)
1.3
1.35
1.4
1.45
Time [s]
Hình 3.47 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 1 và 2
18
1.5
1
1
0.5
P2(pu)
P1(pu)
0.5
0
FFT window: 2 of 75 cycles of selected signal
0
-0.5
50
-0.5
-1
-1.5
-1
0
1
0.5
1.5
0
0
0.5
1
1.5
Time [s]
Time [s]
-50B.Cổng 2
A.Cổng 1
1.4
1.405
1.41
1.415
1.42
1.425
Time (s)
Hình 3.49 Giá trị công suất tác dụng trao đổi ở cổng
1,2
1.43
1.435
1.5
Fundamental (50Hz) = 72.05 , THD= 1.21%
0.7
0.5
0
-0.5
-1
0
A.Cổng 1
1
0.
5
1
Time [s]
1.5
Q2(pu)
0.5
0
-0.5
-1
Mag (% of Fundamental)
Q1(pu)
1
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
B. Cổng 2
0.
5
1
0
1.5
Time [s]
Hình 3.50 Giá trị đặt và giá trị thực
của công suất phản kháng cổng 1 và 2
0
100
200
300
Frequency (Hz)
400
500
Hình 3.49 Phân tích sóng hài của
dòng điện qua cuộn cảm ở cổng 2 (t
= 1.4s đến 1.44s)
3.7.6 Đánh giá kết quả mô phỏng
Dựa vào kết quả mô phỏng trên khi kết hợp với các thuật toán điều
khiển PI, PR và PBC cho mạch vòng dòng điện và các bộ điều khiển
vòng ngoài. Công suất Q thu phát thực tế đo và tính toán được ở hai
cổng rất bám sát Q đặt. Kết quả mô phỏng P ở cổng 1 có sự trao đổi
nhằm mục đích cân bằng điện áp trên các tụ và thu phát theo yêu cầu
ở cổng 2. Khi hệ thống đã ổn định chất lượng dòng điện ở hai cổng
khi áp dụng bộ điều khiển cộng hưởng cho chất lượng đòng điện tốt
nhất,điều này có thể giải thích là do trong cấu trúc bộ điều khiển
cộng hưởng có thành phần lọc sóng hài bậc 1, 3, 5 và 7. Với cấu trúc
bộ điều khiển tựa thụ động tỏ ra bền vững với những biến động nhỏ
về tần số. Tuy nhiên nó có hạn chế là phụ thuộc rất nhiều vào độ
chính xác giá trị L và R của cuộn cảm phía xoay chiều. điều này dẫn
đến cần có cơ cấu chỉnh định thích nghi tham số R, L. Kết quả mô
phỏng đã chứng minh rằng khi điện trở và điện cảm của hệ thống có
19
600
sai lệch, nhờ có khâu chỉnh định tham số R, L chất lượng bộ điều
khiển tựa thụ động vẫn đảm bảo chất lượng.
3.8 Tóm tắt và kết luận
Các kết quả mô phỏng đã thể hiện tính đúng đắn của các thuật toán
điều chế, phương pháp điều khiển và chứng minh khả năng trao đổi
công suất hai chiều của bộ biến đổi.
4 . THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
Hệ thống thực nghiệm gồm 4 phần. Các kết quả thực nghiệm đã
kiểm chứng tính đúng đắn của các thuật toán mà tác giả đề xuất.
4.1 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng thuật toán cân bằng điện
áp trên tụ
4.1.1 Sơ đồ cấu trúc thực nghiệm
L = 2,2 mH.
S1
S3
iL
220 2 sin( t )
C
S2
S4
S1
S3
us
R1
C
R2
S2
S4
S1
S3
C
R3
C = 2200 µF
HB1 HB2 HB3
S2
S4
15VDC
Driver HCPL3120
PLL
Mạch đo lường
15 VDC
Hình 4.2 Hình ảnh mạch lực
bộ chỉnh lưu tích cực 7 bậc
DS1104
Hình 4.1. Cấu trúc thực nghiệm
chỉnh lưu tích cực 7 bậc
Các tụ Cdi = 2200 µF. R1 = 64 , R2
= 32 , R3 = 64 . Udc,ref = 450V .
Mạch điều chế kiểu dịch pha, tần số
fpwm = 500 Hz.
4.1.2 Các kết quả thực nghiệm
20
Hình 4.3 Mô hình thực
nghiệm nghịch lưu đa bậc
Hình 4.8 Điện áp đo trên mỗi
cầu H bằng Osiloscope
Hình 4.7 KQ thực nghiệm, Ud,ref =
150VDC.
Kết luận: Các kết quả thực nghiệm đã
chứng minh khả năng cân bằng điện áp
của thuật toán cân bằng điện áp một
chiều cho chỉnh lưu tích cực nối tầng 7
mức, 3 cầu H, ngay cả khi tải một chiều
chênh lệch đến 50%.
Hình 4.9 Điện áp ra mạch
nghịch lưu Multilevel
4.2 Hệ thống thực nghiệm bộ DC-AC-AC với khâu trung gian
tần số cao
S1b
+
V1
HF
S3
S1a
S3a
iL
uf
Vdc
V2
V4
5kHz
S4
S1a ,S1b S4 a ,S4b
V2 V3
R
S4b
S2b
V1 V4
C
uc
S4a
S2a
S2
-
15VDC
L
S3b
S1
V3
Mạch đo lường
15 VDC
Driver HCPL3120
CPLD
clock
u f u pwm u pwm
DS1104
Máy tính
Hình 4.10 Cấu trúc mô hình hệ thống
thực nghiệm DC-AC-AC
21
Hình 4.22 Điện áp đầu ra bộ
biến đổi và điện áp trên tải khi
Udc = 80V
4.3 Thực nghiệm bộ nghịch lưu 7 bậc DC-AC-AC nối tầng
Mục đích của mô hình thực nghiệm này là kiểm chứng khả năng nối
tầng của bộ DC-AC-AC.
V1
V1,V2, V3,V4,
S1a, S1b, S2a, S2b, S3a, S3b, S4a, S4b
V3
S1a
S3a
uf
S2a
S4a
S2b
S4b
V4
DC-AC-AC 3
...
FPGA
S3b
HF
+Udc1
V2
DC-AC-AC 1 DC-AC-AC 2
...
...
15VDC
Driver HCPL3120
S1b
+Udc2
DC-AC-AC 2
+Udc3
DC-AC-AC 3
R
Hình 4.25 Thực nghiệm bộ nghịch lưu DC-AC-AC 7 bậc nối tầng
Hình 4.34 Điện áp đo được đầu ra
của một module DC-AC-AC
Hình 4.35 Điện áp đo đầu ra đo
được của bộ biến đổi nối tầng
4.4 Thực nghiệm bộ biến đổi AC-DC-AC-AC một pha ba bậc
Cấu trúc điều khiển hệ AC-DC-AC-AC được cho như hình 3.37
Uref
Ru
Udc
X
PWM
Ri
us1
iL
Converter C
(MATRIX CONVERTER)
Converter A
Cổng 1
L2
Converter B
L1
S1
S3
DC
Cổng 2
S3
S1
HF
C
us2
Udc
us1
MBA
S2
S4
S2
iL2
ILref
S4
S1 S2 S3 S4
PWM
Ri
S1aS1b S2a S2b S3a
S3b S4a S4b
LOGIC chuyển mạch
Hình 4.37 Cấu trúc điều khiển hệ AC-DC-AC-AC một pha 3 mức
22
Hình 4.38 Bộ AC-DC-AC-AC
Hình 4.39 Điện áp DC (B) và
điện áp trên thứ cấp MBA (A)
Hình 4.40 Đo dòng điện (1:1500) và
điện áp phía chỉnh lưu AC/DCTrường hợp truyền công suất.
Hình 4.41. Dòng điện (1:1500) và
điện áp phía AC/DC- trường hợp
nhận công suất
4.5 Tóm tắt và kết luận
Các kết quả thực nghiệm đã minh chứng được thuật toán chuyển
mạch cho khâu DC-AC-AC là đảm bảo an toàn và tin cậy. Thuật
toán cân bằng điện áp trên tụ trong bộ chỉnh lưu tích cực trên cơ sở
nghịch lưu cầu H nối tầng là đúng đắn, việc nối tầng bộ biến đổi DCAC-AC là khả thi và chứng minh được khả năng trao đổi công suất
hai chiều của cấu trúc AC-DC-AC-AC một pha 3 mức.
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Những đóng góp mới của luận án:
1.Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ
một chiều trung gian.
2.Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật
toán chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận.
3.Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển trao đổi công suất
hai chiều bằng các phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ
động và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số.
Đề xuất những hướng nghiên cứu tiếp theo:
1.Nghiên cứu hoàn thiện các vấn đề điều khiển bộ biến đổi
trong trường hợp lưới điện xuất hiện các trạng thái không bình
thường; các trường hợp mà nguồn phân tán làm việc ở chế độ
ốc đảo.
2.Nghiên cứu bài toán điều khiển trao đổi công suất tác dụng
và điều khiển cosφ ở hai cổng.
3.Nghiên cứu khả năng mở rộng bộ biến đổi có thể kết nối
nhiều cổng hơn (từ 3 cổng trở lên).
4. Hoàn thiện và giới hạn khoảng giá trị tham số 1 và 2 trong
khâu chỉnh định thích nghi tham số khi ứng dụng vào bộ điều
khiển tựa thụ động.
5.Nghiên cứu tiếp khả năng ứng dụng mới của bộ nghịch lưu
đa bậc nối tầng trên cơ sở bộ DC-AC-AC qua khâu trung gian
tần số cao.
24
