Nghiên cứu bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại t (a single phase asymmetrical t type five level inverter)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.07 MB, 92 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN QUỐC HOÀN
NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN TẦN MỘT PHA
BẤT ĐỐI XỨNG 5 BẬC LOẠI T
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 60520202
LUẬN VÃN THẠC SĨ
TP. HÒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
Cán bộ chấm nhận xét 1: ...........................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ..........................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
................. tháng ........... năm .....
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1 ....................................................................................................................
2............................................................................................................................................
3 ....................................................................................................................
4 .....................................................................................................................
5 ....................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
••••
Họ và tên học viên : Nguyễn Quốc Hoàn
MSHV: 1570869
Ngày, tháng, năm sinh: 30/01/1982
Nơi sinh: Hà Nam
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60520202
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T (A singlePhase Asymmetrical T-Type Five-level Inverter).
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Phân tích hoạt động, điều khiển bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T (A
single-Phase Asymmetrical T-Type Five-level Inverter).
- Sử dụng PSIM mô phỏng bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T.
- Thiết kế, thực hiện và chạy thực nghiệm bộ nghịch lưu sử dụng Kit của vi điều
khiển TMS320F28379D.
- Kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM vụ : 14/02/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 1/6/2019
V.
CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
Tp. HCM, ngày. . . . tháng. . . . năm 20...
CÁN BỘ HƯỚNG DẢN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký )
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)
LỜI CẢM ƠN
Trong thực tế, không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự
hỗ trợ, giúp đỡ dù nhiều hay ít, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt
thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan
tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè.
Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy
PGS.TS.Nguyễn Đĩnh Tuyên đã trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm
quý báu, và tận tĩnh giúp đỡ em trong suốt thòi gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành
luận văn này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn Khoa Điện - Điện Tử, Phòng Đào Tạo Sau Đại
Học, trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia TP.HCM đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho em trong quá trình học tập và nghiên. Đồng thời cũng xin được ghi nhớ
tình cảm và sự giúp đỡ của anh chị em trong PTN Nghiên cứu điện tử công suất 115B1, các bạn cao học đã đồng hành, hỗ trợ, chia sẻ và giúp đỡ tôi hoàn thành luận
văn này.
Cuối cùng, xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đĩnh, người thân và bạn bè,
những ngưòi luôn dành cho tôi sự quan tâm động viên, tĩnh yêu thương và tạo mọi điều
kiện tốt nhất để tôi có động lực học tập, phấn đấu trong suốt thời gian qua.
Do thời gian và trình độ còn nhiều hạn chế nên luận văn chắc chắn sẽ không tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các
bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2019
Nguyễn Quốc Hoàn
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn là dựa trên việc sử dụng bài báo của tạp chí IEEE để
thiết kế và thực nghiệm một bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T (5T- L-AHB)
để giảm dòng điện rò, cấu trúc bao gồm 2 nhánh thông thường và một nhánh loại T ,
nối điểm giữa nguồn DC và một nhánh ở trên
Luận văn này phân tích bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T (5T-LAHB) và thực hiện phưong pháp điều chế độ rộng xung PWM ở nhiều mức điện áp và
hệ số điều chế khác nhau. Xác minh bằng thực nghiệm trên tải 1 pha .
ABSTRACT
The main content of the thesis is based on the use article of the IEEE to design
and and experiment an asymmetric multiphase T-inverter (5T-L-AHB) to reduce
leakage current, the structure consists of usual two leg and one T-leg, connecting points
between the DC source and an up leg
This thesis analyzes the 5T-L-AHB inverter and performs method modulation
PWM pulse at different voltage levels and modulation coefficients. Verification by
experiment on 1-phase load
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết
quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thục. Việc tham khảo tài
liệu đã đuợc thục hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu
MỤC LỤC
••
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI...................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài .................................................................................. 1
1.2. Đối tượng thực hiện và mục tiêu nghiên cứu..................................... 2
1.3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 2
CHƯƠNG 2: bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T ....................... 3
2.1. .......................................................................................................
Tổng quan về hệ thống điện mặt trời .......................................................... 3
2.1.1. Hê thống điên cho những noi tiêu thu ít năng lương điên .......... 3
2.1.2. Hệ thống điện mặt trời ở nông thôn ............................................. 3
2.1.3. Hệ thống điện mặt trời vùng đô thị............................................... 4
2.1.4. Hệ thống một bộ nghịch lưu với nhiều bộ chỉnh lưu ................... 4
2.1.5. Hê thống điên măt trời sử dung nhiều bô nghich lưu ................. 5
2.1.6. Hệ thống pin mặt trời tích họp bộ nghịch lưu ............................. 6
2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu một pha năm
bậc kiểu T ................................................................................................................. 6
2.2.1. Tổng quát: ....................................................................................... 6
2.2.2. Nguyên lý hoạt động ....................................................................... 9
2.2.3. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin .................................... 14
2.2.3.1. Nguyên lý ................................................................................ 14
2.2.3.2. Phương pháp Sin PWM cho bộ nghịch lưu đa bậc
17
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG Bộ NGHỊCH LƯU MỘT PHA ĐA BẬC 5L- TAHB .....................................................'. ........ .. ................... .. ...................... .. 20
3.1. Mô phỏng luật điều khiển đóng cắt các khóa công suất
20
3.1.1. Xây dựng mô hình bộ nghịch lưu một pha năm bậc bằng PSIM
3.1.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................ 22
3.1.3. Kết luận chương 3 ........................................................................ 31
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THựC HIỆN PHẦN CƯNG ......................... 32
4.1. Thiết kế mạch ...................................................................................... 32
4.1.1. Mạch nguồn DC ............................................................................ 32
4.1.2. Mạch điều khiển ........................................................................... 33
4.1.3. Mạch lái ......................................................................................... 34
4.1.4. Mạch công suất ............................................................................. 35
4.1.5. Cổng logic ...................................................................................... 36
4.1.6. Tải R-L .......................................................................................... 37
CHƯƠNG 5: THựC NGHIỆM Bộ NGHỊCH Lưu MỘT PHA ĐA BẬC 5LT-AHB .................................................................................................
....38
5.1. Phương pháp thực nghiệm ................................................................. 38
5.2. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 39
5.3. Kết luận chương 5 ............................................................................... 66
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN ............................................................................... 67
6.1. Kết luận ................................................................................................ 67
6.2. Những hạn chế ..................................................................................... 67
6.3. Hưởng phát triển của đề tài................................................................ 68
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Hệ thống điện cabin (từ Microchip Technology Inc) ................................... 3
Hình 2.2: Hệ thống điện mặt trời ở nông thôn (từ Microchip Technology Inc) ........... 3
Hình 2.3: Hệ thống điện mặt trời ở đô thị (từ Microchip Technology Inc) .................. 4
Hình 2.4: Hệ thong điện mặt trời một bộ nghịch lưu với nhiều bộ chỉnh lưu (từ
Microchip Technology Inc) ........................................................................................... 4
Hình 2.5: Hệ thống điện mặt trời sử dụng nhiều bộ nghịch lưu (từ Microchip
Technology Inc) ............................................................................................................ 5
Hình 2.6: Hệ thong pin mặt trời tích họp biến tần (từ Microchip TechnologyInc)...6
Hình 2.7: Mô hình của bộ nghịch lưu một pha không biến áp ..................................... 7
Hình 2.8: Mạch theo mô hình 5L-T-AHB ....................................................................9
Hình 2.9: Trạng thái 1 ................................................................................................ 10
Hình 2.10: Trạng thái 2 .............................................................................................. 10
Hình 2.11: Trạng thái 4 .............................................................................................. 11
Hình 2.12: Trạng thái 5 .............................................................................................. 12
Hình 2.13: Trạng thái 3, cấu hình 1 ........................................................................... 12
Hình 2.14: Trạng thái 3, cấu hình 2 ........................................................................... 13
Hình 2.15: Mô hình chế độ chung cho biến tần một pha không biến áp 5L-T-AHB 13
Hình 2.16: Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh ....................................15
Hình 2.17: Điều chế độrộng xung .............................................................................. 16
Hình 2.18: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu POD .......................... 17
Hình 2.19: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu DP ............................. 18
Hình 2.20: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu APOD ........................ 18
Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch điều khiến và công suất................................................... 20
Hình 3.2: Sơ đồ khối công suất 5L-T-AHB ................................................................. 21
Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển 5L-T-AHB................................................................ 21
Hình 3.4: Sóng điều khiến và sóng mang bố trí đối xủng qua trục 0 (POD) ..............22
Hình 3.5: Xung điều khiến khóa Sỉ ............................................................................. 23
Hình 3.6: Xung điều khiến khóa S2 ............................................................................ 23
Hình 3.7: Xung điều khiến khóa S3 ............................................................................ 23
Hình 3.8: Xung điều khiến khóa S4 ............................................................................ 24
Hình 3.9: Xung điều khiến khóa S5, S6 ...................................................................... 24
Hình 3.10: Điện áp đầu ra VAB khi m = 0.8, RG = 25Q ............................................... 25
Hình 3.11: Phân tích FFT của điện áp đầu ra VAB khi m = 0.8,RG = 25Q ................. 25
Hình 3.12: Dòng điện đầu ra ỈL qua tải R-L khi m = 0.8, RG = 25Q...................... 26
Hình 3.13: Điện áp VBZ khi m = 0.8, RG = 25Q .......................................................... 26
Hình 3.14: Điện áp VCM khi m = 0.8, RG = 25Q ...................................................... 27
Hình 3.15: Dòng điện ỈCM khi m = 0.8, RG = 25Q.................................................... 27
Hình 3.16: Điện áp VCM, điện áp VBZ và ÌCM của tác giả m = 0.8, RG = 25Q ....... 28
Hình 3.17: Dòng điện ÌCM khi m = 0.8, RG = 5Q .................................................... 29
Hình 3.18: Dòng điện ÌCM khi m = 0.8, RG= 10Q................................................... 29
Hình 3.19: Dòng điện ÌCM khi m = 0.8, RG = 5Q, CG =10nF.................................. 30
Hình 3.20: Dòng điện ÌCM khi m = 0.8, RG = 10Q,CG =10nF ................................ 30
Hình 4.1: cấu trúc phần cứng của bộ nghịch lưu một pha nầm bậc .......................... 32
Hình 4.2: Bộ nguồn DC đầu vào của bộ nghịch lưu 5L-T-AHB ................................ 33
Hình 4.3: Mạch điều khiển DSP TMS320F28379D của hãng TI ............................... 33
Hình 4.4: Mạch lái TX-DA962D6 .......................................... .. ................................ 34
Hình 4.5: Sơ đo nguyên lý mạch cách lỵ .................................................................... 34
Hình 4.6: Xung qua mạch lái ...................................................................................... 35
Hình 4.7: Mạch công suất .......................................................................................... 35
Hình 4.8: Sơ đồ chân và bảng chức nãngic 74HC541 ............................................... 36
Hình 4.9: Sơ đồ chân và bảng chức nãngic 74HC04 ................................................. 36
Hình 4.10: Sơ đồ chân và bảng chức nầngỉC 74LS08................................................ 37
Hình 4.11: Tải 1 pha R-L ............................................................................................ 37
Hình 5.1: Mạch thực tế bộ nghịch lưu ........................................................................ 38
Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng theo mạch thực tế ............................................................ 38
Hình 5.3: Dạng xung kích các khóa Sỉ, S3 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m=
0.4 ............... .’ ........ .. ......................... .................. ... ....... .. ...................... . ............ 39
Hình 5.4: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) ......... 40
Hình 5.5: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) ......... 40
Hình 5.6: Điện áp ngõ ra khi m = 0.4, VDC/2 = Ỉ5V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b). .... .......... ... . .....1 .......................... . ............................ i. .. ............................... 41
Hình 5.7: Dòng tải khi khim = 0.4, VDC/2=Ỉ5V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
............................................................ ........................................................ . ............. 41
Hình 5.8: Điện áp ngõ ra khi m = 0.4, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b). .... .......... ... . .....1... ....................... ... ......................... ’. .. ............................... 42
Hình 5.9: Dòng tải khi khim = 0.4, VDC/2= 20 V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
....................................................... ... ......................... .. .. ... ......... .... ...... ..... ........ 42
Hình 5.10: Điện áp ngõ ra khi m = 0.4, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
.............. .. .. .... ............... ........ ......... .....Z ..................... .. .......... ........... ..... ... .... 43
Hình 5.11 Dòng tải khi khi m = 0.4, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
..............................................................................................................................................'.........................'.................................................!......................43
Hình 5.12 Dạng xung kích các khóa Sỉ,S3 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m
= 0.5 ....... ................................................................................................................................................................................................................................................44
Hình 5.13 Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m =
0.5......... ................................................................................................................................................................................................................................................44
Hình 5.14 Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m =
0.5........... ...............................................................................................................................................................................................................................................45
Hình 5.15 Điện áp ngõ ra khi m = 0.5, VDC/2 = Ỉ5V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ......... ................................................................................................................................................................................................................................................45
Hình 5.16 Dòng tải khi khi m = 0.5, VDC/2 = Ỉ5V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
..............................................................................................................................................’........................'........................................................................46
Hình 5.17 Điện áp ngõ ra khi m = 0.5, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ......... ................................................................................................................................................................................................................................................46
Hình 5.18 Dòng tải khi khi m = 0.5, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
..............................................................................................................................................'.........................'........................................................................47
Hình 5.19 Điện áp ngõ ra khi m = 0.5, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ......... ....................................................................................................................................................................................................................................!...........47
Hình 5.20 Dòng tải khi khi m = 0.5, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
..............................................................................................................................................'.........................'........................................................................48
Hình 5.21 Điện áp ngõ ra khi m = 0.5, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ......... ................................................................................................................................................................................................................................................48
Hình 5.22 Dòng tải khi khi m = 0.5, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
..............................................................................................................................................'.........................'........................................................................49
Hình 5.23: Dạng xung kích các khóa Sỉ, S3 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m
= 0.8......................................................... . ......... ! ...1.......... .... ........ ! ............ ... ...49
Hình5.24: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m = 0.8
................... .' ........... .. .................................. .' ..........' .... ... ............ .. ..... .. .. ... 50
Hình 5.25 Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m =
...............................................................................................................................................................................................................................................50
0.8 ..........
Hình 5.26 Điện áp ngõ ra khi m = 0.8, VDC/2 =Ỉ5V thực nghiệm (a) và mô phỏng
.. ...... .....1.............................................................................................................................................................................................................51
(b) ........
Hình 5.27 Dòng tải khi khi m = 0.8, VDC/2 = Ỉ5V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
..............................................................................................................................................'.........................'.................................................!......................51
Hình 5.28 Điện áp ngõ ra khi m = 0.8, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ......... .. ............................................................................................................................................................................................................’ ..... 52
Hình 5.29: Dòng tải khi khi m = 0.8, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
..................... ..... ... ..................... ............................. ......... ..... .............. ’ ..........52
Hình 5.30: Điện áp ngõ ra khi m = 0.8, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ........................................................... ... ................. .........................................! 53
Hình 5.3ỉ: Dòng tải khi khi m = 0.8, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
......................................... .. . ... ................ .’ ..........' ..... .. ............! ......... 53
Hình 5.32. Điện áp ngõ ra khi m = 0.8, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) .......... .............................................. .................. ....................................... ! 54
Hình 5.33.
Dòng tải khi khi m = 0.8, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
......................................... .. . ... ................ .’......... .' ..... .. ........... ! ......... 54
Hình 5.34. Dạng xung kích các khóa Sl, S3 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m
= 0.9 ...... .. ............. ... ...................................................... ... ............. . ..... .. . .... . 55
Hình 5.35. Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m =
0.9 .......... .. ............. .. ......................................... .. ................................ ............... 55
Hình 5.36. Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m =
0.9 .......... .. ............. .. ......................................... .. ................................ ............... 56
Hình 5.37. Điện áp ngõ ra khi m = 0.9, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) .......... .............................................. .. ........................................................ ..... 56
Hình 5.38.
Dòng tải khi khi m = 0.9, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
......................................... .. ..................... .’......... .' ..... .. ........... .... ...... 57
Hình 5.39: Điện áp ngõ ra khi m = 0.9, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ........................................................... ... .............................. .. ........................... .. 57
Hình 5.40: Dòng tải khi khi m = 0.9, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
...................................... ... .’ .................... .'........... ...... . ! ......... 58
Hình 5.41: Điện áp ngõ ra khi m = 0.9, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ............................................................................................................................ 58
Hình 5.42: Dòng tải khi khi m = 0.9, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
...................................... .. . ..................... .’ .......... .' .... . ........... ! ........... 59
Hình 5.43: Điện áp ngõ ra khi m = 0.9, VDC./2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ..........................................................................................................................
59
Hình 5.44: Dòng tải khi khi m = 0.9, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
.. .... ...... ................. .... .......................... ... ........ . .... . ........... ’ ........... 60
Hình 5.45: Dạng xung kích các khóa Sl, S3 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m
= 1.1............ .’ .......... ... ........................................................... ........... !. ...... . ...... ... 60
Hình 5.46: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m =
1.1 ............... ... ........ ... ........................................ ... ................................ .. ............. 61
Hình 5.47: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m =
1.1 ............... .' .......... ... ........................................ ... ................................ .. ............. 61
Hình 5.48: Điện áp ngõ ra khi m = ỉ.ỉ, VDC/2 = Ỉ5V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
............................................................... ... ... .. .! .................................................62
Hình 5.49: Dòng tải khi khi m = ỉ.ỉ, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
.......................................................... .. ...................... .’ ......... .' .... .. ........... ! ........... 62
Hình 5.50: Điện áp ngõ ra khi m = 1.1, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ............................................................................................................................ 63
Hình 5.51: Dòng tải khi khi m = ỉ.ỉ, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
.......................................................... .. .. ... ................ .’ ..........' ..... .. ........... ! .......... 63
Hình 5.52: Điện áp ngõ ra khi m = ỉ.ỉ, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ............................................................................................................................ 64
Hình 5.53: Dòng tải khi khi m = ỉ.ỉ, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
................................................................................... .’ ....... .' ................. ! .......... 64
Hình 5.54: Điện áp ngõ ra khi m = 1.1, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ............................................................................................................................ 65
Hình 5.55: Dòng tải khi khi m = ỉ.ỉ, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
.................................................................................... .’ ........ .' .... .. ........... ! .......... 65
DANH SÁCH BẢNG BIÊU
Bảng 2.1: Bảng tóm tắt điện áp cơ bản theo từng cấu hình
14
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
PSIM - Power electronics and motor drive simulation.
5L-T-AHB - A Single-Phase Asymmetrical T-type Five-level Transformerless
PV Inverter
PV
- Photo Voltaic.
EMI
- Electric Magnetic Interference.
PWM
- Pulse-width Modulation.
NPC
- Neutral Point Clamped.
CMI
- Cascade Multilevel Inverter.
CMV
- Common Mode Voltage.
POD
DP
- Phase Opposition Disposition.
- In Phase Disposition.
APOD - Alternative Phase Opposition Disposition.
THD
- Total Harmonic Distortion.
RMS
- Root Mean Square.
DANH MỤC KÝ HIỆU sử DỤNG
Cl, C2 Tụ điện chia nguồn
Cp,Cpi, Cp2 Tụ điện hình thành giữa tế bào PV và khung nối đất.
Vpv
Điện áp tế bào PV.
Si,S2,S3,S4,S5,S6 Các khóa đóng ngắt công suất.
DI,D2 Diode.
VAB
Điện áp ngõ ra.
VCM
Điện áp Common Mode
VAZ,VBZ Điện
VTCM Điện
áp thành phần ngõ ra.
áp điều chế.
ÌCM,Ì1,Ĩ2 Dòng điện Common Mode, dòng điện trong mạch ngõ
ra. ZG,RG,RS Tổng trở, điện trở.
Lii
Cảm kháng.
Vm
Điện áp sóng mang.
Vđk
Điện áp sóng điều khiển.
Ton,Toff Thời
gian đóng, ngắt của khóa công suất
mf
Hệ sô điêu chê tân sô.
ma
Hệ so điêu chê bien dp
fs,fout Tan so đóng cat khóa công suất, tan so điện áp ngõ ra.
1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài
Từ những nguồn năng lượng con người đã phát hiện thì điện năng đóng vai
trò quan trọng trong đời sống con người nhờ những ưu điểm vượt trội (dễ chuyển
thành các dạng năng lượng khác, dễ dàng truyền tải đi xa, hiệu suất cao). Điện
năng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ công nghiệp, dịch
vụ,., đến phục vụ cho đòi sống con người.
Nguồn năng lượng để tạo ra điện trước đây là thủy điện, nhiệt điện, điện hạt
nhân,.. Những nguồn năng lượng trên ít nhiều đều gây ảnh hưởng đến môi trường
của con người, ngoài ra thì nhiên liệu hóa thạch (nguồn nguyên liệu của nhiệt
điện) ngày càng cạn kiệt do sự khai thác quá mức của con người trước đây. Vì
vậy mà những nguồn năng lượng mói giải quyết những vấn đề đó đang lên ngôi
và được các nước trên thế giới nghiên cứu và áp dụng, điển hĩnh là năng lượng
mặt trời ngày càng được quan tâm và phát triển. Chính nguyên nhân ấy mà hệ
thống tấm pin năng lượng mặt trời (PV- photovoltaic) ngày càng phổ biến.
Thông thường năng lượng từ pin mặt trời được tích trữ lại trong bình nạp
(accqui) rồi sử dụng năng lượng trong bình nạp đó để nối lưới và sinh hoạt. Ưu
điểm của phương pháp này là điện áp bình nạp cố định, dẫn đến bộ chuyển đổi ra
điện áp sử dụng khá đơn giản. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là gây tổn hao lớn
khi chuyển đổi năng lượng phải qua 2 khâu - từ pin xuống bình nạp rồi từ bình
nạp lên điện áp sử dụng, đồng thời phải tốn thêm thiết bị tích trữ năng lượng như
accqui với giá thành tương đối cao. Bởi vậy, vấn đề đặt ra là tại sao chúng ta
không dùng chính lưới điện để làm nguồn “tích trữ năng lượng”? Như vậy, trong
lúc chúng ta sử dụng năng lượng từ lưới điện thì chúng ta cũng có thể gửi năng
lượng lên trên lưới điện. Chính vì lý do trên, ta cần nghiên cứu và chế tạo bộ
nghịch lưu đa bậc để chuyển đổi điện DC thành AC để có thể hòa lưới. Bộ đa bậc
sẽ làm giảm điện áp chịu đựng lên khóa công suất và làm giảm kích thước và giá
cả của bộ lọc LC.
2
1.2. Đối tượng thực hiện và mục tiêu nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bộ nghịch lưu một pha năm bậc TNPC.
Mục tiêu nghiên cứu :
Phân tích nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu, nguyên lý đóng cắt các
khóa công suất IGBT và xây dựng phương pháp điều chế Sin PWM cho bộ nghịch
lưu đa bậc.
Thực hiện bộ nghịch lưu và kiểm tra các thông số điện áp, dòng điện của
bộ nghịch lưu để từ đó đánh giá chất lượng và phát triển nó.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên những kiến thức đã được học, qua những
bài báo khoa học.
Thực nghiệm: Thiết kế, thực hiện và chạy thực nghiệm bộ nghịch lưu sử
dụng Kit của vi điều khiển TMS320F28379D. Mô phỏng và thực nghiệm trên tải
RL để xác nhận tính đúng đắn của giải thuật PWM cho nghịch lưu năm bậc.
Phần mềm sử dụng:
-
Dựa vào phần mềm mô phỏng PSIM9.0.3 để mô phỏng bộ nghịch lưu
và các xung điều khiển cho các khóa công suất.
- Sử dụng phần mềm Code Composer Studio (CCS) để lập trình tạo xung
Sin PWM cho Kit của vi điều khiển TMS320F28379D.
- Phần mềm Altium 2017 để thiết kế các mạch của bộ nghịch lưu.
3
CHƯƠNG 2: Bộ BIẾN TẦN MỘT PHA BẤT ĐỐI XỨNG 5 BẬC LOẠI T
2.1. Tổng quan về hệ thống điện mặt trời.
Các hệ thống pin năng lượng mặt trời được phân loại theo Microchip
Technology Inc
2.1.1. Hê thống điên cho những noi tiêu thu ít năng lương điên
•
«J •
a
•
o•o•
Hình 2.1: Hệ thống điện cabin (từ Microchip Technology Inc)
Là một hệ thống cung cấp điện áp 12 Vdc âơn giản cung cấp ánh sáng cho
một căn nhà (nhỏ) độc lập. Tấm thu năng lượng mặt trời nhỏ (<100W) được kết
nối trực tiếp với pin. Pin được nối với đèn và các thiết bị DC khác sử dụng điện
áp 12 volt như hình 2.1. Tuổi thọ pin bị tổn hại bởi việc sạc pin không được kiểm
soát. Hệ thống này không thể dùng để kết lưói và được coi là "ngoài lưói".
2.1.2. Hệ thống điện mặt tròi ở nông thôn
Hình 2.2: Hệ thống điện mặt trời ở nông thôn (từ Microchip Technology Inc)
4
Gồm các tấm pin lớn hơn có khả năng tạo ra điện áp từ 24-96 Vdc được kết
nối với một hệ thống biến đổi để tạo ra 120/240 Vac để dùng cho các hoạt động
chiếu sáng và các thiết bị gia dụng. Tuổi thọ pin được cải thiện với một mô-đun
sạc được điều chỉnh. Điện áp DC cao hơn hỗ trợ mức điện năng vừa phải. Hệ
thống không thể dùng để kết lưới và được coi là "ngoài lưới".
2.1.3. Hệ thống điện mặt trời vùng đô thị
Hình 2.3: Hệ thống điện mặt trời ở đô thị ị từ Microchip Technology Inc)
Gồm các tấm pin lớn cung cấp điện áp từ 200-400 Vdc được kết nối với một bộ
nghịch lưu để tạo ra 120/240 Vac ở mức công suất trung bình (2- 10KW). Hệ
thống này được kết nối với các đường dây điện AC (tức là nối lưới) như thể hiện
trong hình 2.3. Khách hàng bán điện cho công ty điện trong ngày và mua điện từ
công ty điện trong đêm.
2.1.4. Hệ thống một bộ nghịch lưu vói nhiều bộ chỉnh lưu
Hình 2.4: Hệ thống điện mặt trời một bộ nghịch hru với nhiều bộ chỉnh
lưu (từ Microchip Technology Inc)
5
Sử dụng bộ chỉnh lưu cho mỗi chuỗi cung cấp năng lượng thu được từ các
tấm pin mặt trời như thể hiện trong hình 2.4. Bộ chỉnh lưu có thể là các mô-đun
riêng biệt hoặc nằm trong bộ nghịch lưu. Phương pháp này dễ hư hỏng do chỉ có
một bộ nghịch lưu , và liên quan đến sự phân bố điện áp DC cao - một tình huống
nguy hiểm vì khả năng kết hợp điện nguồn trực tiếp khó đạt được.
2.1.5. Hê thếng điên măt tròi sử dung nhiều bô nghỉch lưu
■
o
•
m
BO
«
13
>
Hình 2.5: Hệ thắng điện mặt trời sử dụng nhiều bộ nghịch ỉưu (từ
Microchip Technology ỉnc)
Gồm các tấm pin lớn có khả năng tạo ra điện áp từ 200-400 Vdc được kết
nối với các bộ nghịch lưu để tạo ra điện áp 120/240 Vac ở mức công suất trung
bình (2-10 kW). Các bộ nghịch lưu được kết nối với lưới điện như trong hình 2.5.
Việc sử dụng nhiều bộ nghịch lưu để nâng cao năng lượng thu được từ các tám
pin mặt trời và nâng cao độ tin cậy hệ thống nâng cao.
6
2.1.6. Hệ thống pin mặt trời tích họp bộ nghịch lưu
Hình 2.6: Hệ thống pin mặt trời tích hợp biến tần (từ Microchip Technology
Inc)
Mỗi tấm pin năng lượng được kết hợp biến tần của riêng mình. Biến tần kết
hợp mô-đun còn được gọi là bộ biến tần. Việc kết hợp các bộ biến tần vào các
tấm pin mặt trời làm giảm đáng kể chi phí lao động, cải thiện độ an toàn và tối đa
hoá việc thu năng lượng mặt trời
2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu một pha năm bậc
kiểu T
2.2.1. Tổng quát:
Với sự nghiên cứu và phát triển, các bộ nghịch lưu không biến áp đã cho ta
thấy được những cải tiến và ưu điểm so với những bộ nghịch lưu với biến áp cách
ly trước đây. Cụ thể là các bộ nghịch lưu không biến áp có kích thước và trọng
lượng nhỏ hơn, chi phí sản xuất thấp hơn cũng như hiệu quả hơn [1]- [7]. Chính
vì những cải tiến và ưu điểm đó, các bộ nghịch lưu không biến áp sẽ dần trở thành
giải pháp được ưu tiên cho các bộ biến đổi năng lượng tái tạo, đặc biệt là cho các
bộ biến đổi năng lượng mặt trời (PV)
7
Hình 2.7: Mô hình của bộ nghịch lưu một pha không biến áp
Hình 2.7 cho ta thấy một mô hình đon giản của bộ nghịch lưu một pha
không biến áp. Vì không có máy biến áp (ở tần số cao hoặc thấp) nên có một mối
nối điện giữa bộ chuyển đổi điện và lưới điện. Kết quả là dòng điện rò có thể chạy
xuống đất. Trên thực tế thi dòng điện rò tưcmg ứng với dòng điện thông thường
và vì thế ta dễ nhầm lẫn giữa chúng. Dòng chảy rò rỉ bao gồm dòng điện của các
điện dung ký sinh Cpi và Cp2, đó là điện dung được hình thành giữa các tế bào
PV và khung nối đất của bảng PV [8], [9]. Các giá trị của Cpi và Cp2 thường từ
vài microfarad đến vài nanofarad, nó phụ thuộc vào các điều kiện về độ ẩm, bụi,
kích thước tấm PV, cấu trúc khung,.. Dòng điện rò có thể ảnh hưởng đến hiệu
quả và độ tin cậy của hệ thống và có thể gây ra các vấn đề nhiễu điện từ (EMIElectroMagnetic Interference) [10], [11]. Thêm vào đó, nó còn là một mối nguy
hiểm tiềm ấn đối với con người khi tiếp xúc với các bảng PV. Do đó ở Đức, họ
đã cho ra một tiêu chuấn có tên DIN VDE 0126-1-1. Trong đó xác định rằng:
“Bất cứ khi nào dòng diện rò vượt quá 300 mA, thì hệ thống PV phải được ngắt
kết nối trong vòng 0,3 giây” [12].
Cường độ và tần số của dòng rò rỉ trong một hệ thống PV chủ yếu phụ thuộc
vào kiểu biến tần và phương pháp điều chế. Các mô hình biến tần không biến áp
khác nhau đã được xem xét tập trung vào việc phân tích dòng rò rỉ. Ví
8
dụ, bộ chỉnh lưu cầu H một pha với phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực và
bộ chỉnh lưu ghim điểm trung tính (NPC - Neutral Point Clamped ) là các cấu
trúc liên kết có dòng rò rất thấp.
Một trong những mục tiêu chính trong việc thiết kế các bộ chỉnh lưu kết nối
lưói không biến áp là giảm hoặc loại bỏ dòng rò rỉ. Các giải pháp được báo cáo
cho đến nay có thể được phân loại trong việc thiết kế các chương trĩnh điều chế
và kiểm soát [11], [16], [19] và đề xuất các mô hình mới [10], [20] - [22].
Các mô hình không biến áp toàn kỳ và các sơ đồ điều chế của chúng để đối
phó với việc giảm dòng rò rỉ được trình bày trong [20], [22] - [24]. Một cải tiến
là mô hình biến tan H6 nhằm giảm hiện tượng rò rỉ được trình bày trong [20].
Trong [25], một chiến lược điều chế cho một mô hình mới của một bộ chuyển
đổi bộ chỉnh lưu ghim điểm trung tính (NPC - Neutral Point Clamped) ba pha
được đề xuất. Mô hình này bao gồm hai thiết bị chuyển mạch bổ sung, hai điốt
và tụ phân cực ở phía DC. Trong mô hình này, các điốt và bộ chia điện dung hạn
chế điện áp của các thiết bị chuyển mạch. Trong [26], một mô hình khác được
trình bày, bao gồm thêm hai thiết bị chuyển mạch và diode. Mô hình này có thể
giảm thiểu hiện tượng rò rỉ bằng cách sử dụng phương pháp PWM đơn cực. Trong
[27], một bộ chỉnh lưu một pha kết lưới không biến áp sử dụng hai cuộn cảm.
Cuộn cảm hoạt động riêng biệt cho bán kỳ dương và bán kỳ âm. Ngoài ra, hai
thiết bị chuyển mạch phía AC tách riêng các nguồn PV ra từ lưới, làm giảm hiện
tượng rò rỉ tần số cao.
Nhiều biến tần cho phép giảm điện áp trong vật liệu bán dẫn công suất, và
kích thước của các bộ lọc đầu ra thụ động [29], có thể là giảm chi phí hệ thống.
Dựa trên những lợi ích này, việc áp dụng các mô hình đa tầng trong các hệ thống
PV cũng đã được quan tâm trong những năm gần đây [6], [13], [28], [30]. Các
mô hĩnh đa bậc đã chứng minh những ưu điểm nhất định để đưa điện vào lưới
với các mô hình đơn giản. Ví dụ, nó đã chỉ ra rằng bộ nghịch lưu liên tầng đa bậc
(CMI - Cascade multilevel Inverter) không cần một giai đoạn tăng
