Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Điều khiển bộ biến đổi đa bậc nguồn áp ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI VĂN HUY

ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐA BẬC NGUỒN ÁP ỨNG DỤNG
TRONG CÁC NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN CÓ NỐI LƯỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 62520216

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2016


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Nguyễn Văn Liễn
2. PGS.TS.Trần Trọng Minh

Phản biện 1: GS. TSKH. Thân Ngọc Hoàn
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Anh Nghĩa
Phản biện 3: PGS. TS. Lê Tòng

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến
sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh (2013), “Chiến lược cân bằng
điện áp các khâu DC cho chỉnh lưu tích cực trên cơ sở nghịch
lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về
Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2013, (trang 204-210)
2. Bùi Văn Huy , Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng
Phương (2014), “Bộ biến đổi DC-AC-AC qua khâu trung gian
tần số cao có khả năng trao đổi cơng suất hai chiều”, Hội nghị
toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014, (trang 136 142).
3. Bùi Văn Huy, Trần Trọng Minh, Nguyễn văn Liễn (2014), “Điều
khiển dịng cơng suất hai chiều qua bộ biến đổi AC-DC-AC-AC
đa bậc nối tầng với khâu trung gian tần số cao”, Chuyên san
điều khiển tự động hóa Số 11- Tháng12/2014 ISSN 1859-0551
(trang 24-31).
4. Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh, Nguyễn Văn Liễn (2015), “Kỹ
thuật mới cân bằng điện áp trên tụ cho nghịch lưu đa bậc nối
tầng chữ H trong hệ thống STATCOM”, Tạp chí khoa học &
công nghệ các trường đại học kỹ thuật số No.107C/2015 (trang
13-18) ISSN 2354-1083.
5. Trần Trọng Minh, Nguyễn văn Liễn, Bùi Văn Huy (2015), “Điều
khiển tựa thụ động cho mạch vòng dòng điện trong bộ biến đổi
đa bậc nối tầng có khả năng trao đổi cơng suất hai chiều”,
Chun san điều khiển và tự động hóa số 12- Tháng 4/2015
ISSN 1859-0551 (trang 76-82).
6. Bùi Văn Huy, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh, Vũ Hồng

Phương, Trần Đình Thoại (2015), “ Thực nghiệm bộ nghịch lưu
DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao có khả năng trao đổi
cơng suất hai chiều”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về Điều khiển
và Tự động hoá - VCCA 2015 tháng 11/2015 (Trang 197-203).
7. Bùi Văn Huy, Trần Trọng Minh (2016), “Mô phỏng và thực
nghiệm kiểm chứng thuật toán cân bằng điện áp trên tụ một
chiều cho chỉnh lưu tích cực đa bậc cầu chữ H nối tầng”,
Chuyên san điều khiển và tự động hóa số 15 tháng 4/2016 ISSN
1859-0551 (Trang 41-48).


MỞ ĐẦU
Các bộ biến đổi điện tử cơng 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 địi hỏi cơng 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 q 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 và 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 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 DC-ACAC nối tầng, khâu DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao với
khâu AC-AC điều chế theo nguyên lý biến tần ma trận.
Mục đích nghiên cứu:
§ Đề xuất thuật tốn 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
mơ 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.
§ Mơ 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 khơng có những trạng thái
khơng bình thường. Do đó, luận án khơng 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 và khảo sát đặc điểm vật lý của 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 tốn điều khiển đặt ra trong luận án là điều khiển trao công
suất tác dụng và thu phát công suất phản kháng. Luận án khơng
giải quyết bài tốn điều khiển hệ số cosφ ở hai cổng.
§ Luận án triển khai mơ phỏng ở cấp trung áp 3,3kV 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
cơng 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
kháng độc lập, đảm bảo độ tin cậy và khả năng dễ dàng mở rộng hệ
2

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 vịng điều khiển dịng
điện, điện áp và cơng 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 tốn 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 tốn
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 tốn 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. Vịng điều khiển
dịng điện được quan tâm đặc biệt và thiết kế với thuật toán là thuật
toán PI, cộng hưởng, tựa thụ động, tựa thụ động có khâu thích nghi
tham số.
Chương 4 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 AC-AC điều chế theo kiểu biến tần ma trận; kiểm
nghiệm khả năng nối tầng của bộ biến đổi DC-AC-AC thơng qua mơ
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 cơng suất đóng vai trị 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 q trình thu phát cơng 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...

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 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 cơng 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
v 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.
v 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
v 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 q trình trao đổi cơng suất
hai chiều của bộ biến đổi.
1.7.3 Đóng góp của luận án
v 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 cơng 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.
v 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 hồn tồn đáp ứng
được u 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
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.
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 phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng
thì phương pháp điều chế sóng mang kiểu dịch pha là phù hợp nhất.
Xét về chức năng bộ biến đổi, cổng 1 có vai trị như bộ chỉnh lưu tích
cực trong đó phía DC đóng vai trị là phụ tải. Vì mạch vịng điện áp
chỉ có một mạch vịng chung tác động lên giá trị trung bình của điện
áp DC nên nếu tải các khâu khác nhau thì khơng 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
v Các phương pháp điều chế cho một module cầu H
v 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

m(t )

sg11
sg31

cr1

cr2

cr3

vH 1

p

sg 12
sg 32
vH 2

p

sg13

sg 33
vH 3

p

v AN
p

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
v Các phương pháp cân bằng điện áp trên tụ DC
v 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
Khơng thay đổi Khơng thay đổi
(S2,S4)
Tác động của thuật tốn tóm tắt lại trong bảng 2.5, những ơ có dấu
“-” nghĩa là bỏ qua, khơng 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)
h=-2
-

hi-1, hi+1 =0
(bypass Ci-1,
Ci+1)
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 mơ hình mơ 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.
200

150
100
50
0

0

0.05

0.1

0.15

0.2
Time [s]

0.25

0.3

0.35

0.4

500

0

-500
0.2

0.22

0.24

0.26

0.28

0.3
Time [s]

0.32

0.34

0.36

0.38

0.4

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.
v Phương pháp dùng hai sóng mang
v 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 V1  V4 phía sơ
cấp biến áp.
Hai tín hiệu sóng
m(t) và – m(t) ngược
pha nhau 180o, upwm+
và upwm- là đầu ra so
sánh giữa m(t) và –
m(t)
với
sóng
mang.Vì
tín
hiệu u f có dạng xoay
chiều biên độ ±1
nên xung mở van S1
là tích uf*upwm+ và
lấy tích uf*upwm- sẽ
được xung mở van

S4.Tín hiệu điều
khiển van S3 là đảo
của van S1, tín hiệu
điều khiển van S2 là
đảo của van S4.

Hình 2.19 Mẫu xung điều khiển PWM cho matrix
converter dùng 2 sóng điều chế

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 khố lại hồn
tồn, td c 1ữ2 às i vi IGBT. in ỏp uf là hồn tồn 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.
11


Hình 2.22 Quá trình chuyển mạch
giữa van S1 và S3 khi uf(t)>0

Hình 2.23 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

Hình 2.31 Giản đồ xung điều
khiển các van phía sơ cấp MBA

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


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 mơ 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 Mơ hình trạng thái và vấn đề điều khiển cơng suất của bộ
biến đổi nối lưới

3.1.1 Mơ hình trạng thái liên tục
Trên hệ tọa độ dq
Hệ tọa độ cố định ab:


 did   R id   Liq  1 ud  ed 


dt
L
L



diq
R
1


  iq   Lid  uq  eq


L
L
 dt



(3.2)



u 
i 
i   e 
   R     L d      s 
u 
i 
dt i   es 
 
 

(3.4)

3.1.2 Điều khiển công suất trong bộ biến đổi nối lưới
3.2 Phân tích cấu trúc điều khiển





Hình 3.5 Hệ điều khiển cổng 1

Hình 3.6 Hệ điều khiển ở cổng 2
13


3.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển PID cho bộ biến đối
3.3.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện
1

R  Ls

1
R  Ls

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 vịng điều khiển cơng suất

Hình 3.11 Mạch vịng 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
v Điều kiện ổn định của bộ điều khiển cộng hưởng
v Bộ điều chỉnh cộng hưởng PR trên hệ tọa độ tĩnh αβ trong hệ
thống 3 pha 3 dây

P2*

ea

ia
*
d

i

*
a

ua*

*
a

i

u

ub*
iq*

Q*

ub*

ib*

uc*
eb

ib

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
u  e  Ri*   Li  r (i*  i )
d
d
q
1 d
d
 d

u  e  Ri*   Li*  r (i*  i )
q
d
2 q
q
 q q



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 vịng dịng điện
Cuộn cảm có L và R luôn tồn tại sai số $g
L3
L  
i* z  i* z
trong q trình chế tạo hoặc có thể không  1 (R  r)  q 1 d 2
được xác định giá trị một cách chính xác µg

L3
R 
i* z  i* z
khi lắp đặt. Sử dụng luật hiệu chỉnh (3.67)  2 (R  r)  d 1 q 2
với các tham số 1, 2 là các hằng số thích z1 %id  id* id ; z2 %iq  iq* iq



nghi khi thiết kế bộ chỉnh định tham số.


(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 vịng dịng điện

Hình 3.25 Điện áp các tụ pha A,B,C và điện áp trung bình trên một pha
15


Hình 3.27 Dạng dịng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2

Hình 2.28 Cơng suất P ở hai cổng

Hình 2.29 Cơng suất Q ở hai cổng

3.7.2 Mơ phỏng cấu trúc ĐK cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện

Hình 3.33 Dạng dịng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2

16


Hình 3.34 P trao đổi ở hai cổng

Hình 3.35 Q trao đổi ở 2 cổng
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)

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

600

0

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 dịng điện qua cuộn cảm ở 2 cổng

3.7.3 Mơ phỏng điều khiển bộ điều khiển tựa thụ động
Hệ số suy giảm r1 = r2 = 0.05.

Hình 3.37 Dạng dịng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2

17

600


Hình 3.40 Cơng suất tác dụng trao
đổi ở hai cổng

Hình 3.41 Công suất phản kháng
trao đổi ở 2 cổng

Fundamental (50Hz) = 81.15 , THD= 1.78%

Fundamental (50Hz) = 2696 , THD= 0.34%
0.06

0.6

Mag(%of Fundam
ental)

M
ag(%of Fundam
ental)

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 Mơ 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  0.05; 1  0.05; 2  0.05

Hình 3.47 Dạng dịng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 1 và 2
18


Hình 3.49 Giá trị cơng suất tác dụng trao đổi ở cổng 1,2
Fundamental (50Hz) = 72.05 , THD= 1.21%
0.7

M a g (% of F und am enta l)

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

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 tốn điều
khiển PI, PR và PBC cho mạch vịng dịng điện và các bộ điều khiển
vịng ngồi. Cơng suất Q thu phát thực tế đo và tính tốn 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. Cấu trúc
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
mục 3.7.5 đã chứng minh rằng khi điện trở và điện cảm của hệ thống
có sai lệch, nhờ có khâu chỉnh định tham số R, L chất lượng bộ điều
khiển tựa thụ động vẫn đảm bảo chất lượng.
19

600


3.8 Tóm tắt và kết luận
Các kết quả mơ phỏng đã thể hiện tính đúng đắn của các thuật tốn
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 Mơ hình thực nghiệm kiểm chứng thuật tốn cân bằng điện
áp trên tụ
4.1.1 Sơ đồ cấu trúc thực nghiệm

220 2 sin( t )

15VDC
±15

VDC

Hình 4.1. Cấu trúc thực nghiệm
chỉnh lưu tích cực 7 bậc
Các tụ Cdi = 2200 µF. R1 = 64 W, R2
= 32 W, R3 = 64 W , Udc,ref = 450V .
Mạch điều chế kiểu dịch pha, tần số
fpwm = 500 Hz.
4.1.2 Các kết quả thực nghiệm

20

Hình 4.2 Hình ảnh mạch lực
bộ chỉnh lưu tích cực 7 bậc

Hình 4.3 Mơ hình thực
nghiệm nghịch lưu đa bậc


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 4.8 Điện áp đo trên mỗi
cầu H bằng Osiloscope

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
iL

uf

Vdc

S1a ,S1b ¸ S4 a ,S4 b

±15 VDC

15VDC
clock

uf

u pwm - u pwm +

Hình 4.10 Cấu trúc mơ 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 mơ hình thực nghiệm này là kiểm chứng khả năng nối
tầng của bộ DC-AC-AC.

15VDC

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

Hình 4.37 Cấu trúc điều khiển hệ AC-DC-AC-AC một pha 3 mức
22