Thiết kế bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có nối lưới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN QUỐC VINH

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC CÓ NỐI LƯỚI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : ..................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

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
06 tháng 01 năm 2018.

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 ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Trần Quốc Vinh

MSHV: 1670356

Ngày, tháng, năm sinh: 23/07/1978

Nơi sinh: Nam Định

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60.52.02.02

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC CÓ NỐI LƯỚI
II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nắm vững và nâng cao kỹ năng lập trình C, lập trình vi điều khiển mà ở đây là một vi điều
khiển khá mới DSP TMS320F28379D.
2. Tìm hiểu giải thuật Space Vector Pulse Width Modulation cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc
NPC.
3. Tìm hiểu về vịng khóa pha PLL trong q trình hịa đồng bộ.
4. Mô phỏng bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC có nối lưới dùng giải thuật Space Vector Pulse
Width Modulation có điều khiển cơng suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bằng phần
mềm Matlab.
5. Thiết kế mơ hình thực nghiệm bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có nối lưới dùng vi xử lý
TMS320F28379D Launch pad.
III. Ngày giao nhiệm vụ: 10/07/2017
IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 03/12/2017
V. Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Đình Tuyên
Tp. HCM ngày.…., tháng ….., năm 20.…
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy, Cô trong Trường Đại Học
Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu
trong suốt thời gian em theo học tại trường.

Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô trong khoa Điện – Điện Tử, Bộ Môn
Cung Cấp Điện, Bộ môn hệ thống điện, Bộ môn thiết bị điện, đặc biệt là thầy Nguyễn Đı̀nh
Tuyên đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo em trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp.

Ngoài ra em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người bạn đã cùng gắn bó và giúp đỡ em
trong những năm học qua, cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Sau cùng, em xin cảm ơn gia đình vì đã ln động viên, giúp đỡ, và tạo điều kiện về mặt kinh
tế và thời gian để bản thân em có thể vượt qua những khó khăn trong suốt q trình học tập
và thực hiện luận văn tốt nghiệp.

TP. Hồ Chí Minh, Ngày 04 tháng 12 năm 2017

Trần Quốc Vinh


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu về bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC, giải thuật điều chế độ rộng
xung SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation), phương pháp hịa đồng bộ cho bộ
nghịch lưu với lưới, để có thể điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q đối
với bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có hịa lưới. Kết quả được kiểm chứng thông qua mô phỏng
và thực nghiệm.
Luận văn gồm 06 chương như sau:

-

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài.
Chương 2: Trình bày cấu hình và kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch
lưu NPC.
Chương 3: Giới thiệu phương pháp hịa đồng bộ
Chương 4: Mơ hình hóa và mơ phỏng bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có nối lưới bằng
phần mềm Matlab Simulink.
Chương 5: Thiết kế mô hình thực nghiệm bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có nối lưới sử
dụng vi điều khiển TMS320F28379D Launch pad.
Chương 6: Kết quả thực nghiệm.


ABSTRACT
In this paper, a grid tied three phase three level inverter has been designed and developed.
F28379D controller has been used and space vector pulse width modulation method is
proposed to control the firing of switches. In order to synchronize the output voltage of the
inverter with the Grid voltage, sinusoidal reference voltages for the microcontroller has been
taken from the three phase grid lines. The controller generates PWM signals which are
modulated by the grid voltages. The output of the switching circuit is applied to the primary of
a 1 KVA step-up transformer. Finally, the output of the step-up transformer is filtered by
inductors and capacitors.
There are six chapters in thesis, which are as below.
-

Chapter 1: Introduction and overview of thesis.
Chapter 2: The structure and Space Vector Pulse Width Modulation method of the three
phase three level NPC inverter.
Chapter 3: Synchronization of a three phase inverter to electrical grid.
Chapter 4: Modeling and simulating of a three phase three level inverter in Matlab

Simulink.
Chapter 5: Designing an experimental model of the grid tied three phase three level
inveter to estimate and verify the theory and simulation.
Chapter 6: The experimental results and discussion.


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tơi tham khảo
các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mơ phỏng, thực nghiệm đều do chính bản thân
tơi tự làm ra, hồn tồn khơng phải sao chép từ bất kỳ một tài liệu hoặc cơng trình nghiên cứu
nào khác. Các tài liệu tham khảo đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo
đúng theo yêu cầu.

Trần Quốc Vinh


NỘI DUNG

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU CHUNG ...................................................................... 1

1.1.

Lý do chọn đề tài.................................................................................................................... 1

1.2.

Mục tiêu của đề tài ................................................................................................................ 3

1.3.

Phạm vi và phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 4

1.4.

Kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài ............................................................... 4

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH BA PHA VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG ............................................................................................ 6
2.1.

Bộ nghịch lưu ba pha NPC ................................................................................................... 6

2.2.

Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) ........................................................ 7

2.2.1. Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) .............................................................. 7
2.2.2. Phương pháp điều chế vector khơng gian có giảm và triệt tiêu điện áp common-mode 12
2.3.

Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện....................................................................... 12

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP HỊA ĐỒNG BỘ ......................... 15
3.1.

Phương pháp phát hiện điểm khơng(ZCD) ....................................................................... 15

3.2.

Phương pháp vịng khóa pha .............................................................................................. 16

3.2.1. Tổng quan về Phase locked loop....................................................................................... 16
3.2.2. Điều chỉnh PLL .................................................................................................................. 16
3.3.

Giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu ba pha nối lưới........................................................ 20

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC CĨ NỐI LƯỚI 22
4.1.

Tổng quan chương trình mơ phỏng ................................................................................... 22

4.2.

Khối vịng khóa pha............................................................................................................. 23

4.3.

Khối chuyển đổi hệ trục tọa độ........................................................................................... 25

4.4.

Khối tính tốn cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng .......................................... 28

4.5.

Khối điều khiển dòng điện .................................................................................................. 29

4.6.

Khối giải thuật vector không gian ...................................................................................... 30

4.7.

Khối đầu ra của bộ nghịch lưu và lưới .............................................................................. 31

4.8.

Đáp ứng điều khiển PQ khi hòa lưới ................................................................................. 33

4.9.

Sơ đồ giải thuật tổng qt ................................................................................................... 37

5.1.

Mơ hình thực nghiệm tổng qt ......................................................................................... 38

5.2.

Giới thiệu về vi điều khiển của hãng Texas Instrument TMS320F28379D .................... 39

5.3.

Giới thiệu về Board điều khiển TMS320F28379D Launchpad ....................................... 42

5.4.

Mạch lái cho khóa cơng suất IGBT .................................................................................... 43

5.5.

Thơng số của IGBT ............................................................................................................. 47

5.6.

Thông số của Diode kẹp ...................................................................................................... 48

5.7.

Mạch cảm biến điện áp ....................................................................................................... 49

5.8.

Mạch cảm biến dòng điện ................................................................................................... 50


5.9.

Mạch giao tiếp với cảm biến dòng và áp ........................................................................... 51

5.10. Máy Biến áp ......................................................................................................................... 54
5.11. Mạch tạo nguồn DC cấp cho bộ nghịch lưu ...................................................................... 54
5.12. Mạch lọc LC ......................................................................................................................... 55

CHƯƠNG VI

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ........................................................ 56

6.1.

Tổng quan về các chế độ thực nghiệm ............................................................................... 56

6.2.

Chạy Inverter điều khiển độc lập cấp nguồn cho tải ba pha ........................................... 56

6.3.

Chế độ đo điện áp từ lưới và phát lại ................................................................................. 60

6.4.

Hịa lưới và điều khiển cơng suất tác dụng và công suất phản kháng ............................ 63


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

1. Sơ đồ máy phát điện gió tốc độ thay đổi có nối lưới ............................................................................. 1
2. Sơ đồ một dây UPS của hãng GUTOR/ Schneider Electric .................................................................. 2
3. Sơ đồ máy phát điện gió DFIG có nối lưới ........................................................................................... 2
4. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời có nối lưới ............................................................................................... 3
5. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời có bộ nghịch lưu trung tâm có nối lưới ................................................... 3
6. Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC ......................................................................................................... 6
7. Cấu trúc một nhánh pha A của bộ nghịch lưu NPC .............................................................................. 6
8. Hình vẽ các trạng thái kích cho pha AZ ................................................................................................ 7
9. Sơ đồ vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc NPC ...................................................................... 8
10. Sơ đồ các vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc NPC .............................................................. 8
11. Vector điện áp tham chiếu trên hệ trục tọa độ abc và αβ ................................................................... 10
12. Vector điện áp và thời gian tồn tại ở sector I ..................................................................................... 11
13. Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC...................................... 13
14. Sơ đồ mạch và dạng sóng điện áp của ZCD ...................................................................................... 15
15. Sơ đồ các khối cơ bản của PLL ......................................................................................................... 16
16. Khối điều chỉnh PLL tổng quát ......................................................................................................... 16
17. Khối điều chỉnh vịng khóa pha PLL ở chế độ tín hiệu bé ................................................................ 17
18. Sơ đồ khối PLL với bộ phát hiện pha lý tưởng ................................................................................. 17
19. Bộ phát hiện pha sử dụng bộ tạo tín hiệu pha vng góc và biến đổi Park ....................................... 18
20. Phương pháp chuyển đổi trễ T/4 ....................................................................................................... 19
21. Phương pháp chuyển đổi nghịch đảo ................................................................................................. 19
22. Phương pháp SRF PLL truyền thống ................................................................................................ 20
23. Mô phỏng SRF PLL .......................................................................................................................... 20

24. Công suất phản kháng và công suất tác dụng của bộ nghịch lưu ...................................................... 21
25. Tổng quan về mơ hình mơ phỏng bộ nghịch lưu ............................................................................... 22
26. Mơ hình các khóa và diode của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC ................................................... 23
27. Cấu trúc của vịng khóa pha PLL ...................................................................................................... 23
28. Sơ đồ khối chuẩn trong Matlab của vịng khóa pha cho bộ hòa đồng bộ .......................................... 24
29. Sơ đồ vòng khóa pha dạng SRF -PLL cho bộ hịa đồng bộ............................................................... 24
30. Khối bộ hịa đồng bộ góc quay bằng vịng khóa pha SRF-PLL ........................................................ 25
31. Kết quả mơ phỏng tách góc quay theta từ điện áp lưới ..................................................................... 25
32. Khối biến đổi hệ trục abc sang dq0 cho điện áp và dòng điện .......................................................... 26
33. Dòng điện Id_f và Iq_f sau phép biến đổi dang hệ trục tọa độ dq0 ................................................... 26
34. Điện áp của bộ nghịch lưu sau phép biến đổi dq0 ............................................................................. 27
35. Khối biến đổi dq0 sang alpha beta ..................................................................................................... 27
36. Khối tính tốn chuyển đổi cơng suất tác dụng và phản kháng sang dòng điện ................................. 28
37. Khối đo công suất tác dụng và phản kháng phát lên lưới .................................................................. 28
38. Khối điều khiển PI dòng điện ............................................................................................................ 29
39. Điện áp theo hệ trục dq0 sau bộ điều khiển dịng điện ...................................................................... 29
40. Hình vẽ điện áp Valpha và Vbeta sau khi chuyển đổi hệ trục αβ ...................................................... 30
41. Khối biến đổi hệ trục tọa độ và khối điều khiển xuất xung SVPWM ............................................... 30
42. So sánh tín hiệu điều khiển và xung tam giác ................................................................................... 31
43. Các khối động lực bao gồm inverter, mạch lọc cảm kháng và nối lưới ............................................ 31
44. Điện áp dây đầu ra của bộ nghịch lưu VAB ...................................................................................... 32
45. Điện áp pha C và trung tính của tụ điện VCN ................................................................................... 32
46. Kết quả dòng điện ba pha truyền lên lưới theo giá trị đặt công suất P&Q ........................................ 33


Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

47. Mơ hình tổng qt mơ phỏng lấy đáp ứng điều khiển PQ ................................................................. 33
48. Đáp ứng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q trong trường hợp 1 ................................ 34
49. Đáp ứng của điện áp dây VAB của bộ nghịch lưu và điện áp dây Vab của lưới trường hợp 1 ......... 34
50. Đáp ứng của dịng điện ba pha với thay đổi cơng suất đặt trường hợp 1 .......................................... 35
51. Đáp ứng của hệ thồng với việc thay đổi công suất đặt trong trường hợp 2 ....................................... 35
52. Đáp ứng điện áp dây VAB của bộ nghịch lưu và điện áp dây Vab của lưới trong trường hợp 2 ...... 36
53. Đáp ứng của dòng điện ba pha với thay đổi công suất đặt trường hợp 2 .......................................... 36
54. Lưu đồ giải thuật tổng quát................................................................................................................ 37
55. Hình chụp tổng quát phần cứng thực nghiệm .................................................................................... 38
56. Sơ đồ thực nghiệm tổng quát ............................................................................................................. 39
57. Sơ đồ chân DSP TMS320F28379D ................................................................................................... 39
58. Sơ đồ khối chức năng của Vi xử lí TMS320F28379D (hai nhân) ..................................................... 41
59. Sơ đồ lõi xử lý của F28379D ............................................................................................................. 42
60. Sơ đồ tổng quan của Board điều khiển TMS320F28379D Launch Pad ............................................ 43
61. Sơ đồ các chân kết nối ra của Board F28379D Launch Pad .............................................................. 43
62. Sơ đồ nguyên lý của Board Mạch điều khiển Driver tích hợp điển hình .......................................... 44

63. Sơ đồ mạch lái cho IGBT .................................................................................................................. 45
64. Bộ nguồn cách ly DC/DC cho mạch lái ............................................................................................ 45
65. Điện trở cổng Rg cho IGBT .............................................................................................................. 46
66. Board mạch Driver tích hợp 02 kênh ................................................................................................ 46
67. Mạch cảm biến điện áp ...................................................................................................................... 49
68. Mạch cảm biến dòng điện .................................................................................................................. 50
69. Mạch giao tiếp của Vi xử lý với cảm biến ......................................................................................... 51
70. Mạch First order low pass filter ......................................................................................................... 51
71. Mạch khuếch đại đảo ......................................................................................................................... 52
72. Mạch lọc thông thấp .......................................................................................................................... 52
73. Mạch cộng ......................................................................................................................................... 53
74. Board giao tiếp cảm biến điện áp và dòng điện với Vi xử lý F28379D ............................................ 53
75. Máy biến áp ba pha 200 Vac/400Vac ................................................................................................ 54
76. Mạch cấp nguồn Vdc/2 cho bộ nghịch lưu ........................................................................................ 54
77. Mạch lọc thông thấp LC .................................................................................................................... 55
78. Mơ hình thực nghiệm tổng qt ........................................................................................................ 56
79. Điện áp trên pha b và trung tính của tụ VBN .................................................................................... 57
80. Điện áp dây VAB của Inverter .......................................................................................................... 57
81. Điện áp dây VAB sau cuộn L=0.5mH ............................................................................................... 58
82. Điện áp sơ cấp pha B và trung tính của máy biến áp VBN ............................................................... 58
83. Điện áp dây VAB phía thứ cấp sau máy biến áp 200Vac/400Vac .................................................... 59
84. Điện áp dây thứ cấp của máy biến áp VAB (màu vàng) và VBC (màu xanh) .................................. 59
85. Điện áp dây phía thứ cấp máy biến áp VAB (màu vàng) & VCA (màu xanh) sau bộ lọc LC .......... 59
86. Điện áp pha giữa pha A và trung tính của tụ VAN ........................................................................... 60
87. Điện áp dây VAB trước bộ lọc .......................................................................................................... 60
88. Điện áp dây Vab& Vbc của phía inverter sau lọc ............................................................................. 61
89. Điện áp dây Vab& Vbc của Inverter sau lọc ..................................................................................... 61
90. Điện áp dây Vbc& Vca của Inverter sau lọc ..................................................................................... 61
91. Điện áp lưới Vab grid so với điện áp pha Vab inverter ..................................................................... 62
92. Điện áp lưới Vbc grid so với Vbc inverter ........................................................................................ 62

93. Điện áp lưới Vca grid so với điện áp Vca inverter ............................................................................ 62
94. Điện áp dây Vab inverter (màu vàng) và Vab lưới (màu xanh) ........................................................ 63


Hình 95. Điện áp pha Vbc inverter (màu vàng) và Vbc lưới (màu xanh) ........................................................ 63
Hình 96. Điện áp dây VCA inverter (màu vàng) và Vca lưới (màu xanh) ....................................................... 64
Hình 97. thơng số đọc được từ màn kế nối với Ti C 2000 ............................................................................... 64


Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

DANH MỤC BẢNG BIỂU
1. Các trạng thái kích cho pha A và các mức điện áp...................................................7
2 . Trạng thái đóng ngắt và độ lớn của vector không gian ............................................9
3. Bảng thông số mô phỏng bộ nghịch lưu .................................................................22
4. Bảng tra điện trở cổng Rg ......................................................................................46
5. Bảng thông số của IGBT ........................................................................................47
6. Bảng thông số của Diode kẹp .................................................................................48
7. Bảng thông số cùa cảm biến điện áp ......................................................................49
8. Bảng thông số của cảm biến dòng điện ..................................................................50


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

SRF –PLL : Synchronous Rotating Frame Phase Locked Loop
SVPWM : Space Vector Pulse Width Modulation
SPWM: Sine Pulse Width Modulation
UPS : Uninterrupted Power Supply
GSC: Grid Side Converter
WSC: Wind turbine Side Converter
PCC: Point of common coupling
NPC: Neutral Point Clamped
PD: Phase Detector
VCO: Voltage Control Oscillator
LPF : Low pass filter
PI: Proportional Integral control
PID: Proportional Integral Derivative Control
MPC : Model Predictive Control
ZCD: Zero Crossing Detector
DFIG: Doubly Fed Induction Generator
THD: Total Harmonic Distortion
CCS: Code composer studio


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
HVTH: TRẦN QUỐC VINH

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của việc sử dụng năng lượng tái tạo như
điện mặt trời, điện gió, pin nhiên liệu và các nguồn năng lượng tái tạo khác phục vụ sinh hoạt
cũng như công nghiệp, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc vào việc sử
dụng nhiên liệu hóa thạch để phát triển bền vững trong những thập kỷ tới.
Sự phát triển mạnh của cơng nghiệp điện tử và bán dẫn thì đóng vai trị khơng nhỏ trong
sự phát triển đồng hành của việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo góp phần nâng cao hiệu
suất, chất lượng đầu ra của thiết bị biến đổi công suất cho năng lượng tái tạo phục vụ dân dụng
cũng như công nghiệp.
Trong các bộ biến đổi công suất thì khơng thể khơng nhắc đến các bộ nghịch lưu, chuyển
đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều. Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu
trong cấu tạo của nghịch lưu nối lưới nhằm cung cấp nguồn năng lượng tái tạo hịa lưới.
Ngồi các ứng dụng truyền thống trong việc truyền động điện động cơ xoay chiều, dùng
trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn điện, chuyển đổi nguồn điện liên tục UPS,
điều khiển chiếu sáng. Bộ nghịch lưu cịn có một nhánh mới phát triển rất mạnh hiện nay là
dùng để chuyển đổi nguồn năng lượng từ nguồn năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời
hịa lưới.
Bộ biến đổi cơng suất ba pha có hịa lưới hiện đang được sự quan tâm và nghiên cứu cho
các ứng dụng cho năng lượng mặt trời và năng lượng gió khi năng lượng tái tạo đang ngày
càng thâm nhập rộng rãi vào hệ thống điện truyền thống hiện hữu.

Hình 1. Sơ đồ máy phát điện gió tốc độ thay đổi có nối lưới

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
HVTH: TRẦN QUỐC VINH

Hình 2. Sơ đồ một dây UPS của hãng GUTOR/ Schneider Electric

Hình 3. Sơ đồ máy phát điện gió DFIG có nối lưới

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
HVTH: TRẦN QUỐC VINH

Hình 4. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời có nối lưới

Hình 5. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời có bộ nghịch lưu trung tâm có nối lưới
Do đó, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu về bộ biến đổi cơng suất ba pha NPC có nối lưới.
Phân tích, sử dụng các linh kiện công suất trên thị trường và đưa ra các phương pháp điều rộng
xung để điều khiển bộ nhằm mục đích tăng chất lượng điện ngõ ra .
1.2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là bộ biến đổi ba pha ba bậc NPC có nối lưới. Nghiên cứu
sử dụng vi điều khiển F28379D Launch pad có cấu hình mạnh dual cores giá thành rẻ vào phát
triển bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC, đồng thời nghiên cứu triển khai giải thuật đều chế
Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) đã học để áp dụng vào điều khiển mạch
phần cứng thực tế và viết giải thuật hịa lưới dùng vịng khóa pha SRF – PLL.
3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

HVTH: TRẦN QUỐC VINH

1.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu gồm hai phần là xây dựng mơ hình mơ phỏng và thực nghiệm thiết kế
thi công phần cứng nhằm kiểm chứng lại mô phỏng lý thuyết.
Đề tài thực hiện những công việc như sau:
-

Nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên các kiến thức đã học và tìm hiểu các bài báo đã được cơng
bố trên các tạp chí có uy tín như IEEE, các sách đã phát hành của các nhà xuất bản lớn, các
tài liệu của các nhà chế tạo lớn như ABB, Siemens, Schneider....

-

Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng bộ biến đổi NPC, phương
pháp điều rộng xung vector không gian (SVPWM) được sử dụng để điều khiển bộ biến đổi
công suất ba pha có nối lưới.

-

Thực nghiệm: nhằm kiểm chứng kết quả mơ phỏng thông qua mạch điều khiển thực tế sử
dụng Card DSP TMS320F28379D Launch pad của hãng Texas Instruments (TI).

1.4. Kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài
Kết quả đạt được:
Do thực hiện một khối lượng công việc tương đối lớn trong một khoảng thời gian ngắn là
06 tháng nên kết quả đã đạt được ở một số phần nhất định như sau:
-

Tìm hiểu và viết thành cơng chương trình mơ phỏng tồn bộ hệ thống bằng Matlab

Simulink, bao gồm điều khiển công suất tác dụng P và cơng suất phản kháng Q phát lên
lưới có hịa đồng bộ sử dụng vịng khóa pha SRF – PLL.

-

Mặc dù ngặp khơng ít khó khăn về phần mềm và phần cứng khi nghiên cứu và viết chương
trình trên Board điều khiển TMS320F28379D Launch Pad là loại Vi điều khiển tương đối
mới của dịng TI C2000. Chương trình điều khiển đã được viết bằng Code Composer Studio
6.0 bao gồm các thiết lập các kênh ePWM có deadband đặt mềm từ chương trình để tránh
hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạch, đọc và xuất các giá trị Analog từ các cảm biến dịng
áp, xử lý các chương trình ngắt, viết giải thuật SVPWM và SRF-PLL.

-

Thi công phần cứng nhằm kiểm chứng lại lý thuyết đã mô phỏng gồm các phần như sau:
 Thiết kế và chạy thành công phần biến tần ba pha ba bậc NPC sử dụng phương pháp
điều chế SinPWM và Space Vector PWM với điện áp đầu vào UDC là 340Vdc và đầu
ra đặt 156Vac peak.
 Đọc điện áp ba pha của lưới và phát ngược từ biến tần trở lại lưới, có qua biến áp để
thao tác hịa đồng bộ với lưới. Kết quả đạt được cho dạng điện áp đầu ra sau máy biến
áp tăng áp của bộ nghịch lưu và điện áp lưới gần giống nhau. Đo điện áp ba pha từ
lưới và tạo điện áp phát từ phía inverter ra cho điện áp dây gần như đồng bộ với lưới.

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
HVTH: TRẦN QUỐC VINH

 Đã viết toàn bộ giải thuật và chạy thử chưa nối lưới phát ra điện áp gần như đồng bộ
với điện áp và tần số lưới (bao gồm cả giải thuật SRF PLL, PQ control …). Tuy nhiên
các giá trị qua sát trên CCS vẫn còn cần phải tinh chỉ về phần cứng và phần mềm để
có kết quả tốt hơn trước khi hòa lưới.
Hướng phát triển của đề tài:
-

Về phần cứng cần phải cân chỉnh & thay đổi lại mạch:
 Tiếp tục cân chỉnh lại các cảm biến cho chính xác hơn đảm bảo sai số nhỏ càng nhỏ
càng tốt.
 Tạo bộ nguồn DC cấp riêng cho cho mạch NPC và có cơng suất lớn hơn để đảm bảo
vấn đề thu phát công suất giữa lưới và inverter khi có chênh lệch điện áp trong q
trình hịa lưới. Mặt khác đảm bảo vấn đề cân bằng tụ đối với mạch nghịch lưu NPC
phải có thêm giải thuật cân bằng tụ, hoặc làm 02 nguồn VDC/2 độc lập ra.
 Thiết kế thêm mạch bảo vệ quá dòng, quá áp cho Inverter, bảo vệ công suất ngược từ
lưới về inverter.
 Bảo vệ Sync- check relay (25) cho mạch hòa đồng bộ.

-

Về phần mềm:
 Tiếp tục xử lý các hệ số làm tròn cho phù hợp để điện áp đầu ra tốt hơn.
 Có thể phải tiếp tục tuning hệ số Kp, Ki của các bộ điều khiển dòng Id, Iq để có đáp
ứng tốt hơn trong mơ hình thực nghiệm.

Phát triển thêm chế độ điều khiển Off- Grid cho bộ nghịch lưu, tiến xa hơn nữa là Hybrid
invert kết nối nhiều nguồn năng lượng tái tạo và phát triển cho các ứng dụng như sau:


Smart Solar inverter kết nối lưới.



Micro turbine.



UPS.



Wind turbine kết nối lưới.



Micro Grid/ Smart Grid.

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
HVTH: TRẦN QUỐC VINH

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH BA PHA VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG
2.1. Bộ nghịch lưu ba pha NPC
Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha NPC có thể dùng như bộ biến đổi công suất để kết nối

các nguồn tích trữ năng lượng như ắc quy, điện mặt trời hoặc đầu ra của nguồn của lưới điện
siêu nhỏ (Microgrid) kết nối lên lưới điện truyền thống như hình 5.

Hình 6. Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC

Hình 7. Cấu trúc một nhánh pha A của bộ nghịch lưu NPC
Phân tích các trạng thái đóng cắt cho một nhánh pha A trên hình 7, ta có bảng các trạng
thái như trong bảng 1.

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
HVTH: TRẦN QUỐC VINH

Bảng 1. Các trạng thái kích cho pha A và các mức điện áp

Hình 8. Hình vẽ các trạng thái kích cho pha AZ
2.2. Phương pháp điều chế vector khơng gian (SVPWM)
Phương pháp điều chế vector không gian là phương pháp số, trong đó mục tiêu là tạo điện
áp tải PWM trung bình bằng điện áp tải cho trước hoặc bằng điện áp tham chiếu. Điều này có
thể thực hiện trong mỗi chu kỳ đóng ngắt của bộ nghịch lưu và tính tốn thời gian tồn tại thích
hợp của từng trạng thái. Quá trình lựa chọn trạng thái và thời gian được thực hiện bằng các
phép biến hình vector khơng gian.
2.2.1.

Kỹ thuật điều chế vector khơng gian (SVPWM)

Việc đóng cắt các khóa cơng suất trong các nhánh pha của mạch nghịch lưu tạo ra điện áp
pha tải với vector không gian của nó thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc.

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
HVTH: TRẦN QUỐC VINH

Hình 9. Sơ đồ vector khơng gian của bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Như vậy, đối với nghịch lưu ba bậc thì sẽ có 27 trạng thái kích đóng khác nhau như trong
bảng 2 ứng với 19 vector không gian theo hình 9 và hình 10.

Hình 10. Sơ đồ các vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc NPC

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Vector
khơng gian

V0

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUN
HVTH: TRẦN QUỐC VINH

Trạng thái
đóng ngắt

Loại vector

Độ lớn
vector

Vector khơng

0

Vector nhỏ

1
Vdc
3

Vector vừa

3
Vdc
3

Vector lớn

2
Vdc
3

NNN
OOO
PPP


V1

V2

V3

V4


V5

V6

V7

V8

V9

V10

V11

V12


V13

V14

V15

V16

V17

V18

POO
ONN
PPO
OON
OPO
NON
OPP
NOO
OOP
NNO
POP
ONO
PON
OPN
NPO
NOP
ONP
PNO

PNN
PPN
NPN
NPP
NNP

PNP
Bảng 2 . Trạng thái đóng ngắt và độ lớn của vector không gian

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
HVTH: TRẦN QUỐC VINH

Phương pháp chuyển đổi hệ trục tọa độ abc sang αβ

Hình 11. Vector điện áp tham chiếu trên hệ trục tọa độ abc và αβ
Chiếu vector Vref lên các hệ trục abc và αβ ta có cơng thức sau:
𝑉

(1)

= 𝑉 + 𝑗𝑉 = (𝑉 + 𝑎𝑉 + 𝑎 𝑉 )

Với giá trị

𝑎=𝑒

Biên độ và góc quay của vector Vref được xác định theo công thức số 2
𝑉

=

𝑉

, 𝜃 = tan ( )

+𝑉

(2)

Giá trị điện áp tham chiếu quy đổi
𝑉 + 𝑗𝑉 = (𝑉 + 𝑒

𝑉 + 𝑗𝑉 = (𝑉 + cos(

𝑉 +𝑒

)𝑉 + cos(

(3)

𝑉)

)𝑉 ) + 𝑗 (sin( ) 𝑉 − sin( ) 𝑉 )

(4)

Giá trị điện áp tham chiếu theo hệ trục αβ như sau:
𝑉
𝑉

=

1

cos(

)

0

sin( )

cos(

)

−sin( )

𝑉
𝑉
𝑉

=

1

−

0

√

−
−

√

𝑉
𝑉
𝑉

(5)

Từ đó ta có:
𝑉 = (𝑉 − 𝑉 − 𝑉 )
√

𝑉 = (

𝑉 −

√

𝑉)

(6)
(7)

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN
HVTH: TRẦN QUỐC VINH

Có ba bước chính để có được chuỗi trạng thái đóng ngắt thích hợp trong từng khoảng thời
gian lấy mẫu trong kỹ thuật điều chế vector không gian.
Bước 1: Lựa chọn các vector cơ bản phù hợp
Dựa vào bảng 2. có tất cả 27 trạng thái đóng ngắt khác nhau ứng với 19 vector. Giá trị điện
áp của những vector này có thể chia thành 4 nhóm: vector lớn, vector vừa, vector nhỏ và vector
khơng. Trong mặt phẳng, chia hình lục giác thành 6 tam giác chính được giới hạn bởi các
vector lớn và vector không. Trong mỗi tam giác chính, được chia thành 4 tam giác nhỏ. Có tất
cả 24 tam giác nhỏ trong mặt phẳng hình lục giác. Các đỉnh của tam giác nhỏ đại diện cho các
vector khơng gian. Trong đó các vector khơng có 3 trạng thái đóng ngắt khác nhau, vector nhỏ
có hai trạng thái đóng ngắt khác nhau. Các vector có nhiều trạng thái đóng ngắt khác nhau gọi
là vector trùng lặp.
Bước 2: Tính toán thời gian tồn tại Ta , Tb , Tc của mỗi vector trong từng tam giác nhỏ


V
Tùy thời điểm và vị trí của vector tham chiếu ref mà ta có thể xác định được chuỗi đóng
ngắt và thời gian tồn tại của các vector. Đây là bước tính tìm ra độ lớn của vector trung bình
trong khoảng thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts .

Hình 12. Vector điện áp và thời gian tồn tại ở sector I



Như vậy, theo hình 12, vector tương đương với vector tham chiếu Vref có thể thực hiện



bằng cách điều khiển duy trì tác dụng theo trình tự vector V1 trong thời gian Ta , vector V7

V
trong thời gian Tb và vector 2 trong thời gian Tc theo hệ thức:
𝑉⃑ ∗ 𝑇 + 𝑉⃑ ∗ 𝑇 + 𝑉⃑ ∗ 𝑇 = 𝑉 ⃑ ∗ 𝑇
𝑇 +𝑇 +𝑇 =𝑇

(8)

11