- 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2017 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. - 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 14 giờ, ngày 27 tháng 2 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. - Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG 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 công suất hai chiều”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014, (trang 136 -142). - Bùi Văn Huy, Trần Trọng Minh, Nguyễn văn Liễn (2014), “Điều khiển dòng công 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 trang 24-31). - 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. - 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 công suất hai chiều”, Chuyên san điều khiển và tự động hóa số 12- Tháng 4/2015 ISSN trang 76-82). - Thực nghiệm bộ nghịch lưu DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao có khả năng trao đổi công 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). - 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 Trang 41-48). - 1 MỞ ĐẦU Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển, ổn định và kết nối các nguồn điện phân tán, đặc biệt khi các nguồn phát này nối với lưới điện. - Công suất của các nguồn phát phân tán nối lưới ngày càng cao đặt ra yêu cầu cần có sự thay đổi về cấu trúc bộ biến đổi để thay thế các bộ biến đổi hai mức truyền thống. - Nghịch lưu đa bậc chính là một giải pháp cho những ứng dụng đòi hỏi công suất lớn và điện áp cao. - Trong các ứng dụng sử dụng nghịch lưu đa bậc, điện áp của ngõ ra được tăng lên, tổn hao chuyển mạch của linh kiện điện tử công suất giảm. - Nghịch lưu đa bậc phân nhỏ các bước nhảy điện áp ra phía xoay chiều, nhờ đó giảm được tốc độ tăng điện áp du/dt trên tải, các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở mức điện áp thấp, tần số đóng cắt của các van mạch lực thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số điện áp ra của quá trình điều chế cao. - Như vậy nghịch lưu đa bậc giảm đáng kể tổn thất trong quá trình đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của điện áp ra, đó là những yếu tố rất quan trọng ở dải công suất lớn. - Trong các bộ biến đổi đa bậc thì bộ nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H có những ưu thế hơn so với những loại khác như: cấu tạo đơn giản, ít thành phần linh kiện, cấu trúc dạng module, dễ nâng cấp mở rộng hệ thống. - Đối tượng nghiên cứu: Bộ biến đổi đa bậc nối tầng AC-DC-AC-AC có khâu cách ly tần số cao gồm 2 cổng: cổng 1 là xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng. - cổng 2 xây dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu đa bậc DC-AC-AC nối tầng, khâu DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao. - Đề xuất thuật toán mới nhằm cân bằng điện áp trên các tụ điện một chiều trung gian, đề xuất thuật toán điều chế và chuyển mạch cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao và khâu AC-AC điều khiển chuyển mạch kiểu biến tần ma trận. - Nghiên cứu khả năng áp dụng một số phương pháp điều khiển như điều khiển PI, cộng hưởng, tựa thụ động và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số để kiểm chứng khả năng làm việc của bộ biến đổi. - 2 § Kiểm chứng các phương pháp điều chế, thuật toán chuyển mạch và phương pháp điều khiển thông qua những minh chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm. - Phương pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển mạch đảm bảo các yêu cầu đã đặt ra cho bộ biến đổi. - Mô phỏng các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển mạch trên Matlab-Simulink. - Kiểm chứng các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển mạch trên các hệ thống thực nghiệm. - Phạm vi nghiên cứu. - Luận án giải quyết vấn đề trao đổi công suất giữa hai nguồn điện xoay chiều với giả thiết hai nguồn đó không có những trạng thái không bình thường. - Do đó, luận án không xử lý những vấn đề khi trên lưới điện xuất hiện các trạng thái không bình thường. - Những vấn đề về yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo nguồn phát phân tán nối lưới cũng như chế độ làm việc ốc đảo của nguồn phát phân tán không phải phạm vi nghiên cứu của luận án. - Vấn đề chế tạo máy biến áp tần số cao HF là một nội dung quan trọng đối với bộ biến đổi, tuy nhiên trong luận án cũng chưa đề cập về vấn đề này. - Bài toán điều khiển đặt ra trong luận án là Điều khiển trao công suất tác dụng và thu phát công suất phản kháng. - Luận án không giải quyết bài toán điều khiển hệ số cosφ ở hai cổng. - Luận án triển khai mô phỏng ở cấp trung áp 3,3 kV và thực nghiệm ở cấp điện áp 220V. - Tuy nhiên, những bộ biến đổi đa bậc có ưu điểm lớn khi ứng dụng cho những nguồn phát phân tán có công suất lớn và điện áp cao. - Việc chọn mức điện áp phù hợp không phải phạm vi nghiên cứu của luận án. - Ý nghĩa của đề tài: Nghiên cứu những bộ biến đổi có khả năng kết nối linh hoạt các nguồn điện phân tán có bản chất khác nhau, đảm bảo cách ly, đảm bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng và thu phát công suất phản 3 kháng độc lập, đảm bảo độ tin cậy và khả năng dễ dàng mở rộng hệ thống là một nhu cầu bức thiết hiện nay. - Đề tài nghiên cứu bộ biến đổi đa bậc nối tầng có cấu trúc AC-DC-AC-AC, có khâu cách ly tần số cao đáp ứng đòi hỏi yêu cầu của thực tiễn. - Một loạt các vấn đề về điều chế, điều khiển chuyển mạch, các mạch vòng điều khiển dòng điện, điện áp và công suất đã được đề tài đưa ra phương án giải quyết mang đến những đóng góp khoa học thực sự cho nghiên cứu này. - Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án. - Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ một chiều trung gian. - Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật toán chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận. - Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai chiều bằng các phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số. - Bố cục luận án gồm 4 chương như sau: Chương 1 Tổng quan Chương 2 Bộ biến đổi hai cổng AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao: Phân tích cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi mà luận án nghiên cứu. - đề xuất thuật toán cân bằng điện áp một chiều trung gian của bộ biến đổi. - đề xuất phương pháp điều chế và thuật toán chuyển mạch cho bộ DC-AC-AC. - trình bày phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa bậc kiểu dịch pha ở cổng 1 và cổng 2 Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi: Các vòng điều khiển dòng điện, điện áp một chiều trung gian, điều khiển công suất P,Q đều được đưa ra phân tích và thiết kế. - Vòng điều khiển dòng điện được quan tâm đặc biệt và thiết kế với thuật toán là thuật toán PI, cộng hưởng, tựa thụ động. - 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 thông qua mô hình nghịch lưu nối tầng 7 bậc. - kiểm nghiệm khả năng trao đổi công suất hai chiều của bộ biến đổi AC-DC-AC-AC một pha 3 bậc. - 4 Cuối cùng là mục Kết luận và kiến nghị, chỉ ra những đóng góp chính của luận án và hướng phát triển tiếp của đề tài. - 1 TỔNG QUAN 1.1 Vai trò của những bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối nguồn phát phân tán với lưới điện Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò cực kỳ quan trọng, chúng thực hiện các nhiệm vụ biến đổi AC-DC, DC-DC, DC-AC và đảm bảo hiệu suất cao và khả năng làm việc tin cậy của hệ thống. - Bộ biến đổi điện tử công suất cũng phải quản lý được các chế độ hoạt động của nguồn phân tán (chế độ nối lưới và chế độ độc lập). - quản lý năng lượng mà cụ thể là các quá trình thu phát công suất. - Mỗi IGBT chỉ có thể chịu được điện áp tối đa khoảng 6,5 kV. - Như vậy, để có thể dùng bộ biến đổi nghịch lưu hai mức cho những ứng dụng điện áp cao thì có thể mắc nối tiếp các van IGBT. - Tuy nhiên, vấn đề thách thức đối với giải pháp này là làm sao điều khiển đồng thời các van. - Bộ biến đổi đa bậc có thể là khâu biến đổi năng lượng điện lý tưởng cho kết nối các nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện, bao gồm hầu hết các nguồn phân tán như pin mặt trời, pin nhiên liệu, điện sức gió. - Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp 1.2 Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp 1.3 Các phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc Có ba phương pháp điều chế phổ biến cho các bộ biến đổi đa bậc. - Điều chế tại tần số cơ bản § Điều chế theo sóng mang (carrier based PWM. - Điều chế vector không gian. - 1.4 Tổng quan về phương pháp chuyển mạch trong biến tần ma trận khóa hai chiều 1.5 Các phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện cho bộ biến đổi đa bậc Gồm hai nhóm phương pháp điều khiển là phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến. - 1.6 Tổng quan về tình hình ứng dụng bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối nguồn điện phân tán với lưới Do sự phát triển của công nghệ bán dẫn đặc biệt là công nghệ chế tạo IGBT, hàng loạt các bộ biến đổi đa bậc được sử dụng trong các ứng dụng ở mức trung và cao áp. - Hoặc hệ thống kết nối các nguồn phân tán có bản chất khác nhau như bộ biến đổi UNIFLEX-PM (Universal Flexible Power Management system) kiếu AC-DC-DC-AC hoặc AC-DC-AC-AC. - Cấu trúc lưới điện phân tán sử dụng bộ Uniflex-PM 1.6.1 Cấu trúc bộ AC-DC-DC-AC 1.7 Định hướng và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 1.7.1 Định hướng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là bộ biến đổi đa bậc nối tầng dùng để trao đổi công suất giữa hai nguồn điện xoay chiều. - Bộ biến đổi đó đảm bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng ở hai cổng đồng thời có khả năng tự thu phát công suất phản kháng ở mỗi cổng một cách độc lập. - Luận án tập trung nghiên cứu bộ biến đổi AC-DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao. - 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 DC- 6 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 quá trình trao đổi công 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. - Ý nghĩa khoa học: đề xuất thuật toán cân bằng điện áp trên tụ một chiều trung gian mới , đảm bảo quá trình điều chế và chuyển mạch an toàn của khâu DC-AC-AC bằng phương pháp điều chế phía sơ cấp máy biến áp tần số cao kết hợp thuật toán chuyển mạch kiểu biến tần ma trận phía thứ cấp. - Với những cấu trúc điều khiển thích hợp, bộ biến đổi hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu trao đổi công suất hai chiều của bộ biến đổi § Ý nghĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu là tiền đề cho việc tích hợp các nguồn phát phân tán với lưới tại Việt Nam với mức cỡ trung áp và công suất cỡ vài trăm kVA đến vài MVA. - 2 Bộ biến đổi 2 cổng AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao 2.1 Cấu trúc của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng 7 Cấu trúc chi tiết của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng được cho như Hình 2.1 Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng 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. - 2.2 Phân tích bộ biến đổi phía cổng 1 Đối với nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng thì phương pháp điều chế sóng mang kiểu dịch pha là phương pháp phù hợp nhất. - Xét về chức năng bộ biến đổi, cổng 1 có vai trò như bộ chỉnh lưu tích cực trong đó phía DC đóng vai trò là phụ tải. - Vì mạch vòng điện áp chỉ có một mạch vòng chung tác động lên giá trị trung bình của điện áp DC nên nếu tải các khâu khác nhau thì không có gì đảm bảo điện áp trên các tụ DC sẽ bằng nhau. - Trong các ứng dụng back-to-back của sơ đồ nối tầng thì cân bằng điện áp trên các tụ DC là yêu cầu bắt buộc, nó là một thách thức đối với việc điều chế và điều khiển bộ biến đổi. - Nội dung về cân bằng điện áp trên tụ một chiều trung gian được trình bày ở mục 2.2.1 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng v Các phương pháp điều chế cho một module cầu H v Phương pháp điều chế cho nghịch lưu 7bậc nối tầng cầu H 8 Dạng sóng điện áp ra và các dạng xung điều khiển được cho như hình 2.7. - 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 Hình 2.7 Điều chế kiểu dịch pha cho bộ nghịch lưu cầu H 7 bậc 9 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 van Điện áp ra uo,i Trạng thái tụ DC iL > 0 iL < 0 1 S1, S4 +Udc Nạp điện Phóng điện -1 S3, S2 -Udc Phóngđiện Nạp điện 0 (S1, S3), (S2,S4) 0 Không thay đổi Không thay đổi Tác động của thuật toán tóm tắt lại trong bảng 2.5, những ô có dấu. - 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. - Để kiểm chứng thuật toán cân bằng điện áp trên tụ, tác giả đã xây dựng mô hình mô phỏng chỉnh lưu tích cực 1 pha 7 bậc. - 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 Time [s Time [s]Hình 2.12 Chỉnh lưu tích cực trên cơ sở NL đa bậc cầu H 11 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 14VV 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 hiệufucó 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. - Điện áp uf là hoàn toàn xác định được, do đó việc chuyển mạch 4 bước phía thứ cấp máy biến áp kết hợp với điều chế phía sơ cấp máy biến áp chính là một trong những đóng góp của luận án. - 12 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 2.29 Nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng Hình 2.31 Giản đồ xung điều khiển các van phía sơ cấp MBA 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)
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt