Giải thuật ổn định điện áp ra và giảm độ gợn dòng điện vào nghịch lưu nguồn kháng tựa khóa

- 3 Trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam.
- QR code and download this article độ gợn dòng điện của cuộn kháng tăng áp trong nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch (QSBI)..
- Phương pháp đề xuất dựa trên điều chế độ rộng xung sóng mang với hai sóng tam giác lệch pha nhau 90 o .
- Kỹ thuật đề xuất sử dụng hàm offset để mở rộng chỉ số điều chế và giải thuật ổn định điện áp ngõ ra dựa trên việc điều chỉnh hệ số tăng áp.
- Việc mở rộng chỉ số điều chế sẽ giúp giảm điện áp stress trên các khóa chuyển mạch trung bình đến 16,5% trong các điều kiện mô phỏng.
- Hệ số tăng áp sẽ dựa trên thời gian ngắn mạch phía DC/DC và phía nghịch lưu khi có các các vector zero.
- Điều này giúp giảm tỉ số ngắn mạch cho phần tăng áp DC/DC do có các xung ngắn mạch được chèn vào vị trí các vector zero, vì thế mạch nghịch lưu đảm nhiệm hai quá trình tăng áp và nghịch lưu.
- Sự kết hợp này làm giảm được độ gợn dòng trên cuộn kháng tăng áp.
- Đồng thời việc giảm tỉ số ngắn mạch phía tăng áp DC/DC sẽ cũng giúp giảm công suất của khóa chuyển mạch phía mạch tăng áp và từ đó có thể giảm giá thành sản xuất của sản phẩm.
- Các phân tích sẽ làm rõ kỹ thuật đề xuất.
- Các mô phỏng và thực nghiệm sẽ được thực hiện nhằm đánh giá kỹ thuật đề xuất..
- Từ khoá: Tăng áp DC/DC, điều chế độ rộng xung, nghịch lưu, tỉ số ngắn mạch, QSBI.
- Nghịch lưu tăng áp được ứng dụng nhiều trong các hệ thống điện như: Nguồn năng lượng từ turbin gió, nguồn Pin mặt trời (PV), UPS, xe điện 1 .
- Bộ nghịch lưu tăng áp trực tiếp một chặng có hai cấu hình phổ biến là cấu hình nghịch lưu nguồn Z (ZSI) 2 Hình 1 và nghịch lưu tựa khóa chuyển mạch QSBI 3–5 Hình 2..
- Hai cấu hình này có ưu điểm tận dụng khả năng ngắn mạch của các khóa trong mạch nghịch lưu, để hỗ trợ quá trình tăng áp thay vì điều này là cấm kỵ trong cấu hình nghịch lưu áp (VSI) truyền thống 1.
- Nhưng cấu hình ZSI tồn tại một vài nhược điểm như dòng điện ngõ vào bị gián đoạn, điện áp trên hai tụ cao, các khóa phải đóng ngắt nhiều lần hơn, kích thước của hai cuộn cảm cùng với hai tụ sẽ làm cho thiết kế phần cứng tương đối lớn, mặt khác các linh kiện sử dụng cho khóa công suất phải chịu được điện áp cao, dòng điện lớn 2 .
- Cấu hình QSBI có một số ưu điểm nổi trội như giảm được tần số chuyển mạch do sử dụng khóa đóng ngắt S hoạt động ở chế độ tăng áp kết hợp với sáu khóa công suất của khối nghịch lưu làm việc ở chế độ tăng áp, chống lại sự ngắn mạch bằng việc thêm một diode D 2 .
- Nhưng có nhược điểm là điện áp V PN cấp cho các.
- khóa chuyển mạch khối nghịch lưu vẫn còn lớn, độ gợn dòng trên cuộn cảm tương đối cao 3 .
- Tuy nhiên việc có thêm khóa S cũng cho nhiều giải pháp điều khiển hơn, vì thế trong bài báo này sẽ đề cập đến một kỹ thuật điều chế độ rộng xung kết hợp với thuật toán sử dụng hàm offset nhằm mở rộng giới hạn chỉ số điều chế, ổn định điện áp ngõ ra, giảm độ gợn dòng điện qua điện kháng tăng áp của cấu hình QSBI.
- Nội dung bài báo sẽ gồm 5 phần chính là cấu hình nghịch lưu QSBI trong phần 3, kỹ thuật điều khiển QSBI với 2 sóng mang và hàm offset medimum sẽ được phân tích để đề xuất giải thuật điều khiển giảm độ gợn dòng điện cuộn kháng, giảm điện áp trên DC link trong phần 4.
- Phần 5 trình bày các kết quả mô phỏng, thực nghiệm và phần 6 sẽ khái quát các kết luận, bàn luận thêm..
- Phương pháp nghiên cứu trong bài báo là sử dụng phương pháp tham khảo tài liệu, phân tích để đề xuất các giả thuyết, các vấn đề.
- Tiếp theo sẽ áp dụng phương pháp toán học thực hiện giải tích mạch điện, phân tích, tính toán để tiếp cận và đề xuất giải pháp cụ thể.
- Các giải pháp sẽ được thực hiện mô phỏng và thực nghiệm để làm rõ các vấn đề giải quyết và đưa ra các kết luận..
- Giải thuật ổn định điện áp ra và giảm độ gợn dòng điện vào nghịch lưu nguồn kháng tựa khóa .
- Hình 2: Bộ nghịch lưu QSBI ba pha..
- Cấu trúc nghịch lưu 3P2LqSBI gồm một mạch tăng áp phối hợp với một mạch nghịch lưu VSI Hình 2..
- Các thành phần gồm nguồn V S , cuộn kháng L, một tụ điện C, diode D 1 , D 2 , 6 khóa IGBT phía nghịch lưu (ký hiệu SxP, SxN với x là a, b, c) và khóa S trong mạch DC/DC tăng áp.
- Điện áp pha tải ngõ ra là u a , u b và u c .
- V re f = (u a ,u b ,u c ) là một vector điện áp mong muốn trong hệ trục tọa độ dq, với góc α thì vector điện áp.
- Do đó, điện áp V PN lúc này không ảnh hưởng đến tải vì thế thời điểm này có thể thực hiện ngắn mạch P-N để tích trữ năng lượng trong cuộn dây L vì thế trong mạch 3P2LqSBI có ba trạng thái chuyển mạch chính là “Ngắn mạch phía tăng áp (S), “Không ngắn mạch (NST.
- ngắn mạch phía nghịch lưu (ST)”..
- Trạng thái ngắn mạch phía tăng áp (S) Hình 4(a) khóa S đóng nạp năng lượng cho cuộn cảm L.
- D 2 dẫn nên bộ VSI hoạt động ở chế độ nghịch lưu với.
- Điện áp cấp cho khối nghịch lưu là điện áp trên tụ V C .
- Trạng thái sáu khóa chuyển mạch phía nghịch lưu như nghịch lưu nguồn áp thông thường.
- Trong đó m là chỉ số điều chế.
- u b x là giá trị đỉnh của thành phần cơ bản điện áp pha x..
- Trong đó T là chu kỳ sóng mang, t S là thời gian đóng khóa S và t ST là thời gian ngắn mạch phía nghịch lưu..
- Đồ thị dòng điện trong Hình 5 cho thấy kỹ thuật điều khiển thông thường với điện áp v dS và v dST không bằng nhau dẫn đến dòng điện i L qua điện cảm có độ gợn lớn.
- Do đó có thể đề xuất kỹ thuật cải tiến..
- Thuật toán cải tiến khả năng ngắn mạch phía nghịch lưu với hàm offset mới.
- Sử dụng sóng mang tam giác riêng cho bộ nghịch lưu và bộ tăng áp, sóng mang dạng tam giác có biên độ đỉnh-đỉnh là đơn vị, điện áp offset là 0 và chu kỳ T bằng nhau, 2 sóng mang lệch pha 90 o điện, tương ứng với chu kỳ T 4 .
- Sóng mang phía nghịch lưu được gọi là CrI và sóng mang phía tăng áp là CrB.
- Đặt điện áp điều chế PWM điều khiển khóa S phía mạch tăng áp là v ds và điều khiển ngắn mạch phía nghịch lưu là v dst.
- hàm điều khiển.
- Hình 5: Dạng sóng điều khiển, điện áp và dòng điện của 3P2LqSB..
- Điện áp điều khiển phía nghịch lưu (v x ) được xác định như (9)..
- Sử dụng hàm offset cho các điện áp điều khiển phía nghịch lưu.
- Điện áp điều khiển các pha sau khi cộng offset là v xv.
- (14) Với khả năng mở rộng trên thì có thể điều chỉnh điện áp v ds để t S và t ST bằng nhau..
- Thuật toán ổn định điện áp ngõ ra và giảm độ gợn dòng điện cuộn kháng.
- Gọi điện áp đỉnh mong muốn là b u re f.
- 2.u rms , để độ gợn dòng điện là cực tiểu thì thời gian nạp với khóa S đóng và thời gian nạp với các khóa phía nghịch lưu đóng phải như nhau.
- v dS = v dST = min(v av ,v bv ,v cv ) (15) Do đó biểu đồ ngắn mạch và dòng điện qua cuộn cảm L thay đổi như Hình 6.
- Vì thế chỉ số điều chế sẽ thay đổi theo điện áp nguốn V S theo hàm điều khiển.
- Hình 7: Điện áp trên tụ khi sử dụng hàm offset và không offset.
- Trong đó u rms là giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều mong muốn..
- Hình 7 biểu diễn các giá trị điện áp trên tụ khi sử dụng và không sử dụng hàm offset (đường xanh lá cây và xanh dương) khi thay đổi điện áp nguồn cung cấp (V S ) và điện áp xoay chiều mong muốn (u rms.
- Trong mỗi chu kỳ thí nghiệm 10 phút, điện áp mong muốn u rms tăng dần từ 50V đến 110V và nguồn V S có giá trị lần lượt là 36V, 48V, 60V, 72V, 84V, 96V, 108V và 120V.
- Quan sát cho thấy giá trị hiệu dụng thành phần cơ bản của điện áp tại ngõ ra u (1)aN và u (1)aNv bám theo giá trị mong muốn u rms .
- Nhưng khi không sử dụng hàm v o f f set điện áp V C sẽ lớn hơn khi có hàm v o f f set .
- Điều này đã chứng minh được hiệu quả của việc cải tiến khi thêm điện áp v o f f set .
- Sử dụng hàm v o f f set đã cải thiện được giảm trung bình 16,5% điện áp đặt lên các khóa và tụ điện C so với không sử dụng hàm v o f f set .
- Điều này đồng nghĩa với việc tăng tỉ số điều chế m và giảm được tỉ số ngắn mạch.
- Hình 8 trình bày lưu đồ kỹ thuật đề xuất..
- KẾT QUẢ MÔ PHỎNG - THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN.
- Thuật toán được mô phỏng trong phần mềm PSIM với thông số linh kiện như trong Bảng 3 và điện áp nguồn một chiều cung cấp là V S từ 36V đến 110V, điện áp mong muốn là 110Vrms, 50 Hz, tần số sóng mang là 5kHz..
- Hình 8: Lưu đồ giải thuật đề xuất.
- Hình 9 là kết quả mô phỏng tín hiệu điều chế khi có và không hàm offset khi V s là 100V, điện áp mong muốn là 110Vrms.
- Kết quả cho thấy với cùng điện áp mong muốn tại ngõ ra, phương pháp không dùng hàm off- set có chỉ số điều chế là m=0,596 và m=0,708 khi có hàm offset, và tỉ số ngắn mạch d=0,193 (v dS =0,193V) khi không hàm offset và khi có offset là d=0,202 (v dS =0,202V)..
- Trong Hình 10, mô phỏng giải thuật với giá trị hiệu dụng điện áp mong muốn u rms =110V, V S thay đổi từ 36V đến 100V (bằng cách sử dụng mạch chỉnh lưu có điện dung bé), cho kết quả điện áp trên tụ V Cv khi sử dụng hàm v o f f set sẽ bé hơn điện áp trên tụ V C không sử dụng hàm v o f f set .
- Giá trị giảm điện áp trên tụ đạt được trung bình 16,5%..
- Hình 11 cho thấy THD áp pha tải của kỹ thuật sử dụng hàm offset đề xuất nhỏ hơn so với khi không sử dụng.
- Hình 12 là kết quả phân tích sóng hài điện áp pha tải khi sử dụng hàm offset đã đề xuất và thực hiện không giảm độ gợn dòng điện qua điện cảm (v dST = 3 7 v dS ) Hình 12(a) và khi giảm độ gợn dòng qua cuộn cảm (v dST = v dS ) Hình 12(b)..
- Các kết quả cho thấy độ gợn dòng điện tương ứng là 1,35A (Hình 12(c)) và 1,02A (Hình 12(d.
- Nghĩa là độ gợn dòng điện giảm như phân tích ở trên trong khi.
- Việc thực nghiệm được áp dụng trên mô hình tương tự như các điều kiện mô phỏng để dễ so sánh..
- Hình 13: Mạch thực nghiệm.
- Vi xử lý sử dụng là loại TMS320F28335, máy hiện sóng Gwinstek GDS 1072A-U và GDS 1104B.
- Các thiết bị trong Hình 13 với giá trị nguồn, trị số linh kiện như mô phỏng để có thể kiểm chứng.
- Hình 14 trình bày điện áp pha tải trước bộ lọc.
- Dạng sóng nhận được tương tự như kết quả mô phỏng trong Hình 10..
- Hình 14: Điện áp ngõ ra.
- Điện áp sau bộ lọc được trình bày trong Hình 15 và có giá trị đỉnh là 155V tương ứng thành phần cơ bản có giá trị 110Vrms như lý thuyết và mô phỏng..
- Hình 15: Điện áp ngõ ra khi sử dụng bộ lọc.
- Thực nghiệm đo dòng điện qua cuộn kháng tăng áp được trình bày ở Hình 16.
- Dạng sóng và giá trị thực nghiệm cho thấy phù hợp với lý thuyết (Hình 6) và mô phỏng (Hình 12(d))..
- Việc đánh giá hiệu suất được thực hiện qua mô phỏng với tải không đổi, điện áp mong muốn 110Vrms và nguồn một chiều cung cấp thay đổi có kết quả như bảng 4.
- Từ bảng 4 cho thấy kỹ thuật đề xuất có hiệu suất chuyển đổi là chưa cao và có thể nghiên cứu các giải pháp cải tiến khác..
- Hình 16: Dòng điện qua cuộn kháng tăng áp.
- Bảng 3: Đánh giá hiệu suất kỹ thuật đề xuất.
- Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy:.
- Kỹ thuật đề xuất cho phép điều chỉnh chỉ số điều chế vì thế có thể ổn định điện áp pha tải khi nguồn một chiều thay đổi..
- Việc sử dụng hàm offset của kỹ thuật đề xuất cho phép giảm điện áp đặt vào khối nghịch lưu các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy có thể giám trung bình đến 16,5% so với không dùng hàm offset..
- Bằng cách sử dụng thời gian ngắn mạch phía nghịch lưu và phía tăng áp như nhau kỹ thuật đề xuất cho phép giảm độ gợn dòng trên cuộn cảm từ đó giảm độ gợn áp trên tụ..
- Kỹ thuật này phù hợp cho việc kỹ thuật nghịch lưu công suất nhỏ cho hệ thống Solar PV và các nguồn năng lương tái tạo khác..
- Lê Xuân Vịnh: Trực tiếp viết và thực hiện các nội dung gồm mô phỏng và thực nghiệm.
- Nguyễn Đức Minh: Thu thập và xử lý số liệu, hỗ trợ mô phỏng và thực nghiệm

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt