Luận án: Điều khiển bộ biến đổi đa bậc nguồn áp cho nguồn điện phân tán nối lưới - Bùi Văn Huy

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án Bùi Văn Huy 1 LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của tôi tại trường Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Văn Liễn và PGS.

Trần Trọng Minh, Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn, những người đã luôn gắn liền với mọi hoạt động khoa học của tác giả, về sự chỉ dẫn nhiệt tình, tin tưởng, quan tâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn thành bản luận án. Tôi xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu tại các buổi tác giả báo cáo khoa học của PGS. Bùi Quốc Khánh, GS.

Nguyễn Phùng Quang, PGS. Tạ Cao Minh, TS. Nguyễn Thế Công, PGS.Nguyễn Quang Địch, PGS. Nguyễn Phạm Thục Anh, TS.

Đỗ Mạnh Cường, TS. Dương Minh Đức, TS. Phạm Việt Phương cùng các cán bộ, giảng viên bộ môn TĐHCN- Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về nhiều mặt để tôi hoàn thành luận án.

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có địa điểm nghiên cứu và triển khai thực nghiệm của đề tài. Tôi xin cảm ơn TS.Vũ Hoàng Phương và các sinh viên cùng nhóm nghiên cứu đã hỗ trợ rất đắc lực và hiệu quả cho tôi trong việc hoàn thành các mô hình thực nghiệm. Tôi cũng muốn cảm ơn TS.Nguyễn Tùng Lâm - BM TĐHCN, TS.Đào Phương Nam - BM Điều khiển tự động ĐHBKHN và TS. Trần Duy Trinh - ĐH Sư phạm kỹ thuật Vinh là những người xuyên trao đổi chuyên môn, hỗ trợ tác giả trong việc tìm kiếm tài liệu nghiên cứu và động viên giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình triển khai luận án.

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện của Ban giám hiệu trường Đại học Thành Đô và các đồng nghiệp tại khoa Công nghệ Kỹ thuật Điện Tự động hóa - Đại học Thành Đô. Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình tôi, đặc biệt là vợ và con gái. Sự quan tâm, động viên và giúp đỡ của gia đình đã giúp tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án. 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

1 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. 6 DANH MỤC BẢNG. 8 DANH MỤC HÌNH VẼ .1 Vai trò của những bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối nguồn phát phân tán với lưới điện .2 Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp .1 Nghịch lưu dùng điôt kẹp các mức điện áp .2 Nghịch lưu đa bậc dạng tụ bay (flying capacitor - Clamped) .3 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H .4 Nghịch lưu đa bậc tổng quát .5 Những cấu trúc nghịch lưu đa bậc đặc biệt khác .3 Các phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc.1 Điều chế tại tần số cơ bản .2 Điều chế theo sóng mang .3 Điều chế vector không gian (SVM) .4 Tổng quan về phương pháp chuyển mạch trong biến tần ma trận .5 Các phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện cho bộ biến đổi đa bậc .6 Tổng quan về tình hình ứng dụng bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối nguồn điện phân tán với lưới .1 Cấu trúc bộ AC-DC-DC-AC .2 Cấu trúc bộ AC-DC-AC-AC .7 Định hướng và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án .1 Định hướng nghiên cứu.2 Những nhiệm vụ cần giải quyết của luận án .3 Đóng góp của luận án.8 Tóm tắt và kết luận. BỘ BIẾN ĐỔI HAI CỔNG AC-DC-AC-AC CÓ KHÂU TRUNG GIAN TẦN SỐ CAO 43 2.1 Cấu trúc của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng .2 Phân tích bộ biến đổi phía cổng 1 .1 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng .2 Cân bằng điện áp các khâu DC Nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H .3 Phân tích bộ biến đổi ở cổng 2 .1 Các nguyên lý điều chế mạch AC-AC .2 Điều chế PWM cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu AC-AC điều chế kiểu biến tần ma trận.3 Điều khiển chuyển mạch cho biến tần ma trận .4 Mô phỏng, kiểm chứng phương pháp điều chế và thuật toán chuyển mạch .5 Bộ nghịch lưu 7 bậc xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng .4 Tóm tắt và kết luận.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI .1 Mô hình trạng thái và vấn đề điều khiển công suất của bộ biến đổi nối lưới .1 Mô hình trạng thái liên tục .2 Điều khiển công suất trong bộ biến đổi nối lưới .2 Phân tích cấu trúc điều khiển.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển PID cho bộ biến đổi .1 Thiết kế mạch vòng dòng điện .2 Thiết kế mạch vòng điện áp một chiều trung gian ở cổng 1 .3 Thiết kế các vòng điều khiển công suất .4 Cấu trúc điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện .1 Cấu trúc của bộ điều khiển cộng hưởng.2 Thiết kế bộ điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện của hệ thống AC- DC-AC-AC đa bậc nối tầng .5 Cấu trúc điều khiển tựa thụ động cho mạch vòng dòng điện .1 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động .2 Xây dựng bộ điều khiển tựa thụ động cho mạch dòng điện .6 Cấu trúc điều khiển tựa thụ động thích nghi tham số cho mạch vòng dòng điện 85 3.7 Mô phỏng kiểm chứng kết quả .1 Mô phỏng hệ điều khiển trên hệ tọa độ dq với bộ điều khiển PI cho mạch vòng dòng điện.2 Mô phỏng điều khiển bộ biến đổi với cấu trúc điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện .3 Mô phỏng điều khiển trên hệ dq với bộ điều khiển tựa thụ động .4 Mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển tựa thụ động khi có sai lệch R, L .5 Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển tựa thụ động có khâu thích nghi tham số 101 3.6 Đánh giá kết quả mô phỏng .8 Tóm tắt và kết luận. THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM .1 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng thuật toán cân bằng điện áp trên tụ .1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống và mô hình thực nghiệm .2 Các kết quả thực nghiệm .2 Hệ thống thực nghiệm bộ DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm .2 Thuật toán điều chế .3 Kết quả thực nghiệm .3 Thực nghiệm bộ nghịch lưu 7 bậc DC-AC-AC nối tầng.2 Kết quả thực nghiệm .4 Thực nghiệm bộ biến đổi AC-DC-AC-AC một pha ba bậc .2 Cấu trúc điều khiển .3 Kết quả thực nghiệm .5 Tóm tắt và kết luận. 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

125 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. Một số hình ảnh về Kit FPGA và Xilinx Blockset. Một số cấu trúc điều khiển thực hiện trên Malab-Simulink. 137 5 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Qref VAr Giá trị đặt của công suất phản kháng Pref W Giá trị đặt công suất tác dụng Qmeas VAr Giá trị đo và tính toán của công suất phản kháng Pmeas W Giá trị đo và tính toán của công suất tác dụng L H Cuộn cảm C F Tụ điện eN V Điện áp nguồn điện phía xoay chiều ed, eq V Điện áp phía lưới trên hệ tọa độ dq iL A Dòng điện chạy qua cuộn cảm id, iq A Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ dq i∝, iβ A Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ ∝β Chữ viết tắt SVM Space Vector Modulation Điều chế véc tơ không gian A AF Active Filter Lọc tích cực CBM Carrier based Modulation Điều chế sóng mang CL Chỉnh lưu Chỉnh lưu CHB Cascaded H -bridge Nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng DG Distributed Generation Nguồn phân tán DVR Dynamic voltage restoration Phục hồi điện áp động DSP Digital Signal Processor xử lý tín hiệu số FPGA Field Programmable Gate array Mảng cổng lập trình được dạng trường FACTS Flexible AC Transmission System Hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt FC flying capacitor Tụ bay HB H-Bridge Cầu H IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Van IGBT MPC Model Predictive Control Điều khiển trên cơ sở mô hình dự báo MBA Máy biến áp NLĐB Nghịch lưu đa bậc NPC Neutral –point converter Bộ biến đổi đa bậc điot kẹp PBC Passivity Based Control Điều khiển tựa thụ động PR Proportional Resonant Cộng hưởng PV Photovoltaic Điện mặt trời PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha 6 PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung RES Renewable Energy Sources Nguồn năng lượng tái tạo STATCOM Static Synchronous Compensator Bộ bù đồng bộ tĩnh THD Total Harmonic Distortion Tổng méo sóng hài UPFC Unified Power Flow Controller Hệ thống điều khiển dòng năng lượng UNIFLEX-PM Universal and Flexible Power Bộ quản lý công suất đa Management năng và linh hoạt 7 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Trạng thái van tương ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 3 bậc diot kẹp21 Bảng 1.2 Trạng thái van tương ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 5 bậc diot kẹp21 Bảng 1.3 Trạng thái van ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 3 bậc loại tụ kẹp .4 Trạng thái van ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 5 bậc kiểu tụ bay .1 Trạng thái các van của một module cầu H ứng với các trạng thái khác nhau của điện áp đầu ra 45 Bảng 2.2 Các mức điện của nghịch lưu đa bậc với 3 cầu, điện áp một chiều bằng nhau .3 Trạng thái van và tình trạng phóng nạp của tụ DC đối với một cầu chữ H .4 Trạng thái của van đối với các mức điện áp ra trong sơ đồ nối tầng 3 cầu H .5 Tác động cân bằng điện áp trên các tụ DC cho nghịch lưu nối tầng 3 cầu H .1 Bảng tham số hệ thống bộ biến đổi .2 Tham số bộ điều khiển .3 Tham số bộ điều khiển cộng hưởng .4 Tham số các bộ điều khiển .1 Bảng thông số mô hình thực nghiệm DC-AC-AC .2 Bảng thông số LEM LAH 55-P.3 Bảng thông số dải đo dòng điện, điện áp của mạch đo .4 Các tham số thực nghiệm.

121 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện tử công suất ứng dụng trong nguồn phân tán [107] .2 Cấu hình nghịch lưu thông thường trong các ứng dụng công suất lớn [99].3 Vấn đề khi mắc nối tiếp các van .