Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển nghịch lưu ba mức hình T - Luận án TS ĐH Bách Khoa HN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƯƠNG ANH TUẤN Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƯƠNG ANH TUẤN Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Vũ Hoàng Phương 2. Nguyễn Văn Liễn Hà Nội - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ.

Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. Vũ Hoàng Phương PGS. Nguyễn Văn Liễn Dương Anh Tuấn i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.Vũ Hoàng Phương và PGS.Nguyễn Văn Liễn, những người đã tận tình hướng dẫn chuyên môn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan.

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tới PGS.Trần Trọng Minh đã góp ý về công nghệ thực tiễn, động viên tác giả trong những lúc gặp khó khăn khi tiếp cận với hệ thống mà mình nghiên cứu. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Giáp Văn Nam, cũng như tất cả các giảng viên, các cán bộ kỹ thuật thuộc Khoa Tự động hóa – Trường Điện- Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chuyên môn quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Đề tài khoa học cấp Nhà nước mã số KC.22/16-20 đã tạo điều kiện hỗ trợ trong quá trình thực hiện mô hình thực nghiệm. Tác giả cũng xin cảm ơn tới Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình.

Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới vợ, hai con cùng toàn thể gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt luận án này. Tác giả luận án ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. II MỤC LỤC.III DANH MỤC KÝ HIỆU. VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .VIII DANH MỤC HÌNH ẢNH.VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU .XIII MỞ ĐẦU.

XV CHƯƠNG 1. Xu hướng phát triển hiện nay của nghịch lưu nguồn áp. Các cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba mức. Cấu trúc nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC).

Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT. Phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T. Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện.

Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHO NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA. Phương pháp điều chế PWM. Nguyên lí phương pháp điều chế PWM.

Mô phỏng phương pháp điều chế PWM cho bộ nghịch lưu hình T 3 pha. Phương pháp điều chế SVM. Chuyển hệ tọa độ từ abc sang 0αβ. Quy chuẩn độ dài các véctơ theo mức điện áp 𝑉𝑑𝑐.

Tính toán mô đun và góc pha của véctơ điện áp ra. Hình thành không gian véctơ trên hệ tọa độ 0αβ. Xác định vị trí của véctơ điện áp ra v trong sector lớn. Xác định vị trí của véctơ điện áp v trong các tam giác con.

Tính toán hệ số điều chế (thời gian sử dụng các véctơ trong mỗi chu kì điều chế Ts). Cân bằng điện áp trên 2 tụ DC. Tính toán hệ số điều chế thực hiện nhánh van mạch nghịch lưu trong mỗi chu kì điều chế Ts. Các phương pháp điều chế cấp xung cho van.

Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn. Phương pháp điều chế SVM 6- Đoạn. Mô phỏng hai phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn và SVM 6-Đoạn. Phương pháp điều chế FSVM đề xuất áp dụng cho nghịch lưu ba pha hình T.

Mô phỏng phương pháp FSVM. ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA. Mô hình toán học của nghịch lưu hình T ba pha. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI.

Cấu trúc điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện. Thiết kế bộ điều khiển điện áp. Mô phỏng cấu trúc điều khiển nối lưới sử dụng bộ điều khiển PI.

Tính chọn tham số mạch lực nghịch lưu hình T ba pha. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu. Cấu trúc điều khiển.

Thiết kế bộ điều khiển dòng điện. Thiết kế bộ điều khiển điện áp. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trong chế độ nối lưới. Kết luận………………………………………………………………… 78 CHƯƠNG 4.

ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA TRONG CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP. Mô hình toán học của nghịch lưu hình T ba pha. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện.

Thiết kế bộ điều khiển điện áp. Mô phỏng bộ điều khiển PI trên phần mềm Matlab/Simulink. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu mới. Cấu trúc điều khiển.

Thiết kế bộ điều khiển điện áp và dòng điện. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trên phần mềm Matlab/Simulink. Kết luận………………………………………………………………… 98 CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA.

Điều kiện thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm. 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.

115 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Hệ thống thực nghiệm nghịch lưu hình T ba pha. Mô phỏng bằng Matlab/Simulink. Thiết kế mạch vòng khóa pha PLL…………………………….130 v DANH MỤC KÝ HIỆU Đơn Ký hiệu Ý nghĩa vị m Số mức điện áp có thể tạo ra ở nghịch lưu 𝑉 (V) Điện áp một chiều nguồn đầu vào nghịch lưu 𝑉 (V) Điện áp common - mode CMV Điện áp common – mode chuẩn hóa theo Vdc 𝑈 ,𝑈 ,𝑈 (V) Điện áp pha A, B, C so với trung tính nguồn 𝑈 (V) Điện áp giữa điểm trung tính nguồn và lưới điện 𝐼 A Dòng điện rò trong hệ thống 𝑉 ,𝑉 ,𝑉 A Điện áp trên các pha 𝐶 F Tụ ký sinh nối đất của nguồn DC 𝐶 F Tụ nối đất ký sinh của điểm trung tính lưới điện 𝐿 ,𝐿 H Cuộn cảm trong bộ lọc LCL 𝐶 F Tụ trong bộ lọc LCL 𝑉 (V) Điện áp trên tụ nối đất ký sinh của nguồn DC 𝑉 ,𝑉 ,𝑉 (V) Điện áp trên các tụ lọc của pha A, B, C 𝐼 ,𝐼 , 𝐼 A Dòng điện của pha A, B, C v , v  (V) Tọa độ của vector điện áp đặt trên hệ trục  𝐼 A Dòng điện qua tải id, iq A Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ dq vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Ý nghĩa DC Direct Current Điện một chiều AC Alternative Current Điện xoay chiều THD Total Harmonic Distortion Tổng độ méo sóng hài PV Photovoltaics Quang điện Diode Clamped Multilevel NPC Nghịch lưu dạng điốt kẹp Inverter Flying Capacitor Multilevel FC Nghịch lưu dạng tụ bay Inverter CHB Cascaded H-Bridge Nghịch lưu cầu H nối tầng PFC Power Factor Correction Bộ điều chỉnh hệ số công suất OBC On-Board Charger Bộ sạc xe điện V2G Vehicle to Grid Xe nối lưới PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SVM Space Vector Modulation Điều chế véctơ không gian CMV Common-mode Voltage Điện áp common mode Flexibility in Space Vector FSVM Điều chế véctơ không gian linh hoạt Modulation SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt PI Proportional-Integral Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ Fixed-time sliding mode FTSMC Điều khiển trượt thời gian cố định control SOB State Observer Bộ quan sát trạng thái DOB Disturbance observer Bộ quan sát nhiễu LMI Linear matrix inequality Bất đẳng thức ma trận tuyến tính OVS Overshoot Độ quá điều chỉnh Insulated Gate Bipolar IGBT Transistor có cực điều khiển cách ly Transistors RB-IGBT Reverse Blocking IGBT IGBT chặn đảo ngược DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.

Các ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp. Cấu hình bộ biến đổi công suất cho hệ thống nguồn phân tán. Hệ thống On-board Charger (OBC) sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp. Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức.

Cấu trúc bộ nghịch lưu ba mức NPC. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha. Chuyển mạch AC sử dụng van IGBT+điốt(a) và RB-IGBT(b). Cấu trúc bán dẫn của van IGBT thông thường(a) và RB-IGBT(b).

Sụt áp khi dẫn của RB-IGBT và IGBT thông thường. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT. Trạng thái đóng cắt của nghịch lưu hình T. Dạng điện áp dây đầu ra của nghịch lưu hình T ba pha.

Các phương pháp điều chế cho nghịch lưu ba mức. Mô hình rút gọn của bộ nghịch lưu hình T ba pha (trái) và mạch common- mode tuơng đương(phải). Điện áp NP dựa theo trạng thái đóng cắt của véctơ nhỏ loại P và véctơ nhỏ loại N. Phương pháp điều chế sin PWM.

Phương pháp dịch mức sóng mang cùng pha. Phương pháp dịch pha sóng mang. Nguyên lý phát xung cấu trúc hình T ba pha. Trạng thái các van dẫn.

Dòng điện đầu ra sau lọc của phương pháp PWM. THD dòng điện đầu ra sau lọc của phương pháp PWM. Điện áp CMV của phương pháp PWM. Đồ thị dòng rò của phương pháp PWM.

Đồ thị điện áp trên 2 tụ DC của phương pháp PWM. Đồ thị véctơ không gian xây dựng từ Bảng 2. Ba hệ tọa độ không vuông góc tạo nên các góc phần sáu. Quá trình tính toán 𝑚 , 𝑚.

Tổng hợp véctơ điện áp ra từ 3 véctơ đỉnh của tam giác con .17 Thuật toán cân bằng điện áp trên tụ. Thuật toán cân bằng điện áp tụ bằng SVM. Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn ứng với tam giác 2, sector I, m=131 Hình 2. Mẫu xung cấp cho van.

Phương pháp điều chế SVM 6- Đoạn ứng với tam giác 2, Sector I. Mẫu xung cấp cho van. Đồ thị và THD dòng điện đầu ra sau lọc. Đồ thị điện áp common-mode.