Luận án tiến sĩ thiết bị điện nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung điều khi

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHÔ HO CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA QUÁCH THANH HẢI NGHIÊN CỨU KY THUAT DIEU CHE ĐỘ RỘNG XUNG DIEU KHIEN TOI UU NGHỊCH LƯU ĐA BAC LUAN AN TIEN SI KY THUAT TP.HO CHI MINH- 2014 ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHÔ HO CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA QUÁCH THANH HẢI NGHIÊN CỨU KY THUAT DIEU CHE ĐỘ RỘNG XUNG DIEU KHIEN TOI UU NGHỊCH LƯU ĐA BAC Chuyén nganh: Thiét bi dién Mã số chuyên ngành: 62525001 Phản biện độc lập 1: PGS.TS Lê Thành Bắc. Phản biện độc lập 2: TS. Phùng Anh Tuấn. Phản biện 1: PGS.

Nguyễn Ngọc Lâm. Phản biện 2: PGS.TS Quyền Huy Ánh. Phản biện 3: PGS.TS Lê Minh Phương NGƯỜI HƯỚNG DÂN KHOA HỌC: 1. PHAN QUOC DUNG LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả.

Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận án là trung thực và không sao chép từ bat kỳ một nguồn nào và dưới bat kỳ hình thức nao. Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguôn tại liệu tham khảo đúng theo yêu câu. Tác giả luận án Quách Thanh Hải TÓM TẮT LUẬN ÁN Nội dung chính của luận án là nghiên cứu dé xuất các giải thuật điều chế độ rộng xung tối ưu dé giảm tôn hao do chuyên mach trong mạch nghịch lưu đa bậc, nhằm góp phan đáp ứng nhu cau tiết kiệm năng lượng trong tinh hình hiện nay va đảm bảo khống chế các phát sinh không mong muốn trên mạng điện như sự tăng độ méo hài tổng (THD), biên độ điện áp common mode. Trên cơ sở nghiên cứu, luận án đã dé xuất 6 giải thuật điều chế độ rộng xung với hàm mục tiêu tối ưu khác nhau.

Trong đó ba giải thuật tối ưu nhăm giảm tổn hao và sai biệt điện áp điều khiến là cực tiểu, hai giải thuật tối ưu để triệt tiêu điện áp common mode và sai biệt điện áp điều khiển là cực tiểu, một giải thuật có tính chất phối hợp dé khống chế sai biệt điện áp điều khiến nhỏ nhất và tối ưu giảm tổn hao. Cả 6 giải thuật đã được phân tích, tính toán, xác định các đặc điểm riêng của chúng và được kiểm chứng qua mô phỏng va thực nghiệm. Đặc điểm của các giải thuật dé xuất là chúng được xây dựng trên các hàm toản học không phức tạp. Đặc biệt do không sử dụng bảng tra nên các giải thuật trên không chiếm nhiều bộ nhớ và có thé áp dụng cho nhiêu cấu trúc nghịch lưu khác nhau.

Vì vậy khả năng áp dụng các giải thuật này trong thực tế là rất cao. il ABSTRACT The aim of this thesis is to develop various optimal pulse-width modulation algorithms to reduce switching losses in the multi-level inverter, thereby contributing to meeting the current need to improve energy efficiency and helping to minimize potential undesirable problems arising on electrical power systems, such as an increase in total harmonic distortion (THD) and common-mode voltage. Based on the findings, the thesis proposed 6 pulse-width modulation algorithms with different optimal objective functions: three to reduce switching losses and minimize control voltage difference, two to eliminate common-mode voltage and minimize control voltage difference, and one hybrid algorithm to control the smallest voltage difference and reduce switching losses. All six algorithms have been designed, analyzed, tested and verified by simulations and experiments.

Their distinctive properties have also been determined. The merit of the proposed algorithms is that they are based on uncomplicated mathematical functions. In particular, not having to use reference tables means that they do not take much memory and can be applied to many different structures of inverter. As such, their practical applicability is very high.

ili LOI CAM ON Công trình nghiên cứu này được hoàn thiện là nhờ sự giúp đỡ tận tinh và phối hợp của nhiều cơ quan, don vị, các cơ sở sản xuất, các đồng nghiệp va bạn bè. Tác giả luận án bay tỏ lời cảm ơn chân thành tới tất cả các tô chức va cá nhân đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu của mình. Trước hết tôi xin gửi đến Ban lãnh đạo Dai học Quốc gia Tp.Hồ Chi Minh, Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa, phòng Đào tạo sau Đại học, Khoa Điện — Điện tử, Bộ môn Cung cấp điện, và Bộ môn Thiết bị điện sự kính trọng và lòng tự hào được học tập nghiên cứu tại đây trong những năm qua. Sự biết ơn sâu sắc nhất xin được dành cho: PGS.

Nguyễn Văn Nhờ, PGS. Phan Quốc Dũng là hai người thầy hướng dẫn tận tình và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin cảm ơn các thây, cô Bộ môn Cung cấp điện, Khoa Điện — Điện tử, đã hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả thực hiện thành công luận án. Xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Dai hoc Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, các cô, thây thuộc Khoa Điện — Điện tử và các đồng nghiệp trong trường đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện tốt luận án.

Đặc biệt cảm ơn em và gia đình đã tạo mọi điều kiện giúp anh thực hiện và hoàn thành luận án. Cuối cùng xin được ghi nhớ tình cảm và sự giúp đỡ âm áp của các các anh chị em trong phòng thí nghiệm Hệ thông năng lượng, các bạn nghiên cứu sinh, cao học những người luôn hỗ trợ, chia sẻ, động viên và tạo điều kiện giúp đỡ để hoàn thiện công trình nghiên cứu này. -- Oo ñ Oo —— IV MỤC LỤC MỞ ĐẦU. 5 2522 212212212212211211212212 1122112212211 ryu | Mục tiêu của luận Ane.

ieee ccc ccccccececcecceccccuceceeccccccueeececeeccuteceececsesuteeeeeeesrseececeeseasteeeses 2 Nội dung và phạm Vi nghiên CỨU. 2 11222211 11111111 1111112121111 15201 1111112111111 3 Phương pháp nghiên cứu.1 1222221111111 11111521111 1111021 1111111211111 n ng 1k k ng k ke 3 Đóng góp mới về mặt khoa học của luận án.-- 2 TT E5 HH 4 Ý nghĩa thực tiễn. c1 E51 1 1121111115211115115 11115151111 1 2t tnn HH HH HH HH rung 4 Bồ cục CUA UA AN 8. 4 CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE NGHỊCH LƯU ĐA BẠC.1 Mach nghịch lưu 2 bậc.2 Nghịch lưu đa bậc kiểu diode kẹp.- 5-5 S21 1211512115151112111 1E tt tr re 8 1.3 Nghịch lưu da bậc kiểu cascade (cascaded multilevel inverter).4 Nghịch lưu da bậc kiêu lai (Hybrid mutilevel inverter).

Nghịch lưu da bậc kiểu cascade diode PP. Nghịch lưu da bậc kiểu cascade cẩu H oocccccccccccccccccccccesccevesesesesesesevevevevevevevevees 17 15 — Kết luận chương Ï. 2111 111121111111111 11112 TH HH HH tr. 19 CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN DIEU CHE TRONG NGHỊCH LƯU ĐA BAC.

Phuong pháp điều chế độ rộng xung (sinPWM). Phuong pháp PWM cải biến (SFO-PWM!). Phương pháp điều chế vector không gian. Cac nghiên cứu về giải thuật tôi ưu trong nghịch lưu đa bậc.---s-sszsszs5 28 CHƯƠNG 3: THIẾT KE MÔ HÌNH THUC NGHIỆM.

Câu trúc mô hình nghịch Ïưu. Module cầu H và mạch lái.- 2T TT T11 15 1 5n HH HH Hy 34 3. Module nguôn chỉnh lưu.-- tt S121 53531551551515151111122181111E T111 EE T1 tàn 38 3. _ Kết quả chương 3.

SE 1 121111211111 11111151111 E122 1E HH HH tàn 42 CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT DIEU CHE TOI UU GIAM TON HAO DO SỰ CHUYỂN MACH VÀ CUC TIỂU SAI SO VECTOR DIEU KHIỂN. — Giải thuật một vector cực tiêu sai số vector điều khiển. Nguyen Ly BiGi thud 8n. TH TH HH HH HH tu 47 4.

Khao sat va ddnh Bid BiGi thud 000. e cece teat eee aetenseeennes 48 4. Giai thuật hai vector với sai biệt điện áp điều khiển là cực tiểu. Nguyen Ly BiGi thud 88 nn58.

Lưu đồ giải Udit ooo eccceccccccccccccccececesesvereseseeverssesvsvesessavereseesevereeseveusreeveveeeeeee 62 4. Khao sát và đánh giá giải tHUẬI. ccc SS v1 vn vn vệy 64 4. — Giải thuật ba V€CẨOT.

Nguyen Ly BiGi thud 8n. Lưu đồ giải thUGit ooo cccccccccccccccccvsceceseevevsseseeverseesvsvesessavsrsesavsvereeveveusreevaveeeseee 73 4. Khao sát và đánh giá giải tHUẬI. ccc SS v1 vn vn vệy 74 4.

Kết luận chương 4. s S111 122111 1112811 tt HH HH Huệ 78 CHƯƠNG 5: GIẢI THUAT DIEU CHE TOI UU GIAM TON HAO DO SỰ CHUYEN. MACH, TRIET TIEU ĐIỆN AP COMMON MODE, CỰC TIỂU SAI SO ĐIỆN AP DIEU S5. Khai niệm về điện áp COMMON mode.

- cece cee 211122122211 11 11558511111 15881 1x re. _ Giải thuật một vector triệt tiêu điện áp common mode.--¿¿ c cece cece 82 HA. Lưu đồ giải tht ooo cece ccccscccesesecseseesescesesessesvsseeesvssssvsecistisststsivivsessvsteevtees 85 5. Khảo sát và đánh giá giải thu.

Giải thuật 3 vector triệt tiêu điện áp common mode và giảm tốn hao. Nguyen IY Sidi thu an. ST nh HH HH tre 100 5. Khảo sát và đánh giá giải thHẬI.

Kết luận chương §. n1 1E TT ng HT HH tường 106 CHƯƠNG 6: GIẢI THUAT PHOI HỢP GIAM TON HAO DO SỰ CHUYEN MẠCH VÀ KHONG CHE SAI BIỆT ĐIỆN ÁP DIEU KHIÉN. Nguyên lý giải thuật. 1 S2 1v 122111 11121111 1111111 2 1 HH HH re 111 6.

Khao sát và đánh giá giải thuật. Kot luận chương 6.2 1 1 121111 11121111 1E 1 E121 HH HH tre 125 KET LUẬN VA DE NGHỊ. 2Ä 2151155111155 111 5112511221 12122 se 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CUA TÁC GIẢ.-- 222221111255 11 1551112125 reee 129 TÀI LIEU THAM KHẢO.- 2S 32315215515 5551 15555115551 1211 12111252125 se 130 VỊ DANH MỤC CÁC HÌNH ANH Hình 1.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc (a) va 1 pha câu H (b).2: Mạch nghịch lưu kiểu diode kẹp n bậc.3: Mach nghịch lưu kiểu diode kẹp 5 D&C .4: Câu trúc nghịch lưu cascade 5 bậc.-- cece 2122211111 11221 1111152111111 1n k tr Hàu 12 Hình 1.5: Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade diode SA cece cece ccneceeccnteteeecensteteeennneeens 16 Hình 1.6: Cau trúc 1 pha mach nghịch lưu CMH a) tổng quát; b) CMH 5/30.1: Nguyên ly điều chế độ rộng xung sinPWM.2: Cách bồ trí sóng mang a) cùng pha, b) dich pha, c) đối xứng qua trục z.3: Mô phỏng nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế siINPWM.4: Điện áp common mode trên nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế sinPWM.5: Mô phỏng nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế SFO PWM.6: Điện áp Vem mạch nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế SFO PWM.7: Mạch nghịch lưu NPC 3 bậc (a) va vector không gian của nó (b).8: Phân tích phương pháp SVM.9: Quan hệ THD% và tốn hao.10: Quan hệ THD% và số bậc, quan hệ fc va tôn hao nghịch lưu chuẩn và lai.11: Giải thuật Rodriguez nghịch lưu 5 bậc.1: Câu trúc mô hình nghịch lưu được thiết kế trong luận án.-- 222cc eee 33 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên ly mạch kích IGBT.3: Dòng điện nạp và xả tu mạch dead time khi điện áp điều khiển [0] — [1].4: Điện áp ra tại chân 8 (V8) va chân 2 (V2) mạch deadtime theo điện áp điều khiển (Vịp1) khi điện áp điều khiển [1] — [Ö].5: Sơ đồ mạchin module câu H và mạch kích.6: Mạch chỉnh lưu cho module cầu H (a) và cho mạch kích (b).7: Mô phỏng điện áp chỉnh lưu (Vạ) và điện áp trung bình của nó AVG(Vạ) khi gan tải "2.2 c cece cece eee e ee eee cee eee e cba eecLEE Ec sae SLES SbiEES CEES GGES Eat EDdEESiGaEStiatecuteeiaateneeeeaey 40 Hình 3.