Tài liệu Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc lai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỒNG GIANG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU 5 BẬC LAI CONTROL OF HYBRID FIVE-LEVEL INVERTER FOR MEDIUM – VOLTAGE APPLICATIONS Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, năm 2018 0,:\-I HQC QUOC GIA TP.HCM TRUONG D� HQC BACH KHOA C()NG HOA XA H()I CHU NGHlA VI¥,T NAM DQc lip - T1_1· do - H;mh phuc NH!¥M VV LU4N VAN TH�C Si HQ ten hQc vien: N TRA HONG GIANG MSHV: 1570865 Ngay, thang, nam sinh: 25/02/1991 Neri sinh: D6ng H6i - Quang Dinh Chuyen nganh: Ma s6: 60520202 Ky Thu�t Bi�n I. TEN BE TAI: Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc lai Control of Hybrid Five-Level Inverter for Medium-Voltage Applications II. NHitM VT) VA N<)I DUNG - Nghien cuu cAu true va nguyen ly ho�t d<)ng cua b(> nghich hru 5 b�c lai. - Nghien cuu cftu true di€u khi€n Modulator - Generator cho be) nghich luu 5 b�c lai - Nghien c{ru cac phucrng phap di€u ch€ de) r<)ng ?(Ung, di€u ch€ vector khong gian, di�u khi€n dl)' bao ... ap d1,mg cho du true di€u khi€n tren. - Mo phong cac phucrng_phap di�u khi€n be) nghich luu bfulg phful m�m. II. NG.AY GIAO NHitM VI): 06/02/2017 III. NG.AY HO.AN THANH NHitM VT): 30/11/2017 IV.CAN B<) HUONG DAN: PGS TS. PHAN QUOC DUNG Tp. HCM, ngay 30 thang 11 nam 2017 CAN B<) HUONG DAN CHU NHI¥M B<) MON DAO T�O (HQ ten va chfi' ky) (HQ ten va chfi' ky) TRUONG KHOA (HQ ten va chfr ky) LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho tôi xin phép được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắ c đến thầy PGS.TS. Phan Quố c Dũng , người đã trực tiếp truyền đạt kiến thức, cung cấp tài liệu và tận tình hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Chân thành cảm ơn quý thầy, cô Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh những người đã truyền đạt các kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian học tại trường. Cảm ơn quý thầy cô, các anh chị phòng Đào tạo Sau đại học trường Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ, giải đáp các vướng mắc về các thủ tục hành chính cho tôi trong thời gian học vừa qua. Chân thành cảm ơn ban Giám đố c Công ty CPXD & Tư vấ n Bıǹ h Lơ ̣i đã tạo điều kiện để tôi tham gia và hoàn thành học khóa học này. Cuối cùng và cũng là quan tro ̣ng nhấ t đó là gia đıǹ h tôi, cảm ơn ba, me ̣, vơ ̣ và con trai con trai thân yêu, ba Dương, me ̣ Hà, chi ̣Dương , anh Dũng, em Châu cùng những người thân, bạn hữu đã luôn giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian qua. Tp Hồ Chı́ Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2017. ii TÓM TẮT Hiê ̣n nay nhiề u cấ u trúc nghich ̣ lưu 5 bâ ̣c lai mới cho ứng du ̣ng công suấ t vừa và lớn đã đươ ̣c đưa ra gầ n đây với nhiề u lơ ̣i ıć h và triể n vo ̣ng phát triể n. Các phương pháp điề u khiể n cho các bô ̣ nghich ̣ lưu đa bâ ̣c lai cũng lầ n lươ ̣t ra đời và có nhiề u ưu điể m nổ i bâ ̣t. Luâ ̣n văn này trın ̣ lưu 5 bâ ̣c lai với cấu ̀ h bày nghiên cứu điề u khiể n bô ̣ nghich trúc điều khiển Modulator – Generator, sử dụng các phương pháp điề u chế đô ̣ rô ̣ng xung, điề u chế vector không gian, điề u khiể n bằ ng dự báo. Cấu trúc điều khiển này có thể được sử dụng như một cấu trúc điều khiển chung cho nhiều bộ nghịch lưu khác nhau. Kế t quả nghiên cứu đã đươ ̣c mô phỏng và kiể m chứng trên phầ n mề m Matlab Simulink cho thấ y hê ̣ thố ng đã hoa ̣t đô ̣ng tố t với các phương pháp điề u khiể n đưa ra. iii ABSTRACT Nowadays, multilevel inverters have become a favored choice for medium voltage and high power applications due to attractive advantages. Many Control methods for multilevel inverters are also introduced and have many effective. This thesis presents a research on the control a Hybrid five-level inverter base structure Modulator – Generator with Pulse-width modulation, Space vector Modulator, Model predictive control. General control principles that can be applied to any structure of this type. Research results have been simulated and verified on the Matlab/Simulink software which reveals that the system works well with technical controls. iv LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2017 v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii TÓM TẮT ............................................................................................................... iii ABSTRACT .............................................................................................................. iv LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... v MỤC LỤC ................................................................................................................ vi MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 5 CHƯƠNG I: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC CƠ BẢN .................................. 9 1.1. Tổ ng quan về bô ̣ nghich ̣ lưu áp ..................................................................... 9 1.2. Phân loại bộ nghịch lưu áp .......................................................................... 10 1.3. Các bộ nghịch lưu áp đa bậc cơ bản ........................................................... 10 1.3.1. Nghịch lưu đa bậc dạng diode kẹp (Diode Clamped Multilevel Inverter) ... 11 1.3.2. Nghich ̣ lưu đa bâ ̣c dạng tụ điện ke ̣p (Flying Capacitor Multilevel Inverter) .................................................................................................................. 14 1.3.3. Nghịch lưu đa bậc dạng Cascaded (Cascaded mutilevel inverter) ............... 16 1.3.4. Nghịch lưu đa bậc kiểu lai (Hybrid mutilevel inverter) ............................... 17 1.4. Bộ nghịch lưu sử dụng trong cấp điện áp trung bình (Medium – Voltage) .................................................................................................................... 17 CHƯƠNG II. ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ÁP 5 BẬC LAI........................... 21 2.1. Khối điều chế Modulator ............................................................................. 22 2.1.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung (SINPWM) ........................................ 22 2.1.2. Phương pháp điều chế vector không gian..................................................... 27 Bước 1 củ a khố i Modulator SVPWM......................................................... 32 Bước 2 của khố i Modulator SVPWM......................................................... 36 2.1.3. Phương pháp điề u khiể n dự báo ................................................................... 38 Giả i thuật Current tracking ....................................................................... 42 Giả i thuật bù trễ ......................................................................................... 44 Giả i thuật giả m số bậc chuyển điện áp...................................................... 46 2.2. Khối phát tín hiệu điều khiển Generator ................................................... 47 2.2.1. Lưu đồ trạng thái (State machine) của bộ nghịch lưu .................................. 47 vi 2.2.2. Khối Generator của bộ nghịch lưu Five-level Hybrid Flying-capacitor (5LHFC) 49 Cấu trúc bộ nghịch lưu 5L-HFC................................................................ 49 Mạch phụ trợ điều khiển điện áp tụ DC-link ............................................. 51 Cá c Trạng thá i chuyể n mạch bộ nghịch lưu 5L-HFC ............................... 53 Lưu đồ trạng thá i cho bộ nghịch lưu 5L-HFC........................................... 54 2.2.3. Khối Generator cho bộ nghịch lưu lai Five Level Hybrid Cascaded Inverter (5L-HS)................................................................................................................... 57 Cấu trúc bộ nghịch lưu 5L-HS ................................................................... 57 Các trạng thái chuyển mạch bộ nghịch lưu 5L-HS ................................... 57 Lưu đồ trạng thá i cho bộ nghịch lưu 5L-HS .............................................. 58 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................... 59 3.1. Điều khiển bộ nghịch lưu 5L-HFC ............................................................. 59 3.1.1. Phương pháp điề u chế SINPWM ................................................................. 60 3.1.2. Phương pháp điề u chế vector không gian..................................................... 65 3.1.3. Phương pháp điề u khiể n dự báo MPC 5L-HFC ........................................... 69 3.2. Điều khiển bộ nghịch lưu 5L-HS ................................................................ 76 3.2.1. Phương pháp SINPWM cho bộ nghịch lưu 5L-HS ...................................... 77 3.2.2. Phương pháp SVPWM cho bộ nghịch lưu 5L-HS ....................................... 79 3.2.3. Phương pháp điều khiển dự báo MPC cho bộ nghịch lưu 5L-HS ................ 82 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN .................................................................................... 86 4.1. Kế t quả đa ̣t đươ ̣c của luâ ̣n văn ................................................................... 86 4.2. Những vấ n đề còn tồ n ta ̣i và hướng phát triể n của đề tài. ....................... 86 4.2.1. Những vấ n đề còn tồ n ta ̣i .............................................................................. 86 4.2.2. Hướng phát triển của đề tài........................................................................... 87 TÀ I LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 88 vii Hình 1.1. Giản đồ 1 pha của nghịch lưu đa bậc (a) 2 bậc (b) 3 bậc (c) n bậc ..... 11 Hình 1.2. Bộ nghịch lưu ba bậc dạng diode kẹp .................................................... 12 Hình 1.3. Bộ nghịch lưu 5 bậc dạng diode kẹp ..................................................... 13 Hình 1.4. Bộ nghịch lưu 3 bậc dạng tụ điện kẹp, pha A ........................................ 14 Hình 1.5. Bộ nghịch lưu 5 bậc dạng tụ điện kẹp ................................................... 15 Hình 1.6. Nghịch lưu 5 bậc dạng Cascaded ........................................................... 16 Hình 2.1. Cấu trúc điều khiển bộ nghịch lưu ......................................................... 21 Hình 2.2. Nguyên lý của phương pháp điều chế độ rộng xung sinPWM .............. 23 Hình 2.3. Bố trí sóng mang cùng pha – PD (In Phase Disposition) ...................... 23 Hình 2.4. Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ - APOD .......... 23 Hình 2.5. Bố trí sóng mang đối xứng qua trục zero POD (Phase Opposition Disposition) ............................................................................................................... 24 Hình 2.6. Sóng điề u chế đô ̣ rô ̣ng xung Sin (ma = 1) ............................................. 25 Hình 2.7. Lưu đồ thuật toán khối Modulator sử dụng phương pháp SINPWM .... 26 Hình 2.8. Các vector góc phầ n tư thứ 6 - Phân tích phương pháp SVM ............... 27 Hình 2.9. 6 Sector không gian điê ̣n áp................................................................... 29 Hình 2.10. Các tam giác điề u chế vector không gian .............................................. 29 Hình 2.11. Vector không gian của nghich ̣ lưu 2 bâ ̣c ............................................... 30 Hình 2.12. Vector không gian nghich ̣ lưu 3 bâ ̣c ...................................................... 31 Hình 2.13. Lưu đồ giải thuâ ̣t khối Modulator điề u chế vector không gian ............ 32 Hình 2.14. Lưu đồ giải thuâ ̣t bước 1 khối Modulator SVPWM .............................. 33 Hình 2.15. Vector không gian bô ̣ nghich ̣ lưu 3 bâ ̣c ................................................. 34 Hình 2.16. Thứ tự các tam giác chuyể n ma ̣ch của nghich ̣ lưu 5 bâ ̣c ....................... 36 Hình 2.17. Bô ̣ nghich ̣ lưu 3 pha 2 bâ ̣c ..................................................................... 38 Hình 2.18. Mô hı̀nh vector điê ̣n áp trong hê ̣ to ̣a đô ̣ α, β .......................................... 39 Hình 2.19. Quỹ đa ̣o vector không gian .................................................................... 39 Hình 2.20. Các giá tri ̣dòng điề u khiể n iα và iβ theo thời gian ............................... 40 Hình 2.21. Mô hı̀nh điề u khiể n dự báo dòng điê ̣n ................................................... 41 Hình 2.22. Giải Lưu đồ giải thuâ ̣t Current tracking ................................................ 43 Hình 2.23. Trường hơ ̣p lý tưởng thời gian tı́nh toán rấ t nhỏ so với Ts ................... 44 Hình 2.24. Trường hơ ̣p xét đế n thời gian trễ ........................................................... 45 Hình 2.25. Lưu đồ giải thuâ ̣t bù trễ.......................................................................... 46 1 Hình 2.26. Bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Cascaded ...................................................... 48 Hình 2.27. Lưu đồ trạng thái tổng quát bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Cascaded ......... 48 Hình 2.28. Lưu đồ trạng thái tối ưu bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Cascaded ............... 49 Hình 2.29. Cấ u trúc bô ̣ nghich ̣ lưu 5 bâ ̣c lai 5L-HFC ............................................. 50 Hình 2.30. Cấ u trúc bô ̣ nghich ̣ lưu 5L-HFC với 3 tầ ng điề u khiể n ......................... 51 Hình 2.31. Bô ̣ nghich 52 ̣ lưu 5L-5L-HFC kế t hơ ̣p ma ̣ch phu ̣ trơ ................................. ̣ Hình 2.32. Lưu đồ trạng thái tổng quát bộ nghịch lưu 5L - HFC............................ 54 Hình 2.33. Hình các trạng thái chuyển mạch của 5L-HFC inverter ........................ 55 Hình 2.34. Lưu đồ tra ̣ng thái tố i ưu của bô ̣ nghich ̣ lưu 5L-HFC ............................. 56 Hình 2.35. Cấu trúc bộ nghịch lưu 5L-HS............................................................... 57 Hình 2.36. Nhánh pha A bộ nghịch lưu 5L-HS ....................................................... 57 Hình 2.37. Lưu đồ trạng thái tổng quá bộ nghịch lưu 5L-HS ................................. 58 Hình 2.38. Lưu đồ trạng thái tối ưu bộ nghịch lưu 5L-HS ...................................... 59 Hình 3.1. Khối 5L-HFC Inverter ........................................................................... 59 Hình 3.2. Khối Generator 5L-HFC ........................................................................ 60 Hình 3.3. Sơ đồ mô phỏng tổng quát SINPWM 5L-HFC ..................................... 60 Hình 3.4. Khối Modulator SINPWM 5L-HFC ...................................................... 61 Hình 3.5. Dòng điê ̣n 3 pha trên tải – SINPWM .................................................... 61 Hình 3.6. Phân tıć h Fourier Ian – SINPWM ......................................................... 61 Hình 3.7. Điê ̣n áp pha Van – SINPWM ................................................................ 62 Hình 3.8. Phân tıć h Fourier Van – SINPWM ........................................................ 62 Hình 3.9. Điê ̣n áp dây Vab .................................................................................... 62 Hình 3.10. Phân tıć h Fourier Vab – SINPWM ........................................................ 63 Hình 3.11. Điên áp trên tu ̣ C2 - SINPWM .............................................................. 63 Hình 3.12. Điê ̣n áp trên tu ̣ C2 - SINPWM .............................................................. 63 Hình 3.13. Điê ̣n áp trên tu ̣ C3 - SINPWM .............................................................. 63 Hình 3.14. Điê ̣n áp trên các tu ̣ ke ̣p Cf – SINPWM ................................................. 64 Hình 3.15. Điện áp trên các tụ kẹp Cf - Trường hơ ̣p không sử du ̣ng lưu đồ tra ̣ng thái tối ưu ............................................................................................................... 64 Hình 3.16. Sơ đồ mô phỏng tổng quát SINPWM 5L-HFC ..................................... 65 Hình 3.17. Khối Modulator SVPWM 5L-HFC ....................................................... 65 Hình 3.18. Dòng điê ̣n 3 pha trên tải – SVPWM ...................................................... 66 2 Hình 3.19. Phân tıć h Fourier Ian – SVPWM ........................................................... 66 Hình 3.20. Điê ̣n áp Van – SVPWM ........................................................................ 66 Hình 3.21. Phân tıć h Fourier Van - SVPWM .......................................................... 67 Hình 3.22. Điê ̣n áp Vab – SVPWM ........................................................................ 67 Hình 3.23. Phân tı́ch Fourier Vab - SVPWM .......................................................... 68 Hình 3.24. Điê ̣n áp tu ̣ C2- SVPWM ........................................................................ 68 Hình 3.25. Điê ̣n áp tu ̣ C1- SVPWM ........................................................................ 68 Hình 3.26. Điê ̣n áp tu ̣ C3- SVPWM ........................................................................ 68 Hình 3.27. Điê ̣n áp các tu ̣ ke ̣p Cf- SVPWM............................................................ 69 Hình 3.28. Sơ đồ mô phỏng tổng quát MPC 5L-HFC ............................................. 70 Hình 3.29. Khối Modulator MPC 5L-HFC ............................................................. 70 Hình 3.30. Dòng điê ̣n 3 pha trên tải – MPC CT ...................................................... 71 Hình 3.31. Phân tıć h Fourier Vab - SVPWM .......................................................... 71 Hình 3.32. Điê ̣n áp Van – MPC CT......................................................................... 71 Hình 3.33. Phân tı́ch Fourier Van – MPC CT ......................................................... 72 Hình 3.34. Điê ̣n áp Vab – MPC CT......................................................................... 72 Hình 3.35. Phân tı́ch Fourier Vab – MPC CT ......................................................... 73 Hình 3.36. Điê ̣n áp tu ̣ C2 – MPC CT ...................................................................... 73 Hình 3.37. Điê ̣n áp tu ̣ C1 – MPC CT ...................................................................... 73 Hình 3.38. Điê ̣n áp tu ̣ C3 – MPC CT ...................................................................... 73 Hình 3.39. Điê ̣n áp các tu ̣ ke ̣p Cf – MPC CT ......................................................... 74 Hình 3.40. Mức đô ̣ bám dòng đă ̣t của I – MPC không bù trễ ................................. 74 Hình 3.41. Khi Iref thay đổ i – MPC không bù trễ ................................................... 74 Hình 3.42. Mức đô ̣ bám dòng đă ̣t của I – MPC bù trễ ............................................ 75 Hình 3.43. Khi Iref thay đổ i – MPC Bù trễ ............................................................. 75 Hình 3.44. Khối nghịch lưu 5L-HS ......................................................................... 76 Hình 3.45. Khối Generator 5L-HS .......................................................................... 76 Hình 3.46. Sơ đồ mô phỏng tổng quát SINPWM 5L-HS ........................................ 77 Hình 3.47. Dòng điện 3 pha trên tải - SINPWM ..................................................... 77 Hình 3.48. Phân tı́ch Fourier Ian - SINPWM .......................................................... 78 Hình 3.49. Điện áp Van - SINPWM ........................................................................ 78 Hình 3.50. Phân tı́ch Fourier Van - SINPWM ........................................................ 78 3 Hình 3.51. Điện áp Vab - SINPWM ........................................................................ 79 Hình 3.52. Phân tı́ch Fourier Vab – SINPWM ........................................................ 79 Hình 3.53. Sơ đồ mô phỏng tổng quát SVPWM 5L-HS ......................................... 79 Hình 3.54. Dòng điện 3 pha trên tải - SINPWM ..................................................... 80 Hình 3.55. Phân tı́ch Fourier Ian - SINPWM .......................................................... 80 Hình 3.56. Điện áp Van - SINPWM ........................................................................ 81 Hình 3.57. Phân tı́ch Fourier Van - SINPWM ........................................................ 81 Hình 3.58. Điện áp Vab - SINPWM ........................................................................ 81 Hình 3.59. Phân tıć h Fourier Vab – SINPWM ........................................................ 82 Hình 3.60. Sơ đồ mô phỏng tổng quát MPC 5L-HS ............................................... 82 Hình 3.61. Dòng điện 3 pha trên tải - MPC ............................................................. 83 Hình 3.62. Phân tı́ch Fourier Ian - MPC .................................................................. 83 Hình 3.63. Điện áp Van - MPC ............................................................................... 84 Hình 3.64. Phân tıć h Fourier Van - MPC ................................................................ 84 Hình 3.65. Điện áp Vab - MPC ............................................................................... 84 Hình 3.66. Phân tıć h Fourier Vab – MPC ............................................................... 85 \ 4 MỞ ĐẦU Tı́nh cấ p thiế t và lý do cho ̣n đề tài Từ thế kỷ thứ 19, các máy điện đầu tiên như máy phát điện từ năng lượng cơ (Pacinotti – 1864), động cơ điện từ có rotor (Ferraris - 1885) thường có kết nối trực tiếp với nguồn năng lượng và không được điều khiển tự động. Mặc dù vẫn dựa trên nguyên lý hoạt động như các máy điện nguyên thủy, nhưng các máy điện sau này khi gắn vào các quy trình công nghệ sản xuất luôn có yêu cầu cao hơn về khả năng điều khiển và kết nối chủ động với nguồn năng lượng. Để giải quyết vấn đề này, một lĩnh vực nghiên cứu mới đã hình thành và phát triển đó là điện tử công suất. Bằng cách sử dụng các linh kiện điện tử công suất kết hợp các kỹ thuật điện tử mới và các giải thuật phù hợp, điện tử công suất đã giúp điều khiển hữu hiệu các máy điện và khống chế được dòng năng lượng điện từ. Điện tử công suất đã giúp tạo ra các bộ truyền động điện mới, các bộ lọc tích cực mới…Ở Việt Nam, thấy được tầm quan trọng của công nghệ điện tử công suất, năm 2010 chính phủ đã phê duyệt công nhận điện tử công suất là lĩnh vực ưu tiên đầu tư và phát triển. Một trong các cấu trúc chính của các bộ truyền động mới là mạch nghịch lưu. Bằng cách nghiên cứu phát triển các cấu trúc và các phương pháp điều khiển mạch nghịch lưu chúng ta có nhiều bộ truyền động khác nhau tối ưu hơn. Ngày nay, bộ nghịch lưu đa bậc (multilevel inverter) với những ưu điểm vượt trội của nó được phát triển để giải quyết các vấn đề hạn chế của bộ nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn. Trong thực tế mạch nghịch lưu bị giới hạn khá nhiều bởi các đặc tính điện của linh kiện bán dẫn công suất như điện áp chịu đựng và tần số đóng cắt. Với các ứng du ̣ng công suấ t vừa và lớn việc tăng dòng qua chuyển mạch công suất, thì tổn hao do chuyển mạch cũng sẽ tăng theo, viê ̣c tăng tầ n số đóng cắ t la ̣i bi giơ ̣ ́ i ha ̣n bởi thời gian chuyể n ma ̣ch cầ n thiế t của các thiế t bi ̣ đóng cắ t công suấ t lớn. Bên cạnh đó, sự ca ̣n kiê ̣t các nguồ n năng lươ ̣ng hoá tha ̣ch, nhu cầ u năng lươ ̣ng la ̣i không ngừng tăng lên thì việc nghiên cứu các giải thuật điều chế để giảm tổn hao do chuyển mạch là một vấn đề cấp thiết được đặt ra. Tuy nhiên có một thực tế là hầu hết trường hợp giảm chuyển mạch nhằm giảm tổn hao đều dẫn đến tăng hệ số méo hài tổng và biên độ các sóng hài bậc thấp. Ngoài ra, việc sử dụng thiết bị điện tử công suất còn phát sinh điện 5 áp common mode làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của cơ cấu chấp hành ,vấ n đề về mấ t cân bằ ng điê ̣n áp tu ̣ nguồ n cũng cầ n đươ ̣c giải quyế t. Vì vậy, việc nghiên cứu các cấ u trúc nghich ̣ lưu mới, các giải pháp điều chế tối ưu làm giảm số lần chuyển mạch của các linh kiện trên mạch nghịch lưu, giải quyế t vấ n đề mấ t cân bằ ng điê ̣n áp tu ̣ nguồ n ở mô ̣t số cấ u trúc nghich ̣ lưu, giảm hoặc triệt tiêu điện áp common mode mà vẫn đảm bảo độ méo hài tổng (THD) và biên độ các sóng hài bậc thấp vẫn nằm trong giới hạn cho phép theo hàm mục tiêu là yêu cầu cấp thiết. Cấ u hın ̣ lưu 5 bâ ̣c lai là mô ̣t cấ u hıǹ h nghich ̣ lưu cho thấ y nhiề u khả ̀ h nghich năng đáp ứng các điề u trên, hơn nữa nhiề u cấ u trúc nghich ̣ lưu 5 bâ ̣c lai mới cho ứng du ̣ng công suấ t vừa và lớn đã đươ ̣c đưa ra gầ n đây với nhiề u lơ ̣i ı́ch và triể n vo ̣ng phát triể n. Chı́nh vı̀ vâ ̣y cho ̣n hướng nghiên cứu của đề tài là: Control of Hybrid Fivelevel Inverter For Medium – Voltage Applications là phù hơ ̣p và cấ p bách, trong đó nghiên cứu tập trung vào giải pháp điều khiển thông qua 2 khâu: khâu điều chế PWM Modulator và khâu phát tín hiệu xung điều khiển – Pluse Generator. Khi bộ nghịch lưu có số bậc càng cao, khả năng xuất hiện số trạng thái dư thừa (rendundace) ứng với mỗi mức điện áp ngõ ra càng nhiều. Điều này sẽ dẫn đến sự phức tạp trong việc tạo xung điều khiển khi thực hiện trên thực tế bằng điều khiển số [9]. Tuy nhiên kỹ thuật điều chế xung trong bộ điều khiển số ở khâu điều chế - PWM Modulator như điều chế độ rộng xung sử dựa trên sóng mang (Carrier based pulse width modulation), kỹ thuật điều chế vector không gian (Space vector pulse width modulation), ... thường có thể sử dụng chung cho nhiều cấu hình bộ nghịch lưu đa bậc khác nhau. Trong khi đó khâu tạo xung Pluse Generator phụ thuộc vào từng cấu hình nghịch lưu, sử dụng Lưu đồ trạng thái (State machine) là khâu cốt lõi nhằm đạt được chuỗi xung đóng cắt khóa theo yêu cầu chuyển mức điệp áp và có xét đến khả năng cân bằng, khả năng giảm thiểu số lần chuyển mạch. Chính vì thể giải pháp Generic PWM - tách riêng hai khâu: PWM Modulator và Pluse Generator này đem lại sự linh hoạt cần thiết và chuyên môn hóa phần điều khiển số. [9] 6 Mu ̣c tiêu đề tài Nghiên cứu về cấu trúc và cách hoạt động của một số bộ nghịch lưu 5 bậc lai Nghiên cứu cấu trúc điều khiển theo phương pháp Generic PWM (kết hợp 2 khâu Modulator – Generator) áp dụng cho bộ nghịch lưu lai 5 bậc, trong đó nghiên cứu các phương pháp điều chế khác nhau trong khối Modulator như phương pháp điều chế độ rộng xung sin, phương pháp điều chế vector không gian, phương pháp điều khiển dự báo. Nghiên cứu về phương pháp tạo tín hiệu điều khiển từ lưu đồ trạng thái trong khối Generator. Từ đó rút ra được cấu trúc điều khiển chung cho bộ nghịch lưu lai 5 bậc. Nội dung và phạm vi nghiên cứu Về lý thuyết, đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của các bộ nghịch lưu lai 5 bậc, nghiên cứu về các giải thuật điều chế độ rộng xung, điều chế vector không gian, điều chế khiển dự báo cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai. Các giải thuật điều chế sẽ được kiểm nghiệm, đánh giá trên mô hình mô phỏng bằ ng phầ n mề m và được so sánh với lý thuyết để có các kết luận khoa học và chính xác. Đề tài tâ ̣p trung nghiên cứu và xây dựng mô phỏng kỹ thuật điều khiển các bộ nghịch lưu 5 bậc lai theo phương pháp Generic PWM và có thể mở rộng cho các bộ nghịch lưu đa bậc khác. Mô hình cho phép đạt được các mục đích sau: 1. Mô hình hóa và mô phỏng điều chế sóng mang, điều chế vector không gian ,... cho khâu PWM Modulator. 2. Mô hình hóa và mô phỏng Lưu đồ trạng thái cho khâu Pulse Generator kết hợp với mô hình Bộ nghịch lưu 5 bậc lai. 3. Mô hình hóa và mô phỏng sự kết hợp của 2 khâu PWM Modulator và Pulse Generator trong việc điều khiển các Bộ nghịch lưu 5 bậc lai. Ý nghıã khoa ho ̣c và thực tiễn của đề tài Về mă ̣t khoa ho ̣c, luận văn có những đóng góp mới: Trên cơ sở kế thừa các phương pháp điều chế, cấu trúc điều khiển Modulator – Generator và vận dụng vào việc điều khiển các bộ nghịch lưu 5 bậc lai với các cấu hình khác nhau, luận văn đã nghiên cứu một cấu trúc điều khiển chung cho các bộ nghịch lưu 5 bậc lai và có thể mở rộng ra các bộ nghịch lưu đa bậc khác. Về thực tiễn, kế t quả nghiên cứu là cơ sở khoa ho ̣c để giải quyế t việc điều khiển ma ̣ch nghich ̣ lưu thực tế . Với việc kế thừa đươ ̣c các nghiên cứu về cấ u trúc bô ̣ 7 nghich ̣ lưu lai 5 bâ ̣c của các nghiên cứu từ trước, phát triể n thêm về cấu trúc điều khiển chung cho bô ̣ nghich ̣ lưu này, hoàn thiê ̣n cơ sở khoa ho ̣c để có thể ứng du ̣ng vào thực tiễn, đặc biệt là trong các mô hình phục vụ cho học tập, nghiên cứu giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Cấu trúc cascade cầu H được đưa ra bởi R. H. Baker và L. H. Bannister (1975), cấu trúc diode kẹp được đưa ra bỏi Baker vào năm 1980, cấu trúc flying-capacitor đưa ra bởi T. A. Meynard và H. Foch (1992). Cho đế n nay hàng loa ̣t các cấ u trúc lai đươ ̣c nghiên cứu và cho ra đời với nhiề u ưu điể m vươ ̣t trô ̣i. Trong nước, Trong Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá năm 2015, nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển PWM giảm áp common mode cho nghịch lưu cascade đa bậc của nhóm tác giả Nguyễn Vinh Quan, Nguyễn Văn Nhờ, Dương Hoài Nghĩa đã giới thiệu phương pháp mới về điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM (Pulse Width Modulation) cho bộ nghịch lưu áp đa bậc dựa trên cơ sở hàm offset thêm vào nhằm làm giảm điện áp commonmode(common-mode voltage) ở ngõ ra. Nghiên cứu bô ̣ nghich ̣ lưu ba pha cầ u H gồ m hai ma ̣ch NPC ba bâ ̣c (5 bâ ̣c lai) trong luâ ̣n văn tha ̣c sı ̃ của tác giả Bùi Thanh Hiế u đã trın ̣ ̀ h bày mô phỏng và thực nghiê ̣m bằ ng phương pháp điề u chế mới cho nghich lưu lai cầ u H ba pha gồ m hai nhánh NPC 3 bâ ̣c sử du ̣ng mô ̣t sóng mang có số lầ n chuyể n ma ̣ch ı́t, hiê ̣u quả trong viê ̣c giảm common-mode với THD = 27,11%. Trong luâ ̣n án tiế n sı ̃ “Nghiên cứu kỹ thuâ ̣t điề u chế đô ̣ rô ̣ng xung để điề u khiể n tố i ưu nghich ̣ lưu đa bâ ̣c” tác giả Quách Thanh Hải phân tı́ch cấ u trúc nghich ̣ lưu đa bâ ̣c bao gồ m nghich ̣ lưu chuẩ n truyề n thố ng và nghich ̣ lưu lai (bằ ng mô phỏng thực nghiê ̣m). Ở nước ngoài, có nhiề u nghiên cứu liên quan đế n đề tài, điể n hıǹ h như: “An Optimized SVPWM Strategy for Five-Level Active NPC (5L-ANPC) Converter” năm 2014 Bài viết này phân tích kỹ thuâ ̣t điề u chế vector không gian (SVPWM) cho bô ̣ nghich ̣ lưu 5L-ANPC, và trình bày cách điề u khiể n tối ưu nhằ m cân bằng điê ̣n áp điể m trung tı́nh. Bài báo “A Novel Five-Level Voltage Source Inverter with Sinusoidal Pulse Width Modulator for Medium-Voltage Applications” năm 2015 đề xuất một bô ̣ nghich ̣ lưu 5 bâ ̣c mới cho các ứng dụng công suất cao. Bô ̣ nghich ̣ lưu được đề xuất dựa trên sự cải tiế n của bô ̣ nghich ̣ lưu 4 bâ ̣c diode ke ̣p (ANPC). Biến tần này có thể hoạt động trên một phạm vi rộng của điện áp, có điện áp đầu ra có chất 8 lượng cao và sử du ̣ng ıt́ thiế t bi hơn so với cấ u hıǹ h truyề n thố ng, các tu ̣ điê ̣n ke ̣p (fly ̣ capacitors) đươ ̣c kiể m soát sự cân bằ ng điê ̣n áp . Hiệu suất của bộ chuyển đổi đề xuất được đánh giá thông qua mô phỏng và kết quả thực nghiệm. “A Novel Modulation Technique and a New Balancing Control Strategy for a Single-phase Five-level ANPC Converter” Năm 2014 đề xuấ t mô ̣t kỹ thuâ ̣t điề u chế mới và kỹ thuâ ̣t điề u khiể n cân bằ ng cho bô ̣ nghich ̣ lưu mô ̣t pha 5 bâ ̣c sử du ̣ng tu ̣ điê ̣n ke ̣p dựa trên bô ̣ nghich ̣ lưu diode ke ̣p cơ bản (ANPC). Kỹ thuâ ̣t mới này có thể điề u khiể n điê ̣n áp trên Fly capacitors theo các giá tri ̣yêu cầ u đồ ng thời ta ̣o ra điê ̣n áp đầ u ra theo mong muố n và không phu ̣ thuô ̣c vào điê ̣n áp trên các DC capacitor của bô ̣ nghich ̣ lưu. Với kỹ thuâ ̣t này, ta có thể sử du ̣ng các DC capacitor và Fly capacitor với giá tri ̣nhỏ hơn trong các ứng du ̣ng thực tế để tiế t kiê ̣m chi phı́. Bài báo “A Novel Hybrid Five-level Inverter For Medium – Voltage Applications” năm 2016 đề xuấ t mô ̣t cấ u trúc nghich ̣ lưu lai 5 bâ ̣c dựa trên sự cải tiê ̣n bô ̣ nghich ̣ lưu 5 bâ ̣c dùng diode ke ̣p (ANPC), cấ u trúc đề xuấ t có số lươ ̣ng thiế t bi ̣chuyể n ma ̣ch ıt́ hơn, tiế t kiê ̣m chi phı́ 13,7% so với cấ u trúc truyề n thố ng. CHƯƠNG I: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC CƠ BẢN 1.1. Tổ ng quan về bô ̣ nghich ̣ lưu áp Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp. Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng. 9 Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó. Các diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược với chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc. 1.2. Phân loại bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau [6] x Theo số pha điện áp đầu ra: 1 pha, 3 pha. x Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch (phase to pole voltage): 2 bậc (two level), đa bậc (multi – level , từ 3 bậc trở lên). x Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Inverter), dạng dùng tụ điện ke ̣p (Flying Capacitor Inverter), hoặc dạng lai (Hybrid Inverter) là dạng cấu trúc kết hợp giữa nhiều loại cấu trúc với nhau. x Theo phương pháp điều khiển: Phương pháp điều rộng, phương pháp điều biên, phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế độ rộng sung sin cải biến (Modifield SPWM), Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation, hoặc Space vector PWM). 1.3. Các bộ nghịch lưu áp đa bậc cơ bản Rất nhiều cấu trúc nghịch lưu đa bậc đã được đưa ra nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm qua. Mỗi bộ nghịch lưu có một cấu trúc và cách hoạt động riêng, tuy nhiên nguyên lý chung của bộ nghịch lưu đa bậc có thể hiểu đơn giản theo mô hình 1.1 10 Hình 1.1. Giản đồ 1 pha của nghịch lưu đa bậc (a) 2 bậc (b) 3 bậc (c) n bậc Trong mô hình trên hoạt động của các thiết bị bán dẫn được xem như lý tưởng và được thay bằng các công tắc lý tưởng nhiều trạng thái. Các trạng thái của công tắc cũng như sự chuyển mạch của chúng cho phép giá trị điện áp đầu ra là tổng các điện thế trên các tụ điện, đồng thới các công tắc phải chống lại được điện áp trên các tụ. x Hình 1.1(a) biểu diễn bộ nghịch lưu 2 bậc với Va chỉ bao gồm 2 giá trị là 0 và Vc x Hình 1.1(b) biểu diễn bộ nghịch lưu 3 bậc với Va bao gồm 3 giá trị có thể là 0, Vc và 2.Vc x Hình 1.1(c) biểu diễn bộ nghịch lưu m bậc với Va bao gồm n giá trị có thể. Với việc tăng số lượng bậc điện áp trong dạng gióng ở ngõ ra sẽ giúp làm giảm sóng hài, tăng chất lượng điện áp tuy nhiên việc này sẽ làm tăng độ phức tạp trong cấu trúc bộ nghịch lưu, gây nên một số vấn đề không mong muốn như mất cân bằng điện áp, ... Tiếp theo ta sẽ tìm hiểu các cấu trúc nghịch lưu đa bậc cơ bản. 1.3.1. Nghịch lưu đa bậc dạng diode kẹp (Diode Clamped Multilevel Inverter) Hình 1.2 mô tả bộ nghịch lưu ba bậc dạng diode kẹp, biểu diễn cho pha A. 11