Tài liệu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ ổn định điện áp cho nghịch lưu đa mức

ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC Học viên: Trần Hữu Hoàng Long Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60.52.60 Khóa: 33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Trong những năm gần đây, bộ nghịch lưu đa mức được nghiên cứu và xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động điện trung áp. Các thiết bị trong công nghiệp cũng yêu cầu khắt khe hơn đối với nguồn điện cấp và chất lượng điện năng như sự ổn định về độ lớn điện áp, ổn định tần số làm việc, và sóng hài. Luận văn này đề cập đến bộ nghịch lưu 3 pha 7 mức dạng diode kẹp, sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung để thay đổi độ lớn điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu. Để giải quyết được vấn đề về chất lượng điện áp của hệ thống luôn luôn được đảm bảo khi điện áp DC đầu vào bộ nghịch lưu thay đổi hoặc trường hợp có phụ tải cao, tác giả đã nghiên cứu được hàm truyền của hệ thống, xây dựng bộ điều khiển mờ PID với luật điều khiển mờ chỉnh định các thông số PID ổn định điện áp đầu ra cho bộ nghịch lưu 7 mức diode kẹp với độ lớn điện áp đầu vào cho trước. Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo. Từ khóa – Bộ nghịch lưu đa mức; chất lượng điện áp; diode kẹp; điều chế độ rộng xung; điều khiển mờ PID. PID FUZZY CONTROLLER APPLICATION STABILIZE VOLTAGE FOR MULTILEVEL INVERTER Abstract – In recent years, multilevel inverters have been researched and considered as the best choice for medium voltage electrical applications. Industrials equipements is also more stringent for power quality such as voltage stability, frequency stability, and harmonics. This thesis deals with diode-clamped 3-phases 7-levels inverters, using pulse-width modulation technique to change the inverter output voltage magnitude. To solve the problem of quality of system voltage is guaranteed when the inverter input DC voltage changes or in case of high load, the author has researched the system's transmission function, built-in PID fuzzy controller with pid parameters self-tuning fuzzy control system to stabilize the output voltage for the diode-clamped 7-levels inverter with a input voltage. The author has summarized the results achieved and set out the next direction. Key words - multilevel inverters; quality of system voltage; diode-clamped; pulsewidth modulation; PID fuzzy controller MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tên đề tài ........................................................................................................1 2. Lý do chọn đề tài ............................................................................................1 3. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu ..................................................................1 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................2 5. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................2 6. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................2 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................2 8. Dự kiến kết quả đạt được ...............................................................................3 9. Cấu trúc luận văn ............................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC ..........................4 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT ................................................................................4 1.2. PHÂN LOẠI CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ........................................................5 1.3. CÁC DẠNG CẤU TRÚC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC ..................5 1.3.1. Bộ nghịch lưu dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Miltilevel Inverter) .....................................................................................................................................6 1.3.2. Bộ nghịch lưu dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) .......................................................................................................................8 1.3.3. Bộ nghịch lưu cấu trúc dạng cầu H ghép tầng (Cascaded H-Bridges).....8 1.4. CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC .........................................................................................................10 1.4.1 Nghiên cứu trên thế giới ..........................................................................10 1.4.2 Nghiên cứu ở Việt Nam ..........................................................................12 1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1...................................................................................13 CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 7 MỨC DẠNG DIODE KẸP ..................................................................14 2.1. CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 7 MỨC DẠNG DIODE KẸP .................14 2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC ................17 2.2.1. Nguyên tắc thực hiện: .............................................................................17 2.2.2. Sử dụng phương thức loại trừ sóng hài tính điện áp đầu ra ...................19 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2...................................................................................21 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ/PID ĐỂ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 7 MỨC DẠNG DIODE KẸP .........................22 3.1. MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 7 MỨC DẠNG DIODE KẸP ...........................................................................................................................22 3.1.1. Một số khái niệm ....................................................................................22 3.2.1. Xây dựng hàm truyền đối tượng từ mô hình vật lý ................................22 3.2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ/PID ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO BỘ NGHỊCH LƯU 7 MỨC DẠNG DIODE KẸP ..........................................................25 3.2.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID ............................................................25 3.2.1.1. Cấu trúc chung của hệ điều khiển: ......................................................25 3.2.1.2. Các phương pháp xác định tham số PID ............................................26 3.2.2. Tổng quan về bộ điều khiển mờ .............................................................34 3.2.2.1. Định nghĩa tập mờ ...............................................................................34 3.2.2.2. Các thuật ngữ trong logic mờ .............................................................34 3.2.2.3. Biến ngôn ngữ......................................................................................34 3.2.2.4. Luật hợp thành ....................................................................................35 3.2.2.5. Giải mờ ................................................................................................36 3.2.2.6. Thiết kế bộ điều khiển mờ ....................................................................38 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển PID-Mờ ổn định điện áp cho nghịch lưu đa mức ..........................................................................................................................39 3.2.3.1. Sơ đồ điều khiển sử dụng PID thích nghi: ..........................................39 3.2.3.2. Luật chỉnh định PID ............................................................................40 3.2.3.3. Xây dựng bộ PID mờ thích nghi: ........................................................40 3.3. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG ..........................................................................................46 3.3.1. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID mờ .................................................46 3.3.2. Khối bộ nghịch lưu 7 mức dạng Diode kẹp ...........................................46 3.3.2.1. Khối tạo một xung tam giác ................................................................46 3.3.2.2. Khối tạo xung điều khiển .....................................................................47 3.3.2.3. Khối nghịch lưu 7 mức diode kẹp ........................................................48 3.3.3. Khối luật điều khiển trong bộ FUZZY ...................................................48 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3...................................................................................49 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG..................................................................50 4.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO CÁC TRƯỜNG HỢP TẢI KHÁC NHAU, ĐIỆN ÁP VÀO THAY ĐỔI.........................50 4.1.1. Trường hợp không tải, điện áp vào UDC=800V......................................50 4.1.2. Trường hợp không tải, điện áp vào UDC=400V......................................51 4.1.3. Trường hợp có tải động cơ, điện áp đầu vào UDC=600V .......................52 4.1.4. Trường hợp có tải động cơ, điện áp đầu vào UDC=800V .......................53 4.2. SO SÁNH ĐÁP ỨNG ĐỘ LỚN ĐIỆN ÁP ĐẦU RA GIỮA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ PID MỜ .......................................................................................................54 4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4...................................................................................54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng Trang Bảng trạng thái các khóa chuyển mạch pha A của bộ nghịch lưu 7 bảng 1.1. diode kẹp 3 pha 6 mức 2.1. Trạng thái khóa chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3 pha 7 15 mức 3.1. Giá trị vào – ra tương ứng giữa chỉ số điều chế biên độ ma và 23 điện áp hiệu dụng Ura của đối tượng điều khiển 3.2. Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp, Ki, Kd 27 3.3. Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 28 3.4. Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 29 3.5. Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1 30 3.6. Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2 30 3.7. Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3 30 3.8. Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4 30 3.9. Luật chỉnh định Kp 43 3.10. Luật chỉnh định Kd 43 3.11. Luật chỉnh định Ki 44 DANH MỤC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang Ứng dụng của nghịch lưu đa mức trong việc hòa lưới từ nhiều 4 hình 1.1. nguồn điện khác nhau 1.2. Phân loại các bộ nghịch lưu đa mức 5 1.3. Bộ nghịch lưu 3 pha 6 mức dạng diode kẹp 6 1.4. Dạng sóng điện áp dây đầu ra Vab của bộ nghịch lưu diode kẹp 3 7 pha 6 mức 1.5. Cấu trúc bộ nghịch lưu dùng tụ điện thay đổi (Flying capacitor 8 multilevel inverter) 3 pha 6 mức 1.6. Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng cầu H ghép tầng (cascaded H- 9 Bridge) 1 pha m mức. 1.7. Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu cầu H nối tầng 11 10 mức với 5 nguồn DC riêng lẽ 1.8. Kết quả phân tích FFT của bộ nghịch lưu 7 mức bất đối xứng 11 1.9. Kết quả mô phỏng về đáp ứng của các thông số PID tự điều 11 chỉnh bằng hệ thống mờ. 1.10. Kết quả so sánh về hiệu quả của biến tần 7 mức so với biến tần 12 5 mức. 2.1. Sơ đồ bộ nghịch lưu dạng diode kẹp 3 pha 7 mức 14 2.2. Dạng sóng điện áp dây của bộ nghịch lưu 3 pha 7 mức 15 2.3. Ví dụ về trạng thái khóa chuyển mạch và điện áp ra Va0 16 2.4. Tương quan giữa sóng mang và sóng điều chế. 17 2.5. Hình dạng xung kích các khóa điện tử trong bộ nghịch lưu 7 18 mức diode kẹp. 2.6. Tương quan giữa sóng mang và sóng điều khiển với chỉ số điều 19 chế biên độ ma = 0.8 2.7. Dạng điện áp ra trong phương pháp loại trừ sóng hài 21 3.1. Mô hình vật lý của bộ nghịch lưu áp 7 mức dạng diode kẹp 22 3.2. Mối quan hệ giữa chỉ số điều chế biên độ ma và điện áp hiệu 24 dụng Ura. 3.3. Công cụ “ident” để tìm hàm truyền gần đúng của đối tượng 24 3.4. Kết quả hàm truyền gần đúng của đối tượng được tìm bằng công 25 cụ “ident” 3.5. Cấu trúc hệ thống điều khiển 26 3.6. Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S 28 3.7. Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 28 3.8. Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth 29 3.9. Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones- 29 Reswick 3.10. Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số 31 3.11. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín 32 3.12. Miền xác định trong logic mờ 34 3.13. Minh họa về hàm thuộc 35 3.14. Minh họa phương pháp giải mờ 37 3.15. Phương pháp trọng tâm 38 3.16. Mô hình tổng quát của hệ thống điều khiển 39 3.17. Các vùng cần chỉnh định thông số PID 40 3.18. Các biến đầu vào và các biến đầu ra của bộ điều khiển FUZZY 41 3.19. Hàm liên thuộc của đầu vào sai số e 41 3.20. Hàm liên thuộc của đầu vào tốc độ sai số de/dt 42 3.21. Hàm liên thuộc của đầu ra Kp 42 3.22. Hàm liên thuộc của đầu ra Ki 42 3.23. Hàm liên thuộc của đầu ra Kd 43 3.24. Biều diễn luật chỉnh định Kp trong không gian 44 3.25. Biều diễn luật chỉnh định Ki trong không gian 45 3.26. Biều diễn luật chỉnh định Kd trong không gian 45 3.27. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID Mờ 46 3.28. Khối tạo xung tam giác 46 3.29. Khối tạo xung điều khiển 47 3.30. Khối nghịch lưu 7 mức dạng diode kẹp 48 3.31. Luật điều khiển FUZZY 48 4.1. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID cho trường hợp không tải, 50 điện áp vào UDC=800V 4.2. Phân tích THD điện áp đầu ra trong trường hợp không tải, điện 50 áp vào UDC=800V (THD = 6,11%) 4.3. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID cho trường hợp không tải, 51 điện áp vào UDC=400V 4.4. Phân tích THD điện áp đầu ra trong trường hợp không tải, điện 51 áp vào UDC=400V (THD = 12,20%) 4.5. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID cho trường hợp tải động 52 cơ, điện áp vào UDC=600V 4.6. Phân tích THD điện áp đầu ra trong trường hợp tải động cơ, 52 điện áp vào UDC=600V (THD = 13,70%) 4.7. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID cho trường hợp tải động 53 cơ, điện áp vào UDC=800V 4.8. Phân tích THD điện áp đầu ra trong trường hợp tải động cơ, 53 điện áp vào UDC=800V (THD = 11,35%) 4.9. Kết quả mô phỏng so sánh đáp ứng độ lớn điện áp đầu ra giữa bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PID mờ 54 -1MỞ ĐẦU 1. Tên đề tài: Ứng dụng bộ điều khiển PID mờ ổn định điện áp cho nghịch lưu đa mức. 2. Lý do chọn đề tài Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất rất được quan tâm và sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện năng, dùng trong công nghiệp. Và một trong những ứng dụng của nó là dùng trong các ứng dụng công suất cao. Do đó, điện áp và dòng điện phải được nâng lên tương ứng. Vì vậy mà công suất định mức của linh kiện bán dẫn sẽ là một trở ngại. Ngoài ra, chúng ta khó có thể sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất trực tiếp với lưới trung áp hay cao áp mà cần có hệ thống cấp điện với giải pháp tốt hơn. Vì vậy trong những năm gần đây, bộ nghịch lưu đa mức đó được nghiên cứu và xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp. Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu đa mức là điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo. Với cùng tần số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp nghịch lưu hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn. Hiện nay đó có nhiều bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu đa mức như: sử dụng kỹ thuật PWM, kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CBPWM), kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM), hay bộ điều khiển kinh điển PID .... Tuy nhiên, với một đối tượng có cấu trúc phức tạp, yêu cầu đầu ra khắt khe như bộ nghịch lưu đa mức thì cần phải thay thế một bộ điều khiển khác. Với các lý do trên, tác giả đó lựa chọn đề tài: “Ứng dụng bộ điều khiển PID mờ ổn định điện áp cho bộ nghịch lưu đa mức”. 3. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu  Mục đích nghiên cứu: - Nâng cao chất lượng điều khiển và chất lượng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu đa mức. - Đảm bảo chất lượng điện (về điện áp, tần số, ...) khi có sự cố về nguồn điện đầu vào như sự gián đoạn điện, giải quyết được các thành phần sóng hài bậc cao.  Mục tiêu nghiên cứu: - Thiết kế được đối tượng nghiên cứu là bộ nghịch lưu dùng diode kẹp 7 mức. - Xây dựng thuật toán điều khiển mờ/PID. - Mô phỏng thành công trên matlab/simulink. - So sánh thuật toán điều khiển này so với các phương pháp điều khiển khác để thấy được sự khác biệt và ưu điểm của nó. -2- - Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu đa mức sử dụng thuật toán điều khiển mờ/PID. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Do bộ nghịch lưu đa mức ngày càng phát triển và ứng dụng rộng rói. Trong đề tài này chỉ giới hạn nghiên cứu bộ nghịch lưu 3 mức và áp dụng bộ điều khiển Mờ/PID cho bộ nghịch lưu 7 mức. Đối với kỹ thuật điều khiển cũng chỉ giới hạn về bộ điều khiển Mờ/PID. Và chỉ nghiên cứu, thay đổi các số liệu tạo ra sóng hài bậc cao, các trường hợp sự cố điện đầu vào để mô phỏng, tính toán đảm bảo được đầu ra của điện áp. 5. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu mô hình bộ nghịch lưu đa mức. - Nghiên cứu cơ sở lý của các bộ điều khiển kinh điển và nâng cao. - Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển Mờ/PID cho bộ nghịch lưu đa mức dựa trên cơ sở của phương pháp điều khiển kinh điển PID. - Kiểm tra tính đúng đắn của thuật toán bằng mô phỏng matlab/simulink. 6. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với việc làm mô phỏng: - Nghiên cứu lý thuyết. - Nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm Matlab và Simulink. - Trên cơ sở các kết quả mô phỏng rút ra các kết luận. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài  Ý nghĩa khoa học: Với kết quả nghiên cứu được, đề tài này mang lại ý nghĩa khoa học về vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ PID trong việc điều khiển bộ nghịch lưu đa mức, cung cấp thêm cho những nhà nghiên cứu, chế tạo và sử dụng bộ nghịch lưu như một công cụ hiệu quả để họ hiểu rõ hơn và làm chủ được thiết bị khi vận hành. Đề tài này chỉ ra được sự kết hợp giữa điều khiển mờ và điều khiển PID sẽ mang lại kết quả tốt hơn so với việc chỉ sử dụng bộ điều khiển PID. Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để có thể ứng dụng cho công nghệ chế tạo và sản xuất các bộ nghịch lưu.  Ý nghĩa thực tiễn: Bộ nghịch lưu đa mức có ý nghĩa thực tế khi được ứng dụng tốt trong cuộc sống, cụ thể là các doanh nghiệp đang sử dụng hiện nay. Một số ưu điểm chính của bộ nghịch lưu đa mức là điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo. Với cùng tần số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp nghịch lưu hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn. -3Ngoài ra, hiện nay các doanh nghiệp ngày càng yêu cầu khắt khe về điện áp ra như bộ UPS, đảm bảo được nguồn điện không bị gián đoạn, không bị giảm chất lượng cũng như không sinh ra các thành phần sóng hài bậc cao. Chính vì vậy mà bộ điều khiển tập trung giải quyết các vấn đề đó, tạo ra được đầu ra tốt nhất cho bộ nghịch lưu. 8. Dự kiến kết quả đạt được Xây dựng hoàn chỉnh bộ điều khiển mờ/PID đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác và độ ổn định cao của hệ thống, đầu ra của bộ nghịch lưu đa mức, đồng thời giảm được điện áp sóng hài bậc cao đầu ra, mô phỏng được các hiện tượng, sự cố như trường hợp gián đoạn nguồn điện đầu vào, ... 9. Cấu trúc luận văn Luận văn bao gồm có 4 chương: Chương 1: Tổng quan về bộ nghịch lưu đa mức. Chương 2: Cấu trúc và phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 7 mức dạng diode kẹp. Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển mờ/PID để ổn định điện áp cho bộ nghịch lưu áp 7 mức dạng diode kẹp. Chương 4: Kết quả mô phỏng. -4CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT Khái niệm bộ nghịch lưu đa mức bắt đầu xuất hiện từ những năm 1975. Cấu trúc của bộ nghịch lưu 3 mức được xuất hiện đầu tiên, sau đó các kiến trúc của những bộ nghịch lưu đa mức khác được bắt đầu phát triển. Bộ nghịch lưu sử dụng những khóa bán dẫn công suất kết hợp với năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có vai trò như một khóa dùng để đóng, ngắt dòng điện qua nó. Trong các ứng dụng với công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transitor BJT, MOSFET, IGBT làm khóa và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT … Nghịch lưu đa mức được sử dụng để nghịch lưu các nguồn điện trung áp như 6kV, 10kV, 15kV, ... Từ đó, người ta còn ứng dụng nghịch lưu đa mức chuyển đổi một số nguồn năng lượng một chiều như năng lượng mặt trời năng lượng gió thành nguồn điện xoay chiều cao áp và có thể nối lưới từ nhiều nguồn điện khác nhau. Năng lượng Nghịch lưu mặt trời đa mức Năng lượng gió Nguồn 1, 2, ... Nghịch lưu đa mức Lưới Nghịch lưu đa mức Hình 1.1. Ứng dụng của nghịch lưu đa mức trong việc hòa lưới từ nhiều nguồn điện khác nhau Ngoài ra, ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của bộ nghịch lưu đa mức nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng. Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự -5nhiên. Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện. Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR). 1.2. PHÂN LOẠI CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP Bộ nghịch lưu áp được phân loại dựa theo các tiêu chí khác nhau: - Theo số pha điện áp đầu ra: 1 pha, 3 pha. - 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). - Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)… - 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 PWM).  Phương pháp Discontinuous PWM 1.3. CÁC DẠNG CẤU TRÚC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa mức: - Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter). - Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) - Dạng ghép tầng cascade (Cascade Inverter) Nghích lưu đa mức Nguồn DC riêng lẽ Nghịch lưu dạng cầu ghép tầng Nguồn DC chung Nghịch lưu dạng diode kẹp Nghịch lưu dạng tụ điện thay đổi Hình 1.2. Phân loại các bộ nghịch lưu đa mức -61.3.1. Bộ nghịch lưu dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Miltilevel Inverter) Bộ chuyển đổi điểm trung tính (the neutral point converter) được đưa ra bởi Nabae, Takahashi, và Akagi vào năm 1981 là một điều thiết yếu để tạo ra bộ nghịch lưu diode kẹp 3 mức. Vào năm 1990, một vài bài báo nghiên cứu được đưa ra về kết quả của các bộ chuyển đổi diode kẹp 4, 5, và 6 mức để tạo ra các bộ tụ bù tĩnh (static var compensation). Bộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tầng. Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp. Điện áp pha - nguồn DC (phase to pole voltage) có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và từ đó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) mức. Bộ nghịch lưu dạng diode kẹp 3 pha 6 mức được thể hiện như hình 1.3. Điện áp một pha thông đến một vị trí bất kỳ trên mạch nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D4 và D1’), để điện áp pha – nguồn DC đạt được mức điện áp nêu trên (Ua0 = Vdc), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa hai diode D4 và D1’ (gồm 5 linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau: Sa1, Sa’5, Sa’4, Sa’3, Sa’2 phải được kích đóng), các linh kiện còn lại phải được khóa theo nguyên tắc đối nghịch. Tương ứng với sáu trường hợp kích đóng linh kiện bị kẹp giữa sáu cặp diode, ta thu được sáu mức điện áp pha – nguồn DC: 0, Vdc, 2Vdc, 3Vdc, 4Vdc, 5Vdc. Vì có khả năng tạo ra sáu mức điện áp pha – nguồn DC nên mạch nghịch lưu trên hình 1.2 gọi là bộ nghịch lưu 6 mức. Hình 1.3. Bộ nghịch lưu 3 pha 6 mức dạng diode kẹp -7Bảng 1.1 thể hiện các trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn, trong đó các cặp khóa bán dẫn hoạt động theo nguyên tắc đối nghịch (Sa1, Sa’1), (Sa2, Sa’2), (Sa3, Sa’3), (Sa4, Sa’4) và (Sa5, Sa’5). Bảng 1.1. Bảng trạng thái các khóa chuyển mạch pha A của bộ nghịch lưu diode kẹp 3 pha 6 mức Sa5 0 0 0 0 0 0 Trạng thái các khóa chuyển mạch của pha A Sa4 Sa3 Sa2 Sa1 Sa’5 Sa’4 Sa’3 Sa’2 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 Sa’1 0 0 0 0 1 1 Điện áp ra Va0 V5 = 5Vdc V4 = 4Vdc V3 = 3Vdc V2 = 2Vdc V1 = Vdc V0 = -0 Hình 1.3 thể hiện dạng sóng điện áp dây đầu ra Vab của bộ nghịch lưu dang diode kẹp 3 pha 6 mức, là tổng điện áp của điện áp dây Va0 và Vb0. Kết quả của dạng sóng điện áp dây đầu ra là 11 mức. Điều này có nghĩa là với bộ nghịch lưu diode kẹp n mức thì sẽ cho ra dạng sóng điện áp dây đầu ra là (2n-1) mức. Hình 1.4. Dạng sóng điện áp dây đầu ra Vab của bộ nghịch lưu diode kẹp 3 pha 6 mức Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm sốc điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các -8diode sẽ khác nhau. Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn. 1.3.2. Bộ nghịch lưu dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) Meynard và Foch đó đưa ra bộ nghịch lưu cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) vào năm 1992. Cấu trúc của bộ nghịch lưu này tương tự như bộ nghịch lưu dạng diode kẹp, chỉ khác là thay thế vị trí của các diode kẹp bằng những tụ điện. Cấu trúc bộ nghịch lưu dùng tụ điện thay đổi 3 pha 6 mức được thế hiện như hình 1.4 Hình 1.5. Cấu trúc bộ nghịch lưu dùng tụ điện thay đổi (Flying capacitor multilevel inverter) 3 pha 6 mức Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu dạng này là: Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc. Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên hiện được việc điều tiết công suất. Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác. Không như nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng điện áp ba pha ở ngõ vào. Nhược điểm của bộ nghịch lưu này là: Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều, dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm. Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao. 1.3.3. Bộ nghịch lưu cấu trúc dạng cầu H ghép tầng (Cascaded H-Bridges) Cấu trúc một pha của bộ nghịch lưu dạng cầu H ghép tầng m mức được mô tả như hình 1.5. Mỗi một nguồn riêng DC (SDCS) được kết nối vào bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp. Mỗi bộ nghịch lưu có thể tạo ra được 3 mức điện áp đầu -9ra khác nhau +Vdc, 0, -Vdc nhờ sự điều khiển của các khóa bán dẫn S1, S2, S3, và S4. Để đạt mức +Vdc, trạng thái khóa S1 và S4 phải được kích đóng, ngược lại với trạng thái –Vdc, trạng thái khóa S2 và S3 phải được kích đóng. Kích đóng cả 4 khóa S1, S2, S3, S4 thì điện áp đầu ra bằng 0. Số lượng mức điện áp trong bộ nghịch lưu dạng cascade là m = 2s+1, trong đó s là số lượng nguồn DC chia ra. Ví dụ nghịch lưu cascaded H-bridge 11 mức với 5 nguồn SDCS và 5 cầu được thể hiện ở hình 1.5. Điện áp pha Van = Va1 + Va2 + Va3 + Va4 + Va5. Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và dv/dt cũng giảm đi như vậy. Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp. Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch lưu áp đa bậc còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp ba pha. Cấu trúc này cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch cho phép sử dụng các cấu hình nghịch lưu áp ba pha chuẩn. Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module. Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra. Hình 1.6. Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng cầu H ghép tầng (cascaded H-Bridge) 1 pha m mức. - 10 - Hình 1.7. Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu cầu H nối tầng 11 mức với 5 nguồn DC riêng lẽ 1.4. CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 1.4.1. Nghiên cứu trên thế giới Khái niệm về bộ nghịch lưu đa mức đã được giới thiệu từ những năm 1975. Hiện nay, bộ nghịch lưu đa mức đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhiều nước trên thế giới. Đặc biệt là nghiên cứu chuyên sâu về các cấu trúc và các kỹ thuật điều chế, tính toán cho các thiết bị chuyển mạch hoạt động tối ưu, giảm bớt tổn thất, giảm sóng hài, cũng như ngày càng nâng cao độ lớn và chất lượng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu đa mức. Một số công trình đã được nghiên cứu như: - Theo bài báo “Simulation of seven level asymmetric multilevel inverter” của tác giả Shubhangi S.Landge, Vijaykumar S.Kamble và Saurabh S.Shingare đã mô phỏng thành công bộ nghịch lưu 7 mức bất đối xứng, tổng lượng sóng hài (THD) được nghiên cứu là 12,97%, thấp hơn so với mô hình nghịch lưu đa mức bình thường. - 11 - Hình 1.8. Kết quả phân tích FFT của bộ nghịch lưu 7 mức bất đối xứng - Ngoài ra, một bài báo khác với đề tài “A Design of PID Parameters Selftuning Fuzzy Control System and Its Incorporation with Practical Realization on PLC” của tác giả Liu Hongling, Jiang Chuanwen, Zhang Yan đã đề cập đến việc thực hiện cơ chế điều khiển mờ một cách hiệu quả hơn và kết hợp nó vào các chương trình PLC trôi chảy hơn. Bằng lập trình VC++, quá trình này được đơn giản hóa để nhận ra các tham số PID tự điều chỉnh điều khiển mờ trên PLC. Kết quả mô phỏng của tác giả cũng xác nhận hiệu quả của nó. Hình 1.9. Kết quả mô phỏng về đáp ứng của các thông số PID tự điều chỉnh bằng hệ thống mờ. - 12 - Theo bài báo: “A Comparative Study of 5-level and 7-level Multilevel Inverter Connected to the Grid” của các tác giả Nurul Aisyah Yusof, Norazliani Md Sapari, Hazlie Mokhlis, Jeyraj Selvaraj đã mô phỏng và cho ra kết quả biến tần đa mức 7 cấp đã mang lại hiệu suất cao hơn về hệ số công suất, THD, và hiệu quả của nó so với biến tần đa mức 5 cấp. Kết quả so sánh của tác giả như hình dưới: Hình 1.10. Kết quả so sánh về hiệu quả của biến tần 7 mức so với biến tần 5 mức. 1.4.2. Nghiên cứu ở Việt Nam Ở Việt Nam, những năm gần đây đã có nhiều trường đại học, viện nghiên cứu hay các cá nhân có những nghiên cứu tìm hiểu về các bộ nghịch lưu nói chung và bộ nghịch lưu đa mức nói riêng. Có thể kể ra một số công trình tiêu biểu như sau: Một số nghiên cứu được đăng trên tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật như nghiên cứu của TS.Nguyễn Văn Nhờ và Trần Vũ với bài báo: “Phương pháp PWM vector không gian cho bộ chuyển đổi ma trận Ultra Sparse sử dụng FPGA” hoặc nghiên cứu của TS. Nguyễn Văn Nhờ và Phạm Ngọc Hiệp với bài báo: “điều khiển sóng mang PWM cho nghịch lưu đa mức dạng cascade đối với bộ lọc công suất 3 pha 4 dây”. Một số bài báo được nghiên cứu vào năm 2013 của Phan Tấn Phước và Nguyễn Huy Nhờ: “Thực nghiệm điều khiển bộ biến đổi AC/DC 1 pha dạng Cascade 5 bậc” trong hội nghị điều khiển và tự động hóa, VCCA 2013. Ngoài ra cũng có một số công trình nghiên cứu luận văn thạc sỹ như đề tài “Kỹ thuật PWM sóng mang ho nghịch lưu đa bậc lai” của tác giả Nguyễn Văn Phục hoàn thành vào năm 2006 với kết quả là phân tích chi tiết phương pháp thiết kế nghịch lưu đa bậc lai, có thể tạp được số bậc điện áp lớn nhất với cùng số cell cầu H. Tuy nhiên, độ méo dạng họa tần của nó vẫn đảm bảo như các cấu trục không lai khác. Đặc biệt, luận văn còn trình bày các kỹ thuật PWM sóng mang cho nghịch lưu lai. Từ đó đưa ra nhận xét, đánh giá ưu nhược điểm của mỗi kỹ thuật. Cũng có một số công trình nghiên cứu của sinh viên về tổng quan các bộ nghịch lưu áp và các phương pháp điều khiển như kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM hoặc điều chế độ rộng xung cải tiến; phương pháp điều chế vector không gian (space vector PWM), ...