Chương 1 Tổng quan Chương 2 Một số phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu một pha. Chương 3 Xây dựng giải thuật điều khiển và mô hình Chương 4 Kết quả mô phỏng và nhận xét. Chương 5 Kết luận và hướng phát triển. 6 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA 1.
BỘ NGHỊCH LƯU CẦU MỘT PHA Cấu hình bộ nghịch lưu cầu một pha nguồn áp trên Hình. 3 với 4 transistor và 4 diode tần số cao mắc đối song song với chúng. Khi Q1 và Q2 dẫn, điện áp trên tải bằng điện áp nguồn Vs. Khi Q3 và Q4 dẫn, điện áp trên tải bằng điện áp nguồn và bằng –Vs.
3 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu cầu một pha 7 Hình. 4 Dạng sóng Hình. 5 Trạng thái đóng cắt của các linh kiện Bảng. 1 mô tả 5 trạng thái của các transitor, trong đó transitor Q1 – Q4 hoạt động tương ứng với khóa S1 – S4.
Nếu hai khóa: một ở nhánh trên và một ở nhánh dưới 8 dẫn trong cùng một thời điểm, điện áp tải sẽ là +-Vs, trạng thái khóa là 1, trong khi trạng thái ngắt khóa là 0. 1 Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp cầu một pha Trạng Số Trạng thái thái Vao Vbo Vo Phần tử dẫn khóa 1 S1 và S2 đóng, S3 và S4 ngắt 10 Vs/2 -Vs/2 Vs S1 và S2 nếu io > 0 D1 và D2 nếu io < 0 2 S3 và S4 đóng, S1 và S2 ngắt 01 -Vs/2 Vs/2 -Vs D4 và D3 nếu io < 0 S4 và S3 nếu io > 0 3 S1 và S3 đóng, S4 và S2 ngắt 11 Vs/2 Vs/2 0 S1 và D3 nếu io > 0 D1 và S3 nếu io < 0 4 S4 và S2 đóng, S1 và S3 ngắt 00 -Vs/2 -Vs/2 0 D4 và S2 nếu io > 0 S4 và D2 nếu io < 0 -Vs/2 Vs/2 -Vs D4 và D3 nếu io > 0 5 S1, S2, S3 và S4 cùng ngắt off Vs/2 -Vs/2 Vs D1 và D2 nếu io < 0 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU CẦU MỘT PHA Trong thực tế có nhiều phương pháp hiệu quả điều khiển bộ nghịch lưu áp một pha kết hợp với kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM như: 2. Điều chế độ rộng sung đơn – Single pulse-width modulation Theo phương pháp điều khiển này, mỗi nữa chu kỳ sẽ chỉ có một xung, sự thay đổi độ rộng của xung làm thay đổi điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu.
Xung điều khiển được tạo ra nhờ so sánh tín hiệu điều khiển (sóng vuông) với biên độ là Ar và sóng tam giác với biên độ là Ac. Tần số tín hiệu điều khiển xác định tần số điện áp ngõ ra, như được mô tả trong Hình. 6 Phương pháp điều chế xung đơn Giá trị điện áp tức thời ngõ ra: v0 = Vs ( g1 − g 4 ) Tỉ số giữa Ar và Ac được gọi là hệ số điều chế biên độ (amplitute modulation index), hay đơn gairn là hệ số điều chế M Ar M = Ac Trị hiệu dụng điện áp ngõ ra: 1/ 2 2 ( π +δ ) / 2 2 δ V0 = ∫ s V d (ω t ) = Vs ∑ 2π (π −δ ) / 2 π Bằng cách thay đổi Ar từ 0 đến Ac, độ rộng xung sẽ thay đổi từ 0 đến π và trị hiệu dụng điện áp sẽ được điều chỉnh từ 0 đến Vs. Điều chế độ rộng xung Sin (SPWM) Về nguyên lý, phương pháp thực hiện kỹ thuật analog.
Giản đồ kích đóng công tắc của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tính hiệu cơ bản: - Sóng mang up (carrier signal) tần số cao. - Sóng điều chế ur (reference signal) (hoặc sóng điều chế-modulation signal) dạng sin. Ví dụ: công tắc lẻ được kích khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur > up). Trong trường hợp ngược lại công tắc chẵn được kích đóng.
Sóng mang up có thể ở dạng tam giác. Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện còn có thời gian đóng ton và thời gian ngắt toff nhất định.
Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang. Sóng điều khiển ur mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp một pha, ta cần tạo hai sóng điều khiển lệch pha nhau nửa chu kỳ (tức chúng ngược pha nhau).
Để đơn giản mạch kích hơn nữa, ta có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất để kích đóng. Ví dụ: cặp công tắc (S1S4) được kích đóng theo quan hệ giữa sóng điều khiển và sóng mang, còn cặp (S2S3) được kích đóng ngược lại với chúng. Lúc đó hình thành trạng thái kích đóng (S1S2) hoặc (S3S4). Gọi m f là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio): f carrier mf = (2.1) f reûence Việc tăng giá trị m f sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện.
Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng ngắt lớn và giá trị này cũng bị giới hạn bởi tốc độ đóng cắt của IGBT (IGBT có một thông số quang trọng đó là thời gian chết Td, nếu IGBT chuyển mạch on → off → on hoặc off → on → off trong khoảng thời gian này thì IGBT sẽ không đáp ứng được và sẽ không xuất hiện chuyển mạch). Tương tự, gọi ma là tỉ số điều chế biên độ 11 (amplitude modulation ratio): khi sóng điều khiển dạng sin (Vdk) và sóng mang tam giác (Vt).2) Vt Nếu Vdk < Vt (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa thành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính. Trong nghiên cứu này, chúng ta chỉ xét đến trường hợp điều khiển tuyến tính (Vdk < Vt ). Điện áp ngõ ra E của bộ nghịch lưu.
Đối với bộ nghịch lưu áp một pha: E = maVdc (2.3) Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha: Vdc E = ma (2.4) 2 Giản đồ xung kích bằng phương pháp SPWM theo Hình. 7 Giản đồ xung kích bộ nghịch lưu một pha bằng phương pháp SPWM 12 Như trên Hình. 7 cho thấy hai sóng điều khiển sin lệch nhau 1800, tần số và góc pha ban đầu của hai sóng quyết định tần số và góc pha của điện áp ngõ ra E. Tần số sóng mang Vt sẽ quyết định độ rộng xung cũng như sóng hài điện áp ngõ ra.
Theo công thức (2.3) độ lớn của hai sóng mang và sóng điều khiển sẽ phụ thuộc trực tiếp đến điện áp ngõ ra E. Trường hợp khi tần số sóng mang fc càng cao thì rộng xung càng nhỏ dẫn đến điện áp và dòng điện trên tải càng giống hình sin. E Vdk Ta có : ma = = Vdc Vt Hình. 8 Giản đồ dòng điện và điện áp ngõ ra nghịch lưu dùng phương pháp SPWM Nếu ta luôn giữ được giá trị Vdc = Vt thì điện áp ngõ ra sẽ bằng với điện áp điều khiển: E = Vdk.
Hay nói cách khác là khi có sự thay đổi điện áp Vdc thì ta sẽ điều chỉnh giá trị Vt thay nếu Vdc = Vt thì điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu không phụ thuộc vào sự thay đổi điện áp của nguồn năng lượng mặt trời mà nó chỉ phụ thuộc ( bằng với) điện áp điều khiển Vdk. Ngoài ra còn có phương pháp khác như: Điều chế độ rộng đa xung (Multiple pulse width modulation). 13 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT VÀ MÔ HÌNH 1. PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC Giả sử ta có nguồn DC được cung cấp từ các tấm pin mặt trời sau khi qua mạch tăng áp sẽ có điện áp Vdc = 480V cung cấp cho bộ nghịch lưu được thiết kế theo mạch cầu H.
Điện áp DC qua bộ nghịch lưu biến đổi thành AC. Ta gọi điện áp AC của bộ nghịch lưu là E. Nguồn E được kết nối với lưới điện phân phối qua cuộn dây L. 9 Sơ đồ kết nối nguồn năng lượng mặt trời kết nối vào lưới điện phân phối một pha Xét từ ngõ ra của bộ nghịch lưu đến lưới, ta có sơ đồ tương đương như sau: Hình.
10 Sơ đồ tương đương khi kết nối 14 Với sơ đồ tương tương Hình. 10 ta có đồ thị vector giữa các thông số khi nối lưới như sau: Hình. 11 Giản đồ vectơ của các thông số khi hòa Từ Hình. 11 ta có công thức tính công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bơm vào lưới điện như sau: .2) Trong đó: Xs là điện trở kháng của cuộn dây L.
δ là góc tạo bởi điện áp E và điện áp U. ϕ là góc tạo bởi điện áp U và dòng điện I. Công suất tác dụng P được biến đổi đưa về lưới điện được tính như sau: EU P = UI cos(ϕ ) = sin(δ ) (3.3) Xs Công suất phản kháng (Q) được biến đổi đưa về lưới điện được tính như sau: EU U2 U Q = UI sin(ϕ ) = cos(δ ) − = ( E cos(δ ) − U ) (3.4) Xs Xs Xs Từ công thức (3.4) ta có: muốn thay đổi công suất tác dụng P và Q khi bơm vào lưới ta thay đổi điện áp E, điện áp U, điện kháng L và nhất là góc lệch δ. - Để thay đổi E ta có thể can thiệp điều khiển điện áp của năng lượng mặt trời Vdc hoặc thay đổi các thông số tạo xung kích cho các khóa điện tử của bộ nghịch lưu.
Trong đó, việc can thiệp vào thông số tạo xung kích là khả thi hơn so với cách còn lại. Thay đổi điện áp Vdc xem ra cũng gặp khó khăn khi điều khiển nguồn DC bằng phương pháp băm xung điện áp DC. 15 - Thay đổi điện áp nguồn lưới U để điều khiển P và Q bơm vào lưới điện bằng cách thông qua một máy biến áp để điều khiển đầu phân áp. điều này gây sự phức tạp cho việc điều khiển P cũng như việc thiết kế và thi công sau này.
- Thay đổi thông số của cuộn dây L xem như càng không khả thi. - Thay đổi góc lệch δ bằng phương pháp so sách giữa tín hiệu điện áp U và điện áp E từ đó can thiệp điều khiển góc δ. Để thực hiện việc điều khiển này ta can thiệp vào việc tạo xung kích của bộ nghịch lưu.
