Luận văn ThS. Trần Dũng: Điều khiển vector cho bộ nghịch lưu áp đa bậc

Tải luận văn điều khiển vector cho bộ nghịch lưu áp đa bậc. Phân tích chi tiết, mô phỏng các phương pháp PWM, SVPWM và giải thuật cải tiến.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận văn thạc sĩ

2005

94
0
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Bản về Bộ Nghịch Lưu Áp Đa Bậc

Bộ nghịch lưu áp đa bậc là một thiết bị điện tử công suất quan trọng trong các ứng dụng năng lượng tái tạo và hệ thống điều khiển điện. Thiết bị này có khả năng chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều với nhiều bậc áp khác nhau, giúp cải thiện chất lượng sóng điện áp đầu ra. Kỹ thuật điều khiển vector cho bộ nghịch lưu áp đa bậc là phương pháp điều khiển tiên tiến, cho phép tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu méi hài hoà. Các bộ nghịch lưu này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió và các ứng dụng công nghiệp yêu cầu chất lượng nguồn điện cao.

1.1. Định Nghĩa và Ứng Dụng

Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. Bộ nghịch lưu đa bậc có khả năng tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau, cải thiện dạng sóng đầu ra. Chúng được ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, tổng hợp điện, điều khiển động cơ và các hệ thống điều chỉnh công suất phản kỳ (SVC).

1.2. Ưu Điểm Nổi Bật

Bộ nghịch lưu áp đa bậc mang lại nhiều lợi ích: giảm méi hài hoà, cải thiện chất lượng sóng điện áp, tăng hiệu suất chuyển đổi, giảm tổn thất điện từ. Ngoài ra, công nghệ này cho phép hoạt động với điện áp cao hơn mà không làm tăng yêu cầu về công suất của linh kiện.

II. Các Cấu Trúc Chính của Bộ Nghịch Lưu Đa Bậc

Có ba cấu trúc chính được sử dụng phổ biến trong thiết kế bộ nghịch lưu áp đa bậc: Cấu trúc Cascade, Cấu trúc Neutral Point Clamped (NPC)Cấu trúc Capacitor-Clamped. Mỗi cấu trúc có những đặc điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí của hệ thống. Cấu trúc Cascade được ưa chuộng vì tính đơn giản và khả năng mở rộng, trong khi cấu trúc NPC cung cấp hiệu suất cao hơn nhưng yêu cầu điều khiển phức tạp hơn. Cấu trúc Capacitor-Clamped là sự cân bằng giữa hai phương pháp trên, phù hợp cho các ứng dụng có yêu cầu cân bằng về chi phí và hiệu suất.

2.1. Cấu Trúc Nghịch Lưu Cascade

Cấu trúc Cascade bao gồm nhiều mô-đun H-bridge kết nối nối tiếp, mỗi mô-đun được cấp điện bởi một nguồn điện áp riêng biệt. Cấu trúc này cho phép dễ dàng mở rộng số bậc áp và dễ điều khiển. Đây là cấu trúc phổ biến trong các ứng dụng truyền tải điện cao áp.

2.2. Cấu Trúc NPC và Capacitor Clamped

Cấu trúc Neutral Point Clamped (NPC) sử dụng các diode keïp để chia cách các bậc áp, giúp giảm số lượng linh kiện. Cấu trúc Capacitor-Clamped thay thế diode bằng tụ điện, mang lại hiệu suất tốt hơn trong một số ứng dụng nhất định.

III. Kỹ Thuật Điều Khiển Vector cho Bộ Nghịch Lưu

Kỹ thuật điều khiển vector (SVC - Space Vector Control) là một phương pháp tiên tiến để điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc, giúp tối ưu hóa tạo sóng PWM và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Phương pháp này dựa trên việc biểu diễn các vectơ điện áp trong không gian vector hai chiều, từ đó xác định các thời gian hoạt động tối ưu cho các linh kiện công suất. Điều khiển vector cho phép giảm méi hài hoà, tăng hiệu suất chuyển đổi và cải thiện đặc tính động của hệ thống. Kỹ thuật này đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng lưới điện thông minhhệ thống năng lượng tái tạo hiện đại.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động

Điều khiển vector sử dụng biến đổi Park để chuyển đổi các tín hiệu ba pha thành hệ tọa độ d-q, giúp phân tích và điều khiển dòng điện và điện áp một cách độc lập. Phương pháp này cho phép xác định vectơ điện áp tham chiếu và tính toán thời gian chuyển mạch tối ưu cho các bộ IGBT/MOSFET.

3.2. Ưu Điểm và Ứng Dụng

Kỹ thuật SVC cung cấp đáp ứng nhanh, giảm méi hài hoà hiệu quả, và cải thiện độ ổn định của hệ thống. Ứng dụng trong bộ lọc điện tích, điều chỉnh công suất phản kỳ, và hệ thống điều khiển động cơ cảm ứng ba pha.

IV. Phương Pháp PWM và Cải Tiến Kỹ Thuật

Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) là kỹ thuật cơ bản để điều khiển bộ nghịch lưu. Có nhiều biến thể PWM như Carrier-based PWM (CPWM), Space Vector PWM (SVPWM)Selective Harmonic Elimination (SHE). SVPWM là phương pháp tiên tiến nhất, cho phép tối ưu hóa dạng sóng đầu ragiảm thiểu méi hài hoà. Kỹ thuật cải tiến SVC kết hợp SVPWM với điều khiển vector, tạo ra một giải pháp toàn diện cho bộ nghịch lưu áp đa bậc. Những cải tiến này cho phép sử dụng công suất hiệu quả hơn và giảm nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp nặng.

4.1. So Sánh Các Phương Pháp PWM

CPWM đơn giản nhưng méi hài hoà cao, SVPWM phức tạp hơn nhưng chất lượng sóng tốt, SHE tối ưu hóa méi hài hoà cụ thể nhưng yêu cầu tính toán offline. SVPWM thường được chọn cho các ứng dụng yêu cầu cao.

4.2. Cải Tiến Kỹ Thuật SVC Đề Xuất

Cải tiến SVC sử dụng mô hình toán học kết hợp SVPWMCPWM, cho phép thích ứng động với điều kiện hoạt động khác nhau. Phương pháp này giảm méi hài hoà, tăng hiệu suất, giảm chi phí so với các phương pháp truyền thống.

22/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN DŨNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 0 4 5 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005 BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH ***** LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TRAÀN DUÕNG KYÕ THUAÄT ÑIEÀU KHIEÅN VECTOR CHO BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP ÑA BAÄC Chuyeân ngaønh : THIEÁT BÒ MAÏNG & NHAØ MAÙY ÑIEÄN Maõ soá ngaønh : 60 52 50 Tp. Hoà Chí Minh, thaùng 08 naêm 2005 BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH ***** LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ KYÕ THUAÄT ÑIEÀU KHIEÅN VECTOR CHO BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP ÑA BAÄC Chuyeân ngaønh : THIEÁT BÒ MAÏNG & NHAØ MAÙY ÑIEÄN Maõ soá ngaønh : 60 52 50 Hoï vaø Teân hoïc vieân : TRAÀN DUÕNG Ngöôøi höôùng daãn : TS. NGUYEÃN VAÊN NHÔØ Tp.

Hoà Chí Minh, thaùng 08 naêm 2005 LÔØI CAÛM ÔN ---o0o--- Toâi xin gôûi lôøi caûm ôn chaân thaønh ñeán TS. Nguyeãn Vaên Nhôø ñaõ taän tình, höôùng daãn toâi ñeå hoaøn thaønh luaän vaên naøy. Toâi cuõng xin caûm ôn Quí thaày, coâ vaø phoøng Quaûn Lyù Khoa Hoïc – Sau Ñaïi Hoïc tröôøng Ñaïi hoïc Sö Phaïm Kyõ Thuaät Tp.HCM, Quí thaày, coâ boä moân Heä Thoáng Ñieän tröôøng Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM, Caùc anh, chò quaûn lyù phoøng maùy tính khoa Ñieän – Ñieän töû ñaõ taïo moïi ñieàu kieän thuaän lôïi cho toâi trong quaù trình hoïc taäp vaø hoaøn thaønh luaän vaên. Cuoái cuøng, toâi xin toû loøng bieát ôn ñeán gia ñình, baïn beø vaø ñoàng nghieäp ñaõ ñoäng vieân vaø taïo ñieàu kieän cho toâi raát nhieàu trong quaù trình hoïc taäp vaø thöïc hieän luaän vaên naøy cuõng nhö trong vieäc tìm kieám thoâng tin vaø caùc taøi lieäu khaùc coù lieân quan.

Hoà Chí Minh, ngaøy 24 thaùng 08 naêm 2005 Hoïc vieân Traàn Duõng MUÏC LUÏC PHAÀN A : MUÏC LUÏC Trang PHAÀN B : NOÄI DUNG CHÖÔNG I : GIÔÙI THIEÄU VEÀ BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP ÑA BAÄC VAØ CAÙC KYÕ THUAÄT ÑIEÀU CHEÁ NOÙI CHUNG 1.1 TOÅNG QUAN 1 1.1 Tính caàn thieát phaûi nghieân cöùu kyõ thuaät ñieàu khieån cho boä nghòch löu ña baäc noùi chung .2 Öu ñieåm cuûa nghòch löu aùp ña baäc noùi chung.3 Öu ñieåm tieân ñoùan ban ñaàu cuûa kyõ thuaät SVC theo höôùng ñeà xuaát.4 Moät soá haïn cheá chöa ñöôïc khaûo saùt theo kyõ thuaät ñaõ ñeà xuaát. 2 GIÔÙI THIEÄU MOÄT SOÁ CAÁU TRUÙC CUÛA BOÄ NGHÒCH LÖU 3 ÑA BAÄC 1.1 Giôùi thieäu veà boä nghòch löu aùp noùi chung 1.2 Moät soá caáu truùc cô baûn cuûa maïch ñoäng löïc trong boä nghòch löu aùp ña baäc.1 Caáu truùc nghòch löu daïng Cascade ( cascade inverter ) 1.2 Caáu Truùc Nghòch Löu Chöùa Caëp Diode keïp ( Neutral Point Clamped Multilevel Inverter – NPC ).2 3 Caáu Truùc Nghòch Löu duøng tuï keïp (Capacitor-Clamped Multilevel Inverter) .3 CAÙC KYÕ THUAÄT ÑIEÀU CHEÁ NOÙI CHUNG 7 1.1 Quy Trình Ñoùng Ngaét cuûa caùc linh kieän coâng suaát trong boä nghòch löu aùp ña baäc.1 Toång Quaùt.2 Traïng Thaùi Ñoùng Ngaét Boä Nghòch Löu Aùp Ba Baäc 8 1.3 Traïng Thaùi Ñoùng Ngaét Boä Nghòch Löu Aùp Naêm Baäc 9 1.2 Phaân loaïi caùc kyõ thuaät ñieàu cheá noùi chung 10 1.3 Moät soá chæ tieâu ñeå ñaùnh giaù kyõ thuaät PWM cuûa boä nghòch löu 11 CHÖÔNG II : PHAÂN TÍCH CAÙC KYÕ THUAÄT PWM 2. 2 KYÕ THUAÄT ÑIEÀU CHEÁ DUØNG SOÙNG MANG 14 2.1 Caùc daïng soùng soùng mang duøng trong kyõ thuaät ñieàu cheá PWM 15 2.2 2 Moâ phoûng vaø phaân tích boä nghòch löu aùp ba baäc 17 2.3 Moâ Phoûng Boä Nghòch Löu AÙP 5 Baäc 20 2.3 PHÖÔNG PHAÙP TRIEÄT TIEÂU SOÙNG HAØI CHOÏN LOÏC.4 PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU CHEÁ VECTOR KHOÂNG GIAN.1 Vector Khoâng Gian Cuûa Boä Nghòch Löu Aùp Ña Baäc 2.1 Khaùi nieäm vector khoâng gian 2.2 Vector khoâng gian cuûa boä nghòch löu aùp ña baäc 27 2.2 Giaûn ñoà vector ñieän aùp boä nghòch löu ba baäc 2.3 Giaûn ñoà vector ñieän aùp boä nghòch löu naêm baäc 29 2. 5 MOÄT SOÁ NHAÄN XEÙT VEÀ PHÖÔNG PHAÙP VAØ KYÕ THUAÄT CUÛA CPWM , SVPWM , SHE.

31 CHÖÔNG III KYÕ THUAÄT ÑIEÀU KHIEÅN VECTOR (SVC) VAØ CAÛI TIEÁN KYÕ THUAÄT SVC .1 KYÕ THUAÄT ÑIEÀU KHIEÅN VECTOR ( SVC : Space Vector Control ) 3.2 Kyõ thuaät ñieàu khieån vector 3.2 KYÕ THUAÄT SVC CAÛI TIEÁN THEO HÖÔÙNG ÑEÀ XUAÁT CUÛA ÑEÀ TAØI.1 Xaây döïng moâ hình toaùn hoïc 3.2 Caùc haøm toaùn hoïc döïa treân moái töông quan cuûa hai phöông phaùp SVPWM vaø CPWM .1 Ñònh nghóa haøm Max, Mid, Min, Interger. Khoái haøm Offset cöïc trò (Extreme Offset).3 Haøm S ñeå xaùc ñònh K1, K2 , K3 3.3 GIAÛI THUAÄT THEO PHÖÔNG PHAÙP ÑEÀ XUAÁT 45 3.4 VIEÁT CHÖÔNG TRÌNH CHO CAÙC KHOÁI TRONG GIAÛI THUAÄT TREÂN 45 3.1 Chöông trình cho khoái tìm cöïc trò.2 Chöông trình cho khoái logic bao goàm haøm fmax ,vaø fmin 3.3 Haøm S ñöôïc thieát laäp tröïc tieáp baèng logic treân PSIM .4 Caùc haøm cuûa Pa10 , Pb10 , Pc10 ñöôïc thieát laäp tröïc tieáp baèng logic treân PSIM .5 Chöông trình cuûa khoái chính ñöôïc vieát chöông trình treân phaàn meàm C++ sau ñoù ñöa vaøo khoái DLL (ôû phuï luïc 4.5 SÔ ÑOÀ MAÏCH MOÂ PHOÛNG VAØ KEÁT QUAÛ MOÂ PHOÛNG.1 Sô ñoà maïch moâ phoûng 3.1 Maïch moâ phoûng boä nghòch löu ba baäc 48 3.2 Maïch moâ phoûng boä nghòch löu ba baäc 49 3.2 Keát quaû moâ phoûng 50 3.3 Phaân tích vaø nhaän xeùt veà tính öu vieät cuûa boä nghòch löu ña baäc.4 Phaân tích keát quaû moâ phoûng giöõa tæ soá ñieàu cheá m vaø toång meùo haøi THD treân caùc pha cuûa boä nghòch löu 5 baäc duøng caáu truùc diode keïp.5 Moâ phoûng boä nghòch löu aùp 5 baäc vôùi taûi laø ñoäng cô 59 3.1 Moâ phoûng boä nghòch löu aùp 5 baäc vôùi taûi laø ñoäng cô 61 3.2 Daïng soùng Vf moâ phoõng ôû hình 3.3 Nhaän xeùt veà keát quaû moâ phoûng ôû muïc 3. KEÁT LUAÄN VAØ HÖÔÙNG PHAÙT TRIEÅN ÑEÀ TAØI 63 4.2 Ñeà xuaát theo höôùng phaùt trieån cuûa ñeà taøi 64 PHAÀN D PHUÏ LUÏC Taøi lieäu thao khaûo Lyù lòch trích ngang CHÖÔNG 1 GIÔÙI THIEÄU VEÀ BOÄ NGHÒCH LÖU AÙP ÑA BAÄC VAØ CAÙC KYÕ THUAÄT ÑIEÀU CHEÁ NOÙI CHUNG 1.1 TOÅNG QUAN 1.1 Tính caàn thieát phaûi nghieân cöùu kyõ thuaät ñieàu khieån cho boä nghòch löu ña baäc noùi chung. Trong nhöõng naêm gaàn ñaây, caùc boä nghòch löu noùi chung ñaõ ñöôïc öùng duïng raát phoå bieán.

Chuùng ñoùng vai troø quan troïng trong nhieàu lónh vöïc nhö : 1) Ñieàu khieån ñoäng cô AC. 2) Boä nguoàn döï tröõ AC (UPSs –Uninterruptible Power Supplies). 3) Söï nung caûm öùng. 4) Duøng laøm nguoàn phaùt ñieän AC maø naêng löôïng ñaàu vaøo töø maët trôøi, khí ñoát.

5) Duøng trong boä loïc tích cöïc, boä loïc haøi hay boä buø SVC. 6) Khi nhaø maùy ñieän chaïy baèng naêng löôïng gioù, hay löôïng maët trôøi. ñang ñöôïc quan taâm nhö hieän nay thì nhaát thieát phaûi coù boä nghòch löu nhaèm chuyeån ñoåi ñieän aùp moät chieàu thaønh xoay chieàu ba pha. 7) Khi cheá taïo caùc boä bieán taàn chaéc chaén boä phaän nghòch löu khoâng theå thieáu.

8) Ñaët bieät coù nghóa quan troïng khi kyõ thuaät truyeàn naêng löôïng ñieän baèng heä thoáng HVDC (High Voltage Direct Current) phaùt trieån toaøn caàu. Maët khaùc, boä nghòch löu aùp hai baäc (xem phuï luïc 1) coù nhöôïc ñieåm ñieän aùp ôû ngoû ra cung caáp cho cuoän daây ñoäng cô vôùi ñoä doác ( dv/dt ) khaù lôùn vaø gaây ra moät soá vaán ñeà khoù khaên bôûi toàn taïi traïng thaùi khaùc zero cuûa toång ñieän theá töø caùc pha ñeán taâm nguoàn DC (hieän töôïng common-mode voltage). Theâm vaøo ñoù, boä nghòch löu hai baäc chæ duøng roäng raõi trong phaïm vi coâng suaát vöøa vaø nhoû. Nhöng xu höôùng hieän nay, trong coâng nghieäp ñoøi hoûi söû duïng caùc heä thoáng ñieän aùp cao (2.), coâng suaát lôùn (töø MW trôû leân ).

Do ñoù boä nghòch löu aùp ña baäc ñöôïc nghieân cöùu vaø phaùt trieån ñeå giaûi quyeát caùc vaán ñeà gaây ra neâu treân cuûa boä nghòch löu aùp hai baäc [1]. Song tính maâu thuaån cuûa vaán ñeà veà boä nghòch löu coù coâng suaát lôùn vaø chaát löôïng ñieän aùp ôû ngoû ra cao, ít haøi thì nhaát thieát caáu truùc cuûa boä nghòch löu phaûi laø boä nghòch löu ña baäc (hình 1. Khi chuùng ta duøng caáu truùc ña baäc seõ keùo theo kyõ thuaät ñieàu khieån khoù khaên, giaûi thuaät phöùc taïp. Theo taïp chí IEEE, IEE ñaõ ñeà caäp raát nhieàu kyõ thuaät ñieàu cheá cho boä nghòch löu aùp ña baäc nhö : - Kyõ thuaät ñieàu cheá duøng soùng mang (Carrier based PWM ) [2,3,4] Trang 1 - Kyõ thuaät ñieàu cheá duøng vector khoâng gian (Space Vector PWM ) [ 5,6,7] - Kyõ thuaät trieät tieâu caùc soùng haøi choïn loïc (SHE- Selective Harmonic Elimination )[8,9] - Kyõ thuaät ñieàu khieån vector (SVC- Space Vector Control) baèng caùch tra baûng [10,11] Nhöõng kyõ thuaät ñieàu cheá neâu treân lieân quan ñeán kyõ thuaät ñeà xuaát.

Thoâng qua keát quaû nghieân cöùu cuûa nhöõng chuyeân gia cuûa taïp chí IEEE, IEE cho ta nhaän xeùt raèng : moãi kyõ thuaät maø taùc giaû ñöa ra ñeàu taäp trung khaéc phuïc moät soá chæ tieâu nhö : 1) Toång meùo haøi (THD) thaáp. 2) Taêng tyû soá ñieàu cheá. 3) Khöû soùng haøi baäc cao. 3) Giaûm toái ña toån thaát.

4) Giaûm ñoä nhaáp nhoâ doøng haøi. 5) Toái öu giaûi thuaät ñieàu khieån, deã thöïc hieän vaø mang tính toång quaùt cao. Song moãi kyõ thuaät khoù coù theå ñaït ñöôïc heát caùc chæ tieâu neâu treân. Khi ñieän aùp nghòch löu ra khoâng ñaûm baûo chaát löôïng ñieän naêng toát seõ gaâ y ra moät soá vaán ñeà nhö : toån hao ñoàng trong maùy ñieän taêng, tieáng oàn, gaây coâng höôûng haøi vôùi taûi hay laøm ñoäng cô laõo hoùa nhanh.2 Öu ñieåm cuûa nghòch löu aùp ña baäc noùi chung.

1) Coâng suaát cuûa boä nghòch löu aùp ña baäc laø raát lôùn (töø MW trôû leân ). 2) Ñieän aùp ñaët treân linh kieän bò giaûm xuoáng neân coâng suaát toån hao do quaù trình ñoùng ngaét cuûa linh kieän cuõng giaûm theo. 3) Vôùi cuøng taàn soá ñoùng ngaét, caùc thaønh phaàn soùng haøi baäc cao cuûa ñieän aùp ra giaûm nhoû hôn so vôùi tröôøng hôïp boä nghòch löu aùp hai baäc. 4) Ñieän aùp common-mode nhoû hôn, neân laøm giaûm öùng suaát treân truïc ñoäng cô.Nghóa laø tuoåi thoï cuûa ñoäng cô ñöôïc taêng leân.3 Öu ñieåm tieân ñoaùn ban ñaàu cuûa kyõ thuaät SVC theo höôùng ñeà xuaát.

1) Giaûm toái ña soá laàn chuyeån maïch treân moãi chu kyø 2) Chaát löôïng ñieän aùp ôû ngoû ra cuûa boä nghòch löu cao khi soá baäc caøng taêng nhöng giaûi thuaät ít thay ñoåi. 3) Moâ hình toùan hoïc mang tính khaùi quaùt cao neân ñôn giaûn hoùa veà kyõ thuaät ñieàu khieån vector. 4) Chuû ñoäng kieåm tra soá löôïng vector dö thöøa trong nghòch löu ña baäc.4 Moät soá haïn cheá chöa ñöôïc khaûo saùt theo kyõ thuaät ñaõ ñeà xuaát.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ