Điều khiển song song bộ bán dẫn công suất trong nguồn phát phân tán (Deadbeat)

Luận văn nghiên cứu hệ thống điều khiển song song bộ bán dẫn công suất trong nguồn phát phân tán, ứng dụng bộ điều khiển dòng deadbeat để tối ưu hóa.

• Tác giả: Trần Hùng Cường
• Người hướng dẫn: TS. Trần Trọng Minh
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống điều khiển chế độ làm việc song song của bộ bán dẫn công suất trong nguồn phát phân tán dùng bộ điều khiển động Deadbeat
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và yêu cầu bộ bán dẫn công suất song song

Bộ bán dẫn công suất song song là một thành phần quan trọng trong các hệ thống điện hiện đại, đặc biệt là trong nguồn phát phân tán. Các bộ này được thiết kế để chuyển đổi và điều khiển dòng điện hiệu quả, đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng. Luận văn về điều khiển Deadbeat cho bộ bán dẫn tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều khiển tiên tiến để tối ưu hóa hiệu suất. Các yêu cầu chính bao gồm khả năng hoạt động ở chế độ song song với lưới điện, điều khiển dòng điện chính xác, giảm thiểu tổn thất năng lượng và đảm bảo độ tin cậy cao. Những tiến bộ trong lĩnh vực này đóng vai trò then chốt trong việc phát triển hệ thống điện thông minh và bền vững.

1.1. Định nghĩa và chức năng của bộ bán dẫn công suất

Bộ bán dẫn công suất thực hiện chức năng chuyển đổi điện năng giữa chiều một chiều và xoay chiều. Các linh kiện chính bao gồm bóng bán dẫn IGBT, diode, và các mạch điều khiển phức tạp. Trong ứng dụng kết nối nguồn phát phân tán, chúng hoạt động ở chế độ song song, cho phép dòng điện lưu thông hai chiều và duy trì ổn định điện áp trên lưới điện.

1.2. Các thách thức trong điều khiển hệ thống

Việc điều khiển chế độ song song của bộ bán dẫn gặp phải nhiều thách thức kỹ thuật. Các vấn đề chính bao gồm sự không cân bằng tải, biến động điện áp lưới, và bất ổn định tương tác giữa các bộ chuyển đổi. Phương pháp Deadbeat được chứng minh là giải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề này.

II. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi đa mức H Bridge

Cầu H-Bridge là cấu trúc cơ bản trong bộ chuyển đổi đa mức cho các ứng dụng công suất cao. Cấu trúc này bao gồm bốn bóng bán dẫn được sắp xếp thành hai nhánh, cho phép điều khiển chiều dòng điện và đảo chiều điện áp đầu ra. Bộ chuyển đổi đa mức nối tầng sử dụng nhiều cầu H-Bridge kết nối với nhau, tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau. Ưu điểm của cấu trúc này là giảm thành phần sóng hài, cải thiện chất lượng sóng điện áp ra, và tăng hiệu suất chuyển đổi. Các mô hình mô phỏng cho nghịch lưu một pha và ba pha được sử dụng để xác thực hiệu suất thiết kế. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM được áp dụng để quản lý sự chuyển đổi giữa các mức điện áp khác nhau.

2.1. Cầu trúc H Bridge nối tầng một pha và ba pha

Cầu H-Bridge nối tầng một pha bao gồm các bộ chuyển đổi được sắp xếp tuần tự để tạo ra các mức điện áp khác nhau. Cấu hình ba pha mở rộng nguyên lý này, cho phép cung cấp điện cân bằng cho các tải ba pha. Mô phỏng cho nghịch lưu 7 mức và ba pha 7 mức chứng tỏ khả năng tạo ra sóng điện áp chất lượng cao với tổng thứ điều hòa THD thấp.

2.2. Phương pháp điều chế PWM cho bộ chuyển đổi

Phương pháp PWM (Pulse Width Modulation) là kỹ thuật cơ bản để điều khiển bộ chuyển đổi đa mức. Bằng cách thay đổi tỉ số rộng xung của tín hiệu điều khiển, có thể điều chỉnh được giá trị điện áp trung bình đầu ra. Phương pháp Deadbeat PWM cung cấp đặc tính đáp ứng nhanh và độ chính xác cao trong điều khiển dòng điện.

III. Chỉnh lưu tích cực đa mức và hệ thống điều khiển

Chỉnh lưu tích cực là chế độ hoạt động cho phép bộ bán dẫn chuyển đổi điện năng từ lưới xoay chiều sang một chiều và ngược lại. Trong hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu tích cực, mạch vòng điều khiển được thiết kế để duy trì điện áp DC ổn định và điều khiển dòng điện AC hòa pha với điện áp lưới. Bộ điều chỉnh PI và bộ điều chỉnh Deadbeat được sử dụng để tạo ra các tín hiệu tham chiếu dòng điện chính xác. Phương pháp điều khiển theo ngưỡng Deadbeat với tần số cắt không đổi cung cấp hiệu suất chuyển đổi tối ưu và độ ổn định cao. Mô phỏng cho chỉnh lưu một pha và ba pha 7 mức chứng tỏ khả năng đạt được dòng điện sạch với hàm lượng sóng hài thấp, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe về chất lượng điện năng.

3.1. Chỉnh lưu tích cực một pha và ba pha

Chỉnh lưu tích cực một pha điều khiển một chiều dòng điện với điện áp DC cố định. Cấu hình ba pha 7 mức sử dụng ba chân điều khiển riêng biệt, cung cấp ba chiều dòng điện độc lập. Các kết quả mô phỏng cho thấy hình dạng dòng điện AC gần như hình sin hoàn hảo với THD rất thấp.

3.2. Mạch vòng điều khiển và bộ điều chỉnh dòng điện

Mạch vòng điều khiển dòng điện sử dụng cảm biến dòng để phản hồi trạng thái thực tế của dòng điện phía AC. Bộ điều chỉnh Deadbeat tính toán tín hiệu điều khiển dựa trên sai lệch giữa dòng điện tham chiếu và dòng điện thực tế. Kỹ thuật này cung cấp khả năng đáp ứng nhanh và loại bỏ sai lệch định mức trong một chu kỳ xung nhịp.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển công nghệ Deadbeat

Điều khiển Deadbeat đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả trong hệ thống nguồn phát phân tán và lưới điện thông minh. Ưu điểm nổi bật bao gồm khả năng đáp ứng nhanh, đơn giản hóa cấu trúc điều khiển, và giảm chi phí triển khai. Ứng dụng thực tế của bộ điều khiển Deadbeat được thấy trong các hệ thống biến tần công suất cao, bộ chỉnh lưu năng lượng tái tạo, và bộ lọc điện tích cực. Triển vọng phát triển trong tương lai bao gồm tích hợp AI và machine learning để tối ưu hóa thêm hiệu suất, phát triển các thuật toán thích ứng cho các điều kiện lưới biến đổi, và ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo quy mô lớn. Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc đẩy mạnh chuyển đổi năng lượng bền vững và xây dựng hạ tầng điện thông minh.

4.1. Ứng dụng trong các hệ thống nguồn phát phân tán

Điều khiển Deadbeat được áp dụng rộng rãi trong hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió. Bộ chuyển đổi công suất với bộ điều khiển Deadbeat có thể duy trì hiệu suất chuyển đổi cao ngay cả khi tham số lưới thay đổi. Ứng dụng này giúp tối ưu hóa việc kết nối những nguồn năng lượng phân tán vào lưới điện chính, đảm bảo chất lượng điện năng cao và hạn chế tổn thất năng lượng.

4.2. Xu hướng phát triển và thách thức tương lai

Những thách thức tương lai bao gồm xử lý các điều kiện lưới không cân bằng, tăng khả năng thích ứng với các biến động nhanh, và **tối ưu hóa cho các tần số cao. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào phát triển các phiên bản cải tiến của bộ điều khiển Deadbeat với độ ổn định cao hơn và khả năng xử lý các tình huống phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hiện nay, quá trình khai thác ngây cảng cạn kiệt các nguồn năng lượng thủy điện, nhiệt điện, dần đến việc phải chuyên hướng khai thác các nguồn năng lượng. mới trong tương lai để đảm bảo nhu cầu năng lượng cho phụ tải như năng lượng, gió, năng lượng mặt trời. Các nguồn này được gọi là các nguồn năng lượng phân tán Đặc điểm của các nguồn năng lượng phân tán là công suất nhỏ, phân bố rời rạc ở các vùng miền khác nhau, nỏ cỏ thẻ được nỗi lưới điện lớn hoặc lảm việc một cách độc lập va chất lượng điện phụ thuộc nhiều vào các tác động của các yêu tỏ bên ngoài và khó có thể kiểm soát được như sự tác động của môi trường, khí hậu. Việc kết nôi nguồn phát phân tán trong lưới điện nhỏ hoặc kết nỏi với lưới quốc gia đòi hỏi có các bộ biển đổi điện năng tin cậy, hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn.

Bộ biến đổi đa mức chính là các thiết bị biến đổi có thể đáp ứng các yêu câu này. Nó làm việc như một hệ thông biên đổi dùng đề kết nói giữa các phân của lưới điện, có khả năng điều khiển dòng công suất theo hai chiều, kẻ cả công suât tác dụng lân công suất phản kháng, và câu trúc bộ biến đổi có bộ phận cách ly với khâu trung, gian tần số cao là yêu câu bắt buộc đẻ đảm bảo an toàn. Từ yêu câu đó trong luận văn này sẽ nghiên cứu một bộ biển đổi (AC-DC-AC-AC). có thể kết nổi các nguồn phát phân tản lại với nhau bằng các phương pháp điều khiên thích hợp, de dap ứng, tốt nhu cầu trao đổi công suất giữa các nguồn điện khi các nguồn phát phân tản ngay cảng được quan tâm và phát triển mạnh trong tương lai Mục tiêu tổng thẻ của luận văn là xây dựng một bộ biển đổi có câu trúc AC-DC-AC-AC với khâu trung gian một chiêu, và khâu trung gian tần số cao, có tụ điện lớn làm kho tích trữ năng lượng để đáp ứng nhu câu kết nổi các nguồn điện.

trong hệ thông điện Với yêu câu là bộ biển đổi nảy có thể kiểm soát tốt su trao đổi công suất giữa các nguồn hoặc các lưới điện với nhau, với sự cách ly độc lập giữa các bên, và tạo nên sự cân bằng công suát giữa các nguồn. Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC ở đây được ghép nói từ hai câu trúc cơ bản là bộ Chỉnh lưu (AC-DC) và bộ Nghịch lưu (DC-AC-AC) xây dựng trên các khóa bán. 8 Dai học Bách Khoa Ha Nội. Bộ môn: TĐH-Xi Nghiệp Công Nghiệp Hình 2.

Sơ đồ cầu trúc mạch bộ PIVA cho nghịch lưu một pha một mức.15 Mô hình mô phỏng nghịch lưu một pha một mức. Hình đang dòng điện phía xoay chiều của nghịch lu mét pha.17 Hình dạng điện áp phía xoay chiều của nghịch lưu một pha.15 Sơ đô cẩu trúe mạch bộ PIVM cho nghịch lưu một pha 7 mức Hình 2. Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mức một pha đàng câu H-Bridge nồi tầng.20 Mô hình mô phỏng khâu điều chế PH“M 7 mức.21 Hình điên áp phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mức một pha.22 - Hình dạng dòng điền phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mite mét pha .23 Sơ đồ cẩu trúc mạch bộ PIM cho nghịch lưu ba pha một mức. Mô hình mô phỏng nghịch lưu mét mite ba pha dimg céu H-Bridge.

“Hình 225 Hình dạng điện áp ra của bộ nghịch lưu ba pha.26 Hình dạng điền áp trên nguôn xoay chiều bộ nghịch lưu ba pha. Hình 227 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PIVM cho nghịch lưu ba pha 7 mufc ba pha.28 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mite ba pha dừng cầu H-Bridge néi tang.29 Hình dạng dòng điện nguồn xoay chiều bộ nghịch lưu 7 mức ba pha.30 Hình dạng điện áp trên nguôn xoay chiều. bộ nghịch lưu 7 mức ba pha.1 Sơ đồ chỉnh lim một pha.2 - Mạch điện trong đương (a) và biều đồ vector (bì. Chiều dòng điện khi Ứ1, L4 được điều khiển mở, i:< 0.

Chiều dòng điện khi I2, V3 được điều khiển mỏ, i:> 0.5 Sơ đồ chỉnh li tích cực ba pha.6 Mô hình mạch vòng đòng điện đìng bộ điều chỉnh PI tyễn tỉnh.7 Kết quả mô phỏng biến dòng điệu của mô hình VSI véi b6 PI tuyén tỉnh. (a) điều khién dé dap ứng dòng điện thie bam sat voi biên dé dong điên đặt.8 Đô thị giải thích nguyên lý hệ điều khiển dòng theo ngưỡng deadbeat. Sơ đồ cầu trúc hệ thẳng điều khiển chỉnh luu tích cực dùng bộ điều chỉnh dòng điện theo ngưỡng deadbeat, tan số đỏng cắt không đổi. Mạch vòng điều khiẩn điện áp.11 Cầu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực một pha dùng P1D cho mạch vòng đồng điện.12 Cấu túc bộ điều chỉnh đồng điện PID.

4 Dai học Bách Khoa Ha Nội. Bộ môn: TĐH-Xi Nghiệp Công Nghiệp DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 11 Cẩu trúc bộ biển đổi 4C-DC-AC có khâu trung gian mội chiễu Hình 12 Cầu trúc bộ biển đổi trong chế độ nổi lưởi. Hình 13 Cẩu trúc bộ biển đổi trong chế độ ốc đảo. Hình 14 Chuyên đổi từ việc kết nồi các nguồn phân tán trong chế độ.5 Mô hình mạng lưới hệ thống điện thông minh.6 Cầu trúe mô hình hệ thống điện thông minh.

Hình 17 Cầu trú bộ biển đổi ba cổng kết nổi các nguôn/Hưởi với nhan. Hình 1S Cầu trúc bộ biển đổi hai cổng kết nỗi các nguôn/lưới với nhan.9 Mô hình cấu trúc bộ biển đi Hinh 1.10 Mô hình bộ biển đối một pha với khâu cách ly DC-DC.11 Mô hình bộ biển đổi một pha với khâu cách ly DC-AC kết hợp với khâu Matrix- Converte.12 Cầu tric tong quat ba pha bé bién doi AC-DC-AC-AC cé khdu trung gian tan 80 C0.1 Sơ đồ nghịch lưu đa mức nổi tầng đừng câu H-bridge.2 So đồ một cầu H-Bridge.3 Đồ thị mô tả phương pháp PIEM. Hình 24 Sơ đồ quả trình tao xung vuông hai bậc. từ sóng sin và xung tam giác.5 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa nưức sử dụng hai sóng sin chuẩn ngược pha nhan 150.6 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức dùng hai sóng tam giác lệch pha 180°.

Hình dạng tin hiệu sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang.8 Sơ đồ nghịch lum áp đa mức ba pha. Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức bằng phương pháp đa sóng mang sử dung hai song sia chuẩn lệch pha nhan 1S0 Hình 2.10 Hình dạng điều chễ nghịch lưu đa mức bằng phương pháp đa sóng mang sir đụng hệ thổng xung tam giác lệch pha nhau 150". Hình dạng của từn hiệu điều chế bằng phương pháp đa sóng mang trong nghịch lum da mite.12 Tin hiệu điều chế của bộ nghịch luu với hệ số điều chẻ thắp.13 Tín hiệu điều chế của bộ nghịch lưu với hệ số điều chế cao. 3 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-Xi Nghiệp Công Nghiệp.

Hình 423 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều khâu DC-AC mét pha 7 mite. Hình 424 Hình dạng điện áp đầu vào phía xoay chiều khâu DC-AC mét pha 7 nute.25 Hình đạng điện áp phía một chiều khâu DC-4C một pha 7 mức.1 Sơ đồ bộ biển đổi AC-DC-⁄4C-4C cỏ khả năng trao đôi công suất hai chiéu một pha.90 Hình 52 Cẩu trúc hệ thống điều khiển bộ biển đổi AC-DC-AC-AC mét pha Hình 5.3 Mô hình mô phỏng bộ biển đồi AC-DC-AC-AC một pha Hình 5.4 Hình dạng điện áp vào khâu .4C-DC của bộ biển đổi Hình 5.5 Hình dạng Zoom điện áp vào khâu 4C-DC của bộ biển đi Hình 5.6 Hình dạng điện áp vào khâu DC-⁄4C của bộ biển đổi.7 Hình dạng điện áp trên tụ điện phía một chiều của bộ đổi Hình 5.8 Hình dạng đòng điện và điện áp xoay chiều phía AC-DC.9 Hình dang dòng điện và điện áp xoay chiều phía DC-AC.10 Cấu tric diéu khién tong thé bién tin AC-DC-AC-AC mét pha.11 So dé mé phéng ting thé cita b6 bién déi AC-DC-AC-AC_ da mute Hình 5.12 Hình dạng dòng điện ba pha trên nguôn xoay chiều phía nghịch lun.13 Hình dạng điện áp ba pha trên nguồn xoay chiều phía nghịch lim Hình 5. Hình dạng dòng điện ba pha trên nguồn xoay chiều phía chỉnh lưu “Hình 5. Hình dạng điện áp ba pha trên nguôn xoay chiều phía chỉnh lint.16 Hình dang điện áp một chiều trên pha của mô hình.

Dai học Bách Khoa Ha Nội. Bộ môn: TĐH-Xi Nghiệp Công Nghiệp Hình 2. Sơ đồ cầu trúc mạch bộ PIVA cho nghịch lưu một pha một mức.15 Mô hình mô phỏng nghịch lưu một pha một mức. Hình đang dòng điện phía xoay chiều của nghịch lu mét pha.17 Hình dạng điện áp phía xoay chiều của nghịch lưu một pha.15 Sơ đô cẩu trúe mạch bộ PIVM cho nghịch lưu một pha 7 mức Hình 2.

Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mức một pha đàng câu H-Bridge nồi tầng.20 Mô hình mô phỏng khâu điều chế PH“M 7 mức.21 Hình điên áp phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mức một pha.22 - Hình dạng dòng điền phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mite mét pha .23 Sơ đồ cẩu trúc mạch bộ PIM cho nghịch lưu ba pha một mức. Mô hình mô phỏng nghịch lưu mét mite ba pha dimg céu H-Bridge. “Hình 225 Hình dạng điện áp ra của bộ nghịch lưu ba pha.26 Hình dạng điền áp trên nguôn xoay chiều bộ nghịch lưu ba pha. Hình 227 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PIVM cho nghịch lưu ba pha 7 mufc ba pha.28 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mite ba pha dừng cầu H-Bridge néi tang.29 Hình dạng dòng điện nguồn xoay chiều bộ nghịch lưu 7 mức ba pha.30 Hình dạng điện áp trên nguôn xoay chiều.

bộ nghịch lưu 7 mức ba pha.1 Sơ đồ chỉnh lim một pha.2 - Mạch điện trong đương (a) và biều đồ vector (bì. Chiều dòng điện khi Ứ1, L4 được điều khiển mở, i:< 0. Chiều dòng điện khi I2, V3 được điều khiển mỏ, i:> 0.5 Sơ đồ chỉnh li tích cực ba pha.6 Mô hình mạch vòng đòng điện đìng bộ điều chỉnh PI tyễn tỉnh.7 Kết quả mô phỏng biến dòng điệu của mô hình VSI véi b6 PI tuyén tỉnh. (a) điều khién dé dap ứng dòng điện thie bam sat voi biên dé dong điên đặt.8 Đô thị giải thích nguyên lý hệ điều khiển dòng theo ngưỡng deadbeat.

Sơ đồ cầu trúc hệ thẳng điều khiển chỉnh luu tích cực dùng bộ điều chỉnh dòng điện theo ngưỡng deadbeat, tan số đỏng cắt không đổi. Mạch vòng điều khiẩn điện áp.11 Cầu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực một pha dùng P1D cho mạch vòng đồng điện.12 Cấu túc bộ điều chỉnh đồng điện PID. 4 Dai học Bách Khoa Ha Nội. Bộ môn: TĐH-Xi Nghiệp Công Nghiệp Hình 3.

Hình dạng dòng điện phía xoay chiều của bộ chỉnh luu ba pha 7 mức.37 Hình dạng điện áp phía xoay chiều của bộ chỉnh lưu ba pha 7 mức.38 Sơ đồ cẩu trúc hệ thông điều khiển tira theo điện áp cho chinh lint tich ewe ba pha 7 mic.