Tiến Sĩ Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc

LUẬ ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2013
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
Mục tiêu của luận án . 2
Nội dung và phạm vi nghiên cứu 2
Phương pháp nghiên cứu 3
Đóng góp mới về mặt khoa học của luận án 3
Ý nghĩa thực tiễn 3
Bố cục của luận án: . 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC 5
1.1 Mạch nghịch lưu 2 bậc . 5
1.2 Nghịch lưu đa bậc kiểu diode kẹp 7
1.3 Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade (cascaded multilevel inverter) . 10
1.4 Nghịch lưu đa bậc kiểu lai (Hybrid mutilevel inverter) . 14
1.4.1. Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade diode kẹp . 14
1.4.2. Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade cầu H 16
1.5 Kết luận chương 1 18
CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU CHẾ TRONG NGHỊCH LƯU ĐA BẬC. 19
2.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung (sinPWM) 19
2.2. Phương pháp PWM cải biến ( SFO-PWM) 22
2.3. Phương pháp điều chế vector không gian . 24
2.4. Các nghiên cứu về giải thuật tối ưu trong nghịch lưu đa bậc . 27
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 31
3.1. Cấu trúc mô hình nghịch lưu 31
3.2. Module cầu H và mạch lái 33
3.3. Module nguồn chỉnh lưu . 37
3.4. Kết quả chương 3 41
CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ TỐI ƯU GIẢM TỔN HAO DO SỰ CHUYỂN MẠCH VÀ CỰC TIỂU SAI SỐ VECTOR ĐIỀU KHIỂN . 43
4.1. Giải thuật một vector cực tiểu sai số vector điều khiển 43
4.1.1. Nguyên lý giải thuật 43
4.1.2. Lưu đồ giải thuật 46
4.1.3. Khảo sát và đánh giá giải thuật 47
4.2. Giải thuật hai vector với sai biệt điện áp điều khiển là cực tiểu . 57
4.2.1. Nguyên lý giải thuật 58
4.2.2. Lưu đồ giải thuật 61
4.2.3. Khảo sát và đánh giá giải thuật 63
4.3. Giải thuật ba vector . 69
4.3.1. Nguyên lý giải thuật 69
4.3.2. Lưu đồ giải thuật 71
4.3.3. Khảo sát và đánh giá giải thuật 72
4.4. Kết luận chương 4 77

CHƯƠNG 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ TỐI ƯU GIẢM TỔN HAO DO SỰ CHUYỂN MẠCH, TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE, CỰC TIỂU SAI SỐ ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN 79
5.1. Khái niệm về điện áp common mode . 79
5.2. Giải thuật một vector triệt tiêu điện áp common mode 81
5.2.1. Nguyên lý giải thuật 81
5.2.2. Lưu đồ giải thuật 84
5.2.3. Khảo sát và đánh giá giải thuật 86
5.3. Giải thuật 3 vector triệt tiêu điện áp common mode và giảm tổn hao 94
5.3.1. Nguyên lý giải thuật 94
5.3.2. Lưu đồ giải thuật 99
5.3.3. Khảo sát và đánh giá giải thuật 99
5.4. Kết luận chương 5 105
CHƯƠNG 6: GIẢI THUẬT PHỐI HỢP GIẢM TỔN HAO DO SỰ CHUYỂN MẠCH VÀ KHỐNG CHẾ SAI BIỆT ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN . 106
6.1. Nguyên lý giải thuật . 106
6.2. Lưu đồ giải thuật . 110
6.3. Khảo sát và đánh giá giải thuật . 112
6.4. Kết luận chương 6 124
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 125
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ . 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO 129
MỞ ĐẦU
Các máy điện đầu tiên như máy phát điện từ năng lượng cơ (Pacinotti – 1864), động cơ điện từ có rotor (Ferraris - 1885) và các máy điện ở thế kỷ 19 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.
Tuy nhiên có một thực tế là ứng dụng các cấu trúc điện tử công suất trong 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. Để giải quyết vấn đề này các cấu trúc ghép nối tiếp các linh kiện công suất đã được đề xuất như 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) và hàng loạt cấu trúc lai gần đây. Kết quả là hiện nay có khá nhiều cấu trúc nghịch lưu đa bậc và công suất mạch nghịch lưu ngày càng tăng. Với việc tăng dòng qua chuyển mạch
công suất, thì tổn hao do chuyển mạch cũng sẽ tăng theo [7, 16]. Bên cạnh đó, việc ngày càng tăng của giá thành năng lượng, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch 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 áp common mode làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của cơ cấu chấp hành. Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp điều chế tối ưu làm giảm số lần chuyển mạch của các linh kiện trên mạch nghịch 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.
Mục tiêu của luận án
Nghiên cứu các giải thuật điều chế sóng mang và đặc điểm của giảm tổn hao do chuyển mạch trong nghịch lưu đa bậc, sự phát sinh điện áp common mode từ sự chuyển mạch của các thuật toán điều chế. Từ đó, luận án đề xuất các giải thuật tối ưu để giảm tổn hao do chuyển mạch trong mạch nghịch lưu, góp phần giải quyết bài toán tiết kiệm năng lượng trong tình hình hiện nay và đảm bảo khống chế các phát sinh không mong muốn trên lưới điện như sự tăng độ méo hài tổng (THD), biên độ điện áp common mode .
Nội dung và phạm vi nghiên cứu
Về lý thuyết, đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu các giải thuật nghịch lưu nhằm thực hiện khả năng giảm tổn hao do sự chuyển mạch, triệt tiêu điện áp common mode trong nghịch lưu đa bậc. Từ các nghiên cứu trên luận án đề xuất thuật toán điều khiển tối ưu giảm tổn hao do sự chuyển mạch, cực tiểu sai biệt điện áp điều khiển Các giải thuật đề xuất sẽ được kiểm nghiệm, đánh giá trên mô hình vật lý thực nghiệm và được so sánh với các giải thuật chuẩn để có các kết luận khoa học và chính xác.
Đề tài xây dựng mô hình thí nghiệm là mạch nghịch lưu đa bậc, với công suất 6,6 kW, dùng làm cơ sở để thử nghiệm các thuật toán điều khiển khác nhau cũng như để kiểm chứng một số đặc tính về giảm tổn hao do chuyển mạch.
Khái niệm “tối ưu” trong luận án được giới hạn ở việc xây dựng bài toán lựa chọn tối ưu chế độ điều chế trên cơ sở mô phỏng và thực nghiệm kết quả điều chế.
Phương pháp nghiên cứu
 Sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, kết hợp mô phỏng và thực nghiệm.
 Xử lý thống kê với sự hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel.
 Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng PSIM, Matlab R11.
 Lập trình điều khiển trên phần mềm chuyên dụng Code Composer Studio với vi mạch TMS320F2812 của tập đoàn Texas Instruments và được kiểm chứng bằng thực tế.
 Các thực nghiệm được thực hiện trên mô hình vật lý với các thiết bị đo hiện đại, chính xác của hãng Tektronic.
Đóng góp mới về mặt khoa học của luận án
1. Trên cơ sở giải thuật điều chế sóng mang, luận án đã tiến hành nghiên cứu, tổng hợp và đưa ra những nhận định đánh giá về tối ưu hóa trong việc giảm tổn hao do chuyển mạch, triệt tiêu điện áp common mode, khống chế sai biệt điện áp điều khiển trong mạch nghịch lưu đa bậc.
2. Đề xuất sáu giải thuật điều chế sóng mang với các hàm tối ưu hóa giảm tổn hao do chuyển mạch trong nghịch lưu đa bậc, đồng thời khống chế sai biệt điện áp điều khiển và triệt tiêu điện áp common mode.
3. Thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm có thể được ứng dụng cho các nghiên cứu về nghịch lưu.
Ý nghĩa thực tiễn
1. Xác định được các giải thuật điều chế sóng mang với các hàm tối ưu giảm tổn hao do sự chuyển mạch, tối ưu triệt tiêu điện áp common mode, cực tiểu sai số điện áp điều khiển trong mạch nghịch lưu đa bậc. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để giải quyết vấn đề tối ưu hóa trong mạch nghịch lưu đa bậc thực tế.
2. Xây dựng được mô hình nghịch lưu đa bậc tối đa có thể triển khai đến 31 bậc kiểu lai (HyBrid) và có khả năng chuyển sang các cấu hình nghịch lưu với số bậc thấp hơn để thực hiện các thực nghiệm theo các yêu cầu khác.
Bố cục của luận án:
Luận án được trình bày trong 134 trang. Nội dung chính của luận án được thể hiện qua 6 chương:
 Chương 1, Tổng quan về nghịch lưu đa bậc; những vấn đề chủ yếu về cấu trúc mạch nghịch lưu đa bậc bao gồm nghịch lưu chuẩn và nghịch lưu lai.
 Chương 2, Các giải thuật điều chế trong nghịch lưu đa bậc; những thuật toán về điều chế với nghịch lưu đa bậc hiện tại.
 Chương 3, Thiết kế chế tạo cấu hình nghịch lưu phục vụ cho nghiên cứu, khảo sát và đánh giá các giải thuật điều chế cho nghịch lưu đa bậc.
 Chương 4, Giải thuật điều chế tối ưu giảm tổn hao do chuyển mạch và cực tiểu sai số vector điều khiển.
 Chương 5, Giải thuật điều chế tối ưu triệt tiêu điện áp common mode, giảm tổn hao do chuyển mạch và cực tiểu sai số vector điều khiển.
 Chương 6, Giải thuật phối hợp tối ưu hóa giảm tổn hao do chuyển mạch và điều chỉnh được sai số của điện áp điều khiển.
 Kết luận và đề xuất các hướng nghiên cứu triển khai tiếp theo.
Nội dung chính của luận án được trình bày trong các chương 3, 4, 5 và 6. Trong đó Các giải thuật được trình bày các nội dung: Nguyên lý giải thuật; Lưu đồ giải thuật; Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm; Phân tích và đánh giá giải thuật.