Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực và nghịch lưu đa cấp ứng dụng cho mạng điện nguồn phân tán

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN MINH HUẤN

NGHIÊN CỨU CHỈNH LƯU TÍCH CỰC VÀ NGHỊCH LƯU ĐA CẤP

ỨNG DỤNG CHO MẠNG ĐIỆN NGUỒN PHÂN TÁN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Thái Nguyên, 2017

ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN MINH HUẤN

NGHIÊN CỨU CHỈNH LƯU TÍCH CỰC VÀ NGHỊCH LƯU ĐA CẤP

ỨNG DỤNG CHO MẠNG ĐIỆN NGUỒN PHÂN TÁN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái nguyên, 2017

iii

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời gian thực hiện luận văn tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn

của nhà trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và bạn bè, đồng

nghiệp.

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa sau đại học, các giảng

viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo hướng dẫn khoa

học PGS. TS Ngô Đức Minh về những chỉ dẫn khoa học, định hướng nghiên cứu và

tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn.

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có

thể luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp

từ các thầy cô giáo để luận văn được hoàn thiện hơn.

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã luôn ủng hộ và

động viên tôi trong quá trình nghiên cứu luận văn này.

Thái Nguyên, tháng 7 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Minh Huấn

LỜI CAM ĐOAN

iv

Tôi tên là Nguyễn Minh Huấn lớp CHK17-TĐH tôi xin cam đoan bản luận

văn:”Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực và nghịch lưu đa cấp ứng dụng trong mạng điện

nguồn phân tán” là do tôi tự tổng hợp và nghiên cứu, không sao chép của ai.

Mọi tham khảo trong luận văn đều được trích dẫn rõ rang tên tác giả, tên công

trình, thời gian, địa điểm công bố.

Tôi xin chịu trách nhiệm những gì khai trước Nhà trường và Hội đồng khoa

học!

Thái Nguyên, tháng 7 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Minh Huấn

v

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU....................................................................................................................xi

CHƯƠNG I .................................................................................................................3

MẠNG ĐIỆN PHÂN TÁN VÀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT DÙNG CHO

KẾT NỐI NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN.....................................................................3

1.1 Mạng điện phân tán...............................................................................................3

1.2 Bộ biến đổi công suất áp dụng kết nối nguồn phát phân tán ................................5

1.2.1 Giới thiệu chung .............................................................................................5

1.2.2 Ứng dụng bộ biến đổi đa mức dùng cầu H trong hệ thống điện thông minh .7

1.2.3 Xây dựng cấu trúc bộ biến đổi đa mức dùng cầu chữ H ..............................10

1.2.4 Xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng .13

CHƯƠNG II..............................................................................................................15

NGHỊCH LƯU ĐA MỨC DÙNG CẦU H-BRIDGE NỐI TẦNG .........................15

2.1 Nghịch lưu nguồn áp đa mức nối tầng kiểu cầu H-Bridge một pha ...................15

2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa cấp nối tầng dùng

cầu H-Bridge .............................................................................................................17

2.2.1 Điều chế hai cấp điện áp bằng phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu H￾Bridge.....................................................................................................................19

2.2.2 Điều chế ba cấp điện áp bằng phương pháp độ rộng xung PWM cho cầu H￾Bridge.....................................................................................................................19

2.2.3. Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức............................................20

2.3 Mô phỏng nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng một pha .................25

2.3.1 Mô phỏng nghịch lưu một mức dùng cầu H-Bridge một pha .....................25

2.3.2 Mô phỏng nghịch lưu 7 mức dùng cầu H-Bridge một pha...........................27

2.4 Mô phỏng nghịch lưu đa mức dùng cầu H-Bridge nối tầng ba pha....................29

2.4.1 Mô phỏng nghịch lưu ba pha một mức dùng cầu H-Bridge .........................29

2.4.2 Mô phỏng nghịch lưu 7 mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng ...............30

CHƯƠNG III: ...........................................................................................................34

CHỈNH LƯU TÍCH CỰC ĐA MỨC DÙNG CẦU H -BRIDGE NỐI TẦNG .......34

3.1 Chỉnh lưu tích cực một pha..............................................................................34

vi

3.2 Chỉnh lưu tích cực ba pha ................................................................................38

3.3 Mạch vòng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực.................................................41

3.3.1 Mạch vòng dòng điện ...................................................................................41

3.3.2 Mạch vòng điện áp........................................................................................46

3.4 Hệ thống điều khiển và mô phỏng chỉnh lưu tích cực một pha ..........................47

3.4.1 Mô phỏng chỉnh lưu tích cực một pha một mức bộ điều chỉnh PID để điều

chỉnh điện áp..........................................................................................................48

3.4.2 Mô phỏng chỉnh lưu tích cực một pha một mức dùng bộ điều chỉnh Deadbeat

để điều chỉnh điện áp .............................................................................................51

3.4.3 Mô phỏng bộ chỉnh lưu tích 7 mức một pha dùng bộ điều chỉnh PID cho mạch

vòng dòng điện.......................................................................................................54

3.4.4 Mô phỏng bộ chỉnh lưu tích cực đa mức một pha dùng bộ điều chỉnh PID cho

mạch vòng dòng điện.............................................................................................57

3.5 Mô phỏng chỉnh lưu tích cực ba pha...................................................................59

3.5.1 Mô phỏng chỉnh lưu tích cực ba pha một mức .............................................59

3.5.2. Mô phỏng chỉnh lưu ba pha đa mức. ...........................................................63

CHƯƠNG IV ............................................................................................................67

BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC-AC-AC TRAO ĐỔI CÔNG SUẤT HAI CHIỀU ..............67

4.1 Bộ biến đổi AC-DC-AC-AC trao đổi công suất hai chiều một pha....................67

4.2 Mô phỏng bộ biến tần AC-DC-AC ba pha đa mức.............................................72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................77

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................78

vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1. 1 Mô hình hệ thống điện hiện đại ..................................................................3

Hình 1. 2 Cấu trúc bộ biến đổi AC-DC-AC có khâu trung gian một chiều...............6

Hình 1. 3 Cấu trúc bộ biến đổi trong chế độ nối lưới.................................................6

Hình 1. 4 Cấu trúc bộ biến đổi trong chế độ ốc đảo..................................................7

Hình 1. 5 Mô hình mạng lưới hệ thống điện thông minh............................................8

Hình 1. 6 Cấu trúc mô hình hệ thống điện thông minh...............................................9

Hình 1. 7 Cấu trúc bộ biến đổi ba cổng kết nối các nguồn/lưới với nhau................10

Hình 1. 8 Cấu trúc bộ biến đổi hai cổng kết nối các nguồn/lưới với nhau...............11

Hình 1. 9 Mô hình cấu trúc bộ biến đổi. ...................................................................11

Hình 1. 10 Mô hình bộ biến đổi một pha với khâu cách ly DC-DC. ........................12

Hình 1. 11 Mô hình bộ biến đổi một pha với khâu cách ly DC-AC kết hợp với khâu

Matrix-Converter ......................................................................................................13

Hình 1. 12 Cấu trúc tổng quát ba pha bộ biến đổi AC-DC-AC-AC có khâu trung gian

tần số cao. .................................................................................................................14

Hình 2. 1 Sơ đồ nghịch lưu đa mức nối tầng dùng cầu H-bridge.............................15

Hình 2. 2 Sơ đồ một cầu H-Bridge............................................................................16

Hình 2. 3 Đồ thị mô tả phương pháp PWM. .............................................................17

Hình 2. 4 Sơ đồ quá trình tạo xung vuông hai bậc từ sóng sin và xung tam giác. ...19

Hình 2. 5 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức sử dụng hai sóng sin chuẩn ngược pha

nhau 180o

...................................................................................................................19

Hình 2. 6 Sơ đồ điều chế nghịch lưu đa mức dùng hai sóng tam giác lệch pha

180o

............................................................................................................................20

Hình 2. 7 Hình dạng tín hiệu sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang. .........21

Hình 2. 8 Sơ đồ nghịch lưu áp đa mức ba pha. ........................................................21

Hình 2. 9 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức bằng phương pháp đa sóng mang

sử dụng hai sóng sin chuẩn lệch pha nhau 180o

.......................................................22

Hình 2. 10 Hình dạng điều chế nghịch lưu đa mức bằng phương pháp đa sóng mang

sử dụng hệ thống xung tam giác lệch pha nhau 180o

...............................................22

Hình 2. 11 Hình dạng của tín hiệu điều chế bằng phương pháp đa sóng mang trong

nghịch lưu đa mức.....................................................................................................23

Hình 2. 12 Tín hiệu điều chế của bộ nghịch lưu với hệ số điều chế thấp. ................24

Hình 2. 13 Tín hiệu điều chế của bộ nghịch lưu với hệ số điều chế cao. .................25

Hình 2. 14 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu một pha một mức..........25

Hình 2. 15 Mô hình mô phỏng nghịch lưu một pha một mức. ..................................26

Hình 2. 16 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều của nghịch lưu một pha .............26

Hình 2. 17 Hình dạng điện áp phía xoay chiều của nghịch lưu một pha .................26

Hình 2. 18 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu một pha 7 mức..............27

viii

Hình 2. 19 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mức một pha dùng cầu H-Bridge nối

tầng............................................................................................................................27

Hình 2. 20 Mô hình mô phỏng khâu điều chế PWM 7 mức ......................................28

Hình 2. 21 Hình điện áp phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mức một pha ...............28

Hình 2. 22 Hình dạng dòng điện phía xoay chiều của nghịch lưu 7 mức một pha ..28

Hình 2. 23 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu ba pha một mức..........29

Hình 2. 24 Mô hình mô phỏng nghịch lưu một mức ba pha dùng cầu H-Bridge. ...29

Hình 2. 25 Hình dạng điện áp ra của bộ nghịch lưu ba pha ....................................30

Hình 2. 26 Hình dạng điện áp trên nguồn xoay chiều bộ nghịch lưu ba pha..........30

Hình 2. 27 Sơ đồ cấu trúc mạch bộ PWM cho nghịch lưu ba pha 7 mức ba pha..31

Hình 2. 28 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 7 mức ba pha dùng cầu H-Bridge nối tầng

...................................................................................................................................31

Hình 2. 29 Hình dạng dòng điện nguồn xoay chiều bộ nghịch lưu 7 mức ba pha ..32

Hình 2. 30 Hình dạng điện áp trên nguồn xoay chiều bộ nghịch lưu 7 mức ba

pha.............................................................................................................................32

Hình 3. 1 Sơ đồ chỉnh lưu một pha. ..........................................................................34

Hình 3. 2 Mạch điện tương đương (a) và biểu đồ vector (b)....................................35

Hình 3. 3 Chiều dòng điện khi V1, V4 được điều khiển mở, . ...........................37

Hình 3. 4 Chiều dòng điện khi V2, V3 được điều khiển mở, iL> 0. ..........................37

Hình 3. 5 Sơ đồ chỉnh lưu tích cực ba pha................................................................38

Hình 3. 6 Mô hình mạch vòng dòng điện dùng bộ điều chỉnh PI tuyến tính. ...........42

Hình 3. 7 Kết quả mô phỏng biến dòng điện của mô hình VSI với bộ PI tuyến tính.

(a) điều khiển để đáp ứng dòng điện thực bám sát với biên độ dòng điện đặt........43

Hình 3. 8 Đồ thị giải thích nguyên lý hệ điều khiển dòng theo ngưỡng deadbeat....44

Hình 3. 9 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển chỉnh lưu tích cực dùng bộ điều chỉnh

dòng điện theo ngưỡng deadbeat, tần số đóng cắt không đổi. .................................44

Hình 3. 10 Mạch vòng điều khiển điện áp. ...............................................................47

Hình 3. 11 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu tích cực một pha dùng PID cho mạch

vòng dòng điện. .........................................................................................................48

Hình 3. 12 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng điện PID. ..................................................48

Hình 3. 13 Cấu trúc mô phỏng khâu điều chế độ rộng xung PWM..........................49

Hình 3. 14 Mô hình mô phỏng chỉnh lưu tích cực một pha dùng bộ điều chỉnh PID

cho mạch vòng dòng điện..........................................................................................49

Hình 3. 15 Hình dạng điện áp vào bộ biến đổi.........................................................50

Hình 3. 16 Hình dạng điện áp phía một chiều ..........................................................50

Hình 3. 17 Hình dạng dòng điện và điện áp phía nguồn xoay chiều........................50

0 L

i 