HUTECH
B GIÁO DC VÀ ÀO TO
TRNG I HC K THUT CÔNG NGH TP. HCM
LNG TRN NGHA

NGHIÊN CU PHNG PHÁP IU
KHIN B NGHCH LU A BC GIM
S KHÓA CÔNG SUT LUN VN THC S

Chuyên ngành : THIT B, MNG VÀ NHÀ MÁY IN
Mã s ngành: 60 52 50 HNG DN KHOA HC: PGS.TS PHAN QUC DNG TP. H CHÍ MINH, tháng 04 nm 2012
HUTECH
CÔNG TRÌNH C HOÀN THÀNH TI
TRNG I HC K THUT CÔNG NGH TP. HCM

PHÒNG QLKH - TSH
C
NG H
ÒA XÃ H
I CH NGHA VIT NAM

c lp - T do - Hnh phúc

TP. HCM, ngày … tháng… nm 2012

NHIM V LUN VN THC S
H tên hc viên: LNG TRN NGHA Gii tính: Nam
Ngày, tháng nm sinh: 24 / 09 / 1986 Ni sinh: CÀ MAU
Chuyên ngành: Thit b, mng và nhà máy đin MSHV: 1081031018
I- TÊN  TÀI:
NGHIÊN CU PHNG PHÁP IU KHIN B NGHCH LU A BC GIM
S KHÓA CÔNG SUT
II- NHIM V VÀ NI DUNG:
1. Gii thiu nghch lu đa bc và ng dng
2. Trình bày cu trúc nghch lu đa bc gim s khóa công sut và phng pháp
điu khin
3. Mô phng b nghch lu đa bc gim s khóa công sut bng
matlab/simulink
4. ánh giá và kt lun
III- NGÀY GIAO NHIM V: 15/09/2011
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIM V: 15/03/2012.
V- CÁN B HNG DN: PGS.TS PHAN QUC DNG

CÁN B HNG DN KHOA QUN LÝ CHUYÊN NGÀNH

tình hng dn tôi hoàn thành công trình nghiên cu này.
Xin chân thành gi li cám n đn toàn th quý thy cô trng i hc K
Thut Công Ngh Tp. H Chí Minh đã ging dy, hng dn và to mi điu
kin tt cho tôi hoàn thành công trình nghiên cu này.
Xin cám n các anh ch em lp 10SM ngành Thit B Mng Và Nhà Máy
in đã chia s, h tr, giúp đ trong sut quá trình hc tp va qua.
Cui cùng, nhng quan trng nht, xin gi li cám n đn các thành viên
trong gia đình cùng bn bè đã đng viên, khích l, h tr cách này hay cách
khác cho công vic hc tp ca tôi.

Xin chân thành cm n!
Hc viên thc hin
Lng Trn Ngha

HUTECH
i

TÓM TT  TÀI

 khc phc nhng nhc đim ca phng pháp SHE, hai bài báo [15] &
[16] đã đa ra mt phng pháp đn gin trc tip xác đnh góc kích, bng hai cách

only some trigonometric functions. In this analysis focused measures,
improvements in the two methods [15] & [16] to apply determines conducting angle
for multi-level inverter With Reduced Number of Switches [3].
The paper [3] has introduced a new structure of multi-level inverters are key
structures reduce capacity than traditional structure with some degree of
modulation, this paper only inverter multi-building reduce the number of key steps
that do not mention the method should control thesis proposes a new control
methods (drawn from [15] & [16]) for this inverter. It is verified by simulation in
matlab / simulink. But there are some limitations, only reduce the number of
courses than the traditional structure of rank greater than 7 degrees of modulation
depends on the number keys on each unit and the unit in a set.
HUTECH
iii

MC LC
TÓM TT  TÀI i
ABSTRACT ii
DANH MC T VIT TT v
DANH MC CÁC BNG vi
DANH MC CÁC HÌNH viii
M U 1

2.2.3.2 Phng pháp Kang ci tin cho b nghch lu gim s khóa 57
2.2.4 So sánh phng pháp online và phng pháp Kang điu kin cho b nghch
lu đa bc gim s khóa 60
Chng 3: MÔ PHNG B NGHCH LU A BC GIM S KHÓA CÔNG
SUT BNG MATLAB/SIMULINK……………………………………………69
A - XÂY DNG MÔ HÌNH MÔ PHNG BNG MATLAB/SIMULINK 69
B - CHY MÔ HÌNH MÔ PHNG S DNG PHNG PHÁP ONLINE CI
TIN 75
3.1 Mô phng b nghch lu đa bc gim khóa công sut 75
3.2 Kho sát và đánh giá kt qu mô phng 83
Chng 4: KT LUN 85
Kt qu đt đc và hng phát trin
Tài liu tham kho………………………………………………………………….88

HUTECH
v

DANH MC T VIT
TT
PMW (pulse width modulation): điu ch đ rng xung
SPWM (sinusoidal pulse width modulation): điu ch đ rng xung dng sóng sin
THPWM (third harmonic injection pulse width modulation): điu ch đ rng xung
têm hài bc ba
SVM (space vector pulse width modulation): điu ch đ rng xung bng véc t
không gian
SH-PWM (subharmonic pulse width modulation): điu ch đ rng xung vi hài
bi 3
SFO-PWM (switching frequency optimal pulse width modulation): điu ch đ
rng xung vi tn s đóng ct ti u
SHE (Selective harmonic elimination): kh sóng hài chn lc

Bng 1.1 bng trng thái đóng ct các khóa công sut 5
Bng 2.1: Bng trng thái đóng ct các khóa 21
Bng 2.2: So sánh cu trúc gim s khóa [3] vi cu trúc cascaded 26
Bng 2.3: Xác đnh các góc kích cho 11-level bin tn cascaded 36
Bng 2.4: ti u giá tr ca h s d cho khong 0.64 ≤ M ≤ 1 39
Bng 2.5 Các góc kích đc tính bng phng pháp online cho 11-level, ngun dc
cân bng 40
Bng 2.6 Các góc kích đc tính bng phng pháp online cho 13-level, ngun dc
cân bng 42
Bng 2.7 Các góc kích đc tính bng phng pháp online cho 15-level, ngun dc
cân bng 43
Bng 2.8 Các góc kích đc tính bng phng pháp online cho 11-level, ngun dc
không cân bng 44
Bng 2.9 S lng góc kích theo t s điu biên 50
Bng 2.10 Lit kê các góc kích theo các t s điu biên M
i
trong mt inverter 11-
level 50
Bng 2.11: Kt qu tính góc kích, theo phng pháp online 56
Bng 2.12: Kt qu tính góc kích, theo phng pháp Kang 59
Bng 2.13 So sánh THD% gia phng pháp online và phng pháp Kang cho b
nghch lu đa bc gim s khóa, không xét đn hài bi 3 60
Bng 2.14 So sánh THD% gia phng pháp online và phng pháp Kang cho b
nghch lu đa bc gim s khóa, có xét đn hài bi 3 65
Bng 3.1: Bng đóng ct IGBT cho b nghch lu 11-level 75
HUTECH
vii

Bng 3.2: Kt qu tính góc kích, fundamental harmornic 76
Bng 3.3: Bng đóng ct IGBT cho b nghch lu 15-level 77

Hình 1.5: Mô phng tính hiu điu ch và sóng đin áp pha ng ra s dng 5 ngun
dc đc lp (60V), cho b nghch lu đa bc cascaded vi ba k thut chính (a)
SPWM, (b) THPWM, (c) SVM 10
Hình 1.6: Dng điu ch và dng sóng ngõ ra vi các thông s (m = 6, m
f
= 21, m
a
=
0.8) 12
Hình 1.7: Hình lc giác trong phng pháp SVPWM 12
Hình 1.8: không gian vector đin áp cho b nghch lu sáu bc 13
Hình 1.9: B ghép kênh mô hình ca b nghch lu diode kp sáu bc 14
Hình 1.10: Dng sóng đin áp ngõ ra ca b nghch lu cascaded 11 bc 16
Hình1.11: ng dng b nghch lu trong điu khin đng c 17
Hình 1.12: ng dng b nghch lu trong lò cm ng trung tn 17
Hình 1.13: ng dng b nghch lu trong h thng nng lng tái to 18
Hình 2.1: Mt vài phng pháp b trí khóa hai chiu 19
Hinh 2.2 (a) cu trúc c bn cho submultilevel converter, (b) kiu sóng đin áp ngõ
ra ca V
0
20
Hình 2.3: Cu trúc m rng ca cu trúc đn v 20
Hình 2.4: Các units đc kt ni thành series 22
Hình 2.5: (a) cu trúc c bn, (b) dng sóng đin áp ngõ ra 22
HUTECH
ix

Hình 2.6: (a) M rng cu trúc c bn, (b) kt ni k ln cu trúc c bn 23
Hình 2.7: So sánh N
step

Hình 2.14: Bin thiên n/ln(n) so vi n 29
Hình 2.15: Bin thiên P/(n - 1) so vi n 31
Hình 2.16: Cu trúc ti u cho gim s khóa 31
Hình 2.17: Phng pháp tip cn trc tip xác đnh góc kích 34
Hình 2.18: a) h s THD vi k s bc xung cho 11-level và b) h s THD ti
u 36
Hình 2.19: Dng sóng đin áp đu ra và phân tích ph cho M = 0.5, bin tn 11-
level vi ngun dc cân bng 41
Hình 2.20: Dng sóng đin áp đu ra và phân tích quang ph cho M = 0.9
(overmodulation), bin tn 11-level vi ngun dc cân bng 42
Hình 2.21: Dng sóng đin áp đu ra và phân tích ph cho M = 0.64 M,bin tn 13-
level vi ngun dc cân bng 43
HUTECH
x

Hình 2.22: Dng sóng đin áp đu ra và phân tích ph cho M = 0.64 M, bin tn 15-
level vi ngun dc cân bng 44
Hình 2.23: Dng sóng đin áp đu ra và phân tích ph cho M = 0.5,bin tn 11-level
vi các ngun dc không cân bng 45
Hình 2.24: Dng sóng đin áp tham chiu và tng hp sóng bc xung (step pulse
wave) trong mt bin tn cascaded 46
Hình 2.25: in áp tham chiu và góc kích o trong trng hp ca M
i
=講/ 4 47
Hình 2.26: in áp ra ca inverter cascaded 11-level trong thi gian na chu k
dng, trong trng hp ca M
i
=講/ 4 48
Hình 2.27: Dng sóng áp ra và FFT, trong trng hp M
i

THD=6.39% không tín đn hài bi 3, PP Kang 63
Hình 2.40: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.8 (11-level),
THD=14.82% không tín đn hài bi 3, PP online 64
Hình 2.41: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.8 (11-level),
THD=3.47% không tín đn hài bi 3, PP Kang 64
Hình 2.42: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.4 (11-level),
THD=48.38% có tính đn hài bi 3, PP online 65
Hình 2.43: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.4 (11-level),
THD=18.28% có tính đn hài bi 3, PP Kang 65
Hình 2.44: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.5 (11-level),
THD=46.38% có tính đn hài bi 3, PP online 66
Hình 2.45: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.5 (11-level),
THD=13.16% có tính đn hài bi 3, PP Kang 66
Hình 2.46: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.6 (11-level),
THD=24.05% có tính đn hài bi 3, PP online 67
Hình 2.47: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.6 (11-level),
THD=9.42% có tính đn hài bi 3, PP Kang 67
Hình 2.48: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.7 (11-level),
THD=15.06% có tính đn hài bi 3, PP online 67
Hình 2.49: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.7 (11-level),
THD=8.27% có tính đn hài bi 3, PP Kang 67
HUTECH
xii

Hình 2.50: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.8 (11-level),
THD=18.84% có tính đn hài bi 3, PP online 68
Hình 2.51: Dng sóng áp ra và FFT, vi t s điu biên M =0.8 (11-level),
THD=4.571% có tính đn hài bi 3, PP Kang 68
Hình 3.1: Mô hình mô phng cho 11-level sóng đin áp ra 70
Hình 3.2: Mô hình mô phng cho 15-level sóng đin áp ra 71

E-mail:
;
Khoa C – in – in T, i hc K Thut Công Ngh TP. HCM, Vit Nam
(2)
268 Lý Thng Kit, Phng 14, Qun 10
Khoa in-in T, Trng i hc Bách Khoa TP. HCM, Vit Nam TÓM TT

 tính đc nhng góc kích các khóa công sut thì các phng pháp thông thng dùng phng
pháp lp Newton-Raphson đ gii các phng trình phi tuyn trong chui Fourier. Nhc đim ca
phng pháp này là vic gii các phng trình phi tuyn mt nhiu thi gian và khó thc hin đi vi
s bc ln [6].  khc phc nhng nhc đim này, trong [4] đã đa ra mt phng pháp đn gin
trc tip xác đnh góc kích, áp dng tính góc kích cho b nghch lu đa bc dng cascaded truyn
thng. Phng pháp này làm gim s lng tính toán cn thit, không gii các phng trình phi tuyn,
ch tính toán mt s hàm lng giác.  tài đ xut mt phng pháp điu khin mi (rút ra t [4])
cho b nghch lu đa bc gim s khóa công sut . c kim chng bng mô phng trong
matlab/simulink. Tuy nhiên còn mt s hn ch, ch gim s khóa hn cu trúc truyn thng khi s bc
ln hn 7, không điu ch ra s bc bt k, s bc điu ch đc ph thuc vào s khóa trên mi unit
và s unit trong mt b. ABSTRACT

For calculation of conducting angles for the switches power follow the conventional method using
Newton-Raphson method of preparation for solving nonlinear equations in the Fourier series. The
drawback of this method is the solution of nonlinear equations take a long time and difficult to
implement for a large number of levels [6]. Order to overcome this drawback, in [4] gave a simple
method directly determines conducting angles, apply the conducting angles for multi-level converters

bng các ngun nng lng mi nh: nng
lng mt tri, gió, sóng bin Trong đó b
nghch lu là b phn quan trng không th
thiu trong vic ni li cho các h thng này.
Vì th, vic nghiên cu đ phát trin, nâng cao
hiu qu và gim giá thành ca b nghch lu
đa bc là góp phn vào s phát trin chung cho
nn công nghip và nghành nng lng tái to
hin nay. Nghch lu đa bc đc chp nhn
đ thay th nghch lu áp hai bc cho ng dng
công sut ln và đin áp cao. Vi cu to đa
bc, đin áp ngõ ra đc tng lên tn hao
chuyn mch linh kin gim và ha tn ngõ ra
đc ci thin đáng k. Bài vit này gii thiu
mt phng pháp điu khin mi cho cu trúc
nghch lu đa bc gim s khóa công sut [3],
vi cách tip cn trc tip đ xác đnh góc
kích, điu khin trng thái đóng ct các khóa
công sut trong b nghch lu gim s khóa.
c đim ca cu trúc này là cu to đn gin,
có cu trúc dng cell liên kt vi nhau, tránh
đc vn đ cân bng áp t, tuy nhiên cn
nhiu ngun dc đc lp và khi mun tng s
bc đin áp ngõ ra thì s lng linh kin tng
lên. Vi cu to cn nhiu ngun dc đc lp
nh th, tính thc tin ca lun vn là dùng b
nghch lu này đ ni li cho h thng nng
lng mt tri.

 tài tp chung nghiên cu ba

•
mt
IGBT.
Trong hình 1
(b)
làm gim s st áp 
trng thái ON, nhng cn hai IGBT. Mt
bt li là mi IGBT
•
cn có mt cng điu
khin đc lp dn đn, h thng phc tp
và giá thành đt.
Trong hình 1 (c) là mt cách ni ghép ph
bin, có tn tht truyn dn ging vi cu
trúc trong hình 1 (b). u đim ca cu
trúc này so vi các cu trúc trc đó là
mi khóa hai chiu ch cn có mt mch
điu khin
Cu trúc c bn
cng kích [3].
trong hình 2 gm mt
đin áp dc (đin áp dc bng V
dc
) vi hai khóa
chuyn mch hai chiu S
1
và S
2
trong hình (a)
và dng sóng đin hình V

, S
2
, … ,S
n
, có th
thy n giá tr khác nhau đt đc cho V
0

.

Hình 3:

Cu trúc m rng ca cu trúc đn v
[3]
State
Bng 1: Bng trng thái đóng ct các khóa:
Switch states
v
0
S
S
1
S
2

…
3

S
S

…
…
…
…
…
n-1 0 0 0 … 1 0

n 0 0 0 … 0 1 Cu trúc unit trên hình 3 đc kt ni vi
nhau thành mt chui liên kt nh hình 4 nhm
tng giá tr cho đin áp V
0
. Hình 4 có k ln
unit vi n
k khóa đóng ct, nhng ch duy nht
mt khóa trên mi unit đc on trong mi
trng thái đóng ct khi b nghch lu hot
đng.  đây s bc và đin áp maximum ngõ
ra đc tính nh sao:
Cu trúc trong hình 4, đ điu ch ra đin
áp V
0


Maximum s voltage steps s là:
T (6), (7) ta có:
Nó có th đc chng minh rng s lng
ti đa các voltage steps có th đt đc vi các
switch bng nhau. Vì vy, nu s lng các
thit b chuyn mch trong mi đn v m rng
đc gi đnh bng n, sau đó xem xét phng
trình (8), tng s các thit b chuyn mch
(
) có th đt đc nh sau

:
HUTECHHình 5: Bin thiên n/ln(n) so vi n

Vì N
step
là hng s, N


 khc phc mt s nhc đim ca
phng pháp SHE. Mt phng pháp trong [4]
tip cn trc tip xác đnh các góc kích vi các
tính toán đn gin, tng hp chính xác thành
phn c bn dng sóng đin áp đu ra vi gim
thiu bin dng và h s THD trên toàn b
phm vi ca t s điu biên (0 ≤ M ≤
1)
. Có
đc nhng góc kích,
bng cách chia sóng
đin áp chun theo chiu dc, thành nhng khu
vc đin áp, tng ng vi nó là mi góc kích
. T đó ta xác đnh góc kích bng phng
pháp din tích.
Phng pháp này

là mt s kt hp ca
phng pháp din tích và nguyên tc xp
chng. Góc kích đi vi mi bc đin áp có th
đc xác đnh t các thành phn c bn ca
dng sóng đin áp đu ra ca tng units bin
tn dng cu
B nghch lu đa bc cascaded có n cu-
H, đin áp tham chiu có th xác đnh bng
công thc:
-H. HUTECH

Hình 7: Phng pháp tip cn trc tip xác
đnh góc kích
3- Tính toán góc kích 
j
cho tng bc đ biên
đ ca các thành phn c bn ca sóng vuông
bng M
j

, hình 7 (c) Vì vy, mi quan h đc thit lp gia 
j
và

i
nh sau:
phng trình (15) không th cung cp cho mt
giá tr thc cho mt hoc mt s 
i
. Vì vy, giá
tr ca 
i
s đc thành lp vi tham s d nh
sau:
( đây d là h s, xác đnh bng min THD%

2.2.2 Phng pháp ci tin cho b nghch
lu đa bc gim s khóa

 đ tài này ta nghiên cu phng pháp
điu khin cho b nghch lu đa bc gim s
khóa công sut, do u đim cu trúc b nghch
lu trong [3] s bc cao nhng s khóa công
sut tng ng thp, mc đích lun vn là điu
ch s bc ln nên cn s dng mt phng
pháp đn gin đ xác đnh góc điu khin các
khóa công sut. Hai phng pháp đc gii
thiu  trên rt phù hp cho vic điu khin b
nghch lu gim s khóa.
 đây ta chn ngun vào dc trong mt

Ta đt:
Trong đó k là s unit, n là s khóa công
sut trong mi unit. Giá tr N  đây chính bng
s mc đin áp dc có th to ra t b nghch
lu.
Suy ra:
Ci cùng ta đc công thc tính đin áp
tham chiu cho cu trúc gim s khóa công
sut nh sau:
Sóng đin áp ngõ ra có đ c t nhng
bc xung dng sóng, có th tng hp t k bc
(
). Các thành phn đin áp c bn
mt bc xung ca
sóng đin áp ra vi k bc,
s dng nguyên lý xp chng nh sau

: Ta thc hin các bc t t nh phng

Vì vy, mi quan h đc thit lp gia 
j
và

i
nh sau

: Vi

i đc t ính nh sau:
j = 1…
N
; i =
N
…1

3.

-26Vdc …
1
0
1
…
…
…
…
…
…
…
-2Vdc …

0
1
-Vdc

1
…

0
1


…
1
1
0 HUTECH

(a)

(b)
(c)
Hình 8: Kt qu mô phng b nghch lu đa
bc gim s khóa, (21 bc), t s điu biên
M=0.63
(a) Dng sóng đin áp ngõ ra mt pha
(b) Thành phn sóng hài không tính
hài bi 3, THD=4.51%

(c) Thành phn sóng hài có tính đn
hài bi 3, THD=9.63%
4.

KT LUN
Qua kt qu mô phng ta thy thành phn
sóng hài tng đi thp, li th là s bc cao
gim đ méo dng, sóng áp ra gn sin hn.
Cui cùng, phng pháp đ ngh ng dng
điu khin cho b nghch lu đa bc gim s


5.

TÀI LIU THAM KHO
[1] R . H. B aker and L. H. B annister,
“Electric power converter,” U.S. Patent 3
867 643, Feb. 1975.
[2] A. Nabae, I. Takahashi, and H. Akagi, “A
n ew neutral-point clamped PWM
inverter,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-
17, no. 5, pp. 518–523, Sep./Oct. 1981.
[3] Ebrahim Babaei, “A Cascade Multilevel
Converter Topology With Reduced
Number of Switches,” IEEE transactions
on power electronics, vol. 23, no. 6,
november 2008.
[4] P.Q. Dzung, Saito Y., L.M. Phuong, N.V.
Nho,”A New On-line Approach for
Determining Conducting Angles in
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Time (s )

[5] ] Kang, D W.; Kim, H C.; Kim, T J.;
Hyun, D S.: A simple method for
acquiring the conducting angle in a
multilevel cascaded inverter using step
pulse waves, Electric Power Applications,
IEE Proceedings- Volume 152, Issue 1, Jan
2005 Page(s):103 – 111.
[6] S. Khomfoi and L. M. Tolbert, “Multilevel
power converters,” in Power Electronics
Handbook , 2nd ed. Amsterdam, The
Netherlands: Elsev ier, 2007, ch. 17, pp.
451–482