BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI VĂN HUY

ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐA BẬC NGUỒN ÁP ỨNG DỤNG
TRONG CÁC NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN CÓ NỐI LƯỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 62520216

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2016


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Nguyễn Văn Liễn
2. PGS.TS.Trần Trọng Minh

Phản biện 1: GS. TSKH. Thân Ngọc Hoàn
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Anh Nghĩa
Phản biện 3: PGS. TS. Lê Tòng

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến
sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………


Phương, Trần Đình Thoại (2015), “ Thực nghiệm bộ nghịch lưu
DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao có khả năng trao đổi
công suất hai chiều”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về Điều khiển
và Tự động hoá - VCCA 2015 tháng 11/2015 (Trang 197-203).
7. Bùi Văn Huy, Trần Trọng Minh (2016), “Mô phỏng và thực
nghiệm kiểm chứng thuật toán cân bằng điện áp trên tụ một
chiều cho chỉnh lưu tích cực đa bậc cầu chữ H nối tầng”,
Chuyên san điều khiển và tự động hóa số 15 tháng 4/2016 ISSN
1859-0551 (Trang 41-48).


MỞ ĐẦU
Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò rất quan trọng trong
việc điều khiển, ổn định và kết nối các nguồn điện phân tán, đặc biệt
khi các nguồn phát này nối với lưới điện. Công suất của các nguồn
phát phân tán nối lưới ngày càng cao đặt ra yêu cầu cần có sự thay
đổi về cấu trúc bộ biến đổi để thay thế các bộ biến đổi hai mức
truyền thống. Nghịch lưu đa bậc chính là một giải pháp cho những
ứng dụng đòi hỏi công suất lớn và điện áp cao. Trong các ứng dụng
sử dụng nghịch lưu đa bậc, điện áp của ngõ ra được tăng lên, tổn hao
chuyển mạch của linh kiện điện tử công suất giảm. Nghịch lưu đa
bậc phân nhỏ các bước nhảy điện áp ra phía xoay chiều, nhờ đó giảm
được tốc độ tăng điện áp du/dt trên tải, các van bán dẫn chỉ phải
đóng cắt ở mức điện áp thấp, tần số đóng cắt của các van mạch lực
thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số điện áp ra của quá trình điều chế
cao. Như vậy nghịch lưu đa bậc giảm đáng kể tổn thất trong quá trình
đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của điện
áp ra, đó là những yếu tố rất quan trọng ở dải công suất lớn. Trong
các bộ biến đổi đa bậc thì bộ nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H có
những ưu thế hơn so với những loại khác như: cấu tạo đơn giản, ít

Phạm vi nghiên cứu:
§ Luận án giải quyết vấn đề trao đổi công suất giữa hai nguồn điện
xoay chiều với giả thiết hai nguồn đó không có những trạng thái
không bình thường. Do đó, luận án không xử lý những vấn đề khi
trên lưới điện xuất hiện các trạng thái không bình thường.
§ Các nguồn phát điện phân tán có thể làm việc ở chế độ nối lưới
hoặc ốc đảo. Để các nguồn điện phân tán có thể nối lưới được thì
chúng phải thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật nhất định. Những
vấn đề về yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo nguồn phát phân tán nối
lưới cũng như chế độ làm việc ốc đảo của nguồn phát phân tán
không phải phạm vi nghiên cứu của luận án.
§ Vấn đề chế tạo và khảo sát đặc điểm vật lý của máy biến áp tần số
cao HF là một nội dung quan trọng đối với bộ biến đổi, tuy nhiên
trong luận án cũng chưa đề cập về vấn đề này.
§ Bài toán điều khiển đặt ra trong luận án là điều khiển trao công
suất tác dụng và thu phát công suất phản kháng. Luận án không
giải quyết bài toán điều khiển hệ số cosφ ở hai cổng.
§ Luận án triển khai mô phỏng ở cấp trung áp 3,3kV và thực
nghiệm ở cấp điện áp 220V. Tuy nhiên, những bộ biến đổi đa bậc
có ưu điểm lớn khi ứng dụng cho những nguồn phát phân tán có
công suất lớn và điện áp cao. Việc chọn mức điện áp phù hợp
không phải phạm vi nghiên cứu của luận án.
Ý nghĩa của đề tài:
Nghiên cứu những bộ biến đổi có khả năng kết nối linh hoạt các
nguồn điện phân tán có bản chất khác nhau, đảm bảo cách ly, đảm
bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng và thu phát công suất phản
kháng độc lập, đảm bảo độ tin cậy và khả năng dễ dàng mở rộng hệ
2



điện áp trên tụ một chiều trung gian trong bộ biến đổi đa bậc nối tầng
cầu chữ H; kiểm nghiệm thuật toán chuyển mạch 4 bước theo điện áp
kết hợp điều chế phía sơ cấp máy biến áp tần số cao cho bộ biến đổi
DC-AC-AC, khâu AC-AC điều chế theo kiểu biến tần ma trận; kiểm
nghiệm khả năng nối tầng của bộ biến đổi DC-AC-AC thông qua mô
hình nghịch lưu nối tầng 7 bậc; kiểm nghiệm khả năng trao đổi công
suất hai chiều của bộ biến đổi AC-DC-AC-AC một pha 3 bậc.
3


Cuối cùng là mục Kết luận và kiến nghị, chỉ ra những đóng góp
chính của luận án và hướng phát triển tiếp của đề tài.
1 TỔNG QUAN
1.1 Vai trò của những bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối
nguồn phát phân tán với lưới điện
Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò cực kỳ quan trọng,
chúng thực hiện các nhiệm vụ biến đổi AC-DC, DC-DC, DC-AC và
đảm bảo hiệu suất cao và khả năng làm việc tin cậy của hệ thống. Bộ
biến đổi điện tử công suất cũng phải quản lý được các chế độ hoạt
động của nguồn phân tán (chế độ nối lưới và chế độ độc lập); quản lý
năng lượng mà cụ thể là các quá trình thu phát công suất; đảm bảo
khả năng tích hợp nhiều nguồn điện phân tán vào lưới.
Mỗi IGBT chỉ có thể chịu được điện áp tối đa khoảng 6,5 kV. Như
vậy, để có thể dùng bộ biến đổi nghịch lưu hai mức cho những ứng
dụng điện áp cao thì có thể mắc nối tiếp các van IGBT. Tuy nhiên,
vấn đề thách thức đối với giải pháp này là làm sao điều khiển đồng
thời các van. Bộ biến đổi đa bậc có thể là khâu biến đổi năng lượng
điện lý tưởng cho kết nối các nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện,
bao gồm hầu hết các nguồn phân tán như pin mặt trời, pin nhiên liệu,
điện sức gió...

đổi đó đảm bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng ở hai cổng đồng
thời có khả năng tự thu phát công suất phản kháng ở mỗi cổng một
cách độc lập. Luận án tập trung nghiên cứu bộ biến đổi AC-DC-ACAC với khâu trung gian tần số cao. Những nhiệm vụ nghiên cứu có
thể liệt kê tóm tắt ở mục 1.7.2 sau đây.
1.7.2 Những nhiệm vụ cần giải quyết của luận án
v Lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi:
Cấu trúc bộ biến đổi mà luận án lựa chọn được xây dựng trên cơ sở
bộ đa bậc nối tầng cầu chữ H ở phía cổng 1(thường dùng để nối với
lưới), ở cổng 2 có cấu trúc đa bậc nối tầng trên cơ sở module DC5


AC-AC để ghép nối với nguồn phân, module DC-AC-AC lại được
điều chế và thực hiện chuyển mạch theo nguyên lý biến tần ma trận.
v Vấn đề điều chế:
Với cấu trúc bộ biến đổi mà luận án lựa chọn, các vấn đề điều chế
cần giải quyết là:
- Điều chế cho bộ biến đổi đa bậc nối tầng ở hai cổng
- Cân bằng điện áp một chiều trung gian
- Điều chế bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng và đảm bảo quá
trình chuyển mạch một cách tin cậy ở khâu AC-AC theo
nguyên lý biến tần ma trận
v Vấn đề điều khiển:
Luận án sẽ lần lượt thiết kế bộ điều khiển PI, PR, tựa thụ động và
thích nghi tựa thụ động nhằm đảm bảo quá trình trao đổi công suất
hai chiều của bộ biến đổi.
1.7.3 Đóng góp của luận án
v Dự kiến luận án có một số đóng góp mới như sau:
§ Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ
một chiều trung gian.
§ Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật

trung gian và thu hoặc
phát công suất phản
kháng Q.
Bộ biến đổi ở cổng 2
điều khiển cả quá trình
trao đổi công suất tác
dụng P và thu phát công
suất phản kháng Q . Bộ
biến đổi cho phép trao
đổi P và Q một cách độc
lập ở cổng 2.
Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống AC-DC-ACAC đa bậc nối tầng
2.2 Phân tích bộ biến đổi phía cổng 1
Đối với phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng
thì phương pháp điều chế sóng mang kiểu dịch pha là phù hợp nhất.
Xét về chức năng bộ biến đổi, cổng 1 có vai trò như bộ chỉnh lưu tích
cực trong đó phía DC đóng vai trò là phụ tải. Vì mạch vòng điện áp
chỉ có một mạch vòng chung tác động lên giá trị trung bình của điện
áp DC nên nếu tải các khâu khác nhau thì không có gì đảm bảo điện
áp trên các tụ DC sẽ bằng nhau. Trong các ứng dụng back-to-back
của sơ đồ nối tầng thì cân bằng điện áp trên các tụ DC là yêu cầu bắt
buộc, nó là một thách thức đối với việc điều chế và điều khiển bộ
biến đổi. Nội dung về cân bằng điện áp trên tụ một chiều trung gian
được trình bày ở mục 2.2.1 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa
bậc cầu H nối tầng
v Các phương pháp điều chế cho một module cầu H
v Phương pháp điều chế cho nghịch lưu 7bậc nối tầng cầu H
7



sg 33
vH 3

p

v AN
p

v AN = vH 1 + vH 2 + vH 3

Hình 2.7 Điều chế kiểu dịch pha cho bộ nghịch lưu cầu H 7 bậc

2.2.1 Cân bằng điện áp các khâu DC NL đa bậc nối tầng cầu H
v Các phương pháp cân bằng điện áp trên tụ DC
v Thuật toán mới cân bằng điện áp trên tụ DC
Ở đây sẽ xây dựng phương pháp cân bằng điện áp trên tụ DC áp
dụng được không phụ thuộc vào phương pháp điều chế PWM. Các
8


chế độ phóng nạp tụ ứng với các trạng thái van được tóm tắt như
bảng 2.3
Bảng 2.3 Trạng thái van và tình trạng phóng nạp của tụ một chiều
đối với một cầu chữ H
hi Trạng thái
Điện áp
Trạng thái tụ DC
van
ra uo,i
iL > 0

hi= 0
(bypass Cj)
(bypass Ci)
hj-1, hj+1 = 1
hi-1, hi+1 = 1
(charge Cj-1,
(discharge
Cj+1)
Ci-1, Ci+1)
h=1
hi = 1
hj = 1
(charge Ci)
(discharge
hi-1, hi+1 =0
Cj)
(bypass Ci-1, hj-1, hj+1 =0
Ci+1)
(bypass Cj-1,
Cj+1)
h=0
h= -1
hj = -1
hi = -1
(discharge
(charge Ci)
9


Cj)

150
100
50
0

0

0.05

0.1

0.15

0.2
Time [s]

0.25

0.3

0.35

0.4

500

0

-500
0.2

2.3.2 Điều chế PWM cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu AC-AC
điều chế kiểu biến tần ma trận
10


Bộ DC-AC-AC cũng có thể điều chế theo phương pháp điều chế
lưỡng cực và điều chế đơn cực trong đó phương pháp điều chế đơn
cực có chất lượng về sóng hài tốt hơn.
v Phương pháp dùng hai sóng mang
v Phương pháp điều chế sử dụng hai sóng điều chế ngược pha
Phương pháp điều chế đơn cực sử dụng một sóng mang và hai sóng
điều chế cho trên Hình 2.19. Tín hiệu sóng mang là xung răng cưa
được phát đồng bộ với tín hiệu điều khiển các van V1  V4 phía sơ
cấp biến áp.
Hai tín hiệu sóng
m(t) và – m(t) ngược
pha nhau 180o, upwm+
và upwm- là đầu ra so
sánh giữa m(t) và –
m(t)
với
sóng
mang.Vì
tín
hiệu u f có dạng xoay
chiều biên độ ±1
nên xung mở van S1
là tích uf*upwm+ và
lấy tích uf*upwm- sẽ
được xung mở van


Hình 2.31 Giản đồ xung điều
khiển các van phía sơ cấp MBA

Hình 2.29 Nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở
bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng

Hình 2.32. Điều chế PWM dịch pha
cho DC-AC-AC nối tầng.

Áp dụng phương pháp dịch pha tất cả các module DC-AC-AC. Kết
quả cho trên hình 2.34 cho thấy dạng điện áp đầu ra bộ nghịch lưu có
dạng 7 bậc (hình b), dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tải có
dạng sin (hình c và d).

12


Hình 2.34 Kết quả MP nghịch lưu 7 bậc nối tầng DC-AC-AC

2.4 Tóm tắt và kết luận
Chương này đã giải quyết 3 vấn đề chính là: cân bằng điện áp trên tụ
một chiều trung gian, đề xuất thuật toán điều chế và chuyển mạch
khâu DC-AC-AC và đảm bảo khả năng nối tầng của bộ biến đổi theo
phương pháp điều chế sóng mang kiểu dịch pha áp dụng cho cả hai
cổng. Các phân tích lý thuyết là kết quả mô phỏng đã chứng minh
tính đúng đắn của những giải pháp đề ra.
3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI
3.1 Mô hình trạng thái và vấn đề điều khiển công suất của bộ
biến đổi nối lưới



u 
i 
i   e 
   R     L d      s 
u 
i 
dt i   es 
 
 

(3.4)

3.1.2 Điều khiển công suất trong bộ biến đổi nối lưới
3.2 Phân tích cấu trúc điều khiển





Hình 3.5 Hệ điều khiển cổng 1

Hình 3.6 Hệ điều khiển ở cổng 2
13


3.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển PID cho bộ biến đối
3.3.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện
1


ua*

*
a

i

u

ub*
iq*

Q*

ub*

ib*

uc*
eb

ib

Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển cổng 2 với bộ điều khiển cộng hưởng cho
mạch vòng dòng điện

3.5 Cấu trúc điều khiển tựa thụ động cho mạch vòng dòng điện
14


L3
R 
i* z  i* z
khi lắp đặt. Sử dụng luật hiệu chỉnh (3.67)  2 (R  r)  d 1 q 2
với các tham số 1, 2 là các hằng số thích z1 %id  id* id ; z2 %iq  iq* iq



nghi khi thiết kế bộ chỉnh định tham số.


(3.67)
3.7 Mô phỏng kiểm chứng kết quả
3.7.1 Mô phỏng hệ điều khiển trên hệ tọa độ dq với bộ điều khiển PI
cho mạch vòng dòng điện

Hình 3.25 Điện áp các tụ pha A,B,C và điện áp trung bình trên một pha
15


Hình 3.27 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2

Hình 2.28 Công suất P ở hai cổng

Hình 2.29 Công suất Q ở hai cổng

3.7.2 Mô phỏng cấu trúc ĐK cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện

Hình 3.33 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2



0.1

0.02
0

0

100

200

300
Frequency (Hz)

400

500

600

0

0

100

200

300


0.6

Mag(%of Fundam
ental)

M
ag(%of Fundam
ental)

0.7

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0

0

100


0.0075H. Tham số thực tế: R = 0.015 Ω, L = 0.0045 H (L sai lệch
40%, R sai lệch 50%). r1  r2  0.05; 1  0.05; 2  0.05

Hình 3.47 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 1 và 2
18


Hình 3.49 Giá trị công suất tác dụng trao đổi ở cổng 1,2
Fundamental (50Hz) = 72.05 , THD= 1.21%
0.7

M a g (% of F und am enta l)

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

Hình 3.50 Giá trị đặt và giá trị thực
của công suất phản kháng cổng 1 và 2

0

100

200


600


3.8 Tóm tắt và kết luận
Các kết quả mô phỏng đã thể hiện tính đúng đắn của các thuật toán
điều chế, phương pháp điều khiển và chứng minh khả năng trao đổi
công suất hai chiều của bộ biến đổi.
4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
Hệ thống thực nghiệm gồm 4 phần. Các kết quả thực nghiệm đã
kiểm chứng tính đúng đắn của các thuật toán mà tác giả đề xuất.
4.1 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng thuật toán cân bằng điện
áp trên tụ
4.1.1 Sơ đồ cấu trúc thực nghiệm

220 2 sin( t )

15VDC
±15

VDC

Hình 4.1. Cấu trúc thực nghiệm
chỉnh lưu tích cực 7 bậc
Các tụ Cdi = 2200 µF. R1 = 64 W, R2
= 32 W, R3 = 64 W , Udc,ref = 450V .
Mạch điều chế kiểu dịch pha, tần số
fpwm = 500 Hz.
4.1.2 Các kết quả thực nghiệm

20


S1a ,S1b ¸ S4 a ,S4 b

±15 VDC

15VDC
clock

uf

u pwm - u pwm +

Hình 4.10 Cấu trúc mô hình hệ thống
thực nghiệm DC-AC-AC

21

Hình 4.22 Điện áp đầu ra bộ
biến đổi và điện áp trên tải khi
Udc = 80V


4.3 Thực nghiệm bộ nghịch lưu 7 bậc DC-AC-AC nối tầng
Mục đích của mô hình thực nghiệm này là kiểm chứng khả năng nối
tầng của bộ DC-AC-AC.

15VDC

Hình 4.25 Thực nghiệm bộ nghịch lưu DC-AC-AC 7 bậc nối tầng