Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng cáp ba pha ghép tầng đa bậc...

Tài liệu Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng cáp ba pha ghép tầng đa bậc

.PDF
111
447
104

Mô tả:

LỜI A T i in c m đ n đ ĐOAN à c ng tr nh nghi n cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chư t ng được ai công bố trong bất k công trình nào khác. T i in c m đ n rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này củ t i đã được cảm ơn đầ đủ và các thông tin trích dẫn sử ng trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc. Nghiên cứu sinh thực hiện Trầ Vă T iii ận LỜI CẢ Xin cảm ơn Thầ TS. NGUYỄN ƠN IN AI, G T NGÔ AO ƯỜNG đã tận t nh hướng dẫn tôi thực hiện luận án nà Chân thành gửi lời cảm ơn đến n giám hiệu, t àn th quí thầ c trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạ , hướng dẫn và tạo mọi đi u kiện thuận ợi, m i trường học tập, nghi n cứu tốt cho tôi. Cảm ơn n ãnh đạo, quí Thầ C iện k thuật H T CH, Ph ng th nghiệm Điện – Điện tử Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Ch Minh, Ph ng th nghiệm Điện tử c ng suất c ng nghệ c Ch Minh c ng uý h h Trường Đại học ư phạm h h n thuật Thành phố Hồ n h ng ng n đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu c ng như h àn chỉnh luận án. Xin cảm ơn Đ ủ , G Trường Đại học Thông tin Liên lạc và đồng nghiệp đã động vi n, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và công tác. Trân trọng ! Nghi n cứu sinh Trầ Vă T iv ận TÓM TẮT Cấu hình nghịch ưu tăng áp I ( witch nghịch ưu tăng áp cải tiến qSBI (quasi- witch st inv rt r), nhất là cấu hình st inv rt r) c đặc tính hoạt động tương tự với cấu hình nghịch ưu nguồn Z (Z−s urc inv rt r) như: hả năng tăng hoặc giảm điện áp với một gi i đ ạn chuy n đổi và giảm sự ảnh hưởng củ nhi u điện t EMI. Không những thế, cấu hình qSBI sử d ng t hơn 1 t điện và 1 cuộn cảm so với cấu hình nghịch ưu nguồn Z. Kết quả à k ch thước và giá thành củ I giảm đáng k so với nghịch ưu nguồn Z. Vì vậy, cấu hình nghịch ưu tăng áp cải tiến hoàn toàn có th được ng đ thay thế nghịch ưu tru n thống c ng như nghịch ưu nguồn Z trong các ứng d ng công suất thấp. Mặt khác, không giống như việc đi u khi n điện áp trên thanh cái DC trong cấu hình nghịch ưu nguồn Z, giá trị đỉnh củ điện áp trên thanh cái DC của cấu hình qSBI luôn bằng với giá trị điện áp trên t điện n n điện áp trên thanh cái DC của cấu hình qSBI có th đi u khi n trực tiếp th ng u đi u khi n điện áp trên t . Trong luận án này sẽ tìm hi u và phân tích hoạt động của cấu hình nghịch ưu tăng áp và gh p tầng nghịch ưu tăng áp ph n cạnh đ , phương pháp đi u chế độ rộng ung (P M) mới sẽ được sử d ng đ tăng độ lợi áp và cải thiện chỉ số đi u chế nâng cao chất ượng đầu ra của bộ nghịch ưu Ng ài r , ộ đi u khi n điện áp trên t c ng được sử d ng đ giữ ổn định điện áp ng r khi điện áp nguồn cung cấp ở đầu và th đổi hoặc khi có sự th Dựa trên cấu h nh ph đ đổi của tải đầu r I được ph n t ch, cấu h nh gh p tầng nghịch ưu tăng áp ậc được đ xuất với một giải thuật đi u khi n các module trong cấu h nh nhằm giảm các thành phần sóng hài bậc cao củ điện áp ng r ch các mạch nghịch ưu c ng sẽ được nghi n cứu và đ iệc n ng c hệ số tăng áp uất nhằm cải thiện hệ số tăng áp ch các mạch nghịch ưu Cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp đ xuất giải u ết được các vấn đ xảy ra trong nghịch ưu đ ph đ ậc ậc truy n thống đ à vấn đ không cân bằng nguồn áp một chi u ( C) đầu và cung cấp giữ các m u tr n ất k ph nà thống n ng c việc ng n mạch xảy ra trong cầu H của mạch nghịch ưu tru n hệ số tăng áp, đồng thời làm cải thiện độ méo hài tổng (THD) và giảm sự ảnh hưởng củ nhi u điện t (EMI) Các kết uả ý thu ết sẽ được ki m tr tr n m hình mô phỏng trên phần m m chuyên d ng P IM Đồng thời cấu h nh đ xuất c ng được thực nghiệm trên phần cứng có sử d ng mạch đi u khi n ằng kit TM 320F28335 đ ki m chứng với các kết quả phân t ch ý thu ết và m phỏng. v P ABSTRACT The switched boost inverter (SBI) topology, especially the quasi switched boost inverter (qSBI) configuration, has the same operating principle as the Z-source inverter such as buck-boost voltage capability with single stage conversion and electromagnetic interference immunity. Compared to the Z-source inverter, the qSBI uses one less inductor and one less capacitor. As a result, the size and cost of the inverter are reduced significantly. So, the qSBI can be used to replace traditional inverters as well as Z-source inverter in low power applications. On the other hand, unlike the DC-link voltage controller in the Z-source inverter topology, because the peak DC-link voltage of the qSBI is the same as the capacitor voltage of the qSBI, the dc-link voltage in the qSBI can be controlled directly through controlling the capacitor voltage. This dissertation will focus on researching and analyzing the operating principles of the quasi switched boost inverter topology and cascaded three-phase quasi switched boost inverter topology. Besides, a new PWM control method will be applied to the quasi switched boost inverter topology to increase voltage gain and improve modulation index for high-quality output. The capacitor voltage controller is also used to keep constant output voltage when the supply input voltage changes or the load changes. Based on the analyzed quasi switched boost inverter topology, a cascaded threephase multi-level quasi switched boost inverter is proposed. Furthermore, a control strategy for modules in the cascaded multilevel quasi switched boost inverter topology is also presented to limit high harmonic components in output voltage. Besides, The strategies for improving voltage gain is also researched and proposed. The cascaded three-phase multi-level quasi switched boost inverter solves the problems in the traditional cascaded multi-level inverter as following: unbalance source DC voltage problem between modules, module voltage cannot be higher than source DC voltage. and shoot-through problem in H-bridge. Also, the cascaded three-phase multi-level quasi switched boost inverter has low THD of the output voltage and EMI imunity capability. Theoretical results will be verified on the simulation model using PSIM software. The proposed configuration was also tested on hardware using the DSP TMS320F28335 control circuit to validate the theoretical analysis and simulation results. vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iv TÓM TẮT................................................................................................................... v DANH SÁCH HÌNH .................................................................................................. x DANH SÁCH BẢNG............................................................................................... xii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................. xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................... 1 1.1 Tổng quan v vấn đ nghi n cứu. ......................................................................... 1 1.1.1 Nghị h - t t nt m ............................. 5 1.1.2 Nghị h p tụ (Flying capacitor inverter). ............................................... 6 1.1.3 Nghị h ng gh t ng ......................................................... 7 1.2 M c đ ch củ đ tài............................................................................................... 8 1.3 Nhiệm v và giới hạn củ đ tài. .......................................................................... 9 1 4 Phương pháp nghi n cứu. ..................................................................................... 9 1 5 Đi m mới củ đ tài.............................................................................................. 9 1.6 Giá trị thực ti n củ đ tài ................................................................................. 10 CHƯƠNG 2: CƠ Ở LÝ THUYẾT ......................................................................... 11 2 1 Nghịch ưu nguồn áp ......................................................................................... 11 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Nghị h 2.1.3 C tăng á t hình ................................................................................ 11 n th ng bản của nghị h 2.1.4 Nghị h CHƯƠNG 3: h n -H). ................................................... 14 ng ồn Z. ................................................... 15 tăng á ....................................................................................... 18 O ÁNH NGHỊCH LƯ T NG ÁP CẢI TIẾN ( I) ỚI NGHỊCH LƯ CẦU H KẾT HỢP MẠCH T NG ÁP C-DC ............................. 24 vii 3 1 Đặt vấn đ . .......................................................................................................... 24 3.2 Phân tích, so sánh cấu h nh củ I-H và qSBI. ............................................... 25 3.2.1 Giới thiệu khái quát. ...................................................................................... 25 3.2.2 Phân tích nguyên lý ho t ộng của c u hình BDI-H. .................................. 27 3.2.3 Phân tích nguyên lý ho t ộng của c u hình qSBI. ...................................... 29 3 3 T nh t án tổn h 2 và hiệu suất ........................................................................... 34 nh t nm h nh t n - t ........................................................................................ 36 nh t n ộn ảm ................................................................................ 36 nh t n tụ ............................................................................. 34 ện ..................................................................................... 36 3 4 ết uả thực nghiệm .......................................................................................... 38 ết uận chương 3 .................................................................................................... 39 CHƯƠNG 4: Đ T MẠCH T NG ÁP C-DC ............................................. 41 4 1 Đặt vấn đ . .......................................................................................................... 41 4.2 Bộ tăng áp C- C kh ng cách 2 22 há độ lợi cao. .................................................... 42 át ...................................................................................................... 42 xu t c hình m h tăng á 4.2.3 Kết quả mô phỏng th hông á h - ộ lợi cao. .............. 46 ngh ệm. ............................................................... 53 Kết luận chương 4 .................................................................................................... 56 CHƯƠNG 5: GHÉP TẦNG NGHỊCH LƯ T NG ÁP A PHA ......................... 57 5 1 Cấu h nh gh p tầng (Cascaded) nghịch ưu ph tru n thống ...................... 57 5.2 Ghép tầng nghịch ưu tăng áp một pha. .............................................................. 58 5.2.1 C u hình ghép t ng nghị h t 5.2.2 C u hình ghép t ng nghị h tăng á 53Đ n th ng một pha.................................. 58 ải tiến một pha. ............................ 59 uất cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp ph (CHB-qsBI). ................ 62 5.3.1 Giới thiệu c u hình. ....................................................................................... 62 viii 5.3.2 Phân tích ho t ộng của c hình xu t. ................................................... 62 5.4 Mô phỏng gh p tầng nghịch ưu tăng áp một pha. ............................................. 71 5.4.1 Các thông s của m ch. ................................................................................ 71 5.4.2 Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 71 5.5 Mô phỏng gh p tầng nghịch ưu tăng áp ph ............................................... 73 5.5.1 T ng hợp các nguồn DC trên một pha cân bằng. ..................................... 74 552 ng hợp các nguồn DC trên một pha không cân bằng. .......................... 76 5.6 Thực nghiệm. ...................................................................................................... 78 5.6.1 Kết quả th c nghiệm trên c hình gh t ng một pha. ............................... 78 5.6.2 Kết quả th c nghiệm trên c hình gh t ng b h ................................. 81 ết uận chương 5 .................................................................................................... 86 CHƯƠNG 6: ẾT LUẬN ........................................................................................ 87 6 1 ết uận nội dung trình bày của luận án. ............................................................ 87 6 2 Hướng phát tri n. ................................................................................................ 88 PHỤ LỤC 01- ANH MỤC CÔNG TRÌNH Đ CÔNG Ố ................................. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 92 ix DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1, 1.2: ơ đồ khối của bộ nghịch ưu tru n thống ..................................... 3 Hình 1.3: Bộ nghịch ưu áp ạng đi-ốt kẹp (NPC) .................................................. 6 Hình 1.4: Bộ nghịch ưu áp ạng kẹp t (FC) ......................................................... 6 Hình 1.5: Bộ nghịch ưu áp đ ậc dạng Cascade ba pha ....................................... 7 Hình 2.1: Ngu n ý đi u khi n hệ thống điện h ưới u nghịch ưu ................ 14 Hình 2.2: Cấu hình nghịch ưu tru n thống kết hợp bộ tăng áp C-DC ............... 15 Hình 2.3: Cấu hình nghịch ưu nguồn Z một ph cơ ản ........................................ 15 Hình 2.4: Mạch tương đương của bộ nghịch ưu nguồn Z khi h ạt động ............... 16 Hình 2.5: Bộ nghịch ưu nguồn Z ph cơ ản..................................................... 16 Hình 2.6: Cấu hình nghịch ưu tăng áp cơ ản ........................................................ 18 Hình 2.7: Cấu hình nghịch ưu tăng áp cải tiến ....................................................... 19 Hình 2.8: Các trạng thái hoạt động của nghịch ưu tăng áp cải tiến........................ 19 Hình 2.9: Giản đồ ung đi u chế sóng Sin cho nghịch ưu tăng áp cải tiến............ 21 ì 3 1: ơ đồ mạch củ ộ nghịch ưu I-H .................................................... 26 ì 3 2: ơ đồ mạch củ ộ nghịch ưu I ....................................................... 26 ì 3 3: ơ đồ mạch tương đươngcủ I-H ....................................................... 27 ì 3 4: ơ đồ mạch tương đương củ I ......................................................... 30 ì 3 5: sánh hệ số tăng áp củ ì 3 6: sánh hiệu suất củ I-H và I-H và I .............................................. 32 I tr ng các trường hợp .................. 37 Hình 3.7: Kết quả thí nghiệm cho bộ qSBI với D = 0.4 .......................................... 39 Hình 4.1: ơ đồ khối mạch biến đổi tăng áp C-DC .............................................. 42 Hình 4.2: Cấu hình DC- C tăng áp C sc ........................................................ 43 Hình 4.3: Cấu hình DC- C tăng áp MC ( t g Mu tip i r C s) ................... 44 Hình 4.4: Cấu h nh tăng áp k p ............................................................................... 45 Hình 4.5: ơ đồ khối mạch tăng áp c-dc ............................................................... 46 Hình 4.6: Bộ chuy n đổi tăng áp C- C kh ng cách Hình 4.7: ạng s ng ung đi u khi n củ c độ lợi cao .................. 46 ộ chu n đổi C- C đ uất............. 47 Hình 4.8: Trạng thái hoạt động của mạch khi S0 dẫn .............................................. 48 Hình 4.9: Trạng thái hoạt động của mạch khi S0 ng t. ............................................ 48 Hình 4.10: Trạng thái hoạt động của mạch ở chế độ không liên t c (DCM) .......... 49 Hình 4.11: Độ ợi tăng áp củ ộ chu n đổi đ x uất tr ng chế độ DCM / CCM.. 50 Hình 4.12: Đường bao của Kcrit ph thuộc vào D trong chế độ CCM / DCM ...... 51 Hình 4.13: ết uả m phỏng DC-DC .................................................................... 53 Hình 4.14: M h nh thực nghiệm DC-DC ............................................................... 54 Hình 4.15: ết uả thực nghiệm C-DC ................................................................ 55 ì 4 16: Hiệu suất và độ ợi tăng áp củ mạch tăng áp C- C đ Hình 5.1: Bộ nghịch ưu áp đ uất .... 56 ậc dạng Cascaded ba pha tru n thống ................ 57 Hình 5.2: Cấu hình nghịch ưu c sc một pha truy n thống ............................. 59 Hình 5.3: Cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp 3 ph đ xuất ............................ 60 Hình 5.4: Giản đồ thuật t án đi u khi n đi u chế P M......................................... 61 Hình 5.5: K thuật PWM cho cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp.................... 61 Hình 5.6: Cấu hình nghịch ưu tăng áp Cascaded 3 ph đ xuất (CHB-qSBI) ....... 62 Hình 5.7: Ba trạng thái hoạt động của qSBI ............................................................ 64 Hình 5.8: Cấu hình nghịch ưu tăng áp 3 ph nguồn Z (CH -qZBI) ...................... 66 Hình 5.9: sánh hệ số độ ợi tăng áp củ CH - I và CH -qZSI ................... 67 Hình 5.10: Giản đồ thuật t án đi u khi n đi u chế P M....................................... 69 Hình 5.11: K thuật đi u chế độ rộng xung PWM .................................................. 70 Hình 5.12: ết uả m phỏng một ph ................................................................... 72 Hình 5.13-5.16: ết uả m phỏng ph ......................................................... ... 75 Hình 5.17: Mô hình thực nghiệm trên một module một ph . .................................. 79 Hình 5.18, 5.19: ết uả thực nghiệm tr n một ph .............................................. 80 Hình 5.20: Mô hình thực nghiệm cấu h nh gh p tầng ph ................................. 81 Hình 5.21, 5.22: ết uả thực nghiệm ................................................................... 83 Hình 5.23: Hiệu suất củ mạch ............................................................................... 85 xi DANH SÁCH BẢNG B ng 2.1: So sánh các cấu hình nghịch ưu tăng áp ................................................ 22 3 1: sánh giữ I và 3: Khoảng thời gian dẫn và I-H ở c ng đi u kiện đầu và và đầu r ......... 34 ng điện dẫn củ h i ộ nghịch ưu ................. 35 3 3: Các th m số inh kiện cuả mạch I .................................................... 38 B ng 4.1: Các thông số của cấu hình DC-DC đ xuất............................................. 52 B ng 4.2: Linh kiện dùng trong mô hình thí nghiệm DC-DC ................................. 53 B ng 5.1: So sánh các cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp ................................ 65 B ng 5.2: So sánh cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp ..................................... 66 B ng 5.3: Các trạng thái gic củ chu n mạch tr n một m u I ............... 69 B ng 5.4: Các thông số của mạch mô phỏng cấu h nh một ph ............................. 71 B ng 5.5: Các thông số của mạch mô phỏng cấu h nh ph ............................... 73 B ng 5.6: Các thông số cho một module mạch thực nghiệm một ph ................... 79 B ng 5.7: Các thông số cho một module mạch thực nghiệm ba pha ...................... 82 xii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT PWM: Pulse Width Modulation DSP: Digital Signal Processing SBI: Switched Boost Inverter CHB: Cascaded H-bridge qSBI: Quasi-Switched Boost Inverter qZSI: Quasi-Z-source inverter BDI-H: Boost DC-DC Inverter and H-bridge NPC: Neutral point clamped multi converter FC: Flying Capacitor DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Vdc: Nguồn áp vào VPN: Điện áp trên thanh cái DC (DC-link) VC: Điện áp trên t iL: ng điện qua cuộn cảm D: Tỷ số ng n mạch trong mỗi chu k iPN: ng điện ng n mạch M: Chỉ số đi u chế. S: Các kh đ ng ng t. Vac: Điện áp ng r ộ nghịch ưu Vt: Điện áp trên tải. C: T điện R: Điện trở tải. L: Cuộn cảm. fs: Tần số sóng mang. f0: Tần số cơ ản s ng đi u khi n. xiii ƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tr ng chương nà , sẽ khái uát các nội ung nghi n cứu c i n u n tr ng đ chủ ếu tập chung và tổng u n v các cấu h nh nghịch ưu tăng áp Ph n t ch và àm r Những ứng uá tr nh phát tri n, ưu nhược đi m củ các cấu h nh nghịch ưu tăng áp ng tr ng thực tế và hiệu uả củ các ộ nghịch ưu c ng như các cấu h nh đã được ứng ng tr ng các mặt củ đời sống n sinh, ã hội Chương nà c ng đ cập àm r phạm vi nghi n cứu, phương pháp nghi n cứu và những đi m mới củ đ tài tr ng uận án đư r Đồng thời n u vấn đ nghi n cứu nghi n cứu củ uận án tr n cơ sở tổng u n được đ cập 1.1 Tổng quan về vấ đề nghiên cứu. Trong những năm t thập kỷ 80 của thế kỷ trước, ngành k thuật điện tử chủ yếu được nghiên cứu và ứng d ng trong các mạch thuộc ĩnh vực đi u khi n, đ ường, bả n…ch hệ thống điện công nghiệp n i chung h c n được gọi à điện tử công nghiệp. Sang những năm củ thập niên 90, k thuật điện tử phát tri n mạnh mẽ với tốc độ nhanh đã được ứng d ng khá rộng rãi và thành công lớn trong việc thay thế các thiết bị điện t ng đ đi u khi n cung cấp nguồn cho những ph tải một pha, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong sản xuất công nghiệp… ới ưu đi m là kích thước nhỏ gọn, d đi u khi n và thuận tiện trong khai thác sử d ng, đáp ứng tần số được mở rộng hơn, khả năng v công suất, điện áp, ng điện và độ tin cậy ngày càng được cải tiến nâng cao. ước sang thế kỷ XXI, cùng với sự phát tri n mạnh mẽ của n n kinh tế xã hội, đặc biệt là trong bối cảnh n n cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đ ng i n r c ng như những phát tri n vượt bậc củ các mặt đời sống ã hội thì nhu cầu tiêu th điện năng ngày càng lớn. Hiện nay ở nước ta có 2 nguồn sản xuất điện năng chủ yếu đ là thủ điện và nhiệt điện. Nhiệt điện hiện nay chủ yếu là 3 nguồn: nhiệt điện sử ng than, nhiệt điện khí và nhiệt điện dầu [2]. 1 Vì thế, việc đẩy mạnh nghiên cứu, ứng d ng k thuật mới đ kh i thác các nguồn năng ượng tái tạ , nhất à năng ượng mặt trời góp phần tạo thêm nguồn cung cấp điện năng à u hướng tất yếu của thế giới nói chung và Việt Nam nói ri ng Năng ượng mặt trời là một trong những nguồn năng ượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên cung cấp cho chúng ta với một qui mô rất lớn cả v thời gian c ng như kh ng gi n Đồng thời n c ng à nguồn gốc của các nguồn năng ượng tái tạ khác như năng ượng gi , năng ượng sinh khối, năng ượng thủy tri u,… Năng ượng mặt trời cùng với các nguồn năng ượng tái tạo có th nói là vô tận [2] Tu nhi n, đ khai thác và sử d ng nguồn năng ượng này một cách có hiệu quả, cần phải biết các đặc trưng, tính chất cơ ản củ n , đặc biệt khi nó cung cấp tới b mặt trái đất và cần phải kết nối nguồn năng ượng này thông qua hệ thống ưới điện thông minh có sẵn bằng các bộ nghịch ưu tối ưu h có khả năng kết nối với điện xoay chi u. Khi có ánh sáng mặt trời tác động đến ã pin, khi đ th ng u hệ thống pin mặt trời h ạt động sẽ tạ r điện năng một chi u, điện năng một chi u nà được chuy n đổi thành điện năng chi u bởi bộ nghịch ưu ộ đi u khi n có chức năng tru n năng ượng nà đến ưới điện. Các bộ nghịch ưu nguồn áp tru n thống được chỉ ra trong [1], [3] được ứng d ng rộng rãi tr ng đi u khi n động cơ, bộ ưu điện, điện, hệ thống phân phối điện…Tu nhi n, c một vài hạn chế khi sử d ng bộ nghịch ưu tru n thống như:  Thứ nhất à điện áp xoay chi u ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chi u cung cấp ở ng và .  Thứ hai là các khóa bán dẫn trên cùng một nhánh không th đ ng đồng thời được v úc đ ảy ra tình trạng ng n mạch (h tr ng ẫn) nguồn áp một chi u làm mất n t àn c ng như hư hỏng thiết bị.  Thứ ba là việc tạo ra khoảng thời gian chết (tr ) trong quá trình chuy n mạch của các khóa bán dẫn nà c ng àm tăng độ méo dạng áp đầu ra. Đối với những nguồn năng ượng mới, năng ượng tái tạ như pin mặt trời (PV), pin nhiên liệu (fu c )…, điện áp ngõ ra của các dạng năng ượng này là điện một chi u có giá trị điện áp thấp, không ổn định ph thuộc theo thời gian, đi u kiện m i trường làm việc. Sử d ng các nguồn năng ượng tái tạ nà đ chuy n đổi 2 thành điện xoay chi u 220 /380 , đ i hỏi điện áp một chi u trước khi đư và nghịch ưu phải có giá trị lớn hơn 310 ộ C mới c th ch r được điện áp chi u ng r 220 Vrms Điện áp một chi u có giá trị lớn có th thực hiện bằng cách m c nối tiếp các tấm pin điện áp thấp với nh u, đồng nghĩ với số ượng pin phải nhi u, l p đặt trên diện tích rộng lớn; Đi u này chỉ thích hợp với hệ thống công suất lớn, c đi u kiện tri n khai trên diện tích rộng. Với những hệ thống công suất nhỏ, đ tạ r điện xoay chi u 220V/380 t nguồn điện áp thấp, người t thường dùng các biện pháp sau:  Một là dùng máy biến áp tần số thấp (50Hz) đ tăng điện áp xoay chi u ngõ r như H nh 1 1  Hai là dùng bộ tăng áp điện một chi u (DC-DC boost converter) ph trước mạch nghịch ưu như H nh 1 2 Dãy pin mặt trời 150~300 h ặc pin Vdc nhi n iệu ộ nghịch Vac Má tăng áp 220/380 Tải ưu Biên độ chi u VAC 50Hz DC-AC thấp Hình 1.1: ơ đồ khối của bộ nghịch ưu tru n thống sử d ng máy biến áp tần số thấp (50Hz) Dãy pin ộ tăng áp mặt trời 150~300 một chi u h ặc pin DC-DC Vdc nhi n iệu 800 Vdc ộ nghịch Tải 220/380 ưu chi u VAC DC-AC Hình 1.2: ơ đồ khối của bộ nghịch ưu tru n thống sử d ng bộ tăng áp một chi u Kết quả sẽ c h i gi i đ ạn chuy n đổi là t điện áp một chi u thấp sang một chi u cao (DC- C) và điện áp một chi u cao sang xoay chi u cao (DC-AC) hoặc t điện áp một chi u thấp sang xoay chi u thấp (DC-AC) và điện áp xoay chi u thấp 3 sang xoay chi u cao qua biến áp (AC-AC). Đi u này sẽ àm tăng k ch thước, giảm hiệu suất của toàn hệ thống, tăng giá thành ộ nghịch ưu c ng như thiết bị. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu các cấu hình nghịch ưu kết hợp tăng áp ng nghịch ưu h sử d ng cấu hình mạch kết hợp với hệ số tăng áp c tr ng mạch ch ph p ỏ qua khâu biến đổi tăng áp C- C c ng là một yêu cầu được đặt ra khá cấp thiết. Cấu hình nghịch ưu nguồn Z đã được đ xuất trong [4], [5] đã giải quyết được những hạn chế của bộ nghịch ưu tru n thống. Trong cấu hình nghịch ưu nguồn Z, điện áp ngõ ra được đi u khi n đ lớn hơn điện áp một chi u cung cấp chỉ qua một lần chuy n đổi thông qua tỷ số ng n mạch. Việc cho phép hoạt động ng n mạch (các khóa bán dẫn trên cùng một nhánh đ ng đồng thời) đồng nghĩ với việc không cần phải tạo ra khoản thời gian chết trong quá trình chuy n mạch, làm cải thiện được chất ượng điện áp ngõ ra. Vì thế mà bộ nghịch ưu nà c ng đã được ứng d ng khá rộng rãi trong một số mạch chức năng với hiệu suất c ng như hiệu quả sử ng cao trong thực ti n. Trong một vài thập niên gần đ , nghịch ưu nguồn Z đã được phát tri n và nhận được nhi u sự quan tâm nghiên cứu. Các nghiên cứu v nghịch ưu nguồn Z bao gồm: m h nh h và đi u khi n trong [4], [8], k thuật đi u chế độ rộng xung (PWM) trong [6], ứng d ng tr ng năng ượng tái tạo trong [10] và phát tri n các cấu hình nguồn Z ưới nhi u dạng khác nhau được trình bày ở [11]-[15]. Tuy nhiên, việc sử d ng hai cuộn cảm và hai t điện trong cấu hình nghịch ưu nguồn Z làm tăng k ch thước và giá thành của bộ nghịch ưu Đối với những ứng d ng công suất thấp, việc lựa chọn c ng như u cầu đặt r đối với k ch thước, trọng ượng và giá thành là tiêu chí cần phải ưu ti n hàng đầu thì cấu hình nghịch ưu nguồn Z chư thực sự là lựa chọn phù hợp nhất. T những đi m còn hạn chế của nghịch ưu nguồn Z; Cấu hình nghịch ưu tăng áp cơ ản được đ xuất trong [14] và [15] dựa trên cấu hình Watkins-Johnson ngược có th là lựa chọn đ thay thế nghịch ưu nguồn Z trong một vài ứng d ng có công suất thấp. Mặc dù cấu hình nghịch ưu nà c đặc tính hoạt động giống với cấu hình nghịch ưu nguồn Z do có trạng thái hoạt động ng n mạch, nhưng cấu hình nghịch ưu tăng áp cơ ản lại sử d ng t hơn một t điện, một cuộn dây và nhi u 4 hơn một khóa bán dẫn. Các ph n t ch và đi u khi n PWM cho cấu h nh nà được trình bày trong [14]. Tuy nhiên cấu hình này có một số hạn chế như:  Một là, c hệ số tăng áp thấp hơn s với nghịch ưu nguồn Z.  H i à, ng điện nguồn hoạt động không liên t c với i n độ nhấp nhô lớn vì nó kết nối trực tiếp đến đi-ốt, ảnh hưởng đến chất ượng của bộ nguồn và đ i khi mạch lọc nguồn cần được tăng cường sử d ng đ bảo vệ nguồn dẫn đến tăng k ch thước c ng như giá thành Cấu hình nghịch tăng cải tiến được đ xuất trong [16] đã c những ưu đi m vượt trội so với cấu hình nghịch ưu tăng áp cơ ản như:  Thứ nhất à ng điện nguồn hoạt động ở chế độ liên t c  Thứ hai là cải thiện hệ số tăng áp (nâng hệ số tăng áp n ằng với cấu hình nghịch ưu nguồn Z) Tuy nhiên với cấu hình nghịch ưu áp thành phần sóng hài bậc cao. ậc th điện áp ngõ ra tồn tại nhi u đ khi nối ưới đ i hỏi phải thiết kế bộ lọc lớn, kết quả àm tăng k ch thước và tăng giá thành của bộ nghịch ưu Các cấu hình nghịch ưu đ ậc ạng đi-ốt kẹp (NPC), t kẹp (FC) và gh p tầng (cascaded) trong [17- 19], [72-76], đã kh c ph c được các vấn đ của nghịch ưu ậc như điện áp đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao linh kiện c ng giảm theo; tần số đ ng ng t lớn nên các thành phần hài bậc cao củ điện áp ra giảm nhỏ hơn s với bộ nghịch ưu ậc, nhưng vẫn tồn tại một số nhược đi m như điện áp xoay chi u ngõ ra vẫn thấp hơn điện áp một chi u cung cấp. Bên cạnh đ vấn đ mất cân bằng giữa các nguồn một chi u đầu vào cung cấp cho nghịch ưu đ ngại lớn. Ng ài r khi tần số đ ng ng t tăng n th tổn h ậc c ng à một trở sinh r tr ng uá tr nh đ ng ng t ại tăng n đi u nà cần phải được giải u ết một cách hài h các cấu h nh nghịch ưu đ ậc đã được nghi n cứu trước đ các tr ch ẫn ở tr n chỉ r ưu đi m c ng như hạn chế c th đ 1.1.1 Nghịch lưu u - Đối với như tr nh ầ tr ng à: NPC (Neutral Point Clamped). Cấu h nh nà được chỉ r tr ng H nh 1 3, n được sử d ng tr ng trường hợp khi các nguồn vào một chi u (DC) tạo nên t hệ thống điện xoay chi u (AC). Bộ 5 nghịch ưu đ ậc NPC có một mạch nguồn C được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các t điện m c nối tiếp. Giả sử mạch nguồn DC gồm n nguồn c độ lớn bằng nhau m c nối tiếp, điện áp nguồn DC có th đạt được (n+1) giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch ưu à (n+1) ậc. S1 S2 S3 S5 S6 + Vd - 2 S4 A B Nối tải C Vd S7 Vd + 2 - S10 S8 S9 S11 S12 ph Hình 1.3: Bộ nghịch ưu áp ạng đi-ốt kẹp (NPC) Bộ nghịch ưu áp đ ậc dùng đi-ốt kẹp c ưu đi m cải thiện được dạng sóng điện áp tải và giảm sự tăng vọt điện áp (gai áp) trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch ưu đ kh ậc, điện áp trên các t c ng như inh kiện khác và tần số đ ng ng t của các điện tử được giảm đi một nữa. Tuy nhiên với số bậc n > 3 thì mức độ chịu gai áp trên các đi-ốt khác nhau, ngoài ra sự cân bằng điện áp giữa các nguồn vào (áp trên t ) trở n n kh khăn, đặc biệt khi số bậc càng lớn. 1.1.2 Nghịch lưu p tụ (Flying capacitor inverter). S1 S2 S3 S4 S5 S6 A Vd C1 C2 C3 B Nối tải C S7 S10 S8 S9 S11 S12 Hình 1.4: Bộ nghịch ưu áp ạng kẹp t (FC) 6 ph C đầu Cấu trúc bộ nghịch ưu ki u t bay (FC) được chỉ ra trong Hình 1.4 thay thế cho đi-ốt kẹp dựa vào những thuận lợi của ki u cấu tạ nà đ + Khi tần số tăng c à: th c th không cần dùng bộ lọc. + Có th đi u tiết công suất tác d ng và công suất phản kháng t đ c th đi u tiết được phân bố công suất trong ưới dùng bộ nghịch ưu Tuy nhiên, ki u FC c ng c n c những nhược đi m chủ yếu là: + Số ượng t công suất lớn tham gia trong mạch nhi u dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy c ng giảm. + Việc đi u khi n kh khăn khi số bậc nghịch ưu tăng c 1.1.3 Nghịch lưu dạng h (Cascaded). Tải B A S1 + - S3 S5 + - + - + S8 S12 S16 Hình 1.5: Bộ nghịch ưu áp đ S18 Vd3/2 S20 S19 S21 S14 Vd2/2 S15 S17 + - Vd2/2 S13 S6 C S10 S11 S4 Vd1/2 S7 S9 S2 Vd1/2 ph + - S22 Vd3/2 24 S23 ậc dạng Cascade ba pha Hình 1.5 là cấu trúc cơ ản của bộ nghịch ưu tăng áp đ ậc ba pha ki u ghép tầng (cascaded). Trong cấu hình này sử d ng các nguồn một chi u (DC) ở đầu vào riêng, thích hợp ch trường hợp sử d ng nguồn DC có sẵn, ví d ưới dạng c quy, pin. Bộ nghịch ưu ki u cascade gồm nhi u bộ nghịch ưu áp cầu H một pha ghép nối tiếp với nhau. Bằng cách k ch đ ng các inh kiện trong mỗi bộ nghịch ưu áp một pha, ba mức điện áp (- /2, 0, /2) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của 7 n bộ nghịch ưu áp tr n một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (-Vd/2, -2*Vd/2, ... -n*Vd/2); n mức điện áp ương ( /2, 2* /2,…n* /2) và mức áp 0 Như vậy, bộ nghịch ưu áp ạng cascade gồm n bộ nghịch ưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghich ưu (2n+1) ậc. Tần số đ ng ng t trong một linh kiện có th giảm đi n ần Điện áp đặt lên các linh kiện c ng giảm đi, ch ph p sử d ng IG T điện áp thấp. Mạch nghịch ưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC (v à điện áp nà cố định). Đối với các dạng sơ đồ các cấu hình nghịch ưu đ ậc v a nêu trên, xét một cách khái quát thì tuy mỗi cấu h nh đ u có những ưu và nhược đi m riêng khác nhau, song trong thực tế dạng ghép tầng (cascaded) và dạng NPC vẫn được th ng d ng nhất. Trong luận án này sẽ tr nh à những nội ung tìm hi u và phân tích hoạt động của cấu hình nghịch ưu tăng áp cải tiến (qSBI) và thuật t án đi u khi n ổn định điện áp xoay chi u ngõ ra cho mạch nghịch ưu tăng áp được đ xuất trong [16]. Dựa trên cấu hình nghịch ưu tăng áp nà thực hiện ghép tầng nghịch ưu tăng áp một pha, ba pha nhằm làm giảm các thành phần sóng hài bậc cao củ điện áp ngõ ra. Cấu h nh đ xuất c ng sẽ giải quyết các vấn đ như mất cân bằng của các nguồn một chi u đầu vào cung cấp cho các mạch nghịch ưu tr ng các m u t ng ph , làm giảm thi u THD cho mạch và hạn chế việc ảnh hưởng của nhi u điện t (EMI) đến hệ thống. Cùng với đ àđ uất mạch chu n đổi tăng áp c độ tăng áp và hiệu suất c , c th ứng C- C kh ng cách ng tr ng các kh u tăng áp củ mạch nghịch ưu nhằm n ng cải thiện hệ số tăng áp Tr n cơ sở đã đặt vấn đ ở trên, luận án sẽ làm sáng tỏ bằng việc ph n t ch cơ sở lý thuyết c ng với ựng m h nh mô phỏng và thực nghiệm ch kết uả minh chứng sẽ được tr nh à ở các chương tiếp theo. 1.2 Mục đíc của đề tài. M c đ ch của đ tài là nghiên cứu v cấu hình nghịch ưu tăng áp được sử d ng trong hệ thống biến đổi nguồn năng ượng, t đ nghi n cứu ghép tầng đ nghịch ưu tăng áp ba pha với các đặc đi m chính đ 8 ậc à: giải quyết vấn đ mất cân bằng giữa các nguồn DC cung cấp ở đầu vào trong mỗi module ghép tầng, cho phép các mạch nghịch ưu hoạt động ở chế độ ng n mạch và hệ số tăng áp cao ở ngõ ra (thông qua các thuật t án đi u khi n), làm cải thiện độ méo hài tổng (THD) và giảm sự ảnh hưởng củ nhi u điện t (EMI). Đồng thời nghi n cứu và đ áp C-DC kh ng cách ly với hệ số tăng áp c ng như hiệu suất c uất mạch tăng c th sử ch kh u tăng áp ở các mạch nghịch ưu, ởi ẽ thực tế nghi n cứu trước đ r hệ số tăng áp củ các mạch nghịch ưu ch ng đã chỉ à được cải tiến, s ng vẫn c n ở mức đạt được ch ph p nhất định Đi u nà g p phần àm tăng hiệu suất àm việc đáng k ch mạch nghịch ưu c ng như các cấu h nh mạch gh p tầng nghịch ưu đ ch r mức điện áp m ng muốn 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài. - T m hi u các cấu h nh tăng áp C-DC tru n thống, s sánh ưu nhược đi m, t đ đ uất cấu h nh mạch tăng áp C-DC kh ng cách với hệ số tăng áp và hiệu suất h ạt động cao. - Tìm hi u cấu hình nghịch ưu tăng áp đ ậc, so sánh, nhận xét. - Nghiên cứu đ xuất cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp ba pha đ ậc - Xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm cấu h nh đ xuất. - Đ xuất hướng nghiên cứu phát tri n tiếp theo củ đ tài. ơ 1.4 p áp cứu. Sử d ng phương pháp nghi n cứu qua tài liệu. Tham khảo t các tạp chí khoa học, các hội nghị chuyên ngành, các bài báo nghi n cứu được c ng ố tr n thư viện điện tử I PLOR , spring r,… Nghi n cứu, ứng d ng các k thuật đi u chế xây dựng thuật t án đi u khi n và sử d ng phần m m chuyên d ng PSIM đ mô phỏng cho cấu h nh đ dựng mô mình thực nghiệm, đi u khi n ằng kit uất. Xây P TM 320F28335, thu thập kết quả và nhận xét kết quả. 1.5 Đ ểm mới của đề tài. - Đ tài đã đ xuất được cấu hình mạch tăng áp số tăng áp và hiệu suất c C-DC kh ng cách hơn s với các cấu h nh tru n thống 9 với hệ
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan