Tải bản đầy đủ
3 Dạng nối tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter)

3 Dạng nối tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter)

Tải bản đầy đủ

Hình 1.3.1. Sơ đồ 1 pha của cấu trúc nối tầng cầu H 5 bậc

Page | 9

Bảng trạng thái đóng cắt các van và điện áp đầu ra:

-

Output
Voltage

Switching status
S1

S2

S3

S4

S1’

S2’

S3’

S4’

1

1

0

0

1

1

0

0

+2Vdc

1

1

0

0

1

0

1

0

+Vdc

1

0

1

0

0

1

0

1

0

0

0

1

1

0

1

0

1

-Vdc

0

0

1

1

0

0

1

1

-2Vdc

2.4. Nghịch lưu đa bậc kiểu lai (Hybrid Multilevel Inverter)




a.



Mạch nghịch lưu đa bậc kiểu lai là các mạch nghịch lưu có nhiều ưu thế khi
công suất yêu cầu lớn, số bậc cao. Bằng cách ghép nối các mạch nghịch lưu
kiểu diode kẹp và nghịch lưu kiểu cascade hoặc sử dụng các nguồn điện áp
DC không bằng nhau, chúng ta có thể tạo ra được các mạch nghịch lưu kiểu
lai.
Các dạng mạch nghịch lưu kiểu lai bao gồm:
 Kiểu lai dạng diode kẹp
 Kiểu lai dạng nối tầng
Kiểu lai dạng diode kẹp
Dạng mạch này tiết kiệm được linh kiện so với cấu trúc diode kẹp và nối
tầng cascade với cùng số bậc.
Cấu trúc này gồm 2 mạch nghịch lưu chuẩn kiểu diode kẹp mắc ở 2 phía so
với tải 3 pha như hình dưới:

Page | 10

Hình 1.3.2 Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade diode kẹp 2/3

b. Kiểu lai nối tầng


Cấu trúc này gồm 2 mạch nghịch lưu cầu H chuẩn là nghịch lưu cầu H1 có
số bậc là n1 và nghịch lưu cầu H2 có số bậc n2.

Hình 1.3.3: Cấu trúc lai giữa NPC Inverter và CHB Inverter
Page | 11



Ta có bảng so sánh linh kiện 1 pha giữa các cấu trúc nghịch lưu đa mức:



Kết luận:
So sánh giữa các cấu trúc nghịch lưu đa mức ta thấy phương pháp nối
tầng “Cascade Inverter” chiếm ưu thế vì nó có các ưu điểm:
 Tiết kiệm được số lượng linh kiện.
 Dễ dàng thay đổi cấu hình, số bậc bằng cách tăng giảm số mạch cầu
H.
 Đảm bảo chất lượng về mặt điện áp và yêu cầu công suất lớn.
Vì những ưu điểm trên của sơ đồ nghịch lưu nối tầng cầu H, chúng
em đã lựa chọn nghiên cứu thực hiện xây dựng bộ nghịch lưu đa mức
theo sơ đồ này để khai thác, tối ưu hóa đáp ứng yêu cầu của bộ
MultilLevel Inverter ứng dụng cho hệ thống PV nối lưới.

3. Cấu trúc bộ nghịch lưu đa mức dạng nối tầng.
3.1 Nghịch lưu nối tầng cầu H 1 pha
Như ta đã biết, nghịch lưu cơ bản 1 pha là biến đổi điện áp từ 1 chiều sang
xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Thông thường, mạch lực của nghịch
lưu cơ bản sử dụng sơ đồ mạch cầu H, van sử dụng là IGBT hoặc Mosfet, kết
hợp một hệ thống điều khiển PWM để biến đổi. Tuy nhiên, với nghịch lưu áp cơ
bản, tần số đóng cắt cao, số lượng van ít, điện áp đầu ra có độ đập mạch lớn. Do
vậy để cải thiện chất lượng điện áp, người ta sử dụng nhiều mạch cầu H nối tầng
để xây dựng hệ thống gọi là nghịch lưu đa mức, tạo ra điện áp xoay chiều với
chất lượng tốt hơn và biên độ lớn hơn. Trong đề tài này, chúng em nghiên cứu
tìm hiểu về nghịch lưu 5 mức, nghĩa là mạch lực mỗi pha gồm 2 mạch cầu H,
nếu điện áp DC đầu vào của 2 mạch cầu bằng nhau và bằng E V thì điện áp
nghịch lưu đầu ra có 5 mức lần lượt là : 2E, E, 0, -E,-2E .
Page | 12

Hình 2.1: Sơ đồ cầu H cơ bản

Hình 2.1b: Dạng điện áp ra của nghịch lưu nối tầng cầu H 5 level

Page | 13

3.2 Nghịch lưu nối tầng cầu H 3 pha

Hình 2.2a: Sơ đồ mạch lực nghịch lưu nối tầng cầu H 3 pha 5 level

Nghịch lưu đa mức 3 pha thực ra là sự ghép nối của 3 sơ đồ 1 pha. Đầu ra
của bộ biến đổi này là 3 điện áp lệch pha nhau 120:
2Esin()
2Esin()
2Esin()


Nguyên lý hoạt động :

Để tạo ra điện áp 5 mức, phải có sự phối hợp đóng cắt các van trong từng
cầu H ở mỗi pha. Ở mỗi sơ đồ cầu và tại mỗi thời điểm bất kì chỉ có 2 van
dẫn, 2 van còn lại khóa. Việc điều khiển tạo điện áp 3 pha chỉ là dùng 3 sóng
sin điều khiển lệch nhau 120 ở 3 pha. Vì vậy, ta có bảng trạng thái đóng cắt
các van và giá trị điện áp ở ra trong 1 chu kỳ đóng cắt như sau:

Page | 14

Hình 2.2b: Điện áp ra và trạng thái đóng cắt các van trong cấu trúc nghịch lưu 5 mức

Hình 2.2c: Dạng sóng điện áp ra nghịch lưu đa mức 3 pha
Page | 15


-


-

Một số hiệu quả khi ta sử dụng bộ nghịch lưu đa mức nối tầng cầu H:
Điện áp tải cần sử dụng cao, nhưng điện áp ra nghịch lưu mỗi cầu lại nhỏ,
điều này hạn chế được việc các van phải chịu điện áp quá cao, hơn nữa
vẫn đáp ứng được nhu cầu của tải.
Điện áp ra nghịch lưu có dạng bậc thang nhiều cấp, gần sóng sin hơn
nghịch lưu cơ bản.
Tần số đóng cắt nhỏ, thông thường dưới 1kHz.
Dòng điện ra méo dạng thấp, đây là ưu điểm lớn nhất của sơ đồ này.
Ngoài những tính năng trên thì cấu trúc này cũng tồn tại một số mặt
hạn chế không thể tránh khỏi như:
Phải sử dụng số lượng lớn các nguồn DC độc lập
Số lượng van đóng cắt cho hệ thống sẽ nhiều hơn nên việc điều khiển các
van đóng cắt đúng cũng gặp khó khăn, trước hết là việc thiết kế driver cho
hệ thống mạch lực sẽ phức tạp rất nhiều. Ví dụ, với cấu trúc nối tầng cầu
H 3 pha 5 level cần sử dụng 24 van Mosfet.

Page | 16

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM SỬ
DỤNG TRONG NGHỊCH LƯU NỐI TẦNG CẦU H
2.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung kinh điển SPWM.
Hiện nay, có 2 phương pháp phổ biến để điều chế độ rộng xung SPWM (Sine
pulse width modulation) trong nghịch lưu cầu 1 pha:
-

Điều chế lưỡng cực (Bipolar Voltage Switching): 2 cặp van S1/S2 và
S3/S4 được điều khiển bằng 2 tín hiệu có trạng thái logic phủ định nhau.
Cách điều chế này khiến cho 4 van luôn phải đóng mở liên tiếp trong 1
chu kỳ điều chế, điện áp ra luôn ngược nhau hoặc là Udc hoặc là –Udc.
Do vậy, phương pháp này còn gọi là điều chế 2 cực tính (hay điều chế
lưỡng cực). Bằng kỹ thuật Analog, ta có thể dễ dàng tạo ra 1 kênh PWM
bằng cách so sánh tín hiệu điều chế dạng sin m và tín hiệu sóng mang
(sóng tam giác có tần số lớn hơn rất nhiều tần số sóng sin) như hình dưới:

Hình 4.1a: Phương pháp điều chế lưỡng cực
-

Phương pháp điều chế đơn cực (Unipolar Voltage Switching): Khác với
điều chế lưỡng cực, phương pháp này phải tạo ra 2 kênh PWM để điều
khiển 2 van trên S1, S3 của sơ đồ cầu H. 2 van dưới S4,S2 điều khiển
bằng 2 tín hiệu có trạng thái phủ định của 2 van trên.Phương pháp này
được thực hiện bằng cách dùng 2 sóng điều chế ngược dấu m và –m so
Page | 17

sánh với 1 sóng mang . Trong phạm vi nửa chu kỳ, điện áp đầu ra chỉ
mang một dấu, nửa chu kỳ dương là Udc còn nửa chu kỳ âm là –Udc.

Hình 4.1b: Phương pháp điều chế đơn cực

Page | 18

So sánh giữa 2 phương pháp đơn cực và lưỡng cực: Dựa vào đánh giá độ
méo dạng sóng hài điện áp.

Hình 4.1c: Phân tích phổ sóng hài điện áp điều chế bằng phương pháp đơn cực

Hình 4.1d: Phân tích phổ sóng hài điện áp điều chế bằng phương pháp lưỡng cực

Nhận xét:
-

Chất lượng điện áp điều chế bằng phương pháp đơn cực tốt hơn điều chế
bằng phương pháp lưỡng cực
Việc thiết kế kênh PWM cho phương pháp đơn cực lại phức tạp hơn.

Page | 19