Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC

Tải bản đầy đủ - 0trang

Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



Lịch sử hình thành của các bộ biến đổi đa mức được thể hiện rõ ở trong

hình 1.1 [2]. Các bộ biến đổi công suất lớn được sử dụng chia làm hai nhánh phát

triển chính, đó là các bộ biến đổi trực tiếp từ các đại lượng xoay chiều sang xoay

chiều và các bộ biến đổi gián tiếp, có sử dụng liên kết một chiều giữa. Trong thực

tế, thường dung bộ biến đổi theo kiểu gián tiếp. Bộ biến đổi đa mức có các mơ hình

phổ biến như mơ hình dạng Diode kẹp (NPC – Neutral point clamped), tụ bay (FC –

Flying Capacitor), dạng xếp tầng (Cascaded) và dạng lai (Hybrid).

Song song với các mơ hình bộ biến đổi trên là các thuật toán điều chế như: LS

PWM (Level-shifted Pulse Width Modulation), PS PWM (Phase-shifted Pulse

Width Modulation) là mở rộng của phương pháp điều chế độ rộng xung PWM dựa

trên sóng mang dạng Sin (Carrier-based sinusoidal waveform) được dùng cho mơ

hình NPC và CHB, FC; phương pháp điều chế vector không gian SVM (Space

Vector Modulation) sử dụng thuật toán 2-D và 3-D.



4



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



Hình 1.1: Phân loại các bộ biến đổi đa mức

1.1.1 Bộ biến đổi NPC

Được giới thiệu lần đầu vào năm 1981, bởi A. Nabae, I. Takahashi và H.

Akagi, bộ biến đổi NPC được dựa trên cấu trúc của bộ biến đổi hai mức có kèm

theo hai van bán dẫn ở mỗi nhánh van của từng pha như hình 1.2 [9].



5



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



Hình 1.2: Cấu trúc bộ biến đổi NPC

Trong bộ biến đổi NPC, điểm trung tính được đưa ra từ điểm nối giữa các cặp

diode kẹp ở từng pha của bộ biến đổi với điện áp một chiều, điện áp đầu ra từng pha

được lấy từ điểm giữa ở mỗi nhánh. Nhờ có cấu trúc như vậy, mức điện áp trên mỗi

van phải chỉ bằng một nửa so với bộ biến đổi hai mức thông thường. Với cấu trúc

giống như vậy, bộ NPC có thể mở rộng lên nhiều mức điện áp. Tuy nhiên, vấn đề

gặp phải của bộ biến đổi NPC là sự mất cân bằng điện áp trên tụ, dẫn đến tình trạng

giữa điểm trung tính so với đất có xuất hiện một hiệu điện thế khác 0 gây ra tình

trạng méo điện áp đầu ra. Khi số mức tăng lên, tính phức tạp trong điều khiển điện

áp cân bằng trên tụ, cùng với đó là quan hệ hàm bậc hai giữa ngưỡng điện áp khóa

của diode và số mức của bộ biến đổi là vấn đề được nghiên cứu nhiều đối với bộ

biến đổi NPC.

1.1.2 Bộ biến đổi FC

Mỗi tụ trên từng nhánh pha của bộ biến đổi FC được nạp với một mức điện áp

khác nhau, do vậy, khi trạng thái của khóa đóng cắt thay đổi, giá trị điện áp đầu ra

đạt được các mức khác nhau. Nhờ vào năng lượng được dự trữ trong các tụ, bộ biến

đổi có thể vượt qua trong khoảng thời gian ngắn của lõm điện áp. Một trở ngại là tụ

cần được nạp trước khi khởi động, được hiểu như khởi tạo. Mặc dù cấu trúc bộ biến



6



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



đổi FC có thể mở rộng lên số lượng cell là tùy ý, nhưng điều đó đồng nghĩa với việc

tăng giá thành sản phẩm nên số mức của bộ biến đổi FC thường được giới hạn là 4

mức. Cấu trúc bộ biến đổi FC được trình bày trong hình 1.3 [9].



Hình 1.3: Cấu trúc bộ biến đổi FC

1.1.3 Bộ biến đổi xếp chồng cầu H (CHB)

Bộ biến đổi CHB được tạo thành bằng cách mắc nối tiếp từng nhánh pha của

bộ biến đổi cầu đủ có nguồn DC cách ly như hình 1.4 [9].

Tính nổi trội của bộ biến đổi CHB so với bộ biến đổi NPC, FC là cấu trúc

module và khả năng điều khiển độc lập đối với các thành phần thứ tự khơng của

dòng điện. Đối với các ứng dụng chỉnh lưu, bộ biến đổi CHB cần sử dụng nhiều

nguồn một chiều độc lập cho từng cell trên một nhánh van nên cấu trúc này khơng

thích hợp đối với các ứng dụng trao đổi công suất hai chiều.



7



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



Hình 1.4: Cấu trúc bộ biến đổi CHB

1.1.4 Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module

Trong một khoảng thời gian dài phát triển và áp dụng vào thực tế, các bộ biến

đổi đa mức và các phương pháp điều chế vẫn còn gặp phải những nhược điểm như

sau:

-



Số lượng van bán dẫn lớn dẫn đến việc tổn hao trong q trình chuyển

mạch, đóng cắt lớn, làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi.



-



Các phương pháp điều chế kinh điển phát triển trên cơ sở của PWM và

SVM gặp phải khó khăn khi số lượng thiết bị của bộ biến đổi tăng lên

nhiều.



-



Giá thành của bộ biến đổi cao, việc bảo trì, bảo dưỡng gặp khó khăn do

tính phức tạp từ cấu trúc bộ biến đổi mang lại.



Từ thực tế trên, việc nghiên cứu về mơ hình bộ biến đổi đa mức kiểu mới và

phương pháp điều chế đơn giản, phù hợp hơn trở thành một yêu cầu cấp thiết, là

trọng tâm cho nghiên cứu về các bộ biến đổi đa mức công suất lớn.



8



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module là một phát triển nâng cấp của bộ biến

đổi đa mức, được đề xuất lần đầu tiên bởi R. Marquardt và A. Lesnicar vào đầu

những năm 2000. Cấu trúc của bộ biến đổi dựa trên sự ghép nối của một số lượng

lớn các module thành phần (SM – Submodule), mỗi SM là bộ biến đổi nửa cầu

dùng van bán dẫn điều khiển hoàn toàn. Ưu điểm của bộ biến đổi MMC là:

-



Có thể mở rộng khả năng làm việc với các mức điện áp và cơng suất khác

nhau.



-



Tín hiệu điện áp đầu ra có số mức bất kỳ và chất lượng sóng hài tốt.



-



Sử dụng duy nhất một nguồn điện áp một chiều ở đầu vào.



-



Không cần sử dụng máy biến áp ở đầu ra của bộ biến đổi.



Mặc dù có những ưu điểm nổi bật so với các bộ biến đổi đa mức kiểu cũ

nhưng trong vòng gần một thập kỉ kể từ khi được giới thiệu lần đầu, vẫn chưa có

nhiều nghiên cứu đột phá về cấu trúc cũng như ứng dụng của bộ biến đổi này bởi

các lý do khác nhau, mà nổi bật hơn cả là việc áp dụng các phương pháp điều chế

thơng thường như thuật tốn điều chế độ rộng xung PWM hay thuật tốn điều chế

vector khơng gian SVM cho bộ biến đổi MMC với số lượng module thành phần lên

tới hàng trăm là rất phức tạp và không phù hợp. Tuy vậy, chỉ trong vài năm trở lại

đây, các nghiên cứu về cấu trúc và ứng dụng của bộ biến đổi MMC được chú trọng

và bùng nổ hơn do sự phát triển về kỹ thuật điều chế cho các module thành phần.

Trong số đó phải kể đến phương pháp điều chế NLM (Nearest Level Modulation),

dựa trên việc tính tốn số lượng các module thành phần của bộ MMC cần thiết phải

chèn vào (khái niệm chèn vào vào ngược lại là bypass – bỏ qua sẽ được làm rõ sau)

để tạo ra một mức điện áp mong muốn tại thời điểm bất kì đã giải quyết được những

khó khăn mà phương pháp điều chế SVM và PWM gặp phải, đồng thời giảm được

tổn hao do đóng cắt các van bán dẫn gây ra.

1.2 Các phương pháp điều chế

Phương pháp đóng cắt van theo một thời gian xác định sao cho thỏa mãn giá

trị trung bình của điện áp (hay dòng điện) thuộc đầu ra của bộ biến đổi có hình dạng

giống với giá trị điện áp (hay dòng điện) u cầu. Hiện nay có ba phương pháp điều

9



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



chế cơ bản đó là Phương pháp điều chế vector khơng gian (Space Vector

Modulation – SVM) và nhóm phương pháp điều chế dựa trên nền tảng về mức điện

áp, là phương pháp điều chế độ rộng xung tuyến tính (Pulse Width Modulation –

PWM), phương pháp điều chế NLM (Nearest Level Modulation).

1.2.1 Phương pháp điều chế vector không gian SVM

Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) xuất phát từ những ứng dụng

của vector khơng gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng và phát

triển trong các hệ thống điện ba pha. Phương pháp điều chế vector không gian và

các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số và

là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực điện tử công

suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như điều khiển

truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết

bị công suất trên hệ thống truyền tải điện.

Mặt phẳng vector không gian của nghịch lưu N mức được thể hiện trong hình

1.5 [9].



Hình 1.5: Vector không gian nghịch lưu N – mức

10



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



Mỗi điểm trên mặt phẳng đại diện cho một trạng thái của điện áp ba pha của

bộ biến đổi. Ví dụ điểm có tọa độ (2, 1, 0), điện áp từng pha theo thứ tự thuận ABC

là (2Vc, 1Vc, 0), ở đây Vc là điện áp trên tụ một chiều tương ứng của từng module

thành phần.

Ưu điểm: Phương pháp điều chế vector không gian cho phép điều khiển tuyến

tính tốt, hiệu quả cao, rất cần thiết cho các hệ điều khiển tự động. Nó đã mở ra một

lý thuyết thực hành điều khiển mới có chất lượng cao cho việc chuyển đổi năng

lượng điện từ các nguồn DC sang AC.

Nhược điểm: phương pháp điều chế vector khơng gian vẫn còn tồn tại một số

nhược điểm như đòi hỏi bộ vi xử lý có khả năng tính tốn cao và bộ nhớ lớn, việc

tính tốn càng phức tạp khi số bậc của bộ biến đổi tăng lên, lập trình giải thuật khá

phức tạp.

1.2.2 Phương pháp điều chế PWM

Các kỹ thuật điều chế PWM ứng dụng cho bộ biến đổi MMC dựa trên việc so

sánh tín hiệu chuẩn với sóng mang dạng tam giác có tần số cao để xác định khoảng

thời gian điều chế. Và trong trường hợp có nhiều sóng mang để so sánh cùng một

lúc thì gọi là điều chế đa sóng mang. Trong các kỹ thuật PWM có hai kỹ thuật phổ

biến đó là dịch mức sóng mang (LSPWM) và dịch pha sóng mang (PSPWM).

Đối với kỹ thuật dịch mức sóng mang, có 3 kiểu bố trí sóng mang như sau:

-



IPD (In Phase Disposition) Bố trí cùng pha: Tất cả các sóng mang đều

cùng pha như hình 1.3.



-



POD (Phase Opposite Disposition) Bố trí đối xứng qua trục Ox: Các sóng

mang kế cận liên tiếp nhau nằm bên trên và bên dưới trục Ox sẽ cùng pha

với nhau, 2 sóng mang nằm gần trục Ox ngược pha với nhau như hình 1.3.



-



APOD (Alternative Phase Opposite Disposition) Bố trí ngược pha: Hai

sóng mang kế cận nhau dịch pha 1 góc 180 độ như hình 1.3 [9].



11



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



Hình 1.6: Bố trí sóng mang PWM

Ngày nay các phương pháp điều chế PWM vẫn còn được sử dụng rộng rãi và

phổ biến trong các bộ biến đổi đặc biệt là trong các bộ biến đổi có ít van bán dẫn.

Ưu điểm: phương pháp điều chế độ rộng xung PWM đơn giản và dễ thực hiện

trong các bộ biến đổi đơn giản ít van bán dẫn

Nhược điểm: trong các bộ biến đổi sử dụng phương pháp điều chế PWM thì

tần số đóng cắt của các van cao, do đó gây ra tổn thất lớn. Và nhược điểm đó thể

hiện rõ trong các bộ biến đổi công suất lớn sử dụng nhiều van bán dẫn.

1.2.3 Phương pháp điều chế NLM

Các phương pháp điều chế SVM và PWM đều có những nhược điểm như là

tần số đóng cắt cao, tổn hao lớn và tính tốn, điều khiển phức tạp. Điều này được

thể hiện rõ khi số lượng các SM tăng lên, và để khắc phục được những nhược điểm

đó một phương pháp điều chế mới ra đời. Đó là phương pháp điều chế Nerest Level

Control – NLM, phát triển đầy hứa hẹn trong các bộ ứng dụng tầm trung - cao áp.

Phương pháp điều chế NLM (Nearest level modulation) được hiểu đơn giản là

sử dụng một chỉ số điều chế (m) trực tiếp tính tốn xem có bao nhiêu SM được kết

nối trong mỗi nhánh trên một pha để có thể đạt được điện áp đầu ra gần nhất với giá

trị mong muốn tại một thời điểm bất kỳ. NLM tạo ra N+1 mức điện áp với phương

pháp NLM thông thường, và tạo ra 2N+1 mức điện áp với phương pháp NLM cải

tiến. Phương pháp này dựa trên việc tính tốn số lượng các module thành phần của

bộ biến đổi MMC cần thiết phải chèn vào dựa trên việc so sánh tín hiệu tham chiếu

Vref để tạo ra một mức điện áp mong muốn tại một thời điểm bất kỳ đã giải quyết

được những khó khăn của phương pháp điều chế SVM và PWM đồng thời giảm

được đáng kể tổn hao do đóng cắt. Dạng điện áp ra trên một nhánh của bộ biến đổi

theo phương pháp điều chế NLM được thể hiện như trong hình 1.7 [11].



12



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



Hình 1.7: Điện áp nhánh van theo điều chế NLM

Đối với nghịch lưu đa mức, giả sử điện áp trên mỗi sub – module là không

=



đổi,



,…,



, một nhánh chuyển đổi có thể tạo ra (N+1) mức điện áp rời rạc (0,



,



). Số lượng các sub-module thành phần được chèn vào hoặc bỏ qua của



từng nhánh van trên và nhánh van dưới trong một pha của bộ biến đổi được tính

tốn thơng qua hàm làm tròn như sau:

,



=







,



=



+



( )



( )



,



,



,



,



=

=









,



,



(1.1)

(1.2)



Trong đó:

,



/



,



: Số lượng module thành phần được chèn vào / bỏ qua thuộc nhánh



van trên của một pha.

,



/



,



: Số lượng module thành phần được chèn vào / bỏ qua thuộc nhánh van



dưới của một pha.

( ): hàm làm tròn, lấy đến số nguyên gần với giá trị (x) nhất.

( ): giá trị tức thời của điện áp mẫu.

: điện áp một chiều của tụ.



13



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức



Rõ ràng kỹ thuật điều khiển này có lợi thế về sự đơn giản trong tính tốn bất

kể với số lượng lớn mơ đun được sử dụng. Bên cạnh đó số lần chuyển mạch khi áp

dụng phương pháp điều khiển này cũng là thấp nhất vì các tụ chỉ được chèn vào

(hoặc bỏ qua) một lần trong một chu kỳ.

Ưu điểm: tần số đóng cắt các van nhỏ, gây ít tổn hao và sóng hài, thích hợp

cho các bộ MMC với số lượng van đóng cắt lớn

Nhược điểm: Kỹ thuật điều chế NLM có nhược điểm là số lượng chuyển mạch

thấp tạo ra sự dao động lớn trong điện áp của các module. Khi thực hiện bám theo

điện áp đầu ra hình sin, số lượng các module được chèn vào sẽ tăng dần cho tới khi

cực đại, sau đó giảm dần. Một module được chèn vào khi điện áp hình sin đang tăng

dần sẽ không thể bỏ qua cho tới khi điện áp xoay chiều đầu ra đạt tới giá trị lớn

nhất, do đó module đó sẽ được chèn vào trong ít nhất là nửa chu kỳ trước khi nó có

thể được bỏ qua, gây nên một thời gian điện áp bị biến động khá dài. Điều này có

thể tránh được bằng cách theo dõi từng điện áp của module riêng biệt để quyết định

chèn vào hoặc bỏ qua từng module nếu cần thiết, để tránh trường hợp điện áp

module đó biến động quá lớn so với điện áp trung bình trên một nhánh pha.

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Trước nhu cầu về năng lượng và sự phát triển trong nghiên cứu, ứng dụng của

các bộ biến đổi công suất lớn trong đời sống và ngành công nghiệp năng lượng, việc

thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bộ nghịch lưu đa mức cấu trúc modul cho

các ứng dụng với lưới điện” là cần thiết và mang tính thực tiễn khách quan, góp

phần củng cố, xây dựng và phát triển các hướng tiếp cận, nghiên cứu mới đối với bộ

biến đổi MMC.

1.4 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài nghiên cứu về cấu trúc, nguyên lý hoạt động của bộ MMC

và áp dụng phương pháp điều chế NLM cho bộ MMC thơng qua việc tìm hiểu

ngun lý hoạt động, xây dựng bộ điều khiển, bộ điều chế cho MMC.



14



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×