NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRÊN CƠ SỞ BỘ BIẾN ĐỔI KIỂU MA TRẬN VỚI CÁC KHÂU DC LIÊN KẾT CÁCH LY TẦN SỐ CAO Lê Phƣơng Hảo, Trâ n Hu ng Cƣơ ng TÓM TẮT Nghịch lưu đa mức (Muli-level inverers MLI) với ưu điểm đưa ra được điện áp đầu ra với hành phần sóng hài ố và điện áp rên các mạch cơ sở chỉ bằng biên độ điện áp ra chia cho số mức n. Tuy nhiên số mức yêu cầu ương đương với số mạch mộ chiê u càng cao se na y sinh càng nhiê u vâ n đê và là mộ khó khăn lớn, nhâ là với yêu cầu pha i cách ly và có kha năng rao đổi công suâ hai chiê u. Bài báo này giới hiệu câ u rúc bộ biến đổi đa mức dùng cầu chữ H nối ầng với điểm khác biệ là các mạch cơ sở dùng biến ần kiểu ma rận rên các van bán dẫn hai chiê u. Với ưu điểm là c ác mạch cơ sở kiểu ma rận hực hiện liên kế rực iếp, rao đổi công suâ hai chiê u với khâu biến đổi DC-AC rung gian ần số cao, nhờ đó gia m được kích hước của biến áp cách ly. Bài báo cũng rình bày phương pháp điê u chế, xây dựng các mạch vòng điê u chỉnh cho mộ nghịch lưu 7 mức có kha năng nối lưới. Các yêu cầu đặ ra được kiểm chứng qua các kế qua mô phỏng. Từ khóa: Nghịch lưu đa mức. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây nguồn năng lƣợng mới nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặ rời, đã và đang đƣợc quan âm rấ nhiều do nhu cầu về nguồn năng lƣợng này là rấ cần hiế. Song, do đặc điểm là các nguồn năng lƣợng này có công suấ nhỏ lẻ, phân bố rời rạc và không ổn định chính vì vậy sẽ không đảm bảo ính liên ục cung cấp điện cho các hộ phụ ải. Mộ nhƣợc điểm nữa đó là các bộ biến đổi nguồn DC -AC hoặc AC-AC sử dụng các linh kiện điện ử, các van bán dẫn để chuyển đổi nguồn điện rƣớc khi cung cấp cho phụ ải chỉ chịu đƣợc mức điện áp và công suấ hạn chế và đặc biệ là chƣa có khả năng rao đổi công suấ hai chiều. Chính vì vậy cần phải có mộ chiến lƣợc điều khiển kiểm soá ố các các nguồn năng lƣợng này để nâng cao chấ lƣợng điện năng phục vụ cho ải iêu hụ và mục iêu lớn là hòa vào lƣới điện quốc gia. Biến ần đa cấp đã đạ đƣợc nhiều sự chú ý rong những năm gần đây nhƣ là mộ giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suấ lớn và điện áp cao. Biến ần đa cấp có hể ạo ra điện áp dạng sin ừ các bƣớc điện áp nhỏ hơn ừ các nguồn DC cách ly hoặc ừ các cấp điện áp dùng bộ phân áp bằng mộ loạ ụ. Biến ần đa cấp có hể là khâu biến
ThS. Gia ng viên khoa Kỹ huậ - Công nghệ, rường Đại học Hồng Đức 34
đổi năng lƣợng điện lý ƣởng cho kế nối các nguồn năng lƣợng ái ạo với lƣới điện, bao gồm hầu hế các nguồn phân án nhƣ pin mặ rời, pin nhiên liệu, ua-bin điện sức gió [3]. Cấu rúc biến ần đa cấp đã đƣợc phá riển để có hể sử dụng các hiế bị đóng cắ bán dẫn với điện áp ƣơng đối hấp cho các ứng dụng yêu cầu điện áp cao, công suấ lớn. Các nghiên cứu rƣớc đây cho hấy [3-5], lợi hế của các nghịch lƣu đa cấp dùng các khâu biến đổi nối ầng bao gồm: () các van bán dẫn chỉ phải đóng cắ ở ần số cơ bản (hoặc gần ần số này), do đó giảm đáng kể ổn hao do quá rình đóng cắ, (2) không cần dùng máy biến áp ở ần số lƣới cung cấp các mức điện áp cần hiế, (3) kế cấu kiểu mô - đun hóa nên cấu rúc mạch lực đơn giản hơn, số lƣợng hiế bị í hơn, (4) vì không có biến áp hệ hống có hể đáp ứng nhanh hơn nhiều. 2. BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC DÙNG MATRIX CONVERTER Hình. Sơ đồ bộ biến đổi DC-AC-AC du ng van bán dẫn hai chiều Trong sơ đồ này các khâu đầu vào là các H-Bridge hông hƣờng. Khâu cách ly DC- AC đƣợc liên kế hông qua mộ biến áp ần số cao ạo sự cách ly độc lập ƣơng đối cần hiế giữa lƣới và ải kế nối với các cổng và nó làm việc rực iếp với điện áp AC hông qua bộ chuyển đổi cyclo-converer để hực hiện rao đổi công suấ hai chiều mộ cách linh hoạ. Khâu biến đổi AC-AC rực iếp sử dụng van bán dẫn hai chiều, biến đổi điện áp dạng sóng chữ nhậ, ần số cao f pwm sang điện áp dạng sóng sin cơ bản ần số lƣới 50 Hz. Quá rình biến đổi có hể dùng nguyên lý cycloconverer để chuyển mạch ự nhiên [4, 5]. Quá rình điều chế cycloconverer ạo ra điện áp ần số hấp ở mỗi nửa chu kỳ, là dãy xung áp có độ rộng hay đổi ừ 0 đến T pwm, ùy huộc vào vị rí cắ nhau của ín hiệu điều chế m() với xung răng cƣa của PWM. 3. ĐIỀU CHẾ PWM CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC DÙNG MATRIX CONVERTER Phƣơng pháp PWM và quá rình điều khiển chuyển mạch đƣợc giải hích qua đồ hị hời gian rên hình 2. Sóng răng cƣa am giác đối xứng rên đồ hị hình 2.a có ần số f s gồm hai hệ xung c + () và c - () ngƣợc nhau 80. Xung điều khiển các van S, S2, S3, 35
S4 của nghịch lƣu bên phía sơ cấp máy biến áp HF đƣợc điều khiển đồng bộ với xung răng cƣa ở ần số f s /2. Giả sử m() đang dƣơng. Khi đầu ra phía hứ cấp là điện áp dƣơng u f (+), giống nhƣ phƣơng pháp điều chế PWM mộ cực ính, ở phía hứ cấp máy biến áp HF hai van hai chiều V, V2 điều khiển bởi ín hiệu ra của pwm +, là đầu ra của so sánh giữa ín hiệu sin mong muốn m() với xung răng cƣa c(), còn nhánh van V3, V4 điều khiển ín hiệu ra của pwm -, đầu ra khâu so sánh m() với c - (). Khi đầu ra hứ cấp máy biến áp là điện áp âm u f (-) hì ngƣợc lại, V (gồm Sa, Sb) V2 (gồm S2a. S2b) điều khiển bởi pwm -, còn V3 (gồm S3a, S3b), V4 (gồm S4a, S4b) bởi pwm +. Thuậ oán điều chế đƣợc xây dựng nhƣ giải hích qua các đồ hị rên hình 2. Tín hiệu u f có biên độ +/-, ần số f s /2, là ín hiệu điều khiển cầu S, S2, S3, S4 bên phía sơ cấp máy biến áp HF. Tín hiệu + mở cặp van S, S4, và - mở cặp van S3, S2. Tín hiệu đầu ra khâu so sánh của PWM cũng là +/-, gồm hai hệ hống u pwm+ (là và u pwm- ). Khi đó lấy ích u f *u pwm+ và u f *u pwm- a sẽ đƣợc ngay ín hiệu điều khiển van hai chiều V, V3 và V2, V4 ƣơng ứng. Điểm đặc biệ của huậ oán điều chế ở đây là ín hiệu ích có ác dụng chỉnh lƣu lại điện áp ở đầu ra, bởi vậy ránh đƣợc phải sử dụng mạch logic phức ạp. Cần lƣu ý rằng đối với marix converer hì V3 phải điều khiển ngƣợc với V và V2 ngƣợc với V4, điều này hể hiện rên đồ hị 2.e và 2.f. Các khoảng dẫn của van cũng đƣợc hể hiện rên đồ hị. Trên hình 2.g cho hấy dạng điện áp ra của marix converer rong cả hai rƣờng hợp ín hiệu điều chế m() dƣơng và âm. Nhƣ vậy mạch logic có hể hiế kế hống nhấ, khá đơn giản. uc+ uc- m() (a) (b) uf - (c) upwm+ - (d) upwm- - V=uf*upwm+ V2=\V (e) - V4=uf*upwm- V3=\V4 (f) (g) +Uf um() -Uf - 0 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 2 4 4 4 2 4 2 2 2 4 2 4 4 4 2 4 2 2 2 4 2 4 2 2 4 4 2 4 4 2 2 4 2 2 4 4 Hình 2. Mẫu xung điều khiển PWM cho marix converer 36
Mẫu xung điều khiển các van V, V2, V3, V4 ứng với cả hai rƣờng hợp m() dƣơng và âm biểu diễn rên đồ hị hình 2e cùng với dạng xung của điện áp ra u mc (). Có hể hấy rằng điện áp ra có dạng của điều chế PWM mộ cực ính, khi m() dƣơng chỉ có các xung dƣơng và khi m() âm chỉ có các xung âm. Nếu biên độ điện áp xung chữ nhậ ở hứ cấp máy biến áp HF là U f hì điện áp ra u mc () có 3 mức: +U f, -U f, và zero. Ở rạng hái ra không, dòng ải i L ngắn mạch qua nhánh van (V, V2) hoặc (V3, V4), không đi qua cuộn dây máy biến áp và không làm ngắn mạch máy biến áp. Điều này mang lại hiệu quả cao cho sơ đồ, khác với quá rình điều chế ngay bên phía sơ cấp máy biến áp. Khi điều chế bên phía sơ cấp để ạo rạng hái không bên hứ cấp, dòng phải chạy quẩn bên phía sơ cấp làm ăng phá nóng cuộn dây. Có hể hấy rằng điện áp đầu ra máy biến áp luôn có dạng xung chữ nhậ đối xứng, biên độ +/-U f, ần số f s /2. Ký hiệu 4 rạng hái đƣợc phép của các van V,, V4 là (2), (4), (32), (34), ƣơng ứng với cặp van đóng (V, V2), (V, V4), (V3, V2), (V3, V4). Các rạng hái (V, V3), (V2, V4) là không đƣợc phép vì làm ngắn mạch hứ cấp máy biến áp. Trạng hái (2) và (34) là hai rạng hái không, ngắn mạch đầu ra làm điện áp ra bằng không. 4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC Hình 3. Hệ hống điều khiển cho bộ biến đổi DC-AC-AC 5. NGHỊCH LƢU ĐA MỨC XÂY DỤNG TRÊN BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC Có hể hấy rằng bộ biến đổi DC-AC-AC có phần mộ chiều cách ly qua khâu rung gian ần số cao và khâu AC-AC kiểu ma rận với mạch điều chế PWM và mạch
37
logic điều khiển chuyển mạch nêu rên hoàn oàn ƣơng đƣơng với mộ nghịch lƣu cầu chữ H nhƣ mộ khâu biến đổi DC-AC hông hƣờng. Vì vậy có hể xây dựng mộ nghịch lƣu đa mức kiểu dùng cầu H nối ầng ừ chính bộ biến đổi này, rong đó vai rò của phía mộ chiều cách ly sẽ hể hiện rõ rong cấu rúc bộ biến đổi back-o-back giới hiệu sau đây. Nghịch lƣu đa mức sử dụng phƣơng pháp điều chế phase-shif để phân ải đều nhau giữa các cầu H hành phần rong oàn dải hay đổi của biên độ dạng sin ra mong muốn. Udc HF Vb Va Udc2 HF Vb L Va R Udc3 HF Vb Va Hình 4. Nghịch lƣu đa mức rên cơ sở bộ biến đổi DC-AC-AC 6. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI Hình 5. Hệ hống điều khiển bộ biến â n đa mức xây dựng dựa rên bộ biến đổi DC-AC-AC 38
DC DC c c c 2 2 - + + v [ LF_U] 80V2 - + i + g [ G _L] - v Udc A + - HF + - V - B I_H F H Bridge + v A + 2 HF2 + [ G _L3] LF O u Subsys em Subsys em LF i G _H - LF G_L LF2 G _H LF HF LF2 HF2 G _H G _L LF2 HF2 Subsys em2 IL V LF SineWav e PWM HF link Conroller G ain2 HB PWM HF link Co n r oler Saw oo h G ener a or G ain PI cur r en Udc/ 3 Cur r en er r r or M od index [LF_U] Er r or _Udc O u 5 Er r or _Udc Curren Timer PI volage [I_HF ] High f r eq. cur r en Low Fr eq. Cur r en SineWav e SineWav e Saw Low f r eq. vol age G a es high G a es high [G_H2] [ G _H3] 7. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC XÂY DỰNG TRÊN BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC Discre e, s = e -006 s DC-AC converer wih inermediae high frequency link. No modulaion on primery side. Low frequency volage is formed by PWM on secondary side using a marix converer. fs=250 Hz, Uou=220VAC, 50Hz. Breaker powergui [LF_I] L [I_HF ] [G_H ] LF2 80V Rd Cdc AC Breaker2 HF rans. 2 [G_H2] g [G_L2] G_L DC Rd v A 80V V2 - B 2 H Bridge Breaker3 [G_H3] HF rans. g Rd2 C dc3 HF V3 - B 2 H Bridge2 HF rans.2 Ou3 Ou2 HB Gaes low Saw [G_H] [G_L] Ou4 HB_G HB2_G Saw / 3 HB3_G HB Ou6 HB3 HB2 Gaes high Gaes low [G_L2] HB Gaes low [G_L3] [LF_I] -K- PI(s) PWM HF link Conroller2 -K- PI(s ) Curr en Ref. [LF_U] [LF_I] Curren 8. KẾT QUẢ 200 LF Curren [A] 300 HF Curren [A] 50 00 200 50 00 0 0-50 -00-00 -200-500 0.02 0.04 0.06 0.08 0. 0.2 0.4 0.6 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0. 0.2 0.4 0.6 Time [s] Time [s] 400 LF volage [A] 200 Udc/3 200 50 0 00-200 50-400 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0. 0.2 0.4 0.6 Time [s] 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0. 0.2 0.4 0.6 Time [s] Kế quả mô phỏng cho a hấy bộ van biến đổi hai chiều khi kế nối đa mức vẫn đảm bảo làm việc ố. Nhƣ a hấy rên hiển hị kế quả mô phỏng dòng rên ải i load luôn đảm bảo là hình sin và khi nhận năng lƣợng của lƣới hì dòng điện cùng pha với điện áp đầu vào còn khi rả năng lƣợng về lƣới hì dòng điện ngƣợc pha với điện áp đầu vào. Nhƣ vậy bộ nghịch lƣu đa mức rên cơ sở bộ biến đổi kiểu ma rận
39
với các khâu DC liên kế cách ly ần số cao không những vẫn đảm bảo đƣợc những ƣu điểm của bộ nghịch lƣu đa mức hông hƣờng mà bộ biến đổi này còn có khả năng rao đổi công suấ hai chiều, điều khiển chuyển mạch van đơn giản dẫn đến điều chế cũng dễ dàng. Ngoài ra còn có khâu DC liên kế cách ly ần số cao không những cách ly sự làm việc độc lập giữa bên xoay chiều và mộ chiều mà việc dùng máy biến áp ần số cao còn có ác dụng hỗ rợ rong việc điều khiển chuyển mạch van dễ dàng và chính xác hơn. 9. KẾT LUẬN Nhóm ác giả đã ìm hiểu, phân ích cấu rúc của bộ nghịch lƣu đa mức và khâu ruyền dẫn công suấ hai chiều Marix-Converer; Nghiên cứu, phân ích phƣơng pháp điều khiển cho bộ nghịch lƣu. Trên cơ sở đó, phân ích và hiế kế hành công hệ hống điều khiển cho sơ đồ ruyền dẫn công suấ hai chiều Marix-Converer. Nhóm cũng đã lập rình ính oán các hông số cho bộ điều chỉnh PID dùng rong các bộ biến đổi và xây dựng mô hình mô phỏng bộ nghịch lƣu đa mức, khâu ruyền dẫn công suấ hai chiều dùng Maix Converer. Đƣa ra các nhận xé, đánh giá các kế quả mô phỏng. Với kế quả hiện ại, bộ biến đổi hoạ động khá ổn định, và cho đáp ứng khá ố với luậ điều khiển đặ ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO [] José Rodríguez, Seffen Berne, BinWu, Jorge O. Pon, Samir Kouro; Mulilevel Volage-Source-Converer Topologies for Indusrial Medium- Volage Drives; IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 54, NO. 6, DECEMBER 2007. [2] J. S. Lai and F. Z. Peng, Mulilevel converers - A new breed of power converers, IEEE Trans. Ind. Applica., vol. 32, pp. 509-57,May/June 996. [3] José Rodríguez, Luis Luis, e al.; High-Volage Mulilevel Converer Wih Regeneraion Capabiliy; IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 49, NO. 4, AUGUST 2002. [4] Songquan Deng, Hong Mao, Joy Mazumdar, Issa Baarseh and Kazi Khairul Islam; A New Conrol Scheme for High-frequency Link Inverer Design; Applied Power Elecronics Conference and Exposiion, 2003. APEC '03. Eigheenh Annual IEEE. [5] E.Kouroulis, J.Chazakis, K.Kalaizakis and N.C.Voulgaris; A bidirecional, sinusoidal, high-frequency inverer Design; IEE Proc.-Elecr. Power Appl., Vol. 48, No. 4, July 200. 40
[6] M. Li, J. N. Chiasson, L. M. Tolber; Capacior Volage Conrol in a Cascaded Mulilevel Inverer as a Saic Var Generaor; Power Elecronics and Moion Conrol Conference, 2006. IPEMC 2006. CES/IEEE 5h Inernaional [7] José Rodríguez, Luis Morán, High-Volage Mulilevel Converer Wih Regeneraion Capabiliy. MULTI-LEVEL INVERTER BASED ON MATRIX CONVERTER CELLS WITH ISOLATED DC LINK OF HIGH FREQUENCY Le Phuong Hao, Tran Hung Cuong ABSTRACT Muli-level inverers (MLI) can easily provide oupu volage wih reduced harmonic disorion and low volage level on power swiches. However, a large number of required DC sources, which is equal o he number of levels on oupu volage, are a serious drawback, especially when power exchange and isolaion are boh required. This paper presens a srucure of H bridge cascaded muli-level inverer based on marix converer. The cell on marix converer direcly conneced wih AC side of he inermediaed DC-AC high frequency link, hus provide wo sides of power exchange. High frequency link helps reduce size of he isolaion ransformer. The paper shows how o build modulaion scheme and wo conrol loops for a 7-levels converer wih grid-conneced possibiliy. The good simulaion resuls have demonsraed he effeciveness of his approach. Key words: Mul I - level inverers (MLI) 4