Ứng dụng bộ biến đổi PWM trong điều khiển công suất giữa các nguồn điện cục bộ

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – ỨNG D ỤNG B Ộ BI ẾN ĐỔ I PWM TRONG ĐIỀU KHI ỂN CÔNG SU ẤT GI ỮA CÁC NGU ỒN ĐIỆN C ỤC B Ộ Ngô Đức Minh – (Trường Đạ i h ọc KTCN - ĐH Thái Nguyên ) 1. Đặt v ấn đề Vi ệc nghiên c ứu các b ộ bi ến đổ i PWM đang được nhi ều nhà khoa h ọc quan tâm nghiên cứu m ạnh trong kho ảng m ươ i năm tr ở l ại đây và th ể hi ện nhi ều ưu điểm v ượt tr ội: kh ả n ăng truy ền n ăng l ượng theo c ả hai h ướng v ới cos ϕ điều khi ển được, dung l ượng sóng hài th ấp. Trong tình hình thi ếu h ụt n ăng l ượng hi ện nay, nhi ều ngu ồn điện c ục b ộ đang được huy động tích cực để b ổ sung công su ất cho l ưới. Vì trong v ận hành khai thác công su ất t ừ các ngu ồn điện c ục b ộ, do tính không ổn đị nh, t ần s ố và công su ất phát c ủa m ỗi nhà máy ph ụ thu ộc nhi ều yếu t ố khách quan, nh ư ch ế độ gió (phong điện); các ch ế độ thu ỷ v ăn (thu ỷ điện nh ỏ) c ần điều ti ết l ượng công su ất phát ra t ừ các nhà máy vào l ưới tho ả mãn các yêu c ầu k ỹ thu ật, ho ặc k ể c ả trong tr ường h ợp điều ti ết mang tính th ươ ng m ại (phân chia công su ất P, Q được bán ra cho t ừng nhà máy điện). Nghiên c ứu tính n ăng đặ c bi ệt c ủa b ộ bi ến đổ i PWM, sẽ đư a ra ứng d ụng để th ực hi ện ý t ưởng trên. P 1 t¶i 1 BB§ 1 F1 Q 1 t¶i 2 P2 t¶i 3 F2 BB§ 2 t¶i ... Q2 Hình 1. S ơ đồ l ưới có nh ận điện t ừ 02 ngu ồn điện c ục b ộ Trên s ơ đồ hình 1. : - lưới c ấp điện cho các ph ụ t ải 1 ; 2 ; 3 ...; - máy phát F 1 cấp cho l ưới l ượng P 1 và Q 1 ; ho ặc điều ch ỉnh khác; - máy phát F 2 cấp cho l ưới l ượng P 2 và Q 2 = 0 ; ho ặc điều ch ỉnh khác. Nội dung bài báo tác gi ả mu ốn th ực hi ện là: - Gi ả thi ết trên l ưới ( các ph ụ t ải: t ải1 , tải2 , t ải3 ....) c ần l ượng công su ất tính toán là: P(kW) và Q(kVAr) - Bộ bi ến đổ i PWM 1 nối v ới ngu ồn F 1 , điều khi ển c ấp cho l ưới P 1 và Q1 - Bộ bi ến đổ i PWM 2 nối v ới ngu ồn F 2 , điều khi ển c ấp cho l ưới P 2 và Q 2 Yêu c ầu điều khi ển là: thay đổi được các giá tr ị: P 1 , P 2 , Q 1 , Q 2 theo ý nu ốn ( th ậm trí là một trong đại lượng trên = 0 ) nh ưng luôn đảm b ảo điều ki ện: P1 + P 2 = P và Q 1 + Q 2 = Q 50 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – Để th ực hi ện được ý t ưởng điều khi ển ta xây d ựng s ơ đồ c ấu trúc nh ư hình 2 . Hình 2. S ơ đồ điều ch ỉnh công su ất t ừ các ngu ồn đế n h ộ ph ụ t ải s ử d ụng các bộ bi ến t ần dùng PWM 2. Mô t ả toán h ọc c ấu trúc điều khi ển cấu trúc s ơ đồ được th ể hi ện trên hình 2. Trước khi đi vào vấn đề điều khi ển, ta nh ắc l ại các mô t ả toán h ọc quen thu ộc cho c ủa t ừng kh ối: ch ỉnh l ưu, ngh ịch l ưu, bộ điều khi ển bi ến t ần và đư a ra các thu ật toán điều khi ển tươ ng ứng. 2.1. Mô t ả toán h ọc b ộ ch ỉnh l ưu và ph ươ ng pháp điều khi ển Ph ươ ng trình cân b ằng điện áp b ộ ch ỉnh l ưu được mô t ả nh ư sau: = + uL u I u S (1) di u= Ri +L Lu + (2) L Ldt S ua  i a  iu a Sa  d  u= Ri + L i + u (3) b  bdt  b Sb    uc  i c  iu c Sc Ngoài ra dòng điện: du Cdc = Si + Si + Si − i (4) dt aa bb cc dc 51 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – Đến nay, đã có r ất nhi ều ph ươ ng pháp điều khi ển b ộ ch ỉnh l ưu PWM nh ư: VOC, DPC, VFVOC, VFDPC. để đạt được m ục tiêu là điều khi ển các thành ph ần công su ất phát vào l ưới t ừ các ngu ồn c ục b ộ, tác gi ả đưa ra ph ươ ng pháp điều khi ển DPC ( điều khi ển tr ực ti ếp công su ất). Sơ đồ nguyên lý được mô tả trên hình 3 . q®Æt p®Æt - q p - PI Chän sector UDC®Æ t dq dp - S a U Kh©u ®o dßng −íc l−îng B¶ng DC ®iÖn ¸p hoÆc tõ th«ng ¶o Sb ®ãng c¾t v c«ng suÊt tøc thêi Sc Sa Sb Sc ia ib Ua ia ib Ub UDC Uc ic L PWM Hình 3. S ơ đồ nguyên lý b ộ ch ỉnh l ưu điều khi ển theo ph ươ ng pháp DPC Vùng v ị trí c ủa vector hi ệu điện th ế và t ừ thông được chia thành 12 sector và các sector được bi ểu di ễn d ưới d ạng s ố nh ư sau: π π (n− 2) ≤γ< (n1) − với n=1,2....12 6n 6 Hình 4. Ch ọn sector cho ph ươ ng pháp điều khi ển DPC Sau khi đã xác định được v ị trí t ừ thông ảo thu ộc sector nào, ta s ẽ l ựa ch ọn tr ạng thái đóng cắt t ối ưu cho các van c ủa m ạch c ầu ch ỉnh l ưu nh ờ vào b ảng chuy ển m ạch: 52 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – Bảng 1: B ảng chuy ển m ạch cho 12 sector dùng cho ph ươ ng pháp điều khi ển DPC. dp dq Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 0 101 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 1 110 111 010 000 011 111 001 000 101 111 100 000 0 0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100 2.2. Mô t ả toán h ọc b ộ nghịch l ưu: Bộ ngh ịch l ưu dùng để bi ến đổ i điện áp m ột chi ều thành xoay chi ều ba pha có th ể thay đổi được t ấn s ố nh ờ vi ệc thay đổ i qui lu ật đóng c ắt các van IGBT. Điện áp t ại đầ u c ực c ủa m ạch ngh ịch l ưu có th ể bi ểu di ễn b ằng: S S u1 = Sw . U dc (5) u = S . U  1A wA dC nên ta có : u1B = S wB . U dC (6)  u1C = S wC . U dC Tổ h ợp các tr ạng thái đóng ng ắt c ủa m ạch ngh ịch l ưu 3 pha ta được 8 vec t ơ điện áp, trong đó có hai điện áp vec t ơ không là U 0 và U 7 u0 =S w0 . U dc (7) Trong đó S w0 là thành ph ần th ứ t ự không c ủa hàm đóng ng ắt Sw : 1 S = (S +S +S ) (8) w0 3 wA wB wC Thành ph ần điện áp th ứ t ự không thông th ường là có th ể b ỏ qua vì trong h ệ th ống l ưới điện 3 pha 3 dây không có đường dẫn cho dòng điện th ứ t ự không, nên điện áp th ứ t ự không s ẽ không t ạo ra dòng điện. Tuy nhiên n ếu trong tr ường h ợp có hai b ộ ngh ịch l ưu n ối song song v ới các điểm n ối tr ực ti ếp ở c ả phía xoay chi ều và m ột chi ều s ẽ gây ra dòng điện th ứ t ự không ch ạy vòng vì xu ất hi ện đường dẫn cho nó. Khi đó ta không th ể b ỏ qua dòng điện th ứ t ự không được. Sơ đồ nguyên lý điều khi ển b ộ ngh ịch l ưu được mô t ả trên hình 5. Bé M¹ch ®iÒu §iÒu §iÖn t¹o chÕ xung chØnh ¸p ®Æt trÔ ®ãng c¾t ®iÖn ¸p Bé läc §o T¶i U®k LC l−êng Hình 5. S ơ đồ nguyên lý điều khi ển b ộ ngh ịch l ưu 53 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – 3. Điều ch ỉnh công su ất t ừ các ngu ồn Để điều ch ỉnh công su ất qua b ộ bi ến đổi PWM ta có th ể th ực hi ện b ằng m ột s ố ph ươ ng pháp sau: thay đổi giá tr ị cu ộn c ảm đầ u vào b ộ ch ỉnh l ưu; ho ặc thay đổi thông s ố lu ật điều khi ển. 3.1. Ph ươ ng pháp 1: thay đổi giá tr ị cu ộn c ảm đầ u vào Th ật v ậy ta có công th ức bi ểu quan h ệ công su ất tác d ụng c ủa b ộ ch ỉnh l ưu v ới giá tr ị điện c ảm L nh ư sau: dP L+ R.P =Φ∆ . u (9) dt cq Trong đó: L, R: giá tr ị điện c ảm, điện tr ở đầ u vào b ộ ch ỉnh l ưu PWM Φ: vect ơ t ừ thông ảo phía l ưới ∆ucq : điện áp đầ u ra b ộ điều ch ỉnh dòng: ∆=* −+ * − uCq Kp(i Cq i Cq ) K I∫ (i Cq i Cq ).dt P: công su ất tác d ụng Khi mô ph ỏng, ta đã lý t ưởng hoá khi b ỏ qua giá tr ị điện tr ở R, nên ph ươ ng trình (9) tr ở thành: dP L= Φ . ∆ u dt cq Φ∆ u ⇒ P= cq dt (10) L ∫ Quan sát (10) ta th ấy giá tr ị điện c ảm L càng l ớn thì công su ất tác d ụng P càng gi ảm. Tuy nhiên, n ội dung bài báo không ứng dụng điều khi ển theo h ướng này. 3.2. Ph ươ ng pháp 2: thay đổi thông s ố lu ật điều khi ển Công su ất phía lu ới s ẽ thay đổ i khi độ r ộng xung đóng c ắt thay đổ i, bám theo nguyên t ắc này ta đi nghiên c ứu các công th ức toán h ọc mô t ả quan h ệ gi ữa công su ất và tr ạng thái đóng c ắt các nhánh van để t ừ đó làm c ơ s ở thi ết k ế các m ạch vòng điều ch ỉnh công su ất phát ra t ừ các ngu ồn c ục b ộ khi ph ụ t ải tiêu th ụ yêu c ầu.
Công su ất tác d ụng của ngu ồn phát qua b ộ bi ến đổi : = + + p Re{[uaa .i u bb .i u cc .i } di  di  di  = ++a +++ b +++ c p Re{ R.ia L u sa  .i a R.i b L u sb  .i b R.i c L u sc  .i c } dt  dt  dt  di  di  di  =2 ++a +++2 b +++2 c Re{ R.ia L.i a . f adca .U .i  R.i b L.i b . f bdcb .U .i  R.i c L.i c . f cdcc .U . i  } dt  dt  dt  Khi b ộ bi ến t ần làm vi ệc xác l ập thì có th ể xem nh ư không có s ự bi ến thiên v ề dòng điện di nên = 0 , ta có: p= Re{( R.i2 + f .U .i) ++( R.i 2 f .U .i) ++( R.i 2 f .U .i) } dt a adca b bdcb c cdcc 54 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – − U .I − =2 +++ j240 j240 dc ()() −++−+ j120 Re{R.I.(1e e ) (2.swa (s wb s) wc 2s wb (s wa s wc e 3 +−+j120  =+ (2swc (s wa s wb )e } A B.f(s wa ,s wb ,s wc ) (11a)
Công su ất ph ản kháng của ngu ồn phát qua b ộ bi ến đổi : Tươ ng t ự ta có: = + + + q Im{[uaa .i u bb .i u cc .i } = C D.f (swa ,s wb ,s wc ) (11b) Tuy nhiên, tr ọng tâm bài báo ch ỉ ứng dụng ph ươ ng pháp th ứ 2. 4. K ết qu ả mô ph ỏng Trên hình 6 : mô ph ỏng điện áp đầ u ra c ủa bi ến t ần có d ạng hình sin -6 Hình 6. Điện áp đầ u ra c ủa bi ến t ần ứng v ới th ời gian đóng c ắt t dc = 10 s P1 P2 Hình 7. Công su ất tác d ụng l ưới nh ận được khi thay đổ i độ r ộng xung 55 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – Q2 Q1 Hình 8. Công su ất ph ản kháng l ưới nh ận được khi thay đổ i độ r ộng xung Trên hình 7 và hình 8: cho th ấy khi thay đổi thông s ố lu ật điều khi ển ta điều ch ỉnh được các l ượng công su ất tác d ụng và công su ất ph ản kháng từ các ngu ồn cục b ộ đáp ứng cho l ưới yêu c ầu. Điều này đúng v ới mô hình toán h ọc (11a),(11b). 5. K ết lu ận Kết qu ả mô ph ỏng theo Matlab, Simulink và ph ần m ềm Plecs, hoàn toàn đã ch ứng tỏ có th ể điều khi ển các l ượng công su ất P; Q phát ra t ừ các ngu ồn điện c ục b ộ cung c ấp cho t ải . Tóm t ắt Bài báo gi ới thi ệu m ột trong nh ững ưu điểm v ượt tr ội c ủa b ộ bi ến đổ i hi ện đạ i PWM là kh ả năng truy ền các thành ph ần công su ất theo c ả hai h ướng, có điều ch ỉnh hệ số cos ϕ theo mong mu ốn, được tác gi ả ứng d ụng vào điều khi ển công su ất gi ữa các ngu ồn điện c ục bộ cung cấp n ăng l ượng cho l ưới điện chung. Summary This article introduces once of the salient strongpoints of modern converter PWM (pulse-width modulations) that capacity transmistion elements power to two direction, to adjust coefficient of cos ϕ as desire. It is appied to control power between local souces to supply for general gird by author. Tài li ệu tham kh ảo [1]. Võ Minh Chính, Ph ạm Qu ốc H ải, Tr ần Tr ọng Minh. Điện tử công su ất. Nhà xu ất b ản Khoa h ọc và K ỹ thu ật Hà N ội 2007. [2]. Abhijit D. Pathak. MOSFET/IGBT Driver Theory and Applications . Ixys Application Note AN- 0002, 2001. [3]. Nguy ễn Phùng Quang. Điều khi ển t ự độ ng truy ền độ ng điện xoay chi ều ba pha . Nhà xu ất b ản Giáo d ục 1998. [4]. Tạp chí t ự độ ng hoá ngày nay-Chuyên san K ỹ thu ật điều khi ển t ự độ ng n ăm 2006 và n ăm 2007. [5]. Đại h ọc Bách Khoa Hà N ội. Hội ngh ị khoa h ọc l ần th ứ 20 n ăm 2006 . 56