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 – 
 50 
ỨNG DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI PWM TRONG ĐIỀU KHIỂN 
CÔNG SUẤT GIỮA CÁC NGUỒN ĐIỆN CỤC BỘ 
Ngô Đức Minh – (Trường Đại học KTCN - ĐH Thái Nguyên) 
1. Đặt vấn đề 
Việc nghiên cứu các bộ biến đổi PWM đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên 
cứu mạnh trong khoảng mươi năm trở lại đây và thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội: khả năng 
truyền năng lượng theo cả hai hướng với cosϕ điều khiển được, dung lượng sóng hài thấp. 
Trong tình hình thiếu hụt năng lượng hiện nay, nhiều nguồn điện cục bộ đang được huy 
động tích cực để bổ sung công suất cho lưới. Vì trong vận hành khai thác công suất từ các nguồn 
điện cục bộ, do tính không ổn định, tần số và công suất phát của mỗi nhà máy phụ thuộc nhiều 
yếu tố khách quan, như chế độ gió (phong điện); các chế độ thuỷ văn (thuỷ điện nhỏ) cần điều 
tiết lượng công suất phát ra từ các nhà máy vào lưới thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật, hoặc kể cả 
trong trường hợp điều tiết mang tính thương mại (phân chia công suất P, Q được bán ra cho từng 
nhà máy điện). Nghiên cứu tính năng đặc biệt của bộ biến đổi PWM, sẽ đưa ra ứng dụng để thực 
hiện ý tưởng trên. 
Trên sơ đồ hình 1. : 
- lưới cấp điện cho các phụ tải 1 ; 2 ; 3 ...; 
- máy phát F1 cấp cho lưới lượng P1 và Q1 ; hoặc điều chỉnh khác; 
- máy phát F2 cấp cho lưới lượng P2 và Q2 = 0 ; hoặc điều chỉnh khác. 
Nội dung bài báo tác giả muốn thực hiện là: 
- Giả thiết trên lưới ( các phụ tải: tải1 , tải2 , tải3 ....) cần lượng công suất tính toán là: 
P(kW) và Q(kVAr) 
- Bộ biến đổi PWM1 nối với nguồn F1 , điều khiển cấp cho lưới P1 và Q1 
- Bộ biến đổi PWM2 nối với nguồn F2 , điều khiển cấp cho lưới P2 và Q2 
Yêu cầu điều khiển là: thay đổi được các giá trị: P1 , P2 , Q1 , Q2 theo ý nuốn ( thậm trí là 
một trong đại lượng trên = 0 ) nhưng luôn đảm bảo điều kiện: 
P1 + P2 = P và Q1 + Q2 = Q 
BB§1 
t¶i 1 
t¶i 2 
t¶i 3 
t¶i ... 
 F1 
F2 
 P1 
Q1 
P2 
BB§2 
Hình 1. Sơ đồ lưới có nhận điện từ 02 nguồn điện cục bộ 
Q2 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(44)/N¨m 2007 – 
 51
Để thực hiện được ý tưởng điều khiển ta xây dựng sơ đồ cấu trúc như hình 2. 
2. Mô tả toán học cấu trúc điều khiển 
cấu trúc sơ đồ được thể hiện trên hình 2. Trước khi đi vào vấn đề điều khiển, ta nhắc lại 
các mô tả toán học quen thuộc cho của từng khối: chỉnh lưu, nghịch lưu, bộ điều khiển biến tần 
và đưa ra các thuật toán điều khiển tương ứng. 
2.1. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu và phương pháp điều khiển 
Phương trình cân bằng điện áp bộ chỉnh lưu được mô tả như sau: 
L I Su u u= + (1) 
L
L L S
di
u Ri L u
dt
= + + (2) 
a a a Sa
b b b Sb
c c c Sc
u i i u
d
u R i L i u
dt
u i i u
       
       
= + +       
              
 (3) 
Ngoài ra dòng điện: 
dc
a a b b c c dc
duC S i S i S i i
dt
= + + − (4) 
Hình 2. Sơ đồ điều chỉnh công suất từ các nguồn đến hộ phụ tải sử dụng các 
bộ biến tần dùng PWM 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(44)/N¨m 2007 – 
 52 
Đến nay, đã có rất nhiều phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu PWM như: VOC, DPC, 
VFVOC, VFDPC. để đạt được mục tiêu là điều khiển các thành phần công suất phát vào lưới từ 
các nguồn cục bộ, tác giả đưa ra phương pháp điều khiển DPC (điều khiển trực tiếp công suất). 
Sơ đồ nguyên lý được mô tả trên hình 3. 
Vùng vị trí của vector hiệu điện thế và từ thông được chia thành 12 sector và các sector 
được biểu diễn dưới dạng số như sau: 
n(n 2) (n 1)6 6
pi pi
− ≤ γ < − với n=1,2....12 
Sau khi đã xác định được vị trí từ thông ảo thuộc sector nào, ta sẽ lựa chọn trạng thái đóng 
cắt tối ưu cho các van của mạch cầu chỉnh lưu nhờ vào bảng chuyển mạch: 
UDC 
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu điều khiển theo phương pháp DPC 
Kh©u ®o dßng −íc l−îng 
®iÖn ¸p hoÆc tõ th«ng ¶o 
vµ c«ng suÊt tøc thêi 
B¶ng 
®ãng c¾t 
PI 
Ua 
Ub 
Uc 
L 
PWM 
ia 
ib 
ic 
Sa 
Sb 
Sc 
Sa Sb Sc 
- 
- 
- 
p q 
q®Æt 
dq dp 
p®Æt 
UDC®Æ
t 
UDC 
ia ib 
Chän sector 
Hình 4. Chọn sector cho phương pháp điều khiển DPC 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(44)/N¨m 2007 – 
 53
 Bảng 1: Bảng chuyển mạch cho 12 sector dùng cho phương pháp điều khiển DPC. 
dp dq Sector 
1 
Sector 
2 
Sector 
3 
Sector 
4 
Sector 
5 
Sector 
6 
Sector 
7 
Sector 
8 
Sector 
9 
Sector 
10 
Sector 
11 
Sector 
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 tả toán học bộ nghịch lưu: 
Bộ nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều ba pha có thể thay 
đổi được tấn số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt các van IGBT. 
Điện áp tại đầu cực của mạch nghịch lưu có thể biểu diễn bằng: 
S S
1 w dcu = S . U (5) 
nên ta có : 
1A wA dC
1B wB dC
1C wC dC
u = S . U
u = S . U
u = S . U





 (6) 
Tổ hợp các trạng thái đóng ngắt của mạch nghịch lưu 3 pha ta được 8 vec tơ điện áp, 
trong đó có hai điện áp vec tơ không là U0 và U7 
 0 w0 dcu =S . U (7) 
Trong đó Sw0 là thành phần thứ tự không của hàm đóng ngắt Sw : 
 w0 w A w B wC
1S = (S +S +S )
3
 (8) 
Thành phần điện áp thứ tự không thông thường là có thể bỏ qua vì trong hệ thống lưới 
điện 3 pha 3 dây không có đường dẫn cho dòng điện thứ tự không, nên điện áp thứ tự không sẽ 
không tạo ra dòng điện. Tuy nhiên nếu trong trường hợp có hai bộ nghịch lưu nối song song với 
các điểm nối trực tiếp ở cả phía xoay chiều và một chiều sẽ gây ra dòng điện thứ tự không chạy 
vòng vì xuất hiện đường dẫn cho nó. Khi đó ta không thể bỏ qua dòng điện thứ tự không được. 
Sơ đồ nguyên lý điều khiển bộ nghịch lưu được mô tả trên hình 5. 
T¶i 
Bé läc 
LC 
§o 
l−êng 
§iÒu 
chØnh 
®iÖn ¸p 
M¹ch ®iÒu 
chÕ xung 
®ãng c¾t 
Bé 
t¹o 
trÔ 
 U®k 
§iÖn 
¸p ®Æt 
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý điều khiển bộ nghịch lưu 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(44)/N¨m 2007 – 
 54 
3. Điều chỉnh công suất từ các nguồn 
Để điều chỉnh công suất qua bộ biến đổi PWM ta có thể thực hiện bằng một số phương 
pháp sau: thay đổi giá trị cuộn cảm đầu vào bộ chỉnh lưu; hoặc thay đổi thông số luật điều khiển. 
3.1. Phương pháp 1: thay đổi giá trị cuộn cảm đầu vào 
Thật vậy ta có công thức biểu quan hệ công suất tác dụng của bộ chỉnh lưu với giá trị 
điện cảm L như sau: 
cq
dPL R.P . u
dt
+ = Φ ∆ (9) 
Trong đó: 
L, R: giá trị điện cảm, điện trở đầu vào bộ chỉnh lưu PWM 
Φ: vectơ từ thông ảo phía lưới 
∆ucq: điện áp đầu ra bộ điều chỉnh dòng: 
* *
Cq Cq Cq I Cq Cqu Kp(i i ) K (i i ).dt∆ = − + −∫ 
P: công suất tác dụng 
Khi mô phỏng, ta đã lý tưởng hoá khi bỏ qua giá trị điện trở R, nên phương trình (9) trở thành: 
cq
dPL . u
dt
= Φ ∆ 
cquP dt
L
Φ∆
⇒ = ∫ (10) 
Quan sát (10) ta thấy giá trị điện cảm L càng lớn thì công suất tác dụng P càng giảm. 
Tuy nhiên, nội dung bài báo không ứng dụng điều khiển theo hướng này. 
3.2. Phương pháp 2: thay đổi thông số luật điều khiển 
Công suất phía luới sẽ thay đổi khi độ rộng xung đóng cắt thay đổi, bám theo nguyên tắc 
này ta đi nghiên cứu các công thức toán học mô tả quan hệ giữa công suất và trạng thái đóng cắt 
các nhánh van để từ đó làm cơ sở thiết kế các mạch vòng điều chỉnh công suất phát ra từ các 
nguồn cục bộ khi phụ tải tiêu thụ yêu cầu. 

 Công suất tác dụng của nguồn phát qua bộ biến đổi : 
a a b b c cp Re{[u .i u .i u .i }= + + 
a b c
a sa a b sb b c sc c
2 2 2a b c
a a a dc a b b b dc b c c c dc c
di di dip Re{ R.i L u .i R.i L u .i R.i L u .i }
dt dt dt
di di di
 Re{ R.i L.i . f .U .i R.i L.i . f .U .i R.i L.i . f .U .i }
dt dt dt
     
= + + + + + + + +     
     
     
= + + + + + + + +     
     
Khi bộ biến tần làm việc xác lập thì có thể xem như không có sự biến thiên về dòng điện 
nên di 0
dt
= , ta có: ( ) ( ) ( )2 2 2a a dc a b b dc b c c dc cp Re{ R.i f .U .i R.i f .U .i R.i f .U .i }= + + + + + 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(44)/N¨m 2007 – 
 55
 ( ) ( )2 j240 j240 j120dc wa wb wc wb wa wcU .IRe{R.I .(1 e e ) (2.s (s s ) 2s (s s e3
− −= + + + − + + − + 
j120
wc wa wb wa wb wc(2s (s s )e } A B.f (s ,s ,s )+ − + = + (11a) 

 Công suất phản kháng của nguồn phát qua bộ biến đổi : 
Tương tự ta có: 
a a b b c cq Im{[u .i u .i u .i }= + + = wa wb wcC D.f (s ,s ,s )+ (11b) 
Tuy nhiên, trọng tâm bài báo chỉ ứng dụng phương pháp thứ 2. 
4. Kết quả mô phỏng 
Trên hình 6 : mô phỏng điện áp đầu ra của biến tần có dạng hình sin 
Hình 6. Điện áp đầu ra của biến tần ứng với thời gian đóng cắt tdc = 10-6s 
Hình 7. Công suất tác dụng lưới nhận được khi thay đổi độ rộng xung 
P2 
P1 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(44)/N¨m 2007 – 
 56 
Trên hình 7 và hình 8: cho thấy khi thay đổi thông số luật điều khiển ta điều chỉnh được 
các lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng từ các nguồn cục bộ đáp ứng cho lưới 
yêu cầu. Điều này đúng với mô hình toán học (11a),(11b). 
5. Kết luận 
Kết quả mô phỏng theo Matlab, Simulink và phần mềm Plecs, hoàn toàn đã chứng tỏ có 
thể điều khiển các lượng công suất P; Q phát ra từ các nguồn điện cục bộ cung cấp cho tải . 
Tóm tắt 
Bài báo giới thiệu một trong những ưu điểm vượt trội của bộ biến đổi hiện đại PWM là 
khả năng truyền các thành phần công suất theo cả hai hướng, có điều chỉnh hệ số cosϕ theo 
mong muốn, được tác giả ứng dụng vào điều khiển công suất giữa các nguồn điện cục bộ cung 
cấp năng lượng cho lưới 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 cosϕ as desire. It is appied to control power between local souces to supply for 
general gird by author. 
Tài liệu tham khảo 
[1]. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh. Điện tử công suất.Nhà xuất bản Khoa học 
và Kỹ thuật Hà Nội 2007. 
[2]. Abhijit D. Pathak. MOSFET/IGBT Driver Theory and Applications. Ixys Application Note AN-
0002, 2001. 
[3]. Nguyễn Phùng Quang. Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha. Nhà xuất bản 
Giáo dục 1998. 
[4]. Tạp chí tự động hoá ngày nay-Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động năm 2006 và năm 2007. 
[5]. Đại học Bách Khoa Hà Nội. Hội nghị khoa học lần thứ 20 năm 2006. 
Hình 8. Công suất phản kháng lưới nhận được khi thay đổi độ rộng xung 
Q2 
Q1