Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm không khí ngày càng nghiêm trọng do khí thải từ các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hóa thạch, việc phát triển xe điện trở thành xu hướng tất yếu nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Theo báo cáo ngành, các loại ô tô hạng nhẹ, ô tô tải và xe buýt chiếm lần lượt 44%, 27% và 6% lượng khí thải carbon mỗi năm tại Việt Nam. Để đáp ứng nhu cầu sạc nhanh và hiệu quả cho xe điện, các bộ chuyển đổi AC/DC có mật độ công suất cao đóng vai trò then chốt trong hệ thống sạc tích hợp (On-board Charger).

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế bộ chuyển đổi AC/DC mật độ công suất cao dựa trên bộ lọc LCL, nhằm tối ưu kích thước, trọng lượng và hiệu suất của bộ sạc nhanh cho xe điện. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa bộ chuyển đổi ba pha, thiết kế bộ lọc LCL, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng, thiết kế phần cứng và thực nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. HCM trong giai đoạn từ tháng 02/2023 đến tháng 12/2023.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng, giảm tổn thất và kích thước bộ sạc, góp phần thúc đẩy ứng dụng xe điện tại Việt Nam và khu vực. Mật độ công suất của bộ sạc được cải thiện đáng kể so với các bộ lọc L truyền thống, đồng thời đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn về chất lượng dòng điện và độ méo hài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình hóa bộ chuyển đổi AC/DC ba pha: Sử dụng phép biến đổi Clarke và Park để chuyển đổi hệ ba pha sang hệ tọa độ quay dq, từ đó xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ tuyến tính phục vụ thiết kế bộ điều khiển.
  • Bộ lọc LCL: Phân tích mạch tương đương một pha của bộ lọc LCL, xác định các tham số điện cảm và tụ điện để đạt được tần số cộng hưởng phù hợp, giảm thiểu tổn thất và méo hài dòng điện.
  • Thuật toán vòng khóa pha (PLL) dựa trên DSOGI-PLL: Áp dụng bộ tích phân tổng quát bậc hai (SOGI) và bộ phát hiện thứ tự thuận (PSD) để xác định chính xác góc pha, biên độ và tần số điện áp lưới trong điều kiện lưới bị méo dạng hoặc mất cân bằng.
  • Bộ điều khiển PI: Thiết kế bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân (PI) cho vòng điều khiển dòng điện trục d và q, kết hợp với thuật toán decoupling để tách riêng ảnh hưởng giữa hai trục, đảm bảo ổn định và đáp ứng nhanh.

Các khái niệm chính bao gồm: biến đổi Clarke và Park, bộ lọc LCL, tần số cộng hưởng, thuật toán DSOGI-PLL, bộ điều khiển PI, méo hài tổng (THD), và hệ số công suất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình toán học, kết quả mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm thu thập từ hệ thống bộ chuyển đổi AC/DC ba pha với bộ lọc LCL thiết kế theo đề xuất.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô hình hóa trạng thái trung bình và tín hiệu nhỏ của bộ chuyển đổi trong hệ tọa độ dq.
  • Thiết kế bộ lọc LCL dựa trên các tiêu chí về tần số cộng hưởng, tổng trở kháng và công suất phản kháng.
  • Phát triển thuật toán vòng khóa pha DSOGI-PLL để xác định chính xác góc pha trong điều kiện lưới biến đổi.
  • Thiết kế bộ điều khiển PI cho vòng điều khiển dòng điện, kết hợp decoupling để tách trục d và q.
  • Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên phần mềm chuyên dụng để kiểm chứng lý thuyết.
  • Thiết kế phần cứng và thực nghiệm trên mô hình thực tế để đánh giá hiệu suất và độ ổn định.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm các phép đo dòng điện, điện áp và tín hiệu điều khiển trong nhiều điều kiện tải và lưới khác nhau. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các trường hợp điển hình của bộ chuyển đổi công suất cao trong ứng dụng sạc nhanh xe điện. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 02/2023 đến tháng 12/2023, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế bộ lọc LCL đạt hiệu quả cao và kích thước nhỏ gọn: Bộ lọc LCL được thiết kế với giá trị tụ điện Cf = 10µF, cuộn cảm phía bộ chuyển đổi Li và phía lưới Lg được lựa chọn sao cho tổng trở kháng nhỏ nhất, đạt giá trị LT thiết kế khoảng 126µH. So với bộ lọc L truyền thống, thể tích bộ lọc LCL giảm đáng kể, giúp tăng mật độ công suất của bộ chuyển đổi.

  2. Thuật toán DSOGI-PLL cho kết quả xác định góc pha chính xác trong điều kiện lưới méo và mất cân bằng: Thuật toán này giảm thiểu sai số pha và tần số, đảm bảo độ ổn định của bộ điều khiển trong các điều kiện lưới biến động, vượt trội hơn so với PLL truyền thống. Tần số cộng hưởng DSOGI được điều chỉnh tự động theo tần số lưới thực tế, giúp giảm sai số ước lượng.

  3. Bộ điều khiển PI với decoupling tách riêng trục d và q hoạt động ổn định, đáp ứng nhanh: Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển có thể duy trì dòng điện trục d theo giá trị đặt, đồng thời giữ dòng trục q gần bằng 0, đảm bảo hệ số công suất gần đơn vị. Độ méo hài tổng (THD) của dòng điện lưới được kiểm soát dưới 5%, tuân thủ tiêu chuẩn IEC61000-3-2.

  4. Hiệu suất chuyển đổi và mật độ công suất được cải thiện rõ rệt: Mật độ công suất của bộ chuyển đổi đạt khoảng 3.3 kW/L, hiệu suất tối đa trên 97%, phù hợp với mục tiêu phát triển bộ sạc nhanh cho xe điện. Kết quả thực nghiệm với tải thuần trở và tải điều khiển cho thấy sự ổn định và khả năng vận hành bền bỉ của hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện hiệu suất và giảm kích thước bộ chuyển đổi là nhờ thiết kế bộ lọc LCL tối ưu, giảm thiểu tổn thất điện cảm và tụ điện, đồng thời hạn chế hiện tượng cộng hưởng nhờ lựa chọn tần số cộng hưởng nằm trong khoảng an toàn (10 lần tần số lưới đến 0.5 lần tần số chuyển mạch).

So sánh với các nghiên cứu trước đây, phương pháp thiết kế bộ lọc LCL trong luận văn đơn giản hơn, dễ áp dụng và không cần thêm cảm biến dòng/áp để giảm chấn cộng hưởng, giúp giảm chi phí và độ phức tạp hệ thống. Thuật toán DSOGI-PLL được cải tiến giúp tăng độ chính xác và khả năng thích ứng với điều kiện lưới biến đổi, điều mà các PLL truyền thống khó đạt được.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số cộng hưởng so với các tham số γi, γg, biểu đồ đáp ứng tần số của DSOGI-PLL, và bảng so sánh thể tích bộ lọc LCL với bộ lọc L truyền thống. Các biểu đồ mô phỏng dòng điện trục d và q, cũng như kết quả thực nghiệm đo dòng điện và điện áp, minh họa rõ hiệu quả của thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi bộ lọc LCL trong các bộ chuyển đổi AC/DC công suất cao: Khuyến nghị các nhà sản xuất bộ sạc nhanh áp dụng thiết kế bộ lọc LCL theo quy trình đề xuất để giảm kích thước và tổn thất, nâng cao mật độ công suất. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các công ty công nghệ và nhà máy sản xuất thiết bị điện.

  2. Phát triển thuật toán DSOGI-PLL tích hợp trong bộ điều khiển số: Đề xuất tích hợp thuật toán DSOGI-PLL vào bộ xử lý tín hiệu số (DSP) để nâng cao độ chính xác và khả năng thích ứng với lưới điện biến đổi, giảm thiểu sự cố trong quá trình sạc. Thời gian triển khai 6-12 tháng, chủ thể là nhóm nghiên cứu và nhà phát triển phần mềm điều khiển.

  3. Nâng cao chất lượng bộ điều khiển PI với decoupling và tối ưu tham số: Khuyến nghị nghiên cứu thêm về tối ưu tham số bộ điều khiển PI để cải thiện đáp ứng động và ổn định hệ thống trong các điều kiện tải và lưới khác nhau. Chủ thể là các kỹ sư điều khiển và nhà nghiên cứu, thời gian 1 năm.

  4. Xây dựng hệ thống thử nghiệm và đánh giá thực tế quy mô lớn: Đề xuất thiết lập các phòng thí nghiệm và mô hình thử nghiệm thực tế với các loại tải đa dạng để đánh giá toàn diện hiệu suất và độ bền của bộ chuyển đổi AC/DC sử dụng bộ lọc LCL. Chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học, thời gian 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế bộ lọc LCL, mô hình hóa bộ chuyển đổi và thuật toán điều khiển hiện đại, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực điện tử công suất.

  2. Kỹ sư thiết kế bộ chuyển đổi và bộ sạc nhanh xe điện: Các kỹ sư có thể áp dụng quy trình thiết kế bộ lọc LCL và thuật toán DSOGI-PLL để nâng cao hiệu suất và giảm kích thước sản phẩm, đáp ứng yêu cầu thị trường xe điện ngày càng phát triển.

  3. Các công ty sản xuất thiết bị điện và xe điện: Luận văn cung cấp giải pháp kỹ thuật giúp cải tiến sản phẩm bộ sạc tích hợp, tăng tính cạnh tranh và đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về chất lượng điện năng.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Tham khảo để hiểu rõ các công nghệ mới trong lĩnh vực sạc nhanh xe điện, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển hạ tầng và thúc đẩy chuyển đổi năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ lọc LCL có ưu điểm gì so với bộ lọc L truyền thống?
    Bộ lọc LCL cho phép giảm giá trị điện cảm cần thiết, từ đó giảm kích thước và trọng lượng bộ lọc, đồng thời giảm tổn thất điện năng. Ngoài ra, bộ lọc LCL giúp cải thiện chất lượng dòng điện, giảm méo hài tổng (THD) và tăng hiệu suất chuyển đổi.

  2. Thuật toán DSOGI-PLL hoạt động như thế nào trong điều kiện lưới bị méo dạng?
    DSOGI-PLL sử dụng bộ tích phân tổng quát bậc hai để tạo tín hiệu trực giao, kết hợp bộ phát hiện thứ tự thuận (PSD) giúp xác định chính xác góc pha và tần số điện áp lưới ngay cả khi lưới bị méo hoặc mất cân bằng, vượt trội hơn so với PLL truyền thống.

  3. Làm thế nào để thiết kế tần số cộng hưởng của bộ lọc LCL?
    Tần số cộng hưởng được thiết kế nằm trong khoảng từ 10 lần tần số lưới đến 0.5 lần tần số chuyển mạch để tránh cộng hưởng không mong muốn. Giá trị điện cảm và tụ điện được tính toán dựa trên công suất phản kháng và các hệ số γi, γg nhằm tối ưu tổng trở kháng và hiệu suất.

  4. Bộ điều khiển PI có thể điều khiển độc lập dòng điện trục d và q không?
    Nhờ sử dụng kỹ thuật decoupling, bộ điều khiển PI có thể tách riêng ảnh hưởng giữa hai trục d và q, giúp điều khiển chính xác dòng điện theo từng trục, đảm bảo hệ số công suất gần đơn vị và ổn định hệ thống.

  5. Mật độ công suất của bộ chuyển đổi đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Mật độ công suất đạt khoảng 3.3 kW/L với hiệu suất tối đa trên 97%, phù hợp với các yêu cầu của bộ sạc nhanh xe điện hiện đại, giúp giảm kích thước và trọng lượng thiết bị.

Kết luận

  • Đã đề xuất và thiết kế thành công bộ lọc LCL nhỏ gọn, hiệu quả cao cho bộ chuyển đổi AC/DC công suất cao trong ứng dụng sạc nhanh xe điện.
  • Thuật toán DSOGI-PLL được phát triển giúp xác định chính xác góc pha và tần số điện áp lưới trong điều kiện lưới biến đổi, nâng cao độ ổn định hệ thống.
  • Bộ điều khiển PI với kỹ thuật decoupling đảm bảo điều khiển dòng điện trục d và q hiệu quả, duy trì hệ số công suất gần đơn vị và giảm méo hài tổng.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh tính khả thi và hiệu quả của thiết kế, mật độ công suất và hiệu suất đạt mức cao.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai và nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xe điện.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô lớn, tối ưu thuật toán điều khiển và mở rộng nghiên cứu sang các ứng dụng chuyển đổi năng lượng khác.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điện tử công suất nên áp dụng và phát triển thêm các giải pháp dựa trên bộ lọc LCL và thuật toán DSOGI-PLL để nâng cao hiệu quả hệ thống chuyển đổi năng lượng.