CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong những năm gần đây, cấu hình nghịch lưu hình T 3 bậc (3L-T2I) đã được sử dụng rất phổ biến vì tổn hao dẫn của nó thấp so với cấu hình nghịch lưu NPC cũng như chất lượng điện áp ngõ ra tốt hơn so với cấu hình nghịch lưu hai bậc [1], [2]. Cấu hình nghịch lưu hình T 3 bậc gần đây đã được quan tâm bởi những ứng dụng như: hệ thống năng lượng mặt trời (PV), điều khiển ô tô,… [3] – [5]. Hơn nữa, cấu hình nghịch lưu hình T 3 bậc truyền thống được biết như bộ biến đổi giảm áp do điện áp đỉnh xoay chiều ngõ ra thấp hơn điện áp DC ngõ vào của bộ nghịch lưu. Ngoài ra, cấu hình nghịch lưu hình T 3 bậc truyền thống vẫn duy trì trạng thái ngắn mạch (hai khóa công suất trong một nhánh cùng dẫn trong một thời điểm).
Với khả năng hoạt động tăng-giảm áp và chịu được ngắn mạch, các bộ nghịch lưu mạng nguồn kháng đã được quan tâm như là một giải pháp để giải quyết những nhược điểm của nghịch lưu hình T 3 bậc truyền thống [6] – [8]. Bằng cách thêm một Diode, hai tụ điện và hai cuộn dây và các phần tử này được bố trí như chữ Z nên có tên gọi là nguồn Z. Tính năng chính của nghịch lưu nguồn Z (ZSI) là hoạt động tăng-giảm áp và chịu được ngắn mạch. Trong suốt quá trình hoạt động, trạng thái ngắn mạch được sử dụng kết hợp với những vector truyền thống nhằm tăng điện áp DC link.
Kết quả là độ tin cậy của bộ nghịch lưu được cải thiện. Với những lợi điểm này, nhiều ứng dụng dựa vào nguyên lý của nguồn Z được quan tâm như hệ thống điều khiển động cơ AC, hệ thống kết nối lưới, hệ thống PV [9], [10]. Để tăng cường số bậc điện áp ngõ ra, nhiều cấu hình nghịch lưu đa bậc truyền thống được xem xét để kết hợp với mạng nguồn Z như: nghịch lưu ghép tầng (cascade), nghịch lưu Diode kẹp (NPCI) hoặc nghịch lưu 3 bậc hình T [11] – [14]. Trong nghiên cứu [15] và [16] trình bày sự kết hợp giữa mạng nguồn Z và nghịch lưu hình T 3 bậc truyền thống.
Để tạo điện áp 3 bậc tại ngõ ra của bộ nghịch lưu, điểm giữa của hai nguồn DC được thêm vào. Cấu hình này phải sử dụng thêm một Diode đề đảm bảo tính đối xứng của mạng nguồn kháng. Giải thuật điều khiển vector không gian được xem xét trong cấu hình này. Thay vì sử dụng phương pháp chèn xung đồng thời như những cấu hình nghịch lưu nguồn Z truyền thống, cấu hình này lại sử dụng phương pháp chèn xung ngắn mạch nửa trên và ngắn mạch nửa dưới để đảm bảo khả năng tăng áp.
Trong phương pháp này, không chỉ hệ 8 Luan van số tăng áp bằng với phương pháp truyền thống [8] mà còn đề xuất cân bằng điện áp điểm giữa. Tuy nhiên, phương pháp [16] yêu cầu thời gian tính toán khá lớn cũng như việc sử dụng vector nhỏ làm ảnh hưởng đến hệ số tăng áp. Để giảm điện áp đặt trên tụ điện cũng như dòng điện liên tục, cấu hình nghịch lưu tựa nguồn Z (qZSI) được đề xuất trong [17] – [20]. Cấu hình này sử dụng các thành phần công suất thụ động giống như nghịch lưu nguồn Z mà chỉ thay đổi vị trí của các phần tử công suất thụ động, chính lý do này nên nó có tên là nghịch lưu tựa nguồn Z.
Giống như nghịch lưu nguồn Z, nghịch lưu tựa nguồn Z cũng thừa hưởng những tính năng như hoạt động tăng-giảm áp, chịu được ngắn mạch và giảm điện áp đặt trên các phần tử công suất thụ động. Tuy nhiên, cấu hình này mạng nguồn kháng không đối xứng như mạng nguồn Z do đó hai mạng tựa nguồn Z được kết nối như ghép tầng để tạo điện áp 3 bậc ngõ ra. Trong những nghiên cứu này những vấn đề mất cân bằng điện áp trên tụ được giải quyết bằng cách thêm một vector nhỏ trong chuỗi xung đóng ngắt truyền thống. Tuy nhiên, khoảng thời gian thêm vào của vector nhỏ được xem là khó khăn cũng như việc tính toán phức tạp.
Ngoài ra, việc sử dụng hai mạng nguồn kháng làm cho bộ nghịch lưu tựa nguồn Z có quá nhiều phần tử công suất thụ động gây nên tăng trọng lượng, kích thước và giá thành. Để giải quyết vấn đề nhiều phần tử công suất thụ động, nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch (qSBI) được đề xuất [21], [22]. Bằng cách sử dụng thêm một khóa chuyển mạch trong mạng nguồn kháng, nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch rất linh hoạt trong điều khiển. Thuận lợi của cấu hình này được biết như độ lợi điện áp cao, hệ số tăng áp cao cũng như độ gợn dòng điện của cuộn dây tăng áp giảm.
Những thuận lợi này giúp giảm điện áp đặt trên các phần tử công suất. Trong bài báo [23] – [27] đề xuất sự kết hợp giữa mạng tăng áp tựa nguồn kháng và nghịch lưu đa bậc Diode kẹp truyền thống. Trong [23], [24] nghịch lưu ba bậc Diode kẹp truyền thống 9 Luan van kết hợp với hai mạng nguồn kháng tăng áp tựa khóa chuyển mạch để cải thiện số bậc điện áp ngõ ra. Nghịch lưu ba bậc hình T được chọn kết hợp với hai mạng nguồn kháng tăng áp tựa khóa chuyển mạch trong [25] – [27].
Mạng nguồn kháng trong [25] – [27] sử dụng ít hơn một nguồn và một cuộn dây so với [23], [24]. Những nghiên cứu này có những thuận lợi như độ lợi điện áp cao [25], triệt tiêu điện áp commom mode [26] và khả năng hoạt động trong điều kiện lỗi hở mạch khóa công suất. Nói chung, hệ số tăng áp của các nghiên cứu đã trình bày ở trên còn nhỏ, vì vậy, trong bài báo này phương pháp PWM mới được đề xuất để cải tiến hệ số tăng áp cũng như độ lợi điện áp của cấu hình này mà vẫn duy trì ưu điểm giảm độ gợn dòng điện. Nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc hình T ở nước ngoài: Các công trình nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc xuất phát từ các phòng thí nghiệm của các nước Ấn Độ, Hàn Quốc, Trung Quốc,… cũng chỉ theo hai hướng trên.
Các công trình tiêu biểu cho hướng nghiên cứu có thể kể đến là công trình của các tác giả sau: - M. Keerthipati, “Fault-tolerant three-level boost inverter with reduced source and LC count,” IET Power Electron. Zhang, “A Space Vector Modulation Scheme of the Quasi-Z-Source Three-Level T-Type Inverter for Common-Mode Voltage Reduction,” IEEE Trans. Zhang, “Simultaneous Common- Mode Voltage Reduction and Neutral-Point Voltage Balance Scheme for the Quasi-Z-Source Three-Level T-Type Inverter,” IEEE Trans.
Nghiên cứu nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc hình T ở Việt Nam: Điều khiển nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T đang được nghiên cứu ở các trường đại học toàn quốc, với khả năng kết hợp với Solar cell cung cấp điện xoay chiều 1 pha và 3 pha cho thiết bị dân dụng và thiết bị điện công nghiệp. Mặt khác, việc sử dụng năng lượng gió, năng lượng thủy điện và năng lượng mặt trời là tính cấp bách. Đề tài 10 Luan van nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc hình T được ứng dụng trong thực tiễn là hiện thực. Gần đây một số tác giả đã nghiên cứu hình T ở trong nước điển hình như: - Nguyễn Đình Tuyên “Nghiên cứu điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ba bậc kiểu T (hình T) trong điều kiện sự cố” [5] đăng trên Hội nghị triển lãm quốc tế lần thứ 4 về Điều khiển và Tự động hoá (VCCA 2017).
Tác giả khắc phục sự cố bằng cách điều chế lại độ rộng xung để bổ xung biên độ bị mất đi. Tuy nhiên, với cấu hình này, điện áp ngõ ra sẽ thấp hơn điện áp ngõ vào và bộ nghịch lưu phải hoạt động trong hai chặng sẽ rất khó trong vấn đề điều khiển. - Để khắc phục nghiên cứu của [5]: - Nguyễn Trung Hiếu, Nguyễn Minh Khai, Đỗ Đức Trí;.“A Fault-tolerant Z-source T-type Three-Level Inverter System,”. Hội nghị triển lãm quốc tế lần 4 về điều khiển và tự động hóa VCCA 2017, 12 – 2017.
Với bài báo này vừa điều khiển bộ nghịch lưu trong một chặng mà còn chịu lỗi hở mạch khi một trong 3 pha bị lỗi. - Duc-Tri Do, Minh-Khai Nguyen, “Three-Level Quasi-Switched Boost T-Type Inverter: Analysis, PWM Control, and Verification,” IEEE Transactions on industrial electronics, Vol. Vilathgamuwa, “A PWM Scheme for a Fault-Tolerant Three-Level Quasi- Switched Boost T-Type Inverter,” IEEE J. 11 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 3 PHA 3 BẬC HÌNH T 2.
Cấu hình nghịch lưu truyền thống: Các cấu hình nghịch lưu áp truyền thống bao gồm những cấu hình nghịch lưu: nghịch lưu Diode kẹp (NPC), nghịch lưu ghép tầng (Cascade) và nghịch lưu tụ kẹp (Flying Capacitor), những năm gần đây một số cấu hình nghịch lưu mới được đề xuất và cho thấy một số ưu điểm như cấu hình lai (Hybrid), cấu hình nghịch lưu hình T.1 biểu diễn cấu hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T gồm 12 khóa bán dẫn S1x- S4x. Với cấu hình nghịch lưu truyền thống như trình bày ở Hình 2.1 là bộ chuyển đổi giảm áp, bên cạnh đó hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh (S1x và S4x, S1x và S2x, S3x và S4x) là không cho phép cùng dẫn trong một thời điểm vì sẽ xảy ra hiện tượng ngắn mạch làm hư hỏng thiết bị. S1a S1b S1c Vc1 VPN S2a Vdc S2b Bộ lọc S3a 3 pha S2c Vc2 S3b và tải S3c S4a S4b S4c Hình 2.1: Bộ nghịch lưu hình T (T-Type) ba pha truyền thống. Điện áp ngõ ra của nghịch lưu ba bậc hình T truyền thống được xác định theo phương trình (2.1): M VPN vx = = M VC .1) Với M là chỉ số điều chế, VPN điện áp trên thanh cái, VC là điện áp trên tụ C.
Đối với những nguồn năng lượng mới như: pin mặt trời (PV), pin nhiên liệu (Fuel Cell)…, điện áp ngõ ra của các dạng năng lượng này là điện áp một chiều có giá trị 12 Luan van điện áp thấp, không ổn định phụ thuộc theo thời gian, phụ thuộc vào môi trường làm việc. Khi sử dụng các nguồn năng lượng mới này, việc chuyển đổi thành điện áp xoay chiều 220V/380V đòi hỏi điện áp một chiều trước khi đưa vào bộ nghịch lưu phải có 2 220. 2 giá trị lớn hơn 541 VDC ( Vdc = = 541V ). 2/ 3 Điện áp một chiều có giá trị lớn này có thể thực hiện bằng cách mắc nối tiếp các tấm pin điện áp thấp với nhau, đồng nghĩa với số lượng pin phải nhiều và lắp đặt trên diện tích rộng.
Điều này chỉ thích hợp với hệ thống công suất lớn.