CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước Trong những năm gần đây, bộ nghịch lưu nguồn áp (VSIs) đóng vai trò trong hệ thống phân phối công suất bởi vì chúng chuyển đổi nguồn công suất DC thành nguồn công suất AC để kết nối lưới. VSIs đa bậc có nhiều ưu điểm như là chất lượng điện năng tốt hơn, yêu cầu bộ lọc ngõ ra nhỏ hơn, điện áp đặt trên các khóa bán dẫn thấp hơn, điện áp và công suất có khả năng cao hơn và nhiễu điện từ thấp hơn (EMI) [1], [2]. VSIs ba bậc được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong hệ thống phân phối công suất, động cơ AC, xe điện lai, hệ thống năng lượng tái tạo, những nguồn cung cấp liên tục và những hệ thống bù StatCom [3].
Trong thực tế các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo, các hệ thống truyền động động cơ AC được sản xuất với công suất ngày một lớn hơn. Kết quả là dòng qua các khóa công suất ngày càng cao và điện áp đặt lên khóa ngày càng lớn. Các tính toán trong [4] cho thấy việc tăng dòng điện qua các khóa công suất và điện áp đặt lên khóa sẽ làm tăng tổn hao do sự chuyển mạch của khóa. Ngoài vấn đề làm giảm hiệu suất hệ thống thì lúc này kích thước của bộ phận giải nhiệt cũng trở thành vấn đề lớn cần giải quyết.
Vì thế việc nghiên cứu các kỹ thuật giảm tổn hao do chuyển mạch được thực hiện khá nhiều trong thời gian qua ở cả trong nước và quốc tế. Nghiên cứu giảm tổn hao do chuyển mạch của khóa công suất ở nước ngoài Các công trình nghiên cứu về giảm tổn hao do chuyển mạch trên cấu hình nghịch lưu đa bậc xuất phát từ các phòng thí nghiệm của các nước phát triển được thực hiện từ rất sớm tiêu biểu là các công bố từ F.Casanellas vào năm 1993[5], Uwe Drofenik và Johann W. Các công trình này tiêu biểu cho hướng nghiên cứu là phân tích tổn hao do sự chuyển mạch trong biến tần và đề xuất thay đổi tần số sóng mang để giảm tần số chuyển mạch từ đó giảm tổn hao đồng thời tần số sóng mang phải đủ lớn để các tính chất điện của điện áp nghịch lưu vẫn phải trong giới hạn cho phép của các tiêu chuẩn. Từ sau năm 2008 các kỹ thuật điều chế mới xuất hiện ngày càng nhiều, ứng với nhiều cấu hình nghịch lưu mới thì có khá nhiều nghiên cứu về giảm tổn hao do chuyển 8 Luan van mạch theo các kỹ thuật điều chế nhằm giảm tổn hao do chuyển mạch thông qua giảm số lần chuyển mạch hoặc chuyển mạch tại các pha có dòng điện không lớn.
Tiêu biểu cho hướng nghiên cứu này có thể kể đến nghiên cứu: - C. Baskaran công bố năm 2010 “Performance Improvement of Multiphase Multilevel Inverter Using Hybrid Carrier Based Space Vector Modulation” [8]. Trong công bố này các tác giả đã phối hợp 2 kỹ thuật điều chế cơ bản là điều chế sóng mang và điều chế kiểu vector không gian nhằm giảm tổn hao do chuyển mạch trong các nghịch lưu đa pha đa bậc. - Công bố của Emanuel Serban, Cosmin Pondiche và Martin Ordonez “Power-loss analysis in 3-level TNPC inverters: Modulation effects” [9].
Các tác giả nghiên cứu [9] đã thực hiện dánh giá của các kỹ thuật điều khiển lên tổn hao do chuyển mạch của bộ nghịch lưu. Các kỹ thuật nghịch lưu mà các tác giả đề cập là kỹ thuật SVPWM, SVPWM 1/6… và cấu hình cho các đánh giá là cầu hình nghịch lưu T-NPC 3 bậc. Tương tự [9] gần đây là nghiên cứu “Effect of different methods of pulse width modulation on power losses in an induction motor” của các tác giả Alexander Gulyaev, Dmitrii Foki. Có thể nói nghiên cứu [10] là phổ quát cho ảnh hưởng của các kỹ thuật điều chế cho nghịch lưu để áp dụng cho các động cơ từ trở.
- “A Novel Switching Sequence Design for Five-Level HNPC-Bridge Inverters With Improved Output Voltage Spectrum and Minimized Device Switching Frequency” [11]. Đây là nghiên cứu tiêu biểu cho hướng điều chế sử dụng kỹ thuật SVPWM. Bài báo tập trung trình bày một trình tự chuyển mạch theo điều chế vector không gian nhằm tối ưu hóa cho các cải thiện giảm hài bậc cao và giảm tần số chuyển mạch của các khóa công suất. Cấu hình nghịch lưu trong nghiên cứu là cấu hình nghịch lưu lai 5 bậc.
Trong đó, mỗi pha của nghịch lưu bao gồm hai nhánh NPC, một nhánh được kết nối với thiết bị đầu ra (tải) và nhánh còn lại kết nối với điểm trung tính. Mỗi cầu H được cung cấp bởi nguồn dc độc lập. Trong nghiên cứu [12] các tác giả C. Baskaran đã nghiên cứu về Efficient Sequential Switching Hybrid-Modulation Techniques for Cascaded Multilevel Inverters vào năm 2011.
9 Luan van Năm 2013 các tác giả Maiyarasu.S đã đề xuất cấu hình nghịch lưu ghép NPC và cascade trong đó cấu hình NPC tạo ra các ngưỡng điện áp DC và cấu hình cascade tạo ra phần bán kỳ dương, âm. Cấu hình này cho phép giảm số khóa công suất cần dùng so với các cấu hình chuẩn. Tuy nhiên việc điều khiển cấu hình khá phức tạp do đó các tác giả chưa đề xuất giải thuật tương ứng với cấu hình [13]. Tiếp cận với nghịch lưu ghép thông qua giải thuật điều chế nhóm tác giả C.
Baskaran [12] và nhóm P. Thongprasri [14] đã đề xuất giải thuật lai SV và giải thuật điều chế đa sóng mang. Trong [14] các tác giả đã phối hợp giữa phổ tần của điện áp điều khiển PWM với thành phần chuyển mạch trong kỹ thuật vector không gian (SV) để đưa ra xung kích phân bố phù hợp cho các khóa chuyển mạch. Giải thuật này dựa trên kỹ thuật SV nên việc tính toán khá phức tạp và khó có khả năng tối ưu nếu số bậc tăng lên do ghép thêm nhiều bộ nghịch lưu.
Với nghiên cứu [14] tác giả P. Thongprasri đã cố gắng chuyển kỹ thuật của C. Baskaran sang hình thức điều chế đa sóng mang. Tuy nhiên do vẫn dựa trên nguyên lý của SV nên các tác giả chưa tận dụng các tối ưu của hàm offset trong kỹ thuật điều chế sóng mang.
Nghiên cứu giảm tổn hao do chuyển mạch của khóa công suất ở Việt Nam Kỹ thuật điều chế giảm tổn hao chuyển mạch cho nghịch lưu đa bậc nói chung và nghịch lưu 5 bậc nói riêng đã và đang được nghiên cứu ở các trường đại học trong nước. Gần đây một số nghiên cứu kỹ thuật giảm tổn hao do chuyển mạch của các tác giả trong nước đã được công bố, điển hình như: Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha cầu H gồm hai mạch NPC ba bậc (5 bậc lai) trong luận văn thạc sĩ của tác giả Bùi Thanh Hiếu, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Nghiên cứu này tập trung phân tích mô phỏng và thực nghiệm bằng phương pháp điều chế mới cho biến tần lai cầu H ba pha gồm hai nhánh NPC 3 bậc sử dụng một sóng mang có số lần chuyển mạch ít, hiệu quả trong việc giảm common-mode [15]. Năm 2017 các tác giả Quách Thanh Hải, Đỗ Đức Trí và Lê Huỳnh Lý công bố nghiên cứu “Carrier PWM With Multi Control-Voltages For Hybrid Inverter 5 10 Luan van Levels” [16].
Nghiên cứu này đã đề xuất cấu hình nghịch lưu lai giữa bộ cascade chuẩn và nghịch lưu căn bản và kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Cấu hình nghịch lưu ba pha 5 bậc đề xuất đã giảm được khá nhiều linh kiện IGBT, diode và tụ điện so với các cấu hình chuẩn tuy nhiên số nguồn DC sử dụng còn khá nhiều và cần có sự cải tiến để giảm số lượng. Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Văn Nhờ và các cộng sự “A Reduced Switching Loss PWM Strategy to Eliminate Common Mode Voltage In Multilevel Inverters” [17] 11 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 3 PHA 5 BẬC CẦU H-NPC 2.1 Cở sở lý thuyết về nghịch lưu 3 pha 5 bậc cầu H-NPC 2.1 Cấu hình nghịch lưu 5 bậc truyền thống: Mạch nghịch lưu 5 bậc truyền thống thường thực hiện theo cấu hình Neutral Point Clamped - NPC hoặc cascade.2 là sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu áp NPC 5 bậc. Bộ nghịch lưu 5 bậc NPC có một mạch nguồn DC được phân chia thành bốn cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi bốn tụ điện mắc nối tiếp.
Điện áp trên các tụ như 𝑈𝑑 nhau và có giá trị. 4 Nếu gọi Sx,i là trạng thái khóa i pha x nhánh trên và S’x,i là trạng thái khóa i pha x nhánh dưới (i=1, 2, 3, 4) thì: ′ 𝑆𝑥,𝑖 + 𝑆𝑥𝑖 =1 (2.2) Điện áp pha – mass nguồn được xác định theo trạng thái các khóa trên nhánh pha và với (2.8) có thể xác định dựa vào (2. Bộ nghịch lưu áp dạng NPC 5 bậc 12 Luan van Do đó trạng thái khóa và điện áp pha-mass nguồn của bộ nghịch lưu được xác định theo bảng 2. Trạng thái khóa và điện áp pha tâm nguồn nghịch lưu NPC 5 bậc TT Sx1 Sx2 Sx3 Sx4 Sx UxG 1 0 0 0 0 0 0 𝑈𝑑 2 1 0 0 0 1 4 𝑈𝑑 3 1 1 0 0 2 2 4 𝑈𝑑 4 1 1 1 0 3 3 4 𝑈𝑑 5 1 1 1 1 4 4 4 Bộ nghịch lưu áp 5 bậc NPC điện áp pha tâm nguồn sẽ có 5 mức điện áp.
Với cấu trúc nghịch lưu 5 bậc kiểu kiểu diode kẹp chuẩn thì số tụ sử dụng sẽ là 4, số nguồn là 1. Trên 1 pha số khóa công suất là 8, số diode kẹp là 6.4) 4 𝑈𝑐𝐺 𝑆𝑐 Trong đó: UxG là điện áp pha tâm nguồn DC. ud điện áp nguồn DC cung cấp cho mạch. Kết quả là có thể xác định điện áp pha tải (phase-neutral Uxn) và điện áp dây một cách chính xác qua (1.7) 𝑈𝑐𝑎 −1 0 1 𝑈𝑐𝑛 13 Luan van Do đó, thành phần UxG chứa hài bậc 3 còn hai thành phần điện áp pha Uxn và điện áp dây Uxy sẽ không có hài này.
b chỉ ra cấu hình nghịch lưu Cascade 5 bậc gồm 2 bộ nghịch lưu áp cầu H một pha ghép nối tiếp với nhau. Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-Vd/2, 0, Vd/2) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của 2 bộ nghịch lưu áp trên một nhánh sẽ tạo nên 2 mức điện áp âm (-Vd/2, -2*Vd/2); 2 mức điện áp dương (Vd/2, 2*Vd/2) và mức áp 0 tương đương nghịch lưu 5 bậc. Điện áp pha-mass nguồn có 5 mức điện áp (-2U/2, -U/2, 0, U/2, 2U/2).
Nếu gọi Sx,i là trạng thái khóa i pha x nhánh trên và S’x,i là trạng thái khóa i pha x nhánh dưới (i=1, 2, 3, 4) thì: 𝑺𝒙,𝒊 + 𝑺′𝒙𝒊 = 𝟏 (2.