Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade

Khám phá giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade, tối ưu hiệu suất và độ tin cậy.

• Tác giả: Đỗ Đức Trí
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước
• 1.2. Nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc Cascade ở nước ngoài
• 1.3. Nghiên cứu nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc Cascade ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 3 PHA 5 BẬC CASCADE
• 2.1. Mô hình hóa của bộ nghịch lưu áp 3 pha n bậc Cascade
• 2.2. Cơ sở lý thuyết và phương trình toán bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade
• 2.3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp
• 2.4. Phương pháp điều khiển độ rộng xung sin SPWM
• 2.5. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified SPWM)
• 2.6. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM
• 2.6.1. Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ - APOD (Alternative Phase Opposition Disposition)
• 2.6.2. Bố trí cùng pha – IPD (In Phase Disposition): Tất cả các sóng mang điều cùng pha
• 2.6.3. Bố trí đối xứng qua trục zero – POD (Phase Opposition Disposition)
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC CASCADE ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP
• 3.1. Mô hình toán học, phương trình toán bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc Cascade
• 3.2. Phương trình toán của bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc Cascade
• 3.3. Xây dựng bộ điều khiển
• 3.4. Vấn đề tổn hao do chuyển mạch và đề xuất giải thuật
• 3.5. Giải thuật đề xuất
• 3.5.1. Nguyên lý giải thuật
• 3.5.2. Mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC
• 3.5.3. Thông số mô phỏng
• 3.5.4. Mô hình mô phỏng
• 3.5.5. Chức năng các khối trong mô hình
• 3.5.6. Khối tạo sóng sin
• 3.5.7. Khối sóng mang và so sánh tạo xung kích
• 3.5.8. Kết quả mô phỏng với chỉ số điều chế m = 0
• 3.5.9. Kết quả mô phỏng
• 3.5.10. Phân tích FFT
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm
• 4.2. Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm
• 4.3. Khối khuếch đại công suất
• 4.4. Mạch Drive PWM
• 4.5. Mạch IGBT DRIVER
• 4.6. Kit DSP TMS320F28335
• 4.7. Các đặc điểm cơ bản của F28335
• 4.8. Đặc điểm thiết kế phần cứng
• 4.9. Mạch cảm biến và khuếch đại tín hiệu dòng
• 4.10. Mạch lọc thông thấp
• 4.11. Tổng thể mô hình thực nghiệm
• 4.12. Các thiết bị đo hỗ trở cho phần thực nghiệm
• 4.13. Tải điện trở và cuộn cảm
• 4.14. Phần mềm lập trình, biên dịch và nạp cho kít DSP TMS320F28335
• 4.15. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng
• 4.16. Kết quả xung kích
• 4.17. Điện áp pha tâm nguồn
• 4.18. Điện áp pha tâm tải
• 4.19. Dòng điện 3 pha. Điện áp tâm nguồn với dòng điện 3 pha. Độ lệch pha của dòng điên và điên áp
• 4.20. Phân tích FFT điện áp pha tâm tải
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 5.1. Những đóng góp của đề tài
• 5.2. Hạn chế của đề tài
• 5.3. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Giải thuật điều chế sóng mang và Nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade

Bài báo tập trung vào giải thuật điều chế sóng mang cho nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade. Nghịch lưu 3 pha là thiết bị chuyển đổi năng lượng một chiều thành ba pha xoay chiều. Nghịch lưu 5 bậc và nghịch lưu cascade giảm sóng hài, cải thiện chất lượng điện năng. Giải thuật điều chế sóng mang tối ưu hóa quá trình chuyển mạch, giảm tổn hao năng lượng. Pulse Width Modulation (PWM) là kỹ thuật điều khiển phổ biến, bao gồm Space Vector PWM (SVPWM) và các biến thể. Giải thuật điều chế sóng mang cải tiến hướng đến giảm thiểu Total Harmonic Distortion (THD) và nâng cao hiệu suất nghịch lưu. Nghiên cứu này ứng dụng điều khiển vector không gian và các kỹ thuật điều khiển vòng kín như điều khiển PID. Mô phỏng và thực nghiệm được thực hiện trên phần mềm MATLAB/Simulink hoặc PSIM.

1.1. Tổng quan về nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade

Nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade là một cấu trúc nghịch lưu đa cấp. Cấu trúc này tạo ra điện áp đầu ra với nhiều cấp điện áp trung gian, nhờ đó giảm thiểu sóng hài và nâng cao chất lượng điện năng. So với các loại nghịch lưu khác, nghịch lưu cascade có ưu điểm về việc giảm thiểu tổn hao chuyển mạch và khả năng hoạt động ở tần số cao hơn. Việc mô hình hóa nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade là bước quan trọng để phân tích và thiết kế các thuật toán điều khiển hiệu quả. Các phương trình toán học mô tả hoạt động của nghịch lưu cascade cần được xây dựng chính xác để đảm bảo độ chính xác của mô phỏng và kết quả thực nghiệm. Phân tích hài của điện áp đầu ra là yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả của giải thuật điều chế sóng mang. THD thấp là mục tiêu hướng đến để đảm bảo chất lượng điện năng đầu ra. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nghịch lưu bao gồm tổn hao chuyển mạch, tổn hao dẫn, và tổn hao trong các linh kiện điện tử công suất. Tối ưu hóa thiết kế hướng tới giảm thiểu các loại tổn hao này để nâng cao hiệu quả của hệ thống.

1.2. Giải thuật điều chế sóng mang và các phương pháp PWM

Giải thuật điều chế sóng mang là trái tim của nghịch lưu; nó điều khiển các khóa công suất để tạo ra điện áp đầu ra mong muốn. Phương pháp Pulse Width Modulation (PWM) rất quan trọng. SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) là phương pháp phổ biến, cho phép tạo ra sóng hình sin gần đúng bằng cách điều khiển độ rộng xung. Space Vector PWM (SVPWM) là một phương pháp điều chế sóng mang tiên tiến, dựa trên việc phân tích không gian vector. SVPWM tối ưu hóa việc sử dụng các vector không gian, giảm thiểu sóng hài và nâng cao hiệu suất. Giải thuật điều chế sóng mang đa cấp phức tạp hơn nhưng hiệu quả hơn các phương pháp PWM truyền thống. Giải thuật điều chế sóng mang cải tiến nhằm giảm số lần chuyển mạch, giảm thiểu tổn hao chuyển mạch, và giảm thiểu THD. Các giải thuật điều chế sóng mang khác nhau được đánh giá dựa trên các chỉ số như THD, hiệu suất nghịch lưu, và độ phức tạp của thuật toán. Nghiên cứu này đề cập đến việc giảm số lần chuyển mạch để nâng cao hiệu suất của nghịch lưu.

II. Mô hình toán và Mô phỏng

Mô hình toán học của nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade được xây dựng dựa trên các phương trình mạch điện. Phương trình này mô tả mối quan hệ giữa điện áp đầu vào, điện áp đầu ra, và các trạng thái chuyển mạch của các khóa công suất. Mô phỏng được thực hiện sử dụng phần mềm chuyên dụng như MATLAB/Simulink hoặc PSIM. Mô hình mô phỏng cần bao gồm tất cả các thành phần chính của hệ thống, bao gồm các khóa công suất, các tụ điện, và bộ điều khiển. Kết quả mô phỏng được sử dụng để kiểm chứng tính hiệu quả của giải thuật điều chế sóng mang. Phân tích FFT (Fast Fourier Transform) được sử dụng để phân tích thành phần hài trong điện áp đầu ra. THD được tính toán để đánh giá chất lượng điện năng.

2.1. Xây dựng mô hình toán học

Việc xây dựng mô hình toán học chính xác cho nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade là rất quan trọng. Mô hình cần phản ánh chính xác các đặc tính của hệ thống, bao gồm các tham số của các linh kiện, các phương trình mô tả hoạt động của nghịch lưu cascade, và giải thuật điều chế sóng mang. Phương trình toán mô tả mối quan hệ giữa các biến trạng thái của hệ thống, ví dụ như điện áp và dòng điện, và các tham số điều khiển. Mô hình toán học cần đủ chính xác để có thể dự đoán chính xác hoạt động của hệ thống trong điều kiện thực tế. Các công cụ toán học như ma trận chuyển đổi có thể được sử dụng để đơn giản hóa việc mô tả hệ thống. Việc xác định chính xác các thành phần hài trong điện áp đầu ra giúp đánh giá hiệu quả của giải thuật điều chế sóng mang.

2.2. Mô phỏng và phân tích kết quả

Sau khi xây dựng mô hình toán học, bước tiếp theo là mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm chuyên dụng. MATLAB/Simulink và PSIM là những phần mềm phổ biến được dùng để mô phỏng nghịch lưu. Mô hình mô phỏng cần bao gồm tất cả các thành phần chính của hệ thống, bao gồm nguồn điện, nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade, tải, và bộ điều khiển. Kết quả mô phỏng bao gồm các dạng sóng của điện áp và dòng điện, cho phép đánh giá hiệu quả của giải thuật điều chế sóng mang. Phân tích FFT được sử dụng để phân tích thành phần hài trong điện áp đầu ra. THD được tính toán để đánh giá chất lượng điện năng đầu ra. Kết quả mô phỏng cần được so sánh với các tiêu chuẩn kỹ thuật để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Việc mở rộng mô hình có thể bao gồm thêm các thành phần như bộ lọc hoặc các thiết bị bảo vệ.

III. Thực nghiệm và Kết luận

Sau khi hoàn thành mô phỏng, thực nghiệm cần được tiến hành để kiểm chứng kết quả. Mô hình thực nghiệm bao gồm việc xây dựng một nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade thực tế. Việc thiết kế mạch điện cần đặc biệt chú trọng đến việc chọn lựa linh kiện phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Thiết bị đo đạc cần có độ chính xác cao để đảm bảo tính tin cậy của kết quả. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng. Sự phù hợp giữa hai kết quả này cho thấy tính chính xác của mô hình toán học và giải thuật điều chế sóng mang. Phân tích dữ liệu thực nghiệm cho phép đánh giá hiệu quả của hệ thống và xác định các hướng cải tiến.

3.1. Thiết kế và xây dựng mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm là một hệ thống nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade thực tế. Việc thiết kế mô hình thực nghiệm cần chú trọng đến nhiều yếu tố, bao gồm lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch điện, và lựa chọn thiết bị đo đạc. Các linh kiện như IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), tụ điện, và điện trở cần được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Mạch điều khiển cần được thiết kế sao cho đáp ứng được yêu cầu của giải thuật điều chế sóng mang. Thiết bị đo đạc cần có độ chính xác cao để đảm bảo tính chính xác của kết quả thực nghiệm. Việc xây dựng mô hình thực nghiệm cần tuân thủ các quy tắc an toàn điện để đảm bảo an toàn cho người vận hành.

3.2. Phân tích kết quả thực nghiệm và đánh giá hiệu quả

Sau khi thực hiện xong quá trình thực nghiệm, cần tiến hành phân tích kết quả thực nghiệm. Dữ liệu thu thập được bao gồm các dạng sóng điện áp và dòng điện, được sử dụng để đánh giá hiệu quả của giải thuật điều chế sóng mang. Phân tích FFT được sử dụng để tính toán THD và đánh giá chất lượng điện năng đầu ra. Hiệu suất nghịch lưu được tính toán dựa trên tổn hao năng lượng trong quá trình chuyển đổi. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá tính chính xác của mô hình toán học. Đánh giá hiệu quả của giải thuật điều chế sóng mang dựa trên các chỉ số như THD, hiệu suất nghịch lưu, và độ phức tạp của thuật toán. Kết luận của nghiên cứu nêu bật những đóng góp của công trình và các hướng nghiên cứu tiếp theo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ, lĩnh vực Điện - Điện tử ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi và điều khiển nguồn điện. Bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade là một trong những cấu trúc nghịch lưu đa bậc được ứng dụng rộng rãi trong biến đổi nguồn điện một chiều thành xoay chiều, đặc biệt trong các hệ thống năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn là tổn hao công suất do chuyển mạch linh kiện công suất, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình toán học và giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade, từ đó giảm tổn hao chuyển mạch, cải thiện chất lượng sóng điện áp đầu ra và giảm tổng méo dạng hài (THD). Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 12 tháng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào việc phát triển giải thuật điều khiển hiện đại, mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình thực tế sử dụng card DSP TMS320F28335.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm tổn hao công suất trên linh kiện IGBT, giảm THD điện áp tải xuống dưới 5%, đồng thời cung cấp cơ sở lý thuyết và công cụ thực nghiệm cho giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực nghịch lưu đa bậc. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất hệ thống điện, giảm chi phí bảo trì và tăng độ bền cho các thiết bị điện tử công suất trong các ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo.

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 toán học bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade: Mô hình này mô tả cấu trúc gồm nhiều modul nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, mỗi modul có nguồn DC riêng biệt, tạo ra các mức điện áp đầu ra đa bậc (-2u, -u, 0, u, 2u). Số khóa công suất trên một pha được xác định theo công thức ( k = 2 \times (n-1) ) với ( n ) là số bậc.

• Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM): Kỹ thuật điều chế này so sánh sóng điều khiển dạng sin với sóng mang tam giác để tạo xung kích điều khiển đóng ngắt linh kiện. SPWM có vùng điều khiển tuyến tính với chỉ số biên độ điều chế ( m_a \leq 1 ), tuy nhiên khi vượt quá giới hạn này, sóng hài bậc cao tăng và tổn hao chuyển mạch cũng tăng theo.

• Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM): Đây là phương pháp mở rộng vùng điều khiển tuyến tính của SPWM bằng cách cộng thêm thành phần hài bội ba (offset) vào sóng điều khiển, giúp tăng chỉ số điều chế tối đa lên đến khoảng 0.907, giảm sóng hài và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

• Các dạng sóng mang trong kỹ thuật PWM: Bao gồm APOD (Alternative Phase Opposition Disposition), PD (Phase Disposition), và POD (Phase Opposition Disposition). Luận văn sử dụng dạng sóng mang PD do tính dễ điều khiển và hiệu quả trong giảm điện áp common mode.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade sử dụng card DSP TMS320F28335, tải RL với R=40Ω và L=0.1H.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học và phương trình điều khiển, phát triển giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch dựa trên nguyên lý giảm tổn hao chuyển mạch bằng cách dịch chuyển điện áp điều khiển về các ngưỡng sóng mang theo trị tuyệt đối dòng tải pha. Phân tích kết quả mô phỏng và thực nghiệm qua dạng sóng điện áp, dòng điện và phân tích phổ FFT để đánh giá THD.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong 12 tháng, bao gồm các giai đoạn xây dựng mô hình toán học, phát triển giải thuật, mô phỏng trên phần mềm, thiết kế và xây dựng mô hình thực nghiệm, kiểm chứng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm số lần chuyển mạch linh kiện công suất: Giải thuật điều chế sóng mang cải biến đã giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất trong một chu kỳ điện áp điều khiển đến khoảng 30%, giúp giảm tổn hao chuyển mạch đáng kể.

2. Chất lượng sóng điện áp đầu ra: Điện áp nghịch lưu 3 pha 5 bậc đạt các mức điện áp -200V, -100V, 0, 100V, 200V với góc lệch pha 120°, đảm bảo sóng điện áp tải có dạng sin chuẩn.

3. Tổng méo dạng hài (THD): Phân tích FFT cho thấy THD điện áp tải pha a đạt 2.46%, thấp hơn nhiều so với giới hạn 5% theo tiêu chuẩn Việt Nam, đồng thời THD dòng điện tải pha a chỉ 0.46%, với dòng hiệu dụng 2.24A tại tần số 50Hz.

4. Hiệu quả mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật đề xuất trong việc giảm tổn hao và cải thiện chất lượng điện áp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn hao chuyển mạch là do giải thuật điều chế sóng mang cải biến tập trung giảm số lần chuyển mạch ở các pha có dòng tải lớn nhất, nơi tích điện áp và dòng điện qua khóa công suất là cao nhất. Điều này làm giảm tổn thất năng lượng do chuyển mạch, đồng thời giảm nhiệt độ và tăng tuổi thọ linh kiện IGBT.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, giải thuật đề xuất không chỉ giảm số lần chuyển mạch mà còn duy trì hoặc cải thiện chất lượng sóng điện áp đầu ra với THD thấp hơn 5%, phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Việc sử dụng card DSP TMS320F28335 cho phép nhúng giải thuật điều khiển vòng kín, tăng độ chính xác và khả năng kiểm soát hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện 3 pha, biểu đồ phân tích phổ FFT thể hiện THD, cũng như bảng so sánh số lần chuyển mạch và tổn hao giữa các giải thuật khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai giải thuật điều chế sóng mang cải biến trên các hệ thống nghịch lưu đa bậc khác: Mở rộng áp dụng giải thuật cho các cấu hình nghịch lưu 7 bậc hoặc cao hơn nhằm nâng cao hiệu suất và giảm tổn hao trong các ứng dụng công nghiệp.

2. Tối ưu hóa phần cứng điều khiển DSP: Nâng cấp phần cứng DSP hoặc sử dụng các vi xử lý thế hệ mới để tăng tốc độ xử lý, giảm độ trễ và nâng cao khả năng điều khiển vòng kín cho các hệ thống nghịch lưu phức tạp.

3. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp: Xây dựng phần mềm mô phỏng tích hợp giải thuật điều chế và mô hình thực nghiệm để hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu, giúp sinh viên và kỹ sư dễ dàng tiếp cận và áp dụng.

4. Chuyển giao công nghệ và đào tạo kỹ thuật viên: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành, bảo trì hệ thống nghịch lưu sử dụng giải thuật mới, đảm bảo hiệu quả vận hành và bảo trì thiết bị.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm, với sự phối hợp giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp trong lĩnh vực điện tử công suất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Giảng viên và sinh viên ngành Điện - Điện tử: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình thực nghiệm chi tiết, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều chế sóng mang.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống điện tử công suất: Các kỹ sư có thể áp dụng giải thuật điều chế sóng mang cải biến để tối ưu hóa thiết kế nghịch lưu, giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất hệ thống.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Tham khảo để cải tiến sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và tăng độ bền cho linh kiện IGBT thông qua giải thuật điều khiển hiện đại.

4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào các hệ thống biến đổi nguồn năng lượng mặt trời, gió, thủy điện nhằm nâng cao hiệu quả hòa lưới và giảm tổn hao năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật điều chế sóng mang cải biến là gì?
   Giải thuật này bổ sung thành phần bậc 3 (offset) vào sóng điều khiển để giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất, đặc biệt ở các pha có dòng tải lớn nhất, từ đó giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện hiệu suất hệ thống.

2. Tại sao giảm số lần chuyển mạch lại quan trọng?
   Số lần chuyển mạch nhiều dẫn đến tổn hao năng lượng lớn trên linh kiện công suất, tăng nhiệt độ và giảm tuổi thọ thiết bị. Giảm số lần chuyển mạch giúp tiết kiệm năng lượng và tăng độ bền cho linh kiện.

3. Phương pháp MSPWM khác gì so với SPWM truyền thống?
   MSPWM mở rộng vùng điều khiển tuyến tính của SPWM bằng cách cộng thêm tín hiệu hài bội ba vào sóng điều khiển, giúp tăng chỉ số điều chế tối đa và giảm sóng hài bậc cao, cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

4. Kết quả THD đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   THD điện áp tải pha a đạt 2.46%, thấp hơn nhiều so với giới hạn 5% theo tiêu chuẩn Việt Nam, đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp.

5. Giải thuật có thể áp dụng cho các loại nghịch lưu khác không?
   Có, giải thuật có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác như 7 bậc hoặc cao hơn, giúp nâng cao hiệu suất và giảm tổn hao trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học và giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade.
• Giải thuật đề xuất giảm số lần chuyển mạch khoảng 30%, giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện hiệu suất hệ thống.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy THD điện áp tải đạt 2.46%, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
• Giải thuật sử dụng card DSP TMS320F28335 cho phép điều khiển vòng kín chính xác và dễ dàng kiểm soát.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng giải thuật cho các hệ thống nghịch lưu đa bậc khác, đồng thời phát triển phần cứng và phần mềm hỗ trợ.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai ứng dụng giải thuật trong thực tế, đồng thời đào tạo nhân lực kỹ thuật để vận hành và bảo trì hệ thống hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước − Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc trong luận án tiến sĩ của tác giả Quách Thanh Hải, trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu này tập trung phân tích các cấu trúc nghịch lưu đa bậc bao gồm các nghịch lưu chuẩn truyền thống và các mạch nghịch lưu lai hiện nay (bằng mô phỏng và thực nghiệm) [4]. − Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha 5 bậc trong luận văn của Lý Tịnh Trường Sơn, “Nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade điều khiển bằng card dsp f28335 cho động cơ không đồng bộ 3 pha”, LV ThS Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.

Xây dựng mô hình thực nghiệm nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade. Nghiên cứu này tập trung xây dựng mô hình thực nghiệm [10]. − Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha 5 bậc trong đề tài nghiên cứu khoa học của tác giả hoàng Ngọc Văn-Đỗ Đức Trí trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Nghiên cứu này trình bày kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số làn chuyển mạch của các khóa công suất cho nghịch Cascade 5 bậc.

Kỹ thuật này sử dụng hàm offset là thành phần bậc 3 để chuyển các sóng điện áp điều khiển về các ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của biên độ sóng mang để giả giao cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang để giảm số lần chuyển mạch. Với kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày trong nghiên cứu, số lần chuyển mạch của các khóa công suất/pha trong một chu kỳ có thể giảm đến 30%. Kết quả của giải thuật được kiểm chứng qua mô phỏng và qua quá trình thực nghiệm[11]. Nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc Cascade ở nước ngoài − Các công trình nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc xuất phát từ các phòng thí nghiệm của các nước Mỹ, Úc, 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: - “Losses Comparison Among Carrier-Based PWM Modulation Strategies in Three-Level Neutral-Point-Clamped Inverter ”[8]. Nghiên cứu này trình bày kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số làn chuyển mạch 8 Luan van của các khóa công suất cho nghịch 5 bậc cầu H. Kỹ thuật này sử dụng hàm offset là thành phần bậc 3 để chuyển các sóng điện áp điều khiển về các ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của biên độ sóng mang. - “A Novel Switching Sequence Design for Five-Level H NPC-Bridge Inverters With Improved Output Voltage Spectrum and Minimized Device Switching Frequency” [3].

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. - “A Multilevel SVPWM Algorithm for Linear Modulation and Over Modulation Operation” [5]. Bài báo này đề xuất một thuật toán SVPWM chung cho biến tần đa bậc dựa trên tiêu chuẩn SVPWM hai bậc. Kể từ khi các phương pháp SVPWM đa cấp đề xuất sử dụng điều chế hai bậc để tính toán trước đó, việc tính toán trên cho một biến tần n bậc trở nên dễ dàng hơn.

Các thuật toán SVPWM đề xuất có thể được áp dụng trong cả hai chế độ điều chế tuyến tính và chế độ quá điều chế. Biến tần 5 bậc Cascade sử dụng các phương pháp đã được đề xuất ở trên, với số lần chuyển mạch ít và THD áp tải < 5%. Nghiên cứu nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc Cascade ở Việt Nam − Điều khiển nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade 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 nghịch lưu áp đa bậc được ứng dụng trong thực tiễn là hiện thực. Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc trong luận án tiến sĩ của tác giả Quách Thanh Hải, trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh. Lý Tịnh Trường Sơn, “Nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade điều khiển bằng card dsp f28335 cho động cơ không đồng bộ 3 pha”, LV ThS Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hoàng Ngọc Văn, Đỗ Đức Trí, … “Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu Cascade 5 bậc”, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, 1859 – 1272, Số 41, 3-2017.

10 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 3 PHA 5 BẬC CASCADE 2. Mô hình hóa của bộ nghịch lưu áp 3 pha n bậc Cascade Mô hình hóa của bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc Cascade có điện áp ngõ vào là VDC và điện áp ngõ ra là VAC ba pha và được mô tả như sau: S1TAN S1PA S1TBN S1PB S1TCN S1PC Ua1 + + Ub1 + Uc1 - S1TA S1PAN - S1TB S1PBN - S1TC S1PCN ' Tải 3 pha N Uag1 Uab S2TAN S2PA S2TBN S2PB S2TCN S2PC Uan Ua2 + + Ub2 + Uc2 - S2TA - S2TB - S2TC S2PAN S2PBN S2PCN Uag ' ' Ground Nguồn DC Khóa IGBT Tải RL Hình 2.1 Mô hình hóa bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc Cascade. Sa, Sb, Sc: Các khóa đóng, ngắt. Cơ sở lý thuyết và phương trình toán bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc Cascade Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery.

Có thể xem mỗi pha của nghịch lưu đa bậc kiểu 11 Luan van Cascade gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn DC riêng. Bằng cách kích đóng các khóa công suất trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp ( -u, 0, u ) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của p bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên p khả năng mức điện áp theo chiều âm (-u, -2u, -3u, - 4u,…, -pu ), p khả năng mức điện áp theo chiều dương (u, 2u, 3u, 4u,…, pu) và mức điện áp 0. Hay nói cách khác, với điện áp các nguồn DC như nhau (Cascade chuẩn), thì số khóa công suất (k) trên một pha quan hệ với số bậc (n) như sau: k=2*(n-1).

Tần số đóng ngắt trong mỗi modul của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và dv/dt cũng vậy. Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp [8]. Khi phân tích một cách tổng quát mỗi modul nghịch lưu cầu 1 pha của dạng mạch này sử dụng 1 nguồn DC Uxi khác nhau, với x là chỉ số pha, i là chỉ số modul. Như vậy, với modul thứ i sẽ có 3 trang thái ra (-Uxi, Uxi, 0).

Vì vậy, n modul sẽ có được 4n trạng thái kích và có 3n trang thái ra khác nhau cho một pha [8]. Với cấu trúc nghịch lưu kiểu cascade 2 modul sẽ có 9 mức điện áp pha tải ứng với 16 trạng thái chuyển mạch. Nếu điện áp nguồn DC cung cấp cho các modul (với cấu trúc hình 2.u thì điện áp ra và trạng thái kích tương ứng. - Nếu chọn các nguồn Uxi bằng nhau và có giá trị u thì do: Ux1 - Ux2 = Ux2 - Ux1 =0 Ux1 = Ux2 = u -Ux1 = -Ux2 = -u Nên chỉ còn 5 trạng thái ra là (-2u, -u, 0, u và 2u) ứng với dạng nghịch lưu chuẩn 5 bậc đã rất thông dụng.1 Điện áp ra và trạng thái kích tương ứng với cấu trúc hình 1.2-1 (Ux1=3u, Ux2=u) STT Uxg S1Px S1Tx S2Px S2Tx S1Pxn S1Txn S2Pxn S2Tx 1 Ux1+ Ux2 = 4u 1 0 1 0 0 1 0 1 2 Ux1 = 3u 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 12 Luan van 3 Ux1 - Ux2 = 2u 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 4 Ux2 = u 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 5 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 6 - Ux2 = -u 1 1 0 1 0 0 1 0 7 Ux2 - Ux1 = -2u 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 8 - Ux1 = -3u 0 1 1 1 1 0 0 0 9 - Ux1 - Ux2 = -4u 0 1 0 1 1 0 1 0 Tổng quát sẽ phân tích cấu trúc cascade với n modul, điện áp nguồn DC tại các modul là Uxj với x= a, b, c.

j là chỉ số modul và giả sử Uaj = Ubj = Ucj. Các linh kiện trên một modul sẽ có 2 nhánh, sẽ được gọi là nhánh T (trái) và nhánh P (phải) như vậy các linh kiện của modul thứ j sẽ là SxTj, SxTj’, SxPj và SxPj’. Các linh kiện này được kích đóng nghịch nhau theo nhánh; tức là: KxTj + KxTj’ =1 KxPj + KxPj’ =1 Gọi TSxTj và TSxPj là trạng thái của khóa công suất nhánh trái và nhánh phải của modul thứ j pha x (SxTj và SxPj). Đặt: TSxj = TSxPj - TSxTj (2.1) Uxgj là điện áp ra của modul thứ j.

Thì với mỗi modul thứ j sẽ có bảng quan hệ điện áp ra Uxgj với trạng thái chuyển mạch như bảng 2.2 sau đây: Bảng 2.2 Quan hệ điện áp ra Uxjout với trạng thái chuyển mạch của modul thứ j STT Uxgj TSxj TSxPj TSxTj TSxPj’ TSxTj’ 13 Luan van 1 +Uxj 1 1 0 0 1 2 0 0 0 0 1 1 3 0 0 1 1 0 0 4 - Uxj -1 0 1 1 0 Do đó: Uxgj = (TSxj)Uxj = (TSxTj - TSxPj).2) Các modul nối tiếp nhau nên điện áp pha – ground nguồn DC tại các nhánh là Uxg được tính: n n (2.