Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình t trong chế độ nối lưới và độc lập

Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển nghịch lưu ba mức hình t trong chế độ nối lưới và độc lập, tối ưu hiệu suất và độ ổn định.

• Tác giả: Dương Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Hoàng Phương
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nâng cao chất lượng điều khiển nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: Xu hướng phát triển hiện nay của nghịch lưu nguồn áp
• 1.1. Các cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba mức
• 1.2. Cấu trúc nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC)
• 1.3. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha
• 1.4. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT
• 1.5. Phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T
• 1.6. Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện
• 1.7. Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án
• 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHO NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA
• 2.1. Phương pháp điều chế PWM
• 2.1.1. Nguyên lí phương pháp điều chế PWM
• 2.1.2. Mô phỏng phương pháp điều chế PWM cho bộ nghịch lưu hình T 3 pha
• 2.2. Phương pháp điều chế SVM
• 2.2.1. Chuyển hệ tọa độ từ abc sang 0αβ
• 2.2.2. Quy chuẩn độ dài các véctơ theo mức điện áp 𝑉_{dc}
• 2.2.3. Tính toán mô đun và góc pha của véctơ điện áp ra
• 2.2.4. Hình thành không gian véctơ trên hệ tọa độ 0αβ
• 2.2.5. Xác định vị trí của véctơ điện áp ra v trong sector lớn
• 2.2.6. Xác định vị trí của véctơ điện áp v trong các tam giác con
• 2.2.7. Tính toán hệ số điều chế (thời gian sử dụng các véctơ trong mỗi chu kì điều chế Ts)
• 2.2.8. Cân bằng điện áp trên 2 tụ DC
• 2.2.9. Tính toán hệ số điều chế thực hiện nhánh van mạch nghịch lưu trong mỗi chu kì điều chế Ts
• 2.2.10. Các phương pháp điều chế cấp xung cho van
• 2.2.11. Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn
• 2.2.12. Phương pháp điều chế SVM 6-Đoạn
• 2.2.13. Mô phỏng hai phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn và SVM 6-Đoạn
• 2.2.14. Phương pháp điều chế FSVM đề xuất áp dụng cho nghịch lưu ba pha hình T
• 2.2.15. Mô phỏng phương pháp FSVM
• 3. ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA
• 3.1. Mô hình toán học của nghịch lưu hình T ba pha
• 3.2. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI
• 3.3. Cấu trúc điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
• 3.4. Thiết kế bộ điều khiển điện áp
• 3.5. Mô phỏng cấu trúc điều khiển nối lưới sử dụng bộ điều khiển PI
• 3.6. Tính chọn tham số mạch lực nghịch lưu hình T ba pha
• 3.7. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink
• 3.8. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu
• 3.9. Cấu trúc điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
• 3.10. Thiết kế bộ điều khiển điện áp
• 3.11. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trong chế độ nối lưới
• 4. ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA TRONG CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP
• 4.1. Mô hình toán học của nghịch lưu hình T ba pha
• 4.2. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI
• 4.3. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
• 4.4. Thiết kế bộ điều khiển điện áp
• 4.5. Mô phỏng bộ điều khiển PI trên phần mềm Matlab/Simulink
• 4.6. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu mới
• 4.7. Cấu trúc điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển điện áp và dòng điện
• 4.8. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trên phần mềm Matlab/Simulink
• 5. THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA
• 5.1. Điều kiện thực nghiệm
• 5.2. Kết quả thực nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Điều Khiển Nghịch Lưu Ba Mức Hình T Giới thiệu

Nghịch lưu ba mức hình T đang ngày càng trở nên quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi công suất lớn và điện áp cao, đặc biệt trong lĩnh vực hạ thế và các hệ thống năng lượng tái tạo. So với nghịch lưu hai mức truyền thống, nghịch lưu ba mức hình T có nhiều ưu điểm vượt trội như giảm tổn thất đóng cắt, giảm độ méo sóng hài (THD) và tốc độ biến thiên điện áp du/dt thấp hơn. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công suất lớn, điện áp cao. Một trong những ưu điểm chính của nghịch lưu ba mức hình T là khả năng tiết kiệm số lượng van bán dẫn công suất mà vẫn đảm bảo chất lượng điện áp và yêu cầu công suất, đồng thời hỗ trợ trao đổi công suất theo hai chiều và chỉ sử dụng một nguồn DC. Nghiên cứu của Dương Anh Tuấn (2023) tại Đại học Bách Khoa Hà Nội đã chỉ ra rằng, việc tối ưu điều khiển nghịch lưu ba mức hình T có vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

1.1. Ứng Dụng Của Nghịch Lưu Ba Mức Hình T Trong Thực Tế

Nghịch lưu ba mức hình T được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm ứng dụng năng lượng tái tạo (như hệ thống quang điện - PV), lưới điện thông minh, microgrid, và các hệ thống truyền động công nghiệp. Cấu trúc này cho phép kết nối các nguồn điện phân tán vào lưới điện một cách hiệu quả, đồng thời đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống. Theo nghiên cứu, các hệ thống nghịch lưu ba mức hình T trong các microgrid có thể giúp cải thiện hiệu suất sử dụng năng lượng và giảm thiểu phát thải. Tài liệu tham khảo [1]-[5] nhấn mạnh vai trò của các bộ biến đổi điện tử công suất trong việc ổn định hệ thống năng lượng và trao đổi công suất giữa các thành phần của lưới điện.

1.2. Ưu Điểm So Sánh Với Các Cấu Trúc Nghịch Lưu Khác

So với các cấu trúc nghịch lưu khác như nghịch lưu ba mức dùng điốt kẹp (NPC) hoặc nghịch lưu cầu H nối tầng (CHB), nghịch lưu ba mức hình T có ưu điểm về số lượng linh kiện bán dẫn, kích thước và chi phí. Điều này giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng hiệu quả tổng thể của hệ thống. Tuy nhiên, nghịch lưu ba mức hình T cũng đối mặt với các thách thức như cân bằng điện áp trên các tụ DC và giảm điện áp common-mode. Việc giải quyết các vấn đề này là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng điều khiển và độ tin cậy của hệ thống.

II. Thách Thức Vấn Đề Điều Khiển Nghịch Lưu Ba Mức Hình T

Mặc dù có nhiều ưu điểm, điều khiển nghịch lưu ba mức hình T vẫn đối mặt với một số thách thức đáng kể. Hai vấn đề chính cần giải quyết là cân bằng điện áp trên các tụ DC và giảm điện áp common-mode. Mất cân bằng điện áp có thể dẫn đến quá áp trên các van công suất, ảnh hưởng đến chất lượng sóng hài của điện áp đầu ra. Điện áp common-mode có thể gây ra dòng rò, giảm tuổi thọ cách điện, và tăng nhiễu điện từ (EMI). Để nâng cao chất lượng điều khiển, cần phải có các giải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề này.

2.1. Vấn Đề Cân Bằng Điện Áp Trên Các Tụ DC

Sự mất cân bằng điện áp trên các tụ DC trong nghịch lưu ba mức hình T có thể gây ra hiện tượng quá áp trên các van bán dẫn, từ đó làm giảm độ tin cậy của hệ thống và ảnh hưởng xấu đến THD (Total Harmonic Distortion) của điện áp ngõ ra. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc duy trì cân bằng điện áp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của nghịch lưu. Dương Anh Tuấn (2023) cũng nhấn mạnh sự cần thiết của việc phát triển các phương pháp điều chế và điều khiển để giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả.

2.2. Giảm Thiểu Điện Áp Common Mode CMV Hiệu Quả

Điện áp common-mode (CMV) gây ra dòng rò, ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống và có thể gây nguy hiểm. Việc giảm thiểu CMV là một yêu cầu quan trọng trong điều khiển nghịch lưu ba mức hình T. Các phương pháp điều chế và chuyển mạch phải được thiết kế để giảm CMV, từ đó cải thiện tính an toàn và hiệu suất của hệ thống. Một số giải pháp được đề xuất bao gồm sử dụng các thuật toán điều chế đặc biệt và các cấu trúc mạch lọc để giảm sóng hài.

2.3. Ảnh Hưởng Của Tải Không Cân Bằng Đến Chất Lượng Điều Khiển

Tải không cân bằng có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong điều khiển nghịch lưu ba mức hình T, dẫn đến sự mất cân bằng điện áp trên các tụ DC và tăng THD trong điện áp đầu ra. Để giải quyết vấn đề này, cần phải có các phương pháp điều khiển phức tạp hơn, chẳng hạn như điều khiển vector hoặc điều khiển dự báo, để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của hệ thống ngay cả trong điều kiện tải không cân bằng. Việc tích hợp các thuật toán điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu có thể giúp cải thiện đáng kể khả năng chống chịu của hệ thống đối với tải không cân bằng.

III. Phương Pháp Điều Chế FSVM Cải Tiến Giảm CMV Cân Bằng

Để giải quyết các thách thức trên, việc áp dụng các phương pháp điều chế tiên tiến là rất quan trọng. Một trong số đó là phương pháp điều chế vector không gian linh hoạt (FSVM). FSVM có khả năng giảm điện áp common-mode, đồng thời cân bằng điện áp trên các tụ DC. Phương pháp này cho phép điều chỉnh linh hoạt các vector điện áp để đạt được hiệu suất tối ưu và giảm thiểu THD. Theo nghiên cứu, FSVM có thể cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển và độ tin cậy của nghịch lưu ba mức hình T.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Điều Chế Vector Không Gian Linh Hoạt FSVM

Phương pháp FSVM dựa trên việc điều chỉnh linh hoạt các vector điện áp trong không gian vector để đạt được hiệu suất tối ưu và giảm thiểu THD. Bằng cách lựa chọn các vector phù hợp, FSVM có thể giảm điện áp common-mode và duy trì cân bằng điện áp trên các tụ DC. Thuật toán FSVM bao gồm các bước tính toán phức tạp để xác định các vector tối ưu và thời gian tác động của chúng trong mỗi chu kỳ điều chế.

3.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của FSVM So Với Các Phương Pháp PWM Khác

So với các phương pháp điều chế PWM truyền thống, FSVM có nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng giảm CMV, cân bằng điện áp tụ DC, và giảm THD. FSVM cũng cho phép điều chỉnh linh hoạt các thông số điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Các phương pháp PWM truyền thống thường không thể đạt được hiệu suất tương đương trong việc giải quyết đồng thời các vấn đề về CMV, cân bằng điện áp, và THD.

3.3. Thuật Toán Điều Chế Cân Bằng Tụ Trong FSVM Chi Tiết

Thuật toán cân bằng tụ trong FSVM bao gồm việc lựa chọn các vector điện áp sao cho điện áp trên các tụ DC được duy trì ở mức cân bằng. Thuật toán này có thể bao gồm các bước đo điện áp trên các tụ, tính toán sự khác biệt giữa chúng, và điều chỉnh các vector điện áp để bù đắp sự khác biệt này. Dương Anh Tuấn (2023) đã đề xuất một thuật toán cân bằng tụ hiệu quả cho nghịch lưu ba mức hình T sử dụng FSVM trong luận án tiến sĩ của mình.

IV. Ứng Dụng Các Thuật Toán Điều Khiển Nâng Cao Độ Ổn Định

Ngoài phương pháp điều chế, việc sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến cũng rất quan trọng để nâng cao chất lượng điều khiển của nghịch lưu ba mức hình T. Các thuật toán như điều khiển trượt, điều khiển dự báo, điều khiển thích nghi và điều khiển mờ (Fuzzy Control) có thể giúp cải thiện tính ổn định, khả năng chống nhiễu và hiệu suất của hệ thống. Các thuật toán này có thể được sử dụng để điều khiển dòng điện và điện áp của nghịch lưu, đồng thời đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ DC.

4.1. Điều Khiển Trượt Sliding Mode Control Cho Đáp Ứng Nhanh

Điều khiển trượt (SMC) là một phương pháp điều khiển mạnh mẽ, có khả năng cung cấp đáp ứng nhanh và tính ổn định cao cho hệ thống. SMC có thể được sử dụng để điều khiển dòng điện và điện áp của nghịch lưu ba mức hình T, đồng thời đảm bảo tính ổn định của hệ thống trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Tuy nhiên, SMC cũng có thể gây ra hiện tượng rung động (chattering), do đó cần phải có các biện pháp để giảm thiểu hiện tượng này.

4.2. Điều Khiển Dự Báo Model Predictive Control Tối Ưu

Điều khiển dự báo (MPC) là một phương pháp điều khiển tiên tiến, có khả năng dự đoán hành vi của hệ thống trong tương lai và đưa ra các quyết định điều khiển tối ưu. MPC có thể được sử dụng để điều khiển nghịch lưu ba mức hình T, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống và giảm thiểu THD. Tuy nhiên, MPC đòi hỏi các mô hình toán học chính xác và khả năng tính toán cao.

4.3. Tích Hợp Điều Khiển Mờ Fuzzy Control Giải Thuật Di Truyền

Việc tích hợp điều khiển mờ (Fuzzy Control) và giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) có thể giúp cải thiện khả năng thích nghi và tối ưu hóa của hệ thống điều khiển nghịch lưu ba mức hình T. Điều khiển mờ có thể xử lý các thông tin không chắc chắn và phi tuyến, trong khi giải thuật di truyền có thể tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong không gian tham số rộng lớn. Sự kết hợp này có thể mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao chất lượng điều khiển và độ tin cậy của hệ thống.

V. Ứng Dụng Nghiên Cứu Kết Quả Thực Nghiệm Chứng Minh

Để chứng minh tính hiệu quả của các phương pháp điều chế và điều khiển, các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng Matlab/Simulink là rất quan trọng. Các kết quả thực nghiệm có thể cho thấy rằng các phương pháp này có thể cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển, giảm THD, và cân bằng điện áp trên các tụ DC. Các kết quả mô phỏng có thể giúp phân tích và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

5.1. Mô Phỏng Matlab Simulink Kiểm Chứng Giải Pháp Đề Xuất

Mô phỏng Matlab/Simulink là một công cụ mạnh mẽ để kiểm chứng tính hiệu quả của các giải pháp điều chế và điều khiển. Các mô phỏng có thể được sử dụng để phân tích và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện hoạt động khác nhau, cũng như để đánh giá tính ổn định và khả năng chống nhiễu của hệ thống. Các kết quả mô phỏng có thể cung cấp thông tin quan trọng để thiết kế và triển khai hệ thống thực tế.

5.2. Kết Quả Thực Nghiệm Chứng Minh Tính Khả Thi Trong Thực Tế

Các kết quả thực nghiệm là cần thiết để chứng minh tính khả thi của các giải pháp điều chế và điều khiển trong thực tế. Các kết quả thực nghiệm có thể cho thấy rằng các phương pháp này có thể cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển, giảm THD, và cân bằng điện áp trên các tụ DC. Các kết quả thực nghiệm cũng có thể cung cấp thông tin quan trọng để điều chỉnh và tối ưu hóa các tham số điều khiển.

5.3. Đánh Giá THD Điện Áp Common Mode và Cân Bằng Tụ

Đánh giá THD, điện áp common-mode, và cân bằng tụ là các tiêu chí quan trọng để đánh giá hiệu suất của điều khiển nghịch lưu ba mức hình T. Các kết quả đánh giá có thể cho thấy rằng các phương pháp điều chế và điều khiển tiên tiến có thể cải thiện đáng kể các tiêu chí này, từ đó nâng cao chất lượng điều khiển và độ tin cậy của hệ thống.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Tương Lai Đề Xuất

Nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều chế và điều khiển tiên tiến cho nghịch lưu ba mức hình T là rất quan trọng để nâng cao chất lượng điều khiển, giảm THD, và cân bằng điện áp trên các tụ DC. Các hướng phát triển tương lai có thể bao gồm việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu, và tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Quan Trọng

Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng các phương pháp điều chế và điều khiển tiên tiến có thể cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển của nghịch lưu ba mức hình T. Các phương pháp này có thể giảm THD, cân bằng điện áp trên các tụ DC, và cải thiện tính ổn định của hệ thống. Các kết quả nghiên cứu cũng đã cung cấp thông tin quan trọng để thiết kế và triển khai hệ thống thực tế.

6.2. Hướng Phát Triển Các Phương Pháp Điều Khiển Thích Nghi

Phát triển các phương pháp điều khiển thích nghi là một hướng phát triển quan trọng trong tương lai. Các phương pháp điều khiển thích nghi có thể tự động điều chỉnh các tham số điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Các phương pháp này có thể giúp cải thiện tính ổn định và khả năng chống nhiễu của hệ thống.

6.3. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo AI Học Máy Machine Learning

Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) là một hướng phát triển đầy hứa hẹn trong tương lai. Các thuật toán AI và Machine Learning có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu, dự đoán hành vi của hệ thống, và đưa ra các quyết định điều khiển tối ưu. Các thuật toán này có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Xu hướng phát triển hiện nay của nghịch lưu nguồn áp. Trong các ứng dụng về công suất, nghịch lưu nguồn áp đang chiếm lĩnh vị trí rất quan trọng. Điện áp ra của bộ nghịch lưu được chia thành các mức xếp tầng, số lượng mức càng tăng thì càng gần hình sin [6].

Các ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp Hình 1.1 thể hiện các ứng dụng rộng rãi của nghịch lưu nguồn áp hiện nay, ví dụ như trong hệ thống nguồn năng lượng phân tán, hệ thống sạc cho xe điện, hệ thống truyền động động cơ, các bộ tích trữ năng lượng. Trong đó, ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp trong hệ thống năng lượng phân tán và hệ thống sạc cho xe điện đang được tập trung phát triển mạnh mẽ. Lợi ích của các bộ biến đổi điện tử công suất này bao gồm tăng hiệu suất, chi phí thấp hơn và giảm kích thước hệ thống [11], [13], [15]. Để có tác dụng nối lưới hay cấp cho phụ tải xoay chiều, các nguồn phân tán phải được chuyển đổi sang AC.

Do đó, nghịch lưu nguồn áp được sử dụng để chuyển đổi nguồn DC sang nguồn AC. Các bộ nghịch lưu phải đảm bảo điều khiển được dòng công suất theo 2 chiều, đồng thời cũng chứa các chức năng bảo vệ giám sát việc kết nối lưới điện với nguồn phân tán và có thể cách ly nếu xảy ra sự cố. Hệ thống nguồn phân tán có thể được cấu trúc thành một số cấu hình hoạt động. Mỗi cấu hình có các bộ biến đổi điện tử công suất cơ bản kết nối hệ thống với lưới điện chung như trong Hình 1.

Xe điện hiện đang là xu thế phát triển trong ngành công nghiệp ô tô và rất có thể sẽ thay thế xe xăng trong một vài năm tới. Do vậy, việc nghiên cứu các cấu trúc để thiết kế các bộ sạc cho xe điện đã và đang được triển khai rất mạnh mẽ trong các trung tâm nghiên cứu, các phòng thí nghiệm về điện tử công suất. Có nhiều hệ thống sạc trong đó phổ biến nhất là hệ thống On-board Charger (OBC) như trong Hình 1.3 với các ưu điểm như: thời gian sạc nhanh, nguồn điện AC phổ biến, khả năng tản nhiệt tốt, an toàn, nhẹ và nhỏ vì bộ sạc nằm trên xe [43]. Cấu hình bộ biến đổi công suất cho hệ thống nguồn phân tán Trong hệ thống này có bộ PFC (Power Factor Correction).

Bộ này thường sử dụng cấu trúc nghịch lưu ba pha ba dây như một cầu chỉnh lưu điện áp lưới để tích trữ năng lượng lên tụ một chiều (DC-link), từ đó phát công suất cho các mạch DC/DC ở đằng sau để biến đổi về các mức điện áp mong muốn trước khi sạc cho các thiết bị tích trữ năng lượng (pin, ắc quy…). Hay cũng có thể đóng vai trò là bộ nghịch lưu, truyền công suất theo hướng ngược lại từ phía DC về lưới (V2G) [43]. Hệ thống On-board Charger (OBC) sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp Từ các phân tích ở trên, luận án đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu là nghịch lưu nguồn áp hoạt động trong chế độ nối lưới và độc lập ứng dụng trong hệ thống nguồn phân tán. 2 Hiện nay, các bộ nghịch lưu nguồn áp hai mức đang được dùng phổ biến cho những ứng dụng công suất nhỏ, điện áp DC thấp (< 700V).

Ưu điểm của nghịch lưu hai mức có thể kể đến là: đã được kiểm chứng thực tế, tổn thất dẫn thấp, số lượng linh kiện ít, nguyên tắc hoạt động đơn giản. Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức được thể hiện như Hình 1. Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức Tuy nhiên, xu hướng hiện nay của các ứng dụng hạ áp đó là yêu cầu công suất lớn hơn, điện áp DC cao đến hơn 900V, tần số chuyển mạch cao đến 50 kHz thì nghịch lưu nguồn áp hai mức trở nên kém hiệu quả. Lúc này, nghịch lưu hai mức đã bộc lộ những nhược điểm như: chất lượng điện áp ra còn thấp, tốc độ biến thiên du/dt lớn, độ méo sóng hài (THD) cao, điện áp trên van lớn, tổn thất chuyển mạch cao.

Để có thể khắc phục được những hạn chế này của nghịch lưu hai mức thì cần phải có nghịch lưu ba mức [44]. So với các bộ nghịch lưu hai mức thì bộ nghịch lưu ba mức giảm đáng kể tổn thất trong quá trình đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của điện áp ra dẫn đến việc thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ biến đổi không phức tạp như bộ biến đổi hai mức. Ngoài ưu thế về chất lượng điện áp, nghịch lưu ba mức phân nhỏ các bước nhảy điện áp ra phía xoay chiều, nhờ đó giảm được tốc độ tăng điện áp du/dt trên tải, các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở mức điện áp thấp, tần số đóng cắt của các van mạch lực thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số cao của quá trình điều chế điện áp ra. Với những lý do trên, bộ nghịch lưu ba mức được coi như một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao trong lĩnh vực hạ áp [45], [46].

Các cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba mức 1. Cấu trúc nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC) Nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC) là cấu trúc nghịch lưu ba mức điển hình. Vì có hai tụ điện mắc nối tiếp nên có thêm một mức điện áp được thêm vào là Vdc/2 ngoài hai mức điện áp 0 và Vdc, thực hiện bằng cách kích mở các van bán dẫn nối điểm giữa của mạch DC (hay là điểm nối các tụ điện) với tải hoặc nối các điểm này vào các pha thông qua các điốt. Có thể nhận thấy rằng khi các van bán dẫn tại các điểm kẹp tương 3 ứng được kích mở thì điểm này được nối vào đầu ra, điện áp trong pha đó là điện áp của dãy tụ điện tương ứng [19], [20].5 là sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu NPC ba pha.

Nó tạo ra 3 mức điện áp pha là: Vdc/2, 0, -Vdc/2. Cấu trúc bộ nghịch lưu ba mức NPC Có thể tóm lược một số ưu nhược điểm của cấu hình này như sau: Ưu điểm:  Cần thiết số lượng nhỏ các tụ, tất cả các pha sử dụng chung một nguồn DC.  Giảm được kích thước khi thiết kế khâu lọc mà chất lượng sóng hài vẫn đảm bảo  Các van chỉ phải đóng cắt ở tần số thấp do đó hiệu suất bộ biến đổi cao. Nhược điểm:  Việc cân bằng điện áp trên tụ khó khăn vì đòi hỏi cần phải theo dõi và điều khiển chính xác mức điện áp trên tụ, điều này dẫn đến các tụ một chiều hay vượt quá ngưỡng nạp hay ngưỡng xả, có thể gây ra quá áp trên một hay nhiều linh kiện đóng cắt  Số lượng điốt cần thiết lớn dẫn đến kích thước của hệ thống tăng lên.

Nhìn chung, bộ nghịch lưu NPC là giải pháp tốt cho các ứng dụng công suất lớn, điện áp cao. Tuy nhiên, cấu trúc này có số lượng điốt lớn, mạch phức tạp, do đó làm cho hệ thống cồng kềnh hơn [22]. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha được phát triển từ cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức. Cấu trúc nghịch lưu này được cấu thành từ 6 van IGBT mắc kiểu thông thường và 6 van IBGT mắc kiểu E chung tạo thành 3 nhánh chữ T như Hình 1.

4 SA1 SB1 SC1 C1 SA4 SA3 SB4 SB3 C2 SA2 SB2 SC2 SC4 SC3 Hình 1. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi là dựa vào 2 tụ DC để chia điện áp đầu vào thành 2 thành phần điện áp 𝑉 /2 và tạo nên điểm trung tính DC. Điều chỉnh đóng cắt hợp lý các van bán dẫn sẽ cho ra điện áp pha đầu ra có dạng 3 mức: −𝑉 /2, 0, +𝑉 /2. Nghịch lưu hình T về cơ bản kết hợp được các ưu điểm của bộ nghịch lưu hai mức như tổn thất dẫn thấp, số lượng linh kiện ít, gọn nhẹ và nguyên tắc hoạt động đơn giản với những ưu điểm của bộ nghịch lưu NPC ba mức như như tổn thất chuyển mạch thấp và chất lượng điện áp đầu ra vượt trội.

Do đó, nghịch lưu hình T được coi là một giải pháp thay thế cho nghịch lưu NPC ba mức [22], [24]. Nhưng có vấn đề với nghịch lưu hình T, đó là việc xác định cấu hình chuyển mạch AC hai chiều với các van bán dẫn công suất sẵn có. Các chuyển mạch AC phải có khả năng chặn ngược khi chúng được tích hợp trong hệ thống. Hiện nay, van IGBT và MOSFET được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống công suất.

Tuy nhiên, trong quá trình chuyển mạch, những van công suất này có khả năng chặn ngược chưa cao. Để khắc phục tình trạng này, hai giải pháp khác nhau của cấu hình chuyển mạch AC được thể hiện như trong Hình 1. IGBT Diode RB-IGBT (a) (b) Hình 1. Chuyển mạch AC sử dụng van IGBT+điốt (a) và RB-IGBT (b) 5 Hình 1.7(a) cho thấy giải pháp thông thường là "IGBT+điốt ".

Một điốt được mắc nối tiếp với IGBT thành khối chặn ngược. Phương pháp này có thể áp dụng rộng rãi cho các van IGBT thông thường có sẵn trên thị trường. Tuy nhiên, việc đó dẫn đến là sụt áp trên van khi dẫn cao hơn do có thêm lớp tiếp giáp P-N. Số lượng van bán dẫn tối thiểu cho một chuyển mạch AC là 4 van (2 IGBT và 2 điốt).

Cấu trúc bán dẫn của van IGBT thông thường được thể hiện như trong Hình 1. Giải pháp sử dụng RB-IGBT (IGBT chặn ngược) đã được đề xuất áp dụng như trong Hình 1.7(b) để đạt hiệu suất cao hơn. Cấu trúc bán dẫn của van RB-IGBT như trong Hình 1. Như vậy, sẽ có một lớp tiếp giáp PN, tương ứng với một điốt đã được tích hợp sẵn bên trong van RB-IGBT.

Như vậy, RB-IGBT có khả năng chặn ngược, điốt chặn ngược là không cần thiết nữa. Do đó, sụt áp trên van khi dẫn sẽ thấp hơn do giảm số lượng lớp tiếp giáp PN từ hai về một. Số lượng van RB IGBT tối thiểu để định hình chuyển mạch hai chiều AC là 2 van [47]. Cấu trúc bán dẫn của van IGBT thông thường (a) và RB-IGBT (b) Theo [47], sụt áp trên van khi dẫn của RB-IGBT giảm khoảng 30% so với IGBT thông thường + điốt và được thể hiện như trong Hình 1.