CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Khối nguồn Bộ tăng áp Bộ nghịch lưu Tải DC DC-DC DC-AC 150-300VDC 400VDC 220VAC Hình 1. Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều. Khối nguồn Bộ nghịch lưu Máy biến áp Tải DC DC-AC 50Hz 150-300VDC 110VAC 220VAC Hình 1. Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số.
Sớm nhận ra được những hạn chế của bộ nghịch lưu truyền thống, việc nghiên cứu và phát triển các cấu hình nghịch lưu đã được thực hiện một cách liên tục bởi các chuyên gia hàng đầu và các kỹ sư điện giàu kinh nghiệm trên toàn thế giới nhằm hướng tới mục tiêu cải thiện chất lượng điện năng ngày một tốt hơn, đồng thời giảm chi phí lắp đặt và tăng hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Cụ thể, số lượng các bài báo về các công trình nghiên cứu đã được công bố ngày càng nhiều bởi các tạp chí nổi tiếng về điện – điện tử như IEEE, IET. Điều đó chứng tỏ rằng việc nghiên cứu về các bộ nghịch lưu cho các hệ thống điện năng lượng tái tạo là đúng hướng và ngày càng được mọi người quan tâm nhiều hơn trong những năm gần đây. Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Trong bối cảnh hiện nay khi mà lĩnh vực năng lượng tái tạo được chú trọng thì dường như các thành tựu về các mô hình nghịch lưu trước đây khó lòng đáp ứng được.
Việc nghiên cứu và phát triển các cấu hình nghịch lưu nhằm giảm chi phí lắp đặt và tăng hiệu năng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và khả năng chịu lỗi của hệ thống điện đã được quan tâm nhiều hơn. 6 do an CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Năm 2003, cấu hình nghịch lưu nguồn Z đã được đề xuất cho phép tăng điện áp DC ngõ vào qua đó tăng áp xoay chiều ngõ ra chỉ qua một chặng biến đổi năng lượng là một bước tiến khá lớn cho lĩnh vực này (Ellabban Omar, Abu-Rub Haitham, "Z-Source Inverter Topology Improvements Review", IEEE Ind. Mạng trở kháng trung gian của bộ nghịch lưu nguồn Z (ZSI) này bao gồm hai cuộn cảm có thông số bằng nhau, hai tụ thông số bằng nhau và một diode. Đối với bộ nghịch lưu truyền thống, chỉ có hai trạng thái hoạt động là trạng thái ngắn mạch và trạng thái trạng thái active.
Trong khi đó bộ ZSI tận dụng trạng thái ngắn mạch để tăng điện áp DC ngõ vào, qua đó cải thiện độ tin cậy cho bộ nghịch lưu. D1 L1 Sa1 Sb1 Sc1 C1 C2 A Tải AC Vg B C Sa2 Sb2 Sc2 L2 Hình 1. Bộ nghịch lưu Z-Source. Các công trình nghiên cứu liên quan: “Fault Tolerant Operation of Active Neutral Point Clamped Multilevel Converters using a Voltage Sliding Mode Controller” được công bố bởi tổ chức IEEE năm 2014 “Quasi-Z-Source Inverter With a T-Type Converter in Normal and Failure Mode” được công bố bởi tổ chức IEEE năm 2015.
“A Carrier-Based PWM for Three-Level T-Type Inverter to Tolerate Open- Circuit Fault” được công bố bởi tổ chức IEEE năm 2017. Qua đó thấy được tình hình nghiên cứu về các bộ nghịch lưu đang rất phát triển, nhưng cụ thể với nghịch lưu hình T với các cấu hình tăng áp đặc biệt là khả 7 do an CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN năng chịu sự cố (lỗi) cho hệ thống vẫn còn trong quá trình nghiên cứu hoặc có thể chưa được công bố rộng rãi trên thế giới. Tình hình nghiên cứu trong nước: Trong nước, hiện tại hướng nghiên cứu về bộ nghịch lưu đa bậc hình T vẫn còn là một hướng nghiên cứu mới. Tiên phong cho hướng nghiên cứu về cấu hình bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T thực hiện trong đồ án là ThS.
Đỗ Đức Trí - Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Cụ thể, trong năm 2017, bài báo về công trình nghiên cứu nghịch lưu hình T “Three-Level Quasi-Switched Boost T-Type Inverter: Analysis, PWM Control, and Verification” của thầy đã được tổ chức IEEE thông qua và cho phát hành đến các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới. Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại phòng “Thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao” - D405. Phòng thí nghiệm đã và đang đi sâu vào nghiên cứu và phân tích các cấu hình và các giải thuật về nghịch lưu hình T tăng áp và đặc biệt là khả năng chịu sự cố (lỗi) cho hệ thống khi bị sự cố mất pha.
Bên cạnh đó, minh chứng cho tình hình nghiên cứu về các bộ nghịch lưu vẫn đang tiếp tục phát triển, bài báo “A PWM Scheme for a Fault-Tolerant Three-Level Quasi-Switched Boost T-Type Inverter” vừa được đăng trên tạp chí “IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics” vào tháng 6 năm 2019. Trong bài báo, một cấu hình nghịch lưu mới đã được đề xuất với việc tiếp tục giảm bớt một cuộn cảm ở mạng trở kháng trung gian và giảm thêm 6 diode nữa khi so với mạch nghịch lưu NPC trước đó. Ngoài việc giảm đáng kể số lượng các linh kiện thụ động, bộ nghịch lưu này còn có thể chịu được lỗi trong các trường hợp như: lỗi ngắn mạch, lỗi mạch hở bằng cách thực hiện một kỹ thuật điều chế PWM đặc biệt. Bộ nghịch lưu trong đề tài mà nhóm nghiên cứu được thực hiện với hai IGBT ở nhánh hình T đã được nhóm thực hiện đề tài thay thế bằng cấu hình gồm một IGBT kẹp bởi cầu Diode để cách ly điểm trung tính với dòng tải ngõ ra được tốt hơn.
Khi so với bộ nghịch lưu ba pha ba bậc truyền thống, bộ nghịch lưu cải tiến này có các đặc tính nổi trội hơn. 8 do an CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1. Cấu hình bộ nghịch lưu hình T 3 bậc quasi-Z-Source. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong đời sống và sản xuất công nghiệp hiện nay, các bộ nghịch lưu (Inverters) được sử dụng rộng rãi để điều khiển động cơ điện xoay chiều, bộ lưu điện (UPS), hệ thống điện phân phối, lĩnh vực năng lượng tái tạo, xe điện, các hệ thống pin năng lượng mặt trời… Với những ứng dụng thiết thực và rộng rãi như trên việc nghiện cứu và tối ưu các bộ nghịch lưu là một yêu cầu bắt buộc để có thể biến đổi và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả thay cho bộ nghịch lưu truyền thống với một số hạn chế nhất định như sau: Điện áp ra xoay chiều VAC luôn nhỏ hơn điện áp một chiều ngõ vào VDC, hay nói cách khác nghịch lưu truyền thống chỉ là bộ nghịch lưu giảm áp.
Hai khóa đòng ngắt (IGBT) trên cùng một nhánh không được phép đóng cùng một lúc vì sẽ xảy ra hiện tượng ngắn mạch, gây hư hỏng thiết bị. Sư dụng 2 bộ biến đổi DC-DC và DC-AC làm tăng kích thước, giảm hiệu suất toàn hệ thống, tăng giá thành. Đặc biệt trong lĩnh vực Năng lượng tái tạo điển hình là pin mặt trời (PV), pin nhiên liệu (fuel cell), … điện áp ngõ ra của các dạng năng lượng này là điện một chiều VDC có giá trị thấp, không ổn định phụ thuộc theo thời gian và môi trường làm việc, dẫn đễn việc dễ bị sự cố (lỗi) hệ thống. 9 do an CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hướng đề xuất của đề tài: Để giải quyết các vấn đề trên nhóm quyết định thực hiện đề tài: “NGHỊCH LƯU HÌNH T 3 BẬC QUASI-Z-SOURCE CÓ KHẢ NĂNG CHỊU LỖI” Với các tính năng: Có khả năng chịu lỗi cho hệ thống ở khi bị sự cố (lỗi).
Có khả năng tăng áp VDC đầu vào qua đó giảm số lượng pin hay ac-quy ngõ vào, qua đó giảm chi phí lắp đặt. Cho phép cả hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh đóng cùng lúc. Do đó thời gian chết tạo ra trong quá trình chuyển mạch giữa các khóa được loại bỏ. Vì thế độ méo dạng của điện áp ngõ ra (THD) được giảm.
Giảm điện áp đặt lên IGBT. Hiệu suất chuyển đổi cao do chỉ qua một chặng biến đổi từ DC-AC. Đảm bảo công suất ngõ ra sau khi xảy ra sự cố. MỤC TIÊU Mục tiêu tạo ra bộ nghịch lưu ba pha ba bậc tăng áp có ngõ ra điện áp được cải thiện hơn về độ gợn sóng và tần số ổn định hơn.
Nhóm tiến hành xây dựng bộ nghịch lưu 3L qZST2I-UFM với mục đích: Xây dựng mô hình nghịch lưu hình T 3 bậc quasi-Z-Source có khả năng chịu lỗi. Cấu hình đảm bảo duy trí ổn định cho hệ thống ở điều kiện hoạt dộng binh thường và lỗi khóa đóng ngắt hở mạch ở nhánh pha bất kỳ. Đáp ứng các đặc tính tăng – giảm áp (Buck-Boost) và đa bậc. Sự dụng một nguồn VDC ngõ vào và tăng áp điện áp VAC ngõ ra.
Đảm bảo công suất ngõ ra sau khi xảy ra sự cố. Bộ nghịch lưu sử dụng một nguồn VDC, mạng trở kháng trung gian của bộ nghịch lưu này bao gồm bốn cuộn cảm, bốn tụ điện, hai diode và sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để điều khiển các linh kiện chuyển mạch. Trong đó, Card DSP TMS320F28355 được lập trình để tạo xung ngõ ra cho mạch kích hoạt động đồng thời sử dụng board mạch FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 để thực hiện các thuật toán logic. 10 do an CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.
PHƯƠNG PHÁP, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết dựa trên các bài báo khoa học đã công bố. Có tính kế thừa từ các công trình nghiên cứu trước đó của phòng thí nghiệm và từ đó nghiên cứu phát triển thêm các tính năng mới. Dựa vào lý thuyết tiến hành mô phỏng bằng phần mềm PSIM. Xây dựng mô hình thực tế và tiến hành thực ngiệm.
Ghi nhận kết quả thực nghiệm. Đưa ra đánh giá, và hiệu chỉnh hệ thống. Thực nghiệm, thiết kế bằng các phần mềm: PSIM, Code Composer Studio (CCS), Proteus, Altera Quartus, … Đối tượng nghiên cứu: - Tìm hiểu bộ nghịch lưu ba pha PWM. - Mô phỏng lập trình trên Psim.
- Thiết kế mô hình nghịch lưu 3 pha. - Lập trình điều khiển bằng phần mềm CCS và Quatus để nhúng vào Card DSP TMS320F28335 và FPGA Cyclone II EP2C5T144C8. Phạm vi nghiên cứu: - Nghịch lưu ba pha ba bậc dạng hình T nguồn Z. - Chỉ thực hiện sửa lỗi cho trường hợp một nhánh nghịch lưu của pha bất kỳ bị lỗi hở mạch.
- Đây là đề tài mới nên tài liệu nghiên cứu bị hạn chế và mang tính tham khảo, đa số là tài liệu nước ngoài cần có thời gian nghiên cứu và tìm hiểu. - Mô hình được xây dựng với mục đích kiểm chứng giữa lý thuyết và thực tế.