Chương 1. Tổng quan về hệ thống nguồn viễn thông Giới thiệu tổng quan về tính cấp thiết của đề tài và tình hình nghiên cứu hiện nay của bộ nguồn DC/DC 48V trong viễn thông. Những thách thức cho việc nâng cao hiệu năng bộ nguồn, mục tiêu và phương pháp thực hiện nghiên cứu cũng được đề xuất. Bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC Phân tích các cấu trúc cộng hưởng.
Tính toán thiết kế bộ biến đổi ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC. Xây dựng mô hình, tính toán tổn hao cho mạch cộng hưởng ba pha LLC nối sao mất cân bằng. Phân tích tổn hao trên từng pha, từng phần tử để làm cơ sở phân tích hiệu suất cấu trúc 3 pha, 2 pha, 1 pha. Thiết kế chế tạo mô hình mẫu thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết.
Điều khiển mạch cộng hưởng ba pha xen kênh LLC Thực hiện mô hình hóa mạch cộng hưởng LLC. Đề xuất thuật toán điều khiển điện áp và điều khiển cân bằng dòng cộng hưởng giữa các pha. So sánh ưu điểm của phương pháp đề xuất với các phương pháp thông thường trước đây. Thực hiện mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng phương pháp điều khiển đề xuất.
Chương 4: Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống trên toàn dải tải Thực hiện nghiên cứu cấu trúc tắt pha nâng cao hiệu suất tại vùng tải thấp và giảm độ đập mạch dòng điện đầu ra. Đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi MRAC nhằm cải thiện đáp ứng hệ thống khi thay đổi cấu trúc do tắt pha. Thực hiện mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng. Kết luận và kiến nghị Trình bày tóm lược những kết quả đã đạt được của luận án; đồng thời chỉ ra những hạn chế và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
Tổng quan về hệ thống nguồn viễn thông Hệ thống phân phối điện cho các trạm thông tin và trung tâm dữ liệu đã trải qua những thay đổi mạnh mẽ trong vòng hai thập kỷ qua do tiến bộ nhanh chóng của công nghệ xử lý kỹ thuật số hiện đại, đòi hỏi cung cấp nguồn điện chất lượng cao và độ tin cậy cao. Cùng với sự thúc đẩy mãnh mẽ bởi nhu cầu sử dụng nguồn điện hiệu quả và tiết kiệm chi phí, hệ thống phân phối DC được sử dụng rộng rãi để thay thế hệ thống AC truyền thống trong các trạm thông tin do đặc tính hiệu suất cao [3]. Các nhà nghiên cứu và các công ty lớn trong ngành như AT&T, Google đang tìm kiếm các cách vận hành các trạm thông tin hiệu quả hơn dựa trên hệ thống phân phối DC. Kiến trúc phân phối nguồn qua bus trung gian 48 VDC đã được đề xuất để thay thế hệ thống 12 VDC truyền thống trong các trung tâm dữ liệu.
Mặt khác, bus DC có điện áp cao hơn (chẳng hạn như 380 V) cũng đang được quan tâm nghiên cứu [4]. Tuy nhiên, việc xây dựng lại một hệ thống cấp điện đồng nghĩa với việc tốn chi phí đầu tư rất nhiều vào nghiên cứu và xây dựng hạ tầng. Do đó, kiến trúc nguồn 48V vẫn được sử dụng rộng rãi trong các trung tâm dữ liệu và trạm viễn thông cho đến nay [5]. Các hệ thống cấp nguồn tập trung trong trạm thông tin thường bao gồm bộ chỉnh lưu AC/DC, ắc quy dự phòng và bộ biến đổi DC/DC [6].
Các thanh cái lớn và tốn kém được sử dụng cung cấp các mức điện áp đầu vào đến từng thiết bị.1 cho thấy cấu hình điển hình của các hệ thống điện tập trung cho thiết bị thông tin. Hệ thống cấp nguồn tập trung trong trạm thông tin [6]. 1 Hệ thống điện tập trung vẫn được sử dụng trong các bộ nguồn cho máy tính để bàn và máy chủ cấp thấp, nhưng nó đã trở nên lỗi thời trong các hệ thống phân phối điện trong trung tâm dữ liệu vì những lý do sau: - Các nguồn cung cấp điện tập trung khó thay đổi linh hoạt theo nhu cầu sử dụng. - Khi xảy ra lỗi tại một bộ phận chính có thể làm mất điện toàn bộ hệ thống.
- Các thanh cái phân phối điện tập trung có kích thước lớn làm tăng chi phí. - Khả năng phân phối mức điện áp khác nhau theo từng tải khó khăn. Sang thế kỷ XX, phần lớn các trung tâm dữ liệu chuyển sang sử dụng kiến trúc nguồn phân tán [7], [8]. Sự ra đời của kiến trúc nguồn phân tán (DPA) được thúc đẩy bởi những điều sau đây : - Số lượng các bảng mạch xử lý tín hiệu số tăng nhanh, có các mức điện áp thấp, cùng với đó yêu cầu các bộ nguồn công suất cao hơn, kích thước và trọng lượng nhỏ hơn.
- Sự phổ biến của các bộ biến đổi DC/DC cách ly dạng mô-đun với chi phí hợp lý. - Nhu cầu về một hệ thống phân phối điện có thể cấu hình linh hoạt hơn, cho phép điều khiển thay đổi phù hợp theo biến đổi của phụ tải. - Nhu cầu về các hệ thống có độ tin cậy và tính sẵn sàng cao, hỗ trợ hoán đổi nóng và có chi phí bảo trì thấp hơn.2 là kiến trúc một hệ thống nguồn phân tán điển hình cho các thiết bị viễn thông [9]. Hệ thống cấp nguồn phân tán cho các thiết bị viễn thông, với phần DC-DC cách ly [9].
Bộ biến đổi AC-DC đầu vào biến điện áp lưới xoay chiều thành điện áp một chiều cấp cho bus trung gian 48 VDC, bao gồm bộ biến đổi PFC và bộ biến đổi DC-DC. Cấp điện áp này phù hợp với hệ thống nguồn dự phòng dùng acquy dung lượng khá lớn. Từ thanh cái một chiều 48 VDC, sử dụng các bộ biến đổi DC-DC cách ly chuyển xuống mức điện áp thấp hơn và có thể dùng mạch cầu một pha, mạch nửa cầu, cùng 2 chỉnh lưu đồng bộ để đạt hiệu suất cao. Các bộ biến đổi này có yêu cầu cao về khả năng tự động ổn định điện áp khi tải thay đổi.
Với các phụ tải công suất nhỏ, dưới 100 W, có thể dùng các cấu trúc mạch ít phần tử như Flyback, Forward hoặc mạch đẩy kéo (Push-Pull Converter). Sự tăng trưởng nhanh của lĩnh vực thông tin dẫn đến nhu cầu lớn về năng lượng điện.3 chỉ ra tỷ trọng tiêu thụ điện liên quan lĩnh vực thông tin so với điện năng sử dụng trên toàn cầu. Trong trường hợp xấu nhất đến năm 2030, lĩnh vực thông tin có thể sử dụng tới 51% (30,715TWh / 60,807TWh) điện năng toàn cầu và có thể gây ra tới 23% lượng phát thải khí nhà kính [10]. Bối cảnh tiêu thụ điện của lĩnh vực thông tin trên toàn cầu [10].
Để giảm tác động của sự nóng lên toàn cầu, cần có sự phân phối, chuyển đổi và sử dụng năng lượng điện hiệu quả hơn trong lĩnh vực viễn thông. Các phong trào trên toàn thế giới về tiết kiệm năng lượng, sản xuất và phân phối “Điện xanh”, đã dẫn đến một số sáng kiến tự nguyện và các quy định bắt buộc của các tổ chức quốc tế và chính phủ nhằm tăng hiệu quả sử dụng điện như chương trình ENERGY STAR® của Hoa Kỳ, Thiên thần xanh của Đức, Môi trường của Nhật Bản, Quy tắc ứng xử của Châu Âu [11]. Trọng tâm của các chương trình này là các hệ thống cấp điện DC hiệu suất cao cho trạm thông tin và trung tâm dữ liệu [12]. Vì vậy việc nâng cao hiệu suất cho các bộ nguồn biến đổi AC/DC dùng cho viễn thông sẽ góp phần đáng kể trong việc tiết kiệm điện năng.
Và thực tế rằng, các doanh nghiệp viễn thông ngày càng đặt ra các yêu cầu cao về hiệu suất và mật độ công suất cho các nhà sản xuất cung cấp thiết bị nguồn nhằm cố gắng giảm chi phí dịch vụ và duy trì tính cạnh tranh [13]. Hiệu suất và mật độ công suất là các yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả của hệ thống nguồn cấp điện. Cho đến nay, chỉ có hiệu suất ở tải tối đa thường được xem 3 xét [14]. Điều này là do giới hạn kích thước, đặc tính nhiệt độ của các linh kiện và giải pháp làm mát được xác định ở công suất đầu ra tối đa với tổn thất điện năng thông thường là cao nhất.
Tuy nhiên, do phụ tải thông tin thay đổi rộng, điều quan trọng là phải có hiệu suất cao ngay cả ở tải trung bình và tải nhẹ chiếm một khoảng thời gian đáng kể trong ngày khi hệ thống thông tin vẫn phải đảm bảo cung cấp dịch vụ 24/24 giờ. Theo tổ chức ENERGY STAR®, hiệu suất của bộ nguồn cấp điện trong trạm thông tin hiện được quy định từ 10% đến 100% dải công suất đầu ra danh định và không được vượt quá giới hạn tiêu thụ điện năng quy định cho các chế độ vận hành không tải [15]. Yêu cầu hiệu suất tối thiểu cần đạt được ở công suất đầu ra 10%, 20%, 50% và 100% của bộ biến đổi AC/DC hoặc DC/DC cho máy chủ. [15] Công suất đầu ra 10% tải 20% tải 50% tải 100% tải ≤ 500 W 70% 82% 89% 85% 501 – 1000 W 75% 85% 89% 85% > 1000 W 80% 88% 92% 88% Đặc trưng của phụ tải trong các trạm thông tin là phạm vi công suất đầu ra rất rộng, thay đổi liên tục trong ngày và thường xuyên làm việc ở trạng thái phụ tải nhỏ hơn định mức.4 biểu diễn phân bố phụ tải theo thời gian hoạt động tương ứng của một trạm thông tin điển hình.
Có thể thấy rằng vùng tải 10 - 60% định mức chiếm đến 80% thời gian hoạt động trong ngày [16]. Phân bố phụ tải trạm thông tin hoạt động trong ngày (%) 20% 30% Tải 10 - 30% Tải 30 - 60% Tải 60 - 100% 50% Hình 1. Biểu đồ phân bố phụ tải trạm thông tin theo thời gian hoạt động [16]. Các bộ nguồn thông thường chỉ đạt hiệu suất cao trong một phạm vi hẹp gần công suất tải định mức.
Khi làm việc ở vùng công suất thấp, hiệu suất của bộ nguồn sẽ giảm đáng kể dẫn đến tổn thất điện năng [16]. Việc đáp ứng về hiệu suất cao toàn dải tải và mật độ công suất cao với chi phí hợp lý đặt ra những thách thức lớn về nghiên cứu, thiết kế đối với các nhà sản xuất bộ 4 nguồn [17]. Để đáp ứng các yêu cầu mới về tính hiệu quả, tin cậy và kinh tế của hệ thống cung cấp điện, các chỉ số hiệu năng của hệ thống nguồn cần được xem xét. Với sự khởi đầu của điện tử công suất hiện đại sau cuộc cách mạng công nghệ vật liệu bán dẫn, các van bán dẫn mới với kích thước nhỏ, khả năng chuyển mạch nhanh, tổn hao thấp đã tạo nên các xu hướng nghiên cứu mới.
Các hệ thống nguồn công suất cao được định lượng bằng các chỉ số hiệu năng.