Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo, hệ thống biến tần một pha đa cấp ngày càng được quan tâm nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tổn thất điện năng. Luận văn tập trung nghiên cứu biến tần một pha bậc 5 loại T bất đối xứng (5L-T-AHB) nhằm giảm dòng rò và cải thiện chất lượng điện năng trong các hệ thống điện mặt trời áp dụng công nghệ biến tần không biến áp. Theo ước tính, dòng rò trong các hệ thống biến tần truyền thống có thể vượt quá 300 mA, gây nguy hiểm và ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích nguyên lý hoạt động, thiết kế mô hình điều khiển PWM sóng sin cho biến tần 5L-T-AHB, đồng thời thực hiện mô phỏng và thí nghiệm để đánh giá hiệu quả giảm dòng rò và méo hài tổng (THD).

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào biến tần một pha không biến áp, áp dụng trong hệ thống điện mặt trời tại Việt Nam, với thời gian thực hiện từ đầu năm 2019 đến giữa năm 2019. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy và an toàn cho hệ thống điện mặt trời, đồng thời giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI) và tổn thất năng lượng, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong công nghiệp và dân dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết biến tần đa cấp và kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) sóng sin. Mô hình biến tần 5L-T-AHB được xây dựng dựa trên cấu trúc T-type bất đối xứng, bao gồm hai nhánh chính và một nhánh T, kết nối giữa nguồn DC và nhánh trên. Các khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm:

  • Dòng rò (Leakage Current): Dòng điện không mong muốn chạy qua các thành phần cách điện, gây nguy hiểm và nhiễu điện từ.
  • Điều chế PWM sóng sin: Kỹ thuật điều khiển khóa công suất bằng xung PWM để tạo ra điện áp đầu ra gần với sóng sin chuẩn.
  • Méo hài tổng (THD): Thước đo mức độ méo dạng sóng điện áp hoặc dòng điện so với sóng sin lý tưởng.
  • Điện áp mode chung (CMV - Common Mode Voltage): Điện áp giữa điểm trung tính và đất, ảnh hưởng đến dòng rò.
  • Mô hình biến tần không biến áp: Thiết kế biến tần không sử dụng máy biến áp, giúp giảm kích thước và chi phí.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các bài báo khoa học quốc tế, đặc biệt là các công trình đăng trên tạp chí IEEE, cùng với dữ liệu thực nghiệm thu thập từ phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng bằng phần mềm PSIM và thực nghiệm trên bộ kit điều khiển TMS320F28379D của Texas Instruments.

Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống biến tần một pha 5 bậc loại T, được mô phỏng với nguồn DC 100V, tải R-L 25Ω và 3mH, tần số sóng mang 16 kHz và tần số đầu ra 60 Hz. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng chi tiết từng trạng thái đóng cắt của các khóa IGBT và phân tích dòng rò, điện áp đầu ra, cùng với thí nghiệm thực tế để xác minh mô hình. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2019, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, lập trình điều khiển và thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm dòng rò hiệu quả: Mô hình biến tần 5L-T-AHB cho thấy dòng rò RMS được duy trì dưới 140 mA trong điều kiện tải R-L 25Ω, thấp hơn nhiều so với ngưỡng 300 mA theo tiêu chuẩn DIN VDE 0126-1-1. Kết quả này được xác nhận qua mô phỏng PSIM và thí nghiệm thực tế.

  2. Điện áp đầu ra ổn định: Điện áp đầu ra VAB đạt giá trị gần bằng VPV/2 (50V trên nguồn DC 100V) với sóng mang PWM tần số 16 kHz, đảm bảo sóng sin đầu ra có méo hài tổng THD thấp, cải thiện chất lượng điện năng.

  3. Hiệu quả điều chế PWM: Việc sử dụng sóng mang PWM dạng tam giác với tần số cao giúp giảm méo hài bậc cao, đồng thời điều chỉnh tỷ lệ điều chế ma và mf để tối ưu hóa hiệu suất biến tần.

  4. Ảnh hưởng của trở kháng tải: Thí nghiệm với các giá trị trở kháng khác nhau (10Ω, 20Ω, 25Ω) cho thấy dòng rò và điện áp mode chung có xu hướng giảm khi trở kháng tăng, góp phần giảm thiểu nhiễu điện từ và tăng độ bền hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm dòng rò là cấu trúc bất đối xứng của biến tần 5L-T-AHB, giúp cân bằng điện áp và giảm điện áp mode chung. So sánh với các nghiên cứu trước đây về biến tần NPC và cascade multilevel inverter, mô hình này có ưu điểm về chi phí và độ phức tạp thấp hơn, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu suất cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dòng rò RMS theo các mức trở kháng tải và điện áp đầu ra VAB theo tỷ lệ điều chế ma, mf. Bảng tổng hợp các trạng thái đóng cắt của khóa IGBT cũng minh họa rõ ràng nguyên lý hoạt động của biến tần.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển biến tần không biến áp cho hệ thống điện mặt trời, giảm thiểu rủi ro về an toàn điện và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển PWM: Áp dụng các thuật toán điều chế đa mức nâng cao nhằm giảm THD và dòng rò, hướng tới mục tiêu THD dưới 5% trong vòng 6 tháng, do nhóm nghiên cứu và kỹ sư phát triển thực hiện.

  2. Nâng cấp phần cứng điều khiển: Sử dụng vi xử lý DSP thế hệ mới với khả năng xử lý nhanh hơn để cải thiện độ chính xác điều khiển, dự kiến hoàn thành trong 1 năm, do phòng thí nghiệm điện tử công suất đảm nhiệm.

  3. Mở rộng thử nghiệm thực tế: Triển khai thí nghiệm trên hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ tại một số địa phương để đánh giá hiệu quả trong điều kiện thực tế, thời gian 12 tháng, phối hợp với các đơn vị lắp đặt và vận hành.

  4. Phát triển mô hình giảm nhiễu EMI: Nghiên cứu và áp dụng các bộ lọc và kỹ thuật giảm nhiễu điện từ nhằm nâng cao độ ổn định và tuổi thọ thiết bị, thực hiện song song với các đề xuất trên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về biến tần đa cấp và kỹ thuật điều khiển PWM, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Kỹ sư thiết kế hệ thống năng lượng tái tạo: Tham khảo để áp dụng mô hình biến tần 5L-T-AHB trong thiết kế hệ thống điện mặt trời, nâng cao hiệu suất và an toàn.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị biến tần: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ các công nghệ biến tần mới, từ đó xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biến tần 5L-T-AHB là gì và ưu điểm chính của nó?
    Biến tần 5L-T-AHB là biến tần một pha bậc 5 loại T bất đối xứng, giúp giảm dòng rò và điện áp mode chung, nâng cao chất lượng điện năng. Ví dụ, dòng rò RMS được giảm xuống dưới 140 mA, an toàn hơn so với tiêu chuẩn 300 mA.

  2. Tại sao dòng rò trong biến tần lại quan trọng?
    Dòng rò có thể gây nguy hiểm cho người sử dụng và thiết bị, đồng thời tạo ra nhiễu điện từ ảnh hưởng đến hệ thống. Luận văn chứng minh rằng cấu trúc 5L-T-AHB giúp giảm dòng rò hiệu quả.

  3. Phương pháp điều khiển PWM sóng sin được áp dụng như thế nào?
    Sử dụng sóng mang tam giác tần số cao (16 kHz) và sóng điều khiển sin để tạo xung PWM, giúp điện áp đầu ra gần với sóng sin chuẩn, giảm méo hài và tổn thất.

  4. Mô phỏng và thí nghiệm được thực hiện ra sao?
    Mô phỏng sử dụng phần mềm PSIM với các thông số tải và nguồn thực tế, thí nghiệm thực hiện trên kit điều khiển DSP TMS320F28379D, đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế.

  5. Luận văn có thể áp dụng cho hệ thống điện mặt trời quy mô lớn không?
    Mô hình có thể mở rộng cho các hệ thống lớn hơn với điều chỉnh phù hợp, giúp nâng cao độ tin cậy và an toàn, đồng thời giảm chi phí đầu tư nhờ loại bỏ máy biến áp.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và phân tích thành công biến tần một pha 5 bậc loại T bất đối xứng, giảm dòng rò dưới 140 mA, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn DIN VDE 0126-1-1.
  • Mô hình điều khiển PWM sóng sin được xây dựng và mô phỏng chính xác, đảm bảo điện áp đầu ra chất lượng cao với THD thấp.
  • Thí nghiệm thực tế trên kit DSP TMS320F28379D xác nhận tính khả thi và hiệu quả của giải pháp.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn cho hệ thống điện mặt trời không biến áp.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu thuật toán điều khiển, nâng cấp phần cứng và mở rộng thử nghiệm thực tế.

Để tiếp tục phát triển công nghệ biến tần đa cấp, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và cải tiến mô hình 5L-T-AHB, đồng thời phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế nhằm thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo hiệu quả hơn.