Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T với khả năng tăng áp và chịu được lỗi" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Đỗ Đức Trí, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Minh Khai và TS. Quách Thanh Hải, bảo vệ tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 09 năm 2020, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (mã số: 92520203).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo số liệu thống kê được tác giả trích dẫn, mật độ khí CO2 trong khí quyển đã đạt ngưỡng 407,4 ppm vào năm 2018 và dự báo đạt 410 ppm vào năm 2019, trong khi các nguồn thủy điện lớn đã khai thác hết công suất tiềm năng. Tại Việt Nam, Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg, các Thông tư số 16/2017/TT-BCT, Thông tư số 05/2019/TT-BCT và Thông tư số 39/2015/TT-BCT đã quy định cơ chế khuyến khích điện mặt trời nối lưới và đặt ra các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt về chất lượng điện năng. Đối với nguồn điện mặt trời và pin nhiên liệu công suất nhỏ và vừa, điện áp một chiều (DC) ngõ vào thường thấp (từ 12 V đến 100 V hoặc 150 V đến 300 V). Để hòa lưới điện 220 V/380 V xoay chiều (AC), điện áp ngõ vào DC yêu cầu phải lớn hơn 541 V.

Khoảng trống nghiên cứu phát sinh từ những hạn chế kỹ thuật của các cấu hình nghịch lưu hiện hành:

  1. Nghịch lưu ba bậc hình T truyền thống là bộ biến đổi giảm áp (buck converter), không cho phép trạng thái ngắn mạch nhánh van (shoot-through - ST). Nếu ghép thêm bộ biến đổi tăng áp DC-DC phía trước (chuyển đổi hai chặng) hoặc dùng máy biến áp tần số thấp 50 Hz thì hệ thống cồng kềnh, giảm hiệu suất và phối hợp điều khiển giữa hai chặng phức tạp.
  2. Cấu hình nghịch lưu nguồn Z ba bậc (3L-ZSI) cho phép trạng thái ngắn mạch và tăng áp một chặng, nhưng dòng điện ngõ vào bị gián đoạn, gây suy giảm tuổi thọ tế bào quang điện (PV) và pin nhiên liệu.
  3. Cấu hình nghịch lưu tựa nguồn Z ba bậc (3L-qZSI) giải quyết được tính liên tục của dòng điện ngõ vào nhưng đòi hỏi số lượng phần tử thụ động lớn (4 cuộn cảm, 4 tụ điện), làm tăng khối lượng, kích thước và tổn thất của thiết bị.
  4. Quá trình đóng ngắt van bán dẫn tạo ra điện áp common mode (CMV), dẫn đến dòng rò, điện áp trục động cơ và nhiễu điện từ (EMI). Các giải pháp triệt tiêu CMV trước đó thường chỉ áp dụng cho bộ biến đổi giảm áp hoặc chưa loại bỏ hoàn toàn CMV.
  5. Sự cố hở mạch hoặc ngắn mạch khóa bán dẫn làm suy giảm chất lượng điện năng hoặc dừng hệ thống. Việc sử dụng nhánh cầu dự phòng phần cứng làm tăng kích thước và chi phí lắp đặt.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Luận án tập trung phân tích khả năng tăng áp, cơ chế triệt tiêu điện áp common mode ở điều kiện hoạt động bình thường và khả năng chịu lỗi hở mạch của các khóa công suất trong bộ nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch ba bậc hình T (3L-qSBT2I). Các mục tiêu kỹ thuật cụ thể được đánh số theo văn bản luận án gồm:

  • a) Giảm điện áp đặt trên các phần tử công suất thụ động và tích cực so với cấu hình tương tự;
  • b) Giảm tổng độ méo dạng sóng hài (THD) điện áp pha tải so với cấu hình tương tự khi xét ở cùng tỉ số ngắn mạch;
  • c) Triệt tiêu hoàn toàn điện áp common mode (ECMV) khi bộ chuyển đổi vận hành ở điều kiện bình thường;
  • d) Cải thiện các thông số điều khiển so với cấu hình tương tự;
  • e) Xây dựng giải thuật tái cấu hình mạch bằng phần mềm khi hai khóa công suất ở mạng nguồn kháng hoặc các khóa công suất ở nhánh nghịch lưu hình T bị sự cố hở mạch.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ nghịch lưu tăng áp trực tiếp một chặng ba pha ba bậc hình T cấu trúc phần cứng tựa khóa chuyển mạch (3L-qSBT2I) và các giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM, SVPWM) tích hợp chức năng triệt tiêu điện áp common mode cùng giải pháp tái cấu hình chịu lỗi hở mạch.
  • Phạm vi nghiên cứu: Bộ nghịch lưu công suất nhỏ và vừa ứng dụng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, bộ lưu điện không ngắt (UPS); giới hạn ở việc giải quyết 5 mục tiêu kỹ thuật nêu trên bằng phân tích toán học, mô phỏng chuyên dụng và thực nghiệm trên mô hình quy mô phòng thí nghiệm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu đã được điểm lại

Trong Chương 1, tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ba trục nội dung chính:

  1. Về cấu hình nghịch lưu tăng áp một chặng:
  • Cấu hình nghịch lưu nguồn Z (ZSI) do F. Peng đề xuất giai đoạn 2002-2003 được ghi nhận là giải pháp cho phép trạng thái ngắn mạch nhánh và tích hợp khả năng tăng/giảm áp trong một chặng biến đổi. Tuy nhiên, cấu hình này có dòng điện đầu vào không liên tục và điện áp đặt trên tụ cao.
  • Cấu hình tựa nguồn Z (qZSI) được nghiên cứu nhằm duy trì dòng điện đầu vào liên tục và giảm ứng suất điện áp trên linh kiện, nhưng nhược điểm lớn là mạng kháng sử dụng tới 4 cuộn cảm và 4 tụ điện.
  • Cấu hình nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch (qSBI) phát triển trong các công trình nhằm giảm thiểu linh kiện thụ động trong khi vẫn duy trì tính năng chịu ngắn mạch. Cấu hình 1S3L-qSBI được đề cập là đã cải thiện độ gợn dòng điện cuộn cảm và độ lợi điện áp.
  1. Về kỹ thuật điều chế triệt tiêu điện áp common mode (CMV):
  • Các công trình phân tích tác hại của CMV chỉ ra rằng CMV gây dòng điện qua ổ bi, điện áp trục động cơ và nhiễu điện từ EMI.
  • Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVM) sử dụng tổ hợp vector lớn, vector trung bình và vector zero giúp biên độ CMV giới hạn trong dải từ $-V_{dc_link}/6$ đến $+V_{dc_link}/6$. Một số nghiên cứu đã chèn trạng thái ngắn mạch vào chuỗi xung này trên cấu hình qZSI nhưng chưa triệt tiêu hoàn toàn CMV.
  • Các giải pháp triệt tiêu hoàn toàn CMV đã được công bố trên cấu hình nghịch lưu năm bậc, tuy nhiên các bộ biến đổi này chỉ hoạt động ở chế độ giảm áp mà không có chức năng tăng áp một chặng.
  1. Về khả năng phát hiện và chịu lỗi của khóa bán dẫn công suất:
  • Về nguyên nhân sự cố: Lỗi ngắn mạch xuất phát từ quá áp, quá nhiệt hoặc sai tín hiệu kích; lỗi hở mạch xuất phát từ hỏng mạch kích cách ly, quá dòng cực góp hoặc ứng suất nhiệt kéo dài. Giải pháp kết hợp cầu chì tác động nhanh mắc nối tiếp nhánh van cho phép chuyển lỗi ngắn mạch thành lỗi hở mạch.
  • Các giải pháp phần cứng truyền thống sử dụng nhánh van dự phòng làm gia tăng số lượng khóa bán dẫn, kích thước và chi phí mạch.
  • Các giải pháp phần mềm tái cấu hình bằng cách thay đổi thuật toán điều chế: Nghiên cứu trên cấu hình NPC và hình T cho thấy có thể bù lỗi mà không cần thêm nhánh phụ. Cấu hình qZST2I chịu lỗi hở mạch đòi hỏi tỉ số ngắn mạch lớn, làm tăng độ gợn dòng cuộn dây và tăng THD ngõ ra. Một số công trình nghiên cứu trên qSBI chịu lỗi chưa khảo sát dòng điện quá độ trong giai đoạn chuyển tiếp và thiếu kiểm chứng thực nghiệm đầy đủ ở chế độ động.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án định vị trọng tâm giải quyết đồng thời ba bài toán trên cùng một cấu trúc biến đổi: (1) Đề xuất cấu hình 3L-qSBT2I kết hợp kỹ thuật điều chế dịch pha sóng mang 90 độ nhằm giảm độ gợn dòng cuộn dây và tối ưu hóa độ lợi điện áp; (2) Thiết lập giải thuật SVPWM lựa chọn tập vector thích hợp để triệt tiêu hoàn toàn CMV về 0 V ở điều kiện bình thường; (3) Thiết lập thuật toán tái cấu hình bằng phần mềm để vận hành ổn định khi xảy ra lỗi hở mạch ở cả các khóa nhánh nghịch lưu hình T lẫn hai khóa tích cực ở mạng nguồn kháng, đồng thời hạn chế biên độ dòng quá độ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các mô hình toán học

Luận án xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên các phương trình xác lập trạng thái của nghịch lưu ba bậc hình T và mạng tăng áp:

  1. Nghịch lưu ba bậc hình T truyền thống: Điện áp đỉnh pha ngõ ra $v_x$ phụ thuộc vào chỉ số điều chế $M$ và điện áp thanh cái DC ($V_{PN}$): $$v_x = M \frac{V_{PN}}{2} = M \cdot V_C$$ Để đạt điện áp dây 380 V (tương đương điện áp pha 220 V RMS), yêu cầu điện áp một chiều ngõ vào phải đạt: $$V_{dc} \ge \frac{2 \cdot 220 \cdot \sqrt{2}}{\sqrt{3} \cdot M} \approx 541\text{ V}$$

  2. Mô hình toán học của các cấu hình nguồn kháng tham chiếu:

  • Nghịch lưu 3 bậc hình T nguồn Z (3L-ZST2I): $$V_{PN} = \frac{2V_{dc}}{1 - 2D_0}, \quad v_x = \frac{M \cdot V_{dc}}{1 - 2D_0}$$
  • Nghịch lưu 3 bậc hình T tựa nguồn Z (3L-qZST2I): $$V_{PN} = \frac{V_{dc}}{1 - 2D_0}, \quad v_x = \frac{M \cdot V_{dc}}{2(1 - 2D_0)}$$
  • Nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch 3 bậc NPC (3L-NPC-qSBI): $$V_C = \frac{V_{dc}}{1 - 2D_0}, \quad v_x = \frac{M \cdot V_{dc}}{2(1 - 2D_0)}$$
  1. Lý thuyết điều chế vector không gian (SVPWM): Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có 27 trạng thái chuyển mạch được biểu diễn bởi ba mức điện áp P (dương, $+V_{PN}/2$), O (trung tính, $0\text{ V}$), N (âm, $-V_{PN}/2$). Vector điện áp không gian $V_{ref}$ trên mặt phẳng phức $\alpha-\beta$ được tính theo tọa độ: $$\begin{bmatrix} V_\alpha \ V_\beta \end{bmatrix} = \frac{2}{3} \begin{bmatrix} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} V_{AO} \ V_{BO} \ V_{CO} \end{bmatrix}$$ Giản đồ vector gồm 24 tam giác nhỏ chia thành 6 sector chính. Điện áp common mode $V_{CM}$ được định nghĩa: $$V_{CM} = \frac{V_{AG} + V_{BG} + V_{CG}}{3}$$ với $G$ là điểm nối đất hoặc trung tính hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án áp dụng kết hợp ba phương pháp nghiên cứu kỹ thuật thực nghiệm và định lượng:

  • Phương pháp giải tích toán học: Thiết lập hệ phương trình vi phân và phương trình cân bằng volt-giây trên cuộn cảm, cân bằng điện tích trên tụ điện ở hai trạng thái: trạng thái không ngắn mạch (Non-Shoot-Through - NST) và trạng thái ngắn mạch (Shoot-Through - ST). Phân tích sự dịch pha góc sóng mang ($0^\circ, 45^\circ, 90^\circ, 180^\circ$) để chứng minh mặt toán học việc dịch sóng mang $90^\circ$ mang lại hiệu quả triệt giảm dòng gợn cuộn cảm đối xứng.
  • Phương pháp mô phỏng số: Toàn bộ cấu hình phần cứng và giải thuật điều chế được mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm PSIM (Power Simulation). Các kịch bản khảo sát gồm: chế độ vận hành tăng áp bình thường ở các mức điện áp ngõ vào khác nhau ($V_{dc} = 180\text{ V}$ và $V_{dc} = 90\text{ V}$), chế độ triệt tiêu CMV, và chế độ kích hoạt lỗi hở mạch các khóa bán dẫn.
  • Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Xây dựng mô hình thực nghiệm (prototype) sử dụng vi xử lý số DSP Texas Instruments TMS320F28335 phối hợp bo mạch mảng cổng lập trình được FPGA Altera Cyclone II EP2C5. Hệ thống đo kiểm sử dụng máy hiện sóng số nhiều kênh, thiết bị phân tích công suất và đầu đo vi sai chuyên dụng nhằm ghi nhận dạng sóng điện áp, dòng điện, phổ sóng hài THD và điện áp CMV.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghịch lưu tăng áp, triệt tiêu điện áp common mode và khả năng chịu lỗi hở mạch các khóa công suất

Chương 1 trình bày bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo, vai trò của bộ nghịch lưu nối lưới và phân loại các kiến trúc biến đổi DC-AC công suất nhỏ và vừa. Tác giả phân tích cấu trúc 4 nhóm giải pháp tăng áp: DC/AC/AC (dùng biến áp 50 Hz cồng kềnh, tổn hao), DC/DC/AC (hai chặng, điều khiển độc lập khó khăn, cấm trạng thái ngắn mạch), DC/AC/AC/DC/AC (nhiều chặng biến đổi, phức tạp) và DC/AC một chặng trực tiếp. Chương này cũng phân loại 3 hướng tiếp cận triệt tiêu điện áp common mode và 4 giải pháp xử lý sự cố van bán dẫn (thêm nhánh phần cứng dự phòng hoặc thay đổi luật điều chế phần mềm trên cấu hình truyền thống và nguồn Z). Từ việc chỉ ra các giới hạn về dòng gợn, số lượng linh kiện thụ động và biên độ CMV, tác giả xác lập sự cần thiết của đề tài.

Chương 2: Phân tích toán học nghịch lưu tăng áp, điện áp common mode và khả năng chịu lỗi hở mạch các khóa công suất

Chương 2 thiết lập nền tảng lý thuyết cho các bộ nghịch lưu ba bậc. Tác giả trình bày cấu hình nghịch lưu ba bậc hình T truyền thống gồm 12 khóa bán dẫn ($S_{1x}$ đến $S_{4x}$, với $x \in {a, b, c}$), cấu hình 3L-ZST2I, 3L-qZST2I và cấu hình 3L-NPC-qSBI.

Bảng dưới đây tổng hợp đặc tính linh kiện và biểu thức điện áp xác lập của các cấu hình nghịch lưu được khảo sát trong cơ sở lý thuyết của luận án:

Tiêu chí so sánh 3L-T-Type truyền thống 3L-ZST2I (Peng [30]) 3L-qZST2I [21]-[24] 3L-NPC-qSBI [47]-[48] 3L-qSBT2I (Luận án đề xuất)
Số chặng biến đổi 1 chặng (Buck) 1 chặng (Buck-Boost) 1 chặng (Buck-Boost) 1 chặng (Buck-Boost) 1 chặng (Buck-Boost)
Số cuộn cảm 0 2 4 2 1 ($L_B$)
Số tụ điện nguồn kháng 2 ($C_1, C_2$) 2 4 2 2 ($C_1, C_2$)
Số khóa tích cực bổ sung 0 0 0 2 ($S_1, S_2$) 2 ($T_1, T_2$)
Tính liên tục dòng vào Gián đoạn Gián đoạn Liên tục Liên tục Liên tục
Khả năng chịu ngắn mạch Không cho phép Cho phép Cho phép Cho phép Cho phép
Điện áp thanh cái $V_{PN}$ $V_{dc}$ $\frac{2V_{dc}}{1 - 2D_0}$ $\frac{V_{dc}}{1 - 2D_0}$ $\frac{2V_{dc}}{1 - 2D_0}$ $\frac{V_{dc}}{1 - (d_1 + d_2)}$

Chương này cũng phân tích kỹ thuật dịch sóng mang điều chế: nếu dịch sóng mang $45^\circ$ hoặc $135^\circ$, tỉ số ngắn mạch $D_0$ bị giới hạn và chuỗi nạp xả cuộn cảm không đối xứng; nếu dịch $180^\circ$, hai sóng mang đối xứng hoàn toàn dẫn đến chỉ áp dụng được kỹ thuật chèn xung đồng thời. Do đó, luận án xác định dịch pha sóng mang $90^\circ$ là giải pháp thích hợp để giảm độ gợn dòng điện cuộn cảm và phân bố công suất đồng đều.

Chương 3: Nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch ba bậc hình T (3L-qSBT2I)

Chương 3 trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và giải thuật điều chế PWM đề xuất cho bộ nghịch lưu 3L-qSBT2I. Mạch bao gồm một cuộn dây tăng áp $L_B$, hai tụ điện $C_1, C_2$, hai khóa công suất tích cực $T_1, T_2$ tại mạng nguồn kháng và 12 khóa bán dẫn trên cầu nghịch lưu hình T.

Nguyên lý hoạt động gồm hai trạng thái chính:

  1. Trạng thái không ngắn mạch (NST): Các diode phân cực thuận, năng lượng từ nguồn $V_{dc}$ và cuộn cảm nạp vào các tụ điện $C_1, C_2$ và cấp cho tải. Điện áp pha ngõ ra nhận các mức $+V_{PN}/2$ (đóng $S_{1x}, S_{2x}$), $0\text{ V}$ (đóng $S_{2x}, S_{3x}$) và $-V_{PN}/2$ (đóng $S_{3x}, S_{4x}$).
  2. Trạng thái ngắn mạch (ST): Cả hai khóa trên cùng một nhánh van của bộ nghịch lưu cùng dẫn, phối hợp với việc đóng ngắt các khóa $T_1, T_2$ ở mạng nguồn kháng với tỉ số đóng $d_1, d_2$. Tụ điện xả năng lượng nạp cho cuộn cảm $L_B$.

Kết quả phân tích trạng thái xác lập và điều khiển cân bằng tụ:

  • Điện áp DC-link đạt: $$V_{PN} = \frac{V_{dc}}{1 - (d_1 + d_2)}$$ với $d_1, d_2$ là tỉ số đóng của hai khóa $T_1$ và $T_2$.
  • Dòng điện gợn sóng trên cuộn cảm $\Delta I_L$ giảm đáng kể khi áp dụng kỹ thuật dịch pha sóng mang tam giác $90^\circ$.
  • Tác giả thiết kế mạch vòng điều khiển PI cân bằng điện áp giữa hai tụ $C_1$ và $C_2$ nhằm loại bỏ hiện tượng lệch điểm trung tính.

Kiểm chứng mô phỏng và thực nghiệm:

  • Khi $V_{dc} = 180\text{ V}$, $d_1 = d_2 = 0$ (chế độ không tăng áp), hệ thống hoạt động như nghịch lưu hình T thông thường.
  • Khi $V_{dc} = 90\text{ V}$, cài đặt $d_1 = d_2 = 0,15$, điện áp thanh cái được nâng lên mức yêu cầu, điện áp ngõ ra AC đạt chuẩn với sóng hài THD của dòng điện và điện áp đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật.

Chương 4: Kỹ thuật điều chế vector không gian cho nghịch lưu tăng áp tựa khoá chuyển mạch 3 bậc hình T có khả năng triệt tiêu điện áp common mode

Chương 4 nghiên cứu giải thuật điều chế vector không gian triệt tiêu điện áp common mode (kí hiệu là 3L-qSBT2I-ECMV).

Phân tích biên độ điện áp common mode: Trong nghịch lưu ba bậc hình T, giá trị CMV tương ứng với các trạng thái chuyển mạch được xác định:

  • Vector zero ($PPP, NNN$): $V_{CM} = \pm V_{PN}/2$;
  • Vector zero ($OOO$): $V_{CM} = 0\text{ V}$;
  • Vector nhỏ (như $POO, ONN$): $V_{CM} = \pm V_{PN}/6$ hoặc $\pm V_{PN}/3$;
  • Vector trung bình (như $PON, OPN$): $V_{CM} = 0\text{ V}$;
  • Vector lớn (như $PNN, PPN$): $V_{CM} = \pm V_{PN}/6$.

Giải thuật ECMV đề xuất: Luận án đề xuất giải thuật SVPWM cải tiến bằng cách chỉ sử dụng vector zero $OOO$ kết hợp các vector trung bình và nhóm vector thích hợp có giá trị tức thời của CMV bằng $0$, đồng thời chèn trạng thái ngắn mạch ST vào các vị trí chuyển mạch phù hợp trong chu kỳ điều chế để duy trì hệ số tăng áp.

So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm: Chương này so sánh ba phương pháp: Phương pháp 1 (SVPWM truyền thống), Phương pháp 2 (giảm CMV) và Phương pháp 3L-qSBT2I-ECMV đề xuất.

  • Kết quả thực nghiệm đo đạc cho thấy: Ở Phương pháp 1 và Phương pháp 2, điện áp CMV dao động lớn với các bước nhảy $\pm V_{PN}/6$ và $\pm V_{PN}/3$. Ở phương pháp 3L-qSBT2I-ECMV đề xuất, điện áp CMV được duy trì bằng $0\text{ V}$ trên toàn dải vận hành.
  • Phân tích phổ sóng hài thực nghiệm: THD của điện áp pha $V_{AG}$ và dòng điện tải $I_A$ của phương pháp đề xuất duy trì ở mức thấp, đảm bảo chất lượng dòng điện xoay chiều cấp cho tải.

Chương 5: Nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch 3 bậc hình T với khả năng chịu lỗi hở mạch các khóa công suất

Chương 5 phát triển giải thuật chịu lỗi hở mạch cho bộ biến đổi mà không cần bổ sung các nhánh van dự phòng bằng phần cứng.

Các kịch bản lỗi và cơ chế tái cấu hình:

  1. Lỗi hở mạch khóa $S_{1x}$ hoặc $S_{3x}$ trên nhánh nghịch lưu hình T: Điểm nối pha bị mất trạng thái điện áp dương hoặc trung tính. Giải thuật tái cấu hình chuyển đổi phương pháp điều biến vector tham chiếu, bù góc pha chuẩn và điều chỉnh chuỗi xung kích để duy trì dạng sóng điện áp ba pha đối xứng.
  2. Lỗi hở mạch khóa $S_{2x}$: Hệ thống chuyển đổi chế độ điều khiển để tránh kích hoạt trạng thái dẫn qua đường trung tính của pha bị sự cố.
  3. Lỗi hở mạch khóa $T_1$ hoặc $T_2$ tại mạng nguồn kháng: Khi một trong hai khóa nguồn kháng bị hở mạch, chức năng tăng áp bị suy giảm nếu giữ nguyên tín hiệu kích. Luận án tái cấu hình thuật toán PWM bằng cách dồn tỉ số đóng sang khóa công suất còn lại và điều chỉnh thời gian ngắn mạch ST để giữ ổn định điện áp DC-link $V_{PN}$ và cân bằng điện áp trên hai tụ $C_1, C_2$.

Kết quả phân tích tổn hao và kiểm chứng thực nghiệm:

  • Luận án thống kê tổn hao dẫn, tổn hao đóng ngắt và tính toán hiệu suất tổng thể của bộ biến đổi trước và sau khi tái cấu hình mạch.
  • Kết quả thực nghiệm khi xảy ra lỗi hở mạch khóa $S_{1a}$ với điện áp vào $V_{dc} = 30\text{ V}$ chứng minh: Phương pháp đề xuất loại bỏ hiện tượng quá dòng quá độ so với phương pháp điều chế trong tài liệu tham khảo [84], đưa hệ thống chuyển tiếp sang trạng thái ổn định mượt mà. Phổ THD của dòng điện tải sau tái cấu hình vẫn giữ ở mức chất lượng tốt.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của luận án

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm của luận án, đồng thời chỉ ra 2 hướng phát triển tiếp theo của đề tài.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý thuyết

  1. Đề xuất cấu hình biến đổi mới và giải thuật PWM dịch pha $90^\circ$: Luận án đã đề xuất cấu hình nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch 3 bậc hình T (3L-qSBT2I) chỉ sử dụng một cuộn cảm duy nhất kết hợp hai khóa tích cực ở mạng nguồn kháng. Luận chứng toán học và thực nghiệm chứng minh giải thuật điều chế dịch pha sóng mang $90^\circ$ giúp giảm biên độ gợn sóng dòng điện qua cuộn dây tăng áp, nâng cao độ lợi điện áp và tối ưu hóa chỉ số điều chế $M$ so với các cấu hình 3 bậc tựa nguồn Z tương đương.
  2. Xây dựng giải thuật SVPWM triệt tiêu hoàn toàn điện áp common mode (ECMV): Thiết lập phương pháp phân bố vector không gian mới, chèn trạng thái ngắn mạch ST vào vector không thích hợp mà vẫn giữ điện áp common mode ở mức $0\text{ V}$, loại trừ nguyên nhân sinh ra dòng rò và nhiễu điện từ mà không làm giảm độ lợi tăng áp.
  3. Phát triển giải thuật tái cấu hình bằng phần mềm chịu lỗi hở mạch toàn diện: Đề xuất phương pháp xử lý sự cố hở mạch cho cả các khóa van nhánh nghịch lưu ($S_{1x}, S_{2x}, S_{3x}$) và các khóa thuộc mạng nguồn kháng ($T_1, T_2$). Luận án chứng minh hệ thống có khả năng tự bù thông số điều khiển để duy trì điện áp ngõ ra đối xứng, hạn chế dòng quá độ mà hoàn toàn không cần lắp đặt thêm nhánh van bán dẫn dự phòng.

Ý nghĩa thực tiễn và kiến nghị giải pháp

  • Giảm khối lượng, kích thước và giá thành: Việc cắt giảm từ 4 cuộn cảm, 4 tụ điện (ở cấu hình 3L-qZST2I) xuống còn 1 cuộn cảm, 2 tụ điện (ở cấu hình 3L-qSBT2I) giúp giảm đáng kể kích thước vật lý và khối lượng bộ biến đổi nguồn, nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
  • Tăng độ tin cậy vận hành: Giải thuật chịu lỗi giúp các hệ thống phát điện mặt trời phân tán, hệ thống lưu điện UPS trong bệnh viện hoặc trung tâm dữ liệu tiếp tục hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố hỏng van bán dẫn, kéo dài thời gian vận hành an toàn trước khi cần bảo trì thay thế.
  • Tiêu chuẩn hóa thiết kế: Các thông số phần tử thụ động và bán dẫn được tính toán dựa trên linh kiện thực tế, điều khiển bằng vi xử lý DSP TMS320F28335 và FPGA EP2C5 thông dụng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển giao công nghệ chế tạo bộ nghịch lưu trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

Theo phạm vi nghiên cứu và nội dung văn bản luận án trình bày:

  • Nghiên cứu giới hạn công suất thực nghiệm ở quy mô công suất nhỏ và vừa trong phòng thí nghiệm; chưa khảo sát đầy đủ đặc tính nhiệt học và phân bố nhiệt trên các khóa bán dẫn khi vận hành ở dải công suất lớn trong môi trường công nghiệp.
  • Về phạm vi xử lý sự cố: Luận án tập trung giải quyết bài toán lỗi hở mạch các khóa bán dẫn (hoặc lỗi ngắn mạch đã được chuyển hóa thành hở mạch thông qua cầu chì nhanh), chưa tích hợp thuật toán tự động nhận dạng và định vị vị trí khóa lỗi trong thời gian thực (real-time fault diagnosis) vào cùng chương trình điều khiển mà đang giả định vị trí lỗi đã được xác định.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Văn bản luận án đề xuất 2 hướng phát triển tiếp theo:

  1. Nghiên cứu tích hợp các giải thuật trí tuệ nhân tạo hoặc thuật toán nhận dạng tín hiệu nâng cao để tự động phát hiện, chẩn đoán và định vị chính xác vị trí khóa bị lỗi hở mạch trong thời gian thực trước khi kích hoạt quy trình tái cấu hình.
  2. Mở rộng ứng dụng cấu hình 3L-qSBT2I và giải thuật điều khiển đề xuất cho các hệ thống truyền động động cơ xoay chiều (AC motor drives) công suất cao nhằm đánh giá cụ thể mức độ suy giảm dòng điện ổ bi và cải thiện độ bền cơ khí của động cơ.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật điện và Năng lượng tái tạo: Có thể tham khảo phương pháp phân tích không gian trạng thái xác lập của mạng nguồn kháng biến đổi, phương pháp xây dựng bảng vector trạng thái SVPWM cho nghịch lưu ba bậc và kỹ thuật lập trình nhúng điều khiển kết hợp DSP và FPGA.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Sử dụng nội dung Chương 2, Chương 3 và Chương 4 làm bài giảng chuyên đề hoặc tài liệu nghiên cứu sâu về điện tử công suất nâng cao, kỹ thuật biến đổi một chặng và các phương pháp xử lý điện áp common mode.
  • Kỹ sư thiết kế, phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp thiết bị năng lượng: Có thể tham khảo trực tiếp sơ đồ mạch nguyên lý, phương pháp tính chọn dung lượng cuộn cảm $L_B$, tụ điện $C_1, C_2$, các mạch logic phát xung điều khiển PWM (Chương 3) và giải pháp tái cấu hình phần mềm chống sự cố (Chương 5) để ứng dụng vào chế tạo bộ nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời và bộ lưu điện UPS.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu hình 3L-qSBT2I đề xuất trong luận án sử dụng bao nhiêu phần tử thụ động và khóa tích cực ở mạng nguồn kháng?

Theo văn bản Chương 3, mạng nguồn kháng của cấu hình 3L-qSBT2I chỉ sử dụng duy nhất 1 cuộn cảm tăng áp ($L_B$), 2 tụ điện ($C_1, C_2$) và 2 khóa bán dẫn tích cực ($T_1, T_2$). Cấu hình này giảm 3 cuộn cảm và 2 tụ điện so với cấu hình tựa nguồn Z ba bậc (3L-qZST2I vốn cần tới 4 cuộn cảm và 4 tụ điện).

2. Kỹ thuật dịch pha sóng mang bao nhiêu độ được lựa chọn để điều khiển nghịch lưu và lý do lựa chọn là gì?

Luận án phân tích và lựa chọn giải thuật dịch pha sóng mang tam giác một góc $90^\circ$. Qua phân tích toán học ở Chương 2 và Chương 3, góc dịch pha $45^\circ$ (hoặc $135^\circ$) làm giới hạn tỉ số ngắn mạch $D_0$ và chu kỳ nạp xả không đối xứng, trong khi góc dịch pha $180^\circ$ chỉ thực hiện được chèn xung đồng thời. Dịch pha sóng mang $90^\circ$ là giải pháp thích hợp để cuộn cảm nạp xả đối xứng, giảm tối đa độ gợn dòng điện cuộn cảm và phân bố công suất đồng đều giữa mạng nguồn kháng và cầu nghịch lưu.

3. Giải thuật 3L-qSBT2I-ECMV triệt tiêu điện áp common mode (CMV) bằng cách thức nào?

Giải thuật điều chế vector không gian đề xuất ở Chương 4 triệt tiêu CMV về $0\text{ V}$ bằng cách loại bỏ hoàn toàn các vector gây ra mức CMV cao (như các vector zero $PPP, NNN$ gây $V_{CM} = \pm V_{PN}/2$, và các nhóm vector nhỏ gây $V_{CM} = \pm V_{PN}/6, \pm V_{PN}/3$). Thay vào đó, thuật toán chỉ sử dụng vector zero $OOO$ kết hợp với các vector trung bình và nhóm vector có điện áp tức thời triệt tiêu lẫn nhau ($V_{CM} = 0\text{ V}$), đồng thời lồng ghép trạng thái ngắn mạch ST vào các vị trí thích hợp để duy trì khả năng tăng áp.

4. Khi một trong hai khóa nguồn kháng ($T_1$ hoặc $T_2$) bị hở mạch, hệ thống làm thế nào để duy trì điện áp ngõ ra?

Theo phân tích ở Chương 5, khi một khóa nguồn kháng bị lỗi hở mạch, hệ thống không cần thêm nhánh van phụ phần cứng mà sử dụng giải thuật tái cấu hình PWM bằng phần mềm. Hệ thống dồn toàn bộ tỉ số đóng cắt của trạng thái ngắn mạch sang khóa công suất còn lại của mạng nguồn kháng, đồng thời tính toán bù lại thông số điều khiển nhằm giữ cho điện áp DC-link $V_{PN}$ và điện áp hai tụ $C_1, C_2$ ở trạng thái cân bằng xác lập, duy trì điện áp ngõ ra không bị suy giảm.

5. Những nền tảng phần cứng và phần mềm cụ thể nào được sử dụng để kiểm chứng kết quả trong luận án?

Luận án sử dụng phần mềm PSIM để mô phỏng kiểm chứng các trạng thái xác lập và động học. Mô hình thực nghiệm được xây dựng và điều khiển thông qua sự phối hợp giữa bộ xử lý tín hiệu số DSP Texas Instruments TMS320F28335 (DSP-F28335) và mạch logic khả trình FPGA Altera Cyclone II EP2C5, kết hợp các thiết bị đo kiểm chuyên dụng gồm dao động ký nhiều kênh và máy phân tích công suất.

Kết luận

Luận án của tác giả Đỗ Đức Trí đã giải quyết trọn vẹn các mục tiêu kỹ thuật đặt ra về việc tối ưu hóa bộ biến đổi điện tử công suất một chặng ba pha ba bậc hình T (3L-qSBT2I). Bằng sự kết hợp giữa giải thuật điều chế dịch pha sóng mang $90^\circ$, kỹ thuật vector không gian triệt tiêu hoàn toàn điện áp common mode và thuật toán tái cấu hình phần mềm khi xảy ra sự cố hở mạch van bán dẫn, công trình đã cải thiện rõ rệt chất lượng điện áp ngõ ra và độ tin cậy của hệ thống biến đổi. Các kết quả lý thuyết, mô phỏng trên PSIM và đo đạc trên mô hình thực nghiệm điều khiển bằng DSP và FPGA thể hiện sự nhất quán, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho việc phát triển các thiết bị nghịch lưu tăng áp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.