MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, khi nguồn tài nguyên năng lượng đang ngày càng cạn kiệt, nhiệm vụ tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo là vô cùng cần thiết. Việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời hay năng lượng thủy triều. đang được các nước trên thế giới nghiên cứu, phát triển rất mạnh mẽ vì tính bền vững, thân thiện với môi trường cũng như tiềm năng ứng dụng là vô tận.
Mặt khác, giá nhiên liệu biến động, sự nóng lên của khí hậu toàn cầu, đặc biệt vấn đề ô nhiễm môi trường do lượng khí CO2 thải ra môi trường rất lớn, đây cũng là một trong những lý do rất thuyết phục cho việc phát triển các nguồn năng lượng sạch. Mật độ khí CO 2 trong khí quyển cao nhất trong vòng 800. Theo thống kê [1], mật độ khí CO2 chạm ngưỡng 407:4 ppm trong năm 2018, dự báo năm 2019 là 410 ppm. Ngoài ra, hệ thống năng lượng từ thủy điện đã đạt đỉnh điểm do đã khai thác hết tiềm năng sẵn có và các công trình thủy điện có những tác động nghiêm trọng về môi trường có thể kể đến như phá vỡ cân bằng sinh học và cuộc sống của người dân trong lòng dự án [2].
Để khắc phục những vấn đề nêu trên, chính phủ Việt nam đã ban hành quyết định số: 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt nam. Cụ thể từ ngày 01/6/2017, tập đoàn điện lực Việt nam (EVN) có trách nhiệm mua toàn bộ lượng điện từ các dự án điện mặt trời (ĐMT) nối lưới với giá mua điện tại điểm giao nhận điện là 2. Những chủ trương mang tính đột phá nêu trên đã khuyến khích nhiều nhà khoa học Việt nam đẩy mạnh việc nghiên cứu, khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo cũng như để xây dựng một thị trường điện đảm bảo an ninh cung cấp điện với xu hướng tối ưu hóa hiệu quả đầu tư, thân thiện với môi trường. Các bộ nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều (DC) thành điện áp xoay chiều (AC) để hòa vào lưới điện quốc gia.
Chi phí để xây dựng các hệ thống năng lượng tái tạo khá cao trong khi ngân sách nhà nước có hạn, vì thế, chúng ta cần có những nghiên cứu về giải pháp công nghệ (đặc biệt là các bộ biến đổi DC/AC) cho các hệ thống năng lượng tái tạo có công suất nhỏ và vừa đảm bảo chi phí đầu tư Trang 1 thấp, có chất lượng điện năng tốt đồng thời có khả năng đáp ứng sự thay đổi của thời tiết. Đối với hệ thống chuyển đổi năng lượng, nghịch lưu tăng áp, tính ổn định và độ tin cậy hệ thống là rất quan trọng và được thể hiện cụ thể như sau: Nghịch lưu tăng áp Các bộ biến đổi DC/AC (nghịch lưu) có công suất nhỏ và vừa thông thường là các bộ nghịch lưu tăng áp và số bậc không quá cao, thường là 2 hoặc 3 bậc (để giảm chi phí). Do đó, những nhà nghiên cứu thường sử dụng một trong các cấu hình sau: DC/AC/AC (tăng áp diễn ra ở phần biến đổi AC/AC sử dụng máy biến áp tần số thấp). DC/DC/AC- tăng áp diễn ra ở bộ biến đổi DC/DC DC/AC/AC/DC/AC (Tăng áp với máy biến áp AC/AC tần số cao) DC/AC – tăng áp trực tiếp.
˗ Với cấu hình DC/AC/AC hệ thống điều khiển khá đơn giản. Tuy nhiên việc sử dụng biến áp tần số thấp làm tăng thêm kích thước, trọng lượng và tổn hao trên máy biến áp cũng như tồn tại trạng thái ngắn mạch của hai khóa trên cùng một nhánh. ˗ Với cấu hình DC/DC/AC điều khiển hai chặng và khả năng tăng áp tập trung ở bộ DC/DC, đây là một thách thức rất lớn cho bộ biến đổi DC-DC khi được ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo bởi vì chúng đòi hỏi độ lợi của bộ biến đổi rất lớn, kết quả là điện áp, dòng điện đặt trên các khóa khá lớn. Ngoài ra, việc tồn tại trạng thái ngắn mạch của hai khóa trên cùng một nhánh cũng là một nhược điểm lớn của cấu hình này.
Kết quả là chất lượng của hệ thống giảm, gia tăng trọng lượng, kích thước và chi phí đầu tư cho hệ thống. ˗ Với cấu hình DC/AC/AC/DC/AC độ lợi điện áp nhỏ dẫn đến điện áp, dòng điện đặt trên các khóa thấp. Tuy nhiên do chuyển đổi nhiều chặng làm cho việc điều khiển trở nên phức tạp, tăng tổn hao, tồn tại trạng thái ngắn mạch của hai khóa trên cùng một nhánh. Kết quả là chất lượng của hệ thống giảm, gia tăng trọng lượng, kích thước và chi phí đầu tư cho hệ thống.
˗ Với cấu hình DC/AC chuyển đổi một chặng giải thuật điều khiển linh hoạt, khả năng chịu ngắn mạch của hai khóa trên cùng nhánh, độ lợi điện áp cao, điện áp đặt trên các khóa nhỏ, giảm các phần tử thụ động dẫn đến giảm kích thước, trọng lượng và chi phí cho hệ thống. Trang 2 Khả năng triệt tiêu điện áp common mode Trong quá trình hoạt động, bộ nghịch lưu tạo ra điện áp common mode (CMV), quá trình này là nguyên nhân chính dẫn đến nhiều vấn đề bất lợi cho bộ nghịch lưu như: dòng rò, điện áp trục trong các ứng dụng điều khiển động cơ cũng như nhiễu điện từ. Các bộ biến đổi DC/AC (nghịch lưu) có khả năng triệt tiêu điện common mode trong hệ thống điện tử công suất nhỏ và vừa thường có những cấu hình và giải pháp sau: Giải pháp triệt tiêu điện common mode nghịch lưu truyền thống bằng cách thêm các phần tử thụ động. Giải pháp triệt tiêu điện common mode nghịch lưu truyền thống bằng cách thay đổi giải thuật điều chế xung PWM.
Giải pháp triệt tiêu điện common mode nghịch lưu tựa nguồn Z và thay đổi giải thuật điều chế xung PWM. ˗ Với giải pháp triệt tiêu điện common mode nghịch lưu truyền thống bằng cách thêm các phần tử thụ động, giải pháp này khá đơn giản. Tuy nhiên, việc sử dụng bộ nghịch lưu truyền thống sẽ tồn tại trạng thái ngắn mạch của hai khóa trên cùng một nhánh. Ngoài ra, việc thêm các phần tử thụ động sẽ làm tăng thêm kích thước, trọng lượng và chi phí.
˗ Với giải pháp triệt tiêu điện common mode nghịch lưu truyền thống bằng cách thay đổi giải thuật điều chế xung PWM, giải pháp này khá phức tạp. Ngoài ra, việc sử dụng nghịch lưu truyền thống cũng sẽ tồn tại trạng thái ngắn mạch của hai khóa trên cùng một nhánh. ˗ Với giải pháp triệt tiêu điện common mode nghịch lưu tựa nguồn Z và thay đổi giải thuật điều chế xung PWM, giải pháp này khá phức tạp. Tuy nhiên, việc sử dụng nghịch lưu tựa nguồn Z sẽ giải quyết trạng thái ngắn mạch của hai khóa trên cùng một nhánh, đồng thời giảm kích thước, trọng lượng và chi phí.
Khả năng chịu lỗi hở mạch Tính ổn định và độ tin cậy của các hệ thống nghịch lưu rất quan trọng trong hệ thống phân phối công suất như là: hệ thống cung cấp điện không ngắt UPS, hệ thống y tế công suất cao và hệ thống chuyển đổi năng lượng kết nối lưới v. Trang 3 Các bộ biến đổi DC/AC (nghịch lưu) có khả năng chịu lỗi trong hệ thống điện tử công suất nhỏ và vừa thường có những cấu hình và giải pháp sau: Giải pháp tái cấu hình (Reconfigured) nghịch lưu truyền thống bằng cách thêm nhánh dự phòng. Giải pháp tái cấu hình nghịch lưu truyền thống bằng cách thay đổi giải thuật điều chế xung PWM. Giải pháp tái cấu hình bằng nghịch lưu tựa nguồn Z và thêm nhánh dự phòng.
Giải pháp tái cấu hình bằng nghịch lưu tựa nguồn Z và thay đổi giải thuật điều chế xung PWM. ˗ Với giải pháp tái cấu hình (Reconfigured) nghịch lưu truyền thống bằng cách thêm nhánh dự phòng, giải pháp này khá đơn giản. Tuy nhiên, việc sử dụng bộ nghịch lưu truyền thống sẽ tồn tại trạng thái ngắn mạch của hai khóa trên cùng một nhánh. Ngoài ra, việc thêm nhánh dự phòng sẽ làm tăng thêm kích thước, trọng lượng và chi phí.
˗ Với giải pháp tái cấu hình nghịch lưu truyền thống bằng cách thay đổi giải thuật điều chế xung PWM, giải pháp này khá phức tạp. Ngoài ra, việc sử dụng nghịch lưu truyền thống cũng sẽ tồn tại trạng thái ngắn mạch của hai khóa trên cùng một nhánh. Thêm vào đó, điện áp và dòng điện ngõ ra của hệ thống sẽ giảm đi √3 lần so với trạng thái bình thường ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống. ˗ Với giải pháp tái cấu hình bằng nghịch lưu tựa nguồn Z và thêm nhánh dự phòng, giải pháp này khá đơn giản.
Thêm vào đó, việc sử dụng nghịch lưu tựa nguồn Z sẽ giải quyết trạng thái ngắn mạch của hai khóa trên cùng một nhánh. Tuy nhiên, việc thêm nhánh dự phòng sẽ làm tăng thêm kích thước, trọng lượng và chi phí. ˗ Với giải pháp tái cấu hình bằng nghịch lưu tựa nguồn Z và thay đổi giải thuật điều chế xung PWM, giải pháp này khá phức tạp. Mặt khác, sau khi tái cấu hình điện áp trên các phần tử thụ động và tích cực gia tăng một cách đáng kể.
Tuy nhiên, việc sử dụng nghịch lưu tựa nguồn Z sẽ giải quyết trạng thái ngắn mạch của hai khóa trên cùng một nhánh, đồng thời giảm kích thước, trọng lượng và chi phí. Kết luận: Với những phân tích như trên, luận án này đề xuất: 1) cấu hình nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch 3 bậc hình T và giải thuật PWM với khả năng giảm độ Trang 4 gợn dòng điện cuộn dây tăng áp và tăng độ lợi điện áp; 2) triệt tiêu điện áp common mode (CMV) cho nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch 3 bậc hình T ở điều kiện hoạt động bình thường và 3) giải pháp tái cấu hình nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch 3 bậc hình T bằng cách thay đổi giải thuật điều chế xung PWM khi hệ thống xảy ra lỗi hở mạch của các khóa bán dẫn công suất. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Phân tích khả năng tăng áp, chịu lỗi hở mạch của các khóa công suất và triệt tiêu điện áp common mode ở điều kiện hoạt động bình thường trong bộ nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch 3 bậc hình T. Từ các kết quả nghiên cứu về nghịch lưu tăng áp và giải pháp giải quyết lỗi hở mạch các khóa công suất của các công trình nghiên cứu trước đó, luận án này sẽ đề xuất kỹ thuật PWM nhằm mục đích tăng độ lợi điện áp và giảm độ gợn sóng dòng điện trên cuộn dây tăng áp.