Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (Mã số: 92520203) của tác giả Đỗ Đức Trí, được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Minh Khai và TS. Quách Thanh Hải, tập trung nghiên cứu cấu hình và giải thuật điều khiển cho bộ biến đổi điện tử công suất một chặng ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo và nguồn điện dự phòng.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự suy giảm của các nguồn nhiên liệu hóa thạch, hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu cùng sự gia tăng nồng độ khí thải $\text{CO}_2$ (đạt 407,4 ppm vào năm 2018 và dự báo 410 ppm vào năm 2019) đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời (PV), năng lượng gió và pin nhiên liệu. Tại Việt Nam, các chính sách như Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg, Thông tư số 16/2017/TT-BCT, Thông tư số 05/2019/TT-BCT và Thông tư số 39/2015/TT-BCT đã tạo hành lang pháp lý thúc đẩy các dự án điện mặt trời nối lưới, đòi hỏi nguồn điện chuyển đổi phải đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng và độ tin cậy vận hành.

Trong các hệ thống năng lượng tái tạo quy mô công suất nhỏ và vừa, điện áp một chiều (DC) ngõ ra thường thấp (dao động trong khoảng 150 V – 300 V hoặc 12 V – 100 V) và biến thiên theo điều kiện môi trường. Để hòa vào lưới điện xoay chiều (AC) 220 V/380 V, điện áp DC cần được nâng lên mức trên 541 V. Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T truyền thống là bộ biến đổi giảm áp (buck converter) và không cho phép xuất hiện trạng thái ngắn mạch (shoot-through - ST) trên cùng một nhánh van. Việc kết hợp bộ tăng áp DC-DC với nghịch lưu DC-AC (hệ thống hai chặng) hoặc dùng biến áp tần số thấp 50 Hz làm gia tăng kích thước, trọng lượng, tổn hao công suất và gây khó khăn trong điều khiển phối hợp.

Các cấu hình nghịch lưu một chặng như nghịch lưu nguồn Z (ZSI) và tựa nguồn Z (qZSI) cho phép hoạt động ở trạng thái ngắn mạch để tăng áp nhưng lại tồn tại các hạn chế: ZSI có dòng điện ngõ vào không liên tục; qZSI tuy khắc phục được tính gián đoạn của dòng điện nhưng đòi hỏi số lượng lớn phần tử thụ động (4 cuộn cảm và 4 tụ điện). Thêm vào đó, sự xuất hiện của điện áp common mode (CMV) sinh ra dòng rò, điện áp trục động cơ và nhiễu điện từ (EMI). Đồng thời, nguy cơ xảy ra lỗi hở mạch (open-circuit fault) ở các khóa bán dẫn làm suy giảm chất lượng điện năng và gián đoạn vận hành hệ thống. Do đó, việc nghiên cứu một cấu hình nghịch lưu tăng áp giảm thiểu linh kiện thụ động, kết hợp giải thuật triệt tiêu CMV và khả năng tự tái cấu hình khi xảy ra lỗi van bán dẫn là khoảng trống khoa học cần giải quyết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Mục tiêu tổng quát của luận án là phân tích, thiết kế cấu hình nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch ba bậc hình T (3L-qSBT2I), đồng thời xây dựng các giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nhằm nâng cao độ lợi điện áp, giảm độ gợn dòng điện cuộn cảm, triệt tiêu điện áp common mode ở chế độ vận hành bình thường và duy trì hoạt động ổn định khi xảy ra lỗi hở mạch khóa công suất.

Hệ thống mục tiêu kỹ thuật cụ thể được xác định gồm 5 nội dung:

  1. Giảm điện áp đặt trên các phần tử công suất thụ động và tích cực so với cấu hình tương tự;
  2. Giảm tổng độ méo dạng sóng hài (THD) của điện áp pha tải so với cấu hình tương tự ở cùng tỉ số ngắn mạch;
  3. Triệt tiêu điện áp common mode (ECMV) ở điều kiện hoạt động bình thường;
  4. Cải thiện các thông số điều khiển (chỉ số điều chế $M$, độ lợi điện áp $G$) so với cấu hình tương tự;
  5. Xây dựng giải thuật tái cấu hình mạch khi các khóa công suất ở mạng nguồn kháng hoặc ở nhánh nghịch lưu hình T bị lỗi hở mạch.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu hình phần cứng bộ nghịch lưu tăng áp trực tiếp ba pha ba bậc hình T tựa khóa chuyển mạch (3L-qSBT2I) và giải thuật điều khiển phần mềm (bao gồm kỹ thuật PWM dịch sóng mang, kỹ thuật điều chế vector không gian triệt tiêu CMV và giải thuật tái cấu hình chịu lỗi van bán dẫn).
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn ở các bộ biến đổi công suất nhỏ và vừa; tập trung giải quyết 5 yêu cầu kỹ thuật nêu trên; khảo sát trạng thái lỗi hở mạch (sau khi lỗi ngắn mạch đã được chuyển đổi thành lỗi hở mạch nhờ cầu chì tác động nhanh mắc nối tiếp với các nhánh van).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã phân loại và đánh giá có hệ thống các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến ba nhóm vấn đề chính:

[Hệ thống nghịch lưu tăng áp một chặng]

[Kỹ thuật giảm/triệt tiêu điện áp Common Mode (CMV)]

[Kỹ thuật chịu lỗi hở mạch khóa công suất]

Các hướng nghiên cứu tiền đề

  1. Nghịch lưu tăng áp nguồn Z và tựa nguồn Z: Công trình khởi xướng của F. Z. Peng (2002–2003) [30]–[35] giới thiệu cấu hình ZSI cho phép trạng thái ngắn mạch hai van trên cùng một nhánh, tạo khả năng tăng áp một chặng. Tiếp đó, các nghiên cứu [36]–[40] phát triển mạng quasi-Z-source (qZSI) nhằm đạt được dòng điện ngõ vào liên tục. Tuy nhiên, việc sử dụng 4 cuộn cảm và 4 tụ điện trong cấu hình ba bậc làm hệ thống cồng kềnh. Các nghiên cứu [41]–[49] phát triển nghịch lưu tựa khóa chuyển mạch (qSBI) với việc bổ sung các khóa tích cực để cắt giảm số lượng phần tử thụ động.
  2. Kỹ thuật giảm và triệt tiêu điện áp Common Mode (CMV): Các tài liệu [58], [59] chỉ ra ảnh hưởng tiêu cực của CMV đến tuổi thọ vòng bi động cơ và phát xạ nhiễu EMI. Nghiên cứu [60]–[62] áp dụng kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) sử dụng vector lớn, vector trung bình và vector zero để giới hạn CMV trong dải $[-V_{PN}/6, +V_{PN}/6]$. Các kỹ thuật triệt tiêu hoàn toàn CMV trong [63]–[66] chỉ vận hành ở chế độ giảm áp truyền thống mà chưa tích hợp được trạng thái ngắn mạch tăng áp.
  3. Kỹ thuật chịu lỗi khóa bán dẫn: Các nghiên cứu [67]–[76] phân loại cơ chế lỗi ngắn mạch và lỗi hở mạch. Nhóm giải pháp phần cứng [77]–[79], [86] sử dụng thêm nhánh van dự phòng để thay thế nhánh lỗi. Nhóm giải pháp phần mềm [80]–[84] điều chỉnh góc kích van và vector không gian để bù điện áp ngõ ra khi bị sự cố. Tuy nhiên, các phương pháp trong [83], [84] đòi hỏi tỉ số ngắn mạch $D$ lớn, chỉ số điều chế $M$ nhỏ, gây ra độ gợn dòng điện cuộn cảm cao và làm gia tăng ứng suất điện áp trên các khóa bán dẫn còn lại.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án định vị trọng tâm giải quyết điểm nghẽn: kết hợp cấu hình 3L-qSBT2I sử dụng ít linh kiện thụ động với kỹ thuật dịch sóng mang $90^\circ$ để giảm độ gợn dòng cuộn cảm; xây dựng giải thuật SVPWM triệt tiêu hoàn toàn CMV mà vẫn duy trì khả năng tăng áp; thiết lập giải thuật tái cấu hình thuần túy bằng phần mềm khi khóa công suất (ở cầu nghịch lưu hoặc mạng nguồn kháng) bị lỗi hở mạch mà không cần lắp thêm nhánh van dự phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án xây dựng cơ sở toán học dựa trên lý thuyết mạch điện tử công suất, mô hình trạng thái đóng/ngắt của van bán dẫn và lý thuyết điều chế vector không gian (SVPWM) cho nghịch lưu đa bậc.

Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T truyền thống bao gồm 12 khóa bán dẫn ($S_{1x}, S_{2x}, S_{3x}, S_{4x}$ với $x \in {a, b, c}$). Điện áp ngõ ra cực đại của cấu hình truyền thống được xác định qua biểu thức: $$v_x = M \frac{V_{PN}}{2} = M V_C$$ Trong đó $M$ là chỉ số điều chế, $V_{PN}$ là điện áp trên đường dẫn một chiều (DC-link), $V_C$ là điện áp trên tụ điện kẹp.

Đối với cấu hình đề xuất 3L-qSBT2I, mạch bao gồm một mạng nguồn kháng tựa khóa chuyển mạch (gồm cuộn cảm $L$, các tụ điện $C_1, C_2$, các diode và hai khóa bán dẫn $T_1, T_2$) phối hợp với cầu nghịch lưu hình T ba pha ba bậc. Mạch hoạt động dựa trên hai trạng thái cơ bản:

  • Trạng thái không ngắn mạch (Non Shoot-Through - NST): Năng lượng từ nguồn $V_{dc}$ và cuộn cảm nạp cho các tụ điện $C_1, C_2$ và cung cấp ra tải; các diode phân cực thuận. Điện áp ngõ ra pha nhận ba mức điện áp: $+V_C$ (khi đóng $S_{1x}, S_{2x}$), $0\text{ V}$ (khi đóng $S_{2x}, S_{3x}$) và $-V_C$ (khi đóng $S_{3x}, S_{4x}$).
  • Trạng thái ngắn mạch (Shoot-Through - ST): Các khóa trên cùng một nhánh của cầu nghịch lưu hình T được kích dẫn đồng thời cùng với các khóa $T_1, T_2$ của mạng nguồn kháng; các diode bị phân cực ngược. Tụ điện $C_1, C_2$ và nguồn $V_{dc}$ phóng năng lượng nạp cho cuộn cảm $L$.

Trong kỹ thuyết không gian vector, mạch ba pha ba bậc có 27 trạng thái đóng ngắt tương ứng 27 vector điện áp trên mặt phẳng phức $\alpha - \beta$, được phân bố trên 6 sector. Vị trí và biên độ của các vector được xác định thông qua phép biến đổi tọa độ: $$\begin{bmatrix} V_\alpha \ V_\beta \end{bmatrix} = \sqrt{\frac{2}{3}} \begin{bmatrix} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} V_{aO} \ V_{bO} \ V_{cO} \end{bmatrix}$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa phân tích giải tích, mô hình hóa toán học, mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm:

  1. Phương pháp phân tích toán học: Thiết lập phương trình cân bằng điện áp trên cuộn cảm theo nguyên lý cân bằng volt-giây (volt-second balance) và cân bằng điện tích trên tụ điện ở trạng thái xác lập để tính toán độ lợi điện áp, ứng suất dòng điện, điện áp và độ gợn sóng.
  2. Phương pháp mô phỏng: Ứng dụng phần mềm chuyên dụng PSIM để xây dựng mô hình mạch lực và thuật toán điều khiển, khảo sát các đáp ứng quá độ, dạng sóng dòng/áp và phổ sóng hài (THD) ở điều kiện bình thường và sự cố.
  3. Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình thực nghiệm phần cứng với hệ thống điều khiển số kết hợp giữa bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 và chip logic khả trình FPGA ALTERA Cyclone II EP2C5. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập bằng dao động ký số, máy phân tích chất lượng công suất chuyên dụng.

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 tổng thuật bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo và phân loại các cấu hình nghịch lưu tăng áp: DC/AC/AC (dùng biến áp tần số thấp), DC/DC/AC (hai chặng biến đổi), DC/AC/AC/DC/AC (biến áp cao tần đa chặng) và DC/AC (tăng áp một chặng trực tiếp). Tác giả so sánh các cấu hình nghịch lưu một chặng tiêu biểu:

  • Nghịch lưu 3 bậc hình T nguồn Z (3L-ZST2I): Cho phép trạng thái ST, điện áp DC-link đạt $V_{PN} = \frac{2V_{dc}}{1 - 2D_0}$, nhưng dòng vào bị gián đoạn.
  • Nghịch lưu 3 bậc hình T tựa nguồn Z (3L-qZST2I): Dòng vào liên tục, $V_{PN} = \frac{V_{dc}}{1 - 2D_0}$, nhưng số lượng linh kiện thụ động quá lớn (4 cuộn cảm, 4 tụ điện).
  • Nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch 3 bậc NPC (3L-NPC-qSBI): Sử dụng ít linh kiện thụ động hơn nhưng cấu hình hình T chưa được tối ưu hóa toàn diện.

Chương này cũng tổng kết cơ chế hình thành điện áp common mode (CMV), các giải pháp giới hạn biên độ CMV và tổng quan các phương pháp xử lý lỗi hở mạch khóa công suất bằng cách tái cấu hình phần cứng hoặc phần mềm.

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 hệ thống phương trình trạng thái cho các cấu hình nghịch lưu tăng áp ba bậc. Phân tích nguyên lý điều chế độ rộng xung chèn trạng thái ngắn mạch ST vào các khoảng thời gian vector zero.

Tác giả đi sâu phân tích kỹ thuật dịch pha sóng mang (Phase Shift - PS) với các góc dịch khác nhau:

  • Dịch pha $45^\circ$ (hoặc $135^\circ$): Tỉ số ngắn mạch $D_0$ bị giới hạn khi áp dụng chèn xung xen kẽ, cạnh xung mở rộng không đối xứng dẫn đến quá trình nạp/xả cuộn cảm mất cân bằng và phân bố công suất giữa mạng nguồn kháng và cầu nghịch lưu bị lệch.
  • Dịch pha $180^\circ$: Hai sóng mang đối xứng hoàn toàn, chỉ cho phép áp dụng kỹ thuật chèn xung đồng thời, không tối ưu hóa được độ gợn dòng.
  • Dịch pha $90^\circ$: Đảm bảo tính đối xứng tối ưu cho quá trình nạp xả năng lượng của cuộn cảm tăng áp, cho phép áp dụng kỹ thuật chèn xung xen kẽ, giảm độ gợn dòng điện cuộn dây và tăng độ lợi điện áp.

Chương này cũng trình bày lý thuyết phân bố 27 vector không gian của nghịch lưu 3 pha 3 bậc và định nghĩa giá trị CMV tại các trạng thái chuyển mạch: $$V_{CMV} = \frac{V_{aO} + V_{bO} + V_{cO}}{3}$$

Chương 3: Nghịch lưu tăng áp tựa khóa chuyển mạch ba bậc hình T

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý và giải thuật PWM đề xuất cho cấu hình 3L-qSBT2I. Mạch tích hợp mạng tựa khóa chuyển mạch với cấu trúc cầu 3 bậc hình T.

Trạng thái hoạt động Khóa đóng/ngắt cầu nghịch lưu ($x=a, b, c$) Khóa mạng nguồn kháng ($T_1, T_2$) Diode mạng nguồn kháng Điện áp cực ngõ ra ($V_{xO}$)
NST (Mức +) $S_{1x}, S_{2x}$ dẫn Ngắt Phân cực thuận $+V_C$
NST (Mức 0) $S_{2x}, S_{3x}$ dẫn Ngắt Phân cực thuận $0\text{ V}$
NST (Mức -) $S_{3x}, S_{4x}$ dẫn Ngắt Phân cực thuận $-V_C$
ST (Ngắn mạch) $S_{1x}, S_{2x}, S_{3x}, S_{4x}$ dẫn Dẫn Phân cực ngược $0\text{ V}$

Chương 3 phân tích trạng thái xác lập, chứng minh hệ thống cân bằng điện áp trên tụ $C_1, C_2$ và ổn định DC-link thông qua vòng điều khiển PI. Phân tích tổn hao cho thấy cấu hình đề xuất giảm đáng kể kích thước cuộn cảm nhờ tần số gợn dòng tăng gấp đôi khi áp dụng dịch pha sóng mang $90^\circ$.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình phần cứng kiểm chứng rõ ràng hoạt động của bộ biến đổi ở hai trường hợp: $V_{dc} = 180\text{ V}$ với $d_1 = d_2 = 0$ (chế độ không tăng áp) và $V_{dc} = 90\text{ V}$ với $d_1 = d_2 = 0,15$ (chế độ tăng áp), xác nhận điện áp DC-link được duy trì ổn định, điện áp hai tụ $C_1, C_2$ cân bằng và dòng điện ngõ ra sin có chất lượng cao.

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 tập trung giải quyết vấn đề CMV bằng cách phát triển giải thuật điều chế vector không gian triệt tiêu common mode (3L-qSBT2I-ECMV).

Nhóm Vector Trạng thái chuyển mạch tiêu biểu Biên độ Vector Giá trị Điện áp Common Mode ($V_{CMV}$)
Vector Zero $(PPP), (NNN)$ $0$ $\pm V_{PN}/2$
Vector Zero $(OOO)$ $0$ $0$
Vector Nhỏ $(POO), (PPO), (NON), (OON)...$ $V_{PN}/3$ $\pm V_{PN}/6$ hoặc $\pm V_{PN}/3$
Vector Trung bình $(PON), (OPN), (NOP)...$ $V_{PN}/\sqrt{3}$ $0$
Vector Lớn $(PNN), (PPN), (NPN)...$ $2V_{PN}/3$ $\pm V_{PN}/6$

Tác giả phân tích bảng giá trị CMV và thiết lập thuật toán lựa chọn tập hợp vector điện áp tối ưu:

  1. Loại bỏ hoàn toàn các vector tạo ra CMV khác không (như các vector nhỏ và vector zero loại $PPP, NNN$).
  2. Chỉ sử dụng các vector trung bình, vector lớn phù hợp và vector zero $(OOO)$ để tổng hợp vector điện áp tham chiếu $V_{ref}$.
  3. Chèn trạng thái ngắn mạch ST vào thời điểm tác dụng của vector zero $(OOO)$ nhằm thực hiện chức năng tăng áp mà không làm thay đổi giá trị CMV.

Kết quả thực nghiệm đối chứng giữa 3 phương pháp (Phương pháp 1 truyền thống, Phương pháp 2 giảm CMV và Phương pháp đề xuất 3L-qSBT2I-ECMV) cho thấy: Phương pháp đề xuất đã triệt tiêu hoàn toàn CMV về mức $0\text{ V}$, loại bỏ dòng rò tần số cao, trong khi vẫn duy trì dạng sóng điện áp dây $V_{AB}$ và dòng điện pha $I_A$ đạt độ méo dạng sóng hài thấp (THD đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật).

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 nghiên cứu giải pháp điều khiển chịu lỗi (fault-tolerant control) khi xuất hiện sự cố hở mạch tại các vị trí van bán dẫn khác nhau:

  1. Lỗi hở mạch van $S_{1x}$ hoặc $S_{3x}$ trên cầu hình T: Hệ thống chuyển đổi trạng thái điều khiển của nhánh lỗi sang cấu trúc nghịch lưu hai bậc hoặc điều chỉnh góc lệch pha tham chiếu của các pha còn lại để bù trừ điện áp điểm trung tính.
  2. Lỗi hở mạch van $S_{2x}$ trên cầu hình T: Thay đổi phương pháp điều chế PWM, loại bỏ mức điện áp $0\text{ V}$ do van $S_{2x}$ đảm nhiệm và phân phối lại thời gian đóng ngắt cho các van còn lại trong nhánh.
  3. Lỗi hở mạch van $T_1$ hoặc $T_2$ thuộc mạng nguồn kháng: Luận án đề xuất giải thuật PWM tái cấu hình, chuyển đổi chế độ đóng ngắt từ kích van kép sang kích van đơn tương ứng, đồng thời điều chỉnh tỉ số ngắn mạch $D$ để bù sụt giảm điện áp DC-link.
Kịch bản vận hành Tình trạng khóa bán dẫn Giải pháp xử lý điều khiển Hiệu chỉnh thông số điều chế
Bình thường Tất cả các van nguyên vẹn PWM dịch sóng mang $90^\circ$ chuẩn $M = 0,8; D_0 = 0,15$
Lỗi van $S_{1a}$ / $S_{3a}$ Hở mạch $S_{1a}$ hoặc $S_{3a}$ Tái cấu hình mạch sang nhánh hai bậc Bù góc pha và biên độ $V_{ref}$
Lỗi van $S_{2a}$ Hở mạch $S_{2a}$ Thay đổi phương pháp điều chế PWM Khóa trạng thái mức $0$, dùng mức $+/-$
Lỗi van $T_1$ / $T_2$ Hở mạch van mạng kháng Kích xung bù trên van còn lại Điều chỉnh tỉ số đóng ngắt $d_1, d_2$

Luận án thực hiện so sánh tổn hao chuyển mạch, tổn hao dẫn và hiệu suất giữa phương pháp đề xuất với các phương pháp trong tài liệu [83], [84]. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm xác nhận hệ thống chuyển đổi mượt mà từ chế độ bình thường sang chế độ chịu lỗi, hạn chế dòng quá độ và duy trì dạng sóng dòng tải ba pha cân bằng.

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 đề xuất các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Đề xuất cấu hình và giải thuật điều khiển mới cho nghịch lưu tăng áp 3L-qSBT2I: Tích hợp mạng tựa khóa chuyển mạch với cầu ba bậc hình T, áp dụng kỹ thuật dịch sóng mang $90^\circ$ giúp tăng gấp đôi tần số gợn dòng trên cuộn cảm, giảm biên độ gợn dòng ngõ vào, nâng cao độ lợi điện áp và giảm ứng suất điện áp đặt lên các phần tử thụ động và tích cực.
  2. Xây dựng giải thuật SVPWM triệt tiêu điện áp common mode (3L-qSBT2I-ECMV): Thiết lập quy luật lựa chọn chuỗi vector không gian và vị trí chèn trạng thái ngắn mạch ST, cho phép triệt tiêu hoàn toàn CMV về mức $0\text{ V}$ ở chế độ vận hành bình thường mà vẫn đảm bảo đặc tính tăng áp một chặng.
  3. Phát triển giải thuật tái cấu hình phần mềm chịu lỗi hở mạch khóa công suất: Đề xuất phương pháp bù thông số điều khiển và tái cấu hình chuỗi xung kích khi xảy ra sự cố hở mạch ở các khóa bán dẫn phía cầu nghịch lưu hình T ($S_{1x}-S_{4x}$) cũng như các khóa ở mạng nguồn kháng ($T_1, T_2$) mà không cần lắp đặt thêm nhánh van dự phòng phần cứng.

Ý nghĩa thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Tối ưu hóa phần cứng: Cắt giảm số lượng cuộn cảm và tụ điện so với cấu hình tựa nguồn Z truyền thống (từ 4 cuộn cảm, 4 tụ điện xuống mức tối thiểu của mạng qSB), giúp thu nhỏ kích thước, giảm trọng lượng và tiết kiệm chi phí chế tạo bộ biến đổi.
  • Nâng cao độ tin cậy và an toàn vận hành: Triệt tiêu hiện tượng dòng rò và điện áp trục động cơ do CMV gây ra; duy trì khả năng cấp điện liên tục khi xảy ra lỗi van bán dẫn, đặc biệt phù hợp cho các hệ thống yêu cầu độ khả dụng cao như nguồn dự phòng UPS, thiết bị y tế và trạm phát điện mặt trời nối lưới.
  • Khả năng làm chủ công nghệ: Các thông số linh kiện, vi điều khiển (DSP TMS320F28335, FPGA EP2C5) và giải thuật điều chế được thiết kế tiệm cận với tiêu chuẩn công nghiệp, tạo tiền đề thuận lợi cho việc thương mại hóa sản phẩm biến tần trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu thực nghiệm mới dừng lại ở dải công suất nhỏ và vừa trên mô hình thí nghiệm phòng lab, chưa thử nghiệm ở dải công suất cao trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
  • Kỹ thuật chịu lỗi hở mạch dựa trên giả định lỗi ngắn mạch đã được chuyển hóa an toàn thành lỗi hở mạch nhờ tác động của cầu chì nhanh mắc nối tiếp; chưa tích hợp giải thuật tự động phát hiện và định vị lỗi van bán dẫn trong thời gian thực (real-time fault detection and diagnosis).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Tích hợp thuật toán chẩn đoán, phát hiện và định vị lỗi khóa bán dẫn tự động thời gian thực vào chip xử lý DSP/FPGA để kích hoạt chế độ tái cấu hình tức thời.
  2. Nghiên cứu mở rộng cấu hình và giải thuật điều khiển cho các hệ thống nghịch lưu tăng áp đa bậc hình T có số bậc cao hơn (5 bậc, 7 bậc).
  3. Triển khai thử nghiệm kết nối thực tế với hệ thống tấm pin năng lượng mặt trời (PV array) có tích hợp thuật toán dò điểm công suất cực đại (MPPT) hòa lưới điện ba pha.

Giá trị tham khảo

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

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật điện, Điện tử công suất và Điều khiển tự động; có thể tham khảo phương pháp phân tích toán học trạng thái xác lập mạch tựa khóa chuyển mạch (Chương 2, Chương 3), kỹ thuật tổng hợp vector không gian triệt tiêu CMV (Chương 4) và phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng trên PSIM kết hợp phần cứng DSP/FPGA.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D): Các kỹ sư thiết kế bộ biến đổi công suất cho hệ thống năng lượng tái tạo, trạm sạc xe điện, bộ lưu điện UPS; có thể khai thác sơ đồ mạch nguyên lý 3L-qSBT2I, hướng dẫn lựa chọn thông số cuộn cảm/tụ điện và giải thuật điều khiển chịu lỗi hở mạch không dùng nhánh phần cứng dự phòng.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu hình 3L-qSBT2I khắc phục nhược điểm của nghịch lưu nguồn Z (ZSI) và tựa nguồn Z (qZSI) như thế nào?

Cấu hình 3L-qSBT2I khắc phục hiện tượng dòng ngõ vào gián đoạn của nghịch lưu nguồn Z (ZSI), đảm bảo dòng điện liên tục phù hợp cho nguồn pin mặt trời. Đồng thời, so với nghịch lưu tựa nguồn Z (qZSI) vốn sử dụng tới 4 cuộn cảm và 4 tụ điện, 3L-qSBT2I sử dụng ít linh kiện thụ động hơn đáng kể nhờ mạng khóa chuyển mạch, qua đó giảm khối lượng, kích thước và tổn hao hệ thống.

2. Tại sao kỹ thuật dịch pha sóng mang $90^\circ$ được lựa chọn thay vì $45^\circ$ hay $180^\circ$?

Kỹ thuật dịch pha sóng mang $90^\circ$ đảm bảo sự đối xứng tối ưu trong quá trình nạp và xả năng lượng của cuộn cảm tăng áp, đồng thời cho phép chèn xung ngắn mạch xen kẽ hiệu quả. Góc dịch $45^\circ$ (hoặc $135^\circ$) làm giới hạn tỉ số ngắn mạch $D_0$, gây mất đối xứng cạnh xung và làm lệch phân bố công suất; trong khi góc dịch $180^\circ$ chỉ có thể chèn xung đồng thời, không tối ưu hóa được việc giảm độ gợn dòng điện cuộn cảm.

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

Giải thuật phân tích 27 trạng thái vector không gian và loại bỏ hoàn toàn các vector gây ra giá trị CMV khác không (các vector nhỏ và vector zero loại $PPP, NNN$). Điện áp ngõ ra chỉ được tổng hợp từ các vector trung bình, vector lớn phù hợp và vector zero $(OOO)$ có mức $\text{CMV} = 0\text{ V}$. Trạng thái ngắn mạch ST tăng áp được chèn đồng thời vào thời gian tác dụng của vector $(OOO)$, giúp giữ nguyên giá trị $\text{CMV} = 0\text{ V}$ trong toàn bộ chu kỳ.

4. Hệ thống xử lý sự cố ngắn mạch và hở mạch của các khóa bán dẫn như thế nào?

Khi xảy ra lỗi ngắn mạch van bán dẫn, cầu chì tác động nhanh mắc nối tiếp với nhánh van sẽ đứt để cách ly van hỏng, biến lỗi ngắn mạch thành lỗi hở mạch. Khi đó, hệ thống nhận diện và áp dụng giải thuật PWM tái cấu hình bằng phần mềm (điều chỉnh góc pha, biên độ vector tham chiếu hoặc thay đổi tỉ số đóng ngắt $d_1, d_2$) để duy trì điện áp ngõ ra ba pha cân bằng mà không cần lắp thêm nhánh van dự phòng.

5. Hệ thống thực nghiệm trong luận án sử dụng nền tảng điều khiển và công cụ đo đạc nào?

Mô hình thực nghiệm phần cứng sử dụng bộ điều khiển kết hợp giữa vi điều khiển số DSP TMS320F28335 và chip logic khả trình FPGA ALTERA Cyclone II EP2C5. Quá trình kiểm chứng dạng sóng, công suất và phổ sóng hài (THD) được thực hiện trên dao động ký số chuyên dụng và máy phân tích chất lượng công suất.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đỗ Đức Trí đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế cấu hình và giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha ba bậc hình T tựa khóa chuyển mạch (3L-qSBT2I). Công trình đã chứng minh tính ưu việt của giải thuật điều chế dịch sóng mang $90^\circ$ trong việc giảm độ gợn dòng cuộn cảm và nâng cao độ lợi áp, đồng thời đề xuất thành công kỹ thuật SVPWM triệt tiêu hoàn toàn điện áp common mode và giải pháp điều khiển chịu lỗi hở mạch van bán dẫn thuần túy bằng phần mềm. Toàn bộ các mô hình lý thuyết và giải thuật đề xuất đều được kiểm chứng nhất quán thông qua mô phỏng trên PSIM và thực nghiệm trên phần cứng DSP-FPGA, mang lại giá trị khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn cao cho lĩnh vực điện tử công suất và chuyển đổi năng lượng tái tạo.