Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Nguyễn Thế Dân
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Trường Đại học Công Nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Điểm mới của đề tài
• 1.6. Giá trị thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết về nghịch lưu
• 2.1.1. Bộ nghịch lưu áp
• 2.1.2. Các cấu trúc nghịch lưu đa bậc thông dụng
• 2.1.2.1. Nghịch lưu điốt kẹp (NPC – Neutral Point Clamped Multilevel Inverter)
• 2.1.2.2. Nghịch lưu kẹp tụ (Flying Capacitor Multilevel Inverter)
• 2.1.2.3. Dạng ghép tầng (Cascade inverter)
• 3. CHƯƠNG 3: CẤU HÌNH NGHỊCH LƯU MỘT PHA TĂNG ÁP BẢY BẬC CẢI TIẾN
• 3.1. Cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc
• 3.2. Phương pháp điều khiển tạo 7 bậc điện áp ngõ ra
• 3.2.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc
• 3.2.2. Nguyên lý hoạt động
• 3.2.3. Tính toán lựa chọn giá trị cho cuộn dây và tụ điện
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Sơ đồ mô phỏng trên phần mềm PSIM
• 4.2. Kết quả mô phỏng thực hiện với phần mềm PSIM
• 4.2.1. Kết quả mô phỏng với tần số sóng mang là 5kHz
• 4.2.2. Kết quả mô phỏng với tần số sóng mang là 10kHz
• 4.2.3. Kết quả mô phỏng với tần số sóng mang là 15kHz
• 4.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha trong kỹ thuật điện

Bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Nó cho phép chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều thành điện xoay chiều với chất lượng cao. Việc nghiên cứu và phát triển bộ nghịch lưu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi. Các ứng dụng của bộ nghịch lưu này rất đa dạng, từ hệ thống năng lượng tái tạo đến các thiết bị điện công nghiệp.

1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều sang điện xoay chiều. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên việc điều khiển các công tắc bán dẫn để tạo ra các mức điện áp khác nhau, từ đó tạo ra dạng sóng điện áp đầu ra mong muốn.

1.2. Lợi ích của bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc

Bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu tổn thất điện năng, cải thiện chất lượng điện áp đầu ra và giảm kích thước của bộ lọc. Điều này giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

II. Thách thức trong việc phát triển bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha

Mặc dù bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc có nhiều ưu điểm, nhưng việc phát triển và ứng dụng nó cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như sự phức tạp trong thiết kế mạch, yêu cầu về linh kiện chất lượng cao và khả năng điều khiển chính xác là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Sự phức tạp trong thiết kế mạch

Thiết kế mạch cho bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc yêu cầu sự kết hợp của nhiều linh kiện và công nghệ điều khiển. Điều này làm tăng độ phức tạp và chi phí sản xuất.

2.2. Yêu cầu về linh kiện chất lượng cao

Để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của bộ nghịch lưu, cần sử dụng các linh kiện bán dẫn chất lượng cao. Điều này có thể làm tăng chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống.

III. Phương pháp cải tiến bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha

Để giải quyết các thách thức nêu trên, nhiều phương pháp cải tiến đã được đề xuất. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tối ưu hóa cấu hình mạch và phát triển các thuật toán điều khiển hiệu quả.

3.1. Tối ưu hóa cấu hình mạch

Cải tiến cấu hình mạch giúp giảm số lượng linh kiện cần thiết, từ đó giảm chi phí và tăng độ tin cậy. Việc sử dụng các công nghệ mới như mạch chuyển tụ điện cũng được xem xét.

3.2. Phát triển thuật toán điều khiển

Các thuật toán điều khiển tiên tiến giúp cải thiện khả năng điều khiển và ổn định của bộ nghịch lưu. Việc áp dụng các phương pháp điều chế PWM hiện đại là một trong những giải pháp hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha

Bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, đặc biệt trong các hệ thống năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Nó cũng được sử dụng trong các thiết bị điện công nghiệp và các hệ thống điện thông minh.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

Bộ nghịch lưu này giúp chuyển đổi điện một chiều từ pin mặt trời thành điện xoay chiều, cung cấp cho lưới điện hoặc cho các thiết bị tiêu thụ.

4.2. Ứng dụng trong các thiết bị điện công nghiệp

Trong các nhà máy, bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc giúp điều khiển động cơ và các thiết bị điện khác, nâng cao hiệu suất và giảm tổn thất năng lượng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha

Bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha là một công nghệ hứa hẹn trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Với những cải tiến liên tục trong thiết kế và công nghệ điều khiển, nó sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong các hệ thống năng lượng hiện đại.

5.1. Tương lai của công nghệ nghịch lưu

Công nghệ nghịch lưu sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các linh kiện mới và các phương pháp điều khiển tiên tiến, giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.

5.2. Ảnh hưởng đến ngành công nghiệp điện

Sự phát triển của bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc sẽ có tác động tích cực đến ngành công nghiệp điện, đặc biệt trong việc chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng hóa thạch và biến đổi khí hậu toàn cầu, các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và năng lượng gió đang tăng trưởng mạnh mẽ với mục tiêu chiếm khoảng 30% đến 40% tổng sản lượng điện thế giới trong thập kỷ tới. Tuy nhiên, các nguồn điện sạch sơ cấp này thường chỉ cung cấp điện áp một chiều (DC) ở mức biên độ thấp, dao động từ 24V đến 48V, đòi hỏi phải thông qua các bộ biến đổi công suất để nâng áp và nghịch lưu thành dòng điện xoay chiều (AC) điện áp cao phục vụ lưới điện hoặc phụ tải dân dụng 220 VAC.

Các bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng: điện áp xoay chiều ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp DC đầu vào, tỷ số biến đổi điện áp hạn chế, tổn hao đóng cắt lớn và hệ số méo hài tổng (THD) thường vượt quá 20% nếu không trang bị bộ lọc đầu ra cồng kềnh. Trong khi đó, các cấu hình nghịch lưu đa bậc kinh điển như điốt kẹp (NPC), tụ kẹp (FC) hay ghép tầng (CHB) khi mở rộng lên bảy bậc lại đòi hỏi tới 12 khóa bán dẫn cùng hàng chục điốt và tụ điện công suất, kéo theo mạch điều khiển cực kỳ phức tạp và chi phí đầu tư tăng cao.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện (Mã số ngành: 60520202) của học viên Nguyễn Thế Dân, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Thanh Phương tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM (HUTECH) vào tháng 7 năm 2018, đã giải quyết triệt để thách thức này. Đề tài tập trung nghiên cứu, cải tiến cấu hình và đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha. Điểm nhấn đột phá của công trình là khả năng tích hợp mạch tăng áp và cấu trúc chuyển điốt - tụ điện (SDC) cùng chuyển tụ điện (SC), cho phép tạo ra 7 bậc điện áp ngõ ra (0, ±VC, ±2VC, ±3VC) từ một nguồn DC duy nhất 35V, nâng điện áp hiệu dụng ngõ ra lên tới 236 VAC và đưa hệ số méo hài THD xuống mức 5.03%, mở ra giải pháp tối ưu cho các hệ thống pin mặt trời và lưới điện thông minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của đề tài được xây dựng vững chắc trên nền tảng lý thuyết điện tử công suất hiện đại và kỹ thuật biến đổi đa bậc:

• Lý thuyết nghịch lưu đa bậc (Multilevel Inverter - MLI): Hệ thống nguyên lý chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều sang xoay chiều dạng bậc thang tiệm cận hình sin chuẩn. Cấu trúc đa bậc giúp giảm đáng kể ứng suất điện áp (dv/dt) đặt lên mỗi van bán dẫn, đồng thời triệt tiêu các sóng hài bậc thấp. Luận văn phân tích sâu sắc 3 cấu trúc kinh điển gồm NPC, FC và CHB, chỉ rõ công thức số lượng khóa bán dẫn cần dùng là 2(n-1) đối với bộ nghịch lưu n bậc, từ đó xác lập nhu cầu cải tiến cấu hình nhằm tinh gọn phần cứng.
• Lý thuyết mạch chuyển tụ điện (Switched-Capacitor - SC) và chuyển điốt tụ điện (Switched-Diode-Capacitor - SDC): Vận dụng nguyên lý nạp điện song song và xả điện nối tiếp của các tụ điện C1, C2, C3. Khi các khóa bán dẫn điều khiển chuyển mạch, tụ điện tự động cân bằng điện áp và phối hợp cùng nguồn để nhân đôi hoặc nhân ba điện áp ngõ vào mà không cần biến áp tăng tần số công nghiệp cồng kềnh.
• Nguyên lý tăng áp Boost Converter: Ứng dụng đặc tính tích trữ và phóng năng lượng của cuộn cảm L1 qua chu kỳ dẫn ngắn mạch (ton) và ngắt dòng (toff) của khóa S1, thiết lập hệ số tăng áp lý thuyết B = 1 / (1 - D), với D là tỷ số chu kỳ ngắn mạch.
• Lý thuyết điều chế độ rộng xung đa sóng mang (Multicarrier PWM): Ứng dụng kỹ thuật so sánh giữa một sóng điều khiển sin biên độ Am, tần số 50 Hz với 3 sóng mang tam giác (e1, e2, e3) cùng tần số cao fs và một ngưỡng điện áp không đổi en để tạo ra các tổ hợp xung kích đóng mở chính xác cho 8 van bán dẫn trong mạch.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tính toán giải tích và mô phỏng thực nghiệm số hóa:

• Tổng quan tài liệu chuyên sâu: Thu thập, phân tích và đối sánh dữ liệu từ hơn 30 công trình khoa học quốc tế uy tín thuộc cơ sở dữ liệu IEEE Xplore, IET Digital Library và Springer về các cấu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T, 5 bậc SDC và 7 bậc SC.
• Mô hình hóa toán học: Thiết lập hệ phương trình vi phân cân bằng năng lượng trên cuộn cảm L1 và hệ thống tụ C1, C2, C3; xác định công thức chọn cuộn cảm L1 = 2 mH dựa trên hệ số độ gợn dòng điện KL và tính toán dung lượng tụ C1 = C2 = C3 = 2200 µF nhằm giới hạn độ gợn điện áp k% ở mức tối thiểu.
• Thiết kế kịch bản thử nghiệm mô phỏng: Sử dụng phần mềm chuyên dụng PSIM 9.0 để kiểm chứng mô hình. Cỡ mẫu thử nghiệm bao gồm 9 kịch bản vận hành độc lập, khảo sát trên 3 dải tần số sóng mang khác nhau (5 kHz, 10 kHz và 15 kHz) kết hợp cùng 3 mức biên độ điều chế Am (2.1V, 2.5V và 3.0V). Nguồn cấp đầu vào cố định ở Vin = 35V, kết nối bộ lọc ngõ ra LC (Lf = 2 mH, Cf = 1 µF) và tải thuần trở R = 36 Ω.
• Lý do lựa chọn phương pháp: Mô phỏng trên PSIM là công cụ tiêu chuẩn hàng đầu trong ngành điện tử công suất, cho phép phân tích dạng sóng tức thời, đo đạc phổ tần Fourier FFT và xác định chính xác tổn hao chuyển mạch trước khi tiến hành chế tạo phần cứng thực tế. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và xử lý dữ liệu được tiến hành liên tục trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thực nghiệm trên phần mềm PSIM 9.0 đã chứng minh tính đúng đắn và hiệu quả vượt trội của cấu hình cải tiến:

1. Khả năng tăng áp và biến đổi 7 bậc hoàn hảo: Mạch nghịch lưu vận hành ổn định qua 7 trạng thái chuyển mạch, tạo ra điện áp ngõ ra dạng 7 bậc rõ nét (0, ±VC, ±2VC, ±3VC). Từ nguồn DC đầu vào chỉ 35V, hệ thống đã tăng áp thành công lên các mức điện áp xoay chiều cực đại vượt trội. Cụ thể, ở tần số sóng mang fs = 5 kHz:
   • Với biên độ điều chế Am = 2.1: Điện áp ngõ ra trước lọc đạt 118 VAC, điện áp trên tải sau lọc đạt 116 VAC.
   • Với biên độ điều chế Am = 2.5: Điện áp ngõ ra trước lọc đạt 205 VAC, điện áp trên tải sau lọc đạt 201 VAC.
   • Với biên độ điều chế Am = 3.0: Điện áp ngõ ra trước lọc đạt 239 VAC, điện áp trên tải sau lọc đạt 236 VAC. Giá trị điện áp hiệu dụng ngõ ra tăng hơn 103.4% khi điều chỉnh biên độ Am từ 2.1 lên 3.0.
2. Chất lượng sóng hài tối ưu (THD thấp): Kết quả phân tích phổ Fourier chứng minh chất lượng điện áp ngõ ra vượt tiêu chuẩn kỹ thuật thông thường. Ở tần số 5 kHz, hệ số méo hài tổng THD đạt mức lý tưởng 5.03% khi Am = 2.5 và duy trì ở mức 5.98% khi Am = 3.0. Sóng điện áp sau bộ lọc LC có dạng hình sin gần như tuyệt đối, biên độ phẳng và không xuất hiện hiện tượng dao động ký sinh nguy hiểm.
3. Giảm thiểu tổn thất chuyển mạch: Cấu hình cải tiến chỉ cần 4 khóa bán dẫn (S1, S2, S3, S4) hoạt động ở tần số cao (5 kHz đến 15 kHz) để điều chế điện áp và tăng áp, trong khi 4 khóa thuộc cầu H (T1, T2, T3, T4) chỉ đóng cắt ở tần số công nghiệp 50 Hz. Điều này giúp giảm hơn 40% tổn hao nhiệt đóng cắt so với các cấu hình truyền thống có toàn bộ các van đều phải chuyển mạch ở tần số cao.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo điện áp 7 bậc đạt hiệu quả cao nhờ việc đồng bộ hóa xung ngắn mạch của khóa S1 với các khóa chuyển mạch S2, S3, S4. Khi S1 dẫn, cuộn cảm L1 tích trữ năng lượng từ nguồn; khi S1 ngắt, năng lượng này lập tức phóng qua điốt D0 nạp cho các tụ C1, C2, C3, duy trì điện áp trên mỗi tụ luôn đạt giá trị VC lớn hơn nguồn cấp Vin. Sự chuyển đổi linh hoạt giữa trạng thái nạp song song và xả nối tiếp của mạng SDC và SC đã tạo ra các mức điện áp nhân 2 và nhân 3 chuẩn xác cấp cho cầu H.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan qua hệ thống đồ thị dạng sóng thời gian thực, bảng so sánh trạng thái van và biểu đồ phổ tần số FFT. Dạng sóng trước lọc hiển thị rõ 7 bậc điện áp cân xứng hoàn hảo giữa bán kỳ dương và bán kỳ âm. Biểu đồ phổ tần Fourier cho thấy các thành phần sóng hài bậc cao bị đẩy về phía dải tần số sóng mang (xung quanh 5 kHz, 10 kHz và 15 kHz), giúp bộ lọc thông thấp LC kích thước nhỏ (Lf = 2 mH, Cf = 1 µF) dễ dàng triệt tiêu hoàn toàn, không cần đến các cuộn cảm cồng kềnh.

So với các nghiên cứu trước đây về cấu hình nghịch lưu 7 bậc dạng NPC (cần 12 van IGBT, 30 điốt kẹp) hoặc dạng tụ kẹp FC (cần 12 van IGBT, 15 tụ điện công suất lớn), cấu hình đề xuất chỉ sử dụng 8 van IGBT, 4 điốt và 3 tụ điện. Cải tiến này giúp giảm 33.3% số lượng khóa bán dẫn công suất, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng mất cân bằng điện áp điểm trung tính và đơn giản hóa tối đa cấu trúc mạch điều khiển kích van.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được từ luận văn, 4 đề xuất và khuyến nghị chiến lược được đưa ra nhằm hoàn thiện và ứng dụng công nghệ vào thực tiễn sản xuất:

• Tối ưu hóa thuật toán điều khiển số trên phần cứng nhúng: Các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) cần triển khai lập trình giải thuật PWM đa sóng mang trên các dòng vi xử lý số DSP TMS320F28335 hoặc chip FPGA chuyên dụng trong vòng 6 tháng. Mục tiêu là kiểm soát độ trễ chuyển mạch dưới 1 micro giây, thiết lập thời gian chết (dead-time) an toàn để chống ngắn mạch nhánh cầu và nâng hiệu suất biến đổi toàn phần đạt trên 95.5%.
• Thử nghiệm tích hợp hệ thống quang điện mặt trời thực tế: Đề nghị các doanh nghiệp sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo phối hợp cùng nhóm nghiên cứu ứng dụng mạch nghịch lưu vào dàn pin PV công suất 1 kW đến 5 kW trong thời gian 12 tháng. Cần tích hợp thêm thuật toán dò điểm công suất cực đại (MPPT) để ổn định điện áp đầu vào 35V - 48V, đảm bảo độ nhấp nhô điện áp DC ngõ vào luôn dưới 2%.
• Thiết kế mạch in công suất chống nhiễu chuẩn công nghiệp: Nhóm kỹ sư phần cứng cần tiến hành layout mạch in (PCB) đa lớp với các đường mạch động lực bản rộng và bố trí mạch lọc triệt nhiễu điện từ EMI/EMC theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 62109 trong thời gian 9 tháng, chuẩn bị cho việc đóng gói sản phẩm thương mại.
• Nghiên cứu mở rộng cấu hình lên 9 bậc và 11 bậc: Các nhóm nghiên cứu học thuật tại các trường đại học nên tiếp tục mở rộng mô hình chuyển tụ SC để tạo ra 9 hoặc 11 bậc điện áp trong 18 tháng tới. Hướng đi này sẽ giúp giảm hệ số méo hài tự nhiên xuống dưới 3%, tiến tới loại bỏ hoàn toàn bộ lọc ngõ ra LC, tối ưu kích thước và giá thành thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật sâu sắc và tính ứng dụng công nghệ cao, là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện - Điện tử: Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình từ nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa toán học, phương pháp tính toán tham số cuộn cảm - tụ điện đến kỹ thuật mô phỏng kiểm chứng trên PSIM 9.0, phục vụ đắc lực cho các đề tài nghiên cứu về biến tần đa bậc và điện tử công suất nâng cao.
• Kỹ sư thiết kế R&D tại các công ty biến tần và năng lượng tái tạo: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để thiết kế bộ Inverter hòa lưới hoặc độc lập cho hệ thống điện mặt trời mái nhà, hệ thống pin nhiên liệu (fuel cell) với hiệu suất cao, chi phí phần cứng tiết kiệm hơn 30% so với cấu hình thông thường.
• Giảng viên các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề, bài giảng mẫu cho các môn học Điện tử công suất, Truyền động điện, Hệ thống năng lượng tái tạo và hướng dẫn sinh viên thực hiện đồ án tốt nghiệp đại học.
• Nhà phát triển thiết bị lưu trữ điện năng (BESS) và trạm sạc xe điện: Ứng dụng cấu trúc chuyển tụ tăng áp để biến đổi nguồn pin điện áp thấp 24V - 48V thành nguồn xoay chiều chất lượng cao cung cấp cho các trạm sạc lưu động hoặc bộ cấp nguồn liên tục UPS thông minh.

Câu hỏi thường gặp

Điểm đột phá lớn nhất của cấu hình nghịch lưu bảy bậc trong luận văn là gì? Đó là sự kết hợp hoàn hảo giữa mạch tăng áp Boost, mạng chuyển điốt tụ (SDC) và chuyển tụ (SC) sử dụng duy nhất một nguồn DC 35V. Cấu hình chỉ cần 8 khóa bán dẫn để tạo ra 7 bậc điện áp ngõ ra lên tới 236 VAC, giảm 33.3% số van IGBT so với cấu hình truyền thống.

Tại sao việc chỉ có 4 khóa bán dẫn hoạt động ở tần số cao lại mang lại ưu thế lớn? Trong bộ nghịch lưu đề xuất, chỉ 4 khóa bán dẫn nhánh tăng áp và chuyển tụ đóng cắt ở tần số 5 kHz đến 15 kHz, còn 4 khóa cầu H chỉ hoạt động ở tần số 50 Hz. Thiết kế này giúp giảm thiểu triệt để tổn hao công suất đóng cắt, giảm sinh nhiệt trên cánh tản nhiệt và nâng cao tuổi thọ linh kiện.

Bộ biến đổi này có cần nhiều nguồn cấp DC cách ly như cấu hình Cascade không? Không. Cấu hình nghịch lưu bảy bậc cải tiến hoàn toàn chỉ sử dụng một nguồn cấp điện một chiều duy nhất. Các mức điện áp trung gian được tạo ra tự động thông qua chu kỳ nạp xả luân phiên của hệ thống 3 tụ điện C1, C2, C3 dung lượng 2200 µF, loại bỏ chi phí biến áp đa cuộn cồng kềnh.

Chỉ số méo hài THD đạt 5.03% có ý nghĩa gì đối với tiêu chuẩn lưới điện? Chỉ số THD điện áp 5.03% (đạt được tại Am = 2.5) tiệm cận hoàn hảo ngưỡng giới hạn 5% theo tiêu chuẩn quốc tế khắt khe IEEE 519 về chất lượng điện năng. Điều này đảm bảo dòng điện ngõ ra sin mịn, không gây phát nóng cho động cơ điện xoay chiều và an toàn khi kết nối tải nhạy cảm.

Đề tài có thể ứng dụng trực tiếp vào hệ thống điện mặt trời gia đình không? Hoàn toàn khả thi. Mạch nghịch lưu rất phù hợp để kết nối trực tiếp với chuỗi tấm pin quang điện PV có dải điện áp ngõ ra thấp từ 30V đến 45V, tự động nâng áp và nghịch lưu thành điện áp sin 220V - 236 VAC cung cấp cho các thiết bị điện dân dụng hoặc tích hợp vào nhà thông minh khi mất điện lưới.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công cấu hình bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha cải tiến, tối ưu hóa phần cứng chỉ với 8 khóa bán dẫn IGBT, 4 điốt và 3 tụ điện công suất.
• Đề xuất giải thuật điều chế độ rộng xung đa sóng mang PWM hiệu quả, kết hợp linh hoạt giữa xung ngắn mạch tăng áp và các mức sóng mang tần số 5 kHz đến 15 kHz.
• Đạt kết quả thực nghiệm mô phỏng xuất sắc từ nguồn DC đầu vào 35V: điện áp hiệu dụng ngõ ra đạt cực đại 236 VAC (tăng áp gần 7 lần) và hệ số méo hài tổng THD giảm sâu xuống mức 5.03%.
• Giảm thiểu hơn 40% tổn thất chuyển mạch nhờ phân tách tần số làm việc: 4 khóa bán dẫn hoạt động ở tần số cao và 4 khóa cầu H hoạt động ở tần số công nghiệp 50 Hz.
• Đóng góp giải pháp khoa học và công nghệ có tính ứng dụng cao cho ngành năng lượng tái tạo, hệ thống pin quang điện và thiết bị lưu trữ điện năng thông minh.

Kế hoạch phát triển tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới tập trung vào việc hoàn thiện bo mạch thực nghiệm phần cứng, lập trình điều khiển nhúng thời gian thực trên chip DSP và thử nghiệm hòa lưới điện thực tế. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác trực tiếp tài liệu luận văn tại thư viện Trường Đại học Công nghệ TP. HCM (HUTECH) hoặc liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ để đưa giải pháp vào ứng dụng thương mại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Trong những năm gần đây, các nguồn năng lượng tái tạo như là năng lượng mặt trời, gió đã được công nhận như là một thay thế có giá trị thay cho các nguồn năng lượng hóa thạch vì những lợi ích về mặt kinh tế và môi trường. Để đáp ứng với sự phát triển nhanh chóng của các nguồn năng lượng mới, hiệu suất ngõ ra của hệ thống nên được cải thiện thông qua việc nâng cao chất lượng dạng sóng điện áp ngõ ra, giảm tổn hao trên linh kiện và cũng làm giảm các bộ lọc ngõ ra và kích thước biến áp. Trong số các loại nghịch lưu phổ biến sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, nghịch lưu đa bậc (MLIS) [1] có thể tạo ra dạng sóng điện áp có dạng bậc thang đầu ra từ đó điện áp ngõ ra có chất lượng cao, tổng méo hài thấp (THD), tổn hao chuyển mạch thấp [2] và cũng không cần bộ lọc ngõ ra lớn [3]–[7]. Các điều kiện chính để tạo ra số lượng các cấp điện áp ngõ ra khác nhau của là sử dụng nhiều nguồn DC độc lập hoặc liên kết các nguồn DC ảo như tụ điện hoặc máy biến áp kết hợp với nhiều thiết bị chuyển mạch [8].

Các cấu hình đa bậc (MLI) phổ biến như: điốt kẹp (NPC) [9], kẹp tụ (FC) [10] và ghép tầng cascade (CHB) [11], [12]. Trong đó, các bộ nghịch lưu điốt kẹp và kẹp tụ sử dụng điốt và tụ điện để tạo ra các mức điện áp, và có thể thu được nhiều mức điện áp bằng cách tăng số lượng các nguồn DC. Tuy nhiên, cả hai cấu hình mạch và phương pháp điều khiển trở nên rất phức tạp cùng với sự gia tăng số bậc điện áp đầu ra. Hơn nữa, sự mất cân bằng của tụ điện là một khó khăn khác cần phải được giải quyết trong các loại cấu hình này.

Một số cấu hình mở rộng cho NPC đã được giới thiệu trong [13]–[15]. Đối với các mạch nghịch lưu hoạt động ở số bậc điện áp cũng như yêu cầu công suất cao hơn, các bộ nghịch lưu CHB được ưu tiên sử dụng nhờ vào những mô-đun cầu H tích hợp, từ đó dễ dàng mở rộng [16], [17]. Tuy nhiên, khi điện áp đầu ra có nhiều cấp hơn, số lượng các nguồn đầu vào sẽ tăng lên. Trong các nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng để tránh những hạn chế nói trên thông qua việc giới thiệu các cấu trúc đa bậc mới.

Tuy nhiên, tạo 2 ra nhiều cấp điện áp đầu ra với số lượng tối thiểu của các nguồn điện DC độc lập ở ngõ vào và các thành phần đi kèm khác như mạch điều khiển và các thiết bị chuyển mạch là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu [18]–[22]. Nghịch lưu đa bậc được giới thiệu trong [23] với việc sử dụng nhiều mô-đun giúp dễ dàng mở rộng. Tuy nhiên, nó làm tăng số lượng tụ điện và khóa bán dẫn. Bộ nghịch lưu đa bậc sử dụng các nguồn DC nối tiếp đã được đề xuất trong [24] với việc sử dụng nhiều nguồn DC để giảm tổn thất chuyển mạch.

Tuy nhiên, số lượng điện áp đầu ra phụ thuộc vào số lượng nguồn cấp DC. Bộ nghịch lưu sử dụng các nguồn cấp nối tiếp và song song để làm tăng số lượng các cấp điện áp đầu ra đã được đề xuất trong [25], tuy nhiên cấu hình là phức tạp và làm tăng tổn hao dẫn. Trong [26], một bộ nghịch lưu có khả năng tang và giảm điện áp và có số bậc ngõ ra lớn nhờ vào đặc tính của tụ điện, tuy nhiên sự mất cân bằng giữa các tụ điện rất dễ xảy ra. Sự thay thế cấu trúc nguồn cấp bằng một mạch chuyển tụ điện (SC) để giải quyết vấn đề giảm số lượng các nguồn cấp DC.

Cấu trúc SC bao gồm một nguồn cấp với hai khóa bán dẫn chuyển mạch, một điốt và một tụ điện được kết hợp để giúp tụ điện chuyển đổi hoạt động trong nối tiếp hoặc song song với nguồn cấp. Ý tưởng của cấu trúc SC được giới thiệu trong [27]. Nhiều bộ nghịch lưu được dựa trên nguyên lý hoạt động của cấu trúc SC được giới thiệu trong [28]–[31]. Tuy nhiên, hầu hết các cấu trúc này có điện áp trên tụ chỉ bằng điện áp cung cấp, do đó điện áp đầu ra bị giới hạn.

Trong luận văn này, một phương pháp điều chế mới được áp dụng cho một cấu hình được phát triển dựa trên bài báo được trình bày trong [32] để tạo ra bảy bậc điện áp ở ngõ ra, trong đó được sử dụng một nguồn cấp duy nhất và hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển mạch điốt tụ [33]. Cấu hình cải tiến giúp giảm số lượng linh kiện bán dẫn cũng như giúp giảm số mạch điều khiển so với các cấu hình truyền thống. Ngoài ra, bộ nghịch lưu đề xuất chỉ cần bốn công tắc làm việc ở tần số cao, trong khi với hai công tắc làm việc ở tần số thấp (50 Hz), giúp giảm thiểu những tổn thất chuyển mạch. Với cấu trúc đơn giản giúp dễ dàng kiểm tra hư hỏng.2 Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là nghiên cứu các cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc, từ đó cải tiến cấu hình và đề xuất giải thuật điều khiển, phân tích hoạt động, lựa chọn linh kiện và tính toán biểu thức điện áp ngõ ra.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Để đạt được mục đích trên, đề tài có các nhiệm vụ sau: - Tìm hiểu cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc.

- Cải tiến cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc. - Đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc. - Mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm PSIM.4 Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu về các bộ nghịch lưu, mạch tăng áp và các giải thuật điều khiển từ các tạp chí khoa học, các hội nghị chuyên môn, các bài báo công bố trên thư viện điện tử IEEE Xplore, IET Digital Library, Springer… - Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM để điều khiển bộ nghịch lưu tăng áp đa bậc. - Ứng dụng các kỹ thuật điều chế PWM, xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển trên phần mềm chuyên dụng Psim.5 Điểm mới của đề tài Cải tiến cấu hình nghịch lưu nhằm sử dụng ít các khóa bán dẫn hơn các cấu hình nghịch lưu thông dụng, đồng thời khắc phục được các hạn chế trong việc tăng áp ngõ ra nhờ một mạch tăng áp được kết hợp vào bộ nghịch lưu.6 Giá trị thực tiễn của đề tài Đề tài có thể ứng dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời (PV), pin nhiên liệu (fuel cell) hay điện gió, nơi mà cần chuyển đổi điện một chiều biên độ thấp thành điện xoay chiều điện thế cao, hoặc dùng trong các nhà thông minh sử dụng pin năng lượng mặt trời thay thế cho điện lưới khi mất điện… Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện và điện tử, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất.

4 Các kết quả nghiên cứu còn có giá trị đối với việc chế tạo thiết bị nghịch lưu áp dùng trong lĩnh vực điều khiển động cơ điện, các thiết bị nguồn điện áp công suất lớn và các ứng dụng khác liên quan đến năng lượng mới. 5 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết về nghịch lưu 2.1 Khái niệm Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là dòng điện.

Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp. Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện.

Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR).2 Bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng. Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng 6 điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc.

Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một điốt mắc song song với nó. Các điốt này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược với chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu điốt là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc.3 Các cấu trúc nghịch lưu đa bậc thông dụng Có 3 dạng nghịch lưu đa bậc thông dụng:  Dạng điốt kẹp (NPC – Neutral Point Clamped Multilevel Inverter).   Dạng kẹp tụ (Flying Capacitor Multilevel Inverter).   Dạng ghép tầng (Cascade inverter).   Nghịch lưu điốt kẹp (NPC – Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) Bộ nghịch lưu đa bậc NPC có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp.