Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế xã hội mạnh mẽ, nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng cao, đặc biệt tại Việt Nam, nơi nguồn điện chủ yếu đến từ thủy điện và nhiệt điện. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu và phong điện. Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng và gần như vô tận, nhưng để khai thác hiệu quả, cần có hệ thống chuyển đổi điện năng một chiều thành điện xoay chiều phù hợp với lưới điện hiện có.

Luận văn tập trung nghiên cứu cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha (Single phase switched boost inverter) nhằm thay thế nghịch lưu nguồn-Z trong các ứng dụng công suất thấp. Mục tiêu chính là phân tích hoạt động của cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha, đề xuất bộ điều khiển PID ổn định điện áp trên thanh cái DC, đồng thời phát triển cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp đa bậc để giảm sóng hài bậc cao và cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra khi hòa lưới điện một pha. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các hệ thống điện công suất thấp, tập trung vào các ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam, với thời gian nghiên cứu từ năm 2015 đến 2016.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện năng, giảm kích thước và chi phí thiết bị, đồng thời cải thiện chất lượng điện áp hòa lưới, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong thực tế. Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong hệ thống pin mặt trời, pin nhiên liệu, và các thiết bị điện tử công suất, đồng thời làm tài liệu giảng dạy chuyên ngành điện tử công suất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết nghịch lưu áp (Voltage Source Inverter - VSI): Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, với các linh kiện bán dẫn như MOSFET, IGBT làm công tắc. Các cấu hình nghịch lưu truyền thống thường gặp hạn chế về điện áp ngõ ra thấp hơn điện áp nguồn và yêu cầu khoảng thời gian chết để tránh ngắn mạch.

  • Mô hình nghịch lưu nguồn-Z (Z-source inverter): Cấu hình này cho phép hoạt động ngắn mạch an toàn, tăng điện áp ngõ ra vượt điện áp nguồn một chiều chỉ qua một lần chuyển đổi, cải thiện chất lượng điện áp và giảm méo dạng. Tuy nhiên, cấu hình này sử dụng nhiều linh kiện thụ động (2 cuộn cảm, 2 tụ điện), làm tăng kích thước và chi phí.

  • Cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha (Single phase switched boost inverter): Được đề xuất để thay thế nghịch lưu nguồn-Z trong ứng dụng công suất thấp, cấu hình này sử dụng ít linh kiện hơn (ít hơn một tụ điện và một cuộn cảm), dòng điện nguồn hoạt động liên tục, và hệ số tăng áp tương đương nghịch lưu nguồn-Z. Cấu hình này cũng cho phép trạng thái ngắn mạch an toàn, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy.

  • Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Được sử dụng để ổn định điện áp trên tụ điện, từ đó gián tiếp ổn định điện áp thanh cái DC. Bộ điều khiển PID giúp tăng tốc độ đáp ứng, giảm sai số ổn định và cải thiện tính ổn định của hệ thống.

  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation): Áp dụng kỹ thuật PWM với sóng mang tần số cao và sóng điều khiển dạng sin để điều khiển các khóa bán dẫn, đảm bảo tạo ra điện áp ngõ ra có dạng sóng chất lượng cao và giảm sóng hài.

  • Cấu hình ghép tầng nghịch lưu đa bậc (Cascaded Multilevel Inverter): Ghép nối nhiều module nghịch lưu tăng áp một pha để tạo ra điện áp ngõ ra đa bậc, giảm sóng hài bậc cao, tăng điện áp ngõ ra và cải thiện chất lượng điện áp hòa lưới.

  • Vòng khóa pha PLL (Phase Locked Loop): Sử dụng để đồng bộ pha điện áp ngõ ra với lưới điện xoay chiều, đảm bảo hòa lưới an toàn và hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành từ các tạp chí khoa học, hội nghị chuyên môn, thư viện điện tử như IEEEXPLORE, Springer, cùng các tài liệu pháp luật và tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến hệ thống điện và nghịch lưu.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích lý thuyết mạch điện, mô hình hóa không gian trạng thái, phân tích tín hiệu nhỏ, thiết kế bộ điều khiển PID dựa trên hàm truyền và sơ đồ Bode để đảm bảo ổn định hệ thống.

  • Mô phỏng: Sử dụng phần mềm PSIM để mô phỏng hoạt động của cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha và cấu hình ghép tầng đa bậc, kiểm tra các đặc tính điện áp, dòng điện, sóng hài và đáp ứng điều khiển.

  • Thực nghiệm: Xây dựng mô hình thực nghiệm với kit DSP TMS320F28335 của Texas Instruments, sử dụng các thiết bị đo hiện đại của Tektronix để đo điện áp, dòng điện, sóng hài và kiểm chứng kết quả mô phỏng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2015 đến tháng 4/2016, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế mô hình, mô phỏng, lập trình điều khiển và thực nghiệm.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm được xây dựng trên hệ thống nghịch lưu công suất thấp phù hợp với ứng dụng năng lượng tái tạo quy mô nhỏ, lựa chọn linh kiện và thiết bị phù hợp với tiêu chí hiệu suất và chi phí.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hệ số tăng áp của nghịch lưu tăng áp một pha: Kết quả phân tích và mô phỏng cho thấy hệ số tăng áp $B_i = \frac{1}{1 - 2D}$ của cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha bằng với hệ số tăng áp của nghịch lưu nguồn-Z, vượt trội hơn so với nghịch lưu tăng áp truyền thống và cơ bản. Ví dụ, với tỷ số ngắn mạch D = 0.3, hệ số tăng áp đạt khoảng 2.08, cao hơn đáng kể so với các cấu hình khác.

  2. Dòng điện nguồn liên tục: Khác với nghịch lưu tăng áp cơ bản, dòng điện nguồn trong cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha hoạt động ở chế độ liên tục, giúp giảm nhấp nhô dòng và cải thiện chất lượng nguồn cung cấp. Điều này được xác nhận qua mô phỏng và thực nghiệm với dòng điện qua cuộn cảm ổn định, giảm thiểu nhu cầu bộ lọc nguồn phức tạp.

  3. Bộ điều khiển PID ổn định điện áp trên tụ: Thuật toán điều khiển PID được thiết kế và điều chỉnh thông số để đạt độ dự trữ pha 36.2° tại tần số cắt 14.7 Hz, giúp giữ điện áp trên tụ ổn định khi điện áp nguồn hoặc tải thay đổi đột ngột. Kết quả mô phỏng Bode cho thấy hệ thống có độ ổn định cao, đáp ứng nhanh và sai số ổn định gần bằng 0.

  4. Cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp đa bậc: Việc ghép tầng hai module nghịch lưu tăng áp một pha tạo ra điện áp ngõ ra 5 bậc, giảm đáng kể thành phần sóng hài bậc cao so với nghịch lưu ba bậc truyền thống. Thí nghiệm thực tế cho thấy tổng méo hài tổng (THD) của điện áp ngõ ra giảm từ khoảng 25% xuống dưới 10% sau khi sử dụng bộ lọc LC và ghép tầng.

  5. Điều khiển hòa lưới bằng vòng khóa pha PLL: Sử dụng PLL giúp đồng bộ pha điện áp ngõ ra với lưới điện một pha, đảm bảo đóng cắt an toàn và giảm thiểu hiện tượng lệch pha gây hư hỏng thiết bị. Thí nghiệm thực tế cho thấy điện áp tải và điện áp lưới có sự trùng pha chính xác, với sai số pha dưới 2°.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu cho thấy cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha là giải pháp hiệu quả thay thế nghịch lưu nguồn-Z trong các ứng dụng công suất thấp, nhờ vào việc giảm linh kiện thụ động, cải thiện hệ số tăng áp và duy trì dòng điện nguồn liên tục. Bộ điều khiển PID được đề xuất đã giải quyết thành công vấn đề ổn định điện áp trên tụ, từ đó ổn định điện áp thanh cái DC, điều này rất quan trọng trong việc giảm mất cân bằng nguồn DC khi ghép tầng.

So với các nghiên cứu trước đây về nghịch lưu nguồn-Z và nghịch lưu tăng áp cơ bản, luận văn đã phát triển thêm cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha với khả năng ghép tầng đa bậc, giúp giảm sóng hài và tăng điện áp ngõ ra, phù hợp với yêu cầu hòa lưới điện năng lượng tái tạo. Việc sử dụng vòng khóa pha PLL trong điều khiển hòa lưới cũng nâng cao tính ổn định và an toàn của hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ Bode thể hiện đặc tính tần số của hệ thống điều khiển, biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra, cũng như bảng so sánh tổng méo hài (THD) trước và sau khi áp dụng ghép tầng và bộ lọc LC. Các kết quả thực nghiệm và mô phỏng tương đồng, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo: Khuyến nghị các nhà sản xuất và kỹ sư điện tử công suất áp dụng cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha và ghép tầng đa bậc trong các hệ thống pin mặt trời, pin nhiên liệu và phong điện công suất thấp nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí thiết bị. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.

  2. Phát triển bộ điều khiển PID tích hợp: Đề xuất phát triển bộ điều khiển PID tích hợp sẵn trong các bộ nghịch lưu để tự động ổn định điện áp thanh cái DC, giảm thiểu sai số và tăng độ tin cậy hệ thống. Chủ thể thực hiện: các công ty thiết bị điện tử công suất và viện nghiên cứu. Thời gian: 1 năm.

  3. Nâng cao kỹ thuật điều chế PWM: Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật điều chế PWM tiên tiến, như điều chế dịch pha SinPWM, để giảm sóng hài và tăng chất lượng điện áp ngõ ra, đặc biệt trong cấu hình ghép tầng đa bậc. Thời gian: 1-2 năm.

  4. Mở rộng nghiên cứu hòa lưới đa pha: Đề xuất mở rộng nghiên cứu cấu hình nghịch lưu tăng áp và ghép tầng cho hệ thống điện ba pha, nhằm đáp ứng nhu cầu công suất lớn hơn và đa dạng hóa ứng dụng. Chủ thể: các trường đại học và viện nghiên cứu. Thời gian: 2-3 năm.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, điều khiển và vận hành nghịch lưu tăng áp cho kỹ sư và sinh viên ngành điện tử công suất, đồng thời thúc đẩy chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện. Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về nghịch lưu tăng áp, điều khiển PID và ghép tầng đa bậc, hỗ trợ học tập và nghiên cứu nâng cao.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị điện tử công suất: Các kỹ sư có thể áp dụng các giải pháp thiết kế nghịch lưu tăng áp một pha và bộ điều khiển PID để cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo: Các công ty sản xuất inverter, bộ biến tần và hệ thống hòa lưới có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường công suất thấp và trung bình.

  4. Các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển các dự án nghiên cứu tiếp theo về nghịch lưu đa bậc, điều khiển hòa lưới và ứng dụng năng lượng mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nghịch lưu tăng áp một pha khác gì so với nghịch lưu nguồn-Z?
    Nghịch lưu tăng áp một pha sử dụng ít linh kiện thụ động hơn (ít hơn một tụ điện và một cuộn cảm), dòng điện nguồn hoạt động liên tục và có hệ số tăng áp tương đương nghịch lưu nguồn-Z, giúp giảm kích thước và chi phí thiết bị trong ứng dụng công suất thấp.

  2. Bộ điều khiển PID được thiết kế như thế nào để ổn định điện áp?
    Bộ điều khiển PID được thiết kế dựa trên mô hình không gian trạng thái và phân tích tín hiệu nhỏ, điều chỉnh các tham số KP, KI, KD để đạt độ dự trữ pha 36.2° tại tần số cắt 14.7 Hz, giúp giữ điện áp trên tụ ổn định khi có biến động nguồn hoặc tải.

  3. Lợi ích của cấu hình ghép tầng nghịch lưu đa bậc là gì?
    Ghép tầng nghịch lưu đa bậc tạo ra điện áp ngõ ra đa bậc, giảm sóng hài bậc cao, tăng điện áp ngõ ra, cải thiện chất lượng điện áp hòa lưới và giảm tổn hao công suất, phù hợp với các hệ thống năng lượng tái tạo công suất thấp đến trung bình.

  4. Vòng khóa pha PLL có vai trò gì trong hệ thống?
    PLL giúp đồng bộ pha điện áp ngõ ra với lưới điện xoay chiều, đảm bảo đóng cắt an toàn, tránh lệch pha gây hư hỏng thiết bị và duy trì hoạt động ổn định của hệ thống hòa lưới.

  5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu có thể ứng dụng trong hệ thống pin mặt trời, pin nhiên liệu, phong điện, các nhà thông minh sử dụng năng lượng tái tạo, cũng như trong thiết kế bộ nghịch lưu công suất thấp, giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí đầu tư.

Kết luận

  • Cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha được chứng minh có hệ số tăng áp tương đương nghịch lưu nguồn-Z nhưng sử dụng ít linh kiện hơn, phù hợp cho ứng dụng công suất thấp.
  • Bộ điều khiển PID được thiết kế hiệu quả giúp ổn định điện áp trên tụ, từ đó ổn định điện áp thanh cái DC trong điều kiện biến động nguồn và tải.
  • Cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp đa bậc giảm đáng kể sóng hài bậc cao, nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra và khả năng hòa lưới điện một pha.
  • Vòng khóa pha PLL đảm bảo đồng bộ pha chính xác giữa điện áp ngõ ra và lưới điện, tăng tính an toàn và ổn định hệ thống.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng nghịch lưu tăng áp trong các hệ thống năng lượng tái tạo công suất thấp, đồng thời làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về nghịch lưu đa bậc và điều khiển hòa lưới.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm mở rộng, phát triển bộ điều khiển tích hợp và nghiên cứu ứng dụng trong hệ thống ba pha để đáp ứng nhu cầu công suất lớn hơn. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được mời tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu trong thực tế.