Tổng quan luận án

Hệ thống phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo như pin quang điện (PV) và pin nhiên liệu (fuel cell) thường cung cấp nguồn điện một chiều (DC) có điện áp thấp và biến thiên liên tục theo điều kiện môi trường. Để hòa vào lưới điện xoay chiều tiêu chuẩn (220V/380V), yêu cầu kỹ thuật đặt ra là điện áp DC trước khi nghịch lưu phải đạt giá trị tối thiểu trên 310V. Các giải pháp truyền thống sử dụng máy biến áp tần số thấp 50Hz hoặc bộ biến đổi tăng áp DC-DC trung gian hai tầng (BDI-H) làm tăng kích thước, tổn hao công suất và giá thành. Mặc dù bộ nghịch lưu nguồn Z (ZSI) đã khắc phục được nhược điểm chuyển đổi hai tầng, cấu trúc này vẫn đòi hỏi hai cuộn cảm và hai tụ điện có kích thước lớn. Đối với các cấu hình nghịch lưu đa bậc truyền thống (NPC, FC, Cascaded), các hạn chế về mất cân bằng điện áp nguồn DC giữa các module, nguy cơ ngắn mạch nhánh van bán dẫn (shoot-through) và méo hài bậc cao vẫn là các rào cản kỹ thuật cần giải quyết.

Luận án xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  • Mục tiêu nghiên cứu:

    1. Nghiên cứu cấu hình nghịch lưu tăng áp cải tiến (qSBI) nhằm giảm số lượng linh kiện thụ động so với cấu hình nguồn Z nhưng vẫn duy trì hệ số tăng áp tương đương và dòng đầu vào liên tục.
    2. Nghiên cứu và đề xuất cấu hình mạch biến đổi tăng áp DC-DC không cách ly có hệ số tăng áp và hiệu suất cao phục vụ khâu tiền biến đổi.
    3. Đề xuất và xây dựng cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp ba pha đa bậc (CHB-qSBI) nhằm giải quyết triệt để vấn đề mất cân bằng nguồn DC đầu vào giữa các module, cho phép hoạt động ở trạng thái ngắn mạch nhánh an toàn, nâng cao độ lợi điện áp, cải thiện độ méo dạng sóng hài tổng (THD) và nâng cao khả năng miễn nhiễm với nhiễu điện từ (EMI).

  • Nhiệm vụ nghiên cứu (được đánh số theo văn bản giao nhiệm vụ):

    1. Tìm hiểu các cấu hình tăng áp DC-DC truyền thống, so sánh ưu nhược điểm, từ đó đề xuất cấu hình mạch tăng áp DC-DC với hệ số tăng áp và hiệu suất cao.
    2. Tìm hiểu cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc, so sánh và nhận xét.
    3. Nghiên cứu đề xuất cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp ba pha đa bậc giải quyết các vấn đề kỹ thuật đặt ra.
    4. Xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm cấu hình đề xuất.
    5. Đề xuất hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của đề tài.

  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Bộ nghịch lưu tăng áp cải tiến một pha (qSBI), bộ biến đổi DC-DC tăng áp không cách ly độ lợi cao, và cấu hình nghịch lưu tăng áp ba pha đa bậc ghép tầng (CHB-qSBI).
    • Phạm vi nghiên cứu: Phân tích giải tích mạch xác lập và động học tín hiệu nhỏ ở tần số góc $2\omega$; xây dựng thuật toán điều chế độ rộng xung (PWM); mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm chuyên dụng PSIM; thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình phần cứng điều khiển bằng kit xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án phân tích các nhóm công trình khoa học trong và ngoài nước liên quan đến các cấu trúc nghịch lưu tăng áp và nghịch lưu đa bậc:

  1. Nhóm nghiên cứu về nghịch lưu nguồn áp truyền thống và nghịch lưu hai tầng (BDI-H): Luận án phân tích các công trình [1], [3], [7], [21] về cấu trúc kết hợp bộ tăng áp DC-DC Boost converter với cầu H (BDI-H). Các công trình chỉ ra rằng cấu hình này không có trạng thái ngắn mạch nhánh, bắt buộc phải chèn thời gian chết (deadtime) giữa các khóa bán dẫn trên cùng một nhánh van, dẫn tới gia tăng độ méo dạng sóng điện áp đầu ra và tiềm ẩn rủi ro phá hỏng linh kiện khi xảy ra hiện tượng trùng dẫn do nhiễu.
  2. Nhóm nghiên cứu về bộ nghịch lưu nguồn Z (ZSI): Các công trình của Peng F. Z. và các cộng sự [4], [5], [8], [10], [11]-[15], [20], [36], [48], [51], [53], [60], [61] đã xây dựng khung lý thuyết cho cấu hình ZSI sử dụng mạng trở kháng gồm 2 cuộn cảm ($L_1, L_2$), 2 tụ điện ($C_1, C_2$) và 1 đi-ốt ($D_a$). Mặc dù cho phép trạng thái ngắn mạch nhánh ($T_0$) để tăng áp với hệ số $B_z = 1 / (1 - 2D)$, cấu trúc này cồng kềnh và đắt tiền đối với các ứng dụng công suất thấp.
  3. Nhóm nghiên cứu về nghịch lưu tăng áp cơ bản (SBI) và cải tiến (qSBI): Các công trình [6], [7], [14], [15], [23], [50], [67] giới thiệu cấu hình SBI dựa trên cấu trúc Watkins-Johnson ngược. SBI giảm bớt 1 cuộn cảm và 1 tụ điện so với ZSI nhưng có hệ số tăng áp thấp hơn ($B_s = (1 - D) / (1 - 2D)$) và dòng nguồn gián đoạn do mắc nối tiếp đi-ốt $D_a$. Cấu hình qSBI [16] khắc phục được nhược điểm dòng gián đoạn và nâng hệ số tăng áp lên ngang bằng với ZSI ($B_i = 1 / (1 - 2D)$).
  4. Nhóm nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc: Các nghiên cứu [17]-[19], [72]-[76] về nghịch lưu đa bậc dạng đi-ốt kẹp (NPC), tụ bay (FC) và cầu H ghép tầng (Cascaded H-Bridge - CHB) chứng minh khả năng giảm ứng suất điện áp đặt lên linh kiện van bán dẫn và giảm sóng hài. Tuy nhiên, cấu hình NPC và FC gặp khó khăn lớn trong việc cân bằng điện áp giữa các tụ DC khi số bậc $n > 3$, còn cấu hình CHB truyền thống không có khả năng tự tăng áp và nhạy cảm với sự mất cân bằng nguồn DC đầu vào giữa các module.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết: Luận án tập trung giải quyết sự đánh đổi giữa kích thước/số lượng linh kiện thụ động với hệ số tăng áp; loại bỏ yêu cầu thời gian chết (deadtime) nhằm giảm sóng hài THD; loại bỏ hiện tượng gián đoạn dòng điện đầu vào; và giải quyết sự mất cân bằng giữa các nguồn DC cấp cho các module trong cấu hình nghịch lưu đa bậc ghép tầng ba pha.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án áp dụng lý thuyết cân bằng điện áp trên cuộn cảm (Volt-second balance) và lý thuyết cân bằng điện tích trên tụ điện (Charge balance) trong chu kỳ đóng ngắt $T$ để xác định các quan hệ điện áp và dòng điện xác lập:

  • Hệ số tăng áp của cấu hình qSBI ở trạng thái lý tưởng: $$B_i = \frac{V_{PN}}{V_{dc}} = \frac{V_C}{V_{dc}} = \frac{1}{1 - 2D}$$ Trong đó $D = T_0 / T$ là tỷ số ngắn mạch nhánh trong một chu kỳ đóng cắt $T$; $V_{PN}$ là giá trị đỉnh điện áp thanh cái DC; $V_C$ là điện áp trên tụ điện; $V_{dc}$ là điện áp nguồn một chiều đầu vào.

  • Độ lợi điện áp tổng thể của bộ nghịch lưu: $$G = \frac{v_0}{V_{dc}} = M \cdot \frac{1}{1 - 2D}$$ Khi khoảng thời gian ngắn mạch được chèn trong trạng thái vector không (zero states), giới hạn điều biến là $D \le 1 - M$. Khi chọn $D = 1 - M$, độ lợi điện áp cực đại đạt: $$G = \frac{M}{2M - 1}$$

  • Phân tích tín hiệu nhỏ (small-signal analysis) được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của thành phần dao động tần số thấp $2\omega$ từ phía tải xoay chiều tác động ngược trở lại dòng điện cuộn cảm $\tilde{i}_L$ và điện áp tụ điện $\tilde{v}_C$.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện

  1. Phương pháp mô hình hóa giải tích: Thiết lập hệ phương trình vi phân trạng thái cho mạch điện ở hai trạng thái: trạng thái ngắn mạch nhánh ($DT$) và trạng thái không ngắn mạch ($(1-D)T$); tính toán tổn hao dẫn điện (conduction loss), tổn hao chuyển mạch (switching loss) của IGBT và tổn hao phục hồi ngược (reverse recovery loss) của diode.
  2. Phương pháp điều chế xung: Ứng dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng sin (Sinusoidal PWM) kết hợp tín hiệu đường thẳng điện áp không đổi so sánh với sóng mang tần số gấp đôi ($2f_s$) để tạo xung kích ngắn mạch cho khóa phụ $S_0$ và chèn qua cổng logic OR vào các khóa cầu H ($S_1 - S_4$).
  3. Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hình mạch công suất và giải thuật điều khiển trên phần mềm PSIM để khảo sát dạng sóng điện áp, dòng điện, độ méo hài THD trong các chế độ nguồn DC cân bằng và không cân bằng.
  4. Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Chế tạo mạch lực sử dụng linh kiện công suất thực tế, lập trình giải thuật điều chế và điều khiển vòng kín ổn định điện áp trên kit vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về nhu cầu khai thác năng lượng tái tạo (đặc biệt là pin quang điện PV và pin nhiên liệu) và các rào cản kỹ thuật của bộ nghịch lưu nguồn áp truyền thống khi kết nối lưới điện. Tác giả phân tích sơ đồ khối của hệ thống nghịch lưu sử dụng máy biến áp 50Hz (Hình 1.1) và bộ nghịch lưu sử dụng bộ tăng áp DC-DC trung gian (Hình 1.2), chỉ rõ hạn chế về kích thước, khối lượng và hiệu suất do chuyển đổi hai giai đoạn.

Chương này cũng phân loại các bộ nghịch lưu đa bậc gồm: bộ nghịch lưu diode kẹp (NPC - Hình 1.3), bộ nghịch lưu tụ bay (FC - Hình 1.4) và bộ nghịch lưu cầu H ghép tầng (Cascaded Multilevel Inverter - Hình 1.5). Phân tích chỉ ra rằng cấu hình Cascaded có ưu điểm vượt trội về tính module hóa nhưng yêu cầu các nguồn DC riêng biệt và dễ bị ảnh hưởng bởi sự mất cân bằng giữa các nguồn này. Chương 1 xác định rõ mục đích, nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu, điểm mới và giá trị thực tiễn của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động, cấu trúc mạch và biểu thức toán học của các cấu hình nghịch lưu tăng áp:

  1. Cấu hình BDI-H: Kết hợp bộ tăng áp Boost DC-DC với cầu H, hệ số tăng áp $B = 1 / (1 - D)$, bắt buộc tạo thời gian chết $t_d$ giữa các khóa trên cùng nhánh, dòng điện đầu vào liên tục nhưng tồn tại nguy cơ ngắn mạch do xung nhiễu.
  2. Cấu hình ZSI: Sử dụng mạng trở kháng gồm 2 cuộn cảm ($L_1, L_2$), 2 tụ điện ($C_1, C_2$) và 1 diode ($D_a$). Tác giả thiết lập hệ phương trình vi phân trạng thái trong giai đoạn không ngắn mạch ($T_1$) và ngắn mạch ($T_0$), chứng minh hệ số tăng áp $B_z = 1 / (1 - 2D)$ và điện áp ngõ ra $V_{ac} = M \cdot B_z \cdot (V_{dc} / 2)$.
  3. Cấu hình SBI: Sử dụng 1 cuộn cảm, 1 tụ điện, 2 diode và 1 khóa bán dẫn kết hợp cầu H. Hệ số tăng áp $B_s = (1 - D) / (1 - 2D)$. Nhược điểm cốt lõi là dòng nguồn gián đoạn do mắc nối tiếp diode $D_a$.
  4. Cấu hình qSBI: Giữ nguyên số lượng linh kiện như SBI nhưng cuộn cảm $L$ được đưa trực tiếp về phía nguồn dương, giúp dòng điện đầu vào $i_{in}$ liên tục. Hệ số tăng áp đạt $B_i = 1 / (1 - 2D)$.

Bảng tổng hợp so sánh các thông số kỹ thuật chính giữa các cấu hình được trình bày trong luận án:

Thông số / Linh kiện Nghịch lưu tăng áp truyền thống Nghịch lưu tăng áp cơ bản (SBI) Nghịch lưu tăng áp cải tiến (qSBI)
Số đi-ốt sử dụng 5 6 6
Số khóa bán dẫn sử dụng 5 5 5
Tụ điện thụ động 1 1 1
Cuộn dây thụ động 1 1 1
Hệ số tăng áp ($B = V_{PN} / V_{dc}$) $\frac{1}{1 - D}$ $\frac{1 - D}{1 - 2D}$ $\frac{1}{1 - 2D}$
Điện áp chịu đựng trên khóa $S_0$ $\frac{1}{1 - D} V_{dc}$ $\frac{1}{1 - 2D} V_{dc}$ $\frac{1}{1 - 2D} V_{dc}$
Điện áp chịu đựng trên các khóa $S_1 - S_4$ $\frac{1}{1 - D} V_{dc}$ $\frac{1 - D}{1 - 2D} V_{dc}$ $\frac{1}{1 - 2D} V_{dc}$
Điện áp chịu đựng trên đi-ốt $D_a$ / $D_x$ Không sử dụng $\frac{D}{1 - 2D} V_{dc}$ $\frac{1}{1 - 2D} V_{dc}$
Điện áp chịu đựng trên đi-ốt $D_b$ / $D_y$ $\frac{1}{1 - D} V_{dc}$ $\frac{1 - D}{1 - 2D} V_{dc}$ $\frac{1}{1 - 2D} V_{dc}$
Điện áp cao nhất trên tụ điện $C$ $\frac{1}{1 - D} V_{dc}$ $\frac{1 - D}{1 - 2D} V_{dc}$ $\frac{1}{1 - 2D} V_{dc}$
Đặc tính dòng điện đầu vào Liên tục / Gián đoạn Gián đoạn Liên tục

Chương 3: So sánh nghịch lưu tăng áp cải tiến (qSBI) với nghịch lưu cầu H kết hợp mạch tăng áp DC-DC (BDI-H)

Chương 3 thực hiện phân tích giải tích so sánh chi tiết giữa cấu hình BDI-H và qSBI ở chế độ xác lập DC, chế độ tín hiệu nhỏ tần số thấp $2\omega$, và tính toán định lượng các thành phần tổn hao công suất:

  • Phân tích mạch DC có xét nội trở ký sinh: Khi xét điện trở thuần của cuộn cảm $r_L$, nội trở khóa bán dẫn $r_S$, điện trở ký sinh của tụ $r_C$ và diode $r_D$, điện áp đỉnh $V_{PN}$ của BDI-H và qSBI được mô hình hóa chính xác. Kết quả cho thấy hệ số tăng áp thực tế của qSBI luôn cao hơn BDI-H ở cùng dải tỷ số $D$.
Đại lượng so sánh Cấu hình qSBI Cấu hình BDI-H
Tỷ số điện áp tụ ($V_C / V_{dc}$) $\frac{1}{1 - 2D}$ $\frac{1}{1 - D}$
Dòng điện cuộn cảm trung bình ($I_L$) $\frac{M I_m \cos\varphi}{2(1 - 2D)}$ $\frac{M I_m \cos\varphi}{(1 - D)}$
Dòng điện trung bình qua thanh cái ($I_{PN}$) $I_L$ $2 I_L (1 - D)$
Dòng điện hiệu dụng qua khóa $S_5$ ($I_{DS5}$) $I_L$ $I_L$
Dòng điện qua đi-ốt $D_x$ $\frac{M I_m \cos\varphi}{2(1 - 2D)}$ $\frac{M I_m \cos\varphi}{(1 - D)}$
Dòng điện qua đi-ốt $D_y$ $\frac{M I_m \cos\varphi}{2(1 - D)(1 - 2D)}$ Không có
Tổng định mức công suất van (TDR) $\frac{(6 - 5D) M I_m V_g \cos\varphi}{2(1 - D)(1 - 2D)}$ $\frac{M I_m V_g \cos\varphi}{2(1 - D)^2}$
  • Tính toán chi tiết tổn thất và hiệu suất:
    • Tổn thất dẫn điện của IGBT trong cầu H: $P_{con_S_th} = \frac{1}{2\pi} \int [U_{CE0} \cdot i(\theta) + r_B \cdot i^2(\theta)] d\theta$.
    • Tổn thất chuyển mạch của IGBT: $P_{sw_S_th} = f_s \cdot [E_{on} + E_{off}]$.
    • Tổn thất dẫn và phục hồi ngược của diode: $P_{con_D} = U_{D0} \cdot I_{D_avg} + R_D \cdot I_{D_rms}^2$; $P_{rr_D} = Q_{rr} \cdot V_R \cdot f_s$.
    • Tổn thất trên cuộn cảm: Tổn thất đồng $P_{Cu} = I_L^2 \cdot R_L$ và tổn thất lõi từ High Flux Core 58090 được tính theo $P_{Fe} = p \cdot V_e$ với $p = 492 \cdot f^{1.4} \cdot B_{pk}^{2.23}$.
    • Tổn thất trên tụ điện: $P_C = I_{C_rms}^2 \cdot r_C$.

Đồ thị so sánh hiệu suất tại điện áp ngõ ra hiệu dụng $110\text{V}{\text{rms}}$ với các mức điện áp vào $V{dc} = 60\text{V}, 80\text{V}, 100\text{V}$ chứng minh hiệu suất tổng thể của bộ qSBI luôn cao hơn BDI-H trong toàn dải công suất khảo sát.

Chương 4: Đề xuất mạch tăng áp DC-DC

Chương 4 nghiên cứu và đề xuất một cấu hình mạch biến đổi DC-DC không cách ly có độ lợi điện áp cao nhằm ứng dụng cho các tầng tăng áp trung gian hoặc tích hợp trong các bộ biến đổi công suất:

  • Nguyên lý hoạt động: Mạch được phân tích chi tiết qua hai trạng thái đóng/ngắt của khóa chuyển mạch $S_0$ ở chế độ dẫn dòng liên tục (CCM) và không liên tục (DCM).
  • Xác định thông số giới hạn chế độ: Thiết lập đường bao hệ số dẫn tới hạn $K_{crit}$ phụ thuộc vào chu kỳ nhiệm vụ $D$. Khi $K > K_{crit}$, mạch hoạt động ở chế độ CCM; khi $K < K_{crit}$, mạch chuyển sang chế độ DCM.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm: Mô phỏng trên PSIM và thực nghiệm trên mô hình phần cứng kiểm chứng chính xác quan hệ giữa độ lợi điện áp thực tế và hiệu suất chuyển đổi của mạch đề xuất, xác nhận khả năng đạt độ lợi áp cao vượt trội so với các mạch DC-DC Boost truyền thống.

Chương 5: Ghép tầng nghịch lưu tăng áp ba pha (CHB-qSBI)

Chương 5 là chương trọng tâm của luận án, đề xuất cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp ba pha đa bậc dựa trên module qSBI (CHB-qSBI - Hình 5.3, 5.6):

  • Cấu trúc và nguyên lý: Mỗi pha của bộ nghịch lưu gồm các module qSBI mắc nối tiếp ngõ ra. Cấu hình kết hợp các trạng thái ngắn mạch $T_0$ trực tiếp trong các module cầu H mà không cần mạch tăng áp DC-DC rời rạc bên ngoài.
  • Thuật toán điều chế PWM: Luận án xây dựng kỹ thuật điều chế độ rộng xung đa sóng mang dịch pha (Phase-Shifted Carrier PWM) kết hợp chèn xung ngắn mạch nhánh. Phương pháp này cho phép tăng tần số đóng ngắt tương đương ở đầu ra lên gấp $2n$ lần tần số đóng cắt của một khóa đơn lẻ, triệt tiêu hầu hết các thành phần sóng hài bậc thấp và giảm đáng kể độ méo hài tổng THD.
  • Khả năng cân bằng nguồn DC: Mô phỏng và phân tích trường hợp các nguồn DC đầu vào giữa các module trên cùng một pha bị mất cân bằng (do bức xạ mặt trời không đồng đều hoặc suy giảm đặc tính pin). Bằng cách điều khiển độc lập tỷ số ngắn mạch $D_k$ của từng module, điện áp AC ngõ ra của từng module vẫn được duy trì cân bằng chính xác, đảm bảo dạng sóng điện áp ba pha tổng hợp hoàn toàn đối xứng.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm:
    • Mô phỏng trên PSIM xác nhận dạng sóng điện áp đa bậc ngõ ra có độ méo hài THD rất thấp, hệ số tăng áp đạt đúng giá trị tính toán lý thuyết.
    • Thực nghiệm được triển khai trên cả mô hình một pha và mô hình ba pha ghép tầng, điều khiển bởi DSP TMS320F28335 với tần số chuyển mạch $f_s = 10\text{ kHz}$ cho cầu H và $2f_s = 20\text{ kHz}$ cho khóa ngắn mạch. Kết quả đo đạc thực nghiệm dạng sóng điện áp, dòng điện và phổ sóng hài hoàn toàn trùng khớp với kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả nghiên cứu đã đạt được của luận án và vạch ra các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Mô hình hóa hoàn chỉnh cấu hình qSBI: Luận án đã thiết lập hệ thống phương trình giải tích xác lập và tín hiệu nhỏ ở tần số $2\omega$, phân tích định lượng đầy đủ tất cả các thành phần tổn hao (dẫn điện, chuyển mạch, phục hồi ngược, tổn hao đồng, tổn hao lõi từ High Flux Core 58090 và tổn hao ESR tụ điện), chứng minh giải tích sự vượt trội về hiệu suất và độ lợi áp của qSBI so với BDI-H.
  2. Đề xuất cấu hình biến đổi tăng áp DC-DC không cách ly mới: Đóng góp một cấu trúc mạch tăng áp DC-DC đạt độ lợi điện áp cao, xác định chính xác điều kiện biên $K_{crit}$ phân định hai chế độ hoạt động CCM và DCM.
  3. Đề xuất cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp ba pha đa bậc (CHB-qSBI): Đóng góp một cấu trúc biến đổi đa bậc tích hợp tính năng tăng áp đơn tầng, giải quyết hoàn toàn bài toán mất cân bằng điện áp nguồn DC đầu vào giữa các module thông qua thuật toán điều khiển tỷ số ngắn mạch $D$ độc lập.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Giải quyết triệt để sự cố ngắn mạch nhánh: Cho phép các van bán dẫn trên cùng một nhánh của cầu H dẫn đồng thời một cách chủ động, loại bỏ yêu cầu mạch tạo thời gian trễ chết (deadtime), nâng cao độ an toàn và độ tin cậy vận hành của hệ thống trước tác động của xung nhiễu điện từ (EMI).
  2. Giảm thiểu kích thước và chi phí chế tạo: Tiết kiệm 1 cuộn cảm và 1 tụ điện công suất lớn trên mỗi module so với việc ứng dụng nghịch lưu nguồn Z truyền thống, giúp giảm đáng kể kích thước bộ lọc đầu vào và tổng giá thành thiết bị.
  3. Ứng dụng hiệu quả cho hệ thống năng lượng tái tạo: Hệ thống đề xuất có khả năng ứng dụng trực tiếp cho các dàn pin mặt trời (PV) hoặc pin nhiên liệu nối lưới hoặc vận hành độc lập cung cấp nguồn điện cho các tải xoay chiều 220V/380V với chất lượng điện áp cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của luận án:

    • Các mô hình thực nghiệm phần cứng được kiểm chứng ở dải điện áp và công suất phòng thí nghiệm (điện áp vào từ 60V đến 100V, điện áp ra hiệu dụng 110V/220V); chưa triển khai thử nghiệm trên hệ thống nối lưới công suất lớn thực tế ngoài hiện trường.
    • Thuật toán điều khiển chủ yếu tập trung vào việc bù mất cân bằng điện áp DC tĩnh giữa các module; chưa mở rộng khảo sát các kịch bản động học phức tạp khi tải biến thiên đột ngột với biên độ cực lớn.

  • Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo (theo công bố của tác giả):

    • Nghiên cứu nâng cấp giải thuật điều khiển thích nghi và tối ưu hóa phân bố tỷ số ngắn mạch $D$ giữa các module trong điều kiện nguồn năng lượng tái tạo đầu vào thay đổi liên tục theo thời gian thực.
    • Mở rộng nghiên cứu áp dụng các cấu trúc mạch dập biên độ điện áp (snubber) hoặc kỹ thuật chuyển mạch mềm (soft-switching) nhằm giảm thiểu tổn hao chuyển mạch của khóa bán dẫn khi hoạt động ở dải tần số cao hơn.
    • Triển khai tích hợp thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT) độc lập cho từng module qSBI trong hệ thống phát điện pin mặt trời nối lưới quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

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

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện, Kỹ thuật điện tử công suất: Cung cấp phương pháp luận chặt chẽ trong việc phân tích mạch điện tử công suất có xét đến thông số ký sinh, kỹ thuật phân tích tín hiệu nhỏ ở tần số góc $2\omega$, và phương pháp tính toán tổn hao linh kiện từ datasheet nhà sản xuất.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Có thể sử dụng Chương 2, Chương 3 và Chương 5 làm tài liệu giảng dạy chuyên đề về các bộ biến đổi trở kháng (Z-source/Switched-boost) và hệ thống nghịch lưu đa bậc ghép tầng.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống điều khiển điện tử công suất: Tham khảo trực tiếp sơ đồ mạch nguyên lý, thông số lựa chọn van bán dẫn (IGBT STG30NC60, Diode STTH30-12AR), thiết kế lõi từ cuộn cảm (High Flux Core 58090), và mã nguồn giải thuật điều chế PWM trên chip DSP TMS320F28335.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu hình qSBI có ưu thế gì về cấu trúc phần cứng so với nghịch lưu nguồn Z (ZSI) và nghịch lưu tăng áp cơ bản (SBI)? So với ZSI, cấu hình qSBI giảm bớt 1 cuộn cảm và 1 tụ điện nhưng vẫn đạt được hệ số tăng áp tương đương ($B = 1 / (1 - 2D)$). So với SBI cơ bản, qSBI giải quyết được nhược điểm dòng nguồn bị gián đoạn bằng cách kết nối cuộn cảm $L$ trực tiếp với cực dương nguồn vào, giúp dòng đầu vào liên tục và nâng hệ số tăng áp từ $(1 - D) / (1 - 2D)$ lên $1 / (1 - 2D)$.

2. Tỷ số ngắn mạch $D$ trong kỹ thuật PWM của qSBI bị giới hạn như thế nào và độ lợi điện áp cực đại đạt được là bao nhiêu? Khoảng thời gian ngắn mạch $T_0$ chỉ được chèn vào các trạng thái vector không (zero states) của bộ nghịch lưu để không làm biến dạng dạng sóng điện áp xoay chiều ngõ ra. Do đó, tỷ số ngắn mạch bị giới hạn bởi điều kiện $D \le 1 - M$ (với $M$ là chỉ số điều chế). Khi chọn giá trị cực đại $D = 1 - M$, độ lợi điện áp tổng thể của bộ nghịch lưu đạt $G = M / (2M - 1)$.

3. Phương pháp tính toán tổn thất cuộn cảm trong Chương 3 được thực hiện dựa trên cơ sở nào? Tổn thất trên cuộn cảm $P_L$ bao gồm tổn thất đồng trên dây quấn $P_{Cu} = I_L^2 \cdot R_L$ và tổn thất trên lõi từ $P_{Fe} = p \cdot V_e$. Trong đó, $V_e$ là thể tích lõi, và đối với lõi High Flux Core 58090, hệ số $p$ được tính theo biểu thức giải tích $p = 492 \cdot f^{1.4} \cdot B_{pk}^{2.23}$ với $B_{pk}$ phụ thuộc vào vật liệu quấn.

4. Cấu hình ghép tầng CHB-qSBI giải quyết vấn đề mất cân bằng nguồn DC giữa các module như thế nào? Trong cấu hình CHB-qSBI, mỗi module một pha là một bộ qSBI độc lập có khả năng tự tăng áp thông qua tỷ số ngắn mạch $D$. Khi điện áp nguồn DC đầu vào giữa các module bị lệch nhau (không cân bằng), hệ thống điều khiển sẽ tự động điều chỉnh riêng biệt giá trị $D_k$ của từng module $k$, đưa điện áp trên tụ $V_{Ck}$ và điện áp đỉnh thanh cái $V_{PNk}$ của các module về giá trị mong muốn, đảm bảo điện áp xoay chiều tổng hợp ngõ ra ba pha hoàn toàn cân bằng và giảm méo hài THD.

5. Nền tảng phần cứng và công cụ mô phỏng nào được sử dụng xuyên suốt trong luận án để kiểm chứng lý thuyết? Luận án sử dụng phần mềm chuyên dụng PSIM để xây dựng mô hình mô phỏng số mạch công suất và giải thuật điều khiển. Về thực nghiệm phần cứng, tác giả sử dụng kit vi điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F28335 để phát xung điều chế PWM và xử lý thuật toán điều khiển vòng kín, kết hợp với các linh kiện công suất thực tế gồm IGBT STG30NC60, Diode STTH30-12AR và cuộn cảm lõi High Flux Core 58090.

Kết luận

Luận án đã nghiên cứu và phát triển cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp ba pha đa bậc (CHB-qSBI) cùng cấu trúc mạch tăng áp DC-DC không cách ly độ lợi cao phục vụ chuyển đổi năng lượng hiệu quả. Công trình đã thiết lập đầy đủ cơ sở toán học xác lập, mô hình tín hiệu nhỏ và phương pháp tính toán tổn hao chi tiết, chứng minh các ưu điểm vượt trội của cấu hình qSBI so với các cấu hình truyền thống và nghịch lưu nguồn Z. Kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng nhất quán qua mô phỏng chuyên dụng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm phần cứng trên kit vi xử lý DSP TMS320F28335, khẳng định tính khả thi và độ tin cậy cao trong ứng dụng thực tiễn cho các hệ thống năng lượng tái tạo.