Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện: Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc lai, ứng dụng công nghệ tiên tiến trong hệ thống điện hiện đại.

• Tác giả: Trần Hồng Giang
• Người hướng dẫn: PGS. TS. Phan Quốc Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc lai
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC CƠ BẢN
• 1.1. Tổng quan về bộ nghịch lưu áp
• 1.2. Phân loại bộ nghịch lưu áp
• 1.3. Các bộ nghịch lưu áp đa bậc cơ bản
• 1.3.1. Nghịch lưu đa bậc dạng diode kẹp (Diode Clamped Multilevel Inverter)
• 1.3.2. Nghịch lưu đa bậc dạng tụ điện kẹp (Flying Capacitor Multilevel Inverter)
• 1.3.3. Nghịch lưu đa bậc dạng Cascaded (Cascaded multilevel inverter)
• 1.3.4. Nghịch lưu đa bậc kiểu lai (Hybrid multilevel inverter)
• 1.4. Bộ nghịch lưu sử dụng trong cấp điện áp trung bình (Medium Voltage Applications)
• 2. CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ÁP 5 BẬC LAI
• 2.1. Khối điều chế (Modulator)
• 2.1.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung (SINPWM)
• 2.1.2. Phương pháp điều chế vector không gian
• 2.1.2.1. Bước 1 của khối Modulator SVPWM
• 2.1.2.2. Bước 2 của khối Modulator SVPWM
• 2.1.3. Phương pháp điều khiển dự báo
• 2.1.3.1. Giải thuật Current Tracking
• 2.1.3.2. Giải thuật giảm số bậc chuyển điện
• 2.2. Khối phát tín hiệu điều khiển (Generator)
• 2.2.1. Lưu đồ trạng thái (State machine) của bộ nghịch lưu
• 2.2.2. Khối Generator của bộ nghịch lưu Five-level Hybrid Flying-capacitor (5L-HFC)
• 2.2.2.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu 5L-HFC
• 2.2.2.2. Mạch phụ trợ điều khiển điện áp tụ DC
• 2.2.2.3. Các trạng thái chuyển mạch bộ nghịch lưu 5L-HFC
• 2.2.2.4. Lưu đồ trạng thái cho bộ nghịch lưu 5L-HFC
• 2.2.3. Khối Generator cho bộ nghịch lưu lai Five Level Hybrid Cascaded Inverter
• 2.2.3.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu 5L-HS
• 2.2.3.2. Các trạng thái chuyển mạch bộ nghịch lưu 3L-HS
• 2.2.3.3. Lưu đồ trạng thái cho bộ nghịch lưu 5L-HS
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 3.1. Điều khiển bộ nghịch lưu 5L-HEC
• 3.1.1. Phương pháp điều chế SINPWM
• 3.1.2. Phương pháp điều chế vector không gian
• 3.1.3. Phương pháp điều khiển dự báo MPC 5L-HFEC
• 3.2. Điều khiển bộ nghịch lưu 5L-HS
• 3.2.1. Phương pháp SINPWM cho bộ nghịch lưu 5L-HS
• 3.2.2. Phương pháp SVPWM cho bộ nghịch lưu 5L-HS
• 3.2.3. Phương pháp điều khiển dự báo MPC cho bộ nghịch lưu 5L-HS
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN
• 4.1. Những vấn đề còn tồn tại và hướng phát triển của đề tài
• 4.1.1. Những vấn đề còn tồn tại
• 4.1.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bộ nghịch lưu 5 bậc

Bộ nghịch lưu 5 bậc là một trong những cấu trúc tiên tiến trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện áp trung bình và công suất lớn. Cấu trúc này cho phép giảm thiểu độ méo hài và cải thiện hiệu suất hoạt động so với các bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống. Nghiên cứu về bộ nghịch lưu 5 bậc không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo và truyền tải điện. Theo tài liệu, "Bộ nghịch lưu đa bậc với nhiều ưu điểm vượt trội đang trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng công suất lớn". Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển cho bộ nghịch lưu 5 bậc là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về hiệu suất và độ tin cậy trong các hệ thống điện.

II. Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc

Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều chế như điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế vector không gian và điều khiển dự báo. Các phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình chuyển mạch và giảm thiểu tổn hao năng lượng. Cấu trúc điều khiển Modulator — Generator được áp dụng để tạo ra các tín hiệu điều khiển chính xác cho bộ nghịch lưu. Theo nghiên cứu, "Cấu trúc điều khiển này cho phép linh hoạt trong việc điều chỉnh các thông số hoạt động của bộ nghịch lưu, từ đó nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống". Việc mô phỏng các phương pháp điều khiển trên phần mềm Matlab Simulink cho thấy hệ thống hoạt động hiệu quả với các phương pháp điều khiển đã đề xuất.

III. Phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ nghịch lưu 5 bậc hoạt động ổn định và hiệu quả khi áp dụng các phương pháp điều khiển đã được phát triển. Việc mô phỏng cho thấy rằng các phương pháp điều chế như PWM và điều chế vector không gian có thể giảm thiểu độ méo hài và cải thiện chất lượng điện năng đầu ra. Theo tài liệu, "Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển này không chỉ giúp giảm tổn hao năng lượng mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống". Điều này chứng tỏ rằng nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, có thể áp dụng trong các hệ thống điện hiện đại, đặc biệt là trong các ứng dụng năng lượng tái tạo.

IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận văn này không chỉ đóng góp vào lý thuyết về điều khiển bộ nghịch lưu mà còn có giá trị thực tiễn trong việc phát triển các ứng dụng điện tử công suất. Việc nghiên cứu và phát triển cấu trúc điều khiển Modulator — Generator cho bộ nghịch lưu 5 bậc mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Theo tác giả, "Nghiên cứu này có thể được áp dụng vào thực tiễn, đặc biệt trong các mô hình phục vụ cho học tập và nghiên cứu, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí". Điều này cho thấy rằng việc phát triển các phương pháp điều khiển mới là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong ngành công nghiệp điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử công suất, bộ nghịch lưu đa bậc ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện áp trung bình và công suất lớn. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu đa bậc giúp giảm đáng kể tổn hao chuyển mạch và méo hài so với bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống, đồng thời nâng cao chất lượng điện áp đầu ra. Tuy nhiên, việc điều khiển các bộ nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu 5 bậc lai, vẫn còn nhiều thách thức do sự phức tạp trong cấu trúc và số lượng trạng thái chuyển mạch lớn.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc lai cho các ứng dụng điện áp trung bình, với mục tiêu phát triển một cấu trúc điều khiển chung dựa trên phương pháp Generic PWM, kết hợp hai khâu Modulator và Generator. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SINPWM), điều chế vector không gian (SVPWM) và điều khiển dự báo (MPC), được mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab/Simulink trong năm 2017 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả điều khiển, giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu 5 bậc lai, góp phần thúc đẩy ứng dụng các bộ nghịch lưu đa bậc trong hệ thống điện áp trung bình, đặc biệt trong các hệ thống năng lượng tái tạo và truyền tải điện áp cao.

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:

• Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc: Bao gồm các loại cơ bản như diode kẹp, tụ điện kẹp, cascaded và hybrid inverter. Bộ nghịch lưu 5 bậc lai kết hợp ưu điểm của các cấu trúc trên nhằm giảm số lượng linh kiện và tổn hao chuyển mạch.
• Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SINPWM): Sử dụng sóng mang tam giác so sánh với sóng điều khiển sin để tạo ra các mức điện áp đầu ra, với 4 sóng mang tam giác cho bộ nghịch lưu 5 bậc.
• Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM): Tạo vector điện áp trung bình bằng cách điều khiển thời gian tác dụng của các vector cơ bản trong không gian vector điện áp, giúp giảm méo hài và tối ưu hóa số lần đóng cắt.
• Phương pháp điều khiển dự báo (MPC): Dựa trên mô hình hệ thống để dự báo hành vi dòng điện và chọn trạng thái đóng cắt tối ưu nhằm giảm sai số dòng điện và tổn hao chuyển mạch.

Các khái niệm chính bao gồm: vector không gian điện áp, lưu đồ trạng thái (state machine), tần số sóng mang, biên độ sóng điều khiển, và hàm giá trị tối ưu trong điều khiển dự báo.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình mô phỏng kỹ thuật được xây dựng trên phần mềm Matlab/Simulink, mô phỏng các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc lai. Cỡ mẫu nghiên cứu là các trường hợp mô phỏng với các mức điện áp và dòng tải khác nhau, được lựa chọn nhằm đánh giá hiệu quả điều khiển trong các điều kiện vận hành thực tế.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• So sánh phổ hài của điện áp đầu ra qua phân tích Fourier để đánh giá chất lượng sóng.
• Đánh giá số lần đóng cắt khóa công suất nhằm ước lượng tổn hao chuyển mạch.
• Phân tích sự cân bằng điện áp trên các tụ điện trong bộ nghịch lưu.
• So sánh hiệu quả giữa các phương pháp điều chế SINPWM, SVPWM và MPC.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 11 năm 2017, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều chế SINPWM: Phương pháp SINPWM tạo ra điện áp đầu ra với biên độ đỉnh đạt khoảng 86,6% điện áp nguồn DC, tuy nhiên số lần đóng cắt khóa công suất cao dẫn đến tổn hao chuyển mạch lớn. Phân tích Fourier cho thấy THD (tổng méo hài) của điện áp pha dao động trong khoảng 27%, phù hợp với các nghiên cứu trong ngành.

2. Ưu điểm của SVPWM: Phương pháp SVPWM giảm đáng kể THD xuống còn khoảng 15-18%, đồng thời giảm số lần đóng cắt khóa công suất khoảng 20% so với SINPWM. Việc phân chia không gian vector thành 6 sector và 96 tam giác điều chế giúp tối ưu hóa chuỗi đóng cắt, giảm tổn hao và cải thiện chất lượng điện áp.

3. Hiệu quả điều khiển dự báo MPC: MPC cho phép dự báo dòng điện và điều khiển trạng thái đóng cắt tối ưu, giảm THD xuống dưới 12% và giảm số lần đóng cắt khóa công suất thêm khoảng 15% so với SVPWM. Mô phỏng cho thấy khả năng cân bằng điện áp trên các tụ điện tốt hơn, giảm hiện tượng mất cân bằng điện áp DC-link.

4. Khả năng mở rộng và ứng dụng: Cấu trúc điều khiển Generic PWM với hai khâu Modulator và Generator có thể áp dụng cho nhiều loại bộ nghịch lưu đa bậc khác nhau, không chỉ giới hạn ở bộ nghịch lưu 5 bậc lai. Điều này giúp tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng trong các ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp điều khiển dự báo MPC vượt trội hơn hẳn về mặt giảm méo hài và tổn hao chuyển mạch so với các phương pháp truyền thống như SINPWM và SVPWM. Nguyên nhân chính là khả năng dự báo và tối ưu hóa trạng thái đóng cắt trong từng chu kỳ mẫu, giúp giảm số lần chuyển mạch không cần thiết.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển điều khiển dự báo trong điện tử công suất, đồng thời khẳng định tính khả thi của cấu trúc điều khiển Generic PWM cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai. Việc sử dụng lưu đồ trạng thái trong khâu Generator giúp giảm độ phức tạp và tăng hiệu quả điều khiển.

Biểu đồ phân tích Fourier và bảng thống kê số lần đóng cắt khóa công suất minh họa rõ ràng sự cải thiện về chất lượng điện áp và giảm tổn hao chuyển mạch khi áp dụng MPC. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí vận hành hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai điều khiển dự báo MPC trong thực tế: Khuyến nghị các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng phương pháp MPC cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm tổn hao. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng với sự phối hợp giữa phòng thí nghiệm và nhà sản xuất thiết bị.

2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp: Xây dựng phần mềm điều khiển tích hợp cho bộ nghịch lưu đa bậc dựa trên cấu trúc Generic PWM, hỗ trợ các phương pháp điều chế khác nhau để tăng tính linh hoạt. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và công ty công nghệ điện tử công suất.

3. Nâng cao khả năng cân bằng điện áp DC-link: Đề xuất nghiên cứu thêm các thuật toán cân bằng điện áp tiên tiến kết hợp với điều khiển dự báo để giảm hiện tượng mất cân bằng tụ điện, từ đó nâng cao độ ổn định hệ thống. Thời gian nghiên cứu khoảng 6-9 tháng.

4. Mở rộng ứng dụng cho các cấp điện áp cao hơn: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng cấu trúc điều khiển và các phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu đa bậc cấp điện áp cao, phục vụ truyền tải điện áp cao và các hệ thống năng lượng tái tạo quy mô lớn. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu trúc và điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị điện tử công suất: Tham khảo để áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến, tối ưu hóa thiết kế bộ nghịch lưu 5 bậc lai, giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất thiết bị.

3. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị truyền tải điện áp trung bình: Sử dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và độ bền của bộ nghịch lưu, đáp ứng yêu cầu thị trường ngày càng cao.

4. Các tổ chức đào tạo và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo: Áp dụng kiến thức trong luận văn để đào tạo nhân lực và phát triển các giải pháp tích hợp bộ nghịch lưu đa bậc trong hệ thống năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ nghịch lưu 5 bậc lai là gì và ưu điểm của nó?
   Bộ nghịch lưu 5 bậc lai là cấu trúc kết hợp giữa các loại nghịch lưu diode kẹp, tụ điện kẹp và cascaded nhằm tạo ra 5 mức điện áp đầu ra. Ưu điểm là giảm số lượng linh kiện, giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện chất lượng điện áp so với nghịch lưu hai bậc truyền thống.

2. Phương pháp điều chế SINPWM có những hạn chế gì?
   SINPWM đơn giản và dễ thực hiện nhưng số lần đóng cắt khóa công suất cao dẫn đến tổn hao chuyển mạch lớn và méo hài điện áp đầu ra tương đối cao, không tối ưu cho các ứng dụng công suất lớn.

3. SVPWM giúp cải thiện hiệu suất điều khiển như thế nào?
   SVPWM tạo vector điện áp trung bình liên tục trong không gian vector, giảm méo hài và số lần đóng cắt khóa công suất, từ đó giảm tổn hao và nâng cao chất lượng điện áp đầu ra.

4. Điều khiển dự báo MPC có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   MPC dựa trên mô hình hệ thống để dự báo và tối ưu trạng thái đóng cắt, giúp giảm sai số dòng điện, giảm tổn hao chuyển mạch và cân bằng điện áp DC-link hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống.

5. Cấu trúc Generic PWM có thể áp dụng cho các bộ nghịch lưu khác không?
   Có, cấu trúc Generic PWM tách riêng khâu Modulator và Generator, cho phép áp dụng linh hoạt cho nhiều loại bộ nghịch lưu đa bậc khác nhau, giúp tăng tính mở rộng và chuyên môn hóa trong điều khiển.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và phát triển thành công cấu trúc điều khiển Generic PWM cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai, kết hợp các phương pháp điều chế SINPWM, SVPWM và MPC.
• Phương pháp điều khiển dự báo MPC cho hiệu quả vượt trội về giảm méo hài, tổn hao chuyển mạch và cân bằng điện áp DC-link.
• Mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp điều khiển đề xuất.
• Kết quả nghiên cứu có thể mở rộng áp dụng cho các bộ nghịch lưu đa bậc khác và các ứng dụng điện áp trung bình, cao.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, phát triển phần mềm điều khiển tích hợp và mở rộng nghiên cứu cho các cấp điện áp cao hơn.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và phát triển các phương pháp điều khiển này trong thực tế để nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống điện tử công suất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BAC CƠ BẢN 1. Tổng quan về bộ nghịch lưu ap Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyền đôi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dang năng lượng điện xoay chiều dé cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiến ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ nghịch lưu được goi là bộ nghịch lưu áp va bộ nghịch dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dong có tính chất là nguồn động điện.

Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu đồng nguồn dong hoặc gọi tat 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 dong điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiêu, ta gợi chúng là bộ nghịch lưu điều khiến đồng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dong nguồn ấp. Bộ nghịch lưu áp cùng cấp và điều khiến điện ap xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn điện áp một chiều có thé ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dang phức tap gom điện áp xoay chiêu được chỉnh lưu và lọc phang.

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khá năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có thé sử dung transistor BIT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn cô thé sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mach. Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc đối song với nó. Các diode mặc đổi song này tạo thành mạch chỉnh lưu câu không điều khiến có chiều dan điện ngược với chiều đẫn điện của các công tắc, Nhiệm vụ của bộ chính lưu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đối công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngất các công tác.

Phân loại bộ nghịch lưu ap Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau [6] ® Theo sô pha điện ap đâu ra: 1 pha, 3 pha. b Theo sô bậc điện áp giữa một đầu pha tai và một điểm điện thê chuan trên mach (phase to pole voltage): 2 bac (two level), da bậc (multi — level, từ 3 bậc ^ trở lên). b Theo cầu hình của bộ nghịch lưu: dang cascade (Cascade inverter), dang diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Inverter), dang dùng tu điện kẹp (Flying Capacitor Inverter), hoặc dang lai (Hybrid Inverter) là dang cầu trúc kết hop giữa nhiều loại câu trúc với nhau. ® Theo phương pháp điêu khiến: Phương pháp điều rộng, phương pháp điều biên, phương pháp điêu chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế độ rộng sung sin cải biến (Modifield SPWM), Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation, hoặc Space vector PWM).

Cae bộ nghịch lưu áp da bậc cơ ban Rất nhiều cầu trúc nghịch lưu đa bậc đã được đưa ra nghiền cứu và phát trién trong nhiều năm qua. Mỗi bộ nghịch lưu có một cầu trúc và cách hoại động riêng, tuy nhiên nguyên lý chung của bộ nghịch lưu đa bậc có thể hiểu đơn giản theo mô hình Ld 19 Ve > C€ mm ¬ il Ve st NY] | ` a i—— XÃ.v J Xe= Va i Va | va | 2 2 a (a) (b) (c) Hình 1. Giản đồ 1 pha của nghịch lưu đa bậc (a) 2 bậc (b) 3 bậc (c) n bậc Trong mô hình trên hoạt động của các thiết bị bán dẫn được xem như lý tưởng và được thay bằng các công tắc lý tưởng nhiều trạng thái. Các trạng thái của công tắc cũng như sự chuyển mạch của chúng cho phép giá trị điện áp đầu ra là tong các điện thế trên các tụ điện, đồng thới các công tắc phải chống lại được điện áp trên các tụ.1(a) biểu diễn bộ nghịch lưu 2 bậc với Va chỉ bao gồm 2 giá trị là 0 va Ve e Hình 1.1(b) biéu diễn bộ nghịch lưu 3 bậc với Va bao gồm 3 gia tri có thé là 0, Ve và 2.1(c) biéu diễn bộ nghịch lưu m bậc với Va bao gồm n gia tri có thé.

Với việc tăng số lượng bậc điện áp trong dang gióng ở ngõ ra sẽ giúp làm giảm sóng hài, tăng chất lượng điện áp tuy nhiên việc này sẽ làm tăng độ phức tạp trong cau trúc bộ nghịch lưu, gây nên một số vẫn đề không mong muốn như mat cân băng điện áp. Tiếp theo ta sẽ tìm hiểu các cấu trúc nghịch lưu đa bậc cơ bản. Nghich lưu đa bậc dang diode kẹp (Diode Clamped Multilevel Inverter) Hình 1.2 mô tả bộ nghịch lưu ba bậc dang diode kẹp. biéu diễn cho pha A.

Bộ nghịch lưu ba bậc dang diode kẹp Trong cấu trúc trên, hai tụ điện C được ghép nối tiếp ở tang DC và chia thành các mức điện áp. Nếu điểm giữa của hai tụ được xem như điểm trung tính thì mức điện áp ngõ ra van sẽ có 3 gia tri đó là: Vac/2 ,0 và —Vac/2. e Khi 2 khóa SI và S2 được kích đóng, giá tri điện áp ngõ ra van là Vdc/2. e Khi 2 khóa S1’ và S2’ được kích dong, giá tri điện áp ngõ ra van là - Vdc/2.

e Khi 2 khóa ST” và S2 được kích đóng, giá trị điện áp ngõ ra van la 0. Thiết bị chính giúp phân biệt mạch nghịch lưu trên với các nghịch lưu 2 bậc thông thường chính là 2 diode Di và Di”. Hai diode này sẽ nối ngõ ra tới điểm n, qua đó phối hợp tạo nên 3 mức điện áp ngõ ra khác nhau. Bảng trạng thái chuyển mach của bộ nghịch lưu nay thé hiện ở bảng 1.

Trạng thái chuyền mạch bộ nghịch lưu 3 bậc dạng diode kẹp TRANG THÁI CHUYỂN MẠCH | Output Voltage Van SI S2 SE S2: 1 1 0 0 Vde/2 0 1 1 0 0 0 0 1 1 | -Vde/2 Hình 1.3 mô tả bộ nghịch lưu 5 bậc dang diode kẹp với tang DC gồm có 4 tụ điện Ci, Ca, C3 và Ca. 12 Va/2 L Si C¡ Sa ee Va/4 Sa C: ` D2 Vic ST lt \ 7| D;' Sử \. ra | 7 -Va¿/4 D; 3 NV | Sy -Vạ. Bộ nghịch lưu 5 bậc dạng diode kẹp Với điện áp De là Vdc thì điện áp trên mỗi tụ sẽ là Vac/4 và mức độ chịu gai áp trên moi thiệt bi sẽ được giới hạn bởi các mức điện áp khác nhau.

Với n là diém trung tính ta có các mức điện áp Van phụ thuộc theo bảng trạng thái chuyển mạch sau. Trạng thái chuyền mạch bộ nghịch lưu 5 bậc dang diode kẹp TRANG THÁI CHUYEN MACH | Output Voltage Van S1 | S2| S3 | $4] ST} $2’ | S3 | S4 1|I|1|110|0|0]0 | vader 011|1|1|11010|0 | Vde⁄4 010|1|11|1|0|0| 0 010|111|1|1L1|0 |-Vde⁄4 01001011 |1 |1 |-Vde2 Các thiết bị chuyển mạch yêu cầu độ chịu gai điện áp là như nhau, cùng một mức là Vac/4. Cac diode lại yêu cau độ chịu gai điện áp khác nhau. Ví dụ đối với Dy’ và D3 là 3Vdc/4; D2 và D2’ là 2Vdc/4.

Nếu mức độ chịu gai điện áp các diode là giống nhau thì số lượng các diode sẽ phải tăng lên như trong hình 1. Nghịch lưu đa bậc dạng tụ điện kẹp (Flying Capacitor Multilevel Inverter) Va. Bộ nghịch lưu 3 bậc dạng tụ điện kẹp, pha A Câu trúc của nghịch lưu 3 bậc dạng tụ điện kẹp thể hiện trên hình 1.4, bao gồm một tụ điện độc lập được kẹp vào các khóa công suất và được giữ ở một mức điện áp tụ, trong trường hợp này điện thế của tụ C so với điểm n là Vạc/2. Giá trị điện áp ngõ ra Vạn bao gồm 3 giá trị: Vac/2 ,0 và —Vac/2, tùy thuộc vao bang trang thái chuyển mach sau.

Trạng thái chuyển mạch bộ nghịch lưu 3 bậc dạng tụ điện kẹp TRANG THÁI CHUYỂN MẠCH | Output Voltage Van SI $2 sr | 82’ 1 1 0 0 Vdc/2 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 | 1 | - Vde/2 Tu kẹp C được nap điện khi Š¡, S2’ được kích đóng va phóng điện khi S2 va Si’ được kích đóng. Như vậy việc nap và phóng điện cua tụ C được cân bằng thông qua việc lựa chọn trạng thái đóng ngắt khóa thích hợp trong mức điện áp 0.5 biểu diễn cau trúc bộ nghịch lưu 5 bậc dạng tụ điện kẹp, pha A 14 Vạ. Cs _ | _ C; "` Cy \/ Ca ¬ \| /| C; Vo aa \| }| i ® \| /| -Vạ. Bộ nghịch lưu 5 bậc dang tụ điện kẹp Ta có bảng trạng thái chuyển mach cho bộ nghịch lưu 5 bậc dang tụ điện kẹp.

Trạng thái chuyển mạch bộ nghịch lưu 3 bậc dạng tụ điện kẹp TRANG THÁI CHUYEN MACH Voltae Vox SI S2 S3 S4 SV S2’ S3” S4” 1 1 1 1 0 0 0 0 Vac/2 1 1 1 0 1 0 0 0 Vac/4 0 1 1 1 0 0 0 1 Vael4 1 0 1 1 0 0 1 0 Vac/4 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 - Vag/4 0 0 0 1 0 1 1 1 - Vag/4 0 0 1 0 1 0 1 1 - Vag/4 0 0 0 0 1 1 1 1 - Vag/2 15 Cũng như ở nghịch lưu ba bậc, trong bộ nghịch lưu 5 bậc dạng tụ điện kẹp. các tụ điện kẹp được nạp điện hay phóng điện tùy thuộc vào trạng thái chuyển mạch và điện áp tụ kẹp sẽ được cân bằng nếu lựa chọn được các trạng thái chuyển mạch thích hợp. Cũng giống như diode kẹp, các tụ kẹp yêu cầu một số lớn các tu dé tao thành các bậc điện áp. Nếu mức điện áp định mức của mỗi tụ là giống nhau thì một bộ nghịch lưu n-bậc yêu cầu tổng cộng (n-1)x(n-2)/2 tụ kẹp cho mỗi nhánh pha và (n-1) tụ ở tầng DC.

Nghịch lưu da bậc dang Cascaded (Cascaded mutilevel inverter) Câu trúc của bộ inverter loại này dựa trên sự kêt nối của các bộ nghịch lưu 1 pha với các nguồn DC cách ly.6 biéu diễn cu trúc của bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Casaded cho pha A (Mỗi ba bao gồm 2 cell , 1 cell tương đương với mach cầu 1 pha) S oN Xe “=—= Vol ON Nho: TT Sa oN ——— Vo2 , Hinh 1.