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 này đang dần bộc lộ hạn chế về môi trường và tài nguyên. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, trở thành xu hướng tất yếu nhằm bổ sung nguồn cung điện năng bền vững. Năng lượng mặt trời, với đặc tính vô tận và là nguồn gốc của nhiều dạng năng lượng tái tạo khác, cần được khai thác hiệu quả thông qua các hệ thống điện hòa lưới thông minh.

Luận văn tập trung nghiên cứu cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha (Single phase switched boost inverter) và ghép tầng nghịch lưu tăng áp nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, phục vụ cho các ứng dụng công suất thấp và hòa lưới điện. Mục tiêu cụ thể 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 tụ, đồng thời phát triển cấu hình ghép tầng đa bậc để giảm sóng hài bậc cao, cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mô hình nghịch lưu tăng áp một pha và ghép tầng tại Việt Nam, với các thử nghiệm mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình điều khiển bằng kit DSP TMS320F28335. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện năng, giảm kích thước và chi phí thiết bị, đồng thời hỗ trợ phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo như pin mặt trời, pin nhiên liệu, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững ngành điện.

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 (Inverter Theory): Bộ nghịch lưu áp chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, với các cấu hình truyền thống và đa bậc như nghịch lưu nguồn-Z, nghịch lưu tăng áp cơ bản và nghịch lưu tăng áp một pha. Các khái niệm chính bao gồm hệ số tăng áp, trạng thái ngắn mạch, và kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM).

  • Mô hình điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative Controller): Bộ điều khiển PID được sử dụng để ổn định điện áp trên tụ trong cấu hình nghịch lưu tăng áp, giúp duy trì điện áp ổn định khi có biến động nguồn hoặc tải. Hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID được phân tích qua sơ đồ Bode và các tham số điều chỉnh nhằm đạt độ ổn định mong muốn.

  • Mô hình ghép tầng nghịch lưu đa bậc (Cascaded Multilevel Inverter): Ghép tầng các module nghịch lưu tăng áp một pha để tạo ra điện áp đa bậc, giảm sóng hài bậc cao và cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra. Các thuật toán điều khiển PWM dịch pha được áp dụng để điều khiển các module hoạt động đồng bộ.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: tỷ số ngắn mạch (duty cycle D), điện áp trên tụ (Vc), điện áp trên thanh cái DC (VPN), sóng hài bậc cao (high harmonic components), vòng khóa pha PLL (Phase-Locked Loop), và kỹ thuật điều chế PWM.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu từ các bài báo khoa học, hội nghị chuyên ngành, thư viện điện tử như IEEEXPLORE, Springer về các bộ nghịch lưu, mạch tăng áp và thuật toán điều khiển.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích lý thuyết các cấu hình nghịch lưu, thiết kế bộ điều khiển PID dựa trên mô hình không gian trạng thái và phân tích tín hiệu nhỏ. Sử dụng kỹ thuật điều chế PWM để điều khiển các khóa bán dẫn.

  • Mô phỏng: Thực hiện mô phỏng trên phần mềm PSIM để kiểm chứng các đặc tính hoạt động của nghịch lưu tăng áp một pha và cấu hình ghép tầng đa bậc.

  • Thực nghiệm: Xây dựng mô hình thực nghiệm sử dụng kit DSP TMS320F28335 của Texas Instruments để kiểm tra hiệu quả điều khiển và hoạt động của bộ nghịch lưu. Các thiết bị đo hiện đại của hãng Tektronix được sử dụng để thu thập dữ liệu thực tế.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng trong giai đoạn đầu, tiếp theo là thiết kế và lập trình bộ điều khiển PID, cuối cùng là thực nghiệm và đánh giá kết quả trên mô hình vật lý.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm các module nghịch lưu tăng áp một pha và ghép tầng 5 bậc, với các phép đo điện áp, dòng điện và sóng hài được thực hiện trong nhiều điều kiện tải và nguồn khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất tăng áp của nghịch lưu tăng áp một pha: Hệ số tăng áp của cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha đạt giá trị bằng với cấu hình nghịch lưu nguồn-Z, cụ thể là $B_i = \frac{1}{1 - 2D}$, cao hơn so với nghịch lưu tăng áp cơ bản và truyền thống. Điều này giúp điện áp ngõ ra có thể vượt điện áp nguồn DC, phù hợp cho các ứng dụng công suất thấp.

  2. Ổn định điện áp trên tụ với bộ điều khiển PID: Bộ điều khiển PID được thiết kế với các tham số điều chỉnh phù hợp đã giữ điện áp trên tụ ổn định khi điện áp nguồn thay đổi từ 40V đến 50V hoặc khi tải thay đổi từ 37,5Ω đến 67,5Ω. Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp tụ dao động rất nhỏ, đảm bảo điện áp ngõ ra ổn định.

  3. Giảm sóng hài bậc cao nhờ ghép tầng nghịch lưu tăng áp: Cấu hình ghép tầng 5 bậc với kỹ thuật điều chế PWM dịch pha đã giảm đáng kể thành phần sóng hài bậc cao trong điện áp ngõ ra. Tổng hài bậc (THD) giảm từ mức cao chưa lọc xuống dưới mức cho phép sau khi qua bộ lọc LC, nâng cao chất lượng điện áp hòa lưới.

  4. Khắc phục các vấn đề truyền thống của nghịch lưu đa bậc: Cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp giải quyết được các vấn đề mất cân bằng điện áp DC giữa các module, ngắn mạch trong mạch cầu H và giới hạn điện áp trên module không vượt quá điện áp nguồn DC. Điều này giúp tăng độ tin cậy và an toàn cho hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ thiết kế cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha, trong đó nguồn DC được mắc trực tiếp với cuộn cảm, giúp dòng điện nguồn hoạt động liên tục, cải thiện hệ số tăng áp và giảm nhấp nhô dòng điện. Bộ điều khiển PID với hàm truyền được thiết kế dựa trên mô hình không gian trạng thái và phân tích tín hiệu nhỏ đã nâng cao độ ổn định điện áp trên tụ, từ đó ổn định điện áp ngõ ra.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về nghịch lưu nguồn-Z và nghịch lưu tăng áp cơ bản, cấu hình đề xuất có ưu điểm vượt trội về hiệu suất tăng áp và tính ổn định. Việc ghép tầng nghịch lưu tăng áp đa bậc giúp giảm sóng hài bậc cao, điều mà nghịch lưu ba bậc truyền thống gặp khó khăn, đồng thời giải quyết các vấn đề mất cân bằng nguồn DC và ngắn mạch, vốn là hạn chế lớn trong nghịch lưu đa bậc truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra, biểu đồ THD trước và sau lọc, cũng như sơ đồ Bode thể hiện đặc tính tần số của hệ thống điều khiển. Bảng so sánh các thông số kỹ thuật giữa các cấu hình nghịch lưu cũng minh họa rõ ưu điểm của cấu hình đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo: Áp dụng cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha và ghép tầng trong các hệ thống pin mặt trời, pin nhiên liệu và phong điện để nâng cao hiệu suất chuyển đổi và chất lượng điện áp hòa lưới. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất thiết bị điện tử công suất, thời gian triển khai trong vòng 1-2 năm.

  2. Phát triển bộ điều khiển PID tích hợp: Thiết kế và tích hợp bộ điều khiển PID ổn định điện áp trên tụ vào các bộ nghịch lưu thương mại nhằm đảm bảo điện áp ngõ ra ổn định khi có biến động nguồn hoặc tải. Thời gian thực hiện 6-12 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và công ty công nghệ.

  3. Nâng cao công suất và số bậc ghép tầng: Mở rộng nghiên cứu ghép tầng nghịch lưu tăng áp đa bậc với số bậc cao hơn để giảm sóng hài bậc cao hơn nữa, phù hợp cho các ứng dụng công suất trung bình và lớn. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành điện tử công suất, thời gian 2-3 năm.

  4. Ứng dụng vòng khóa pha PLL trong hệ thống hòa lưới: Áp dụng kỹ thuật PLL để đồng bộ pha chính xác với lưới điện, đảm bảo an toàn và hiệu quả khi hòa lưới điện một pha. Chủ thể thực hiện là các nhà thiết kế hệ thống điện và kỹ sư điều khiển, thời gian triển khai 6 tháng.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về nghịch lưu tăng áp và ghép tầng cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử công suất, đồng thời chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện. Thời gian liên tục, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu hình nghịch lưu tăng áp, kỹ thuật điều khiển PID và ghép tầng nghịch lưu 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 ghép tầng để cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo: Các công ty sản xuất inverter cho hệ thống pin mặt trời, pin nhiên liệu có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu thị trường công suất thấp và trung bình.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về các công nghệ nghịch lưu tăng áp và ghép tầng giúp định hướng phát triển công nghệ năng lượng tái tạo, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững ngành điện.

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 hơn, có dòng điện nguồn liên tục và hệ số tăng áp tương đương nghịch lưu nguồn-Z, phù hợp cho ứng dụng công suất thấp với chi phí và kích thước nhỏ hơn.

  2. Bộ điều khiển PID trong luận văn có ưu điểm gì?
    Bộ điều khiển PID được thiết kế giúp ổn định điện áp trên tụ, duy trì điện áp ngõ ra ổn định khi có biến động nguồn hoặc tải, đồng thời đơn giản hóa thiết kế và nâng cao độ ổn định hệ thống.

  3. Ghép tầng nghịch lưu tăng áp có tác dụng gì?
    Ghép tầng giúp tạo ra điện áp đa bậc, giảm sóng hài bậc cao, cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra, đồng thời giải quyết các vấn đề mất cân bằng điện áp DC và ngắn mạch trong nghịch lưu đa bậc truyền thống.

  4. Vòng khóa pha PLL được sử dụng như thế nào trong hòa lưới?
    PLL giúp đồng bộ pha điện áp ngõ ra của nghịch lưu với pha lưới điện, đảm bảo an toàn và hiệu quả khi hòa lưới, tránh các sự cố do lệch pha hoặc mất đồng bộ.

  5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu có thể ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, các thiết bị điện tử công suất, nhà thông minh sử dụng năng lượng tái tạo, góp phần phát triển hệ thống điện bền vững và hiệu quả.

Kết luận

  • Cấu hình nghịch lưu tăng áp một pha được nghiên cứu và chứng minh có hệ số tăng áp cao, dòng điện nguồn liên tục, phù hợp thay thế nghịch lưu nguồn-Z trong ứng dụng công suất thấp.
  • Bộ điều khiển PID đề xuất giúp ổn định điện áp trên tụ, duy trì điện áp ngõ ra ổn định khi có biến động nguồn và tải.
  • Cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp đa bậc giảm đáng kể sóng hài bậc cao, giải quyết các vấn đề mất cân bằng điện áp DC và ngắn mạch trong nghịch lưu đa bậc truyền thống.
  • Kỹ thuật điều chế PWM dịch pha và vòng khóa pha PLL được áp dụng hiệu quả trong điều khiển và hòa lưới điện một pha.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các bộ nghịch lưu công suất thấp, hiệu suất cao cho hệ thống năng lượng tái tạo, đồng thời cung cấp nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về nghịch lưu đa bậc và điều khiển điện tử công suất.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu ghép tầng với số bậc cao hơn, tích hợp bộ điều khiển thông minh, và ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo quy mô lớn.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điện tử công suất nên tiếp cận và ứng dụng các kết quả này để phát triển các giải pháp năng lượng bền vững, đồng thời thúc đẩy chuyển giao công nghệ trong ngành.