Luận văn thạc sĩ về ghép tầng nghịch lưu tăng áp hòa lưới điện 1 pha

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hcmute ghép tầng nghịch lưu tăng áp hòa lưới điện 1 pha, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Trần Tấn Tài
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Khai
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Ghép Tầng Nghịch Lưu Tăng Áp Cho Hệ Thống Điện 1 Pha
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về 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. Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới
• 2.2. Các cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc
• 2.3. Cấu hình cơ bản của nghịch lưu nguồn-Z và nghịch lưu tăng áp
• 2.3.1. Nghịch lưu truyền thống kết hợp với bộ tăng áp dc-dc
• 2.3.2. Nghịch lưu nguồn-Z cơ bản
• 2.3.3. Nghịch lưu tăng áp cơ bản
• 3. CHƯƠNG 3: GHÉP TẦNG NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP 1 PHA
• 3.1. Cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha
• 3.2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu tăng áp 1 pha
• 3.3. So sánh nghịch lưu tăng áp 1 pha với các bộ nghịch lưu áp truyền thống
• 3.4. Đề xuất thuật toán ổn định điện áp cho cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha
• 3.4.1. Thuật toán điều khiển
• 3.5. Ghép tầng nghịch lưu tăng áp một pha
• 3.5.1. Cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp
• 3.5.2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp
• 3.6. Điều khiển hòa lưới điện một pha
• 3.6.1. Vòng khóa pha PLL
• 3.6.2. Cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp nối lưới
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. Mô hình thực nghiệm
• 4.2. Mô tả chi tiết
• 4.3. Kết quả mô phỏng và thử nghiệm
• 4.3.1. Kết quả điều khiển điện áp trên tụ
• 4.3.2. Kết quả ghép tầng nghịch lưu tăng áp
• 4.3.3. Kết quả điều khiển hòa lưới
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ghép tầng nghịch lưu tăng áp cho hệ thống điện 1 pha

Nghiên cứu ghép tầng nghịch lưu tăng áp cho hệ thống điện 1 pha là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ điện tử hiện đại. Ghép tầng nghịch lưu cho phép cải thiện hiệu suất và chất lượng điện năng đầu ra. Cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha có thể thay thế cho nghịch lưu nguồn-Z trong các ứng dụng công suất thấp. Việc sử dụng ít hơn một cặp LC so với nghịch lưu nguồn-Z giúp giảm kích thước và chi phí. Đặc biệt, cấu hình này cho phép điều khiển điện áp trên tụ, giữ cho điện áp ổn định khi có sự thay đổi về tải hoặc điện áp nguồn. Điều này rất quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất năng lượng và độ tin cậy của hệ thống.

1.1. Mục đích và nhiệm vụ của nghiên cứu

Mục đích chính của nghiên cứu này là tìm hiểu và phân tích hoạt động của cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha. Nghiên cứu sẽ đề xuất một bộ điều khiển PID cho điện áp thanh cái DC, nhằm cải thiện khả năng điều khiển và ổn định điện áp. Nhiệm vụ bao gồm việc nghiên cứu các phương pháp ghép tầng để giảm thiểu các thành phần sóng hài bậc cao trong điện áp ngõ ra. Việc này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến mất cân bằng nguồn áp DC giữa các module trong hệ thống.

1.2. Giá trị thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong bối cảnh hiện nay, khi nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng tăng. Công nghệ tăng áp và nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi và hòa lưới điện năng lượng mặt trời. Việc phát triển cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí đầu tư cho các hệ thống điện năng lượng tái tạo. Điều này góp phần thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi các nguồn năng lượng sạch, từ đó hỗ trợ cho sự phát triển bền vững của nền kinh tế.

II. Cơ sở lý thuyết về nghịch lưu tăng áp và ghép tầng

Cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha được xây dựng dựa trên nguyên lý hoạt động của các bộ nghịch lưu truyền thống. Công nghệ tăng áp cho phép điện áp ngõ ra lớn hơn điện áp nguồn một chiều, điều này rất quan trọng trong việc kết nối với lưới điện. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng circuit điện với cấu hình ghép tầng giúp giảm thiểu các thành phần sóng hài, từ đó cải thiện chất lượng điện năng. Các phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cũng được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.

2.1. Cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha

Cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha có khả năng hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng công suất thấp. Việc sử dụng ít linh kiện hơn so với các cấu hình truyền thống giúp giảm kích thước và chi phí. Hệ thống này cho phép điều khiển điện áp ngõ ra một cách linh hoạt, đồng thời duy trì độ ổn định trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Điều này rất quan trọng trong việc đảm bảo rằng điện năng được cung cấp một cách liên tục và ổn định cho các thiết bị tiêu thụ.

2.2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM là một trong những phương pháp quan trọng trong việc điều khiển các bộ nghịch lưu. Phương pháp này cho phép điều chỉnh điện áp ngõ ra bằng cách thay đổi độ rộng của các xung điều khiển. Việc áp dụng PWM trong cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu các thành phần sóng hài. Điều này không chỉ nâng cao chất lượng điện năng mà còn giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển đổi năng lượng.

III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp 1 pha có khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả trong các ứng dụng thực tiễn. Các mô hình mô phỏng và thực nghiệm đã được thực hiện để kiểm chứng tính khả thi của hệ thống. Việc áp dụng bộ điều khiển PID giúp duy trì điện áp ổn định trong các điều kiện thay đổi của tải và điện áp nguồn. Điều này chứng tỏ rằng cấu hình này có thể được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện năng lượng tái tạo.

3.1. Mô phỏng và thực nghiệm

Các mô phỏng trên phần mềm PSIM đã cho thấy hiệu suất hoạt động của cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha. Kết quả thực nghiệm trên mô hình điều khiển bằng kit DSP TMS320F28335 cũng cho thấy sự ổn định và hiệu quả của hệ thống. Việc kiểm chứng này là rất quan trọng để đảm bảo rằng các lý thuyết và phương pháp được đề xuất có thể áp dụng trong thực tế.

3.2. Ứng dụng trong hệ thống điện năng lượng tái tạo

Cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp 1 pha có thể được áp dụng trong các hệ thống điện năng lượng mặt trời, giúp chuyển đổi điện năng một chiều thành điện năng xoay chiều một cách hiệu quả. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí đầu tư cho các hệ thống điện năng lượng tái tạo. Việc áp dụng công nghệ này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành năng lượng.

Nội dung chính

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.

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế xã hội, nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng lớn. Hiện nay ở nước ta có 2 nguồn sản xuất điện năng chủ yếu đó là thủy điện và nhiệt điện. Nhiệt điện hiện nay chủ yếu là 3 nguồn: nhiệt điện than, nhiệt điện khí và nhiệt điện dầu. Việc nghiên cứu, ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo trong đó phát triển mạnh năng lượng mặt trời góp phần tạo thêm nguồn cung cấp điện năng là xu hướng tất yếu của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng.

Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này một cách có hiệu quả, cần phải biết các đặc trưng, tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt trái đất và cần phải kết nối nguồn năng lượng này thông qua hệ thống lưới thông minh có sẵn bằng các bộ nghịch lưu có khả năng kết nối với điện xoay chiều. Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra điện năng một chiều, điện năng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều bởi bộ nghịch lưu.

Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến lưới điện. Các bộ nghịch lưu nguồn áp [1], [2] được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ, bộ lưu điện, xe điện, hệ thống phân phối điện…Tuy nhiên, có 1 vài hạn chế khi sử dụng bộ nghịch lưu truyền thống như:  Thứ nhất là điện áp xoay chiều ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chiều cung cấp.  Thứ hai là các khóa bán dẫn trên cùng một nhánh không thể đóng đồng thời được vì lúc đó xảy ra tình trạng ngắn mạch nguồn áp một chiều làm hư hỏng thiết bị. Trang 1 Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP  Và cuối cùng là việc tạo ra khoảng thời gian chết trong quá trình chuyển mạch của các khóa bán dẫn này cũng làm tăng độ méo dạng áp.

Đối với những nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo như pin mặt trời (PV), pin nhiên liệu (fuel cell)…, điện áp ngõ ra của các dạng năng lượng này là điện một chiều có giá trị điện áp thấp, không ổn định phụ thuộc theo thời gian, môi trường làm việc. Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo này để chuyển đổi thành điện xoay chiều 220V/380V, đòi hỏi điện áp một chiều trước khi đưa vào bộ nghịch lưu phải có giá trị lớn hơn 310 Vdc (giá trị điện áp đỉnh của 220 Vac). Điện áp một chiều có giá trị lớn có thể thực hiện bằng cách mắc nối tiếp các tấm pin điện áp thấp với nhau, đồng nghĩa với số lượng pin phải nhiều, lắp đặt trên diện tích rộng lớn. Điều này chỉ thích hợp với hệ thống công suất lớn.

Với những hệ thống công suất nhỏ, để tạo ra điện xoay chiều 220V/380 từ nguồn điện áp thấp, người ta thường dùng:  Một là dùng máy biến áp tần số thấp (50Hz) để tăng điện áp xoay chiều ngõ ra như Hình 1.1  Hai là dùng bộ tăng áp điện một chiều (dc-dc boost converter) phía trước mạch nghịch lưu như Hình 1.1: Sơ đồ khối của bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số thấp (50Hz) Hình 1.2: Sơ đồ khối của bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều Trang 2 Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Kết quả là sẽ có hai giai đoạn chuyển đổi.Điều này sẽ làm tăng kích thướt, giảm hiệu suất của toàn hệ thống, tăng giá thành bộ nghịch lưu. Cấu hình nghịch lưu nguồn Z đã được đề xuất trong [3] đã giải quyết được những hạn chế của bộ nghịch lưu truyền thống. Trong cấu hình nghịch lưu nguồn-Z, điện áp ngõ ra được điều khiển để lớn hơn điện áp một chiều cung cấp chỉ qua một lần chuyển đổi thông qua tỷ số ngắn mạch. Việc cho phép hoạt động ngắn mạch (các khóa bán dẫn trên cùng một nhánh đóng đồng thời) đồng nghĩa với việc không cần phải tạo ra khoản thời gian chết trong quá trình chuyển mạch, làm cho cải thiện được chất lượng điện áp ngõ ra.

Trong một vài thập niên gần đây, nghịch lưu nguồn−Z đã được phát triển và nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Các nghiên cứu về nghịch lưu nguồn−Z bao gồm: mô hình hóa và điều khiển [4], [5], kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) [6], ứng dụng trong năng lượng tái tạo [7] và phát triển các cấu hình nguồn-Z dưới nhiều dạng khác nhau [8], [9], [10]. Tuy nhiên, việc sử dụng hai cuộn cảm và hai tụ điện trong nghịch lưu nguồn-Z làm tăng kích thước và giá thành của bộ nghịch lưu. Đối với những ứng dụng công suất thấp nơi mà kích thước, trọng lượng và giá thành là tiêu chí ưu tiên thì cấu hình nghịch lưu nguồn-Z không phải là lựa chọn phù hợp.

Cấu hình Nghịch lưu tăng áp cơ bản được đề xuất trong [12] và [13] dựa trên cấu hình Watkins-Johnson ngược có thể là lựa chọn để thay thế nghịch lưu nguồn−Z trong một vài ứng dụng có công suất thấp. Mặt dù cấu hình nghịch lưu này có đặc tính hoạt động giống với cấu hình nghịch lưu nguồn Z do có trạng thái hoạt động ngắn mạch,nhưng cấu hình này lại sử dụng ít hơn một tụ điện,một cuộn dây và nhiều hơn một khóa bán dẫn. Các phân tích và điều khiển PWM cho cấu hình này được trình bày trong [12]. Tuy nhiên cấu hình này có một số hạn chế như:  Một là phát ra hệ số tăng áp thấp hơn so với nghịch lưu nguồn Z.

 Bên cạnh đó trong nghịch lưu tăng áp cơ bản, dòng điện nguồn hoạt động không liên tục với biên độ nhấp nhô lớn vì nó kết nối trực tiếp đến diode, ảnh hưởng đến chất lượng của bộ nguồn và đôi khi mạch lọc nguồn cần Trang 3 Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP được sử dụng để bảo vệ nguồn dẫn đến tăng kích thước cũng như giá thành. Cấu hình nghịch tăng áp 1 pha được đề xuất trong [14] đã có những ưu điểm vượt trội hơn so với cấu hình nghịch lưu tăng áp cơ bản như:  Thứ nhất là dòng điện nguồn hoạt động ở chế độ liên tục  Thứ hai là cải thiện hệ số tăng áp ( nâng hệ số tăng áp lên bằng với cấu hình nghịch lưu nguồn –Z) Tuy nhiên với cấu hình nghịch lưu áp ba bậc thì điện áp ngõ ra tồn tại nhiều thành phần sóng hài bậc cao. Do đó khi nối lưới đòi hỏi phải thiết kế bộ lọc lớn, kết quả làm tăng kích thướt và tăng giá thành của bộ nghịch lưu. Các cấu hình nghịch lưu đa bậc diode kẹp,tụ kẹp và cascade trong [15], [16], [17], [18], đã khắc phục được các vấn đề của nghịch lưu ba bậc như điện áp đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo; tần số đóng ngắt lớn, các thành phần hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch lưu ba bậc, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm như điện áp xoay chiều ngõ ra vẫn thấp hơn điện áp một chiều cung cấp, bên cạnh đó vấn đề mất cân bằng giữa các nguồn một chiều cung cấp cho nghịch lưu đa bậc cũng là một trở ngại lớn.

Trong đề tài này chúng ta tập trung vào tìm hiểu và phân tích hoạt động của cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha và đề xuất thuật toán điều khiển ổn định điện áp xoay chiều ngõ ra cho mạch nghịch lưu tăng áp được đề xuất trong [14]. Dựa trên cấu hình nghịch lưu tăng áp này thực hiện ghép tầng nghịch lưu tăng áp để giảm các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ngõ ra. Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là nghiên cứu cấu hình nghịch lưu mới được sử dụng trong năng lượng mới, từ đó nghiên cứu Ghép tầng đa bậc nghịch lưu tăng áp với các đặc điểm chính: giải quyết vấn đề mất cân bằng giữa các nguồn DC trong mỗi module, cho phép hoạt động ở chế độ ngắn mạch và tăng được điện áp nguồn DC để hòa lưới điện một pha. Trang 4 Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 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 1 pha.

 Đề xuất bộ điều khiển ổn định điện áp ngõ ra cho cấu hình nghịch lưu tăng áp 1 pha.  Nghiên cứu ghép tầng nghịch lưu tăng áp 1 pha để giảm các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ngõ ra.  Nghiên cứu hòa lưới điện 1 pha dùng cấu hình ghép tầng nghịch lưu tăng áp. 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 nghiên cứu công bố trên thư viện điện tử IEEEXPLORE, springer,… Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM để điều khiển mạch mạch lưu tăng áp.

 Ứng dụng các kỹ thuật điều chế xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển sử dụng phần mềm chuyên dụng Psim để mô phỏng cho bộ nghịch lưu tăng áp một pha  Lập trình điều khiển trên phần mềm chuyên dụng Code Composer Studio với vi mạch TMS320F28335 của tập đoàn Texas Instruments và được kiểm chứng bằng thực tế.  Các thực nghiệm được thực hiện trên mô hình vật lý với các thiết bị đo hiện đại của hãng Tektronic, so sánh với kết quả mô phỏng. Điểm mới của đề tài Đề tài đã thực hiện ghép tầng được các bộ nghịch lưu tăng áp 1 pha, tạo điện áp đa bậc ở ngõ ra,giải quyết được hạn chế tăng áp ở các bộ nghịch lưu đa bậc truyền thống,cho phép hoạt động ở chế độ ngắn mạch. Giải thuật điều khiển PID giúp ổn định điện áp ngõ ra, giải quyết vấn đề mất cân bằng giữa các nguồn DC trong mỗi module.