CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển của điện tử công suất Điêṇ tử công suất bắt đầu từ viêc ̣ Peter Cooper Hewitt phát minh ra bộ chỉnh lưu hồ quang thủy ngân vào năm 1902. Nó đươc ̣ sử duṇ g để biến đổi dòng điêṇ xoay chiều (AC) thành dòng môṭ chiều (DC). Từ thâp ̣ niên những năm 1920s, những nghiên cứu về những thiết bi đ ̣óng cắt có thể điều khiển đươc ̣ như thyratrons và khóa hồ quang thủy ngân rất đươc ̣ quan tâm. Vào thời gian đó Uno Lamm đã phát minh ra một khóa thủy ngân với các điện cực biến đổi thích hợp cho truyền tải điện áp trực tiếp điện áp cao.
Năm 1933 bộ chỉnh lưu bằng selenium ra đời. Năm 1947, bóng bán dẫn điểm lưỡng cực đươc ̣ phát minh bởi Walter H. Brattain và John Bardeen taị Bell Labs. Năm 1948 Shockley's phát minh ra BJT đã tăng cương tính ổn định , hiệu suất và giảm giá thành transistors.
Những năm 1950s, những con diode bán dẫn công suất lớn bắt đầu phổ biến ra thi ̣trường và thay thế các loaị đèn chân không. Năm 1956 SCR đươc ̣ giới thiêụ bởi General Electric đã tăng mức công suất của các thiết bi ̣biến đổi lên rất nhiều lần. Những năm 1960s là giai đoaṇ cải thiêṇ về tốc đô ̣của BJT nhờ đó cho phép taọ ra những bô ̣DC/DC tầng số cao. Kế đến là những năm 1976 MOSFETs ra đời và 1982 khi IGBT và được thương mại hóa đã taọ nền tảng cho ngành điêṇ tử công suất hiện đại ngày nay.
NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN 2 PGS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN 1.2 Ý nghĩa điện tử công suất trong cuộc sống Sự phát triển của các công nghệ và thiết bị mới trong thế kỷ 20 đã tăng cường sự quan tâm đến các hệ thống điện. Nền văn minh hiện đại dựa trên nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và thay thế các hoạt động của con người bằng những cỗ máy phức tạp và ngày càng phổ biến, do đó, các nghiên cứu về thiết bị phát điện và chuyển đổi năng lượng ngày càng trở nên quan trọng. Do đó, chuyển đổi năng lượng và kiểm soát quá trình chuyển đổi năng lượng là hai vấn đề được yêu cầu phải đáng tin cậy, an toàn và sẵn sàng để thực hiện tất cả các yêu cầu, từ phía người sử dụng và các quy định pháp lý, và để giảm tác động không tốt đến môi trường. Hiện nay, điêṇ tử công suất đang có măṭ trên hầu hết các thiết bi ̣sử duṇg điêṇ của chúng ta.
Điêṇ tử công suất đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, an toàn và thuâṇ tiêṇ hơn. Điêṇ tử công suất đóng vai trò quan trọng trong các mô hình công nghệ và được thiết kế để điều khiển năng lượng. Dòng điện,điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn liên tục được hoàn thiện,phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng như trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển độngcơ,tự động hóa công nghiệp, giao thông, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện đi xa với hiệu suất cao với đặc điểm điều khiển chặt chẽ đã giúp cho điêṇ tử công suất có lợi thế hơn nhiều trong điều khiển động cơ so với các hệ thống điều khiển cơ điện trước đây. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN 3 PGS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Ngoài ra điện tử công suất còn được ứng dụng trong truyền tải điện DC (VHDC), trạm biến đổi công suất, hệ thống truyền tải AC mềm flexible ac transmission system (FACTS) và bù công suất static-var compensators (SVC).
Trong truyền tải sử dụng biến đổi DC/AC, bộ lọc tích cực, biến đổi tần số. Sự chú ý trong bảo vệ môi trường gần đây làm tăng sự quan tâm trong sản xuất điện từ các nguồn tái tạo: hệ thống năng lượng gió và hệ mặt trời đang được ứng dụng rộng rải và được cho là đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sản xuất năng lượng trên toàn thế giới trong những năm tới đây. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN 4 PGS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN (B) Hình 1.1 Hình ảnh về năng lượng tái tạo: (A). Năng lượng gió (B).
Năng lượng mặt trời Không chỉ các tiện ích trong nhà, mà còn ứng dụng công nghiệp và thậm chí các yêu cầu mạng điện cho thấy tầm quan trọng mà việc cung cấp và kiểm soát năng lượng sẽ có trong các nghiên cứu trong tương lai.3 Lý do chọn đề tài Trong tư thế luôn sẵn sàng đáp ứng với sự bùng nổ về nhu cầu năng lượng thì song song đó các yếu tố về việc giảm chi phí, trọng lượng, khối lượng,. của hệ thống điện rất được quan tâm. Vì thế lĩnh vực chuyển đổi năng lượng đã không ngừng phát triển mạnh mẽ, được ứng dụng và tạo tính ảnh hưởng quan trọng đến nhiều lĩnh vực năng lượng tái tạo, môi trường, hàng không, vận tải,. Trên thế giới đang có nhiều nghiên cứu về sự phát triển các cấu trúc chuyển đổi mới phù hợp hơn, đồng thời nghiên cứu thực hiện các công nghệ tích hợp sáng tạo và các phương pháp kiểm soát tối ưu.
NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN 5 PGS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Từ nhiều năm qua, sự phát triển của bộ biến đổi đa bậc song song hay nối tiếp nhận được sự quan tâm lớn, đặc biệt trong việc c\i thiện dạng sóng cũng như giảm các tác động không tốt lên các linh kiện bán dẫn. Việc có nhiều linh kiện cấn được kiểm soát điều khiển dẫn đến việc khó khăn cho việc điều khiển các hệ thống. Giống như trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác, các hệ thống mô-đun và phân tán đang trở thành cấu trúc liên kết được đề xuất để đạt được các yêu cầu dự án hiện đại: cấu hình này đảm bảo hoạt động đáng tin cậy hơn, tạo điều kiện cho chẩn đoán, bảo trì và cấu hình lại hệ thống điều khiển. Đặc biệt trong các tình huống cần sự an toàn cao, cấu hình mô-đun cho phép hệ thống điều khiển cách ly sự cố, điều khiển quá trình ở trạng thái an toàn dễ dàng và trong nhiều trường hợp cho phép người ta đạt được một hoạt động gần như bình thường ngay cả trong điều kiện bị lỗi.
Và trong luận văn này, tôi sẽ giới thiệu nguyên tắc điều khiển mới là điều khiển phân tán dựa trên nguyên tắc điều khiển phân tán cho bộ biến đổi công suất đa bậc.4 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tạo sóng mang cho bộ nghịch lưu đa pha. Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phương pháp điều khiển phân tán truyền thống và có tính mới khi thay đổi hệ số điều chỉnh K và điều khiển phân tán khi chỉ có 2 cell mà hệ thống vẫn hoạt động bình thường được .Phân tích mô phỏng lại 3 phương án khi hoạt động bình thường và tìm vùng giá trị hệ số K hoạt động ổn định. Và mô phỏng có sự cố sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN 6 PGS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN 1.5 Phạm vi nghiên cứu và hướng phát triển Phạm vi của đề tài giới hạn trong việc phân tích công thức và tiến hành mô phỏng cho các trường hợp điều khiển phân tán.
Để thực hiện được ta cần tiến hành các bước sau + Đọc và tìm hiểu lý thuyết dựa trên các bài báo đã được công bố trên các hội nghị tạp chí uy tín về những kiến thức nền tảng có liên quan để đưa ra phương pháp mô phỏng. + Tiến hành mô phỏng bằng việc sử dụng phần mền Plecs để mô phỏng cho phương pháp mà ta đã đề ra. Hướng phát triển đề tài + Do chỉ dừng lại ở vệc mô phỏng nên bước tiếp theo sẽ tập trung vào thiết kế phần cứng để tiến hành thực nghiệm. + Có thể mô phỏng cho các trường hợp cân bằng dòng và cân bằng áp.
NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN 7 PGS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trên thế giới, các bộ biến đổi đa bậc MMC-FCMC (flying-capacitor multicell converters) đã được các nhà khoa học ở Mỹ, Úc,Anh,. nghiên cứu và cải tiến. Năm 2015, một nhóm nghiên cứu Mỹ - Iran đã thực hiện thành công phần cứng phiên bản cải tiến nhất của bộ biến đổi đa bậc MMC với 3module, mỗi module là một bộ FCMC (flying-capacitor multicell converters) sử dụng phương pháp PS-PWM.
Tuy nhiên, chưa thể chuyển đổi linh hoạt cấu trúc bộ nghịch lưu khi thêm bớt các module. Ở trong nước, một nhóm nghiên cứu trường ĐH Bách khoa Hà Nội và ĐH Hồng Đức đã mô phỏng bộ MMC áp dụng phương pháp điều chế NLM (Nearest Level Modulation) và thuật toán cân bằng năng lượng. Tuy nhiên, nghiên cứu này dừng lại ở mức độ mô phỏng kiểmchứng tính đúng đắn của lý thuyết.Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển số Đề tài này được nguyên cứu thực hiện dựa trên kết quả của một nghiên cứu trước đây. Nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu các thành phần module cũng như việc điệc khiển không tập trung của hệ thống.
Tất cả các module sử dụng thông tin có sẵn từ các module kế cận để thực hiện hướng tới cùng một mục tiêu chung, là các sóng mang được phân bố cách đều nhau. Phương pháp điều khiển cổ điển được sử dụng hiện thực hóa hệ thống điều khiển bằng phương pháp điều khiển tập trung để tạo các tín hiệu điều khiển nhưng trong Hình 2. Vì vậy,hệ thống tạo góc pha cho các sóng mang đảm nhận vai trò quản lý cũng như tái cấu trúc lại hệ thống các sóng mang. Trong trường hợp có 4 sóng mang được khởi tạo, góc lệch pha lần lượt của các sóng mang lần lượt là [0,π/2,π,3π/2].
NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN 8 PGS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Nếu hệ thống này được tái cấu trúc lại một cách tự động (bỏ đi hoặc thêm vào một bộ phận để cải thiện về công suất hoặc trong các trường hợp có lỗi ở một bộ phận nào đó) hệ thống điều khiển tập trung đòi hỏi phải tái cấu trúc hoàn toàn tất cả các sóng mang. Việc tái cấu trúc như vậy yêu cầu nhiều thông tin giữa hệ thống điều khiển chung với các bộ phận cell khác. Ngoài ra, trong trường hợp xảy ra lỗi tại một bộ phận nào đó, việc quan sát lỗi trước tiên sẽ được thực hiền trên nội bộ của bộ phận đó,rồi gửi tín hiệu lỗi đến bộ điều khiển trung tâm để phát lệnh tái cấu trúc lại hệ thống.Do vậy,ta thấy việc tái cấu trúc như vậy sẽ đòi hỏi thời gian thực hiện đáp ứng tái cấu trúc lâu hơn. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN 9 PGS.PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: LÊ AN NHUẬN Trong Hình 2.
