Nghiên Cứu Hệ Thống Điều Khiển Chế Độ Làm Việc Song Song Của Bộ Bán Dẫn Công Suất

Việc tích hợp các nguồn năng lượng phân tán vào lưới điện nhỏ có kết nối với lưới điện quốc gia đòi hỏi các bộ biến đổi điện năng có độ tin cậy cao, hiệu suất vượt trội và kích thước nhỏ gọn. Bộ biến tần đa mức đáp ứng được các yêu cầu này. Một hệ thống biến đổi cần điều khiển dòng công suất hai chiều (cả công suất tác dụng và phản kháng) và cách ly để đảm bảo an toàn. Cấu trúc đề xuất đảm bảo truyền công suất hai chiều và cách ly thông qua bộ biến đổi DC-AC-AC, sử dụng máy biến áp tần số cao để giảm kích thước. Khâu biến đổi AC-AC dùng cấu trúc biến tần trực tiếp, điều khiển chuyển mạch đơn giản, và không cần tụ điện lớn, giảm kích thước tổng thể.

Mục tiêu chính của luận văn là đưa ra cấu trúc bộ biến đổi và xây dựng hệ thống điều khiển để kết nối các thanh cái điện xoay chiều trong lưới điện nhỏ có nhiều nguồn phát phân tán sử dụng năng lượng tái tạo. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích cấu trúc mạch lực, xây dựng hệ thống điều khiển biến tần đa cấp nối tầng (thuật toán, điều chế độ rộng xung, logic điều khiển chuyển mạch, cấu trúc và tham số mạch vòng điều chỉnh). Mô hình mô phỏng trên Matlab kiểm chứng khả năng hoạt động và đặc tính của hệ thống.

Việc kết nối nhiều bộ bán dẫn công suất song song đặt ra nhiều thách thức. Thứ nhất, đặc tính của các linh kiện bán dẫn không hoàn toàn giống nhau, dẫn đến sự phân bố dòng điện không đều. Điều này có thể gây ra quá tải cho một số linh kiện và giảm tuổi thọ của toàn hệ thống. Thứ hai, nhiệt độ hoạt động của bộ bán dẫn ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ tin cậy. Việc quản lý nhiệt hiệu quả là rất quan trọng. Thứ ba, các giải pháp điều khiển cần có khả năng thích ứng với sự thay đổi của điều kiện hoạt động, chẳng hạn như thay đổi tải hoặc điện áp nguồn.

Một hệ thống điều khiển tiên tiến cho chế độ làm việc song song của bộ bán dẫn công suất cần đáp ứng các yêu cầu sau: (1) Khả năng cân bằng dòng điện giữa các linh kiện một cách chính xác và nhanh chóng. (2) Khả năng quản lý nhiệt hiệu quả, đảm bảo nhiệt độ hoạt động của các linh kiện nằm trong giới hạn cho phép. (3) Khả năng tự động thích ứng với sự thay đổi của điều kiện hoạt động. (4) Khả năng phát hiện và cô lập các lỗi trong hệ thống để bảo vệ các linh kiện còn lại.

Điều khiển dòng tỷ lệ cộng hưởng (PR) có nhiều ưu điểm so với các phương pháp điều khiển truyền thống. Nó có khả năng loại bỏ sai số trạng thái tĩnh, đảm bảo dòng điện theo dõi tín hiệu tham chiếu một cách chính xác. Điều khiển PR cũng có khả năng bù đắp các nhiễu hài và méo dạng trong hệ thống. Hơn nữa, điều khiển PR tương đối đơn giản trong thiết kế và triển khai.

Trong bộ bán dẫn công suất hoạt động song song, điều khiển PR có thể được sử dụng để cân bằng dòng điện giữa các linh kiện. Bằng cách điều chỉnh điện áp điều khiển của mỗi linh kiện dựa trên sai lệch giữa dòng điện của nó và dòng điện tham chiếu, điều khiển PR đảm bảo rằng tất cả các linh kiện đều chia sẻ dòng điện một cách đồng đều. Điều này giúp cải thiện hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của bộ bán dẫn.

Mô hình mô phỏng được xây dựng trên Matlab/Simulink bao gồm các thành phần sau: (1) Mô hình của bộ bán dẫn công suất, bao gồm các thông số điện và nhiệt. (2) Mô hình của mạch điều khiển PR, bao gồm các khối chức năng như bộ điều khiển tỷ lệ, bộ điều khiển cộng hưởng, bộ lọc và bộ giới hạn. (3) Mô hình của tải, có thể là tải điện trở, tải cảm hoặc tải hỗn hợp. (4) Các khối đo lường để giám sát dòng điện, điện áp và nhiệt độ của các linh kiện.

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển PR có khả năng cân bằng dòng điện giữa các bộ bán dẫn một cách hiệu quả, ngay cả khi có sự khác biệt về đặc tính. Hiệu suất của bộ bán dẫn trong chế độ song song được cải thiện, thể hiện qua việc giảm tổn thất công suất và tăng hệ số công suất. Độ tin cậy của hệ thống cũng được nâng cao, thể hiện qua việc giảm nhiệt độ hoạt động của các linh kiện.

Hệ thống điều khiển này có thể được triển khai trong các hệ thống điện mặt trời và điện gió để tăng công suất và cải thiện độ tin cậy. Ví dụ, nhiều bộ biến tần nhỏ có thể được kết nối song song để tạo thành một bộ biến tần lớn hơn. Hệ thống điều khiển PR sẽ đảm bảo rằng các bộ biến tần nhỏ chia sẻ dòng điện một cách đồng đều và hoạt động với hiệu suất tối ưu.

Trong các lưới điện nhỏ, hệ thống điều khiển này có thể được sử dụng để cải thiện độ tin cậy và ổn định. Bằng cách kết nối nhiều nguồn phát phân tán song song và sử dụng điều khiển PR để cân bằng công suất, lưới điện có thể duy trì điện áp và tần số ổn định ngay cả khi có sự cố hoặc thay đổi tải đột ngột.

Nghiên cứu đã thành công trong việc đề xuất một hệ thống điều khiển sử dụng điều khiển PR cho chế độ làm việc song song của bộ bán dẫn công suất. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống này có khả năng cân bằng dòng điện, cải thiện hiệu suất và tăng độ tin cậy. Nghiên cứu đóng góp vào việc phát triển các giải pháp điều khiển tiên tiến cho các ứng dụng điện tử công suất.

Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thích ứng, cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các tham số điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Nghiên cứu cũng có thể kết hợp với các kỹ thuật quản lý nhiệt tiên tiến, chẳng hạn như sử dụng vật liệu tản nhiệt hiệu quả hoặc hệ thống làm mát bằng chất lỏng, để cải thiện độ tin cậy của bộ bán dẫn.