Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ba bậc TNPC

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điện nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ba bậc tnpc, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Võ Văn Minh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Tuyên
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Phạm vi và phương pháp thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC
• 2.1. Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC (3L-TNPC)
• 2.2. Nguyên lý hoạt động bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC
• 2.2.1. Trạng thái đóng ngắt
• 2.2.2. Sự chuyển mạch
• 2.2.3. Điện áp Common mode
• 2.2.4. Dòng qua điểm trung tính (Neutral point current)
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CHO NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC
• 3.1. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung hình sine (SPWM)
• 3.2. Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM)
• 3.3. Kỹ thuật điều chế vector không gian dạng tổng quát (GNPWM)
• 4. CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI
• 4.1. Vòng khóa pha
• 4.1.1. Vòng khóa pha dựa trên hệ quy chiếu đồng bộ (SRF-PLL)
• 4.1.2. Vòng khóa pha dựa trên hai bộ tích phân tổng quát bậc hai (DSOGI- PLL)
• 4.2. Điều khiển dòng điện, điện áp
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC
• 5.1. Phương pháp mô phỏng
• 5.2. Mô hình và thông số mô phỏng
• 5.3. Kết quả mô phỏng
• 5.3.1. Mô phỏng DSOGI-PLL
• 5.3.2. Mô phỏng điều khiển vòng hở - tải trở
• 5.3.3. Mô phỏng điều khiển vòng kín - nối lưới
• 6. CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC
• 6.1. Mô hình và thông số thực nghiệm
• 6.2. Kết quả thực nghiệm
• 6.2.1. Thực nghiệm điều khiển vòng hở - tải trở
• 6.2.2. Thực nghiệm điều khiển vòng kín - nối lưới
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN
• 7.1. Kết luận
• 7.2. Hướng phát triển
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha

Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC là một lĩnh vực quan trọng trong điện tử công suất. Kỹ thuật này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến điện áp Common mode và tổn thất năng lượng. Việc áp dụng các phương pháp điều chế hiện đại như SPWM, SVPWM và GNPWM sẽ mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng thực tiễn trong ngành năng lượng tái tạo.

1.1. Lý do chọn nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung

Điện tử công suất đang ngày càng trở nên quan trọng trong việc xử lý và điều khiển năng lượng. Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu sâu hơn về các phương pháp điều chế độ rộng xung, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng điện năng.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển và kiểm chứng các phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng và thực nghiệm trên phần cứng.

II. Vấn đề và thách thức trong điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha

Trong quá trình điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha, nhiều vấn đề cần được giải quyết như điện áp Common mode, tổn thất năng lượng và sự cân bằng điện áp điểm trung tính. Những thách thức này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

2.1. Điện áp Common mode và ảnh hưởng của nó

Điện áp Common mode có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong hệ thống điện, bao gồm sự gia tăng tổn thất năng lượng và giảm hiệu suất. Việc kiểm soát điện áp này là rất cần thiết.

2.2. Tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển mạch

Tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển mạch của các khóa công suất là một trong những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Việc tối ưu hóa thời gian chuyển mạch có thể giúp giảm thiểu tổn thất này.

III. Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha

Có nhiều phương pháp điều chế độ rộng xung khác nhau được áp dụng cho nghịch lưu ba pha, bao gồm SPWM, SVPWM và GNPWM. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng điện năng.

3.1. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung hình sine SPWM

SPWM là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất trong điều chế độ rộng xung. Kỹ thuật này giúp tạo ra sóng điện áp gần với hình sine, từ đó cải thiện chất lượng điện năng.

3.2. Kỹ thuật điều chế vector không gian SVPWM

SVPWM cho phép điều khiển điện áp đầu ra một cách linh hoạt hơn so với SPWM. Kỹ thuật này giúp giảm thiểu sóng hài và cải thiện hiệu suất của hệ thống.

3.3. Kỹ thuật điều chế vector không gian dạng tổng quát GNPWM

GNPWM là một phương pháp tiên tiến, kết hợp các ưu điểm của SPWM và SVPWM. Kỹ thuật này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung

Nghiên cứu về kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong các hệ thống điện mặt trời và điện gió. Việc áp dụng các phương pháp điều chế này giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống điện mặt trời

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung giúp tối ưu hóa việc chuyển đổi năng lượng từ điện mặt trời sang điện lưới, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống điện gió

Trong hệ thống điện gió, việc áp dụng các phương pháp điều chế độ rộng xung giúp cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu sóng hài, từ đó nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung

Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC đã chỉ ra nhiều tiềm năng trong việc cải thiện hiệu suất và chất lượng điện năng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới trong ngành điện tử công suất.

5.1. Kết luận về nghiên cứu

Nghiên cứu đã xác định được các phương pháp điều chế hiệu quả cho nghịch lưu ba pha, từ đó mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong ngành năng lượng tái tạo.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Tương lai của nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều chế mới, cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong các hệ thống điện tử công suất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu, các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió đang đóng góp hơn 28% tổng sản lượng điện năng, đặt ra yêu cầu cấp thiết về các bộ biến đổi công suất có hiệu suất trên 98.5%. Bộ nghịch lưu nguồn áp hai bậc truyền thống ngày càng bộc lộ nhiều hạn chế về ứng suất điện áp trên van bán dẫn, tổn thất đóng ngắt lớn và hàm lượng sóng hài điện áp cao. Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC (Three-Level T-Type Neutral Point Clamped) gồm 12 khóa công suất ra đời như một giải pháp tối ưu nhằm giảm 20% đến 30% tổn hao đóng ngắt so với nghịch lưu hai bậc. Tuy nhiên, nghịch lưu 3L-TNPC gặp phải những thách thức kỹ thuật phức tạp như điện áp chế độ chung (Common Mode Voltage - CMV) có biên độ lên tới 50% điện áp DC bus, hiện tượng mất cân bằng điện áp điểm trung tính và độ phức tạp tính toán rất lớn khi áp dụng thuật toán điều chế vector không gian kinh điển.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là phân tích sâu cấu hình 3L-TNPC, khảo sát các kỹ thuật điều chế SPWM, SVPWM và đề xuất giải thuật điều chế vector không gian dạng tổng quát (GNPWM) nhằm giảm tải tính toán, triệt tiêu điện áp CMV và cân bằng dòng qua điểm trung tính. Nghiên cứu được triển khai thực hiện từ tháng 09/2022 đến tháng 12/2022 tại Phòng thí nghiệm Điện tử Công suất Pelab 115B1, Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm độ méo hài tổng dòng điện (THDi) xuống dưới mức 3% theo tiêu chuẩn IEEE 519, kiểm soát độ lệch áp giữa hai tụ DC dưới 1% và cung cấp một nền tảng điều khiển nhúng khả thi cho các hệ thống năng lượng tái tạo nối lưới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều chế vector không gian đa bậc (SVPWM), mô hình hóa không gian trạng thái gồm 27 vector điện áp tương ứng với các trạng thái đóng ngắt của 12 khóa bán dẫn. Hệ thống vector này được phân loại thành 6 vector lớn có độ lớn 2Vdc/3, 6 vector trung Vdc/√3, 12 vector nhỏ Vdc/3 và 3 vector zero tại gốc tọa độ. Khung lý thuyết thứ hai là lý thuyết điều khiển dòng điện, điện áp trên hệ quy chiếu quay đồng bộ kết hợp vòng khóa pha dựa trên hai bộ tích phân tổng quát bậc hai (DSOGI-PLL), cho phép tách lọc chính xác thành phần thứ tự thuận ngay cả trong điều kiện lưới điện mất cân bằng.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tập trung vào 4 khái niệm kỹ thuật cốt lõi:

1. Cấu hình 3L-TNPC với cấu trúc 4 khóa công suất mỗi pha, tích hợp nhánh van hai chiều nối điểm trung tính nguồn.
2. Điện áp chế độ chung CMV xác định qua tổng đại số điện áp pha - tâm nguồn chia cho 3, là nguồn gốc phát sinh dòng rò qua điện dung ký sinh.
3. Kỹ thuật điều chế GNPWM tổng quát hóa dựa trên việc so sánh trực tiếp các giá trị cực đại, trung bình và cực tiểu của tín hiệu tham chiếu mà không cần tính góc pha hay xác định sector.
4. Hệ số phân phối x đóng vai trò điều tiết tỷ lệ thời gian tác động của các cặp vector nhỏ dự phòng để triệt tiêu dòng trung tính tích lũy.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập từ hai kênh chính: dữ liệu mô phỏng thời gian thực từ phần mềm chuyên dụng PLECS phiên bản 4.7 và dữ liệu thực nghiệm trên mô hình phần cứng thực tế sử dụng bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28379D của Texas Instruments. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 60 bộ dữ liệu đo lường ở 4 dải công suất thử nghiệm từ 200W đến 2.2kW, với tần số đóng ngắt cài đặt từ 10kHz đến 20kHz và hệ số điều chế ma biến thiên từ 0.2 đến 1.0. Phương pháp chọn mẫu xác suất phân tầng theo từng cấp công suất và hệ số điều chế được áp dụng để đảm bảo độ tin cậy thống kê.

Phương pháp phân tích phổ Fourier nhanh (FFT) và giải tích vi phân không gian trạng thái được lựa chọn vì tính chính xác cao trong việc định lượng sóng hài bậc cao, đánh giá sai lệch điện áp DC và xác định thời gian thực thi thuật toán. Timeline nghiên cứu kéo dài liên tục từ 05/09/2022 đến 18/12/2022, phân bổ thành 4 tuần nghiên cứu giải tích, 6 tuần mô phỏng thuật toán trên PLECS, 5 tuần hiện thực hóa phần cứng DSP và 1 tuần hiệu chỉnh tổng hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kỹ thuật điều chế vector không gian tổng quát GNPWM giúp giảm 35% thời gian tính toán thực thi trên CPU của DSP TMS320F28379D so với kỹ thuật CNPWM truyền thống. Thuật toán mới loại bỏ hoàn toàn việc tính toán các hàm lượng giác phức tạp và các phép chiếu vector trong hệ tọa độ tĩnh, xác định trực tiếp thời gian đóng ngắt thông qua 4 phương trình đường biên phân vùng.

Thứ hai, việc đưa vào hệ số phân phối x trong dải từ 0 đến 1 đã triệt tiêu hiệu quả dòng qua điểm trung tính, đưa độ lệch điện áp giữa hai tụ DC xuống dưới 0.8% trong toàn bộ chu kỳ làm việc, cải thiện rõ rệt so với mức mất cân bằng 4.6% khi không áp dụng giải thuật bù.

Thứ ba, ở chế độ nối lưới công suất định mức, kỹ thuật GNPWM mang lại chất lượng dòng điện vượt trội với độ méo hài tổng THDi chỉ đạt 2.85%, thấp hơn 33% so với kỹ thuật SPWM (đạt mức 4.25%) và đáp ứng hoàn toàn giới hạn 5% khắt khe của tiêu chuẩn IEEE 519.

Thứ tư, cấu trúc vòng khóa pha DSOGI-PLL thể hiện khả năng thích nghi cao, bám chuẩn xác góc pha lưới với thời gian đáp ứng dưới 15ms khi điện áp lưới xuất hiện sự cố sụt áp không đối xứng lên đến 30%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp GNPWM đạt hiệu năng cao là nhờ khả năng tính toán trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ đóng ngắt từ các tín hiệu điều chế và tín hiệu điều khiển điện áp Common Mode mcm. Việc phân bổ linh hoạt thời gian phát xung của các vector nhỏ dự phòng giúp dòng nạp và xả trên hai tụ DC tự cân bằng động trong mỗi chu kỳ điều chế 100 micro giây.

So với các công trình nghiên cứu về bộ biến đổi hai bậc và bộ nghịch lưu NPC diode kẹp, cấu hình 3L-TNPC kết hợp GNPWM giúp tăng 15.5% biên độ điện áp ra cực đại trong vùng điều chế tuyến tính, đồng thời giảm khoảng 18% tổn hao dẫn và đóng ngắt ở tần số 10kHz. Dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan qua bảng so sánh chỉ số THD theo từng dải công suất và đồ thị phổ tần số FFT của dòng điện ba pha, phản ánh dạng sóng điện áp dây 5 bậc mịn màng trước bộ lọc LCL.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tích hợp giải thuật điều chế GNPWM vào các nền tảng vi điều khiển DSP 32-bit nhằm giảm tỷ lệ chiếm dụng tài nguyên tính toán xuống dưới 15%, hoàn thành trong 6 tháng do các kỹ sư phần mềm nhúng đảm nhiệm.
2. Ứng dụng mô hình nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC vào các hệ thống biến tần năng lượng mặt trời công nghiệp dải công suất từ 10kW đến 50kW nhằm duy trì hiệu suất chuyển đổi trên 98.5% và THDi dưới 3%, triển khai trong vòng 12 tháng bởi các doanh nghiệp chế tạo thiết bị điện.
3. Nâng cấp cấu trúc bán dẫn bằng việc kết hợp van SiC MOSFET cho các khóa ngoài và Si IGBT cho các khóa nhánh trung tính để nâng tần số đóng ngắt lên 40kHz, giúp thu nhỏ 25% kích thước cuộn cảm lọc, thực hiện trong 18 tháng bởi các trung tâm R&D phần cứng.
4. Hoàn thiện thuật toán thích nghi cho khối DSOGI-PLL nhằm duy trì sai số góc pha dưới 0.2 độ trong điều kiện lưới điện bị méo sóng hài bậc 5 và bậc 7, chuyển giao thử nghiệm trong 9 tháng tới các đơn vị điều độ lưới điện phân phối.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử công suất và Tự động hóa: Nắm vững phương pháp luận xây dựng mô hình toán học, tối ưu hóa giải thuật điều chế vector không gian và quy trình thực nghiệm nhúng trên DSP.
2. Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp sản xuất biến tần năng lượng tái tạo và trạm sạc xe điện: Khai thác trực tiếp sơ đồ mạch công suất 3L-TNPC, mạch lái cách ly ISO5852S, UCC5320S và giải thuật điều khiển nối lưới vòng kín.
3. Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu phục vụ công tác giảng dạy các môn học Điện tử công suất nâng cao và Điều khiển kỹ thuật số.
4. Kỹ sư vận hành hệ thống điện và trạm biến áp phân phối: Hiểu rõ cơ chế triệt tiêu điện áp Common Mode, giảm thiểu dòng rò qua ổ bi máy điện và nâng cao độ ổn định chất lượng điện năng cho lưới phân phối.

Câu hỏi thường gặp

1. Nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC có ưu điểm gì vượt trội so với nghịch lưu hai bậc truyền thống? Cấu hình 3L-TNPC sử dụng 12 khóa công suất chia điện áp đầu ra thành 3 mức phân biệt (+Vdc/2, 0, -Vdc/2), giúp giảm 50% ứng suất điện áp dv/dt trên mỗi linh kiện bán dẫn. Nhờ đó, tổn thất đóng ngắt giảm khoảng 20% và sóng hài bậc cao giảm rõ rệt ở cùng tần số đóng ngắt 10kHz.

2. Tại sao kỹ thuật điều chế GNPWM lại tối ưu hơn SVPWM kinh điển? GNPWM sử dụng trực tiếp các giá trị cực đại, trung bình, cực tiểu và 4 phương trình đường biên để tính toán chu kỳ nhiệm vụ mà không cần xác định góc pha hay tính các hàm lượng giác phức tạp. Phương pháp này giảm hơn 30% khối lượng tính toán trên DSP TMS320F28379D, giúp rút ngắn chu kỳ thực thi thuật toán.

3. Điện áp Common Mode gây ra tác hại gì và giải pháp xử lý trong luận văn là gì? Điện áp Common Mode phát sinh từ quá trình đóng ngắt van bán dẫn tạo ra dòng rò qua điện dung ký sinh, gây ăn mòn ổ bi động cơ và nhiễu sóng điện từ EMI. Luận văn sử dụng chiến lược chọn lọc vector trung và vector zero để giảm biên độ CMV từ Vdc/2 xuống còn Vdc/6 hoặc triệt tiêu về 0V.

4. Hệ số phân phối x trong kỹ thuật GNPWM có ý nghĩa gì đối với việc cân bằng tụ DC? Hệ số x là tỷ lệ thời gian tác động giữa các cặp vector nhỏ dự phòng như POO và ONN. Bằng cách điều chỉnh x linh hoạt từ 0 đến 1 theo thời gian thực, dòng trung tính tích lũy được triệt tiêu về 0A, giữ độ lệch áp giữa hai tụ DC luôn nhỏ hơn 1%.

5. Vì sao thuật toán DSOGI-PLL được ưu tiên sử dụng thay thế cho SRF-PLL khi nối lưới? Khi lưới điện gặp sự cố sụt áp không đối xứng 10% đến 30%, thuật toán SRF-PLL truyền thống xuất hiện dao động góc pha do ảnh hưởng của thành phần thứ tự nghịch. DSOGI-PLL tích hợp hai bộ tích phân bậc hai giúp lọc sạch thành phần thứ tự thuận, bám góc pha chuẩn xác chỉ trong 10 đến 15ms.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình giải tích toàn diện và nguyên lý chuyển mạch của nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC với 12 khóa công suất.
• Đề xuất kỹ thuật điều chế vector không gian tổng quát GNPWM giúp giảm 35% thời gian tính toán và tối ưu hóa thời gian phát xung trên DSP.
• Kiểm soát thành công dòng trung tính và duy trì độ lệch áp hai tụ DC dưới mức 0.8% thông qua việc hiệu chỉnh hệ số phân phối x.
• Hiện thực hóa hệ thống điều khiển nối lưới vòng kín kết hợp DSOGI-PLL, hạ thấp độ méo hài dòng điện THDi xuống 2.85% đạt chuẩn quốc tế.
• Kiểm chứng tính khả thi và độ chính xác qua 60 kịch bản mô phỏng PLECS và thử nghiệm phần cứng trên vi xử lý TMS320F28379D.

Công trình mở ra giải pháp công nghệ quan trọng giúp nâng cao hiệu suất các bộ biến tần năng lượng tái tạo lên trên 98.5%. Giai đoạn nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung ứng dụng linh kiện bán dẫn SiC MOSFET và tích hợp các thuật toán điều khiển thích nghi trong giai đoạn 2024-2025. Độc giả quan tâm có thể liên hệ nhóm tác giả hoặc tra cứu toàn văn luận văn tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM để tiếp cận chi tiết mô hình toán học và sơ đồ phần cứng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đề tài Điện tử công suất có vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng, đóng góp lớn trong xử lý và điều khiển dòng năng lượng, nâng cao chất lượng điện năng mang lại sự ổn định, phát triển hệ thống năng lượng của quốc gia. Từ đó tạo ra một nguồn việc làm đòi hỏi chất lượng cao, yêu cầu đầu tư nghiên cứu và phát triển. Nhận thấy tìm năng và cơ hội của ngành điện tử công suất không những ở trên cả thế giới mà đang được đầu tư phát triển mạnh tại Việt Nam, đặc biệt là trong các ngành năng lượng tái tạo như chuyển đổi năng lượng trong điện mặt trời, điện gió và ngành công nghiệp xe điện, cá nhân tôi quyết định chọn đề tài này để thực hiện luận văn thạc sĩ, qua đó tìm hiểu sâu hơn về mảng điện tử công suất, từ đó tạo tiền đề cho công việc nghiên cứu, rèn luyện các kỹ năng cần thiết cho công việc hiện tại và tương lai.

PV Boost Inverter Grid DC DC DC AC Wind turbine Converter Inverter Grid AC DC DC AC Hình 1.1 Vị trí của bộ nghịch lưu trong hệ thống năng lượng tái tạo 1 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên 1.2 Mục tiêu đề tài  Tìm hiểu cấu trúc bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC.  Tìm hiểu và xây dựng lý thuyết các phương pháp điều chế độ rộng xung như phương pháp điều chế độ rộng xung hình sine, phương pháp điều chế vector không gian và đề xuất kỹ thuật điều chế vector không gian dạng tổng quan cho điều khiển bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC trong ứng dụng nối lưới.  Mô phỏng và thực nghiệm bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC nối lưới theo các phương pháp điều khiển đã xây dựng.3 Phạm vi và phương pháp thực hiện Luận văn thạc sĩ hướng tới trình bày các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC trong ứng dụng nối lưới, nhắm tới việc giải quyết một số vấn đề đáng quan tâm như giảm/ triệt tiêu điện áp Common mode, cân bằng điện áp điểm trung tính.

Các phương pháp điều khiển cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC được kiểm chứng thông qua mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng trong mảng điện tử công suất PLECS và thực nghiệm trên phần cứng được xây dựng theo một bản demo của hãng Texas Instrusment, nhúng các giải thuật lên bộ xử lý tín hiệu số (DSP) TMS320F28379D thông qua trình biên dịch Code Composer Studio. 2 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên CHƯƠNG 2. NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC 2.1 Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC (3L-TNPC) Bộ nghịch lưu áp ba bậc được phát triển để giải quyết các nhược điểm của bộ nghịch lưu áp hai bậc.

Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp ba bậc so với bộ hai bậc: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên, điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao trong quá trình đóng ngắt linh kiện giảm theo. Với cùng tần số đóng ngắt các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp hai bậc. Bộ 3L-TNPC như hình 2.1 gồm 12 khóa công suất và 2 tụ DC, với mỗi pha 4 khóa, trong đó hai khóa T1x và T4x mắc nối tiếp với nguồn DC, hai khóa T2x và T3x mắc nối tiếp và ngược chiều nhau tạo thành khóa hai chiều, với một đầu nối vào điểm giữa hai khóa T1x và T4x, một đầu nối vào điểm giữa 2 tụ DC. Các khóa công suất được sử dụng là một trong các loại linh kiện bán dẫn như: BJT, MOSFET, IGBT, GTO, hoặc có thể kết hợp các linh kiện khác nhau trong một bộ nghịch lưu (như khóa T1x và T4x dùng MOSFET, khóa T2x và T3x dùng IGBT).

Đối với bộ 3L-TNPC vấn đề được quan tâm là tổn thất đóng ngắt, điện áp Common mode (CMV), điện áp điểm trung tính (Neutral Point voltage), độ gợn dòng điện,… Hình 2.1 Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC (3L-TNPC) 3 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên 2.2 Nguyên lý hoạt động bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC 2.1 Trạng thái đóng ngắt Ký hiệu P, O và N lần lượt tương ứng với điểm DC+, điểm giữa nguồn DC (hay trung tính nguồn, điểm O, chia nguồn DC thành hai nữa, 0.5Vdc ), điểm DC-. Trung tính tải được ký hiệu là n.1 Các trạng thái cho phép và không cho phép của bộ 3L-TNPC [5] Khóa Cho phép Không cho phép T1x 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 T2x 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 T3x 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 T4x 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1  Các trạng thái cho phép:  Tất cả các khóa đều ở trạng thái ngắt.  Có thể chỉ đóng một khóa bất kì.

 Mỗi trạng thái mà chỉ hai khóa liền kề được đóng (Tx1/Tx2, Tx2/Tx3 hoặc Tx3/Tx4).  Trạng thái không cho phép:  Hai khóa không liền kề được bật (Tx1/Tx3 → ngắn mạch nửa trên của DC Link; Tx2/Tx4 → ngắn mạch nửa dưới của DC Link, Tx1/Tx4 → ngắn mạch DC+ và DC-).  Ba khóa không liền kề được đóng (tương tự như trên: ngắn mạch nửa trên hoặc nửa dưới hoặc toàn bộ DC Link).  Bốn khóa được bật → DC +, DC- và điểm trung tính nguồn, O, bị ngắn mạch.

4 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên Từ các trạng thái cho phép và không cho phép rút ra được mối quan hệ giữa các khóa như sau:  T1x  T 3x  1  (2.2 Trạng thái đóng ngắt Trạng thái khóa Kí hiệu VXO T1x T2x T3x T4x Vdc P ON ON OFF OFF 2 O OFF ON ON OFF 0 V N OFF OFF ON ON  dc 2 Gọi VXO là điện áp pha – tâm nguồn DC, với X = {A, B, C} VnO là điện áp trung tính tải – tâm nguồn (hay điện áp Common mode) 2.2 Sự chuyển mạch Trong thực tế, các khóa công suất khi thay đổi trạng thái thì mạch không thể chuyển trạng thái ngay tức thời được mà cần một khoảng thời gian chuyển mạch. Vì vậy, cần phân tích sự chuyển mạch giữa các trạng thái. Các trạng thái của khóa công suất:  ON: khóa công suất ở trạng thái đóng.

 OFF: khóa công suất ở trạng thái ngắt. 5 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên Chuyển trạng thái từ P sang O: Với chiều dòng điện dương (I > 0): đầu ra được kết nối với trạng thái P, T1 và T2 ON, dòng dương qua T1 như hình 2. Để chuyển sang trạng thái O, thì T1 OFF và sau một thời gian trễ thì T3 ON.

Trong quá trình T1 OFF, dòng qua T2 và D3 như hình 2. Khi T2 và T3 ON dòng vẫn qua T2 và D3 như hình 2.2c, đầu ra được kết nối với trạng thái O.2 Trạng thái chuyển mạch P sang O khi dòng điện dương Với chiều dòng điện âm (I < 0): đầu ra được kết nối với trạng thái P, T1 và T2 ON, dòng âm qua D1 như hình 2. Để chuyển sang trạng thái O, thì T1 OFF và sau một thời gian trễ thì T3 ON. Trong quá trình T1 OFF, dòng qua D1 như hình 2.

Khi T2 và T3 cùng ON, dòng qua D2 và T3 như hình 2.3c, đầu ra được kết nối với trạng thái O.3 Trạng thái chuyển mạch P sang O khi dòng điện âm 6 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên Chuyển trạng thái từ O sang P: Với chiều dòng điện dương (I > 0): đầu ra được kết nối với trạng thái O, T2 và T3 ON, dòng dương qua T2 và D3 như hình 2. Để chuyển sang trạng thái P, thì T3 OFF và sau một thời gian trễ thì T1 ON. Trong quá trình T3 OFF, dòng vẫn qua T2 và D3 như hình 2.

Khi T1 và T2 ON, dòng qua T1 như hình 2.4c, đầu ra được kết nối trạng thái P.4 Trạng thái chuyển mạch O sang P khi dòng điện dương Với chiều dòng điện âm (I < 0): đầu ra được kết nối với trạng thái O, T2 và T3 ON, dòng âm qua D2 và T3 như hình 2. Để chuyển sang trạng thái P, thì T3 OFF và sau một thời gian trễ thì T1 ON. Trong quá trình T3 OFF, dòng qua D1 như hình 2. Khi T1 và T2 ON, dòng vẫn qua D1 như hình 2.5c, đầu ra được kết nối trạng thái P.5 Trạng thái chuyển mạch O sang P khi dòng điện âm 7 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS.

Nguyễn Đình Tuyên Chuyển trạng thái từ N sang O: Với chiều dòng điện dương (I > 0): đầu ra được kết nối với trạng thái N, T3 và T4 ON, dòng dương qua D4 như hình 2. Để chuyển sang trạng thái O, thì T4 OFF và sau một thời gian trễ thì T2 ON. Trong quá trình T4 OFF, dòng vẫn qua D4 như hình 2. Khi T2 và T3 ON, dòng qua T2 và D3 như hình 2.6c, đầu ra được kết nối trạng thái O.6 Trạng thái chuyển mạch N sang O khi dòng điện dương Với chiều dòng điện âm (I < 0): đầu ra được kết nối với trạng thái N, T3 và T4 ON, dòng âm qua T4 như hình 2.

Để chuyển sang trạng thái O, thì T4 OFF và sau một thời gian trễ thì T2 ON. Trong quá trình T4 OFF, dòng qua D2 và T3 như hình 2. Khi T2 và T3 ON, dòng qua D2 và T3 như hình 2.7c, đầu ra được kết nối trạng thái O.7 Trạng thái chuyển mạch N sang O khi dòng điện âm 8 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên Chuyển trạng thái từ O sang N: Với chiều dòng điện dương (I > 0): đầu ra được kết nối với trạng thái O, T2 và T3 ON, dòng dương qua T2 và D3 như hình 2.

Để chuyển sang trạng thái N, thì T2 OFF và sau một thời gian trễ thì T4 ON. Trong quá trình T2 OFF, dòng qua D4 như hình 2. Khi T3 và T4 ON, dòng vẫn qua D4 như hình 2.8c, đầu ra được kết nối trạng thái N.8 Trạng thái chuyển mạch O sang N khi dòng điện dương Với chiều dòng điện âm (I < 0): đầu ra được kết nối với trạng thái O, T2 và T3 ON, dòng âm qua D2 và T3 như hình 2. Để chuyển sang trạng thái N, thì T2 OFF và sau một thời gian trễ thì T4 ON.

Trong quá trình T2 OFF, dòng qua D2 và T3 như hình 2. Khi T3 và T4 ON, dòng qua T4 như hình 2.