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

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.

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.