CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1 1. Sự phát triển vượt bậc của nền sản xuất công nghiệp đã kéo theo nhiều ảnh hưởng xấu đến môi trường. Cụ thể, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là chủ đề được cả thế giới đặc biệt quan tâm. Dưới áp lực của xã hội toàn cầu liên quan đến môi trường, để giảm thiểu tình trạng này nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam đang hướng đến mục tiêu sử dụng năng lượng sạch sẵn có từ thiên nhiên hay còn gọi là năng lượng tái tạo.
Năng lượng tái tạo đang có sự phát triển vô cùng mạnh mẽ vì tính bền vững và thân thiện môi trường trong khi tiềm năng ứng dụng và khai thác vô cùng lớn. Trong những năm gần đây, năng lượng tái tạo trên thế giới có mức tăng đáng kể so với mức tăng trưởng năng lượng điện hóa thạch. Năng lượng sạch đã được nghiên cứu và triển khai một cách mạnh mẽ bởi các nước có mức ô nhiễm không khí đáng báo động như: Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ, Việt Nam,. Các quốc gia này đã đầu tư rất lớn cho nguồn năng lượng sạch nhằm cải tạo môi trường đang bị ô nhiễm nặng nề, xoa dịu áp lực từ các nhà hoạt động môi trường cũng như tác động lớn đến từ các cuộc khủng hoảng kinh tế [5].
Hiện nay, các nước trên thế giới đang chạy đua trong công cuộc phát triển các phương án thúc đẩy nền công nghiệp theo hướng vừa nâng cao năng lực sản xuất nhưng phải hạn chế tối đa những tác động xấu đến môi trường. Chính phủ các nước đã ban hành nhiều chính sách, các đạo luật nhằm bảo vệ môi trường cũng như nhiều cuộc hội nghị mở ra nhằm định hướng mang tính chiến lược cho sự phát triển của nguồn năng lượng tái tạo [6].1: Dự tính công suất của nguồn năng lượng tái tạo theo mục tiêu của chính phủ các nước từ năm 2020 đến 2030 (Nguồn: GTR 2020, UN, BloombergNEF). 2 Đối với những hệ thống cung cấp điện của một số nước có diện tích lớn và các khu vực hải đảo cách ly với hệ thống lưới điện, chi phí đầu tư hệ thống truyền tải siêu cao áp xuyên quốc gia là một rào cản lớn. Do đó, một giải pháp đang được sử dụng ở một số quốc gia là sử dụng nguồn điện từ hệ thống năng lượng tái tạo bằng điện gió hay pin mặt trời.
Phương tiện giao thông như điện lai hoặc sử dụng hoàn toàn bằng điện được quan tâm bởi chính phủ và người tiêu dùng. Nguồn dự phòng (UPS) được sử dụng phổ biến trong các hệ thống quan trọng như hệ thống thông tin, y tế, ngân hàng,. Do đó, UPS yêu cầu phải cung cấp điện áp và tần số không đổi trong mọi điều kiện vận hành.2: Thống kê sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo từ năm 2014- 2021 theo tổ chức REN21. Tại Việt Nam, năm 2016, Quốc hội hủy bỏ dự án điện hạt nhân nguyên tử [ trích từ nguồn văn phòng Chính phủ] do lo ngại liên quan đến những rủi ro môi trường và lý do tài chính.
Các dự án thủy điện và nhiệt điện đóng góp phần lớn vào hệ thống điện quốc gia. Tuy nhiên, hệ thống năng lượng từ thủy điện đã đạt đỉnh điểm do đã khai thác hết tiềm năng sẵn có và các công trình thủy điện có những tác động nghiêm trọng về môi trường. Việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới đủ sức đáp ứng sự thiếu hụt năng lượng điện hiện tại và trong tương lai là nhu cầu cấp bách. Thông tư số 16/2017/TT-BCT và thông tư số 05/2019/TT-BCT của bộ Công thương quy định những ưu đãi và khuyến khích phát triển các dự án và hợp đồng mua bán điện mặt trời.
Những thông tư và chính 3 sách khuyến khích trên đã thức đẩy nhiều dự án điện mặt trời được xây dựng, góp phần lớn vào giảm tải cho hệ thống điện quốc gia. Theo báo cáo của Trung tâm Điều độ hệ thống điện quốc gia (A0), Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) trong 4 tháng đầu năm 2021 các nguồn phát điện từ nguồn năng lượng tái tạo đều cao hơn so với kế hoạch, trong khi việc huy động từ nhiệt điện than, điện khí hóa và nhập khẩu từ Lào đều giảm. Theo đó, điện sản xuất của EVN đạt gần 82 tỷ kWh, điện thương phẩm đạt gần 71 tỷ kWh tăng 6,74%. Đáng chú ý, nguồn phát cao hơn kế hoạch là nguồn điện mặt trời áp mái với 7970 triệu kWh, điện mặt trời trang trại 6.596 triệu kWh; điện gió 2.463 triệu kWh và thủy điện 883 triệu kWh; điện chạy dầu chiếm 23 triệu kWh trong khi nguồn điện sản xuất từ nhiệt điện than, khí và nhập khẩu lần lượt là 7.239 triệu kWh, 166 triệu kWh, 39 triệu kWh.
Một vấn đề tất yếu trong các hệ thống sản xuất nguồn năng lượng này là các bộ nghịch lưu (Inverters). Việc nghiên cứu và tối ưu hóa các bộ nghịch lưu đang là yêu cầu cấp thiết để có thể biến đổi và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo một cách hiệu quả nhưng giảm thiểu chi phí lắp đặt nhằm phổ biến hơn nguồn năng lượng này. Ngoài ứng dụng kể trên của bộ nghịch lưu thì hiện nay bộ nghịch lưu cũng được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong công nghiệp và dân dụng như xe điện, các bộ biến tần công nghiệp, điều khiển động cơ,. Vì vậy việc nghiên cứu phát các bộ nghịch lưu nhằm cải thiện hiệu suất và chất lượng đang là xu thế trong những năm gần đây.3: Cấu hình hệ thống nghịch lưu.
Các bộ nghịch lưu 3 pha truyền thống với cấu hình 6 khóa công suất cho ngõ ra 2 mức điện áp là hay còn gọi là nghịch lưu 3 pha hai bậc vẫn đang được sử dụng trong các thiết bị do có các ưu điểm như: chi phí thấp, dễ điều khiển và tính toán, gọn nhẹ,. Tuy nhiên, nó lại mang các nhược điểm như [7]: 4 • Tổn hao điện áp trên các khóa chuyển mạch (switching losses) lớn khi hoạt động ở các tần số chuyển mạch cao và khó ứng dụng trong các thiết bị công suất lớn, điện áp cao. • THD lớn dẫn đến chất lượng ngõ ra không đạt hiệu suất tốt và cần bộ lọc lớn. Ảnh hưởng đến tính kinh tế cũng như kỹ thuật.4: Board nghịch lưu 3 pha hai bậc trong thực tế.
Sớm nhận ra những nhược điểm của bộ nghịch lưu ba pha hai bậc truyền thống, việc nghiên cứu và phát triển các cấu hình nghịch lưu đa bậc được nghiên cứu ứng dụng bởi các nhà khoa học vì những ưu điểm lớn của nó như [7]: • Giảm THD. • Số bậc điện áp cao hơn từ đó giảm kích thước của bộ lọc. • Nâng cao chất lượng dạng sóng điện áp ngõ ra. • Giảm tổn thất điện áp trên các khóa chuyển mạch.
Tuy nhiên, nhược điểm của các cấu hình nghịch lưu đa bậc là tăng số lượng khóa công suất dẫn đến chi phí lớn hơn, giải thuật và phần cứng điều khiển phức tạp. Hiện nay, động cơ không đồng bộ ba pha đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nông nghiệp và công nghiệp bởi nó các ưu điểm như: công suất làm việc cao, kích thước và trọng lượng nhỏ hơn so với động cơ môt pha cùng công suất, bảo trì bảo dưỡng dễ dàng,. Tuy nhiên, hiện nay lưới điện 3 pha còn chưa được phổ biến rộng đến các vùng canh tác tại Việt Nam do các trở ngại về chi phí xây dựng đường dây, công suất tiêu thụ của phụ tải thấp và quy mô nhỏ lẻ,. 5 Vì vậy, đề tài nghiên cứu này góp phần giải quyết bài toán kỹ thuật và kinh tế trong việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo tại các địa phương còn chưa tiếp cận nguồn lưới điện 3 pha trong dân dụng, nâng cao hiệu năng và giảm chi phí sản xuất trong lĩnh vực nông nghiệp cũng như phát triển trong các hệ thống công nghiệp Hình 1.5: Động cơ không đồng bộ 3 pha.
Tình hình nghiên cứu trong nước. Hiện nay, khi ứng dụng của các bộ nghịch lưu đang đang chiếm vai trò cốt yếu trong hầu hết các thiết bị công nghiệp, dân dụng cũng như lĩnh vực năng lượng tái tạo thì các cấu hình và kỹ thuật điều khiển trước đây khó đáp ứng được. Việc nâng cao hiệu suất, cải tiến các phương pháp điều khiển, giảm chi phí đầu tư đang được quan tâm nhiều hơn.Trong nước, hiện tại hướng nghiên cứu về bộ nghịch lưu đa bậc áp dụng điều khiển động cơ vẫn còn là một hướng nghiên cứu mới. Tiên phong cho hướng nghiên cứu về cấu hình bộ nghịch lưu 3 pha ba bậc hình T là TS.
Đỗ Đức Trí - Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Cụ thể, trong năm 2017, bài báo về công trình nghiên cứu nghịch lưu hình T “Three-Level Quasi-Switched Boost T-Type Inverter: Analysis, PWM Control, and Verification” đã được công bố trên tạp chí IEEE Transactions on Industrial Electronic. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Cấu hình nghịch lưu đa bậc được công bố đầu tiến từ năm 1981 bởi Nabae [8].
Cho đến nay, các nhà khoa học đã cải tiến thêm nhiều cấu hình đa bậc để cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra, giảm kích thước bộ lọc như cấu hình dùng diode kẹp NPC, T-Type, Cascade Inverter,. Các giải thuật điều khiển các mạch nghịch lưu đa bậc cũng phức tạp hơn so với nghịch lưu hai bậc như SVPWM, PD, PS, POD-APOD,. vì vậy để tối ưu giải thuật, các vi điều khiển được khai thác hiệu quả xử lý giải thuật thông qua 6 các chức năng của vi điều khiển là xử lý ePWM. Các vi điều khiển thường được sử dụng như Card DSP, PIC, FPGA,.
Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng các vi điều khiển trên thường rất khó khăn khi ứng dụng vào các thiết bị thực tế do các trở ngại về chi phí cũng như hạn chế về tốc độ xử lý và số lượng các chân ePWM. Trong những năm gần đây, việc tìm kiếm các phương pháp cũng như vi điều khiển mới phù hợp với các yêu cầu như tối thiểu chi phí, đáp ứng tốt các yêu cầu trong công nghiệp.6: Card DSP TMS320F28335 dùng điều khiển tín hiệu cho các khóa công suất.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.1 Mục tiêu chung. Xây dựng được mô hình nghịch lưu 3 pha ba bậc cấu hình T-Type điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha. Cấu hình nghịch lưu được điều khiển theo giải thuật “tiêm hài bậc 3” trên Kit ARM STM32F407IGT6.
Mục tiêu đưa ra một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị công suất, đề cao tính đơn giản, hiệu quả, chi phí thấp, có tính thực tiễn cao.2 Mục tiêu cụ thể. Nhiệm vụ nghiên cứu đảm bảo thực hiện các yêu cầu sau: Tìm hiểu khái quát về nghịch lưu đa bậc.