CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÁI TẠO 1.1 HIỆN TRẠNG VỀ CÔNG NGHỆ CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÁI TẠO 1.1 Các khóa điện tử bán dẫn công suất và ứng dụng Các linh kiện bán dẫn công suất làm việc như các khóa đóng và ngắt công suất còn được gọi là khóa điện tử bán dẫn (KĐTBD). Chúng được tạo thành từ công nghệ bán dẫn bằng cách kết hợp các lớp bán dẫn p-n [1]. Khi thay đổi thiết kế và số lượng các các lớp bán dẫn p-n, chúng được phát triển thành nhiều loại KĐTBD có đặc tính khác nhau về tần số, điện áp, dòng điện làm việc và điều khiển.
Bằng việc dùng một nguồn năng lượng rất nhỏ cung cấp cho chân điều khiển, chúng có thể đóng cắt các nguồn năng lượng lớn, qua đó giúp cho tổn hao năng lượng thấp hơn, linh hoạt hơn trong các quá trình chuyển đổi. Hình 1-1: Các khóa điện tử bán dẫn theo tần số và công suất làm việc và các ứng dụng tiêu biểu [1] Hình 1-1 giới thiệu các loại KĐTBD sử dụng công nghệ Silic thông thường (Si) và các ứng dụng tiêu biểu theo công suất và tần số làm việc. Tên các KĐTBD được giữ nguyên theo tên tiếng Anh, được sử dụng phổ biến trong giới học thuật và công nghiệp tại Việt Nam. Cấu tạo và đặc tính của các KĐTBD có thể tham khảo tài 6 liệu [2].
Các ứng dụng của KĐTBD rất phổ biến, có thể thấy rõ trong các ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày như máy giặt, tủ lạnh, máy tính, điện thoại, ô tô; cho tới các ứng dụng động cơ, máy móc công nghiệp và hệ thống chuyển đổi năng lượng [3].2 Điện tử công suất và bộ biến đổi điện tử công suất VBD là một phần tử quan trọng tạo nên những đột phá mới trong việc chuyển đổi năng lượng và tạo nên lĩnh vực điện tử công suất (ĐTCS). Các bộ biến đổi (BBĐ) ĐTCS là các mạch điện kết hợp sử dụng các KĐTBD và các thiết bị điện cơ bản như biến áp tần số cao, cuộn cảm, tụ điện,…để chuyển đổi các nguồn năng lượng. Các BBĐ có thể phân loại làm 4 nhóm chính như hình 1-2. Năng lượng được chuyển đổi giữa điện áp xoay chiều (AC) và một chiều (DC).
Các BBĐ sử dụng KĐTBD thường đạt hiệu suất 80-95%, cao hơn nhiều so với chỉ dùng biến áp thông thường ở tần số lưới với hiệu suất 50-70%. Hình 1-2: Chuyển đổi năng lượng của các bộ biến đổi điện tử công suất [4] Năng lượng điện thường được truyền tải đi xa bằng điện áp cao AC để giảm tổn thất dây dẫn. Một trong những hệ thống HVDC đầu tiên được lắp ở Liên Xô vào năm 1951 giữa Moscow và Kashira, và hệ thống 100 kV, 20 MW giữa Gotland và đất liền Thụy Điển vào năm 1954 [103]. Để sử dụng cho các thiết bị sinh hoạt và công nghiệp, điện áp thường thấp hơn rất nhiều so với lưới truyền tải.
Thêm nữa, có thiết bị dùng nguồn AC, có thiết bị sử dụng nguồn DC. Việc chuyển đổi năng lượng AC- DC và chuyển đổi giữa các mức điện áp cao – thấp là yêu cầu tất yếu trong lịch sử ngành điện cho tới nay và trong vòng vài thập kỷ tới. Do đó các BBĐ vẫn đang được nghiên cứu và phát triển để hoàn thiện hơn đáp ứng nhu cầu ứng dụng của con người.3 Xu thế phát triển của các bộ biến đổi điện tử công suất Các đặc tính quan trọng khi thiết kế và phát triển một BBĐ ĐTCS bao gồm giá thành, hiệu suất, kích thước, khối lượng, sự ổn định, và thời gian cần để thương mai hóa. Hiệu suất có thể xét tới nghịch biến là tổn thất, khi hiệu suất cao tức là tổn thất ít.
Độ ổn định có thể xét tới nghịch biến là tần suất lỗi, khi tần suất lỗi nhỏ tức là ổn định cao. Hình 1-3: Xu thế phát triển các bộ biến đổi điện tử công suất [5] Hình 1-3 mô tả xu hướng phát triển của các BBĐ trong tương lai [5]. Mục tiêu chính là giảm nhỏ giá trị các chỉ số được nêu trên. Chúng cho thể hình dung như hình một viên kim cương với nhiều góc cạnh, trong đó mỗi góc đại diện cho một chỉ số.
Các KĐTBD là thành ảnh hưởng đến các thông số cơ bản của BBĐ, ảnh hưởng đến vận hành, hiệu suất của bộ biến đổi.4 Xu thế phát triển của các khóa điện tử bán dẫn công suất Các KĐTBD đang có nhiều bước tiến và thu hút sự quan tâm trong nhiều năm gần đây. Các hội nghị quốc tế và các tạp chí uy tín hàng năm trong lĩnh vực đều có nhiều bài thảo luận chuyên sâu về chủ đề này [6]. Trong đó, van Silicon carbide (SiC) và Gallium nitride (GaN) được được tập trung hơn vì chúng cho hiệu suất cao hơn các loại khác. Đồng thời một số van Si thông thường cũng vẫn được phát triển trong tương lai với ưu điểm giá thành rẻ.
Hình 1-4 mô tả vùng làm việc của các nhóm van bán dẫn trong tương lai do một số công ty phát triển và thảo luận [7]. Đây thực sự là một chủ đề hấp dẫn cho các nhà sản xuất linh kiện bán dẫn và việc thiết kế các BBĐ trong ĐTCS. 8 Hình 1-4: Xu thế phát triển của các van bán dẫn trong tương lai [7] Cụ thể, SiC là loại van được được nhiều nhà sản xuất hoàn thiện và giới thiệu thương mại cho áp dụng trong các BBĐ trong 10 năm gần đây. SiC được phát triển để làm việc với điện áp và dòng điện cao và đem lại hiệu suất cao hơn so với van Si.
Hiện nay, GaN là các dòng van dùng công nghệ bán dẫn mới cho phép làm việc ở tần số cao dải trên 1 MHz. Trong tương lai GaN có thể làm việc ở tần số trên 1 GHz. Tần số chuyển mạch của VBD cao hơn đồng nghĩa với BBĐ có thể tăng tần số cao hơn qua đó giảm kích thước của các phần tử của BBĐ. Tuy nhiên GaN chưa cho phép làm việc ở điện áp và dòng điện cao.
Hiện SiC và GaN đang được đưa vào trong nhiều nghiên cứu thiết kế BBĐ để đưa ra các phương pháp thiết kế và điều khiển tốt nhất cho loại VBD mới này. Một số nghiên cứu cho thấy hiệu suất cao vượt trội tới 95- 99% khi chỉ dùng cấu hình và phương pháp điều khiển đơn giản. Tuy nhiên, giá thành của SiC và GaN còn cao. Về mặt kỹ thuật thì đặc tính làm việc, thiết kế và điều khiển cho các BBĐ chưa được kiểm tra hết nên SiC và GaN chưa được đưa vào phổ biến trong công nghiệp.
Đây đang là một chủ đề nghiên cứu rất hấp dẫn trong học thuật cũng như công nghiệp trên thế giới. Ngoài ra, với các van Si thì có hai loại van là IEGT và RC-IGBT đang được phát triển. IEGT được phát triển có khả năng làm việc ở điện áp và dòng điện cao hơn IGBT thông thường, và đem lại hiệu suất cao hơn các loại van nhóm Thiristor. Do đó một số ứng dụng công suất cao mới đang được phát triển sử dụng van IEGT do TiMEC Nhật Bản thực hiện.
Loại van thứ hai là RC-IGBT là loại van tích hợp IGBT 9 và Diode vào [8]. Hiện KEIHIN Nhật Bản và một số doanh nghiệp phát triển biến tần cho ô tô điện đang quan tâm và phát triển các biến tần sử dụng RC-IGBT. CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN SIÊU NHỎ NỐI LƯỚI 1.1 Các dạng cấu trúc lưới điện siêu nhỏ Những năm gần đây có nhiều công nghệ phát triển đầy hứa hẹn trong việc phân cấp năng lượng bằng các nguồn năng lượng tái tạo (RES) [9, 10]. Sự thâm nhập ngày càng tăng của các nguồn năng lượng tái tạo (phân tán) vào lưới điện xoay chiều truyền thống có thể gây ra các vấn đề khác như điện áp và tần số mất ổn định [11, 12].
Để giải quyết những vấn đề này, các khái niệm như lưới điện siêu nhỏ "Microgrids" và "Lưới thông minh" cho các hệ thống phân phối trong tương lai đã được phát triển. Lưới điện siêu nhỏ khái niệm ban đầu được phát triển vào năm 2002 [13] và nguyên tắc hoạt động của nó dựa trên trên nguyên tắc tổng hợp nhiều nguồn công suất siêu nhỏ và tải vào một mô hình dạng hệ thống bao gồm một tải và nhiều nguồn siêu nhỏ cung cấp có khả năng độc lập hoặc nối lưới [14]. Ngày nay, hầu hết các lưới điện siêu nhỏ đều dựa trên hệ thống lưới điện xoay chiều truyền thống như hình 1-5. Hình 1-5: Sơ đồ khối lưới điện xoay chiều siêu nhỏ nối lưới Tuy nhiên, số lượng lớn các đơn vị hình thành lưới điện siêu nhỏ tạo ra điện áp một chiều DC, ví dụ: tấm quang điện (PV), năng lượng hệ thống lưu trữ (ESS) 10 hoặc xe điện (EV).
Các đơn vị này yêu cầu biến đổi DC/DC và DC/ac bộ biến đổi năng lượng để truyền hoặc hấp thụ năng lượng từ lưới điện xoay chiều. Số lượng nguồn và tải nhiều sẽ làm tăng các giai đoạn chuyển đổi dẫn đến tổng mức tiêu thụ năng lượng cũng như giảm độ tin cậy của nó [15, 16]. Gần đây hơn, các hệ thống lưới điện siêu nhỏ dựa trên lưới điện một chiều, như trong hình 1-6, đã được phát triển nghiên cứu và ứng dụng. So với lưới điện xoay chiều truyền thống, lưới điện một chiều có thể mang lại nhiều lợi thế là: (1) Cần ít bộ chuyển đổi năng lượng hơn dẫn đến hiệu quả cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn và chi phí thấp hơn [15, 17, 18]; (2) Tích hợp hệ thống dễ dàng hơn, vì các vấn đề liên quan đến công suất phản kháng hoặc hòa lưới được loại bỏ [15, 19]; (3) Hiệu quả cao hơn trong việc truyền tải điện [20]; (4) Tải kết nối lưới như máy tính hoặc hệ thống chống sét có thể được trực tiếp cung cấp bởi hệ thống DC [19, 21].
Hình 1-6: Sơ đồ khối kết nối lên lưới điện một chiều siêu nhỏ nối lưới Thông thường, cấu trúc lưới điện siêu nhỏ kết nối trực tiếp ESS với đường dây DC là phổ biến nhất. Kết nối trực tiếp các hệ thống lưu trữ với đường dây DC dẫn đến độ bền của hệ thống rất cao do điện dung của ESS cao và độ ổn định động. Mặt khác, điện áp không thể kiểm soát của bus DC, chủ yếu phụ thuộc vào trạng thái sạc 11 của hệ thống lưu trữ làm cho hệ thống này hạn chế tính linh hoạt [14]. Việc kết nối các ESS thông qua bộ chuyển đổi nguồn, cho phép điều chỉnh tích cực điện áp đường dây DC và do đó, tính linh hoạt của hệ thống được tăng lên đáng kể [14, 20].