Nghiên Cứu Phương Pháp Điều Khiển Bộ Biến Đổi Điện Áp Xoay Chiều Ba Pha Bốn Dây

Trong hệ thống điện ba pha, tải ba pha không cân bằng có thể do sự phân phối không đều về tải giữa ba pha hoặc do tải ba pha cân bằng làm việc trong điều kiện hệ thống bị sự cố như mất pha hoặc chạm pha. Nhiều phương pháp xác định tỉ lệ không cân bằng của tải/nguồn tồn tại, nhưng có thể nhóm chúng thành hai phương pháp chung: tính %UnBal dựa trên sự chênh lệch giữa tải pha lớn nhất và tải pha nhỏ nhất, và định nghĩa không cân bằng dựa vào các thành phần đối xứng. Phương pháp thứ nhất, mặc dù đơn giản, có thể không chính xác trong một số trường hợp nhất định.

Tải phi tuyến tạo ra các sóng hài trong dòng điện, gây méo dạng điện áp lưới và ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị khác kết nối vào lưới. Các thiết bị điện tử công suất như bộ chỉnh lưu, biến tần ba pha, và các thiết bị sử dụng nguồn xung (SMPS) thường là nguồn gốc của tải phi tuyến. Việc phân tích và giảm thiểu ảnh hưởng của tải phi tuyến là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng nguồn điện chất lượng và độ tin cậy của hệ thống.

Sóng hài do tải phi tuyến gây ra có thể làm méo dạng điện áp lưới, ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị nhạy cảm với chất lượng điện năng. Các thiết bị như máy tính, thiết bị điều khiển, và thiết bị đo lường có thể hoạt động không chính xác hoặc bị hư hỏng do ảnh hưởng của sóng hài. Việc sử dụng bộ lọc sóng hài là một giải pháp phổ biến để giảm thiểu ảnh hưởng của sóng hài đến điện áp lưới.

Để cải thiện hệ số công suất trong hệ thống ba pha, có thể sử dụng các phương pháp như bù công suất phản kháng bằng tụ điện hoặc sử dụng các bộ bù công suất phản kháng tĩnh (SVC) hoặc bộ lọc tích cực (APF). Các phương pháp này giúp giảm dòng điện phản kháng, cải thiện hệ số công suất, và giảm tổn thất điện năng trong hệ thống.

Tải không cân bằng gây ra dòng điện chạy trong dây trung tính. Điều này có thể làm tăng tổn thất và gây quá nhiệt cho dây trung tính, đặc biệt trong các hệ thống có dây trung tính nhỏ. Việc cân bằng tải hoặc sử dụng biến áp cách ly có thể giúp giảm thiểu dòng điện trong dây trung tính.

Điều khiển vector là một phương pháp điều khiển cao cấp cho bộ biến tần ba pha, cho phép điều khiển độc lập dòng điện và từ thông của động cơ. Phương pháp này sử dụng các phép biến đổi tọa độ để chuyển đổi các biến điện áp và dòng điện từ hệ tọa độ ba pha sang hệ tọa độ quay dq0, giúp đơn giản hóa việc điều khiển và cải thiện hiệu suất động cơ.

Điều khiển trực tiếp là một phương pháp điều khiển đơn giản hơn so với điều khiển vector, tập trung vào việc điều khiển trực tiếp điện áp và từ thông của động cơ mà không cần các phép biến đổi tọa độ phức tạp. Phương pháp này có ưu điểm là đáp ứng nhanh và ít phụ thuộc vào thông số động cơ.

Mỗi phương pháp điều khiển đều có ưu và nhược điểm riêng. Điều khiển vector cho hiệu suất cao nhưng phức tạp, trong khi điều khiển trực tiếp đơn giản nhưng có thể kém hiệu quả hơn trong một số ứng dụng. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Điều chế vector không gian dựa trên việc lựa chọn các vector điện áp thích hợp để tạo ra điện áp đầu ra mong muốn. Các vector điện áp được chọn sao cho giá trị trung bình của điện áp đầu ra trong một chu kỳ chuyển mạch bằng với điện áp tham chiếu. Việc lựa chọn vector điện áp được thực hiện dựa trên vị trí của điện áp tham chiếu trong không gian vector.

Điều chế vector không gian có nhiều ưu điểm so với điều khiển PWM truyền thống, bao gồm hiệu suất cao hơn, THD thấp hơn, và khả năng điều khiển dòng trung tính. Kỹ thuật này cũng cho phép sử dụng tối đa điện áp DC bus, giúp cải thiện hiệu suất của bộ biến đổi.

Thuật toán lựa chọn vector trong SVM cho bộ biến đổi bốn dây phức tạp hơn so với bộ biến đổi ba dây, do phải xét đến cả dòng trung tính. Thuật toán này thường bao gồm các bước như xác định lăng trụ, xác định tứ diện, và tính toán các tỷ số điều chế để chọn các vector điện áp phù hợp.

Để mô phỏng hệ thống chỉnh lưu bốn dây trong Matlab/Simulink, cần xây dựng các mô hình cho các thành phần chính của hệ thống, bao gồm bộ chỉnh lưu, mạch điều khiển, và tải. Các mô hình này có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các khối có sẵn trong Simulink hoặc bằng cách viết các hàm tùy chỉnh bằng ngôn ngữ Matlab.

Kết quả mô phỏng cho thấy bộ chỉnh lưu bốn dây có khả năng hoạt động ổn định và cung cấp điện áp DC chất lượng cao trong cả điều kiện điện lưới cân bằng và không cân bằng. Trong điều kiện điện lưới không cân bằng, bộ chỉnh lưu bốn dây có thể giảm thiểu ảnh hưởng của sự không cân bằng đến điện áp DC đầu ra.

Các tham số đánh giá hiệu năng của bộ chỉnh lưu bao gồm: độ ổn định điện áp, hiệu suất chuyển đổi, THD của dòng điện lưới, và khả năng đáp ứng với sự thay đổi của tải. Các tham số này có thể được đo và phân tích từ kết quả mô phỏng.

Nghiên cứu đã thành công trong việc xây dựng các mô hình mô phỏng cho bộ biến đổi AC-AC ba pha bốn dây và đánh giá hiệu suất của các phương pháp điều khiển khác nhau. Các kết quả đạt được cung cấp cơ sở cho việc thiết kế và triển khai các hệ thống biến đổi AC-AC hiệu quả hơn.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, sử dụng các linh kiện bán dẫn mới với hiệu suất cao hơn, và tích hợp các chức năng bảo vệ và giám sát hệ thống thông minh. Nghiên cứu về ứng dụng điện năng lượng mặt trời và điện gió cũng rất tiềm năng.

Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong lưới điện thông minh (Smart Grid) để cải thiện chất lượng điện năng, tăng cường độ tin cậy, và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo. Bộ biến đổi AC-AC đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các nguồn phân tán và điều khiển luồng công suất trong Smart Grid.