Tổng quan nghiên cứu

Điện năng đóng vai trò thiết yếu trong phát triển kinh tế xã hội và an ninh quốc phòng. Tại Việt Nam, các nguồn sản xuất điện năng chủ yếu gồm thủy điện, nhiệt điện, năng lượng mặt trời và gió. Tuy nhiên, thủy điện và nhiệt điện gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường như thay đổi dòng chảy, cạn kiệt tài nguyên và ô nhiễm. Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tái tạo vô tận, thân thiện với môi trường, đang trở thành xu hướng phát triển bền vững. Tuy nhiên, nguồn điện một chiều từ năng lượng mặt trời cần được chuyển đổi sang điện xoay chiều để sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất, qua đó bộ nghịch lưu công suất đóng vai trò quan trọng.

Hiện nay, các bộ nghịch lưu ba pha ba bậc phổ biến như diode kẹp NPC, tụ bay (FC), cascade (CHB) đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Các nhược điểm thường gặp gồm: khóa bán dẫn không được phép dẫn đồng thời gây ngắn mạch, điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn DC, số lượng linh kiện lớn ảnh hưởng đến độ tin cậy, và thiếu thiết kế dự phòng khiến hệ thống dễ bị gián đoạn khi xảy ra lỗi. Đặc biệt, trong các lĩnh vực đòi hỏi độ tin cậy cao như y tế, quân sự, việc xử lý lỗi nhanh chóng và hiệu quả là rất cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển giải pháp xử lý lỗi ngắn mạch và hở mạch trên cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T, kết hợp nhánh dự phòng và mạch nguồn Z để tăng điện áp ngõ ra và nâng cao độ tin cậy hệ thống. Nghiên cứu tập trung trong giai đoạn 2016-2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với ý nghĩa ứng dụng cao trong các hệ thống năng lượng tái tạo như pin mặt trời, pin nhiên liệu và điện gió, đồng thời làm tài liệu giảng dạy chuyên ngành điện tử công suất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết nghịch lưu điện áp: Bộ nghịch lưu chuyển đổi điện áp một chiều sang điện áp xoay chiều, sử dụng các khóa bán dẫn như IGBT, MOSFET để điều khiển đóng/ngắt dòng điện. Các cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc phổ biến gồm diode kẹp (NPC), tụ bay (FC), cascade (CHB) và hình T, mỗi loại có ưu nhược điểm riêng về số lượng linh kiện, chất lượng sóng điện áp và độ tin cậy.

  • Mạch nguồn Z (Z-source inverter): Cấu hình nghịch lưu tích hợp mạch nguồn Z gồm cuộn cảm, tụ điện và diode, cho phép tăng áp điện áp ngõ ra vượt quá điện áp nguồn DC, đồng thời cho phép khóa bán dẫn trên cùng một nhánh dẫn đồng thời trong khoảng thời gian ngắn mạch, giúp tăng độ an toàn và hiệu suất.

  • Khái niệm lỗi trong nghịch lưu: Lỗi hở mạch và ngắn mạch trên khóa bán dẫn là nguyên nhân chính gây gián đoạn hệ thống. Lỗi hở mạch ở một số khóa có thể dung sai, không ảnh hưởng nhiều, nhưng lỗi ngắn mạch thường gây hư hỏng nghiêm trọng. Việc phát hiện và xử lý lỗi kịp thời là cần thiết để duy trì hoạt động liên tục.

  • Giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM): Sử dụng phương pháp Sin PWM để điều khiển các khóa công suất, đảm bảo tạo ra điện áp ngõ ra ba bậc với biên độ và tần số phù hợp, đồng thời điều chỉnh hệ số ngắn mạch để kiểm soát điện áp tăng áp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu từ các tạp chí khoa học, hội nghị chuyên ngành, thư viện điện tử IEEE Xplore, IET Digital Library, Springer về nghịch lưu, mạch tăng áp và điều khiển PWM.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích nguyên lý hoạt động của cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T kết hợp mạch nguồn Z, nghiên cứu các lỗi thường gặp và quy trình xử lý lỗi bằng nhánh dự phòng.

  • Mô phỏng: Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm PSIM để kiểm chứng lý thuyết, sử dụng các thông số thực nghiệm như điện áp nguồn DC, dòng tải, tần số chuyển mạch.

  • Thực nghiệm: Thiết kế mô hình thực nghiệm sử dụng kit điều khiển DSP TMS320F28335 và FPGA Cyclone II EP2C5T144, kết hợp mạch cảm biến áp, mạch nguồn kích và mạch nghịch lưu đề xuất. Các phép đo được thực hiện bằng thiết bị đo hiện đại của hãng Tektronix để so sánh với kết quả mô phỏng.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trong khoảng thời gian từ 10/2016 đến 5/2018, tập trung xử lý lỗi hở mạch trên một pha, sử dụng phương pháp chọn mẫu kỹ thuật và mô hình hóa chi tiết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc nguồn Z hình T có khả năng chịu lỗi: Đề xuất cấu hình mới với 8 khóa IGBT và 3 khóa TRIAC bổ sung để cách ly linh kiện lỗi và thay thế bằng nhánh dự phòng. Cấu hình này giảm số lượng diode và tụ điện so với các cấu hình truyền thống, đồng thời tăng độ tin cậy và khả năng chịu lỗi.

  2. Khả năng tăng áp điện áp ngõ ra: Nhờ mạch nguồn Z, điện áp ngõ ra có thể tăng lên gấp khoảng 1.5 lần điện áp nguồn DC, điều chỉnh bằng hệ số ngắn mạch D. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp dây VAB đạt giá trị hiệu dụng cao hơn so với cấu hình nghịch lưu truyền thống, với tổng méo hài (THD) dưới 5%, đảm bảo chất lượng điện năng.

  3. Xử lý lỗi hở mạch hiệu quả: Khi xảy ra lỗi hở mạch trên khóa S1a, hệ thống phát hiện lỗi nhanh chóng qua cảm biến áp, khóa cách ly linh kiện lỗi và chuyển sang nhánh dự phòng trong vòng vài mili giây. Dạng sóng điện áp pha và dòng tải sau xử lý lỗi phục hồi gần như hoàn toàn, biên độ điện áp không giảm đáng kể, đảm bảo hoạt động liên tục.

  4. So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả thực nghiệm trên mô hình vật lý tương đồng với mô phỏng PSIM, sai số điện áp và dòng điện dưới 3%, chứng minh tính khả thi và độ chính xác của giải thuật điều khiển và cấu hình đề xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của cấu hình đề xuất là do việc tích hợp mạch nguồn Z giúp tăng áp điện áp ngõ ra, đồng thời nhánh dự phòng và khóa TRIAC thay thế cho tiếp điểm cơ khí truyền thống giúp giảm thời gian chuyển mạch và tăng độ tin cậy. So với các nghiên cứu trước đây, cấu hình này sử dụng ít linh kiện hơn, giảm chi phí và kích thước, đồng thời xử lý lỗi nhanh hơn.

Biểu đồ dạng sóng điện áp pha và dòng tải trước và sau xử lý lỗi minh họa rõ sự phục hồi của hệ thống. Bảng so sánh tổng méo hài (THD) cho thấy cấu hình đề xuất duy trì chất lượng điện năng tốt ngay cả khi có lỗi xảy ra. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành điện tử công suất về nghịch lưu nguồn Z và nghịch lưu hình T.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp giải pháp nâng cao độ tin cậy và hiệu suất cho các hệ thống chuyển đổi điện năng từ nguồn DC thấp sang AC cao, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng năng lượng tái tạo và các lĩnh vực đòi hỏi hoạt động liên tục.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo: Áp dụng cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc nguồn Z hình T có khả năng chịu lỗi trong các hệ thống pin mặt trời, pin nhiên liệu và điện gió để nâng cao hiệu suất chuyển đổi và độ tin cậy. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các doanh nghiệp và viện nghiên cứu năng lượng.

  2. Phát triển hệ thống phát hiện lỗi tự động nâng cao: Nghiên cứu tích hợp các phương pháp trí tuệ nhân tạo và học máy để phát hiện lỗi nhanh và chính xác hơn, giảm thiểu thời gian chuyển mạch và tổn thất. Thời gian thực hiện: 2-3 năm, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và trường đại học.

  3. Tối ưu hóa thiết kế linh kiện và thuật toán điều khiển: Nâng cao hiệu suất và giảm chi phí bằng cách lựa chọn linh kiện bán dẫn mới, cải tiến thuật toán PWM và điều chỉnh hệ số ngắn mạch phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Thời gian thực hiện: 1 năm, chủ thể: các nhà sản xuất linh kiện và nhóm nghiên cứu.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về nghịch lưu nguồn Z và xử lý lỗi cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử công suất, đồng thời chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện. Thời gian thực hiện: liên tục, chủ thể: các trường đại học và tổ chức đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu hình nghịch lưu, mạch nguồn Z và xử lý lỗi, làm tài liệu học tập và nghiên cứu.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị điện tử công suất: Tham khảo để áp dụng giải pháp tăng áp và xử lý lỗi trong thiết kế bộ nghịch lưu, nâng cao độ tin cậy sản phẩm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng năng lượng tái tạo: Áp dụng cấu hình nghịch lưu đề xuất trong hệ thống pin mặt trời, điện gió để cải thiện hiệu suất và độ bền hệ thống.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điều khiển tự động: Nghiên cứu giải thuật điều khiển PWM và phát hiện lỗi để phát triển các hệ thống điều khiển thông minh hơn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T có ưu điểm gì so với các cấu hình khác?
    Cấu hình hình T sử dụng ít diode và tụ điện hơn, giảm chi phí và kích thước, đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng điện áp ngõ ra với tổng méo hài thấp. Ví dụ, so với cấu hình NPC, nó tiết kiệm 6 diode và 3 tụ điện.

  2. Mạch nguồn Z giúp tăng áp điện áp ngõ ra như thế nào?
    Mạch nguồn Z sử dụng cuộn cảm và tụ điện để tích trữ và tăng áp điện áp DC, cho phép điện áp ngõ ra cao hơn điện áp nguồn DC gấp khoảng 1.5 lần, điều chỉnh bằng hệ số ngắn mạch D.

  3. Làm thế nào để phát hiện và xử lý lỗi hở mạch trên khóa bán dẫn?
    Sử dụng cảm biến áp để đo điện áp ngõ ra, phân tích mẫu so sánh với trạng thái bình thường để phát hiện lỗi. Sau đó, khóa cách ly linh kiện lỗi và chuyển sang nhánh dự phòng để duy trì hoạt động.

  4. Giải thuật PWM được áp dụng trong nghiên cứu này là gì?
    Sử dụng phương pháp Sin PWM, so sánh sóng sin tham chiếu với sóng mang tam giác để tạo xung điều khiển các khóa công suất, đảm bảo điện áp ngõ ra ba bậc và điều chỉnh hệ số ngắn mạch.

  5. Ứng dụng thực tiễn của cấu hình nghịch lưu đề xuất là gì?
    Phù hợp cho các hệ thống năng lượng tái tạo như pin mặt trời, pin nhiên liệu, điện gió, cũng như các hệ thống đòi hỏi độ tin cậy cao như y tế, quân sự, giúp chuyển đổi điện áp DC thấp sang AC cao hiệu quả và ổn định.

Kết luận

  • Đã đề xuất thành công cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc nguồn Z hình T có khả năng chịu lỗi, tích hợp nhánh dự phòng và khóa TRIAC thay thế tiếp điểm cơ khí.
  • Mạch nguồn Z giúp tăng điện áp ngõ ra vượt điện áp nguồn DC, cải thiện hiệu suất chuyển đổi và chất lượng điện năng với THD dưới 5%.
  • Giải thuật điều khiển PWM và quy trình xử lý lỗi hở mạch được phát triển, cho phép phát hiện và cách ly lỗi nhanh chóng, duy trì hoạt động liên tục.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp.
  • Đề xuất hướng phát triển tiếp theo gồm ứng dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo, phát triển hệ thống phát hiện lỗi tự động và đào tạo chuyển giao công nghệ.

Để tiếp tục phát triển, cần mở rộng nghiên cứu xử lý lỗi trên nhiều pha, tích hợp trí tuệ nhân tạo trong phát hiện lỗi và tối ưu hóa thiết kế linh kiện. Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng giải pháp này để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy hệ thống điện tử công suất.