Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, việc chuyển đổi điện một chiều (DC) thành điện xoay chiều (AC) có hiệu suất cao và độ tin cậy lớn trở thành yêu cầu cấp thiết. Bộ nghịch lưu công suất đóng vai trò then chốt trong quá trình này, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp và sinh hoạt gia đình. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu ba pha ba bậc đang được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng tạo ra điện áp ngõ ra chất lượng cao với tổng méo hài (THD) thấp. Tuy nhiên, các cấu hình nghịch lưu truyền thống như diode kẹp (NPC), tụ kẹp (Flying Capacitor), và cascade multilevel inverter vẫn tồn tại nhiều hạn chế như điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn DC, số lượng linh kiện lớn làm giảm độ tin cậy, và không có khả năng dự phòng khi xảy ra lỗi hở mạch hoặc ngắn mạch.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất và phát triển một cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T kết hợp mạch nguồn Z có khả năng xử lý lỗi hở mạch/ngắn mạch bằng phương pháp thay thế nhánh dự phòng, đồng thời nâng cao điện áp ngõ ra. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi xử lý lỗi trên một pha, với thời gian thực hiện từ năm 2016 đến 2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống nghịch lưu, đặc biệt ứng dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu và điện gió, góp phần phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

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 (Inverter Theory): Bộ nghịch lưu chuyển đổi điện áp DC thành AC, với các linh kiện bán dẫn như IGBT, MOSFET điều khiển đóng/ngắt dòng điện. Các cấu hình nghịch lưu ba bậc phổ biến gồm diode kẹp (NPC), tụ kẹp (Flying Capacitor), cascade (CHB) và hình T.

  • Mô hình nghịch lưu 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 trạng thái ngắn mạch an toàn, cải thiện độ tin cậy.

  • Khái niệm lỗi dung sai và lỗi không cho phép: Lỗi hở mạch/ngắn mạch trên các khóa bán dẫn được phân loại theo mức độ ảnh hưởng đến hệ thống, trong đó lỗi hở mạch ở một số khóa được xem là lỗi dung sai, không ảnh hưởng nhiều, còn lại là lỗi không cho phép cần xử lý.

  • 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 mong muốn.

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, cùng các tài liệu kỹ thuật về nghịch lưu và mạch nguồn Z.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích nguyên lý hoạt động, mô hình toán học của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc nguồn Z hình T, các trạng thái lỗi và quy trình xử lý lỗi.

  • Mô phỏng: Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm PSIM để kiểm chứng lý thuyết, với các thông số mạch được lựa chọn phù hợp.

  • Thực nghiệm: Thiết kế mô hình thực nghiệm sử dụng kit điều khiển DSP TMS320F28335 và FPGA Cyclone II EP2C5T144, đo đạc điện áp, dòng điện và tổng méo hài (THD) bằng thiết bị đo Tektronix chính xác.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 10/2016 đến tháng 5/2018, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, thiết kế thực nghiệm và đánh giá kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm được xây dựng trên bộ nghịch lưu ba pha ba bậc với các linh kiện bán dẫn IGBT, TRIAC, diode và các cảm biến áp, dòng điện, đảm bảo tính đại diện cho cấu hình đề xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng chịu lỗi và xử lý lỗi hiệu quả: Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc nguồn Z hình T với nhánh dự phòng có thể duy trì hoạt động khi xảy ra lỗi hở mạch trên khóa công suất S1a hoặc S4a của một pha. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp ngõ ra sau xử lý lỗi phục hồi gần như hoàn toàn với biên độ điện áp dây VAB đạt khoảng 95% so với điều kiện bình thường.

  2. Tăng điện áp ngõ ra vượt điện áp nguồn: Nhờ mạch nguồn Z, điện áp ngõ ra có thể tăng lên gấp khoảng 1.2 đến 1.5 lần điện áp nguồn DC, điều chỉnh thông qua hệ số ngắn mạch D. Ví dụ, với D = 0.3, điện áp đỉnh VPN tăng lên đáng kể, giúp cải thiện hiệu suất chuyển đổi.

  3. Giảm tổng méo hài (THD): Ở điều kiện bình thường, THD đo được khoảng 5%, trong khi khi xảy ra lỗi nhưng chưa xử lý, THD tăng lên trên 15%. Sau khi xử lý lỗi bằng nhánh dự phòng, THD giảm trở lại dưới 6%, đảm bảo chất lượng điện năng.

  4. Thời gian chuyển mạch nhanh và cách ly linh kiện lỗi: Việc sử dụng khóa công suất IGBT và TRIAC thay thế tiếp điểm cơ khí giúp giảm thời gian chuyển mạch xuống dưới 1 ms, đồng thời cách ly linh kiện lỗi khỏi tải, tránh ảnh hưởng đến hệ thống và tải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ nghịch lưu đề xuất hoạt động ổn định dưới điều kiện lỗi là do thiết kế nhánh dự phòng kết hợp với mạch nguồn Z, cho phép thay thế linh kiện lỗi nhanh chóng và duy trì điện áp ngõ ra ổn định. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng nhánh dự phòng truyền thống với tiếp điểm cơ khí, cấu hình này giảm thiểu thời gian chuyển mạch và tăng độ tin cậy.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng, minh chứng cho tính khả thi của giải thuật điều khiển PWM và cấu hình mạch. Biểu đồ dạng sóng điện áp pha và dòng điện qua tải thể hiện rõ sự phục hồi điện áp sau xử lý lỗi, đồng thời bảng so sánh THD cho thấy cải thiện đáng kể chất lượng điện năng.

Nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc trong các hệ thống năng lượng tái tạo, đặc biệt trong các môi trường đòi hỏi độ tin cậy cao như y tế, quân sự và các nhà thông minh sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống phát hiện lỗi tự động: Áp dụng phương pháp phân tích mẫu đơn giản để phát hiện lỗi hở mạch/ngắn mạch nhanh chóng, giảm thiểu thời gian gián đoạn hệ thống. Chủ thể thực hiện: các nhà phát triển thiết bị điện tử công suất, trong vòng 6 tháng.

  2. Tích hợp nhánh dự phòng với mạch nguồn Z: Thiết kế và sản xuất bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T có nhánh dự phòng và mạch nguồn Z nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu suất điện áp ngõ ra. Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: các công ty sản xuất thiết bị điện tử công suất.

  3. Nâng cao giải thuật điều khiển PWM: Phát triển các thuật toán điều khiển PWM tối ưu hơn, giảm thiểu méo hài và tổn hao chuyển mạch, đồng thời hỗ trợ điều chỉnh điện áp ngõ ra linh hoạt. Chủ thể: nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm điều khiển, trong 9 tháng.

  4. Mở rộng xử lý lỗi đa pha và đa lỗi: Nghiên cứu và phát triển giải pháp xử lý lỗi cho nhiều pha cùng lúc và các loại lỗi khác nhau nhằm tăng tính toàn diện của hệ thống. Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học, trong 18 tháng.

  5. Ứng dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo: Khuyến khích áp dụng cấu hình nghịch lưu đề xuất trong các hệ thống pin năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu và điện gió để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy. Chủ thể: các nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tái tạo, trong 24 tháng.

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, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu.

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

  3. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Tài liệu hữu ích cho việc phát triển các hệ thống chuyển đổi điện năng hiệu quả, đặc biệt trong các ứng dụng pin mặt trời, pin nhiên liệu và điện gió.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị điện: Giúp hiểu rõ các ưu nhược điểm của các cấu hình nghịch lưu, từ đó lựa chọn và phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu thị trường và khách hàng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T có ưu điểm gì so với các cấu hình khác?
    Bộ nghịch lưu hình T sử dụng ít khóa bán dẫn hơn so với cấu hình NPC và tụ kẹp, giảm chi phí và tổn hao, đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng điện áp ngõ ra với tổng méo hài thấp.

  2. Mạch nguồn Z giúp gì cho bộ nghịch lưu?
    Mạch nguồn Z cho phép tăng điện áp ngõ ra vượt quá điện áp nguồn DC, đồng thời cho phép trạng thái ngắn mạch an toàn, giúp cải thiện độ tin cậy và hiệu suất chuyển đổi.

  3. Làm thế nào để phát hiện lỗi hở mạch trên bộ nghịch lưu?
    Phương pháp phân tích mẫu dựa trên cảm biến áp đo điện áp ngõ ra, so sánh với trạng thái bình thường để phát hiện sự khác biệt, từ đó xác định lỗi hở mạch nhanh chóng và chính xác.

  4. Nhánh dự phòng hoạt động như thế nào khi xảy ra lỗi?
    Khi phát hiện lỗi, nhánh dự phòng được kích hoạt thay thế cho nhánh lỗi, cách ly linh kiện lỗi khỏi tải, duy trì hoạt động hệ thống với điện áp ngõ ra gần như bình thường, giảm thiểu gián đoạn.

  5. Ứng dụng thực tế của cấu hình nghịch lưu đề xuất là gì?
    Cấu hình này phù hợp cho các hệ thống năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, điện gió và các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao như y tế, quân sự, nhà thông minh, giúp nâng cao hiệu suất và ổn định hệ thống.

Kết luận

  • Đã đề xuất thành công cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc nguồn Z hình T có khả năng chịu lỗi với nhánh dự phòng và mạch nguồn Z, khắc phục các hạn chế của cấu hình truyền thống.
  • Giải thuật điều chế PWM được phát triển và áp dụng hiệu quả, đảm bảo điện áp ngõ ra chất lượng cao và khả năng điều chỉnh điện áp linh hoạt.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy khả năng xử lý lỗi hở mạch/ngắn mạch nhanh chóng, duy trì hoạt động hệ thống với THD thấp và điện áp ngõ ra ổn định.
  • Luận văn có giá trị thực tiễn cao, ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo và các lĩnh vực đòi hỏi độ tin cậy lớn.
  • Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm mở rộng xử lý lỗi đa pha, nâng cao giải thuật điều khiển và ứng dụng trong các hệ thống thực tế.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai thử nghiệm thực tế, phát triển sản phẩm dựa trên cấu hình đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống nghịch lưu công suất.