Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Điện năng là một trong những phát minh vĩ đại làm thay đổi cuộc sống của loài người như ngày nay. Điện năng có vai trò hết sức quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng… Ở nước ta, hiện nay có các hình thức sản xuất điện năng như : năng lượng gió, năng lượng mặt trời, thủy điện, nhiệt điện… Hình thức sản xuất năng lượng từ thủy điện và nhiệt điện đã có từ lâu, hai hình thức này tồn tại nhược điểm là ảnh hưởng đến môi trường sinh thái như: + Thủy điện : làm thay đổi dòng chảy tự nhiên ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống của các loài thủy sinh và con người. Ví dụ như hàng loạt các thủy điện được xây dựng trên sông MeKong góp phần đưa loài cá heo nước ngọt đến bờ tuyệt chủng. Người dân sinh sống ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long nước ta bị ảnh hưởng nghiêm trọng vì lụt lội, hạn hán… + Nhiệt điện: từ nguồn tài nguyên như than, dầu, … đang dần cạn kiệt.
Việc nghiên cứu ,ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo trong đó phát triển mạnh năng lượng mặt trời đang là xu hướng mới trên thế giới. Góp phần bảo vệ môi trường, thiên nhiên, tạo ra sự phát triển bền vững hài hòa giữa con người với giới tự nhiên. Xu hướng này rất cần thiết cho sự phát triển của đất nước ta. Năng lượng mặt trời được xem là vô tận.
Tuy nhiên, nguồn năng lượng tạo ra từ mặt trời là nguồn điện một chiều. Để sử dụng nguồn điện này vào trong sinh hoạt gia đình, sản xuất, … thì cần phải chuyển đổi sang điện xoay chiều nhờ vào các bộ nghịch lưu công suất. Các bộ nghịch lưu công suất đóng vai trò ngày càng quan trọng trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt gia đình [1]-[5]. Nâng cao hiệu suất chuyển đổi luôn là nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất.
Với các bộ nghịch lưu phổ biến hiện nay như : diode kẹp NPC [3],[6], tụ bay (FC) [5], cascade (CHB) [7],… Với bộ nghịch lưu diode kẹp và tụ kẹp thì sử dụng diode và tụ điện để tạo ra Trang 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP các bậc điện áp hình thang ở ngõ ra giúp nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra , tổng méo hài (THD) thấp, tổn hao chuyển mạch thấp [8]cũng như không cần bộ lọc ngõ ra lớn [9]-[10]. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển thì phức tạp cùng với việc mất cân bằng tụ gây ra khó khăn cho loại cấu hình này. Với cấu hình nghịch lưu ghép tầng cascade (CHB) sử dụng những cầu H tích hợp dễ dàng mở rộng số bậc điện áp ngõ ra [11]-[12]. Nhưng để điện áp đầu ra có nhiều cấp hơn thì đòi hỏi số lượng nguồn đầu vào phải tăng lên làm tăng thêm giá thành.
Với cấu hình nghịch lưu hình T [13]- [14] sử dụng ít hơn số lượng các khóa công suất bán dẫn IGBT so với cấu hình (NPC) và (FC) nên giá thành rẽ hơn mà vẫn đảm bảo được chất lượng điện năng cũng như giảm tổn hao trên linh kiện. Tuy nhiên, các cấu hình kể trên vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như các khóa bán dẫn không được phép dẫn đồng thời vì khi đó xảy ra hiện tượng ngắn mạch làm hư hỏng thiết bị; Điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp DC nguồn cấp; Việc sử dụng nhiều khóa công suất bán dẫn làm ảnh hưởng đến độ tin cậy của toàn hệ thống. Các linh kiện bán dẫn như IGBT, MOSFET rất dễ bị hư hỏng (hở mạch/ngắn mạch) [15]; Không được thiết kế, trang bị phương án dự phòng nên khi có sự cố xảy ra toàn bộ hệ thống bị trì trệ, gián đoạn. Trong nhiều lãnh vực như quân sự, y tế, tài chính,… đòi hỏi rất cao về độ tin cậy của hệ thống.
Việc xảy ra lỗi làm gián đoạn hệ thống sẽ gây ra tổn thất rất lớn về tài sản cũng như tính mạng con người. Đó cũng chính là thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất, làm sao để phát triển hệ thống có khả năng làm việc ngay cả khi dưới điều kiện lỗi, tăng cường độ tin cậy. Việc sử dụng thêm nhánh dự phòng vào cấu hình nghịch lưu ba bậc hình T [16] đã xử lý được sự cố hở mạch/ngắn mạch nhưng vì chưa có mạch tăng áp đầu vào nên điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp ngõ vào. Từ những vấn đề được trình bày ở trên, đề xuất xử lý lỗi cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T bằng phương pháp nhánh dự phòng kết hợp với mạch nguồn Z giúp tăng điện áp ngõ ra sẽ được trình bày.
Luận văn này sẽ tập trung vào phân tích hoạt động của cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc nguồn Z hình T kết hợp giải thuật điều khiển, xử lý lỗi ngắn mạch/hở mạch cho cấu hình này. Trang 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1.2 Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là nghiên cứu xử lý lỗi ngắn mạch/hở mạch trên cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T bằng phương pháp thay thế nhánh dự phòng, kết hợp mạch nguồn Z làm tăng điện áp ngõ ra.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Để đạt được mục đích trên, đề tài có các nhiệm vụ sau: - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động mạch nguồn Z. - Tìm hiểu cấu hình và giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T. - Nghiên cứu các vấn đề lỗi ngắn mạch/hở mạch có thể xảy ra trong bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T.
- Đề xuất giải thuật điều khiển xử lý lỗi ngắn mạch/hở mạch cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc nguồn Z hình T bằng phương pháp nhánh dự phòng. - Tiến hành mô phỏng và làm thí nghiệm trên mô hình đề xuất. Giới hạn của đề tài : - Chỉ tập trung xử lý lỗi hở mạch trên khóa công suất bán dẫn. - Chỉ xử lý lỗi trên một pha.4 Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu về các bộ nghịch lưu, mạch tăng áp và các giải thuật điều khiển từ các tạp chí khoa học, các hội nghị chuyên môn, các bài báo công bố trên thư viện điện tử IEEE Xplore, IET Digital Library, Springer… - Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM để điều khiển bộ nghịch lưu tăng áp ba bậc.
- Ứng dụng các kỹ thuật điều chế PWM, xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển trên phần mềm chuyên dụng Psim. - Kiểm chứng cấu hình mạch nghịch lưu tăng áp ba bậc bằng thực nghiệm. Trang 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Lập trình điều khiển trên phần mềm chuyên dụng Code Composer Studio với Card DSP TMS320F28335 và phần mềm Quartus II với Card FPGA Cyclone II EP2C5T144 để điều khiển thực nghiệm mạch đề xuất. - Các thực nghiệm được thực hiện trên mô hình vật lý với các thiết bị đo hiện đại, chính xác của hãng Tektronix, so sánh với kết quả mô phỏng.5 Điểm mới của đề tài Đề tài đã đề xuất một cấu hình nghịch lưu hình T có nhánh dự phòng và mạch nguồn Z với các ưu điểm như: Sử dụng ít các khóa bán dẫn hơn các cấu hình nghịch lưu truyền thống; Khắc phục được các hạn chế trong việc tăng áp ngõ ra nhờ mạch tăng áp, đồng thời có khả năng hoạt động dưới điều kiện lỗi hở mạch/ngắn mạch.6 Giá trị thực tiễn của đề tài Đề tài có thể ứng dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời (PV), pin nhiên liệu (fuel cell) hay điện gió, nơi mà cần chuyển đổi điện một chiều biên độ thấp thành điện xoay chiều điện thế cao, hoặc dùng trong các nhà thông minh sử dụng pin năng lượng mặt trời thay thế cho điện lưới khi mất điện… Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện và điện tử, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất.
Trang 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết về nghịch lưu 2.1 Khái niệm Bộ nghịch lưu điện có chức năng chuyển đổi năng lượng một chiều sang dạng năng lượng xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Nếu như đại lượng điều khiển ở ngõ ra là dạng điện áp thì ta có bộ nghịch lưu áp, dạng dòng điện thì ta có bộ nghịch lưu dòng.2 Bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Các nguồn điện áp một chiều như acquy, pin, nguồn xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng. Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng điều khiển đóng/ngắt dòng điện qua nó.
Trong ứng dụng công suất vừa và nhỏ ta có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT. Ở ứng dụng công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT,… Mỗi khóa công suất thường được trang bị một diode mắc song song với nó. Việc này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn ngược với chiều dẫn của các khóa công suất. Nhiệm vụ của nó là tạo điều kiện cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa tải xoay chiều và nguồn một chiều, làm hạn chế quá áp phát sinh khi đóng/ngắt các khóa công suất.3 Các cấu trúc nghịch lưu ba bậc thông dụng Có các dạng nghịch lưu đa bậc thông dụng [1][5]: Dạng điốt kẹp (NPC – Neutral Point Clamped Multilevel Inverter).
Dạng tụ bay (Flying Capacitor Multilevel Inverter). Dạng ghép tầng (Cascade inverter). Trang 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Dạng diode kẹp (NPC) Hình 2.1: Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc dạng NPC Thích hợp cho các cấu hình có nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc chứa cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành hai cấp điện áp nhỏ hơn nhờ có hai tụ điện mắc nối tiếp nhau.
Nguyên lý hoạt động: Để Vo = Vdc/2, các khóa S1x, S2x dẫn, các khóa còn lại không dẫn. Để Vo = 0, khóa S2x, S3x dẫn. Để Vo = -Vdc/2, các khóa S3x, S4x dẫn, các khóa còn lại không dẫn. Ưu điểm Khuyết điểm _ Khi bộ nghịch lưu có số bậc từ 3 trở _ Dạng sóng điện áp được cải tiến so với lên thì mức độ chịu được gai áp trên các dạng sóng ở cấu hình truyền thống.
diode không đều. _ Giảm sốc điện áp trên linh kiện. _ Cân bằng áp giữa các nguồn DC phức tạp. Trang 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Dạng tụ kẹp Hình 2.2: Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc dạng tụ kẹp.
Nguyên lý hoạt động: Để Vo = Vdc/2, các khóa S1x, S2x dẫn, các khóa còn lại không dẫn.