CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước Năng lượng tái tạo đang có sự phát triển mạnh mẽ bởi vì tính bền vững và thân thiện với môi trường trong khi tiềm năng vô cùng lớn [1]. Trong vài năm qua, năng lượng tái tạo trên thế giới có mức tăng đáng kể so với mức tăng của năng lượng từ điện than mỗi năm [trích từ nguồn năng lượng Việt Nam]. Trong những năm gần đây năng lượng sạch được các nước đang phát triển như Trung Quốc và Ấn Độ - hai quốc gia này đã đầu tư mạnh cho nguồn năng lượng sạch nhằm cải tạo môi trường đang bị ô nhiễm nặng nhất thế giới.
Ngoài ra dưới áp lực của công chúng liên quan đến vấn đề môi trường và để vượt qua khủng hoảng kinh tế. Thêm vào đó, pin mặt trời với giá thành ngày càng giảm cũng làm cho các nước Châu Á – Thái Bình Dương (đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ) với mức tiêu thụ năng lượng nhiều nhất thế giới cũng có những chính sách tương tự trong tương lai. Điều này làm cho năng lượng tái tạo ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn, cụ thể hình 1. cho thấy mức đầu tư vào hệ thống năng lượng tái tạo phát triển mạnh mẽ theo từng năm.
Năm 2004 phát triển nhỏ lẻ, bắt đầu năm 2010 bùng nổ năng lượng tái tạo và cho đến nay vẫn đang phát triển nhưng mức tăng không đáng kể.1: Chi phí đầu tư cho năng lượng mặt trời và điện gió của thế giới. Theo quyết định số 428/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ về phê duyệt đề án điều chỉnh quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 thì Việt Nam sẽ đẩy nhanh phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời, bao gồm cả nguồn tập trung lắp đặt trên mặt đất và nguồn phân tán lắp đặt trên mái nhà: đưa tổng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể hiện nay lên Khoảng 850 MW vào năm 2020, Khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và Khoảng 12.000 MW vào năm 15 Luan van 2030 và điện năng sản xuất từ nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng Khoảng 0,5% năm 2020, Khoảng 1,6% vào năm 2025 và Khoảng 3,3% vào năm 2030. Thêm vào đó, nhằm xã hội hóa ngành điện để giảm sự đầu tư của nhà nước, thị trường điện Việt Nam sẽ xuất hiện thêm các công ty mua bán điện, các công ty xây dựng đường dây mới và các công ty sản xuất nguồn điện phân tán trong mạng điện phân phối. Để nâng cao hiệu quả cung cấp điện và giảm chi phí bồi thường cho khách hàng hay hộ tiêu thụ khi bị mất điện, các nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng nhiều và đòi hỏi chất lượng điện năng ngày càng cao.
Với các nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng mặt trời thì các bộ biến đổi DC/AC nguồn áp và các bộ biến đổi DC/DC tăng áp đóng vai trò trọng yếu và thường thực hiện theo hình 1. Hệ thống Bộ lưu Bộ chuyển Bộ chuyển Bộ lọc ngõ Lưới 3 pha Solar cell điện đổi DC-DC đổi DC-AC ra Hình 1.2 cấu trúc hệ nguồn phân tán sử dụng năng lượng mặt trời Vì thế việc nghiên cứu các bộ nghịch lưu nguồn áp và bộ nghịch lưu tăng áp là yêu cầu cấp thiết hiện nay. Khái quát về nghịch lưu tăng áp Trong những năm gần đây, bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage source inverters- VSIs) đóng vai trò trong hệ thống phân phối công suất bởi vì chúng chuyển đổi nguồn công suất DC thành nguồn công suất AC để kết nối lưới. VSIs đa bậc có nhiều ưu điểm như là chất lượng điện năng tốt hơn, yêu cầu bộ lọc ngõ ra nhỏ hơn, điện áp đặt trên các khóa bán dẫn thấp hơn, điện áp và công suất có khả năng cao hơn và nhiễu điện từ (EMI) thấp hơn [2], [3].
Tuy nhiên VSI đa bậc thông thường cho các ứng dụng trên có những nhược điểm lớn sau: - Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu luôn thấp hơn điện áp đầu vào. Do đó, VSI chỉ là một bộ giảm áp. VSI muốn sử dụng cho mục đích tăng áp cần sử dụng thêm một bộ tăng áp DC/DC hoặc máy biến áp tại đầu ra bộ nghịch lưu. Sử dụng cấu hình DC/DC tăng áp và máy biến áp khiến cho kích thước và chi phí bộ nghịch lưu tăng lên đáng kể [4].
- VSI không cho phép trạng thái hai khóa trên cùng một nhánh cùng dẫn (hiện tượng ngắn mạch – Shoot through (ST)). Hiện tượng ngắn mạch khiến cho ngắn mạch nguồn 16 Luan van áp gây tổn hại đến linh kiện bộ nghịch lưu. Bộ dead-time thường được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của ST. Tuy nhiên, việc sử dụng dead-time làm suy giảm hiệu suất của bộ chuyển đổi [5].
S1 S3 Vdc A LOAD B S2 S4 Hình 1. Mạng nghịch lưu nguồn áp thông thường (VSI) Nghịch lưu dùng nguồn Z với khả năng chuyển đổi công suất một chặng sẽ khắc phục những hạn chế của những bộ nghịch lưu truyền thống được giới thiệu trong [6] (hình 1. D L1 S1 S3 C1 C2 Vdc A LOAD B S2 S4 L2 Hình 1. Mạng nghịch lưu nguồn kháng Z Source Trong nghiên cứu [7] thảo luận về nghịch lưu nguồn Z một pha 5 bậc.
Nghiên cứu này đã trình bày sự kết hợp giữa mạng nguồn Z và nghịch lưu 1 pha năm bậc hình T, trong khi vẫn thừa hưởng những thuận lợi của nghịch lưu nguồn Z. Tuy nhiên, cấu hình này vẫn tồn tại một số nhược điểm như dòng điện ngõ vào không liên tục. Tính năng chính của mạng nguồn Z sử dụng trạng thái ngắn mạch để tăng điện áp ngõ vào cho mạch nghịch lưu khi các khóa trên cùng một nhánh dẫn đồng thời. Tuy nhiên, trong [8] chỉ ra những nhược điểm mạng nguồn Z cần phải cải tiến đó là dòng điện ngõ vào không liên tục trong trạng thái tăng áp và điện áp đặt trên tụ điện cao.
Cấu hình nghịch lưu tựa nguồn Z (qZSI) đã khắc phục những nhược điểm của mạng nguồn Z đó là: (1) dòng điện ngõ vào liên tục, (2) giảm điện áp đặt lên các linh kiện điện tử công suất và độ tin cậy của hệ thống được nâng cao [9]. 17 Luan van C1 L1 L2 D S1 S3 Vdc A C2 B LOAD S2 S4 Hình 1. Mạng nghịch lưu nguồn kháng Quasi Z Source Nghịch lưu cascade cầu H (CHB) tựa nguồn Z (qZSI) với chuyển đổi công suất một chặng được giới thiệu trong [10]. Trong cấu hình CHB-qZSI các xung ngắn mạch được chèn vào vector zero để tăng điện áp ngõ vào mạch nghịch lưu mà không gây bất kỳ thiệt hại nào cho hệ thống.
Như kết quả, mỗi Module trong cấu hình CHB-qZSI tạo ra điện áp DC-link giống nhau bằng cách điều khiển chu kỳ xung ngắn mạch. Trong [11], một phương pháp điều khiển SPWM sử dụng trong mạng nguồn kháng qZSI để đáp ứng yêu cầu điều khiển động cơ trong hệ thống xe điện mà các phương pháp điều khiển nghịch lưu qZSI thông thường không thể đáp ứng. Khi nâng số bậc điện áp lên thì số Module mạng nguồn kháng qZSI bắt buộc phải tăng mà cấu hình mạng nguồn kháng qZSI gồm hai tụ điện và hai cuộn dây, việc này làm tăng kích thước, khối lượng và tổn thất công suất hệ thống. Để cải tiến về mặt kích thước, khối lượng vả chi phí nhưng vẫn duy trì những ưu điểm của qZSI với chuyển đổi công suất một chặng, mạng nguồn kháng khóa chuyển mạch (qSBI) được giới thiệu trong [12].
So sánh về mặt cấu hình với ZS/qZSI, mạng nguồn kháng qSBI tiết kiệm hơn một cuộn dây và một tụ điện nhưng sử dụng nhiều hơn một khóa công suất và một diode. So sánh giữa hai cấu hình qSBI và qZSI một pha được trình bày trong [13] cho thấy những ưu điểm vượt trội của qSBI so với qZSI là sử dụng ít hơn một cuộn dây với điện cảm lớn hơn và ít hơn một tụ điện với điện dung nhỏ hơn, dòng điện trong các diode và khóa công suất thấp, hiệu suất cao hơn. L1 D2 S1 S3 Vdc A LOAD B S C1 D1 S2 S4 Hình 1. Mạng nghịch lưu nguồn kháng Quasi Switch Boost.
18 Luan van Hai module cầu H (CHB) kết hợp với hai mạng qSB để tạo điện áp ngõ ra một pha năm bậc như trình bày trong [14]. Nhược điểm của cấu hình này có độ lợi điện áp chưa cao cũng như điện áp đặt trên các phần tử công suất cao. Trong bài báo [15] đã trình bày một cấu hình qSBI mới với những ưu điểm có thể kể đến như: (1) độ lợi điện áp cao, (2) dòng điện ngõ vào liên tục với độ gợn dòng điện trên cuộn dây tăng áp thấp, (3) giảm điện áp đặt trên các tụ điện, trên các khóa công suất bằng cách sử dụng thêm một cuộn dây và một tụ điện cho cấu hình nghịch lưu cầu H tựa khóa chuyển mạch qSBI một pha ba bậc. Tuy nhiên cấu hình nghịch lưu này chỉ hoạt động ở ba bậc nên chất lượng điện áp chưa cao.
Do đó đề tài này trình bày một cấu hình cải tiến cho nghịch lưu một pha 5 bậc cầu H tựa khóa chuyển mạch dạng ghép tầng cầu H (CHB-qSBI-HG) với mục tiêu tăng độ lợi điện áp, dòng điện ngõ vào liên tục, giảm điện áp đặt trên các phần tử công suất. Nghịch lưu áp 1 pha 5 bậc cầu H ở nước ngoài Các công trình nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc xuất phát từ các phòng thí nghiệm của các nước Mỹ, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc… cũng chỉ theo hai hướng trên. Các công trình tiêu biểu cho hướng nghiên cứu có thể kể đến là công trình của các tác giả sau: [13] M. Park, “A comparison between single phase quasi-Z-source and tựa khóa chuyển mạch inverters,” IEEE Trans.
Với công trình này Tác giả so sánh cấu hình, giải thuật của hai phương pháp. Tuy nhiên, tác giả chưa quan tâm đến độ lợi điện áp ngõ ra. [15] Minh-Khai Nguyen, Truong-Duy Duong , Young-Cheol Lim , Joon-Ho Choi, “High Voltage Gain Tựa khóa chuyển mạch Inverters With Low Input Current Ripple”, IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. Tan-Tai Tran, Minh-Khai Nguyen, “Cascaded five-level quasi-switched-boost inverter for single-phase grid-connected system”, IET Power Electronics, vol.
Với các công trình trên các tác giả sử dụng mạng nguồn kháng bằng khóa chuyển mạch để giảm điện áp đặt trên các thành phần công suất thụ động và tích cực cũng như ứng dụng kết nối lưới. Tuy nhiên, công trình trên có độ lợi điện áp chưa cao.