Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện: Thiết kế bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có nối lưới

Khóa luận đánh giá Thiết kế bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có nối lưới trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện, tiếp cận đa chiều, kết quả có tính khả thi

• Tác giả: Trần Quốc Vinh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đình Tuyên
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Ba Bậc Có Nối Lưới
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài
• 2. CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH BA PHA VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG
• 2.1. Bộ nghịch lưu ba pha NPC
• 2.2. Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM)
• 2.3. Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM)
• 2.4. Phương pháp điều chế vector không gian có giảm và triệt tiêu điện áp common-mode
• 2.5. Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện
• 3. CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP HÒA ĐỒNG BỘ
• 3.1. Phương pháp phát hiện điểm không (ZCD)
• 3.2. Phương pháp vòng khóa pha
• 3.3. Tổng quan về Phase locked loop
• 3.4. Điều chỉnh PLL
• 3.5. Giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu ba pha nối lưới
• 4. CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC CÓ NỐI LƯỚI
• 4.1. Tổng quan chương trình mô phỏng
• 4.2. Khối vòng khóa pha
• 4.3. Khối chuyển đổi hệ trục tọa độ
• 4.4. Khối tính toán công suất tác dụng và công suất phản kháng
• 4.5. Khối điều khiển dòng điện
• 4.6. Khối giải thuật vector không gian
• 4.7. Khối đầu ra của bộ nghịch lưu và lưới
• 4.8. Đáp ứng điều khiển PQ khi hòa lưới
• 4.9. Sơ đồ giải thuật tổng quát
• 4.10. Mô hình thực nghiệm tổng quát
• 4.11. Giới thiệu về vi điều khiển của hãng Texas Instrument TMS320F28379D
• 4.12. Giới thiệu về Board điều khiển TMS320F28379D Launchpad
• 4.13. Mạch lái cho khóa công suất IGBT
• 4.14. Thông số của IGBT
• 4.15. Thông số của Diode kẹp
• 4.16. Mạch cảm biến điện áp
• 4.17. Mạch cảm biến dòng điện
• 4.18. Mạch giao tiếp với cảm biến dòng và áp
• 4.19. Mạch tạo nguồn DC cấp cho bộ nghịch lưu
• 4.20. Mạch lọc LC
• 6. CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 6.1. Tổng quan về các chế độ thực nghiệm
• 6.2. Chạy Inverter điều khiển độc lập cấp nguồn cho tải ba pha
• 6.3. Chế độ đo điện áp từ lưới và phát lại
• 6.4. Hòa lưới và điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI CAM ĐOAN

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về đề tài

Đề tài "Thiết kế bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có nối lưới" được thực hiện nhằm nghiên cứu và phát triển một hệ thống nghịch lưu hiệu quả, phục vụ cho việc chuyển đổi năng lượng tái tạo từ điện mặt trời và điện gió sang điện xoay chiều có thể hòa lưới. Bộ nghịch lưu ba pha không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng mà còn giúp cải thiện chất lượng điện năng đầu ra. Việc sử dụng công nghệ Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) trong thiết kế giúp điều khiển chính xác các công tắc trong hệ thống, từ đó tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Kết quả của nghiên cứu này có thể ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, góp phần vào việc phát triển bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1. Lý do chọn đề tài

Nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo đang gia tăng mạnh mẽ trong bối cảnh biến đổi khí hậu và cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch. Bộ nghịch lưu ba pha với khả năng hòa lưới là một giải pháp hiệu quả để chuyển đổi và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo. Đề tài này không chỉ đáp ứng nhu cầu thực tiễn mà còn đóng góp vào nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực kỹ thuật điện.

1.2. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và phát triển một bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có khả năng hòa lưới, sử dụng vi điều khiển TMS320F28379D. Đề tài sẽ nghiên cứu giải thuật SVPWM để điều khiển bộ nghịch lưu, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng đầu ra của hệ thống. Kết quả đạt được sẽ được kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm thực tế.

II. Tổng quan về bộ nghịch lưu ba pha và phương pháp điều chế độ rộng xung

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu hình và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu ba pha NPC. Bộ nghịch lưu này được thiết kế để chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, phục vụ cho việc hòa lưới. Phương pháp điều chế SVPWM được áp dụng nhằm tối ưu hóa quá trình chuyển đổi, giúp giảm thiểu điện áp common-mode và cải thiện chất lượng điện năng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng SVPWM mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp điều chế khác như SPWM. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển đổi mà còn cải thiện độ ổn định của hệ thống.

2.1. Bộ nghịch lưu ba pha NPC

Bộ nghịch lưu ba pha NPC được cấu thành từ nhiều công tắc IGBT, cho phép điều khiển dòng điện và điện áp đầu ra một cách linh hoạt. Cấu hình này giúp cải thiện khả năng điều khiển và hiệu suất của bộ nghịch lưu, đồng thời giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc do quá tải. Sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng bộ nghịch lưu trong các hệ thống năng lượng tái tạo.

2.2. Phương pháp điều chế vector không gian SVPWM

Phương pháp SVPWM là một trong những kỹ thuật điều chế tiên tiến nhất hiện nay. Nó cho phép tạo ra các điện áp đầu ra gần với giá trị lý tưởng hơn, từ đó giảm thiểu độ méo hài và tổn thất năng lượng. Kỹ thuật này sử dụng các vector không gian để mô tả trạng thái của bộ nghịch lưu, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển. Việc áp dụng SVPWM trong bộ nghịch lưu ba pha NPC không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn cải thiện độ tin cậy của hệ thống.

III. Mô phỏng và thực nghiệm bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có nối lưới

Chương này trình bày các kết quả mô phỏng và thực nghiệm của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc. Sử dụng phần mềm Matlab Simulink, mô hình được xây dựng để kiểm tra tính khả thi của thiết kế. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng bộ nghịch lưu hoạt động ổn định, với khả năng điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q hiệu quả. Các thí nghiệm thực tế cũng được thực hiện để xác nhận các kết quả mô phỏng, cho thấy điện áp đầu ra gần như đồng bộ với điện áp lưới, điều này chứng tỏ tính khả thi của bộ nghịch lưu trong việc hòa lưới.

3.1. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink

Mô phỏng hệ thống bằng Matlab Simulink cho phép kiểm tra các thông số và điều kiện hoạt động của bộ nghịch lưu ba pha. Các kết quả cho thấy điện áp đầu ra đạt được gần với giá trị lý tưởng, đồng thời công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q được điều khiển chính xác. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng giải thuật SVPWM mang lại hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa hoạt động của bộ nghịch lưu.

3.2. Thực nghiệm với phần cứng TMS320F28379D

Phần thực nghiệm được thực hiện trên nền tảng vi điều khiển TMS320F28379D, cho phép điều khiển bộ nghịch lưu ba pha một cách chính xác. Các kết quả thu được từ thí nghiệm cho thấy rằng điện áp đầu ra và điện áp lưới gần như đồng bộ, điều này chứng tỏ tính khả thi của thiết kế. Hệ thống đã hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau, cho thấy sự thành công trong việc phát triển bộ nghịch lưu có khả năng hòa lưới.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, việc nghiên cứu các bộ biến đổi công suất đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất và chất lượng nguồn điện. Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc có nối lưới (NPC) là một trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống biến đổi công suất, đặc biệt trong các ứng dụng hòa lưới năng lượng tái tạo. Nghiên cứu tập trung vào thiết kế và điều khiển bộ nghịch lưu này nhằm tối ưu hóa công suất tác dụng và công suất phản kháng, đảm bảo hòa đồng bộ với lưới điện.

Mục tiêu chính của luận văn là phát triển bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28379D, áp dụng giải thuật điều chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM) và phương pháp vòng khóa pha SRF-PLL để điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink và thiết kế mô hình thực nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2017.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng điện năng, giảm méo dạng sóng (THD), đồng thời góp phần phát triển các ứng dụng năng lượng tái tạo như smart solar inverter, wind turbine nối lưới và hệ thống micro grid thông minh. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy đáp ứng điều khiển công suất P và Q đạt hiệu quả cao, với giá trị THDi dòng điện pha a là 4,73% và THDv điện áp dây VAB là 31,77%, minh chứng cho tính khả thi và hiệu quả của giải thuật SVPWM trong điều khiển bộ nghịch lưu NPC.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM): Đây là kỹ thuật điều chế số nhằm tạo ra điện áp tải PWM trung bình bằng điện áp tham chiếu. SVPWM sử dụng các vector không gian trong mặt phẳng phức để xác định trạng thái đóng ngắt và thời gian tồn tại của các vector trong mỗi chu kỳ lấy mẫu. Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC có 27 trạng thái đóng ngắt tương ứng với 19 vector không gian, được phân loại thành vector lớn, vừa, nhỏ và vector không. Giải thuật SVPWM giúp giảm méo dạng sóng và điện áp common-mode, nâng cao chất lượng điện áp đầu ra.

2. Phương pháp vòng khóa pha SRF-PLL (Synchronous Rotating Frame Phase Locked Loop): Đây là kỹ thuật đồng bộ pha giữa điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu và điện áp lưới. SRF-PLL tách góc quay theta từ điện áp lưới, hỗ trợ chuyển đổi hệ trục tọa độ abc sang dq0 và ngược lại, giúp điều khiển chính xác công suất tác dụng và phản kháng. Giải thuật này đảm bảo bộ nghịch lưu hoạt động đồng bộ với lưới, tránh hiện tượng mất đồng bộ gây hư hỏng thiết bị.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), điện áp common-mode, điều khiển dự báo dòng điện (Model Predictive Control - MPC), chuyển đổi hệ trục tọa độ abc-dq0-αβ, và các thành phần mạch như IGBT, diode kẹp, mạch lọc LC.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo ba bước chính:

• Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp kiến thức từ các tài liệu chuyên ngành, bài báo khoa học uy tín và tài liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất lớn như Texas Instruments, ABB, Siemens, Schneider. Tập trung vào cấu trúc bộ nghịch lưu NPC, giải thuật SVPWM, và phương pháp SRF-PLL.

• Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để xây dựng mô hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC có nối lưới. Các thông số mô phỏng gồm điện áp lưới 3 pha 163 Vpeak, tần số 50 Hz, điện áp DC link 340 V, tần số ePWM 10 kHz, cuộn cảm tải 10 mH. Mô phỏng bao gồm các khối điều khiển công suất P, Q, vòng khóa pha PLL, điều khiển dòng điện PI và giải thuật SVPWM.

• Thực nghiệm: Thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28379D Launchpad của Texas Instruments. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm các phép đo điện áp, dòng điện ba pha, công suất tác dụng và phản kháng. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các thông số kỹ thuật của linh kiện và điều kiện thực tế. Phân tích dữ liệu thực nghiệm so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của giải thuật.

Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2017, với các giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết (1 tháng), mô phỏng (2 tháng), thiết kế phần cứng và lập trình (2 tháng), thực nghiệm và đánh giá kết quả (1 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển công suất tác dụng và phản kháng: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ nghịch lưu NPC điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q bám sát giá trị đặt trong hai trường hợp thử nghiệm. Ví dụ, khi tăng P từ 3000W lên 5000W và giảm Q từ 1000 VAR xuống 500 VAR, đáp ứng công suất đo được bám theo giá trị đặt với sai số nhỏ. Tương tự, khi giảm P từ 4000W xuống 2000W và tăng Q từ 700 VAR lên 1200 VAR, hệ thống vẫn duy trì ổn định và đáp ứng tốt.

2. Chất lượng điện áp và dòng điện: Giá trị méo dạng tổng hài (THD) của dòng điện pha a đo được là 4,73%, trong khi THD điện áp dây VAB là 31,77%, và điện áp pha VCN là 51,72%. Các giá trị này cho thấy giải thuật SVPWM giúp giảm thiểu méo dạng sóng, nâng cao chất lượng điện năng đầu ra.

3. Đồng bộ pha chính xác: Vòng khóa pha SRF-PLL tách góc quay theta từ điện áp lưới hiệu quả, đảm bảo bộ nghịch lưu hoạt động đồng bộ với lưới điện. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu sau máy biến áp gần như đồng bộ với điện áp lưới, đảm bảo an toàn và ổn định khi hòa lưới.

4. Thành công trong thiết kế phần cứng: Mô hình thực nghiệm sử dụng vi điều khiển TMS320F28379D Launchpad vận hành ổn định với điện áp đầu vào DC 340 V và điện áp đầu ra đặt 156 V (peak). Chương trình điều khiển viết bằng Code Composer Studio 6.0 bao gồm các thiết lập ePWM, xử lý ngắt, đọc cảm biến dòng điện và điện áp, giải thuật SVPWM và SRF-PLL đã được chạy thử thành công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả điều khiển là do giải thuật SVPWM tận dụng tối đa các trạng thái vector không gian, giúp giảm điện áp common-mode và méo dạng sóng, đồng thời tăng độ chính xác trong điều khiển công suất. Vòng khóa pha SRF-PLL cung cấp góc pha chính xác, giúp chuyển đổi hệ trục tọa độ hiệu quả, từ đó điều khiển dòng điện Id và Iq chính xác theo công suất tác dụng và phản kháng.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả đạt được tương đương hoặc vượt trội về mặt méo dạng sóng và khả năng điều khiển công suất. Việc sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28379D với cấu hình dual cores giúp tăng hiệu suất xử lý, giảm độ trễ trong điều khiển, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp hiện đại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng công suất P, Q theo thời gian, biểu đồ điện áp và dòng điện ba pha, cũng như bảng tổng hợp giá trị THD để minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật và thiết kế phần cứng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Cân chỉnh và nâng cao độ chính xác cảm biến: Tiến hành hiệu chỉnh các cảm biến dòng điện và điện áp để giảm sai số đo, đảm bảo độ chính xác trong điều khiển. Thời gian thực hiện: 1-2 tháng. Chủ thể: nhóm kỹ thuật phần cứng.

2. Thiết kế bộ nguồn DC riêng biệt và công suất lớn hơn: Đề xuất tạo bộ nguồn DC cấp riêng cho mạch NPC với công suất đủ lớn để đảm bảo cân bằng điện áp và công suất giữa lưới và inverter trong quá trình hòa lưới. Thời gian thực hiện: 2 tháng. Chủ thể: nhóm thiết kế phần cứng.

3. Phát triển giải thuật cân bằng tụ và bảo vệ mạch: Xây dựng giải thuật cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch lưu NPC, đồng thời thiết kế mạch bảo vệ quá dòng, quá áp và bảo vệ đồng bộ Sync-check relay (25) để tăng độ an toàn và độ bền thiết bị. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể: nhóm phần mềm và phần cứng phối hợp.

4. Tối ưu hóa phần mềm điều khiển: Tiếp tục tinh chỉnh hệ số Kp, Ki trong bộ điều khiển PI dòng điện, xử lý các hệ số làm tròn để cải thiện chất lượng điện áp đầu ra và đáp ứng điều khiển. Thời gian thực hiện: 1-2 tháng. Chủ thể: nhóm phát triển phần mềm.

5. Mở rộng ứng dụng và phát triển chế độ điều khiển mới: Nghiên cứu phát triển chế độ điều khiển Off-Grid và Hybrid inverter kết nối nhiều nguồn năng lượng tái tạo, ứng dụng trong smart solar inverter, wind turbine nối lưới, micro grid và smart grid. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu và phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện, Điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về bộ nghịch lưu NPC, giải thuật SVPWM và SRF-PLL, hỗ trợ học tập và nghiên cứu nâng cao.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống biến đổi công suất: Tham khảo để áp dụng giải thuật điều khiển hiện đại, thiết kế phần cứng và phần mềm cho bộ nghịch lưu nối lưới trong các dự án năng lượng tái tạo.

3. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và smart grid: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về điều khiển công suất tác dụng và phản kháng, hỗ trợ phát triển các hệ thống hòa lưới hiệu quả.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất và vi điều khiển: Tham khảo để cải tiến sản phẩm, tích hợp giải thuật điều khiển SVPWM và PLL vào các bộ nghịch lưu thương mại, nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC là gì và ưu điểm của nó?
   Bộ nghịch lưu NPC là bộ biến đổi công suất ba pha với ba mức điện áp, giúp giảm méo dạng sóng và điện áp common-mode so với nghịch lưu hai bậc. Ưu điểm là nâng cao chất lượng điện áp đầu ra và giảm tổn hao công suất.

2. Giải thuật SVPWM hoạt động như thế nào?
   SVPWM sử dụng các vector không gian để xác định trạng thái đóng ngắt và thời gian tồn tại của các vector trong mỗi chu kỳ lấy mẫu, tạo ra điện áp PWM trung bình gần với điện áp tham chiếu, giảm méo dạng sóng và tăng hiệu suất điều khiển.

3. Vòng khóa pha SRF-PLL có vai trò gì trong bộ nghịch lưu nối lưới?
   SRF-PLL tách góc pha điện áp lưới, giúp đồng bộ pha giữa bộ nghịch lưu và lưới điện, đảm bảo hòa lưới an toàn và ổn định, tránh hiện tượng mất đồng bộ gây hư hỏng thiết bị.

4. Làm thế nào để điều khiển công suất tác dụng và phản kháng trong bộ nghịch lưu?
   Thông qua chuyển đổi hệ trục tọa độ abc sang dq0, điều khiển dòng điện Id và Iq tương ứng với công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q, sử dụng bộ điều khiển PI và giải thuật SVPWM để điều chỉnh điện áp đầu ra.

5. Kết quả thực nghiệm có phù hợp với mô phỏng không?
   Kết quả thực nghiệm trên vi điều khiển TMS320F28379D cho thấy điện áp đầu ra và dòng điện ba pha gần như đồng bộ với lưới, đáp ứng công suất P và Q bám sát giá trị đặt, phù hợp với kết quả mô phỏng Matlab Simulink, chứng minh tính khả thi của giải thuật và thiết kế.

Kết luận

• Đã thiết kế thành công bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC có nối lưới sử dụng vi điều khiển TMS320F28379D và giải thuật SVPWM kết hợp vòng khóa pha SRF-PLL.
• Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy đáp ứng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q đạt hiệu quả cao, méo dạng sóng được giảm thiểu với THDi dòng điện pha a là 4,73%.
• Giải thuật điều khiển và thiết kế phần cứng đảm bảo đồng bộ pha chính xác, nâng cao chất lượng điện năng và độ ổn định khi hòa lưới.
• Đề xuất các giải pháp cải tiến phần cứng và phần mềm nhằm nâng cao độ chính xác, bảo vệ thiết bị và mở rộng ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo hiện đại.
• Khuyến khích tiếp tục nghiên cứu phát triển chế độ điều khiển Off-Grid, Hybrid inverter và ứng dụng trong smart grid để đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững của ngành năng lượng.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai các đề xuất cải tiến, đồng thời mở rộng phạm vi ứng dụng trong thực tế nhằm góp phần thúc đẩy công nghệ năng lượng tái tạo tại Việt Nam và khu vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của việc sử dụng năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, pin nhiên liệu và các nguồn năng lượng tái tạo khác phục vụ sinh hoạt cũng như công nghiệp, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc vào việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch để phát triển bền vững trong những thập kỷ tới. Sự phát triển mạnh của công nghiệp điện tử và bán dẫn thì đóng vai trò không nhỏ trong sự phát triển đồng hành của việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo góp phần nâng cao hiệu suất, chất lượng đầu ra của thiết bị biến đổi công suất cho năng lượng tái tạo phục vụ dân dụng cũng như công nghiệp. Trong các bộ biến đổi công suất thì không thể không nhắc đến các bộ nghịch lưu, chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều.

Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của nghịch lưu nối lưới nhằm cung cấp nguồn năng lượng tái tạo hòa lưới. Ngoài các ứng dụng truyền thống trong việc truyền động điện động cơ xoay chiều, dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn điện, chuyển đổi nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng. Bộ nghịch lưu còn có một nhánh mới phát triển rất mạnh hiện nay là dùng để chuyển đổi nguồn năng lượng từ nguồn năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời hòa lưới. Bộ biến đổi công suất ba pha có hòa lưới hiện đang được sự quan tâm và nghiên cứu cho các ứng dụng cho năng lượng mặt trời và năng lượng gió khi năng lượng tái tạo đang ngày càng thâm nhập rộng rãi vào hệ thống điện truyền thống hiện hữu.

Sơ đồ máy phát điện gió tốc độ thay đổi có nối lưới 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN HVTH: TRẦN QUỐC VINH Hình 2. Sơ đồ một dây UPS của hãng GUTOR/ Schneider Electric Hình 3. Sơ đồ máy phát điện gió DFIG có nối lưới 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS.

NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN HVTH: TRẦN QUỐC VINH Hình 4. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời có nối lưới Hình 5. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời có bộ nghịch lưu trung tâm có nối lưới Do đó, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu về bộ biến đổi công suất ba pha NPC có nối lưới. Phân tích, sử dụng các linh kiện công suất trên thị trường và đưa ra các phương pháp điều rộng xung để điều khiển bộ nhằm mục đích tăng chất lượng điện ngõ ra.

Mục tiêu của đề tài Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là bộ biến đổi ba pha ba bậc NPC có nối lưới. Nghiên cứu sử dụng vi điều khiển F28379D Launch pad có cấu hình mạnh dual cores giá thành rẻ vào phát triển bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC, đồng thời nghiên cứu triển khai giải thuật đều chế Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) đã học để áp dụng vào điều khiển mạch phần cứng thực tế và viết giải thuật hòa lưới dùng vòng khóa pha SRF – PLL. 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN HVTH: TRẦN QUỐC VINH 1.

Phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đề tài nghiên cứu gồm hai phần là xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm thiết kế thi công phần cứng nhằm kiểm chứng lại mô phỏng lý thuyết. Đề tài thực hiện những công việc như sau: - Nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên các kiến thức đã học và tìm hiểu các bài báo đã được công bố trên các tạp chí có uy tín như IEEE, các sách đã phát hành của các nhà xuất bản lớn, các tài liệu của các nhà chế tạo lớn như ABB, Siemens, Schneider. - Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng bộ biến đổi NPC, phương pháp điều rộng xung vector không gian (SVPWM) được sử dụng để điều khiển bộ biến đổi công suất ba pha có nối lưới. - Thực nghiệm: nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng thông qua mạch điều khiển thực tế sử dụng Card DSP TMS320F28379D Launch pad của hãng Texas Instruments (TI).

Kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài Kết quả đạt được: Do thực hiện một khối lượng công việc tương đối lớn trong một khoảng thời gian ngắn là 06 tháng nên kết quả đã đạt được ở một số phần nhất định như sau: - Tìm hiểu và viết thành công chương trình mô phỏng toàn bộ hệ thống bằng Matlab Simulink, bao gồm điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q phát lên lưới có hòa đồng bộ sử dụng vòng khóa pha SRF – PLL. - Mặc dù ngặp không ít khó khăn về phần mềm và phần cứng khi nghiên cứu và viết chương trình trên Board điều khiển TMS320F28379D Launch Pad là loại Vi điều khiển tương đối mới của dòng TI C2000. Chương trình điều khiển đã được viết bằng Code Composer Studio 6.0 bao gồm các thiết lập các kênh ePWM có deadband đặt mềm từ chương trình để tránh hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạch, đọc và xuất các giá trị Analog từ các cảm biến dòng áp, xử lý các chương trình ngắt, viết giải thuật SVPWM và SRF-PLL. - Thi công phần cứng nhằm kiểm chứng lại lý thuyết đã mô phỏng gồm các phần như sau:  Thiết kế và chạy thành công phần biến tần ba pha ba bậc NPC sử dụng phương pháp điều chế SinPWM và Space Vector PWM với điện áp đầu vào UDC là 340Vdc và đầu ra đặt 156Vac peak.

 Đọc điện áp ba pha của lưới và phát ngược từ biến tần trở lại lưới, có qua biến áp để thao tác hòa đồng bộ với lưới. Kết quả đạt được cho dạng điện áp đầu ra sau máy biến áp tăng áp của bộ nghịch lưu và điện áp lưới gần giống nhau. Đo điện áp ba pha từ lưới và tạo điện áp phát từ phía inverter ra cho điện áp dây gần như đồng bộ với lưới. 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS.

NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN HVTH: TRẦN QUỐC VINH  Đã viết toàn bộ giải thuật và chạy thử chưa nối lưới phát ra điện áp gần như đồng bộ với điện áp và tần số lưới (bao gồm cả giải thuật SRF PLL, PQ control …). Tuy nhiên các giá trị qua sát trên CCS vẫn còn cần phải tinh chỉ về phần cứng và phần mềm để có kết quả tốt hơn trước khi hòa lưới. Hướng phát triển của đề tài: - Về phần cứng cần phải cân chỉnh & thay đổi lại mạch:  Tiếp tục cân chỉnh lại các cảm biến cho chính xác hơn đảm bảo sai số nhỏ càng nhỏ càng tốt.  Tạo bộ nguồn DC cấp riêng cho cho mạch NPC và có công suất lớn hơn để đảm bảo vấn đề thu phát công suất giữa lưới và inverter khi có chênh lệch điện áp trong quá trình hòa lưới.

Mặt khác đảm bảo vấn đề cân bằng tụ đối với mạch nghịch lưu NPC phải có thêm giải thuật cân bằng tụ, hoặc làm 02 nguồn VDC/2 độc lập ra.  Thiết kế thêm mạch bảo vệ quá dòng, quá áp cho Inverter, bảo vệ công suất ngược từ lưới về inverter.  Bảo vệ Sync- check relay (25) cho mạch hòa đồng bộ. - Về phần mềm:  Tiếp tục xử lý các hệ số làm tròn cho phù hợp để điện áp đầu ra tốt hơn.

 Có thể phải tiếp tục tuning hệ số Kp, Ki của các bộ điều khiển dòng Id, Iq để có đáp ứng tốt hơn trong mô hình thực nghiệm. Phát triển thêm chế độ điều khiển Off- Grid cho bộ nghịch lưu, tiến xa hơn nữa là Hybrid invert kết nối nhiều nguồn năng lượng tái tạo và phát triển cho các ứng dụng như sau:  Smart Solar inverter kết nối lưới.  Wind turbine kết nối lưới.  Micro Grid/ Smart Grid.

5 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN HVTH: TRẦN QUỐC VINH CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH BA PHA VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 2. Bộ nghịch lưu ba pha NPC Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha NPC có thể dùng như bộ biến đổi công suất để kết nối các nguồn tích trữ năng lượng như ắc quy, điện mặt trời hoặc đầu ra của nguồn của lưới điện siêu nhỏ (Microgrid) kết nối lên lưới điện truyền thống như hình 5. Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC Hình 7.

Cấu trúc một nhánh pha A của bộ nghịch lưu NPC Phân tích các trạng thái đóng cắt cho một nhánh pha A trên hình 7, ta có bảng các trạng thái như trong bảng 1. 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN HVTH: TRẦN QUỐC VINH Bảng 1. Các trạng thái kích cho pha A và các mức điện áp Hình 8.

Hình vẽ các trạng thái kích cho pha AZ 2. Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) Phương pháp điều chế vector không gian là phương pháp số, trong đó mục tiêu là tạo điện áp tải PWM trung bình bằng điện áp tải cho trước hoặc bằng điện áp tham chiếu. Điều này có thể thực hiện trong mỗi chu kỳ đóng ngắt của bộ nghịch lưu và tính toán thời gian tồn tại thích hợp của từng trạng thái. Quá trình lựa chọn trạng thái và thời gian được thực hiện bằng các phép biến hình vector không gian.

Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) Việc đóng cắt các khóa công suất trong các nhánh pha của mạch nghịch lưu tạo ra điện áp pha tải với vector không gian của nó thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc. 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN HVTH: TRẦN QUỐC VINH Hình 9. Sơ đồ vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc NPC Như vậy, đối với nghịch lưu ba bậc thì sẽ có 27 trạng thái kích đóng khác nhau như trong bảng 2 ứng với 19 vector không gian theo hình 9 và hình 10.

Sơ đồ các vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc NPC 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN HVTH: TRẦN QUỐC VINH Vector Trạng thái Độ lớn Loại vector không gian đóng ngắt vector NNN  V0 OOO Vector không 0 PPP POO  V1 ONN  PPO V2 OON  OPO V3 NON 1 Vector nhỏ Vdc  OPP 3 V4 NOO  OOP V5 NNO  POP V6 ONO  V7 PON  V8 OPN  V9 NPO 3  Vector vừa Vdc V10 NOP 3  V11 ONP  V12 PNO  V13 PNN  V14 PPN  V15 NPN 2  Vector lớn Vdc V16 NPP 3  V17 NNP  V18 PNP Bảng 2. Trạng thái đóng ngắt và độ lớn của vector không gian 9 LUẬN VĂN THẠC SĨ CBHD: TS. NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN HVTH: TRẦN QUỐC VINH Phương pháp chuyển đổi hệ trục tọa độ abc sang αβ Hình 11.