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.