Đồ án: Tính Toán Sóng Hài Sinh Ra Từ Bộ Chuyển Đổi Năng Lượng Tĩnh

Đồ án tính toán sóng hài từ bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh: Phân tích nguyên nhân, ảnh hưởng và giải pháp giảm thiểu sóng hài trong hệ thống điện.

• Người hướng dẫn: TS. Trần Lê Nhật Hoàng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
• Chuyên ngành: Khoa học và Công nghệ
• Đề tài: Tính Toán Sóng Hài Sinh Ra Bởi Các Bộ Chuyển Đổi Năng Lượng Tĩnh
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp trường
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
• MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
• 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI TĨNH
• 1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
• 1.2. Giới thiệu về các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh
• 1.2.1. Một số thiết bị điện tử công suất
• 2. MÔ HÌNH HÓA CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TĨNH VÀ TÍNH TOÁN SÓNG HÀI
• 2.1. Sử dụng phương trình trạng thái để mô hình hóa bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh
• 2.1.1. Xây dựng phương trình trạng thái
• 2.1.2. Xác định thời điểm chuyển mạch:
• 2.1.3. Sequential Quadratic Programming SQP
• 2.2. Tính toán sóng hài sinh ra bởi các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh
• 3. ÁP DỤNG CHO BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TĨNH THƯỜNG GẶP
• 3.1. Giới thiệu bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh áp dụng
• 3.1.1. Bộ chỉnh lưu diode một pha
• 3.1.2. Bộ chỉnh lưu diode ba pha nửa sóng
• 3.1.3. Bộ nghịch lưu 1 pha
• 3.2. Tính toán và so sánh kết qua
• 3.2.1. Bộ chỉnh lưu diode một pha
• 3.2.2. Bộ chỉnh lưu diode ba pha nửa sóng
• 3.2.3. Các trường hợp đặc biệt
• HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Toàn Cảnh Về Sóng Hài Từ Bộ Chuyển Đổi Năng Lượng Tĩnh

Trong lĩnh vực điện tử công suất, bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh đóng vai trò then chốt trong việc biến đổi năng lượng điện, nâng cao hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên, quá trình chuyển mạch của các linh kiện bán dẫn như diode, MOSFET hay IGBT trong các bộ chuyển đổi này lại là nguồn gốc phát sinh sóng hài. Đây là các thành phần tần số không mong muốn, là bội số của tần số cơ bản, xuất hiện ở cả đầu vào và đầu ra của thiết bị. Sự hiện diện của sóng hài gây ra nhiều tác động tiêu cực, làm méo dạng sóng điện áp và dòng điện, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng. Các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE 519 quy định nghiêm ngặt về giới hạn cho phép của các thành phần sóng hài để đảm bảo sự ổn định và an toàn cho lưới điện. Vì vậy, việc hiểu rõ bản chất, nguyên nhân và thực hiện tính toán sóng hài một cách chính xác là nhiệm vụ cấp thiết. Phân tích này không chỉ giúp đánh giá mức độ nhiễu mà còn là cơ sở quan trọng để thiết kế các bộ lọc hiệu quả hoặc tối ưu hóa thuật toán điều khiển, nhằm giảm thiểu tác động của chúng. Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng một mô hình toán học chính xác để phân tích và tính toán sóng hài sinh ra bởi các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh, cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong việc thiết kế và vận hành hệ thống điện hiện đại.

1.1. Khái niệm và vai trò của bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh

Bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh, hay còn gọi là bộ biến đổi điện tử công suất, là các thiết bị sử dụng linh kiện bán dẫn công suất để biến đổi các dạng năng lượng điện. Chúng được phân thành bốn loại chính: bộ chỉnh lưu (AC-DC), bộ nghịch lưu (DC-AC), bộ biến đổi DC-DC (DC chopper) và bộ biến đổi AC-AC (AC controller). Các thiết bị này không có bộ phận chuyển động, hoạt động dựa trên quá trình đóng cắt ở tần số cao của các linh kiện như diode, thyristor, Mosfet. Vai trò của chúng cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng, từ việc cung cấp nguồn cho thiết bị điện tử, điều khiển tốc độ động cơ, kết nối các nguồn năng lượng tái tạo (mặt trời, gió) vào lưới điện, cho đến các hệ thống truyền tải điện một chiều cao thế (HVDC). Hiệu suất cao và khả năng điều khiển linh hoạt là những ưu điểm vượt trội của các bộ chuyển đổi này.

1.2. Sóng hài là gì và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

Sóng hài là các thành phần điện áp hoặc dòng điện có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản của hệ thống (ví dụ 50Hz hoặc 60Hz). Chúng được sinh ra do đặc tính phi tuyến của các tải điện, trong đó bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh là một trong những nguồn phát sinh chính. Sự tồn tại của sóng hài trong hệ thống điện gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho chất lượng điện năng: làm tăng tổn thất công suất trên đường dây và máy biến áp, gây quá nhiệt và giảm tuổi thọ thiết bị, làm sai lệch kết quả đo của các công tơ điện và thiết bị đo lường, gây nhiễu cho các hệ thống viễn thông và điều khiển. Trong trường hợp cộng hưởng sóng hài, điện áp và dòng điện có thể tăng lên đột ngột, gây nguy cơ phá hủy cách điện và các thiết bị điện khác. Do đó, việc kiểm soát và tính toán sóng hài là yếu tố không thể thiếu để đảm bảo vận hành ổn định và hiệu quả của lưới điện.

II. Thách Thức Cốt Lõi Khi Tính Toán Sóng Hài Bộ Chuyển Đổi

Việc tính toán sóng hài một cách chính xác đặt ra nhiều thách thức, đặc biệt khi không sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng. Các phương pháp mô phỏng như Psim hay Simulink tuy cho kết quả trực quan nhưng lại tốn nhiều thời gian tính toán, không phù hợp cho các bài toán tối ưu hóa thiết kế hệ thống. Phương pháp phân tích toán học, mặc dù hiệu quả hơn về mặt tốc độ, lại đối mặt với độ phức tạp cao. Thách thức lớn nhất nằm ở việc xác định chính xác các thời điểm chuyển mạch của linh kiện bán dẫn. Các thời điểm này quyết định hình dạng sóng dòng điện và điện áp, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến phổ sóng hài. Đối với các bộ chuyển đổi có điều khiển (chuyển mạch cưỡng bức), thời điểm này được biết trước. Tuy nhiên, với các bộ chuyển đổi không điều khiển như bộ chỉnh lưu diode (chuyển mạch tự nhiên), thời điểm chuyển mạch lại phụ thuộc vào chính các đại lượng điện áp, dòng điện trong mạch và thông số của tải. Việc này tạo ra một vòng lặp phụ thuộc, khiến cho việc giải quyết bằng phương pháp giải tích trực tiếp trở nên vô cùng khó khăn. Việc tìm ra một phương pháp hệ thống để giải quyết bài toán này là mục tiêu cốt lõi của nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất.

2.1. Phân biệt chuyển mạch tự nhiên và chuyển mạch cưỡng bức

Trong các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh, có hai cơ chế chuyển mạch chính. Chuyển mạch cưỡng bức (forced commutation) xảy ra ở các linh kiện có khả năng điều khiển hoàn toàn như MOSFET, IGBT. Thời điểm đóng và cắt của chúng được quyết định bởi tín hiệu điều khiển từ bên ngoài (ví dụ, tín hiệu PWM). Các thời điểm này được biết trước và không phụ thuộc vào trạng thái của mạch. Ngược lại, chuyển mạch tự nhiên (natural commutation) xảy ra ở các linh kiện như diode hoặc thyristor. Chúng chuyển trạng thái (dẫn hoặc ngưng) khi các điều kiện về điện áp và dòng điện trên chính nó thay đổi. Ví dụ, một diode bắt đầu dẫn khi điện áp anode-cathode trở nên dương và ngưng dẫn khi dòng điện qua nó giảm về không. Việc xác định các thời điểm chuyển mạch tự nhiên phức tạp hơn nhiều vì chúng là nghiệm của một hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả mạch điện.

2.2. Khó khăn trong việc xác định chính xác thời điểm chuyển mạch

Như đã đề cập, thời điểm chuyển mạch tự nhiên là các ẩn số quan trọng cần được xác định để có thể tính toán sóng hài chính xác. Các thời điểm này không phải là hằng số mà thay đổi theo điểm vận hành và các thông số của mạch (tải R, L, C). Việc xác định chúng đòi hỏi phải giải một hệ phương trình phức tạp, bao gồm các phương trình trạng thái của mạch và các điều kiện chuyển mạch (ví dụ v_diode(t) = 0 để bắt đầu dẫn, hoặc i_diode(t) = 0 để ngưng dẫn). Theo báo cáo T2021-06-19, đây là nguồn gốc của các pha dẫn mà thời gian của chúng liên kết chặt chẽ với điểm hoạt động. Do tính phi tuyến và sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các biến, các phương pháp giải tích truyền thống thường tỏ ra kém hiệu quả. Điều này thúc đẩy sự cần thiết của các thuật toán tối ưu số học mạnh mẽ để giải quyết hệ phương trình này.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa Bộ Chuyển Đổi Bằng Phương Trình Trạng Thái

Để vượt qua các thách thức trong việc tính toán sóng hài, đề tài nghiên cứu T2021-06-19 đề xuất một phương pháp tiếp cận hệ thống dựa trên mô hình hóa bằng phương trình trạng thái. Phương pháp này xem xét hoạt động của bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh ở chế độ xác lập như một chuỗi các cấu hình mạch tuần hoàn. Mỗi cấu hình tương ứng với một trạng thái nhất định của các linh kiện bán dẫn (dẫn hoặc ngưng) và được mô tả bởi một hệ phương trình trạng thái tuyến tính. Vector biến trạng thái thường bao gồm các dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tụ điện, vì đây là các đại lượng năng lượng có tính liên tục. Bằng cách xây dựng các ma trận trạng thái (A, B, C, D) cho từng cấu hình, ta có thể biểu diễn toán học chính xác động học của hệ thống trong từng khoảng thời gian. Nền tảng này cho phép tính toán chính xác giá trị của các biến trạng thái tại bất kỳ thời điểm nào, miễn là giá trị ban đầu và các thời điểm chuyển mạch được xác định. Đây là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong quy trình phân tích và tính toán sóng hài một cách hiệu quả mà không cần đến mô phỏng.

3.1. Xây dựng hệ phương trình trạng thái cho từng cấu hình mạch

Một chu kỳ hoạt động của bộ chuyển đổi được chia thành Nsw cấu hình khác nhau, giới hạn bởi các thời điểm chuyển mạch từ t₀ đến tₙₛᵥ. Đối với mỗi cấu hình k, dựa vào định luật Kirchhoff, một hệ phương trình trạng thái vi phân tuyến tính được thiết lập: dXₖ(t)/dt = AₖXₖ(t) + BₖUₖ(t). Trong đó, Xₖ(t) là vector biến trạng thái, Uₖ(t) là vector ngõ vào (ví dụ, điện áp nguồn), và Aₖ, Bₖ là các ma trận hằng số phụ thuộc vào cấu trúc mạch và giá trị các phần tử thụ động (R, L, C) trong cấu hình đó. Nghiệm của phương trình này trong miền thời gian cho phép xác định được vector trạng thái Xₖ(t) tại thời điểm cuối của cấu hình, dựa vào giá trị tại thời điểm đầu. Do tính liên tục của các biến trạng thái, giá trị cuối của cấu hình trước sẽ là giá trị đầu của cấu hình kế tiếp, tạo thành một chuỗi tính toán liên tục trong suốt một chu kỳ.

3.2. Ứng dụng thuật toán SQP để xác định thời điểm chuyển mạch

Sau khi có mô hình phương trình trạng thái, bài toán tìm thời điểm chuyển mạch và giá trị ban đầu của các biến trạng thái được quy về việc giải một hệ phương trình phi tuyến. Hệ này bao gồm các điều kiện biên tuần hoàn (X(t₀) = X(T)) và các điều kiện chuyển mạch (gₖ(tₖ) = 0). Để giải quyết hệ phương trình này một cách hiệu quả, nghiên cứu đề xuất sử dụng thuật toán SQP (Sequential Quadratic Programming). Thuật toán SQP là một phương pháp lặp mạnh mẽ, được công nhận rộng rãi để giải các bài toán tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc. Bài toán được biến đổi thành dạng tối ưu hóa, ví dụ như tìm cực tiểu của tổng các khoảng thời gian hoạt động, với các phương trình điều kiện biên và chuyển mạch đóng vai trò là các ràng buộc. Như được chứng minh trong nghiên cứu, SQP cho thấy hiệu quả cao trong việc tìm ra nghiệm chính xác, ngay cả trong các trường hợp phức tạp như bộ chỉnh lưu có nhiều pha dẫn trong một chu kỳ.

IV. Hướng Dẫn Tính Toán Sóng Hài Trực Tiếp Từ Phương Trình Trạng Thái

Khi các thời điểm chuyển mạch và giá trị các biến trạng thái đã được xác định chính xác thông qua mô hình phương trình trạng thái và thuật toán SQP, bước tiếp theo là thực hiện tính toán sóng hài. Thay vì phân tích dạng sóng trong miền thời gian rồi áp dụng FFT (Fast Fourier Transform) như trong các phần mềm mô phỏng, phương pháp này áp dụng biến đổi Fourier trực tiếp lên chính hệ phương trình trạng thái. Cách tiếp cận này mang lại hiệu quả tính toán vượt trội và độ chính xác cao. Bằng cách biến đổi phương trình vi phân trong miền thời gian sang phương trình đại số trong miền tần số, ta có thể tìm được biểu thức giải tích cho phổ của các biến trạng thái. Từ đó, biên độ và góc pha của từng bậc hài cụ thể (ví dụ bậc 3, 5, 7,...) có thể được tính toán một cách trực tiếp. Phương pháp này không chỉ cung cấp thông tin về phổ sóng hài mà còn giữ được mối liên hệ toán học rõ ràng giữa các thông số mạch và các thành phần hài, điều rất hữu ích cho các bài toán phân tích độ nhạy và tối ưu hóa thiết kế bộ lọc.

4.1. Áp dụng biến đổi Fourier để phân tích phổ tần số

Quá trình bắt đầu bằng việc áp dụng biến đổi Fourier vào hệ phương trình trạng thái dX(t)/dt = AX(t) + BU(t). Trong miền tần số, phép toán đạo hàm d/dt tương ứng với phép nhân jω (hoặc j2πf). Do đó, phương trình vi phân trở thành một phương trình đại số: jω.TF{X(t)} = A.TF{X(t)} + B.TF{U(t)}. Từ đây, biểu thức cho phổ của vector trạng thái, TF{X(t)}, có thể được rút ra một cách tường minh: TF{X(t)} = (jωI - A)⁻¹ B.TF{U(t)}. Đây là công thức cốt lõi, cho phép tính toán phổ tần số của dòng điện và điện áp một cách trực tiếp từ các ma trận trạng thái và phổ của nguồn đầu vào. Quá trình này được thực hiện cho từng cấu hình trong một chu kỳ, sau đó tổng hợp lại để có được phổ tần số hoàn chỉnh.

4.2. Công thức xác định biên độ và góc pha của từng bậc sóng hài

Sau khi có được biểu thức phổ TF{X(t)}(f), việc tính toán sóng hài cho bậc n bất kỳ trở nên đơn giản. Ta chỉ cần thay f = n.f₀ (với f₀ là tần số cơ bản) vào biểu thức để tính giá trị phức của phổ tại tần số đó. Giá trị phức này chứa cả thông tin về biên độ và pha. Cụ thể, biên độ của sóng hài bậc n được tính bằng module (giá trị tuyệt đối) của kết quả phức: Aₙ = |TF{X(t)}(n.f₀)|. Góc pha của sóng hài bậc n được tính bằng argument của số phức đó: φₙ = arg(TF{X(t)}(n.f₀)). Các công thức này cung cấp một phương pháp tính toán trực tiếp và chính xác, cho phép phân tích chi tiết từng thành phần hài mà không cần phải tái tạo lại toàn bộ dạng sóng trong miền thời gian, giúp tiết kiệm đáng kể tài nguyên tính toán.

V. Phân Tích Thực Tiễn Tính Toán Sóng Hài Cho Bộ Chỉnh Lưu

Để kiểm chứng tính hiệu quả và độ chính xác của phương pháp đề xuất, đề tài T2021-06-19 đã áp dụng quy trình tính toán sóng hài cho các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh thông dụng. Các trường hợp nghiên cứu cụ thể bao gồm bộ chỉnh lưu diode một pha và bộ chỉnh lưu diode ba pha nửa sóng, là những cấu trúc thường gặp trong các bộ nguồn và ứng dụng công nghiệp. Đối với mỗi trường hợp, quá trình mô hình hóa bằng phương trình trạng thái, xác định thời điểm chuyển mạch bằng thuật toán SQP, và tính toán phổ hài bằng biến đổi Fourier đều được thực hiện. Kết quả tính toán sau đó được so sánh chi tiết với kết quả thu được từ phần mềm mô phỏng chuyên dụng Psim. Sự đối chiếu này không chỉ xác nhận độ chính xác của các giá trị biên độ và pha của từng bậc hài mà còn chứng minh khả năng của phương pháp trong việc xử lý các chế độ hoạt động phức tạp, chẳng hạn như chế độ dòng điện gián đoạn hoặc chế độ có nhiều pha dẫn trong một chu kỳ. Kết quả thực tiễn cho thấy sự tương đồng gần như tuyệt đối, khẳng định phương pháp phân tích này là một công cụ thay thế đáng tin cậy cho mô phỏng.

5.1. Trường hợp áp dụng cho bộ chỉnh lưu diode một pha

Đối với bộ chỉnh lưu diode cầu một pha, nghiên cứu đã xem xét hai trường hợp hoạt động phức tạp: một pha dẫn và hai pha dẫn trong cùng một nửa chu kỳ. Các biến trạng thái được chọn là dòng điện xoay chiều Iac và điện áp một chiều Vdc. Sử dụng phương pháp đề xuất, các thời điểm chuyển mạch t₁, t₂, t₃, t₄ và các giá trị trạng thái ban đầu đã được giải thành công. Bảng 3.7 và Bảng 3.8 trong báo cáo cho thấy sai lệch giữa kết quả tính bằng SQP và mô phỏng Psim là không đáng kể (ví dụ, Vdc(t₀) tính được là 61.7601V so với 61.76V của Psim). Phổ sóng hài của dòng Iac và điện áp Vdc tính toán bằng phương pháp biến đổi Fourier trên phương trình trạng thái cũng hoàn toàn trùng khớp với kết quả phân tích FFT trong Psim, như được minh họa trên Hình 3.11 và Hình 3.12.

5.2. Nghiên cứu trên bộ chỉnh lưu diode ba pha nửa sóng

Phương pháp này cũng được áp dụng thành công cho bộ chỉnh lưu diode ba pha nửa sóng, một cấu trúc phổ biến trong các ứng dụng công suất lớn hơn. Trong trường hợp này, các biến trạng thái là dòng điện cuộn cảm iL và điện áp tụ điện vC. Nhờ khai thác tính chất đối xứng của mạch ba pha, số lượng ẩn cần giải đã được giảm thiểu, giúp quá trình tính toán hiệu quả hơn. Kết quả phân tích sóng hài cho thấy sự tương đồng cao với mô phỏng. Ví dụ, Hình 3.19 và Hình 3.20 trong tài liệu gốc cho thấy phổ hài của dòng iL và điện áp vC tính toán được gần như chồng khít lên kết quả từ Psim. Điều này chứng tỏ phương pháp có khả năng mở rộng và áp dụng hiệu quả cho cả các hệ thống đa pha, khẳng định tính tổng quát và tin cậy của nó.

VI. Ý Nghĩa Khoa Học Và Hướng Phát Triển Của Phương Pháp Này

Phương pháp tính toán sóng hài dựa trên phương trình trạng thái và thuật toán SQP mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn. Về mặt khoa học, nó cung cấp một mô hình toán học chặt chẽ, minh bạch, cho phép hiểu sâu sắc hơn về mối quan hệ giữa các thông số của bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh và phổ sóng hài mà nó tạo ra. Thay vì coi bộ chuyển đổi như một "hộp đen" trong mô phỏng, phương pháp này mở ra khả năng phân tích chi tiết và chính xác. Về mặt thực tiễn, ưu điểm lớn nhất là tốc độ tính toán nhanh hơn đáng kể so với mô phỏng, tạo tiền đề cho các nghiên cứu phát triển cao hơn. Hướng phát triển tiềm năng nhất là tích hợp mô hình này vào các vòng lặp tối ưu hóa. Khi đó, các ràng buộc về sóng hài theo tiêu chuẩn quốc tế có thể được đưa trực tiếp vào bài toán tối ưu hóa thiết kế các thành phần của hệ thống (như cuộn cảm, tụ điện) hoặc tối ưu hóa chiến lược điều khiển. Điều này giúp tìm ra các giải pháp thiết kế vừa hiệu quả về mặt năng lượng, vừa nhỏ gọn về kích thước mà vẫn đảm bảo chất lượng điện năng.

6.1. Ưu điểm của phương pháp phân tích so với mô phỏng cổ điển

So với các phương pháp mô phỏng cổ điển trong miền thời gian (như trong Psim/Simulink), phương pháp phân tích này có nhiều ưu điểm vượt trội. Thứ nhất, tốc độ tính toán nhanh hơn rất nhiều vì nó chỉ giải quyết bài toán tại các thời điểm chuyển mạch quan trọng thay vì tính toán lặp lại tại hàng ngàn điểm trung gian. Thứ hai, nó cung cấp một biểu thức giải tích hoặc bán giải tích, giúp dễ dàng thực hiện các phân tích độ nhạy (sensitivity analysis) để xem thông số nào ảnh hưởng nhiều nhất đến sóng hài. Cuối cùng, độ chính xác của kết quả không phụ thuộc vào bước thời gian mô phỏng mà phụ thuộc vào độ chính xác của thuật toán giải phương trình, thường cho kết quả tin cậy hơn. Những ưu điểm này làm cho phương pháp đặc biệt phù hợp với các bài toán yêu cầu tính toán lặp lại nhiều lần, điển hình là tối ưu hóa thiết kế.

6.2. Tiềm năng ứng dụng trong tối ưu hóa thiết kế hệ thống điện

Tiềm năng lớn nhất của phương pháp này nằm ở việc ứng dụng vào tối ưu hóa thiết kế. Trong thực tế, các kỹ sư thường phải cân bằng giữa nhiều yếu tố: hiệu suất, chi phí, kích thước và việc tuân thủ các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng. Bằng cách tích hợp mô hình tính toán sóng hài này vào một thuật toán tối ưu hóa (như giải thuật di truyền, tối ưu hóa bầy đàn), ta có thể tự động tìm kiếm bộ thông số thiết kế (giá trị L, C, tần số chuyển mạch,...) tốt nhất. Mục tiêu có thể là tối thiểu hóa kích thước bộ lọc, tối đa hóa hiệu suất, trong khi vẫn đảm bảo rằng tổng độ méo hài (THD) của dòng điện và điện áp luôn nằm dưới ngưỡng cho phép của tiêu chuẩn. Đây là một bước tiến quan trọng, giúp tự động hóa và nâng cao hiệu quả của quá trình thiết kế các hệ thống điện tử công suất hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài Điện tử công suất đã phát triển rất nhanh trong hơn nửa thế kỷ qua. Nó cung cấp một năng suất rất tốt để chuyển đổi năng lượng điện. Tuy nhiên, trong bối cảnh năng lượng điện ngày càng được coi trọng và sử dụng nhiều, sóng hài được sinh ra bởi chúng xuất hiện ở phía trước và phía sau của các bộ biến đổi tĩnh này.

Các sóng hài không mong muốn này phải tuân theo các tiêu chuẩn đã được quy định trước để đảm bảo chất lượng điện năng. Theo các nghiên cứu được thực hiện, các dải tần số khác nhau được xem xét theo các tiêu chuẩn khác nhau. Ví dụ, đối với hàng không, dải tần số thấp lên đến 150kHz và dải tần số cao vượt quá 150kHz. Để phân tích nhiễu sóng hài này, xây dựng mô hình tần số hoạt động của các bộ biến đổi tĩnh là cần thiết.

Trong nghiên cứu này, tác giả đặc biệt quan tâm đến việc lập mô hình để tối ưu kích thước cho các thành phần hoặc hệ thống. Yêu cầu tìm kiếm hiệu quả năng lượng tốt nhất có thể của các hệ thống cung cấp điện đang ngày càng thúc đẩy việc tối ưu hóa chúng. Và điều này tất nhiên đòi hỏi phải sử dụng các mô hình phù hợp. Để tối ưu hóa, các ràng buộc về về sóng hài phải luôn được xem xét và đưa vào như là các ràng buộc có điều kiện.

Vì vậy, các mô hình phải có khả năng biểu diễn chính xác các sóng hài trên một dải tần nhất định. Tác giả tập trung vào mô hình tần số của bộ chuyển đổi tĩnh ở dải tần số thấp. Việc xây dựng các mô hình có thể gặp những khó khăn nhất định. Đối với các trường hợp chuyển đổi trạng thái tự nhiên, việc xác định các thời điểm chuyển đổi không phải là điều dễ dàng tiên nghiệm hoặc biết trước.

Thật vậy, các chuyển mạch này có liên quan đến sự tiến triển của các đại lượng dòng điện và/hoặc điện áp của các bán dẫn. Chúng thường là nguồn gốc của các pha dẫn mà thời gian của chúng được liên kết chặt chẽ với điểm hoạt động và với các thông số của mạch (ví dụ, giá trị của các thành phần thụ động trong mạch). Do đó, chuyển đổi trạng thái tự nhiên sẽ khó dự đoán và khó mô hình hóa bằng cách phân tích. Đối với điều này, các công thức cụ thể phải được thực hiện để xác định chúng.

Khác với trường hợp chuyển đổi tự nhiên, trường hợp chuyển đổi ép buộc thì các thời điểm chuyển đổi được biết trước nhưng nó lại xuất hiện một số lượng lớn các cấu hình trong một chu kỳ hoạt động của mạch điện. 1 Vì vậy việc thực hiện xây dựng mô hình và tính toán sóng hài sinh ra bởi các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh là cần thiết cho việc tối ưu hóa các thiết bị. Trong lĩnh vực nghiên cứu của mình, tác giả chọn đề tài “Tính toán sóng hài sinh ra bởi các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh” là cần thiết, có ý nghĩa trong việc thúc đẩy các nghiên cứu phát triển tiếp theo. Ngoài ra đề tài còn giúp cho sinh viên có thể học tập và tham khảo các kiến thức mới này.

Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu là xây dựng mô hình của các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh dựa vào các tính chất của mạch điện. Sau đó, tính toán sóng hài sinh ra của các bộ chuyển đổi nhờ vào biến đổi Fourier. Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu là sóng hài sinh ra do các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh - Phạm vi nghiên cứu : đề tài thực hiện nghiên cứu và đánh giá kết quả trên các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu một pha hoặc ba pha thường gặp trong các ứng dụng hiện nay. - Phương pháp nghiên cứu: thực hiện mô hình hóa các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu bằng cách xem xét các trạng thái của mạch điện.

Sau đó thực hiện tính toán các đại lượng cần thiết bằng phương pháp SQP. Cuối cùng, thực hiện biến đổi Fourier các phương trình trạng thái để tính sóng hài sinh ra. Tác giả sử dụng phần mềm Matlab để thực hiện việc tính toán và sử dụng Simulink hoặc Psim để thực hiện mô phỏng nhằm so sánh các kết quả thu được. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Ý nghĩa khoa học: Đề tài thực hiện một nghiên cứu ban đầu là mô hình hóa các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh băng mô hình toán học.

Đề tài cũng tạo tiền đề cho các nghiên cứu phát triển sau này nhất là các nghiên cứu về tối ưu hóa hệ thống có chứa các bộ chuyển đổi tĩnh. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: kết quả đề tài sẽ đưa ra một mô hình các bộ chuyển đổi tĩnh và tính toán sóng hài sinh ra bằng một mô hình toán học khác biệt hoàn toàn với các phương pháp mô phỏng hiện nay làm tăng thời gian tính toán. Ngoài ra, sinh 2 viên còn có thể sử dụng kết quả của đề tài để học tập và tham khảo thêm các kiến thức khác trong lĩnh vực học tập của mình. TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI TĨNH 1.

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Hiện nay các bộ chuyển đổi tĩnh (chỉnh lưu/nghịch lưu) được sử dụng cực kì rộng rãi và trong nhiều thiết bị. Nó góp phần nâng cao việc chuyển đổi năng lượng điện. Tuy nhiên, các bộ chuyển đổi này làm sóng hài xuất hiện ở phía trước và phía sau của nó. Trong bối cảnh cần nâng cao chất lượng điện năng, nhiễu sóng hài này cần được xem xét kỹ lưỡng và phải tuân theo các tiêu chuẩn.

Để tính toán các sóng hài này, nhất là phục vụ cho tính toán kích thước bằng tối ưu hóa các mạch điện có chứa các bộ chuyển đổi này, mô hình hóa trong miền tần số các bộ chuyển đổi này là điều cần thiết. Để thực hiện mô hình hóa, cần xây dựng một mô hình dựa trên các đặc tính của mạch điện cho các cấu hình mạch. Tuy nhiên, để có thể thực hiện được việc mô hình hóa, thời điểm chuyển mạch từ cấu hình này sang cấu hình khác cần được biết trước. Đối với các trường hợp chuyển đổi trạng thái tự nhiên, thật khó để xác định được các thời điểm chuyển đổi này.

Các chuyển mạch này có liên quan đến các đại lượng dòng điện và/hoặc điện áp của các phần tử bán dẫn. Đối với điều này, các phương trình cụ thể dựa vào hình thái mạch phải được thực hiện để xác định thời điểm chuyển mạch. Thực hiện tính toán các thời điểm chuyển mạch này bằng phương pháp phương trình trạng thái kết hợp thuật toán tối ưu Sequential Quadratic Programming (SQP). Khác với trường hợp chuyển đổi tự nhiên, trường hợp chuyển đổi ép buộc thì các thời điểm chuyển đổi được biết trước nhưng nó lại xuất hiện một số lượng lớn các cấu hình trong một chu kỳ hoạt động của mạch điện.

Sau khi mô hình hóa được bộ chuyển đổi, biến đổi Fourier được thực hiện trực tiếp trên các phương trình trạng thái nhằm tính sóng hài sinh ra ở cả phía trước và phía sau của các bộ chuyển đổi này. Kết quả tính toán được sẽ được so sánh với giá trị thực hiện mô phỏng trong phần mềm Psim hoặc Simulink. Giới thiệu về các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh Các bộ chuyển đổi năng lượng tĩnh hay các bộ chuyển đổi tĩnh ngày nay được sử dụng rất rộng rãi và thường được chia thành hai dạng chính là bộ chỉnh lưu chuyển dòng điện hoặc điện áp xoay chiều sang dòng điện hoặc điện áp một chiều và bộ nghịch lưu với chức năng ngược lại. Để có thể thực hiện việc chuyển đổi này, các linh kiện điện tử công suất thường được sử dụng như diode, transistor, thyristor, Mosfet, IGBT, GTO … 4 1.1 Một số thiết bị điện tử công suất Để thực hiện các ngắt ngắt điện điện tử có thể dung nhiều linh kiện điện tử công suất.

Trong đề tài này chỉ giới thiệu diode đại diện cho chuyển đổi không điều khiển và Mosfet đại diện cho chuyển đổi có điều khiển. Diode Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Diode có hai cực, anode A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, cathode K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu n. Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp UAK dương.

Khi UAK âm, dòng qua điôt gần như bằng không như Hình 1.1 Diode [1] Cấu tạo: Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một diode. Ở nhiệt độ môi trường, các điện tử tự do trong lớp bán dẫn n khi khuếch tán sang lớp bán dẫn p sẽ bị trung hoà bởi các ion dương ở đây. Do các điện tích trong vùng tiếp giáp tự trung hoà lẫn nhau nên vùng này trở nên nghèo điện tích, hay là vùng có điện trở lớn. Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng ra đến một độ dày nhất định vì ở bên vùng n khi các điện tử di chuyển đi sẽ để lại các ion dương, còn bên vùng p khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp các điện tử hoá trị ngoài cùng, tạo nên các ion âm.

Các ion này nằm trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể silic nên không thể di chuyển được. Kết quả tạo thành một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở phía lớp n. Các điện tích của tụ điện này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng 5 n sang vùng p, làm ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các điện tử từ vùng n sang vùng p. Điện trường E này cũng tạo nên một rào cản điện áp Uj với giá trị không thay đổi ở một nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ở nhiệt độ 250C.2 Hình thành điện thế rào cản của lớp p-n [2] Khi lớp tiếp giáp p - n được đặt dưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng sang vùng n làm cho điện trở tương đương của điôt càng lớn và dòng điện không thể chạy qua.

Toàn bộ điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng nghèo điện tích. Ta nói rằng diode bị phân cực ngược [2].3 Phân cực của diode: a) phân cực thuận; b) phân cực ngược [2] Đặc tính Vôn-Ampe của diode : Một số tính chất của điôt trong quá trình làm việc có thể được giải thích thông qua việc xem xét đặc tính vôn-ampe của điôt trên Hình 1.