TỔNG QUAN ĐỀ ÁN
CÁC VẤN ĐỀ ĐẶT RA
Với môi trường sống, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp nặng đã xuất hiện nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến Trong bối cảnh ngày nay, vấn đề bảo vệ môi trường đang là một ưu tiên toàn cầu quan trọng Áp lực từ cộng đồng quốc tế đang tác động lên các vấn môi trường toàn cầu Nhằm khắc phục tình trạng này, nhiều quốc gia trên thế giới đang tận dụng năng lượng tái tạo từ tài nguyên thiên nhiên, được gọi là năng lượng tái tạo [1]-[2]
Với những đặc tính bền vững và thân thiện với môi trường, năng lượng tái sinh đang trải qua một cuộc phát triển nhảy vọt với tiềm năng to lớn về ứng dụng và phát triển Trong thời gian gần đây, năng lượng tái sinh trên thế giới đã trải qua sự phát triển nhảy vọt, vượt qua sự thống trị của năng lượng từ nguồn nhiên liệu truyền thống Để xử lý tình trạng môi trường nghiêm trọng và giảm thiểu áp lực của hoạt động có ảnh hưởng tiêu cực lên môi trường, cũng như giải quyết các cuộc khủng hoảng kinh tế, các nước như Trung Quốc, Hoa Kỳ, Ấn Độ, và Việt Nam đang rất quyết tâm đẩy mạnh việc xây dựng và phát triển năng lượng sạch [3]
Nhằm giảm bớt tác động tiêu cực đến môi trường, các quốc gia trên thế giới hiện đang mạnh tay vào việc thực thi chính sách khuyến khích sự phát triển năng lượng Chính phủ của nhiều nước đã đưa ra nhiều sáng kiến, giải pháp nhằm cải thiện môi trường sinh thái, cùng với việc tổ chức các hội thảo quốc tế nhằm cung cấp các chỉ dẫn chiến lược cho việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng tái tạo
Với với các khu vực có diện tích rộng hoặc nằm xa cách hệ thống điện quốc gia việc đầu tư và xây dựng hệ thống truyền tải điện cao thế xuyên qua biên giới đang là một rào cản lớn, vì vậy để vượt qua rào cản trên thì việc sử dụng điện và nguồn năng lượng sạch đã trở thành một giải pháp hấp dẫn Việc phát triển hệ thống sử dụng nguồn năng lượng từ gió và năng lượng mặt trời đã dẫn đến việc thay đổi chính sách năng lượng tại nhiều quốc gia Các phương tiện đi lại đang thu hút sự quan tâm của cả chính quyền và người dân sử dụng, như xe hybrid và xe chạy hoàn toàn bằng pin Bộ lưu trữ không dây (UPS) cũng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống lớn bao gồm hệ thống y tế, quản lý sức khoẻ và tài chính, vì chúng phải luôn duy trì độ tin cậy nguồn điện áp và tần số liên tục trong mọi trường hợp sử dụng
Hình 1 1: Sự gia tăng của của các loại năng lượng tái sinh trong tổng mức sử dụng năng lượng chung theo ngành, năm 2009 và 2019 (Nguồn: GTR 2022, UN,
Quốc hội đã thể hiện quyết tâm mạnh mẽ trong việc đảm bảo môi trường và phân bổ nguồn lực phù hợp khi thông qua nghị quyết huỷ bỏ dự án điện nguyên tử vào năm 2016 Những lo ngại về tác hại tiềm ẩn đến môi trường và khó khăn về khía cạnh tài chính đã đưa ra sự thay đổi quan trọng hơn đối với chính sách về năng lượng của quốc gia Nhiệt điện than và thủy điện đang là nguồn cung cấp điện chủ yếu trong hệ thống điện hiện nay của Việt Tuy nhiên, thế giới đang phải đối mặt với một thử thách mới khi mà sự phát triển thuỷ điện ngày càng chạm đến đỉnh điểm và năng lượng hiện có đã được sử dụng gần như cạn kiệt Hơn nữa, các dự án phát triển thuỷ điện cũng gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đối với môi trường, đặc biệt là đối với hệ thống sông ngòi và thuỷ sinh Trong bối cảnh đó, việc sử dụng những nguồn năng lượng mới, sạch và thân thiện với môi trường trở thành một vấn đề cấp thiết để giải quyết sự khan hiếm năng lượng điện hiện tại và trong tương lai Chính phủ đã sớm nhìn ra tính cấp bách của vấn đề và có các chính sách thúc đẩy phát triển năng lượng mặt trời Cụ thể, Thông tư số 16/2017/TT- BCT và kế đến là Thông tư số 05/2019/TT-BCT đã được Bộ Công Thương ban hành, theo đó ban hành các chính sách và khuyến khích đối với hoạt động đầu tư phát triển các dự án năng lượng mặt trời Những chính sách mới trên đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực Chúng ta có thể chứng kiến một làn sóng đầu tư vào các dự án năng lượng mặt trời trên khắp cả nước, dựa trên những tác động tích cực và đảm bảo mà các thông tư trên mang lại Kết quả là, trong việc giảm thiểu gánh nặng đối với hệ thống năng lượng quốc gia và kiến tạo một tương lai năng lượng bền vững hơn Việt Nam đã có được những bước tiến đáng kể Những tiến bộ trên chứng tỏ quyết tâm của Việt Nam đối với việc ngăn chặn ô nhiễm năng lượng và cải thiện môi trườngViệt Nam không chỉ bảo đảm an ninh năng lượng mà còn giúp phát triển một nền nông nghiệp xanh và thân thiện với môi trường thông qua việc thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo Việt Nam sẽ trở thành một quốc gia tiên phong trong cuộc cách mạng năng lượng sạch, với những quyết sách đúng đắn và thiết thực hơn, giúp đem lại lợi ích cho người dân Việt Nam và toàn cầu
Trong việc khai thác tối đa tiềm năng của các nguồn năng lượng tái tạo, bộ nghịch lưu đóng một vai trò then chốt Chúng ta có thể xem bộ nghịch lưu như một người kiểm soát giao thông, bảo đảm nguồn năng lượng lưu thông một cách trơn tru và hiệu quả từ nguồn năng lượng tái tạo đến mạng lưới điện Khi chúng ta đề cập đến việc khai thác tối ưu lợi ích của năng lượng mặt trời, gió, thì việc lựa chọn và tối ưu bộ nghịch lưu thích hợp trở thành một yếu tố then chốt Chúng hoạt động như một cầu nối, chuyển tiếp nguồn năng lượng từ dạng này sang dạng khác, để nó có thể được kết nối một cách liền mạch vào hệ thống điện sẵn có [4]
Hình 1 2: Hệ thống thiết bị inverter trong trang trại năng lượng mặt trời Với vai trò là một công nghệ then chốt, bộ nghịch lưu cho thấy ứng dụng của nó vượt ra ngoài khuôn khổ của các nguồn năng lượng truyền thống Trong những năm gần đây, chúng ta có thể thấy sự xuất hiện mạnh mẽ của bộ nghịch lưu trong nhiều lĩnh vực của đời sống hàng ngày và trong các lĩnh vực công nghiệp sự xuất hiện mạnh mẽ của xe điện, nơi mà bộ nghịch lưu đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hoá năng lượng tổng thể, giúp những chiếc xe này hoạt động một cách mạnh mẽ và hiệu quả mà không tạo ra nhiệt Ngoài ra, trong các thiết bị tự động hoá, bộ nghịch lưu là thành phần quan trọng trong bộ biến tần, giúp kiểm soát chính xác công suất và mô-men xoắn của động cơ, nâng cao năng suất và hiệu quả của các quá trình tự động hoá trong các thiết bị gia dụng thông minh, bộ nghịch lưu cũng góp phần vào sự ổn định và hiệu suất năng lượng Chúng ta có thể thấy nó trong các bộ điều khiển động cơ hiệu suất cao, giúp điều khiển tốc độ và hiệu suất của các thiết bị gia dụng, từ tủ lạnh đến máy điều hoà không khí, giảm chi phí điện năng và mang lại hiệu suất tối đa Nhằm tận dụng tối đa tiềm năng của công nghệ này trong nhiều lĩnh vực khác nhau, các nhà khoa học trên toàn thế giới đang nỗ lực để nâng cao hiệu quả và chất lượng của công nghệ này Những tiến bộ trong công nghệ bộ nghịch lưu từ việc tối ưu hoá hiệu suất năng lượng đến nâng cao độ tin cậy và tính bền vững đang định hình lại cách thức chúng ta lưu trữ và sử dụng năng lượng [5]
Hình 1 3: Sơ đồ của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời có tích hợp bộ bộ nghịch lưu
Thiết bị nghịch lưu có điện áp đầu ra + V và 0V thường được sử dụng trong các thiết bị dân dụng công suất vừa và nhỏ cũng như thiết bị công nghiệp công suất lớn, vì có những ưu điểm như chi phí thấp, dễ sử dụng và lắp ráp, nhanh gọn Tuy nhiên, loại mạch hình nghịch lưu này cũng có các nhược điểm sau [6]-[7][4]:
Khi làm việc với dải tần số chuyển mạch cao, tổn thất điện áp đặt trên các bán dẫn chuyển mạch (switching losses) lớn Trong các ứng dụng với điện áp công suất cao, khi dòng điện và điện áp tăng cao, tình trạng tổn thất điện áp trở nên trầm trọng hơn Lượng nhiệt tạo ra do hoạt động chuyển mạch khi các khoá công suất đang xử lý dòng điện và điện áp cao cũng tăng theo Điều này rất dễ dẫn tới công suất thấp, quá điện áp, hoặc thậm chí làm hư hỏng các linh kiện điện tử
THD lớn dẫn đến ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra Điện áp và dòng điện có THD cao có thể dẫn đến hiệu suất kém của thiết bị, gây ra các vấn đề như nhiễu tín hiệu, hoạt động không chính xác của cấu hình nghịch lưu và hư hỏng sớm
Để hạn chế ảnh hưởng của THD, hệ thống cần phải có bộ lọc lớn và phức tạp Điều này làm ảnh hưởng đến hiệu quả kinh doanh, làm gia tăng chi phí và mức độ phức tạp của hệ thống
Với hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp, mạch nghịch lưu 1 pha truyền thống đặc biệt là khi so sánh với các mạch đa bậc Điều này dẫn đến hiệu suất tổng thể của hệ thống có thể bị hao tổn dưới dạng nhiệt, gây ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ
Các khoá chuyển mạch trong mạch nghịch lưu, chẳng hạn như IGBT hoặc MOSFET có thể suy giảm hiệu năng và tuổi thọ bởi nhiệt độ tạo ra trong khi chuyển mạch ở tần số cao
Các nhà nghiên cứu đã nhanh chóng nhận thấy được khuyết điểm của bộ nghịch lưu truyền thống và nghiên cứu áp dụng việc nghiên cứu phát triển cấu hình bộ nghịch lưu đa bậc bởi những ưu điểm nổi bật của nó bao gồm [8]-[9]:
Giảm độ biến dạng hài (THD): Mạch nghịch lưu đa bậc có khả năng giảm đáng kể THD so với mạch nghịch lưu truyền thốngMột dạng sóng điện áp đầu ra mượt mà và gần giống với dạng sóng điện áp theo tiêu chuẩn hơn khi được tạo ra từ cấu hình đa bậc Điều này dẫn đến giảm thiểu nhiễu, tối ưu hoá hiệu năng, và tăng cường sự tin cậy của hệ thống
MỤC TIÊU THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
1.2.1 Mục tiêu chung của đề tài
Mục tiêu chính của đề án này xây dựng một cấu hình nghịch lưu một pha năm bậc với khả năng tăng áp kép kết hợp mạng nguồn kháng,cũng có thể được gọi tên là Five Level - Switch Boost - Dual Boost T-Cell Inverter (5L-SB-DBTCI) Nó sẽ có tiềm năng đóng vai trò quan trọng trong chuyển đổi và quản lý năng lượng, và trong các hệ thống năng lượng tái tạo hiện nay Cấu hình 5L-SB-DBTCI được nghiên cứu để loại bỏ một số nhược điểm của cấu hình nghịch lưu trước đây Bằng cách kết hợp cấu hình nghịch lưu đa bậc và tăng áp kép, học viên đặt mục tiêu cấu hình đề xuất sẽ đạt được hiệu suất cao, giảm thiểu hao phí năng lượng,tăng độ lợi điện áp Giải thuật dịch pha sóng mang (Phase Shift algorithm - PS) sẽ được áp dụng để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của cấu hình Một trong những điểm mạnh chính của 5L-SB-DBTCI là tính đơn giản cũng như tiết kiệm chi phí, nó có thể được sử dụng trong các hộ gia đình, doanh nghiệp nhỏ, và vị trí sản xuất xa lưới điện, cho phép họ tự sản xuất và quản lý năng lượng của riêng mình một cách hiệu quả và ổn định
1.2.2 Mục tiêu cụ thể của đề tài
Nhiệm vụ của đề án phải đảm bảo thoả mãn các nội dung sau:
Tìm hiểu khái quát về nghịch lưu đa bậc
Tìm hiểu về cấu hình và nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu 1 pha năm bậc Dual Boost T-Cell
Tìm hiểu cách cải tiếng mạng nguồn kháng nhằm tương thích với mạch nghịch lưu đề xuất
Nghiên cứu giải thuật PS điều khiển mạch nghịch lưu đa bậc truyền thống qua đó phát triển thành giải thuật điều khiển dòng 5L-SB-DBTCI
Mô phỏng mạch nghịch lưu 5 L-SB-DBTCI trên phần mềm PSim, căn cứ theo cơ sở phân tích hoạt động trong lý thuyết về giải thuật và cấu hình công suất
Thông qua việc mô phỏng có thể nắm chắc hơn về các tính toán lý thuyết, khắc phục được nhược điểm để từ đó đưa ra được phương hướng chính xác nhằm hoàn thiện đề tài.
CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Cách tiếp cận đề tài Đối với đề án thạc sĩ, học viên thực hiện đánh giá tổng thể và hệ thống của các cấu hình nghịch lưu đa bậc hiện có Phân tích trực tiếp các nghiên cứu được công bố gần đây trên các tạp chí khoa học chuyên ngành có uy tín là cách tiếp cận của học viên Học viên có thể xác định được xu thế hiện tại, điểm mạnh, và điểm hạn chế trong những nghiên cứu này theo cách này Học viên phân tích hiệu suất, và giá trị của các nghiên cứu quá khứ bằng cách sử dụng các công cụ tính toán và mô phỏng Học viên có thể xác định các điểm cụ thể cần được cải thiện và phát triển hơn nữa thông qua việc này Ngoài ra, các thuật toán điều khiển tiên tiến như phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) cũng được học viên cân nhắc sử dụng Học viên đánh giá hiệu quả của các phương pháp này trong việc cải thiện hiệu suất của hệ thống, giảm thiểu hao phí năng lượng, và duy trì chất lượng điện áp đầu ra
Các phương pháp nghiên cứu đề án:
Phương pháp nghiên cứu phân tích: Học viên áp dụng phân tích toán học điện áp và dòng điện trong bộ nghịch lưu 1 pha 5 bậc tăng áp kép kết hợp mạng nguồn kháng Phương pháp này cho phép học viên hiểu sâu nguyên lý hoạt động của cấu hình và đưa ra các phương pháp cải tiến cấu hình Học viên đánh giá hiệu suất, đảm bảo nghiên cứu hiệu quả và tuân thủ các tiêu chuẩn Phương pháp tiếp cận có hệ thống này giúp xác định trọng tâm nghiên cứu và đạt được các mục tiêu về hiệu suất và độ tin cậy
Phương pháp nghiên cứu bằng mô phỏng: Dựa vào các phân tích lý thuyết, học viên tiến hành mô phỏng và quan sát các kết quả trên phần mềm PSIM về dòng điện và điện áp đầu ra Đánh giá THD dòng điện và THD điện áp trên tải tuyến tính và phụ tải là lưới điện Ngoài ra, các kết quả phân tích về điện áp đặt trên tụ điện nguồn, nguyên lý hoạt động của mạng nguồn kháng,…
Phân tích và so sánh với các nghiên cứu trước đây cũng là phương pháp giúp học viên làm rõ hơn về các kết luận nghiên cứu này
Định hướng đối tượng đề tài nghiên cứu:
Phân tích bộ 5L-SB-DBTCI
Mô phỏng cấu hình và lập trình giải thuật trên phần mềm PSim
Mô phỏng với các loại tải khác nhau như tải tuyến tính và phụ tải là lưới điện ổn định
Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
Đây là hướng nghiên cứu mới, tài liệu nghiên mới cứu còn khá hạn chế và chỉ mang tính tham khảo
Xây dựng mô hình có ý nghĩa tham khảo, kiểm chứng, đối chiếu giữa lý luận và thực tiễn
Có thể xảy ra các sai lệch do các yếu tố khách quan và chủ quan ảnh hưởng đến quá trình thực hiện.
BỐ CỤC TRÌNH BÀY CỦA ĐỀ ÁN
Chương 1: Tổng quan đề án
Trình bày những nội dung và vấn đề nghiên cứu, mục đích lựa chọn đề tài, phương pháp nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu cũng như bố cục đề án
Chương 2: Khảo sát và phân tích cơ sở lý thuyết
Hệ thống lại những kiến thức nền tảng về nghịch lưu, phân tích về nội dung nghiên cứu đề xuất
Chương 3: Xây dựng sơ đồ mô phỏng, đánh giá và nhận xét kết quả Đưa ra phương pháp tiến hành mô phỏng, căn cứ trên kiến thức lý thuyết và kiến thức tham khảo từ các nguồn tư liệu, phân tích kết quả mô phỏng sau đó đưa ra nhận xét và kết luận
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển của đề án Đưa ra phương pháp tiến hành mô phỏng, căn cứ trên kiến thức lý thuyết và kiến thức tham khảo từ các nguồn tư liệu, phân tích kết quả mô phỏng sau đó đưa ra nhận xét và kết luận
Tài liệu tham khảo và phụ lục công bố nghiên cứu của đề tài.
KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU MỘT PHA
2.1.1 Nghịch lưu nguồn dòng một pha
Là một loại bộ nghịch lưu đặc biệt, nghịch lưu nguồn dòng một pha được sử dụng để chuyển đổi đổi dòng điện một chiều (DC) sang dòng điện xoay chiều (AC) với khả năng thay đổi tần số đầu vào một cách linh động Điểm hạn chế của bộ nghịch lưu một pha nguồn dòng là đòi hỏi cần có một nguồn dòng DC ổn định và liên tục, dẫn đến phải dùng cuộn cảm đầu vào với giá trị cao [21]-[22]
Hình 2.1 trình bày cấu hình điển hình của mạch nghịch lưu nguồn dòng cầu một pha Trong sơ đồ này, các khóa công suất sử dụng bằng Thyristor, cho phép điều chỉnh dòng điện một cách hiệu quả Điều khiển dòng DC đầu vào để tạo ra dòng điện AC mong muốn điện là nguyên lý làm việc chủ yếu của nghịch lưu một pha nguồn dòng Với việc điều chỉnh chu kỳ dẫn của từng Thyristor, pha và tần số của dòng điện đầu ra có thể được điều chỉnh chính xácĐiều này cho phép cấu hình nghịch lưu theo các yêu cầu đặc biệt đối với tần số và pha của phụ tải
Hình 2.1: Thyristor được sử dụng trong nghịch lưu một pha nguồn dòng Xung điều khiển kích dẫn các khóa S1, S2 lệch pha một góc 180 0 so với xung điều khiển khóa S3, S4
Do điện cảm ngõ vào L d cho nên dòng điện ngõ vào qua cuộn cảm vào được làm phẳng, dòng điện ngõ vào i N có dạng xung vuông vì nguồn cấp là nguồn dòng
Khi có xung kích dẫn khóa S1, S2 thì dòng điện ngõ vào i N i d Lúc này dòng điện qua tụ bắt đầu tăng nhanh, tụ C bắt đầu quá trình nạp, đến khi đầy thì dòng điện đi qua tụ lúc này giảm về 0 Do i N i i c z luôn là một hằng số cố định nên dòng điện ban đầu qua tải rất nhỏ và sau đó dòng điện đầu ra tăng dần dần lên Tiếp đến chu kỳ t t 1 , khi ta kích tín hiệu xung điều khiển cho khóa S3, S4, còn khóa S1, S2 do tác động của dòng điện trên tụ C ngược chiều với dòng qua hai khóa nên làm bị ngắt ra
Quá trình này xảy ra gần như liên tục, và tụ C sẽ tiếp tục nạp năng lượng theo hướng ngược lại với cực dương nằm bên phải và cực âm nằm phía bên trái Dòng điện đầu vào vẫn duy trì giá trị i N i d , nhưng đã thay đổi dấu Tại thời điểm t t 2 ta lại cấp xung điều khiển cho khóa S1, S2 ngắt S3, S4 và quá trình sẽ được lặp lại liên tục Ta có thể thấy chức năng của tụ điện C là chuyển mạch cho các khóa công suất i N
Hình 2 2: Giản đồ xung điều khiển cấu hình nghịch lưu một pha nguồn dòng Nghịch lưu nguồn dòng một pha dòng không những tiêu thụ công suất phản kháng mà lại có khả năng sản sinh ra công suất thực khi dòng i d đảo hướng chứ không thay dấu Vì vậy, khi mạch nghịch lưu dòng tương tác với tải là động cơ AC, nó có thể được sử dụng để thực hiện chức năng tái sinh công suất
Một trong những thách thức chính trong thiết kế nghịch lưu một pha nguồn dòng là kiểm soát giá trị điện cảm đầu vào Để đảm bảo dòng điện liên tục và ổn định, điện cảm thường phải có giá trị rất lớn Điều này có thể dẫn đến kích thước vật lý lớn và chi phí cao của điện cảm, ảnh hưởng đến tính kinh tế của hệ thống
Có nhiều ứng dụng trong các thiết bị truyền động điện tử, điều khiển máy móc và các quy trình sản xuất nơi mà điều khiển độ chính xác dòng điện là cực kỳ cần thiết, nghịch lưu một pha nguồn dòng Chúng có thể cung cấp khả năng điều khiển đa dạng tần số và điện áp, cho phép các hệ thống đáp ứng được yêu cầu cao của các ứng dụng khác nhau 2.1.2 Khảo sát nghịch lưu một pha sử dụng nguồn áp
Trong việc chuyển hoá điện năng thì nghịch lưu một pha nguồn áp đóng một vai trò then chốt, đặc biệt là đối với các hệ thống đòi hỏi điều chỉnh linh hoạt tần số [23]-[24] Nghịch lưu một pha nguồn áp có thể tạo ra một nguồn điện áp AC với tần số mong muốn bằng cách cung cấp một nguồn điện áp DC ổn định Điều này làm cho trong các ứng dụng yêu cầu tính ổn định và linh động về tần số, ví dụ như trong các ứng dụng truyền động điện tử và điều khiển động cơ thì cấu hình nghịch lưu là rất cần thiết
Khả năng cải thiện chất lượng điện áp đầu vào là một trong những đặc điểm nổi trội của nghịch lưu một pha nguồn áp Các nhà nghiên cứu tập trung vào việc hạn chế sóng hài bậc cao và cải thiện hình dạng sóng điện áp bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại Điều này dẫn đến một hệ thống nghịch lưu hiệu quả hơn, với điện áp đầu ra ổn định và ít nhiễu hơn,
Trong quá khứ, các thiết bị điều khiển như thyristor thường được sử dụng trong các mạch nghịch lưu nguồn áp Tuy nhiên, chúng có một số hạn chế, bao gồm hiệu suất thấp và cấu hình mạch phức tạp Hơn nữa, kích thước lớn của loại thiết bị này có thể làm giảm hiệu suất và sự phức tạp của hệ thống tăng cao Do đó, các nhà nghiên cứu đã đưa ra các giải pháp thay thế hiệu quả hơn
Một cấu hình được ứng dụng nhiều trong các mạch chuyển đổi điện năng vì có sự đơn giản và hiệu quả là mạch nghịch lưu áp cầu H một pha [25] Cấu hình được thiết kế để chuyển đổi điện năng từ một nguồn điện áp DC, chẳng hạn như ắc quy hoặc pin mặt trời, hoặc từ ngõ ra của các mạch chỉnh lưu đã được lọc phẳng, thành điện áp AC một pha Cấu hình nghịch lưu nguồn áp 1 pha cầu H sử dụng 4 khóa công suất (S1, S2, S3,
S4) được trình bày ở hình 2.3 i out R
Hình 2.3: Nghịch lưu nguồn áp 1 pha cầu H Đối với cấu hình nghịch lưu nguồn áp 1 pha cầu H thì các cặp khóa công suất trên cùng một nhánh sẽ không được điều khiển kích dẫn cùng một lúc Các khóa công suất được được nối trực tiếp với nguồn DC đầu vào, các cặp khóa công suất được dẫn luân phiên gồm cặp S1 & S2 và cặp S3&S4 Hình 2.4 biểu diễn các trạng thái của mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha cầu H
Hình 2.4: Các trạng thái hoạt động của nghịch lưu nguồn áp 1 pha cầu H
Ta có thể tóm tắt nguyên lý kích dẫn-ngắt của một mạch nghịch lưu 1 pha cầu H như bảng 2 1 dựa trên các trạng thái hoạt động của mạch:
Bảng 2 1: Tóm tắt các trạng thái hoạt động nghịch lưu 1 pha cầu H
Trong thời gian nữa chu kỳ hoạt động đầu (0 t ) , khóa S1, S2 được kích dẫn nên tải được nối với nguồn lúc này U out V dc Trong khoảng thời gian nữa chu kỳ sau ( t T ) các khóa S1, S2 được kích ngắt đồng thời cặp khóa S3, S4 được kích dẫn nên U out V dc
ON ON OFF OFF Vdc
OFF OFF ON ON -Vdc
Dựa vào biểu đồ biên dạng sóng của điện áp và dòng điện trên tải ở hình 2.5.Ta có biểu thức điện áp sau:
Dòng điện hiện dụng trên tải như sau:
2 T dc dc L Rt out rms o
Hình 2 5: Dạng điện áp trên tải mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha
Quan sát mạch nghịch lưu áp cầu H ta có thể thấy, tuy có nhiều ưu điểm như thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng vận hành, chi phí đầu tư thấp Nhưng nó cũng có một vài lợi thế khác như điện áp cao trên tụ điện, tần số biến đổi điện áp cao (dv/dt), hệ số méo hài cao (THD), và giới hạn phạm vi công suất hoạt động Điện áp cao trên tụ điện có thể là kết quả của yêu cầu điện áp đầu vào DC cao Điều tương tự có thể dẫn đến việc lắp đặt các thiết bị với điện áp định mức cao, làm gia tăng chi phí sản xuất Hơn nữa, độ bền của các sản phẩm điện tử có thể bị ảnh hưởng do điện áp cao, đặc biệt là đối với khoá công suất [26]
KHẢO SÁT CÁC CẤU HÌNH NGHỊCH LƯU ĐA BẬC
Trong ngành công nghiệp năng lượng, cấu hình nghịch lưu giữ đa bậc đang thu hút sự quan tâm lớn, đem lại một loạt lợi ích ấn tượng so với cấu hình bộ nghịch lưu truyền thông thường Khả năng giảm điện áp trên tụ là một trong những đặc điểm chính của tụ, dẫn đến giảm thiểu tiêu hao điện năng và tăng tuổi thọ Hơn nữa, độ méo hài tổng (THD) thấp hơn đồng nghĩa chất lượng điện áp đầu ra được cải thiện đáng kể, giảm thiểu EMI và tăng độ ổn định của hệ thống Một trong những lợi ích quan trọng khác của nghịch lưu đa bậc là khả năng áp dụng cho các tải công suất lớn Cấu hình đa bậc cho phép xử lý dòng điện và điện áp cao hơn, làm cho chúng trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp và truyền động điện Với số bậc cao hơn, các cấu hình nghịch lưu đa bậc có thể đạt được điện áp đầu ra cao hơn mà không cần tăng điện áp đầu vào, làm cho nó linh hoạt và phù hợp với nhiều loại tải khác nhau [28]
Tuy nhiên, một trong những thách thức chính của nghịch lưu đa bậc là sự gia tăng số lượng linh kiện công suất Mỗi bậc bổ sung yêu cầu các linh kiện công suất bổ sung, có thể dẫn đến tăng kích thước, chi phí, và tổn hao dẫn trên mạch Do đó, việc quyết định tăng số bậc phải được cân nhắc cẩn thận, dựa trên các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, để đảm bảo hiệu suất tối ưu và hiệu quả về mặt chi phí
Hiện nay, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đang tập trung vào hai cấu hình chính: nghịch lưu ba bậc và nghịch lưu năm bậc Mỗi cấu hình có những lợi ích và ứng dụng riêng nghịch lưu tụ kẹp (Flying Capacitor Inverter) là một cấu hình linh hoạt, cho phép đạt được điện áp đầu ra cao với số lượng linh kiện công suất ít hơn Trong khi đó, nghịch lưu ghép tầng (Cascade Inverter) cung cấp khả năng điều chỉnh linh hoạt tần số và điện làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao Ngoài ra, các cấu hình khác như nghịch lưu đa bậc với điểm trung tính giữa tích cực (Mid-Point Clamped based MLI with Active Neutral Point) và nghịch lưu xếp chồng (Stacked- Multicell Inverter) cũng đang thu hút sự quan tâm Mỗi cấu hình có những đặc điểm và lợi ích riêng, cho phép các nhà nghiên cứu lựa chọn giải pháp tối ưu cho các ứng dụng cụ thể
2.2.1 Nghịch lưu một pha đa bậc tụ kẹp ( Flying Capitor Inverter-FCI)
Năm 1992, cấu hình FCI được giới thiệu bởi Meynard và Forch Cấu hình FCI được thiết kế dựa trên ghép nối tiếp các tụ điện với nhau tùy theo số bậc điện áp đầu ra [29] Nghịch lưu 1 pha đa bậc tụ kẹp sử dụng một cấu hình độc đáo với nhiều bậc điện áp, cho phép hoạt động với công suất lớn Nó đạt được điều này bằng cách sử dụng các tụ điện được nối nối tiếp tùy theo số bậc điện áp đầu ra [30] Hình 2.6 trình bày mạch nghịch lưu 1 pha đa bậc tụ kẹp, các trạng thái hoạt động của mạch trình bày theo trình tự kích dẫn và kích ngắt của khóa công suất và biên độ điện áp đầu ra (Bảng 2.2)
Bảng 2 2: Tóm tắt các trạng thái hoạt động nghịch lưu FCI
Ưu điểm: Khi vận hành với tần suất đóng ngắt cao sẽ giảm kích cỡ bộ lọc, dễ dàng điều chỉnh công suất thực và phản kháng khi sử dụng hoà đồng lưới,
Nhược điểm: Phức tạp trong điều khiển cân bằng điện áp trên các tụ dẫn đến méo dòng điện, điện áp đầu ra cũng như gây hư hỏng khoá công suất Ngoài ra, kích thước và khối lượng của tụ cũng tăng lên khi tăng số lượng bậc điện áp
Hình 2 6: Mạch nghịch lưu 1 pha đa bậc tụ kẹp
2.2.2 Nghịch lưu 1 pha đa bậc dạng ghép tầng ( Cascade Inverter)
Mạch nghịch lưu dạng ghép tầng, hay còn được gọi là cấu hình Cascade có đặc điểm là việc sử dụng nhiều nguồn DC độc lập, làm cho nó trở nên lý tưởng trong các tình huống nơi mà các nguồn DC như pin hoặc ắc quy sẵn có [31] Cấu trúc của mạch nghịch lưu dạng ghép tầng bao gồm nhiều cầu H nối tiếp với nhau Mỗi cầu H hoạt động như một bộ nghịch lưu riêng biệt, với nguồn áp DC độc lập của riêng Điều này cho phép linh hoạt và khả năng mở rộng cao trong hệ thống Hình 2.7 trình bày cấu hình nghịch lưu một pha năm bậc dạng cascade [32] Bảng 2.3 trình bày các trạng thái hoạt động của cấu hình nghịch lưu 1 pha năm bậc dạng ghép tầng
Ưu điểm: Không sử dụng diode kẹp hay tụ kẹp, tần số đóng ngắt của linh kiện giảm, giảm điện áp đặt trên các linh kiện, đạt được sự ổn định điện áp của các nguồn DC
Nhược điểm: Phải sử dụng nhiều nguồn DC riêng biệt nhau, nhiều khóa công suất dẫn đến tổn hao lớn, điều khiển phức tạp.
Bảng 2 3: Trạng thái hoạt động của cấu hình nghịch lưu 1 pha năm bậc dạng ghép tầng
Hình 2 7: Mạch nghịch lưu một pha năm bậc pha dạng Cascade
2.2.3 Nghịch lưu dạng hình T (T-Type)
Nghịch lưu 1 pha năm bậc hình T (T-Type Inverter -T 2 I) có cấu hình như hình 2.8 Cấu hình nghịch lưu này cho hiệu suất cao và hoạt động ổn định hơn so với các mạch nghịch lưu đa bậc truyền thống nhờ được cấu tạo chỉ với các khóa công suất mà không cần gắn thêm tụ kẹp hoặc diode nên khắc phục được những nhược điểm của các cấu hình đa bậc truyền thống [33]-[34]
Bảng 2 4: Các trạng thái hoạt động của cấu hình nghịch lưu 1 pha năm bậc T-
Hình 2 8: Cấu hình mạch nghịch lưu 1 pha năm bậc T-Type
Ưu điểm: Giảm tổn thất công suất, không phải dùng thêm linh kiện bổ sung làm gia tăng khối lượng và kích cỡ, có khả năng sửa chữa lỗi khi các khoá công suất hư hỏng nhờ thuật toán điều chế linh động, bảo đảm độ tin cậy
Nhược điểm: Chỉ phù hợp với các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, điện áp stress trên linh kiện khá lớn,biên độ điện áp đầu ra chỉ bằng 1
2V dc 2.2.4 Nghịch lưu đa bậc với điểm trung tính giữa tích cực
Hệ thống nghịch lưu đa bậc với điểm trung tính giữa tích cực ( Active Neutral Point Clamped-ANPC) có cấu hình như hình 2.8 Cấu hình nghịch lưu này mang nhiều ưu điểm, bao gồm giảm độ biến đổi của điện áp (dv/dt), giảm điện áp stress trên các linh kiện công suất, và cũng giảm đáng kể dòng điện rò trên hệ thống [35]
DC-DC Boost Converter 5L-ANPC Inverter
Hình 2 9: Cấu hình mạch nghịch lưu 1 pha năm bậc hình ANPC kết hợp mạch tăng áp
Ưu điểm: Giảm độ dao động điện áp, giảm điện áp stress, dòng điện rò thấp…
Nhược điểm:Biên độ điện áp đỉnh đầu ra bằng 1
2V dc 2.2.5 Nghịch lưu xếp chồng
Hệ thống nghịch lưu đa bậc xếp chồng (Stacked- Multicell Inverter -SMC) có cấu hình này những ưu điểm như ANPC Tuy nhiên có ưu điểm vượt trội hơn khi hoạt động công suất lớn [36]
Ưu điểm: Hoạt động ở dãi công suất cao, SMC được kế thừa những ưu điểm của ANPC
Nhược điểm:Biên độ điện áp đỉnh đầu ra bằng 1
2V dc , cân bằng điện áp tụ phức tạp…
DC-DC Boost Converter 5L-SMC Inverter
Hình 2 10: Cấu hình mạch nghịch lưu 1 pha năm bậc SMC kết hợp mạch tăng áp.
CẤU HÌNH TĂNG ÁP MỘT CHẶNG TRUYỀN THỐNG
Điện áp đầu vào trong bộ nghịch lưu nguồn áp truyền thống, hay Voltage Source Inverter (VSI) thường thấp hơn điện áp đầu vào Điều này gây ra vấn đề khi mục tiêu là tăng điện áp đầu ra thay vì giảm Một giải pháp phổ biến là kết hợp VSI với một bộ tăng áp DC/DC hoặc một máy biến áp Tuy nhiên, việc tích hợp các cấu hình bổ sung này có thể dẫn đến những bất lợi đáng kể Như kích thước và chi phí của bộ nghịch lưu có thể tăng lên đáng kể, ảnh hưởng đến tính linh hoạt và hiệu quả chi phí của hệ thống Ngoài ra, VSI còn đối mặt với thách thức khi phải đối mặt với hiện tượng ngắn mạch, hay còn được gọi là "Shoot through" (ST) Hiện tượng này xảy ra khi hai khóa trên cùng một nhánh cùng dẫn, dẫn đến sự suy giảm hiệu suất của bộ nghịch lưu Để giảm thiểu tác động của ST, kỹ thuật dead-time thường được áp dụng nhưng nó có thể ảnh hưởng đến hiệu suất chung của bộ chuyển đổi
Cấu trúc nghịch lưu tăng áp hai chặng (two-stage inverter - TSI) có cấu trúc gồm bộ biến đổi DC-DC điều khiển độc lập và bộ inveter phía sau Hiệu suất thường khá thấp do có hai giải đoạn biến đổi năng lượng Chi phí và kích thước cũng rất lớn do yêu cầu nhiều thành phần linh kiện, ngoài ra thì việc điều khiển cũng phức tạp hơn và chỉ phù hợp khi cấu hình hoạt động ở công suất lớn
Do đó, các nhà nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các giải pháp thay thế hiệu quả hơn Một trong những phương pháp được quan tâm là việc sử dụng các cấu hình mạng nguồn kháng, cho phép tạo ra điện áp đầu ra cao hơn mà không cần sử dụng máy biến áp hoặc cấu hình DC/DC phía trước Những cấu hình này khi tích hợp vào mạch nghịch lưu có thể gọi là cấu hình nghịch lưu một chặng (Single-stage inverter - SSI), có thể kể đến các cấu hình nổi tiếng như Z- Source Inverter, Quasi-Z Source Inverter, Quasi- Switch Boost Inverter,… Những cấu hình này mang lại độ lợi điện áp cao hơn và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến ST
Từ khảo sát về TSI và SSI có thể thấy, khi cấu hình được sử dụng cho ứng dụng công suất vừa và nhỏ cũng như cần độ ổn định của hệ thống thì SSI được ưu tiên sử dụng bởi tính đơn giản, hiệu suất cao và chi phi thấp Ngược lại, đối với ứng dụng cần công suất cao thì TSI là một lựa chọn phù hợp Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung khảo sát về SSI nhằm ứng dụng cho các phụ tải có công suất vừa và nhỏ
2.3.1 Khảo sát mạng nghịch lưu nguồn kháng Z-Source (ZSI)
So với các thiết bị nghịch lưu tăng áp thông thường thì Nghịch lưu nguồn Z, hay Z- Source Inverter (ZSI) đem tới một loạt lợi ích lớn Hình 2 11 trình bày cấu hình ZSI, cho thấy sự biến đổi công suất một chặng của nó ZSI có thể tăng điện áp đầu ra, giúp nó vượt qua những giới hạn của các thiết bị nghịch lưu khác bằng cách sử dụng chế độ ngắn mạch
Tuy nhiên, như được chỉ ra trong nghiên cứu [37], vẫn còn một số hạn chế cần được giải quyết Hiện tượng điện áp ngõ vào không ổn định là một trong những vấn đề quan trọng, quyết định đến hiệu năng và sự an toàn của thiết bị Điều này có thể gây ra các sự cố đối với các ứng dụng đòi hỏi điện áp ổn định và đồng bộ Để giải quyết vấn đề này, trong [38] đã đề xuất một số cải tiến cho mạng nguồn Z
Họ đề xuất các phương pháp để giảm thiểu hiện tượng dòng điện ngõ vào không liên tục trong trạng thái tăng áp và giảm điện áp đặt trên tụ điện Những cải tiến này nhằm mục đích cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống nghịch lưu nguồn Z Hình 2.12 trình bày các trạng thái hoạt động của cấu ZSI trong điều kiện ngắn mạch (shoot through – ST) và điều kiện hoạt động bình thường ( non shoot through – NST)
Hình 2 11: Cấu hình mạng nghịch lưu nguồn Z 1 pha
Hình 2 12: Trạng thái hoạt động của mạch tại trạng thái: (a) NST, (b) ST
2.3.2 Kháo mạng nghịch lưu quasi Z-Source (qZSI) Đã khắc phục những nhược điểm của mạng nguồn Z, cấu hình nghịch lưu tựa nguồn
Z (qZSI) đã được thể hiện ở hình 2 13 Cụ thể, qZSI đã giải quyết hai vấn đề quan trọng sau [18]:
+ Dòng điện đầu vào hoạt động liên tục: Trong quá trình tăng áp, mạng nguồn Z hay gặp sự cố do điện áp đầu vào không ổn định Tuy nhiên, qZSI đã giải quyết vấn đề này và đảm bảo điện áp ngõ vào có tính ổn định, điều này có vai trò quan trọng đối với sự đảm bảo an toàn của phụ tải
+ Giảm điện áp stress đặt trên linh kiện bán dẫn công suất và tăng độ tin cậy của hệ thống: qZSI giúp bảo vệ và kéo dài tuổi thọ của các linh kiện trong hệ thống bằng cách giảm thiểu dòng điện đặt trên các linh kiện điện tử công suất Điều này cũng tạo điều kiện cho mức độ an toàn cao hơn của hệ thống nghịch lưu
Các trạng thái hoạt động của qZSI được biểu diễn trên hình 2.14
Hình 2 13: Cấu hình mạng nghịch lưu tựa nguồn Z (qZSI) 1 pha vinv
Hình 2 14: Các trạng thái hoạt động của cấu hình tựa nguồn Z (qZSI): (a) trạng thái
Tuy nhiên nhược điểm chính của cấu hình mạng nguồn kháng qZSI là độ lợi điện áp còn thấp cũng như cấu tạo chủ yếu từ các linh kiện thụ động dẫn đến kích thước mạch và tổn hao công suất lớn.
ĐỀ XUẤT CẤU HÌNH NGHIÊN CỨU
Để giải quyết những nhược điểm thường gặp trong các bộ nghịch lưu truyền thống, bao gồm biên độ đỉnh điện áp đầu ra thấp (ˆ 1 ) out 2 dc
V V và độ lợi điện áp hạn chế, một cấu hình nghịch lưu 1 pha năm bậc mới được đề xuất Cấu hình này, được trình bày trong Hình 2.15, kết hợp một giữa nghịch lưu một pha năm bậc tăng áp kép và mạng nguồn kháng cải tiến, được gọi là Five Level - Switch Boost - Dual Boost T-Cell Inverter (5L-SB-DBTCI) Một trong những điểm nổi bật của 5L-SB-DBTCI là khả năng cải thiện biên độ đỉnh điện áp đầu ra Bằng cách kết hợp mạng nguồn kháng, cấu hình này có thể cung cấp điện áp đầu ra cao hơn, đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng hiện đại đòi hỏi điện áp cao và ổn định Cấu hình đa bậc cho phép đạt được điện áp đầu ra cao hơn mà không cần tăng điện áp đầu vào, cải thiện đáng kể so với các bộ nghịch lưu truyền thống Ngoài ra, 5L-SB-DBTCI còn mang lại những lợi ích vượt trội khác Nó thừa hưởng những tính năng ưu việt của cấu hình nghịch lưu đa bậc một chặng truyền thống, như giảm dòng rò và giảm điện áp stress trên linh kiện Hơn nữa, cấu hình này còn có thể chịu được trạng thái ngắn mạch trong thời gian ngắn (shoot-through stage), cải thiện độ tin cậy và độ ổn định của hệ thống
Cấu hình đề xuất của học viên thể hiện trong Hình 2.15, mang lại một giải pháp giải quyết những nhước điểm trong các cấu hình nghịch lưu truyền thống Nó cung cấp một phương pháp hiệu quả để quản lý điện áp, cải thiện độ lợi điện áp, và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến dòng rò và điện áp stress trên khóa công suất
Hình 2 15: Cấu hình mạng nghịch lưu đề xuất (5L-SB-DBTCI)
2.4.1 Mạng nguồn kháng Switch Boost đề xuất (Switch Boost Network-SBN) Mạng nguồn kháng switch boost (SBN) đề xuất được cấu tạo gồm 4 cuộn cảm
( , , , ) L L L L có chức năng nạp-xả năng lượng giúp nâng cao biên độ điện áp đầu ra dựa theo giải thuật điều khiển cũng như giúp bảo vệ mạch nghịch lưu trong trường hợp xảy ra ngắn mạch Ba tụ điện ( , , ) C C C a b P có chức năng tích trữ và xả điện áp nhằm tăng điện áp DC-link Diode D 1 dùng để dẫn dòng một chiều cùng với khóa công suất
S Pđể điều khiển điện áp DC-Link linh hoạt dựa theo giải thuật
Dựa trên nguyên tắc hoạt động của 5 levels - Dual boost T-Cell Inverter (5L-DBTCI) cũng như tỉ số đóng ngắt của hai khóa SP, SBN được chia làm ba trạng thái hoạt động chính gồm Shoot-through 1 (ST1), Shoot-through 2 (ST2), và Non-Shoot through (NST)
Trạng thái ST1: Khóa SP được kích ngắt, khóa S1 và S2 được kích dẫn đồng thời Dẫn đến Diode D1 phân cực ngược, cuộn cảm L1 & L2 nạp, cuộn cảm L3 & L4 giữ nguyên trạng thái Các tụ điện CP, Ca, Cb nạp Hình 2.16 biểu diễn sơ đồ tương đương của mạng nguồn kháng đề xuất ở trạng thái ST1
N vL3 vL1 P vL4 vL2 vCP vCa
Hình 2 16: Mạch tương đương của SBN ở trạng thái ST1
Dựa vào trạng thái hoạt động của mạch ở khoảng thời gian ST1, ta có thể phân tích giá trị dòng điện và điện áp thành phần trên cấu hình tương đương như sau:
+ Giá trị điện áp trên các cuộn cảm tại ST1:
+ Giá trị dòng điện trên tụ CP tại ST1:
+ Giá trị dòng điện i PN :
PN a b dv dv i C C dt dt
+ Giá trị điện áp V PN :
Trạng thái ST2: Khóa SP được kích dẫn, khóa S1 và S2 được kích dẫn đồng thời Dẫn đến Diode D1 phân cực thuận, cuộn cảm L1 & L2 xả, cuộn cảm L3 & L4 nạp Các tụ điện CP, Ca, Cb nạp Hình 2.17 biểu diễn sơ đồ tương đương của mạng nguồn kháng đề xuất ở trạng thái ST2.
N vL3 vL1 P vL4 vL2 v CP vCa
Hình 2 17: Mạch tương đương của SBN ở trạng thái ST2
Dựa vào trạng thái hoạt động của mạch ở khoảng thời gian ST2, ta có thể phân tích giá trị dòng điện và điện áp thành phần trên cấu hình như sau:
+ Giá trị điện áp trên các cuộn cảm tại ST2:
+ Giá trị dòng điện trên tụ CP tại ST2:
+ Giá trị dòng điện i PN :
PN a b dv dv i C C dt dt
+ Giá trị điện áp V PN :
Trạng thái NST: Khóa SP được kích ngắt, khóa S1 và S2 được kích dẫn luân phiên Dẫn đến Diode D1 phân cực thuận, tất cả các cuộn cảm và tụ điện phân ở trạng thái xả Hình 2.18 biểu diễn sơ đồ tương đương của mạng nguồn kháng đề xuất ở trạng thái NST
N vL3 vL1 P vL4 vL2 vCP vCa
Hình 2 18: Mạch tương đương của SBN ở trạng thái NST
Dựa vào trạng thái hoạt động của mạch ở khoảng thời gian NST, ta có thể phân tích giá trị dòng điện và điện áp thành phần trên cấu hình như sau:
+ Giá trị điện áp trên các cuộn cảm tại NST:
+ Giá trị dòng điện trên tụ CP tại NST:
2.4.2 Nghịch lưu 1 pha năm bậc tăng áp kép T-Cell ( 5L-SB-DBTCI)
Dựa vào nguyên lý hoạt động của SBN và giải thuật điều khiển, cấu hình 5L-SB- DBTCI được phân tích thành 8 trạng thái hoạt động chính với năm mức điện áp đầu ra khác nhau gồm
V V Với Vcs1, VCS2, là điện áp trên tụ
Cs1 và Cs2 Các trạng thái hoạt động được phân tích dựa trên nguyên tắc kích dẫn /ngắt của của các khóa công suất như sau:
Trạng thái 1: Các khóa công suất S1, S2, S5, S6 kích dẫn Mức điện áp đầu ra v o 0V Lúc này cấu hình SBN hoạt động ở trạng thái ST1
Hình 2 19: Mạch tương đương của 5L-SB-DBTCI ở trạng thái đầu ra 0V khi S1, S2,
Trạng thái 2: Các khóa công suất S3, S4, S5, S6 kích dẫn Mức điện áp đầu ra v o 0V Cấu hình SBN hoạt động ở trạng thái NST
Hình 2 20: Mạch tương đương của 5L-SB-DBTCI ở trạng thái đầu ra 0V khi S3, S4,
Trạng thái 3: Các khóa công suất S1, S2, S5, S7 được kích dẫn Mức điện áp đầu ra
1 o C s v V Lúc này mạch hoạt động ở trạng thái ST1
Hình 2 21: Mạch tương đương của 5L-SB-DBTCI ở trạng thái đầu ra VCs1 khi S1, S2,
Trạng thái 4: Các khóa công suất S3, S4, S5, S7 được kích dẫn Mức điện áp đầu ra
1 o C s v V Cấu hình hoạt động ở trạng thái NST
Hình 2 22: Mạch tương đương của 5L-SB-DBTCI ở trạng thái đầu ra VCs1 khi S1, S2,
Trạng thái 5: Các khóa công suất S1, S2, S5, S8, SP được kích dẫn Mức điện áp đầu ra vo VC s 2 Cấu hình hoạt động ở trạng thái ST2
Hình 2 23: Mạch tương đương của 5L-SB-DBTCI ở trạng thái đầu ra -VCs2 khi S1,
Trạng thái 6: Các khóa công suất S3, S4, S5, S8 được kích dẫn Mức điện áp đầu ra
2 o C s v V Cấu hình hoạt động trong trạng thái NST.
Hình 2 24: Mạch tương đương của 5L-SB-DBTCI ở trạng thái đầu ra -VCs2 khi S3,
Trạng thái 7: Các khóa công suất S1, S2, S4, S7 đượckích dẫn Mức điện áp đầu ra
1 2 s s o C C v V V Cấu hình hoạt động ở trạng thái ST1
Hình 2 25: Mạch tương đương của 5L-SB-DBTCI ở trạng thái đầu ra -VCs1+VCs2 khi
Trạng thái 8: Các khóa công suất S1, S2, S3, S8 được kích dẫn Mức điện áp đầu ra
1 2 s s o C C v V V Cấu hình hoạt động ở trạng thái ST1
Hình 2 26: Mạch tương đương của 5L-SB-DBTCI ở trạng thái đầu ra -VCs1-VCs2 khi
Bảng 2.5 trình bày tóm tắt các trạng thái hoạt đông của 5L-SB-DBTCI dựa theo trạng thái hoạt động của các khóa công suất tương ứng với mức điện áp đầu ra
Bảng 2 5: Tóm tắt các trạng thái hoạt động của 5L-SB-DBTCI
- Dựa trên trạng thái hoạt động của cấu hình 5L-SB-DBTCI cũng như quá trình nạp/xả của các thành phần thụ động trên mạch như cuộn cảm, tụ điện, tỉ số ngắn mạch và tỉ số hoạt động của các khóa SP ta có thể xác định điện áp DC-Link như sau:
Vˆ PN : Điện áp đỉnh DC-Link
Vin: Điện áp đầu vào
d0: Tỉ số hoạt động của khóa SP
dst: Tỉ số ngắn mạch (shoot-through ratio)
- Hệ số Boost (B) được xác định như sau:
Từ công thức (2.13) và (2.14) ta có thể thấy các tỉ số hoạt động của khóa SP, tỉ số ngắn mạch và chỉ số điều chế đều có tác động lớn hệ số boost của mạch Tuy nhiên, dựa vào phân tích trình tự hoạt động của cấu hình đề xuất mà ta có thể đưa ra các nhận xét để làm cơ sở cho việc xây dựng giải thuật điều khiển và ứng dụng trong các phụ tải thực tế như sau:
+ Chỉ số điều chế (m) được khuyến nghị đảm bảo hoạt động ở dãi chỉ số thấp (m < 0,86) nhằm giảm tổn hao chuyển mạch, hạn chế trường hợp quá điều chế trong quá trình vận hành lâu dài và giảm sóng hài bậc cao
GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
Trong nghiên cứu này, học viên đề xuất sử dụng giải thuật điều khiển dịch pha sóng mang 180 0 ( Phase Shift – PS) với tần số cao so sánh với tín hiệu tham chiếu hình sine được trình bày ở (2.17) và các tín hiệu tham chiếu hằng số nhằm điều khiển tỉ số ngắn mạch shoot-through (VST) và tỉ số hoạt động của khóa công suất SP (Vcon) được trình bày ở sơ đồ điều chế tín hiệu điều khiển ở hình 2.27
Vref: Tín hiệu tham chiếu
m: chỉ số điều chế với 0
