L ỜI CẢM ƠN
1.2.2. Phương pháp điều chế
Đối với dải công suất lớn, điện áp cao, là vùng làm việc chủ yếu của nghịch lưu đa
mức, chiến lược điều chế cần hướng tới giảm thấp số lần đóng cắt của khóa bán dẫn, từđó mà giảm được tổn hao do đóng cắt, trong khi phải đảm bảo giảm thiểu tổng độ
méo sóng hài THD. Ngoài ra, các mục tiêu điều khiển khác có thểđược xử lý bằng kỹ thuật điều chế thích hợp như giảm điện áp common-mode, cân bằng điện áp trên tụ, giảm thiểu sóng hài dòng điện đầu vào, dv/dt thấp [31],...Do đó, phương pháp điều chếvà điều khiển cho các BBĐ đa mức luôn được quan tâm nghiên cứu trong nhiều
năm qua, nhằm mục đích đạt hiệu quả truyền dẫn năng lượng điện tốt nhất, nâng cao
độ tin cậy và tăng cường chất lượng các thông số của BBĐ…. Hiện nay, việc sử dụng
điều khiển bằng công nghệ số DSP, FPGA cho phép thực hiện các kỹ thuật điều khiển mới và tinh vi hơn so với các phương pháp điều khiển tuyến tính cổ điển, tạo ra sự
linh hoạt cần thiết của BBĐ trong các ứng dụng thực tế. Các phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức như mô tảởHình 1.9 có thể chia thành hai nhóm lớn là thuật toán dựa trên điều chế SVM và thuật toán dựa trên mức điện áp gồm: phương pháp PWM; phương pháp NLM. Các tiêu chí để lựa chọn các kỹ thuật điều chế thích hợp vào cấu
trúc, đặc điểm kỹ thuật khi thiết kế và khảnăng ứng dụng của từng loại BBĐ. Cả hai phương pháp trên đều được thực hiện trong miền thời gian. Khi đánh giá về tổn thất,
các phương pháp điều chế có tần số thấp được sử dụng nhiều hơn trong ứng dụng công suất cao vì có khảnăng giảm tổn thất đóng cắt trong khi chất lượng điện áp đầu ra vẫn thỏa mãn yêu cầu, đạt hiệu quảcao hơn so với phương pháp có tần số cao. Ngoài
ra, các tiêu chí để lựa chọn còn được thực hiện dựa trên việc thực hiện đơn giản quá trình chuyển mạch được tối ưu, có thể phối hợp nhịp nhàng với các tiêu chí điều khiển khác...Đối với nghịch lưu đa mức cấu trúc cấu trúc cầu H nối tầng, kỹ thuật điều chế
phổ biến thường được sử dụng: PWM dùng nhiều sóng mang và điều chế vector không gian (SVM).
11 Các dạng PWM nhiều sóng mang cơ bản áp dụng cho nghịch lưu đa mức là [32]: - Kỹ thuật điều chế với các sóng mang dịch pha (Phase-shift Carrier PWM –
PSCPWM)
- Các PWM với sóng mang dịch mức, với các dạng khác nhau về sắp đặt pha giữa
các sóng mang với nhau như APOD, POD, PD.
Điều chế với nhiều sóng mang dễ áp dụng và cũng có thể mang lại hiệu quả cao về đảm bảo thành phần sóng hài. Tuy nhiên do các dạng sóng mang là cốđịnh nên muốn thay đổi các chếđộ của sơ đồđiều chếđể đạt được những mục tiêu khác như tăng khảnăng sử dụng điện áp nguồn DC (đạt hệ sốbiên độsóng cơ bản mong muốn
trên điện áp DC lớn hơn), giảm số lần đóng cắt của khóa bán dẫn bằng các sơ đồđiều chếgián đoạn (Discontinuous PWM), chỉ có thểtác động lên sóng chủđạo [33]. Các
phương pháp cân bằng điện áp trên các tụDC đối với PWM nhiều sóng mang cũng đều phải tác động lên sóng chủđạo nên rất phức tạp, trong nhiều trường hợp là không khả thi. Bên cạnh đó, với yêu cầu mỗi cầu H cần một sóng mang (11 mức cần 15 bộ
tạo sóng mang) dẫn đến không khả thi với mức cao.
Phương pháp điều chế vector không gian SVM có những ưu điểm ở khảnăng linh
hoạt hơn nhiều so với PWM dựa trên sóng mang. SVM có khảnăng tạo ra quỹđạo vector mong muốn có dạng bất kỳ nhờ lựa chọn các trạng thái mạch nghịch lưu và các thời gian phù hợp trong một chu kỳđiều chế. Điều này rất cần thiết để đảm bảo
đặc tính động học của hệ thống vì thông thường bộ biến đổi nằm trong hệ thống các mạch vòng điều chỉnh, lượng đặt cho khâu điều chế có thể có dạng khác xa so với
hình sin, khi đó tính toán các lượng offset cho PWM nhiều sóng mang trở nên là vấn
đề lớn. Nhờ các trạng thái dư của mạch nghịch lưu trong việc tạo ra cùng một vector
điện áp chuẩn, cơ bản đã giải quyết các vấn đề về: tối ưu trạng thái chuyển mạch van bán dẫn [34]–[37], cân bằng điện áp giữa các pha và giữa các tụ DC trên cùng một pha [38], giảm thiểu ảnh hưởng của common mode [39], [40]. Bên cạnh đó, phương pháp điều chếSVM cũng cho phép tạo ra những mẫu xung đểBBĐ có thể làm việc
được trong cảtrường hợp lỗi van công suất và giảm được những ảnh hưởng tiêu cực do lỗi gây ra [2], [41], tận dụng điện áp một chiều tốt hơn.
Yêu cầu khối lượng tính toán cao được coi là nhược điểm chính của SVM, nhất là khi sốlượng vector điện áp chuẩn tăng lên nhanh theo số mức và được tính toán như
(1.1)[32]: 1 3 1 1 6 ; m vectors chuan TTMNL i N i N m (1. 1)
Trong đó: m là số mức mạch nghịch lưu, NTTMNL là trạng thái mạch nghịch lưu.
Ví dụ nếu số mức là 5 thì số vector chuẩn là là 61 và trạng thái mạch nghịch lưu là
12
Hình 1. 5. Tổng quan về các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa mức (nguồn: [42])
V8: (5;4;3) (4;3;2) (3;2;1) (2;1;1) (1;0;-1) (-1;-2;-3) (-2;-3;-4) (-3;-4;-5) 0 V V1 2 V 3 V 4 V 5 V V6 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 12 V 13 V 14 V 15 V 16 V 17 V 18 V 271 V 330 V 272 V 280 V 281 V 282 V 290 V 291 V 292 V 300 V 301 V 302 V 310 V 311 V 312 V V320 V321 322 V
Hình 1. 6. Vector không gian điện áp của CHB - MLI 11 mức CHB
Hình 1. 6 thể hiện vector điện áp không gian nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng.
Thông thường, việc thực hiện các sơ đồ SVM cho các bộ nghịch lưu có mức điện áp
cao có độ phức tạp tính toán cao hoặc yêu cầu các bảng tra cứu. Đặc biệt khi mở rộng mức cao hơn không tận dụng được việc xây dựng vector không gian, các tính toán của mức dưới, vì thế việc thiết kế điều chế mất nhiều thời gian với khối lượng tính
13 toán lớn. Do đó, cần đơn giản hóa điều chế SVM là vấn đề thực tiễn đặt ra. Đã có khá
nhiều nghiên cứu về vấn đềđơn giản hóa điều chế SVM cho CHB - MLI. Một thuật
toán SVM đã được đề xuất trong [43] để tính toán thời gian điều chế và trạng thái chuyển mạch dựa trên hệ tọa độ 600. Tuy nhiên, việc chuyển đổi giữa hệ tọa độ 600 và hệ tọa độ gốc Cartesian trong [43] yêu cầu tính toán hàm lượng giác phức tạp với khối lượng tính toán lớn. Phương pháp điều chế SVM dựa trên hai ánh xạđơn giản
đã được trình bày trong [44], trong đó các phép tính lặp tốn thời gian đểxác định một tập các hình lục giác lồng nhau và sửa đổi trạng thái chuyển đổi được yêu cầu để tính
toán vectơ còn lại và trạng thái chuyển đổi. Thuật toán có các phép tính lặp, khối
lượng tính toán tăng đáng kể khi số mức tăng làm cho thời gian tính toán tăng lên.
Do đó, phương pháp này không phù hợp để thực hiện theo thời gian thực cho các bộ
nghịch lưu mức cao. Nghiên cứu [45] đã trình bày một phương pháp để nhanh chóng
xác định các trạng thái của vector chuẩn phải sử dụng. Tuy nhiên, việc lập một bảng tra cứu các trạng thái của vector chuẩn sẽ trởnên khó khăn hơn khi số mức tăng cao. Hơn nữa, phương pháp xác định trạng thái chuyển đổi rất khó để khái quát hóa cho
phương pháp điều chế. Thuật toán SVM được đề xuất trong [46] sử dụng hệ tọa độ
1200 để tính toán và xác định số mức của các pha một cách hợp lý. Tuy nhiên, việc không sử dụng trạng thái mạch nghịch lưu dư của vector điện áp trong điều chếđể
tối ưu đóng cắt, cân bằng điện áp trên tụ, tối ưu common mode là thiếu sót của thuật toán. Vì vậy, nghiên cứu này sẽđề xuất phương pháp đểđơn giản hóa điều chế SVM bằng cách xây dựng thuật toán dưới dạng tổng quát hóa. Với mong muốn của thuật toán tạo ra mạch tạo xung có thể tạo ra các mẫu xung cho mức mong muốn trong điều kiện tối ưu đóng cắt van với yêu cầu đầu vào là số mức.