Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp ba pha ghép tầng đa bậc = study the three phase cascaded multilevel switched boost inverter

Vì thế, việc đẩy mạnh nghiên cứu, ứng d ng k huậ mới đ kh i hác các nguồn năng ượng tái tạ , nhấ năng ượng mặt trời góp phần tạo thêm nguồn cung cấ điện năng u hướng tất yếu c a thế giới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



TR N N TH N

NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH Ư T NG P

PH GH P T NG Đ C (STUDY THE THREE-PHASE CASCADED MULTILEVEL SWITCHED BOOST INVERTER)

LU N ÁN TIẾN SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, N M 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TR N N TH N

NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH Ư T NG P

PH GH P T NG Đ C (STUDY THE THREE-PHASE CASCADED MULTILEVEL SWITCHED BOOST INVERTER)

C ỹ thuật điện : 62520202

Phản biện độc lập 1: GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến

Phản biện độc lập 2: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên

Phản biện 1: GS.TS Lê Kim Hùng

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Người hướng dẫn khoa học 1: T N

Người hướng dẫn khoa học 2: G T N

6 G T Ngu n Th nh hương Ủy viên

7 G T Hu nh Ch u u Ủ vi n, Thư ký

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM

VIỆN ĐÀO TẠO AU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày … tháng… năm 20…

NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TIẾN Ĩ

Họ n NC T ần ăn Thuận Giới tính: Nam

Ng , háng, năm sinh 2 19 Nơi sinh c Gi ng Chu n ng nh huậ điện

I- Tê đề tài: Nghiên cứu bộ ngh ch ưu ăng á h gh

M số NCS:1542830002 ầng đ ậc

(study the three-phase cascaded multilevel switched boost inverter)

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- T m hi u các cấu h nh ăng á C- C u n hống, s sánh ưu nhược đi m, đ đ

uấ cấu h nh mạch ăng á C- C với hệ số ăng á v hiệu suấ c

- Tìm hi u cấu hình ngh ch ưu ăng á đ ậc, so sánh, nhận xét

- Nghiên cứu đ xuất cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á đ ậc ba pha giải quyết các vấn đ đặt ra k trên

- Xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm cấu h nh đ xuất

- Đ xuấ hướng nghiên cứu phát tri n tiế h c đ i

III- Ngày giao nhiệm vụ: 03/09/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 21/12/2018

V- Cán bộ ớng dẫn: T Ngu n Minh h i, G T Ng C Cường

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH VIỆN ĐÀO TẠO AU ĐẠI HỌC

G T N T PGS.TS Huỳnh Châu Duy

LỜI A ĐOAN

T i in c m đ n đ c ng nh nghi n cứu c a riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực v chư ng được ai công bố trong bất k công trình nào khác

T i in c m đ n ằng mọi sự giú đỡ cho việc thực hiện luận án này c i

đ được cảm ơn đầ đ và các thông tin trích dẫn s ng trong luận án đ được chỉ rõ nguồn gốc

Nghiên cứu sinh thực hiện

LỜI CẢ ƠN Xin cảm ơn Thầ TS NGUYỄN MINH KHAI, PGS.TS NGÔ AO ƯỜNG

đ ận nh hướng dẫn tôi thực hiện luận án n

Chân thành g i lời cảm ơn đến n giám hiệu, n h quí thầ c ường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh đ giảng dạ , hướng dẫn và tạo mọi đi u kiện huận ợi, m i ường học tậ , nghi n cứu ốt cho tôi

Cảm ơn n nh đạo, quí Thầ C iện k huậ H T CH, h ng hí nghiệm Điện – Điện t T ường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, h ng hí nghiệm Điện c ng suấ c ng nghệ c huộc T ường Đại học ư hạm huậ Tp Hồ Chí

Minh c ng uý h h h n n h ng ng

h n đ hỗ trợ, giú đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu c ng như

hoàn chỉnh luận án

Xin cảm ơn Đ GH T ường Đại học Thông tin Liên lạc v đồng nghiệp

đ động vi n, giú đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và công tác

Trân trọng !

Nghi n cứu sinh

Trầ Vă T ận

TÓM TẮT

Cấu hình ngh ch ưu ăng á I ( wi ch boost inverter), nhất là cấu hình ngh ch ưu ăng á cải tiến qSBI (quasi- wi ch s inv ) c đặc tính hoạ động ương ự với cấu hình ngh ch ưu nguồn Z (Z−s u c inv ) như hả năng ăng hoặc giảm điện áp với mộ gi i đ ạn chuy n đổi v giảm sự ảnh hư ng c nhi u điện

t EMI Không những thế, cấu hình qSBI s d ng í hơn 1 điện và 1 cuộn cảm so với cấu hình ngh ch ưu nguồn Z Kết quả kích hước v giá h nh c I giảm đáng k so với ngh ch ưu nguồn Z Vì vậy, cấu hình ngh ch ưu ăng á cải tiến hoàn toàn có th được ng đ thay thế ngh ch ưu u n thống c ng như ngh ch ưu nguồn

Z trong các ứng d ng công suất thấp Mặt khác, không giống như việc đi u khi n điện

áp trên thanh cái DC trong cấu hình ngh ch ưu nguồn Z, giá tr đỉnh c điện áp trên thanh cái DC c a cấu hình qSBI luôn bằng với giá tr điện áp trên t điện n n điện áp trên thanh cái DC c a cấu hình qSBI có th đi u khi n trực tiế h ng u đi u khi n điện áp trên t Trong luận án n sẽ tìm hi u và phân tích hoạ động c a cấu hình ngh ch ưu ăng á v gh ầng ngh ch ưu ăng á h n cạnh đ , hương há

đi u chế độ ộng ung ( M) mới sẽ được s d ng đ ăng độ lợi áp và cải thiện chỉ

số đi u chế nâng cao chấ ượng đầu ra c a bộ ngh ch ưu Ngoài ra, bộ đi u khi n điện

áp trên t c ng được s d ng đ giữ ổn đ nh điện á ngõ khi điện áp nguồn cung cấp đầu v h đổi hoặc khi có sự h đổi c a tải đầu

Dựa trên cấu h nh I được h n ích, cấu h nh gh ầng ngh ch ưu ăng á a

h đ ậc được đ xuấ với mộ giải thuậ đi u khi n các module trong cấu h nh nhằm giảm các thành phần sóng hài bậc cao c điện á ngõ iệc n ng c hệ số ăng á

ch các mạch ngh ch ưu c ng sẽ được nghi n cứu v đ uấ nhằm cải hiện hệ số ăng á ch các mạch ngh ch ưu Cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á h đ ậc

đ xuất giải u ế được các vấn đ xảy ra trong ngh ch ưu đ ậc truy n thống đ vấn đ không cân bằng nguồn áp một chi u ( C) đầu v cung cấp giữ các m u

n ấ k h n việc ng n mạch xảy ra trong cầu H c a mạch ngh ch ưu u n thống n ng c hệ số ăng á , đồng thời làm cải thiện độ méo hài tổng (THD) và giảm

sự ảnh hư ng c nhi u điện t ( MI) Các kế uả ý hu ế sẽ được ki m n m hình mô phỏng trên phần m m chuyên d ng IM Đồng thời cấu h nh đ xuấ c ng được thực nghiệm trên phần cứng có s d ng mạch đi u khi n ằng ki

TM 20F2 5 đ ki m chứng với các kết quả h n ích ý hu ế v m phỏng

ABSTRACT

The switched boost inverter (SBI) topology, especially the quasi switched boost inverter (qSBI) configuration, has the same operating principle as the Z-source inverter such as buck-boost voltage capability with single stage conversion and electromagnetic interference immunity Compared to the Z-source inverter, the qSBI uses one less inductor and one less capacitor As a result, the size and cost of the inverter are reduced significantly So, the qSBI can be used to replace traditional inverters as well as Z-source inverter in low power applications On the other hand, unlike the DC-link voltage controller in the Z-source inverter topology, because the peak DC-link voltage of the qSBI is the same as the capacitor voltage of the qSBI, the dc-link voltage in the qSBI can be controlled directly through controlling the capacitor voltage This dissertation will focus on researching and analyzing the operating principles of the quasi switched boost inverter topology and cascaded three-phase quasi switched boost inverter topology Besides, a new PWM control method will be applied to the quasi switched boost inverter topology to increase voltage gain and improve modulation index for high-quality output The capacitor voltage controller is also used to keep constant output voltage when the supply input voltage changes or the load changes

Based on the analyzed quasi switched boost inverter topology, a cascaded phase multi-level quasi switched boost inverter is proposed Furthermore, a control strategy for modules in the cascaded multilevel quasi switched boost inverter topology

three-is also presented to limit high harmonic components in output voltage Besides, The strategies for improving voltage gain is also researched and proposed The cascaded three-phase multi-level quasi switched boost inverter solves the problems in the traditional cascaded multi-level inverter as following: unbalance source DC voltage problem between modules, module voltage cannot be higher than source DC voltage and shoot-through problem in H-bridge Also, the cascaded three-phase multi-level quasi switched boost inverter has low THD of the output voltage and EMI imunity capability Theoretical results will be verified on the simulation model using PSIM software The proposed configuration was also tested on hardware using the DSP TMS320F28335 control circuit to validate the theoretical analysis and simulation

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

DANH SÁCH HÌNH x

DANH SÁCH BẢNG xii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xiii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan v vấn đ nghi n cứu 1

1.1.1 Nghị h - t t nt m 6

1.1.2 Nghị h p tụ (Flying capacitor inverter) 7

1.1.3 Nghị h ng gh t ng 8

1.2 M c đích c đ tài 9

1.3 Nhiệm v và giới hạn c đ tài 10

1 hương há nghi n cứu 10

1 5 Đi m mới c đ tài 10

1.6 Giá tr thực ti n c đ i 11

CHƯƠNG 2 CƠ Ở LÝ THUYẾT 12

2 1 Ngh ch ưu nguồn á 12

2.1.1 Khái niệm h n 12

2.1.2 Nghị h tăng á t n th ng -H) 14

2.1.3 C hình bản của nghị h ng ồn Z 15

2.1.4 Nghị h tăng á 18

CHƯƠNG O ÁNH NGHỊCH LƯ T NG Á CẢI TIẾN ( I) ỚI NGHỊCH LƯ CẦU H KẾT HỢP MẠCH T NG Á C-DC 25

1 Đặt vấn đ 25

3.2 Phân tích, so sánh cấu h nh c I-H và qSBI 26

3.2.1 Giới thiệu khái quát 26

3.2.2 Phân tích nguyên lý ho t ộng của c u hình BDI-H 28

3.2.3 Phân tích nguyên lý ho t ộng của c u hình qSBI 30

Tính án ổn h v hiệu suấ 35

n h t n m h 35

2 n h t n - t 37

n h t n ộn ảm 37

n h t n tụ ện 37

ế uả hực nghiệm 39

ế uận chương 40

CHƯƠNG Đ T MẠCH T NG Á C-DC 42

1 Đặt vấn đ 42

4.2 Bộ ăng á C- C kh ng cách độ lợi cao 43

2 há át 43

2 2 xu t c hình m h tăng á - hông á h ộ lợi cao 47

4.2.3 Kết quả mô phỏng th ngh ệm 54

Kết luận chương 57

CHƯƠNG 5 GHÉ TẦNG NGHỊCH LƯ T NG Á A HA 58

5 1 Cấu h nh gh ầng (C sc ) ngh ch ưu h u n hống 58

5.2 Ghép tầng ngh ch ưu ăng á một pha 59

5.2.1 C u hình ghép t ng nghị h t n th ng một pha 59

5.2.2 C u hình ghép t ng nghị h tăng á ải tiến một pha 60

5 Đ uấ cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á h (CH -qsBI) 63

5.3.1 Giới thiệu c u hình 63

5.3.2 Phân tích ho t ộng của c hình xu t 63

5.4 Mô phỏng gh ầng ngh ch ưu ăng á mộ h 72

5.4.1 Các thông s của m ch 72

5.4.2 Kết quả mô phỏng 72

5.5 Mô phỏng gh ầng ngh ch ưu ăng á h 74

5 5 ng hợp các nguồn DC trên một pha cân bằng 75

5 5 2 ng hợp các nguồn DC trên một pha không cân bằng 77

5.6 Thực nghiệm 79

5.6.1 Kết quả th c nghiệm trên c hình gh t ng một pha 79

5.6.2 Kết quả th c nghiệm trên c u hình gh t ng b h 82

ế uận chương 5 88

CHƯƠNG 6 ẾT LUẬN 89

6 1 ế uận nội dung trình bày c a luận án 89

6 2 Hướng phát tri n 90

HỤ LỤC 01- ANH MỤC CÔNG TRÌNH Đ CÔNG Ố 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1, 1.2: ơ đồ khối c a bộ ngh ch ưu truy n thống 3

Hình 1.3: Bộ ngh ch ưu á ạng đi-ố kẹp (NPC) 6

Hình 1.4: Bộ ngh ch ưu á ạng kẹp t (FC) 6

Hình 1.5: Bộ ngh ch ưu á đ ậc dạng Cascade ba pha 7

Hình 2.1: Ngu n ý đi u khi n hệ thống điện h ưới u ngh ch ưu 14

Hình 2.2: Cấu hình ngh ch ưu u n thống kết hợp bộ ăng á C-DC 15

Hình 2.3: Cấu hình ngh ch ưu nguồn Z mộ h cơ ản 15

Hình 2.4: Mạch ương đương c a bộ ngh ch ưu nguồn Z khi h ạ động 16

Hình 2.5: Bộ ngh ch ưu nguồn Z h cơ ản 16

Hình 2.6: Cấu hình ngh ch ưu ăng á cơ ản 18

Hình 2.7: Cấu hình ngh ch ưu ăng á cải iến 19

Hình 2.8: Các trạng thái hoạ động c a ngh ch ưu ăng á cải iến 19

Hình 2.9: Giản đồ ung đi u chế sóng Sin cho ngh ch ưu ăng á cải iến 21

Hì 3 1: ơ đồ mạch c ộ ngh ch ưu I-H 26

Hì 3 2: ơ đồ mạch c ộ ngh ch ưu I 26

Hì 3 3: ơ đồ mạch ương đươngc I-H 2

Hì 3 4: ơ đồ mạch ương đương c I 0

Hì 3 5: sánh hệ số ăng á c I-H v I 2

Hì 3 6 sánh hiệu suấ c I-H v I ng các ường hợ

Hình 3.7: Kết quả thí nghiệm cho bộ qSBI với D = 0.4 39

Hình 4.1: ơ đồ khối mạch biến đổi ăng á C-DC 42

Hình 4.2: Cấu hình DC- C ăng á C sc 43

Hình 4.3: Cấu hình DC- C ăng á MC ( g Mu i i C s) 44

Hình 4.4: Cấu h nh ăng á k 45

Hình 4.5: ơ đồ khối mạch ăng á c-dc 46

Hình 4.6: Mạch điện ộ chuy n đổi ăng á C-DC không cách ly 46

Hình 4.7: ạng s ng ung đi u khi n c ộ chu n đổi C- C đ uấ 47

Hình 4.8: Trạng thái hoạ động c a mạch khi S0 dẫn 48

Hình 4.9: Trạng thái hoạ động c a mạch khi S0 ng t 48

Hình 4.10: Trạng thái hoạ động c a mạch chế độ không liên t c (DCM) 49

Hình 4.12: Đường bao c a Kcrit ph thuộc vào D trong chế độ CCM / DCM 51

Hình 4.13: ế uả m hỏng DC-DC 53

Hình 4.14: M h nh hực nghiệm DC-DC 54

Hình 4.15: ế uả hực nghiệm C-DC 55

Hì 4 16: Hiệu suấ v độ ợi ăng á c mạch ăng á C- C đ uấ 56

Hình 5.1: Bộ ngh ch ưu á đ ậc dạng C sc h u n hống 57

Hình 5.2: Cấu hình ngh ch ưu c sc một pha truy n thống 59

Hình 5.3: Cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á mộ h (5 ậc) 60

Hình 5.4: Giản đồ huậ án đi u khi n đi u chế M 61

Hình 5.5: K thuật PWM cho cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á 61

Hình 5.6: Cấu hình ngh ch ưu ăng á Cascaded h đ xuất (CHB-qSBI) 62

Hình 5.7: Ba trạng thái hoạ động c a qSBI 64

Hình 5.8: Cấu hình ngh ch ưu ăng á h nguồn Z (CH -qZBI) 66

Hình 5.9: sánh hệ số độ ợi ăng á c CH - I v CH -qZSI 67

Hình 5.10: Giản đồ huậ án đi u khi n đi u chế M 69

Hình 5.11: K thuậ đi u chế độ rộng xung PWM 70

Hình 5.12: ế uả m hỏng mộ h 72

Hình 5.13-5.16: ế uả m hỏng h 75

Hình 5.17: Mô hình thực nghiệm trên một module mộ h 79

Hình 5.18, 5.19: ế uả hực nghiệm n mộ h 80

Hình 5.20: Mô hình thực nghiệm cấu h nh gh ầng h 81

Hình 5.21, 5.22: ế uả hực nghiệm 83

Hình 5.23: Hiệu suấ c mạch 85

DANH SÁCH BẢNG

B ng 2.1: So sánh các cấu hình ngh ch ưu ăng á 22

3 1: sánh giữ I v I-H c ng đi u kiện đầu v v đầu 34

3: Khoảng thời gian dẫn v ng điện dẫn c h i ộ ngh ch ưu 35

3 3: Các h m số inh kiện cuả mạch I 38

B ng 4.1: Các thông số c a cấu hình DC-DC đ xuất 52

B ng 4.2: Linh kiện dùng trong mô hình thí nghiệm DC-DC 53

B ng 5.1: So sánh các cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á 65

B ng 5.2: So sánh cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á 66

B ng 5.3: Các ạng hái gic c chu n mạch n mộ m u I 69

B ng 5.4: Các thông số c a mạch mô phỏng cấu h nh mộ h 71

B ng 5.5: Các thông số c a mạch mô phỏng cấu h nh h 73

B ng 5.6: Các thông số cho một module mạch thực nghiệm mộ h 79

B ng 5.7: Các thông số cho một module mạch thực nghiệm ba pha 82

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT PWM: Pulse Width Modulation

DSP: Digital Signal Processing

SBI: Switched Boost Inverter

CHB: Cascaded H-bridge

qSBI: Quasi-Switched Boost Inverter

qZSI: Quasi-Z-source inverter

BDI-H: Boost DC-DC Inverter and H-bridge

NPC: Neutral point clamped multi converter

FC: Flying Capacitor

EMI: ElectroMargnetic Interference

THD: Total Harmonic Distortion

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

V dc: Nguồn áp vào

V PN Điện áp trên thanh cái DC (DC-link)

V C Điện áp trên t

i L: ng điện qua cuộn cảm

D: Tỷ số ng n mạch trong mỗi chu k

i PN ng điện ng n mạch

M: Chỉ số đi u chế

S Các kh đ ng ng t

Vac Điện á ngõ ộ ngh ch ưu

Vt Điện áp trên tải

HƯƠNG 1: TỔNG QUAN

T ng chương n , sẽ khái uá các nội ung nghi n cứu c i n u n ng

đ ch ếu ậ chung v ổng u n v các cấu h nh ngh ch ưu ăng á h n ích

v m õ uá nh há i n, ưu nhược đi m c các cấu h nh ngh ch ưu ăng á Những ứng ng ng hực ế v hiệu uả c các ộ ngh ch ưu c ng như các cấu

h nh đ được ứng ng ng các mặ c đời sống n sinh, hội

Chương n c ng đ cậ m õ hạm vi nghi n cứu, hương há nghi n cứu

v những đi m mới c đ i ng uận án đư Đồng hời n u vấn đ nghi n cứu nghi n cứu c uận án n cơ s ổng u n được đ cậ

1.1 Tổng quan về v đề nghiên cứu

Trong những năm t thập kỷ 80 c a thế kỷ ước, ngành k thuậ điện t ch yếu được nghiên cứu và ứng d ng ng các ng nh thuộc ĩnh vực đi u khi n, đ ường, bả n…ch hệ thống điện công nghiệp n i chung h c n được gọi điện

c ng được cải tiến nâng cao

ước sang thế kỷ XXI, cùng với sự phát tri n mạnh mẽ c a n n kinh tế xã hội, đặc biệt là trong bối cảnh n n cách mạng công nghiệp lần thứ đ ng i n c ng như những phát tri n vượt bậc c các mặ đời sống hội thì nhu cầu tiêu th điện năng ng c ng ớn Hiện nay nước ta có 2 nguồn sản xuấ điện năng ch yếu đ

là th điện và nhiệ điện Nhiệ điện hiện nay ch yếu là 3 nguồn: nhiệ điện s

ng than, nhiệ điện s ng khí đố và nhiệ điện s ng dầu [2]

Vì thế, việc đẩy mạnh nghiên cứu, ứng d ng k huậ mới đ kh i hác các nguồn năng ượng tái tạ , nhấ năng ượng mặt trời góp phần tạo thêm nguồn cung cấ điện năng u hướng tất yếu c a thế giới nói chung và Việt Nam nói

i ng Năng ượng mặt trời là một trong những nguồn năng ượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên cung cấp cho chúng ta với một qui mô rất lớn cả v thời gian

c ng như kh ng gi n Đồng thời n c ng nguồn gốc c a các nguồn năng ượng tái tạ khác như năng ượng gi , năng ượng sinh khối, năng ượng th y tri u,… Năng ượng mặt trời cùng với các nguồn năng ượng tái tạo có th nói là vô tận [2] Tu nhi n, đ khai thác và s d ng nguồn năng ượng này một cách có hiệu quả, cần phải biế các đặc ưng, tính chấ cơ ản c n , đặc biệt khi nó cung cấp tới b mặ ái đất và cần phải kết nối nguồn năng ượng này thông qua hệ thống ưới điện thông minh có sẵn bằng các bộ ngh ch ưu tối ưu h có khả năng kết nối với điện xoay chi u Khi có ánh sáng mặt trời ác động đến in, khi đ h ng

u hệ hống in mặ ời h ạ động sẽ tạ điện năng một chi u, điện năng một chi u n được chuy n đổi h nh điện năng chi u b i bộ ngh ch ưu ộ đi u khi n có chức năng u n năng ượng n đến ưới điện

Các bộ ngh ch ưu nguồn áp u n hống được chỉ ra trong [1], [3] được ứng

d ng rộng i ng đi u khi n động cơ, bộ ưu điện, điện, hệ thống phân phối điện…Tu nhi n, c mộ vài hạn chế khi s d ng bộ ngh ch ưu u n thống như:

 Thứ nhấ điện áp xoay chi u ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chi u cung cấp ngõ v

 Thứ hai là các khóa bán dẫn trên cùng một nhánh không th đ ng đồng thời được v úc đ ảy ra tình trạng ng n mạch (h ng ẫn) nguồn áp một chi u làm

mấ n n c ng như hư hỏng thiết b

 Thứ ba là việc tạo ra khoảng thời gian chết (tr ) trong quá trình chuy n mạch

c a các khóa bán dẫn n c ng m ăng độ méo dạng áp đầu ra

Đối với những nguồn năng ượng mới, năng ượng tái tạ như in mặt trời (PV), pin nhiên liệu (fu c )…, điện áp ngõ ra c a các dạng năng ượng này là điện một chi u có giá tr điện áp thấp, không ổn đ nh ph thuộc theo thời gian, đi u kiện m i ường làm việc S d ng các nguồn năng ượng tái tạ n đ chuy n đổi

h nh điện xoay chi u 220 0 , đ i hỏi điện áp một chi u ước khi đư v ộ ngh ch ưu hải có giá tr lớn hơn 10 C mới c h ch được điện á chi u ngõ 220 Vrms Điện áp một chi u có giá tr lớn có th thực hiện bằng cách

m c nối tiếp các tấm in điện áp thấp với nh u, đồng nghĩ với số ượng pin phải nhi u, l đặt trên diện tích rộng lớn; Đi u này chỉ thích hợp với hệ thống công suất lớn, c đi u kiện tri n khai trên diện tích rộng Với những hệ thống công suất nhỏ,

đ tạ điện xoay chi u 220V/380 t nguồn điện áp thấ , người hường dùng các biện pháp sau:

 Một là dùng máy biến áp tần số thấ (50Hz) đ ăng điện áp xoay chi u ngõ như H nh 1 1

 Hai là dùng bộ ăng á điện một chi u (DC-DC boost converter) hí ước mạch ngh ch ưu như H nh 1 2

ộ ngh ch

ưu DC-AC

Tải chi u

150~300Vdc

VacBiên độ hấp

220/380 VAC

ộ ngh ch

ưu DC-AC

Tải chi u

150~300Vdc

800

Hình 1.2: ơ đồ khối c a bộ ngh ch ưu u n thống

s d ng bộ ăng á một chi u Kết quả sẽ c h i gi i đ ạn chuy n đổi là t điện áp một chi u thấp sang một chi u cao (DC- C) v điện áp một chi u cao sang xoay chi u cao (DC-AC) hoặc t điện áp một chi u thấp sang xoay chi u thấp (DC-AC) v điện áp xoay chi u thấp

sang xoay chi u cao qua biến áp (AC-AC) Đi u này sẽ m ăng kích hước, giảm hiệu suất c a toàn hệ thống, ăng giá h nh ộ ngh ch ưu c ng như hiết b Chính

vì vậy mà việc nghiên cứu các cấu hình ngh ch ưu kết hợ ăng á ng ng mạch ngh ch ưu h s d ng cấu hình mạch kết hợp với hệ số ăng á c ch h ỏ qua khâu biến đổi ăng á C- C c ng một yêu cầu được đặt ra khá cấp thiết Cấu hình ngh ch ưu nguồn Z đ được đ xuất trong [4], [5] đ giải quyế được những hạn chế c a bộ ngh ch ưu u n thống Trong cấu hình ngh ch ưu nguồn Z, điện áp ngõ ra được đi u khi n đ lớn hơn điện áp một chi u cung cấp chỉ qua một lần chuy n đổi thông qua tỷ số ng n mạch Việc cho phép hoạ động ng n mạch (các khóa bán dẫn trên cùng mộ nhánh đ ng đồng thời) đồng nghĩ với việc không cần phải tạo ra khoản thời gian chết trong quá trình chuy n mạch, làm cải thiện được chấ ượng điện áp ngõ ra Vì thế mà bộ ngh ch ưu n c ng đ được ứng

d ng khá rộng i trong một số mạch chức năng với hiệu suấ c ng như hiệu quả s

ng cao trong thực ti n

Trong một vài thập niên gần đ , ngh ch lưu nguồn Z đ được phát tri n và nhận được nhi u sự quan tâm nghiên cứu Các nghiên cứu v ngh ch ưu nguồn Z bao gồm m h nh h v đi u khi n trong [4], [8], k thuậ đi u chế độ rộng xung (PWM) trong [6], ứng d ng ng năng ượng tái tạo trong [10] và phát tri n các cấu hình nguồn Z ưới nhi u dạng khác nhau được trình bày [11]-[15] Tuy nhiên, việc s d ng hai cuộn cảm và hai t điện trong cấu hình ngh ch ưu nguồn Z làm ăng kích hước và giá thành c a bộ ngh ch ưu Đối với những ứng d ng công suất thấp, việc lựa chọn c ng như u cầu đặ đối với kích hước, trọng ượng và giá thành là tiêu chí cần phải ưu i n h ng đầu thì cấu hình ngh ch ưu nguồn Z chư thực sự là lựa chọn phù hợp nhấ

T những đi m còn hạn chế c a ngh ch ưu nguồn Z; Cấu hình ngh ch ưu ăng á cơ ản được đ xuất trong [14] và [15] dựa trên cấu hình Watkins-Johnson ngược có th là lựa chọn đ thay thế ngh ch ưu nguồn Z trong một vài ứng d ng có công suất thấp Mặc dù cấu hình ngh ch ưu n c đặc tính hoạ động giống với cấu hình ngh ch ưu nguồn Z do có trạng thái hoạ động ng n mạch, nhưng cấu hình ngh ch ưu ăng á cơ ản lại s d ng í hơn một t điện, một cuộn dây và nhi u

hơn một khóa bán dẫn Các h n ích v đi u khi n PWM cho cấu h nh n được trình bày trong [14] Tuy nhiên cấu hình này có một số hạn chế như:

 Một là, c hệ số ăng á hấ hơn s với ngh ch ưu nguồn Z

 H i , ng điện nguồn hoạ động không liên t c với i n độ nhấp nhô lớn

vì nó kết nối trực tiế đến đi-ố , ảnh hư ng đến chấ ượng c a bộ nguồn v đ i khi mạch lọc nguồn cần được ăng cường s d ng đ bảo vệ nguồn dẫn đến ăng kích hước c ng như giá h nh

Cấu hình ngh ch ăng cải iến được đ xuất trong [16] đ c những ưu đi m vượt trội so với cấu hình ngh ch ưu ăng á cơ ản như

 Thứ nhấ ng điện nguồn hoạ động chế độ liên t c

 Thứ hai là cải thiện hệ số ăng á (nâng hệ số ăng á n ằng với cấu hình ngh ch ưu nguồn Z)

Tuy nhiên với cấu hình ngh ch ưu á ậc h điện áp ngõ ra tồn tại nhi u thành phần sóng hài bậc c đ khi nối ưới đ i hỏi phải thiết kế bộ lọc lớn, kết quả m ăng kích hước v ăng giá h nh c a bộ ngh ch ưu n cạnh đ , ộ ngh ch ưu á ậc c nhược đi m là tạ điện áp cung cấp cho cuộn động

cơ với độ dốc khá lớn gây ra một số vấn đ kh khăn, i v c n ồn tại trạng thái khác không (zero) c a tổng điện thế t các h đến tâm nguồn DC (common-mode voltage) lớn Bộ ngh ch ưu đ ậc phát tri n đ giải quyết hạn chế c a ngh ch ưu

ba bậc và loại n hường được s d ng cho các ứng d ng điện áp cao và công suất lớn Các cấu hình ngh ch ưu đ ậc ạng đi-ố kẹp (NPC), t kẹ (FC) v gh ầng (c sc ) ng 1 ], [18], [19], [72], [73], [74], [75], [ 6], đ kh c ph c được các vấn đ c a ngh ch ưu ậc như điện á đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao linh kiện c ng giảm theo; tần số đ ng ng t lớn nên các thành phần hài bậc cao c điện áp ra giảm nhỏ hơn s với bộ ngh ch ưu ậc, nhưng vẫn tồn tại một số nhược đi m như điện áp xoay chi u ngõ ra vẫn thấ hơn điện áp một chi u cung cấp Bên cạnh đ vấn đ mất cân bằng giữa các nguồn một chi u đầu vào cung cấp cho ngh ch ưu đ ậc c ng một tr ngại lớn Ng i khi ần

số đ ng ng ăng n h ổn h sinh ng uá nh đ ng ng ại ăng n đi u

n cần hải được giải u ế mộ cách h i h Đối với các cấu h nh ngh ch ưu đ

ậc đ được nghi n cứu ước đ như nh ng các ích ẫn n chỉ ưu

đi m c ng như hạn chế c h đ

1.1.1 Nghịch lưu u - NPC (Neutral Point Clamped)

Cấu h nh n được chỉ ng H nh 1 , n được s d ng ng ường hợp khi các nguồn vào một chi u (DC) tạo nên t hệ thống điện xoay chi u (AC) Bộ ngh ch ưu đ ậc NPC có một mạch nguồn C được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các t điện m c nối tiếp Giả s mạch nguồn DC gồm n nguồn c độ lớn bằng nhau m c nối tiế , điện áp nguồn DC có th đạ được (n+1) giá tr khác nhau và số bậc điện áp ngh ch ưu (n+1) ậc

+ -

+ -

S4

S12 S11

S10

Nối ải h

ABC

Hình 1.3: Bộ ngh ch ưu á ạng đi-ố kẹp (NPC)

Bộ ngh ch ưu á đ ậc dùng đi-ố kẹ c ưu đi m cải thiện được dạng sóng điện áp tải và giảm sự ăng vọ điện áp (gai áp) trên linh kiện n lần Với bộ ngh ch

ưu đ ậc, điện áp trên các t c ng như inh kiện khác và tần số đ ng ng t c a các

kh điện t được giảm đi một nữa Tuy nhiên với số bậc n > 3 thì mức độ ch u gai

áp trên các đi-ố khác nhau, ngoài ra sự cân bằng điện áp giữa các nguồn C đầu vào (áp trên t ) tr n n kh khăn, đặc biệt khi số bậc càng lớn

1.1.2 Nghịch lưu p tụ (Flying capacitor inverter)

V d

A B C

S6 S5

+ Khi tần số ăng c h c h không cần dùng bộ lọc

+ Có th đi u tiết công suất tác d ng và công suất phản kháng t đ c h

đi u tiế được phân bố công suấ ng ưới dùng bộ ngh ch ưu

Tuy nhiên, ki u FC c ng c n c những nhược đi m ch yếu là:

+ Số ượng t công suất lớn tham gia trong mạch nhi u dẫn đến giá h nh ăng

v độ tin cậy c ng giảm

+ Việc đi u khi n kh khăn khi số bậc ngh ch ưu ăng c

1.1.3 Nghịch lưu dạng h (Cascaded)

+

-+ -

+ -

+

-+ -

+ -

S6

S5

S8 S7

S12 S11

S14 S13

S16 S15

S20 S19

S22 S21

24 S23

Tải h

Hình 1.5: Bộ ngh ch ưu á đ ậc dạng Cascade ba pha

Hình 1.5 là cấu úc cơ ản c a bộ ngh ch ưu ăng á đ ậc ba pha ki u ghép tầng (cascaded) Trong cấu hình này s d ng các nguồn một chi u (DC) đầu vào riêng, thích hợ ch ường hợp s d ng nguồn DC có sẵn, ví d ưới dạng c quy, pin Bộ ngh ch ưu ki u cascade gồm nhi u bộ ngh ch ưu á cầu H một pha ghép nối tiếp với nhau Bằng cách kích đ ng các inh kiện trong mỗi bộ ngh ch ưu á một pha, ba mức điện áp (- 2, 0, 2) được tạo thành Sự kết hợp hoạ động c a

n bộ ngh ch ưu á n một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (-Vd/2, -2*Vd/2, -n*Vd/2); n mức điện á ương ( 2, 2* 2,…n* 2) v mức á 0 Như vậy,

bộ ngh ch ưu á ạng cascade gồm n bộ ngh ch ưu á một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghich ưu (2n+1) ậc

Tần số đ ng ng t trong một linh kiện có th giảm đi n ần Điện á đặt lên các linh kiện c ng giảm đi, ch h s d ng IG T điện áp thấp Mạch ngh ch ưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC (v điện á n cố đ nh)

Đối với các dạng sơ đồ các cấu hình ngh ch ưu đ ậc v a nêu trên, xét một cách khái quát thì tuy mỗi cấu h nh đ u có những ưu v nhược đi m riêng khác

nhau, song trong thực tế dạng ghép tầng (cascaded) và dạng NPC vẫn được h ng

áp một pha, ba pha nhằm làm giảm các thành phần sóng hài bậc cao c điện áp ngõ

ra Cấu h nh đ xuấ c ng sẽ giải quyết các vấn đ như mất cân bằng c a các nguồn một chi u đầu vào cung cấp cho các mạch ngh ch ưu trong các m u ng h , làm giảm thi u THD cho mạch và hạn chế việc ảnh hư ng c a nhi u điện t (EMI) đến hệ thống Cùng với đ đ uấ mạch chu n đổi ăng á C- C kh ng cách

c độ ăng á v hiệu suấ c , c h ứng ng ng các kh u ăng á c mạch ngh ch ưu nhằm n ng cải hiện hệ số ăng á

T n cơ s đ đặt vấn đ trên, luận án sẽ làm sáng tỏ bằng việc h n ích cơ

s lý thuyết c ng với ựng m h nh mô phỏng và thực nghiệm ch kế uả minh chứng sẽ được nh các chương iếp theo

1.2 Mục đíc c a đề tài

M c đích c a đ tài là nghiên cứu v cấu hình ngh ch ưu ăng á được s

d ng trong hệ thống biến đổi nguồn năng ượng, t đ nghi n cứu ghép tầng đ ậc ngh ch ưu ăng á ba pha với các đặc đi m chính đ : giải quyết vấn đ mất cân bằng giữa các nguồn DC cung cấp đầu vào trong mỗi module ghép tầng, cho phép các mạch ngh ch ưu hoạ động chế độ ng n mạch và hệ số ăng áp cao ngõ ra (thông qua các thuậ án đi u khi n), làm cải thiện độ méo hài tổng (THD) và giảm

sự ảnh hư ng c nhi u điện t (EMI) Đồng hời nghi n cứu v đ uấ mạch ăng

á C-DC kh ng cách với hệ số ăng á c ng như hiệu suấ c c h s ng

ch kh u ăng á các mạch ngh ch ưu, i ẽ hực ế nghi n cứu ước đ đ chỉ

hệ số ăng á c các mạch ngh ch ưu ch được cải iến, s ng vẫn c n mức đạ được ch h nhấ đ nh Đi u n g hần m ăng hiệu suấ m việc

đáng k ch mạch ngh ch ưu c ng như các cấu h nh mạch gh ầng ngh ch ưu đ

ch mức điện á m ng muốn

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn c a đề tài

- T m hi u các cấu h nh ăng á C-DC u n hống, s sánh ưu nhược đi m, đ

đ uấ cấu h nh mạch ăng á C-DC kh ng cách với hệ số ăng á v hiệu suấ

h ạ động cao

- Tìm hi u cấu hình ngh ch ưu ăng á đ ậc, so sánh, nhận xét

- Nghiên cứu đ xuất cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á ba pha đ ậc

- Xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm cấu h nh đ xuất

- Đ xuấ hướng nghiên cứu phát tri n tiếp theo c đ i

1.4 p áp ê cứu

S d ng hương há nghi n cứu qua tài liệu Tham khảo t các tạp chí khoa học, các hội ngh chuyên ngành, các bài báo nghi n cứu được c ng ố n hư viện điện I LOR , s ing ,…

Nghi n cứu, ứng d ng các k thuậ đi u chế xây dựng thuậ án đi u khi n và

s d ng phần m m chuyên d ng PSIM đ mô phỏng cho cấu h nh đ uấ Xây dựng mô mình thực nghiệm, đi u khi n ằng ki TM 20F2 5, thu thập kết quả và nhận xét kết quả

1.5 Đ ểm mới c a đề tài

- Đ i đ đ xuấ được cấu hình mạch ăng á DC-DC kh ng cách với hệ

số ăng á v hiệu suấ c hơn s với các cấu h nh u n hống

- Đ i đ đ xuấ được cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á h đ ậc

c hệ số ăng á c hơn giải quyết vấn đ mất cân bằng giữa các nguồn DC cung đầu v , đồng thời làm cải thiện độ méo hài tổng (THD) v giảm sự ảnh hư ng c nhi u điện ( MI) ới h ạ động c mạch

1.6 Giá trị thực ti n c a đề

- ế uả nghi n cứu có th ứng d ng trong hệ thống in năng ượng mặt trời (PV), pin nhiên liệu (fu c ) h h ng điện nhằm chuy n đổi điện một chi u

i n độ thấ h nh điện xoay chi u có giá tr điện áp cao

- Các kế uả nghi n cứu này c n c giá đối với việc chế ạ hiế ngh ch

ưu nguồn á ng ng ĩnh vực đi u khi n động cơ điện, các hiế nguồn điện ứng ng ch việc khai thác, s d ng các nguồn năng ượng mới ph c v các mặt

c đời sống xã hội mộ cách c hiệu uả

HƯƠNG 2: Ơ Ở LÝ THUYẾT

Trong chương n sẽ đ cậ các nội v cơ s ý hu ế c vấn đ nghi n cứu

m c h h n ích v m õ các cấu h nh ngh ch ưu ăng á u n hống v

mộ v i cấu h nh ngh ch ưu đ v đ ng được nghiên cứu, ứng ng như ngh ch ưu nguồn Z, ngh ch ưu ăng á kế hợ , cấu h nh cải iến sánh giữ các cấu h nh ngh ch ưu, ú ưu nhược đi m c các cấu h nh, n cơ s đ hướng ới những nội ung cần iế cận ch cấu h nh gh ầng đ uấ

2.1 N ịc nguồn áp

2.1.1 Khái niệm và phân l ạ

 Khái niệm bộ ngh ch ưu

Bộ ngh ch ưu c nhiệm v chuy n đổi năng ượng t nguồn một chi u không đổi sang dạng năng ượng điện xoay chi u với điện áp v ng điện có tần số ngõ ra theo yêu cầu đ cung cấp cho tải xoay chi u [1], [3]

Đại ượng được đi u khi n ngõ điện áp hoặc ng điện, ương ứng ta có

bộ ngh ch ưu được gọi là bộ ngh ch ưu nguồn áp và bộ ngh ch ưu nguồn dòng Nguồn một chi u cung cấp cho bộ ngh ch ưu nguồn áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ ngh ch ưu nguồn dòng có tính chấ ng điện Các bộ ngh ch ưu ương ứng được gọi là bộ ngh ch ưu á nguồn áp và bộ ngh ch ưu ng nguồn dòng hoặc gọi t t là bộ ngh ch ưu áp và bộ ngh ch ưu ng

T ng ường hợp các đại ượng cung cấ đầu v v đại ượng ngõ ra không giống nhau, ví d bộ ngh ch ưu cung cấ ng điện xoay chi u t nguồn điện áp một chi u, ta gọi chúng là bộ ngh ch ưu đi u khi n ng điện t nguồn điện

áp hoặc bộ ngh ch ưu ng nguồn áp

Các tải xoay chi u hường mang tính cảm kháng (ví d động cơ kh ng đồng

bộ, lò cảm ứng), ng điện qua các linh kiện không th ng t bằng quá trình chuy n mạch tự nhi n đ , ộ ngh ch ưu hường chứa linh kiện tự kích ng đ có th

đi u khi n quá trình ng ng điện Trong các ứng d ng với công suất lớn có th

dùng GTO, IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuy n mạch Mỗi linh kiện còn m c thêm đi-ố đối s ng đ hạn chế điện áp phát sinh khi kích ng t linh kiện

T ng các ường hợ đặc biệ như mạch tải cộng hư ng, tải mang tính chất ung kháng (động cơ đồng bộ kích t ư), ng điện qua các linh kiện có th b

ng t do quá trình chuy n mạch tự nhiên ph thuộc v điện áp nguồn hoặc ph thuộc v điện áp mạch tải hi đ inh kiện bán dẫn có th chọn là thyristor (SCR)

 Phân loại ngh ch ưu nguồn áp:

Bộ ngh ch ưu á cung cấ v đi u khi n điện áp xoay chi u ngõ ra Nguồn điện áp một chi u có th dạng đơn giản như c u , in điện hoặc dạng phức tạp gồm điện áp xoay chi u được chỉnh ưu v ọc phẳng

Linh kiện trong bộ ngh ch ưu á c khả năng kích đ ng v kích ng t dòng điện qua nó, tức đ ng v i như một công t c Trong các ứng d ng công suất

v a và nhỏ, có th s d ng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công t c và phạm

vi công suất lớn có th s d ng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuy n mạch

Ng i mỗi công t c (chu n mạch) c n ng mộ đi-ố m c song song với n Các đi-ố n ạo thành mạch chỉnh ưu cầu kh ng đi u khi n có chi u dẫn điện ngược với chi u dẫn điện c a các công t c Nhiệm v c a bộ chỉnh ưu cầu đi-ố

tạ đi u kiện thuận lợi ch uá nh đổi công suất ảo giữa nguồn một chi u và tải xoay chi u, u đ hạn chế uá điện áp phát sinh khi kích ng t các công t c Ngh ch ưu nguồn áp có th có nhi u cấu hình (nhi u loại) c ng như nhi u hương há đi u khi n khác nhau Vì vậy có th phân loại ngh ch ưu nguồn áp theo các tham số đi c ng như s u

- Theo số pha: Có ngh ch ưu một pha, ngh ch ưu h

- Theo số cấp điện áp giữa mộ đầu pha tải đến mộ đi m c điện thế chuẩn (xác

đ nh) trên mạch: Có ngh ch ưu h i ậc (two level), ngh ch ưu đ ậc (multi level)

đi m là nguồn v phải dùng bộ c quy, v đ t ti n v a gây ô nhi m m i ường Mặt khác các bộ c u c ng chỉ ích được mộ ượng điện năng nhấ đ nh, thời gian

s d ng có hạn mức, còn với các dàn pin mặt trời hàng ch c h h ng ăm k h

s d ng c u ích điện là một vấn đ kh khăn ất lớn k cả v cấu úc c ng như giá thành, thậm chí có những nơi, những ĩnh vực là không th Đối với các ứng

d ng quy mô lớn người ta s d ng công nghệ điện năng ượng mặt trời nối ưới thông qua hệ thống biến đổi với sự góp mặt c a các bộ ngh ch ưu

Trong công nghệ này, nguồn điện t đầu cung cấp là dàn pin mặt trời được biến đổi thành dòng xoay chi u có hiệu điện thế và tần số phù hợp nhờ các bộ ngh ch ưu (Inv ) v được hòa vào mạng ưới điện công nghiệ như H nh 2 1

LƯỚI ĐIỆN

R f L f Vdc

Ạ H TĂNG Á D (DC-DC CONVERTER)

Ạ H NGHỊ H LƯU D -AC (DC-AC INVERTER)

Khóa

án ẫn IGBT

D L

IGBT

C

Cầu H C

Hình 2.1: Ngu n ý đi u khi n hệ thống điện h ưới u ngh ch ưu

2.1.2 Nghịch lưu u h (BDI-H)

Với cấu hình ngh ch ưu u n thống h điện áp xoay chi u ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp một chi u cung cấp đ muốn s d ng nguồn một chi u điện áp thấp chuy n đổi thành nguồn xoay chi u điện áp cao thì phải c mạch ăng á được g n

v hí ước các mạch ngh ch ưu truy n thống

Mạch ăng á ng cấu hình ngh ch ưu ăng á u n thống gồm có 4 loại linh kiện: cuộn cảm, IGBT (MOFET), đi-ố và t điện đ ộ chuy n đổi có th hoạ động trong hai chế độ khác nhau tùy thuộc v ung ượng ưu ữ năng ượng

và chi u i ương đối c a chu k chuy n đổi Hai chế độ hoạ động được gọi là chế

độ dẫn không liên t c và chế độ dẫn liên t c ương ứng với việc có và không có thời

gian rảnh rỗi c kh điện t

Hình 2.2 giới thiệu mô hình bộ BDI-H mộ h c ng đầu vào liên t c Nó bao gồm một cuộn cảm (L) và một t điện (C), 5 đi-ố , 5 khóa bán dẫn và tải th

động (R và Ll) Điện áp nguồn VPN được ăng á đến một giá tr cố đ nh tại thanh cái DC-link thông qua mạch ăng á (boost) DC- C Điện á n s u đ ngh ch ưu

h nh điện xoay chi u thông qua bộ ngh ch ưu cầu H Trong cấu hình này, hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh (ví d S1 và S2) kh ng được kích đ ng đồng thời Do vậy khoảng thời gian chết (deadtime) giữa hai khóa bán dẫn phải được tạ đ bảo

vệ mạch Kết quả m ăng độ méo dạng sóng hài (THD) c a dạng sóng ngõ ra Mạch điện c th c a cấu hình được m ả ng h nh 2 2 v được h n ích ngu n

ý h ạ động chương s u (chương )

V dc

D L

Hình 2.2: Cấu hình ngh ch ưu u n thống kết hợp bộ ăng á C-DC

2.1.3 Cấu hì h cơ bản của nghịch lưu nguồn Z

Các nghi n cứu v ngh ch ưu nguồn Z đ được nh khá õ ng ], 5], [8], [9], [10], [11], [13], [20], [36], [48], [51], [53], [60], [61] Hình 2.3 chỉ ra cấu hình một pha ngh ch ưu nguồn Z cơ ản [4,5] với mạng tr kháng hai c được chèn vào giữa cầu ngh ch ưu v nguồn DC Mạng nguồn Z này bao gồm hai cuộn cảm, hai t điện và một đi-ố đ ng v i ăng á đồng thời giúp lọc các sóng hài

c a bộ nguồn Nó cho phép hai khoá bán dẫn trên cùng mộ nhánh kích đ ng đồng thời, trạng thái này b cấm trong bộ ngh ch ưu h ng hường vì xảy ra hiện ượng

ng n mạch gây phá hỏng linh kiện Do vậy ngh ch ưu nguồn Z hoạ động được an

n hơn h ảng thời gian ng n mạch n được ng đ ăng điện áp VPN trên thanh cái DC

Nối với ải

Hình 2.3: Cấu hình ngh ch ưu nguồn Z mộ h cơ ản

Hình 2.4: Mạch ương đương c a bộ ngh ch ưu nguồn Z khi h ạ động

(a) Trạng thái không ng n mạch, đi-ố dẫn; (b) Trạng thái ng n mạch, đi-ố khóa

Hình 2.5: Bộ ngh ch ưu nguồn Z h cơ ản

Trong trạng thái không ng n mạch như vẽ Hình 2.4(a), bộ ngh ch ưu c hai trạng thái vector hoạ động và hai trạng thái vector không Tổng thời gian trong suốt

trạng thái không ng n mạch n được đặt là T 1, khi đ đi-ố D a được dẫn, các t điện được nạ năng ượng trong khi các cuộn cảm truy n năng ượng t nguồn đến tải, ta c các hương nh ương đương

V L1 = V C2 – V dc (2.1)

V PN = V C1 + V C2 – V dc (2.3) Trong trạng thái ng n mạch như vẽ Hình 2.4(b), bộ ngh ch ưu ng n mạch

b i hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh Tổng thời gian trong suốt trạng thái ng n

mạch n được đặt là (T 0 = T – T 1 ) T ng đ T là thời gi n đ ng ng t trong một chu

k c a các khóa bán dẫn Trong trạng thái ng n mạch này, đi-ố Da b khóa, các t điện ả năng ượng trong khi các cuộn cảm tích trữ năng ượng t các t , ta có các hương nh ương đương

1 2

1 0 2

1 1

C dc

C L

C dc

C L

V T

T V V T

T V

V T

T V V T

T V

(2.7)

T c ng hức (2.7) ú được điện áp trên các t :

dc C

T T

T V

V

0 1

1 2

ới ( T0/T) là tỷ số ng n mạch trong mỗi chu k

Giá tr đỉnh c điện áp pha ngõ ra trên tải được ác đ nh:

2

PN ac

V M

Với M là hệ số đi u chế độ rộng xung Thế (2.9) vào (2.11) được:

2

dc ac

V B M

T (2.12) ta nhận xét rằng, so với bộ ngh ch ưu truy n thống thì bộ ngh ch

ưu nguồn Z có th há điện á ngõ ớn hơn gấp B lần Đ chính một trong

những ưu đi m vượt trội c a ngh ch ưu nguồn Z m chúng được ứng d ng khá rộng rãi và hiệu quả trong các mạch chuy n đổi năng ượng, nhất là các hệ năng ượng tái tạo

2.1.4 Nghịch lưu

 Ngh ch ưu ăng á cơ ản (SBI)

Các nghi n cứu v ngh ch ưu ăng á cơ ản ( I) đ được nh ng [6], [7], [14], [15], [23], [50] v 6 ] Hình 2.6 chỉ ra cấu hình một pha ngh ch ưu ăng á cơ ản trình bày trong [14] Nó bao gồm hai đi-ố , một cuộn cảm, một t điện, một khóa bán dẫn và cầu ngh ch ưu một pha

D a

Hình 2.6: Cấu hình ngh ch ưu ăng á cơ ản

Giống như ngh ch ưu nguồn Z, ngh ch ưu ăng á cơ ản c ng c ạng thái

ng n mạch đ ăng điện áp trên thanh cái DC Ngh ch ưu ăng á s d ng nhi u hơn một khóa bán dẫn và một đi-ố nhưng í hơn một cuộn cảm và một t điện so với cấu hình ngh ch ưu nguồn Z Hệ số ăng á c a cấu hình ngh ch ưu ăng á được ác đ nh trong [14]:

0 0

PN s

nhược đi m c a ngh ch ưu ăng á cơ ản khi mà hệ số ăng á ng ngh ch ưu được u n m như một yêu cầu u n ọng Ngoài ra, trong hình 2.6 do nguồn một chi u m c nối tiếp với đi-ố Da nên khi đi-ố Da ng , ng điện qua nguồn bằng 0, làm cho dòng nguồn hoạ động không liên t c và một bộ lọc nguồn dòng có

th phải được m c v hí ước nguồn một chi u đ bảo vệ bộ nguồn một chi u đầu v Đi u này sẽ m ăng h m kết cấu c a mạch điện, dẫn đến xác suấ hư hỏng ăng n, giá h nh c ng như ổn h c ng sẽ ăng n

 Ngh ch ưu ăng á cải tiến (qSBI)

Nhằm kh c ph c những hạn chế c a các cấu hình ngh ch ưu đ nh phần n ng chương n , một cấu hình ngh ch ưu ăng á cải tiến có khả năng ứng d ng đ thay thế ngh ch ưu nguồn Z Các nghi n cứu v ngh ch ưu ăng á cải iến ( I) đ được nh ng [6], [7], [14], [15], 2 ], 50] v 6 ] Hình 2.7 chỉ ra cấu hình c a ngh ch ưu ăng á cải tiến [6], [7], [67] Cấu h nh n s d ng thành phần inh kiện gần giống với ngh ch ưu ăng á cơ ản Một mạch lọc LfCf được

m c sau cầu H đ loại bỏ thành phần hài bậc cao chỉ trong Hình 2.7, nguồn một chi u úc n được m c trực tiếp với cuộn cảm nên dòng nguồn chính là dòng qua cuộn cảm và nó có tính liên t c

Hình 2.7: Cấu hình ngh ch ưu ăng á cải iến

C ng giống như ộ ngh ch ưu nguồn Z, ngh ch ưu ăng á cải iến c ng c các trạng thái ng n mạch bên cạnh hai trạng thái tích cực và hai trạng hái v c ơ kh ng

Vì thế những trạng thái hoạ động này có th ựng mạch điện ương đương thành hai trạng thái chính: ng n mạch và không ng n mạch H nh 2 chỉ sơ đồ mạch ương đương c a trạng thái ng n mạch và trạng thái không ng n mạch khi

h ạ động c cấu h nh n

Hình 2.8: Trạng thái hoạ động c a qSBI: (a) ng n mạch và (b) không ng n mạch

Trong trạng thái ng n mạch như chỉ trong Hình 2.8(a), bộ ngh ch ưu ng n mạch b i khóa bán dẫn n v ưới c a cùng một nhánh Trong suốt quá trình này, khóa bán dẫn S0 được kích đ ng m ch các đi-ố Da và Db không dẫn điện Cuộn cảm ưu ữ năng ượng trong khi t điện ả năng ượng T hu được các hương

nh ương ứng:

L

dc c

c in

di

dt dV

Trong trạng thái không ng n mạch như chỉ trong Hình 2.8(b), bộ ngh ch ưu

có hai trạng thái tích cực và hai trạng thái không Trong suốt quá trình này, khóa bán dẫn S0 được kích ng t, các đi-ố Da và Db dẫn điện T điện được nạ năng ượng t nguồn ng khi đ cuộn cảm chuy n năng ượng t nguồn đến tải Ta c được hệ hương nh s u:

1 2

1 21

D D

Giá tr đỉnh c điện á đặt lên thanh cái DC (V PN) chính điện áp trên t điện xảy

ra trong trạng thái không ng n mạch Hình 2.8(b), ta có:

V B

C h ng ường hợp này, ngh ch ưu mộ h ăng á s d ng hai sóng

đi u khi n v u khi n và (– v u khi n ) đ so sánh với sóng mang tần số cao vtri đ phát

ra tín hiệu đi u khi n các khóa bán dẫn S1 đến S4 Mộ đường thẳng có giá tr điện

á kh ng đổi được so sánh với một sóng mang tần số cao khác v tri* với tần số gấp

đ i v i n độ bằng một nữa vtri đ phát ra tín hiệu đi u khi n cho S0 Tín hiệu S0

n s u đ được chèn vào S1 đến S4 thông qua cổng logic (OR) đ phát ra trạng thái

ng n mạch trong cầu H c mạch ngh ch ưu

Hình 2.9: Giản đồ ung đi u chế sóng Sin cho ngh ch ưu ăng á cải iến

Giá tr đỉnh c điện áp xoay chi u ngõ được ác đ nh:

Th hương há đi u chế độ rộng xung trong Hình 2.9, khoảng thời gian

ng n mạch chỉ n n được thêm vào trong trạng thái không (zero state) đ đảo bảo quá trình ng n mạch không làm ảnh hư ng đến chấ ượng dạng sóng ngõ ra Vì thế

tỷ số ng n mạch được giới hạn b i D ≤ (1 – M) Đ đạ được giá i điện áp ngõ ra lớn nhấ , h ng hường được chọn bằng giá (1 – M) Do vậ hương nh

(2.20) c h được viết lại:

B ng 2.1: So sánh các cấu hình ngh ch ưu ăng á Thông số,





1

1 2DĐiện áp ch u



1

D V D





1



1

D V D





1

1 2 D V dc

Điện áp cao nhất

trên t C

1

1D V dc

1

D V D





1

1 2 D V dc

ng điện đầu vào L.t c, gián đ ạn Gián đ ạn Liên t c

T bảng 2.1, có th d dàng nhận thấy rằng cấu hình cấu hình ngh ch ưu ăng

áp một pha cải tiến (qSBI) và cấu hình ngh ch ưu ăng á cơ ản (SBI) có cùng số linh kiện s d ng nhưng ại nhi u hơn cấu hình ngh ch ưu ăng á u n thống 1 đi-ố Tuy vậy cấu hình ngh ch ưu ăng á cải tiến lại cho hệ số ăng á c hơn h i cấu hình còn lại

Ngoài ra khi có lỗi hoặc nhi u điện t (EMI) xuất hiện trong quá trình hoạt động làm cho hai khóa bán dẫn trên cùng mộ nhánh đ ng đồng thời xảy ra tình trạng ng n mạch đối với cấu hình ngh ch ưu ăng á u n thống thì sẽ xả hư hỏng các khóa bán dẫn và các linh kiện trên mạch Tu nhi n đối với cấu hình ngh ch ưu ăng á mộ h cơ ản và cải tiến thì cho phép hoạ động trạng thái

ng n mạch nên mạch điện vẫn an t n ng ường hợ n Như vậ , đ c ng chính giảm sự ảnh hư ng c (EMI) đến uá nh h ạ động c ộ ngh ch ưu iệc s sánh c h hơn nữ giữ cấu h nh ngh ch ưu u n hống v I sẽ được

nh ng chương iế h (chương )

ậ c 2

Tóm lại, trong chương n , đ nh những vấn đ cơ s lý thuyết v ngh ch ưu c ng như s sánh các cấu hình ngh ch ưu với các h m số cơ ản Đối với các nguồn năng ượng tái tạ h điện áp một chi u đầu vào hường có giá tr thấp; vì thế cần hải c được nguồn v đ lớn cung cấ đến mạch ngh ch ưu ch điện áp xoay chi u nh đ nh nhằm cung cấp cho ph tải thông qua nối ưới là cần thiết và nâng cao hiệu suất Các bộ ngh ch ưu v lý thuyết có khả năng ăng á ước ngh ch ưu, s ng hệ số ăng á hạn chế kh ng h đạ được giá c

vậ cần hiế hải c các mạch ăng á DC-DC kế hợ ng mạch ngh ch ưu Tuy nhiên cần hải nghi n cứu, ính án mộ cách hợ khi hực hiện m c h m các mạch ăng á C-DC kế hợ ng các ộ ngh ch ưu Trong chương iếp theo sẽ

đ cậ đến sự so sánh hai cấu hình ngh ch ưu u n thống c mạch ăng á kế hợ với cấu hình ngh ch ưu ăng á cải tiến

HƯƠNG 3: O ÁNH NGHỊ H LƯU TĂNG Á ẢI TIẾN I VỚI NGHỊ H LƯU ẦU H KẾT HỢP MẠ H TĂNG Á D -DC

Bộ ngh ch ưu cầu H u n hống c mạch ăng á kết hợp DC-DC (boost DC-DC based H-bridge inverter: BDI-H) và bộ ngh ch ưu ăng á cải iến ( I)

đ được nghiên cứu v ứng ng ng hực ế T ng chương n sẽ h n ích, s sánh h i ộ ngh ch ưu k n iệc n sẽ chỉ được mộ v i kế uả giú ch việc nghi n cứu, đ uấ các giải há n ng c hiệu uả m việc nhằm đá ứng các u cầu k huậ ng hực ế khi ứng ng các mạch ngh ch ưu với các m c đích khác nh u mộ cách h hợ Thực nghiệm được thực hiện cho cấu hình qSBI

đ ki m chứng phân tích lý thuyết

3.1 Đặt v đề

Đối với những ứng d ng, đ mà bộ ngh ch ưu hải đá ứng được yêu cầu ăng á v giảm áp, thì một bộ chuy n đổi ăng á một chi u (DC-DC converter) cần được h m v hí ước bộ ngh ch ưu ộ ngh ch ưu mạch cầu H u n hống c mạch ăng á kết hợp DC-DC (BDI-H) đ được nghi n cứu v đư v ứng d ng trong các hệ thống năng ượng tái tạo [7] Bộ ngh ch ưu n hực hiện biến đổi năng ượng qua hai gi i đ ạn ăng á DC-DC và ngh ch ưu DC-AC Tuy nhi n, c ng giống như ộ ngh ch ưu u n thống ước đ thì BDI-H có một vài hạn chế nhấ đ nh đ h i kh đ ng ng t trên cùng mộ nhánh kh ng được đ ng

c ng úc v khi đ ng n mạch nguồn áp một chi u sẽ xả m hư hỏng thiết b , hệ

số ăng á c được cải hiện nhưng kh ng c BDI-H được nghiên cứu v đ được ứng d ng c ng khá hổ iến ước đ trong hệ thống năng ượng u ng điện PV (photovoltaic), điện

Khi cấu hình BDI-H cơ ản được dùng trong các ứng d ng năng ượng tái tạo, điện á C được ăng á đến một giá tr cố đ nh thông qua mạch ăng á (boost) DC- C Điện á C n s u đ u ộ ngh ch ưu cầu H đ tạ điện xoay chi u

Do vậy, cấu hình BDI-H không có trạng thái ng n mạch (nghĩ tất cả các khóa bán dẫn ng c ng mộ nhánh được đ ng c ng một thời đi m) Theo lý thuyế , điện