ĐỒ án môn học điều KHIỂN hệ THỐNG điện CÔNG NGHIỆP điều KHIỂN NGHỊCH lưu nối lưới BA PHA sử DỤNG bộ điều KHIỂN PR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION

-

---------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI BA PHA
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PR

GVHD: TS. Nguyễn Phan Thanh
Sinh viên thực hiện:

MSSV

Nguyễn Đoan Trường

19142410

Nguyễn Minh Trung

19142408

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Phan Thanh là người trực tiếp hướng dẫn,

giúp đỡ và chỉ bảo chúng em trong đồ án môn Điều khiển hệ thống điện công nghiệp
này. Thầy đã giúp chúng em giải quyết những vấn đề nảy sinh trong quá trình làm
chuyên đề thực tế và hoàn thành đề tài đúng thời gian quy định ban đầu. Đặc biệt là
học hỏi những kinh nghiệm và phong cách làm việc chuyên nghiệp của thầy để chúng
em áp dụng sau này.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khoa Điện – Điện tử của trường
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, đã tận tình giảng dạy truyền đạt cho
chúng em những kiến thức về chuyên ngành nói chung và bộ mơn Điều khiển hệ thống
điện cơng nghiệp nói riêng. Đó là những kiến thức vơ cùng q báu mà chúng em đã
học được trong thời gian qua.
Một lần nữa chúng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến quý thầy cô đã giúp đỡ
chúng em đã hoàn thành chuyên đề thực tế này.


MỤC LỤC
LỜI NỐI ĐẦU.......................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN.....................................................................................3
1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG
LƯỢNG TÁI TẠO................................................................................................3
1.2 CẤU TRÚC CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG
LƯỢNG TÁI TẠO................................................................................................4
1.3

CÁC TIÊU CHUẨN NỐI LƯỚI................................................................6

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI BA PHA VÀ
BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG PR..................................................................................7
2.1

BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI 3 PHA.....................................................7

2.1.1.

KHÁI NIỆM CHUNG..........................................................................7

2.1.2.

PHÂN LOẠI CÁC BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA..............................7

2.1.3.

VAN IGBT............................................................................................9

2.1.3.1 Đặc điểm, cấu tạo, kí hiệu..................................................................9
2.1.3.2 Điều kiện mở van, khóa van, các thông số cơ bản của van..............9
2.1.4.

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA.......................12

2.1.4.1 Nguyên lý hoạt động.........................................................................13
2.1.4.2 Giới thiệu về phương pháp điều khiển IGBT.................................16
2.2

BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG PR...................................................................18

CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK....20
3.1

MƠ PHỎNG MATLAB/SIMULINK......................................................20

3.1.1.

SƠ ĐỒ KHỐI......................................................................................20

3.1.2.

MÔ PHỎNG MATLAB/SIMULINK................................................21

3.2

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MATLAB/SIMULINK:..................................28

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................38
4.1

KẾT LUẬN:..............................................................................................38

4.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN:..........................................................................39

TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................40


LỜI NỐI ĐẦU
1) Đặt vấn đề:
Các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời đang phát triển rất mạnh mẽ
vì tính bền vững và thân thiện với mơi trường trong khi tiềm năng vô cùng lớn. Tuy
nhiên, chúng lại có nhược điểm là bị lỗng và khơng liên tục. Do đó, chúng thường
được nối với lưới điện để trở thành một nguồn điện với chất lượng tốt và giá thành rẻ

thông qua các bộ nghịch lưu bán dẫn cơng suất. Chính các bộ nghịch lưu nối lưới lại
phát sinh sóng hài đáng kể vào lưới điện và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện
năng của hệ thống điện. Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp điều khiển để giảm sóng
hài cho nghịch lưu nối lưới ln góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống
điện.
2) Mục tiêu của đề tài:
 Hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu ba pha.
 Hiểu được sự ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến sóng hài của dịng điện
từ đó đưa ra giải pháp giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới.
 Hiểu sơ đồ hoạt động của bộ điều khiển cộng hưởng dịng điện (PR). Từ đó, điều
chỉnh điều chỉnh các tham số để giảm sóng hài nghịch lưu nối lưới ba pha.
3) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
 Dựa vào việc phân tích sóng hài dịng điện của nghịch lưu nối lưới: điều chế, ước
lượng tham số điện áp lưới cơ bản, giảm độ nhấp nhô điện áp DC và phương pháp
cải tiến để xác định tham số bộ điều khiển dòng điện.
 Đồ án tập trung vào nghiên cứu giảm sóng hài dịng điện cho nghịch lưu điện mặt
trời nối lưới ba pha với qui mô công suất vừa và nhỏ do sự phổ biến của chúng.
4) Cơ sở lý luận:
Đề tài được nghiên cứu dựa trên những cơ sở lý thuyết sau:
 Lý thuyết về môn học Điều khiển hệ thống điện công nghiệp.
 Lý thuyết về bộ nghịch lưu ba pha.
5) Cách tiếp cận và Phương pháp thực hiện:
Cách tiếp cận: Dựa vào việc mô tả tốn học của sóng hài dịng điện để phân tích
ngun nhân phát sinh sóng hài và từ đó đề xuất giải pháp giảm sóng hài.
1


Các giải pháp:
 Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tài liệu để nghiên cứu về các lý thuyết liên
quan đến đề tài.

 Phương pháp thực nghiệm:
+ Phương pháp giải tích: được thực hiện bằng cách phân tích mơ tả tốn học
của sóng hài nghịch lưu giúp cho đồ án có cách tiếp cận tổng quát, khoa học
và xác định đúng hướng nghiên cứu.
+ Phương pháp mô phỏng: các giải pháp giảm sóng hài đề xuất đều được kiểm
tra trên phần mềm MATLAB/Simulink thể hiện tính trực quan và độ tin cậy
cao trong miền khảo sát mong muốn.
6) Nội dung đề tài:
Đề tài có kết cấu gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Tổng quan về bộ nghịch lưu nối lưới ba pha và bộ điều khiển dịng PR
Chương 3: Tính tốn và mơ phỏng trên Mathlab/Simulink.
Chương 4: Kết luận
7) Giới hạn đồ án:
 Do thời gian có hạn, nên sinh viên chỉ trọng tâm nghiên cứu những vấn đề quan
trọng trong việc điều chỉnh các tham số điều khiển để giảm sóng hài cho bộ nghịch
lưu nối lưới 3 pha.
8) Ý nghĩa thực tiễn:
 Việc nghiên cứu giải pháp điều khiển giảm sóng hài nghịch lưu nối lưới trong
luận án sẽ góp phần nâng cao chất lượng điện năng hệ thống điện.


Các thông số và chế độ hoạt động của phương pháp được khảo sát gần với thực

tế nhất để tăng khả năng ứng dụng. Các kỹ thuật đề xuất cũng cho phép làm giảm
kích thước, chi phí thiết bị và góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống
điện. Từ đó, tạo điều kiện cho việc chế tạo và làm chủ công nghệ với giá thành thấp
để tăng khả năng cạnh tranh của thiết bị.

2

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG
LƯỢNG TÁI TẠO
Năng lượng tái tạo đang có sự phát triển mạnh mẽ vì tính bền vững và thân
thiện với môi trường trong khi tiềm năng ứng dụng là vô cùng lớn. Trong những năm
gần đây, năng lượng tái tạo trên thế giới có mức tăng trưởng đáng kể so với mức tăng
trưởng của năng lượng từ điện gió mỗi năm, năng lượng tái tạo trên thế giới có mức
tăng 30% mỗi năm so với mức tăng của năng lượng từ than đá và than bùn. Thêm vào
đó, pin mặt trời với giá thành ngày càng giảm cũng làm cho các nước Châu Á – Thái
Bình Dương (đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ) với mức tiêu thụ năng lượng nhiều
nhất thế giới cũng có những chính sách để đạt 20% năng lượng tái tạo vào năm 2020.
Vì các nước trên thế giới đã tập trung khai thác năng lượng mặt trời cho nên chi phí
pin mặt trời ngày càng giảm, điều này kích thích cho các nước Châu Á có những kế
hoạch của họ trong tương lai gần. Điều này làm cho năng lượng tái tạo ngày càng phát
triển mạnh mẽ hơn, cụ thể qua khảo sát cho thấy rằng mức đầu tư ngày càng cao như
hình 1.1.

a)

b)

Hình 1. 1: Chi phí đầu tư cho năng lượng mặt trời và điện gió của thế giới
Theo nhận định của giới chuyên gia Việt Nam là quốc gia hội tụ những đặc điểm
địa lý, khí hậu lý tưởng cho việc sản xuất các loại năng lượng tái tạo.Với vị trí địa lý
có đường biển dài, thời tiết của khu vực nhiệt đới nhận được lượng nhiệt mặt trời

tương đối lớn… đây là một trong những tiềm năng rất lớn để Việt Nam xây dựng và
3


phát triển ngành công nghiệp năng lượng tái tạo như nhà máy năng lượng mặt trời, nhà
máy năng lượng gió. Việc này có ý nghĩa vơ cùng to lớn trong định hướng phát triển
nền kinh tế Việt Nam trong tương lai, cũng như an ninh năng lượng. Phát triển năng
lượng tái tạo còn đang là cuộc chay đua năng lượng của các nước trên thế giới tạo nên
vị thế cạnh tranh trong khu vực và trên thế giới. Điều này cho thấy Việt Nam cũng
không thể chẫm trễ trong lĩnh vực này, khai thác hiệu quả tiềm năng phát triển năng
lượng tái tạo để tạo sức cạnh tranh cho cả nền kinh tế.
Nhận thấy tầm quan trọng hàng đầu của ngành công nghiệp năng lượng tái tạo,
nên thời gian qua, Chính phủ đã ban hành nhiều cơ chế, chính sách nhằm khuyến
khích phát triển nguồn năng lượng tái tạo. Bộ Cơng Thương cũng có Quyết định
2023/QĐ- BCT ngày 5/7/2019 phê duyệt “Chương trình phát triển điện mặt trời mái
nhà tại Việt Nam giai đoạn 2019 - 2025” và nhiều thông tư hướng dẫn cùng các
chương trình kế hoạch triển khai thực hiện. Cùng với đó, phát triển nguồn năng lượng
tái tạo song song với tăng cường hiệu quả sử dụng điện trọng sinh hoạt cũng như sản
xuất nhằm giảm chi phí và các tác động tiêu cực đối với mơi trường và sức khỏe người
dân.
Lũy kế 6 tháng đầu năm 2021, sản lượng điện sản xuất và nhập khẩu toàn hệ
thống đạt 128,51 tỷ kWh, tăng 7,4% so với cùng kỳ năm 2020; Trong đó, năng lượng
tái tạo (gồm: điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối) huy động được 14,69 tỷ kWh,
chiếm tỷ trọng 11,4% trong tổng sản lượng.

1.2 CẤU TRÚC CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG
LƯỢNG TÁI TẠO

4

Hình 1. 2: Sơ đồ phân loại các nguồn phân tán
Mặc dù thân thiện với môi trường và khả năng vô cùng lớn, nhưng nhược điểm
của năng lượng tái tạo là bị lỗng và khơng liên tục. Do đó, nó cần được nối lưới để
đảm bảo một nguồn điện có chất lượng cao với chi phí rẻ. Để biến đổi và hòa đồng bộ
nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào trong hệ thống điện, thường có hai dạng kết nối
lưới cơ bản:
 Phát điện trực tiếp lên lưới dùng máy điện quay đồng bộ hoặc không đồng bộ
(tua bin gió)

Hình 1. 3: Hệ thống điện gió dùng máy phát không đồng bộ
 Phát điện dùng nghịch lưu trực tiếp hoặc gián tiếp.

5


Hình 1. 4: Cấu trúc của một hệ thống điện mặt trời nối lưới

1.3 CÁC TIÊU CHUẨN NỐI LƯỚI
Đa số các nguồn điện phân tán DG (Distributed Generation) sử dụng năng lượng
tái tạo đều có hệ thống nghịch lưu để nối lưới. Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối lưới
này lại là một trong những thiết bị phát sóng hài đáng kể lên lưới điện và ảnh hưởng
đến sự ổn định của hệ thống điện. Do đó, chúng có tác động tiêu cực đến chất lượng
điện năng của hệ thống điện.
Vì vậy, để đảm bảo an tồn trong vận hành và truyền tải lưới điện, các tiêu chuẩn
chất lượng điện năng đã được các cơ quan vận hành hệ thống điện ban hành như:
IEEE-929 (2000); IEEE-1547 (2009) của Mỹ; tiêu chuẩn IEC 62116 (2005) về cô lập
DG; IEC 61727 (2007); các tiêu chuẩn EN 50160 ở châu Âu; VDE 0126 (2006) của
Đức; thông tư 32 BCT (2013) của Bộ Công thương Việt Nam… Trong đó, các tiêu
chuẩn về tần số khi kết nối lưới, giới hạn sóng hài và tổng trở bộ lọc cũng rất nghiêm

ngặt đối với thiết bị nối lưới. Trong khi đó, các phương pháp giảm sóng hài cho nghịch
lưu nối lưới đã được công bố gần đây cho thấy hiệu quả chưa cao.
Như vậy, để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt và góp phần nâng cao
chất lượng điện năng của hệ thống điện, cần phải có các nghiên cứu sâu hơn để giảm
sóng hài hiệu quả hơn cho các bộ nghịch lưu nối lưới.

6


CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI BA
PHA VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG PR

2.1 BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI 3 PHA
2.1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Trong lĩnh vực biến đổi năng lượng điện rất nhiều trường hợp phải thực hiện quá
trình biến đổi một nguồn điện một chiều thành điện áp hoặc dịng điện xoay chiều có
thể điều chỉnh được giá trị và tần số của dòng hoặc áp xoay chiều đầu ra. Có một số
thiết bị biến đổi thực hiện được nhiệm vụ này, nhưng phổ biến nhất là các bộ biến đổi
một chiều sang xoay chiều sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển mà người
thường gọi theo một tên khác là sơ đồ nghịch lưu.
2.1.2. PHÂN LOẠI CÁC BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA
Trong hệ thống chỉnh lưu cũng có bộ nghịch lưu nhưng là nghịch lưu phụ thuộc,
sự khác biệt giữa hai bộ nghịch lưu này ở chỗ:
Nghịch lưu phụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng
điện xoay chiều, nhưng tần số điện áp dịng điện xoay chiều chính là tần số không thể
thay đổi của lưới điện. Hơn nữa sự hoạt động của nghịch lưu này phải phụ thuộc vào
điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α được xác định theo tần
số và pha của lưới điện xoay chiều đó.

Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết định và có
thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện.
Nghịch lưu độc lập được chia thành ba loại:
Nghịch lưu điện áp: Là bộ biến đổi một chiều-xoay chiều mà nguồn cung cấp là
nguồn điện áp và phụ tải khơng có tính chất dao động cộng hưởng hoặc nếu có tính
chất dao động cộng hưởng thì tần số cộng hưởng f0 nhỏ hơn tần số điện áp ra của bộ
biến đổi f (f cũng là tần số làm việc của bộ biến đổi). Trong thực tế thì nguồn cung cấp
cho biến đổi một chiều-xoay chiều thường lấy từ đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu nên để
cho nguồn có đặc trưng gần với dạng nguồn áp lý tưởng thì người ta thường mắc song
song với 2 cực nguồn một tụ C0 có giá trị đủ lớn (ý nghĩa của từ đủ lớn là tuỳ thuộc
vào chế độ và tần số làm việc, độ chính xác yêu cầu mà lựa chọn giá trị cần thiết của
7


C0). Tụ C0 có tác dụng duy trì cho điện áp trên 2 cực nguồn không thay đổi khi bộ
biến đổi làm việc, đồng thời đảm bảo tính dẫn dịng 2 chiều của nguồn.
Nghịch lưu dòng điện: Là bộ biến đổi một chiều-xoay chiều mà nguồn cung cấp
là nguồn dòng điện và phụ tải khơng có tính chất dao động cộng hưởng hoặc nếu có
tính chất dao động cộng hưởng thì tần số cộng hưởng f0 nhỏ hơn tần số dòng điện ra
của bộ biến đổi f (f cũng là tần số làm việc của bộ biến đổi). Trong thực tế thì nguồn
cung cấp cho bộ biến đổi dịng điện cũng thường lấy từ đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu nên
để cho nguồn có đặc trưng gần với dạng nguồn dịng lý tưởng thì người ta thường mắc
nối tiếp với nguồn một điện cảm L0 có giá trị đủ lớn (ý nghĩa của từ đủ lớn là tuỳ
thuộc vào chế độ và tần số làm việc, độ chính xác yêu cầu mà lựa chọn giá trị cần thiết
của L0). Điện cảm L0 có tác dụng duy trì cho dịng điện nguồn không thay đổi khi bộ
biến đổi làm việc, đồng thời đảm bảo tổng trở lớn của nguồn.
Nghịch lưu cộng hưởng: Là bộ biến đổi một chiều-xoay chiều mà nguồn cung
cấp có thể là nguồn điện áp hoặc nguồn dịng điện nhưng phụ tải phải có tính chất dao
động cộng hưởng với tần số cộng hưởng f0 lớn hơn tần số điện áp hoặc dòng điện ra
của bộ biến đổi f (f cũng là tần số làm việc của bộ biến đổi). Trong thực tế thì để có

tính chất dao động cộng hưởng mạch tải phải có các phần tử điện cảm và điện dung,
ngoài ra để đặc trưng cho sự tiêu thụ công suất tác dụng của tải thì tải phải có một giá
trị điện trở tương đương nào đó. Từ đó ta thấy rằng q trình dao động cộng trong
mạch tải của bộ biến đổi này là một quá trình tắt dần. Phụ thuộc vào cách nối các phần
tử mạch tải mà loại bộ biến đổi này có thể được chia ra các loại khác nhau.

Hình 2. 1 Các dạng nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng

8


2.1.3. VAN IGBT
2.1.3.1 Đặc điểm, cấu tạo, kí hiệu

Hình 2. 2 Cấu tạo kí hiệu IGBT
IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng
chịu tải lớn của Transisto thường. IGBT được điều khiển bằng điện áp, có cơng suất
điều khiển u cầu cực nhỏ.
Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm
lớp p nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitter với collector, khơng
phải n-n như ở MOSFET. Có thể coi IGBT như một Transistor p-n-p với dòng điều
khiển bởi MOSFET.
2.1.3.2 Điều kiện mở van, khóa van, các thơng số cơ bản của van

Hình 2. 3 Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT
Trên hình thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với một MOSFET và một
pnp Transistor. Kí hiệu i 1 dòng qua MOSFET, i 2 là dòng qua transistor. Phần MOSFET
trong IGBT có thể khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó
dịng y sẽ bằng 0. Tuy nhiên thành phần dòng i2 sẽ khơng thể suy giảm nhanh được do
lượng điện tích lũy trong lớp n ( tương đương với bazo của cấu trúc pnp) chỉ có thể

9


xuất hiện vùng dịng điện bị kéo dài khi khóa một IGBT. Trên sơ đồ IGBT đóng cắt
một tải cảm có diode khơng D0 mắc song song. IGBT được điều khiển bởi nguồn tín
hiệu biên độ UG nối với cực điều khiển G qua điện trở RG. Trên sơ đồ Cgs, Cgc thể
hiện các tụ kí sinh giữa cực điều khiển và collector, emitter.
Quá trình mở IGBT

Hình 2. 4 Dạng điện áp, dịng điện của q trình mở IGBT
Q trình mở IGBT diễn ra rất giống với quá trình này ở MOSFET khi điện áp
điều khiển đầu vào tăng từ không đến giá trị UG. Trong thời gian trễ khi mở Id(on) tín
hiệu điều khiển nạp điện cho tụ Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng
theo qui luật hàm mũ, từ không đến giá trị ngưỡng UGE(th) (khoảng 3 đến 5V), chỉ
bắt đầu từ đó MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Dịng điện giữa
collector- emitter tăng theo qui luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải I0 trong thời gia tr.
Trong thời gian tr điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng đến giá trị UGE.I0 xác
định giá trị dòng I0 qua collector. Do Diode D0 còn đang dẫn dòng tải Io nên điện áp
UCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều UDC. Tiếp theo quá trình mở diễn
ra theo 2 giai đoạn ttv1 và ttv2. Trong suốt 2 giai đoạn này điện áp giữa cực điều khiển
giữ ngun ở mức UGE.I0, để duy trì dịng I0, do dịng điều khiển hồn tồn là dịng
10


phóng tụ Cgc.IGBT vẫn là việc trong chế độ tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra
q trình khóa và phục hồi của Diode D0, dòng phục hồi của Diode D0 tạo nên xung
dòng trên mức dòng I0 của IGBT. Điện áp UCE bắt đầu giảm. IGBT chuyển điểm làm
việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hịa. Giai đoạn 2 tiếp diễn q trình
giảm điện trở trong vùng thuần trở của collector- emitter về giá trị Ron khi khóa bão
hịa hồn tồn, UCE.on=I0Ron.

Sau thời gian mở ton, khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều
khiển và emito tiếp tục tăng theo qui luật hàm mũ, với hằng số CgcRG đến giá trị cuối
cùng UG
Q trình khóa IGBT

Hình 2. 5 Dạng điện áp, dịng điện của q trình khóa IGBT
Hình trên thể hiện dạng điện áp, dịng điện của q trình khóa IGBT. Q trình
khóa bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ UG xuống –UG. Trong thời gian trễ khi
khóa td(off) chỉ có tụ đầu vào Cge phóng điện qua dịng điều khiển đầu vào với hằng
số thời gian CgcRG tới mức điện áp Miller. Bắt đầu từ mức Miller điện áp giữ cực
điều khiển và emitter bị giữ không đổi do điện áp Uce bắt đầu tăng lên do đó tụ Cge
11


bắt đầu được nạp điện. Dòng điều khiển bây giờ sẽ hồn tồn là dịng nạp cho tụ Cge
nên điện áp UGE được giữ không đổi.
Điện áp UCE tăng từ giá trị bão hòa UCE.on tới giá trị điện áp nguồn UDC sau
khoảng thời gian trv. Từ cuối khoảng Irv Diode bắt đầu mở ra cho dòng tải I0 ngắn
mạch qua, do đó dịng collector bắt đầu giảm. Q trình giảm diễn ra theo hai giai
đoạn tti1 và tti2. Trong giai đoạn đầu, thành phần dòng i1 của MOSFET trong cấu trúc
bán dẫn IGBT suy giảm nhanh chóng về khơng. Điện áp Ugc ra khỏi mức Miller và
giảm về mức điện áp điều khiển đầu vào –UG với hằng số thời gian RG(Cge+Cgc). Ở
cuối khoảng tti1, Ugc đạt mức ngưỡng khóa của MOSFET, UGE(th) tương ứng với
việc MOSFET bị khóa hồn tồn. Trong giai đoạn 2,thành phần dịng i2 của transistor
p-n-p bắt đầu suy giảm. Q trình giảm dịng này có thể kéo rất dài vì các điện tích
trong lớp n chỉ bị mất đi do quá trình tự trung hịa điện tích tại chỗ. Đó là vẫn đề đi
dịng điện đã nói đến ở trên.
Lớp n trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp làm giảm điện áp rơi khi dẫn, vì khi
đó số lượng các điện tích thiểu số tích tụ trong lớp này làm giảm điện trở đáng kể. Tuy
nhiên các điện tích tích tụ này lại khơng có cách nào di chuyển ra ngồi một cách chủ

động được, làm tăng thời gian khóa của phần tử. Ở đây, công nghệ chế tạo bắt buộc
phải thỏa hiệp. So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương đương nhưng thời gian
khóa dài hơn cỡ 1 đến 5 µs.
2.1.4. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA

Hình 2. 6 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu ba pha
12


2.1.4.1 Nguyên lý hoạt động

a) Dẫn 1200 lệch 600

b) Dẫn 1800 lệch 600

Hình 2. 7 Tín hiệu điều khiển và dạng sóng điện áp ngõ ra của nghịch lưu
kiểu 6 bước
Bước 1: Trong khoản từ 00 đến 600-S1,S5 và S6 dẫn

Hình 2. 8 Sơ đồ nối dây

13


Bước 2: Trong khoản từ 600 đến 1200 – S1,S2 và S6 dẫn

Hình 2. 9 Sơ đồ nối dây
Bước 3: Trong khoản từ 1200 đến 1800 – S1,S2 và S3 dẫn

Hình 2. 10 Sơ đồ nối dây

Bước 4: Trong khoản từ 1800 đến 2400 – S3,S4 và S2 dẫn

Hình 2. 11 Sơ đồ nối dây

14


Bước 5: Trong khoản từ 2400 đến 3000 – S3,S4 và S5 dẫn

Hình 2. 12 Sơ đồ nối dây
Bước 6: Trong khoản từ 3000 đến 3600 – S4,S5 và S6 dẫn

Hình 2. 13 Sơ đồ nối dây
Ta lập được bảng điện áp
Trạng

600

600

600

600

600

600

thái

UAB

UAC

UBA

UBC

UCA

UCB

U

+E
3

+2E
3

+E
3

−E
3

−2 E
3

−E

3

−2 E
3

−E
3

+E
3

+2E
3

+E
3

−E
3

CN

+E
3

−E
3

−2 E
3

−E
3

+E
3

+2E
3

UAB

+E

+E

0

-E

-E

0

UBC

-E

0

+E

+E

0

-E

UCA

0

-E

-E

0

+E

+E

U

AN

BN

U

15


V AN

= π

RMS

V AB =√ 3 .V
RMS

(2.1)

√1 ¿ ¿

AN RMS

√2

(2.2)

=E 3

Dạng sóng ngõ ra:

a) Dạng sóng điện áp ngõ ra pha

b) Dạng sóng điện áp ngõ ra dây

2.1.4.2 Giới thiệu về phương pháp điều khiển IGBT
Điều khiển PWM
Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều
chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi
độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn
dương hay sườn âm.
Phương pháp điều chế sinPWM một pha.
Nguyên tắc của sinPWM là trong một khoảng dẫn của van, transistor không dẫn
liên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn bám theo giá trị tức thời của
hình sin có tần số bằng sóng hài cơ bản.
16


Người ta dùng xung tam giác tần số cao (sóng mang) để so sánh với điện áp hình
sin (sóng điều chế), điểm cắt nhau giữa hai điện áp này là điểm chuyển đổi trạng thái
của hai cặp van cho nhau. Điện áp ra khơng chỉ cịn hai xung chữ nhật với biên độ +E
hay -E mà là một dãy xung có độ rộng biến thiên theo quy luật của sóng điều chế hình
sin.

Hình 2. 14 : Sơ đồ khối bộ biến đổi DC-AC kiểu SinPWM

17


2.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG PR
Phương pháp điều khiển tỷ lệ-cộng hưởng (Proportional Resonant- PR)
Các vòng điều khiển dòng điện được thực hiện bằng cách sử dụng dòng α và β.
Các vòng điều khiển điện áp DC và điện áp lưới bên ngồi bước đầu tính tốn các
dịng điện tham chiếu trong hệ quy chiếu d-q.

Tuy nhiên, các dòng điện tham chiếu được chuyển đổi thành hệ quy chiếu α và β
cho các vòng điều khiển dòng điện bên trong. Các chi tiết được thể hiện trong bên
dưới.

Hình 2. 15 Nguyên lý điều khiển tỉ lệ cộng hưởng (PR) trong nghịch lưu nối lưới
+ Điện áp và dòng điện ba pha được biến đổi thành hệ quy chiếu αβ và được biểu
thị như sau:
1
1 −
vα
2
2
vβ =
√3
3 0 2

−1 v
2
a
vb
−√ 3
vc
2

(2.3)

−1
2
√3
2

−1 i
a
2
ib
−√ 3
ic
2

(2.4)

[ ]

[

]

1

i
2
i βα =3

[

[
0

][ ]
][ ]

18


Trong đó Va, Vb và Vc đại diện cho điện áp ba pha và Ia, Ib, và Ic tương ứng với
dòng điện ba pha. Tương tự Vα; Vβ biểu diễn điện áp trong hệ quy chiếu đứng yên.
Iα; Iβ tương ứng với các dòng điện trong cùng một khung tham chiếu.
2

|V g|= √Vgα +V gβ

(2.5)

2

Trong đó Vgα và Vgβ đại diện cho điện áp phía lưới trong hệ quy chiếu đứng
yên.
G PR ( s )=K p + K i

s
2

(2.6)
2

( s + ω0 )

Trong đó Kp khơng đổi là số hạng tỷ lệ và Ki đại diện cho số hạng tích phân. Số
hạng thứ hai trong phương trình (2.6) bao gồm một bộ lọc cộng hưởng có tần số cộng
hưởng ωo. Cụ thể hơn, Phương trình (2.6) đại diện cho một bộ điều khiển PR lý tưởng
trong đó việc thực hiện bộ điều khiển lý tưởng là một nhiệm vụ đầy thách thức. Do đó,

bộ điều khiển PR khơng lý tưởng được giới thiệu trong Cơng thức (2.7) có thể đạt
được độ lợi vô hạn ở tần số cộng hưởng.
G PR (

s )=K p + K

2 ωc s
i

2

(2.7)
2

(s +2 ω c s+ω 0 )

Trong đó ωc đại diện cho tần số cắt sao cho ωc << ω0. Hình dưới cho thấy biểu
đồ Bode của một bộ điều khiển PR lý tưởng. Nó mơ tả rõ ràng rằng một bộ điều khiển
PR lý tưởng không thể được thực hiện trên thực tế vì nó khơng mất dữ liệu.
Để tăng thêm tính mạnh mẽ cho bộ điều khiển PR thông thường, bộ bù sóng hài
HC được nhúng vào bộ điều khiển chính. Khối HC sẽ giúp bù tần số sóng hài bậc thấp.
Khối HC được thể hiện như sau:
G HC ( s )= ∑
h=5,7

2 K ih ws

(2.8)

s 2+( ωh )2

Phương trình (2.8) đại diện cho một HC khơng lý tưởng. Trong phương trình
(2.8), thuật ngữ Kih đại diện cho độ lợi thứ i đối với phần cộng hưởng của bộ điều
khiển và h là bậc hài. Việc thực tế hóa một HC lý tưởng là gần như khơng thể, vì vậy
HC khơng lý tưởng được giới thiệu trong Công thức (2.9):
19


G HC ( s )= ∑

h=5,7

2 K ih ws

(2.9)

s 2+ 2 ws +( ωh )2

20


CHƯƠNG 3 TÍNH

TỐN VÀ MƠ PHỎNG TRÊN
MATLAB/SIMULINK

3.1

MƠ PHỎNG MATLAB/SIMULINK
3.1.1. SƠ ĐỒ KHỐI

Hình 3. 1 Sơ đồ khối

Hình 3. 2 Nguyên lý điều khiển tỷ lệ cộng hưởng PR
Khối 1: Thông thường nguồn điện ngõ vào, có thể lấy từ nguồn DC 720V hoặc
pin mặt trời sau đó ta boost lên nguồn DC để ổn định. Trong quá trình boost, ta dị
MPPT cho dàn pin mặt trời.
Khối 2: Sau đó chuyển sang nguồn xoay chiều 3 pha thông qua bộ nghich lưu.
Có thể dùng bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc hoặc bộ nghịch lưu 3 pha đa bậc
Bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc : linh kiện ít, mạch đơn giản tuy nhiên chất lượng điện
năng đưa ra lại không đảm bảo
21


Bộ nghịch lưu 3 pha đa bậc: giảm được sóng hài tuy nhiên linh kiện nhiều hơn và
mạch phức tạp hơn nên tùy vào điều kiện cụ thể thì ta sẽ chọn cho phù hợp
Khối 3: Đo lường, đo dòng để ta diều kiển, gọi là dòng của bộ nghịch lưu
Khối 4: Mạch lọc cho tín hiệu ngõ ra tựa hình sin để ta hịa vào lưới
Khối 5: Khối đo lường dòng điện và điện áp ta phát vào lưới. Từ đó kiểm sốt
được điện áp lưới để ta hịa đồng bộ
Khối 6: Nguồn lưới, ta có thể thay đổi tầng số , biên độ của nguồn lưới. Vì trên
thực tế khi vận hành nguồn lưới có thể suy giảm, mất cân bằng pha thì khi đó ta sẽ
xem hệ thống chúng ta có bám được, có hịa vào lưới được khơng hay là bị ngắt ra. bởi
vì khi bị ngắt ra , khi điện áp lưới giảm thì theo tiêu chuẩn nối lưới thì phải bù cơng
suất phản kháng để hỗ trợ ổn định điện áp, tuy nhiên ở đây ta khơng đề cập đến nó, ta
chỉ muốn xem dòng tăng lên như thế nào để ta khảo sát khi điện áp lưới sụt giảm thì
dịng lưới tăng lên sẽ gây quá dòng cho thiết bị , nếu để bảo vệ q dịng thì sẽ ngắt ra.
3.1.2. MƠ PHỎNG MATLAB/SIMULINK
Mạch nghịch lưu nối lưới ba pha sử dụng nguồn DC với Vdc = 720V, đo lường
dòng điện và điện áp đầu ra để hịa vào lưới. Lưới điện mơ phỏng với vài trường hợp

trên thực tế như : sụt áp, mất câng bằng pha, sụt giảm tần số.

Hình 3. 3 Sơ đồ mạch nghịch lưu nối lưới ba pha

22