Nghiên cứu kỹ thuật điều chế và điều khiển cho bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc t npc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

ĐỖ NGỌC PHÁT

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
CHO BỘ CHỈNH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã ngành: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Đình Tuyên ....................
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Phan Quốc Dũng ...............................
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Thanh Ngọc ........................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 04 tháng 02 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng: GS. TS. Hồ Phạm Huy Ánh.
2. Thư ký: TS. Nguyễn Chấn Việt.
3. Phản biện 1: PGS. TS. Phan Quốc Dũng.
4. Phản biện 2: TS. Trần Thanh Ngọc.
5. Ủy viên: TS. Huỳnh Văn Vạn.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đỗ Ngọc Phát.................................................. MSHV: 2170140
Ngày, tháng, năm sinh: 14/08/1998 ........................................... Nơi sinh: Quảng Ngãi
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện .................................................. Mã số: 8520201
TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
CHO BỘ CHỈNH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC.
THE STUDY ON MODULATION AND CONTROL
STRATEGY FOR A THREE-PHASE THREE-LEVEL
T-TYPE NPC RECTIFIER.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu và phân tích hoạt động của bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC.
2. Tìm hiểu phương pháp điều chế và các giải thuật điều khiển cho bộ chỉnh lưu
ba pha ba bậc T-NPC.
3. Mô phỏng bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC trên phần mềm PLECS.
4. Xây dựng mơ hình thực nghiệm, thực nghiệm và phân tích kết quả thực nghiệm
cho bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022.
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên.
I.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Tp. HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn em đã nhận được sự giúp đỡ quý báu của
quý thầy cô, bạn bè. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Thầy PGS.TS Nguyễn
Đình Tuyên và Thầy TS. Phạm Minh Đức đã hết lòng hướng dẫn, truyền đạt kiến
thức và kinh nghiệm để em hoàn thành luận văn này. Các Thầy đã tạo điều kiện để
em nghiên cứu, nâng cao kiến thức và tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học
mới. Đó là niềm vinh dự và tự hào khi được học tập và làm việc cùng các Thầy trong
suốt thời gian qua.
Em xin cảm ơn tới quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí
Minh, đặc biệt các q thầy cơ khoa Điện - Điện Tử trang bị kiến thức bổ ích trong
suốt ngày tháng theo học ở trường.
Tất nhiên không thể thiếu các Thầy Cơ, những người bạn, những anh chị em
trong phịng PELAB. Mọi người đã giúp đỡ mình rất nhiều trong suốt những ngày
tháng thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn !

Tp. HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022

Đỗ Ngọc Phát


iii

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Trong những năm gần đây, cấu hình chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC được ứng
dụng rất phổ biến so với chỉnh lưu hai bậc. Bởi vì, chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC
có nhiều ưu điểm như: chất lượng điện năng tốt hơn, yêu cầu bộ lọc ngõ ra AC nhỏ
hơn, điện áp đặt trên các khóa cơng suất nhỏ hơn và điện áp ngõ ra cao hơn so với
chỉnh lưu hai bậc.
Trong khuôn khổ luận văn này sẽ trình bày các nội dung sau:
- Tìm hiểu và phân tích hoạt động của bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc dạng T.
- Tìm hiểu phương pháp điều chế vectơ không gian dạng tổng quát cho bộ chỉnh
lưu 3LT2NPC. Sử dụng thuật toán DSOGI-PLL, để xác định góc pha điện áp
lưới. Tìm hiểu các giải thuật điều khiển điện áp, dịng điện. Tìm hiểu phương
pháp cân bằng điện áp điểm trung tính.
- Mơ phỏng: Sử dụng phầm mềm PLECS để thực hiện mô phỏng bộ chỉnh lưu
3LT2NPC. Với các mục tiêu chính đó chính là giảm thiểu sóng hài bậc cao, hệ
số cơng suất đơn vị, giá trị điện áp đầu ra cần điều khiển, cân bằng điện áp điểm
trung tính.
- Thực nghiệm: Thực hiện kiểm chứng kết quả mô phỏng trên mạch công suất
TIDA-01606-10kW với vi điều khiển (MCU) TMS320F28379D của hãng
Texas Instruments.


iv

ABSTRACT
In recent years, the T-NPC three-phase three-level rectifier configuration is very
popular compared to the two-level rectifier because T-NPC three-phase three-level
rectifier has many advantages over two-level rectifier such as good power quality,
small AC output filter, low tress across the power switches and high voltage output.
In this thesis, the following topics will be presented:
- Analyzing the operating principle for a three-phase three-level T-type Neutral
point clamped rectifier.
- Researching the general nearest three space vector pulse width modulation for
the 3LT2NPC rectifier. Using DSOGI-PLL algorithm to determine the grid
voltage phase angle. Learning voltage and current control algorithms. Learning
how to balance neutral point voltage.
- Simulation: Use PLECS software to simulate 3LT2NPC rectifier. The main
goals are to minimize high harmonics, power factor equal to 1, control output
voltage value, and balance neutral point voltage.
- Experiment: Verify simulation results on TIDA-01606-10kW power board with
TMS320F28379D microcontroller (MCU) of Texas Instruments.


v

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Đỗ Ngọc Phát, xin cam đoan đề tài luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu kỹ
thuật điều chế và điều khiển cho bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC” là công nghiên
cứu của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của khoa học của PGS.TS Nguyễn Đình
Tun.
Tơi xin cam đoan khơng sao chép bất kỳ tài liệu, ấn phẩm nào. Các tư liệu tham
khảo được sử dụng đúng quy định và có trích dẫn rõ ràng. Các số liệu, kết quả mô
phỏng, thực nghiệm trong luận văn này đều là trung thực.

Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan này.

Tác giả luận văn

Đỗ Ngọc Phát


vii

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................v
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................x
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. xiii
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ............................................1
1.1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 1
1.2. Mục tiêu đề tài .................................................................................................. 3
1.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu ............................................................... 3
1.4. Bố cục luận văn ................................................................................................ 4
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ CHỈNH LƯU 3LT2NPC. .......5
2.1. Các phép biến đổi ............................................................................................. 5
2.1.1.

Biến đổi Clarke ....................................................................................5

2.1.2.

Phép biển đổi Park ...............................................................................6

2.2. Phân tích bộ chỉnh lưu 3LT2NPC ..................................................................... 7
2.2.1.

Cấu trúc phần cứng ..............................................................................7

2.2.2.

Sự chuyển trạng thái của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC .............................10

CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN DẠNG TỔNG
QUÁT CHO BỘ CHỈNH LƯU 3LT2NPC ...............................................................15


viii

3.1. Mục tiêu điều chế độ rộng xung cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC ........................ 15
3.2. Kỹ thuật điều chế vectơ không gian dạng tổng quát (GNPWM) ................... 16
3.2.1.

Xác định tỉ số common mode (mcm) ..................................................22

3.2.2.

Xác định vị trí của 𝑚ref trên các Sub-Sector và Sub-Sub-Sector ......24

CHƯƠNG 4. GIẢI PHÁP PLL, BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP - DÒNG ĐIỆN, CÂN

BẰNG ĐIỆN ÁP ĐIỂM TRUNG TÍNH ..................................................................26
4.1. Thuật tốn vịng khóa pha PLL (Phase - Locked Loop) ................................ 26
4.1.1.

PLL dựa trên hệ quy chiếu đồng bộ (SRF-PLL) ...............................27

4.1.2.

PLL dựa trên tích phân bậc hai kép tổng quát (DSOGI-PLL) ..........28

4.2. Hệ thống điều khiển cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC .......................................... 33
4.2.1.

Điều khiển dòng điện ........................................................................34

4.2.2.

Điều khiển điện áp .............................................................................36

4.2.3.

Cân bằng điện áp điểm trung tính .....................................................37

CHƯƠNG 5. MƠ PHỎNG BỘ CHỈNH LƯU 3LT2NPC BẰNG PHẦN MỀM
PLECS .......................................................................................................................41
5.1. Mô phỏng kỹ thuật điều chế vectơ không gian dạng tổng quát ..................... 41
5.2. Mô phỏng hoạt động của DSOGI-PLL .......................................................... 43
5.3. Mô phỏng hoạt động của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC.......................................... 47
CHƯƠNG 6. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..........................56
6.1. Giới thiệu DSP TMS320F28379D và phần cứng .......................................... 56

6.2. Thực nghiệm và kết quả thực nghiệm ............................................................ 58
CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................62
7.1. Kết luận .......................................................................................................... 62
7.2. Hướng phát triển ............................................................................................ 62


ix

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ....................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .......................................................................................66


x

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Hệ tọa độ abc và αβ và vịng trịn đơn vị. ...................................................5
Hình 2.2: Hệ tọa độ abc, αβ và dq và vòng tròn đơn vị. .............................................6
Hình 2.3: Phân tích vectơ v .....................................................................................6
Hình 2.4: Bộ chỉnh lưu 3LT2NPC với bộ lọc LCL. ....................................................8
Hình 2.5: Sơ đồ tương đương một pha của bộ chỉnh lưu tích cực ba pha. .................8
Hình 2.6: Mối quan hệ giữa các vectơ a) Khi 0< PF<1 và b) Khi PF=1. ...................9
Hình 2.7: Quá trình chuyển trạng thái từ P sang O (I > 0)........................................10
Hình 2.8: Quá trình chuyển trạng thái từ P sang O (I < 0)........................................11
Hình 2.9: Quá trình chuyển trạng thái từ O sang P (I > 0)........................................11
Hình 2.10: Quá trình chuyển trạng thái từ O sang P (I < 0)......................................12
Hình 2.11: Quá trình chuyển trạng thái từ N sang O (I > 0). ....................................12
Hình 2.12: Quá trình chuyển trạng thái từ N sang O (I < 0). ....................................13
Hình 2.13: Quá trình chuyển trạng thái từ O sang N (I > 0). ....................................13
Hình 2.14: Quá trình chuyển trạng thái từ O sang N (I < 0). ....................................14

Hình 3.1: Các bước cho phương pháp SVPWM. ......................................................15
Hình 3.2: Cấu trúc bộ chỉnh lưu 3LT2NPC. ..............................................................16
Hình 3.3: Vectơ điện áp trên mặt phẳng αβ. .............................................................18
Hình 3.4: Sector I và vị trí 𝑚ref trong trong Sector I. ..............................................19
Hình 3.5: Điện áp vXO trong Sub-Sector 1p của Sector I. .........................................22
Hình 3.6: Các bước cho kỹ thuật điều chế GNPWM. ...............................................25
Hình 4.1: Cấu trúc PLL cơ bản. ................................................................................26
Hình 4.2: Cấu trúc của SRF-PLL. .............................................................................27
Hình 4.3: Cấu trúc DSOGI-PLL. ..............................................................................28


xi

Hình 4.4: Cấu trúc SOGI-QSG. ................................................................................30
Hình 4.5: Đáp ứng tần số của khối PSC trong DSOGI. ............................................32
Hình 4.6: Tính tốn thứ tự thuận dựa trên DSOGI-QSG. .........................................32
Hình 4.7: Sơ đồ điều khiển cho bộ chỉnh lưu 3LT2NPC. .........................................33
Hình 4.8: Sơ đồ điều khiển dịng điện của dịng điện id. ...........................................35
Hình 4.9: Sơ đồ điều khiển điện áp. ..........................................................................36
Hình 4.10: Mơ hình điều khiển cân bằng điện áp điểm trung tính. ..........................40
Hình 5.1: Mơ hình mơ phỏng GNPWM. ..................................................................41
Hình 5.2: Kết quả mô phỏng khi điều chế điện áp V_ref = 75 (V). ...........................41
Hình 5.3: Kết quả mơ phỏng khi điều chế điện áp V_ref = 57.74 (V). ......................42
Hình 5.4: Sự ảnh hưởng đến cân bằng điện áp tụ. ....................................................43
Hình 5.5: Mơ hình của DSOGI-PLL trên phần mềm PLECS. ..................................43
Hình 5.6: Điện áp và góc pha của lưới điện. .............................................................44
Hình 5.7: Biên độ và tần số góc của lưới điện. .........................................................45
Hình 5.8: Điện áp và góc pha của lưới điện. .............................................................46
Hình 5.9: Biên độ và tần số góc của lưới điện. .........................................................46
Hình 5.10: Mơ hình điều khiển. ................................................................................47

Hình 5.11: Mơ hình bộ chỉnh lưu 3LT2NPC. ............................................................48
Hình 5.12: Điện áp lưới và góc pha điện áp lưới. .....................................................49
Hình 5.13: Kết quả của điều khiển điện áp. ..............................................................50
Hình 5.14: Kết quả của điều khiển dịng điện. ..........................................................51
Hình 5.15: Điện áp tham chiếu cho converter trên hệ tọa độ dq và tỉ số điều chế. ..52
Hình 5.16: Hệ số cơng suất và THD dịng điện. .......................................................53
Hình 5.17: Hiệu suất và chất lượng dịng điện của bộ chỉnh lưu khi thay đổi tải.....54


xii

Hình 6.1: DSP TMS320F28379D. ............................................................................56
Hình 6.2: Mạch lái.....................................................................................................56
Hình 6.3: Sơ đồ nguyên lý của bộ TIDA-01606. ......................................................57
Hình 6.4: Bộ TIDA-01606 của Texas Instruments ...................................................57
Hình 6.5: Mơ hình thực nghiệm bộ chỉnh lưu 3LT2NPC..........................................58
Hình 6.6: Điện áp, dịng điện và góc pha phía lưới. .................................................59
Hình 6.7: Điện áp phía DC. .......................................................................................59
Hình 6.8: Điện áp và dịng điện phía lưới. ................................................................60
Hình 6.9: THD của dòng điện. ..................................................................................60


xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Trạng thái đóng cắt. ..................................................................................16
Bảng 3.2: Tỉ số đóng cắt của các vectơ trên các Sub-Sector. ...................................20
Bảng 3.3: Trình tự đóng cắt trong Sector I. ..............................................................21
Bảng 3.4: Tỉ số common mode (mcm)........................................................................23
Bảng 3.5: Xác định vị trí của của 𝑚ref trên các Sub-Sector và Sub-Sub Sector. ......24

Bảng 4.1: Dịng điện iNP. ...........................................................................................38
Bảng 5.1: Thơng số mô phỏng bộ chỉnh lưu 3LT2NPC. ...........................................48
Bảng 5.2: Đánh giá hiệu suất hoạt động của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC.......................54


xiii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AC

Alternating Current

DSOGI-PLL Dual Sencond Order Generalized Intergrator PLL
DC

Direct Current

DSP

Digital Signal Processing

GNPWM

General Nearest three space vector Pulse Width Modulation

HVDC

High Voltage Direct Current

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

LF

Loop Filter

MOSFET

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MCU

Microcontroller Unit

PSC

Positive-Sequence Calculator

PD

Phase Detector

PLL

Phase Locked Loop

PWM

Pulse Width Modulation

PF

Power Factor

SVC

Static VAR Compensator

SVPWM

Space Vectơ Pulse Width Modulation

SRF-PLL

Synchronous Rotation Frame PLL

SOGI-QSG Sencond Order Generalized Intergrator - Quadrature Signals Generator
UPS

Uninterruptible Power Supply

VCO

Voltage Controlled Oscillator

3LT2NPC

The Three-Level Three phase T-type Neutral Point Clamped


1

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.
1.1. Lý do chọn đề tài.
Điện tử công suất là một ngành kỹ thuật vốn đã có rất nhiều tiến bộ trong thời
gian gần đây và đã tác động đến cuộc sống con người trong hầu hết mọi lĩnh vực.
- Trong cuộc sống hằng ngày: Nếu chúng ta quan sát xung quanh mình, chúng
ta có thể tìm thấy rất nhiều ứng dụng điện tử công suất như điều khiển tốc độ
quạt, điều chỉnh độ sáng đèn, điều hịa khơng khí, bếp từ, máy tính cá nhân,
máy hút bụi, bộ lưu điện UPS (Uninterruptible Power Supply), bộ sạc pin,...
- Ơ tơ và sức kéo: Tàu điện ngầm, xe điện, hệ thống sạc xe điện. Bản thân một
chiếc xe hiện đại có rất nhiều bộ phận sử dụng điện tử như công tắc đánh lửa,
điều khiển gạt nước kính chắn gió, đèn chiếu sáng phía trước thích ứng, đèn
chiếu sáng nội thất, tay lái trợ lực điện,... Bên cạnh đó, điện tử cơng suất được
sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sức kéo và tàu thủy hiện đại.
- Trong công nghiệp: Hầu hết các động cơ được sử dụng trong các ngành công
nghiệp đều được điều khiển bởi các bộ truyền động công suất. Các nhà máy
cán, nhà máy dệt, nhà máy xi măng, máy nén, máy bơm, quạt, máy thổi, thang
máy, lò quay,... Các ứng dụng khác bao gồm hàn, lò hồ quang, cần cẩu, ứng
dụng gia nhiệt, hệ thống điện khẩn cấp, máy xây dựng, máy xúc,...
- Năng lượng tái tạo: Các hệ thống phát điện như năng lượng mặt trời, gió, hệ
thống lưu trữ,...
- Hệ thống điện: Hệ thống truyền tải điện một chiều điện áp cao HVDC, bù
công suất phản kháng (SVC), bộ ngắt mạch tĩnh, hệ thống kích từ máy phát,
lưới điện thông minh,...

Trong các bộ biến đổi cơng suất thì bộ chỉnh lưu AC/DC giữ vai trị là bộ biến
đổi điện áp xoay chiều sang một chiều để cung cấp cho tải một chiều hoạt động. Ngoài
các loại chỉnh lưu không điều khiển một pha, ba pha thì cịn có các loại chỉnh lưu tích
cực một pha, ba pha,...Những bộ chỉnh lưu này cung cấp nguồn cho các loại tải một
chiều, động cơ một chiều hoạt động. Mỗi loại loại chỉnh lưu đều có những ưu điểm
riêng về kỹ thuật cũng như kinh tế.
Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
HVTH: Đỗ Ngọc Phát


2

Với các yêu cầu tạo ra nguồn một chiều thông thường, khơng cần điều khiển
phức tạp thì các bộ chỉnh lưu thông thường dùng Diode hoặc Thyristor đã đủ để đáp
ứng như cầu và mang lại hiệu quả kinh tế khi giảm được chi phí, bảo trì,… Tuy nhiên,
các bộ chỉnh lưu này lại có những hạn chế:
- Phát ra sóng hài lớn lên lưới, tốn chi phí lọc, khơng thỏa được tiêu chuẩn khi
kết nối lưới.
- Hệ số công suất thấp: hệ số công suất (PF) của bộ chỉnh lưu thấp và khó điều
chỉnh.
- Khi điều khiển động cơ, dòng điện động cơ xuất hiện ripple làm ảnh hưởng
đến hiệu suất khi tăng tổn thất đồng và suy hao lõi cũng như gây ảnh hưởng
tốc độ, chất lượng động cơ.
Hiện nay quy định về chất lượng điện năng càng nghiêm ngặt bởi sự gia tăng
của các một lượng lớn sóng hài, trong các bộ biến đổi điện tử cơng suất thì các bộ
chỉnh lưu dùng Diode và Thyristor khơng cịn phù hợp trong các trường hợp này. Bên
cạnh đó, hệ số công suất cũng phải đảm bảo theo nhu cầu cũng nhu quy định của nơi
cung cấp điện lưới. Các bộ chỉnh lưu không điều khiển dần được bởi các khóa bán

dẫn MOSFET và IGBT trong các trường hợp cụ thể bởi khả năng đóng cắt ở tần số
cao. Và trong công nghệ ngày nay cần sự trao đổi năng lượng nhiều thì bộ chỉnh lưu
tích cực đáp ứng được việc có thể tải cơng suất lên – tức hoạt động như một bộ nghịch
lưu và tiêu thụ công suất như một bộ chỉnh lưu với chất lượng điện năng tốt cho cả
hai chế độ làm việc. Hoặc trong việc điều khiển động cơ thì hãm tái sinh cũng có thể
được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu tích cực. Trong một vài năm gần đây, công nghệ vật
liệu ngày càng tiến bộ làm cho khóa cơng suất như MOSFET, IGBT ngày càng hiệu
quả. Như vậy, bộ chỉnh lưu tích cực là hiệu quả và phù hợp hơn bộ chỉnh lưu không
điều khiển trong các ứng dụng. Bài báo [1] so sánh hiệu suất khi lựa chọn các bộ cấu
hình cho bộ chỉnh lưu ba pha, cho thấy rằng cấu hình bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc
T-NPC mang lại hiệu suất cao. Trong [2] trình bày kết quả thực nghiệm điều khiển
cho bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc T-NPC, luận văn lấy kết quả này là cơ sở để đánh giá
và so sánh cho phần thực nghiệm trong luận văn này.

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
HVTH: Đỗ Ngọc Phát


3

1.2. Mục tiêu đề tài.
- Tìm hiểu và phân tích hoạt động của bộ chỉnh lưu ba pha ba bậc dạng T
(3LT2NPC - The three-level three phase T-type Neutral point clamped).
- Tìm hiểu phương pháp điều chế vectơ khơng gian dạng tổng quát (GNPWMGeneral nearest three space vector pulse width modulation) cho 3LT2NPC.
- Sử dụng thuật toán PLL (Phase Locked Loop) để xác định góc pha điện áp
lưới. Tìm hiểu các giải thuật điều khiển điện áp, dịng điện. Tìm hiểu phương
pháp cân bằng điện áp điểm trung tính.
- Tìm hiểu mô phỏng, thực nghiệm thành công bộ chỉnh lưu 3LT2NPC.

1.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu.
Nội dung thực hiện gồm có 3 phần bao gồm: Phân tích lý thuyết, xây dựng mơ
phỏng và thực nghiệm.
- Phân tích lý thuyết: Dựa vào các tài liệu nghiên cứu trước đây về các bộ chỉnh
lưu tích cực, sử dụng các nguồn tài liệu là các bài báo khoa học trong và
ngoài nước như thư viện IEEE, Science Direct, Elsevier,...
- Mô phỏng: Sử dụng phần mềm PLECS để thực hiện mô phỏng bộ chỉnh lưu
3LT2NPC. Phương pháp điều chế vectơ không gian dạng tổng quát được sử
dụng. Có các giải thuật điều khiển điều khiển điện áp, dòng điện với bộ điều
khiển PI và xác định cụ thể giá trị nhằm đạt được các mục tiêu chính đó chính
là giảm thiểu sóng hài bậc cao, hệ số công suất đơn vị, giá trị điện áp đầu ra
cần điều khiển, cân bằng điện áp điểm trung tính. Sử dụng PLECS để tính
tốn đánh giá hiệu suất và chất lượng điện năng cho bộ chỉnh lưu này.
- Thực nghiệm: Thực hiện kiểm chứng kết quả mô phỏng trên mạch công suất
TIDA-01606-10kW với vi điều khiển (MCU) TMS320F28379D của hãng
Texas Instruments.

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
HVTH: Đỗ Ngọc Phát


4

1.4. Bố cục luận văn.
Nội dung chính của luận văn dự kiến có 7 chương.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài.
Chương 2: Phân tích hoạt động của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC.
Chương 3: Kỹ thuật điều chế vectơ không gian dạng tổng quát cho bộ chỉnh lưu

3LT2NPC.
Chương 4: Giải pháp PLL (Phase Locked Loop), bộ điều khiển điện áp - dịng
điện, cân bằng điện áp điểm trung tính.
Chương 5: Mơ phỏng bộ chỉnh lưu 3LT2NPC bằng phần mềm PLECS.
Chương 6: Thực nghiệm và kết quả thực nghiệm.
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển đề tài.

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
HVTH: Đỗ Ngọc Phát


5

CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ CHỈNH LƯU 3LT2NPC.
2.1. Các phép biến đổi [3].
2.1.1. Biến đổi Clarke.
β
c
120 0

a

α

b

Hình 2.1: Hệ tọa độ abc và αβ và vòng tròn đơn vị.
Mối liên hệ giữa hệ tọa độ abc và αβ được viết như sau:


 j 23 
 j 43 
1
Re
e
Re



e  Va 
 Re v 



  

=C
V

2
4   b 
 Im v 
j
j




0 Im e 3  Im e 3   Vc 







 





 Re v 
1

 =C
 Im v 



0




1
2
3
j
2

−

1 
Va 
2  
 Vb
3 
− j  Vc 
2 

(2.1)

−

(2.2)

2
Trong trường hợp cân bằng về biên độ chọn C = :
3
1
1 

1 −
−  Va 

V  2
2
2  
 Vb
V  = 

3
3
3

 

 
Vc 
0
−

2
2 

Luận Văn Thạc Sĩ

(2.3)

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
HVTH: Đỗ Ngọc Phát


6

Suy ra được phép biến đổi ngược:
1
1 

1 −
−  Va 


V
  2
2
2  
 Vb
V  = 
3
3 
   3 0
−  Vc 

2
2 

Trong trường hợp cân bằng công suất chọn C =

(2.4)

2
.
3

2.1.2. Phép biển đổi Park.
Là phép biến đổi hệ tọa độ abc sang dq hoặc từ αβ sang dq.
β

q

d

c

120 0

a

α

b

Hình 2.2: Hệ tọa độ abc, αβ và dq và vịng trịn đơn vị.

β

q

vαβ

vβ

d

vd
vq

θ

α
vα

Hình 2.3: Phân tích vectơ v

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
HVTH: Đỗ Ngọc Phát


7

Gọi u d , u q , u , u  là các vectơ đơn vị.
Một vectơ ảo trong hệ được viết thành v = v + v  = v u + v u  . Dựa theo hình
2.3 ta có:
u d = u cos  + u  sin 

(2.5)

u q = −u sin  + u  cos 

(2.6)

Từ đó suy ra hai thành phần d và q:

(

)(

)

)(

)

vd = u d v = u cos  + u  sin  . v u + v u 
= v cos  + v sin 

(

vq = u q v = −u sin  + u  cos  . v u + v u 
= −v sin  + v cos 

(2.7)

(2.8)

Ma trận biến đổi αβ sang dq có thể được viết như sau:
Vd   cos 
V  = 
 q   − sin 

sin   V 
 
cos   V 

(2.9)

Phép biến đổi ngược dq sang αβ:
V 
1

V  =
   cos  cos  + sin  sin 

V   cos 
V  = 
    sin 

cos 
 sin 


− sin   Vd 
 
cos   Vq 

− sin   Vd 
 
cos   Vq 

(2.10)

(2.11)

2.2. Phân tích bộ chỉnh lưu 3LT2NPC.
2.2.1. Cấu trúc phần cứng.
Có nhiều cấu hình cho bộ AC/DC như NPC, 3LT2NPC, Vienna, Bridgeless
Boost Converter,…Và để phù hợp việc thực nghiệm với phần cứng có sẵn thì luận

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
HVTH: Đỗ Ngọc Phát


8

văn sử dụng bộ chỉnh lưu 3LT2NPC. Bộ chỉnh lưu này gồm 12 khóa bán dẫn, hai tụ
điện ở đầu ra của bộ chỉnh lưu và một bộ lọc LCL như hình 2.1.
+
TA1

N

vga

Lga

Lca

A

vgb

Lgb

Lcb

B

vgc

Lgc

Lcc

C

Cc

Cb

Rc

Rb

P

VC1

DA1
DA3

TA4

TA3

DA4

O

Ca
Ra

VC2
TA2

DA2

-

N

Hình 2.4: Bộ chỉnh lưu 3LT2NPC với bộ lọc LCL.
Mơ hình tương đương một pha của bộ chỉnh lưu tích cực ba pha được biểu diễn
như hình 2.4. Trong đó, các ảnh hưởng của dịng điện tải, dịng điện qua tụ lọc LCL
rất nhỏ nên đã bỏ qua.
ig

R

L

vc

vg

Hình 2.5: Sơ đồ tương đương một pha của bộ chỉnh lưu tích cực ba pha.
Phân tích những nguyên lý cơ bản, nên phần này dựa vào sơ đồ tương đương
rút gọn trên:
VRL = Vg − Vc

(2.12)

Dễ thấy rằng, giữa lưới và bộ chỉnh lưu sẽ có một điện áp rơi trên R, L. Điện áp
rơi được tính như (2.13).
VRL = I g * ( R + j L )

Luận Văn Thạc Sĩ

(2.13)

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
HVTH: Đỗ Ngọc Phát


9

⃗𝑔 là cố định nên 𝑖𝑔 hồn tồn có thể được điều khiển thơng qua 𝑉
⃗𝑐 . Như
Vì 𝑉
vậy, thơng qua điều khiển điện áp trên RL, dòng nạp vào tụ điện chỉnh lưu hồn tồn
có thể được điều khiển. Hình 2.3 trình bày giản đồ vectơ của bộ chỉnh lưu trong
thường hợp hệ số công suất thay đổi.
q

a)

q
ig

d

Vg



b)
Vg

j Lig

Rig

Vc
ig

d

Vc

j Lig

Rig

Hình 2.6: Mối quan hệ giữa các vectơ a) Khi 0< PF<1 và b) Khi PF=1.
Từ hình 2.5, phương trình điện áp được viết dưới dạng vectơ:
V g = Ri g + L

Vga 
iga 

 
 
Vgb  = R igb  + L
Vgc 
 igc 
 
 

dig
dt

+V C

iga 
 
d igb 
 igc 
 
dt

VCa 
+ VCb 
VCc 

(2.14)

(2.15)

Sử dụng phép biến đổi Clarke đã trình bày ở mục 2.1.1, phương trình (2.15) viết
lại ở hệ trục tọa độ αβ:

ig 
d 
Vg 
ig 
ig   + VC 
=
R
+
L
V 
i 
V 
dt
 C 
 g 
 g 

(2.16)

Từ đây, chuyển (2.16) sang hệ trục tọa độ dq bằng phép biến đổi Park được
công thức (2.17) và (2.18).

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
HVTH: Đỗ Ngọc Phát


10

Vgd = Rid + j Liq + L

did
+ VCd
dt

Vgq = Riq − j Lid + L

diq

(2.17)

+ VCq

dt

(2.18)

Độ sụt áp trên R rất nhỏ so với thành phần cuộn cảm nên có thể bỏ qua để đơn
giản hóa tính tốn. Phương trình (2.17) và (2.18) làm cơ sở tốn học cho điều khiển
bộ chỉnh lưu 3LT2NPC.
2.2.2. Sự chuyển trạng thái của bộ chỉnh lưu 3LT2NPC [4].
Trong thực tế, các khóa cơng suất khi thay đổi trạng thái thì mạch khơng thể
chuyển trạng thái ngay tức thời được mà cần một khoảng thời gian chuyển mạch. Vì
vậy, ta cần phân tích sự chuyển mạch giữa các trạng thái. Trạng thái của khóa cơng
suất: On - Khóa cơng suất ở trạng thái đóng. Off - Khóa cơng suất ở trạng thái ngắt.
▪ Chuyển trạng thái từ P sang O.
Với chiều dòng điện dương (I > 0): Hình 2.7 khi mạch đang ở trạng thái P, khóa
T1 và T4 On, dịng chạy qua diode D1 và đi ra phía DC. Trong thời gian chuyển
mạch, khóa T1 Off, dịng vẫn chạy qua diode D1 và đi ra phía DC. Khi mạch chuyển

sang trạng thái O, khóa T3 và T4 On, dịng chạy qua khóa T3 và diode D4 và đi ra
phía DC.
+
T1

D1
D3

T4

Vdc/2

X I

O

+
T1

D1
D3

O

D2

-

a

N

T2

+
T1

D1
D3

-

b

N

T2

P

Vdc/2

O
D4

T3

Vdc/2

D2

T4

X I

D4

T3

Vdc/2

P

Vdc/2

T4

X I

D4

T3
T2

P

Vdc/2

D2

-

c

N

Hình 2.7: Quá trình chuyển trạng thái từ P sang O (I > 0).
a. Trạng thái P

Luận Văn Thạc Sĩ

b. Chuyển mạch

c. Trạng thái O.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
HVTH: Đỗ Ngọc Phát