Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

DƯƠNG ANH TUẤN

Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu
ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

DƯƠNG ANH TUẤN

Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển cho nghịch lưu
ba mức hình T trong chế độ nối lưới và độc lập

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Vũ Hoàng Phương
2. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

Hà Nội - 2023


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn
đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác
giả khác công bố.

Tập thể hướng dẫn khoa học

PGS.TS. Vũ Hoàng Phương

Hà Nội, ngày tháng năm
Nghiên cứu sinh

PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

Dương Anh Tuấn

i


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS.Vũ Hoàng
Phương và PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn, những người đã tận tình hướng dẫn chun
mơn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS.Trần Trọng Minh đã góp ý về
cơng nghệ thực tiễn, động viên tác giả trong những lúc gặp khó khăn khi tiếp cận

với hệ thống mà mình nghiên cứu.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Giáp Văn Nam, cũng như tất cả
các giảng viên, các cán bộ kỹ thuật thuộc Khoa Tự động hóa – Trường Điện- Điện
tử, Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chun
mơn q báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Đề tài khoa học cấp Nhà nước mã
số KC.05.22/16-20 đã tạo điều kiện hỗ trợ trong quá trình thực hiện mơ hình thực
nghiệm.
Tác giả cũng xin cảm ơn tới Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại Khoa Điện,
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp
thời gian vừa hồn thành nhiệm vụ chun mơn vừa hồn thành luận án của mình.
Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới vợ, hai con cùng tồn thể gia đình,
bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành
tốt luận án này.
Tác giả luận án

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. II
MỤC LỤC.......................................................................................................III
DANH MỤC KÝ HIỆU ................................................................................. VI
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................VIII
DANH MỤC HÌNH ẢNH...........................................................................VIII
DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................XIII
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... XV
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................ 1
1.1. Xu hướng phát triển hiện nay của nghịch lưu nguồn áp. ............................ 1

1.2. Các cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba mức.................................................. 3
1.2.1. Cấu trúc nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC) ........................................... 3
1.2.2. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha ...................................................... 4
1.2.3. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT ....................... 8
1.3. Phương pháp điều chế cho nghịch lưu hình T .......................................... 10
1.4. Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện........................................ 12
1.5. Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án ....................... 13
1.6. Kết luận ..................................................................................................... 14
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHO NGHỊCH LƯU HÌNH
T BA PHA................................................................................................................ 15
2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 15
2.2. Phương pháp điều chế PWM .................................................................... 17
2.2.1. Nguyên lí phương pháp điều chế PWM ............................................ 17
2.2.2. Mô phỏng phương pháp điều chế PWM cho bộ nghịch lưu hình T 3
pha ............................................................................................................... 18
2.3. Phương pháp điều chế SVM ..................................................................... 21
2.3.1. Chuyển hệ tọa độ từ abc sang 0αβ..................................................... 21
2.3.2. Quy chuẩn độ dài các véctơ theo mức điện áp 𝑉𝑑𝑐. ......................... 22
2.3.3. Tính tốn mơ đun và góc pha của véctơ điện áp ra. .......................... 23
2.3.4. Hình thành khơng gian véctơ trên hệ tọa độ 0αβ. ............................. 24
2.3.5. Xác định vị trí của véctơ điện áp ra v trong sector lớn. .................... 25
2.3.6. Xác định vị trí của véctơ điện áp v trong các tam giác con............... 26
iii


2.3.7. Tính tốn hệ số điều chế (thời gian sử dụng các véctơ trong mỗi chu
kì điều chế Ts). ............................................................................................ 27
2.3.8. Cân bằng điện áp trên 2 tụ DC. ......................................................... 29
2.3.9. Tính tốn hệ số điều chế thực hiện nhánh van mạch nghịch lưu trong
mỗi chu kì điều chế Ts. ............................................................................... 30

2.4. Các phương pháp điều chế cấp xung cho van. ......................................... 30
2.4.1. Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn ................................................ 30
2.4.2. Phương pháp điều chế SVM 6- Đoạn. .............................................. 34
2.4.3. Mô phỏng hai phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn và SVM 6-Đoạn
..................................................................................................................... 38
2.5. Phương pháp điều chế FSVM đề xuất áp dụng cho nghịch lưu ba pha hình
T ....................................................................................................................... 42
2.6. Mô phỏng phương pháp FSVM ........................................................... 51
2.7. Kết luận ..................................................................................................... 54
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO NGHỊCH LƯU HÌNH T
BA PHA ................................................................................................................... 55
3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 55
3.2. Mô hình tốn học của nghịch lưu hình T ba pha ...................................... 55
3.3. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI .......................................... 56
3.3.1. Cấu trúc điều khiển............................................................................ 56
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện .. ................................................... 57
3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển điện áp .......................................................... 59
3.4. Mô phỏng cấu trúc điều khiển nối lưới sử dụng bộ điều khiển PI ........... 59
3.4.1. Tính chọn tham số mạch lực nghịch lưu hình T ba pha .................... 59
3.4.2. Mơ phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink ...................... 60
3.5. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu.......................... 66
3.5.1. Cấu trúc điều khiển ............................................................................ 66
3.5.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ..................................................... 67
3.5.3. Thiết kế bộ điều khiển điện áp ........................................................... 71
3.6. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trong chế độ nối lưới. ............ 72
3.7. Kết luận………………………………………………………………… 78
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU HÌNH T BA PHA TRONG
CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP................................................................................................ 79

iv

4.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 79
4.2. Mơ hình tốn học của nghịch lưu hình T ba pha ...................................... 79
4.3. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI ......................................... 80
4.4. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ............................................................ 82
4.5. Thiết kế bộ điều khiển điện áp .................................................................. 82
4.6. Mô phỏng bộ điều khiển PI trên phần mềm Matlab/Simulink ................. 83
4.7. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu mới .................. 89
4.7.1. Cấu trúc điều khiển............................................................................ 89
4.7.2. Thiết kế bộ điều khiển điện áp và dòng điện..................................... 90
4.8. Mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu mới trên phần mềm
Matlab/Simulink .............................................................................................. 92
4.9. Kết luận………………………………………………………………… 98
CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU HÌNH T BA
PHA .......................................................................................................................... 99
5.1. Đặt vấn đề………………………………………………………………. 99
5.2. Điều kiện thực nghiệm .............................................................................. 99
5.3. Kết quả thực nghiệm ............................................................................... 101
5.4. Kết luận ................................................................................................... 113
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 114
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 116
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 123
Phụ lục 1. Hệ thống thực nghiệm nghịch lưu hình T ba pha ......................... 123
Phụ lục 2. Mô phỏng bằng Matlab/Simulink ................................................. 130
Phụ lục 3. Thiết kế mạch vịng khóa pha PLL……………………………...130

v

DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Đơn
vị

Ý nghĩa

(V)
(V)

Số mức điện áp có thể tạo ra ở nghịch lưu
Điện áp một chiều nguồn đầu vào nghịch lưu
Điện áp common - mode
Điện áp common – mode chuẩn hóa theo Vdc

𝑈 ,𝑈 ,𝑈
𝑈
𝐼
𝑉 ,𝑉 ,𝑉
𝐶
𝐶
𝐿 ,𝐿

(V)
(V)
A
A
F

F
H

Điện áp pha A, B, C so với trung tính nguồn
Điện áp giữa điểm trung tính nguồn và lưới điện
Dịng điện rò trong hệ thống
Điện áp trên các pha
Tụ ký sinh nối đất của nguồn DC
Tụ nối đất ký sinh của điểm trung tính lưới điện
Cuộn cảm trong bộ lọc LCL

𝐶

F
(V)
(V)
A

Tụ trong bộ lọc LCL
Điện áp trên tụ nối đất ký sinh của nguồn DC
Điện áp trên các tụ lọc của pha A, B, C
Dòng điện của pha A, B, C
Tọa độ của vector điện áp đặt trên hệ trục 

m

𝑉
𝑉
CMV

𝑉
𝑉 ,𝑉 ,𝑉
𝐼 ,𝐼 , 𝐼
v , v 

𝐼
id, iq

(V)
A
A

Dòng điện qua tải
Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ dq

vi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT
DC
AC
THD

Từ viết tắt
Direct Current
Alternative Current
Total Harmonic Distortion

Ý nghĩa

Điện một chiều
Điện xoay chiều
Tổng độ méo sóng hài

PV

Photovoltaics

Quang điện

NPC
FC

Diode Clamped Multilevel
Inverter
Flying Capacitor Multilevel
Inverter

Nghịch lưu dạng điốt kẹp
Nghịch lưu dạng tụ bay

CHB

Cascaded H-Bridge

Nghịch lưu cầu H nối tầng

PFC

Power Factor Correction

Bộ điều chỉnh hệ số công suất

OBC

On-Board Charger

Bộ sạc xe điện

V2G

Vehicle to Grid

Xe nối lưới

PWM
SVM
CMV

Pulse Width Modulation
Space Vector Modulation
Common-mode Voltage
Flexibility in Space Vector
Modulation
Sliding Mode Control
Proportional-Integral
Fixed-time sliding mode
control
State Observer
Disturbance observer

Linear matrix inequality
Overshoot
Insulated Gate Bipolar
Transistors
Reverse Blocking IGBT
Digital Signal Processing

Điều chế độ rộng xung
Điều chế véctơ không gian
Điện áp common mode

FSVM
SMC
PI
FTSMC
SOB
DOB
LMI
OVS
IGBT
RB-IGBT
DSP

Điều chế véctơ khơng gian linh hoạt
Điều khiển trượt
Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ
Điều khiển trượt thời gian cố định
Bộ quan sát trạng thái
Bộ quan sát nhiễu
Bất đẳng thức ma trận tuyến tính

Độ q điều chỉnh
Transistor có cực điều khiển cách ly
IGBT chặn đảo ngược
Xử lý tín hiệu số

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Các ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp...................................................... 1
Hình 1.2. Cấu hình bộ biến đổi cơng suất cho hệ thống nguồn phân tán .................. 2
Hình 1.3. Hệ thống On-board Charger (OBC) sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp ..... 2
Hình 1.4. Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức .......................................... 3
Hình 1.5. Cấu trúc bộ nghịch lưu ba mức NPC ......................................................... 4
Hình 1.6. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha ............................................................ 5
Hình 1.7. Chuyển mạch AC sử dụng van IGBT+điốt(a) và RB-IGBT(b) .................. 5
Hình 1.8. Cấu trúc bán dẫn của van IGBT thơng thường(a) và RB-IGBT(b)............ 6
Hình 1.9. Sụt áp khi dẫn của RB-IGBT và IGBT thơng thường ................................. 6
Hình 1.10. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha sử dụng RB-IGBT ............................ 8
Hình 1.11. Trạng thái đóng cắt của nghịch lưu hình T .............................................. 9
Hình 1.12. Dạng điện áp dây đầu ra của nghịch lưu hình T ba pha.......................... 9
Hình 1.13. Các phương pháp điều chế cho nghịch lưu ba mức ............................... 11
Hình 2.1. Mơ hình rút gọn của bộ nghịch lưu hình T ba pha (trái) và mạch commonmode tuơng đương(phải) .......................................................................................... 15
Hình 2.2. Điện áp NP dựa theo trạng thái đóng cắt của véctơ nhỏ loại P và véctơ
nhỏ loại N ................................................................................................................. 16
Hình 2.3. Phương pháp điều chế sin PWM .............................................................. 17
Hình 2.4. Phương pháp dịch mức sóng mang cùng pha .......................................... 17
Hình 2.5. Phương pháp dịch pha sóng mang ........................................................... 18
Hình 2.6. Nguyên lý phát xung cấu trúc hình T ba pha ........................................... 18
Hình 2.7. Trạng thái các van dẫn ............................................................................. 19

Hình 2.8. Dịng điện đầu ra sau lọc của phương pháp PWM .................................. 20
Hình 2.9. THD dịng điện đầu ra sau lọc của phương pháp PWM .......................... 20
Hình 2.10. Điện áp CMV của phương pháp PWM................................................... 20
Hình 2.11. Đồ thị dòng rò của phương pháp PWM ................................................. 21
Hình 2.12. Đồ thị điện áp trên 2 tụ DC của phương pháp PWM ............................. 21
Hình 2.13. Đồ thị véctơ khơng gian xây dựng từ Bảng 2.3 ...................................... 25
Hình 2.14. Ba hệ tọa độ khơng vng góc tạo nên các góc phần sáu ..................... 25
Hình 2.15. Q trình tính tốn 𝑚 , 𝑚 .................................................................... 28
Hình 2.16. Tổng hợp véctơ điện áp ra từ 3 véctơ đỉnh của tam giác con ................ 28
Hình 2.17 Thuật tốn cân bằng điện áp trên tụ ....................................................... 30
Hình 2.18. Thuật tốn cân bằng điện áp tụ bằng SVM ............................................ 31
Hình 2.19. Phương pháp điều chế SVM 8-Đoạn ứng với tam giác 2, sector I, m=131
Hình 2.20. Mẫu xung cấp cho van ............................................................................ 33
Hình 2.21. Phương pháp điều chế SVM 6- Đoạn ứng với tam giác 2, Sector I ....... 35
Hình 2.22. Mẫu xung cấp cho van ............................................................................ 37
viii


Hình 2.23. Đồ thị và THD dịng điện đầu ra sau lọc ............................................... 39
Hình 2.24. Đồ thị điện áp common-mode................................................................. 40
Hình 2.25. Đồ thị dịng rị ........................................................................................ 40
Hình 2.26. Đồ thị điện áp trên 2 tụ DC .................................................................... 41
Hình 2.27. Trạng thái trong khơng gian véctơ và trình tự chuyển mạch của (a)
ZSVM, (b) PSVM và (c) NSVM................................................................................. 43
Hình 2.28. Mẫu xung chuyển mạch cho từng Section trong chế độ ZSVM .............. 47
Hình 2.29. Mẫu xung chuyển mạch cho từng Section trong chế độ PSVM.............. 48
Hình 2.30. Mẫu xung chuyển mạch cho từng Section trong chế độ NSVM ............. 49
Hình 2.31. Thuật tốn điều chế cân bằng tụ ............................................................ 50
Hình 2.32. Đồ thị và THD của dòng điện đi lên lưới sau lọc (THD = 2.85%) ........ 52
Hình 2.33. Đồ thị điện áp trên 2 tụ điện DC ( △Cmax = 6V) .................................. 52

Hình 2.34. Đồ thị điện áp common-mode................................................................. 52
Hình 2.35. Đồ thị dịng rị ........................................................................................ 53
Hình 2.36. Dịng điện đầu ra sau lọc của (a) FSVM, THD=2.85%;(b) SVM 6Đoạn, THD=3.18%;(c) SVM 8- Đoạn, THD = 1,99% ............................................ 53
Hình 2.37. Điện áp trên tụ của (a) FSVM △Cmax=6V, (b) SVM 6-Đoạn
△Cmax=9V, (c)SVM 8-Đoạn △Cmax=18V ............................................................ 53
Hình 2.38. Điện áp CMV của (a) FSVM; (b) SVM 6-Đoạn; c) SVM 8-Đoạn.......... 53
Hình 2.39. Dịng điện rị của (a) FSVM RMS=30mA, (b) SVM 6-Đoạn
RMS=191mA, (c) SVM 8- Đoạn RMS=188mA ........................................................ 53
Hình 3.1. Cấu trúc nghịch lưu ba pha hình T nối lưới ............................................. 55
Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu ba pha hình T chế độ nối lưới khi sử
dụng bộ điều khiển PI ............................................................................................... 58
Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện trên hệ toạ độ quay dq khi sử
dụng bộ điều khiển PI ............................................................................................... 59
Hình 3.4. Cấu trúc mạch vịng dịng điện kênh d .................................................... 59
Hình 3.5. Cấu trúc bộ điều khiển điện áp................................................................. 60
Hình 3.6. Dịng điện đầu ra bộ biến đổi ................................................................... 61
Hình 3.7. Dịng điện đi lên lưới ................................................................................ 61
Hình 3.8. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều .............................................................. 61
Hình 3.9. Giá trị THD của dịng đi lên lưới ............................................................. 61
Hình 3.10. Điện áp lưới ............................................................................................ 62
Hình 3.11. Dịng điện đi lên lưới .............................................................................. 62
Hình 3.12. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 62
Hình 3.13. Điện áp lưới ............................................................................................ 62
Hình 3.14. Dịng điện đi lên lưới .............................................................................. 63
Hình 3.15. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 63
Hình 3.16. Điện áp lưới ............................................................................................ 63
ix


Hình 3.17. Dịng đi lên lưới ...................................................................................... 63

Hình 3.18. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 64
Hình 3.19. Điện áp lưới ............................................................................................ 64
Hình 3.20. Dịng điện đi lên lưới .............................................................................. 64
Hình 3.21. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 65
Hình 3.22. Điện áp lưới ............................................................................................ 65
Hình 3.23. Dịng đi lên lưới ...................................................................................... 65
Hình 3.24. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 65
Hình 3.25. Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu ba pha hình T chế độ nối lưới khi
sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu .......................................................................... 66
Hình 3.26. Vùng LMI theo chiều dọc ....................................................................... 68
Hình 3.27. Dịng điện đầu ra bộ biến đổi ................................................................. 72
Hình 3.28. Dịng điện đi lên lưới .............................................................................. 72
Hình 3.29. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 72
Hình 3.30. Giá trị THD của dòng đi lên lưới ........................................................... 72
Hình 3.31. Điện áp lưới ............................................................................................ 73
Hình 3.32. Dịng điện đi lên lưới .............................................................................. 73
Hình 3.33. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 73
Hình 3.34. Điện áp lưới ............................................................................................ 74
Hình 3.35. Dịng điện đi lên lưới .............................................................................. 74
Hình 3.36. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 74
Hình 3.37. Điện áp lưới ............................................................................................ 75
Hình 3.38. Dịng điện đi lên lưới .............................................................................. 75
Hình 3.39. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 75
Hình 3.40. Điện áp lưới ............................................................................................ 76
Hình 3.41. Dịng điện đi lên lưới .............................................................................. 76
Hình 3.42. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 76
Hình 3.43. Điện áp lưới ............................................................................................ 77
Hình 3.44. Dịng điện đi lên lưới .............................................................................. 77
Hình 3.45. Điện áp trên 2 tụ điện một chiều ............................................................ 77
Hình 4.1. Cấu trúc nghịch lưu hình T chế độ độc lập .............................................. 79

Hình 4.2. Cấu trúc điều khiển mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha hình T chế độ độc
lập khi sử dụng bộ điều khiển PI .............................................................................. 80
Hình 4.3. Cấu trúc điều khiển dịng điện trên hệ toạ độ quay d-q ........................... 82
Hình 4.4. Cấu trúc mạch vòng dòng điện kênh d ..................................................... 81
Hình 4.5. Cấu trúc mạch vịng điện áp kênh d ......................................................... 81
Hình 4.6. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và
độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 84
Hình 4.7. Giá trị THD của điện áp tải ..................................................................... 84
x


Hình 4.8. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và
độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 85
Hình 4.9. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và
độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 86
Hình 4.10. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và
độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 87
Hình 4.11. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và
độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 88
Hình 4.12. Giá trị THD của điện áp tải ................................................................... 88
Hình 4.13. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu hình T chế độ độc lập .......................... 89
Hình 4.14. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và
độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 93
Hình 4.15. Giá trị THD của điện áp trên tải ............................................................ 93
Hình 4.16. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và
độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 94
Hình 4.17. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và
độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 95
Hình 4.18. Giá trị THD của điện áp tải ................................................................... 95
Hình 4.19. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và

độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 96
Hình 4.20. Giá trị THD của điện áp tải ................................................................... 96
Hình 4.21. Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu, điện áp pha (a), dòng điện trên tải (b) và
độ lệch điện áp trên tụ DC (c) .................................................................................. 97
Hình 4.22. Giá trị THD của điện áp tải ................................................................... 97
Hình 5.1. Cấu trúc hệ thống nghịch lưu hình T ba pha ........................................... 99
Hình 5.2. Board driver, van và bộ lọc ...................................................................... 99
Hình 5.3. Board mạch đo + mạch điều khiển ........................................................ 100
Hình 5.4. Hệ thống thực nghiệm ............................................................................ 100
Hình phụ 1. Module van IGBT 12MBI100VN-120-50 ........................................... 123
Hình phụ 2. Cấu tạo Module van IGBT 12MBI100VN-120-50 ............................. 123
Hình phụ 3. Kết quả mô phỏng với giá trị tụ đã chọn ............................................ 124
Hình phụ 4. Mơ phỏng cơng suất tổn thất qua van ................................................ 124
Hình phụ 5. Nguyên lý mạch driver sử dụng HCPL316J ....................................... 125
Hình phụ 6. Thiết kế mạch nguồn cho driver bộ DC/AC 3 pha ............................. 127
Hình phụ 7. PCB Broad mạch driver ,van và mạch lọc ......................................... 127
Hình phụ 8. PCB Broad mạch đo+ mạch điều khiển ............................................. 128
Hình phụ 9. PCB mạch nguồn ................................................................................ 129
Hình phụ 10. Cấu trúc mơ phỏng bộ nghịch lưu hình T trong chế độ nối lưới...... 130

xi


Hình phụ 11. Sơ đồ mơ phỏng khối các mạch vịng điều khiển ............................. 130
Hình phụ 12. Sơ đồ mơ phỏng trong khối “mạch lực” .......................................... 131

xii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Bảng so sánh tổn thất của các cấu trúc nghịch lưu ................................... 7
Bảng 1.2. Trạng thái đóng cắt van của pha A ............................................................ 8
Bảng 1.3. Bảng so sánh đặc tính của các cấu trúc nghịch lưu ................................ 10
Bảng 2.1. Thông số mô phỏng phương pháp PWM ................................................. 19
Bảng 2.2. Véctơ điện áp ra ....................................................................................... 22
Bảng 2.3. Bảng tính tốn mơ đun và góc pha của véctơ điện áp ra ........................ 23
Bảng 2.4. Bảng xác định vị trí các góc phần sáu ..................................................... 26
Bảng 2.5. Bảng xác định tam giác con trong các góc phần sáu .............................. 27
Bảng 2.6. Xác định trạng thái van 𝑉1 → 𝑉6 theo yêu cầu nạp xả tụ ...................... 29
Bảng 2.7. Bảng chuyển trạng thái của 3 véc tơ 𝑉1, 𝑉7, 𝑉8 .................................... 31
Bảng 2.8. Bảng thứ tự đóng cắt các véctơ trong Sector I ........................................ 32
Bảng 2.9. Bảng tính tốn hệ số điều chế cấp cho các van ....................................... 34
Bảng 2.10. Thứ tự đóng cắt các véctơ trong Sector I ............................................... 36
Bảng 2.11 Tính tốn hệ số điều chế cấp cho các van .............................................. 38
Bảng 2.12. Thông số mô phỏng ................................................................................ 38
Bảng 2.13. Các mức điện áp common-mode trong bộ 3 pha hình T ........................ 43
Bảng 2.14. Véctơ biên chuẩn trong từng Section của chế độ ZSVM ....................... 44
Bảng 2.15. Véctơ biên chuẩn trong từng Section của chế độ PSVM ....................... 44
Bảng 2.16. Véctơ biên chuẩn trong từng Section của chế độ NSVM ....................... 45
Bảng 2.17. Ma trận 3x3 trong từng Section của các chế độ điều chế ...................... 46
Bảng 2.18. Hệ số điều chế cho các nhánh van cho chế độ ZSVM ........................... 47
Bảng 2.19. Bảng trị chân lý của cổng logic XOR .................................................... 48
Bảng 2.20. Hệ số điều chế cho các nhánh van cho chế độ PSVM ........................... 49
Bảng 2.21. Bảng trị chân lý của cổng logic XNOR .................................................. 49
Bảng 2.22. Hệ số điều chế cho các nhánh van cho chế độ NSVM ........................... 50
Bảng 2.23. Tham số mơ phỏng phương pháp FSVM bộ 3 pha hình T ..................... 51
Bảng 2.24. Tổng hợp kết quả so sánh ...................................................................... 54
Bảng 3.1. Thơng số thiết kế nghịch lưu hình T ......................................................... 59
Bảng 3.2. Thông số mô phỏng bộ điều khiển PI....................................................... 60
Bảng 3.3. Thông số mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu ....................................... 74

Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu và PI ............................... 78

Bảng 4.1. Thông số mô phỏng bộ điều khiển PI....................................................... 83
Bảng 4.2. Thông số mô phỏng bộ điều khiển kháng nhiễu ....................................... 92
Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển đề xuất áp dụng và bộ điều khiển PI ... 98
xiii


Bảng 5.1. Thông số hệ thống .................................................................................. 101
Bảng phụ 1. Thơng số van IGBT 12MBI100VN-120-50 ........................................ 123
Bảng phụ 2 Tính toán tổn thất qua van .................................................................. 124
Bảng phụ 3. Các thông số giới hạn của IC driver HCPL316J .............................. 125
Bảng phụ 4. Điều kiện hoạt động ........................................................................... 125
Bảng phụ 5. Thông số của IC HCPL316J .............................................................. 125
Bảng phụ 6. Thông số nguồn cần thiết ................................................................... 126
Bảng phụ 7. Thông số nguồn TEC 2-2415WI ........................................................ 126

xiv


MỞ ĐẦU
`1.Tính cấp thiết của đề tài
Khi có các nguồn điện phân tán tham gia vào hệ thống thì mức độ phức tạp
của hệ thống năng lượng ngày càng tăng lên. Vì thế cần thiết có những bộ biến đổi
điện tử công suất đáp ứng được khả năng kết nối, trao đổi công suất và ổn định hệ
thống năng lượng [1] - [5]. Yêu cầu của bộ biến đổi là phải điều khiển được dịng
cơng suất giữa các thành phần của lưới để phát huy hết công suất của các nguồn
phát trong khi phải tránh được các xung động đột ngột do mất tải hay do chính các
nguồn phát biến động [6]. Ngoài vấn đề về cấu trúc bộ biến đổi thì mạch vịng dịng
điện với khả năng điều chỉnh chính xác, ổn định bền vững là yếu tố tiên quyết cho

quá trình trao đổi năng lượng diễn ra theo như mong muốn [7] - [10].
Nghịch lưu ba mức chính là một giải pháp cho những ứng dụng đòi hỏi công
suất lớn và điện áp cao trong lĩnh vực hạ thế [11] - [18]. Bộ nghịch lưu ba mức
dùng điốt kẹp (NPC) [19], [20] và gần đây là nghịch lưu hình T đã cho thấy những
ưu điểm vượt trội so với nghịch lưu hai mức truyền thống. Với nghịch lưu ba mức,
các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở mức điện áp và tần số thấp trong khi vẫn đảm
bảo tần số và điện áp ra của quá trình điều chế cao, giảm đáng kể tổn thất trong quá
trình đóng cắt van, làm cho dạng sóng đầu ra có độ méo sóng hài (THD) thấp hơn,
tốc độ biến thiên điện áp du/dt thấp hơn, đó là những yếu tố rất quan trọng ở dải
công suất lớn, điện áp cao. Trong các bộ nghịch lưu ba mức thì bộ nghịch lưu hình
T có những ưu thế hơn như: tiết kiệm đáng kể số lượng van bán dẫn công suất mà
vẫn tạo ra được mức điện áp như yêu cầu, đảm bảo chất lượng dạng sóng điện áp và
u cầu cơng suất lớn, trao đổi được dịng cơng suất theo hai chiều, chỉ sử dụng một
nguồn DC [21] - [25].
Có hai vấn đề mà nghịch lưu ba pha hình T cần phải giải quyết là cân bằng
điện áp trên các tụ DC và giảm điện áp common-mode (điện áp common-mode đã
được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEC 60950 và TCVN 7326-2003). Việc mất cân
bằng điện áp trên các tụ DC sẽ gây hiện tượng quá áp trên các van công suất và làm
giảm chất lượng sóng hài của điện áp đầu ra. Điện áp common-mode gây nên dòng
rò làm giảm tuổi thọ về cách điện, gây nhiễu điện từ và giảm độ an tồn điện [26].
Đã có một số phương pháp nghiên cứu như [27] - [39] được giới thiệu. Tuy nhiên,
tác giả nhận thấy là chưa có phương pháp nào vừa có thể giảm điện áp commonmode lại vừa cân bằng được điện áp trên các tụ DC cho riêng cấu trúc nghịch lưu
hình T ba pha. Vậy việc đưa ra một phương pháp điều chế có thể vừa giảm điện áp
common-mode, vừa cân bằng được điện áp trên các tụ DC là hướng nghiên cứu của
đề tài nhằm nâng cao độ tin cậy trong việc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T.
Cùng với phương pháp điều chế phát xung cho bộ biến đổi thì chất lượng điện
áp, dịng diện do mạch vịng điều khiển quyết định. Chính mạch vịng điều khiển sẽ
cung cấp lượng đặt thích hợp cho khâu điều chế. Để thiết kế hệ thống điều khiển
nghịch lưu ba pha hình T, luận án đã mơ hình hố đối tượng và trên cơ sở đó thiết
lập các mạch vòng điều khiển phù hợp với đối tượng [40]. Cấu trúc mạch vòng điều

xv


khiển cho nghịch lưu hình T gồm có: mạch vịng trong là mạch vịng dịng điện,
mạch vịng ngồi là mạch vịng điện áp một chiều. Thơng thường, các mạch vịng
điều khiển có thể sử dụng bộ điều khiển PI. Bộ điều khiển này có ưu điểm là thiết
kế đơn giản và đáp ứng nhanh khi hệ thống là tuyến tính. Tuy nhiên, do bản thân
mơ hình điều khiển là phi tuyến hoặc khi hệ thống mất ổn định như điện áp pha mất
cân bằng hay tải thay đổi đột ngột thì dẫn đến đáp ứng động học và chất lượng bộ
điều khiển sẽ bị suy giảm. Trong mạch vòng điều khiển thì mạch vịng dịng điện
đóng vai trị quan trọng, nó phải đảm bảo các vấn đề như: đảm bảo khả năng tác
động nhanh; đảm bảo hệ thống không bị quá tải…Do vậy, việc nâng cao chất lượng
mạch vòng dòng điện bằng các phương pháp điều khiển cải tiến thì mới có khả
năng đảm bảo được đáp ứng động học và chất lượng bộ điều khiển khi hệ thống là
phi tuyến hoặc mất ổn định.
2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu:
Bộ biến đổi hình T ba pha ứng dụng trong chế độ nối lưới và độc lập
Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau:
- Phương pháp điều chế cải tiến và thuật toán chuyển mạch cho nghịch lưu
hình T ba pha để cân bằng điện áp trên các tụ DC và giảm điện áp common-mode.
- Phương pháp điều khiển dòng điện cải tiến nhằm nâng cao chất lượng điều
khiển của mạch vòng dòng điện.
3. Mục đích nghiên cứu:
- Đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến nhằm có thể vừa cân bằng
được điện áp trên các tụ DC , vừa giảm điện áp common-mode.
- Nghiên cứu khả năng áp dụng một số phương pháp điều khiển như điều
khiển PI, điều khiển trượt…cho mạch vòng điều khiển của bộ biến đổi.
- Kiểm chứng các phương pháp điều chế, thuật toán chuyển mạch và phương
pháp điều khiển thông qua những minh chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm.
4. Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều chế và thuật toán chuyển
mạch, các phương pháp điều khiển đảm bảo các yêu cầu đã đặt ra cho bộ biến đổi.
- Mô phỏng các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển mạch
trên Matlab/Simulink.
- Kiểm chứng các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển
mạch trên các hệ thống thực nghiệm.
5. Ý nghĩa của đề tài:
Đề cập tới một đối tượng nghiên cứu đang ứng dụng trong những lĩnh vực
đóng vai trị quan trọng trong việc phát triển của nền kinh tế, luận án đem lại nhiều
ý nghĩa cả về khoa học lẫn thực tiễn.
Ý nghĩa khoa học: Kết quả của nghiên cứu này giúp đưa ra phương pháp điều
chế SVM cải tiến cho nghịch lưu ba pha hình T để có thể đồng thời cân bằng điện
áp trên các tụ DC và giảm điện áp common-mode, có xét đến các trường hợp hệ
thống mất ổn định ở điện áp, tần số lưới hoặc tham số của phụ tải... Tiếp đó, luận án
xvi


đã đề xuất áp dụng bộ điều khiển trượt kháng nhiễu FTSMC kết hợp với khâu quan
sát nhiễu DOB để nâng cao tốc độ đáp ứng và chất lượng điều khiển khi có nhiễu,
phụ tải hoặc lưới mất cân bằng.
Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng bằng mơ hình
thực nghiệm chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn. Luận án đã có những đóng góp
giúp cho việc ứng dụng của nghịch lưu ba pha hình T trong thực tế trở nên đơn
giản, an tồn và đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về chất lượng.
6. Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án:
- Xây dựng thành công phương pháp điều chế SVM cải tiến cho nghịch lưu hình
T ba pha có thể cân bằng điện áp trên các tụ DC và đồng thời giảm điện áp
common-mode.
- Đề xuất áp dụng bộ điều khiển trượt kháng nhiễu FTSMC để giải quyết được
vấn đề như đáp ứng chậm, giảm chất lượng điều khiển khi có nhiễu, phụ tải hoặc

điện áp lưới khơng cân bằng.
7. Bố cục của luận án
Toàn bộ quyển luận án được chia thành 5 chương nội dung và phần kết luận,
các nội dung cơ bản như sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về cấu trúc và ứng dụng của nghịch lưu nguồn
áp hai mức, nghịch lưu NPC ba mức và nghịch lưu ba pha hình T. Qua phân tích,
đánh giá các cơng trình nghiên cứu đã được cơng bố, luận án chỉ ra các vấn đề chưa
được giải quyết triệt để. Từ đó luận án tập trung nghiên cứu và đưa ra đề xuất áp
dụng phương hướng thực hiện các mục tiêu nghiên cứu của luận án.
Chương 2 trình bày các phương pháp điều chế PWM, SVM 6-Đoạn (6 lần
chuyển trạng thái trong 1 chu kỳ chuyển mạch), SVM 8-Đoạn (8 lần chuyển trạng
thái trong 1 chu kỳ chuyển mạch) dùng để điều khiển bộ nghịch lưu hình T ba pha.
Tiếp theo, luận án đề xuất áp dụng phương pháp điều chế cải tiến để đồng thời cân
bằng được điện áp trên các tụ DC và giảm điện áp common-mode (CMV). Thuật
tốn này sẽ được kiểm chứng thơng qua mơ phỏng Matlab/Simulink và hệ thống
thực nghiệm.
Chương 3 trình bày về bộ điều khiển trượt kháng nhiễu FTSMC kết hợp với
khâu quan sát nhiễu DOB trong cấu trúc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T nối
lưới để tăng tốc độ đáp ứng, nâng cao chất lượng điều khiển khi có nhiễu hoặc lưới
khơng cân bằng.
Chương 4 trình bày về bộ điều khiển trượt kháng nhiễu FTSMC kết hợp với
khâu quan sát nhiễu DOB trong cấu trúc điều khiển nghịch lưu ba pha hình T chế độ
độc lập để tăng tốc độ đáp ứng, nâng cao chất lượng điều khiển khi tải khơng cân
bằng hoặc tải phi tuyến.
Chương 5 trình bày các quy trình thực nghiệm và các kết quả thu được. Từ kết
quả này sẽ kiểm nghiệm được tính đúng đắn lý thuyết của thuật toán đề xuất áp
dụng.

xvii

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Xu hướng phát triển hiện nay của nghịch lưu nguồn áp.
Trong các ứng dụng về công suất, nghịch lưu nguồn áp đang chiếm lĩnh vị trí rất
quan trọng. Điện áp ra của bộ nghịch lưu được chia thành các mức xếp tầng, số lượng
mức càng tăng thì càng gần hình sin [6].

Hình 1.1. Các ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp
Hình 1.1 thể hiện các ứng dụng rộng rãi của nghịch lưu nguồn áp hiện nay, ví dụ
như trong hệ thống nguồn năng lượng phân tán, hệ thống sạc cho xe điện, hệ thống
truyền động động cơ, các bộ tích trữ năng lượng... Trong đó, ứng dụng của nghịch lưu
nguồn áp trong hệ thống năng lượng phân tán và hệ thống sạc cho xe điện đang được
tập trung phát triển mạnh mẽ. Lợi ích của các bộ biến đổi điện tử công suất này bao
gồm tăng hiệu suất, chi phí thấp hơn và giảm kích thước hệ thống [11], [13], [15].
Để có tác dụng nối lưới hay cấp cho phụ tải xoay chiều, các nguồn phân tán phải
được chuyển đổi sang AC. Do đó, nghịch lưu nguồn áp được sử dụng để chuyển đổi
nguồn DC sang nguồn AC. Các bộ nghịch lưu phải đảm bảo điều khiển được dịng
cơng suất theo 2 chiều, đồng thời cũng chứa các chức năng bảo vệ giám sát việc kết
nối lưới điện với nguồn phân tán và có thể cách ly nếu xảy ra sự cố. Hệ thống nguồn
phân tán có thể được cấu trúc thành một số cấu hình hoạt động. Mỗi cấu hình có các
bộ biến đổi điện tử công suất cơ bản kết nối hệ thống với lưới điện chung như trong
Hình 1.2 [41], [42].
Xe điện hiện đang là xu thế phát triển trong ngành công nghiệp ô tô và rất có thể
sẽ thay thế xe xăng trong một vài năm tới. Do vậy, việc nghiên cứu các cấu trúc để
thiết kế các bộ sạc cho xe điện đã và đang được triển khai rất mạnh mẽ trong các trung
tâm nghiên cứu, các phịng thí nghiệm về điện tử cơng suất. Có nhiều hệ thống sạc
trong đó phổ biến nhất là hệ thống On-board Charger (OBC) như trong Hình 1.3 với
các ưu điểm như: thời gian sạc nhanh, nguồn điện AC phổ biến, khả năng tản nhiệt tốt,
an tồn, nhẹ và nhỏ vì bộ sạc nằm trên xe [43].
1

Hình 1.2. Cấu hình bộ biến đổi cơng suất cho hệ thống nguồn phân tán
Trong hệ thống này có bộ PFC (Power Factor Correction). Bộ này thường sử
dụng cấu trúc nghịch lưu ba pha ba dây như một cầu chỉnh lưu điện áp lưới để tích trữ
năng lượng lên tụ một chiều (DC-link), từ đó phát cơng suất cho các mạch DC/DC ở
đằng sau để biến đổi về các mức điện áp mong muốn trước khi sạc cho các thiết bị tích
trữ năng lượng (pin, ắc quy…). Hay cũng có thể đóng vai trị là bộ nghịch lưu, truyền
cơng suất theo hướng ngược lại từ phía DC về lưới (V2G) [43].

Hình 1.3. Hệ thống On-board Charger (OBC) sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp
Từ các phân tích ở trên, luận án đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu là nghịch lưu
nguồn áp hoạt động trong chế độ nối lưới và độc lập ứng dụng trong hệ thống nguồn
phân tán.

2


Hiện nay, các bộ nghịch lưu nguồn áp hai mức đang được dùng phổ biến cho
những ứng dụng công suất nhỏ, điện áp DC thấp (< 700V). Ưu điểm của nghịch lưu
hai mức có thể kể đến là: đã được kiểm chứng thực tế, tổn thất dẫn thấp, số lượng linh
kiện ít, nguyên tắc hoạt động đơn giản. Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha hai
mức được thể hiện như Hình 1.4 [44].

Hình 1.4. Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức
Tuy nhiên, xu hướng hiện nay của các ứng dụng hạ áp đó là yêu cầu công suất
lớn hơn, điện áp DC cao đến hơn 900V, tần số chuyển mạch cao đến 50 kHz thì
nghịch lưu nguồn áp hai mức trở nên kém hiệu quả. Lúc này, nghịch lưu hai mức đã
bộc lộ những nhược điểm như: chất lượng điện áp ra còn thấp, tốc độ biến thiên du/dt
lớn, độ méo sóng hài (THD) cao, điện áp trên van lớn, tổn thất chuyển mạch cao. Để

có thể khắc phục được những hạn chế này của nghịch lưu hai mức thì cần phải có
nghịch lưu ba mức [44].
So với các bộ nghịch lưu hai mức thì bộ nghịch lưu ba mức giảm đáng kể tổn thất
trong q trình đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của điện áp
ra dẫn đến việc thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ biến đổi khơng phức tạp như bộ biến đổi
hai mức. Ngồi ưu thế về chất lượng điện áp, nghịch lưu ba mức phân nhỏ các bước
nhảy điện áp ra phía xoay chiều, nhờ đó giảm được tốc độ tăng điện áp du/dt trên tải,
các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở mức điện áp thấp, tần số đóng cắt của các van
mạch lực thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số cao của quá trình điều chế điện áp ra. Với
những lý do trên, bộ nghịch lưu ba mức được coi như một giải pháp hiệu quả cho các
ứng dụng công suất lớn và điện áp cao trong lĩnh vực hạ áp [45], [46].

1.2. Các cấu trúc nghịch lưu nguồn áp ba mức
1.2.1. Cấu trúc nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC)
Nghịch lưu dạng điốt kẹp (NPC) là cấu trúc nghịch lưu ba mức điển hình. Vì có
hai tụ điện mắc nối tiếp nên có thêm một mức điện áp được thêm vào là Vdc/2 ngoài
hai mức điện áp 0 và Vdc, thực hiện bằng cách kích mở các van bán dẫn nối điểm giữa
của mạch DC (hay là điểm nối các tụ điện) với tải hoặc nối các điểm này vào các pha
thơng qua các điốt. Có thể nhận thấy rằng khi các van bán dẫn tại các điểm kẹp tương
3


ứng được kích mở thì điểm này được nối vào đầu ra, điện áp trong pha đó là điện áp
của dãy tụ điện tương ứng [19], [20].
Hình 1.5 là sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu NPC ba pha. Nó tạo ra 3 mức điện áp pha
là: Vdc/2, 0, -Vdc/2.

Hình 1.5. Cấu trúc bộ nghịch lưu ba mức NPC
Có thể tóm lược một số ưu nhược điểm của cấu hình này như sau:
Ưu điểm:

 Cần thiết số lượng nhỏ các tụ, tất cả các pha sử dụng chung một nguồn DC.
 Giảm được kích thước khi thiết kế khâu lọc mà chất lượng sóng hài vẫn đảm
bảo
 Các van chỉ phải đóng cắt ở tần số thấp do đó hiệu suất bộ biến đổi cao.
Nhược điểm:
 Việc cân bằng điện áp trên tụ khó khăn vì địi hỏi cần phải theo dõi và
điều khiển chính xác mức điện áp trên tụ, điều này dẫn đến các tụ một
chiều hay vượt quá ngưỡng nạp hay ngưỡng xả, có thể gây ra quá áp trên
một hay nhiều linh kiện đóng cắt
 Số lượng điốt cần thiết lớn dẫn đến kích thước của hệ thống tăng lên.
Nhìn chung, bộ nghịch lưu NPC là giải pháp tốt cho các ứng dụng công suất lớn,
điện áp cao. Tuy nhiên, cấu trúc này có số lượng điốt lớn, mạch phức tạp, do đó làm
cho hệ thống cồng kềnh hơn [22].
1.2.2. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha
Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha được phát triển từ cấu trúc nghịch lưu nguồn
áp ba pha hai mức. Cấu trúc nghịch lưu này được cấu thành từ 6 van IGBT mắc kiểu
thông thường và 6 van IBGT mắc kiểu E chung tạo thành 3 nhánh chữ T như Hình 1.6
[24].

4


SA4

SA3
SB3
SC3

SC4

C2

SB4

C1

SA1

SB1

SC1

SA2

SB2

SC2

Hình 1.6. Cấu trúc nghịch lưu hình T ba pha
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi là dựa vào 2 tụ DC để chia điện áp đầu vào
thành 2 thành phần điện áp 𝑉 /2 và tạo nên điểm trung tính DC. Điều chỉnh đóng cắt
hợp lý các van bán dẫn sẽ cho ra điện áp pha đầu ra có dạng 3 mức: −𝑉 /2, 0,
+𝑉 /2.
Nghịch lưu hình T về cơ bản kết hợp được các ưu điểm của bộ nghịch lưu hai
mức như tổn thất dẫn thấp, số lượng linh kiện ít, gọn nhẹ và nguyên tắc hoạt động đơn
giản với những ưu điểm của bộ nghịch lưu NPC ba mức như như tổn thất chuyển mạch
thấp và chất lượng điện áp đầu ra vượt trội. Do đó, nghịch lưu hình T được coi là một
giải pháp thay thế cho nghịch lưu NPC ba mức [22], [24].
Nhưng có vấn đề với nghịch lưu hình T, đó là việc xác định cấu hình chuyển
mạch AC hai chiều với các van bán dẫn cơng suất sẵn có. Các chuyển mạch AC phải

có khả năng chặn ngược khi chúng được tích hợp trong hệ thống. Hiện nay, van IGBT
và MOSFET được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống công suất. Tuy nhiên, trong q
trình chuyển mạch, những van cơng suất này có khả năng chặn ngược chưa cao. Để
khắc phục tình trạng này, hai giải pháp khác nhau của cấu hình chuyển mạch AC được
thể hiện như trong Hình 1.7(a) và (b) [47].
IGBT

Diode

RB-IGBT

(a)
(b)
Hình 1.7. Chuyển mạch AC sử dụng van IGBT+điốt (a) và RB-IGBT (b)

5


Hình 1.7(a) cho thấy giải pháp thơng thường là "IGBT+điốt ". Một điốt được
mắc nối tiếp với IGBT thành khối chặn ngược. Phương pháp này có thể áp dụng rộng
rãi cho các van IGBT thơng thường có sẵn trên thị trường. Tuy nhiên, việc đó dẫn đến
là sụt áp trên van khi dẫn cao hơn do có thêm lớp tiếp giáp P-N. Số lượng van bán dẫn
tối thiểu cho một chuyển mạch AC là 4 van (2 IGBT và 2 điốt). Cấu trúc bán dẫn của
van IGBT thông thường được thể hiện như trong Hình 1.8(a) [47].
Giải pháp sử dụng RB-IGBT (IGBT chặn ngược) đã được đề xuất áp dụng như
trong Hình 1.7(b) để đạt hiệu suất cao hơn. Cấu trúc bán dẫn của van RB-IGBT như
trong Hình 1.8(b). Như vậy, sẽ có một lớp tiếp giáp PN, tương ứng với một điốt đã
được tích hợp sẵn bên trong van RB-IGBT. Như vậy, RB-IGBT có khả năng chặn
ngược, điốt chặn ngược là khơng cần thiết nữa. Do đó, sụt áp trên van khi dẫn sẽ thấp
hơn do giảm số lượng lớp tiếp giáp PN từ hai về một. Số lượng van RB IGBT tối thiểu

để định hình chuyển mạch hai chiều AC là 2 van [47].

(a)
(b)
Hình 1.8. Cấu trúc bán dẫn của van IGBT thông thường (a) và RB-IGBT (b)
Theo [47], sụt áp trên van khi dẫn của RB-IGBT giảm khoảng 30% so với IGBT
thông thường + điốt và được thể hiện như trong Hình 1.9.

Hình 1.9. Sụt áp khi dẫn của RB-IGBT và IGBT thông thường
6