NGHIÊN cứu PHƯƠNG PHÁP điều KHIỂN bộ NGHỊCH lưu đa bậc GIẢM số KHÓA CÔNG SUẤT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

LƯƠNG TRẦN NGHĨA
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM
SỐ KHÓA CÔNG SUẤT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số ngành: 60 52 50
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2012
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM
ngày . . tháng . . . năm . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1.
2.
3.
4.
5.
Xác nh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Khoa quản lý chuyên ngành sau khi
luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Khoa quản lý chuyên ngành
TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH - ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
TP. HCM, ngày
… tháng…
20
NHIỆ
M VỤ
LUẬN
VĂN
THẠC
SĨ
Họ tên học viên:
LƯƠNG TRẦN
NGHĨA
Ngày, tháng năm
sinh: 24 / 09 /
1986
Chuyên ngành:
Thiết bị, mạng
và nhà máy điện
Giới tính: Nam
Nơi sinh: CÀ
MAU
MSHV:
1081031018
I- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU
ĐA BẬC GIẢM
SỐ KHÓA CÔNG SUẤT

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Giới thiệu nghịch lưu đa
bậc và ứng dụng
2. Trình bày cấu trúc nghịch
lưu đa bậc giảm số khóa
công suất và phương pháp
điều khiển
3. Mô phỏng bộ nghịch lưu
đa bậc giảm số khóa công
suất bằng
matlab/simulink
4. Đánh giá và kết luận
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
15/09/2011
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
15/03/2012.
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHAN
QUỐC DŨNG
CÁN BỘ
HƯỚNG DẪN
(Họ tên và
chữ ký)
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN
NGÀNH
(Họ tên và chữ
ký)
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được
cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện luận văn
Lương Trần Nghĩa
LỜI CẢM ƠN
Xin gởi lời cám ơn chân thành nhất đến PGS.TS Phan Quốc Dũng đã nhiệt
tình hướng dẫn tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này.
Xin chân thành gửi lời cám ơn đến toàn thể quý thầy cô trường Đại học Kỹ
Thuật Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều
kiện tốt cho tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này.
Xin cám ơn các anh chị em lớp 10SMĐ ngành Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy
Điện đã chia sẻ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập vừa qua.
Cuối cùng, nhưng quan trọng nhất, xin gửi lời cám ơn đến các thành viên
trong gia đình cùng bạn bè đã động viên, khích lệ, hỗ trợ cách này hay cách
khác cho công việc học tập của tôi.
Xin chân thành cảm ơn!
Học viên thực hiện
Lương Trần Nghĩa
i
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Để khắc phục những nhược điểm của phương pháp SHE, hai bài báo [15] &
[16] đã đưa ra một phương pháp đơn giản trực tiếp xác định góc kích, bằng hai cách
khác nhau, áp dụng tính góc kích cho bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascaded. Hai
phương pháp này làm giảm số lượng tính toán cần thiết, không giải các phương
trình phi tuyến, chỉ tính toán một số hàm lượng giác. Trong luận văn này, chỉ tập
trung phâp tích, cải tiến hai phương pháp trong [15] &[16] để áp dụng tính góc kích
cho bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa công suất trong [3].
Bài báo [3] đã giới thiệu một cấu trúc mới về bộ nghịch lưu đa bậc đó là cấu
trúc giảm số khóa công suất hơn so với cấu trúc truyền thống cùng số bậc điều chế,
bài báo này chỉ xây dựng bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa mà không đề cập đến

phương pháp điều khiển nên Luận văn đề xuất một phương pháp điều khiển mới
(rút ra từ [15] & [16]) cho bộ nghịch lưu này. Nó được kiểm chứng bằng mô phỏng
trong matlab/simulink. Tuy nhiên còn một số hạn chế, chỉ giảm số khóa hơn cấu
trúc truyền thống khi số bậc lớn hơn 7, số bậc điều chế được phụ thuộc vào số khóa
trên mỗi unit và số unit trong một bộ.
ii
ABSTRACT
To overcome the disadvantages of the SHE method, two papers [15] & [16]
gave a simple method directly determines conducting angle, for two different ways
to apply determines conducting angle in inverters cascaded. These methods reduce
the amount of computation required, not solving nonlinear equations, calculating
only some trigonometric functions. In this analysis focused measures,
improvements in the two methods [15] & [16] to apply determines conducting angle
for multi-level inverter With Reduced Number of Switches [3].
The paper [3] has introduced a new structure of multi-level inverters are key
structures reduce capacity than traditional structure with some degree of
modulation, this paper only inverter multi-building reduce the number of key steps
that do not mention the method should control thesis proposes a new control
methods (drawn from [15] & [16]) for this inverter. It is verified by simulation in
matlab / simulink. But there are some limitations, only reduce the number of
courses than the traditional structure of rank greater than 7 degrees of modulation
depends on the number keys on each unit and the unit in a set.
iii
MỤC LỤC
TÓM TẮT ĐỀ TÀI i
ABSTRACT ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
DANH MỤC CÁC HÌNH viii
MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN …………… 3
1.1 Giới thiệu sơ lược về bộ nghịch lưu đa bậc 3
1.2 Một số cấu trúc phổ biến của bộ nghịch lưu đa bậc 4
1.2.1 Bộ nghịch lưu đa bậc dạng diode kèm (Diode-clamped multilevel
converters) 4
1.2.2 Bộ nghịch lưu đa bậc dạng tụ kèm (Flying capacitor multilevel
converters) 6
1.2.3 Bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascaded (cascaded multilevel
converters) 7
1.3 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc 9
1.3.1 Phương pháp sóng mang (multilevel carrier-based PWM) 9
1.3.2 Phương pháp vector không gian (multilevel space vector PWM) 12
1.3.3 Phương pháp khử sóng hài chọn lọc (Selective Harmonic elimination) 14
1.4 Một số ứng dụng của bộ nghịch lưu đa bậc trong thực tế 16
Chương 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ
KHÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 19
2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa 19
iv
2.1.1 Cấu trúc cơ bản ghép các khóa 19
2.1.2 So sánh cấu trúc giảm số khóa với cấu trúc khác 22
2.1.3 Một số cấu trúc tối ưu 27
2.1.4 Cấu trúc tối ưu cho giảm số khóa và kết luận 31
2.2 Phương pháp điều khiển 32
2.2.1 Phương pháp on-line xác định góc kích cho multilevel cascaded
inverter 32
2.2.2 Phương pháp Kang [16] 45
2.2.3 Phương pháp cải tiến cho bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa 54
2.2.3.1 Phương pháp on-line cải tiến cho bộ nghịch lưu giảm số khóa 54
2.2.3.2 Phương pháp Kang cải tiến cho bộ nghịch lưu giảm số khóa 57
2.2.4 So sánh phương pháp online và phương pháp Kang điều kiển cho bộ nghịch

lưu đa bậc giảm số khóa 60
Chương 3: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC GIẢM SỐ KHÓA CÔNG
SUẤT BẰNG MATLAB/SIMULINK……………………………………………69
A - XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB/SIMULINK 69
B - CHẠY MÔ HÌNH MÔ PHỎNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ONLINE CẢI
TIẾN 75
3.1 Mô phỏng bộ nghịch lưu đa bậc giảm khóa công suất 75
3.2 Khảo sát và đánh giá kết quả mô phỏng 83
Chương 4: KẾT LUẬN 85
Kết quả đạt được và hướng phát triển
Tài liệu tham khảo………………………………………………………………….88
v
DANH MỤC TỪ VIẾT
TẮT
PMW (pulse width modulation): điều chế độ rộng xung
SPWM (sinusoidal pulse width modulation): điều chế độ rộng xung dạng sóng sin
THPWM (third harmonic injection pulse width modulation): điều chế độ rộng xung
têm hài bậc ba
SVM (space vector pulse width modulation): điều chế độ rộng xung bằng véc tơ
không gian
SH-PWM (subharmonic pulse width modulation): điều chế độ rộng xung với hài
bội 3
SFO-PWM (switching frequency optimal pulse width modulation): điều chế độ
rộng xung với tần số đóng cắt tối ưu
SHE (Selective harmonic elimination): khử sóng hài chọn lọc
SDCS: (source dc shares): điện áp nguồn độc lập
BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IEGT, IGCT, SCR: ký hiệu tên các linh kiện điện tử
công suất
Nstep: số bậc của sóng điện áp ra
Nswitch: số khóa công suất trong bộ nghịch lưu

: số nguồn dc trong bộ nghịch lưu
: điện áp đỉnh của các khóa
THD%: tổng số độ méo dạng sóng hài
vref : điệp áp tham chiếu
: góc điều khiển các khóa công suất
Vdc : điện áp nguồn dc
M: tỷ số điều biên
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 bảng trạng thái đóng cắt các khóa công suất 5
Bảng 2.1: Bảng trạng thái đóng cắt các khóa 21
Bảng 2.2: So sánh cấu trúc giảm số khóa [3] với cấu trúc cascaded 26
Bảng 2.3: Xác định các góc kích cho 11-level biến tần cascaded 36
Bảng 2.4: tối ưu giá trị của hệ số d cho khoảng 0.64 ≤ M ≤ 1 39
Bảng 2.5 Các góc kích được tính bằng phương pháp online cho 11-level, nguồn dc
cân bằng 40
Bảng 2.6 Các góc kích được tính bằng phương pháp online cho 13-level, nguồn dc
cân bằng 42
Bảng 2.7 Các góc kích được tính bằng phương pháp online cho 15-level, nguồn dc
cân bằng 43
Bảng 2.8 Các góc kích được tính bằng phương pháp online cho 11-level, nguồn dc
không cân bằng 44
Bảng 2.9 Số lượng góc kích theo tỷ số điều biên 50
Bảng 2.10 Liệt kê các góc kích theo các tỷ số điều biên M
i
trong một inverter 11-
level 50
Bảng 2.11: Kết quả tính góc kích, theo phương pháp online 56
Bảng 2.12: Kết quả tính góc kích, theo phương pháp Kang 59
Bảng 2.13 So sánh THD% giửa phương pháp online và phương pháp Kang cho bộ

nghịch lưu đa bậc giảm số khóa, không xét đến hài bội 3 60
Bảng 2.14 So sánh THD% giửa phương pháp online và phương pháp Kang cho bộ
nghịch lưu đa bậc giảm số khóa, có xét đến hài bội 3 65
Bảng 3.1: Bảng đóng cắt IGBT cho bộ nghịch lưu 11-level 75
vii
Bảng 3.2: Kết quả tính góc kích, fundamental harmornic 76
Bảng 3.3: Bảng đóng cắt IGBT cho bộ nghịch lưu 15-level 77
Bảng 3.4: Kết quả tính góc kích, fundamental harmornic 78
Bảng 3.5: Bảng đóng cắt IGBT cho bộ nghịch lưu 17-level 79
Bảng 3.6: Kết quả tính góc kích, fundamental harmornic 80
Bảng 3.7: Bảng đóng cắt IGBT cho bộ nghịch lưu 31-level 81
Bảng 3.8: Kết quả tính góc kích, fundamental harmornic 81
Bảng 3.9: Bảng đóng cắt IGBT cho bộ nghịch lưu 31-level 83
Bảng 3.10: Kết quả tính góc kích, fundamental harmornic 83
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc của một bộ nghịch lưu dạng diode kèm 4
Hình 1.2: Cấu trúc của một bộ nghịch lưu dạng tụ kèm 6
Hình 1.3: Cấu trúc một pha của bộ nghịch lưu dạng cascaded 8
Hình 1.4: Phân loại các phương pháp điều chế PWM của bộ nghịch lưu đa bậc 9
Hình 1.5: Mô phỏng tính hiệu điều chế và sóng điện áp pha ngỏ ra sử dụng 5 nguồn
dc độc lập (60V), cho bộ nghịch lưu đa bậc cascaded với ba kỹ thuật chính (a)
SPWM, (b) THPWM, (c) SVM 10
Hình 1.6: Dạng điều chế và dạng sóng ngõ ra với các thông số (m = 6, mf = 21, ma =
0.8) 12
Hình 1.7: Hình lục giác trong phương pháp SVPWM 12
Hình 1.8: không gian vector điện áp cho bộ nghịch lưu sáu bậc 13
Hình 1.9: Bộ ghép kênh mô hình của bộ nghịch lưu diode kẹp sáu bậc 14
Hình 1.10: Dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascaded 11 bậc 16
Hình1.11: Ứng dụng bộ nghịch lưu trong điều khiển động cơ 17

Hình 1.12: Ứng dụng bộ nghịch lưu trong lò cảm ứng trung tần 17
Hình 1.13: Ứng dụng bộ nghịch lưu trong hệ thống năng lượng tái tạo 18
Hình 2.1: Một vài phương pháp bố trí khóa hai chiều 19
Hinh 2.2 (a) cấu trúc cơ bản cho submultilevel converter, (b) kiểu sóng điện áp ngõ
ra của V0 20
Hình 2.3: Cấu trúc mở rộng của cấu trúc đơn vị 20
Hình 2.4: Các units được kết nối thành series 22
Hình 2.5: (a) cấu trúc cơ bản, (b) dạng sóng điện áp ngõ ra 22
ix
Hình 2.6: (a) Mở rộng cấu trúc cơ bản, (b) kết nối k lần cấu trúc cơ bản 23
Hình 2.7: So sánh Nstep/NIGBT giữa cấu trúc giảm số khóa với cấu trúc trong [13] &
[14] 24
Hình 2.8: So sánh số IGBT cần cho điều chế Nstep điện áp ra V0 giữa cấu trúc giảm
số khóa với cấu trúc trong [13] & [14] 24
Hình 2.9: Chuẩn điện áp trên các khóa hai chiều để điều chế Nstep điện áp ra V0 giữa
cấu trúc giảm số khóa với cấu trúc trong [13] & [14] 25
Hình 2.10: Bộ nghịch lưu cascaded (11-level) 25
Hình 2.11: Bộ nghịch lưu giảm số khóa (a) 11-level, (b) 15-level 26
Hình 2.12: Biến thiên so với n 27
Hình 2.13: Biến thiên
(
so với n 28
Hình 2.14: Biến thiên n/ln(n) so với n 29
Hình 2.15: Biến thiên P/(n - 1) so với n 31
Hình 2.16: Cấu trúc tối ưu cho giảm số khóa 31
Hình 2.17: Phương pháp tiếp cận trực tiếp xác định góc kích 34
Hình 2.18: a) hệ số THD với k số bước xung cho 11-level và b) hệ số THD tối
ưu 36
Hình 2.19: Dạng sóng điện áp đầu ra và phân tích phổ cho M = 0.5, biến tần 11-
level với nguồn dc cân bằng 41

Hình 2.20: Dạng sóng điện áp đầu ra và phân tích quang phổ cho M = 0.9
(overmodulation), biến tần 11-level với nguồn dc cân bằng 42
Hình 2.21: Dạng sóng điện áp đầu ra và phân tích phổ cho M = 0.64 M,biến tần 13-
level với nguồn dc cân bằng 43
x
Hình 2.22: Dạng sóng điện áp đầu ra và phân tích phổ cho M = 0.64 M, biến tần 15-
level với nguồn dc cân bằng 44
Hình 2.23: Dạng sóng điện áp đầu ra và phân tích phổ cho M = 0.5,biến tần 11-level
với các nguồn dc không cân bằng 45
Hình 2.24: Dạng sóng điện áp tham chiếu và tổng hợp sóng bước xung (step pulse
wave) trong một biến tần cascaded 46
Hình 2.25: Điện áp tham chiếu và góc kích ảo trong trường hợp của Mi= /4 47
Hình 2.26: Điện áp ra của inverter cascaded 11-level trong thời gian nửa chu kỳ
dương, trong trường hợp của Mi= /4 48
Hình 2.27: Dạng sóng áp ra và FFT, trong trường hợp Mi = 0.8 51
Hình 2.28: Dạng sóng áp ra và FFT, trong trường hợp Mi = 0.5 52
Hình 2.29: Dạng sóng áp ra và FFT, trong trường hợp Mi = 0.4 53
Hình 2.30: Dạng sóng áp ra và FFT, trong trường hợp Mi = 0.64 57
Hình 2.31: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.8 (11-level),
THD=3.477% 59
Hình 2.32: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.4 (11-level),
THD=9.55% không tín đến hài bội 3, PP online 61
Hình 2.33: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.4 (11-level),
THD=14.20% không tín đến hài bội 3, PP Kang 61
Hình 2.34: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.5 (11-level),
THD=6.01% không tín đến hài bội 3, PP online 62
Hình 2.35: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.5 (11-level),
THD=11.92% không tín đến hài bội 3, PP Kang 62
Hình 2.36: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.6 (11-level),
THD=9.82% không tín đến hài bội 3, PP online 62

xi
Hình 2.37: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.6 (11-level),
THD=8.20% không tín đến hài bội 3, PP Kang 62
Hình 2.38: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.7 (11-level),
THD=11.63% không tín đến hài bội 3, PP online 63
Hình 2.39: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.7 (11-level),
THD=6.39% không tín đến hài bội 3, PP Kang 63
Hình 2.40: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.8 (11-level),
THD=14.82% không tín đến hài bội 3, PP online 64
Hình 2.41: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.8 (11-level),
THD=3.47% không tín đến hài bội 3, PP Kang 64
Hình 2.42: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.4 (11-level),
THD=48.38% có tính đến hài bội 3, PP online 65
Hình 2.43: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.4 (11-level),
THD=18.28% có tính đến hài bội 3, PP Kang 65
Hình 2.44: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.5 (11-level),
THD=46.38% có tính đến hài bội 3, PP online 66
Hình 2.45: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.5 (11-level),
THD=13.16% có tính đến hài bội 3, PP Kang 66
Hình 2.46: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.6 (11-level),
THD=24.05% có tính đến hài bội 3, PP online 67
Hình 2.47: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.6 (11-level),
THD=9.42% có tính đến hài bội 3, PP Kang 67
Hình 2.48: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.7 (11-level),
THD=15.06% có tính đến hài bội 3, PP online 67
Hình 2.49: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.7 (11-level),
THD=8.27% có tính đến hài bội 3, PP Kang 67
xii
Hình 2.50: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.8 (11-level),
THD=18.84% có tính đến hài bội 3, PP online 68

Hình 2.51: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.8 (11-level),
THD=4.571% có tính đến hài bội 3, PP Kang 68
Hình 3.1: Mô hình mô phỏng cho 11-level sóng điện áp ra 70
Hình 3.2: Mô hình mô phỏng cho 15-level sóng điện áp ra 71
Hình 3.3: Mô hình mô phỏng cho 17-level sóng điện áp ra 72
Hình 3.4: Mô hình mô phỏng cho 31-level sóng điện áp ra 73
Hình 3.5: Mô hình mô phỏng cho 53-level sóng điện áp ra 74
Hình 3.6: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.64, PP online, 11-
level 76
Hình 3.7: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.64, PP online, 15-
level 78
Hình 3.8: Dạng sóng áp ra và FFT, với tỷ số điều biên M =0.64, PP online, 17-
level 80
Hình 3.9: Mô phỏng bộ nghịch lưu 21 bậc, THD = 10.01% có xét đến hài bội ba 81
Hình 3.10: Mô phỏng bộ nghịch lưu 23 bậc, THD = 9.953% có xét đến hài bội ba 81
Hình 3.11: Mô phỏng bộ nghịch lưu 25 bậc, THD = 9.633% có xét đến hài bội ba 82
Hình 3.12: Mô phỏng bộ nghịch lưu 41 bậc, THD = 8.927% có xét đến hài bội ba 82
Hình 3.13: Mô phỏng bộ nghịch lưu 43 bậc, THD = 8.349% có xét đến hài bội ba 83
NGHIÊN C ỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU
ĐA BẬC GIẢM SỐ KHÓA CÔNG SUẤT
RESEARCH METHODS CONTROL OF MULTILEVEL CONVERTER
REDUCTION NUMBER OF SWITCHS
LƯƠNG TRẦN NGHĨA(1), PHAN QUỐC DŨNG(2)
(1)
Khoa Cơ – Điện – Điện Tử, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP. HCM, Việt Nam
(2)
268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10
TÓM TẮT
Để tính được những góc kích các khóa công suất thì các phương pháp thông thường dùng phương
pháp lập Newton -Raphson để giải các phương trình phi tuyến trong chuỗi Fourier. Nhược điểm của

phương pháp này là việc giải các phương trình phi tuyến mất nhiều thời gian và khó thực hiện đối với
số bậc lớn [6]. Để khắc phục những nhược điểm này, trong [4] đã đưa ra một phương pháp đơn giản
trực tiếp xác định góc kích, áp dụng tính góc kích cho bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascaded truyền
thống. Phương pháp này làm giảm số lượng tính toán cần thiết, không giải các phương trình phi tuyến,
chỉ tính toán một số hàm lượng giác. Đề tài đề xuất một phương pháp điều khiển mới (rút ra từ [4])
cho bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa công suất . Được kiểm chứng bằng mô phỏng trong
matlab/simulink. Tuy nhiên còn một số hạn chế, chỉ giảm số khóa hơn cấu trúc truyền thống khi số bậc
lớn hơn 7, không điều chế ra số bậc bất kỳ, số bậc điều chế được phụ thuộc vào số khóa trên mỗi unit
và số unit trong một bộ.
ABSTRACT
For calculation of conducting angles for the switches power follow the conventional method using
Newton-Raphson method of preparation for solving nonlinear equations in the Fourier series. The
drawback of this method is the solution of nonlinear equations take a long time and difficult to
implement for a large number of levels [6]. Order to overcome this drawback, in [4] gave a simple
method directly determines conducting angles, apply the conducting angles for multi-level converters
cascaded traditional format. This method reduces the number of calculations required, not solving
nonlinear equations, calculating only some trigonometric functions. Threads proposed a new control
methods (drawn from [4]) for multi-level converter reduced number of switches. . It is verified by
simulation in matlab/simulink. But there are some limitations, only reduce the number of courses than
traditional structure when larger than levels of 7, modulation is not out of any level, levels of
modulation depends on the number switches on each unit and the unit in a converter.
1. GIỚI THIỆU
Ngày nay sự phát triển công nghiệp trong
nước cũng như trên thế giới đã đạt được những
thành tựu to lớn, trong sự phát triển đó đòi hỏi
công nghệ phải đi trước, để tạo điều kiện thuận
lợi cho việc ứng dụng nó vào nghành công
nghiệp. Động cơ không đồng bộ (induction) là
một ứng dụng quan trọng và rất phổ biến vì giá
thành rẽ, đa dạng về công suất, điều quan trọng

là nó được điều khiển một cách linh hoạt, đáp
ứng từ yêu cầu thấp đến cao nhờ bộ biến tần.
Bộ nghịch lưu là một phần của bộ biến tần.
Ngoài ra trên thế giới đang đẩy mạnh phát
triển nguồn năng lượng mới (năng lượng tái
tạo) để sản xuất ra điện năng. Để thay thế cho
E-mail: ;
Khoa Điện-Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, Việt Nam
nguồn năng lượng truyền thống sắp cạn kiệt và
ô nhiễm môi trường như (dầu, than, khí đốt…),
bằng các nguồn năng lượng mới như: năng
lượng mặt trời, gió, sóng biển Trong đó bộ
nghịch lưu là bộ phận quan trọng không thể
thiếu trong việc nối lưới cho các hệ thống này.
Vì thế, việc nghiên cứu để phát triển, nâng cao
hiệu quả và giảm giá thành của bộ nghịch lưu
đa bậc là góp phần vào sự phát triển chung cho
nền công nghiệp và nghành năng lượng tái tạo
hiện nay. Nghịch lưu đa bậc được chấp nhận
để thay thế nghịch lưu áp hai bậc cho ứng dụng
công suất lớn và điện áp cao. Với cấu tạo đa
bậc, điện áp ngõ ra được tăng lên tổn hao
chuyển mạch linh kiện giảm và họa tần ngõ ra
được cải thiện đáng kể. Bài viết này giới thiệu
một phương pháp điều khiển mới cho cấu trúc
nghịch lưu đa bậc giảm số khóa công suất [3],
với cách tiếp cận trực tiếp để xác định góc
kích, điều khiển trạng thái đóng cắt các khóa
công suất trong bộ nghịch lưu giảm số khóa.
Đặc điểm của cấu trúc này là cấu tạo đơn giản,

có cấu trúc dạng cell liên kết với nhau, tránh
được vấn đề cân bằng áp tụ, tuy nhiên cần
nhiều nguồn dc độc lập và khi muốn tăng số
bậc điện áp ngõ ra thì số lượng linh kiện tăng
lên. Với cấu tạo cần nhiều nguồn dc độc lập
như thế, tính thực tiễn của luận văn là dùng bộ
nghịch lưu này để nối lưới cho hệ thống năng
lượng mặt trời. Đề tài tập chung nghiên cứu ba
nội dung chính: Thứ nhất tìm hiểu tổng quan
về cấu trúc và phương pháp điều khiển bộ
nghịch lưu đa bậc đã được ứng dụng nhiều
trong thực tiễn, thứ hai là phân tích, nghiên
cứu về bộ nghịch lưu đa bậc giảm số khóa
cồng suất, thứ ba là nghiên cứu 2 phương pháp
điều khiển trong [4] & [5] để ứng dụng cho bộ
nghịch lưu giảm số khóa công suất.
Hình 1: Một vài phương pháp bố trí khóa hai
chiều
• Trong hình 1 (a) ều khiển dễ dàng,
nhưng trạng thái ON bị sụt áp cao, nó
bằng tổng điện áp sụt trên hai điốt và một
IGBT.
• Trong hình 1 (b) làm giảm sự sụt áp ở
trạng thái ON, nhưng cần hai IGBT. Một
bất lợi là mỗi IGBT cần có một cổng điều
khiển độc lập dẫn đến, hệ thống phức tạp
và giá thành đắt.
• Trong hình 1 (c) là một cách nối ghép phổ
biến, có tổn thất truyền dẫn giống với cấu
trúc trong hình 1 (b). Ưu điểm của cấu

trúc này so với các cấu trúc trước đó là
mỗi khóa hai chiều chỉ cần có một mạch
điều khiển cổng kích [3].
Cấu trúc cơ bản trong hình 2 gồm một
điện áp dc (điện áp dc bằng V dc) với hai khóa
chuyển mạch hai chiều S 1 và S 2 trong hình (a)
và dạng sóng điển hình V 0 được thể hiện trong
hình (b). Rõ ràng hai khóa S 1 và S 2 không thể
ON cùng lúc, vì xảy ra ngắn mạch nguồn dc.
Đáng chú ý là nó tạo ra được hai giá trị điện áp
ở ngõ ra V 0.
2.
NỘI DUNG
2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc giảm số
khóa trong [3]
Mỗi một
unit thì cần
có khóa
đóng cắt hai
chiều để tổng
hợp dòng điện và
điện áp cả hai
hướng, trong
hình 1 là cách
nối ghép cơ bản
để
phối hợp tạo ra
một khóa hai
chiều, điều khiển
điện áp và dòng

điện. Để đơn
giản hóa các
chương trình
điều khiển đóng
ngắt , nó có
những ưu điểm
và nhược điểm
của mỗi cách
ghép nối.
Hình 2: (a) cấu trúc cơ bản cho bộ
nghịch lưu
đa bậc giảm số khóa
(b) kiểu sóng điện áp
ngõ ra của V 0
[3]
Từ cấu trúc đơn vị ở hình 2
(a) được kết
nối thành unit ở hình 3. Trong
bảng 1 trình bày
đi
giá trị điện áp V 0 tương ứng với các trạng thái
đóng cắt của các khóa S 1, S 2, … ,S n, có thể
thấy n giá trị khác nhau đạt được cho V 0.
Hình 3: Cấu trúc mở rộng của cấu trúc đơn vị
[3]
Bảng 1: Bảng trạng thái đóng cắt các khóa:
Switch states
State v 0
S 1 S 2 S 3 … S n-1 S n
Hình 4: Các units được kết nối thành series

cấu trúc tối ưu cho minimmum số khóa với
số bậc điện áp không đổi
Cấu trúc cải tiến bao gồm k lần unit liên
kết với nhau, mỗi unit có ni khóa (i = 1, 2, …,
k) do đó:
1 1 0 0 … 0 0 0
2
3
n-1
n
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
…
…
…
…
…
0
0
1

0
0
0
0
1
V dc,1
V dc,1
+V dc,2
Trong trường hợp này, ta có maximum số
bậc điện áp từ phương trình (1), xét công thức
(1) và (4) để đạt được tối đa số bậc điện áp khi
số switch không đổi.
Từ (4) và (5) ta có:
Cấu trúc unit trên hình 3 được kết nối với
nhau thành một chuỗi liên kết như hình 4 nhằm
tăng giá trị cho điện áp V0 . Hình 4 có k ần
unit với n k khóa đóng cắt, nhưng chỉ duy nhất
một khóa trên mỗi unit được on trong mỗi
trạng thái đóng cắt khi bộ nghịch lưu hoạt
động. Ở đây số bậc và điện áp maximum ngõ
ra được tính như sao:
Cấu trúc trong hình 4, để điều chế ra điện
áp V 0 thì cần tính điện áp dc vào cho từng unit
theo công thức sau:
Maximum số voltage steps sẽ là:
Từ (6), (7) ta có:
Nó có thể được chứng minh rằng số lượng
tối đa các voltage steps có thể đạt được với các
switch bằng nhau. Vì vậy, nếu số lượng các
thiết bị chuyển mạch trong mỗi đơn vị mở rộng

được giả định bằng n, sau đó xem xét phương
trình (8), tổng số các thiết bị chuyển mạch
( ) có thể đạt được như sau:
… … … … … … …
l
Hình 5: Biến thiên n/ln(n) so với n
Vì N step là hằng số, N switch sẽ minimum khi
n/ln(n) tiến tới minimum. Hình 5 cho thấy với
n = 3 thì min số switch thực hiện N step cho điện
áp. Ở đây cần chú ý số switch là số nguyên,
khi không thu được số nguyên thì ta lấy chọn
số nguyên gần với giá trị tìm được.
Theo chứng minh phần trên ta thấy cấu
trúc tối ưu cho giảm số khóa khi mỗi một unit
cần n = 3 khóa [3].
Hình 6: Cấu trúc tối ưu cho giảm số
khóa
Ta có cấu trúc được xây dựng trong hình 6
cấu trúc này có thể tạo ra số bậc tối đa của
sóng điện áp ra, tương ứng với số khóa ít nhất.
Một ưu điểm nổi bậc của cấu trúc giảm số
khóa này là điều chế được số bậc cao nên sóng
ngõ ra giảm thiểu độ méo dạng và gần sin hơn
so với cấu trúc truyền thống.
2.2 Phương pháp điều khiển
2.2.1 Phương pháp on-line xác ịnh góc
kích cho bộ nghịch lưu cascaded [4]
Để khắc phục một số nhược điểm của
phương pháp SHE. Một phương pháp trong [4]
tiếp cận trực tiếp xác định các góc kích với các

tính toán đơn giản, tổng hợp chính xác thành
phần cơ bản dạng sóng điện áp đầu ra với giảm
thiểu biến dạng và hệ số THD trên toàn bộ
phạm vi của tỷ số điều biên (0 ≤ M ≤ 1). Có
được những góc kích, bằng cách chia sóng
điện áp chuẩn theo chiều dọc, thành những khu
vực điện áp, tương ứng với nó là mỗi góc kích
. Từ đó ta xác định góc kích bằng phương
pháp diện tích.
Phương pháp này là một sự kết hợp của
phương pháp diện tích và nguyên tắc xếp
chồng. Góc kích đối với mỗi bậc điện áp có thể
được xác định từ các thành phần cơ bản của
dạng sóng điện áp đầu ra của từng units biến
tần dạng cầu-H.
Bộ nghịch lưu đa bậc cascaded có n cầu-
H, điện áp tham chiếu có thể xác định bằng
công thức:
Sóng điện áp ngõ ra có đư ợc từ step-pulse
wave có thể tổng hợp từ k bậc ( ).
Các thành phần cơ bản một bước xung của
sóng điện áp ra với k bước, sử dụng nguyên lý
xếp chồng như sau:
Các bước thực hiện phương pháp on-line
1- Trước tiên phân chia diện tích sóng điện
áp tham chiếu thành k lần, bằng cách phân
phối các góc hình 7 (a)
2- Xác định độ lớn theo dạng sin với thành
phần cơ bản cho mỗi bậc của bước xung dạng
sóng ra, bằng cách sử dụng phương pháp diện

tích hình 7 (b)
Với j = 1 … k
đ
được thực hiện bằng cách chọn hệ số THD nhỏ
nhất.
Đối với phạm vi của chỉ số điều chế (M là
nhỏ hơn 0.64), nó là đơn giản để sử dụng phân
bố αi, tùy thuộc vào k:
Đối với phạm vi của chỉ số điều chế cao,
phương trình (15) không thể cung cấp cho một
giá trị thực cho một hoặc một số θ i. Vì vậy, giá
trị của α i sẽ được thành lập với tham số d như
sau:
(
Ở đây d là hệ số, xác định bằng min THD%
Hình 7: Phương pháp tiếp cận trực tiếp xác
định góc kích
3- Tính toán góc kích θ j cho từng bậc để biên
độ của các thành phần cơ bản của sóng vuông
bằng M j, hình 7 (c)
Vì vậy, mối quan hệ được thiết lập giữa θ j và
α i như sau:
4- Phân tích tất cả các trường hợp có thể tổng
hợp voltage-sec area dạng sóng điện áp phù
hợp với chỉ số điều chế và sự chọn lựa tối ưu
với hệ số THD min. Độ méo dạng của sóng hài
được xác định theo công thức:
Quy trình khảo sát để tổng hợp harmonic
cơ bản của dạng sóng điện áp tải có thể của
việc sử dụng số bước khác nhau. Ví dụ; Khi hệ

số điều chế là đủ nhỏ, dạng sóng thu được có
thể được tổng hợp từ các bước k (k = 1 n).
Trong trường hợp này, tối ưu hóa của k sẽ
2.2.2 Phương pháp cải tiến cho bộ nghịch
lưu đa bậc giảm số khóa
Ở đề tài này ta nghiên cứu phương pháp
điều khiển cho bộ nghịch lưu đa bậc giảm số
khóa công suất, do ưu điểm cấu trúc bộ nghịch
lưu trong [3] số bậc cao nhưng số khóa công
suất tương ứng thấp, mục đích luận văn là điều
chế số b ậc lớn n ên cần sử d ụ n gmộ t phương
pháp đơn giản để xác định góc điều khiển các
khóa công suất. Hai phương pháp được giới
thiệu ở trên rất phù hợp cho việc điều khiển bộ
nghịch lưu giảm số khóa.
Ở đây ta chọn nguồn vào dc trong một
unit là bằng nhau và unit đầu tiên có điện áp
nguồn bằng 1V dc, từ công thức (2) và (3) ta suy
ra điện áp v 0 được tính như sau:
Unit 2:
Unit 3:
Unit 1:
Với unit thứ k thì công thức (2) trở thành:
Ta đặt:
Trong đó k là ốs unit, n là số khóa công
suất trong mỗi unit. Giá trị N ở đây chính bằng
số mức điện áp dc có thể tạo ra từ bộ nghịch
lưu.
Suy ra:
3- Tính toán góc kích θ j cho từng bậc để biên

độ của các thành phần cơ bản của sóng vuông
bằng S j
Vì vậy, mối quan hệ được thiết lập giữa θ j và
α i như sau:
Với α i được tính như sau:
Cối cùng ta
được công
thức tính
điện áp
tham chiếu cho
cấu trúc giảm số
khóa công
suất như sau:
3.KẾT QUẢ VÀ THẢO
LUẬN
Sóng điện
áp ngõ ra
cóư ợc từ
những
bước xung dạng
sóng, có thể tổng
hợp từ k bậc
một bước xung
của sóng điện áp
ra với k bước,
sử dụng nguyên
lý xếp chồng như
sau:
Ta thực hiện
các bước tư tự

như phương
pháp on-line
trong [4]
1- Trước tiên
phân chia diện
tích sóng điện
áp tham chiếu
thành N lần,
bằng cách phân
phối các góc
2- Xác định
độ lớn theo
dạng sin với
thành
phần cơ bản
cho mỗi bậc
của bước
xung dạng
sóng ra, bằng
cách sử dụng
phương pháp
diện
tích: