Điều khiển bộ biến đổi đa bậc nguồn áp ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới

MỞ ĐẦU

Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển, ổn
định và kết nối các nguồn điện phân tán, đặc biệt khi các nguồn phát này nối với lưới điện
[19], [23], [80]. Sự xuất hiện các hệ phát điện phân tán từ các nguồn năng lượng tái tạo là
sự bổ sung cần thiết cho các nguồn thủy điện và nhiệt điện. Các nguồn năng lượng này tạo
ra từ các nguồn điện sơ cấp khác nhau, để có thể cung cấp cho phụ tải điện hoặc hòa với
lưới điện quốc gia nhằm hỗ trợ lưới quốc gia. Theo [79], mức độ tham gia của các nguồn
điện phân tán vào hệ thống cung cấp điện đang có sự gia tăng mạnh trên toàn thế giới.
Điều này có thể tác động tích cực đến mạng lưới cung cấp điện nhưng nếu không được
quản lý và điều phối hợp lý có thể gây tác động tiêu cực đến mạng lưới cung cấp điện. Lấy
năng lượng mặt trời làm ví dụ, đây là nguồn năng lượng được triển khai ở nhiều quốc gia,
xét về tác động tích cực, việc triển khai năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho các tải
phân tán đã làm giảm dòng điện chạy qua lại trong mạng điện từ đó giảm tổn thất và sụt
điện áp. Tuy nhiên, tác động tiêu cực mà các nguồn năng lượng này có thể gây ra như gây
biến động điện áp, thay đổi hệ số công suất, biến động tần số, gây các sự cố về dòng điện,
tăng độ méo sóng hài dòng điện...
Khi có các nguồn điện tham gia vào hệ thống thì mức độ phức tạp của hệ thống năng
lượng ngày càng tăng lên đặt ra 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. Yêu cầu của bộ
biến đổi là phải điều khiển được dòng công 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. Ngoài vấn đề về cấu trúc bộ biến đổi thì mạch
vòng dòng 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.
Tuy nhiên, việc phát triển về mặt quy mô và sản lượng của nguồn điện phân tán tích
hợp vào lưới điện cũng đặt ra hai thách thức cơ bản. Thứ nhất, đó là sự tương quan, trao
đổi công suất giữa các nguồn điện được sản xuất từ các nguồn điện truyền thống với các
nguồn năng lượng phân tán. Thứ hai, đó là thách thức về việc ứng dụng điện tử công suất
mở rộng cả về mặt phạm vi và công suất trong việc truyền tải phân phối điện năng từ việc
tạo ra, truyền tải, phân phối và các ứng dụng của người dùng.

Công suất của các nguồn phát phân tán nối lưới ngày càng cao đặt ra yêu cầu cần có sự
thay đổi về cấu trúc bộ biến đổi để thay thế các bộ biến đổi hai mức truyền thống. Nghịch
lưu đa bậc chính là một giải pháp cho những ứng dụng đòi hỏi công suất lớn và điện áp cao
[50]. Trong các ứng dụng sử dụng nghịch lưu đa bậc, điện áp của ngõ ra được tăng lên, tổn
hao chuyển mạch của linh kiện điện tử công suất giảm. Nghịch lưu đa bậc 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 và tần số thấp trong khi vẫn đảm bảo tần
số và điện áp ra của quá trình điều chế cao. Như vậy nghịch lưu đa bậc giảm đáng kể tổn
thất trong quá trình đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của điện áp
ra, đó là những yếu tố rất quan trọng ở dải công suất lớn. Trong các bộ biến đổi đa bậc thì
bộ nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H có những ưu thế hơn so với những loại khác như: cấu
tạo đơn giản, ít thành phần linh kiện, cấu trúc dạng module, dễ nâng cấp mở rộng hệ
thống...
Việc sử dụng các bộ biến đổi đa bậc nối tầng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới
là chủ đề đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước,
14


điển hình là các nghiên cứu công bố trong các tài liệu [34], [70], [80], [81], [82], [83] đã
đưa ra bộ biến đổi UNIFLEX-PM (Universal Flexible Power Management system) với hai
cấu hình cơ bản là cấu trúc AC-DC- DC-AC và AC-DC-AC-AC. Các bộ biến đổi này đều
có khả năng trao đổi công suất hai chiều, đảm bảo khả năng cách ly và đảm bảo độ tin cậy
cao và có cấu trúc module do đó dễ dàng bảo trì, mở rộng hệ thống. Tuy nhiên, cả hai bộ
biến đổi mà các nhóm tác giả đã đề xuất đều có những hạn chế. Đối với bộ biến đổi ACDC-DC-AC cần thiết rất nhiều tụ một chiều trung gian điều này dẫn đến việc cân bằng
điện áp một chiều trung gian phức tạp hơn. Đối với bộ biến đổi AC-DC-AC-AC, khâu ACAC lại điều chế theo kiểu Cyclo converter để chuyển mạch tự nhiên điều này sẽ dẫn đến
hai nhược điểm: nhược điểm thứ nhất là quá trình điều chế độ rộng xung diễn ra ở phần sơ
cấp máy biến áp tần số cao dẫn đến trong chế độ quá độ, dòng từ hóa không được cân
bằng; nhược điểm thứ 2 là quá trình chuyển mạch phía AC-AC cần thiết phải biết dấu của
điện áp và dòng điện đầu ra tần số thấp, điều này rất khó thực hiện được ở vùng tín hiệu
nhỏ gần không, có đập mạch. Do đó, luận án tiếp tục nghiên cứu những vấn đề về điều

khiển điều chế, chuyển mạch cho bộ biến đổi đa bậc AC-DC-AC-AC nhằm đáp ứng nhiệm
vụ kết nối các nguồn điện phân tán với lưới. Với cấu hình mạch lực như vậy, nhiệm vụ tiếp
theo đặt ra là điều khiển các mạch vòng. Mạch vòng trong là mạch vòng dòng điện, mạch
vòng ngoài là mạch vòng công nghệ như mạch vòng điện áp một chiều trung gian, mạch
vòng công suất. Mạch vòng công nghệ bên ngoài thường yêu cầu thời gian tác động chậm
hơn mạch vòng dòng điện bên trong, ta hoàn toàn có thể dùng các phương pháp điều khiển
cơ bản, chẳng hạn PI, để điều khiển mà vẫn đảm bảo chất lượng. Mạch vòng dòng điện
đóng vai trò 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 thông qua các khâu như hạn chế dòng điện.
Đảm bảo chất lượng mạch vòng dòng điện thì mới có khả năng đảm bảo được vấn đề điều
khiển điện áp một chiều trung gian và vấn đề điều khiển các mạch vòng công suất bên
ngoài, trong một số trường hợp, mạch vòng dòng điện có chức năng thay thế luôn cả chức
năng điều khiển công suất. Do đó, một nhiệm vụ nghiên cứu quan trọng là phải kiểm
chứng khả năng làm việc của bộ biến đổi khi sử dụng một số luật điều khiển dòng điện
khác nhau.
Đối tượng nghiên cứu:
Bộ biến đổi đa bậc nối tầng AC-DC-AC-AC có khâu cách ly tần số cao gồm 2 cổng,
cổng 1 là xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng; cổng 2 xây dựng trên cơ
sở bộ nghịch lưu đa bậc DC-AC-AC nối tầng.
Mục đích nghiên cứu:
Đề xuất thuật toán mới nhằm cân bằng điện áp trên các tụ điện một chiều trung
gian, đề xuất thuật toán điều chế và chuyển mạch cho bộ biến đổi DC-AC-AC
với khâu trung gian tần số cao và khâu AC-AC điều khiển chuyển mạch kiểu
biến tần ma trận.
Nghiên cứu khả năng áp dụng một số phương pháp điều khiển như điều khiển PI,
cộng hưởng, tựa thụ động và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số để kiểm
chứng khả năng làm việc 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.
Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán
chuyển mạch đảm bảo các yêu cầu đã đặt ra cho bộ biến đổi.
15


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.
Phạm vi nghiên cứu:
Luận án giải quyết vấn đề trao đổi công suất giữa hai nguồn điện xoay chiều với
giả thiết hai nguồn đó không có những trạng thái không bình thường. Do đó,
luận án không xử lý những vấn đề khi trên lưới điện xuất hiện các trạng thái
không bình thường.
Các nguồn phát điện phân tán có thể làm việc ở chế độ nối lưới hoặc ốc đảo. Để
các nguồn điện phân tán có thể nối lưới được thì chúng phải thỏa mãn những yêu
cầu kỹ thuật nhất định. Những vấn đề về yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo nguồn
phát phân tán nối lưới cũng như chế độ làm việc ốc đảo của nguồn phát phân tán
không phải phạm vi nghiên cứu của luận án.
Vấn đề chế tạo máy biến áp tần số cao HF là một nội dung quan trọng đối với bộ
biến đổi, tuy nhiên trong luận án cũng chưa đề cập về vấn đề này.
Bài toán điều khiển đặt ra trong luận án là Điều khiển trao công suất tác dụng và
thu phát công suất phản kháng. Luận án không giải quyết bài toán điều khiển hệ
số cosφ ở hai cổng.
Luận án triển khai mô phỏng ở cấp trung áp 3,3 kV và thực nghiệm ở cấp điện áp
220V. Tuy nhiên, những bộ biến đổi đa bậc có ưu điểm lớn khi ứng dụng cho
những nguồn phát phân tán có công suất lớn và điện áp cao. Việc chọn mức điện
áp phù hợp không phải phạm vi nghiên cứu của luận án.
Ý nghĩa của đề tài:
Nghiên cứu những bộ biến đổi có khả năng kết nối linh hoạt các nguồn điện phân tán có

bản chất khác nhau, đảm bảo cách ly, đảm bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng và thu
phát công suất phản kháng độc lập, đảm bảo độ tin cậy và khả năng dễ dàng mở rộng hệ
thống là một nhu cầu bức thiết hiện nay. Đề tài nghiên cứu bộ biến đổi đa bậc nối tầng có
cấu trúc AC-DC-AC-AC, có khâu cách ly tần số cao đáp ứng đòi hỏi yêu cầu của thực tiễn.
Một loạt các vấn đề về điều chế, điều khiển chuyển mạch, các mạch vòng điều khiển dòng
điện, điện áp và công suất đã được đề tài đưa ra phương án giải quyết mang đến những
đóng góp khoa học thực sự cho nghiên cứu này.
Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án:
Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ một chiều trung
gian.
Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật toán chuyển mạch
khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận.
Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai chiều bằng các
phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động và tựa thụ động có khâu thích nghi
tham số.
Bố cục luận án gồm 4 chương như sau:

16


Chương 1. Tổng quan: Nghiên cứu vai trò của bộ biến đổi đa bậc đối với việc nối lưới
các nguồn phát phân tán. Tác giả nghiên cứu và phân tích tình hình ứng dụng bộ biến đổi
đa bậc trong việc nối lưới các nguồn phát phân tán về các phương diện: cấu trúc bộ biến
đổi; phương pháp điều chế; phương pháp điều khiển. Qua những tổng hợp trên một số
công trình nghiên cứu trước đây về bộ biến đổi đa bậc, tác giả chỉ ra những vấn đề cần tập
trung nghiên cứu và giải quyết.
Chương 2 Bộ biến đổi hai cổng AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao: Phân
tích cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi mà luận án nghiên cứu; đề xuất thuật toán mới đảm
bảo cân bằng điện áp trên các tụ một chiều trung gian; đề xuất phương pháp điều chế và
thuật toán chuyển mạch cho bộ DC-AC-AC; trình bày phương pháp điều chế cho bộ biến

đổi đa bậc kiểu dịch pha ở cổng 1 và cổng 2
Chương 3. Thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi: trọng tâm của chương này là
xây dựng hệ điều khiển cho bộ biến đổi đã đề cập ở chương 2. Các vòng điều khiển dòng
điện, điện áp một chiều trung gian và điều khiển công suất P, Q đều được đưa ra phân tích
và thiết kế. Vòng điều khiển dòng điện được quan tâm đặc biệt và thiết kế với thuật toán là
thuật toán PI, cộng hưởng, tựa thụ động và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số.
Chương 4. Thiết kế hệ thống thực nghiệm. Luận án trình bày các cấu trúc và kết quả
thực nghiệm nhằm: kiểm nghiệm thuật toán cân bằng điện áp trên tụ một chiều trung gian
trong bộ biến đổi đa bậc nối tầng cầu chữ H; kiểm nghiệm thuật toán chuyển mạch 4 bước
theo điện áp kết hợp điều chế phía sơ cấp máy biến áp tần số cao cho bộ biến đổi DC-ACAC, khâu AC-AC điều chế theo kiểu biến tần ma trận; kiểm nghiệm khả năng nối tầng của
bộ biến đổi DC-AC-AC thông qua mô hình nghịch lưu nối tầng 7 bậc; kiểm nghiệm khả
năng trao đổi công suất hai chiều của bộ biến đổi AC-DC-AC-AC một pha 3 bậc.
Cuối cùng là mục Kết luận và kiến nghị, chỉ ra những đóng góp chính của luận án và
hướng phát triển tiếp của đề tài.

17


1. TỔNG QUAN

1.1 Vai trò của những bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối nguồn
phát phân tán với lưới điện
Equation Section 1
Với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển, các ứng dụng
điện tử công suất trong lĩnh vực truyền tải và biến đổi điện năng được phát triển mạnh mẽ
trong suốt hơn hai thập kỷ vừa qua [24]. Về mặt nguyên lý chung, cấu trúc hệ thống nguồn
phân tán nối lưới cho như Hình 1.1. Các nguồn điện phân tán có bản chất và nguồn gốc
khác nhau được biến đổi thành nguồn điện có điện áp và tần số phù hợp cung cấp cho tải
cục bộ và lưới điện. Quá trình này được thực hiện thông qua các module điện tử công suất
và các khâu lọc. Trong hệ thống cũng có kho lưu trữ điện, hệ thống cần phải đảm bảo khả

năng trao đổi công suất hai chiều giữa lưới và kho điện [106].
Distributed Energy
Resources
PV, Wind,
Microturbine, Fuel
Cells, IC Engine
Battery, Flywheel
Energy Storage

Power electronic and Control

AC-DC or
DC-DC
Converter
Module

DC-AC
Converter
Module

Area EPS
(Utility)
Output
Interface
Module

PCC

Local
Loads

Monitoring and Control
Module

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện tử công suất ứng dụng trong nguồn phân tán [107]

Nhìn vào sơ đồ cấu trúc Hình 1.1 dễ dàng nhận thấy, các bộ biến đổi điện tử công suất
đóng vai trò cực kỳ quan trọng, chúng thực hiện các nhiệm vụ biến đổi AC-DC, DC-DC,
DC-AC và đảm bảo hiệu suất cao và khả năng làm việc tin cậy của hệ thống. Bộ biến đổi
điện tử công suất cũng phải quản lý được các chế độ hoạt động của nguồn phân tán (chế độ
nối lưới và chế độ độc lập); quản lý năng lượng mà cụ thể là các quá trình thu phát công
suất; đảm bảo khả năng tích hợp nhiều nguồn điện phân tán vào lưới. Các bộ biến đổi điện
tử công suất cũng chính là khâu then chốt để các nguồn điện phân tán có thể tích hợp vào
lưới quốc gia cũng như nó có thể đảm nhiệm các chức năng đặc biệt khác chẳng hạn như
chức năng như bộ Statcom, chức năng bù công suất phản kháng, phục hồi điện áp động
(DVR)… Với xu hướng phát triển mạnh mẽ của các phương pháp điểu khiển hiện đại, các
bộ biến đổi điện tử công suất ngày nay có thể đảm bảo được các yêu cầu về phân phối
truyền tải điện từ nguồn điện đến các hộ tiêu thụ điện [39].

18


Trong các tài liệu [19], [21], [80], [107] đã trình bày một số cấu hình của bộ biến đổi
điện tử công suất ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới. Các cấu trúc này có
đặc điểm là sử dụng các bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha, 3 pha thông thường hoặc nghịch
lưu nguồn Z. Khi các bộ biến đổi này ứng dụng cho những hệ thống có điện áp lớn và công
suất cao hơn thì sẽ đòi hỏi cần có những linh kiện điện tử công suất với khả năng: chịu
điện áp lớn, yêu cầu du/dt cao, điện áp Common mode lớn và có khả năng đóng cắt với tần
số cao [26]. Theo [99], mỗi IGBT chỉ có thể chịu được điện áp tối đa khoảng 6,5 kV. Như
vậy, để có thể dùng bộ biến đổi nghịch lưu hai mức cho những ứng dụng điện áp cao thì có

thể mắc nối tiếp các van IGBT như Hình 1.2. Tuy nhiên, vấn đề thách thức đối với giải
pháp này là làm sao điều khiển đồng thời các van. Nếu không, để xảy ra trường hợp như
Hình 1.3b sẽ làm phá huỷ van T4.
V1

V3

V5

T1

T2

VDC

V4

V6

V2

T3
+
VDC
-

T4
T5

Hình 1.2 Cấu hình nghịch lưu thông thường trong

các ứng dụng công suất lớn [99]

(a)

(b)

Hình 1.3 Vấn đề khi mắc nối tiếp
các van

Như vậy các cấu trúc dựa trên cơ sở cấu trúc các bộ biến đổi hai mức chỉ phù hợp với
các ứng dụng công suất nhỏ. Mặt khác công suất của các nguồn điện phân tán tích hợp
trong lưới điện ngày càng lớn và sẽ tiếp tục tăng cao trong vài thập kỷ tới [39]. Khi công
suất phát của các nguồn điện sức gió hay điện mặt trời lớn cỡ khoảng 10MW và điện áp
cao thì những cấu trúc kiểu nghịch lưu nguồn áp hai mức không còn phù hợp. Cấu trúc các
bộ biến đổi đa bậc đã được phát triển để có thể sử dụng các thiết bị đóng cắt bán dẫn với
điện áp tương đối thấp, có sẵn trên thị trường cho các ứng dụng yêu cầu điện áp cao, công
suất lớn [59]. Hơn nữa, so với các bộ biến đổi 2 mức truyền thống thì bộ biến đổi đa bậc có
lợi hơn về chất lượng sóng hài dẫn đến việc thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ biến đổi không
phức tạp như bộ biến đổi 2 mức [59]. Với những lý do trên, bộ biến đổi đa bậc được coi
như một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao.
Ngoài ưu thế về điện áp, bộ biến đổi đa bậc có thể tạo ra điện áp dạng sin từ các bước
điện áp nhỏ hơn từ các nguồn DC cách ly hoặc từ các cấp điện áp dùng bộ phân áp bằng
một loạt các tụ. Nghịch lưu đa bậc 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 điện
áp ra của quá trình điều chế cao. Như vậy nghịch lưu đa bậc giảm đáng kể tổn thất trong
quá trình đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của điện áp ra, đó là
những yếu tố rất quan trọng ở dải công suất lớn [71].
Nghịch lưu đa bậc có ba cấu trúc cơ bản: 1. Nghịch lưu dùng điôt kẹp các mức điện áp;
2. Nghịch lưu dùng hệ thống tụ kẹp (tụ bay); 3. Nghịch lưu nối tầng. Trong nghịch lưu

dùng điôt kẹp nguồn một chiều DC được tạo ra nhiều mức nhờ hệ thống tụ phân áp, các
điôt có tác dụng găm các mức điện áp trên sơ đồ van vào các mức điện áp này. Sơ đồ có
thể chỉ cần một nguồn DC duy nhất, tuy nhiên nhược điểm là cần tới nhiều điôt trong mạch
19


chốt và vấn đề cân bằng các mức điện áp DC tương đối phức tạp. Trong nghịch lưu dùng
hệ thống tụ kẹp thì mỗi mức điện áp một chiều do một nguồn DC đảm nhiệm và có tụ DC
riêng của mình, do đó sơ đồ không cần đến các điôt kẹp, không có vấn đề về cân bằng điện
áp DC, tuy vậy lại cần có nhiều nguồn DC cách ly.
Nghịch lưu nối tầng có thể có nhiều dạng nhưng phổ biến nhất là dạng gồm nhiều cầu
chữ H nối tiếp với nhau ở phía xoay chiều, có ưu điểm lớn nhất là tính mô-đun hoá cao.
Như đã chỉ ra trong [46], [51] lợi thế của các nghịch lưu đa bậc dùng các khâu biến đổi nối
tầng bao gồm: (1) các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở tần số cơ bản (hoặc gần tần số này),
do đó giảm đáng kể tổn hao do quá trình đóng cắt, (2) không cần dùng máy biến áp ở tần
số lưới cung cấp các mức điện áp cần thiết, (3) kết cấu kiểu mô-đun hoá nên cấu trúc mạch
lực đơn giản hơn, số lượng thiết bị ít hơn và (4) vì không có biến áp hệ thống có thể đáp
ứng nhanh hơn nhiều. Những cấu trúc cơ bản đó sẽ được phân tích ở mục 1.2 dưới đây.
Trong các bộ biến đổi PWM nối lưới thông thường, để giảm thiểu ảnh hưởng của tần số
đóng cắt cao fpwm do quá trình điều chế thì việc thiết kế cuộn cảm đầu vào và mạch lọc LC
cần thiết là khá phức tạp. Mặt khác, quá trình điều khiển khi đầu vào phía xoay chiều là
mạch LCL cũng là một bài toán nan giải. Điều này dẫn đến mối quan tâm lớn đến bộ biến
đổi đa bậc trong các hệ thống thiết bị tham gia vào quá trình điều khiển và đảm bảo chất
lượng điện năng trong hệ thống điện nói chung và trong lưới tích hợp nguồn phân tán nói
riêng, tiêu biểu như các hệ thống bù tĩnh (SVC, STATCOM), các hệ thống điều khiển dòng
năng lượng (UPFC), phục hồi điện áp động hay các bộ lọc tích cực. Tương tự như vậy các
ứng dụng trong các hệ truyền động công suất lớn, điện áp cao biến đổi đa bậc cũng đem lại
những hiệu quả đáng kể.
Bộ biến đổi đa bậc có thể là khâu biến đổi năng lượng điện lý tưởng cho kết nối các
nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện, bao gồm hầu hết các nguồn phân tán như pin mặt

trời, pin nhiên liệu, điện sức gió [51]. Bộ biến đổi điện tử công suất nói chung và bộ biến
đổi đa bậc nói riêng khi được ứng dụng vào các nguồn điện phân tán có nối lưới phải đảm
bảo các yêu cầu đó là: Kiểm soát biến động điện áp; điều khiển hệ số công suất; kiểm soát
được biến động tần số; giảm sóng hài; đảm bảo khả năng cách ly; có thể truyền công suất
tác dụng hai chiều và thu phát công suất phản kháng; đảm bảo về độ tin cậy và linh hoạt
khi vận hành; bền vững với những biến động ngắn hạn (lồi lõm điện áp), mất cân bằng
pha… [100]. Để đảm bảo được các yêu cầu trên, việc khảo sát cấu hình các bộ biến đổi đa
bậc nguồn áp để lựa chọn phương án mạch lực cho hợp lý, nghiên cứu chọn lựa hoặc đề
xuất các thuật toán điều chế chuyển mạch phù hợp với cấu hình mạch lực là những công
việc phải thực hiện trước. Sau đó, cần thiết phải nghiên cứu áp dụng các phương pháp điều
khiển phù hợp với yêu cầu đặt ra cho hệ thống.

1.2 Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp

1.2.1 Nghịch lưu dùng điôt kẹp các mức điện áp
Năm 1981 Nabae, Takahashi và Akagi đã đề xuất cấu trúc Neutral – point converter là
bộ biến đổi 3 bậc sử dụng diot kẹp [27]. Hình 1.4 thể hiện cấu trúc bộ nghịch lưu ba bậc và
năm bậc với diot kẹp (theo [53]). Đối với mạch nghịch lưu 3 bậc, điện áp một chiều được
chia thành 3 mức bởi hai tụ C1, C2 điểm giữa của hai tụ là điểm nối chung N. Điện áp đầu
ra UaN có 3 trạng thái là Udc/2, 0 và –Udc/2. Để tạo ra mức điện áp, trạng thái các van tương
ứng chỉ ra như Bảng 1.1 dưới đây.

20


Bảng 1.1 Trạng thái van tương ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 3 bậc diot kẹp

STT
UaN
Trạng thái van

1
Udc/2
S1= S2 =1
2
0
S1‟= S2 =1
3
-Udc/2
S1‟= S2‟=1
Trong sơ đồ Hình 1.4a dưới đây, thành phần quan trọng trong sơ đồ là hai diot D1 và
D1‟. Hai diot này đóng vai trò chốt điện áp và chia điện áp DC thành hai mức. Khi cả hai
van S1 và S2 được mở thì điện áp Ua0 = Udc. Trong trường hợp đó thì D1‟ đóng vai trò cân
bằng điện áp rơi trên hai khoá là S1‟ và S2‟, trong đó S1‟ chịu điện áp trên tụ C1 và S2‟ chịu
điện áp trên tụ C2. Điện áp UaN là điện áp xoay chiều còn điện áp Ua0 là điện áp một chiều
chính là điện áp trên tụ C1. Mức chênh lệch điện áp giữa UaN và Ua0 chính là điện áp trên tụ
C2 và bằng Udc/2. Nếu coi Ua0 là điện áp đầu ra thì sơ đồ mạch trở thành bộ biến đổi
DC/DC với ba mức điện áp là Udc, Udc/2, 0. Hình 1.4b minh hoạ bộ biến đổi 5 mức bao
gồm 4 tụ điện mắc nối tiếp C1, C2, C3 và C4.
S1

U DC
2

C1

U DC
4

C2

UDC

UDC

S3

D2
D3

D1

S2

D‟1 S’1
C2

S4
S’1

C1
N

U
 DC
2

D‟1

S2

N

S1

U DC
2

D1

a

S’2



U DC
4

C3

U DC
2

C4



0

D‟2

a

S’2
D‟3

S’3
S’4
0

(a)

(b)

Hình 1.4 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc dùng diot kẹp 3 mức (a) và 5 mức(b) [53]

Phương pháp điều chế được biểu diễn như Bảng 1.2.
Bảng 1.2 Trạng thái van tương ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 5 bậc diot kẹp

STT
1
2
3
4
5

Trạng thái van
S1= S2= S3= S4=1
S1‟= S2= S3= S4= 1
S1‟= S2‟= S3= S4=1

S1‟= S2‟= S3‟= S4=1
S1‟= S2‟= S3‟= S4‟=1

UaN
Udc/2
Udc/4
0
-Udc/4
-Udc/2

Có thể tóm lược một số ưu nhược điểm của cấu hình này như sau [71], [76]:
Ưu điểm:
Cần thiết số lượng nhỏ các tụ, tất cả các pha sử dụng chung một nguồn DC. Vì lý
do đó, cấu trúc này thường được sử dụng như bộ biến đổi back-to-back
Khi số bậc đủ lớn sẽ không cần thiết kế khâu lọc và chất lượng sóng hài vẫn đảm
bảo
Tất cả các van đều đóng cắt ở tần số cơ bản do đó hiệu suất bộ biến đổi cao
21


Có thể điều khiển được chiều dòng công suất phản kháng.
Nhược điểm:
Điều khiển luồng công suất tác dụng khó khăn vì đòi hỏi cần phải theo dõi và
điều khiển chính xác mức điện áp một chiều trên tụ, điều này dẫn đến các tụ một
chiều hay vượt quá ngưỡng nạp hay ngưỡng xả.
Khi cấu trúc có bậc n lớn hơn 3 thì điện áp mà diode kẹp phải chịu đựng là
Udc(n-2)/(n-1) cao. Do đó sẽ phức tạp trong thiết kế như phải kết nối nối tiếp các
diode. Vấn đề không cân bằng điện áp các tụ điện ở biến đổi đa bậc dạng này có
thể gây ra quá áp trên một hay nhiều linh kiện đóng cắt. Mặt khác, số lượng diot
cần thiết lớn dẫn đến hệ thống trở lên đồ sộ, kềnh càng.

Nhìn chung, cấu trúc hệ thống sử dụng diot kẹp là giải pháp tốt cho các ứng dụng công
suất lớn và đòi hỏi giảm thiểu số lượng tụ điện. Tuy nhiên, khi số lượng mức điện áp tăng
lên sẽ làm cho số lượng diot cần thiết tăng do đó làm cho hệ thống phức tạp hơn.
1.2.2 Nghịch lưu đa bậc dạng tụ bay (flying capacitor - Clamped)
Cấu trúc nghịch lưu dạng tụ bay (flying capacitor-FC) hay còn gọi là tụ kẹp được đề
xuất năm 1992 bởi Meynard và Foch [101]. Cấu trúc nghịch lưu dạng tụ bay hay còn gọi là
tụ kẹp tương tự như cấu trúc nghịch lưu điôt kẹp chỉ khác không có điôt kẹp mà thay bằng
tụ điện. Ở đây ta khảo sát cấu trúc bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức (3L-FLC
inverter) gồm có các khoá chuyển mạch. Hình 1.5a mô tả cấu trúc bộ nghịch lưu 3 bậc điện
áp bằng cách điều khiển các van như Bảng 1.3.
Bảng 1.3 Trạng thái van ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 3 bậc loại tụ kẹp

Mức
1
2

Trạng thái van
Ghi chú
S1= S2 =1
(S1‟= S1=1)
C được nạp
(S2= S2‟= 1)
C được xả
3
- Udc/2
S1‟= S2‟ =1
Việc tạo ra các mức điện áp trong sơ đồ như Hình 1.5b phức tạp hơn so với sơ đồ diot
kẹp, việc tạo ra các mức điện áp khác nhau được chỉ ra như Bảng 1.4.
Tương tự như đã nói ở phần trên, các tụ sẽ được xả hoặc nạp tuỳ theo dấu của điện áp
đặt nên nó. Trong sơ đồ mạch kiểu này cần số lượng lớn các tụ nhằm chốt mức điện áp, số

lượng mức điện áp càng cao thì càng cần nhiều tụ. Cụ thể nếu bộ biến đổi của ta gồm m
mức thì cần (m-1) x (m-2) /2 tụ chốt trong một pha.
Có thể tóm lược một số ưu nhược điểm của cấu hình này như sau [71], [76]:
Ưu điểm:
Uan
Udc/2
0

 Có khả năng trao đổi cả công suất phản kháng và công suất tác dụng theo hai
chiều
Khi số bậc càng cao thì không cần bộ lọc, có thể sử dụng trạng thái dư thừa năng
lượng để cân bằng các mức điện áp trên tụ, số lượng tụ điện lớn do đó có thể làm
bộ nghịch lưu bám được dạng điện áp trong thời gian ngắn.
Nhược điểm:
Việc điều khiển để bám theo giá trị của các mức điện áp là khá phức tạp

22


Số lượng tụ điện lớn sẽ làm cho hệ thống trở lên cồng kềnh và giá thành hệ thống
tăng cao; khi số mức điện áp càng lớn thì sẽ làm cho độ phức tạp của hệ thống
tăng lên.
S1
U DC
2

S2
C2

U DC

4

UDC
U DC
2

C1

C3

C
S’1

C2


U DC
2

S4
S’1

a

C3

S2
N

C1

C2

C1

UDC

S3
C2

N

S1

C3

a

S’2

U
 DC
4



0

U DC
2

(a)

S’2

C3

S’3
C4

S’4
0
(b)

Hình 1.5 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc kiểu tụ bay (a) 3 mức (b) 5 mức [53]
Bảng 1.4 Trạng thái van ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 5 bậc kiểu tụ bay

STT
1
2

Uan
Udc/2
Udc/4

3

0

4

-Udc/4

5

-Udc/2

Trạng thái van
S1= S2= S3= S4=1
S1‟= S2= S3= S4= 1
S4‟ = S2= S3= S4=1
S3‟= S1= S3= S4=1
S1‟= S2‟= S1= S2=1
S3= S4= S3‟= S4‟=1
S1= S3= S1‟= S3‟=1
S2= S4= S2‟= S4‟=1
S2= S3= S1‟= S4‟=1
S1‟= S1= S2‟= S3‟= 1
S4‟ = S4= S3‟= S4‟=1
S3‟= S3= S4= S4‟=1
S1‟= S2‟ = S3‟= S4‟=1

1.2.3 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H
Trong các cấu trúc nghịch lưu đa bậc nguồn áp thì cấu trúc đa bậc trên cơ sở nghịch lưu
cầu H một pha nối tầng là đơn giản nhất. Mỗi cầu chính là một bộ biến đổi 3 mức truyền
thống, có thể tạo các mức điện áp là +E, 0, -E. Nếu ta có M số cầu sẽ tạo ra 2M+1 mức

23


điện áp. Để tạo ra bộ biến đổi ba pha ta chỉ cần đấu 3 bộ biến đổi một pha theo hình sao

hoặc hình tam giác.
A
S11

S31

E

A
E

vH 1

E

vH 2

E

vH 3

E

vH 4

vH 1
S 41

S 21
H1

S12

S 32

vH 2

E

S 42

S 22
H2

S13

S 33

vH 3

E

S 43

S 23
H3

N
N
(b) Nine-level inverter

(a) Seven-level inverter

Hình 1.6 Nghịch lưu đa bậc nối tầng 7 bậc (a) và 9 bậc (hình b) [28]

Đối với cấu trúc kiểu này ta có thể tóm tắt ưu nhược điểm như sau [76]:
Về ưu điểm:
Số lượng mức điện áp đầu ra lớn hơn hai lần số nguồn điện một chiều (N = 2M+1);
Cấu trúc mạch gồm các cầu H mắc nối tiếp do đó cấu trúc mạch lực đơn giản, tính module
hoá cao, dễ mở rộng hệ thống.
Nhược điểm:
Mỗi cầu H cần có một nguồn DC riêng cách ly (nếu không hiện tượng ngắn mạch sẽ
xảy ra) và các nguồn DC này vẫn có thể có sự sai lệch điện áp.
Một dạng khác của nghịch lưu đa bậc nối tầng
Một kiểu khác của nghịch lưu đa bậc nối tầng sử dụng bộ nghịch lưu ba pha hai mức
được cho như Hình 1.7 [37]. Nguyên lý của bộ biến đổi này là sử dụng máy biến áp ba pha
để tạo các mức điện áp khác nhau cấp vào đầu vào mạch chỉnh lưu. Đặc biệt, ở đầu ra của
bộ nghịch lưu, người ta sử dụng các máy biến áp để cộng thêm các mức điện áp khác nhau,
bộ biến đổi của ba pha được đồng bộ lệch pha nhau 1200 giữa các pha. Ví dụ, để có ba mức
điện áp pha giữa pha a và pha b, các bộ biến đổi có thể tạo ra điện áp bằng cách: uab= ua1-b1
+ ub1-a2 + ua1-b2.
Ba bộ biến đổi có công suất giống nhau nên việc điều khiển trở lên dễ hơn. Tuy nhiên,
cấu hình này có nhược điểm là các bộ biến đổi cần các nguồn DC cách ly, có thêm máy
biến áp để tăng áp đầu ra dẫn đến cấu trúc hệ thống phức tạp cũng như giá thành hệ thống
tăng lên.
24


a1
b1

I n v e r te r 1

c1

a2
b2

I n v e r te r 2

M

c2

a3
b3

I n v e r te r 3

c3

Hình 1.7 Nghịch lưu đa bậc 3 pha 2 mức nối tầng [37]

Trong nghịch lưu đa bậc thì sơ đồ dùng cầu chữ H nối tầng được sử dụng rộng rãi [46],
[47] vì mạch lực đơn giản, có tính mô đun hoá cao. Khi ứng dụng trong chỉnh lưu tích cực
sơ đồ sẽ bao gồm các nghịch lưu cầu chữ H một pha với nguồn DC cách ly riêng biệt ở
phía một chiều, còn phía xoay chiều thì nối tiếp nhau.
1.2.4 Nghịch lưu đa bậc tổng quát
Cấu trúc nghịch lưu tổng quát (Generalized Multilevel Cells) đã được giới thiệu trong
tài liệu [40] và có sơ đồ như Hình 1.8. Các cấu trúc trước đây như cấu trúc có diot kẹp, cấu

trúc có tụ kẹp đều có thể nhận được từ mạch nghịch lưu đa bậc tổng quát. Ngoài ra, nghịch
lưu đa bậc tổng quát có thể cân bằng mỗi mức điện áp mà không quan tâm đến đặc tính tải.
Vì vậy, nghịch lưu đa bậc tổng quát là bộ có thể cân bằng mức điện áp tự động tại bất kỳ
mức điện áp nào, nó không phụ thuộc đó là bộ biến đổi công suất tác dụng hoặc công suất
phản kháng và không cần sự hỗ trợ của mạch khác. Với nguyên tắc này, ta có thể thiết kế
một cách bao quát các bộ nghịch lưu đã tồn tại.

U

U

U

dc

U

dc

U

dc

U

dc

dc

U

dc

U

dc

U

dc

dc

dc

U
U

U

U

dc

dc

dc

U

dc

2 -le v e l

U

dc

3 -le v e l
4 -le v e l
U

5 -le v e l
dc

B a s ic c e ll

n -le v e l

Hình 1.8 Sơ đồ nghịch lưu đa bậc dạng tổng quát [40]

25


1.2.5 Những cấu trúc nghịch lưu đa bậc đặc biệt khác
Cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai nhiều mức
Đối với những ứng dụng điện áp cao và công suất lớn, có thể sử dụng các mạch đa bậc
loại diốt kẹp (diode-clamped) hoặc tụ kẹp (capacitor-clamped) để thay thế các mạch cầu H
trong sơ đồ nghịch lưu nối tầng nhằm giảm số lượng các nguồn điện một chiều riêng biệt
[111]. Cấu trúc nghịch lưu 7 bậc nối tầng cần ba nguồn dc riêng biệt cho một pha và 9

nguồn riêng biệt cho 3 pha.
S3

S1

UDC

UDC

Udc
2

S2

Ud c
2

S4

S1

S3

S2

S4

S1

S3

Ud c
2

Udc

S2

2

S1

S3

S2

S4

S4

a

n

Hình 1.9 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai nhiều mức [111]

Hình 1.9 thể hiện một bộ nghịch lưu 9 bậc nối tầng gồm chín mức điện áp nhưng chỉ
cần sử dụng hai nguồn điện một chiều DC cách ly cho mỗi pha và sáu nguồn riêng biệt cho
3 pha. Trong cấu trúc trên có sự kết hợp giữa mạch nghịch lưu 3 bậc với tụ điện kẹp và
nghịch lưu nối tầng trong đó mạch nghịch lưu 3 bậc có tụ điện kẹp đóng vai trò như là một

tế bào của nghịch lưu nối tầng. Ta cũng hoàn toàn có thể thay thế mạch nghịch lưu dùng tụ
kẹp bằng mạch nghịch lưu dùng diot kẹp.
Nghịch lưu đa bậc lai không đối xứng (Asymmetric Hybrid Multilevel Cells)
Như đã trình bày ở trên, điện áp mỗi mức trong nghịch lưu đa bậc nối tầng thường được
giữ bằng nhau. Tuy nhiên, ta có thể tạo ra điện áp ở các tế bào [68], [89], cấu trúc như vậy
gọi là cấu trúc nghịch lưu đa bậc bất đối xứng. Tuỳ thuộc vào giá trị của các nguồn dc mà
các mức điện áp có thể có những mức đặc biệt, đặc điểm này cho phép ta tạo ra nhiều mức
điện áp đầu ra hơn. Hình 1.10 bao gồm hai cầu H nối tầng với nhau, mỗi cầu H được cung
cấp bởi một nguồn DC, tuy nhiên hai nguồn dc có giá trị khác nhau. Một nguồn có điện áp
Udc và một nguồn có điện áp Udc/2.
Một loại nghịch lưu đa bậc nối tầng bất đối xứng khác đó là mức điện áp của mỗi tầng
khác nhau nhưng một tầng được điều chế độ rộng xung (PWM) với tần số cao trong khi
các tầng khác chỉ điều chế ở tần số thấp, Hình 1.11 là một ví dụ. Trong Hình 1.11, cầu H ở
trên được điều chế với tần số cao, thường gồm các van IGBT, cầu dưới được điều chế với
tần số thấp thường bằng với tần số cơ bản thường được cấu tạo từ các van GTO. Việc điều
chế PWM ở tần số cao sẽ làm trơn dạng sóng của điện áp ra [68], [89].
26


a

Uan

S3

S1
ic

C1

U dc
2
S2

0

U dc
2

S4
S3

S1

0

Udc

C2

n

Udc
S2

0

S4

Hình 1.10 Sơ đồ nghịch lưu đa bậc nối tầng không đối xứng với giá trị điện áp của mỗi tầng

khác nhau.

a

Uan

S3

S1
ic

C1

Udc
0

S2

S4

Udc
S3

S1

0
C2

n
S2

Udc

Udc
0

S4

Hình 1.11 Nghịch lưu đa bậc nối tầng không đối xứng với tần số khác nhau.

Nghịch lưu đa bậc sử dụng cấu trúc chuyển mạch mềm.
Trong các bộ biến đổi đa bậc, để giảm thiểu tổn thất đóng cắt và nâng cao hiệu suất của
hệ thống, kỹ thuật chuyển mạch mềm được sử dụng bằng cách thêm vào các phần tử L
hoặc LC.

uDC

S1

C

S2

C

C1
Sx1

Sx3

D1

D1

Lr14
N

Lr23

C

a
C

C2

Sx2

D1

D1
Sx4

S3
S4

C

Hình 1.12 Nghịch lưu đa bậc lai sử dụng cấu trúc chuyển mạch mềm

Cấu trúc nghịch lưu đa bậc kiểu này thường là sự kết hợp giữa các bộ biến đổi đa bậc
với các bộ dao động cộng hưởng (ARCP), mạch chuyển mạch qua không, Hình 1.12 là một
ví dụ minh hoạ mạch sự kết hợp nghịch lưu sử dụng tụ kẹp và các mạch chuyển mạch
mềm.
27


1.3 Các phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc
Có ba phương pháp điều chế phổ biến cho các bộ biến đổi đa bậc là:
Điều chế tại tần số cơ bản
Điều chế theo sóng mang (carrier based PWM)
Điều chế vector không gian.

1.3.1 Điều chế tại tần số cơ bản
Điều chế tại tần số cơ bản là phương pháp cộng điện áp ở mỗi mức để tạo nên điện áp
đầu ra sao cho có lợi nhất về thành phần sóng hài [64]. Ví dụ dạng điện áp ra trong nghịch
lưu 7 mức, trong mỗi nửa chu kỳ điện áp ra ba mức điện áp P1, P2, P3 tạo nên điện áp ra
đối xứng qua góc /2, bắt đầu từ các góc 1, 2, 3. Phân tích dạng điện áp ra uo thành sóng
điều hòa Fourier cho thấy các thành phần sóng hài từ bậc cơ bản đến bậc 3, 5, 7, … sẽ phụ
thuộc vào ba biến 1, 2, 3. Như vậy ta có ba bậc tự do để giải bài toán triệt tiêu một số
thành phần sóng hài không mong muốn, chủ yếu là các sóng bậc cao thấp nhất. Với ba biến
tự do có thể triệt tiêu được ba sóng hài, ví dụ bậc 3, 5, 7. Nếu số mức nhiều hơn có thể lựa
chọn triệt tiêu được nhiều sóng hài hơn.
Ưu điểm của phương pháp này là các van chỉ phải đóng cắt ở tần số sóng cơ bản mà vẫn
đảm bảo được chất lượng sóng hài của điện áp đầu ra, điều rất cần thiết đối với các ứng
dụng công suất lớn, điện áp cao. Tuy nhiên quá trình điều chế biên độ sóng cơ bản sẽ đòi
hỏi phải thay đổi tức thời các góc pha 1, 2, 3 dẫn tới thuật toán triệt tiêu sóng hài bậc
cao phải được cập nhật online. Khó khăn nữa của phương pháp này là không thể đảm bảo
chính xác các góc pha theo như tính toán khi điều khiển các bộ biến đổi trong mạch lực.
Nhìn vào Hình 1.13 dễ thấy trong một chu kỳ thì tụ điện ở cầu thứ nhất có điện áp lớn nhất

và tụ điện cầu thứ 3 có điện áp nhỏ nhất, điều này gây mất cân bằng điện áp trên các tụ.
Những nghiên cứu chỉ ra ở [48] đã đề xuất phương pháp cân bằng điện áp bằng cách quay
vòng mẫu xung như Hình 1.14 nhằm cân bằng điện áp trên các tụ điện.
uo
V3
V2
0

V1


uo 1 2 3

V1

2

V2

V1

V3

V3
V2


0 1 2 3
uo

V2

2

V3
V1

V2
V1
V3
0 1 2 3



V3

2

V1
V2

Hình 1.13 Điện áp ra nghịch lưu đa bậc trong
điều chế tại tần số cơ bản.

28

Hình 1.14 Điều chế tại tần số cơ bản sử
dụng thuật toán cân bằng điện
áp[48].

1.3.2 Điều chế theo sóng mang
Đối với nghịch lưu nối tầng thì điều chế theo sóng mang có thể coi là phương pháp hiệu
quả nhất, dễ thực hiện mà vẫn đảm bảo tần số đóng cắt của van thấp so với tần số điều chế
tại điện áp đầu ra. Tùy theo cách thức sắp đặt các sóng mang, phương pháp chia làm hai
dạng chính là điều chế theo sóng mang dạng dịch pha (Phase-shift Carrier-based
Modulation) và điều chế theo sóng mang dạng dịch mức (Level-shift Carrier-based
Modulation).
Điều chế sóng mang dạng dịch mức
Trong điều chế sóng mang dịch mức nghịch lưu với N mức điện áp cần (N-1) sóng
mang răng cưa có tần số và biên độ như nhau, sắp đặt chồng lên nhau để phủ hết mức điện
áp từ +N.Udc đến –N.Udc khi sóng sin điều chế thay đổi hết dải biên độ từ +Um đến –Um,
đối xứng quanh mức 0. Sóng điều chế so sánh với các răng cưa để xác định quy luật đóng
cắt của các van trong cầu chữ H để xác định mức điện áp ra tương ứng.
Có ba phương án thực hiện PWM dịch mức tùy theo pha của các răng cưa với nhau là
([28], [31]):
Pha như nhau (IPD – In Phase Disposition), khi tất cả các răng cưa đồng pha với
nhau như Hình 1.15a
Lệch pha xen kẽ 180 (APOD – Alternative Phase Opposition Disposition), khi
pha của mỗi răng cưa ở mức cạnh nhau ngược pha nhau như Hình 1.15b
Pha ngược nhau (POD – Phase Opposition Disposition), khi pha của các răng
cưa xếp trên mức 0 lệch 180 so với các răng cưa đối xứng ở dưới mức như
Hình 1.15c
1.0

vcr1

um

vcr2



0

2

vcr3

3

vcr4
-1.0
1.0

vcr1

(a) In-phase disposition (IPD)

um

vcr2
0

2



vcr3
vcr4

-1.0
1.0

vcr1
vcr2

(b) Alternative phase opposite disposition (APOD)

um


2

0

vcr3
vcr4
-1.0

(c) Phase opposite disposition (POD)

Hình 1.15 Điều chế sóng mang dịch mức

29

3


Các phương pháp dịch mức sóng mang cũng áp dụng cho các nghịch lưu đa bậc khác
như nghịch lưu dùng điôt kẹp và nghịch lưu dùng tụ kẹp, chúng có hiệu quả khác nhau về

khả năng đảm bảo độ méo sóng hài THD. Theo [31] phân tích về chỉ tiêu THD đối với sơ
đồ NPC thì tốt nhất là IPD, sau đến APOD và cuối cùng là POD. Các phương pháp này
không nên dùng cho nghịch lưu nối tầng vì dẫn tới tình trạng không cân bằng về số lần
đóng cắt cho các cầu H ở các mức khác nhau.
Phương pháp dịch pha
Phương pháp dịch pha rất thích hợp áp dụng cho bộ nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H vì
tính mô đun hóa của nó [49]. Theo phương pháp dịch pha tất cả các cầu H đều tuân theo
cùng một sóng sin chuẩn. Sóng răng cưa bao gồm M sóng, M là số cầu H, mỗi sóng lệch
pha nhau 180/M chu kỳ răng cưa. Mỗi cầu H gồm hai nhánh nửa cầu. Trong mỗi nhánh
nửa cầu van trên, nối với +Udc, van dưới, nối với –Udc mở ngược nhau.
Đối với cầu chữ H có thể điều chế điện áp một cực tính và hai cực tính, trong đó dạng
một cực tính sẽ cho thành phần sóng hài tốt hơn. Khi điều chế một cực tính mỗi nhánh nửa
cầu được điều khiển bởi tín hiệu PWM bởi hai răng cưa lệch nhau 180. Như vậy số răng
cưa tăng lên gấp đôi, mỗi răng cưa lại có một sóng mang ngược pha với nó.
Phương pháp dịch pha đảm bảo rằng sóng hài bậc cao do quá trình điều chế đưa ra có
tần số bằng 2.M.fpwm, nghĩa là cao hơn 2.M lần tần số đóng cắt của mỗi cầu H, nghĩa là tổn
hao do đóng cắt trên van nhỏ hơn 2.M lần so với nghịch 2 mức thông thường. Cùng với
việc các van chỉ phải chịu điện áp (N-1)/2 lần nhỏ hơn so với biên độ điện áp ra mong
muốn, tốc độ tăng điện áp đặt trên tải đầu ra du/dt cũng (N-1)/2 lần nhỏ hơn, thì đây chính
là những ưu điểm quan trọng nhất của nghịch lưu đa bậc, đặc biệt trong các ứng dụng ở dải
công suất lớn và điện áp cao.
Theo phương pháp dịch pha mỗi cầu H đều làm việc như nhau trong toàn dải điều chế
(biên độ sóng sin chuẩn thay đổi từ không đến biên độ của xung răng cưa) nên điện áp Udc
được sử dụng như nhau. Vì vậy trong chế độ nghịch lưu nói chung không cần thực hiện
thuật điều khiển cân bằng điện áp trên các tụ một chiều. Tuy nhiên khi làm việc trong chế
độ chỉnh lưu tích cực nếu các phụ tải phía DC không bằng nhau, tất yếu sẽ dẫn đến các
điện áp phía một chiều DC sẽ có giá trị khác nhau, hay còn gọi là không cân bằng. Chế độ
không cân bằng của các điện áp DC sẽ làm cho dòng xoay chiều phía AC bị méo, độ méo
sóng hài THD tăng mạnh, điều này dẫn đến phải xây dựng những thuật toán phức tạp để
cân bằng điện áp DC.

1.3.3 Điều chế vector không gian (SVM)
Phương pháp SVM áp dụng cho cho nghịch lưu đa bậc trình bày trong một số tài liệu
chẳng hạn như [17], [73]. Phương pháp điều chế vector không gian có thể áp dụng cho tất
cả các loại nghịch lưu đa bậc ba pha. Theo SVM mỗi trạng thái đóng cắt của van (State
Switch) xác định được một vector trạng thái (State Vector). Các vector trạng thái có độ dài
và hướng cố định trên mặt phẳng vector 0αβ, tạo nên mặt phẳng vector không gian. Nối
đỉnh của các vector trạng thái lại với nhau sẽ chia mặt phẳng tọa độ thành các miền giống
nhau, gọi là các sector. Về hình học mỗi vector ở trong một sector có thể được tổng hợp
bởi các vector mà đầu mút của nó tạo nên đỉnh của sector. Tạo nên điện áp đầu ra của sơ
đồ nghịch lưu tương đương với tạo nên vector quay tương ứng với các điện áp ba pha
thành phần. Khi đầu mút của vector quay ở trong sector nào thì nó được tổng hợp từ các
vector trạng thái, có đỉnh tạo nên sector đó.
Phương pháp SVM là phương pháp số hoàn toàn, có thể cài đặt trên các vi xử lý hiện
đại. Về chất lượng thành phần sóng hài điện áp ra và số lần chuyển mạch của van, có thể
chứng minh được rằng trong dải điều chế tuyến tính SVM cũng tương đương với các
30


phương pháp điều chế sóng mang (Carrier based Modulation – CBM). Tuy nhiên trong dải
hệ số điều chế gần bằng 1 SVM vượt trội hơn CBM và đặc biệt tốt hơn ở vùng quá điều
chế, thể hiện ở hệ số biến đổi điện áp tốt hơn, hay nói cách khác là SVM sử dụng điện áp
một chiều tốt hơn.

1.4 Tổng quan về phương pháp chuyển mạch trong biến tần ma
trận
Các phương pháp chuyển mạch trong biến tần ma trận đã được trình bày kỹ trong tài
liệu [16]. Ở mục này, tác giả chỉ tóm tắt một số điểm cơ bản liên quan đến luận án.
Chuyển mạch là quá trình chuyển dòng điện từ một van đang dẫn bị khóa lại sang một
van khác vừa mở ra. Với khâu AC-AC điều chế theo kiểu biến tần ma trận không sử dụng
các mạch RC, bộ phận làm tăng kích thước và tổn thất, nên quá trình chuyển mạch sẽ phức

tạp hơn. Tùy theo dấu của điện áp hay chiều dòng điện biết được mà thực hiện chuyển
mạch theo dòng điện hoặc theo điện áp nhưng sử dụng chuyển mạch theo phương pháp nào
thì đều phải đảm bảo hai yêu cầu là không được làm ngắn mạch điện áp đầu vào và không
được làm hở mạch dòng đầu ra.
Có nhiều quy tắc chuyển mạch như chuyển mạch 1 bước, 2 bước, 4 bước, chuyển mạch
thông minh, ...Tuy nhiên kĩ thuật chuyển mạch bốn bước là một phương pháp hiệu quả,
hay được sử dụng. Quy tắc chuyển mạch bốn bước theo điện áp cho như Hình 1.16.
S A1 DA2
UA

U AB

DA1

S B1

UB

DB1

S A2

iL

L

R

DB 2

SB 2

Hình 1.16 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch

Giả sử UAB đang dương, cần yêu cầu chuyển mạch từ pha A đang dẫn sang pha B, trình
tự chuyển mạch tiến hành theo các bước sau:
 Bước 1: Điều khiển mở van S B 1 , nếu dòng điện i L  0 (tức là S A 1 đang dẫn)
thì cũng không làm ngắn mạch U A B , nếu dòng điện đang âm i L  0 (tức là S A 2
đang dẫn) nhưng do U A B  0 nên S B 1 không thể dẫn dòng do diode D B 2 bị
chặn, vì vậy cũng không làm ngắn mạch U A B được.
 Bước 2: Đưa tín hiệu ngắt van S A 1 . Nếu i L  0 thì dòng tải sẽ chuyển từ pha A
sang pha B và S B 1 sẽ dẫn dòng. Nếu i L  0 thì S A 2 đang dẫn dòng sẽ tiếp tục
dẫn và đi qua D A 1 . Do có D B 2 và D A 1 chặn ( U A B  0 ) nên không bị ngắn
mạch điện áp U A B .

31


 Bước 3: Đưa tín hiệu mở van S B 2 . Nếu i L  0 thì S B 1 đang dẫn dòng tiếp tục
dẫn, dòng điện chảy qua S B 1 và S B 2 và không làm ngắn mạch U A B . Nếu i L  0
thì S A 2 đang dẫn sẽ chuyển sang van S B 2 vì điện áp U A B  0 sẽ khóa D A 1 lại,
cũng không làm hở mạch dòng tải.
 Bước 4: Đưa tín hiệu ngắt van S A 2 . Như vậy đã hoàn thành chuyển chuyển
mạch từ pha A sang pha B.
Phân tích tương tự cho trường hợp U
như cho trên Hình 1.17.

AB

 0,

quá trình chuyển mạch có thể tổng hợp

S A1S A 2 S B1S B 2
U AB  0

1 1 1 0

1 1 0 0
Step 1  td

U AB  0
1 1 0 1

Step 2  td
0 1 1 0

1 0 0 1

Step 3  td
0 1 1 1

Step 4  td

1 0 1 1

0 0 1 1
Hình 1.17 Trạng thái logic của các van trong chuyển mạch bốn bước theo điện áp

Thời gian trễ t d giữa các bước chuyển mạch tương đương với thời gian khóa của van

IGBT, thường chọn khoảng 1  2  s .

1.5 Các phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện cho bộ
biến đổi đa bậc
Trong rất nhiều nhiệm vụ của hệ thống kết nối các nguồn phân tán thì điều khiển dòng
điện đóng vai trò quan trọng. Khả năng đáp ứng và chất lượng chung của hệ thống phụ
thuộc phần lớn vào chất lượng của việc áp dụng chiến lược điều khiển dòng điện. Nó đảm
bảo những điều kiện cơ bản như đảm bảo độ méo sóng hài thấp, đáp ứng động học tốt, điều
chỉnh được điện áp 1 chiều trung gian và trong một số trường hợp, bộ điều khiển dòng thực
hiện luôn cả chức năng điều khiển luồng công suất hai chiều [62].
Các cấu trúc điều khiển dòng điện có thể ứng dụng cho các bộ biến đổi đa bậc có thể
phân loại như cho trên Hình 1.18. Việc lựa chọn bộ điều khiển dòng xuất phát từ mô hình
dòng điện được mô tả trên các hệ trục tọa độ khác nhau. Bộ điều chỉnh dòng điện được
phân thành 2 nhóm chính là bộ điều chỉnh dòng điện được thiết kế theo phương pháp tuyến
tính và bộ điều khiển dòng được thiết kế theo phương pháp phi tuyến. Với phương pháp
thiết kế tuyến tính: điều khiển dòng kiểu PI [58], [67], hysteresis (bang-bang) [38], [81] và
cấu trúc điều khiển dòng kiểu cộng hưởng (PR). Với phương pháp thiết kế phi tuyến: điều
32


khiển tuyến tính hóa chính xác; phương pháp điều khiển tựa thụ động [20], [61]; phương
pháp tựa phẳng. Ngoài ra, một số phương pháp như điều khiển mờ, điều khiển trên cơ sở
mạng nơ-ron, điều khiển dự báo [60], [102]... cũng đã và đang được ứng dụng trong việc
điều khiển mạch vòng dòng điện của bộ biến đổi đa bậc.

ĐK Mờ
(FUZZY)

Cấu trúc điều
khiển khác

Neural
Networks

Dead beat

Các phương pháp điều khiển

ĐK
trượt

ĐK tuyến tính

Hysteresis
(Bang-Bang)

ĐK dự báo
(PREDICTIVE)

PI

PR

ĐK tuyến
tính hóa
chính xác

Điều khiển phi
tuyến

Tựa thụ
động

Tựa
phẳng

Hình 1.18 Phân loại các cấu trúc bộ điều khiển dòng điện cho nghịch lưu đa bậc nối lưới

Bộ điều khiển Hysteresis là một phương pháp thông dụng có khả năng ứng dụng đơn
giản trong thực tế. Bộ điều khiển dòng kiểu Hysteresis có đặc điểm là đáp ứng động học
tốt, tính bền vững cao, điều khiển đơn giản, tin cậy và không cần biết đến tham số của tải.
Tuy nhiên bộ điều khiển này có hạn chế là độ nhấp nhô dòng điện lớn trong chế độ ổn định
do đặc tính của bộ điều khiển là khâu rơ le có trễ và tần số đóng cắt liên tục, không có sự
phối hợp giữa các bộ điều khiển Hysteresis của các pha, nên không có một chiến lược cho
việc tạo ra các véc tơ zero. Do đó, tần số chuyển mạch tăng lên khi điều khiển với chỉ số
điều biến thấp. Ngoài ra điện áp ra sẽ chứa các hài với tần số không phải là bội của tần số
cơ bản.
Phương pháp điều khiển dự báo (Model Predictive Control-MPC) thuộc lớp phương
pháp điều khiển tối ưu số và được sử dụng trong lĩnh vực điều khiển quá trình từ những
năm 1970. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng, sự phát triển của
các bộ vi xử lý và FPGA đã khiến MPC được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống biến
đổi điện tử công suất, đặc biệt là ứng dụng điều khiển dòng trong bộ biến đổi đa bậc như
trong [60] và [102] đã trình bày. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển dự báo là tại thời
điểm k hiện tại và trên cơ sở cực tiểu hóa một hàm mục tiêu Q nào đó được xây dựng từ
chất lượng mong muốn, ta sẽ xác định được dải tín hiệu điều khiển tương lai ui, i = k,
k+1,…, k+N. Trong số các tín hiệu điều khiển tương lai mà ta tìm được đó ta chỉ sử dụng
uk làm tín hiệu điều khiển ở thời điểm hiện tại k. Ở thời điểm k+1 tiếp theo, ta lặp lại chu
trình trên để có uk+1 và như vậy bộ điều khiển phải lặp lại bài toán tối ưu theo hàm mục
tiêu Q tại từng chu kỳ trích mẫu [4].
Phương pháp điều khiển trượt ứng dụng điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất được

đề cập trong nhiều tài liệu chẳng hạn như [91], [97]. Phương pháp điều khiển trượt được
biết đến như là một công cụ hữu hiệu và đơn giản để giải quyết các bài toán điều khiển
thích nghi và điều khiển bền vững [6], là trường hợp riêng của hệ thống điều khiển có cấu
trúc biến đổi được đặc trưng bởi luật điều khiển phản hồi và luật lựa chọn, luật lựa chọn
còn gọi là các hàm chuyển mạch. Phương pháp điều khiển trượt gồm hai công việc chính:
đầu tiên là phải thiết kế hàm chuyển mạch để chuyển động trượt thỏa mãn các đặc tính cần
thiết kế, thứ 2 là lựa chọn luật điều khiển để hàm chuyển mạch thu hút về mặt trượt.
33


Các phương pháp điều khiển dựa trên nguyên lý phẳng và phương pháp tuyến tính hóa
chính xác đã được đề cập trong các tài liệu như [12], [78].Ý tưởng của phương pháp tuyến
tính hóa chính xác là nếu mô hình phi tuyến thỏa mãn một số điều kiện nào đó, tức là ta chỉ
ra nó thuộc một lớp nào đó, ta có thể sử dụng một phép chuyển hệ tọa độ trạng thái sao cho
khi sang không gian trạng thái mới nó là tuyến tính, trên không gian trạng thái mới ta có
thể thiết kế bộ điều khiển tuyến tính cho hệ thống. Đối với phương pháp dựa trên nguyên
lý phẳng, ý tưởng của phương pháp là nếu ta biết trước đầu ra sẽ diễn biến như thế nào và
giả thiết là đối tượng điều khiển đã thực hiện đúng như yêu cầu y*, ta sử dụng một mô hình
ngược tính ngược được giá trị đầu vào u, mô hình đảo chính là bộ điều khiển.
Các phương pháp điều khiển PI, PR (cộng hưởng) và điều khiển tựa thụ động là các
phương pháp mà tác giả lựa chọn áp dụng cho bộ biến đổi. Những nguyên lý cơ bản của
các bộ điều khiển này tác giả sẽ trình bày ở chương 3.
Mỗi phương pháp điều khiển đều có những ưu nhược điểm riêng, tùy theo đặc thù của
cấu hình bộ biến đổi và yêu cầu điều khiển mà người thiết kế sẽ chọn lựa phương pháp phù
hợp với ứng dụng của mình.

1.6 Tổng quan về tình hình ứng dụng bộ biến đổi đa bậc trong
việc kết nối nguồn điện phân tán với lưới
Trong những năm vừa qua, số lượng bài báo và công trình khoa học trong và ngoài
nước nghiên cứu về việc điều khiển ổn định và kết nối các nguồn điện phân tán là rất lớn,

những vấn đề này đã được trình bày ở trong các tài liệu [2], [3], [8], [18], [19], [21], [23],
[32], [34], [41], [69], [70], [80], [82], [108]. Các bộ biến đổi dùng để kết nối các nguồn
điện phân tán phần lớn có cấu trúc back to back (BTB) hoặc kết nối các nguồn điện phân
tán với nhau thành hệ thống thông qua DC bus hoặc AC bus và dựa trên cơ sở nghịch lưu
nguồn áp 2 mức thông thường hoặc nghịch lưu nguồn Z. Tuy nhiên, do sự phát triển của
công nghệ bán dẫn đặc biệt là công nghệ chế tạo IGBT, hàng loạt các bộ biến đổi đa bậc
được sử dụng trong các ứng dụng ở mức trung và cao áp [93]. Các hệ thống như lọc tích
cực (AF), STATCOMs, DVRs và UPFCs đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất
lượng điện năng theo tiêu chuẩn của lưới (grid codes), khá nhiều cấu hình của các hệ thống
đó được xây dựng trên cơ sở các bộ biến đổi đa bậc đã đề cập trong các tài liệu như [44],
[45], [74] và [95]. Một số cấu trúc ứng dụng điển hình cho như trên các Hình 1.19, Hình
1.20, Hình 1.21.
Phase a
dc

6,6kV, 50Hz
dc

ac

dc

dc
ac

ac

dc
ac

dc
ac

ac

Phase b

Phase c

Hình 1.19 Hệ thống STATCOM 1-MVA 6,6 kV xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc cầu H
nối tầng [44]

34


Grid

3-phase
3-level
NPC

Loads
Hình 1.20 Hệ thống AF dựa trên bộ nghịch lưu đa bậc điốt kẹp 3 pha ba bậc [45]

ac/
dc

G

M

Phase b

Phase a

Switch
board
Phase c

Diesel
generator

dc/
ac

-

Hình 1.21 Cấu hình hệ AF trên cơ sở bộ nghịch lưu tụ kẹp 7 bậc[74]

Các bộ biến đổi đa bậc kiểu nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng (CHB) và nghịch lưu đa
bậc kiểu điốt kẹp (NPC) là những cấu trúc rất phù hợp với các ứng dụng Statcom [92].
Nghiên cứu đánh giá việc sử dụng hai cấu trúc trên cho ứng dụng Statcom cho thấy CHB
có hiệu suất, đáp ứng động học tốt và việc điều khiển đơn giản hơn so với NPC [112].
Việc khai thác các nguồn phát phân tán đã có sự phát triển quan trọng trong suốt thập kỷ
qua, nhu cầu tích hợp nhiều nguồn phát phân tán (với bản chất khác nhau ví dụ nguồn điện
mặt trời, sức gió…) với các kho điện và lưới điện đặt ra yêu cầu: lưới điện phải được tổ
chức kiểu lưới điện thông minh. Để đảm bảo điều đó, lưới điện cần sử dụng các bộ biến
đổi đáp ứng được khả năng làm việc ở mức điện áp và hiệu suất cao hơn. Ngoài ra, bộ biến
đổi cũng phải đảm bảo chất lượng điện năng và đáp ứng được các quá trình trao đổi công
suất [92]. Nếu sử dụng bộ biến đổi có cấu hình truyền thống thì khó có thể đạt được những

yêu cầu phức tạp của lưới điện như vậy. Bộ biến đổi đa bậc đã được sử dụng như một giải
pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này, điển hình là trong các tài liệu [54], [93], [102],
[103], [104], [105] và [106] đưa ra bộ biến đổi UNIFLEX-PM (Universal Flexible Power
Management system). Đây là bộ biến đổi linh hoạt có thể dùng để kết nối nhiều nguồn phát
phân tán khác nhau và các kho điện với lưới. Một cấu hình UNIFLEX-PM gồm 3 cổng với
khâu DC-DC cách ly cho như trên Hình 1.22. Bộ biến đổi này được xây dựng trên cơ sở
các bộ đa bậc nối tầng cầu H hoặc cấu trúc đa bậc trên cơ sở bộ DC-AC-AC nối tầng. Ứng
dụng của bộ biến đổi UNIFLEX-PM trong lưới điện phân tán cho như Hình 1.23, bộ biến
đổi đóng vai trò như thiết bị kết nối đa cổng, kết nối nhiều nguồn điện phân tán có bản chất
khác nhau và kho lưu trữ điện với lưới.

35


Có hai cấu hình UNIFLEX-PM được giới thiệu, đó là cấu hình với khâu cách ly là DCDC và cấu hình có khâu cách ly DC-AC. Ở mục tiếp theo đây sẽ phân tích hai cấu trúc này
với cấu hình dùng để kết nối 2 cổng xoay chiều.
3-Port UNIFLEX-PM System
A2

A1

DC

AC
DC
AC

AC
AC

DC
DC

AC

AC
AC

AC
DC

DC

DC
DC

DC
DC

AC
AC

AC
DC

DC

AC
B2

AC

DC

AC

DC

B1

DC

AC

DC

DC

AC

AC

DC
AC

AC

DC
DC

DC
DC

AC

AC
AC

AC
DC

DC

AC
C2

C1

DC

AC

AC
AC

DC
DC

AC

AC
AC

DC

DC

AC
DC

DC

DC

AC

DC
DC

AC
AC

AC
DC

DC

AC

C3

B3

A3

Hình 1.22 Cấu hình bộ biến đổi 3 cổng UNIFLEX-PM xây dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu cầu
H nối tầng ứng dụng để tích hợp các nguồn điện phân tán vào lưới [92], [93]

Hình 1.23 Cấu trúc lưới điện phân tán sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất Uniflex-PM[105]

36


1.6.1 Cấu trúc bộ AC-DC-DC-AC

3,3kV A1

A2

DC

AC
DC
AC

AC
AC

AC

AC
AC

AC
DC

DC

DC
DC

DC
DC

DC
DC

AC
AC

3,3kV

AC
DC

DC

AC

B1

B2

AC

DC
DC

AC
AC

DC

AC

AC

AC
AC

DC

AC
DC

DC

DC
DC

DC
DC

AC
AC

AC
DC

DC

AC
C2

C1

DC

AC

AC
AC

DC

DC

DC

AC

AC
AC

DC

DC

AC
DC

DC

DC

AC

DC

AC
AC

AC
DC

DC

AC

Hình 1.24 Sơ đồ cấu hình Uniflex-PM (Khâu DC-DC cách ly)

Trong [102], [103] nhóm tác giả đã đưa cấu trúc kết nối hai nguồn điện phân tán ở cấp
điện áp cỡ trung áp với bộ biến đổi AC-AC có khâu trung gian DC-DC tần số cao và xây
dựng trên cơ sở nghịch lưu cầu H 7 bậc như Hình 1.24. Các bộ biến đổi AC-DC và DCAC đều là bộ nghịch lưu cầu H thông thường. Tuy nhiên cấu trúc có đến 18 tụ điện một
chiều, việc phải đảm bảo cân bằng điện áp một chiều trên các tụ điện cả hai phía là một
vấn đề phức tạp.

37


1.6.2 Cấu trúc bộ AC-DC-AC-AC
Một cấu trúc đa bậc nối tầng dùng để kết nối các nguồn phân tán với khâu DC-AC cách
ly như Hình 1.25, đã được giới thiệu trong [106]. Khối AC-DC là cầu H và khối DC-ACAC có cấu trúc như Hình 1.26. Khối AC-AC được điều chế theo nguyên lý cycloconverter.

Port1

A1

A2

DC

AC

HF

AC

A1
DC

AC
DC

AC

AC
HF

AC

A2
DC

AC
DC

AC

AC
HF

A3
DC

AC A1

AC
AC

B1
B2

DC

AC

HF

AC

B1
DC

AC
DC

AC

AC
HF

AC

B2
DC

AC
DC

AC

B3
DC

AC
HF

AC

AC
AC

C1

C2

DC

AC

HF

AC

C1
DC

AC
DC

AC

AC
HF

AC

C2
DC

AC
DC

AC
AC

AC
HF

AC

C3
DC
DC

AC

AC

Hình 1.25 Sơ đồ cấu hình Uniflex-PM (Khâu DC-AC cách ly)

38

Port2