Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha

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

---------------------------

NGUYỄN THẾ DÂN

NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP
BẢY BẬC MỘT PHA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018


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

---------------------------

NGUYỄN THẾ DÂN

NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP
BẢY BẬC MỘT PHA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 28 tháng 07 năm 2018
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)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên
PGS.TS.Ngô Cao Cường
PGS.TS.Huỳnh Châu Duy
TS.Võ Hoàng Duy
PGS.TS.Nguyễn Hùng
TS.Đoàn Thị Bằng

Chức danh Hội đồng

Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày

tháng

năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THẾ DÂN

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/06/1984

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV: 1641830005

I- Tên đề tài:
Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
-

Tìm hiểu cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc.

-

Cải tiến cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc.

-

Đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc.

- Mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm PSIM.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

i

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
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thế Dân


ii

LỜI CÁM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy
cô, giảng viên trường Đại học Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình
giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong toàn khóa học.
Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thanh Phương đã chỉ
bảo, hướng dẫn giúp đỡ tận tình, góp phần hoàn thành Luận văn cũng như trong
quá trình học tập và làm việc vừa qua.
Ngoài ra, tôi cũng xin được gửi đến các Thầy, Cô viện kỹ thuật, thầy cô
viện sau Đại học Trường Đại học Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh lời cảm ơn
sâu sắc vì đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ rất nhiều trong quá trình học tập,
công tác cũng như trong thời gian làm Luận văn này.
Việc thực hiện đề tài Luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu

sót về kiến thức chuyên môn. Kính mong nhận được sự quan tâm, xem xét và
đóng góp ý kiến quý báu của Quý Thầy, Cô và các học viên của lớp để đề tài Luận
văn này hoàn thiện hơn.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!
Thành phố Hố Chí Minh, tháng 7 năm 2018
Người thực hiện

Nguyễn Thế Dân


iii

TÓM TẮT
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu bộ nghịch lưu
tăng áp bảy bậc một pha ” bao gồm các nội dung như sau:
+ Chương 1: Tổng Quan
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết
+ Chương 3: Cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc cải tiến
+ Chương 4: Kết quả mô phỏng
+ Chương 5: Kết luận


iv

ABSTRACT
The thesis focuses on the issues related to "Study of one-stage seven-phase
superimposed inverter system" including the following contents :
+ Chapter 1: Overview
+ Chapter 2: Theoretical Foundations
+ Chapter 3: Advanced seven-stage overcurrent configurations

+ Chapter 4: Simulation results
+ Chapter 5: Conclusions


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN .......................................................................................................... ii
TÓM TẮT ............................................................................................................... iii
ABSTRACT ............................................................................................................ iv
MỤC LỤC ................................................................................................................ v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... ix
Chương 1 .................................................................................................................. 1
TỔNG QUAN .......................................................................................................... 1
1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu ...................................................................... 1
1.2 Mục đích của đề tài......................................................................................... 3
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ..................................................................... 3
1.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 3
1.5 Điểm mới của đề tài........................................................................................ 3
1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài .............................................................................. 3
Chương 2 .................................................................................................................. 5
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................... 5
2.1 Lý thuyết về nghịch lưu .................................................................................. 5
2.1.1 Khái niệm ................................................................................................. 5
2.1.2 Bộ nghịch lưu áp ...................................................................................... 5
2.1.3 Các cấu trúc nghịch lưu đa bậc thông dụng ............................................. 6
2.2 Nghịch lưu tăng áp truyền thống .................................................................... 9

2.3 Nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T .................................................................. 10
2.3.1 Phương pháp điều khiển của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T .... 10
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T ......... 11
2.4 Nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện .............................................. 12
2.4.1 Cấu trúc chuyển điốt tụ điện .................................................................. 13


vi
2.4.2 Phương pháp điều khiển của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt
tụ điện ............................................................................................................. 14
2.4.3 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ
điện.................................................................................................................. 14
2.5 Nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện .................................................................. 17
2.5.1 Cấu trúc chuyển tụ điện (SC)................................................................. 17
2.5.2 Phương pháp điều khiển của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện .... 18
2.5.3 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện ......... 19
Chương 3 ................................................................................................................ 21
CẤU HÌNH NGHỊCH LƯU MỘT PHA TĂNG ÁP BẢY BẬC CẢI TIẾN ........ 21
3.1 Cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảybậc .............................................. 21
3.2 Phương pháp điều khiển tạo 7 bậc điện áp ngõ ra ........................................ 22
3.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc ............................................ 22
3.2.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 23
3.3 Tính toán lựa chọn giá trị cho cuộn dây và tụ điện ...................................... 26
Chương 4 ................................................................................................................ 28
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ........................................................................................ 28
4.1 Sơ đồ mô phỏng trên phần mềm PSIM 9.0 .................................................. 28
4.2 Kết quả mô phỏng thực hiện với phần mềm PSIM ...................................... 28
4.2.1 Kết quả mô phỏng với tần số sóng mang là 5kHz ................................. 28
4.2.2 Kết quả mô phỏng với tần số sóng mang là 10kHz ............................... 35
4.2.3 Kết quả mô phỏng với tần số sóng mang là 15kHz ............................... 42

Chương 5 ................................................................................................................ 46
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 46
5.1 Kết luận ........................................................................................................ 46
5.2 Hướng phát triển ........................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 47


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

MLIS
THD
MLI
NPC

Ý nghĩa tiếng Anh

Nghịch lưu đa bậc

Multi-level Inverter
Total Harmonic Distortion is
Low
Multi-level Configuration
Neutral

Point

Ý nghĩa tiếng Việt

Clamped

Multilevel Inverter
Multilevel

Tổng méo hài thấp
Cấu hình đa bậc
Dạng điối kẹp

FC

Flying Capacitor
Inverter

CHB

Cascade Inverter

Dạng ghép tầng

SC

Switched- Capacitor

Cấu trúc chuyển tụ điện

Dạng kẹp tụ

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: So sánh số linh kiện trong bộ nghịch lưu của 3 dạng cấu hình nghịch
lưu............................................................................................................................. 8
Bảng 2.2: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T. ........ 12
Bảng 2.3: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ
điện. ........................................................................................................................ 16
Bảng 2.4: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện. ........ 20
Bảng 3.1: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu đề xuất sử dụng phương
pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc. ......................................................................... 26


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Cấu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng NPC. ...................................... 6
Hình 2.2: Cấu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng tụ kẹp. .................................... 7
Hình 2.3: Cấu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng cascade. ................................. 8
Hình 2.4: Cấu hình nghịch lưu tăng áp truyền thống. .............................................. 9
Hình 2.5: Cấu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T. ............................................ 10
Hình 2.6: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T. .......... 10
Hình 2.7: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện tải của mạch .................... 12
Hình 2.8: Cấu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện. ........................ 13
Hình 2.9: Cấu trúc và trạng thái của mạch chuyển điốt tụ điện. ............................ 13
Hình 2.10: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T. ........ 14
Hình 2.11: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện tải trong bán kỳ dương
của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện. ....................................... 16
Hình 2.12: Cấu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển tụ điện. ............................. 17
Hình 2.13: Cấu trúc và trạng thái của mạch chuyển tụ điện. ................................. 18

Hình 2.14: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện. ....... 18
Hình 2.15: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện tải trong bán kỳ dương
của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện. ........................................................... 19
Hình 3.1: Sơ đồ mạch nghịch lưu tăng áp bảy bậc. ............................................... 21
Hình 3.2: Giản đồ xung cho bộ nghịch lưu đề xuất với 7 bậc điện áp ngõ ra. ...... 22
Hình 3.3: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện của mạch nghịch lưu khi sử
dụng phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc. .................................................. 25
Hình 4.1: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................... 28
Hình 4.2: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ......................................... 29
Hình 4.3: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ........................................ 29
Hình 4.4: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. ................ 29
Hình 4.5: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ............................. 30
Hình 4.6: Phổ tần số của điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ...... 30
Hình 4.7: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................... 31
Hình 4.8: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ......................................... 31
Hình 4.9: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ........................................ 32


x
Hình 4.10: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. .............. 32
Hình 4.11: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 32
Hình 4.12: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 33
Hình 4.13: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ....................................... 33
Hình 4.14: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ...................................... 34
Hình 4.15: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. .............. 34
Hình 4.16: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 34
Hình 4.17: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 35
Hình 4.18: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ....................................... 36
Hình 4.19: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ...................................... 36
Hình 4.20: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. .............. 36

Hình 4.21: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 37
Hình 4.22: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 37
Hình 4.23: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ....................................... 38
Hình 4.24: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ...................................... 38
Hình 4.25: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. .............. 38
Hình 4.26: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 39
Hình 4.27: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 39
Hình 4.28: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ....................................... 40
Hình 4.29: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ...................................... 40
Hình 4.30: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. .............. 40
Hình 4.31: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 41
Hình 4.32: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 42
Hình 4.33: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 42
Hình 4.34: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 43
Hình 4.35: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 43
Hình 4.36: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 44
Hình 4.37: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 44


1

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
Trong những năm gần đây, các nguồn năng lượng tái tạo như là năng lượng mặt
trời, gió đã được công nhận như là một thay thế có giá trị thay cho các nguồn năng
lượng hóa thạch vì những lợi ích về mặt kinh tế và môi trường. Để đáp ứng với sự
phát triển nhanh chóng của các nguồn năng lượng mới, hiệu suất ngõ ra của hệ thống
nên được cải thiện thông qua việc nâng cao chất lượng dạng sóng điện áp ngõ ra,

giảm tổn hao trên linh kiện và cũng làm giảm các bộ lọc ngõ ra và kích thước biến áp.
Trong số các loại nghịch lưu phổ biến sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo,
nghịch lưu đa bậc (MLIS) [1] có thể tạo ra dạng sóng điện áp có dạng bậc thang đầu

ra từ đó điện áp ngõ ra có chất lượng cao, tổng méo hài thấp (THD), tổn hao
chuyển mạch thấp [2] và cũng không cần bộ lọc ngõ ra lớn [3]–[7].
Các điều kiện chính để tạo ra số lượng các cấp điện áp ngõ ra khác nhau của là sử

dụng nhiều nguồn DC độc lập hoặc liên kết các nguồn DC ảo như tụ điện hoặc
máy biến áp kết hợp với nhiều thiết bị chuyển mạch [8]. Các cấu hình đa bậc
(MLI) phổ biến như: điốt kẹp (NPC) [9], kẹp tụ (FC) [10] và ghép tầng cascade
(CHB) [11], [12]. Trong đó, các bộ nghịch lưu điốt kẹp và kẹp tụ sử dụng điốt và tụ
điện để tạo ra các mức điện áp, và có thể thu được nhiều mức điện áp bằng cách

tăng số lượng các nguồn DC. Tuy nhiên, cả hai cấu hình mạch và phương pháp
điều khiển trở nên rất phức tạp cùng với sự gia tăng số bậc điện áp đầu ra. Hơn
nữa, sự mất cân bằng của tụ điện là một khó khăn khác cần phải được giải quyết
trong các loại cấu hình này. Một số cấu hình mở rộng cho NPC đã được giới thiệu
trong [13]–[15]. Đối với các mạch nghịch lưu hoạt động ở số bậc điện áp cũng
như yêu cầu công suất cao hơn, các bộ nghịch lưu CHB được ưu tiên sử dụng nhờ
vào những mô-đun cầu H tích hợp, từ đó dễ dàng mở rộng [16], [17]. Tuy nhiên,
khi điện áp đầu ra có nhiều cấp hơn, số lượng các nguồn đầu vào sẽ tăng lên.
Trong các nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng để tránh những
hạn chế nói trên thông qua việc giới thiệu các cấu trúc đa bậc mới. Tuy nhiên, tạo


2
ra nhiều cấp điện áp đầu ra với số lượng tối thiểu của các nguồn điện DC độc lập ở
ngõ vào và các thành phần đi kèm khác như mạch điều khiển và các thiết bị
chuyển mạch là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu [18]–[22].

Nghịch lưu đa bậc được giới thiệu trong [23] với việc sử dụng nhiều mô-đun
giúp dễ dàng mở rộng. Tuy nhiên, nó làm tăng số lượng tụ điện và khóa bán dẫn.
Bộ nghịch lưu đa bậc sử dụng các nguồn DC nối tiếp đã được đề xuất trong [24]
với việc sử dụng nhiều nguồn DC để giảm tổn thất chuyển mạch. Tuy nhiên, số
lượng điện áp đầu ra phụ thuộc vào số lượng nguồn cấp DC. Bộ nghịch lưu sử
dụng các nguồn cấp nối tiếp và song song để làm tăng số lượng các cấp điện áp
đầu ra đã được đề xuất trong [25], tuy nhiên cấu hình là phức tạp và làm tăng tổn
hao dẫn. Trong [26], một bộ nghịch lưu có khả năng tang và giảm điện áp và có số
bậc ngõ ra lớn nhờ vào đặc tính của tụ điện, tuy nhiên sự mất cân bằng giữa các tụ
điện rất dễ xảy ra.
Sự thay thế cấu trúc nguồn cấp bằng một mạch chuyển tụ điện (SC) để giải quyết
vấn đề giảm số lượng các nguồn cấp DC. Cấu trúc SC bao gồm một nguồn cấp với
hai khóa bán dẫn chuyển mạch, một điốt và một tụ điện được kết hợp để giúp tụ điện
chuyển đổi hoạt động trong nối tiếp hoặc song song với nguồn cấp. Ý tưởng của cấu
trúc SC được giới thiệu trong [27]. Nhiều bộ nghịch lưu được dựa trên nguyên lý hoạt
động của cấu trúc SC được giới thiệu trong [28]–[31]. Tuy nhiên, hầu hết các cấu trúc
này có điện áp trên tụ chỉ bằng điện áp cung cấp, do đó điện áp đầu ra bị giới hạn.

Trong luận văn này, một phương pháp điều chế mới được áp dụng cho một
cấu hình được phát triển dựa trên bài báo được trình bày trong [32] để tạo ra bảy
bậc điện áp ở ngõ ra, trong đó được sử dụng một nguồn cấp duy nhất và hoạt động
dựa trên nguyên tắc chuyển mạch điốt tụ [33]. Cấu hình cải tiến giúp giảm số
lượng linh kiện bán dẫn cũng như giúp giảm số mạch điều khiển so với các cấu
hình truyền thống. Ngoài ra, bộ nghịch lưu đề xuất chỉ cần bốn công tắc làm việc
ở tần số cao, trong khi với hai công tắc làm việc ở tần số thấp (50 Hz), giúp giảm
thiểu những tổn thất chuyển mạch. Với cấu trúc đơn giản giúp dễ dàng kiểm tra hư
hỏng.


3

1.2 Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài là nghiên cứu các cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc, từ
đó cải tiến cấu hình và đề xuất giải thuật điều khiển, phân tích hoạt động, lựa chọn
linh kiện và tính toán biểu thức điện áp ngõ ra.
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
Để đạt được mục đích trên, đề tài có các nhiệm vụ sau:
-

Tìm hiểu cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc.

-

Cải tiến cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc.

-

Đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc.

-

Mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm PSIM.

1.4 Phương pháp nghiên cứu
-

Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu về các bộ nghịch lưu, mạch tăng

áp và các giải thuật điều khiển từ các tạp chí khoa học, các hội nghị chuyên môn,
các bài báo công bố trên thư viện điện tử IEEE Xplore, IET Digital Library,
Springer…

-

Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM để điều khiển bộ nghịch lưu tăng

áp đa bậc.
-

Ứng dụng các kỹ thuật điều chế PWM, xây dựng mô hình mô phỏng và

thuật toán điều khiển trên phần mềm chuyên dụng Psim.
1.5 Điểm mới của đề tài
Cải tiến cấu hình nghịch lưu nhằm sử dụng ít các khóa bán dẫn hơn các cấu
hình nghịch lưu thông dụng, đồng thời khắc phục được các hạn chế trong việc
tăng áp ngõ ra nhờ một mạch tăng áp được kết hợp vào bộ nghịch lưu.
1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài
Đề tài có thể ứng dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời (PV), pin nhiên
liệu (fuel cell) hay điện gió, nơi mà cần chuyển đổi điện một chiều biên độ thấp
thành điện xoay chiều điện thế cao, hoặc dùng trong các nhà thông minh sử dụng
pin năng lượng mặt trời thay thế cho điện lưới khi mất điện…
Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện và điện tử,
đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất.


4
Các kết quả nghiên cứu còn có giá trị đối với việc chế tạo thiết bị nghịch lưu
áp dùng trong lĩnh vực điều khiển động cơ điện, các thiết bị nguồn điện áp công
suất lớn và các ứng dụng khác liên quan đến năng lượng mới.


5

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Lý thuyết về nghịch lưu
2.1.1 Khái niệm
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều
không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta
có bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp
và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là dòng điện. Các bộ nghịch lưu
tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn
dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống
nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một
chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc
bộ nghịch lưu dòng nguồn áp.
Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng
bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình
chuyển mạch tự nhiên. Do đó, bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để
có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện.
Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất
dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị
ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ
thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor
(SCR).
2.1.2 Bộ nghịch lưu áp
Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn
điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức

tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng.
Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng


6
điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng dụng công suất vừa và
nhỏ, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi
công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.
Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một điốt mắc song song với nó.
Các điốt này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện
ngược với chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu điốt là
tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều
và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc.
2.1.3 Các cấu trúc nghịch lưu đa bậc thông dụng
Có 3 dạng nghịch lưu đa bậc thông dụng:








Dạng điốt kẹp (NPC – Neutral Point Clamped Multilevel Inverter).
Dạng kẹp tụ (Flying Capacitor Multilevel Inverter).
Dạng ghép tầng (Cascade inverter).
Nghịch lưu điốt kẹp (NPC – Neutral Point Clamped Multilevel Inverter)

Bộ nghịch lưu đa bậc NPC có một mạch nguồn DC được phân chia thành
một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Giả sử mạch

nguồn DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có
thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch lưu là (n+1) bậc.

Hình 2.1: Cấu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng NPC.


Ưu điểm: Bộ nghịck lưu NPC Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng điốt kẹp cải

tiến dạng sóng điện áp tải và giảm sự tăng vọt điện áp trên linh kiện


Nhược điểm:

- Khi số bậc của bộ nghịch lưu lớn hơn 3 thì mức độ chịu gai áp trên các điốt


7
sẽ khác nhau.
-

Cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt

khi số bậc lớn


Nghịch lưu kẹp tụ (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

Hình 2.2: Cấu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng tụ kẹp.
Ưu điểm:
Khi tần số tăng cao thì không dùng bộ lọc.



- Có thể điều tiết công suất tác dụng và công suất phản kháng từ đó có thể
điều tiết được phân bố công suất trong lưới dùng biến tần.
-

Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác. Không như

nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng điện áp ba
pha ở ngõ vào.

-

Nhược điểm:
Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng

và độ tin cậy giảm.
-

Việc điều khiển khó khăn khi số bậc nghịch lưu tăng cao



Dạng ghép tầng (Cascade inverter)

Sử dụng nhiều nguồn DC độc lập, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn
DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery. Bộ nghịch lưu dạng cascade gồm nhiều
bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một
pha này có các nguồn DC riêng.

8

Hình 2.3: Cấu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng cascade.
 Ưu điểm:
-

Tần số đóng cắt giảm so với NPC.

-

Điện áp đặt trên các linh kiện giảm (cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp).



Nhược điểm

-

Số linh kiện sử dụng trong mạch vẫn còn nhiều

So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng mạch nghịch lưu áp đa bậc thông
dụng.
Bảng 2.1 so sánh số linh kiện được sử dụng trong bộ nghịch lưu một pha của
3 dạng nghịch lưu kể trên. Ta thấy, số công tắc IGBT được sử dụng trong mỗi
dạng nghịch lưu cùng bậc là như nhau. Điốt thì không cần trong dạng tụ kẹp và
dạng ghép tầng, trong khi đó tụ điện không sử dụng cho dạng ghép tầng.
Bảng 2.1: So sánh số linh kiện trong bộ nghịch lưu của 3 dạng cấu hình
nghịch lưu.
(n là số bậc của bộ nghịch lưu)

Cấu hình

Điốt kẹp NPC

Tụ kẹp

Công tắc bán
dẫn

2(n-1)

2(n-1)

Điốt

(n-1)(n-2)

Tụ điện

(n-1)

nghịch lưu

Ghép tầng
Cascade
2(n-1)
0

n(n-1)/2

0
0

Dựa vào bảng 2.1 ta thấy số lượng linh kiện ở dạng ghép tầng cascade là ít
nhất. Tuy nhiên số lượng linh kiện tham gia vào mạch vẫn còn nhiều. Việc sử


9
dụng nhiều linh kiện trong mạch, đặc biệt là các khóa bán dẫn sẽ gây khó khăn
cho việc điều khiển mạch nghịch lưu đa bậc và làm giá thành bộ nghịch lưu tăng
cao.
2.2 Nghịch lưu tăng áp truyền thống
Với các cấu hình nghịch lưu thông dụng thì điện áp xoay chiều ngõ ra luôn
nhỏ hơn điện áp một chiều cung cấp. Do đó muốn sử dụng nguồn một chiều điện
áp thấp chuyển đổi thành điện áp xoay chiều điện áp cao thì phải thêm mạch tăng
áp vào phía trước mạch nghịch truyền thống như hình 2.4.

Hình 2.4: Cấu hình nghịch lưu tăng áp truyền thống.
Bộ tăng áp trong cấu hình nghịch lưu tăng áp truyền thống có 4 loại linh kiện:
cuộn dây, IGBT, điốt và tụ điện. Khóa bán dẫn S1 đóng ngắt theo chu kỳ. Khi S1
đóng, cuộn dây được nạp năng lượng từ nguồn DC cung cấp Vin trong thời gian ton.
Khi S1 ngắt, cuộn dây L1 giải phóng năng lượng qua điốt D1 tới tải thông qua bộ

nghịch lưu cầu H (T1, T2, T3, T4) trong thời gian toff. Như vậy, thông qua việc điều
khiển thời gian đóng ngắt của khóa bán dẫn S1, năng lượng được tích trữ trong
cuộn dây L1 sẽ làm cho điện áp ngõ ra của bộ biến đổi luôn luôn tăng cao hơn so
với điện áp ngõ vào theo công thức:
(2.1)

Trong đó:

B là hệ số tăng áp của mạch.
D = ton/T là hệ số đặc trưng cho khoảng thời gian dẫn dòng qua khóa S1 hay

còn gọi là tỷ số ngắn mạch, T là chu kì hoạt động của khóa bán dẫn S1.


10
2.3 Nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T

Hình 2.5: Cấu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T.
Hình 2.5 mô tả cấu hình của mạch nghịch lưu một pha tăng áp 5 bậc hình T,
mạch nghịch lưu bao gồm một nguồn cung cấp DC (Vin), một mạch tăng áp truyền
thống (L1, S1, D1) và một mạch nghịch lưu cầu H (T1, T2, T3, T4), khóa bán dẫn S1
được điều khiển để tăng điện áp ngõ vào nhờ đặc tính lưu trữ năng lượng của cuộn
dây L1, hai tụ C1, C2 tạo ra hai nguồn độc lập cấp cho mạch nghịch lưu, bốn điốt
(D1, D2, D3, D4) và khóa S2 được thêm vào giữa bộ nghịch lưu cầu H nhằm chia
đôi điện áp của nguồn cung cấp. Hoạt động của bộ nghịch lưu này được đơn giản
trong 6 trạng thái hoạt động được minh họa ở hình 2.7.
2.3.1 Phương pháp điều khiển của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T
Hình 2.6 trình bày phương pháp điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu tăng
áp bậc hình T, trong đó sử dụng một sóng điều khiển (es) có biên độ Am, hai sóng tam
giác hay còn gọi là sóng mang (e1, e2) có chu kì Ts và tần số fs lớn gấp nhiều lần tần số
sóng điều khiển. So sánh sóng điều khiển và sóng mang, ta được các tín hiệu đóng

ngắt trên các khóa bán dẫn. Một đường thẳng en có giá trị không đổi được so sánh
với sóng mang e2 để tạo tín hiệu đóng ngắt cho khóa S1.

Hình 2.6: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T.

11
Giả định dung lượng và điện áp trên hai tụ C1, C2 là bằng nhau, ta có:
(2.2)

Điện áp tăng lên thu được từ mạch tăng áp là
(2.3)
Trong đó:
B là hệ số tăng áp của mạch.
D là tỷ số ngắn mạch.
VC1 và VC2 tương ứng cho điện áp trên tụ C1 và C2.
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T
Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu 5 bậc hình T được thể hiện trong
hình 2.7. Hoạt động của mạch bao gồm 2 trạng thái dương, 2 trạng thái âm và 2
trạng thái không. Trong bán kỳ dương, điện áp ngõ ra là VC và 2VC tương ứng với
trạng thái 3 và 5 như trong hình 2.7 (c), (e). Trong bán kỳ âm, điện áp ngõ ra là VC và -2VC tương ứng với trạng thái 4 và 6 như trong hình 2.7 (d), (f). Trạng thái
không, điện áp ngõ ra là 0 tương ứng với trạng thái 1, 2 như trong hình 2.7 (a), (b).
Hoạt động của mạch được mô tả như sau:
Trạng thái 1 [hình 2.7(a)]: Trong trạng thái này, khóa T4 dẫn, điốt của khóa
T2 phân cực thuận. Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Vab = 0.
Trạng thái 2 [hình 2.7(b)]: Trong trạng thái này, khóa T2 dẫn, điốt của khóa
T4 phân cực thuận. Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Vab = 0.
Trạng thái 3 [hình 2.7(c)]: Trong trạng thái này, khóa S2 dẫn, điốt D1, D4 phân
cực thuận, tụ C2 cung cấp năng lượng cho tải. Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Vab =
V C.

Trạng thái 4 [hình 2.7(d)]: Trong trạng thái này, khóa S2 dẫn, điốt D2, D3
phân cực thuận, tụ C1 cung cấp năng lượng cho tải. Điện áp ngõ ra ở trạng thái này
là

Vab = - VC.

Trạng thái 5 [hình 2.7(e)]: Trong trạng thái này, khóa T1, T4 dẫn, tụ C1, C2 mắc

nối tiếp nhau cung cấp năng lượng cho tải. Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Vab =
2VC.
Trạng thái 6 [hình 2.7(f)]: Trong trạng thái này, khóa T2, T3 dẫn, tụ C1, C2 mắc
nối tiếp nhau cung cấp năng lượng cho tải. Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Vab = 2VC.