Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng cáp ba pha ghép tầng đa bậc

LỜI A
T i in c m đ n đ

ĐOAN

à c ng tr nh nghi n cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết

quả nêu trong luận án là trung thực và chư t ng được ai công bố trong bất k công
trình nào khác.
T i in c m đ n rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này củ t i
đã được cảm ơn đầ đủ và các thông tin trích dẫn sử

ng trong luận án đã được chỉ rõ

nguồn gốc.

Nghiên cứu sinh thực hiện

Trầ Vă T

iii

ận


LỜI CẢ
Xin cảm ơn Thầ TS. NGUYỄN

ƠN

IN

AI, G T NGÔ

AO

ƯỜNG

đã tận t nh hướng dẫn tôi thực hiện luận án nà
Chân thành gửi lời cảm ơn đến

n giám hiệu, t àn th quí thầ c trường Đại học

Công nghệ TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạ , hướng dẫn và tạo mọi đi u kiện thuận ợi, m i
trường học tập, nghi n cứu tốt cho tôi.
Cảm ơn

n ãnh đạo, quí Thầ C

iện k thuật H T CH, Ph ng th nghiệm

Điện – Điện tử Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Ch Minh, Ph ng th nghiệm
Điện tử c ng suất c ng nghệ c
Ch Minh c ng uý h
h

Trường Đại học ư phạm

h

h

n

thuật Thành phố Hồ

n

h

ng

ng

n đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu c ng

như h àn chỉnh luận án.
Xin cảm ơn Đ

ủ , G

Trường Đại học Thông tin Liên lạc và đồng nghiệp

đã động vi n, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và công tác.
Trân trọng !
Nghi n cứu sinh

Trầ Vă T

iv

ận


TÓM TẮT
Cấu hình nghịch ưu tăng áp

I ( witch

nghịch ưu tăng áp cải tiến qSBI (quasi- witch

st inv rt r), nhất là cấu hình
st inv rt r) c đặc tính hoạt động

tương tự với cấu hình nghịch ưu nguồn Z (Z−s urc inv rt r) như:

hả năng tăng

hoặc giảm điện áp với một gi i đ ạn chuy n đổi và giảm sự ảnh hưởng củ nhi u điện
t EMI. Không những thế, cấu hình qSBI sử d ng t hơn 1 t điện và 1 cuộn cảm so
với cấu hình nghịch ưu nguồn Z. Kết quả à k ch thước và giá thành củ

I giảm

đáng k so với nghịch ưu nguồn Z. Vì vậy, cấu hình nghịch ưu tăng áp cải tiến hoàn
toàn có th được

ng đ thay thế nghịch ưu tru n thống c ng như nghịch ưu nguồn

Z trong các ứng d ng công suất thấp. Mặt khác, không giống như việc đi u khi n điện
áp trên thanh cái DC trong cấu hình nghịch ưu nguồn Z, giá trị đỉnh củ điện áp trên

thanh cái DC của cấu hình qSBI luôn bằng với giá trị điện áp trên t điện n n điện áp
trên thanh cái DC của cấu hình qSBI có th đi u khi n trực tiếp th ng u đi u khi n
điện áp trên t . Trong luận án này sẽ tìm hi u và phân tích hoạt động của cấu hình
nghịch ưu tăng áp và gh p tầng nghịch ưu tăng áp

ph

n cạnh đ , phương pháp

đi u chế độ rộng ung (P M) mới sẽ được sử d ng đ tăng độ lợi áp và cải thiện chỉ
số đi u chế nâng cao chất ượng đầu ra của bộ nghịch ưu Ng ài r , ộ đi u khi n điện
áp trên t c ng được sử d ng đ giữ ổn định điện áp ng r khi điện áp nguồn cung
cấp ở đầu và th

đổi hoặc khi có sự th

Dựa trên cấu h nh
ph đ

đổi của tải đầu r

I được ph n t ch, cấu h nh gh p tầng nghịch ưu tăng áp

ậc được đ xuất với một giải thuật đi u khi n các module trong cấu h nh nhằm

giảm các thành phần sóng hài bậc cao củ điện áp ng r
ch các mạch nghịch ưu c ng sẽ được nghi n cứu và đ

iệc n ng c

hệ số tăng áp

uất nhằm cải thiện hệ số

tăng áp ch các mạch nghịch ưu Cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp
đ xuất giải u ết được các vấn đ xảy ra trong nghịch ưu đ

ph đ

ậc

ậc truy n thống đ

à

vấn đ không cân bằng nguồn áp một chi u ( C) đầu và cung cấp giữ các m u
tr n ất k ph nà
thống n ng c

việc ng n mạch xảy ra trong cầu H của mạch nghịch ưu tru n

hệ số tăng áp, đồng thời làm cải thiện độ méo hài tổng (THD) và giảm

sự ảnh hưởng củ nhi u điện t (EMI) Các kết uả ý thu ết sẽ được ki m tr tr n m
hình mô phỏng trên phần m m chuyên d ng P IM Đồng thời cấu h nh đ xuất c ng
được thực nghiệm trên phần cứng có sử d ng mạch đi u khi n

ằng kit

TM 320F28335 đ ki m chứng với các kết quả phân t ch ý thu ết và m phỏng.

v

P


ABSTRACT
The switched boost inverter (SBI) topology, especially the quasi switched boost
inverter (qSBI) configuration, has the same operating principle as the Z-source inverter
such as buck-boost voltage capability with single stage conversion and
electromagnetic interference immunity. Compared to the Z-source inverter, the qSBI
uses one less inductor and one less capacitor. As a result, the size and cost of the
inverter are reduced significantly. So, the qSBI can be used to replace traditional
inverters as well as Z-source inverter in low power applications. On the other hand,
unlike the DC-link voltage controller in the Z-source inverter topology, because the
peak DC-link voltage of the qSBI is the same as the capacitor voltage of the qSBI, the
dc-link voltage in the qSBI can be controlled directly through controlling the capacitor
voltage. This dissertation will focus on researching and analyzing the operating
principles of the quasi switched boost inverter topology and cascaded three-phase
quasi switched boost inverter topology. Besides, a new PWM control method will be
applied to the quasi switched boost inverter topology to increase voltage gain and
improve modulation index for high-quality output. The capacitor voltage controller is
also used to keep constant output voltage when the supply input voltage changes or the
load changes.
Based on the analyzed quasi switched boost inverter topology, a cascaded threephase multi-level quasi switched boost inverter is proposed. Furthermore, a control
strategy for modules in the cascaded multilevel quasi switched boost inverter topology
is also presented to limit high harmonic components in output voltage. Besides, The
strategies for improving voltage gain is also researched and proposed. The cascaded
three-phase multi-level quasi switched boost inverter solves the problems in the
traditional cascaded multi-level inverter as following: unbalance source DC voltage
problem between modules, module voltage cannot be higher than source DC voltage.

and shoot-through problem in H-bridge. Also, the cascaded three-phase multi-level
quasi switched boost inverter has low THD of the output voltage and EMI imunity
capability. Theoretical results will be verified on the simulation model using PSIM
software. The proposed configuration was also tested on hardware using the DSP
TMS320F28335 control circuit to validate the theoretical analysis and simulation
results.
vi


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iv
TÓM TẮT................................................................................................................... v
DANH SÁCH HÌNH .................................................................................................. x
DANH SÁCH BẢNG............................................................................................... xii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... xiii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................. xiii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................... 1
1.1 Tổng quan v vấn đ nghi n cứu. ......................................................................... 1
1.1.1 Nghị h

- t

t

nt

m

............................. 5

1.1.2 Nghị h

p tụ (Flying capacitor inverter). ............................................... 6

1.1.3 Nghị h

ng gh

t ng

......................................................... 7

1.2 M c đ ch củ đ tài............................................................................................... 8
1.3 Nhiệm v và giới hạn củ đ tài. .......................................................................... 9
1 4 Phương pháp nghi n cứu. ..................................................................................... 9
1 5 Đi m mới củ đ tài.............................................................................................. 9
1.6 Giá trị thực ti n củ đ tài ................................................................................. 10
CHƯƠNG 2: CƠ Ở LÝ THUYẾT ......................................................................... 11
2 1 Nghịch ưu nguồn áp ......................................................................................... 11
2.1.1 Khái niệm
2.1.2 Nghị h
2.1.3 C

tăng á t

hình

................................................................................ 11
n th ng

bản của nghị h

2.1.4 Nghị h
CHƯƠNG 3:

h n

-H). ................................................... 14
ng ồn Z. ................................................... 15

tăng á ....................................................................................... 18
O

ÁNH NGHỊCH LƯ

T NG ÁP CẢI TIẾN (

I)

ỚI

NGHỊCH LƯ CẦU H KẾT HỢP MẠCH T NG ÁP C-DC ............................. 24
vii


3 1 Đặt vấn đ . .......................................................................................................... 24
3.2 Phân tích, so sánh cấu h nh củ

I-H và qSBI. ............................................... 25

3.2.1 Giới thiệu khái quát. ...................................................................................... 25
3.2.2 Phân tích nguyên lý ho t ộng của c u hình BDI-H. .................................. 27
3.2.3 Phân tích nguyên lý ho t ộng của c u hình qSBI. ...................................... 29
3 3 T nh t án tổn h

2

và hiệu suất ........................................................................... 34

nh

t nm h

nh

t n

- t ........................................................................................ 36

nh

t n

ộn ảm ................................................................................ 36

nh

t n tụ

............................................................................. 34

ện ..................................................................................... 36

3 4 ết uả thực nghiệm .......................................................................................... 38
ết uận chương 3 .................................................................................................... 39
CHƯƠNG 4: Đ

T MẠCH T NG ÁP C-DC ............................................. 41

4 1 Đặt vấn đ . .......................................................................................................... 41
4.2 Bộ tăng áp C- C kh ng cách
2
22

há

độ lợi cao. .................................................... 42

át ...................................................................................................... 42

xu t c

hình m h tăng á

4.2.3 Kết quả mô phỏng

th

hông á h

-

ộ lợi cao. .............. 46

ngh ệm. ............................................................... 53

Kết luận chương 4 .................................................................................................... 56
CHƯƠNG 5: GHÉP TẦNG NGHỊCH LƯ T NG ÁP A PHA ......................... 57
5 1 Cấu h nh gh p tầng (Cascaded) nghịch ưu

ph tru n thống ...................... 57

5.2 Ghép tầng nghịch ưu tăng áp một pha. .............................................................. 58
5.2.1 C u hình ghép t ng nghị h

t

5.2.2 C u hình ghép t ng nghị h

tăng á

53Đ

n th ng một pha.................................. 58
ải tiến một pha. ............................ 59

uất cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp

ph (CHB-qsBI). ................ 62

5.3.1 Giới thiệu c u hình. ....................................................................................... 62
viii


5.3.2 Phân tích ho t ộng của c

hình

xu t. ................................................... 62

5.4 Mô phỏng gh p tầng nghịch ưu tăng áp một pha. ............................................. 71
5.4.1 Các thông s của m ch. ................................................................................ 71
5.4.2 Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 71
5.5 Mô phỏng gh p tầng nghịch ưu tăng áp

ph ............................................... 73

5.5.1 T

ng hợp các nguồn DC trên một pha cân bằng. ..................................... 74

552

ng hợp các nguồn DC trên một pha không cân bằng. .......................... 76

5.6 Thực nghiệm. ...................................................................................................... 78
5.6.1 Kết quả th c nghiệm trên c

hình gh

t ng một pha. ............................... 78

5.6.2 Kết quả th c nghiệm trên c

hình gh

t ng b

h ................................. 81

ết uận chương 5 .................................................................................................... 86
CHƯƠNG 6: ẾT LUẬN ........................................................................................ 87
6 1 ết uận nội dung trình bày của luận án. ............................................................ 87
6 2 Hướng phát tri n. ................................................................................................ 88
PHỤ LỤC 01- ANH MỤC CÔNG TRÌNH Đ CÔNG Ố ................................. 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 92

ix


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1, 1.2: ơ đồ khối của bộ nghịch ưu tru n thống ..................................... 3
Hình 1.3: Bộ nghịch ưu áp ạng đi-ốt kẹp (NPC) .................................................. 6
Hình 1.4: Bộ nghịch ưu áp ạng kẹp t (FC) ......................................................... 6
Hình 1.5: Bộ nghịch ưu áp đ

ậc dạng Cascade ba pha ....................................... 7

Hình 2.1: Ngu n ý đi u khi n hệ thống điện h

ưới u nghịch ưu ................ 14

Hình 2.2: Cấu hình nghịch ưu tru n thống kết hợp bộ tăng áp C-DC ............... 15
Hình 2.3: Cấu hình nghịch ưu nguồn Z một ph cơ ản ........................................ 15
Hình 2.4: Mạch tương đương của bộ nghịch ưu nguồn Z khi h ạt động ............... 16
Hình 2.5: Bộ nghịch ưu nguồn Z

ph cơ ản..................................................... 16

Hình 2.6: Cấu hình nghịch ưu tăng áp cơ ản ........................................................ 18
Hình 2.7: Cấu hình nghịch ưu tăng áp cải tiến ....................................................... 19
Hình 2.8: Các trạng thái hoạt động của nghịch ưu tăng áp cải tiến........................ 19
Hình 2.9: Giản đồ ung đi u chế sóng Sin cho nghịch ưu tăng áp cải tiến............ 21
ì

3 1: ơ đồ mạch củ

ộ nghịch ưu

I-H .................................................... 26

ì

3 2: ơ đồ mạch củ

ộ nghịch ưu

I ....................................................... 26

ì

3 3: ơ đồ mạch tương đươngcủ

I-H ....................................................... 27

ì

3 4: ơ đồ mạch tương đương củ

I ......................................................... 30

ì

3 5:

sánh hệ số tăng áp củ

ì

3 6:

sánh hiệu suất củ

I-H và
I-H và

I .............................................. 32
I tr ng các trường hợp .................. 37

Hình 3.7: Kết quả thí nghiệm cho bộ qSBI với D = 0.4 .......................................... 39
Hình 4.1: ơ đồ khối mạch biến đổi tăng áp C-DC .............................................. 42
Hình 4.2: Cấu hình DC- C tăng áp C sc

........................................................ 43

Hình 4.3: Cấu hình DC- C tăng áp MC (

t g Mu tip i r C

s) ................... 44

Hình 4.4: Cấu h nh tăng áp k p ............................................................................... 45
Hình 4.5: ơ đồ khối mạch tăng áp c-dc ............................................................... 46
Hình 4.6: Bộ chuy n đổi tăng áp C- C kh ng cách
Hình 4.7: ạng s ng ung đi u khi n củ

c độ lợi cao .................. 46

ộ chu n đổi C- C đ

uất............. 47

Hình 4.8: Trạng thái hoạt động của mạch khi S0 dẫn .............................................. 48
Hình 4.9: Trạng thái hoạt động của mạch khi S0 ng t. ............................................ 48
Hình 4.10: Trạng thái hoạt động của mạch ở chế độ không liên t c (DCM) .......... 49
Hình 4.11: Độ ợi tăng áp củ

ộ chu n đổi đ
x

uất tr ng chế độ DCM / CCM.. 50


Hình 4.12: Đường bao của Kcrit ph thuộc vào D trong chế độ CCM / DCM ...... 51
Hình 4.13: ết uả m phỏng DC-DC .................................................................... 53
Hình 4.14: M h nh thực nghiệm DC-DC ............................................................... 54
Hình 4.15: ết uả thực nghiệm C-DC ................................................................ 55

ì

4 16: Hiệu suất và độ ợi tăng áp củ mạch tăng áp C- C đ

Hình 5.1: Bộ nghịch ưu áp đ

uất .... 56

ậc dạng Cascaded ba pha tru n thống ................ 57

Hình 5.2: Cấu hình nghịch ưu c sc

một pha truy n thống ............................. 59

Hình 5.3: Cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp 3 ph đ xuất ............................ 60
Hình 5.4: Giản đồ thuật t án đi u khi n đi u chế P M......................................... 61
Hình 5.5: K thuật PWM cho cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp.................... 61
Hình 5.6: Cấu hình nghịch ưu tăng áp Cascaded 3 ph đ xuất (CHB-qSBI) ....... 62
Hình 5.7: Ba trạng thái hoạt động của qSBI ............................................................ 64
Hình 5.8: Cấu hình nghịch ưu tăng áp 3 ph nguồn Z (CH -qZBI) ...................... 66
Hình 5.9:

sánh hệ số độ ợi tăng áp củ CH -

I và CH -qZSI ................... 67

Hình 5.10: Giản đồ thuật t án đi u khi n đi u chế P M....................................... 69
Hình 5.11: K thuật đi u chế độ rộng xung PWM .................................................. 70
Hình 5.12: ết uả m phỏng một ph ................................................................... 72
Hình 5.13-5.16: ết uả m phỏng

ph ......................................................... ... 75

Hình 5.17: Mô hình thực nghiệm trên một module một ph . .................................. 79
Hình 5.18, 5.19: ết uả thực nghiệm tr n một ph .............................................. 80
Hình 5.20: Mô hình thực nghiệm cấu h nh gh p tầng

ph ................................. 81

Hình 5.21, 5.22: ết uả thực nghiệm ................................................................... 83
Hình 5.23: Hiệu suất củ mạch ............................................................................... 85

xi


DANH SÁCH BẢNG
B ng 2.1: So sánh các cấu hình nghịch ưu tăng áp ................................................ 22
3 1:

sánh giữ

I và

3: Khoảng thời gian dẫn và

I-H ở c ng đi u kiện đầu và và đầu r ......... 34
ng điện dẫn củ h i ộ nghịch ưu ................. 35

3 3: Các th m số inh kiện cuả mạch

I .................................................... 38

B ng 4.1: Các thông số của cấu hình DC-DC đ xuất............................................. 52
B ng 4.2: Linh kiện dùng trong mô hình thí nghiệm DC-DC ................................. 53
B ng 5.1: So sánh các cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp ................................ 65
B ng 5.2: So sánh cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp ..................................... 66
B ng 5.3: Các trạng thái

gic củ chu n mạch tr n một m

u

I ............... 69

B ng 5.4: Các thông số của mạch mô phỏng cấu h nh một ph ............................. 71
B ng 5.5: Các thông số của mạch mô phỏng cấu h nh

ph ............................... 73

B ng 5.6: Các thông số cho một module mạch thực nghiệm một ph ................... 79
B ng 5.7: Các thông số cho một module mạch thực nghiệm ba pha ...................... 82

xii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
PWM: Pulse Width Modulation
DSP: Digital Signal Processing
SBI: Switched Boost Inverter
CHB: Cascaded H-bridge
qSBI: Quasi-Switched Boost Inverter
qZSI: Quasi-Z-source inverter
BDI-H: Boost DC-DC Inverter and H-bridge
NPC: Neutral point clamped multi converter
FC: Flying Capacitor

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Vdc: Nguồn áp vào
VPN: Điện áp trên thanh cái DC (DC-link)
VC: Điện áp trên t
iL:

ng điện qua cuộn cảm

D: Tỷ số ng n mạch trong mỗi chu k
iPN:

ng điện ng n mạch

M: Chỉ số đi u chế.
S: Các kh

đ ng ng t.

Vac: Điện áp ng r

ộ nghịch ưu

Vt: Điện áp trên tải.
C: T điện
R: Điện trở tải.
L: Cuộn cảm.
fs: Tần số sóng mang.
f0: Tần số cơ ản s ng đi u khi n.

xiii


ƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Tr ng chương nà , sẽ khái uát các nội ung nghi n cứu c

i n u n tr ng

đ chủ ếu tập chung và tổng u n v các cấu h nh nghịch ưu tăng áp Ph n t ch
và àm r
Những ứng

uá tr nh phát tri n, ưu nhược đi m củ các cấu h nh nghịch ưu tăng áp
ng tr ng thực tế và hiệu uả củ các ộ nghịch ưu c ng như các cấu

h nh đã được ứng

ng tr ng các mặt củ đời sống

n sinh, ã hội

Chương nà c ng đ cập àm r phạm vi nghi n cứu, phương pháp nghi n cứu
và những đi m mới củ đ tài tr ng uận án đư r

Đồng thời n u vấn đ nghi n

cứu nghi n cứu củ uận án tr n cơ sở tổng u n được đ cập

1.1 Tổng quan về vấ đề nghiên cứu.
Trong những năm t thập kỷ 80 của thế kỷ trước, ngành k thuật điện tử chủ
yếu được nghiên cứu và ứng d ng trong các mạch thuộc ĩnh vực đi u khi n, đ
ường, bả

n…ch hệ thống điện công nghiệp n i chung h

c n được gọi à điện

tử công nghiệp.
Sang những năm củ thập niên 90, k thuật điện tử phát tri n mạnh mẽ với tốc độ
nhanh đã được ứng d ng khá rộng rãi và thành công lớn trong việc thay thế các thiết
bị điện t

ng đ đi u khi n cung cấp nguồn cho những ph tải một pha, ba pha,

làm các bộ nguồn công suất lớn trong sản xuất công nghiệp… ới ưu đi m là kích
thước nhỏ gọn, d đi u khi n và thuận tiện trong khai thác sử d ng, đáp ứng tần số

được mở rộng hơn, khả năng v công suất, điện áp,

ng điện và độ tin cậy ngày

càng được cải tiến nâng cao.
ước sang thế kỷ XXI, cùng với sự phát tri n mạnh mẽ của n n kinh tế xã hội,
đặc biệt là trong bối cảnh n n cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đ ng i n r c ng
như những phát tri n vượt bậc củ các mặt đời sống ã hội thì nhu cầu tiêu th điện
năng ngày càng lớn. Hiện nay ở nước ta có 2 nguồn sản xuất điện năng chủ yếu đ
là thủ điện và nhiệt điện. Nhiệt điện hiện nay chủ yếu là 3 nguồn: nhiệt điện sử
ng than, nhiệt điện khí và nhiệt điện dầu [2].

1


Vì thế, việc đẩy mạnh nghiên cứu, ứng d ng k thuật mới đ kh i thác các
nguồn năng ượng tái tạ , nhất à năng ượng mặt trời góp phần tạo thêm nguồn
cung cấp điện năng à u hướng tất yếu của thế giới nói chung và Việt Nam nói
ri ng Năng ượng mặt trời là một trong những nguồn năng ượng tái tạo quan trọng
nhất mà thiên nhiên cung cấp cho chúng ta với một qui mô rất lớn cả v thời gian
c ng như kh ng gi n Đồng thời n c ng à nguồn gốc của các nguồn năng ượng
tái tạ khác như năng ượng gi , năng ượng sinh khối, năng ượng thủy tri u,…
Năng ượng mặt trời cùng với các nguồn năng ượng tái tạo có th nói là vô
tận [2] Tu nhi n, đ khai thác và sử d ng nguồn năng ượng này một cách có hiệu
quả, cần phải biết các đặc trưng, tính chất cơ ản củ n , đặc biệt khi nó cung cấp
tới b mặt trái đất và cần phải kết nối nguồn năng ượng này thông qua hệ thống
ưới điện thông minh có sẵn bằng các bộ nghịch ưu tối ưu h

có khả năng kết nối

với điện xoay chi u. Khi có ánh sáng mặt trời tác động đến ã pin, khi đ th ng
u hệ thống pin mặt trời h ạt động sẽ tạ r điện năng một chi u, điện năng một
chi u nà được chuy n đổi thành điện năng

chi u bởi bộ nghịch ưu

ộ đi u

khi n có chức năng tru n năng ượng nà đến ưới điện.
Các bộ nghịch ưu nguồn áp tru n thống được chỉ ra trong [1], [3] được ứng
d ng rộng rãi tr ng đi u khi n động cơ, bộ ưu điện,

điện, hệ thống phân phối

điện…Tu nhi n, c một vài hạn chế khi sử d ng bộ nghịch ưu tru n thống như:
 Thứ nhất à điện áp xoay chi u ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chi u
cung cấp ở ng và .
 Thứ hai là các khóa bán dẫn trên cùng một nhánh không th đ ng đồng thời
được v úc đ

ảy ra tình trạng ng n mạch (h

tr ng ẫn) nguồn áp một chi u làm

mất n t àn c ng như hư hỏng thiết bị.
 Thứ ba là việc tạo ra khoảng thời gian chết (tr ) trong quá trình chuy n mạch
của các khóa bán dẫn nà c ng àm tăng độ méo dạng áp đầu ra.
Đối với những nguồn năng ượng mới, năng ượng tái tạ như pin mặt trời
(PV), pin nhiên liệu (fu

c

)…, điện áp ngõ ra của các dạng năng ượng này là

điện một chi u có giá trị điện áp thấp, không ổn định ph thuộc theo thời gian, đi u
kiện m i trường làm việc. Sử d ng các nguồn năng ượng tái tạ nà đ chuy n đổi
2


thành điện xoay chi u 220 /380 , đ i hỏi điện áp một chi u trước khi đư và
nghịch ưu phải có giá trị lớn hơn 310

ộ

C mới c th ch r được điện áp

chi u ng r 220 Vrms Điện áp một chi u có giá trị lớn có th thực hiện bằng cách
m c nối tiếp các tấm pin điện áp thấp với nh u, đồng nghĩ với số ượng pin phải
nhi u, l p đặt trên diện tích rộng lớn; Đi u này chỉ thích hợp với hệ thống công suất
lớn, c đi u kiện tri n khai trên diện tích rộng. Với những hệ thống công suất nhỏ,
đ tạ r điện xoay chi u 220V/380 t nguồn điện áp thấp, người t thường dùng
các biện pháp sau:
 Một là dùng máy biến áp tần số thấp (50Hz) đ tăng điện áp xoay chi u ngõ
r như H nh 1 1
 Hai là dùng bộ tăng áp điện một chi u (DC-DC boost converter) ph

trước

mạch nghịch ưu như H nh 1 2

Dãy pin
mặt trời 150~300
h ặc pin
Vdc
nhi n iệu

ộ nghịch
Vac
Má tăng áp 220/380 Tải
ưu
Biên độ
chi u
VAC
50Hz
DC-AC
thấp

Hình 1.1: ơ đồ khối của bộ nghịch ưu tru n thống
sử d ng máy biến áp tần số thấp (50Hz)

Dãy pin
ộ tăng áp
mặt trời
150~300 một chi u
h ặc pin
DC-DC
Vdc
nhi n iệu

800

Vdc

ộ nghịch
Tải
220/380
ưu
chi u
VAC
DC-AC

Hình 1.2: ơ đồ khối của bộ nghịch ưu tru n thống
sử d ng bộ tăng áp một chi u
Kết quả sẽ c h i gi i đ ạn chuy n đổi là t điện áp một chi u thấp sang một
chi u cao (DC- C) và điện áp một chi u cao sang xoay chi u cao (DC-AC) hoặc t
điện áp một chi u thấp sang xoay chi u thấp (DC-AC) và điện áp xoay chi u thấp

3


sang xoay chi u cao qua biến áp (AC-AC). Đi u này sẽ àm tăng k ch thước, giảm
hiệu suất của toàn hệ thống, tăng giá thành ộ nghịch ưu c ng như thiết bị. Chính
vì vậy mà việc nghiên cứu các cấu hình nghịch ưu kết hợp tăng áp ng
nghịch ưu h

sử d ng cấu hình mạch kết hợp với hệ số tăng áp c

tr ng mạch
ch ph p ỏ

qua khâu biến đổi tăng áp C- C c ng là một yêu cầu được đặt ra khá cấp thiết.

Cấu hình nghịch ưu nguồn Z đã được đ xuất trong [4], [5] đã giải quyết được
những hạn chế của bộ nghịch ưu tru n thống. Trong cấu hình nghịch ưu nguồn Z,
điện áp ngõ ra được đi u khi n đ lớn hơn điện áp một chi u cung cấp chỉ qua một
lần chuy n đổi thông qua tỷ số ng n mạch. Việc cho phép hoạt động ng n mạch
(các khóa bán dẫn trên cùng một nhánh đ ng đồng thời) đồng nghĩ với việc không
cần phải tạo ra khoản thời gian chết trong quá trình chuy n mạch, làm cải thiện
được chất ượng điện áp ngõ ra. Vì thế mà bộ nghịch ưu nà c ng đã được ứng
d ng khá rộng rãi trong một số mạch chức năng với hiệu suất c ng như hiệu quả sử
ng cao trong thực ti n.
Trong một vài thập niên gần đ , nghịch ưu nguồn Z đã được phát tri n và
nhận được nhi u sự quan tâm nghiên cứu. Các nghiên cứu v nghịch ưu nguồn Z
bao gồm: m h nh h

và đi u khi n trong [4], [8], k thuật đi u chế độ rộng xung

(PWM) trong [6], ứng d ng tr ng năng ượng tái tạo trong [10] và phát tri n các cấu
hình nguồn Z ưới nhi u dạng khác nhau được trình bày ở [11]-[15]. Tuy nhiên,
việc sử d ng hai cuộn cảm và hai t điện trong cấu hình nghịch ưu nguồn Z làm
tăng k ch thước và giá thành của bộ nghịch ưu Đối với những ứng d ng công suất
thấp, việc lựa chọn c ng như

u cầu đặt r đối với k ch thước, trọng ượng và giá

thành là tiêu chí cần phải ưu ti n hàng đầu thì cấu hình nghịch ưu nguồn Z chư
thực sự là lựa chọn phù hợp nhất.
T những đi m còn hạn chế của nghịch ưu nguồn Z; Cấu hình nghịch ưu
tăng áp cơ ản được đ xuất trong [14] và [15] dựa trên cấu hình Watkins-Johnson
ngược có th là lựa chọn đ thay thế nghịch ưu nguồn Z trong một vài ứng d ng có
công suất thấp. Mặc dù cấu hình nghịch ưu nà c đặc tính hoạt động giống với cấu
hình nghịch ưu nguồn Z do có trạng thái hoạt động ng n mạch, nhưng cấu hình

nghịch ưu tăng áp cơ ản lại sử d ng t hơn một t điện, một cuộn dây và nhi u
4


hơn một khóa bán dẫn. Các ph n t ch và đi u khi n PWM cho cấu h nh nà được
trình bày trong [14]. Tuy nhiên cấu hình này có một số hạn chế như:
 Một là, c hệ số tăng áp thấp hơn s với nghịch ưu nguồn Z.
 H i à,

ng điện nguồn hoạt động không liên t c với i n độ nhấp nhô lớn

vì nó kết nối trực tiếp đến đi-ốt, ảnh hưởng đến chất ượng của bộ nguồn và đ i khi
mạch lọc nguồn cần được tăng cường sử d ng đ bảo vệ nguồn dẫn đến tăng k ch
thước c ng như giá thành
Cấu hình nghịch tăng cải tiến được đ xuất trong [16] đã c những ưu đi m
vượt trội so với cấu hình nghịch ưu tăng áp cơ ản như:
 Thứ nhất à

ng điện nguồn hoạt động ở chế độ liên t c

 Thứ hai là cải thiện hệ số tăng áp (nâng hệ số tăng áp

n ằng với cấu hình

nghịch ưu nguồn Z)
Tuy nhiên với cấu hình nghịch ưu áp
thành phần sóng hài bậc cao.

ậc th điện áp ngõ ra tồn tại nhi u

đ khi nối ưới đ i hỏi phải thiết kế bộ lọc lớn, kết

quả àm tăng k ch thước và tăng giá thành của bộ nghịch ưu Các cấu hình nghịch
ưu đ

ậc ạng đi-ốt kẹp (NPC), t kẹp (FC) và gh p tầng (cascaded) trong [17-

19], [72-76], đã kh c ph c được các vấn đ của nghịch ưu

ậc như điện áp đặt

trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao linh kiện c ng giảm theo; tần
số đ ng ng t lớn nên các thành phần hài bậc cao củ điện áp ra giảm nhỏ hơn s với
bộ nghịch ưu

ậc, nhưng vẫn tồn tại một số nhược đi m như điện áp xoay chi u

ngõ ra vẫn thấp hơn điện áp một chi u cung cấp. Bên cạnh đ vấn đ mất cân bằng
giữa các nguồn một chi u đầu vào cung cấp cho nghịch ưu đ
ngại lớn. Ng ài r khi tần số đ ng ng t tăng

n th tổn h

ậc c ng à một trở

sinh r tr ng uá tr nh

đ ng ng t ại tăng n đi u nà cần phải được giải u ết một cách hài h
các cấu h nh nghịch ưu đ

ậc đã được nghi n cứu trước đ

các tr ch ẫn ở tr n chỉ r ưu đi m c ng như hạn chế c th đ

1.1.1 Nghịch lưu

u

-

Đối với

như tr nh ầ tr ng
à:

NPC (Neutral Point Clamped).

Cấu h nh nà được chỉ r tr ng H nh 1 3, n được sử d ng tr ng trường hợp
khi các nguồn vào một chi u (DC) tạo nên t hệ thống điện xoay chi u (AC). Bộ

5


nghịch ưu đ

ậc NPC có một mạch nguồn

C được phân chia thành một số cấp

điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các t điện m c nối tiếp. Giả sử mạch nguồn DC gồm n

nguồn c độ lớn bằng nhau m c nối tiếp, điện áp nguồn DC có th đạt được (n+1)
giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch ưu à (n+1) ậc.
S1

S2

S3

S5

S6

+
Vd -

2

S4

A
B Nối tải
C

Vd
S7

Vd +
2 -

S10

S8

S9

S11

S12

ph

Hình 1.3: Bộ nghịch ưu áp ạng đi-ốt kẹp (NPC)
Bộ nghịch ưu áp đ

ậc dùng đi-ốt kẹp c ưu đi m cải thiện được dạng sóng

điện áp tải và giảm sự tăng vọt điện áp (gai áp) trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch
ưu đ
kh

ậc, điện áp trên các t c ng như inh kiện khác và tần số đ ng ng t của các
điện tử được giảm đi một nữa. Tuy nhiên với số bậc n > 3 thì mức độ chịu gai

áp trên các đi-ốt khác nhau, ngoài ra sự cân bằng điện áp giữa các nguồn
vào (áp trên t ) trở n n kh khăn, đặc biệt khi số bậc càng lớn.

1.1.2 Nghịch lưu

p tụ (Flying capacitor inverter).
S1

S2

S3

S4

S5

S6

A
Vd

C1

C2

C3

B Nối tải
C
S7

S10

S8

S9

S11

S12

Hình 1.4: Bộ nghịch ưu áp ạng kẹp t (FC)
6

ph

C đầu


Cấu trúc bộ nghịch ưu ki u t bay (FC) được chỉ ra trong Hình 1.4 thay thế
cho đi-ốt kẹp dựa vào những thuận lợi của ki u cấu tạ nà đ
+ Khi tần số tăng c

à:

th c th không cần dùng bộ lọc.

+ Có th đi u tiết công suất tác d ng và công suất phản kháng t đ c th
đi u tiết được phân bố công suất trong ưới dùng bộ nghịch ưu
Tuy nhiên, ki u FC c ng c n c những nhược đi m chủ yếu là:
+ Số ượng t công suất lớn tham gia trong mạch nhi u dẫn đến giá thành tăng
và độ tin cậy c ng giảm.
+ Việc đi u khi n kh khăn khi số bậc nghịch ưu tăng c

1.1.3 Nghịch lưu dạng h

(Cascaded).

Tải

B

A
S1

+
-

S3

S5
+
-

+
-

+
S8

S12

S16

Hình 1.5: Bộ nghịch ưu áp đ

S18

Vd3/2
S20

S19

S21

S14

Vd2/2
S15

S17

+
-

Vd2/2

S13

S6

C

S10

S11

S4

Vd1/2
S7

S9

S2

Vd1/2

ph

+
-

S22

Vd3/2
24

S23

ậc dạng Cascade ba pha

Hình 1.5 là cấu trúc cơ ản của bộ nghịch ưu tăng áp đ

ậc ba pha ki u ghép

tầng (cascaded). Trong cấu hình này sử d ng các nguồn một chi u (DC) ở đầu vào
riêng, thích hợp ch trường hợp sử d ng nguồn DC có sẵn, ví d

ưới dạng c quy,

pin. Bộ nghịch ưu ki u cascade gồm nhi u bộ nghịch ưu áp cầu H một pha ghép
nối tiếp với nhau. Bằng cách k ch đ ng các inh kiện trong mỗi bộ nghịch ưu áp
một pha, ba mức điện áp (-

/2, 0,

/2) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của
7


n bộ nghịch ưu áp tr n một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (-Vd/2, -2*Vd/2, ...
-n*Vd/2); n mức điện áp ương (

/2, 2*

/2,…n*

/2) và mức áp 0 Như vậy,

bộ nghịch ưu áp ạng cascade gồm n bộ nghịch ưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ
tạo thành bộ nghich ưu (2n+1) ậc.
Tần số đ ng ng t trong một linh kiện có th giảm đi n ần Điện áp đặt lên các
linh kiện c ng giảm đi, ch ph p sử d ng IG T điện áp thấp. Mạch nghịch ưu đạt
được sự cân bằng điện áp các nguồn DC (v à điện áp nà cố định).
Đối với các dạng sơ đồ các cấu hình nghịch ưu đ

ậc v a nêu trên, xét một

cách khái quát thì tuy mỗi cấu h nh đ u có những ưu và nhược đi m riêng khác
nhau, song trong thực tế dạng ghép tầng (cascaded) và dạng NPC vẫn được th ng
d ng nhất.
Trong luận án này sẽ tr nh à những nội ung tìm hi u và phân tích hoạt
động của cấu hình nghịch ưu tăng áp cải tiến (qSBI) và thuật t án đi u khi n ổn
định điện áp xoay chi u ngõ ra cho mạch nghịch ưu tăng áp được đ xuất trong
[16]. Dựa trên cấu hình nghịch ưu tăng áp nà thực hiện ghép tầng nghịch ưu tăng
áp một pha, ba pha nhằm làm giảm các thành phần sóng hài bậc cao củ điện áp ngõ
ra. Cấu h nh đ xuất c ng sẽ giải quyết các vấn đ như mất cân bằng của các nguồn
một chi u đầu vào cung cấp cho các mạch nghịch ưu tr ng các m

u

t ng ph ,

làm giảm thi u THD cho mạch và hạn chế việc ảnh hưởng của nhi u điện t (EMI)
đến hệ thống. Cùng với đ

àđ

uất mạch chu n đổi tăng áp

c độ tăng áp và hiệu suất c , c th ứng

C- C kh ng cách

ng tr ng các kh u tăng áp củ mạch

nghịch ưu nhằm n ng cải thiện hệ số tăng áp

Tr n cơ sở đã đặt vấn đ ở trên, luận án sẽ làm sáng tỏ bằng việc ph n t ch cơ
sở lý thuyết c ng với

ựng m h nh mô phỏng và thực nghiệm ch kết uả

minh chứng sẽ được tr nh à ở các chương tiếp theo.

1.2 Mục đíc của đề tài.
M c đ ch của đ tài là nghiên cứu v cấu hình nghịch ưu tăng áp được sử
d ng trong hệ thống biến đổi nguồn năng ượng, t đ nghi n cứu ghép tầng đ
nghịch ưu tăng áp ba pha với các đặc đi m chính đ

8

ậc

à: giải quyết vấn đ mất cân


bằng giữa các nguồn DC cung cấp ở đầu vào trong mỗi module ghép tầng, cho phép
các mạch nghịch ưu hoạt động ở chế độ ng n mạch và hệ số tăng áp cao ở ngõ ra
(thông qua các thuật t án đi u khi n), làm cải thiện độ méo hài tổng (THD) và giảm
sự ảnh hưởng củ nhi u điện t (EMI). Đồng thời nghi n cứu và đ
áp

C-DC kh ng cách ly với hệ số tăng áp c ng như hiệu suất c

uất mạch tăng
c th sử

ch kh u tăng áp ở các mạch nghịch ưu, ởi ẽ thực tế nghi n cứu trước đ
r hệ số tăng áp củ các mạch nghịch ưu ch

ng

đã chỉ

à được cải tiến, s ng vẫn c n ở

mức đạt được ch ph p nhất định Đi u nà g p phần àm tăng hiệu suất àm việc
đáng k ch mạch nghịch ưu c ng như các cấu h nh mạch gh p tầng nghịch ưu đ
ch r mức điện áp m ng muốn

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài.
- T m hi u các cấu h nh tăng áp C-DC tru n thống, s sánh ưu nhược đi m, t đ
đ

uất cấu h nh mạch tăng áp C-DC kh ng cách

với hệ số tăng áp và hiệu suất

h ạt động cao.
- Tìm hi u cấu hình nghịch ưu tăng áp đ

ậc, so sánh, nhận xét.

- Nghiên cứu đ xuất cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp ba pha đ

ậc

- Xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm cấu h nh đ xuất.
- Đ xuất hướng nghiên cứu phát tri n tiếp theo củ đ tài.

ơ

1.4

p áp

cứu.

Sử d ng phương pháp nghi n cứu qua tài liệu. Tham khảo t các tạp chí khoa
học, các hội nghị chuyên ngành, các bài báo nghi n cứu được c ng ố tr n thư viện
điện tử I

PLOR , spring r,…

Nghi n cứu, ứng d ng các k thuật đi u chế xây dựng thuật t án đi u khi n và
sử d ng phần m m chuyên d ng PSIM đ mô phỏng cho cấu h nh đ
dựng mô mình thực nghiệm, đi u khi n ằng kit

uất. Xây

P TM 320F28335, thu thập kết

quả và nhận xét kết quả.

1.5 Đ ểm mới của đề tài.
- Đ tài đã đ xuất được cấu hình mạch tăng áp
số tăng áp và hiệu suất c

C-DC kh ng cách

hơn s với các cấu h nh tru n thống
9

với hệ


- Đ tài đã đ xuất được cấu hình ghép tầng nghịch ưu tăng áp
c hệ số tăng áp c

ph đ

ậc

hơn giải quyết vấn đ mất cân bằng giữa các nguồn DC cung

đầu và , đồng thời làm cải thiện độ méo hài tổng (THD) và giảm sự ảnh hưởng củ
nhi u điện t ( MI) tới h ạt động củ mạch.

1.6 Giá trị thực ti n của đề
-

.

ết uả nghi n cứu có th ứng d ng trong hệ thống pin năng ượng mặt trời

(PV), pin nhiên liệu (fu

c

)h

ph ng điện nhằm chuy n đổi điện một chi u

i n độ thấp thành điện xoay chi u có giá trị điện áp cao.
- Các kết uả nghi n cứu này c n c giá trị đối với việc chế tạ thiết ị nghịch
lưu nguồn áp
ứng

ng tr ng ĩnh vực đi u khi n động cơ điện, các thiết ị nguồn điện

ng ch việc khai thác, sử d ng các nguồn năng ượng mới ph c v các mặt

củ đời sống xã hội một cách c hiệu uả.

10


ƯƠNG 2: Ơ Ở LÝ THUYẾT
Trong chương nà sẽ đ cập các nội v cơ sở ý thu ết củ vấn đ nghi n cứu
mà c th

à: Ph n t ch và àm r các cấu h nh nghịch ưu tăng áp tru n thống và

một vài cấu h nh nghịch ưu đã và đ ng được nghiên cứu, ứng
nguồn Z, nghịch ưu tăng áp kết hợp, cấu h nh cải tiến .

ng như nghịch ưu

sánh giữ các cấu h nh

nghịch ưu, rút r ưu nhược đi m củ các cấu h nh, tr n cơ sở đ hướng tới những
nội ung cần tiếp cận cho cấu h nh gh p tầng đ

2.1 N

ịc

uất.

nguồn áp.

2.1.1 Khái niệm và phân l ạ .
 Khái niệm bộ nghịch ưu:
Bộ nghịch ưu c nhiệm v chuy n đổi năng ượng t nguồn một chi u không
đổi sang dạng năng ượng điện xoay chi u với điện áp và

ng điện có tần số ngõ ra

theo yêu cầu đ cung cấp cho tải xoay chi u [1], [3].
Đại ượng được đi u khi n ở ng r à điện áp hoặc

ng điện, tương ứng ta có

bộ nghịch ưu được gọi là bộ nghịch ưu nguồn áp và bộ nghịch ưu nguồn dòng.
Nguồn một chi u cung cấp cho bộ nghịch ưu nguồn áp có tính chất nguồn
điện áp và nguồn cho bộ nghịch ưu nguồn dòng có tính chất à

ng điện. Các bộ

nghịch ưu tương ứng được gọi là bộ nghịch ưu áp nguồn áp và bộ nghịch ưu
nguồn dòng hoặc gọi t t là bộ nghịch ưu áp và ộ nghịch ưu

ng

ng

Tr ng trường hợp các đại ượng cung cấp ở đầu và và đại ượng ở ngõ ra
không giống nhau, ví d bộ nghịch ưu cung cấp

ng điện xoay chi u t nguồn

điện áp một chi u, ta gọi chúng là bộ nghịch ưu đi u khi n
áp hoặc bộ nghịch ưu

ng điện t nguồn điện

ng nguồn áp.

Các tải xoay chi u thường mang tính cảm kháng (ví d động cơ kh ng đồng
bộ, lò cảm ứng),

ng điện qua các linh kiện không th ng t bằng quá trình chuy n

mạch tự nhi n

đ , ộ nghịch ưu thường chứa linh kiện tự kích ng t đ có th

đi u khi n quá trình ng t

ng điện. Trong các ứng d ng với công suất lớn có th

11


dùng GTO, IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuy n mạch. Mỗi linh kiện còn m c
thêm đi-ốt đối s ng đ hạn chế điện áp phát sinh khi kích ng t linh kiện.
Tr ng các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất
ung kháng (động cơ đồng bộ kích t

ư),

ng điện qua các linh kiện có th bị

ng t do quá trình chuy n mạch tự nhiên ph thuộc và điện áp nguồn hoặc ph
thuộc và điện áp mạch tải

hi đ

inh kiện bán dẫn có th chọn là thyristor (SCR).

 Phân loại nghịch ưu nguồn áp:
Bộ nghịch ưu áp cung cấp và đi u khi n điện áp xoay chi u ở ngõ ra. Nguồn
điện áp một chi u có th ở dạng đơn giản như c u , pin điện hoặc ở dạng phức tạp
gồm điện áp xoay chi u được chỉnh ưu và ọc phẳng.
Linh kiện trong bộ nghịch ưu áp c khả năng k ch đ ng và k ch ng t dòng
điện qua nó, tức đ ng v i tr một công t c. Trong các ứng d ng công suất v a và
nhỏ, có th sử d ng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công t c và ở phạm vi

công suất lớn có th sử d ng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuy n mạch.
Ng ài r mỗi công t c (chu n mạch) còn trang bị một đi-ốt m c song song với nó.
Các đi-ốt này tạo thành mạch chỉnh ưu cầu kh ng đi u khi n có chi u dẫn điện
ngược với chi u dẫn điện của các công t c. Nhiệm v của bộ chỉnh ưu cầu đi-ốt là
tạ đi u kiện thuận lợi ch

uá tr nh tr

đổi công suất ảo giữa nguồn một chi u và

tải xoay chi u, u đ hạn chế uá điện áp phát sinh khi kích ng t các công t c.
Nghịch ưu nguồn áp có th có nhi u cấu hình (nhi u loại) c ng như nhi u
phương pháp đi u khi n khác nhau. Vì vậy có th phân loại nghịch ưu nguồn áp
theo các tham số đi c ng như s u:
- Theo số pha: Có nghịch ưu một pha, nghịch ưu

ph

- Theo số cấp điện áp giữa một đầu pha tải đến một đi m c điện thế chuẩn (xác
định) trên mạch: Có nghịch ưu h i ậc (two level), nghịch ưu đ

ậc (multi level)

ba bậc trở lên.
Bộ nghịch ưu áp h i ậc c nhược đi m là tạ r điện áp cung cấp cho cuộn
động cơ với độ dốc khá lớn gây ra một số vấn đ kh khăn, bởi v c n tồn tại
trạng thái khác không (zero) của tổng điện thế t
(commonmode voltage) lớn. Bộ nghịch ưu đ
12

các ph đến tâm nguồn DC

ậc phát tri n đ giải quyết hạn chế


của nghịch ưu h i ậc và loại nà thường được sử d ng cho các ứng d ng điện áp
cao và công suất lớn. Ưu đi m của bộ nghịch ưu áp đ

ậc là công suất của bộ

nghịch ưu tăng n, điện áp đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao
uá tr nh đ ng ng t của linh kiện vì thế mà c ng giảm theo; Tần số đ ng ng t
v

phải (trung

nh), các thành phần hài bậc cao củ điện áp ra giảm nhỏ hơn s

với bộ nghịch ưu h i ậc.
- Theo cấu hình bộ nghịch ưu: Có dạng ghép tầng cascade (cascade converter),
dạng nghịch ưu chứa đi-ốt kẹp NPC (neutral point clamped multi converter), dạng
nghịch ưu kẹp t (Flying capacitor converter), ngoài ra còn có các loại nghịch ưu
i khác…
Hiện nay, có th nói đã có rất nhi u hệ thống điện sử d ng nguồn năng ượng
tái tạ độc lập, tr ng đ c năng ượng mặt trời. Công nghệ nà thường được ứng
d ng cho các khu vực kh ng c

ưới điện công nghiệp hoặc cho các tải công suất

nhỏ. Đặc biệt à được sử d ng khá phổ biến cho các vùng biên giới, hải đảo. Nhược

đi m là nguồn và phải dùng bộ c quy, v

đ t ti n v a gây ô nhi m môi trường.

Mặt khác các bộ c u c ng chỉ t ch được một ượng điện năng nhât định, thời gian
sử d ng có hạn mức, còn với các dàn pin mặt trời hàng ch c h

hàng trăm k

th

sử d ng c u t ch điện là một vấn đ kh khăn rất lớn k cả v cấu trúc c ng như
giá thành, thậm chí có những nơi, những ĩnh vực là không th

Đối với các ứng

d ng quy mô lớn người ta sử d ng công nghệ điện năng ượng mặt trời nối ưới
thông qua hệ thống biến đổi với sự góp mặt của các bộ nghịch ưu.
Trong công nghệ này, nguồn điện t đầu cung cấp là dàn pin mặt trời được
biến đổi thành dòng xoay chi u có hiệu điện thế và tần số phù hợp nhờ các bộ biến
đổi điện (Inv rt r) và được hòa vào mạng ưới điện công nghiệp như Hình 2.1.

13


L
Khóa
án ẫn
IGBT

Vdc

Cầu H

D

Rf

C

Lf
ƯỚI ĐIỆN

IGBT
C

Ạ
TĂNG Á D
(DC-DC CONVERTER)

Ạ

NG Ị
ƯU D -AC
(DC-AC INVERTER)

Hình 2.1: Ngu n ý đi u khi n hệ thống điện h

2.1.2 Nghịch lưu

u

h

ưới u nghịch ưu

(BDI-H).

Với cấu hình nghịch ưu tru n thống th điện áp xoay chi u ngõ ra luôn nhỏ
hơn điện áp một chi u cung cấp.

đ muốn sử d ng nguồn một chi u điện áp thấp

chuy n đổi thành nguồn xoay chi u điện áp cao thì phải c mạch tăng áp được g n
và ph trước các mạch nghịch ưu truy n thống.
Mạch tăng áp tr ng cấu hình nghịch ưu tăng áp tru n thống gồm có 4 loại
linh kiện: cuộn cảm, IGBT (MOFET), đi-ốt và t điện
hoạt động trong hai chế độ khác nhau tùy thuộc và

đ

ộ chuy n đổi có th

ung ượng ưu trữ năng ượng

và chi u ài tương đối của chu k chuy n đổi. Hai chế độ hoạt động được gọi là chế
độ dẫn không liên t c và chế độ dẫn liên t c tương ứng với việc có và không có thời
gian rảnh rỗi củ kh

điện tử.

Hình 2.2 giới thiệu mô hình bộ BDI-H một ph c

ng đầu vào liên t c. Nó

bao gồm một cuộn cảm (L) và một t điện (C), 5 đi-ốt, 5 khóa bán dẫn và tải th
động (R và Ll) Điện áp nguồn VPN được tăng áp đến một giá trị cố định tại thanh
cái DC-link thông qua mạch tăng áp (boost) DC- C Điện áp nà s u đ nghịch ưu
thành điện xoay chi u thông qua bộ nghịch ưu cầu H. Trong cấu hình này, hai khóa
bán dẫn trên cùng một nhánh (ví d S1 và S2) kh ng được kích đ ng đồng thời. Do
vậy khoảng thời gian chết (deadtime) giữa hai khóa bán dẫn phải được tạ r đ bảo
vệ mạch. Kết quả àm tăng độ méo dạng sóng hài (THD) của dạng sóng ngõ ra.

14