Nghiên cứu bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------

NGUYỄN QUỐC HOÀN

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN TẦN MỘT PHA
BẤT ĐỐI XỨNG 5 BẬC LOẠI T

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số : 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019


Cơng trình được hồn thành tại : Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

Cán bộ chấm nhận xét 1:…………………………………………………………..
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:………………………………………………………….
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày ……. tháng ……..năm…..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1…………………………………………………………………………....

2…………………………………………………………………………....
3…………………………………………………………………………....
4…………………………………………………………………………....
5…………………………………………………………………………....
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : Nguyễn Quốc Hoàn

MSHV: 1570869

Ngày, tháng, năm sinh: 30/01/1982

Nơi sinh: Hà Nam

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60520202

I.TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T (A singlePhase Asymmetrical T-Type Five-level Inverter).
II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Phân tích hoạt động, điều khiển bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T (A
single-Phase Asymmetrical T-Type Five-level Inverter).
- Sử dụng PSIM mô phỏng bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T.
- Thiết kế, thực hiện và chạy thực nghiệm bộ nghịch lưu sử dụng Kit của vi điều
khiển TMS320F28379D.
- Kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài.
III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2019
IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 1/6/2019
V.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
Tp. HCM, ngày. . . . tháng. . . . năm 20…
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký )

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Trong thực tế, khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với những
sự hỗ trợ, giúp đỡ dù nhiều hay ít, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong
suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều

sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cơ, gia đình và bạn bè.
Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy
PGS.TS.Nguyễn Đình Tuyên đã trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm
quý báu, và tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn
thành luận văn này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn Khoa Điện – Điện Tử, Phòng Đào Tạo Sau
Đại Học, trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và nghiên. Đồng thời cũng xin được
ghi nhớ tình cảm và sự giúp đỡ của anh chị em trong PTN Nghiên cứu điện tử công
suất – 115B1, các bạn cao học đã đồng hành, hỗ trợ, chia sẻ và giúp đỡ tơi hồn
thành luận văn này.
Cuối cùng, xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn
bè, những người ln dành cho tơi sự quan tâm động viên, tình u thương và tạo
mọi điều kiện tốt nhất để tơi có động lực học tập, phấn đấu trong suốt thời gian qua.
Do thời gian và trình độ cịn nhiều hạn chế nên luận văn chắc chắn sẽ khơng
tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của q thầy cơ
và các bạn để luận văn được hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2019

Nguyễn Quốc Hoàn


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn là dựa trên việc sử dụng bài báo của tạp chí IEEE
để thiết kế và thực nghiệm một bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T (5TL-AHB) để giảm dòng điện rò, cấu trúc bao gồm 2 nhánh thông thường và một
nhánh loại T , nối điểm giữa nguồn DC và một nhánh ở trên
Luận văn này phân tích bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T (5T-LAHB) và thực hiện phương pháp điều chế độ rộng xung PWM ở nhiều mức điện áp
và hệ số điều chế khác nhau. Xác minh bằng thực nghiệm trên tải 1 pha .

ABSTRACT
The main content of the thesis is based on the use article of the IEEE to design
and and experiment an asymmetric multiphase T-inverter (5T-L-AHB) to reduce
leakage current, the structure consists of usual two leg and one T-leg, connecting
points between the DC source and an up leg
This thesis analyzes the 5T-L-AHB inverter and performs method modulation
PWM pulse at different voltage levels and modulation coefficients. Verification by
experiment on 1-phase load


LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các
kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thực. Việc tham khảo
tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu
cầu


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .....................................1
1.1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................1
1.2. Đối tượng thực hiện và mục tiêu nghiên cứu.......................................2
1.3. Phạm vi nghiên cứu................................................................................2
CHƯƠNG 2: bộ biến tần một pha bất đối xứng 5 bậc loại T .......................3
2.1. Tổng quan về hệ thống điện mặt trời. ..................................................3
2.1.1. Hệ thống điện cho những nơi tiêu thụ ít năng lượng điện ...........3
2.1.2. Hệ thống điện mặt trời ở nông thôn...............................................3
2.1.3. Hệ thống điện mặt trời vùng đô thị ................................................4
2.1.4. Hệ thống một bộ nghịch lưu với nhiều bộ chỉnh lưu ....................4

2.1.5. Hệ thống điện mặt trời sử dụng nhiều bộ nghịch lưu ..................5
2.1.6. Hệ thống pin mặt trời tích hợp bộ nghịch lưu ..............................6
2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu một pha năm
bậc kiểu T ...............................................................................................................6
2.2.1. Tổng quát: ........................................................................................6
2.2.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................................9
2.2.3. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin. ....................................14
2.2.3.1. Nguyên lý ..................................................................................14
2.2.3.2. Phương pháp Sin PWM cho bộ nghịch lưu đa bậc ..............17
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA ĐA BẬC 5LT-AHB ......................................................................................................................20
3.1. Mô phỏng luật điều khiển đóng cắt các khóa cơng suất ...................20
3.1.1. Xây dựng mơ hình bộ nghịch lưu một pha năm bậc bằng PSIM
............................................................................................................................20
3.1.2. Kết quả mô phỏng..........................................................................22
3.1.3. Kết luận chương 3..........................................................................31
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG.......................32
4.1. Thiết kế mạch .......................................................................................32
4.1.1. Mạch nguồn DC .............................................................................32
4.1.2. Mạch điều khiển.............................................................................33
4.1.3. Mạch lái ..........................................................................................34


4.1.4. Mạch công suất ..............................................................................35
4.1.5. Cổng logic .......................................................................................36
4.1.6. Tải R-L............................................................................................37
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA ĐA BẬC
5L-T-AHB ................................................................................................................38
5.1. Phương pháp thực nghiệm ..................................................................38
5.2. Kết quả thực nghiệm............................................................................39
5.3. Kết luận chương 5 ................................................................................66

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN ..............................................................................67
6.1. Kết luận .................................................................................................67
6.2. Những hạn chế ......................................................................................67
6.3. Hướng phát triển của đề tài ................................................................68


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Hệ thống điện cabin (từ Microchip Technology Inc) .................................3
Hình 2.2: Hệ thống điện mặt trời ở nơng thơn (từ Microchip Technology Inc) .........3
Hình 2.3: Hệ thống điện mặt trời ở đô thị ( từ Microchip Technology Inc) ...............4
Hình 2.4: Hệ thống điện mặt trời một bộ nghịch lưu với nhiều bộ chỉnh lưu (từ
Microchip Technology Inc) .........................................................................................4
Hình 2.5: Hệ thống điện mặt trời sử dụng nhiều bộ nghịch lưu (từ Microchip
Technology Inc) ...........................................................................................................5
Hình 2.6: Hệ thống pin mặt trời tích hợp biến tần (từ Microchip Technology Inc) ...6
Hình 2.7: Mơ hình của bộ nghịch lưu một pha khơng biến áp ...................................7
Hình 2.8: Mạch theo mơ hình 5L-T-AHB. ..................................................................9
Hình 2.9: Trạng thái 1 ..............................................................................................10
Hình 2.10: Trạng thái 2 ............................................................................................10
Hình 2.11: Trạng thái 4 ............................................................................................11
Hình 2.12: Trạng thái 5 ............................................................................................12
Hình 2.13: Trạng thái 3, cấu hình 1 .........................................................................12
Hình 2.14: Trạng thái 3, cấu hình 2 .........................................................................13
Hình 2.15: Mơ hình chế độ chung cho biến tần một pha khơng biến áp 5L-T-AHB 13
Hình 2.16: Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh ..................................15
Hình 2.17: Điều chế độ rộng xung ............................................................................16
Hình 2.18: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu POD ............................17
Hình 2.19: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu DP ...............................18
Hình 2.20: Phương pháp Sin PWM đa bậc bố trí theo kiểu APOD .........................18
Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch điều khiển và cơng suất .................................................20

Hình 3.2: Sơ đồ khối cơng suất 5L-T-AHB ...............................................................21
Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển 5L-T-AHB ..............................................................21
Hình 3.4: Sóng điều khiển và sóng mang bố trí đối xứng qua trục 0 (POD) ...........22
Hình 3.5: Xung điều khiển khóa S1 ...........................................................................23
Hình 3.6: Xung điều khiển khóa S2 ...........................................................................23
Hình 3.7: Xung điều khiển khóa S3 ...........................................................................23
Hình 3.8: Xung điều khiển khóa S4 ...........................................................................24
Hình 3.9: Xung điều khiển khóa S5, S6.....................................................................24
Hình 3.10: Điện áp đầu ra vAB khi m = 0.8, RG = 25Ω .............................................25
Hình 3.11: Phân tích FFT của điện áp đầu ra vAB khi m = 0.8, RG = 25Ω ..............25
Hình 3.12: Dịng điện đầu ra iL qua tải R-L khi m = 0.8, RG = 25Ω ........................26
Hình 3.13: Điện áp vBZ khi m = 0.8, RG = 25Ω .........................................................26


Hình 3.14: Điện áp vCM khi m = 0.8, RG = 25Ω .......................................................27
Hình 3.15: Dịng điện iCM khi m = 0.8, RG = 25Ω ....................................................27
Hình 3.16: Điện áp vCM, điện áp vBZ và iCM của tác giả m = 0.8, RG = 25Ω ............28
Hình 3.17: Dịng điện iCM khi m = 0.8, RG = 5Ω ......................................................29
Hình 3.18: Dịng điện iCM khi m = 0.8, RG = 10Ω ....................................................29
Hình 3.19: Dịng điện iCM khi m = 0.8, RG = 5Ω, CG = 10nF ..................................30
Hình 3.20: Dịng điện iCM khi m = 0.8, RG = 10Ω, CG = 10nF ................................30
Hình 4.1: Cấu trúc phần cứng của bộ nghịch lưu một pha năm bậc........................32
Hình 4.2: Bộ nguồn DC đầu vào của bộ nghịch lưu 5L-T-AHB ...............................33
Hình 4.3: Mạch điều khiển DSP TMS320F28379D của hãng TI .............................33
Hình 4.4: Mạch lái TX-DA962D6 .............................................................................34
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly ...................................................................34
Hình 4.6: Xung qua mạch lái ....................................................................................35
Hình 4.7: Mạch cơng suất .........................................................................................35
Hình 4.8: Sơ đồ chân và bảng chức năng IC 74HC541 ...........................................36
Hình 4.9: Sơ đồ chân và bảng chức năng IC 74HC04 .............................................36

Hình 4.10: Sơ đồ chân và bảng chức năng IC 74LS08 .............................................37
Hình 4.11: Tải 1 pha R-L ..........................................................................................37
Hình 5.1: Mạch thực tế bộ nghịch lưu ......................................................................38
Hình 5.2: Sơ đồ mơ phỏng theo mạch thực tế ...........................................................38
Hình 5.3: Dạng xung kích các khóa S1, S3 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) khi m=
0.4 ..............................................................................................................................39
Hình 5.4: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) ...........40
Hình 5.5: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) ...........40
Hình 5.6: Điện áp ngõ ra khi m = 0.4, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................41
Hình 5.7: Dịng tải khi khi m = 0.4, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
...................................................................................................................................41
Hình 5.8: Điện áp ngõ ra khi m = 0.4, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ..............................................................................................................................42
Hình 5.9: Dịng tải khi khi m = 0.4, VDC/2 = 20 V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................42
Hình 5.10: Điện áp ngõ ra khi m = 0.4, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ..............................................................................................................................43


Hình 5.11: Dịng tải khi khi m = 0.4, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................43
Hình 5.12: Dạng xung kích các khóa S1,S3 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) khi m
= 0.5 ..........................................................................................................................44
Hình 5.13: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) khi m =
0.5 ..............................................................................................................................44
Hình 5.14: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) khi m =
0.5 ..............................................................................................................................45
Hình 5.15: Điện áp ngõ ra khi m = 0.5, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................45

Hình 5.16: Dịng tải khi khi m = 0.5, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
...................................................................................................................................46
Hình 5.17: Điện áp ngõ ra khi m = 0.5, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ..............................................................................................................................46
Hình 5.18: Dịng tải khi khi m = 0.5, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................47
Hình 5.19: Điện áp ngõ ra khi m = 0.5, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................47
Hình 5.20: Dịng tải khi khi m = 0.5, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................48
Hình 5.21: Điện áp ngõ ra khi m = 0.5, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................48
Hình 5.22: Dịng tải khi khi m = 0.5, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................49
Hình 5.23: Dạng xung kích các khóa S1, S3 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m
= 0.8 ..........................................................................................................................49
Hình5.24: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) khi m =
0.8 ..............................................................................................................................50
Hình 5.25: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) khi m =
0.8 ..............................................................................................................................50
Hình 5.26: Điện áp ngõ ra khi m = 0.8, VDC/2 =15V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................51
Hình 5.27: Dịng tải khi khi m = 0.8, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................51
Hình 5.28: Điện áp ngõ ra khi m = 0.8, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................52
Hình 5.29: Dịng tải khi khi m = 0.8, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
...................................................................................................................................52

Hình 5.30: Điện áp ngõ ra khi m = 0.8, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................53
Hình 5.31: Dòng tải khi khi m = 0.8, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................53
Hình 5.32: Điện áp ngõ ra khi m = 0.8, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................54
Hình 5.33: Dịng tải khi khi m = 0.8, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................54
Hình 5.34: Dạng xung kích các khóa S1, S3 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) khi m
= 0.9 ..........................................................................................................................55
Hình 5.35: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m =
0.9 ..............................................................................................................................55
Hình 5.36: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) khi m =
0.9 ..............................................................................................................................56
Hình 5.37: Điện áp ngõ ra khi m = 0.9, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ..............................................................................................................................56
Hình 5.38: Dịng tải khi khi m = 0.9, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................57
Hình 5.39: Điện áp ngõ ra khi m = 0.9, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................57
Hình 5.40: Dịng tải khi khi m = 0.9, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................58
Hình 5.41: Điện áp ngõ ra khi m = 0.9, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................58
Hình 5.42: Dịng tải khi khi m = 0.9, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................59
Hình 5.43: Điện áp ngõ ra khi m = 0.9, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ..............................................................................................................................59
Hình 5.44: Dịng tải khi khi m = 0.9, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................60

Hình 5.45: Dạng xung kích các khóa S1, S3 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) khi m
= 1.1 ..........................................................................................................................60
Hình 5.46: Dạng xung kích khóa S2 và S4 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) khi m =
1.1 ..............................................................................................................................61
Hình 5.47: Dạng xung kích khóa S5 và S6 thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b) khi m =
1.1 ..............................................................................................................................61
Hình 5.48: Điện áp ngõ ra khi m = 1.1, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ..............................................................................................................................62


Hình 5.49: Dịng tải khi khi m = 1.1, VDC/2 = 15V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................62
Hình 5.50: Điện áp ngõ ra khi m = 1.1, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................63
Hình 5.51: Dịng tải khi khi m = 1.1, VDC/2 = 20V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................63
Hình 5.52: Điện áp ngõ ra khi m = 1.1, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mơ phỏng
(b) ..............................................................................................................................64
Hình 5.53: Dịng tải khi khi m = 1.1, VDC/2 = 25V thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)
...................................................................................................................................64
Hình 5.54: Điện áp ngõ ra khi m = 1.1, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng
(b) ..............................................................................................................................65
Hình 5.55: Dịng tải khi khi m = 1.1, VDC/2 = 30V thực nghiệm (a) và mô phỏng (b)
...................................................................................................................................65


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng tóm tắt điện áp cơ bản theo từng cấu hình ......................................14

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PSIM

– Power electronics and motor drive simulation.

5L-T-AHB

–

A

Single-Phase

Asymmetrical

Transformerless PV Inverter
PV

– Photo Voitaic.

EMI

– Electric Magnetic Interference.

PWM – Pulse–width Modulation.
NPC

– Neutral Point Clamped.

CMI

– Cascade Multilevel Inverter.

CMV

– Common Mode Voltage.

POD

– Phase Opposition Disposition.

DP

– In Phase Disposition.

APOD – Alternative Phase Opposition Disposition.
THD

– Total Harmonic Distortion.

RMS

– Root Mean Square.

T-type

Five-level

DANH MỤC KÝ HIỆU SỬ DỤNG

C1, C2 Tụ điện chia nguồn
Cp,Cp1, Cp2
VPV

Tụ điện hình thành giữa tế bào PV và khung nối đất.

Điện áp tế bào PV.

S1,S2,S3,S4,S5,S6

Các khóa đóng ngắt công suất.

D1,D2

Diode.

VAB

Điện áp ngõ ra.

VCM

Điện áp Common Mode

VAZ,VBZ Điện áp thành phần ngõ ra.
VTCM

Điện áp điều chế.

iCM,i1,i2 Dòng điện Common Mode, dòng điện trong mạch ngõ ra.
ZG,RG,Rs Tổng trở, điện trở.
Li1

Cảm kháng.

Vm

Điện áp sóng mang.

Vđk

Điện áp sóng điều khiển.

Ton,Toff Thời gian đóng, ngắt của khóa cơng suất
mf

Hệ số điều chế tần số.

ma

Hệ số điều chế biên độ

fs,fout

Tần số đóng cắt khóa cơng suất, tần số điện áp ngõ ra.


1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài
Từ những nguồn năng lượng con người đã phát hiện thì điện năng đóng
vai trị quan trọng trong đời sống con người nhờ những ưu điểm vượt trội (dễ
chuyển thành các dạng năng lượng khác, dễ dàng truyền tải đi xa, hiệu suất
cao). Điện năng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ công
nghiệp, dịch vụ,.. đến phục vụ cho đời sống con người.
Nguồn năng lượng để tạo ra điện trước đây là thủy điện, nhiệt điện, điện
hạt nhân,.. Những nguồn năng lượng trên ít nhiều đều gây ảnh hưởng đến môi
trường của con người, ngồi ra thì nhiên liệu hóa thạch (nguồn ngun liệu
của nhiệt điện) ngày càng cạn kiệt do sự khai thác quá mức của con người
trước đây. Vì vậy mà những nguồn năng lượng mới giải quyết những vấn đề
đó đang lên ngôi và được các nước trên thế giới nghiên cứu và áp dụng, điển
hình là năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm và phát triển. Chính
nguyên nhân ấy mà hệ thống tấm pin năng lượng mặt trời (PV- photovoltaic)
ngày càng phổ biến.
Thông thường năng lượng từ pin mặt trời được tích trữ lại trong bình nạp
(accqui) rồi sử dụng năng lượng trong bình nạp đó để nối lưới và sinh hoạt.
Ưu điểm của phương pháp này là điện áp bình nạp cố định, dẫn đến bộ chuyển
đổi ra điện áp sử dụng khá đơn giản. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là gây tổn
hao lớn khi chuyển đổi năng lượng phải qua 2 khâu - từ pin xuống bình nạp rồi
từ bình nạp lên điện áp sử dụng, đồng thời phải tốn thêm thiết bị tích trữ năng
lượng như accqui với giá thành tương đối cao. Bởi vậy, vấn đề đặt ra là tại sao
chúng ta khơng dùng chính lưới điện để làm nguồn “tích trữ năng lượng”?
Như vậy, trong lúc chúng ta sử dụng năng lượng từ lưới điện thì chúng ta cũng
có thể gửi năng lượng lên trên lưới điện. Chính vì lý do trên, ta cần nghiên cứu
và chế tạo bộ nghịch lưu đa bậc để chuyển đổi điện DC thành AC để có thể
hịa lưới. Bộ đa bậc sẽ làm giảm điện áp chịu đựng lên khóa cơng suất và làm
giảm kích thước và giá cả của bộ lọc LC.

2

1.2. Đối tượng thực hiện và mục tiêu nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bộ nghịch lưu một pha năm bậc TNPC.
Mục tiêu nghiên cứu :
Phân tích nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu, nguyên lý đóng cắt các
khóa cơng suất IGBT và xây dựng phương pháp điều chế Sin PWM cho bộ
nghịch lưu đa bậc.
Thực hiện bộ nghịch lưu và kiểm tra các thông số điện áp, dịng điện của
bộ nghịch lưu để từ đó đánh giá chất lượng và phát triển nó.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên những kiến thức đã được học, qua những
bài báo khoa học.
Thực nghiệm: Thiết kế, thực hiện và chạy thực nghiệm bộ nghịch lưu sử
dụng Kit của vi điều khiển TMS320F28379D. Mô phỏng và thực nghiệm trên
tải RL để xác nhận tính đúng đắn của giải thuật PWM cho nghịch lưu năm
bậc.
Phần mềm sử dụng:
- Dựa vào phần mềm mô phỏng PSIM9.0.3 để mô phỏng bộ nghịch lưu
và các xung điều khiển cho các khóa cơng suất.
- Sử dụng phần mềm Code Composer Studio (CCS) để lập trình tạo xung
Sin PWM cho Kit của vi điều khiển TMS320F28379D.
- Phần mềm Altium 2017 để thiết kế các mạch của bộ nghịch lưu.


3

CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN TẦN MỘT PHA BẤT ĐỐI XỨNG 5 BẬC LOẠI T

2.1. Tổng quan về hệ thống điện mặt trời.
Các hệ thống pin năng lượng mặt trời được phân loại theo Microchip
Technology Inc
2.1.1. Hệ thống điện cho những nơi tiêu thụ ít năng lượng điện

Hình 2.1: Hệ thống điện cabin (từ Microchip Technology Inc)
Là một hệ thống cung cấp điện áp 12 Vdc đơn giản cung cấp ánh sáng
cho một căn nhà (nhỏ) độc lập. Tấm thu năng lượng mặt trời nhỏ (<100W)
được kết nối trực tiếp với pin. Pin được nối với đèn và các thiết bị DC khác sử
dụng điện áp 12 volt như hình 2.1. Tuổi thọ pin bị tổn hại bởi việc sạc pin
không được kiểm sốt. Hệ thống này khơng thể dùng để kết lưới và được coi
là "ngoài lưới".
2.1.2. Hệ thống điện mặt trời ở nơng thơn

Hình 2.2: Hệ thống điện mặt trời ở nông thôn (từ Microchip Technology Inc)


4

Gồm các tấm pin lớn hơn có khả năng tạo ra điện áp từ 24-96 Vdc được
kết nối với một hệ thống biến đổi để tạo ra 120/240 Vac để dùng cho các hoạt
động chiếu sáng và các thiết bị gia dụng. Tuổi thọ pin được cải thiện với một
mô-đun sạc được điều chỉnh. Điện áp DC cao hơn hỗ trợ mức điện năng vừa
phải. Hệ thống không thể dùng để kết lưới và được coi là "ngoài lưới".
2.1.3. Hệ thống điện mặt trời vùng đơ thị

Hình 2.3: Hệ thống điện mặt trời ở đô thị ( từ Microchip Technology Inc)
Gồm các tấm pin lớn cung cấp điện áp từ 200-400 Vdc được kết nối với
một bộ nghịch lưu để tạo ra 120/240 Vac ở mức cơng suất trung bình (210KW). Hệ thống này được kết nối với các đường dây điện AC (tức là nối
lưới) như thể hiện trong hình 2.3. Khách hàng bán điện cho cơng ty điện trong

ngày và mua điện từ công ty điện trong đêm.
2.1.4. Hệ thống một bộ nghịch lưu với nhiều bộ chỉnh lưu

Hình 2.4: Hệ thống điện mặt trời một bộ nghịch lưu với nhiều bộ chỉnh
lưu (từ Microchip Technology Inc)


5

Sử dụng bộ chỉnh lưu cho mỗi chuỗi cung cấp năng lượng thu được từ
các tấm pin mặt trời như thể hiện trong hình 2.4. Bộ chỉnh lưu có thể là các
mô-đun riêng biệt hoặc nằm trong bộ nghịch lưu. Phương pháp này dễ hư
hỏng do chỉ có một bộ nghịch lưu , và liên quan đến sự phân bố điện áp DC
cao - một tình huống nguy hiểm vì khả năng kết hợp điện nguồn trực tiếp khó
đạt được.
2.1.5. Hệ thống điện mặt trời sử dụng nhiều bộ nghịch lưu

Hình 2.5: Hệ thống điện mặt trời sử dụng nhiều bộ nghịch lưu (từ
Microchip Technology Inc)
Gồm các tấm pin lớn có khả năng tạo ra điện áp từ 200-400 Vdc được
kết nối với các bộ nghịch lưu để tạo ra điện áp 120/240 Vac ở mức cơng suất
trung bình (2-10 kW). Các bộ nghịch lưu được kết nối với lưới điện như trong
hình 2.5. Việc sử dụng nhiều bộ nghịch lưu để nâng cao năng lượng thu được
từ các tấm pin mặt trời và nâng cao độ tin cậy hệ thống nâng cao.


6

2.1.6. Hệ thống pin mặt trời tích hợp bộ nghịch lưu

Hình 2.6: Hệ thống pin mặt trời tích hợp biến tần (từ Microchip
Technology Inc)
Mỗi tấm pin năng lượng được kết hợp biến tần của riêng mình. Biến tần
kết hợp mơ-đun còn được gọi là bộ biến tần. Việc kết hợp các bộ biến tần vào
các tấm pin mặt trời làm giảm đáng kể chi phí lao động, cải thiện độ an tồn
và tối đa hố việc thu năng lượng mặt trời
2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu một pha năm bậc
kiểu T
2.2.1. Tổng quát:
Với sự nghiên cứu và phát triển, các bộ nghịch lưu không biến áp đã cho
ta thấy được những cải tiến và ưu điểm so với những bộ nghịch lưu với biến
áp cách ly trước đây. Cụ thể là các bộ nghịch lưu khơng biến áp có kích thước
và trọng lượng nhỏ hơn, chi phí sản xuất thấp hơn cũng như hiệu quả hơn [1]–
[7]. Chính vì những cải tiến và ưu điểm đó, các bộ nghịch lưu khơng biến áp
sẽ dần trở thành giải pháp được ưu tiên cho các bộ biến đổi năng lượng tái tạo,
đặc biệt là cho các bộ biến đổi năng lượng mặt trời (PV)


7

Hình 2.7: Mơ hình của bộ nghịch lưu một pha khơng biến áp
Hình 2.7 cho ta thấy một mơ hình đơn giản của bộ nghịch lưu một pha
không biến áp. Vì khơng có máy biến áp (ở tần số cao hoặc thấp) nên có một
mối nối điện giữa bộ chuyển đổi điện và lưới điện. Kết quả là dòng điện rị có
thể chạy xuống đất. Trên thực tế thì dịng điện rị tương ứng với dịng điện
thơng thường và vì thế ta dễ nhầm lẫn giữa chúng. Dòng chảy rò rỉ bao gồm
dòng điện của các điện dung ký sinh Cp1 và Cp2, đó là điện dung được hình
thành giữa các tế bào PV và khung nối đất của bảng PV [8], [9]. Các giá trị
của Cp1 và Cp2 thường từ vài microfarad đến vài nanofarad, nó phụ thuộc vào
các điều kiện về độ ẩm, bụi, kích thước tấm PV, cấu trúc khung,.. Dịng điện

rị có thể ảnh hưởng đến hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống và có thể gây ra
các vấn đề nhiễu điện từ (EMI- ElectroMagnetic Interference) [10], [11].
Thêm vào đó, nó cịn là một mối nguy hiểm tiềm ẩn đối với con người khi tiếp
xúc với các bảng PV. Do đó ở Đức, họ đã cho ra một tiêu chuẩn có tên DIN
VDE 0126-1-1. Trong đó xác định rằng: “Bất cứ khi nào dịng diện rị vượt
q 300 mA, thì hệ thống PV phải được ngắt kết nối trong vòng 0,3 giây”
[12].
Cường độ và tần số của dòng rò rỉ trong một hệ thống PV chủ yếu phụ
thuộc vào kiểu biến tần và phương pháp điều chế. Các mơ hình biến tần khơng
biến áp khác nhau đã được xem xét tập trung vào việc phân tích dịng rị rỉ. Ví


8

dụ, bộ chỉnh lưu cầu H một pha với phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực
và bộ chỉnh lưu ghim điểm trung tính (NPC – Neutral Point Clamped ) là các
cấu trúc liên kết có dịng rị rất thấp.
Một trong những mục tiêu chính trong việc thiết kế các bộ chỉnh lưu kết
nối lưới không biến áp là giảm hoặc loại bỏ dòng rò rỉ. Các giải pháp được báo
cáo cho đến nay có thể được phân loại trong việc thiết kế các chương trình
điều chế và kiểm sốt [11], [16], [19] và đề xuất các mơ hình mới [10], [20] [22].
Các mơ hình khơng biến áp tồn kỳ và các sơ đồ điều chế của chúng để
đối phó với việc giảm dịng rị rỉ được trình bày trong [20], [22] - [24]. Một cải
tiến là mơ hình biến tần H6 nhằm giảm hiện tượng rị rỉ được trình bày trong
[20]. Trong [25], một chiến lược điều chế cho một mơ hình mới của một bộ
chuyển đổi bộ chỉnh lưu ghim điểm trung tính (NPC – Neutral Point Clamped)
ba pha được đề xuất. Mơ hình này bao gồm hai thiết bị chuyển mạch bổ sung,
hai điốt và tụ phân cực ở phía DC. Trong mơ hình này, các điốt và bộ chia
điện dung hạn chế điện áp của các thiết bị chuyển mạch. Trong [26], một mơ
hình khác được trình bày, bao gồm thêm hai thiết bị chuyển mạch và diode.

Mơ hình này có thể giảm thiểu hiện tượng rị rỉ bằng cách sử dụng phương
pháp PWM đơn cực. Trong [27], một bộ chỉnh lưu một pha kết lưới không
biến áp sử dụng hai cuộn cảm. Cuộn cảm hoạt động riêng biệt cho bán kỳ
dương và bán kỳ âm. Ngoài ra, hai thiết bị chuyển mạch phía AC tách riêng
các nguồn PV ra từ lưới, làm giảm hiện tượng rò rỉ tần số cao.
Nhiều biến tần cho phép giảm điện áp trong vật liệu bán dẫn cơng suất,
và kích thước của các bộ lọc đầu ra thụ động [29], có thể là giảm chi phí hệ
thống. Dựa trên những lợi ích này, việc áp dụng các mơ hình đa tầng trong các
hệ thống PV cũng đã được quan tâm trong những năm gần đây [6], [13], [28],
[30]. Các mơ hình đa bậc đã chứng minh những ưu điểm nhất định để đưa điện
vào lưới với các mơ hình đơn giản. Ví dụ, nó đã chỉ ra rằng bộ nghịch lưu liên
tầng đa bậc (CMI – Cascade multilevel Inverter) không cần một giai đoạn tăng