Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp ba pha ghép tầng đa bậc = study the three phase cascaded multilevel switched boost inverter

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



TR N

N TH

N

NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH Ư T NG P
PH GH P T NG Đ
C
(STUDY THE THREE-PHASE CASCADED
MULTILEVEL SWITCHED BOOST INVERTER)
LU N ÁN TIẾN SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, N M 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TR N

N TH

N

NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH Ư T NG P

PH GH P T NG Đ

C

(STUDY THE THREE-PHASE CASCADED
MULTILEVEL SWITCHED BOOST INVERTER)
C

ỹ thuật điện
: 62520202

Phản biện độc lập 1: GS.TS. Phạm Thị Ngọc Yến
Phản biện độc lập 2: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
Phản biện 1: GS.TS. Lê Kim Hùng
Phản biện 2: GS.TS. Phạm Thị Ngọc Yến
Phản biện 3: PGS.TS. Lê Minh Phương

G

I

ỚNG DẪ

O

1. TS. Nguyễn Minh Khai
2. PGS.TS. Ngô Cao Cường

C

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM

Người hướng dẫn khoa học 1: T

N

Người hướng dẫn khoa học 2: G T

N

Luận án tiến sĩ được bảo vệ cấp ường tại T ường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 21 tháng 6 năm 2019.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận án tiến sĩ cấp ường gồm:
TT
1
2
3
4
5
6
7

Chức danh Hộ đồng

Họ và tên
G T

H Ngu n u n u nh

G T
G T

im H ng

ch

Phản biện 1

hạm Th Ngọc ến

Phản biện 2

L Minh hương

hản iện

Ngu n Minh T m

Ủy viên

Ngu n Th nh hương

Ủy viên

G T
G T
G T

L

Ch

G T

Hu nh Ch u u

Ủ vi n, Thư ký

i


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO AU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 20…

NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TIẾN Ĩ
Họ n NC

T ần ăn Thuận .................................................................... Giới tính: Nam

Ng , háng, năm sinh 2
Chu n ng nh

19

Nơi sinh

huậ điện

c Gi ng

M số NCS:1542830002

I- Tê đề tài: Nghiên cứu bộ ngh ch ưu ăng á

h gh

ầng đ

ậc

(study the three-phase cascaded multilevel switched boost inverter)
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- T m hi u các cấu h nh ăng á
uấ cấu h nh mạch ăng á

C- C u n hống, s sánh ưu nhược đi m,

đ đ

C- C với hệ số ăng á v hiệu suấ c

- Tìm hi u cấu hình ngh ch ưu ăng á đ

ậc, so sánh, nhận xét.

- Nghiên cứu đ xuất cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á đ

ậc ba pha giải quyết

các vấn đ đặt ra k trên.
- Xây dựng mơ hình mơ phỏng và thực nghiệm cấu h nh đ xuất.
- Đ xuấ hướng nghiên cứu phát tri n tiế

h

c

đ

i

III- Ngày giao nhiệm vụ: 03/09/2015
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 21/12/2018
V- Cán bộ

ớng dẫn: T Ngu n Minh h i, G T

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

G T N
VIỆN ĐÀO TẠO AU ĐẠI HỌC

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

N

Cường

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

TS. Nguy

G T

Ng C

T

PGS.TS. Huỳnh Châu Duy
ii


LỜI A
T i in c m đ n đ

c ng

ĐOAN

nh nghi n cứu c a riêng tôi. Các số liệu, kết

quả nêu trong luận án là trung thực v chư

ng được ai cơng bố trong bất k cơng

trình nào khác.
T i in c m đ n ằng mọi sự giú đỡ cho việc thực hiện luận án này c
đ được cảm ơn đầ đ và các thơng tin trích dẫn s

ng trong luận án đ được chỉ rõ

nguồn gốc.

Nghiên cứu sinh thực hiện

Trầ Vă T

iii

i

ận


LỜI CẢ

ƠN

Xin cảm ơn Thầ TS. NGUYỄN MINH KHAI, PGS.TS. NGƠ AO ƯỜNG
đ ận nh hướng dẫn tơi thực hiện luận án n
Chân thành g i lời cảm ơn đến

n giám hiệu,

n h q thầ c

ường Đại học

Cơng nghệ TP. Hồ Chí Minh đ giảng dạ , hướng dẫn và tạo mọi đi u kiện huận ợi, m i
ường học tậ , nghi n cứu ốt cho tôi.
Cảm ơn

n

nh đạo, quí Thầ C

iện k

huậ H T CH, h ng hí nghiệm

Điện – Điện t T ường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, h ng hí nghiệm
Điện

c ng suấ c ng nghệ c

Minh c ng uý h
h

h

huộc T ường Đại học ư hạm
h

n

n

huậ Tp. Hồ Chí

h

ng

ng

n đ hỗ trợ, giú đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu c ng như

hoàn chỉnh luận án.
Xin cảm ơn Đ

GH T ường Đại học Thông tin Liên lạc v đồng nghiệp

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

Trầ Vă T

iv

ận

TĨM TẮT
Cấu hình ngh ch ưu ăng á

I ( wi ch

ngh ch ưu ăng á cải tiến qSBI (quasi- wi ch

boost inverter), nhất là cấu hình
s inv

) c đặc tính hoạ động

ương ự với cấu hình ngh ch ưu nguồn Z (Z−s u c inv

) như

hả năng ăng

hoặc giảm điện áp với mộ gi i đ ạn chuy n đổi v giảm sự ảnh hư ng c
t EMI. Không những thế, cấu hình qSBI s d ng í hơn 1
với cấu hình ngh ch ưu nguồn Z. Kết quả

nhi u điện

điện và 1 cuộn cảm so

kích hước v giá h nh c

I giảm

đáng k so với ngh ch ưu nguồn Z. Vì vậy, cấu hình ngh ch ưu ăng á cải tiến hồn
tồn có th được

ng đ thay thế ngh ch ưu u n thống c ng như ngh ch 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 ngh ch ưu nguồn Z, giá tr đỉnh c

điện áp trên

thanh cái DC c a cấu hình qSBI ln bằng với giá tr điện áp trên t điện n n điện áp
trên thanh cái DC c a cấu hình qSBI có th đi u khi n trực tiế
điện áp trên t . Trong luận án n

h ng u đi u khi n

sẽ tìm hi u và phân tích hoạ động c a cấu hình

ngh ch ưu ăng á v gh

ầng ngh ch ưu ăng á

đi u chế độ ộng ung (

M) mới sẽ được s d ng đ

h

n cạnh đ , hương há

ăng độ lợi áp và cải thiện chỉ

số đi u chế nâng cao chấ ượng đầu ra c a bộ ngh ch ưu Ngoài ra, bộ đi u khi n điện
áp trên t c ng được s d ng đ giữ ổn đ nh điện á ngõ
đầu v

cấp

h

đổi hoặc khi có sự h

Dựa trên cấu h nh
h đ

khi điện áp nguồn cung

đổi c a tải đầu

I được h n ích, cấu h nh gh

ầng ngh ch ưu ăng á

ậc được đ xuấ với mộ giải thuậ đi u khi n các module trong cấu h nh nhằm

giảm các thành phần sóng hài bậc cao c

điện á ngõ

ch các mạch ngh ch ưu c ng sẽ được nghi n cứu v đ

iệc n ng c

hệ số ăng á

uấ nhằm cải hiện hệ số

ăng á ch các mạch ngh ch ưu Cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á
đ xuất giải u ế được các vấn đ xảy ra trong ngh ch ưu đ
vấn đ không cân bằng nguồn áp một chi u ( C) đầu v
n ấ k

h n

thống n ng c

ậc

ậc truy n thống đ

cung cấp giữ các m u

việc ng n mạch xảy ra trong cầu H c a mạch ngh ch ưu u n
nhi u điện t ( MI) Các kế

hình mơ phỏng trên phần m m chuyên d ng
được thực nghiệm trên phần cứng có s
20F2

h đ

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

sự ảnh hư ng c

TM

a

uả ý hu ế sẽ được ki m

nm

IM Đồng thời cấu h nh đ xuấ c ng
d ng mạch đi u khi n

ằng ki

5 đ ki m chứng với các kết quả h n ích ý hu ế v m phỏng.
v


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

nt

m

............................. 6

1.1.2 Nghị h

p tụ (Flying capacitor inverter). ............................................... 7

1.1.3 Nghị h

ng gh

1.2 M c đích c

t ng

......................................................... 8

đ tài............................................................................................... 9

1.3 Nhiệm v và giới hạn c
1

t

đ tài. ........................................................................ 10

hương há nghi n cứu. ................................................................................... 10

1 5 Đi m mới c

đ tài............................................................................................ 10

1.6 Giá tr thực ti n c

đ

i ................................................................................. 11

CHƯƠNG 2 CƠ Ở LÝ THUYẾT ......................................................................... 12
2 1 Ngh ch ưu nguồn á ......................................................................................... 12
2.1.1 Khái niệm
2.1.2 Nghị h
2.1.3 C

tăng á t

hình

................................................................................ 12
n th ng

bản của nghị h

2.1.4 Nghị h
CHƯƠNG

h n

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

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

ÁNH NGHỊCH LƯ

T NG Á

NGHỊCH LƯ CẦU H KẾT HỢP MẠCH T NG Á
vii

CẢI TIẾN (

I)

ỚI

C-DC ............................. 25


1 Đặt vấn đ . .......................................................................................................... 25
3.2 Phân tích, so sánh cấu h nh c

I-H và qSBI. ............................................... 26

3.2.1 Giới thiệu khái quát. ...................................................................................... 26
3.2.2 Phân tích nguyên lý ho t ộng của c u hình BDI-H. .................................. 28
3.2.3 Phân tích ngun lý ho t ộng của c u hình qSBI. ...................................... 30
Tính

2

ế

án ổn h

v hiệu suấ ........................................................................... 35

nh

t nm h

nh

t n

- t ........................................................................................ 37

nh

t n

ộn ảm ................................................................................ 37

nh

t n tụ

............................................................................. 35

ện ..................................................................................... 37

uả hực nghiệm .......................................................................................... 39

ế uận chương .................................................................................................... 40
CHƯƠNG

Đ

T MẠCH T NG Á

C-DC ............................................. 42

1 Đặt vấn đ . .......................................................................................................... 42
4.2 Bộ ăng á
2

22

há

C- C kh ng cách

độ lợi cao. .................................................... 43

át ...................................................................................................... 43

xu t c

hình m h tăng á

4.2.3 Kết quả mô phỏng

th

hông á h

-

ộ lợi cao. .............. 47

ngh ệm. ............................................................... 54

Kết luận chương .................................................................................................... 57
CHƯƠNG 5 GHÉ TẦNG NGHỊCH LƯ T NG Á
5 1 Cấu h nh gh

ầng (C sc

) ngh ch ưu

h

A HA ......................... 58
u n hống ...................... 58

5.2 Ghép tầng ngh ch ưu ăng á một pha. .............................................................. 59
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

5 Đ

n th ng một pha.................................. 59
ải tiến một pha. ............................ 60

uấ cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á

h (CH -qsBI). ................ 63

5.3.1 Giới thiệu c u hình. ....................................................................................... 63
viii

5.3.2 Phân tích ho t ộng của c
5.4 Mơ phỏng gh

hình

xu t. ................................................... 63

ầng ngh ch ưu ăng á mộ

h ............................................. 72

5.4.1 Các thông s của m ch. ................................................................................ 72
5.4.2 Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 72
5.5 Mô phỏng gh

ầng ngh ch ưu ăng á

h ............................................... 74

55

ng hợp các nguồn DC trên một pha cân bằng. ..................................... 75

552

ng hợp các nguồn DC trên một pha không cân bằng. .......................... 77

5.6 Thực nghiệm. ...................................................................................................... 79
5.6.1 Kết quả th c nghiệm trên c

hình gh

5.6.2 Kết quả th c nghiệm trên c u hình gh

t ng một pha. ............................... 79
t ng b

h ................................. 82

ế uận chương 5 .................................................................................................... 88
CHƯƠNG 6

ẾT LUẬN ........................................................................................ 89

6 1 ế uận nội dung trình bày c a luận án. ............................................................ 89
6 2 Hướng phát tri n. ................................................................................................ 90
HỤ LỤC 01- ANH MỤC CƠNG TRÌNH Đ CƠNG Ố ................................. 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 94

ix


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1, 1.2: ơ đồ khối c a bộ ngh ch ưu truy n thống ..................................... 3
Hình 1.3: Bộ ngh ch ưu á

ạng đi-ố kẹp (NPC) .................................................. 6

Hình 1.4: Bộ ngh ch ưu á

ạng kẹp t (FC) ......................................................... 6

Hình 1.5: Bộ ngh ch ưu á đ

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

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

ưới u ngh ch ưu ................ 14

Hình 2.2: Cấu hình ngh ch ưu u n thống kết hợp bộ ăng á
Hình 2.3: Cấu hình ngh ch ưu nguồn Z mộ

C-DC ............... 15

h cơ ản ........................................ 15

Hình 2.4: Mạch ương đương c a bộ ngh ch ưu nguồn Z khi h ạ động ............... 16
Hình 2.5: Bộ ngh ch ưu nguồn Z

h cơ ản..................................................... 16

Hình 2.6: Cấu hình ngh ch ưu ăng á cơ ản ........................................................ 18
Hình 2.7: Cấu hình ngh ch ưu ăng á cải iến ....................................................... 19
Hình 2.8: Các trạng thái hoạ động c a ngh ch ưu ăng á cải iến........................ 19
Hình 2.9: Giản đồ ung đi u chế sóng Sin cho ngh ch ưu ăng á cải iến............ 21
Hì

3 1: ơ đồ mạch c

ộ ngh ch ưu

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

Hì

3 2: ơ đồ mạch c

ộ ngh ch ưu

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

Hì

3 3: ơ đồ mạch ương đươngc

Hì

3 4: ơ đồ mạch ương đương c

Hì

3 5:

sánh hệ số ăng á c

Hì

36

sánh hiệu suấ c

I-H ....................................................... 2
I ......................................................... 0
I-H v

I .............................................. 2

I-H v

I

ng các ường hợ ..................

Hình 3.7: Kết quả thí nghiệm cho bộ qSBI với D = 0.4 .......................................... 39
Hình 4.1: ơ đồ khối mạch biến đổi ăng á

C-DC .............................................. 42

Hình 4.2: Cấu hình DC- C ăng á C sc

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

Hình 4.3: Cấu hình DC- C ăng á
Hình 4.4: Cấu h nh ăng á k

MC (

g Mu i i

C

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

............................................................................... 45

Hình 4.5: ơ đồ khối mạch ăng á

c-dc ............................................................... 46

Hình 4.6: Mạch điện ộ chuy n đổi ăng á
Hình 4.7: ạng s ng ung đi u khi n c

C-DC không cách ly ....................... 46
ộ chu n đổi C- C đ

uấ ............. 47

Hình 4.8: Trạng thái hoạ động c a mạch khi S0 dẫn .............................................. 48
Hình 4.9: Trạng thái hoạ động c a mạch khi S0 ng t. ............................................ 48
Hình 4.10: Trạng thái hoạ động c a mạch
Hình 4.11: Độ ợi ăng á c

chế độ không liên t c (DCM) .......... 49

ộ chu n đổi đ
x

uấ

ng chế độ DCM / CCM.. 50


Hình 4.12: Đường bao c a Kcrit ph thuộc vào D trong chế độ CCM / DCM ...... 51
Hình 4.13: ế

uả m

hỏng DC-DC .................................................................... 53

Hình 4.14: M h nh hực nghiệm DC-DC ............................................................... 54
Hình 4.15: ế

Hì

uả hực nghiệm C-DC ................................................................ 55

4 16: Hiệu suấ v độ ợi ăng á c

Hình 5.1: Bộ ngh ch ưu á đ

mạch ăng á

ậc dạng C sc

Hình 5.2: Cấu hình ngh ch ưu c sc

h

uấ .... 56

u n hống ................ 57

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

Hình 5.3: Cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á mộ
Hình 5.4: Giản đồ huậ

C- C đ

án đi u khi n đi u chế

h (5 ậc) ......................... 60
M......................................... 61

Hình 5.5: K thuật PWM cho cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á .................... 61
Hình 5.6: Cấu hình ngh ch ưu ăng á Cascaded

h đ xuất (CHB-qSBI) ....... 62

Hình 5.7: Ba trạng thái hoạ động c a qSBI ............................................................ 64
Hình 5.8: Cấu hình ngh ch ưu ăng á
Hình 5.9:

sánh hệ số độ ợi ăng á c

Hình 5.10: Giản đồ huậ

h nguồn Z (CH -qZBI) ...................... 66

CH -

I v CH -qZSI ................... 67

án đi u khi n đi u chế

M....................................... 69

Hình 5.11: K thuậ đi u chế độ rộng xung PWM .................................................. 70
Hình 5.12: ế

uả m

Hình 5.13-5.16: ế

hỏng mộ
uả m

h ................................................................... 72

hỏng

h ......................................................... ... 75

Hình 5.17: Mơ hình thực nghiệm trên một module mộ
Hình 5.18, 5.19: ế

uả hực nghiệm

n mộ

Hình 5.20: Mơ hình thực nghiệm cấu h nh gh
Hình 5.21, 5.22: ế

h . .................................. 79

h .............................................. 80
ầng

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

uả hực nghiệm ................................................................... 83

Hình 5.23: Hiệu suấ c

mạch ............................................................................... 85

xi


DANH SÁCH BẢNG
B ng 2.1: So sánh các cấu hình ngh ch ưu ăng á ................................................ 22
3 1:

sánh giữ

Iv

3: Khoảng thời gian dẫn v

I-H

c ng đi u kiện đầu v

ng điện dẫn c

3 3: Các h m số inh kiện cuả mạch

v đầu

......... 34

h i ộ ngh ch ưu ................. 35

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

B ng 4.1: Các thông số c a cấu hình DC-DC đ xuất............................................. 52
B ng 4.2: Linh kiện dùng trong mơ hình thí nghiệm DC-DC ................................. 53
B ng 5.1: So sánh các cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á ................................ 65
B ng 5.2: So sánh cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á ..................................... 66
B ng 5.3: Các ạng hái

gic c

chu n mạch

n mộ m

B ng 5.4: Các thông số c a mạch mô phỏng cấu h nh mộ
B ng 5.5: Các thông số c a mạch mô phỏng cấu h nh

u

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

h ............................. 71
h ............................... 73

B ng 5.6: Các thông số cho một module mạch thực nghiệm mộ

h ................... 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
EMI: ElectroMargnetic Interference
THD: Total Harmonic Distortion

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 á ngõ

ộ ngh ch ưu

Vt Điện áp trên tải.
C: T điện
R Điện tr tải.
L: Cuộn cảm.
Lf : Cuộn cảm lọc đầu ra.
Cf : T điện lọc đầu ra
Ll : Cuộn cảm tải
fs: Tần số sóng mang.

f0: Tần số cơ ản s ng đi u khi n.
xiii


HƯƠNG 1: TỔNG QUAN
T ng chương n , sẽ khái uá các nội ung nghi n cứu c
đ ch
v

ếu ậ chung v

m õ uá

Những ứng

ổng u n v các cấu h nh ngh ch ưu ăng á

nh há
ng

Chương n

i n, ưu nhược đi m c

ng hực ế v hiệu uả c

h nh đ được ứng

ng

ng các mặ c

c ng đ cậ

v những đi m mới c
cứu nghi n cứu c

i n u n

đ

ng

h n ích

các cấu h nh ngh ch ưu ăng á

các ộ ngh ch ưu c ng như các cấu

đời sống

n sinh,

hội

m õ hạm vi nghi n cứu, hương há nghi n cứu
i

uận án

ng uận án đư

n cơ s

Đồng hời n u vấn đ nghi n

ổng u n được đ cậ

đề nghiên cứu.

1.1 Tổng quan về v

Trong những năm t thập kỷ 80 c a thế kỷ ước, ngành k thuậ điện t ch
yếu được nghiên cứu và ứng d ng
ường, bả

ng các ng nh thuộc ĩnh vực đi u khi n, đ

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

c n được gọi

điện

t công nghiệp.
Sang những năm c

thập niên 90, k thuậ điện t phát tri n mạnh mẽ với tốc độ

nhanh đ được ứng d ng khá rộng rãi và thành công lớn trong việc thay thế các thiết

b 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 cơng nghiệ … ới ưu đi m là kích
hước nhỏ gọn, d đi u khi n và thuận tiện trong khai thác s d ng, đá ứng tần số
được m rộng hơn, khả năng v công suấ , điện á ,

ng điện v độ tin cậy ngày

c ng được cải tiến nâng cao.
ước sang thế kỷ XXI, cùng với sự phát tri n mạnh mẽ c a n n kinh tế xã hội,
đặc biệt là trong bối cảnh n n cách mạng công nghiệp lần thứ
như những phát tri n vượt bậc c
năng ng
là th

c ng ớn. Hiện nay

các mặ đời sống

đ ng i n

c ng

hội thì nhu cầu tiêu th điện

nước ta có 2 nguồn sản xuấ điện năng ch yếu đ

điện và nhiệ điện. Nhiệ điện hiện nay ch yếu là 3 nguồn: nhiệ điện s

ng than, nhiệ điện s

ng khí đố và nhiệ điện s

1

ng dầu [2].


Vì thế, việc đẩy mạnh nghiên cứu, ứng d ng k
nguồn năng ượng tái tạ , nhấ
cung cấ điện năng

huậ mới đ kh i hác các

năng ượng mặt trời góp phần tạo thêm nguồn

u hướng tất yếu c a thế giới nói chung và Việt Nam nói

i 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

nguồn gốc c a các nguồn năng ượng

tái tạ khác như năng ượng gi , năng ượng sinh khối, năng ượng th y 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 s d ng nguồn năng ượng này một cách có hiệu
quả, cần phải biế các đặc ưng, tính chấ cơ ản c

n , đặc biệt khi nó cung cấp

ái đất và cần phải kết nối nguồn năng ượng này thông qua hệ thống

tới b mặ

ưới điện thơng minh có sẵn bằng các bộ ngh ch ưu tối ưu h

có khả năng kết nối

với điện xoay chi u. Khi có ánh sáng mặt trời ác động đến
u hệ hống in mặ
chi u n

ời h ạ động sẽ tạ

h ng

điện năng một chi u, điện năng một

được chuy n đổi h nh điện năng

khi n có chức năng u n năng ượng n

in, khi đ

chi u b i bộ ngh ch ưu

ộ đi u

đến ưới điện.

Các bộ ngh ch ưu nguồn áp u n hống được chỉ ra trong [1], [3] được ứng
d ng rộng

i

ng đi u khi n động cơ, bộ ưu điện,

điện, hệ thống phân phối

điện…Tu nhi n, c mộ vài hạn chế khi s d ng bộ ngh ch ưu u n thống như:
 Thứ nhấ
cung cấp

điện áp xoay chi u ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chi u

ngõ v .

 Thứ hai là các khóa bán dẫn trên cùng một nhánh không th đ ng đồng thời
được v úc đ
mấ n

ảy ra tình trạng ng n mạch (h

ng ẫn) nguồn áp một chi u làm

n c ng như hư hỏng thiết b .

 Thứ ba là việc tạo ra khoảng thời gian chết (tr ) trong q trình chuy n mạch
c a các khóa bán dẫn n

c ng m ăng độ méo dạng áp đầu ra.

Đối với những nguồn năng ượng mới, năng ượng tái tạ như in mặt trời
(PV), pin nhiên liệu (fu

c

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

điện một chi u có giá tr điện áp thấp, không ổn đ nh ph thuộc theo thời gian, đi u
kiện m i ường làm việc. S d ng các nguồn năng ượng tái tạ n
2

đ chuy n đổi


h nh điện xoay chi u 220

0 , đ i hỏi điện áp một chi u ước khi đư v

ngh ch ưu hải có giá tr lớn hơn 10
chi u ngõ

C mới c

h ch

ộ

được điện á

220 Vrms Điện áp một chi u có giá tr lớn có th thực hiện bằng cách

m c nối tiếp các tấm in điện áp thấp với nh u, đồng nghĩ với số ượng pin phải
nhi u, l

đặt trên diện tích rộng lớn; Đi u này chỉ thích hợp với hệ thống cơng suất

lớn, c đi u kiện tri n khai trên diện tích rộng. Với những hệ thống công suất nhỏ,
đ tạ

điện xoay chi u 220V/380 t nguồn điện áp thấ , người

hường dùng

các biện pháp sau:
 Một là dùng máy biến áp tần số thấ (50Hz) đ

ăng điện áp xoay chi u ngõ

như H nh 1 1
 Hai là dùng bộ ăng á điện một chi u (DC-DC boost converter) hí

ước

mạch ngh ch ưu như H nh 1 2

Dãy pin
mặ ời 150~300
h ặc in
Vdc
nhi n iệu
Hình 1.1

ộ ngh ch
Vac
Má ăng á 220/380 Tải
ưu
Biên độ
chi u
VAC
50Hz
DC-AC
hấp
ơ đồ khối c a bộ ngh ch ưu u n thống

s d ng máy biến áp tần số thấp (50Hz)

Dãy pin
ộ ăng á
mặ ời
150~300 mộ chi u
h ặc in
DC-DC
Vdc
nhi n iệu

800
Vdc

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

Hình 1.2: ơ đồ khối c a bộ ngh ch ưu u n thống
s d ng bộ ăng á 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) v 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) v điện áp xoay chi u thấp

3


sang xoay chi u cao qua biến áp (AC-AC). Đi u này sẽ

m ăng kích hước, giảm

hiệu suất c a toàn hệ thống, ăng giá h nh ộ ngh ch ưu c ng như hiết b . Chính
vì vậy mà việc nghiên cứu các cấu hình ngh ch ưu kết hợ
ngh ch ưu h

ăng á ng

s d ng cấu hình mạch kết hợp với hệ số ăng á c

qua khâu biến đổi ăng á

C- C c ng

ng mạch
ch

h

ỏ

một yêu cầu được đặt ra khá cấp thiết.

Cấu hình ngh ch ưu nguồn Z đ được đ xuất trong [4], [5] đ giải quyế được
những hạn chế c a bộ ngh ch ưu u n thống. Trong cấu hình ngh ch 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 hoạ động ng n mạch
(các khóa bán dẫn trên cùng mộ 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 chấ ượng điện áp ngõ ra. Vì thế mà bộ ngh ch ưu n
d ng khá rộng

c ng đ được ứng

i trong một số mạch chức năng với hiệu suấ c ng như hiệu quả s

ng cao trong thực ti n.
Trong một vài thập niên gần đ , ngh ch lưu nguồn Z đ được phát tri n và

nhận được nhi u sự quan tâm nghiên cứu. Các nghiên cứu v ngh ch ưu nguồn Z
bao gồm m h nh h

v đi u khi n trong [4], [8], k thuậ đi u chế độ rộng xung

(PWM) trong [6], ứng d ng

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

[11]-[15]. Tuy nhiên,

việc s d ng hai cuộn cảm và hai t điện trong cấu hình ngh ch ưu nguồn Z làm
ăng kích hước và giá thành c a bộ ngh ch ưu Đối với những ứng d ng công suất
thấp, việc lựa chọn c ng như

u cầu đặ

đối với kích hước, trọng ượng và giá

thành là tiêu chí cần phải ưu i n h ng đầu thì cấu hình ngh ch ưu nguồn Z chư
thực sự là lựa chọn phù hợp nhấ .
T những đi m còn hạn chế c a ngh ch ưu nguồn Z; Cấu hình ngh ch ưu
ăng á cơ ản được đ xuất trong [14] và [15] dựa trên cấu hình Watkins-Johnson
ngược có th là lựa chọn đ thay thế ngh ch ưu nguồn Z trong một vài ứng d ng có
cơng suất thấp. Mặc dù cấu hình ngh ch ưu n

c đặc tính hoạ động giống với cấu

hình ngh ch ưu nguồn Z do có trạng thái hoạ động ng n mạch, nhưng cấu hình
ngh ch ưu ăng á cơ ản lại s d ng í hơn một t điện, một cuộn dây và nhi u
4


hơn một khóa bán dẫn. Các h n ích v đi u khi n PWM cho cấu h nh n

được

trình bày trong [14]. Tuy nhiên cấu hình này có một số hạn chế như:
 Một là, c hệ số ăng á
 H i

,

hấ hơn s với ngh ch ưu nguồn Z.

ng điện nguồn hoạ động không liên t c với i n độ nhấp nhơ lớn

vì nó kết nối trực tiế đến đi-ố , ảnh hư ng đến chấ ượng c a bộ nguồn v đ i khi
mạch lọc nguồn cần được ăng cường s d ng đ bảo vệ nguồn dẫn đến ăng kích
hước c ng như giá h nh
Cấu hình ngh ch ăng cải iến được đ xuất trong [16] đ c những ưu đi m
vượt trội so với cấu hình ngh ch ưu ăng á cơ ản như
 Thứ nhấ

ng điện nguồn hoạ động

chế độ liên t c

 Thứ hai là cải thiện hệ số ăng á (nâng hệ số ăng á

n ằng với cấu hình

ngh ch ưu nguồn Z)
Tuy nhiên với cấu hình ngh ch ưu á
thành phần sóng hài bậc c
quả

m ăng kích hước v

ngh ch ưu á

ậc h điện áp ngõ ra tồn tại nhi u

đ khi nối ưới đ i hỏi phải thiết kế bộ lọc lớn, kết
ăng giá h nh c a bộ ngh ch ưu

ậc c nhược đi m là tạ

n cạnh đ , ộ

điện áp cung cấp cho cuộn

cơ với độ dốc khá lớn gây ra một số vấn đ kh khăn,

động

i v c n ồn tại trạng thái

khác không (zero) c a tổng điện thế t các h đến tâm nguồn DC (common-mode
voltage) lớn. Bộ ngh ch ưu đ
ba bậc và loại n

ậc phát tri n đ giải quyết hạn chế c a ngh ch ưu

hường được s d ng cho các ứng d ng điện áp cao và cơng suất

lớn. Các cấu hình ngh ch ưu đ
ầng (c sc

)

ậc ạng đi-ố kẹp (NPC), t kẹ (FC) v

gh

ng 1 ], [18], [19], [72], [73], [74], [75], [ 6], đ kh c ph c được

các vấn đ c a ngh ch ưu

ậc như điện á 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 c

điện áp ra giảm nhỏ hơn s với bộ ngh ch ưu

ậc, nhưng

vẫn tồn tại một số nhược đi m như điện áp xoay chi u ngõ ra vẫn thấ 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 ngh ch ưu đ
số đ ng ng
n

ăng n h ổn h

ậc c ng

sinh

một tr ngại lớn Ng i

ng uá

cần hải được giải u ế mộ cách h i h
5

nh đ ng ng

khi ần

ại ăng n đi u

Đối với các cấu h nh ngh ch ưu đ


ậc đ được nghi n cứu ước đ
đi m c ng như hạn chế c

h đ

1.1.1 Nghịch lưu

-

Cấu h nh n

u

như

nh

ng các ích ẫn

n chỉ

ưu

NPC (Neutral Point Clamped).

được chỉ

ng H nh 1 , n được s d ng

ng ường hợp

khi các nguồn vào một chi u (DC) tạo nên t hệ thống điện xoay chi u (AC). Bộ

ngh ch 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 s mạch nguồn DC gồm n
nguồn c độ lớn bằng nhau m c nối tiế , điện áp nguồn DC có th đạ được (n+1)
giá tr khác nhau và số bậc điện áp ngh ch ưu
S1

(n+1) ậc.

S2

S3

S5

S6

+
Vd -

2

S4

A
B Nối ải

C

Vd
Vd +
2 -

S7

S10

S8

S9

S11

S12

Hình 1.3: Bộ ngh ch ưu á
Bộ ngh ch ưu á đ

h

ạng đi-ố kẹp (NPC)

ậc dùng đi-ố kẹ c ưu đi m cải thiện được dạng sóng

điện áp tải và giảm sự ăng vọ điện áp (gai áp) trên linh kiện n lần. Với bộ ngh ch
ưu đ
kh

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

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

6

C đầu


1.1.2 Nghịch lưu

p tụ (Flying capacitor inverter).
S1

S2

S3

S4

S5

S6

A
Vd

C1

C2

C3

B Nối ải

h

C
S7

S10

S8

S9

S11

S12

Hình 1.4: Bộ ngh ch ưu á
Cấu trúc bộ ngh ch ưu ki u

ạng kẹp t (FC)

bay (FC) được chỉ ra trong Hình 1.4 thay thế

cho đi-ố kẹp dựa vào những thuận lợi c a ki u cấu tạ n
+ Khi tần số ăng c

h c

đ

h khơng cần dùng bộ lọc.

+ Có th đi u tiết công suất tác d ng và công suất phản kháng t đ c
đi u tiế được phân bố công suấ

h

ng ưới dùng bộ ngh ch ưu

Tuy nhiên, ki u FC c ng c n c những nhược đi m ch yếu là:
+ Số ượng t công suất lớn tham gia trong mạch nhi u dẫn đến giá h nh ăng
v độ tin cậy c ng giảm.
+ Việc đi u khi n kh khăn khi số bậc ngh ch ưu ăng c

7


1.1.3 Nghịch lưu dạng h

(Cascaded).
Tải
B

A
S1

+
-

+
-

S5

S13

+
-

Vd1/2
S7

S17

+
-

S8

S21

S14

+
-

S16

Hình 1.5: Bộ ngh ch ưu á đ

S20

S19

Vd2/2
S15

S18

Vd3/2

S12

S11

S6

C

S10

Vd2/2

S4

S3

+
-

S9

S2

Vd1/2

h

S22

Vd3/2
24

S23

ậc dạng Cascade ba pha

Hình 1.5 là cấu úc cơ ản c a bộ ngh ch ưu ăng á đ

ậc ba pha ki u ghép

tầng (cascaded). Trong cấu hình này s d ng các nguồn một chi u (DC)
riêng, thích hợ ch

ường hợp s d ng nguồn DC có sẵn, ví d

đầu vào

ưới dạng c quy,

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

2) được tạo thành. Sự kết hợp hoạ động c a

n một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (-Vd/2, -2*Vd/2, ...

-n*Vd/2); n mức điện á
bộ ngh ch ưu á

2, 0,
ương (

2, 2*

2,…n*

2) v mức á 0 Như vậy,

ạng cascade gồm n bộ ngh ch ưu á 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 á đặt lên các
linh kiện c ng giảm đi, ch

h

s d ng IG T điện áp thấp. Mạch ngh ch ưu đạt

được sự cân bằng điện áp các nguồn DC (v

điện á n

Đối với các dạng sơ đồ các cấu hình ngh ch ưu đ

cố đ nh).
ậc v a nêu trên, xét một

cách khái quát thì tuy mỗi cấu h nh đ u có những ưu v nhược đi m riêng khác

8


nhau, song trong thực tế dạng ghép tầng (cascaded) và dạng NPC vẫn được h ng
d ng nhất.
nh

Trong luận án này sẽ

những nội ung tìm hi u và phân tích hoạt

động c a cấu hình ngh ch ưu ăng á cải iến (qSBI) và thuậ

án đi u khi n ổn

đ nh điện áp xoay chi u ngõ ra cho mạch ngh ch ưu ăng á được đ xuất trong
[16]. Dựa trên cấu hình ngh ch ưu ăng á n

hực hiện ghép tầng ngh ch ưu ăng
điện áp ngõ

áp một pha, ba pha nhằm làm giảm các thành phần sóng hài bậc cao c

ra. Cấu h nh đ xuấ c ng sẽ giải quyết các vấn đ như mất cân bằng c a các nguồn
một chi u đầu vào cung cấp cho các mạch ngh ch ưu trong các m

u

ng h ,

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

đ

uấ mạch chu n đổi ăng á

c độ ăng á v hiệu suấ c , c

h ứng

ng

C- C kh ng cách

ng các kh u ăng á c

mạch

ngh ch ưu nhằm n ng cải hiện hệ số ăng á
T n cơ s đ đặt vấn đ
s lý thuyết c ng với
minh chứng sẽ được

trên, luận án sẽ làm sáng tỏ bằng việc h n ích cơ

ựng m h nh mô phỏng và thực nghiệm ch kế
nh

uả

các chương iếp theo.

1.2 Mục đíc c a đề tài.
M c đích c a đ tài là nghiên cứu v cấu hình ngh ch ưu ăng á được s
d ng trong hệ thống biến đổi nguồn năng ượng, t đ nghi n cứu ghép tầng đ
ngh ch ưu ăng á ba pha với các đặc đi m chính đ
bằng giữa các nguồn DC cung cấp
các mạch ngh ch ưu hoạ động

á

hệ số ăng á c
mức đạ được ch

đầu vào trong mỗi module ghép tầng, cho phép
chế độ ng n mạch và hệ số ăng áp cao

nhi u điện t (EMI). Đồng hời nghi n cứu v đ

C-DC kh ng cách

ch kh u ăng á

: giải quyết vấn đ mất cân

ngõ ra

án đi u khi n), làm cải thiện độ méo hài tổng (THD) và giảm

(thông qua các thuậ
sự ảnh hư ng c

ậc

với hệ số ăng á c ng như hiệu suấ c

các mạch ngh ch ưu,

c

h s

i ẽ hực ế nghi n cứu ước đ

các mạch ngh ch ưu ch
h

uấ mạch ăng

nhấ đ nh Đi u n

9

ng
đ chỉ

được cải iến, s ng vẫn c n
g

hần

m ăng hiệu suấ

m việc


đáng k ch mạch ngh ch ưu c ng như các cấu h nh mạch gh
ch

ầng ngh ch ưu đ

mức điện á m ng muốn

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn c a đề tài.
- T m hi u các cấu h nh ăng á
đ

uấ cấu h nh mạch ăng á

C-DC u n hống, s sánh ưu nhược đi m,
C-DC kh ng cách

đ

với hệ số ăng á v hiệu suấ

h ạ động cao.
- Tìm hi u cấu hình ngh ch ưu ăng á đ

ậc, so sánh, nhận xét.

- Nghiên cứu đ xuất cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á ba pha đ

ậc

- Xây dựng mơ hình mơ phỏng và thực nghiệm cấu h nh đ xuất.
- Đ xuấ hướng nghiên cứu phát tri n tiếp theo c

p áp

1.4

đ

i.

ê cứu.

S d ng hương há nghi n cứu qua tài liệu. Tham khảo t các tạp chí khoa
học, các hội ngh chuyên ngành, các bài báo nghi n cứu được c ng ố
điện

I

n hư viện

LOR , s ing ,…

Nghi n cứu, ứng d ng các k thuậ đi u chế xây dựng thuậ

án đi u khi n và

s d ng phần m m chuyên d ng PSIM đ mô phỏng cho cấu h nh đ
dựng mơ mình thực nghiệm, đi u khi n ằng ki

TM

20F2

uấ . Xây

5, thu thập kết

quả và nhận xét kết quả.

1.5 Đ ểm mới c a đề tài.
-Đ

i đ đ xuấ được cấu hình mạch ăng á DC-DC kh ng cách

số ăng á v hiệu suấ c
-Đ

hơn s với các cấu h nh u n hống

i đ đ xuấ được cấu hình ghép tầng ngh ch ưu ăng á

c hệ số ăng á c

với hệ
h đ

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

đầu v , đồng thời làm cải thiện độ méo hài tổng (THD) v giảm sự ảnh hư ng c
nhi u điện

ậc

( MI) ới h ạ động c

mạch.

10