LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong
luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.

Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

Bùi Văn Huy

1


LỜI CẢM ƠN

Luận án này được hoàn thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của tôi tại trường
Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn và PGS.TS. Trần
Trọng Minh, Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập
thể hướng dẫn, những người đã luôn gắn liền với mọi hoạt động khoa học của tác giả, về
sự chỉ dẫn nhiệt tình, tin tưởng, quan tâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn
thành bản luận án.
Tôi xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu tại các buổi tác giả báo cáo khoa học
của PGS.TS. Bùi Quốc Khánh, GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS. Tạ Cao Minh,
TS. Nguyễn Thế Công, PGS.TS.Nguyễn Quang Địch, PGS.TS. Nguyễn Phạm Thục Anh,
TS. Đỗ Mạnh Cường, TS. Dương Minh Đức, TS. Phạm Việt Phương cùng các cán bộ,
giảng viên bộ môn TĐHCN- Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Điện Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về nhiều mặt để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đã tạo điều
kiện thuận lợi để tôi có địa điểm nghiên cứu và triển khai thực nghiệm của đề tài.


Nghịch lưu dùng điôt kẹp các mức điện áp ............................................................ 20

1.2.2

Nghịch lưu đa bậc dạng tụ bay (flying capacitor - Clamped) ................................ 22

1.2.3

Cấu trúc nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H ..................................................... 23

1.2.4

Nghịch lưu đa bậc tổng quát .................................................................................. 25

1.2.5

Những cấu trúc nghịch lưu đa bậc đặc biệt khác ................................................... 26

1.3

Các phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc.................................... 28

1.3.1

Điều chế tại tần số cơ bản ...................................................................................... 28

1.3.2

Điều chế theo sóng mang ....................................................................................... 29

1.7.1

Định hướng nghiên cứu.......................................................................................... 39

1.7.2

Những nhiệm vụ cần giải quyết của luận án .......................................................... 41

1.7.3

Đóng góp của luận án............................................................................................. 41

1.8

Tóm tắt và kết luận .............................................................................................. 42

2. BỘ BIẾN ĐỔI HAI CỔNG AC-DC-AC-AC CÓ KHÂU TRUNG GIAN TẦN SỐ CAO
43
2.1

Cấu trúc của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng ............................................... 43

3


2.2

Phân tích bộ biến đổi phía cổng 1 ....................................................................... 44

2.2.1

Bộ nghịch lưu 7 bậc xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng .................. 63

2.4

Tóm tắt và kết luận .............................................................................................. 67

3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI ....................................... 68
3.1 Mô hình trạng thái và vấn đề điều khiển công suất của bộ biến đổi nối lưới ...... 68
3.1.1

Mô hình trạng thái liên tục ..................................................................................... 68

3.1.2

Điều khiển công suất trong bộ biến đổi nối lưới .................................................... 70

3.2

Phân tích cấu trúc điều khiển............................................................................... 70

3.3

Thiết kế cấu trúc điều khiển PID cho bộ biến đổi ............................................... 72

3.3.1

Thiết kế mạch vòng dòng điện ............................................................................... 72

3.3.2


3.6

Cấu trúc điều khiển tựa thụ động thích nghi tham số cho mạch vòng dòng điện 85

3.7

Mô phỏng kiểm chứng kết quả ............................................................................ 89

3.7.1

Mô phỏng hệ điều khiển trên hệ tọa độ dq với bộ điều khiển PI cho mạch vòng
dòng điện................................................................................................................ 90

3.7.2

Mô phỏng điều khiển bộ biến đổi với cấu trúc điều khiển cộng hưởng cho mạch
vòng dòng điện ....................................................................................................... 94

3.7.3

Mô phỏng điều khiển trên hệ dq với bộ điều khiển tựa thụ động .......................... 97

3.7.4

Mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển tựa thụ động khi có sai lệch R, L ..................... 99

3.7.5

Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển tựa thụ động có khâu thích nghi tham số 101



Thuật toán điều chế .............................................................................................. 113

4.2.3

Kết quả thực nghiệm ............................................................................................ 114

4.3

Thực nghiệm bộ nghịch lưu 7 bậc DC-AC-AC nối tầng................................... 116

4.3.1

Sơ đồ thực nghiệm ............................................................................................... 116

4.3.2

Kết quả thực nghiệm ............................................................................................ 118

4.4

Thực nghiệm bộ biến đổi AC-DC-AC-AC một pha ba bậc .............................. 120

4.4.1

Sơ đồ thực nghiệm ............................................................................................... 120

4.4.2

Cấu trúc điều khiển .............................................................................................. 120

ed, eq
iL
id, iq
i∝, iβ

Đơn vị
VAr
W
VAr
W
H
F
V
V
A
A
A

Ý nghĩa
Giá trị đặt của công suất phản kháng
Giá trị đặt công suất tác dụng
Giá trị đo và tính toán của công suất phản kháng
Giá trị đo và tính toán của công suất tác dụng
Cuộn cảm
Tụ điện
Điện áp nguồn điện phía xoay chiều
Điện áp phía lưới trên hệ tọa độ dq
Dòng điện chạy qua cuộn cảm
Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ dq
Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ ∝β


Flexible AC Transmission System

FC
HB
IGBT
MPC

flying capacitor
H-Bridge
Insulated Gate Bipolar Transistor
Model Predictive Control

MBA
NLĐB
NPC
PBC
PR
PV
PLL

Neutral –point converter
Passivity Based Control
Proportional Resonant
Photovoltaic
Phase Locked Loop

Lọc tích cực
Điều chế sóng mang
Chỉnh lưu

năng lượng
Power Bộ quản lý công suất đa
năng và linh hoạt

PWM
RES
STATCOM
THD
UPFC

Pulse Width Modulation
Renewable Energy Sources
Static Synchronous Compensator
Total Harmonic Distortion
Unified Power Flow Controller

UNIFLEX-PM

Universal and
Management

Flexible

7


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1
Bảng 1.2

Hình 1.4
Hình 1.5

Sơ đồ khối hệ thống điện tử công suất ứng dụng trong nguồn phân tán [107] . 18
Cấu hình nghịch lưu thông thường trong các ứng dụng công suất lớn [99]...... 19
Vấn đề khi mắc nối tiếp các van ....................................................................... 19
Cấu trúc nghịch lưu đa bậc dùng diot kẹp 3 mức (a) và 5 mức(b) [54] ............ 21
Cấu trúc nghịch lưu đa bậc kiểu tụ bay (a) 3 mức (b) 5 mức [54] .................... 23

Hình 1.6 Nghịch lưu đa bậc nối tầng 7 bậc (a) và 9 bậc (hình b) [29] ............................. 24
Hình 1.7 Nghịch lưu đa bậc 3 pha 2 mức nối tầng [38] ................................................... 25
Hình 1.8 Sơ đồ nghịch lưu đa bậc dạng tổng quát [41].................................................... 25
Hình 1.9 Cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai nhiều mức [111] ............................................... 26
Hình 1.10 Sơ đồ nghịch lưu đa bậc nối tầng bất đối xứng với giá trị điện áp của mỗi tầng
khác nhau. 27
Hình 1.11 Nghịch lưu đa bậc nối tầng bất đối xứng với tần số khác nhau. ....................... 27
Hình 1.12 Nghịch lưu đa bậc lai sử dụng cấu trúc chuyển mạch mềm .............................. 27
Hình 1.13 Điện áp ra nghịch lưu đa bậc trong điều chế tại tần số cơ bản. ......................... 28
Hình 1.14 Điều chế tại tần số cơ bản sử dụng thuật toán cân bằng điện áp[49]. ............... 28
Hình 1.15 Điều chế sóng mang dịch mức .......................................................................... 29
Hình 1.16 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch .................................................................. 31
Hình 1.17 Trạng thái logic của các van trong chuyển mạch bốn bước theo điện áp ......... 32
Hình 1.18 Phân loại các cấu trúc bộ điều khiển dòng điện cho nghịch lưu đa bậc nối lưới
33
Hình 1.19 Hệ thống STATCOM 1-MVA 6,6 kV xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc
cầu H nối tầng [45] .............................................................................................................. 34
Hình 1.20 Hệ thống AF dựa trên bộ nghịch lưu đa bậc điốt kẹp 3 pha ba bậc [46]........... 35
Hình 1.21 Cấu hình hệ AF trên cơ sở bộ nghịch lưu tụ kẹp 7 bậc[74] .............................. 35
Hình 1.22 Cấu hình bộ biến đổi 3 cổng UNIFLEX-PM xây dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu
cầu H nối tầng ứng dụng để tích hợp các nguồn điện phân tán vào lưới [92], [93] ............ 36

Chỉnh lưu tích cực trên cơ sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H ...................... 52

Hình 2.13 Thực thi thuật toán cân bằng điện áp trên tụ bằng matlab Simulink ................. 52
Hình 2.14 Kết quả mô phỏng thuật toán cân bằng điện áp trên tụ ..................................... 53
Hình 2.15 Kết quả phân tích sóng hài dòng điện chạy qua cuộn cảm từ t =0,3s đến 0,4s . 53
Hình 2.16 Cấu trúc bộ biến đổi ở cổng 2 (a) và Sơ đồ cấu trúc của một module DC-ACAC(b) 54
Hình 2.17 Sự tương đương về mặt điều chế giữa khâu AC-AC (a) và cầu H (b) .............. 56
Hình 2.18 Mẫu xung điều chế PWM cho matrix converter dùng hai sóng mang ngược pha
57
Hình 2.19 Mẫu xung PWM cho matrix converter dùng 2 sóng điều chế ngược pha ......... 58
Hình 2.20 Quy ước về chiều dòng điện.............................................................................. 59
Hình 2.21 Quy ước về dấu uf ............................................................................................. 59
Hình 2.22 Đồ thị thời gian quá trình chuyển mạch giữa van 2 chiều S1 và S3 khi uf(t)>0. 60
Hình 2.23 Đồ thị thời gian quá trình chuyển mạch giữa van 2 chiều S1 và S3 khi uf(t) 0, ví dụ trạng thái 1 là 1100. . 60
Hình 2.25 Mô hình logic chuyển mạch dùng StateFlow .................................................... 61
Hình 2.26 Chỉnh lưu tích cực trên cơ sở bộ biến đổi DC-AC-AC ..................................... 62
Hình 2.27 Thực thi thuật toán điều chế trên phần mềm matlab Simulink ......................... 62
Hình 2.28 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC-AC-AC ...................................................... 63
Hình 2.29 Khả năng xảy ra ngắn mạch trong sơ đồ back-to-back của nghịch lưu nối tầng
64
Hình 2.30 Nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng ......................... 65
Hình 2.31 Giản đồ xung điều khiển các van dạng dịch pha phía sơ cấp máy biến áp ....... 66
Hình 2.32 Điều chế PWM dịch pha cho nghịch lưu 3 DC-AC-AC nối tầng. ................... 66
Hình 2.33 Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở DC-AC-AC nối tầng.................. 66
Hình 2.34 Kết quả mô phỏng nghịch lưu đa bậc nối tầng DC-AC-AC ............................. 66
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu nối lưới [78] ................................................... 68
Hình 3.2 Sơ đồ thay thế mạch điện phía lưới với bộ biến đổi đa bậc .............................. 69
Hình 3.3 Mô hình bộ biến đổi phía lưới ........................................................................... 69
Hình 3.4 Biểu diễn vector dòng điện phía lưới ................................................................ 70

αβ (hình b) 81
Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển cổng 2 với bộ điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng dòng
điện 82
Hình 3.21 Cấu trúc hệ thống điều khiển ở cổng 2 .............................................................. 84
Hình 3.22 Cấu trúc hệ thống điều khiển ở cổng 2 .............................................................. 88
Hình 3.23 Cấu trúc điều khiển dòng điện thích nghi tựa thụ động ở cổng 2 .................... 88
Hình 3.24 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ................................................................ 89
Hình 3.25 Dạng điện áp một chiều của các tụ pha A,B,C và điện áp trung bình trên một
pha 91
Hình 3.26 Dạng điện áp ngay đầu vào bộ biến đổi phía cổng 1 và cổng 2 ........................ 91
Hình 3.27 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2 ............................ 92
Hình 3.28 Công suất tác dụng trao đổi ở hai cổng ............................................................. 92
Hình 3.29 Công suất phản kháng trao đổi ở 2 cổng ........................................................... 93
Hình 3.30 Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ở cổng 1 và cổng 2 ............... 93
Hình 3.31 Dạng điện áp một chiều của các tụ pha A,B,C và điện áp trung bình trên một
pha 94
Hình 3.32 Dạng điện áp ngay đầu vào bộ biến đổi phía cổng 1 và cổng 2 ........................ 94
Hình 3.33 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2 ............................ 95
Hình 3.34 Công suất tác dụng trao đổi ở hai cổng ............................................................. 95
Hình 3.35 Công suất phản kháng trao đổi ở 2 cổng ........................................................... 96
Hình 3.36 Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ỏ cổng 1 và 2 ........................ 96
Hình 3.37 Dạng điện áp một chiều của các tụ pha A,B,C và điện áp trung bình trên một
pha 97
Hình 3.38 Dạng điện áp ngay đầu vào bộ biến đổi phía cổng 1 và cổng 2 ........................ 97
11


Hình 3.39
Hình 3.40
Hình 3.41

Cấu trúc thực nghiệm chỉnh lưu tích cực một pha 7 bậc nối tầng ................... 106
Hình ảnh mạch lực bộ chỉnh lưu tích cực 7 bậc nối tầng cầu H. .................... 106
Mô hình thực nghiệm nghịch lưu đa bậc trong phòng thí nghiệm .................. 107
Điều chế kiểu dịch pha hai sóng điều chế cho sơ đồ 7 mức đã quy đổi về dạng

Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 1 và 2 ......................................... 101

01 107
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18
Hình 4.19
Hình 4.20
Hình 4.21
Hình 4.22

Giao diện điều khiển và kết quả thực nghiệm, Udref = 50VDC. ...................... 108
Giao diện điều khiển và kết quả thực nghiệm, Udref = 100VDC. .................... 109
Giao diện điều khiển và kết quả thực nghiệm, Ud,ref = 150VDC. ................. 109

Hình 4.31

Dạng dòng chạy qua cuộn cảm đo trên máy tính, lượng đặt dòng thay đổi từ 4Cấu trúc thực nghiệm bộ nghịch lưu DC-AC-AC 7 bậc nối tầng ................... 116
Hình ảnh mạch lực của bộ DC-AC-AC 7 bậc nối tầng và kit FPGA .............. 117
Sơ đồ điều khiển một module DC-AC-AC trên Toolbox System Generation for
Thực thi thuật toán dịch pha ............................................................................ 118
Dạng xung trước và sau tầng driver ................................................................ 118
Thời gian deadtime (đo 2 xung vào van V1 và V2) ......................................... 118
Sự dịch pha các tín hiệu phần sơ cấp giữa 3 module ( Đo ở van V1 của mỗi

module) 119
Hình 4.32 Dạng điện áp ở phía sơ cấp máy biến áp tần số cao ........................................ 119
Hình 4.33 Dạng xung vào van S4b của 3 module ............................................................. 119
Hình 4.34 Điện áp đo được đầu ra của một module......................................................... 119
Hình 4.35 Điện áp đo đầu ra đo được của bộ biến đổi nối tầng DC-AC-AC 7 bậc ......... 119
Hình 4.36 Cấu trúc bộ AC-DC-AC-AC 1 pha 3 mức ...................................................... 120
Hình 4.37 Cấu trúc điều khiển hệ AC-DC-AC-AC một pha 3 mức ................................ 120
Hình 4.38 Hình ảnh thực nghiệm bộ AC-DC-AC-AC ..................................................... 121
Hình 4.39 Giá trị điện áp một chiều trung gian (B) và điện áp đo trên thứ cấp máy biến áp
(A) (Tỷ lệ đo 10:1) ............................................................................................................ 122
Hình 4.40 Đo dòng điện (1:1500) và điện áp phía chỉnh lưu AC-DC- Trường hợp truyền
công suất. 122
Hình 4.41 Đo dòng điện (1:1500) và điện áp phía chỉnh lưu AC-DC- trường hợp nhận
công suất 122
Hình 4.42 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 2 (hình A) và dạng điện áp một
chiều (hình B) 122
Hình 4.43 Điện áp ra nghịch lưu DC-AC-AC (A) và điện áp thứ cấp máy biến áp tự
ngẫu(B). 122
Hình 4.44 Phân tích phổ dòng diện phía lưới................................................................... 122
Hình 4.45 Góc đồng bộ điện áp lưới trên Control desk ................................................... 123

hợp vào lưới điện cũng đặt ra hai thách thức cơ bản. Thứ nhất, đó là sự tương quan, trao
đổi công suất giữa các nguồn điện được sản xuất từ các nguồn điện truyền thống với các
nguồn năng lượng phân tán. Thứ hai, đó là thách thức về việc ứng dụng điện tử công suất
mở rộng cả về mặt phạm vi và công suất trong việc truyền tải phân phối điện năng từ việc
tạo ra, truyền tải, phân phối và các ứng dụng của người dùng.
Công suất của các nguồn phát phân tán nối lưới ngày càng cao đặt ra yêu cầu cần có sự
thay đổi về cấu trúc bộ biến đổi để thay thế các bộ biến đổi hai mức truyền thống. Nghịch
lưu đa bậc chính là một giải pháp cho những ứng dụng đòi hỏi công suất lớn và điện áp cao
[50]. Trong các ứng dụng sử dụng nghịch lưu đa bậc, điện áp của ngõ ra được tăng lên, tổn
hao chuyển mạch của linh kiện điện tử công suất giảm. Nghịch lưu đa bậc phân nhỏ các
bước nhảy điện áp ra phía xoay chiều, nhờ đó giảm được tốc độ tăng điện áp du/dt trên tải,
các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở mức điện áp và tần số thấp trong khi vẫn đảm bảo tần
số và điện áp ra của quá trình điều chế cao. Như vậy nghịch lưu đa bậc giảm đáng kể tổn
thất trong quá trình đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của điện áp
ra, đó là những yếu tố rất quan trọng ở dải công suất lớn. Trong các bộ biến đổi đa bậc thì
bộ nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu H có những ưu thế hơn so với những loại khác như: cấu
tạo đơn giản, ít thành phần linh kiện, cấu trúc dạng module, dễ nâng cấp mở rộng hệ
thống...
Việc sử dụng các bộ biến đổi đa bậc nối tầng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới
là chủ đề đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước,
14


điển hình là các nghiên cứu công bố trong các tài liệu [34], [70], [80], [81], [82], [83] đã
đưa ra bộ biến đổi UNIFLEX-PM (Universal Flexible Power Management system) với hai
cấu hình cơ bản là cấu trúc AC-DC- DC-AC và AC-DC-AC-AC. Các bộ biến đổi này đều
có khả năng trao đổi công suất hai chiều, đảm bảo khả năng cách ly và đảm bảo độ tin cậy
cao và có cấu trúc module do đó dễ dàng bảo trì, mở rộng hệ thống. Tuy nhiên, cả hai bộ
biến đổi mà các nhóm tác giả đã đề xuất đều có những hạn chế. Đối với bộ biến đổi ACDC-DC-AC cần thiết rất nhiều tụ một chiều trung gian điều này dẫn đến việc cân bằng
điện áp một chiều trung gian phức tạp hơn. Đối với bộ biến đổi AC-DC-AC-AC, khâu ACAC lại điều chế theo kiểu Cyclo converter để chuyển mạch tự nhiên điều này sẽ dẫn đến

cộng hưởng, tựa thụ động và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số để kiểm
chứng khả năng làm việc của bộ biến đổi.
Kiểm chứng các phương pháp điều chế, thuật toán chuyển mạch và phương pháp
điều khiển thông qua những minh chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán
chuyển mạch đảm bảo các yêu cầu đã đặt ra cho bộ biến đổi.
15


Mô phỏng các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển mạch trên
Matlab-Simulink.
Kiểm chứng các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển mạch
trên các hệ thống thực nghiệm.
Phạm vi nghiên cứu:
Luận án giải quyết vấn đề trao đổi công suất giữa hai nguồn điện xoay chiều với
giả thiết hai nguồn đó không có những trạng thái không bình thường. Do đó,
luận án không xử lý những vấn đề khi trên lưới điện xuất hiện các trạng thái
không bình thường.
Các nguồn phát điện phân tán có thể làm việc ở chế độ nối lưới hoặc ốc đảo. Để
các nguồn điện phân tán có thể nối lưới được thì chúng phải thỏa mãn những yêu
cầu kỹ thuật nhất định. Những vấn đề về yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo nguồn
phát phân tán nối lưới cũng như chế độ làm việc ốc đảo của nguồn phát phân tán
không phải phạm vi nghiên cứu của luận án.
Vấn đề chế tạo máy biến áp tần số cao HF là một nội dung quan trọng đối với bộ
biến đổi, tuy nhiên trong luận án cũng chưa đề cập về vấn đề này.
Bài toán điều khiển đặt ra trong luận án là Điều khiển trao công suất tác dụng và
thu phát công suất phản kháng. Luận án không giải quyết bài toán điều khiển hệ
số cosφ ở hai cổng.
Luận án triển khai mô phỏng ở cấp trung áp 3,3 kV và thực nghiệm ở cấp điện áp

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

17


1. TỔNG QUAN

1.1 Vai trò của những bộ biến đổi đa bậc trong việc kết nối nguồn
phát phân tán với lưới điện
Equation Section 1
Với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển, các ứng dụng
điện tử công suất trong lĩnh vực truyền tải và biến đổi điện năng được phát triển mạnh mẽ


PCC

Local
Loads

Monitoring and Control
Module

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

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

18


Trong các tài liệu [19], [21], [80], [107] đã trình bày một số cấu hình của bộ biến đổi
điện tử công suất ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới. Các cấu trúc này có
đặc điểm là sử dụng các bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha, 3 pha thông thường hoặc nghịch


T4
T5

Hình 1.2 Cấu hình nghịch lưu thông thường trong
các ứng dụng công suất lớn [99]

(a)

(b)

Hình 1.3 Vấn đề khi mắc nối tiếp
các van

Như vậy các cấu trúc dựa trên cơ sở cấu trúc các bộ biến đổi hai mức chỉ phù hợp với
các ứng dụng công suất nhỏ. Mặt khác công suất của các nguồn điện phân tán tích hợp
trong lưới điện ngày càng lớn và sẽ tiếp tục tăng cao trong vài thập kỷ tới [39]. Khi công
suất phát của các nguồn điện sức gió hay điện mặt trời lớn cỡ khoảng 10MW và điện áp
cao thì những cấu trúc kiểu nghịch lưu nguồn áp hai mức không còn phù hợp. Cấu trúc các
bộ biến đổi đa bậc đã được phát triển để có thể sử dụng các thiết bị đóng cắt bán dẫn với
điện áp tương đối thấp, có sẵn trên thị trường cho các ứng dụng yêu cầu điện áp cao, công
suất lớn [59]. Hơn nữa, so với các bộ biến đổi 2 mức truyền thống thì bộ biến đổi đa bậc có
lợi hơn về chất lượng sóng hài dẫn đến việc thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ biến đổi không
phức tạp như bộ biến đổi 2 mức [59]. Với những lý do trên, bộ biến đổi đa bậc được coi
như một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao.
Ngoài ưu thế về điện áp, bộ biến đổi đa bậc có thể tạo ra điện áp dạng sin từ các bước
điện áp nhỏ hơn từ các nguồn DC cách ly hoặc từ các cấp điện áp dùng bộ phân áp bằng
một loạt các tụ. Nghịch lưu đa bậc phân nhỏ các bước nhảy điện áp ra phía xoay chiều, nhờ
đó giảm được tốc độ tăng điện áp du/dt trên tải, các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở mức
điện áp thấp, tần số đóng cắt của các van mạch lực thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số điện

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

1.2 Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp

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

20



U DC
4

C2

UDC

UDC

S3

D2
D3

D1

S2

D‟1 S’1
C2

S4
S’1

C1
N

U
 DC
2



0

D‟2

a

S’2
D‟3

S’3
S’4
0

(a)

(b)

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

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

STT
1
2
3
4
5

Khi cấu trúc có bậc n lớn hơn 3 thì điện áp mà diode kẹp phải chịu đựng là
Udc(n-2)/(n-1) cao. Do đó sẽ phức tạp trong thiết kế như phải kết nối nối tiếp các
diode. Vấn đề không cân bằng điện áp các tụ điện ở biến đổi đa bậc dạng này có
thể gây ra quá áp trên một hay nhiều linh kiện đóng cắt. Mặt khác, số lượng diot
cần thiết lớn dẫn đến hệ thống trở lên đồ sộ, kềnh càng.
Nhìn chung, cấu trúc hệ thống sử dụng diot kẹp là giải pháp tốt cho các ứng dụng công
suất lớn và đòi hỏi giảm thiểu số lượng tụ điện. Tuy nhiên, khi số lượng mức điện áp tăng
lên sẽ làm cho số lượng diot cần thiết tăng do đó làm cho hệ thống phức tạp hơn.
1.2.2 Nghịch lưu đa bậc dạng tụ bay (flying capacitor - Clamped)
Cấu trúc nghịch lưu dạng tụ bay (flying capacitor-FC) hay còn gọi là tụ kẹp được đề
xuất năm 1992 bởi Meynard và Foch [101]. Cấu trúc nghịch lưu dạng tụ bay hay còn gọi là
tụ kẹp tương tự như cấu trúc nghịch lưu điôt kẹp chỉ khác không có điôt kẹp mà thay bằng
tụ điện. Ở đây ta khảo sát cấu trúc bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức (3L-FLC
inverter) gồm có các khoá chuyển mạch. Hình 1.5a mô tả cấu trúc bộ nghịch lưu 3 bậc điện
áp bằng cách điều khiển các van như Bảng 1.3.
Bảng 1.3 Trạng thái van ứng các mức điện áp trong bộ nghịch lưu 3 bậc loại tụ kẹp

Mức
1
2

Trạng thái van
Ghi chú
S1= S2 =1
(S1‟= S1=1)
C được nạp
(S2= S2‟= 1)
C được xả
3
- Udc/2


S2
C2

U DC
4

UDC
U DC
2

C1

C3

C
S’1

C2


U DC
2

S4
S’1

a

C3

0

U DC
2

(a)

S’2

C3

S’3
C4

S’4
0
(b)

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

STT
1
2

Uan
Udc/2
Udc/4

3


23


điện áp. Để tạo ra bộ biến đổi ba pha ta chỉ cần đấu 3 bộ biến đổi một pha theo hình sao
hoặc hình tam giác.
A
S11

S31

E

A
E

vH 1

E

vH 2

E

vH 3

E

vH 4


H3

N
N
(b) Nine-level inverter

(a) Seven-level inverter

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

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

sơ đồ sẽ bao gồm các nghịch lưu cầu chữ H một pha với nguồn DC cách ly riêng biệt ở
phía một chiều, còn phía xoay chiều thì nối tiếp nhau.
1.2.4 Nghịch lưu đa bậc tổng quát
Cấu trúc nghịch lưu tổng quát (Generalized Multilevel Cells) đã được giới thiệu trong
tài liệu [40] và có sơ đồ như Hình 1.8. Các cấu trúc trước đây như cấu trúc có diot kẹp, cấu
trúc có tụ kẹp đều có thể nhận được từ mạch nghịch lưu đa bậc tổng quát. Ngoài ra, nghịch
lưu đa bậc tổng quát có thể cân bằng mỗi mức điện áp mà không quan tâm đến đặc tính tải.
Vì vậy, nghịch lưu đa bậc tổng quát là bộ có thể cân bằng mức điện áp tự động tại bất kỳ
mức điện áp nào, nó không phụ thuộc đó là bộ biến đổi công suất tác dụng hoặc công suất
phản kháng và không cần sự hỗ trợ của mạch khác. Với nguyên tắc này, ta có thể thiết kế
một cách bao quát các bộ nghịch lưu đã tồn tại.

U

U

U

dc

U

dc

U

dc

U



dc

U

dc

2 -le v e l

U

dc

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

5 -le v e l
dc

B a s ic c e ll

n -le v e l

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

25