Điều khiển phân tán các bộ biến đổi công suất dạng mô-đun ghép nối tiếp và song song - NCS. Nguyễn Phú Công

Tên luận án: Điều khiển phân tán các bộ biến đổi công suất dạng mô-đun ghép nối tiếp và song song
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 9520201
Họ và tên nghiên cứu sinh: Nguyễn Phú Công
Cán bộ hướng dẫn: 1. PGS.TS Phan Quốc Dũng, 2. PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Những nội dung và đóng góp chính của luận án
Công nghệ các bộ biến đổi công suất đa pha, đa bậc ngày càng được hoàn thiện nhằm nâng cao chất lượng điện năng, giảm sóng hài trên lưới điện, giảm tổn thất chuyển mạch, giảm điện áp đóng cắt, giảm ứng suất điện áp, điều chế cao áp với các linh kiện giới hạn điện áp, tăng khả năng tương thích điện từ, tăng hiệu suất thiết bị… Cấu trúc mô-đun hoá đã và đang là xu hướng phát triển tất yếu của các bộ biến đổi công suất trong các ứng dụng công suất vừa và lớn. Trong trường hợp này, số lượng mô-đun bộ xử lý trung tâm phải quản lý và điều khiển là rất lớn: giám sát và điều khiển điện áp giữa các mô-đun, giám sát và điều khiển dòng điện giữa các pha, thực hiện các thuật toán nâng cao chất lượng điện năng, cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) thích hợp cho các mô-đun. Đây là một bài toán phức tạp khi triển khai các bộ biến đổi công suất đa pha, đa bậc. Ngoài ra, trong một số ứng dụng, nếu một hoặc một số mô-đun ngừng hoạt động, có thể do hư hỏng hoặc do tối ưu hóa hoạt động, các bộ biến đổi công suất đa pha, đa bậc cần thiết lập lại các kết nối; Cần điều chỉnh chương trình điều khiển của mô-đun để phù hợp với số mô-đun đang hoạt động; Quá trình này đôi khi yêu cầu hệ thống ngừng hoạt động và có thể mất nhiều thời gian dài để điều chỉnh.
Cấu trúc bộ biến đổi công suất dạng ghép mô-đun nối tiếp và song song cho phép các bộ biến đổi công suất có thể dễ dàng trong việc đáp ứng nhu cầu điện áp và dòng điện của tải. Khả năng tăng, giảm điện áp nhằm đáp ứng cho các tải khác nhau có thể thực hiện bằng cách thay đổi số lượng mô-đun được ghép nối nối tiếp vào nhánh; hoặc với cùng một mức điện áp ngõ ra, khi thêm hoặc bớt mô-đun nối tiếp làm thay đổi điện áp trên các khóa đóng cắt, nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra, giảm độ méo dạng điện áp, giảm công suất và dung lượng của các bộ lọc thụ động. Trong khi đó, việc nối song song các nhánh có thể phân chia dòng điện tổng qua tải thành các dòng điện nhánh với giá trị trung bình. Đối với các khóa bán dẫn, giá trị dòng điện chuyển mạch có giới hạn cho trước, đối với nhu cầu dòng điện tải nhất định, bằng cách nối song song các nhánh, việc đảm bảo này đạt được một cách dễ dàng. Khó khăn chính của cấu trúc dạng này là phải kiểm soát một số lượng lớn mô-đun ghép nối tiếp và song song. 
Phương pháp điều chế độ rộng xung vec-tơ không gian (SVPWM) nổi bật với khả năng tối ưu hóa các trạng thái chuyển mạch, rất phù hợp khi triển khai trên các vi mạch kỹ thuật số. Nhìn chung, phương pháp SVPWM đa bậc được tính toán dựa trên cấu hình cho trước với số lượng mô-đun trong mỗi pha, số lượng pha đã xác định trước, cấu trúc không thay đổi trong quá trình vận hành. Xét về cấu trúc kết nối các khóa công suất bán dẫn lưỡng cực (IGBT), SVPWM đã được sử dụng để giải quyết cho các bộ biến đổi công suất ba pha, năm pha, sáu pha, 2x3 pha, 2x6 pha. Ngoài nhiệm vụ chính là cung cấp các giải pháp chuyển mạch linh hoạt cho các IGBT, nghiên cứu về SVPWM tập trung giải quyết các vấn đề: cân bằng điện áp của các tụ điện trong mô hình bộ biến đổi công suất trung tính kẹp (NPC) đa bậc, cân bằng điện áp giữa các mô-đun trong các bộ biến đổi công suất đa bậc, giảm điện áp common mode, giảm độ méo dạng hài tổng (THD), giảm tổn thất chuyển mạch, giải quyết bài toán khi bộ biến đổi công suất làm việc trong vùng quá điều chế… Gần đây, giá trị cốt lõi của SVPWM được nâng cao thông qua việc tìm ra cách thức triển khai tổng quát cho các bộ biến đổi công suất dạng đa pha, đa bậc. Giải thuật điều chế SVPWM đa pha, đa bậc hoàn toàn có thể áp dụng cho các bộ biến đổi công suất với số pha và số bậc bất kỳ. 
Các bộ biến đổi công suất đa pha, đa bậc thông thường được điểu khiển bởi một bộ xử lý trung tâm. Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển trung tâm có thể là xuất các tín hiệu điều khiển đến các mạch lái IGBT của mô-đun, điều khiển và cân bằng điện áp trên các tụ điện, điều khiển và cân bằng điện áp giữa các mô-đun, điều khiển và cân bằng dòng điện giữa các pha, điều khiển và cân bằng dòng điện của các nhánh... Chính vì vậy, các bộ điều khiển trung tâm này phải có số lượng ngõ vào và ngõ ra rất lớn, phải có khả năng xử lý ở tốc độ cao, và thường có chi phí khá cao. Đây sẽ là một nhược điểm rất lớn nếu số lượng mô-đun trong hệ thống tăng lên, đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải đánh giá tổng thể, tìm kiếm các giải pháp nhằm có thể đảm bảo hệ thống hoạt động và vận hành tin cậy, đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng hệ thống.
Do đó, trong luận án này, tác giả đã nghiên cứu và đề xuất cấu trúc bộ biến đổi công suất đa pha, đa bậc ghép nối tiếp các mô-đun, ghép nối tiếp và song song các mô-đun; Đề xuất phương pháp điều khiển phân tán nhằm xác định xung chuyển mạch thích hợp cho từng mô-đun theo nguyên lý điều chế độ rộng xung sóng mang và điều chế độ rộng xung vec-tơ không gian. Cụ thể, tác giả tập trung vào hai vấn đề sau:
- Đề xuất cấu trúc và phương pháp điều khiển phân tán bộ biến đổi công suất đa pha, đa bậc sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung vec-tơ không gian.
- Đề xuất cấu trúc và phương pháp điều khiển phân tán bộ biến đổi công suất đa mô-đun ghép nối tiếp và song song, sử dụng giải thuật dịch pha sóng mang điều chế DC/AC một pha.
Bộ biến đổi công suất điều khiển phân tán đề xuất sử dụng cấu trúc các mô-đun sẽ giao tiếp số lượng thông tin hạn chế với các mô-đun lân cận. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab và thực nghiệm trên nền tảng các bộ xử lý kỹ thuật số (DSP) đã chứng minh:
- Các bộ điều khiển cục bộ có số lượng các phép tính được giảm đi đáng kể so với việc chỉ sử dụng một bộ điều khiển trung tâm duy nhất, điều này được xem như một giải pháp làm giảm áp lực của các bộ điều khiển trung tâm khi sử dụng phương pháp điều khiển tập trung.
- Các đề xuất về cấu trúc và phương pháp dịch pha sóng mang phân tán cho bộ biến đổi công suất đa mô-đun ghép nối tiếp và song song cho thấy thời gian cấu hình hệ thống, số lượng kênh giao tiếp truyền thông, khối lượng công việc thực hiện của các mô-đun cục bộ giảm so với các công bố trước đó.
- Khả năng tự động đóng góp mức điện áp thích hợp của từng mô-đun vào điện áp ngõ ra dựa vào số lượng mô-đun đang hoạt động của hệ thống. Chính vì vậy, các bộ biến đổi công suất điều khiển phân tán có thể được xem là một kỹ thuật điều chế đa bậc, đa pha trong các bộ biến đổi công suất.
- Khả năng tái cấu trúc của hệ thống khi cần tích hợp thêm vào, gỡ bỏ hoặc vô hiệu hóa một vài mô-đun, điều này cho phép hệ thống tự động điều chỉnh cấu trúc dựa vào số lượng mô-đun còn lại của hệ thống mà không yêu cầu các bộ biến đổi công suất ngừng hoạt động. Các bộ biến đổi công suất đa pha, đa bậc có thể gia tăng độ tin cậy trong vận hành và điều khiển thông qua việc tự động điều chỉnh các giao tiếp giữa các mô-đun, tự động hiệu chỉnh thông số vận hành khi quá trình tích hợp thêm vào, gỡ bỏ hoặc vô hiệu hóa mô-đun xảy ra.