ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN PHƯỚC BẢO DUY

THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC DÙNG BỘ NGHỊCH
LƯU BA BẬC NPC VÀ DSP TMS320F28335
Chuyên ngành : Tự động hóa
Mã số: 10151093

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Hồng Minh Trí ...................................
Ký tên
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
Ký tên
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
Ký tên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM, ngày . . . . . tháng . . . . năm 2012 .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
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


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ
Họ và tên học viên: NGUYỄN PHƯỚC BẢO DUY Phái: NAM
Ngày, tháng, năm sinh: 28/11/1987

Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Tự động hóa

MSHV: 10151093

I.

Tên đề tài:

THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC DÙNG BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC
NPC VÀ DSP TMS320F28335.

II.

Nhiệm vụ đề tài:
- Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba bậc NPC và các giải thuật điều khiển liên
quan nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của bộ nghịch lưu.
- Nghiên cứu giải thuật điều khiển bộ lọc tích cực ba pha ba dây
- Xây dựng mơ hình mơ phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây dùng bộ
nghịch lưu ba bậc NPC trên phầm mềm Matlab.
- Thiết kế và thi cơng mơ hình thực nghiệm bộ lọc tích cực ba pha ba dây
dùng bộ nghịch lưu ba bậc NPC và DSP TMS320F28335.

III.

Ngày giao nhiệm vụ: 04/07/2011

IV.

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 02/07/2012

V.

Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS. Hồng Minh Trí
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MƠN QL CHUYÊN NGÀNH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



LỜI CẢM ƠN

Tơi xin gởi đến thầy TS. Hồng Minh Trí lời biết ơn sâu sắc vì đã dành
thời gian quý báu để hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cũng như cho tơi những
lời khun bổ ích để hồn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS Nguyễn Văn Nhờ cùng tất cả
các anh chị, các bạn nghiên cứu viên tại Phòng TN Hệ thống Năng lượng đã
giúp đỡ và đồng hành cùng tôi trong thời gian thực hiện luận văn.
Ngoài ra, trong suốt thời gian học tập tại trường đại học Bách khoa –
ĐHQG Tp. HCM, tôi đã được các thầy cô khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt là
bộ môn Điều khiển tự động, giảng dạy tận tình, cho tơi nhiều kiến thức mới bổ
ích, bên cạnh đó tơi cũng được các bạn bè cùng khóa, cùng lớp đóng góp nhiều
ý kiến cũng như các tài liệu có giá trị. Xin gởi đến các thầy cô và các bạn lời
cảm ơn chân thành nhất.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn Cha mẹ và các anh chị em trong gia đình đã
động viên và tạo điều kiện giúp tơi vượt qua những khó khăn trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu vừa qua.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 02/07/2012

Nguyễn Phước Bảo Duy


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này nghiên cứu thiết kế và điều khiển bộ lọc cơng suất tích cực sử
dụng bộ nghịch lưu ba bậc NPC, với kỹ thuật điều rộng xung PWM, để lọc thành phần
hài bậc cao và bù cơng suất phản kháng trong lưới điện có tải phi tuyến. Bộ nghịch lưu
ba bậc được chọn bởi các ưu điểm như hoạt động tốt ở công suất trung bình và lớn, ít

tạo ra nhiễu đóng ngắt hơn so với bộ nghịch lưu hai bậc thơng thường. Q trình được
điều khiển vịng kín sử dụng lý thuyết cơng suất tức thời. Kết quả mô phỏng sử dụng
phần mềm Matlab/Simulink và thực nghiệm cùng card điều khiển TMS320F28335
được trình bày để minh chứng cho các nghiên cứu lý thuyết.

ABSTRACT
This thesis concerns the control of an active power filter (APF), based on a
three-level NPC inverter, with the carrier based pulse width modulation (CBPWM),
for harmonic and reactive power compensation in three-wire power network with
nonlinear loads. The three-level topology, suitable for high/medium power
applications, was chosen due to the feature of carrying out voltages with less
harmonic contents than its comparable standard two-level one. The control process
was conducted in a closed-loop manner adopting the instantaneous power theory for
the active power filter current references injection. Simulation using Matlab/Simulink
software and experiment results using TMS320F28335 control card are provided to
verify the theoretical study.


LỜI CAM KẾT
Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tơi
tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mơ phỏng, thực nghiệm đều
do chính bản thân tơi tự làm ra, hồn tồn khơng phải sao chép của từ bất kỳ một tài
liệu hoặc cơng trình nghiên cứu nào khác.
Nếu tôi không thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tơi xin chịu hồn tồn trách
nhiệm trước kỷ luật của nhà trường cũng như pháp luật Nhà nước.
Nguyễn Phước Bảo Duy


MỤC LỤC
Chương 0: GIỚI THIỆU


1

Chương 1:BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC VÀ CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU
KHIỂN LIÊN QUAN

5

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ NGHỊCH LƢU

5

1.2. BỘ NGHỊCH LƢU BA BẬC NPC VÀ CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
CƠ BẢN

6

1.2.1. Phƣơng pháp điều chế vector không gian SVPWM

7

1.2.2. Phƣơng pháp điều chế sóng mang CBPWM

8

1.3. MỘT SỐ GIẢI THUẬT NÂNG CAO ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƢU BA
BẬC NPC

11


1.3.1. Khái niệm hàm offset và ứng dụng

11

1.3.2. Điều khiển ngõ ra cân bằng trong điều kiện áp tụ DC không cân bằng
(Decoupling offset)

16

1.3.3. Kỹ thuật điều khiển cân bằng áp tụ

18

Chương 2: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN DÒNG NGHỊCH LƯU

28

2.1. ĐIỀU KHIỂN DÒNG HYSTERESIS

28

2.1.1. Nguyên lý chung

28

2.1.2. Điều khiển hysteresis cân bằng áp tụ

30

2.2. ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH PI


31

2.2.1. Điều khiển dịng cho bộ nghịch lƣu một pha

31

2.2.2. Điều khiển dòng cho bộ nghịch lƣu ba pha

33

2.3. ĐIỀU KHIỂN DÒNG DEADBEAT

36

2.3.1. Hệ tọa độ dq

36

2.3.2. Phƣơng pháp điều khiển dòng deadbeat

37

Chương 3: LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI

39

3.1. PHÉP BIẾN ĐỔI CLARKE

39


3.2. LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI TRONG HỆ BA PHA BA DÂY

42

3.3. ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT P-Q VÀO BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG

47

Chương 4: THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

50


4.1. THIẾT KẾ MƠ HÌNH

50

4.1.1. Bộ điều khiển

51

4.1.2. Mạch đệm và mạch lái IGBT

52

4.1.3. Mạch cảm biến dòng – áp

54


4.1.4. Mạch công suất nghịch lƣu

57

4.1.5. Các phần tử khác trên mơ hình

59

4.2. GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỒN CHỈNH

60

4.2.1. Giải thuật tính dịng cần bù

60

4.2.2. Giải thuật điều khiển dịng bộ lọc

61

Chương 5: MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

64

5.1. MƠ PHỎNG

64

5.1.1. Mơ phỏng khi chƣa tác động bộ lọc


65

5.1.2. Mô phỏng khi có tác động bộ lọc

66

5.2. THỰC NGHIỆM

68

Chương 6: ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

72

6.1. MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM APF TRÊN THẾ GIỚI

72

6.2. ĐÁNH GIÁ VỀ CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC

75

6.3. HƢỚNG PHÁT TRIỂN

76

TÀI LIỆU THAM KHẢO

77


PHỤ LỤC A

79

PHỤ LỤC B

91

PHỤ LỤC C

100

LÝ LỊCH KHOA HỌC

101


Chương 0 – Giới thiệu

Chương 0:
GIỚI THIỆU

Giới thiệu bộ lọc tích cực (Active Power Filter – APF)
Khái niệm bộ lọc tích cực được giới thiệu lần đầu tiên năm 1976 bởi L.
Gyugyi và E.C. Strycula. Ngày nay, bộ lọc tích cực khơng cịn là một ước muốn mà
đã trở thành hiện thực, rất nhiều dạng bộ lọc tích cực đã được nghiên cứu và thương
mại hóa trên tồn thế giới.
Cấu tạo chung của bộ lọc tích cực dạng song song (Shunt APF) miêu tả trên
Hình 0.01 với thành phần chính là một bộ nghịch lưu kết nối với lưới điện. Khi một
tải phi tuyến được nối với nguồn (một pha hoặc ba pha), sẽ tạo ra một dòng điện phi

tuyến khơng sin, dịng này kết hợp với trở kháng nguồn sẽ làm méo dạng áp nguồn,
giảm chất lượng điện áp.

Vs

Is

Active Power
Filter

IL

Nonlinear Load

IF

CPWM

Inverter

Hình 0.01: Sơ đồ ngun lý bộ lọc tích cực
Tác dụng của bộ lọc tích cực là cung cấp một dịng điện vào hệ thống, mục
tiêu là duy trì dịng nguồn hình sin, triệt tiêu các thành phần sóng hài khơng mong
muốn, bên cạnh đó, bộ lọc tích cực cịn có tác dụng nâng hệ số cơng suất của mạch
ba pha. Ngồi ra, một số bộ lọc cịn có vai trò lọc hài bậc cao của điện áp hoặc duy
trì trạng thái cân bằng của nguồn ba pha.

1



Chương 0 – Giới thiệu

Có nhiều cấu hình khác nhau cho bộ lọc tích cực, có thể phân loại theo dạng
bộ nghịch lưu, cấu trúc kết nối, đặc điểm của nguồn hoặc giải thuật điều khiển.
Phân loại theo bộ nghịch lưu: có thể sử dụng bộ nghịch lưu dịng hoặc nghịch
lưu áp, hai bậc hoặc đa bậc (Hình 0.02)

(b)

(a)

Hình 0.02: Bộ lọc dùng (a) bộ nghịch lưu dòng, và (b) bộ nghịch lưu áp
Phân loại theo cấu trúc kết nối: bộ lọc tích cực nối tiếp (Series APF), bộ lọc
tích cực song song (Shunt APF hoặc Parallel APF) hoặc kết hợp (unified APF or
universal APF), ngồi ra cịn có cấu hình lai (hybrid) giữa bộ lọc tích cực và bộ lọc
thụ động
Cấu hình bộ lọc ở Hình 0.02 thuộc loại bộ lọc song song, cấu hình nối tiếp và
kết hợp miêu tả ở Hình 0.03, cấu hình lai miêu tả ở Hình 0.04

(a)

(b)

Hình 0.03: Bộ lọc tích cực (a) nối tiếp và (b) kết hợp
Phân loại theo nguồn: bộ lọc tích cực một pha (hai dây) hoặc ba pha (ba dây
hoặc bốn dây).
Phân loại theo giải thuật điều khiển: giải thuật bù trong miền tần số dùng phân
tích Fourier, giải thuật bù trong miền thời gian dùng lý thuyết công suất tức thời p-q
kết hợp một trong các bộ điều khiển hysteresis, PI, deadbeat hoặc sliding mode….
2



Chương 0 – Giới thiệu

Hình 0.04: Cấu hình lai (hybrid)
Bảng 0 là một bảng tổng kết ngắn về cách lựa chọn cấu hình bộ lọc sao cho
phù hợp với từng ứng dụng cụ thể, theo [7].
Bảng 0: Cấu hình bộ lọc và phù hợp với ứng dụng
Bộ lọc tích cực
Hybrid of
Ứng dụng
Active
Active Series
Active Shunt
Series
and Passive
Shunt
A.Lọc dịng
**
***
B.Bù cơng suất
***
**
phản kháng
C.Cân bằng tải
*
D.Lọc dịng trung
**
*
tính

E.Lọc áp
***
**
F.Ổn định điện áp
***
*
**
G.Cân bằng áp
***
**
H.Bù méo dạng áp
**
***
I.Bù sụt áp
***
*
**
J. (A + B)
***
**
K. (A + B + C)
**
L. (A + B + C + D)
*
M. (E + F)
**
N. (E + F + H +I)
**
O. (A + E)
**

P. (A + B + E + F)
*
Q. (F + G)
**
*
R. (B + C)
*
S. (B + C + D)
*
T. (A + B + G)
**
*

3

Hybrid of
Active Series
and Active
Shunt
*
*

*
*
*
*
*
*
*
*

*
*
**


Chương 0 – Giới thiệu

U. (A + C)
*
V. (A + D + G)
*
**
Lưu ý: Lựa chọn có nhiều dấu * hơn là lựa chọn tốt hơn.

Phạm vi nghiên cứu
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn trong
các vấn đề sau:
-

-

-

-

Nghiên cứu các giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu áp ba bậc NPC như
giải thuật cân bằng áp tụ, điều khiển dịng, mơ hình hóa nhằm thiết kế các
bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu.
Nghiên cứu lý thuyết công suất tức thời và ứng dụng vào bộ lọc tích cực
song song, sử dụng nguồn ba pha ba dây với tải phi tuyến là cầu chỉnh lưu

Diode và RL.
Xây dựng mơ hình mơ phỏng bộ lọc tích cực dùng phần mềm
Matlab/Simulink.
Thiết kế và thi cơng mơ hình thực nghiệm của bộ lọc tích cực sử dụng các
khóa đóng ngắt IGBT, bộ điều khiển dùng kit DSP TMS320F28335 của
Texas Instrument.
Đánh giá, so sánh, nhận xét các kết quả mô phỏng, thực nghiệm đạt được.

Mục tiêu của luận văn
Bộ lọc tích cực phải thực hiện tốt việc lọc dịng và bù cơng suất phản kháng
cho hệ thống ba pha ba dây:
-

Dòng nguồn đạt dạng gần sin, các thành phần sóng hài có biên độ < 3%.
Hệ số công suất ≈ 1 (áp nguồn và dịng nguồn gần như cùng pha).
Cơng suất hoạt động ≈ 2kVA.

4


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Chƣơng 1:
BỘ NGHỊCH LƢU BA BẬC NPC VÀ CÁC GIẢI THUẬT
ĐIỀU KHIỂN LIÊN QUAN

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ NGHỊCH LƢU
Bộ nghịch lưu là thiết bị công suất dùng để chuyển đổi điện áp một chiều
thành điện áp xoay chiều, có rất nhiều cấu hình cho bộ nghịch lưu, trong đó cấu
hình đơn giản nhất là bộ nghịch lưu hai bậc (Hình 1.01). Ưu điểm của bộ nghịch lưu


Sa

Sb

Sc
va
vb
vc

VD
S‟a

S‟b

S‟c

Hình 1.01: Bộ nghịch lưu hai bậc
hai bậc là điều khiển đơn giản, phù hợp với các ứng dụng công suất thấp.
Tuy nhiên bộ nghịch lưu hai bậc có một số khuyết điểm khơng thể khắc
phục, bởi vì chỉ có hai mức điện áp ngõ ra nên gây ra sóng hài bậc cao, hơn nữa do
hạn chế về các giá trị về dòng và áp định mức của linh kiện nên không phù hợp với
các ứng dụng công suất lớn, điện áp cao. Bộ nghịch lưu đa bậc ra đời giúp khắc
phục các khuyết điểm trên.
Cấu trúc chung của bộ nghịch lưu đa bậc nhằm mục đích tổng hợp điện áp
ngõ ra từ vài bậc điện áp, thuật ngữ “đa bậc” được dùng cho số bậc từ 3 trở lên. Nếu
số bậc càng tăng, dạng áp ngõ ra càng nhiều bước, tạo thành áp dạng nấc thang và
tiếp cận với áp dạng sin chuẩn với hệ số méo dạng toàn phần (THD) càng nhỏ. Có
thể chứng minh được THD sẽ bằng khơng nếu số bậc tiến đến vô cùng. Tất nhiên,
trong thực tế không thể thực hiện một bộ nghịch lưu với số bậc lớn tùy ý được, sự
giới hạn chủ yếu là do vấn đề mất cân bằng điện áp giữa các tụ.

Nhìn chung, so với bộ nghịch lưu hai bậc, bộ nghịch lưu đa bậc có ưu điểm:
- Cơng suất tăng

5


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
-

Tổn hao do q trình đóng ngắt linh kiện giảm do điện áp đặt lên linh
kiện giảm.
Giảm thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ngõ ra.

Trong phạm vi luận văn này, chủ yếu đi sâu nghiên cứu cấu trúc bộ nghịch
lưu ba bậc NPC (Neutral Point Clamped inverter - Hình 1.02), ngoài ra bộ nghịch
lưu hai bậc cũng được giới thiệu sơ lược với mục đích so sánh đánh giá là chủ yếu.

S2a

S2b

S2c

S1a

S1b

S1c

VD/2

C2

va
vb
vc
S‟2a

S‟2b

S‟2c

S‟1a

S‟1b

S‟1c

VD/2
C1

0

Hình 1.02: Bộ nghịch ba bậc NPC

1.2. BỘ NGHỊCH LƢU BA BẬC NPC VÀ CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU
KHIỂN CƠ BẢN
Cấu hình bộ nghịch lưu NPC nói chung sử dụng thích hợp khi các nguồn DC
tạo nên từ hệ thống điện AC. Mạch nguồn DC được phân chia thành các cấp điện áp
nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện DC mắc nối tiếp.
Bộ nghịch lưu NPC ba bậc dùng 12 khóa bán dẫn và ba cặp diode kẹp, bằng

cách kích đóng – ngắt các linh kiện, mỗi điện áp ngõ ra va, vb, vc có thể đạt được các
giá trị sau:

VD ... S1x  S2 x  1
V

vx 0   D ... S1x  1; S2 x  0; x  a, b, c
2
 0 ... S1x  S2 x  0

6

1.01


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Do vx0 có thể đạt được ba nấc giá trị khác nhau nên đây được gọi là bộ
nghịch lưu ba bậc.

 S1x  S '1x  1
Cần lưu ý quy tắc kích đối nghịch: 
 S2 x  S '2 x  1

(1.02)

Có hai phương pháp thường dùng để điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC là
phương pháp điều chế vector khơng gian (SVPWM) và phương pháp điều chế sóng
mang (CBPWM).
1.2.1 Phƣơng pháp điều chế vector không gian SVPWM
Phương pháp điều chế vector không gian xuất phát từ các ứng dụng của

vector khơng gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong
các hệ thống điện ba pha.
Khái niệm vector khơng gian và phép biến hình vector không gian: cho đại
lượng ba pha tức thời va, vb, vc cân bằng: va + vb + vc = 0, phép biến hình từ các đại
lương ba pha tức thời sang đại lượng vector v theo hệ thức:





v  k v  a.v  a 2 .v
a
b
c


 a  e j 2 /3   1  j 3

2
2

(1.03)

Được gọi là phép biến hình vector khơng gian, đại lượng v được gọi là
vector không gian của đại lượng ba pha.
Chọn k  2 / 3 ta có phép biến hình bảo tồn cơng suất.
Phương pháp điều chế vector khơng gian:
Quy ước: trạng thái ngõ ra của các pha ký hiệu là 0, 1 hoặc 2 tương ứng với
3 giá trị áp ngõ ra là 0, VD/2 và VD, khi đó ta có tổng cộng 27 trạng thái kích dẫn
linh kiện với 19 vị trí trên hình lục giác (Hình 1.03).

Các bước của phương pháp điều chế vector khơng gian:
(1) Tính vector không gian v REF từ điện áp ba pha mong muốn va, vb, vc
(2) Tìm 3 vector khơng gian V0 ,V1 ,V2 trên sơ đồ vector không gian gần với
vector v REF nhất
(3) Tính tốn thời gian duy trì τ0, τ1, τ2 của các vector tìm được ở bước (2)

7


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
(4) Chọn tổ hợp đóng ngắt khóa bán dẫn tối ưu để thực hiện các vector
V0 ,V1 ,V2 trong thời gian τ0, τ1, τ2 tìm được ở bước (3).
020

120

021

122
011

022

012

121
010

221
110


000
111
222

211
100

112
001

002

220

101
212

102

210

200

201

202

Hình 1.03: Sơ đồ vector khơng gian cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Nhìn chung, phương pháp này tính tốn khá phức tạp, chi tiết có thể tham

khảo thêm tại [11].
1.2.2. Phƣơng pháp điều chế sóng mang CBPWM
Để thực hiện giản đồ đóng kích các linh kiện trong cùng một pha tải, ta so
sánh một tín hiệu điều khiển (dạng sin) với 2 sóng mang dạng tam giác (trong
trường hợp tổng quát bộ nghịch lưu m bậc ta cần m – 1 sóng mang) (Hình 1.04).
Các sóng mang có cùng tần số fc, cùng biên độ đỉnh – đỉnh Ac. Sóng điều khiển có
biên độ đỉnh – đỉnh Am và tần số fm, có dạng sóng thay đổi xung quanh trục tâm của
2 sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương
ứng sóng mang đó sẽ được kích đóng, ngược lại, linh kiện trên sẽ bị khóa.
ura

urb

urc

Hình 1.04: Tín hiệu sóng mang và sóng điều khiển của phương pháp CBPWM

8


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Am

m

a

2 Ac

Chỉ số biên độ ma và chỉ số tần số mf được định nghĩa: 

 m  fc
 f
fm

(1.04)

Phương pháp điều chế sóng mang được thể hiện rõ hơn ở Hình 1.05.
2

2

CW2

CW2

1

1

CW1

urx

0
1
0
1
0

CW1


0
1
0
1
0

S2x = 0
S1x

VD/2
0

vx0
0 ≤ urx < 1

urx

S2x
S1x = 1

VD
VD/2
0

x=a,b,c

vx0
1 ≤ urx < 2


Hình 1.05: Nguyên lý phương pháp điều chế CBPWM
Các linh kiện được kích đóng – ngắt theo quy tắc sau:

1... udkx  CW1
1... udkx  CW2
S1x  
; S2 x  
0... udkx  CW1
0... udkx  CW2

(1.05)

Kết hợp với quy tắc kích đối nghịch (1.02) ta có luật đóng ngắt cho đầy đủ
12 linh kiện bán dẫn.
Dễ dàng chứng minh được điện áp trung bình ngõ ra:

ux 0 

VD
.urx
2

(1.06)

Như vậy áp nghịch lưu trung bình thay đổi tỉ lệ thuận với áp điều khiển.

9


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC

Áp tải: Giả sử ngõ ra ba pha nghịch lưu nối với tải đối xứng (Hình 1.06)

R

L

a
b

N

c
Hình 1.06: Ngõ ra ba pha nghịch lưu nối tải RL đối xứng
Khi đó ta chứng minh được công thức xác định áp tải ba pha:

2ua 0  ub 0  uc 0

u

aN

3

2ub 0  uc 0  ua 0

ubN 
3

2uc 0  ua 0  ub 0


ucN 
3

Điện áp common mode: uN 0 

ua 0  ub 0  uc 0
3

(1.07)

(1.08)

Mô phỏng phương pháp điều chế CBPWM bằng phần mềm Matlab-Simulink
với VD = 200V, ma = 0.9, tải R = 10ohm, L = 80mH cho kết quả như hình 1.07.

Hình 1.07: Mơ phỏng điều chế CBPWM: a)Áp pha; b)Áp tải; c)Áp dây; d)Dòng 3 pha
10


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
1.3. MỘT SỐ GIẢI THUẬT NÂNG CAO ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH
LƢU BA BẬC NPC
Ở phần trước ta đã tìm hiểu hai giải thuật cơ bản để điều khiển bộ nghịch lưu
ba bậc NPC, tuy nhiên do đặc thù của bộ nghịch lưu, đòi hỏi phải cải tiến các giải
thuật điều khiển để nâng cao chất lượng áp – dòng ba pha cũng như khắc phục
những hạn chế của bộ nghịch lưu đa bậc, điển hình là vấn đề cân bằng điện áp giữa
các tụ DC. Các giải thuật này sẽ được trình bày cụ thể ở phần tiếp theo, kèm theo đó
là các kết quả mô phỏng để minh chứng.
1.3.1. Khái niệm hàm offset và ứng dụng
Từ công thức (1.06) và (1.07), ta thấy nếu cùng tăng hoặc giảm áp điều khiển

của cả ba pha, thì điện áp tải thu được khơng đổi. Thật vậy, đặt ura = x1, urb = x2, urc
= x3, khi đó:

VD
VD


uaN  6  2 x1  x2  x3 
 ua 0  2 x1


VD
V


x2  ubN  D  2 x2  x3  x1 
ub 0 
2
6


VD
VD


u

x
u


 2 x3  x1  x2 
c
0
3

 cN
2
6



(1.09)

Tương tự, nếu ura = x1 + vo, urb = x2 + vo, urc = x3 + vo, thì:

VD
VD


u

u

(
x

v
)
 2 x1  x2  x3 
 aN

 a0 2 1 o
6


VD
V


( x2  vo )  ubN  D  2 x2  x3  x1 
ub 0 
2
6


VD
VD


uc 0  2 ( x3  vo ) ucN  6  2 x3  x1  x2 



(1.10)

So sánh (1.09) và (1.10), rõ ràng áp tải không đổi. Giá trị vo được gọi là hàm
offset. Hàm offset là hàm cộng thêm vào tín hiệu điều khiển của các nhánh nghịch
lưu và khơng làm thay đổi điện áp tải trung bình.
Giới hạn của hàm offset: Đặt Max = max(x1, x2, x3), Min = min(x1, x2, x3)
Bởi vì theo nguyên lý điều chế CBPWM (Hình 1.05), sóng mang tam giác có
giá trị giới hạn giữa 0 và 2, nên nếu muốn áp ngõ ra ux0 điều khiển được, thì áp điều


11


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
khiển urx cũng phải giới hạn từ 0 – 2 (nếu ngoài giới hạn này, áp ngõ ra bị bão hòa).
Vậy nên:

 xi  vo  Max  vo  2
  Min  vo  2  Max

 xi  vo  Min  vo  0

(1.11)

Gọi vomax và vomin là giới hạn trên và dưới của hàm offset, trong trường hợp
này vomax = 2 – Max và vomin = -Min.
Để hiểu rõ hơn hàm offset, ta xét hai ứng dụng sau:
a) Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM hoặc SFOPWM – Switching Frequency Optimal PWM)
Mục đích: tăng phạm vi điều khiển tuyến tính của áp tải.
Nội dung phương pháp như sau: ta chọn hàm offset là trung bình cộng của
Max và Min:

voSFO 

Max  Min max( x1 , x2 , x3 )  min( x1 , x2 , x3 )

(1.12)
2
2


Tín hiệu điều khiển ba pha được thay đổi như sau:
u’rx = urx – voSFO

(1.13)

Phương pháp này chỉ được sử dụng cho tải ba pha ba dây, hệ quả của phương
pháp là vùng điều khiển tuyến tính của điện áp pha tải được tăng lên khoảng 15% so
với phương pháp điều chế thông thường.
Phương pháp điều chế SFO-PWM được minh họa ở Hình 1.08 và 1.09.

Hình 1.08: Điều chế SFO-PWM: a) ura; b) Hàm offset voSFO; c) u’raSFO
12


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Ta thấy nếu không dùng SFO-PWM, chỉ số biên độ ma tối đa chỉ bằng 1,
trong khi đó nếu sử dụng SFO-PWM ma tăng lên đến 1.15 mà tín hiệu điều khiển
vẫn trong phạm vi giới hạn của sóng mang, có nghĩa là vẫn cịn trong phạm vi điều
khiển tuyến tính.
b. Phương pháp điều chế gián đoạn DPWM (Discontinuous PWM)
Khái niệm điều chế gián đoạn: Sử dụng hàm offset thích hợp sao cho một
trong ba nhánh nghịch lưu khơng có chuyển mạch, giúp giảm tổn hao cơng suất do
đóng ngắt, tăng tuổi thọ linh kiện. Khi đó, nhánh nghịch lưu khơng có hiện tượng
chuyển mạch sẽ được nối cố định (trong một chu kỳ sóng mang) với một trong ba vị
trí 0, VD/2 hoặc VD, tương ứng với tín hiệu điều khiển của nhánh đó nhận một trong
ba giá trị 0, 1 hoặc 2.
Ý tưởng để thực hiện phương pháp: hàm offset được chọn có giá trị:
vo = min{|urx – i|}, với x  a, b, c và i  0,1, 2


(1.14)

Giải thuật để thực hiện ý tưởng trên thể hiện ở Hình 1.09, lưu ý: ζx là phần
phân của urx (ζx = urx – Int(urx)).

 a , b , c
max  max{ a ,  b ,  c }

 min  min{ a ,  b ,  c }

K1 = 1 – max
K4 = min

K1 < K 4

+

vo = K 1

vo = -K4

u‟rx = urx + vo

Hình 1.09: Giải thuật điều chế gián đoạn DPWM

13


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Trong một số trường hợp, yêu cầu cần phải ưu tiên cho nhánh nghịch lưu có

trị tuyệt đối dịng (tức thời) lớn nhất khơng có chuyển mạch, tối ưu hóa bài tốn, thì
giải thuật miêu tả ở Hình 1.09 có thể điều chỉnh lại như ở Hình 1.10.
ia, ib, ic  a ,  b ,  c

max  max{ a ,  b ,  c }

 min  min{ a ,  b ,  c }

1

xImax = xmax

Imax = max{|ia|,|ib|,|ic|}
Imid = mid{|ia|,|ib|,|ic|}

+

+

x = a,b,c

xImax = xmin
-

ζx = max

+

x → xmax


-

ζx = min

+

+

x → xmin

-

|ix| = Imax

xImax = xmin

vo = -K4

vo = K 1

u‟rx = urx + vo
+

x → xImax

+

x → xImid

-


|ix| = Imid
-

End x

1

Hình 1.10: Giải thuật điều chế gián đoạn DPWM có xét đến độ lớn dịng điện
Chi tiết về giải thuật, có thể tham khảo thêm tại [13].
Kết quả mô phỏng điều chế DPWM thể hiện trên Hình 1.11 và 1.12, với ma =
0.9, VD = 200V, tải R = 10ohm, L = 80mH.

14


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC

Hình 1.11: Điều chế gián đoạn DPWM a) urx; b) vo; c) u’rx
Ta thấy có những khoảng thời gian mà urx chỉ giữ cố định một trong ba giá trị
nguyên 0, 1 hoặc 2, trong những giai đoạn đó, nhánh x sẽ khơng có hiện tượng
chuyển mạch.
Những đoạn khơng có chuyển mạch

Hình 1.11: Điều chế gián đoạn DPWM a) ux0; b) Dòng tải 3 pha
So sánh với kết quả ở Hình 1.07, ta thấy dịng tải vẫn duy trì như cũ, chứng
tỏ mặc dù có nhiều đoạn khơng chuyển mạch, giảm tổn hao trên linh kiện nhưng
chất lượng dòng – áp ngõ ra vẫn không thay đổi.

15



Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
1.3.2. Điều khiển ngõ ra cân bằng trong điều kiện áp tụ DC không cân
bằng (Decoupling offset)
Trong điều kiện thực tế, 2 tụ DC của bộ nghịch lưu ba bậc NPC được nạp
thông qua một cầu chỉnh lưu diode (1pha hoặc 3pha), hơn nữa vì lý do kinh tế, diện
dung của tụ khơng thể chọn q lớn, chính vì vậy sự nhấp nhô áp trên 2 tụ (dẫn đến
sự mất cân bằng giữa 2 tụ) là điều khó tránh khỏi. Bài tốn đặt ra là làm sao để điều
khiển bộ nghịch lưu để dòng – áp ngõ ra vẫn cân bằng trong điều kiện điện áp trên 2
tụ có sự mất cân bằng như vậy.
Xét bộ nghịch lưu ba bậc NPC, điện áp ngõ ra mong muốn (so với điểm „0‟
của bộ nghịch lưu) của ba pha lần lượt là Ura, Urb và Urc (lưu ý, đây là điện áp ngõ
ra ba pha chứ khơng phải tín hiệu điều khiển urx, trong điều kiện tụ cân bằng thì hai
đại lượng này tỉ lệ thuận với nhau theo (1.06)). Điện áp tức thời trên 2 tụ C1, C2 lần
lượt là VD1 và VD2. Ta định nghĩa một số đại lượng như sau:

 Lx  0 khi U rx  VD1

 Lx  1 khi VD1  U rx  VD 2 ; x  A, B, C
 H  L 1
x
 x

(1.15)

 VLx  0;VHx  VD1 khi vX  VD1

VLx  VD1 ;VHx  VD 2 khi VD1  vX  VD 2 ;


Vdcx  VHx  VLx


(1.16)

 x  U rx  U Lx

x ;


*

x

Vdcx


(1.17)

Khi đó, tín hiệu điều khiển urx được xác định như sau:

urx  Lx   *x ;

(1.18)

Trong trường hợp tổng quát, giải thuật này có thể ứng dụng cho bộ nghịch
lưu m bậc, với m > 2, tuy nhiên trong phạm vi luận văn này chỉ xét cho bộ nghịch
lưu 3 bậc NPC.
Giải thuật này có thể kết hợp với giải thuật SFO-PWM để tăng phạm vi điều
khiển tuyến tính áp tải, hoặc kết hợp với giải thuật DPWM để giảm tổn hao đóng

ngắt trên linh kiện.

16


Chương 1 – Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
Kết quả mơ phỏng thể hiện trên Hình 1.12 và 1.13, trong điều kiện áp 2 tụ
chênh lệch khá lớn và không bằng phẳng như nguồn DC lý tưởng, tổng điện áp 2 tụ
≈ 200V, tải R = 10ohm, L = 80mH.

Hình 1.12: Giải thuật Decoupling offset kết hợp SFO-PWM:
a) Điện áp mong muốn Urx; b) Điện áp trên 2 tụ DC; c) Tín hiệu điều khiển urx
urx

Hình 1.13: So sánh chất lượng dòng 3 pha tải khi
a) Sử dụng kỹ thuật CBPWM thông thường, THD = 9.25%
b) Sử dụng kỹ thuật Decoupling offset, THD = 1.25%
Như vậy ta thấy nếu dùng kỹ thuật CBPWM thơng thường, dịng tải bị méo
dạng sóng hài lớn, trong khi sử dụng kỹ thuật Decoupling offset cho chất lượng
dòng tải tốt với THD bé hơn (1.25% so với 9.25%).

17