Luận án Điều khiển bộ biến đổi đa bậc nguồn áp ứng dụng trong các nguồn điện phân tán có nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
BÙI VĂN HUY 
ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐA BẬC NGUỒN ÁP ỨNG DỤNG 
TRONG CÁC NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN CÓ NỐI LƯỚI 
 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa 
 Mã số: 62520216 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 
Hà Nội - 2016 
Công trình được hoàn thành tại: 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
 Người hướng dẫn khoa học: 
 1. PGS.TS Nguyễn Văn Liễn 
 2. PGS.TS.Trần Trọng Minh 
Phản biện 1: GS. TSKH. Thân Ngọc Hoàn 
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Anh Nghĩa 
Phản biện 3: PGS. TS. Lê Tòng 
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến 
sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
 Vào hồi .. giờ, ngày .. tháng .. năm  
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 
 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 
1. Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh (2013), “Chiến lược cân bằng 
điện áp các khâu DC cho chỉnh lưu tích cực trên cơ sở nghịch 
lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về 
Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2013, (trang 204-210) 
2. Bùi Văn Huy , Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng 
Phương (2014), “Bộ biến đổi DC-AC-AC qua khâu trung gian 
tần số cao có khả năng trao đổi công suất hai chiều”, Hội nghị 
toàn quốc lần thứ 7 về Cơ Điện tử - VCM-2014, (trang 136 -
142). 
3. Bùi Văn Huy, Trần Trọng Minh, Nguyễn văn Liễn (2014), “Điều 
khiển dòng công suất hai chiều qua bộ biến đổi AC-DC-AC-AC 
đa bậc nối tầng với khâu trung gian tần số cao”, Chuyên san 
điều khiển tự động hóa Số 11- Tháng12/2014 ISSN 1859-0551 
(trang 24-31). 
4. Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh, Nguyễn Văn Liễn (2015), “Kỹ 
thuật mới cân bằng điện áp trên tụ cho nghịch lưu đa bậc nối 
tầng chữ H trong hệ thống STATCOM”, Tạp chí khoa học & 
công nghệ các trường đại học kỹ thuật số No.107C/2015 (trang 
13-18) ISSN 2354-1083. 
5. Trần Trọng Minh, Nguyễn văn Liễn, Bùi Văn Huy (2015), “Điều 
khiển tựa thụ động cho mạch vòng dòng điện trong bộ biến đổi 
đa bậc nối tầng có khả năng trao đổi công suất hai chiều”, 
Chuyên san điều khiển và tự động hóa số 12- Tháng 4/2015 
ISSN 1859-0551 (trang 76-82). 
6. Bùi Văn Huy, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng 
Phương, Trần Đình Thoại (2015), “ Thực nghiệm bộ nghịch lưu 
DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao có khả năng trao đổi 
công suất hai chiều”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về Điều khiển 
và Tự động hoá - VCCA 2015 tháng 11/2015 (Trang 197-203). 
7. Bùi Văn Huy, Trần Trọng Minh (2016), “Mô phỏng và thực 
nghiệm kiểm chứng thuật toán cân bằng điện áp trên tụ một 
chiều cho chỉnh lưu tích cực đa bậc cầu chữ H nối tầng”, 
Chuyên san điều khiển và tự động hóa số 15 tháng 4/2016 ISSN 
1859-0551 (Trang 41-48). 
1 
MỞ ĐẦU 
Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò rất quan trọng trong 
việc điều khiển, ổn định và kết nối các nguồn điện phân tán, đặc biệt 
khi các nguồn phát này nối với lưới điện. 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. 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 thấp, tần số đóng cắt của các van mạch lực 
thấp trong khi vẫn đảm bảo tần số 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 và dễ nâng cấp mở rộng 
hệ thống... 
Đối tượng nghiên cứu: 
Bộ biến đổi đa bậc nối tầng AC-DC-AC-AC có khâu cách ly tần số 
cao gồm 2 cổng: cổng 1 xây dựng trên cơ sở nghịch lưu đa bậc cầu H 
nối tầng; cổng 2 xây dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu đa bậc DC-AC-
AC nối tầng, khâu DC-AC-AC có khâu trung gian tần số cao với 
khâu AC-AC điều chế theo nguyên lý biến tần ma trận. 
Mục đích nghiên cứu: 
§ Đề xuất thuật toán mới nhằm cân bằng điện áp trên các tụ điện 
một chiều trung gian, đề xuất thuật toán điều chế và chuyển mạch 
cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu trung gian tần số cao và 
khâu AC-AC điều khiển chuyển mạch kiểu biến tần ma trận. 
§ Nghiên cứu khả năng áp dụng một số phương pháp điều khiển 
như điều khiển PI, 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. 
2 
§ 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. 
§ 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 và khảo sát đặc điểm vật lý của 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 3,3kV và thực 
nghiệm ở cấp điện áp 220V. Tuy nhiên, những bộ biến đổi đa bậc 
có ưu điểm lớn khi ứng dụng cho những nguồn phát phân tán có 
công suất lớn và điện áp cao. Việc chọn mức điện áp phù hợp 
không phải phạm vi nghiên cứu của luận án. 
Ý nghĩa của đề tài: 
Nghiên cứu những bộ biến đổi có khả năng kết nối linh hoạt các 
nguồn điện phân tán có bản chất khác nhau, đảm bảo cách ly, đảm 
bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng và thu phát công suất phản 
kháng độc lập, đảm bảo độ tin cậy và khả năng dễ dàng mở rộng hệ 
3 
thống là một nhu cầu bức thiết hiện nay. Đề tài nghiên cứu bộ biến 
đổi đa bậc nối tầng có cấu trúc AC-DC-AC-AC, có khâu cách ly tần 
số cao đáp ứng đòi hỏi yêu cầu của thực tiễn. Một loạt các vấn đề về 
điều chế, điều khiển chuyển mạch, các mạch vòng điều khiển dòng 
điện, điện áp và công suất đã được đề tài đưa ra phương án giải quyết 
mang đến những đóng góp khoa học thực sự cho nghiên cứu này. 
Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án: 
§ Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ một 
chiều trung gian. 
§ Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật toán 
chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận. 
§ Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai 
chiều bằng các phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động và 
tựa thụ động có khâu thích nghi tham số. 
Bố cục luận án gồm 4 chương như sau: 
Chương 1 Tổng quan 
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 cân bằng điện áp một chiều trung gian 
của bộ biến đổi; 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: Các vòng 
điều khiển dòng điện, điện áp một chiều trung gian, 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, 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-AC-AC, 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. 
4 
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. 
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 
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. 
Mỗi IGBT chỉ có thể chịu được điện áp tối đa khoảng 6,5 kV. Như 
vậy, để có thể dùng bộ biến đổi nghịch lưu hai mức cho những ứng 
dụng điện áp cao thì có thể mắc nối tiếp các van IGBT. Tuy nhiên, 
vấn đề thách thức đối với giải pháp này là làm sao điều khiển đồng 
thời các van. 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... 
1.2 Các bộ biến đổi đa bậc nguồn áp 
1.3 Các phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc 
Có ba phương pháp điều chế phổ biến cho các bộ biến đổi đa bậc: 
- Điều chế tại tần số cơ bản 
- Điều chế theo sóng mang (carrier based PWM) 
- Điều chế vector không gian. 
1.4 Tổng quan về phương pháp chuyển mạch trong biến tần ma 
trận khóa hai chiều 
1.5 Các phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện cho bộ 
biến đổi đa bậc 
Gồm hai nhóm phương pháp điều khiển là điều khiển tuyến tính và 
phi tuyến. 
1.6 Tổng quan về tình hình ứng dụng bộ biến đổi đa bậc trong 
việc kết nối nguồn điện phân tán với lưới 
Do sự phát triển của công nghệ bán dẫn đặc biệt là công nghệ chế tạo 
IGBT, hàng loạt các bộ biến đổi đa bậc được sử dụng trong các ứng 
dụng ở mức trung và cao áp. Điển hình như các hệ thống lọc tích cực 
5 
(AF), STATCOMs, DVRs và UPFCs... Hoặc hệ thống kết nối các 
nguồn phân tán có bản chất khác nhau như bộ biến đổi UNIFLEX-
PM (Universal Flexible Power Management system) kiếu AC-DC-
DC-AC hoặc AC-DC-AC-AC. Khi đó lưới được tổ chức dưới dạng 
như hình 1.23 
Hình 1.23. Cấu trúc lưới điện phân tán sử dụng bộ Uniflex-PM 
1.6.1 Cấu trúc bộ AC-DC-DC-AC 
1.7 Định hướng và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 
1.7.1 Định hướng nghiên cứu 
Đối tượng nghiên cứu của luận án là bộ biến đổi đa bậc nối tầng 
dùng để trao đổi công suất giữa hai nguồn điện xoay chiều. Bộ biến 
đổi đó đảm bảo khả năng trao đổi công suất tác dụng ở hai cổng đồng 
thời có khả năng tự thu phát công suất phản kháng ở mỗi cổng một 
cách độc lập. Luận án tập trung nghiên cứu bộ biến đổi AC-DC-AC-
AC với khâu trung gian tần số cao. Những nhiệm vụ nghiên cứu có 
thể liệt kê tóm tắt ở mục 1.7.2 sau đây. 
1.7.2 Những nhiệm vụ cần giải quyết của luận án 
v Lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi: 
Cấu trúc bộ biến đổi mà luận án lựa chọn được xây dựng trên cơ sở 
bộ đa bậc nối tầng cầu chữ H ở phía cổng 1(thường dùng để nối với 
lưới), ở cổng 2 có cấu trúc đa bậc nối tầng trên cơ sở module DC-
6 
AC-AC để ghép nối với nguồn phân, module DC-AC-AC lại được 
điều chế và thực hiện chuyển mạch theo nguyên lý biến tần ma trận. 
v Vấn đề điều chế: 
Với cấu trúc bộ biến đổi mà luận án lựa chọn, các vấn đề điều chế 
cần giải quyết là: 
- Điều chế cho bộ biến đổi đa bậc nối tầng ở hai cổng 
- Cân bằng điện áp một chiều trung gian 
- Điều chế bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng và đảm bảo quá 
trình chuyển mạch một cách tin cậy ở khâu AC-AC theo 
nguyên lý biến tần ma trận 
v Vấn đề điều khiển: 
Luận án sẽ lần lượt thiết kế bộ điều khiển PI, PR, tựa thụ động và 
thích nghi tựa thụ động nhằm đảm bảo quá trình trao đổi công suất 
hai chiều của bộ biến đổi. 
1.7.3 Đóng góp của luận án 
v Dự kiến luận án có một số đóng góp mới như sau: 
§ Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ 
một chiều trung gian. 
§ Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật 
toán chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận. 
§ Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai 
chiều bằng các phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động 
và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số. 
v Với kết quả nghiên cứu đó, dự kiến đem lại những ý nghĩa về mặt 
khoa học lẫn thực tiễn: 
§ Ý nghĩa khoa học: đề xuất thuật toán cân bằng điện áp trên tụ 
một chiều trung gian mới, đảm bảo quá trình điều chế và 
chuyển mạch an toàn của khâu DC-AC-AC bằng phương pháp 
điều chế phía sơ cấp máy biến áp tần số cao kết hợp thuật toán 
chuyển mạch kiểu biến tần ma trận phía thứ cấp. Với những 
cấu trúc điều khiển thích hợp, bộ biến đổi hoàn toàn đáp ứng 
được yêu cầu trao đổi công suất hai chiều của bộ biến đổi 
§ Ý nghĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu là tiền đề cho việc tích 
hợp các nguồn phát phân tán với lưới tại Việt Nam với mức cỡ 
trung áp và công suất cỡ vài trăm kVA đến vài MVA. 
2 Bộ biến đổi 2 cổng AC-DC-AC-AC có khâu trung gian tần số 
cao 
2.1 Cấu trúc của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng 
7 
Cấu trúc chi tiết của bộ AC-DC-AC-AC đa bậc nối tầng được cho 
như Hình 2.1 
Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống AC-DC-AC-
AC đa bậc nối tầng 
Bộ biến đổi ở cổng 1 
đảm nhiệm hai nhiệm vụ 
chính là ổn định điện áp 
một chiều trung gian của 
từng pha, cân bằng điện 
áp trên các tụ một chiều 
trung gian và thu hoặc 
phát công suất phản 
kháng Q. 
Bộ biến đổi ở cổng 2 
điều khiển cả quá trình 
trao đổi công suất tác 
dụng P và thu phát công 
suất phản kháng Q . Bộ 
biến đổi c ... 
8 
Dạng sóng điện áp ra và các dạng xung điều khiển được cho như 
hình 2.7. 
( )m t
1cr 2cr 3cr 
11gs
31gs
1Hv p
12gs
32gs
2Hv
13gs
33gs
3Hv
p
ANv
1cr 2cr 3cr 
p
p
321 HHH vvvvAN ++=
2.2.1 Cân bằng điện áp các khâu DC NL đa bậc nối tầng cầu H 
v Các phương pháp cân bằng điện áp trên tụ DC 
v Thuật toán mới cân bằng điện áp trên tụ DC 
Ở đây sẽ xây dựng phương pháp cân bằng điện áp trên tụ DC áp 
dụng được không phụ thuộc vào phương pháp điều chế PWM. Các 
Hình 2.7 Điều chế kiểu dịch pha cho bộ nghịch lưu cầu H 7 bậc 
9 
chế độ phóng nạp tụ ứng với các trạng thái van được tóm tắt như 
bảng 2.3 
Bảng 2.3 Trạng thái van và tình trạng phóng nạp của tụ một chiều 
đối với một cầu chữ H 
hi Trạng thái 
van 
Điện áp 
ra uo,i 
Trạng thái tụ DC 
iL > 0 iL < 0 
1 S1, S4 +Udc Nạp điện Phóng điện 
-1 S3, S2 -Udc Phóngđiện Nạp điện 
0 (S1, S3), 
(S2,S4) 
0 Không thay đổi Không thay đổi 
 Tác động của thuật toán tóm tắt lại trong bảng 2.5, những ô có dấu 
“-” nghĩa là bỏ qua, không tác động gì. 
Bảng 2.5 Tác động cân bằng điện áp trên các tụ một chiều cho 
nghịch lưu nối tầng 3 cầu H 
h iL > 0 iL < 0 
Udc,j,max Udc,i,min Udc,j,max Udc,i,min 
h = 3 - - - - 
h = 2 hj= 0 
(bypass Cj) 
hj-1, hj+1 = 1 
(charge Cj-1, 
Cj+1) 
- 
- 
hi= 0 
(bypass Ci) 
hi-1, hi+1 = 1 
(discharge 
Ci-1, Ci+1) 
h = 1 
- 
hi = 1 
(charge Ci) 
hi-1, hi+1 =0 
(bypass Ci-1, 
Ci+1) 
hj = 1 
(discharge 
Cj) 
hj-1, hj+1 =0 
(bypass Cj-1, 
Cj+1) 
- 
h = 0 - - - - 
h= -1 hj = -1 
(discharge 
- - hi = -1 
(charge Ci) 
10 
Cj) 
hj-1, hj+1 =0 
(bypass Cj-1, 
Cj+1) 
hi-1, hi+1 =0 
(bypass Ci-1, 
Ci+1) 
h=-2 
- 
hi =0 
(bypass Ci ) 
hi-1, hi+1 = -1 
(discharge 
Ci-1, Ci+1 ) 
hj = 0 
(bypass Cj ) 
hj-1, hj+1 = -1 
(charge Cj-
1,Cj+1) 
- 
h = -
3 
- - - - 
Để kiểm chứng thuật toán cân bằng điện áp trên tụ, tác giả đã xây 
dựng mô hình mô phỏng chỉnh lưu tích cực 1 pha 7 bậc. Các tụ một 
chiều : Cdc1 = 5400 µF, Cdc2 = 6000 µF, Cdc3 = 6600 µF. Phụ tải: Rdc1 
= 12 , Rdc2 = 8 , Rdc3 = 6. Udc,ref = 150 V. 
Kết quả MP cho thấy mặc dù có sự chênh lệch về giá trị C và R 
nhưng điện áp trên các tụ vẫn được cân bằng. Điện áp đầu vào bộ 
biến đổi có dạng 7 bậc. 
2.3 Phân tích bộ biến đổi ở cổng 2 
Bộ biến đổi ở cổng 2 gồm 3 pha, mỗi pha có 3 module DC-AC-AC. 
2.3.1 Các nguyên lý điều chế mạch AC-AC 
2.3.2 Điều chế PWM cho bộ biến đổi DC-AC-AC với khâu AC-AC 
điều chế kiểu biến tần ma trận 
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
50
100
150
200
Time [s]
0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4
-500
0
500
Time [s]
Hình 2.12 Chỉnh lưu tích cực trên cơ sở NL đa bậc cầu H 
11 
Bộ DC-AC-AC cũng có thể điều chế theo phương pháp điều chế 
lưỡng cực và điều chế đơn cực trong đó phương pháp điều chế đơn 
cực có chất lượng về sóng hài tốt hơn. 
v Phương pháp dùng hai sóng mang 
v Phương pháp điều chế sử dụng hai sóng điều chế ngược pha 
Phương pháp điều chế đơn cực sử dụng một sóng mang và hai sóng 
điều chế cho trên Hình 2.19. Tín hiệu sóng mang là xung răng cưa 
được phát đồng bộ với tín hiệu điều khiển các van 1 4V V phía sơ 
cấp biến áp. 
Hai tín hiệu sóng 
m(t) và – m(t) ngược 
pha nhau 180o, upwm+ 
và upwm- là đầu ra so 
sánh giữa m(t) và –
m(t) với sóng 
mang.Vì tín 
hiệu fu có dạng xoay 
chiều biên độ ±1 
nên xung mở van S1 
là tích uf*upwm+ và 
lấy tích uf*upwm- sẽ 
được xung mở van 
S4.Tín hiệu điều 
khiển van S3 là đảo 
của van S1, tín hiệu 
điều khiển van S2 là 
đảo của van S4. 
Hình 2.19 Mẫu xung điều khiển PWM cho matrix 
converter dùng 2 sóng điều chế 
2.3.3 Điều khiển chuyển mạch cho biến tần ma trận 
Sử dụng phương pháp chuyển mạch diễn ra theo 4 bước, từ t1, t2, t3, 
đến t4. Chuyển mạch ngược lại từ S3 về S1 theo bốn bước t5, t6, t7, t8 
theo trình tự như hình 2.22 và 2.23. Mỗi bước của quá trình chuyển 
mạch cần một thời gian bằng td, là thời gian để van khoá lại hoàn 
toàn, td cỡ 1÷2 µs đối với IGBT. Điện áp uf là hoàn toàn xác định 
được, do đó việc chuyển mạch 4 bước phía thứ cấp máy biến áp kết 
hợp với điều chế phía sơ cấp máy biến áp chính là một trong những 
đóng góp của luận án. 
12 
2.3.4 Mô phỏng, kiểm chứng phương pháp điều chế và chuyển mạch 
2.3.5 Bộ nghịch lưu 7 bậc xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC nối 
tầng 
Hình 2.29 Nghịch lưu 7 bậc trên cơ sở 
bộ biến đổi DC-AC-AC nối tầng 
 Hình 2.31 Giản đồ xung điều 
khiển các van phía sơ cấp MBA 
 Hình 2.32. Điều chế PWM dịch pha 
cho DC-AC-AC nối tầng. 
Áp dụng phương pháp dịch pha tất cả các module DC-AC-AC. Kết 
quả cho trên hình 2.34 cho thấy dạng điện áp đầu ra bộ nghịch lưu có 
dạng 7 bậc (hình b), dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tải có 
dạng sin (hình c và d). 
 Hình 2.22 Quá trình chuyển mạch 
giữa van S1 và S3 khi uf(t)>0 
Hình 2.23 Quá trình chuyển mạch 
giữa van S1 và S3 khi uf(t)<0 
13 
Hình 2.34 Kết quả MP nghịch lưu 7 bậc nối tầng DC-AC-AC 
2.4 Tóm tắt và kết luận 
Chương này đã giải quyết 3 vấn đề chính là: cân bằng điện áp trên tụ 
một chiều trung gian, đề xuất thuật toán điều chế và chuyển mạch 
khâu DC-AC-AC và đảm bảo khả năng nối tầng của bộ biến đổi theo 
phương pháp điều chế sóng mang kiểu dịch pha áp dụng cho cả hai 
cổng. Các phân tích lý thuyết là kết quả mô phỏng đã chứng minh 
tính đúng đắn của những giải pháp đề ra. 
3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI 
3.1 Mô hình trạng thái và vấn đề điều khiển công suất của bộ 
biến đổi nối lưới 
3.1.1 Mô hình trạng thái liên tục 
Trên hệ tọa độ dq 
1
1
d
d q d d
q
q d q q
di R i Li u e
dt L L
di R i Li u e
dt L L


 (3.2) 
Hệ tọa độ cố định ab: 
s
s
u i i edR L
u i i edt
   
(3.4) 
3.1.2 Điều khiển công suất trong bộ biến đổi nối lưới 
3.2 Phân tích cấu trúc điều khiển 

Hình 3.5 Hệ điều khiển cổng 1 

Hình 3.6 Hệ điều khiển ở cổng 2 
14 
3.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển PID cho bộ biến đối 
3.3.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện 
1
R Ls 
1
R Ls 
Hình 3.7 Cấu trúc bộ điều khiển ở cổng 1,2 trên trục tọa độ dq 
3.3.2 Thiết kế mạch vòng điện áp một chiều trung gian ở cổng 1 
3.3.3 Thiết kế các vòng điều khiển công suất 
Hình 3.11 Mạch vòng điều khiển công suất ở 2 cổng 
3.4 Cấu trúc điều khiển cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện 
3.4.1 Cấu trúc của bộ điều khiển cộng hưởng 
v Điều kiện ổn định của bộ điều khiển cộng hưởng 
v Bộ điều chỉnh cộng hưởng PR trên hệ tọa độ tĩnh αβ trong hệ 
thống 3 pha 3 dây 
*
2P
*
di
*
qi
ia
*ua
*ub
ib
*ia
*ib
*Q
*
au
*
bu
*
cu
ea
eb
Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển cổng 2 với bộ điều khiển cộng hưởng cho 
mạch vòng dòng điện 
3.5 Cấu trúc điều khiển tựa thụ động cho mạch vòng dòng điện 
15 
3.5.1 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động 
3.5.2 Xây dựng bộ điều khiển tựa thụ động cho mạch dòng điện 

* *
1
* * *
2
( )
( )
d d d q d d
q q q d q q
u e Ri Li r i i
u e Ri Li r i i


Hình 3.21 Cấu trúc hệ thống điều khiển ở cổng 2 
3.6 Cấu trúc điều khiển tựa thụ động thích nghi tham số cho 
mạch vòng dòng điện 
Cuộn cảm có L và R luôn tồn tại sai số 
trong quá trình chế tạo hoặc có thể không 
được xác định giá trị một cách chính xác 
khi lắp đặt. Sử dụng luật hiệu chỉnh (3.67) 
với các tham số 1 2,   là các hằng số thích 
nghi khi thiết kế bộ chỉnh định tham số. 
µ 
3
* *
1 1 2
3
* *
2 1 2
* *
1 2
( )
( )
; z
q d
d q
d qd d q q
LL i z i z
R r
LR i z i z
R r
z i i i i i i
 

g
g
$
% %
 (3.67) 
3.7 Mô phỏng kiểm chứng kết quả 
3.7.1 Mô phỏng hệ điều khiển trên hệ tọa độ dq với bộ điều khiển PI 
cho mạch vòng dòng điện 
 Hình 3.25 Điện áp các tụ pha A,B,C và điện áp trung bình trên một pha 
16 
 Hình 3.27 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2 
Hình 2.28 Công suất P ở hai cổng Hình 2.29 Công suất Q ở hai cổng 
3.7.2 Mô phỏng cấu trúc ĐK cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện 
 Hình 3.33 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2 
17 
 Hình 3.34 P trao đổi ở hai cổng Hình 3.35 Q trao đổi ở 2 cổng 
0 100 200 300 400 500 600
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 80.43 , THD= 1.85%
Cổng 1 (t = 1.4s đến 1.44s) 
0 100 200 300 400 500 600
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 72.07 , THD= 0.85%
M
ag
 (%
 o
f F
un
da
m
en
ta
l)
Cổng 2 (t = 1.4s đến 1.44s) 
Hình 3.36 Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ở 2 cổng 
3.7.3 Mô phỏng điều khiển bộ điều khiển tựa thụ động 
Hệ số suy giảm r1 = r2 = 0.05. 
Hình 3.37 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm phía cổng 1 và cổng 2 
18 
Hình 3.40 Công suất tác dụng trao 
đổi ở hai cổng 
 Hình 3.41 Công suất phản kháng 
trao đổi ở 2 cổng 
0 100 200 300 400 500 600
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 81.15 , THD= 1.78%
M
ag
 (%
 o
f F
un
da
m
en
ta
l)
a.Cổng 1(t = 1.4s đến 1.44s) 
0 100 200 300 400 500 600
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 2696 , THD= 0.34%
M
ag
 (%
 o
f F
un
da
m
en
ta
l)
b.Cổng 2 (t = 1.4s đến 1.44s) 
Hình 3.40 Phân tích sóng hài của dòng điện qua cuộn cảm ở cổng 1 và 2 
3.7.4 Mô phỏng bộ điều khiển tựa thụ động khi có sai lệch R, L 
3.7.5 Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển tựa thụ động có khâu 
thích nghi tham số 
Tham số mô phỏng: tham số danh định cổng 2 : R = 0.01Ω, L = 
0.0075H. Tham số thực tế: R = 0.015 Ω, L = 0.0045 H (L sai lệch 
40%, R sai lệch 50%). 1 2 1 20.05; 0.05; 0.05r r   
Hình 3.47 Dạng dòng điện chạy qua cuộn cảm ở cổng 1 và 2 
19 
 Hình 3.49 Giá trị công suất tác dụng trao đổi ở cổng 1,2 
Hình 3.50 Giá trị đặt và giá trị thực 
của công suất phản kháng cổng 1 và 2 
0 100 200 300 400 500 600
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 72.05 , THD= 1.21%
M
ag
 (%
 o
f F
un
da
m
en
ta
l)
Hình 3.49 Phân tích sóng hài của 
dòng điện qua cuộn cảm ở cổng 2 (t 
= 1.4s đến 1.44s) 
3.7.6 Đánh giá kết quả mô phỏng 
Dựa vào kết quả mô phỏng trên khi kết hợp với các thuật toán điều 
khiển PI, PR và PBC cho mạch vòng dòng điện và các bộ điều khiển 
vòng ngoài. Công suất Q thu phát thực tế đo và tính toán được ở hai 
cổng rất bám sát Q đặt. Kết quả mô phỏng P ở cổng 1 có sự trao đổi 
nhằm mục đích cân bằng điện áp trên các tụ và thu phát theo yêu cầu 
ở cổng 2. Khi hệ thống đã ổn định chất lượng dòng điện ở hai cổng 
khi áp dụng bộ điều khiển cộng hưởng cho chất lượng đòng điện tốt 
nhất, điều này có thể giải thích là do trong cấu trúc bộ điều khiển 
cộng hưởng có thành phần lọc sóng hài bậc 1, 3, 5 và 7. Cấu trúc 
điều khiển tựa thụ động tỏ ra bền vững với những biến động nhỏ về 
tần số. Tuy nhiên nó có hạn chế là phụ thuộc rất nhiều vào độ chính 
xác giá trị L và R của cuộn cảm phía xoay chiều, điều này dẫn đến 
cần có cơ cấu chỉnh định thích nghi tham số R, L. Kết quả mô phỏng 
mục 3.7.5 đã chứng minh rằng khi điện trở và điện cảm của hệ thống 
có sai lệch, nhờ có khâu chỉnh định tham số R, L chất lượng bộ điều 
khiển tựa thụ động vẫn đảm bảo chất lượng. 
20 
3.8 Tóm tắt và kết luận 
Các kết quả mô phỏng đã thể hiện tính đúng đắn của các thuật toán 
điều chế, phương pháp điều khiển và chứng minh khả năng trao đổi 
công suất hai chiều của bộ biến đổi. 
4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 
Hệ thống thực nghiệm gồm 4 phần. Các kết quả thực nghiệm đã 
kiểm chứng tính đúng đắn của các thuật toán mà tác giả đề xuất. 
4.1 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng thuật toán cân bằng điện 
áp trên tụ 
4.1.1 Sơ đồ cấu trúc thực nghiệm 
220 2 sin( )t
15 VDC±
15VDC
Hình 4.1. Cấu trúc thực nghiệm 
chỉnh lưu tích cực 7 bậc 
Các tụ Cdi = 2200 µF. R1 = 64 W, R2 
= 32 W, R3 = 64 W , Udc,ref = 450V . 
Mạch điều chế kiểu dịch pha, tần số 
fpwm = 500 Hz. 
Hình 4.2 Hình ảnh mạch lực 
bộ chỉnh lưu tích cực 7 bậc 
 Hình 4.3 Mô hình thực 
nghiệm nghịch lưu đa bậc 
4.1.2 Các kết quả thực nghiệm 
21 
 Hình 4.7 KQ thực nghiệm, Ud,ref = 
150VDC. 
Kết luận: Các kết quả thực nghiệm đã 
chứng minh khả năng cân bằng điện áp 
của thuật toán cân bằng điện áp một 
chiều cho chỉnh lưu tích cực nối tầng 7 
mức, 3 cầu H, ngay cả khi tải một chiều 
chênh lệch đến 50%. 
 Hình 4.8 Điện áp đo trên mỗi 
cầu H bằng Osiloscope 
 Hình 4.9 Điện áp ra mạch 
nghịch lưu Multilevel 
4.2 Hệ thống thực nghiệm bộ DC-AC-AC với khâu trung gian 
tần số cao 
dcV fu
Li
1 1 4 4,S ,Sa b a bS S¸
pwmu +fu pwmu -
clock
15VDC±
15VDC
Hình 4.10 Cấu trúc mô hình hệ thống 
thực nghiệm DC-AC-AC 
 Hình 4.22 Điện áp đầu ra bộ 
biến đổi và điện áp trên tải khi 
Udc = 80V 
22 
4.3 Thực nghiệm bộ nghịch lưu 7 bậc DC-AC-AC nối tầng 
Mục đích của mô hình thực nghiệm này là kiểm chứng khả năng nối 
tầng của bộ DC-AC-AC. 
15VDC
Hình 4.25 Thực nghiệm bộ nghịch lưu DC-AC-AC 7 bậc nối tầng 
 Hình 4.34 Điện áp đo được đầu ra 
của một module DC-AC-AC 
 Hình 4.35 Điện áp đo đầu ra đo 
được của bộ biến đổi nối tầng 
4.4 Thực nghiệm bộ biến đổi AC-DC-AC-AC một pha ba bậc 
Cấu trúc điều khiển hệ AC-DC-AC-AC được cho như hình 3.37 
Hình 4.37 Cấu trúc điều khiển hệ AC-DC-AC-AC một pha 3 mức 
23 
Hình 4.38 Bộ AC-DC-AC-AC 
Hình 4.39 Điện áp DC (B) và 
điện áp trên thứ cấp MBA (A) 
Hình 4.40 Đo dòng điện (1:1500) và 
điện áp phía chỉnh lưu AC/DC- 
Trường hợp truyền công suất. 
Hình 4.41. Dòng điện (1:1500) và 
điện áp phía AC/DC- trường hợp 
nhận công suất 
4.5 Tóm tắt và kết luận 
Các kết quả thực nghiệm đã minh chứng được thuật toán chuyển 
mạch cho khâu DC-AC-AC là đảm bảo an toàn và tin cậy. Thuật 
toán cân bằng điện áp trên tụ trong bộ chỉnh lưu tích cực trên cơ sở 
nghịch lưu cầu H nối tầng là đúng đắn, việc nối tầng bộ biến đổi DC-
AC-AC là khả thi và chứng minh được khả năng trao đổi công suất 
hai chiều của cấu trúc AC-DC-AC-AC một pha 3 mức. 
24 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
v Những đóng góp mới của luận án: 
1.Đề xuất thuật toán mới đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ 
một chiều trung gian. 
2.Đề xuất phương pháp điều chế cho bộ DC-AC-AC với thuật 
toán chuyển mạch khâu AC-AC theo kiểu biến tần ma trận. 
3.Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển trao đổi công suất hai 
chiều bằng các phương pháp điều khiển PI, PR, tựa thụ động 
và tựa thụ động có khâu thích nghi tham số. 
v Đề xuất những hướng nghiên cứu tiếp theo: 
1.Nghiên cứu hoàn thiện các vấn đề điều khiển bộ biến đổi 
trong trường hợp lưới điện xuất hiện các trạng thái không bình 
thường; các trường hợp mà nguồn phân tán làm việc ở chế độ 
ốc đảo. 
2.Nghiên cứu bài toán điều khiển trao đổi công suất tác dụng 
và điều khiển cosφ ở hai cổng. 
3.Nghiên cứu khả năng mở rộng bộ biến đổi có thể kết nối 
nhiều cổng hơn (từ 3 cổng trở lên). 
4. Hoàn thiện và giới hạn khoảng giá trị tham số l1 và l2 trong 
khâu chỉnh định thích nghi tham số khi ứng dụng vào bộ điều 
khiển tựa thụ động. 
5.Nghiên cứu tiếp khả năng ứng dụng mới của bộ nghịch lưu 
đa bậc nối tầng trên cơ sở bộ DC-AC-AC qua khâu trung gian 
tần số cao.