Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ thống Điều khiển cho bộ biến Đổi cấu trúc module trong hệ thống truyền tải hvdc plus

chiếu truyền thông đá được triển khai, các bộ biển đổi công suất phần lớn có câu hình đã mức sứ dụng các van bán din Thyristor, GTO tuy cé kha năng chịu được điện áp cao nhưng lại hạn ch

_BQ GIAO DUC VA DAO TAO |

TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI

NGUYÊN TUẦN NGHĨA

NGIIÊN CỨU TINÉT KỶ IIỆ THÔNG ĐIỂU KIÊN CIIO BỌ BIẾN ĐÔI CAU TRUC MODULE TRONG HE THONG TRUYEN TẢI HVDC-PLUS

Chuyên ngành: ĐIỂU KIIÉN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIÊU KHIỂN VÀ TỰ ĐÔNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG LDẤN KHOA HỌC

TS PHẠM VIỆT PHƯƠNG

TIẢ NỘI - 2015

LOT CAM DOAN

Tôi xin cam doan bản luận văn tốt nghiép: “Nghién citu thiét ké hé théng diéu khién cho b6 bién déi cau tric module trong hệ thông truyền tdi IVDC-Plus” do toi

tự thiết kế đưới sự hướng dẫn của thay giáo TS Phạm Việt Phương Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thục tế

Để hoàn thành đồ án này tôi chí sử dụng những tải liệu được ghỉ trong danh

nụ tải liệu tham khảo và không sao chép hay sử đụng bắt tỳ tải liệu nào khác Nếu phái hiện có sự sao chép Lôi xin chịu hoàn loàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015

Hoe viên thực hiện

Nguyễn Tuân Nghĩa

LỜI NÓI DẦU

CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TRUYÊN TAI CAO AP MOT

CHIEU HVDC

1.2 Các loại cầu hình chính của hệ thống HVDC

1.2.2 Bộ biển đổi Backcto-Haek, càceiecoenre XeeerrorreoT 1.2.3 Truyền tải khoảng cach dai đơn cực 15

1.2.4 Truyền tôi khoảng cách dài lưỡng cực co seeereeererce TẾ 1.3 Các bộ biển đối thường đửng trong hệ thông HVDC - 1 1.4 Nhiệm vụ của luận văn _— seeeereeerrreo 1 CHƯƠNG2 CẤU TRÚC VẢ CÁC PIIƯƠNG PHÁP DIỀU CHẾ MODULE

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THONG HVDC PLUS CUA SIEMENS

3.1 Hệ thông HVDC-PLUS của hãng Siemens đàng câu trúc MMC 32

3.21 Tỉnh toán sơ bộ máy biển áp phía uớc chỉnh lưu 36

3.2.2 Tỉnh toàn sơ bộ máy biển áp phía sau nghịch hưu sects 7

CHUONG 4 MO HINA HOA VA XAY DUNG CAU TRUC ĐIÊU KHIỂN

CIO HE THONG BQ BIEN DOI MMC

4.3.4 Bộ điều khiển điện áp một chiêu os.222 seerese 40,

4.3 Phương pháp diễu khiển vòng trong của MMŒ 50 4.3.1 Các phương pháp điều khiển 2 2 co 65s cveerrrerrrrrrrrreerrerareuuyOT

4.4, 'Tính toàn thông số các mạch véng điều khiển sect 5D 4.4.1 Thông số mạch điều khién vòng trang - - 39

4⁄12 Thông s số "rạch điều khiển vòng ngoài 60

5.3.4 Bộ điều khiển điện áp một chiều re Kreeeesu.75) KẾT LUẬN

‘TAL LIEU THAM KHAO

DANH MUC TU VIET TAT

Modular Multilevel Converter

High Voltage Direct Current

Sub-module

Pulse-Width Modulation Phase Disposition

Phase Opposition Disposition

Alternate Phase Opposition

Capacitor comutated converter

Line cumulated converter

Voltage Source Converter

Bộ biển đổi da nức cầu trúc module

Hệ thống dong một chiều điện áp

DANII MUC CAC BANG

Bang 1.1 So sánh số linh kiện trong một pha của 4 dạng nghịch lưu trên

ng 2.1.Trạng thái làm việo của một SM

Bảng 4.1 Các hệ số K của bộ điều khiển

Bing 4.2 Các hằng số thời gian -

Bang 4.3 hông số mạch điểu khiển vòng ngoài

Bang 5.1 Thông số bộ biển đổi MMC

Bảng 5.2 Các hệ số K của bộ điều khiển

Bang 5.3 Các hằng số thời gian -

Bảng 5.4 Thông số mạch điều khiển vòng ngoài

Hình 1.9, 8o sánh thiết kế của HVDC- Đhug và HVDC- Classic - ¬.-

Hinh 1.10 Du an Trans Bay Cable - 10 Hinh 1.11 Dy dn INELFE ¬— cư T2 errrriy

Tlỉnh 1.13 Các dự án sử dụng hệ thẳng IIVDC-Plus của Siemmens

Hình 1.14 Dự án dầu tiền sử dụng hệ thống HVDC-Plus ứng dụng bộ biến dỗi

Hình 1.17 Sơ đồ bộ biển đối Back-to-Back Trung 14

Hình 1.18 Sơ dỗ truyền tái khoảng cach dai don cực nối đất - 15

Hình 1.19 Sơ đồ truyền tải khoảng cách đải đơn cực có đây trung tính 15

Hình 1.20 Sơ để cầu hình lưỡng cực với dây trung tính nổi đất 16

Tlinh 1.21 Sơ đồ cầu hình lưỡng cực làm việc đơn cực "3

Hinh 1.22 So dé cầu hình lưỡng cực có dây trưng tính - 17

Hình 2.4 Lòng điện chấy trong SM theo mỗi trạng thái đồng cắt của van vả tụ

Hình 2.5 Sơ đỗ kỹ thuật điền chế PWM 27

Hinh 2.7 Sóng mang bồ trí ngược pha

Hình 2.8 Sóng mang bố trí ngược pha xen kẽ

Tỉnh 2.9 Phương pháp dịch pha sóng mang

Hình 2.10 Sóng mang hình răng cưa

Hinh 2.11 Sóng mang hình tam giác

Tlinh 3.1 Du 4n Trans Bay Cable `

Hinh 3.2 So đỗ địa hình của dự án Trans Bay Cable

1lỉnh 3.3 IIệ thống IIVDC PLUS

Hình 3.4 Cầu hình truyền tải đơn cực

Hình 4.1 Hệ ông diễu khiển HVDC-Plus -

Hình 4.2.Cấu trúc chỉ tiết các mạch vòng điều khiển của HVDC-Plus

Tỉnh 4.3 Mach diện tương dương mệt pha của bộ biển dổi MIMƠ

Hình 4.4 Sơ đỗ khối hệ thống đồng bộ pha truyền thống IPLL

Hinh 4.5 So đỗ khối hệ thống dồng bộ pha truyền thống 3PLL

Tinh 4.6 Đồng bệ với khung tọa độ quay

Hình 4.7 Cấu trúc mạch vòng khóa pha

Hinh 4.8 Cấu trúc điều khiển dòng điện

Hinh 4.9 Sơ đồ khôi điều khiển dòng điện

Hình 4.14 Bộ diễu khiển công suất

Hình 4.15 Sơ đồ khối điều khiển điện áp một chiều

Hình 4.16 Sơ đồ mạch vòng điều khiển diện áp trung

Ilinh 4.18 Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo phương pháp Arm balancing

control -

Hinh 4.19 Quan hệ giữa biếu thức (4.40, (4.45) và góc Ú

Hinh 5.1 Dang dién ap pha (ve, Vb, ve) và điện áp đây (Vạp, Vục, Vạz)

Ilỉnh 5.2 Dạng điện áp nhánh trên (Vụ) và nhánh đưởi (Vị) khi chưa lọc

Tnh 5.3 Dạng điện áp nhánh trên (Vụ) và nhánh dưới ( Vr) sau khi qua lọc

Ilinh 5.4 Dang dién 4p trén ta Voi va Ves -

Hinh 5.5 I2ang diện áp trung bình tụ nhánh trên (VCAUA V} và dưới

(VCALAV) -

Hình 5.6 Dạng điện áp dòng điện tuần hoàn (iz)

Ilinh 5.7 Dd thi cong sual tac dung (P)

Hinh 5.8 Dé thi công suất phần kháng (Q)

Hình 5.9 Đồ thị dạng sóng điều chế của SMI (Vạ)

Tinh 5.10 Dang dién ap trén ta Voy va Ves khi Vere = 70 kV

Hình 5.11 Đã thị đang sóng diều chế của SM1 (Va) Veer= 70k

Đồ thi đáp ứng công suất phan kháng Q

Dang dién ap pha (vs, Vi, ve) va didn ap day (vay, Vụ, V

Dé thi dong dién Wan hoan (iz)

Dé thi dip ứng công

Dạng điện áp pha (Vạ, vụ, ve) và điện ap day (vap, Yoo Vac)

Đổ thì dòng diện tuần hoàn (ïz)

Dạng điện áp trên tụ Vou va Vos

NÓI ĐẦU

Trong những năm gắn dây, các hệ thống truyền tải diện năng một chiều (IVDC) ngày cảng được quan tim nghiên cứu và ứng dụng triển khai nhiều trong thực tế bởi những ưu điểm vượt hội về tính năng kinh tế và kỹ thuật so với các hệ thông truyền tái xoay chiều truyền thống Có được điều này chính là nhở những thành tựu vượt bậo trong lĩnh vục ban din công suải và kỹ thuật điền khiển các bộ biến đổi công suất lớn Đối với các hệ thống truyền tải điện một chiếu truyền thông đá được triển khai, các bộ biển đổi công suất phần lớn có câu hình đã mức sứ dụng các van bán

din Thyristor, GTO tuy cé kha năng chịu được điện áp cao nhưng lại hạn chê về khả

răng điều khiển đông công suất bai chiều, khả năng vận hành lĩnh hoạt với các cấp điện áp khác nhau v.v Hệ thống truyền tải điện một chiếu HVDC-Plus đo hãng Siemen để xuất sử dụng bộ biển đối công suất câu trúc medule (MMC) với nhừng ưu

Từ lí do đó, tôi lựa chọn dễ tải “Nghiên cứu thiết kế hệ thẳng điền khiễn cho

bộ biển đỗi cầu trúc modide trong hệ thang trayén tdi HVDC-Plus” với sự hưởng, dẫn của thây giáo TS Phạm Việt Phương Sau đây em xin trình bày đỗ án của mình

Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015

Học viên thực hiện

CIIVONG 1 TONG QUAN VE IIE TIIONG TRUYEN TAI CAO AP

MOT CHIEU HVDC

11 Giới thiệu chung

1IVDC là hệ thống truyền tái điện năng, sử dụng dóng điện một chiêu để truyền

tải năng lượng Không giống với hệ thống HVAC đang được sử dụng rộng rãi, với

khoảng cách tuyển lải xe hệ thông HVDC có giả thành và tổn hao công suất íL hơn

Voi một khoảng cách ngăn, chỉ phí chỉ cho một hệ thông IIVDC vẫn được xem xét so

với hệ thống HVAC đo những lợi ích khác của HVDC

thông IIVAC các biển áp xoay chiều có khả năng biến đối điện áp và

Trong hi

cho phép chuyển tải các cấp công suất khác nhau và p cách điện khác nhau với

cùng một đơn vị và có tên hao thấp Cầu tạo cửa thiết bị đơn giản vá đòi hỏi bảo trì thấp Thêm vào nữa, một máy phát điện đồng bộ 3 pha có ưu điểm hơn một máy phát điện 1 chiều về nhiều mặt Nhờ gó ưu điển này, công nghệ động xoay chiều đã được giới thiệu và phát triển từ rất sớm trong các hệ thống truyền tải diện Và dã sớm được công nhận là một trong những công nghệ phủ hợp đề phát điện, truyền tải và phân phỏi Tuy nhiên, các bộ truyền tải cao ấp dòng xoay chiều có mội số những nhược điểm tnả qua đỏ tạo cơ hội công nghệ truyền tái điện một chiếu phát triển

~ Một hệ thẳng truyền tải đông một chiên cho phép truyền tãi công gHt giữa các lưới diện xoay cliểu với cùng tần số hoặc các mạng khác nhau không, thể đồng bộ vi một vải lý den

~ Kết nổi giữa 2 lưới điện hoặc nhiều lưới điện có cùng tân số như trong một

hệ thông mạng sẽ bị ảnh hưởng các vân đề ngắn mạch vả vẫn đề vẻ truyền tải các cấp công suất khác nhau

Vi du trong thực với một cáp nói dài trên 40km thì hệ thông được ứng dung thiết thực nhất về mặt kỹ thuật trong trường hợp nảy chính là hệ thông HVDC bởi vì dong nap trén day dan dòng xoay chiều là rất cao Do có lợi thể lớn nhất này nên dây dan một chiêu sẽ lả giải pháp duy nhất dùng đề truyền tải trên biển hay trong các thành phổ lớn

b Vê vẫn để kinh tế:

Trong thực tế về truyền tải, trước khi đưa ra quyết định cuối cùng vẻ việc chon lựa giữ hệ thông HVDC hay HVAC thi cằn có sự nghiên cứu tỉnh khả thi của nó Như

trong hình 1] (thảm khảo trong tai ligu Hay-High Voltage Direct Current

Transmission - Proven Technology for Power Exchange) đưa ra đồ thị so sảnh giá trị

giữa hai bộ truyền dần dòng xoay chiều và một chiều Gồm 3 yêu tổ: Chi phí các trạm đầu cuối, chỉ phí dây dẫn, giả trị tôn thất công suất

Như trên hình 1.1 ta thấy:

~ Khoâng cách bộ truyền dẫn cảng xa thì chỉ phí cho từng km đây đẫn của

hệ thống HVDC thấp hơn dáng kẻ chỉ phí của hệ thông HVAC

~ Tổn thắt công suất trên đường dây thấp hơn so với IVAC cùng điện áp

- Đường đây siêu cao áp một chiều không có công suất phản kháng, chỉ truyén tai công suất tác dụng nẻn không gắp các van dễ về quá diện áp trên đường dây dài như hệ thống xoay chiều,

Với những ưu điểm trên thị hệ thống HVIDC đang dân thay thế nhanh chỏng các

tệ thông HVAC Nhưng vỉ chính vì còn mới và đang trên đa phát triển nên hệ thống,

cững có nhưng nhược điểm

- Hệ thủng HVDC hoạt động kém tín cậy hơn do hệ thông diều khiến rất

~ Ở một khoảng cách ngắn, Lồn hao của tram bid

- Giả của bộ biến đổi không thể được bu lại bởi tiết giảm giả xây dựng đường dây

- Hệ thống diều khiển cần rất nhiễu bộ phân khác nhau, thường dành riêng, cho một trạm, vả chưa được tiêu chuẩn hóa như 1IVAC do công nghệ

HVDC đang thay đối nhanh chóng

co Liấn đề về mỗi trường,

Hành lang tuyến của dưỡng dây HVDC nhỏ hơn HVDC như hình 1.2: thiết kế

cột điện gọn nhẹ han do chỉ có 2 dây dẫn như trong hình dưới thì với hành lang của

cột điên myên đường day DC can nhỏ hơn hắn cột điện hiyển đường day AC trong cùng điện áp như hành lang truyền tải của hệ thống truyền tải một chiều loại 500kV thì

chỉ cần 6m Con với hành lang truyền tải của hệ thông truyền tải xeay chiều thì cân 2

1ô loại 500kV trong vòng 100m Và ảnh hưởng của điện trường tính đến sức khốc con

người tương tự như từ trường trái đất và không can được tính toán kỹ như đường dây xoay chiều nên hành lang tuyên của đường dây DC nhỏ gọn hơn AC, chi phi cho đên

bù, giải phỏng mặt bằng thập hơn

<ÀVVVYW>

+ 500 kV DC 800 KV AC 2x 500 kV AC

ROW: 60 m ROW: 85 m ROW: 100 m

Hình 1.2 Cột điện giữa HVDC và HVAC Tuy nhiên trong thực tế, với một vải trường hợp khoảng cách ngắn thì ta vẫn sử

dụng hệ thông HVDC chap nhận tổn hao vẻ kinh phí đầu tư lúc đầu đề đổi lấy những

giá trị mả nó mang lại về sau

Vào những năm 1920 ~ 1940 thì hệ thông truyền tải điện một chiều được điều khiển bằng van Hồ quang - thủy ngân, các van này cần một mạch hồ trợ bên ngoải ép dòng điện bằng không do đỏ cỏ thể cắt được van va hệ thông nay vẫn được sử dụng, cho tới năm 1972 Vào 15/3/1979, một thế thông HVDC sử dụng thyristor nỗi giữa

Cabora Bassa and Johannesburg (1.410 km) được hoản thành Các thiết bị sử dụng

trong dự án được lắp đặt vào năm 1974 bới AEG, BBC va Siemens (la cac déi tae dur án) Cải tiến nhất trong đỏ là sử dụng các van bản điều khiển Tưn-On bằng xung điều khiển như là thyristor và sử dụng bộ biển đổi nguồn dòng (Current-Souree Converter)

Ta có sơ đồ của hệ thong HVDC-Classic nhu hinh 1.3:

Với sự ra đời của van thyristor, truyền tải điện HVDC trở nên hap dan hơn Hệ thống HVDC đầu tiền sử dụng van thyristor thực hiện năm 1972 gồm nói kết back-to- back giữa các hệ thống New Brunkswick và Quebec của Canada Van thyristor trở

thành phần tử chính của các tram biển đổi Các thiết bị biến đổi ngày nay có kích

thước nhỏ gọn và giá thành giảm, hay chính là các hệ thông HVDC-Classic

Và sự phát triển của hệ thống HVDC-Classie được thông kê theo tải liệu High Voltage Didrect Current Transmission cia Siemens:

Hinh 1.4 Ung dụng của HVDC-Classic theo từng năm

Những ứng dụng thực tế của hệ thông HVDC-Classic tiêu biểu của Siemens là vào tháng 7/2007 đự án Neptune RTS với công suất truyền tải là 660MW nổi 2 nơi là

Sayreville, NJ va Long Island, NY

awarded !“s:cí: 2007 — Power Grid Corp of India

[Costimer Power Grid Corp of india Ltd

Thang 6/2007 du an BritNed véi chiéu dai 260km céng suất 1000MW ndi 2 nơi

1a Isle Of Grain va Maasvlakte

awarded June 2007 — National Grid and TenneT

Hinh 1.7 Du én BritNed

Va du an Cometa vao thang 10/2007 một đường dây 2x200MW với chiều dài

250km nồi Tây Ban Nha va Mallorca

awarded October 2007 — Red Eléctrica de Espana (REE)

Hinh 1.8 Du an Cometa

Nhưng chính vì sử dụng thyristor nên nó có nhược điểm là loại bán điều khiến tức là chỉ có thể điều khiển Tum-on bằng xung điều khiển và hẳu hết các hệ thống HVDC-classic déu str dung bé bien đổi nguồn dong nén no mang cả nhược điểm của

bộ biển đổi nguồn dòng

Và để khắc phục những nhược điểm của hệ thông HVDC-Classie thì đã cải tiến

và đưa ra đầu tiên hệ thông HVDC-Plus vào năm 1997 ở Tây Ban Nha với những ưu

điểm là sử dụng van điều khiển hoàn toàn là IGBT có thể Tưm-on và Tưn-off bằng

xung điều khiển vả sử dụng bộ biển đổi nguồn áp Ưu điểm của bộ biển đổi nguồn áp:

sự trao đổi cả hai dòng công suất tác dung vả công suất phản kháng được kiểm soát

một cách độc lập, khả năng phản ứng tốt, linh hoạt theo với yêu cầu của lưới điện, hoạt động tin cậy ngay trong cả hệ thóng cũ hay thụ động vả khả năng bỏ trí trạm linh hoạt

và nhỏ gọn

Hệ thống HVDC-Plus có cầu tạo cơ bản giống với HVDC-Classic như hình 1.3

nhưng được thay bởi van IGBT vả bộ biển đổi nguồn dòng, Ưu điểm của hệ thống

HVDC-Plus là nhỏ gọn hơn hệ thống cũ như hình 1.9

Các dự án dùng hệ thông HVDC-Plus là vào tháng 9/2007 du an Trans Bay

Cable truyén tai cong suat 4OOMW néi 2 thanh pho 1a Pittsburg va San San Francisco

400MW - 200kV

awarded Seplember 2007 - Trans Bay Cable Project, SIEMENS

USA

Hinh 1.10 Dyan Trans Bay Cable

Nan 2014, du an INELFE, néi từ Baixas, Pháp tới Santa Llogaia, Tay Ban Nha

với công suất là 2x1000MW

Proloel Name Location Power Raling

Ni Voltage Lavels

Semiconduelora

Hình 1.11 Dự ánTNELEE Vào 2013 dự án Borwin 2 tại Diele, Đức tổng chiều dài là 200km với công suất truyền tải là 800MWW

Hình 1.12 Dự án BorWin2 Các dự án này được chỉ ra trong hình 1.13:

2013 - 2015

Hình 1.13 Các dự án sử dụng hệ thống HVDC-Plus của Siemmens

Vào năm 2010, hệ thông HVDC-Plus dựa trên một kỹ thuật biên đổi đa mức được gọi lả bô biến đổi đa mức kiểu mô-đun (Modular Multilevel Converter - MMC) của Siemens đã lần đầu tiên được đưa vào sử dụng trong thực tế trong dự án truyền tải

điện Trans Bay Cable néi hai địa điểm và Vinh phía Tây va thanh phé San Francisco

tại Mỹ như trong hình 1.14

Hình 1.15 Sơ đỗ câu trúc bộ biển đổi đa mức MMC

MMC là cầu trúc mở, có khả năng cho phép mở rộng, Mức điện áp của MMC

phụ thuộc vào số lượng của các mỗ-đun thành phần, thậm chí MMC có thể được sử

đụng trong các hệ uống ruyền tải điện răng cao áp Trong cầu trúc của MMC không, thực hiện theo cách mắc nỗi tiếp một loạt các van bán dẫn với nhau, đo đó có thể tránh được sự phức tạp trong quá trình điều khiển đồng bộ hóa các van Đồng thời lại có thể giảm tên thất của bộ biến đối xuống mức rât thập Điều này có được là đo tân số đồng cắt thấp trong mỗi mô-dun thành phần và điện áp trên các van trong mỗi mô-dun cũng,

ở mức thấp Mỗi mô-đun thành phân sẽ thực hiện việc đóng cắt ở các thời điểm khác nhau đo đó bộ biên đổi có thê đạt được hiệu suất cao cũng như lâm giảm độ méo sóng

hài

Với lượng công suất đủ lớn, khoảng cach truyền đủ xa truyền tải cao áp

1 so với điện

rnội phiên cao áp sẽ chiếm ưu thê về chỉ phí đầu tu và tốn thất truy:

áp xoay chiều 3 pha truyền thông

1.2 Các loại cấu hình chính của hệ thông HVDC

12.1 Sơ dồ mạch điện một chiều

đạng của bộ bộ biển đổi HVDC được phân biệt bằng sự sắp xếp các

¡ của chúng, Mạch biển đổi tương đương là một mạch điện một ch

đem giản hóa từ một cực của hệ thếng truyền tải HVDC như hình 1.16 Sơ đồ đưới chỉ

ra là 2 hệ thông xoay chiều được nổi với nhau qua bộ truyền tãi một chiều

Tình 1.17 Sơ đề bộ biến đổi Back-to-Back

Bộ biến đổi Back-to-Back được sử dụng phản lớn trong truyền tải diện năng, giữa các lưới điện gần nhau rà không hỏa đồng bộ được Chúng cũng được sứ dụng trong cùng một lưới điện để đạt được một công suất nhật định

1.2.3 Truyén tai khoảng cách dải đơn cực

Để truyền tải diện với một khoảng cách rất xa trong thực thể Đường day don 16

là giải pháp khả thi nhất (đây trung tính nổi đất hình 1.18)

Hình 1.18 Sơ để truyền tải khoảng cách dai don cực nói dất

Trong nhiều trường hợp, cơ sở hạ tầng và môi trường không cho phép sử dụng

các điện cực nỗi đất Nên phải sử đụng dường dãy hai lộ như hình 1.19 tặc dil bi ting

Hình 1.19 Sơ đỗ truyền tải khoảng cach dai don cuc 6 day trung lính,

1.2.4 Truyền tái khoáng cách đài lưỡng cực

Câu hình lưỡng cục là sự kết hợp điểm đất của hai cầu hình đơn cực (mono-

polar) Hoạt động với một dòng điện không cân bằng rất nhỏ Cân hình nảy được sử

dung khỉ công suật truyền tải lớn, vượt quá khả năng của cầu bình đơn cực

Trang quá trinh bảo đưỡng, ta có thé cách l một hệ trong khi bộ kia vẫn có thế

y ¡ một phần công suất tru điểm chính khi sử dụng cấu hình lưỡng cực thay vì

hai bộ cầu hình đơn cực là không cần thêm dây trung tỉnh, tổn hảo, chủ phí ít hơn , tuy nhiên nhược điểm không có dây trung tính, các thiết bị đi kèm làm ánh bướng đến các bộ biến đối

a) Céu hinh lưỡng cực với dãy trang tính nội đất,

b) Cau hình lưỡng cực có đây irung tính,

Khi các điện cực bị ảnh hưởng bởi mỗi trường, khoảng cách truyền tải ngắn ta

có thể dùng dây trung tỉnh

tệ thắng điện AL - OO Hệ thống điện AC

Hình 1.23 Sơ đỗ cầu hình lưỡng cực có dây trung tính

1⁄3 Các bộ biến đổi thường dùng trong hệ thống HVDC

Trong bộ biến đối của hệ thông HVDC-classic người ta sử đụng các van bán

đẫn thyriator loại chỉ có khả năng là bán điểu khiển Tưn-ert bằng xung điều khiển Với các hệ thông HVDC-Phạs ngày nay thì người ta sử dụng các van bán dẫn diễu khiển hoàn toàn tức lả có thể Tưn-on, Turn-off bing xung điều khiến như IGBT

‘Trong các cấu hình của bộ biến đổi dàng thyristor hay IGBT thì cầu trúc bộ

biển đối sử đụng trong các hệ thông IIVDG này thưởng sử dụng bộ biến đổi nguồn

đồng (Curent-Souree Comerter) hoặc bộ biển đổi nguồn áp (Voltage-Souree

Converter) Nhưng trong công nghiệp và trong các hệ thông truyền tải ngày nay thủ bộ

biển đối nguễn áp được sử đựng nhiều hơn cả

Mô hình bộ biến đổi có thẻ là là mê hình bộ biển đổi 2 znức và đa múc Bộ biến đối đa mức tăng chất hượng sóng hài đâu ra, có khả năng hoạt động với công suất, hiệu suất cao hơn nhiều số với bộ biển đổi hai mức,

Các câu trúc thường được sử dụng trong bộ biến đổi đa mức như sau:

- Câu trúc đạng Diođe kẹp NEC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

- Câu trúc đùng tụ điện thay đối Œlying Capacitor Multilevel Inverter)

- Câu trúc ghép tầng cdu H (Cascaded H-bridge Converter)

17

- Chu tric dang ghép tầng kiểu mé-dun (MMC Multilevel Modular

Converter)

Nhưng bên cạnh ưu điểm đó thị nhược điểm của các bộ biến đổi đa múc là: Với bộ biến đối câu trúc đạng Diođe kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) thì

có nhược điểm là số lượng điođe lớn có triột mỗi quan hệ phí tuyển giữa giá trị điện

áp khỏa diode và số mùc đầu ra điện áp, ngẵn căn việc có thêm số mức điện áp Còn

bộ biển đổi dùng cầu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Taverter)

có nhược điểm là điều khiển phúc tạp, khởi tạo giá trị diện áp ban đầu cho các tụ khó khăn, hiệu suất thấp, các van hoạt động với một tân suất không đều nhau và số lượng

nhất để tmg dung trong hệ thống ITVDC hiện đại vì có cáo tra điểm là khả năng hoạt

động lĩnh hoạt ở các đãi công suất và điện áp khác nhau

Do những ưu điểm của câu trúc đạng ghép ting kiéu mé-dun (MMC — Muliilevel Modular Converler) như trong hình 1.15 là cấu tạo đơn giãn có thể hoạt động như một nguồn áp có điều khiển với một số lượng lớn các mức diện ấp có thê cũng cấp cho đầu ra Đông thời, MMC cũng làm giảm đáng kế các sóng hài bậc cao và

không sử dụng máy biếu áp Vú khi phân tich kỹ số linh kiện như trong bang 1.1 thi ta

thấy: số công tắc IGBT và số diode mắc đối song, được sử dụng trong mỗi dạng nghịch

lưu cùng bậc là như nhau Diode kẹp thì không cẩn trong dang tu thay déi, dang

cascade inverter va dang module Mit khac dạng cầu trúc ghép tảng và tụ thay đổi cần nhiều nguồn một chiêu riêng nên hệ thông kha céng kénb, cén dang module thi chi một nguồn một chiều đuy nhất Do đó, bộ nghịch lưu đa mức dang module duoc str cụng rộng rãi trên thể giới

Bang 1.1 So sánh số linh kiện trong một pha của 4 dạng, nghịch lưu trên

Câu hình Diedekẹp | Tụ thay đổi Cascade Cấu trúc

- VÌ cầu tạo theo kiểu module, cầu trúc bộ biển đổi có thẻ mở rộng một cách

linh hoạt khi công suất và điện áp yêu cầu tăng

- Bộ biến đổi có

điện áp hình sin chất lượng cao

- Tloat động đáng tín cậy, có thê thay thể các SM mới ngay khi SM cũ bị lãi

- Hiệu suất cao Do tản số đóng cắt thấp của mỗi SM

- Giảm số thiết bị đi theo, do cuộn cảm bé hoặc thậm chí không sử dựng cuộn cảm, loại bổ được tụ lọc một chiều rất to và cổng kênh

ấu tạo nên từ số lượng lớn SM nên có khả năng tạo ra

- Không sử dụng máy biển án

Do có khả năng hoạt động với điện áp cao, hiệu suất cao, để dàng lắp đặt, hoạt động đáng tiu cây, íL sóng hài ở đầu ra MMC tật thích hợp đề trở thành ruột câu trúc trong các bộ biển dải ứng dụng trong hệ thông HVDC hiện dại

1.4 Nhiệm vụ của luận văn

Nhiệm vụ của luận văn là nghiên cứu hệ thống truyền tải điện một chiều THVDG-Ph sử dụng bộ biến đổi cầu trúc MMC:

~ Trong luận văn nảy nghiền cứu nguyên lý hoạt động hệ thẳng truyền lải mét chiéu HVDC-Plus stt dung b6 bién déi eau tic module (MMC)

- Mô hình hóa, tỉnh toản thông số của bộ diễu khiển trong của hệ thống, TIVDC sử dụng cầu trúc MMC

- Mô phỏng BBĐ sứ dụng câu trúc MMC làm việc chế độ nghịch lưu trên

én tải điên cao áp

một chiều với các câu bình khác nhau Một số hệ thống HVDC đã được triển khai

trong thục tế cũng được trình bảy trong chương này Sự phản tích so sánh về tru nhược

điểm của các hệ thống tuyển tải HVDC thông thường trong chương này da cho thay được ưu điểm nổi bật của hệ thông LIVIDC-Plus của hãng Sieren

Chương 2 của hiận văn đi sâu vào tìm hiểu câu tạo mạch lực, nguyên lý hoạt

động cũng như nhương pháp điểu khiển của bộ biến đổi câu trúc module MMC sử dung trong hệ thống IIVDC-Phu

Chương 3 của luận văn đưa ra sơ để cấu trúc mạch lực eu thể của hệ thông,

THVDŒ-Phụ công suất 400 MW sử dụng hệ thống bộ biển đổi công suất MMC Trong

chương nay, các thông số của mạch lực được tinh toán để kiểm nghiệm lại hệ thống,

mL cach chi

Chương 4 tiên hành mô hình hóa bộ và xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ thông bộ biến đổi MIMC Các mạch vòng điều khiển điện áp, dòng điện va công suất được xây đụng và tính toàn lựa chọn thông số bộ điều khiển để phục vụ cho việc mô phỏng và kiểm nghiệm hệ thông ở chương sau

Chương 5 thực hiện việc mỏ phóng hệ thống LIVDC-Plus sử đụng bộ biến đổi

công suất MMC Các thông số và điển kiện mỏ phỏng được tính toán và trình bày

trong chương này Các kết quả mỏ phóng thu được từ phần mềm PSCAD được kiểm

nhiệm với các tính toán lý thuyết trong các chương trước

20

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỂU CHÉ

MODULE MMC 2.1 Mô tả câu trite bé bién déi da mirc Modular Multilevel Converter (MMO)

Hình 2.2.Cac dạng cáu trúc của SM (Cell)

Câu trúc MMC như hình 2.1 theo tài liệu [5], [16] được tao nên bải cách ghép nói

các phần tử giống nhan vào với nhau, gi là gubmodule hay Cclh, mễi SM là một thành phần cơ bản của MMC, các SM nỗi tiếp nhau trong một pha được goi là lep

Mỗi pha (leg) duoc chia thành nhánh van trên (upper anu) và nhành van dưới (lower

amm), mỗi SM trên muỗi nhánh van là bằng nhau Điện áp xoay chiều dầu ra dược lay 6 điểm giữa các nhánh van l2o các tụ trên một pha dùng chung một nguồn DC cho nên không sân lắp thêm tụ lọc một chiều ở đầu vào, các cuộn kháng lọc (T.„„m) cũng duce dưa vào dễ lọc sóng hải bậc cao của dong diện Mỗi câu trúc của SM khác nhau sẽ cỏ

xing dụng khác nhau như STATCƠM, IIVDC, BTH Tuy nhiên, nêu tăng thêm thành

phn trong mỗi SM thi khả năng giữ cân bằng cho tụ cảng khỏ Theo như thực nghiệm, đánh giá khả năng cân bằng, tổn hao đóng cắt thì cấu tric nữa cầu (IIalf- Bridge) được coi là tối ưu nhất để đưa vào mỗi SM khi yêu cầu khả năng truyền tải

công suất theo hơi chiêu

Ở dự án này, câu trúc mà Siemens sử đụng là cầu trúc nữa cầu (HP), cầu lạo lưỡng,

chiều bởi 2 hai van bản din va mét diode dau song song ngược, và một tụ diện dóng, vai trò như một nguồn nuôi một chiêu (hình 2.2) Các thiết bị chuyển mạch thực hiện việc chèn các SM vào nhánh van, trong khi cae diode song song ngược đảm bão déng

điện luôn được liên tục

Do các SM lá giống nhan, nên nguyên lý điều khiển MIMC có thể coi là điểu khiến mỗi SM Mỗi SM có hai trạng thái, phụ thuộc vào sự đóng cắt trên 2 van bán dẫn, khi

Sl ON va S2 OFF, SM được chèn vào nhánh van Điện áp tại đảu của SM Vey = Ve khi 81_OFF và §2_ƠN thì SM được đưa vào trạng thái by-pass, Vgụ 0 Cac SM phải

được hoạt động sao cho không để tụ bị ngắn mạch Bằng cách điều chỉnh các SM được

chên vào hay nối tắt, ta sẽ thu được một điện áp dang bac thang ở đâu ra

Bộ biển đổi nứa câu (Hafl brigde Cell):

Hafl brigde Cell hay con goi là choppor-cell bao gồm 2 IGBT và tụ điện một

Dang nita cau chi co thé tao ra din ap 0 va điện áp đương, dược sử dụng khi MMC kết nổi với hé théng điện một chiêu, trong khi đó dạng cẩu tạo ra được điện 0, điện áp đương và điện áp âm được sử dựng khi MMC két nói hoặc với hệ thông xoay chiêu hoặc một chiếu Một nhược điểm của dạng cầu số với đựng nữa cầu là số lượng,

thiết bị lớn Các đạng Cell một chiêu như hình (e) được đề xuất đẻ giảm số lượng thiết

tị nhưng trạng thái chuyển mạch bị hạn chế Hiệu quả của các Cell có thể được nâng

cao, thay thể các ccll tiêu chuẩn bằng câu trúc da mức như kiểu tụ bay hay điodc kep

được thể hiện ở hình (đ) và (e)

Với cầu trúc nửa cầu, mỗi module có khá năng cung cấp điện áp đầu ra ở hai

ức là +Vpc hoặc 0 V; với cầu trúc cầu, mỗi module có thể cung cấp bà ruức điện áp đấu ra là +Vpo, 0, và - Vpc Điều dõ có nghĩa là bộ biển dỗi có thể hoạt động, như một nguồn áp có điều khiển với một số lượng lớn các mức điện áp có thê cung cấp cho đầu

ra Đồng thời, MMC cũng lảm giảm đáng kế các sóng hải bậc cao Sự khác biệt trong

méi module phy được sử dụng tong MMC phu thuộc váo ứng dụng (LATCOM,

TIVDC, BTR) Sự khác nhau trong câu trúc mỗi cell làm mức điện áp có thế khác nhau

tại các đầu của module phụ Tuy nhiên với sụ gia tăng số lượng rodule pÌụ, việc cân bằng tụ trở niên phức tạp Theo nghiên cửu lính toán cân bằng tụ vá tốn thất đóng cắt thí câu trúe nửa cân là thích hợp nhất

Trong luận văn này, cấu trúc nửa cầu sẽ được để cập với 2 khóa đóng cắt 2

chiêu cùng với các điodc vá tụ một chiêu Tụ điện hoạt động rửnz một bộ đệm răng,

hượng hay nguồn diện áp,

Chiểu của dòng diện trong mỗi SM sẽ quyết định trạng thái làm việc của tụ

(nap bay phóng) thoo lái liệu [5], hình 2.4 biểu điễn các trường hop dong điện chãy trong SM

24

Fe oN

Hình 2.4 Dong điện chảy trong SM theo mỗi trạng thải đóng cắt của van và tụ

Trong bảng 2.1, đầu ra điện áp của mỗi SM va trạng thải của tụ phụ thuộc vào

trạng thái đỏng cắt và chiều của dòng điện chảy trong nhánh

Bang 2.1 Trạng thái làm việc của một SM

của SM, qua tụ và qua IGBTI ra ngoài Nhu vậy, ¡> 0 thì điện áp từ nguồn DC nạp

vảo cho tụ điện và có giả trị bằng giá trị VC của tụ điện, ¡< 0 thì điện áp dau ra VX =

VC do tụ điện xã năng lượng vảo tải trong quá trình vận hành

25

Khi IGBT1 off, IGBY2 on Ké cd déng dign i> 0 hay i< 0 thi điện áp dẫu ra của

SM cũng là giá trị VX = 0 do đòng điện đi vào từ nhánh đương của SM đi qua IGBT2

on và ra ngoài (» 0) bay đòng điện đi váo từ nhánh âm của SM, di qua điết D2 và ra

nngoài(i< 0) Như vậy, ương trường hợp này diễn áp tù nguồn hay từ tải đều đã bị ngắn

mạch qua tụ điện, điều này khién cho giá trị điện áp đầu ra của bệ biển đổi huên có giá

- Tiiệu suất cao đo tần số đóng cắt tháp của mỗi SML

- Giảm số thiết bị đi theo, do cuộn cảm bé hoặc thậm chí không sử dụng cuộn cảm, loại bố được tụ lọc một chiều rất to vả công kênh

Do có khả năng hoạt động với điện áp cao, hiệu suất cao, đễ dàng lắp đặt, hoạt động đáng tin cây, íL sóng hải ở đầu ra MMC rất thích hợp để trở thành ruột câu trúc trong cdc BRD img dụng trong hệ thống ITVDC hiện đại

2.2 Các phuưng nhán điều ché trong MMC

Khái niệm điều chế độ rộng với sóng mang là việc so sánh một tin hiệu điều chế

ấu với sông mang hình tan giác số làn số cao Sóng mang có thê có đạng sớng một hoặc hai chu kỳ thời diễm chuyên mạch được xác dịnh bởi các giao điểm của tỉn hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang

26

Hinh 2.5 So dé ky thuat dieu che PWM Theo như sơ đỏ được lây trong tải liéu [5] va [16] thì ta có các ký thuật điều chế

đồ rồng xung Trong đỏ cỏ kỹ thuật thường được sử dụng nhất lá kỹ thuật điều chế đỏ

rộng xung kiêu song mang PWM Carriers (pulse-width modulation carriers) vi nhé

những ưu điểm của nó Trong phương phap PWM Carriers thì cỏ 2 phương pháp đó la

phương pháp dịch mức sóng mang CD-PWM (Carrter-disposition P\VM) và phương pháp dịch pha song mang (Sub-harmonic PWM)

2.2.1 Phương pháp dịch mức sóng mang (CD-PWM)

Phương pháp dịch mức sóng mang khác với phương pháp dịch pha sóng mang,

là cách bố trí các sóng mang Phương pháp này bé tri song mang đặt dọc nhau từ thập

Dua vao cach bé tri song mang, phuong phap nảy có 3 loại lả:

~ Sỏng mang bỏ tri cùng pha

Cách bồ trí các sóng mang cùng pha có hình dáng giống như là một sóng mang,

duy nhất được nhân lên và bồ trí dọc khắp toàn đải điện áp Sự khác nhau giữa hai

song mang là độ lệch mức điện áp

v

tũ)

Hình 2.6 Sỏng mang bố trí củng pha

~ Sóng mang bố trỉ ngược pha

Phuong phap bé tri ngược pha : sử dụng hai loại sỏng mang, một cho các mức

điện áp đương vả một cho các mức điện áp âm Trong đó, các sóng mang sử dụng cho

các mức điện áp âm được dich pha di 180 độ so với các sỏng mang sử dụng cho các

mức điện áp dương

Hình 27 Sóng mang bổ trí ngược pha

~ Sóng mang bổ trí ngược pha xen kẽ

28

Phương pháp bó trí ngược pha xen kế sử dụng hai loại sóng mang biên thiên ở ngay mức điện áp và pha ban dau Hai loại sóng mang này sau đỏ được nhân lên đẻ

phủ kin toàn dải điện áp

a Phương pháp dịch pha song mang (Phase-shifted carrier PWM)

Phương pháp biến điệu dịch pha nhiều sỏng mang được phát triển từ phương,

pháp biên điệu độ rộng xung đơn cực Trong đó, quan hệ giữa số lượng sóng mang và

số mức điện áp là: ø=z—1 với n là số lượng sóng mang, m là số mức điện áp

Các sóng mang phải có cùng tần số cũng như khoảng cách giữa hai đỉnh liên

tiếp phải bằng nhau Góe lệch pha giữa hai sóng mang được cho bởi công thức:

với m„là hệ số điều chế tần số, f,,la tan s6 song mang, f,, la tan so song Sin chuẩn,

m, la hệ số biển điệu biên độ, V7,” 1a bién độ sóng Sin chun,” la bién độ sóng,

mang

Trong phương pháp điều chế dịch pha sóng mang thì tần số đóng cắt của thiết

bị phải bằng với tân số sóng mang : ƒ„ = ƒ„ Do vậy, điện áp pha cỏ dang sóng m

mức và điện áp dây có dang sóng (2m-]) mức

t(s)

Hình 2.9 Phương pháp dịch pha sóng mang

b Phương pháp răng cưa (Saw-tooth)

Trong kỹ thuật nảy cản 2N sỏng mang mỗi pha, hoặc dạng sỏng răng cưa hoặc

dạng sóng tam giác với độ dịch pha lả @ = 3609/2N được biểu diễn trong hình 2.10 và

2.11 Giả sử cùng số lượng đóng cắt giữa hai kỹ thuật PD PWM vả Subharmonic thi đầu ra của PD PWM có độ méo tổng tốt hơn

30

Hình 2.11 Sóng mang hình tam giác

Nhân xét:

‘Thiet kế mô đun giúp MMC có tính linh hoạt cao trong việc thiết kế trạm biến

đổi như là đễ thay thể khi bị hỏng hóc vả cũng để dàng nàng cấp Với bộ biến đổi kiểu MMC có khả năng tạo điện áp đầu ra gân với hình sin lý tưởng phía xoay chiêu và một điện áp một chiêu tương đối mịn, vỉ vậy có rất ít yêu câu về bộ lọc sóng hài Và qua những ưu điểm trên thì bộ biên đổi MMC được sử dụng rộng rãi trong hê thông truyền

tải HVDC Plus

31