Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa mức kiểu module: Modular Multilevel Converter

Hiểu được tầm quan trọng đó, thông qua sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Phạm Việt Phương em đã tìm hiểu các bộ biến đổi đa mức cũng như những phương pháp điều chế điện áp hiện nay.. Và t

Mục lục

Lời Nói đầu 3

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ 4

I Tổng quan về các bộ biến đổi 4

1 Cấu trúc diode-kẹp 4

2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi 5

3 Cascade inverter 6

4 Cấu trúc MMC 7

II.Tổng quan về các phương pháp điều chế cho MMC 9

1 Phương pháp PWM 9

2 Vecto không gian SVM 11

3 Phương pháp NLM 13

PHẦN II: CÁCH THỰC HIỆN CÁC PHƯƠNG PHÁP CHO BỘ NGHỊCH LƯU MMC BẢY MỨC VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 18

1 Phương pháp PWM 19

a) Cách thực hiện 19

b) Kết quả mô phỏng 20

2 Phương pháp điều chế vecto không gian (SVM) 21

a) Xác định vecto và thời gian thực hiện 21

b) Xác định trạng thái chuyển mạch 23

c) Kết quả mô phỏng 25

3 Phương pháp NLM 26

a) Thuật toán cân bằng năng lượng 26

b) Cách thực hiện phương pháp NLM 28

c) Kết quả mô phỏng 30

4 Nhận xét và so sánh các phương pháp thực hiện cho bộ MMC 31

PHẦN III: Tính chọn L, C và áp dụng cho bộ biến đổi MMC 21 mức 32

2 Tính giá trị cuộn cảm 33

3 Áp dụng cho bộ MMC 21 mức 33

a) Thông số bộ biến đổi : 33

b) Kết quả mô phỏng: 34

Kết luận: 36

Danh mục tài liệu tham khảo 37

Lời Nói đầu

Những năm gần đây, ngành công nghiệp phát triển đã bắt đầu yêu cầu thiết bị năng lượng cao hơn, có thể đạt đến mức MW Việc điều khiển đóng cắt điện áp

AC trong phạm vi MW thường được kết nối đến lưới điện trung thế Để kết nối một thiết bị bán dẫn công suất vào lưới điện trung thế (2.3, 3.3, 4.16, or 6.9 kV)

là rất khó Vì những lý do này, những bộ biến tần đa mức mới đã nổi lên như là giải pháp để làm việc với các cấp điện áp cao hơn Những biến tần này bao gồm nhiều phần tử bán dẫn, nhiều nguồn một chiều hay tụ điện Điện áp đầu ra của chúng tạo ra nhiều bước sóng làm cho tín hiệu điện áp giống dạng sin chuẩn hơn Việc hoán đổi các trạng thái chuyển mạch của các van bán dẫn làm giảm tổn hao phát nhiệt và làm giảm điện áp rơi trên mỗi van

Hiện nay người ta đã phát triển ra nhiều loại bộ chuyển đổi khác nhau với những ứng dụng đa dạng cũng như phát triển ra những phương pháp điều chế phù hợp cho các bộ biến đổi Hiểu được tầm quan trọng đó, thông qua sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Phạm Việt Phương em đã tìm hiểu các bộ biến đổi đa mức cũng như những phương pháp điều chế điện áp hiện nay Và từ đó em đã

hoàn thành được đồ án với đề tài: “Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều

chế cho bộ biến đổi đa mức kiểu module: Modular Multilevel Converter.”

Với một lĩnh vực khá mới và do kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế

Em rất mong sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô bộ môn Tự động hóa công nghiệp để đồ án có thể tốt hơn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Phạm Việt Phương đã định hướng và chỉ dẫn cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2017

Sv thực hiện:

Hà Văn Đức

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ CÁC PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU CHẾ

I Tổng quan về các bộ biến đổi

1 Cấu trúc diode-kẹp

Bộ chuyển đổi điện áp NPC đầu tiên được đưa ra như một biến tần ba mức

Đó là sự thay đổi cấu trúc của bộ biến đổi hai mức có thêm hai đi ôt bán dẫn công suất cho mỗi pha như thể hiện trong hình 1.1 Điểm giữa của các thiết bị chuyển mạch được kết nối với điểm trung tính của bộ chuyển đổi thông qua điốt kẹp, cho phép tạo ra mức điện áp không Bằng cách này, đối với cùng một điện

áp DC-link, mức điện áp mà các thiết bị phải chịu được giảm xuống còn một nửa so với cấu trúc hai mức

Và điện áp trên mỗi thiết bị chuyển mạch được giới hạn cho Vdc/2 ( điện áp trên tụ ở bus-DC link) thông qua các điốt kẹp

Hình 1.1: Cấu trúc của bộ biến tần NPC 3 mức

Cấu trúc như hình một tạo ra 3 mức điện áp ( Vdc/2 ; 0 ; -Vdc/2) Van thứ nhất

và van thứ ba đóng mở ngược nhau Van thứ hai và thứ tư tương tự

Bảng 1.1: Bảng trạng thái đóng cắt van cấu trúc đi ôt kẹp tạo ra 3 mức điện áp

 Ưu điểm:

+ Tất cả các pha dùng chung một đường dẫn nguồn một chiều với yêu cầu tối thiểu về số lượng tụ điện

+ Các tụ điện có thể được nạp điều từ trước theo nhóm

+ Hiệu suất cao vì được đóng cắt ở tần số cơ bản

+ Phương thức điều khiển đơn giản

 Nhược điểm:

- Theo lý thuyết, bộ biến tần NPC có thể tạo ra được nhiều mức điện áp ra Tuy nhiên trên thực tế, kĩ thuật này có một số hạn chế.Trong những điều kiện hoạt động nhất định NPC có thể gặp vấn đề mất cân bằng điện áp trên tụ điện (không kiểm soát được quá trình nạp hay xả dẫn đến nạp quá tải), điều này tạo ra điện

áp giữa điểm trung tính và điểm đất làm cho điện áp ra bị méo dạng Điều này nói lên sự cần thiết của điểm trung tính hay sự cân bằng điện áp trên tụ

- Khi số mức điện áp ra là lớn thì đòi hỏi cần sử dụng nhiều diot làm tăng chi phí cho bộ nghịch lưu

2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi

Cấu trúc của bộ chuyển đổi FC được trình bày trong hình 1.2 mỗi tụ điện trong pha được nạp với mức điện áp khác nhau Càng gần nguồn điện áp trên tụ càng lớn, càng gần tải điện áp trên tụ càng nhỏ Do đó, bằng việc thay đổi các trạng thái chuyển mạch có thể thu được nhiều mức điện áp ra

Hình 1.2: Cấu trúc tụ điện thay đổi

 Ưu điểm

Cấu trúc này có thể có các trạng thái chuyển mạch dự phòng để thay đổi mức điện áp trên tụ, cho thấy lợi thế hơn so với cấu trúc NPC Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc và mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác Không như nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng điện áp ba pha ở ngõ vào Khi số lượng các tụ điện lớn cho phép biến tần vẫn hoạt động trong khoảng thời gian ngắt điện và cúp điện áp ngắn

 Nhược điểm

Các hạn chế trong cấu trúc này là số lượng tụ điện dùng nhiều, cần phải nạp trước giá trị cho tụ là như nhau trước khi khởi động ( điều này là bắt buộc) Sự phân phối thờ gian chuyển mạch trên các thiết bị chuyển mạch là không bằng nhau Việc mở rộng mức điện áp ra đối với bộ chuyển đổi FC là tùy ý Tuy nhiên khi mở rộng mức điện áp ra thì số lượng tụ điện tăng dẫn đến tăng chi phí nên cấu trúc này chỉ giới hạn ở 4 mức

3 Cascade inverter

Cấu trúc liên kết CHB được dựa trên sự kết nối một chuỗi các nghịch lưu áp cầu một pha (sub modul) với các nguồn DC cách ly có sẵn như acquy, battery (Hình 1.3) Sự vắng mặt của các diot kẹp hoặc tụ điện thay đổi, như trong trường hợp của NPC và FC, dẫn đến việc đóng cắt các sub modul để tạo ra các mức điện áp mong muốn Mỗi sub modul có thể tạo ra ba điện áp tùy thuộc vào trạng thái đóng cắt (Udc,-Udc,0) Đầu ra điện áp pha là kết quả của việc xếp chồng các điện áp được tạo ra từ mỗi sub modul của pha Dùng nguồn DC cách

li từ phía thứ cấp đầu vào nên không có vấn đề về mất cân bằng hay phải khởi tạo trước như cấu trúc NPC hay FC

Hình 1.3 Cấu trúc bộ nghịch lưu cascade

Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần

và dv/dt cũng giảm đi như vậy Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp

 Ưu điểm:

+ Cấu trúc CHB là có cấu trúc modul dễ ghép nối và khả năng kiểm soát độc lập Điều này sẽ cho phép quá trình sản xuất được thực hiện nhanh hơn và rẻ tiền

+ Số lượng mức điện áp đầu ra có thể lớn hơn hai lần số modul thành phần + Độ méo sóng hài nhỏ do các van chỉ phải đóng cắt ở tần số thấp

 Nhược điểm:

- Tuy nhiên mỗi modul lại cần một nguồn DC cách ly điều này không khả quan

- Thiết kê bộ điều khiển khó khi số modul thành phần tang lên

4 Cấu trúc MMC

Cấu trúc MMC là sự kết nối của một loạt các phần tử nửa cầu giống nhau được gọi là sub modul hay cells Trên một pha của bộ chuyển đổi MMC được chia thành nhánh trên và nhánh dưới mỗi nhánh có số lượng cells là như nhau và mỗi nhánh có thêm một cuôn cảm L Điện áp AC ở đầu ra lấy từ điểm nối chung

của hai nhánh và giữa hai cuộn cảm Cuộn cảm có tác dụng làm phẳng dòng điện đột ngột khi đóng mở van để tạo mức điện áp khác nhau

Cấu trúc MMC chỉ dung chung một bus DC nên không cần các tụ điện link cồng kềnh như ở cấu trúc NPC hay FC

Theo các đánh giá thực nghiệm trong việc đánh giá sự mất cân bằng hay sự tổn thất chuyển mạch thì cấu trúc MMC là thuận lợi nhất

Tất cả các sub-modul có cấu trúc như nhau Mỗi sub-modul bao gồm hai trạng thái phụ thuộc vào vị trí chuyển mạch Trên hình 1.4b là 1 sub-modul, khi S1 ở trạng thái ON và S2 ở trạng thái OFF thì sub được bỏ qua hay điện áp ở sub-modu là 0V Khi S1 là OFF và S2 là ON thì sub-modul được thêm vào mạch với điện áp bằng điện áp trên tụ Vc Tùy theo số lượng các sub-modul được thêm vào trong mạch ta có các mức điện áp AC ở đầu ra là khác nhau

Hướng của dòng điện chảy trên các nhánh của các pha sẽ ảnh hưởng tới quá trình nạp hay phóng của tụ điện (hình 1.4.1) Khi sub-modul được thêm vào nhánh mà dòng điện chảy qua nhánh là dương thì tụ sẽ nạp điện, ngược lại khi dòng điện âm thì tụ sẽ xả Ở trạng thái bypass ( trạng thái sub-modul bị bỏ qua dòng điện sẽ không ảnh hưởng tới điện áp trên tụ)

Hình 1.5: Ảnh hưởng của dòng điện đến tụ trên sub-modul

Ta có bảng trạng thái chuyển mạch của một modul.(S1 phía dưới sub-modul)

Trạng thái chuyển mạch Điện áp trên

SM

Dòng điện trên nhánh

Trạng thái của tụ

+ Tần số chuyển mạch của mỗi sub-modul thấp hơn

+ Giảm đáng kể thậm chí có thể loại bỏ các bộ lọc, không dùng các tụ điện DC-link cồng kềnh

được xác định bằng các điểm giao nhau của sóng cần điều chế và sóng mang

Khi tín hiệu chuẩn được lấy mẫu thông qua nhiều sóng mang, kĩ thuật PWM được xem như kĩ thuật PWM đa tầng Việc thực hiện PWM đa tầng cho cấu trúc nghịch lưu là khá phù hợp bởi vì mỗi sóng mang có thể gán cho mỗi sub-modul của bộ nghịch lưu đa mức

Hệ số điều chế biên độ (AMI): là tỉ số giữa biên độ của tín hiệu chuẩn và biên

độ sóng mang so sánh

Ma =

( )

Hệ số điều chế tần số: là tỉ số tần số của sóng mang và tần số của tín hiệu chuẩn

Ma

Kĩ thuật PWM đa tầng có thế là kĩ thuật dịch mức hoặc dịch pha hoặc là sự kết hợp của dịch mức và dịch pha tùy vào sự phù hợp đối với cấu trúc bộ nghịch lưu

+ APOD(Alternative Phase Opposite Disposition) Bố trí ngược pha: Hai sóng mang kế cận nhau dịch pha 1 góc 180 độ như hình c)

Chất lượng điện áp ra có sóng hài đáng kể nhưng giảm được đáng kể tần số chuyển mạch so với tần số của sóng mang

- Kỹ thuật dịch pha sóng mang(PS-PWM)

Thực hiện với N-1 sóng mang có cùng biên độ và tần số Mỗi sóng mang liền kề sẽ được dịch pha một góc bằng θ = 360/ (N - 1) Trong đó N là số mức điện áp đầu ra

Hình 2.2 : Bố trí sóng mang dịch pha cho PWM

Kĩ thuật này phân phối thời gian và công suất như nhau ở mỗi modul Bằng cách chọn tần số sóng mang phù hợp có thể cân bằng điện áp trên tụ điện Tạo ra sóng hài điện áp ra là nhỏ nhất so với các phương pháp PWM ở trên Thích hợp dùng cho MMC

2 Vecto không gian SVM

Điều chế vecto không gian là phương pháp phù hợp đối với kĩ thuật số hiện nay, nó có khả năng tối ưu hóa việc chuyển mạch của van bán dẫn bằng cách có thể lựa chọn các van phù hợp để đóng cắt Nó cũng phù hợp đối với các bộ chuyển đổi đa mức.Ứng dụng trong các lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện

Hình 2.3 : Ứng dụng của SVM trong điều khiển động cơ

Nguyên tắc thực hiện là tính toán vecto điện áp đƣợc tổng hợp nằm bên trong khối lục giác, khối lục giác đƣợc chia thành 6 secto Xác định vị trí vecto điện

áp nằm trong secto nào từ đó chọn lựa các trạng thái chuyển mạch phù hợp để tính toán thời gian chuyển mạch Thích hợp cho các bộ chuyển đổi 2,3,5 mức nó

có thể mở rộng cho nhiều mức của bộ chuyển đổi tuy nhiên khối lƣợng tính toán

Hình 2.4: Sơ đồ vecto không gian của bộ nghịch lưu 5 mức

3 Phương pháp NLM

Phương pháp NLM được đề xuất cho các bộ nghịch lưu với số mức là tùy

ý Nó quyết định số sub-modul được thêm vào hay được bỏ qua trên nhánh của

bộ nghịch lưu MMC

`

Hình 2.5 : Cấu trúc một pha của MMC

Nguồn Udc/2 là thành phần điện áp phía một chiều cấp cho nhánh trên và nhánh dưới Up và Un lần lượt là điện áp tổng của nhánh trên và nhánh dưới; Uu

là điện áp ra của MMC, ip và in lần lượt là thành phần dòng điện chảy trong nhánh trên và nhánh dưới của MMC; idiff là dòng điện chảy vòng từ phía một chiều đến mỗi pha của MMC còn iu là dòng điện trên pha của MMC Áp dụng định luật Kirchhoff ta có phương trình:

( ) (2.4)

Từ (2.4) ta có thể viết điện áp duới dạng:

( ) (2.5)

Trong đó m là tỷ số điều chế Trong phương pháp điều chế NLM cổ điển thì N

là số SM được chèn vào trên mỗi pha Ta cũng có phương trình điện áp phía DC (2.6)

Từ (2.5) ta có được điện áp trên mỗi nhánh của một pha: {

Hình 2.6 Nguyên lý làm tròn 0.5 của thuật toán NLM

+ Giả sử tại t1 ta có Với M là số SM được chèn vào ở nhánh dưới của pha và N là số SM của một nhánh của pha Ta có từ t1 đến t2:

- Thuật toán NLM cải tiến điều chế 2N+1

Theo những phân tích bên trên thì phương pháp NLM cổ điển tạo ra N+1 mức điện áp ra Vì vậy, đối với trường hợp điện áp thấp với một vài sub-modules, độ méo sóng hài của điện áp ra có xu hướng lớn; để cải thiện chất lượng đầu ra, phương pháp NLM cải tiến đã được đề xuất để thay thế các phương pháp khác với số lượng mức điện áp đầu ra sẽ tăng lên thành 2N+1 mà vẫn giữ nguyên số lượng sub-modules

Điểm đáng chú ý là tại thời điểm chuyển mức ở dạng điện áp và hoàn toàn không giống nhau Số mức điện áp của mỗi nhánh trên và dưới là N+1, trong khi đó số mức điện áp ra lại là 2N+1 Tuy nhiên bề cao của mỗi bậc thang đã giảm xuống còn 0.5Ud Sự khác biệt nhỏ này dẫn tới sự tăng đáng kể các mức điện áp

Hình 2.7 Nguyên lý làm tròn 0.25 của thuật toán NLM

dưới của pha và N là số SM của một nhánh của pha Ta có từ t1 đến t2:

Mạch lực MMC cho cả 3 phương pháp điều chế:

1 Phương pháp PWM

a) Cách thực hiện

Sử dụng phương pháp PWM với bộ nghịch lưu MMC bảy mức ta sử dụng

với biên độ là 1 và ta chọn hệ số

điều chế (ma=0,85) do đó biên độ tín hiệu chuẩn cần so sánh là 0.85

Hình 3.2: Tín hiệu sóng mang và tín hiệu chuẩn

Tín hiệu sóng mang được so sánh với tín hiệu chuẩn để phát xung cho bộ nghịch lưu Nếu tín hiệu chuẩn lớn hơn tín hiệu sóng mang thì xung phát ra có giá trị là 1 tương đương với trạng thái mở van Ngược lại nếu tín hiệu chuẩn nhỏ hơn tín hiệu sóng mang xung phát ra có giá trị là 0 tương đương với trạng thái van khóa