Nghiên cứu ứng dụng bộ nghịch lưu đa mức cấu trúc module cho các ứng dụng với lưới điện

vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Điện áp của điểm nối giữa bộ biến đổi và hệ xoay chiều Điện áp một chiều đầu vào bộ biến đổi Dòng điện chảy trong hệ xoay chiều , Dòng điện c

-

NGUYỄN XUÂN VIỆT

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẤU TRÚC

MODUL CHO CÁC ỨNG DỤNG VỚI LƯỚI ĐIỆN

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS PHẠM VIỆT PHƯƠNG

HÀ NỘI – 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2017

Học viên thực hiện

Nguyễn Xuân Việt

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 3

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 3

1.1.1 Bộ biến đổi NPC 5

1.1.2 Bộ biến đổi FC 6

1.1.3 Bộ biến đổi xếp chồng cầu H (CHB) 7

1.1.4 Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module 8

1.2 Các phương pháp điều chế 9

1.2.1 Phương pháp điều chế vector không gian SVM 10

1.2.2 Phương pháp điều chế PWM 11

1.2.3 Phương pháp điều chế NLM 12

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 14

1.4 Mục đích nghiên cứu 14

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 15

1.6 Nội dung luận văn 15

iii

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ

BIẾN ĐỔI MMC 16

2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi MMC 16

2.1.1 Cấu trúc nửa cầu 17

2.1.2 Cấu trúc cầu đủ 18

2.1.3 Cấu trúc diode kẹp 18

2.1.4 Cấu trúc bộ biến đổi ba mức 19

2.1.5 Cấu trúc bộ biến đổi năm mức với liên kết chéo 20

2.1.6 So sánh và lựa chọn cấu trúc 20

2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC 21

2.2.1 Trạng thái chèn vào (Inserted) 21

2.2.2 Trạng thái bỏ qua (By pass) 22

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của 1 pha 23

2.2.4 Nguyên lý hoạt động của 3 pha 27

2.3 Ứng dụng thực tế 29

2.4 Kết luận 30

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI MMC 31

3.1 Mô hình hóa bộ biến đổi MMC 31

3.2 Mô hình hoá bộ biến đổi MMC xét trên ba pha 34

3.3 Xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi MMC 36

3.4 Thiết kế mạch vòng điều khiển 37

3.4.1 Mạch vòng dòng điện 37

3.4.2 Mạch vòng công suất 42

iv

3.4.3 Mạch vòng điện áp hiệu dụng 44

3.5 Tính toán thông số mạch 45

3.6 Hiệu chỉnh các mạch điều khiển trên Matlab – Simulink 47

3.6.1 Hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện 47

3.6.2 Hiệu chỉnh mạch vòng công suất 48

3.6.3 Hiệu chỉnh mạch vòng điện áp một chiều 49

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN NLM VÀ PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 52

4.1 Thuật toán NLM 52

4.1.1 Thuật toán NLM cổ điển 52

4.1.2 Thuật toán NLM cải tiến 56

4.2 Lựa chọn thuật toán NLM cho MMC và thuật toán cân bằng điện áp 59

4.2.1 Lựa chọn thuật toán NLM cho MMC 59

4.2.2 Thuật toán cân bằng điện áp 60

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ 64

5.1 Phần mềm và thông số mô phỏng 64

5.2 Kết quả mô phỏng 65

5.2.1 Kết quả đầu ra thuật toán NLM 65

5.2.2 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới của một pha 65

5.2.3 Điện áp dây đầu ra 66

5.2.4 Điện áp trên các pha đầu ra 66

5.2.5 Dòng điện đầu ra 67

5.2.6 Sóng hài TDH đầu ra 67

v

5.2.7 Tổng kết 68

KẾT LUẬN 69

PHỤ LỤC 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Điện áp của điểm nối giữa bộ biến đổi và hệ xoay chiều Điện áp một chiều đầu vào bộ biến đổi

Dòng điện chảy trong hệ xoay chiều

, Dòng điện chảy trong nhánh trên và nhánh dưới của bộ biến

đổi , Điện cảm và điện trở giữa nguồn và bộ biến đổi

, Điện cảm và điện trở trên mỗi nhánh của một pha

, Tổng điện áp của các tụ thuộc module được chèn vào ở

nhánh trên và dưới

∑

, ∑ Tổng điện áp trên tụ của nhánh trên và nhánh dưới

, Điện dung của một sub-module và điện dung tương đương

trên mỗi nhánh , Hệ số chèn của nhánh trên và nhánh dưới

N Số lượng submodule trên một nhánh của pha

, Thành phần d và q của điện áp lưới

, Thành phần d và q của dòng điện

vii

CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

MMC Modular Multilevel

Converter

Bộ biến đổi đa mức cấu trúc mô-đun

MC Multilevel converter Bộ biến đổi đa mức

NPC Neutral point clamped Đi-ốt kẹp

PWM Pulse width modulation Điều chế độ rộng xung

SVM Space vecto modulation Điều chế véctơ không gian

HVDC High voltage direct current Hệ thống truyền tải điện một chiều điện

áp cao NLM Nerest Level Modulation Phương pháp điều chế NLM

PI PI Controller Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng so sánh các cấu trúc Sub – module 21

Bảng 2.2: Điện áp ngõ ra của Sub – module 23

Bảng 3.1 Các tham số bộ biến đổi MMC 45

Bảng 5.1: Các thông số mô phỏng của bộ biến đổi MMC 64

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Phân loại các bộ biến đổi đa mức 5

Hình 1.2: Cấu trúc bộ biến đổi NPC 6

Hình 1.3: Cấu trúc bộ biến đổi FC 7

Hình 1.4: Cấu trúc bộ biến đổi CHB 8

Hình 1.5: Vector không gian nghịch lưu N – mức 10

Hình 1.6: Bố trí sóng mang PWM 12

Hình 1.7: Điện áp nhánh van theo điều chế NLM 13

Hình 2.1 Mô hình bộ biến đổi MMC 16

Hình 2.2: Cấu trúc nửa cầu Sub – module 17

Hình 2.3: Cấu trúc cầu đủ Sub – module 18

Hình 2.4: Cấu trúc diode kẹp 19

Hình 2.5: Cấu trúc bộ biến đổi ba mức 19

Hình 2.6 Cấu trúc bộ biến đổi 5 mức có liên kết chéo 20

Hình 2.7: Trạng thái chèn vào của Sub – module 21

Hình 2.8: Trạng thái bỏ qua của Sub – module 22

Hình 2.9: Mạch điện trên một pha của bộ biến đổi MMC tổng quát 23

Hình 2.10: Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC 10 mức 25

Hình 2.11: Cấu trúc bộ MMC 3 pha 27

Hình 3.1 Mô hình một pha MMC 31

Hình 3.2: Sơ đồ mạch ba pha của bộ MMC 35

Hình 3.3: Cấu trúc tổng quan của mạch vòng điều khiển 37

Hình 3.4: Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển dòng điện của bộ biến đổi MMC 40

x

Hình 3.5: Biểu diễn dạng hàm truyền mạch vòng điều khiển dòng điện 40

Hình 3.6: Biểu diễn dạng hàm truyền mạch vòng điều khiển công suất 43

Hình 3.7: Mạch vòng điều chỉnh điện áp hiệu dụng 45

Hình 3.8: Mô hình hàm truyền bộ điều khiển dòng điện trên Matlab – simulink 47

Hình 3.9: Kết quả của bộ điều khiển dòng điện với giá trị PI tính toán 48

Hình 3.10: Kết quả bộ điều khiển dòng điện sau điều chỉnh hệ số Kp, Ti 48

Hình 3.11: Mô hình hàm truyền mạch vòng công suất trên Matlab – Simulink 49

Hình 3.12: Kết quả bộ điều khiển công suất với tham số PI tính toán 49

Hình 3.13: Mô hình hàm truyền bộ điều chỉnh điện áp một chiều 49

Hình 3.14: Kết quả bộ điều khiển điện áp 1 chiều DC theo bộ PI tính toán 50

Hình 3.15: Kết quả bộ điều khiển điện áp 1 chiều DC sau hiệu chỉnh bộ PI 50

Hình 4.1: Cấu trúc của thuật toán NLM 52

Hình 4.2: Cấu trúc mạch lực một pha của bộ biến đổi MMC 52

Hình 4.3: Cấu trúc mô tả thuật toán NLM cổ điển 54

Hình 4.4: Nguyên lý hoạt động của cả phương pháp NLM cổ điển dùng cho MMC 55

Hình 4.5: Nguyên lý hoạt động của phương pháp NLM cải tiến dùng cho MMC với 10 sub-modules mỗi nhánh 57

Hình 4.6: Tổng quát cấu trúc của phương pháp NLM cải tiến 58

Hình 4.7: Lưu đồ thuật toán phương pháp NLM cải biến 60

Hình 4.8: Lưu đồ thuật toán cân bằng năng lượng 62

Hình 5.1: Đầu ra thuật toán NLM 65

Hình 5.2: Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A 65

Hình 5.3: Điện áp dây đầu ra bộ biến đổi MMC 66

xi

Hình 5.4: Điện áp đầu ra từng pha bộ MMC 66Hình 5.5: Dòng điện đầu ra pha A bộ MMC 67Hình 5.6: Sóng hài đầu ra bộ MMC 67

1

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất được áp dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp, từ những bộ biến đổi công suất cỡ nhỏ cho đến những ứng dụng có sử dụng những bộ biến đổi hàng mega oat Sự phát triển của công nghệ bán dẫn, cho phép chế tạo những van bán dẫn có thể chịu được dòng, áp cao cũng như tần số đóng cắt lớn, đồng thời các hướng nghiên cứu về mô hình các bộ biến đổi, thuật toán điều chế mới trong nhưng năm gần đây đạt được những thành tựu to lớn góp phần đưa điện tử công suất trở thành một lĩnh vực hấp dẫn, có nhiều thú vị đối với nghiên cứu, đầu tư

Các bộ nghịch lưu đa mức là một vấn đề không mới, đã được nghiên cứu trong hơn ba thập kỉ qua, mang lại những ưu điểm hơn nhiều so với bộ biến đổi hai mức truyền thống, vì thế, các bộ biến đổi đa mức là đề tài thường xuyên được quan tâm, đầu tư nghiên cứu

Cũng từ thực tiễn đó, em đã quyết định chọn bộ nghịch lưu đa mức cấu trúc

module để nghiên cứu Luận văn tốt nghiệp do em thực hiện với tên gọi: “Nghiên

cứu ứng dụng bộ nghịch lưu đa mức cấu trúc modul cho các ứng dụng với lưới điện” Nội dung của luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức

Chương 2: Sơ đồ nguyên lý và cấu trúc hoạt động bộ biến đổi MMC

Chương 3: Xây dựng mô hình toán học và phương pháp điều chế bộ biến đổi MMC

Chương 4: Thuật toán NLM và phương pháp cân bằng năng lượng

Chương 5: Mô phỏng và kiểm chứng kết quả

Kết luận

Luận văn được hoàn thành nhờ sự tận tâm chỉ bảo và động viên khuyến khích

rất lớn từ TS Phạm Việt Phương cùng các thầy, cô giáo trong bộ môn Tự động

hóa công nghiệp, Viện Điện, Đại Học Bách Khoa Hà Nội

2

Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên luận văn chắc không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong quý thầy cô cùng bạn đọc thông cảm và gửi những ý kiến đóng góp sửa đổi, bổ sung để cho luận văn hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Nguyễn Xuân Việt

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Công nghệ năng lượng đang thay đổi và phát triển từng ngày Tình trạng phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và sự tăng giá của các nguồn nhiên liệu đốt dẫn đến

sự đầu tư khổng lồ vào các nguồn tài nguyên, kinh tế và các nguồn lực để có được những nguồn năng lượng với giá thành rẻ hơn, thân thiện với môi trường hơn mà không phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Trong các thập kỉ qua, những nguồn năng lượng tái tạo trở thành trọng tâm trong nghiên cứu và các họ khác nhau của các bộ biến đổi công suất được thiết kế để tích hợp mô hình khác nhau của hệ thống lưới phân phối như một thực tế cần thiết Trên đường dây truyền tải, việc sử các hệ thống biến đổi công suất lớn là cần thiết để phân phối và nâng cao chất lượng điện năng nhằm đem lại độ tin cậy và hiệu quả kinh tế

Cho đến ngày nay, sự phát triển của điện tử công suất đã đạt được những thành tựu to lớn Trong đó phải kể đến sự phát triển của các bộ biến đổi đa mức Được nghiên cứu từ khoảng vài thập kỉ gần đây, nghiên cứu các bộ biến đổi đa mức vẫn luôn là một chủ đề dành được nhiều sự quan tâm của trong lĩnh vực điện tử công suất bởi nhưng ưu điểm vượt trội so với bộ biến đổi hai mức cổ điển

Những ưu điểm được thể hiện về hiệu suất bộ biến đổi được nâng cao, chất lượng tín hiệu đầu ra gần với dạng sin mà thành phần sóng hài bậc cao lại rất nhỏ theo số bậc của bộ biến đổi Ở giai đoạn đầu trong lịch sử hình thành bộ biến đổi đa mức, trọng tâm của việc nghiên cứu được đặt vào việc nâng cao chất lượng của bộ điều khiển, tìm ra các thuật toán tối ưu khác nhau để giảm độ méo sóng hài cho tín hiệu ra của bộ biến đổi, các vấn đề về điện áp cân bằng trên tụ Gần đây hơn, mục đích và hướng nghiên cứu tiếp cận chuyển sang cải tiến, nâng cao hơn về thuật toán tính toán điều khiển đóng cắt của các van bán dẫn để làm giảm sóng hài, phù hợp các tiêu chuẩn của Grid codes, phát triển các mô hình mới cho bộ biến đổi cũng như phương pháp điều khiển

4

Lịch sử hình thành của các bộ biến đổi đa mức được thể hiện rõ ở trong hình 1.1 [2] Các bộ biến đổi công suất lớn được sử dụng chia làm hai nhánh phát triển chính, đó là các bộ biến đổi trực tiếp từ các đại lượng xoay chiều sang xoay chiều và các bộ biến đổi gián tiếp, có sử dụng liên kết một chiều giữa Trong thực

tế, thường dung bộ biến đổi theo kiểu gián tiếp Bộ biến đổi đa mức có các mô hình phổ biến như mô hình dạng Diode kẹp (NPC – Neutral point clamped), tụ bay (FC – Flying Capacitor), dạng xếp tầng (Cascaded) và dạng lai (Hybrid)

Song song với các mô hình bộ biến đổi trên là các thuật toán điều chế như: LS PWM (Level-shifted Pulse Width Modulation), PS PWM (Phase-shifted Pulse Width Modulation) là mở rộng của phương pháp điều chế độ rộng xung PWM dựa trên sóng mang dạng Sin (Carrier-based sinusoidal waveform) được dùng cho mô hình NPC và CHB, FC; phương pháp điều chế vector không gian SVM (Space Vector Modulation) sử dụng thuật toán 2-D và 3-D

6

Hình 1.2: Cấu trúc bộ biến đổi NPC

Trong bộ biến đổi NPC, điểm trung tính được đưa ra từ điểm nối giữa các cặp diode kẹp ở từng pha của bộ biến đổi với điện áp một chiều, điện áp đầu ra từng pha được lấy từ điểm giữa ở mỗi nhánh Nhờ có cấu trúc như vậy, mức điện áp trên mỗi van phải chỉ bằng một nửa so với bộ biến đổi hai mức thông thường Với cấu trúc giống như vậy, bộ NPC có thể mở rộng lên nhiều mức điện áp Tuy nhiên, vấn đề gặp phải của bộ biến đổi NPC là sự mất cân bằng điện áp trên tụ, dẫn đến tình trạng giữa điểm trung tính so với đất có xuất hiện một hiệu điện thế khác 0 gây ra tình trạng méo điện áp đầu ra Khi số mức tăng lên, tính phức tạp trong điều khiển điện

áp cân bằng trên tụ, cùng với đó là quan hệ hàm bậc hai giữa ngưỡng điện áp khóa của diode và số mức của bộ biến đổi là vấn đề được nghiên cứu nhiều đối với bộ biến đổi NPC

1.1.2 Bộ biến đổi FC

Mỗi tụ trên từng nhánh pha của bộ biến đổi FC được nạp với một mức điện áp khác nhau, do vậy, khi trạng thái của khóa đóng cắt thay đổi, giá trị điện áp đầu ra đạt được các mức khác nhau Nhờ vào năng lượng được dự trữ trong các tụ, bộ biến đổi có thể vượt qua trong khoảng thời gian ngắn của lõm điện áp Một trở ngại là tụ cần được nạp trước khi khởi động, được hiểu như khởi tạo Mặc dù cấu trúc bộ biến

7

đổi FC có thể mở rộng lên số lượng cell là tùy ý, nhưng điều đó đồng nghĩa với việc tăng giá thành sản phẩm nên số mức của bộ biến đổi FC thường được giới hạn là 4 mức Cấu trúc bộ biến đổi FC được trình bày trong hình 1.3 [9]

Hình 1.3: Cấu trúc bộ biến đổi FC

1.1.3 Bộ biến đổi xếp chồng cầu H (CHB)

Bộ biến đổi CHB được tạo thành bằng cách mắc nối tiếp từng nhánh pha của

bộ biến đổi cầu đủ có nguồn DC cách ly như hình 1.4 [9]

Tính nổi trội của bộ biến đổi CHB so với bộ biến đổi NPC, FC là cấu trúc module và khả năng điều khiển độc lập đối với các thành phần thứ tự không của dòng điện Đối với các ứng dụng chỉnh lưu, bộ biến đổi CHB cần sử dụng nhiều nguồn một chiều độc lập cho từng cell trên một nhánh van nên cấu trúc này không thích hợp đối với các ứng dụng trao đổi công suất hai chiều

8

Hình 1.4: Cấu trúc bộ biến đổi CHB

1.1.4 Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module

Trong một khoảng thời gian dài phát triển và áp dụng vào thực tế, các bộ biến đổi đa mức và các phương pháp điều chế vẫn còn gặp phải những nhược điểm như sau:

- Số lượng van bán dẫn lớn dẫn đến việc tổn hao trong quá trình chuyển mạch, đóng cắt lớn, làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi

- Các phương pháp điều chế kinh điển phát triển trên cơ sở của PWM và SVM gặp phải khó khăn khi số lượng thiết bị của bộ biến đổi tăng lên nhiều

- Giá thành của bộ biến đổi cao, việc bảo trì, bảo dưỡng gặp khó khăn do tính phức tạp từ cấu trúc bộ biến đổi mang lại

Từ thực tế trên, việc nghiên cứu về mô hình bộ biến đổi đa mức kiểu mới và phương pháp điều chế đơn giản, phù hợp hơn trở thành một yêu cầu cấp thiết, là trọng tâm cho nghiên cứu về các bộ biến đổi đa mức công suất lớn

9

Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module là một phát triển nâng cấp của bộ biến đổi đa mức, được đề xuất lần đầu tiên bởi R Marquardt và A Lesnicar vào đầu những năm 2000 Cấu trúc của bộ biến đổi dựa trên sự ghép nối của một số lượng lớn các module thành phần (SM – Submodule), mỗi SM là bộ biến đổi nửa cầu dùng van bán dẫn điều khiển hoàn toàn Ưu điểm của bộ biến đổi MMC là:

- Có thể mở rộng khả năng làm việc với các mức điện áp và công suất khác nhau

- Tín hiệu điện áp đầu ra có số mức bất kỳ và chất lượng sóng hài tốt

- Sử dụng duy nhất một nguồn điện áp một chiều ở đầu vào

- Không cần sử dụng máy biến áp ở đầu ra của bộ biến đổi

Mặc dù có những ưu điểm nổi bật so với các bộ biến đổi đa mức kiểu cũ nhưng trong vòng gần một thập kỉ kể từ khi được giới thiệu lần đầu, vẫn chưa có nhiều nghiên cứu đột phá về cấu trúc cũng như ứng dụng của bộ biến đổi này bởi các lý do khác nhau, mà nổi bật hơn cả là việc áp dụng các phương pháp điều chế thông thường như thuật toán điều chế độ rộng xung PWM hay thuật toán điều chế vector không gian SVM cho bộ biến đổi MMC với số lượng module thành phần lên tới hàng trăm là rất phức tạp và không phù hợp Tuy vậy, chỉ trong vài năm trở lại đây, các nghiên cứu về cấu trúc và ứng dụng của bộ biến đổi MMC được chú trọng

và bùng nổ hơn do sự phát triển về kỹ thuật điều chế cho các module thành phần Trong số đó phải kể đến phương pháp điều chế NLM (Nearest Level Modulation), dựa trên việc tính toán số lượng các module thành phần của bộ MMC cần thiết phải chèn vào (khái niệm chèn vào vào ngược lại là bypass – bỏ qua sẽ được làm rõ sau)

để tạo ra một mức điện áp mong muốn tại thời điểm bất kì đã giải quyết được những khó khăn mà phương pháp điều chế SVM và PWM gặp phải, đồng thời giảm được tổn hao do đóng cắt các van bán dẫn gây ra

1.2 Các phương pháp điều chế

Phương pháp đóng cắt van theo một thời gian xác định sao cho thỏa mãn giá trị trung bình của điện áp (hay dòng điện) thuộc đầu ra của bộ biến đổi có hình dạng giống với giá trị điện áp (hay dòng điện) yêu cầu Hiện nay có ba phương pháp điều

1.2.1 Phương pháp điều chế vector không gian SVM

Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) xuất phát từ những ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng và phát triển trong các hệ thống điện ba pha Phương pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số và

là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong 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

Mặt phẳng vector không gian của nghịch lưu N mức được thể hiện trong hình 1.5 [9]

Hình 1.5: Vector không gian nghịch lưu N – mức

11

Mỗi điểm trên mặt phẳng đại diện cho một trạng thái của điện áp ba pha của

bộ biến đổi Ví dụ điểm có tọa độ (2, 1, 0), điện áp từng pha theo thứ tự thuận ABC

là (2Vc, 1Vc, 0), ở đây Vc là điện áp trên tụ một chiều tương ứng của từng module thành phần

Ưu điểm: Phương pháp điều chế vector không gian cho phép điều khiển tuyến tính tốt, hiệu quả cao, rất cần thiết cho các hệ điều khiển tự động Nó đã mở ra một

lý thuyết thực hành điều khiển mới có chất lượng cao cho việc chuyển đổi năng lượng điện từ các nguồn DC sang AC

Nhược điểm: phương pháp điều chế vector không gian vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như đòi hỏi bộ vi xử lý có khả năng tính toán cao và bộ nhớ lớn, việc tính toán càng phức tạp khi số bậc của bộ biến đổi tăng lên, lập trình giải thuật khá phức tạp

1.2.2 Phương pháp điều chế PWM

Các kỹ thuật điều chế PWM ứng dụng cho bộ biến đổi MMC dựa trên việc so sánh tín hiệu chuẩn với sóng mang dạng tam giác có tần số cao để xác định khoảng thời gian điều chế Và trong trường hợp có nhiều sóng mang để so sánh cùng một lúc thì gọi là điều chế đa sóng mang Trong các kỹ thuật PWM có hai kỹ thuật phổ biến đó là dịch mức sóng mang (LSPWM) và dịch pha sóng mang (PSPWM)

Đối với kỹ thuật dịch mức sóng mang, có 3 kiểu bố trí sóng mang như sau:

- IPD (In Phase Disposition) Bố trí cùng pha: Tất cả các sóng mang đều cùng pha như hình 1.3

- POD (Phase Opposite Disposition) Bố trí đối xứng qua trục Ox: Các sóng mang kế cận liên tiếp nhau nằm bên trên và bên dưới trục Ox sẽ cùng pha với nhau, 2 sóng mang nằm gần trục Ox ngược pha với nhau như hình 1.3

- APOD (Alternative Phase Opposite Disposition) Bố trí ngược pha: Hai sóng mang kế cận nhau dịch pha 1 góc 180 độ như hình 1.3 [9]

1.2.3 Phương pháp điều chế NLM

Các phương pháp điều chế SVM và PWM đều có những nhược điểm như là tần số đóng cắt cao, tổn hao lớn và tính toán, điều khiển phức tạp Điều này được thể hiện rõ khi số lượng các SM tăng lên, và để khắc phục được những nhược điểm

đó một phương pháp điều chế mới ra đời Đó là phương pháp điều chế Nerest Level Control – NLM, phát triển đầy hứa hẹn trong các bộ ứng dụng tầm trung - cao áp Phương pháp điều chế NLM (Nearest level modulation) được hiểu đơn giản là

sử dụng một chỉ số điều chế (m) trực tiếp tính toán xem có bao nhiêu SM được kết nối trong mỗi nhánh trên một pha để có thể đạt được điện áp đầu ra gần nhất với giá trị mong muốn tại một thời điểm bất kỳ NLM tạo ra N+1 mức điện áp với phương pháp NLM thông thường, và tạo ra 2N+1 mức điện áp với phương pháp NLM cải tiến Phương pháp này dựa trên việc tính toán số lượng các module thành phần của

bộ biến đổi MMC cần thiết phải chèn vào dựa trên việc so sánh tín hiệu tham chiếu Vref để tạo ra một mức điện áp mong muốn tại một thời điểm bất kỳ đã giải quyết được những khó khăn của phương pháp điều chế SVM và PWM đồng thời giảm được đáng kể tổn hao do đóng cắt Dạng điện áp ra trên một nhánh của bộ biến đổi theo phương pháp điều chế NLM được thể hiện như trong hình 1.7 [11]

13

Hình 1.7: Điện áp nhánh van theo điều chế NLM

Đối với nghịch lưu đa mức, giả sử điện áp trên mỗi sub – module là không đổi, = , một nhánh chuyển đổi có thể tạo ra (N+1) mức điện áp rời rạc (0, , ,…, ) Số lượng các sub-module thành phần được chèn vào hoặc bỏ qua của từng nhánh van trên và nhánh van dưới trong một pha của bộ biến đổi được tính toán thông qua hàm làm tròn như sau:

, = − ( ) , , = − , (1.1) , = + ( ) , , = − , (1.2) Trong đó:

, / , : Số lượng module thành phần được chèn vào / bỏ qua thuộc nhánh van trên của một pha

, / , : Số lượng module thành phần được chèn vào / bỏ qua thuộc nhánh van dưới của một pha

( ): hàm làm tròn, lấy đến số nguyên gần với giá trị (x) nhất

( ): giá trị tức thời của điện áp mẫu

: điện áp một chiều của tụ

14

Rõ ràng kỹ thuật điều khiển này có lợi thế về sự đơn giản trong tính toán bất

kể với số lượng lớn mô đun được sử dụng Bên cạnh đó số lần chuyển mạch khi áp dụng phương pháp điều khiển này cũng là thấp nhất vì các tụ chỉ được chèn vào (hoặc bỏ qua) một lần trong một chu kỳ

Ưu điểm: tần số đóng cắt các van nhỏ, gây ít tổn hao và sóng hài, thích hợp cho các bộ MMC với số lượng van đóng cắt lớn

Nhược điểm: Kỹ thuật điều chế NLM có nhược điểm là số lượng chuyển mạch thấp tạo ra sự dao động lớn trong điện áp của các module Khi thực hiện bám theo điện áp đầu ra hình sin, số lượng các module được chèn vào sẽ tăng dần cho tới khi cực đại, sau đó giảm dần Một module được chèn vào khi điện áp hình sin đang tăng dần sẽ không thể bỏ qua cho tới khi điện áp xoay chiều đầu ra đạt tới giá trị lớn nhất, do đó module đó sẽ được chèn vào trong ít nhất là nửa chu kỳ trước khi nó có thể được bỏ qua, gây nên một thời gian điện áp bị biến động khá dài Điều này có thể tránh được bằng cách theo dõi từng điện áp của module riêng biệt để quyết định chèn vào hoặc bỏ qua từng module nếu cần thiết, để tránh trường hợp điện áp module đó biến động quá lớn so với điện áp trung bình trên một nhánh pha

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Trước nhu cầu về năng lượng và sự phát triển trong nghiên cứu, ứng dụng của các bộ biến đổi công suất lớn trong đời sống và ngành công nghiệp năng lượng, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bộ nghịch lưu đa mức cấu trúc modul cho các ứng dụng với lưới điện” là cần thiết và mang tính thực tiễn khách quan, góp phần củng cố, xây dựng và phát triển các hướng tiếp cận, nghiên cứu mới đối với bộ biến đổi MMC

1.4 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài nghiên cứu về cấu trúc, nguyên lý hoạt động của bộ MMC

và áp dụng phương pháp điều chế NLM cho bộ MMC thông qua việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động, xây dựng bộ điều khiển, bộ điều chế cho MMC

15

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nội dung đồ án này tập trung vào việc phát triển thuật toán NLM kết hợp với thuật toán cân bằng năng lượng cho bộ biến đổi MMC công suất 20 MW, điện áp một chiều 20 kV sử dụng 20 module thành phần ở mỗi pha của bộ biến đổi Tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết được kiểm chứng lại thông qua mô phỏng máy tính trên phần mềm PSCAD

1.6 Nội dung luận văn

Luận văn gồm có 5 chương

Chương 1 Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức

Chương 2 Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC

Chương 3 Mô hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi MMC Chương 4 Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng Chương 5 Mô phỏng và kiểm chứng kết quả

Kết luận

16

CHƯƠNG 2

SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA

BỘ BIẾN ĐỔI MMC 2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi MMC

Mô hình bộ biến đa mức cấu trúc module được thể hiện trong hình vẽ 2.1 [9]

Hình 2.1 Mô hình bộ biến đổi MMC

Nền tảng bộ biến đổi MMC dựa trên cách mắc nối tiếp các phần tử riểng lẻ với nhau, gọi là các module thành phần SM (sub – module) Trong sơ đồ được trình bày

ở hình 2.1, mỗi pha của bộ biến đổi được tạo thành từ 2 nhánh (nhánh trên và nhánh dưới), mỗi nhánh có cùng số lượng các module thành phần SM (Sub – module) mắc nối tiếp với nhau Số lượng các module thành phần của bộ biến đổi MMC phụ thuộc

17

vào yêu cầu về cấp điện áp ở phía xoay chiều và công công suất trao đổi giữa phía một chiều và xoay chiều Điện áp xoay chiều trên mỗi pha của đầu ra bộ biến đổi

được lấy từ điểm giữa hai cuộn kháng Larm của mỗi nhánh, điện áp một chiều Vdc là

nguồn một chiều chung duy nhất cho cả 3 nhánh, không cần thiết phải sử dụng nguồn một chiều riêng biệt cho từng SM như của mô hình bộ biến đổi hai mức, bộ NPC hay bộ FC trước đó Theo lý thuyết, số lượng các module thành phần có thể tăng lên không giới hạn nhằm đáp ứng mọi yêu cầu về mức điện áp đầu ra ở phía xoay chiều

Với các cấu trúc khác nhau của các SM, chúng ta có thể tạo ra các bộ MMC trong các ứng dụng với hệ thống các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTs) như STATCOM, BTB, HVDC Ngoài ra, sự khác biệt giữa các cấu trúc của SM dẫn đến sự khác biệt về mức điện áp ở đầu ra từng module thành phần, tuy nhiên khi số lượng module thành phần tăng lên dẫn đến việc thiết kế để tính toán cân bằng điện áp trên tụ trở lên phức tạp hơn Từ thực tiễn nghiên cứu và kết quả đánh giá về điện áp cân bằng và tổn hao do đóng cắt các thiết bị bán dẫn [10], mô hình module thành phần với cấu trúc nửa cầu là mô hình có lợi nhất khi thực hiện việc trao đổi công suất giữa phía một chiều và phía xoay chiều

2.1.1 Cấu trúc nửa cầu

Cấu trúc mỗi Sub – module là bộ biến đổi nửa cầu được ghép từ hai van đóng cắt IGBT có kèm diode chống điện áp ngược và mắc song song với tụ với chiều cực tính được trình bày ở hình 2.2 [8]

Hình 2.2: Cấu trúc nửa cầu Sub – module

18

Điện áp đầu ra của SM nửa cầu bằng điện áp trên tụ Vc hoặc bằng 0 tùy theo trạng thái đóng cắt của khóa S1, S2 Cấu trúc nửa cầu sử dụng số van đóng cắt ít, điều khiển đơn giản

2.1.2 Cấu trúc cầu đủ

Mỗi SM là một bộ biến đổi cầu đủ, được tạo nên từ 2 nhánh van mắc song song với nhau và song song với tụ điện Điện áp đầu ra được lấy từ điểm trung tính của 2 nhánh van Cấu trúc cầu đủ được thể hiện trong hình 2.3

Hình 2.3: Cấu trúc cầu đủ Sub – module

Điện áp ra của bộ biến đổi theo cấu trúc cầu đủ bằng điện áp trên tụ Vc hoặc bằng 0 tùy theo trạng thái đóng cắt của các khóa S1, S2, S3, S4 Số lượng van đóng cắt của cấu trúc cầu đủ nhiều gấp hai lần so với cấu trúc nửa cầu, do vậy tổn hao trong quá trình chuyển mạch là lớn hơn so với cấu trúc bộ có cấu trúc SM nửa cầu

2.1.3 Cấu trúc diode kẹp

Cấu trúc diode kẹp được trình bày trong hình 2.4, cấu tạo từ 2 Submodule nửa cầu, 2 diot phụ và 1 van IGBT có đấu diot song song ngược Thông thường khi hoạt động, S5 luôn ON và SM kẹp đôi có cấu trúc như 2 nửa cầu nối tiếp với nhau, điện cáp đầu ra có 2 mức là 0 và E, tổn thất là lớn hơn so với SM nửa cầu nhưng thấp hơn so với SM cầu H Khi ghép các cấu hình đơn giản với nhau thì sẽ được nhiều dạng điện áp xếp chồng, tạo ra điện áp hình sin mong muốn [8]

19

Hình 2.4: Cấu trúc diode kẹp

So với cấu trúc cầu và nửa cầu cùng số mức điện áp, bộ biến đối MMC cấu trúc diode kẹp có tổn hao đóng cắt cao hơn cấu trúc nửa cầu và thấp hơn so với cấu trúc cầu đủ

2.1.4 Cấu trúc bộ biến đổi ba mức

Cấu trúc mỗi SM là một bộ biến đổi ba mức kiểu diode kẹp hoặc kiểu tụ bay được thể hiện trong hình 2.5[8]

Hình 2.5: Cấu trúc bộ biến đổi ba mức

Cấu trúc bộ MMC được cấu tạo từ bộ biến đổi 3 mức kiểu tụ bay có tổn thất tương đương với một bộ MMC có cấu trúc nửa cầu Tuy nhiên đối với bộ MMC có cấu trúc là bộ biến đổi 3 mức kiểu diode kẹp, tổn thất do đóng cắt các van bán dẫn

20

sẽ lớn hơn so với bộ MMC cấu trúc nửa cầu và thấp hơn bộ MMC cấu trúc cầu đủ Trong thực tế sản xuất và áp dụng các phương pháp điều khiển, bộ MMC được cấu tạo từ các SM là bộ biến đổi 3 mức không được phổ biến rộng rãi và đầu tư nghiên cứu

2.1.5 Cấu trúc bộ biến đổi năm mức với liên kết chéo

Mỗi SM được cấu tạo từ 2 bộ biến đổi nửa cầu có kết nối theo kiểu back – to – back từ 2 IGBT kèm diode đấu chống điện áp ngược, được thể hiện trong hình 2.6 [8]

Hình 2.6 Cấu trúc bộ biến đổi 5 mức có liên kết chéo

2.1.6 So sánh và lựa chọn cấu trúc

Với điều kiện các bộ biến đổi là cùng số cấp điện áp, phía một chiều của bộ biến đổi phải cùng chịu được dòng ngắn mạch khi có sự cố là như nhau, kết quả so sánh giữa các bộ biến đổi với cấu trúc khác nhau của SM được trình bày trong bảng 2.1

Dựa trên bảng so sánh, bộ biến đổi đa mức có SM là cấu trúc nửa cầu có tổn thất do đóng cắt van thấp nhất vì số lượng van ít, ngoài ra phương pháp điều khiển đối với cấu trúc nửa cầu dễ dàng nên trong luận văn, bộ MMC được nghiên cứu có các Sub – module được cấu tạo từ cấu trúc nửa cầu

21

Cấu trúc SM Mức điện áp DC – fault handling Tổn hao

Diode kẹp 0,Vc Vc1, 2, (Vc1Vc2) Có Trung bình

3 mức – tụ bay 0,Vc Vc1, 2, (Vc1Vc2) Không Thấp

3 mức – diode kẹp 0,Vc2, (Vc1Vc2) Không Trung bình

5 mức – kết nối chéo 0,Vc Vc1 , 2 , (Vc1 Vc2 ) Có Trung bình

Bảng 2.1: Bảng so sánh các cấu trúc Sub – module

2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC

Bộ biến đổi MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp VSM của các module thành phần để tạo ra điện áp xoay chiều ở từng pha của các bộ biến đổi Đối với từng Sub – module, điện áp đầu ra của mỗi Sub – module gắn liền với một trong hai trạng thái ngược nhau được định nghĩa là chèn vào (inserted) hoặc bỏ qua (bypass) dựa trên trạng thái đóng cắt của từng cặp van có kể đến chiều của dòng điện chạy trong mạch

2.2.1 Trạng thái chèn vào (Inserted)

Hình 2.7: Trạng thái chèn vào của Sub – module

Trạng thái Chèn vào (inserted) được mô tả ở hình 2.6 và được định nghĩa trong 2 trường hợp sau:

- Khi chiều dòng điện theo chiều âm, van S1 ON, van S2 OFF Điện áp ra của Sub – module VOUT  VC

22

- Khi chiều dòng điện theo chiều dương, van S1 ON, van S2 OFF Điện áp

ra của Sub – module VOUT  VC

2.2.2 Trạng thái bỏ qua (By pass)

Hình 2.8: Trạng thái bỏ qua của Sub – module

Trạng thái Bỏ qua (Bypass) được định nghĩa trong 2 trường hợp được mô tả ở hình 2.4 bao gồm:

- Khi chiều dòng điện đi theo chiều dương, van S1 OFF, van S2 ON, điện áp

ra của Sub – module VOUT = 0

- Khi chiều dòng điện đi theo chiều âm, van S1 OFF, van S2 ON, điện áp ra của Sub – module VOUT = 0

Xét trên từng Sub – module, ngoài thái Chèn vào (Inserted) và trạng thái Bỏ qua (Bypass) nêu trên, trạng thái đặc biệt khi cả van S1, S2 đồng thời ON là trạng thái CẤM, không được để xảy ra trong thuật toán điều khiển (phải đảm bảo trạng thái của S1 và S2 luôn luôn ngược nhau) vì gây ra hiện tượng ngắn mạch điện áp trên tụ

Ngoài ra, trạng thái cả van S1, S2 cùng OFF là trạng thái KHÓA, trường hợp này gây khó khăn trong việc kiểm soát điện áp đầu ra của từng Sub – module đồng thời tần số đóng cắt van cao hơn nếu xét đến trạng thái này

Như vậy trong thuật toán điều khiển, trường hợp van S1, S2 có cùng trạng thái (cùng ON hoặc cùng OFF) được loại trừ

Bảng 2.2: Điện áp ngõ ra của Sub – module

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của 1 pha

Hình 2.9 thể hiện cấu trúc một nhánh pha của bộ biến đổi MMC có N module mắc nối tiếp

Hình 2.9: Mạch điện trên một pha của bộ biến đổi MMC tổng quát

24

Hệ thống AC được kết nối ở điểm giữa của nhánh pha Mỗi nửa nhánh được tạo bởi nhánh trên và nhánh dưới gồm có N Sub – module Với mô hình này, việc điều khiển số lượng SM được chèn vào và bỏ qua ở từng nửa nhánh van cho phép đưa ra đúng dạng điện áp vAC

cần thiết

Các thông số trong hình 2.9 như sau:

- vS: Điện áp phía AC

- R, L: điện trở và điện cảm giữa nguồn và bộ biến đổi

- vAC: điện áp phía xoay chiều

- iAC: dòng điện phía xoay chiều

- RS, LS: Điện trở, điện cảm của nhánh trên và nhánh dưới bộ biến đổi

- vL, vU : Tổng điện áp trên các tụ được chèn vào của nhánh dưới và nhánh trên

- iL, iU : Dòng điện chảy trong nhánh dưới và nhánh trên, chiều cực tính theo chiều của nguồn DC

và các module ở phía dưới của nhánh bị bỏ qua, khi đó điện áp trung bình trên tụ

Cx

V của mỗi module được tính bởi:

DC Cx

V V

N

 (2.1)

25

Nếu có một module được chèn vào ở nhánh dưới, nhưng không có module nào

ở nhánh trên bị bỏ qua, khi đó có N+1 module được chèn vào, khi đó điện áp trung

bình sẽ là

1

DC

V

N  , như vậy điện áp trung bình trên mỗi tụ được chèn vào đã bị thay

đổi Để tránh trường hợp này, chỉ có module ở nhánh trên và N-n module ở nhánh dưới được sử dụng để đạt được điện áp đầu ra mong muốn

Tại một thời điểm chỉ có một nửa số lượng module thành phần được chèn vào,

do đó tổng điện áp đặt lên tất cả các tụ (kể cả được chèn vào hay bỏ qua) là 2 VDC

Hình 2.10: Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC 10 mức

Hình 2.10 mô tả điện áp đầu ra vAC của một bộ MMC lý tưởng (không xét đến

tổn hao), với 10 module trên một phía của một nhánh pha và điện áp một chiều VDC

bằng 10V Giả định rằng điện áp được phân phối đều giữa các tụ của các module và các tụ đủ lớn để điện áp không bị dao động Trong một chu kỳ, có 4 trạng thái khác nhau:

Trạng thái A: điện áp đầu ra là lớn nhất, để đạt được trạng thái này, tất cả các

module ở nhánh phía trên được bỏ qua do đó điện áp VDC /2 được nối trực tiếp tới

đầu ra, tất cả các module ở nhánh phía dưới được chèn vào, tổng điện áp qua các

module nhánh dưới bằng V DC

26

Trạng thái B: điện áp ra giảm dần và bám theo đường sin Để đạt được điều

này, điện áp cần được chèn thêm vào giữa điện áp dương một chiều và điểm giữa điện áp xoay chiều, như vậy các module ở nhánh phía trên được chèn vào Để đảm bảo số lượng module chèn vào là không thay đổi thì một module buộc phải được bỏ qua khi một module khác được chèn vào Do vậy mỗi khi có một module được chèn vào ở nhánh phía trên thì có một module được bỏ qua ở nhánh dưới Sau khi một module ở nhánh trên được chèn vào và một module ở nhánh dưới được bỏ qua thì

điện áp đầu ra đạt 4V (V DC /2 – V module ) Càng nhiều module ở nhánh trên được chèn

vào và module ở nhánh dưới bị bỏ qua thì điện áp xoay chiều đầu ra càng giảm

Trạng thái C: Tất cả các module ở nhánh phía trên được chèn vào và tất cả

module ở nhánh dưới bị bỏ qua, điện áp đầu ra lúc này là - V DC /2

Trạng thái D: để tăng dần điện áp đầu ra từ giá trị nhỏ nhất, các module ở

nhánh dưới được chèn vào dần đồng thời các module ở nhánh trên được bỏ qua

Bộ biến đổi MMC có những ưu điểm nổi trội so với bộ biến đổi hai mức truyền thống như:

- Không phải tất cả các van bán dẫn trên một pha đều đóng mở cùng lúc, các van được điều khiển tại các thời điểm tức thời khác nhau, do đó tần

- Cấu trúc module cho phép hoạt động khi có module bị lỗi, đơn giản là bỏ qua module đó cho tới khi được thay thế hoặc sửa chữa Điện áp một

Ở đây ta mới chỉ xét đến số lượng các SM được chèn vào, số lượng SM được

bỏ qua, chứ chưa xét đến cách làm thế nào để xác định tại thời điểm đó ta cần bao nhiêu SM được chèn vào, bao nhiêu SM bị bỏ qua cho từng nhánh, từng pha Đó chính là những công việc mà thuật toán NLM và NLM cải tiến thực hiện Nguyên lý thuật toán NLM được trình bày ở chương 4

2.2.4 Nguyên lý hoạt động của 3 pha

Mô hình bộ biến đổi MMC với đầy đủ 3 pha được thể hiện trong hình 2.11 [11]

Hình 2.11: Cấu trúc bộ MMC 3 pha

28

Trong hệ thống được thể hiện ở hình 2.11, các đại lượng vS,iAC,vAC, L, Rlà đại lượng 3 pha RS, LS là giá trị điện trơ, điện cảm của từng nhánh van trên, nhánh van dưới của mỗi pha

Đối với bộ biến đổi MMC, điện áp được phân phối trên các tụ của từng SM trong tất cả các nhánh van của từng pha Xét giữa các pha với nhau, nếu tổng điện

áp của các SM được chèn vào trên mỗi nhánh là khác nhau, dòng điện sẽ được sinh

ra từ sự mất cân bằng điện áp trên các tụ

Trong chế độ vận hành bình thường, giá trị dòng qua mỗi nhánh bộ biến đổi là một đại lượng xoay chiều và khác nhau đối với từng nhánh Nếu dòng tức thời từ điểm kết nối AC của bộ biến đổi chảy vào trong bộ biến đổi và chia vào các nhánh trên và nhánh dưới của từng pha về phía DC, các tụ điện của SM được chèn thuộc nhánh trên sẽ ở trạng thái xả, thuộc nhánh dưới sẽ ở trạng thái nạp Nếu chiều dòng điện AC có hướng ngược lại, trạng thái xả và nạp sẽ lần lượt ứng với các tụ thuộc nhánh dưới và nhánh trên

Vì sự lệch pha giữa 3 dòng điện phía AC, trạng thái xả và nạp của các tụ trên từng pha được thay đổi liên tục từ pha này sang pha khác Các module trên cùng nhánh của bộ biến đổi sẽ xuất hiện điện áp chênh lệch tức thời với các module ở nhánh liền kề nếu điện áp trung bình trong cùng một chu kỳ là giống nhau Vì tổng

số SM được chèn vào trong một nhánh là không đổi nên tổng điện áp trên một nhánh trong một chu kỳ là đại lượng dao động cùng tần số với phía xoay chiều Tuy nhiên đại lượng này dao động không đồng bộ ở các nhánh của bộ biến đổi, tạo thành sự mất cân bằng điện áp giữa các điện áp chèn vào ở từng nhánh gây ra xuất hiện dòng điện Dòng điện này chảy trong các nhánh của bộ biến đổi và được gọi là dòng điện vòng

Dòng điện vòng không gây ra hiệu ứng đối bên ngoài bộ biến đổi cả phía AC lẫn DC Tuy nhiên, dòng điện vòng là nguyên nhân gây ra tổn thất của bộ biến đổi Phần cảm trên mỗi nhánh có vai trò làm giảm ảnh hưởng của dòng điện vòng Nếu giá trị điện cảm của từng nhánh LS lớn hơn thì biên độ dòng điện vòng sẽ nhỏ đi