1.Đồ-án-tốt-nghiệp

MMC sử dụng các khóa bán dẫn hai chiều nên có thể tạo ra dòng điện, điện áp ra phía xoay chiều theo mức hình sin có tần số phù hợp với điện áp lưới, có khả năng áp dụng cho mọi dải công

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC MCC NỐI LƯỚI

Trưởng bộ môn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : TS Phạm Việt Phương Sinh viên thực hiện : Đoàn Văn Dương

Giáo viên duyệt :

Hà Nội, 08/2018

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp với tên đề tài: “Xây dựng cấu trúc điều khiển bộ nghịch lưu đa mức MMC nối lưới” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

TS Phạm Việt Phương Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện

có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 18 tháng 8 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Đoàn Văn Dương

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 2

TỔNG QUAN BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU ĐA MỨC MMC 2

1.1 Giới thiệu về MMC 2

1.2 Bộ nghịch lưu đa mức MMC nối lưới 5

1.3 Nguyên lý hoạt động của một Sub-Module 6

1.4 Phân tích và mô hình hóa bộ biến đổi MMC 8

1.5 Nội dung đồ án 11

CHƯƠNG 2 13

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NLM CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC MMC 13

2.1 Tổng quan về phương pháp điều chế NLM 13

2.2 Áp dụng phương pháp NLM cho MMC 14

2.2.1 Phương trình toán học 14

2.2.1 Phương pháp NLM cải tiến áp dụng cho bộ biến đổi MMC 14

2.2.2 Thuật toán cân bằng năng lượng 16

2.2.3 Tần số phát xung 18

CHƯƠNG 3 21

XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC MMC NỐI LƯỚI 21

3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện 22

3.2 Thiết kế bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng 22

3.3 Thiết kế bộ điều khiển điện áp một chiều 26

3.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát cho MMC 27

CHƯƠNG 4 36

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MMC 36

4.1 Thiết kế mạch lực 36

4.1.1 Mục đích tính toán và thiết kế mạch lực 36

4.1.2 Tính toán mạch lực 36

4.2 Thiết kế mạch đo 38

4.2.1 Mục đích tính toán và thiết kế mạch đo 38

4.2.2 Tính toán mạch đo dòng điện và điện áp 39

4.3 Mạch ADC 44

4.4 Thiết kế mạch driver 45

4.4.1 Mục đích tính toán và thiết kế mạch driver 45

4.4.2 Thiết kế mạch driver 46

4.4.3 Mạch đệm 47

4.5 Sơ đồ thiết kế hệ thống MMC 48

CHƯƠNG 5 50

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 50

5.1 Sơ đồ thực nghiệm hệ thống bộ biến đổi MMC 50

5.2 Thực nghiệm mạch lực 51

5.3 Thực nghiệm mạch đo 52

5.3.1 Sơ đồ thiết kế mạch in 52

5.3.2 Kết quả thực nghiệm mạch đo lường 52

5.4 Thực nghiệm mạch driver 55

5.5 Kết quả thực nghiệm 56

5.5.1 Kết quả mô phỏng 56

5.5.2 Kết quả thực nghiệm 58

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC 3

Hình 1.2 Cấu hình của một Sub-module (SM) 4

Hình 1.5 Quá trình nạp điện cho tụ điện của SM 6

Hình 1.6 Trạng thái hoạt động của SM 6

Hình 1.7 Mô hình cấu tạo của MMC 8

Hình 1.8 Mô hình trung bình một pha của MMC 9

Hình 2.1 Dạng bước điện áp và điện áp sin chuẩn 13

Hình 2.2 Sơ đồ phương pháp NLM cải tiến 14

Hình 2.3 Nguyên lý phương pháp NLM cải tiến 15

Hình 2.4 Sơ đồ khối thuật toán cân bằng năng lượng 16

Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán cân băng năng lượng 17

Hình 2.6 Đồ thị phát xung cho nhánh trên của một pha 18

Hình 2.7 Đồ thị tín hiệu phát xung cho một một nhánh trên 19

Hình 3.1 Sơ đồ ba pha của MMC 21

Hình 3.2 Sơ đồ mạch vòng dòng điện 23

Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện 24

Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch vòng công suất 25

Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển mạch vòng công suất 26

Hình 3.6 Sơ đồ mạch vòng điều khiển điện áp DC 27

Hình 3.7 Sơ đồ tổng quát cấu trúc điều khiển bộ biến đổi đa mức MMC 28

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển cho hệ thống MMC 28

Hình 3.9 Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu đa mức MMC nối lưới trong Matlab 30

Hình 3.10 Đáp ứng dòng điện 30

Hình 3.11 Đáp ứng công suất tác dụng P 31

Hình 3.12 Đáp ứng công suất tác phản kháng Q 31

Hình 3.13 Điện áp ba pha đầu ra bộ MMC 32

Hình 3.14 Điện áp tụ điện một SM 32

Hình 3.16 Đáp ứng công suất đầu ra MMC 33

Hình 3.17 Đồ thị dòng điện đầu ra MMC 34

Hình 3.18 Đồ thị điện áp DC MMC 34

Hình 3.19 Đồ thị điện áp đầu ra MMC 35

Hình 3.20 Đồ thị dòng điện MMC 35

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch SM 36

Hình 4.2 Cấu trúc mạch đo dòng điện nhánh 38

Hình 4.3 Cấu trúc mạch đo điện áp trên các tụ của SM 39

Hình 4.4 Mạch đo dòng điện 39

Hình 4.5 Mạch đo điện áp tụ của SM 42

Hình 4.6 Mạch ADC thực hiện bởi IC MCP3208 44

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Driver 45

Hình 4.8 Khối nguồn cấp cho mạch driver 46

Hình 4.9 Sơ đồ thiết kế của mạch driver 47

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 47

Hình 4.11 Cấu trúc hệ thống MMC với N = 6 48

Hình 4.12 Sơ đồ thiết kế hệ thống MMC 49

Hình 5.1 Sơ đồ thiết kế thực nghiệm hệ thống MMC với N = 4 50

Hình 5.2 Bo mạch lực (2 SM trên 1 bo mạch) 51

Hình 5.3 Xung đóng cắt cho một van IGMT 51

Hình 5.4 Mạch thực mạch đo dòng và áp 52

Hình 5.5 Đồ thị thể hiện kết quả thực nghiệm đo điện áp của mạch đo áp 53

Hình 5.6 Đồ thị kết quả thực nghiệm hệ số khuếch đại của mạch đo áp 53

Hình 5.7 Đồ thị kết quả thực nghiệm đo áp của mạch đo dòng điện 54

Hình 5.8 Đồ thị kết quả thực nghiệm hệ số khuếch đại của mạch đo dòng 55

Hình 5.9 Bo mạch thực mạch Driver 55

Hình 5.10 Kết quả thực nghiệm đo xung đầu ra mạch driver 55

Hình 5.11 Kết quả mô phỏng điện áp 3 pha đầu ra với N=4 56

Hình 5.12 Kết quả mô phỏng dòng điện nhánh trên pha a với N=4 56

Hình 5.13 Kết quả mô phỏng dòng điện nhánh trên pha a với N=4 57

Hình 5.14 Kết quả mô phỏng dòng điện ba pha với N=4 57

Hình 5.15 Kết quả mô phỏng dòng điện chảy vòng pha a với N=4 57

Hình 5.16 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng điện áp 3 pha đầu ra với N=4 58

Hình 5.17 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng dòng điện nhánh trên pha A 58 Hình 5.18 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng dòng điện nhánh dưới pha A 59 Hình 5.19 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng dòng điện i_diff chảy vòng trong mạch 59

Bảng 3.1 Bảng giá trị các thông số bộ nghịch lưu đa mức MMC nối lưới 29 Bảng 3.2 Bảng giá trị các bộ điều khiển dòng điện và công suất cho MMC 29 Bảng 3.3 Bảng giá trị bộ điều khiển điện áp DC cho MMC 33 CHƯƠNG 4

Bảng 4 1 Bảng số liệu giá trị điện cảm nhánh và điện dung tụ điện 38 CHƯƠNG 5

Bảng 5 1 Kết quả thực nghiệm mạch đo áp 52 Bảng 5 2 Kết quả thực nghiệm mạch đo dòng 54 Bảng 5 3 Thông số thực nghiệm 56

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

HVDC Hight Voltage Direct Curent

SM Sub-module

MMC Modular Multilevel Converter

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors

NLM Nearest Level Modulation

STATCOM Static Synchronous Compensator

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây vấn đề năng lượng là vấn đề toàn cầu khi mà nguồn năng lượng hóa thạch dần cạn kiệt Cùng với nhu cầu năng lượng đấy những bộ chuyển đổi năng lượng đang được các nước tích cực nghiên cứu và phát triển Nổi lên như một bộ biến đổi có tiềm năng lớn trong tương lai, khi mà những ứng dụng và lợi thế của nó là rất lớn Đó là bộ biến đổi nghịch lưu đa mức MMC Hiện tại, ứng dụng lớn nhất của bộ biến đổi là vào hệ thống truyền tải điện cao áp HVDC Nhận thấy được tiềm năng của bộ biến đổi MMC, thầy giáo TS Phạm Việt Phương đã hướng dẫn

em thực hiện đề tài: “Xây dựng cấu trúc điều khiển bộ nghịch lưu đa mức MMC nối lưới” Đồ án này, được trình bày với nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức MMC

Chương 2: Phương pháp điều chế NLM cho bộ nghịch lưu đa mức MMC

Chương 3: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ nghịch lưu đa mức MMC nối lưới Chương 4: Thiết kế phần cứng cho bộ nghịch lưu đa mức MMC

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Việt Phương đã hướng dẫn chu đáo

em thực hiện đồ án này, em xin cảm ơn anh Trần Hùng Cường đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện thực nghiệm Sau cùng em xin cảm ơn tất cả các bạn trong phòng Lab C9-203 giúp đỡ em rất nhiều Dù đã rất cố gắng nhưng đồ án không thể không có những sai sót, do kiến thức còn hạn chế cũng như thời gian thực hiện, em rất mong nhận được ý kiến của các thầy cô để đồ án được hoàn thiện hơn Em xin cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 08 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Đoàn Văn Dương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU ĐA MỨC

MMC

1.1 Giới thiệu về MMC

Lưới điện cao áp ngày nay được truyền tải chủ yếu sử dụng lưới điện xoay chiều (HVAC), đường truyển tải cao áp Bắc_Nam 500kV nước ta cũng sử dụng phương pháp truyền tải này Hệ thống HVAC thường xảy ra sự cố như mất pha, chập pha, các phụ tải điện tăng nhanh cả về số lượng và công suất làm mất ổn định trên đường cao áp Sự cố mất điện trên diện rộng là hậu quả nghiêm trọng nhất gây tổn thất rất lớn về kinh tế HVDC là hệ thống chuyền tải điện cao áp một chiều được nghiên cứu như là một giải pháp thay thế một phần cho hệ thống HVAC

Hình 1.1 Hệ thống MMC-HVDC

HVDC sử dụng một bộ chỉnh lưu từ xoay chiều thành một chiều và bộ nghịch lưu ba pha chuyển đổi điện áp một chiều thành xoay chiều Giữa hai bộ biến đổi công suất lớn này là đường dây truyền tải DC Một trong số đó là bộ nghịch lưu da mức MMC (Modular – Multilevel – Converter) đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thực

tế Bộ biến đổi MMC (Modular – Multilevel – Converter) là bộ biến đổi hai chiều

DC-AC với đặc tính khác biệt so với các bộ biến đổi đa mức khác và có những tính năng vượt trội

MMC có thể khắc phục được những nhược điểm của các bộ biến đổi nghịch lưu khác (VSC) như : mở rộng dải công suất, cấu hình đơn giản, dễ dàng mở rộng theo yêu

cầu trị số của điện áp lưới, tần số đóng cắt thấp MMC sử dụng các khóa bán dẫn hai chiều nên có thể tạo ra dòng điện, điện áp ra phía xoay chiều theo mức hình sin có tần

số phù hợp với điện áp lưới, có khả năng áp dụng cho mọi dải công suất, từ nhỏ đến lớn Vấn đề này làm cho MMC có tính liên kết các hệ thống cao, phù hợp với các hệ thống chuyển đổi năng lượng với công suất lớn, điện áp cao, như: HVDC, truyền động điện trung áp, các hệ thống bù tĩnh STATCOM

a b c

Hình 1.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC

Cấu trúc bộ biến đổi MMC gồm có ba pha, mỗi pha của bộ biến đổi được tạo

thành từ hai nhánh gồm nhánh trên và nhánh dưới, mỗi nhánh chứa số lượng N

Module (tổng SM trên 1 pha là 2N Module), gọi là các bộ biến đổi thành phần SM (Sub-Module), trên mỗi nhánh được mắc thêm một cuộn cảm, hai nhánh được mắc nối tiếp nhau Điện áp xoay chiều trên mỗi pha được lấy ở điểm giữa 2 cuộn kháng của mỗi nhánh Những tổn thất trong các SM và cuộn cảm nhánh đã được mô hình hóa với một điện trở nhỏ nối tiếp với các phần tử trong nhánh Điện áp một chiều đầu vào

được cấp bởi một nguồn V dc với cực tính như trên hình vẽ Mỗi SM sẽ chịu mức điện

áp là V dc /N nếu có N số SM trên mỗi được chèn vào mỗi pha tại bất kỳ thời điểm Điện

2

2

áp ra của MMC là dạng mức Số mức này phụ thuộc vào số lượng của các SM trong một nhánh Mỗi SM là bộ nghịch lưu dạng nửa cầu được mắc song song với tụ điện

Hình 1.2 Cấu hình của một Sub-module (SM)

Trong bộ biến đổi MMC, khi các SM được chèn vào hay bỏ qua thì dòng điện vẫn chạy liên tục và không bị gián đoạn Tuy nhiên, trong bộ biến đổi MMC việc phân điện áp giữa các van là quan trọng đối với bộ chuyển đổi điện áp cao Vì nếu các van chịu điện áp cao có thể làm hỏng quá trình làm việc hoặc giảm tuổi thọ của chúng Các

tụ của mỗi SM sẽ giải quyết các vấn đề này và duy trì điện áp của van ở một trạng thái nhất định Hơn nữa, MMC có lợi thế của khả năng mở rộng giới hạn điện áp với chất lượng điện năng cao

Ưu điểm của bộ biến đổi MMC:

 Có thể áp dụng cho hệ thống công suất lớn, điện áp cao

 Tính khả dụng cao, có cấu trúc module dựa trên sự kết nối nhiều bộ biến đổi (SM) đồng nhất, điện áp đặt lên các van bán dẫn được chia nhỏ, vì vậy có thể

mở rộng cho bất kỳ cấp điện áp nào bằng cách thêm các SM vào mỗi pha bộ biến đổi và dễ dàng trong việc sửa chữa và vận hành, vì vậy độ tin cậy của bộ biến đổi thường cao hơn so với các bộ chuyển đổi đa mức khác

 Giảm tổn hao công suất trên các van khi làm việc do tần số đóng mở van thấp

 Đối với các ứng dụng nối lưới thì bộ biến đổi MMC có khả năng bù công suất phản kháng

 Hoạt động của hai phía một chiều và xoay chiều không cần bộ lọc đầu ra hay máy biến áp cách ly và thiết bị làm mát, do đó kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý hơn so với các bộ biến đổi cùng cấp điện áp

Nhược điểm của bộ biến đổi MMC:

 Tồn tại dòng điện chảy vòng lưu thông trong mạch là nguyên nhân gây tổn thất điện năng và làm tăng giới hạn chịu đựng của các linh kiện bán dẫn

 Điều khiển phức tạp khi số mức điện áp và số lượng linh kiện bán dẫn lớn

 Khi cấu trúc càng mở rộng thì số lượng van bán dẫn cũng sẽ tăng lên, chi phí của bộ biến đổi cao

1.2 Bộ nghịch lưu đa mức MMC nối lưới

Trong mạch điện xoay chiều, năng lượng được lưu trữ trong các thiết bị mang tính chất điện cảm hoặc điện dung, trong quá trình tải hoạt động sẽ dẫn đến sự đảo chiều có chu kỳ của dòng chảy của năng lượng giữa nguồn và tải Các phần của dòng chảy năng lượng được lưu trữ tạm thời trong các thiết bị có tính chất điện cảm hoặc điện dung thì chảy qua lại trong đường truyền, thành phần này được gọi là công suất phản kháng Đây là lượng công suất không sử dụng mà hệ thống lại rất cần để truyền tải điện năng trên lưới điện Một vấn đề là trong quá trình truyền tải điện năng trên lưới điện có tổn hao truyên đường dây tải điện, gây suy giảm điện áp trên lưới Để năng lượng cũng như điện áp không bị suy giảm cần các thiết bị bù công suất cho lưới điện cũng như các phụ tải

Bộ nghịch lưu đa mức MMC được thiết kế để giải quyết những vấn đề trên MMC có khả năng cung cấp công suất tác dụng, công suất phản kháng cho lưới hay hoạt động trong chế độ bù công suất phản kháng Ưu điểm của MMC so với các bộ biến đổi truyền thống trước đây đã được trình bày ở mục 1.1 Chính vì vậy MMC rất phù hợp trong tương lai khi sử dụng làm bộ biến đổi công suất nối lưới

Trong các bộ biến đổi thông thường (VSC), điện áp đầu ra có ảnh hưởng của sóng hài là rất lớn, cần thiết phải có thêm bộ lọc trước khi nối lưới Sóng hài lớn gây nhiễu loạn lưới điện, ảnh hưởng rất lớn đến các phụ tải điện, làm tăng phát nóng của đường dây dẫn Những ưu điểm của bộ nghịch lưu MMC khiến cho điện áp đầu ra có sóng hài rất thấp :

 Tần số đóng cắt van thấp

 Điện áp ra có dạng bậc thang, khi số SM tăng lên đáng kế thì dạng điện áp

ra sẽ sin hoàn toàn, khi đó điện áp ra có độ méo sóng hài rất thấp

Việc ổn định nguồn DC phía một chiều của MMC là một vấn đề cần quan tâm khi nó hoạt động ở dải công suất lớn biến động so với giá trị đặt định lượng ban đầu khiển cho dạng điện áp xoay chiều đầu ra có sóng hài lớn hơn

1.3 Nguyên lý hoạt động của một Sub-Module

Trong quá trình hoạt động, luôn có N số SM được mở trong một pha, có nghĩa

là tổng điện áp đặt vào số SM này là V dc Vì thế trong hoạt động bình thường của

MMC, tất cả các tụ điện được tích điện đến giá trị định mức của nó V dc /N Tất cả các tụ

điện sẽ được nạp năng lượng một cách độc lập như hình 1.5

15 20 25

0

10

t(ms)

30 35

Hình 1.3 Quá trình nạp điện cho tụ điện của SM

Bộ biến đổi MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp của các SM để tạo

ra điện áp xoay chiều ở từng pha của các bộ biến đổi Đối với từng SM, điện áp đầu ra được 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

Hình 1.6 mô tả trạng thái đóng cắt của các van S1 và S2, có sự xác định của chiều dòng điện được quy ước là chiều dương với hình (a) và (b), có chiều âm với hình (c)

và (d) Các trạng thái đóng cắt được mô tả cụ thể trong bốn trường hợp như sau:

TH1: S1 OFF S2 được ON (Hình 1.6a) và dòng điện quy ước theo chiều

dương Dòng điện (i) sẽ đi qua S2, V SM = 0 Trạng thái này gọi là trạng thái SM bị

‘‘bỏ qua’’ (bypass)

TH2: S1 ON và S2 được OFF (Hình 1.6b), dòng điện quy ước theo chiều

dương Trong trường hợp này dòng điện (i) sẽ đi qua D1 và tụ điện sẽ tích điện và V SM

= dc /N Trạng thái này gọi là trạng thái SM được “chèn vào” (inserted)

TH3: S1 ON và S2 được OFF (Hình 1.6c), dòng điện quy ước theo chiều âm Trường hợp này dòng điện có chiều ngược lại Trong trạng thái này, các tụ điện được

xả và V SM = dc /N Trạng thái này SM được “chèn vào”

TH4: S1 OFF và S2 được ON (Hình.1.6d), dòng điện quy ước theo chiều âm Trong trạng thái này, D2 được bật và dòng điện sẽ đi qua nó Các tụ điện sẽ được

“ngắn mạch” và V SM = 0 Trạng thái này SM được “bỏ qua”

Bảng 1.1 thể hiện quan hệ giữa trạng thái van, điện áp ra, chiều dòng điện và trạng thái

1.4 Phân tích và mô hình hóa bộ biến đổi MMC

Hình 1.5 Mô hình cấu tạo của MMC

Quy ước khi SM được chèn vào là SM đang ở trạng thái ‘‘ON’’, khi SM được

bỏ qua là SM đang ở trạng thái “OFF” Xét mỗi pha của MMC có 2N các SM, trong

đó có N các SM luôn ở trạng thái “ON” và N các SM luôn ở trạng thái “OFF” Gọi N u

và N l lần lượt là số SM nhánh trên và nhánh dưới của mỗi pha ở trạng thái “ON”, khi

đó N u + N l = N Quá trình mô hình hóa bộ biến đổi MMC theo phương pháp thông

thường sẽ trở nên rất phức tạp do số lượng SM lớn, để đơn giản hóa vấn đề này, trong điều kiện lý tưởng ta coi điện áp trên các tụ điện của SM có giá trị như nhau, khi đó

giá trị điện áp trên mỗi tụ là V dc /N, từ đây ta xem tất cả các SM trong mỗi nhánh như

một tụ điện thay đổi được mắc nối tiếp với cuộn cảm nhánh và điện trở nhánh Để đơn giản hóa ta xét mô hình một pha của MMC, giả sử số SM trong một nhánh là rất lớn, khi đó điện áp đầu ra sẽ có dạng sin chuẩn

Hình 1.6 Mô hình trung bình một pha của MMC

Trong đó:

 V dc: điện áp nguồn một chiều

 Vx: điện áp ở cực đầu ra bộ biến đổi

 , : tương tứng là tổng điện áp tụ ở nhánh trên, nhánh dưới

 , : tương ứng là dòng điện nhánh trên và dòng điện nhánh dưới

 : dòng điện đầu ra của bộ biến đổi

 : dòng điện chảy vòng từ phía một chiều đến mỗi pha

 , : hệ số điều chế nhánh trên và nhánh dưới, giá trị trong đoạn [0;1]

 , : điện trở và điện cảm mỗi nhánh

Bộ biến đổi bao gồm N sub-module mỗi nhánh, nhận thấy rằng: / = 0 khi tất cả các

SM nhánh đó được bỏ qua, / = 1 khi tất cả các SM được chèn vào, tương tự cho

nhánh dưới Khi đó tổng điện áp tụ được chèn vào bằng tích hệ số điều chế và tổng điện áp tụ nhánh tương ứng, tức là:

( )( )

Tổng hệ số điều chế hai nhánh nên được giữ bằng 1, để một sub-module được chèn vào trong nhánh này thì tương ứng một sub-module được bỏ qua trong nhánh kia

1

Kí hiệu điện dung tụ điện của một SM là khi đó điện dung của các tụ điện được

chèn vào nhánh được tính như sau:

SM effu

u SM effl

l

C C

N m C C

qua tụ điện tích cực khi đó đặc tính động học của tụ điện được miêu tả như sau:

V

i t N m i d

Mối quan hệ giữa dòng điện idiff chạy vòng từ phía một chiều tới mỗi pha và điện áp

nhánh trên , điện áp nhánh dưới :

22

(1.6) (1.5)

(1.12) (1.11) (1.10) (1.9)

Từ 3.10 và (3.11) ta có biểu thức cho dòng điện chảy vòng từ một chiều qua các nhánh:

0 V dc 2R arm diff i 2L arm di diff [m V u Cu m V l Cl ]

Nhận thấy điện áp ra không phụ thuộc vào dòng điện chảy trong mạch vòng

mà phụ thuộc vào điện áp sai lệch giữa nhánh trên và nhánh dưới ( ) và các phần tử điện trở, cuộn cảm nhánh Từ tất cả các biểu thức trên ta thu được mô hình toán học của bộ biến đổi đa mức cấu trúc MMC như sau:

 Phân tích và mô hình hóa cho bộ nghịch lưu đa mức MMC

 Áp dụng thuật toán điều chế NLM và phương pháp cân bằng năng lượng các module thành phần cho MMC

 Xây dựng cấu trúc khiển và tiến hành mô phỏng các ứng dụng nối lưới cho bộ nghịch lưu đa mức MMC

(1.16) (1.15) (1.13)

(1.14)

 Tính toán và thiết kế phần cứng cho MMC bằng phần mềm Altium

 Tiến hành kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm

Dựa trên các mục tiêu đã nêu đồ án này được trình bày trong 5 chương

Chương 1 bao gồm các nội dung về giới thiệu bộ nghịch lưu đa mức cấu trúc module MMC, MMC trong hoạt động nối lưới, nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi

đa mức MMC và xây dựng mô hình toán học của bộ biến đổi MMC

Chương 2 bao gồm các nội dung về giới thiệu chung về phương pháp NLM và nguyên lý tổng quát của phương pháp NLM, từ đó áp dụng phương pháp NLM vào bộ biến đổi MMC thông qua việc thiết lập phương trình toán học, xây dựng thuật toán cân bằng năng lượng Đồng thời, nghiên cứu phương pháp NLM cải tiến áp dụng cho bộ biến đổi MMC Phương pháp xác định tần số đóng cắt trung bình của SM

Chương 3 bao gồm các nội dung mô hình hóa bộ biến đổi đa mức MMC, tính toán thiết kế cấu trúc điều khiển cho MMC khi ứng dụng nối lưới, xây dựng mô hình điều khiển và mô phỏng kiểm chứng kết quả trên phần mềm matlab

Chương 4 bao gồm các nội dung về thiết kế mạch lực Nghiên cứu mục đích tính toán và thiết kế mạch đo và mạch ADC, tiến hành tính toán mạch đo dòng điện, điện áp Thiết kế mạch driver, đồng thời xây dựng sơ đồ thiết kế tổng quát cho hệ thống MMC

Chương 5 bao gồm các nội dung về lấy kết quả thực nghiệm trên hệ thống bộ biến đổi đa mức MMC Tiến hành thực nghiệm lấy kết quả cho mạch lực, thực nghiệm mạch đo và thực nghiệm mạch driver Thể hiện kết quả đo lường bằng đồ thị Đồng thời lấy kết quả điện áp, dòng điện đầu ra và so sánh với kết quả mô phỏng của hệ thống thực nghiệm MMC 4SM mỗi nhánh

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NLM CHO BỘ NGHỊCH

LƯU ĐA MỨC MMC

2.1 Tổng quan về phương pháp điều chế NLM

Phương pháp NLM có tên tiếng anh là Nearest Level Modulation, phương pháp điều chế gần mức nhất đặc biệt phù hợp với những cấu trúc nhiều module thành phần Nguyên lý phương pháp NLM:

Hình 2.1 Dạng bước điện áp và điện áp sin chuẩn

Hình 2.1 thể hiện nguyên lý cơ bản của phương pháp NLM là dựa trên việc chia đều

điện áp DC cho N module thành phần và sắp xếp các điện áp này bám theo điện áp đặt

mong muốn với sai lệch mỗi bậc sóng nhỏ Điện áp đặt cho bởi công thức:

cos( )2

dc ref

m V

Trong đó, m(0 m 1)là hệ số điều chế Nhiệm vụ của thuật toán NLM là tính toán thông qua phép tính làm tròn để tìm ra được số module thành phần chèn vào để tạo được điện áp mong muốn Mặc dù tần số đóng cắt thấp và thực hiện đơn giản, phương pháp NLM tạo ra dạng sóng chất lượng kém trong trường hợp số lượng module nhỏ vì

số bậc điện áp ra thấp đồng thời tao ra lượng sóng hài lớn hơn Khi số lượng SM tăng lên đủ lớn, dạng điện áp đầu ra sẽ bám sát và gần như giống với tín hiệu điện áp đặt

mà ta mong muốn ở đầu vào.Vì thế phương pháp điều chế NLM sẽ phát huy tác dụng

(2.1)

tối đa khi sử dụng cho các bộ nghịch lưu đa mức với số lượng lớn các Sub-module thành phần

2.2 Áp dụng phương pháp NLM cho MMC

2.2.1 Phương trình toán học

Giá trị tham chiếu của suất điện động xoay chiều được biểu diễn:

cos( ) 2

ref dc x

2.2.1 Phương pháp NLM cải tiến áp dụng cho bộ biến đổi MMC

Sơ đồ cấu trúc NLM cải tiến:

Cân bằng điện áp tụ

Số mức N

Phát xung

Hình 2.2 Sơ đồ phương pháp NLM cải tiến

Hình 2.2 thể hiện cấu trúc phương pháp NLM cải tiến sử dụng hai tín hiệu đặt cho bộ biến đổi MMC ở nhánh trên và nhánh dưới Giá trị đặt này được tính toán như công thức (2.2) Tín hiệu đặt dạng hình sin được đưa vào khối tính toán điện áp Bộ chia lấy

dữ liệu là điện áp tụ, sẽ tiến hành tính toán được biên độ các mức điện áp Tiếp đó, khối làm tròn 0,25

Số lượng module thành phần SM chèn vào của nhánh trên N u và nhánh dưới N l được tính toán như sau:

(2.2)

(2.3)

1 cos( t) 2

dc u

d

dc l

d

V

V V

Trong đó N u là số module dẫn nhánh trên, N l là số module dẫn nhánh dưới Hàm làm

tròn round 0.25 (x) có nghĩa là một số thực x sẽ được làm tròn thành số nguyên gần nhất

tùy theo phần thập phân của x Nếu phần thập phân của x lớn hơn 0.25 thì x sẽ được làm tròn lên số nguyên kế tiếp, ngược lại x sẽ làm tròn xuống số nguyên liền trước

T 2

t

t 0

Hình 2.3 Nguyên lý phương pháp NLM cải tiến

Hình 2.3 mô tả nguyên lý hoạt động của phương pháp NLM cải tiến áp dụng cho bộ biến đổi MMC Điểm khác biệt giữa phương pháp cổ điển và phương pháp cải tiến nằm ở hàm làm tròn Trong hình 2.3, , và lần lượt là các mức điện áp

của điện áp , và Trong đoạn thời gian từ t 1 đến t 2, giả sử =M , giá trị

điện áp đặt của nhánh trên, nhánh dưới và ở phía AC của bộ biến đổi tại thời điểm t =

t 1 có thể được xác định như sau:

Theo hàm làm tròn cải tiến ta thấy dạng diện áp sóng bậc thang của các nhánh và suất điện động xoay chiều ở trường hợp thứ nhất là:

Trong trường hợp thứ 2 thừ t 2 đến t 3 Điện áp tham chiếu nhánh trên và dưới và suất

điện động xoay chiều tại thời điểm t = t 2 được viết theo công thức:

11

So sánh ở cả hai trường hợp với nhau ta có thể thấy độ cao mỗi mức (bậc thang) của là

Bởi vì do làm tròn là 0,25V dc nên số mức điện áp tối đa ở suất điện động xoay

chiều là bằng 1 + V dc /0,5V d = 2N+1 Sự sai lệch lớn nhất giữa và xuất hiện tại thời

điểm chuyển bậc thang trên dạng điện áp qua so sánh có thể thấy bằng 0,25V d

2.2.2 Thuật toán cân bằng năng lượng

Thuật toán NLM

v ref

Thuật toán cân bằng năng lượng

Đo dòng điện nhánh

Cân bằng năng lượng cụ thể là cân bằng điện áp tụ là vấn đề quan trọng trong việc điều khiển MMC Phương pháp đã được đưa ra là dùng thuật toán sắp xếp điện áp

tụ để lựa chọn SM được ON Hình dưới đưa ra sơ đồ khối cho thấy các đầu vào và đầu

ra của khổi thuật toán Thuật toán này cũng dễ dàng điều chỉnh để tăng số lần sắp xếp, như hình 2.5

Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán cân băng năng lượng

Giải thích lưu đồ thuật toán hình 2.5 như sau :

 Xét với N = 0 hoặc N = 6 trước khi sắp xếp vì cả 2 trường hợp này không cần quan

tâm đến chiều dòng điện hay điện áp các tụ, do đó chỉ cần thực hiện OFF cả 6 SM hoặc ON cả 6 SM rồi thoát thuật toán

 Với các trường hợp còn lại của N, việc chọn ra N SM nào được chèn vào được thực hiện khi thuật toán phát hiện ra sự thay đổi của N từ mức này sang mức khác và thuật

toán sẽ lựa chọn tụ cần được ON theo cách thức sau:

 Sắp xếp giá trị điện áp tụ theo thứ tự tăng dần và lưu vào một bảng Sau đó, OFF cả

6 SM như vậy phần lập trình phía sau chỉ cần ON các SM cần thiết

 Kiểm tra nếu chiều dòng điện nhánh là dương sẽ nạp điện cho tụ So sánh điện áp

trên các tụ khi chưa sắp xếp với giá trị thứ N trong bảng nếu nhỏ hơn hoặc bằng thì

SM tương ứng sẽ được ON

 Kiểm tra nếu chiều dòng điện nhánh là âm sẽ xả điện từ tụ So sánh điện áp trên

các tụ khi chưa sắp xếp với giá trị thứ 6-N, nếu lớn hơn thì SM tương ứng sẽ ON

2.2.3 Tần số phát xung

Đã được trình bày trong chương I, một trong số những ưu điểm của bộ biến đổi

đa mức MMC là tần số đóng mở van thấp qua đó giảm đáng kể nhiệt lượng tỏa ra các ban bán dẫn, góp phần nâng cao tuổi thọ cho các van bán dẫn Tần số đóng mở van thấp còn làm giảm lượng sóng hài của điện áp đầu ra Sau đây ta sẽ làm rõ hơn giá trị tần số phát xung này Xét bộ biến đổi MMC có N sub-module mỗi nhánh

Hình 2.6 Đồ thị phát xung cho nhánh trên của một pha

Xét trong một chu kỳ đồ thị của , ta thấy đồ thị theo hình bậc thang với biên

độ mỗi bậc là = có N+1 bậc từ giá trị 0 đến Tương ứng với giá trị của mỗi bậc sẽ có số SM tương ứng được chèn vào đã được thể hiện trên hình 2.6, việc các SM

được chèn vào này phải tuân theo thuật toán cân bằng năng lượng Có tổng số N các

SM sẽ được tham gia vào quá trình đóng mở van cho một nhánh Để tính tần số đóng

mở van trung bình của các SM ta cần xác định tổng số lần phát xung của N các SM Gọi A là tổng số lần phát xung của các SM trong một chu ký ta có biểu thức sau từ

Trong một giây có 50 chu kỳ điện áp nên ta có công thức tổng quát cho tần số đóng mở van trung bình của SM là = 50N (Hz)

Hình 2.7 Đồ thị tín hiệu phát xung cho một một nhánh trên

Từ đồ thị ta thấy : thời gian từ 1,6-1,62 giây là khoảng thời gian trong một chu kỳ, các van bán dẫn thay nhau đóng cắt tuân theo số mức của điện áp tại mỗi thời điểm và giá trị điện áp tụ trên các SM Đếm xung đóng mở van ta lập được bảng thể hiện số lần đóng cắt của bốn van trong một chu kỳ như sau :

(2.10)

SM nào được chèn vào hay bỏ qua phụ thuộc vào giá trị điện áp tụ điện trên SM đó

Sự sai lệch này là có thể chấp nhận được Khi thời gian hoạt động kéo dài thì giá trị tần

số đóng cắt thực tế và trên lý thuyết sẽ có giá trị bằng nhau

Một nguyên nhân khác dẫn đến sự sai lệch tần số đóng cắt là do tần số thực hiện thuật toán cân bằng năng lượng Trong một khoảng thời gian mà giá trị điện áp mức giữ nguyên thì thuật toán cân bằng năng lượng sẽ được áp dụng một lần Tuy nhiên nếu ta tăng số lần thực hiện thuật toán trong khoảng thời gian đó sẽ làm tăng tần số phát xung trung bình Nguyên nhân là do giá trị điện áp các tụ điện của SM luôn dao động và thay đổi, tại mỗi thời điểm thực hiện thuật toán cân bằng thì giá trị điện áp đọc về của

tụ điện là khác nhau Điều này dẫn đến việc số lần đóng mở van tăng lên làm cho tần

số phát xung cũng tăng theo

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH

LƯU ĐA MỨC MMC NỐI LƯỚI

Hình 3.1 Sơ đồ ba pha của MMC

Phương trình liên hệ giữa điện áp ra và các phần tử của MMC là :

Mối liên hệ giữa điện áp đầu ra với điện áp lưới thông qua bộ lọc theo phương trình dưới :

dt di

dt di

3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện

Bộ điều khiển dòng điện được thiết kế trên hệ tọa độ dq nhằm điều khiển độc lập hai thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng Hệ tọa độ dq quay với tốc độ ωs so với hệ tọa độ cố định αβ Góc lệch giữa hệ trục d và trục α là θs = ωs t Từ

/ / / /

/ /

vd q

d q

e i

Trong đó = 2 với là chu kỳ phát xung của SM

Mạch vòng điều khiển có dạng như sau :

T R

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô-đun cho mạch vòng dòng điện ta được tham số bộ điều khiển như sau :

T T

TR K

Mạch vòng dòng điện được thiết kế là mạch vòng trong, điều khiển tách biệt hai thành phần và , có tác dụng ổn định dòng điện trong mạch Sơ đồ hình 3.3, các thành phần điện áp , và thành phần đan kênh , đã được bù sau khi thiết kế xong bộ điều khiển

Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện

Cấu trúc một mạch vòng điều khiển dòng điện là không đủ để kiểm soát hệ thống Mạch vòng dòng điện có tác dụng kiểm soát dòng điện trong mạch vì dòng điện rất dễ mất ổn định, khi hệ thống gặp sự cố nếu không kiểm soát dòng này thì nguy cơ hệ thống bị phá hủy là rất cao Mục đích chính là kiểm soát công suất đầu ra MMC, vì thế việc thiết kế thêm mạch vòng ngoài cho công suất là cần thiết Mạch vòng công suất sẽ tính toán và đưa ra các giá trị đặt , cho mạch vòng dòng điện

3.2 Thiết kế bộ điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng Việc điều khiển công suất của MMC là tối quan trọng Kiểm soát công suất đầu

ra của MMC giúp ổn định cũng như nâng cao hiệu suất của hệ thống điện Trong hệ tọa độ dq công suất của bộ biến đổi được tính theo công thức sau :

3

2 3

2 3 2 3

Để thiết kế bộ điều khiển công suất ta coi thành phần , là nhiễu và bỏ qua chúng, các thành phần này sẽ được bù sau khi thiết kế xong bộ điều khiển Dấu ‘‘-’’ trong biểu thức tính cũng được bỏ qua và bù sau bộ điều khiển Sơ đồ khối mạch vòng công suất được thể hiện trong hình

Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch vòng công suất

Bộ điều khiển PI có hàm truyền như sau:

i av

av c p

d

T K

Khi dùng cấu trúc điều khiển tầng, vòng điều khiển bên trong sẽ đáp ứng nhanh hơn vòng điều khiển bên ngoài, khi đó băng thông cho vòng điều khiển bên ngoài được chọn sao cho có biên độ nhỏ hơn tần số cắt của vòng điều chỉnh dòng điện, ta chọn như sau :

1 20 1 15