Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa

Xây dựng thuật toán điều chế SVM tối ưu quá trình chuyển mạch nhằm đơn giản hóa thuật toán điều chế với quy luật tạo số mức không hạn chế đảm bảo tối ưu thành phần sóng hài cho BBĐ MMC cần mở rộng cấu hình, cách thức thực hiện này đã giảm thiểu việc tính toán. Đây là thuật toán mới đã khắc phục quá trình tính toán phức tạp của điều chế SVM truyền thống. 2. Xây dựng mô hình dự báo điều khiển cân bằng điện áp trung bình mỗi nhánh van của MMC dựa trên các mức trạng thái điện áp dư trong phương pháp điều chế SVM. Đây là phương pháp điều khiển có nhiều ưu điểm khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp cân bằng trước đó như: Hiệu quả cân bằng điện áp tốt, cách thức thực hiện dựa trên việc tính toán giá trị điện áp tụ trung bình trên mỗi nhánh và thuật toán sẽ điều khiển giá trị trung bình này thay vì điều khiển điện áp của từng tụ điện. Cách thức này giúp cho việc thiết kế điều khiển trở nên gọn nhẹ và giảm áp lực tính toán cho bộ điều khiển. 3. Thiết kế bộ điều khiển suy giảm và triệt tiêu thành phần sóng hài tồn tại trong dòng điện vòng bằng bộ điều khiển tuyến tính PI kết hợp với các khâu cộng hưởng PR để MMC hoạt động tốt hơn và tránh tổn thất khi làm việc. So với các cách thức điều khiển dòng điện vòng của các nghiên cứu trước đó, thì phương pháp này có hiệu quả cao về mặt điều khiển, thực hiện trên bộ điều khiển cổ điển nên đơn giản mà vẫn đảm bảo được quá trình tác động nhanh, chính xác. Ngoài ra, luận án cũng đã thiết kế điều khiển một số ứng dụng tiêu biểu dựa trên MMC để chứng minh hoạt động trong thực tế. 4. Xây dựng mô hình thực nghiệm BBĐ MMC có 12 SM trên mỗi pha trong phòng thí nghiệm, với các thuật toán được cài đặt trên FPGA AX309 Xilinx 80 chân IO để chứng minh quá trình làm việc của MMC với các phương pháp điều chế NLM, PWM, SVM đã đề xuất. Mẫu thí nghiệm thực hiện đã góp phần chứng minh được khả năng thực tiễn với cấu trúc mạch lực phức tạp trên thiết bị vi xử lý FPGA, để đáp ứng được số lượng lớn các tín hiệu vào ra của MMC. Quá trình này sẽ góp phần phát triển quy luật mở rộng cấu hình của MMC trong thực tế.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của các Thầy hướng dẫn và các nhà khoa học Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày 12 tháng 02 năm 2020 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án

Trần Hùng Cường

Luận án này được hoàn thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của Tôi tại trường Bách khoa Hà Nội, sau một thời gian học tập nghiên cứu, Tôi đã hoàn thành luận án này dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Trọng Minh và TS Phạm Việt Phương, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Trước hết, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn tận tình của tập thể các thầy hướng dẫn, những người đã dìu dắt, chia sẻ, quan tâm, tạo mọi điều kiện, giúp đỡ kịp thời về thời gian và chuyên môn để tôi hoàn thiện luận án này Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, các Thầy Cô công tác tại viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, đã có những ý kiến góp ý chân thành, sâu sắc trong suốt quá trình tôi học tập, làm việc, xây dựng thực nghiệm cũng như từng bước thực hiện luận án

Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo, Viện Điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về nhiều mặt để tôi hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em Nghiên cứu sinh cùng chuyên ngành, các bạn sinh viên Tự động hóa, các kỹ sư và nhà nghiên cứu trẻ tại Phòng thí nghiệm 203-C9 trường ĐH Bách khoa Hà Nội, những người luôn cùng Tôi đồng hành, luôn động viên, giúp đỡ lẫn nhau, cùng trao đổi chuyên môn, hỗ trợ Tôi trong việc tìm kiếm tài liệu nghiên cứu trong học tập để tôi có kết quả như ngày hôm nay Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện của Ban giám hiệu trường Đại học Hồng Đức, Ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Công nghệ

và các đồng nghiệp tại khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức đã giúp đỡ tạo điều kiện về mặt thời gian, công việc để Tôi học tập, nghiên cứu một cách thuận lợi

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình Tôi đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ để Tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày 12 tháng 02 năm 2020 Tác giả luận án

Trần Hùng Cường

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC 5

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 5

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 6

1.2 Cấu trúc cơ bản và hoạt động của bộ biến đổi MMC 8

1.2.1 Cấu trúc của bộ biến đổi MMC 8

1.2.1 Nguyên lý tạo một mức điện áp của SM dạng nửa cầu 10

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC 11

1.3 Vấn đề điều chế cho bộ biến đổi MMC 13

1.4 Vấn đề điều khiển cho bộ biến đổi MMC 14

1.5 Định hướng nghiên cứu và đóng góp của luận án 18

1.6 Tóm tắt và kết luận 19

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI MMC 20

2.1 Mô hình trạng thái liên tục của BBĐ MMC khi nối tải R-L 20

2.2 Mô hình BBĐ MMC trong chế độ nối lưới 26

2.3 Mô hình MMC trong các phương pháp điều chế cơ bản 30

2.3.1 Mô hình MMC trong phương điều chế mức gần nhất NLM 30

2.3.1.1 Điều chế NLM cổ điển cho MMC 31

2.3.1.2 Điều chế NLM cải tiến cho MMC 33

2.4 Mô phỏng các phương pháp điều chế cơ bản cho MMC 40

2.4.1 Mô phỏng phương pháp điều chế NLM cải tiến cho BBĐ MMC 41

2.4.2 Mô phỏng phương pháp điều chế PS-PWM cho BBĐ MMC 42

2.5 Tóm tắt và kết luận 44

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SVM CHO BBĐ MMC 46

3.1 Phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức 46

3.1.1 Trạng thái khóa bán dẫn, trạng thái mức và vector trạng thái 47

3.1.2 Tính hệ số điều chế theo phương pháp điều chế từ ba vector gần nhất 51

3.1.4 Xác định các vector trạng thái trong các sector 54

3.2 Trật tự tối ưu về số lần chuyển mạch và chất lượng sóng hài điện áp ra 57

3.3 Thứ tự chuyển mạch tối ưu và điều chế bằng ba vector gần nhất 59

3.4 Thực hiện quy luật điều chế SVM cho MMC 63

3.5 Thuật toán cân bằng điện áp trên các tụ của MMC 65

3.7.1 Mô hình dự báo dòng điện vòng, điện áp tụ điện của MMC 72

3.7.2 Hàm mục tiêu của thuật toán điều khiển dự báo cân bằng giá trị trung bình điện áp tụ điện 74

3.7.3 Thuật toán tối ưu hóa giá trị dự báo điện áp trung bình trên tụ điện mỗi nhánh pha 75

3.8 Điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao của dòng điện vòng trong MMC 76

3.9 Mô hình và kết quả mô phỏng MMC dựa trên thuật toán điều khiển dự báo dòng điện vòng và cân bằng điện áp tụ điện 80

3.9.1 Mô hình các khối mô phỏng trong matlab-simulink 80

3.9.3 Kết quả mô phỏng 85

3.10 Tóm tắt và kết luận 89

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC ỨNG DỤNG CỦA MMC 91

4.1 Điều khiển BBĐ MMC nối lưới điện xoay chiều ba pha 91

4.1.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện 92

4.1.2 Thiết kế bộ điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng 94

4.1.3 Kết quả mô phỏng hệ thống bộ biến đổi MMC nối lưới 96

4.2 Ứng dụng D-STATCOM bù CSPK dựa trên MMC 99

4.2.1 Giới thiệu về STATCOM và bù công suất phản kháng 99

4.2.2 Cấu trúc DSTATCOM dựa trên MMC 100

4.2.3 Nguyên lý làm việc D-STATCOM 101

4.2.4 Thiết kế điều khiển D-STATCOM dựa trên MMC 103

4.2.5 Mô phỏng hệ thống D-STATCOM dựa trên MMC 105

4.3 Tóm tắt và kết luận 107

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI MMC 109

5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC 109

5.2 Tính toán thiết kế hệ thống thực nghiệm 110

5.2.1 Tính toán thiết kế mạch lực 110

5.2.2 Tính toán thiết kế mạch đo 112

5.2.3 Mạch ADC 114

5.2.3 Tính toán và thiết kế mạch driver 115

5.2.4 Mạch đệm ADC 116

5.2.5 Mạch FPGA 117

5.2.6 Sản phẩm mạch được thiết kế 117

5.3 Kết quả thực nghiệm 120

5.3.1 Kết quả thực nghiệm phương pháp điều chế PWM cho MMC 120

5.3.2 Kết quả thực nghiệm phương pháp điều chế NLM cho MMC 122

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 130

PHỤC LỤC 139

Phục lục 1 Các chương trình lập trình 139

Phục lục 2 Hình ảnh một số khối thực hiện mô phỏng trên Matlab-Simmulink 146 Phục lục 3 Tính toán thông số hệ thống mạch đo trong thực nghiệm MMC 148

Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

i d , i q A Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ dq

i∝, i β A Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ ∝β

i x A Dòng điện phía đầu ra xoay chiều

k H , k L Chỉ số chèn của SM ở nhánh trên và nhánh dưới

Cx

V V Điện áp tổng của tụ điện được chèn vào trong một pha

x

ω s rad/s Tần số góc dòng điện và điện áp lưới

ĐTCS Điện tử công suất

SVM Space Vector Modulation Điều chế véc tơ không gian

CHB Cascaded H -bridge Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng FPGA Field Programmable Gate

Array

Mảng cổng lập trình được

DSP Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số

FACTS Flexible AC Transmission

System

Hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt

IGBT Insulated Gate Bipolar

Transistor

Van IGBT

NPC Neutral –point converter Bộ biến đổi đa mức diode chốt

MPC Model Predictive Control Điều khiển dựa trên mô hình dự báo FCS Finite Control Set Điều khiển hữu hạn trạng thái đóng cắt

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

MMC Modular multilevel Converter Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module

Compensator

Thiết bị bù đồng bộ tĩnh

FOC Flux oriented control Điều khiển tựa theo từ thông

THD Total Harmonic Distortion Tổng méo sóng hài

NLM Nearest Level Modulation Điều chế mức gần nhất

SVM Space Vector Modulation Điều chế vector không gian

PS-PWM Phase Shift Carrier Based

Modulation

Điều chế theo sóng mang dạng dịch pha

LS-PWM Level Shift Carrier Based

Modulation

Điều chế theo sóng mang dạng dịch mức

IPD In Phase Disposition Sóng mang cùng pha

POD Phase Opposite Disposition Sóng mang đối xứng qua trục thời gian APOD Alternative Phase Opposite

Disposition

Sóng mang ngược pha giữa hai sóng mang kề nhau, dịch một góc 180o

Bảng 1.1 Điện áp ngõ ra của SM 11

Bảng 2.1 Số mức điện áp trên đầu ra của NVL cải tiến 23

Bảng 2.2 Kết quả so sánh giữa hai phương pháp NLM cổ điển và NLM cải tiến 35

Bảng 2.3 Thông số mô phỏng BBĐ MMC 40

Bảng 3.1 Bảng vector trạng thái cho MMC ba pha 3 mức (góc phần sáu I, II, III) 50 Bảng 3.2 Bảng các vector trạng thái trong các sector 56

Bảng 3.3 Chuyển mạch tối ưu cho nhóm 4 tam giác 1, 2, 3, 4 58

Bảng 3.4 Bảng gán các trạng thái khóa cho các vector trong điều chế NVM ở sector I, cùng một trạng thái [k g , k h ] , m g + m h <=1 60

Bảng 3.5 Bảng gán các trạng thái khóa cho các vector trong điều chế NVM ở sector I, cùng một trạng thái [k g , k h ], m g + m h > 1 60

Bảng 3.6 Bảng gán các trạng thái khóa cho các vector trong điều chế NVM ở sector II, cùng một trạng thái [k g , k h ], m g + m h <= 1 60

Bảng 3.7 Bảng gán các trạng thái khóa cho các vector trong điều chế NVM ở sector II, cùng một trạng thái [k g , k h ], m g + m h > 1 60

Bảng 3.8 Bảng các hệ số điều chế trên hệ tọa độ abc cho các sector 62

Bảng 3.9 Bảng hệ số điều chế cho các pha, sector I, III, V, m g + m h <= 1 62

Bảng 3.10 Bảng hệ số điều chế cho các pha, sector I, III, V, m g + m h >1 62

Bảng 3.11 Bảng các hệ số điều chế cho các pha, sector II, IV, VI, m g + m h <=1 62

Bảng 3.12 Bảng các hệ số điều chế cho các pha, sector II, IV,VI, m g + m h >1 63

Hình 1.1 Một số ứng dụng của BBĐ đa mức trong thực tế 8

Hình 1.2 Cấu trúc bộ biến đổi MMC 9

Hình 1.3 Trạng thái đóng cắt của S1 và S2: (a) và (b) Khi dòng điện có chiều dương; (c) và (d) khi dòng điện có chiều âm 10

Hình 1.4 Tổng quan về các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa mức 13

Hình 2.1 Cấu trúc BBĐ MMC một pha 21

Hình 2.2 Cấu trúc mô hình trung bình của BBĐ MMC 21

Hình 2.3 Đồ thị mô tả sự tạo thành điện áp đầu ra của MMC khi áp dụng phương pháp điều chế NLM cải tiến 23

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý BBĐ MMC nối lưới 27

Hình 2.5 Sơ đồ tương đương BBĐ MMC nối lưới 27

Hình 2.6 Biểu diễn vector điện áp và dòng điện trên các hệ trục tọa độ 29

Hình 2.7 Tín hiệu điện áp ra và điện áp đặt của phương pháp điều chế NLM 30

Hình 2.8 Sơ đồ phương pháp NLM cổ điển 31

Hình 2.9 Nguyên lý của phương pháp NLM cổ điển 32

Hình 2.10 Sơ đồ phương pháp NLM cải tiến 33

Hình 2.11 Nguyên lý của phương pháp NLM cải tiến 34

Hình 2.12 Cấu trúc phương pháp điều chế NLM cải tiến cho BBĐ MMC 35

Hình 2.13 Điều chế sóng mang dịch mức kiểu IPD 36

Hình 2.14 Điều chế sóng mang dịch mức kiểu APOD 37

Hình 2.15 Điều chế sóng mang dịch mức kiểu POD 37

Hình 2.16 Điều chế sóng mang dịch pha sử dụng hai sóng mang ngược pha 180 o 38 Hình 2.17 Điều chế sóng mang dịch pha sử dụng hai sóng sin ngược pha 180 o 38

Hình 2.18 Điều chế PSPWM cho bộ biến đổi MMC 39

Hình 2.19 Nguyên lý tạo xung cho phương pháp PS-PWM 39

Hình 2.20 Cấu trúc phương pháp điều chế PSPWM cho BBĐ MMC 40

Hình 2.21 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A của MMC 41

Hình 2.22 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc 41

Hình 2.23 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải 41

Hình 2.24 Dạng điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A 41

Hình 2.25 Dòng điện vòng trong các pha của bộ biến đổi 41

Hình 2.26 Kết quả phân tích Fourier điện áp đầu ra AC 42

Hình 2.27 Kết quả phân tích Fourier dòng điện trên tải 42

Hình 2.28 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A của MMC 43

Hình 2.29 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải 43

Hình 2.30 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc 43

Hình 2.31 Dạng điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A 43

Hình 2.34 Kết quả phân tích Fourier của dòng điện đầu ra 44

Hình 3.1 Trạng thái vector điện áp của BBĐ ba mức trên tọa độ gh 50

Hình 3.2 Trạng thái vector điện áp của BBĐ ba mức trên tọa độ abc 50

Hình 3.3 Vector không gian cho MMC ba pha 5 mức (N = 2, M = 5) 51

Hình 3.4 Tổng hợp vector điện áp ra từ ba vector đỉnh của tam giác 51

Hình 3.5 Đồ thị minh họa quá trình tính toán các hệ số điều chế 53

Hình 3.6 Ba hệ tọa độ không vuông góc tạo nên các góc phần sáu (các Sector) 53

Hình 3.7 Thuật toán xác định sector lớn 54

Hình 3.8 Tín hiệu PWM và thời gian sử dụng vector tích cực, vector không 58

Hình 3.9 Trật tự chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu ba pha 3 mức 58

Hình 3.10 Trật tự chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu 7 mức (góc phần sáu thứ I)59 Hình 3.11 Mẫu xung điều chế SVM cho sector I, III, V 61

Hình 3.12 Mẫu xung điều chế cho sector II, IV, VI 61

Hình 3.13 Mẫu xung khi chuyển hệ tọa độ abc, sector I,III,V, khi m g + m h <= 1 61

Hình 3.14 Mẫu xung khi chuyển hệ tọa độ abc, sector I,III,V, khi m g + m h > 1 61

Hình 3.15 Mẫu xung khi chuyển sang hệ tọa độ abc, sector II, IV, VI, 62

Hình 3.16 Mẫu xung khi chuyển sang hệ tọa độ abc, sector II, IV,VI, 62

Hình 3.17 Giá trị của k Hx và k Hx trong suốt một nửa chu kỳ đóng cắt T s 64

Hình 3.18 Cấu trúc phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC 65

Hình 3.19 Thuật toán cân bằng điện áp tụ điện 66

Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý của thuật toán cân bằng điện áp tụ điện 66

Hình 3.21 Lưu đồ thuật toán cân bằng điện áp tụ điện 67

Hình 3.22 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A của MMC 68

Hình 3.23 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải 68

Hình 3.24 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc 68

Hình 3.25 Dạng điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A 68

Hình 3.26 Dòng điện vòng trong mỗi pha pha của bộ biến đổi MMC 69

Hình 3.27 Kết quả phân tích Fourier điện áp đầu ra pha A 69

Hình 3.28 Kết quả phân tích Fourier dòng điện đầu ra 69

Hình 3.29 Cấu trúc và nguyên lý làm việc của bộ điều khiển dự báo 70

Hình 3.30 Nguyên tắc hoạt động của thuật toán MPC 75

Hình 3.31 Cấu trúc MPC cân bằng điện áp trung bình tụ điện của MMC 76

Hình 3.32 Cấu trúc điều khiển dòng điện vòng trong một pha của MMC 78

Hình 3.33 Lưu đồ thuật toán điều khiển dự báo xác định J Vmin và k Opt 79

Hình 3.34 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng hệ thống BBĐ MMC áp dụng điều khiển cân bằng điện áp trung bình trên tụ và điều khiển dòng điện vòng dựa trên thuật toán điều chế SVM 80

Hình 3.36 Sơ đồ cấu trúc mạch lực của một nhánh trong bộ biến đổi MMC 81

Hình 3.37 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng điều chế SVM và điều khiển dòng điện vòng và cân bằng điện áp tụ DC 82

Hình 3.38 Mô hình cấu trúc chuyển tọa độ abc sang ∝β trong matlab-simulink 83

Hình 3.39 Mô hình xác định Sector và giá trị m g , m h trong điều chế SVM 83

Hình 3.40 Mô hình lập trình xác định tọa độ nguyên k g , k h ; kiểu tam giác D 1 , D 2 và các hệ số d 1 , d 2 , d 3 83

Hình 3.41 Mô hình mô phỏng điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao cho dòng điện vòng của MMC 84

Hình 3.42 Mô hình lập trình thực hiện điều chế SVM và thuật toán điều khiển dự báo điện áp trung bình trên tụ DC 84

Hình 3.43 Mô hình xác định thời gian đóng mở van trong một nhánh của MMC 85 Hình 3.44 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải 85

Hình 3.45 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc 85

Hình 3.46 Dạng điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A 85

Hình 3.47 Dòng điện vòng trong ba pha của BBĐ MMC 86

Hình 3.48 Điện áp chênh lệch của nhánh trên và nhánh dưới các pha của MMC 86

Hình 3.49 Kết quả phân tích Fourier điện áp đầu ra pha A 86

Hình 3.50 Kết quả phân tích Fourier dòng điện đầu ra 86

Hình 3.51 Hình dạng hệ số k opt trong hệ tọa độ dq 87

Hình 3.52 Hình dạng hệ số k A , k B , k C trong điều chế SVM 88

Hình 3.53 Hình dạng hệ số điều chế d A , d B , d C trong điều chế SVM 88

Hình 3.54 Hình dạng giá trị tối thiểu của hàm mục tiêu J vmin 88

Hình 3.55 Giá trị thực của i vA , v HA , v LA , v diff_A 88

Hình 3.56 Giá trị dự báo của i vA , v HA , v LA , vdiff_A 89

Hình 4.1 Sơ đồ mạch vòng dòng điện 93

Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện 93

Hình 4.3 Sơ đồ khối mạch vòng công suất 94

Hình 4.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển mạch vòng công suất 95

Hình 4.5 Sơ đồ mạch vòng điều khiển bộ biến đổi MMC 96

Hình 4.6 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa cung cấp cho lưới điện 96

Hình 4.7 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho lưới điện 96

Hình 4.8 Công suất phản kháng BBĐ MMC cung cấp cho lưới điện 97

Hình 4.9 Đáp ứng dòng điện i d trong hệ tọa độ dq 97

Hình 4.10 Đáp ứng dòng điện i q trong hệ tọa độ dq 97

Hình 4.11 Điện áp trên các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A 97

Hình 4.12 Dòng điện vòng chạy trong pha A của BBĐ 97

Hình 4.13 Kết quả phân tích Fourier dạng điện áp xoay chiều 98

Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý của D-STATCOM 101

Hình 4.17 a) Trạng thái hấp thu công suất phản kháng; b) Trạng thái phát ra công suất phản kháng; c) Trạng thái không trao đổi công suất phản kháng 102

Hình 4.18 Sóng dòng điện, điện áp của D-STATCOM 102

Hình 4.19 Đặc tính V-I của D-STATCOM 103

Hình 4.20 Sơ đồ mạch vòng điều khiển điện áp DC 104

Hình 4.21 Sơ đồ cấu trúc điều khiển D-STATCOM dựa trên BBĐ MMC 105

Hình 4.22 Hình dạng dòng điện đầu ra của D-STATCOM 106

Hình 4.23 Hình dạng điện áp đầu ra của D-STATCOM 106

Hình 4.24 Hình dạng điện áp nguồn một chiều DC 106

Hình 4.25 Hình dạng đáp ứng công suất Q đầu ra MMC 106

Hình 4.26 Hình dạng dòng điện trên trục d và trục q 106

Hình 4.27 Hình dạng điện áp tụ điện pha A của MMC 107

Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thực nghiệm một pha của BBĐ MMC 110

Hình 5.2 Sơ đồ thiết kế mạch gồm 2 SM 111

Hình 5.3 Cấu trúc mạch đo dòng điện nhánh 113

Hình 5.4 Cấu trúc mạch đo điện áp trên các tụ của SM 113

Hình 5.5 Mạch đo dòng điện nhánh 113

Hình 5.6 Mạch đo điện áp tụ của SM 114

Hình 5.7 Mạch ADC thực hiện bởi IC MCP3208 114

Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý mạch Driver 115

Hình 5.9 Khối nguồn cấp cho mạch driver 115

Hình 5.10 Sơ đồ thiết kế của mạch driver 116

Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý và bo mạch thực mạch Dead Time 117

Hình 5.12 Sơ đồ mô tả tuần tự lập trình trên FPGA 117

Hình 5.13 Bo mạch gồm 2 SM 118

Hình 5.14 Bo mạch Driver cấp xung cho 4 IGBT 118

Hình 5.15 Mạch đo dòng và tụ điện trên các nhánh cho một pha 118

Hình 5.16 Kit FPGA AX 309 Xilinx 118

Hình 5.17 Mô hình tổng thể hệ thống thực nghiệm bộ biến đổi MMC 119

Hình 5.18 Mẫu xung ra của FPGA và Drive cấp cho IGBT 120

Hình 5.19 Hình dạng điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A 120

Hình 5.20 Hình dạng điện áp trên tải xoay chiều của pha A, B, C 121

Hình 5.21 Hình dạng dòng điện trên tải xoay chiều của pha A, B, C 121

Hình 5.22 Hình dạng điện áp trên tụ điện của SM1 pha A, B, C 121

Hình 5.23 Hình dạng dòng điện vòng pha A, B, C 121

Hình 5.24 Hình dạng điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A 122

Hình 5.25 Hình dạng điện áp trên tải xoay chiều của pha A, B, C 122

Hình 5.28 Hình dạng dòng điện vòng pha A, B, C 123

Hình 5.29 Hình dạng điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A 124

Hình 5.30 Hình dạng điện áp xoay chiều đầu ra của pha A, B, C 124

Hình 5.31 Hình dạng dòng điện trên tải xoay chiều của pha A, B, C 124

Hình 5.32 Hình dạng điện áp trên tụ điện của SM1 pha A, B, C 125

Hình 5.33 Hình dạng dòng điện vòng pha A, B, C 125

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây BBĐ đa mức được coi như một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao Các BBĐ đa mức giúp cho quá trình sử dụng linh kiện bán dẫn với kích thước nhỏ hơn, dễ dàng hơn cho quá trình thiết kế nhiệt của thiết bị BBĐ đa mức tạo ra điện áp dạng sin từ các bước điện áp nhỏ hơn từ các nguồn DC, là các loại nghịch lưu nối tầng, hoặc từ các cấp điện áp dùng bộ phân áp bằng một loạt tụ, như nghịch lưu dùng diode kẹp (NPC) các mức điện áp và nghịch lưu dùng hệ thống tụ DC tự do (FCC), nghịch lưu trên cơ sở cầu chữ H nối tầng (CHB) BBĐ mô đun hóa MMC với một nguồn DC chung có thể chuyển đổi được điện năng với điện áp lớn và công suất cao BBĐ này có những ưu điểm lớn đó là tính mô-đun hóa cao, khóa bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở điện áp thấp, giảm tổn hao do chuyển mạch, độ tin cậy cao, linh hoạt trong sửa chữa và thay thế thiết bị [17] Với cấu trúc mô đun hóa, MMC có thể tạo ra số mức rất lớn [18] Với lợi thế này, có thể xây dựng được các BBĐ MMC làm việc ở cấp điện áp từ trung thế (MV – từ trên 1 kV đến 60 kV), đến mức cao thế (HV – 110 kV đến 220 kV) [19], [20], [28], [33] Như vậy, với dải công suất lớn, điện áp cao là vùng làm việc chủ yếu của MMC để đạt được tính năng cao trong chuyển đổi điện năng

Chiến lược điều khiển cho MMC trong nghiên cứu này tập trung vào các vấn đề như: quá trình điều chế, cân bằng điện áp trên các tụ DC, và đặc thù đối với MMC

là vấn đề suy giảm sóng hài bậc cao của dòng điện vòng Quá trình điều chế cần đảm bảo hướng tới giảm tần số đóng cắt của van bán dẫn, từ đó giảm được tổn hao

do đóng cắt, trong khi phải đảm bảo giảm thiểu tổng độ méo sóng hài THD trên dạng sóng điện áp ra Để thực hiện được chiến lược điều khiển cho MMC, các thiết

bị vi xử lý mạnh mẽ đã ra đời cho phép thực hiện quá trình điều khiển với tốc độ nhanh, chính xác và đáp ứng được số lượng cổng tín hiệu rất lớn của MMC để tạo điều kiện hiện thực hóa việc điều khiển hàng loạt van bán dẫn trong cùng một khoảng thời gian nhỏ

Các kỹ thuật điều chế cho MMC được chia làm hai loại: điều chế tại tần số cơ bản và điều chế độ rộng xung PWM Đối với điều chế ở tần số cơ bản bao gồm các phương pháp điều chế theo mức gần nhất (NLM) và mở rộng của nó là NLM cải tiến Về điều chế độ rộng xung PWM có thể áp dụng tất cả các phương pháp nhiều sóng mang như đối với các nghịch lưu đa mức khác như kỹ thuật điều chế với các sóng mang dịch pha PS-PWM và các sóng mang dịch mức LS-PWM [21] Điều chế với nhiều sóng mang dễ áp dụng và cũng có thể mang lại hiệu quả cao về đảm bảo thành phần sóng hài với THD thấp [21], [51] Tuy nhiên, do các dạng sóng mang là

cố định nên muốn thay đổi các chế độ của sơ đồ điều chế để đạt được những mục tiêu khác như tăng khả năng sử dụng điện áp nguồn DC, giảm số lần đóng cắt của

van bán dẫn bằng các sơ đồ điều chế gián đoạn Với đặc thù của MMC là có thể tạo

ra số mức điện áp rất lớn nên thuật toán điều chế nhiều sóng mang trở nên rất phức tạp Việc cải tiến hay thực hiện quy luật điều chế mới luôn được quan tâm từ các nhà khoa học trên thế giới Phép điều chế SVM có những ưu điểm ở khả năng linh hoạt hơn nhiều so với PWM SVM có khả năng tạo ra quỹ đạo vector mong muốn

có dạng bất kỳ nhờ lựa chọn các vector trạng thái và các thời gian phù hợp trong một chu kỳ điều chế [11], [43] Điều này rất cần thiết để đảm bảo đặc tính động học của hệ thống vì thông thường BBĐ nằm trong hệ thống các mạch vòng điều chỉnh, lượng đặt cho BBĐ điện áp thường từ đầu ra của bộ điều khiển dòng điện có thể có dạng khác xa so với hình sin, khi đó tính toán các lượng offset cho PWM nhiều sóng mang trở nên là vấn đề lớn Nhờ khả năng sắp xếp các vector tích cực một cách tùy ý trong chu kỳ đóng cắt, SVM có thể cho phép thực hiện các phép điều chế gián đoạn (DPWM) dễ dàng để giảm thiểu số lần khóa bán dẫn chuyển mạch [22] Nhờ các vector trạng thái dư các thuật toán cân bằng điện áp DC giữa các pha và giữa các tụ DC trên cùng một pha cũng có thể xây dựng được một cách thuận lợi Yêu cầu tính toán cao được coi là nhược điểm chính của SVM khi số lượng vector trạng thái tăng lên nhanh theo số mức [9], [50], [53] Như vậy việc xây dựng được một thuật toán SVM hiệu quả về yêu cầu tính toán, có khả năng áp dụng cho nghịch lưu MMC có số mức bất kỳ là một nhiệm vụ thực tiễn phải giải quyết

Vấn đề cân bằng điện áp cho các tụ một chiều DC của MMC bao gồm cân bằng điện áp giữa các tụ trên một nhánh pha và cân bằng điện áp giữa các pha với nhau Mục đích của cân bằng điện áp tụ chính là làm cho các tụ điện hoạt động ổn định và lâu dài, đảm bảo trị số định mức theo yêu cầu để BBĐ có thể tạo ra các thông số đầu ra mong muốn Có nhiều phương pháp thực hiện cân bằng điện áp tụ này, tùy thuộc vào mỗi phương pháp điều chế được lựa chọn Trên cơ sở SVM cho MMC đưa ra cân bằng điện áp được thực hiện bằng thuật toán dự báo trên tập hữu hạn các trạng thái dư của các vector trạng thái, sao cho giá trị trung bình của điện áp trên tụ bằng với giá trị đặt, như vậy sẽ luôn đảm bảo được cân bằng điện áp trên tụ giữa các nhánh pha với nhau Giá trị tức thời của các tụ DC còn được cân bằng bởi thuật toán sắp xếp các tụ theo giá trị điện áp tăng dần hoặc giảm dần để lựa chọn đưa tụ nào vào tùy theo cần nạp cho tụ hay cho tụ xả phụ thuộc vào chiều dòng điện

Cũng như các BBĐ đa mức khác thì trong mạch MMC có tồn tại dòng điện vòng trong mạch lực của MMC, dòng điện vòng trong MMC đóng vai trò là dòng

DC quyết định sự cân bằng công suất giữa phía DC với phía AC Về mặt lý tưởng nếu điện áp phía DC phẳng hoàn toàn thì dòng điện vòng chỉ có thành phần DC [23], [24] Tuy nhiên đối với mỗi nhánh một pha công suất tức thời phía AC có dạng đập mạch với tần số bằng 2 lần tần số cơ bản, vì vậy trên dòng điện vòng ngoài thành phần trung bình DC sẽ có các thành phần sóng hài bậc chẵn, 2, 4… [28], [31] Các thành phần hài này sẽ gây nên đập mạch trên các tụ DC và sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sóng hài của điện áp AC Nếu muốn đập mạch điện áp trên tụ

đủ nhỏ thì có thể phải chọn tụ DC đủ lớn, về lý tưởng là vô cùng lớn [47], điều không thể chấp nhận vì tính kinh tế kỹ thuật của cả hệ thống Vì vậy, suy giảm thành phần sóng hài của dòng điện vòng là một nhiệm vụ quan trọng của hệ thống điều khiển Trên cơ sở hệ thống điều khiển MMC đã xây dựng được, việc chứng tỏ những ưu thế của MMC trong các ứng dụng tiêu biểu cũng là một nhiệm vụ đặt ra trong nghiên cứu này Những ứng dụng tiêu biểu nhất cho MMC bao gồm: ứng với chế độ MMC nối lưới không cần máy biến áp, ứng dụng trong bộ bù đồng bộ tĩnh D-TATCOM để bù công suất phản kháng cho phụ tải điện…

Luận án này sẽ tập trung nghiên cứu về BBĐ đa mức có cấu trúc module MMC ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

BBĐ đa mức MMC, các phương pháp điều chế SVM, PWM, NLM, phương pháp điều khiển dự báo MPC áp dụng cho MMC để cân bằng điện áp trên các tụ điện và làm suy giảm thành phần sóng hài dựa trên việc triệt tiêu giá trị dòng điện vòng, đề tài cũng nghiên cứu một số ứng dụng tiêu biểu trong hệ thống điện dựa trên cấu trúc BBĐ MMC Trên cơ sở đó nghiên cứu thực nghiệm các phương pháp điều chế cho MMC nhúng trong đối tượng xử lý tín hiệu số FPGA AX309 Xilinx PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều khiển, điều chế và thuật toán chuyển mạch đảm bảo các yêu cầu đã đặt ra cho BBĐ Nghiên cứu mô phỏng trên máy tính kiểm chứng hoạt động của mô hình, nghiên cứu thực nghiệm để chứng minh hoạt động thực tế của thuật toán điều khiển cho MMC

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Xây dựng thuật toán điều chế cho MMC có khả năng mở rộng để tạo số mức bất

kỳ, thiết kế các thuật toán điều khiển dòng điện vòng, điều khiển cân bằng điện áp trên tụ điện, điều khiển BBĐ MMC trong các ứng dụng, xây dựng mô hình thực nghiệm BBĐ MMC ba pha có 12 SM trên mỗi pha nhằm chứng minh khả năng chế tạo BBĐ này trong các hệ thống biến đổi nguồn điện

VẤN ĐỀ VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Về lý thuyết: Xây dựng mô hình toán học cho BBĐ MMC, phân tích và đánh giá khả năng ứng dụng của các phương pháp điều điều chế NLM, SVM, PWM, phương pháp điều khiển MPC, các thuật toán cân bằng điện áp trên các tụ điện kết hợp với phương pháp điều khiển PI và các khâu cộng hưởng PR để loại bỏ các thành phần hài bậc chẵn thấp nhất 2, 4, chỉ giữ lại thành phần một chiều truyền công suất từ phía DC sang phía AC với mục tiêu đảm bảo chỉ số THD đạt giá trị yêu cầu Thiết kế các mạch vòng dòng điện, mạch vòng điện áp, mạch vòng công suất để đảm bảo hoạt động của MMC trong các ứng dụng tiềm năng và đảm bảo được chất luợng dòng điện, điện áp trong điều kiện điện áp luới mất cân bằng Chỉ ra ứng dụng của BBĐ MMC trong hệ thống điện

Về thực tế: Xây dựng mô phỏng thời gian thực để kiểm chứng cấu trúc điều khiển và thuật toán cân bằng năng lượng cho MMC Đề tài xây dựng mô hình thực

nghiệm BBĐ MMC để kiểm chứng các thuật toán điều chế tạo ra điện áp có dạng bậc thang phía xoay chiều, nhằm mục đích chứng minh tính đúng đắn của phương pháp đề xuất so với nghiên cứu lý thuyết Các thuật toán điều khiển, điều chế được nhúng trên thiết bị vi mạch tích hợp FPGA AX309 Xilinx

Bố cục luận án gồm 5 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về BBĐ đa mức MMC: Giới thiệu và nêu vai trò của BBĐ MMC trong các ứng dụng công nghiệp, phân tích dựa trên tổng hợp các công trình nghiên cứu về BBĐ MMC đã được công bố trong và ngoài nước Phân tích cấu trúc, nguyên lý hoạt động và khả năng ứng dụng của MMC Trình bày các vấn đề điều khiển cho MMC, các tồn tại và phương pháp giải quyết, khả năng phát triển của MMC ở hiện tại và tương lai Chương này cũng trình bày các yêu cầu cơ bản của MMC Các vấn đề nghiên cứu, mục tiêu đề tài, định hướng và đóng góp của đề tài cũng được nêu ra để thực hiện cho quá trình nghiên cứu ở các chương sau

Chương 2 Thực hiện mô hình hóa BBĐ MMC: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của BBĐ Dựa vào các biến và các phương pháp mô hình hóa, trong chương này tác giả đã thực hiện xây dựng mô hình toán học của BBĐ MMC trong một số chế độ cụ thể như khi phía xoay chiều được nối tải R-L và trong chế độ vận hành nối lưới, chương này cũng phân tích mô hình MMC trong các phép điều chế

cơ bản kèm theo mô phỏng kiểm chứng kết quả

Chương 3 Phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC: trọng tâm của chương này là thực hiện các phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC đảm bảo trật tự chuyển mạch tối ưu Kết quả dòng điện, điện áp phía xoay chiều, điện áp tụ, dòng điện vòng được đưa ra phân tích để đánh giá hiệu quả của BBĐ khi thực hiện các phương pháp điều chế Dựa trên kết quả phân tích của các phương pháp điều chế đạt được, chương này sẽ phân tích, thiết kế điều khiển dự báo cân bằng điện áp trung bình trên tụ điện ở mỗi nhánh van, thiết kế điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao trong dòng điện vòng Từ đó sẽ mô phỏng kiểm chứng kết quả Chương 4 Hệ thống điều khiển trong các ứng dụng cho BBĐ MMC: Trong chương này tác giả thực hiện thiết kế các vòng điều khiển dòng điện, điện áp và điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng dựa trên cấu trúc điều chế và điều khiển đã thực hiện ở chương 3 Mục đích nâng cao chất lượng các kết quả đầu

ra phía xoay chiều khi BBĐ MMC nối lưới điện và thực hiện chức năng bù công suất phản kháng mà lưới điện yêu cầu

Chương 5 Xây dựng hệ thống thực nghiệm: Luận án trình bày các cấu trúc và kết quả thực nghiệm với hệ thống BBĐ MMC gồm 12 SM trong mỗi pha: kiểm nghiệm các phương pháp điều chế áp dụng cho BBĐ MMC

Cuối cùng là kết luận và kiến nghị, cho thấy được đóng góp chính của luận án và chỉ ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC

Bộ biến đổi đa mức có cấu trúc module hóa (MMC) là BBĐ đa mức DC-AC có đặc tính ưu việt như tính module hóa, cấu hình có thể mở rộng tạo ra số lượng lớn các mức điện áp với công suất khác nhau, có thể chuyển đổi với hiệu suất cao và tổn hao thấp mà không cần bộ lọc phía xoay chiều, điều này có được là do cấu hình MMC mắc nối tiếp hàng loạt các Sub-module trong mỗi pha [17], [27], [28], [33]

So với các BBĐ đa mức khác, chẳng hạn như: BBĐ diode kẹp; BBĐ tụ điện tự do; BBĐ cầu H nối tầng, ở mức điện áp cao BBĐ MMC có thể dễ dàng điều khiển hơn

và tạo ra dạng sóng điện áp có chất lượng tốt hơn [21], [39], [44] Nhờ có nhiều ưu điểm vượt trội và chỉ cần một nguồn DC duy nhất phía một chiều nên MMC phù hợp để áp dụng cho dải công suất lớn, điện áp cao, đây được xem là giải pháp cho các ứng dụng để kết nối các nguồn điện phân tán công suất lớn, điện áp cao, ứng dụng nổi bật nhất của MMC là sử dụng cho hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC với khoảng cách xa, ngoài ra MMC có thể ứng dụng cho các hệ thống điện

từ trung áp đến cao áp như: truyền động điện trung áp; các hệ thống bù tĩnh STATCOM và các hệ thống biến đổi điện năng trung áp và cao áp, hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS), hệ thống điện mặt trời, hệ thống điện sức gió…[26], [33], [36], [52], [65] BBĐ MMC có thể khắc phục được những nhược điểm của các BBĐ đa mức CHB, NPC như: cấu hình đơn giản, dễ dàng mở rộng theo yêu cầu trị số của điện áp AC, điều khiển dễ dàng, linh hoạt trong thay thế và sửa chữa [32], [50], [51], [71] BBĐ MMC dựa trên những tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị xử lý số cực mạnh nên có độ tin cậy cao, tuổi thọ dài, cấu trúc đơn giản phù hợp với việc biến đổi các nguồn năng lượng [25], [29] MMC sử dụng các van bán dẫn hai chiều nên có thể tạo ra dòng điện, điện áp

ra phía xoay chiều hình sin có tần số phù hợp với điện áp lưới, có khả năng áp dụng cho mọi dải công suất, từ trung áp đến cao áp [28], [54], [60]

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu các BBĐ ĐTCS kết nối các nguồn điện

và ứng dụng trong công nghiệp đã được nghiên cứu nhiều như: Bộ chỉnh lưu AC/DC; BBĐ AC/AC (biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được) [6]; BBĐ DC/DC (biến đổi điện áp một chiều có trị trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có trị

trung bình thay đổi được); Bộ nghịch lưu DC/AC [10]; Bộ biến tần gián tiếp AC/DC/AC (chỉnh lưu điện áp xoay chiều ngõ vào sau đó chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng điện áp và tần số thay đổi được) [6];

Bộ biến tần ma trận (Matrix Converter) [8] Tuy nhiên, chưa có công trình nào nghiên cứu bài bản, chi tiết các thuật toán điều chế, điều khiển, tối ưu quá trình làm việc phát triển các ứng dụng cho BBĐ đa mức MMC với kỹ thuật phát triển số mức bất kỳ

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Cấu trúc BBĐ MMC đã được giới thiệu lần đầu từ những năm 2000 bởi Marquardt và Lesnicar [25] mục đích phát triển cấu hình về BBĐ đa mức cho hệ thống biến đổi điện năng công suất lớn, điện áp cao [26], [27], [33], [39], [60] Trong hàng chục năm qua, BBĐ MMC được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu nhằm tạo ra sản phẩm thương mại có tính năng tốt Hiện nay, có nhiều các dự án nghiên cứu đánh giá điều khiển và nâng cao hiệu suất của MMC Các nghiên cứu cho MMC chủ yếu tập trung vào cấu trúc mạch lực, phương pháp mô hình hóa, thuật toán điều khiển cho MMC Cụ thể như sau:

 Các phương pháp mô hình hóa cho bộ biến đổi MMC được trình bày trong các tài liệu [69], [70]

 Với các phương pháp điều chế cho BBĐ MMC

Phương pháp điều chế NLM cho MMC: Phương pháp này tỏ ra rất phù hợp với BBĐ MMC khi số lượng SM ở mức lớn với tần số đóng cắt van thấp hơn nhiều so với các phương pháp khác, đây cũng là ưu điểm lớn nhất của phương pháp điều chế NLM Kết quả của phương pháp này đã cho thấy chất lượng điện áp tốt với THD nhỏ khi số SM từ 10 SM trở lên, tần số đóng cắt các van bán dẫn ở mức thấp [45] Tuy nhiên, nhược điểm trong phương pháp này là việc tự cân bằng điện áp tụ của BBĐ gặp nhiều khó khăn, do đó cần phát triển phương pháp điều chế với thuật toán cân bằng điện áp tụ để đạt được sự hoạt động tốt và chuyển đổi năng lượng hiệu suất cao trong BBĐ [49], [62] Vấn đề này làm gia tăng sự phức tạp của quá trình điều khiển BBĐ MMC

Phương pháp điều chế PWM: Các phương pháp PWM áp dụng cho MMC có thể kể đến như PSPWM và LSPWM Ưu điểm chính của phương pháp này đó là quá trình điều chế đơn giản, dễ dàng cho BBĐ MMC [21] Với phương pháp LSPWM áp dụng cho MMC cần thêm thuật toán cân bằng điện áp tụ, trong khi PSPWM áp dụng cho MMC không cần thuật toán cân bằng điện áp tụ điện mà MMC vẫn hoạt động tốt với điện áp các tụ điện được cân bằng [30], [51] Nhược điểm chính của phương pháp PWM đó là các van bán dẫn phải đóng cắt ở tần số lớn, khi số mức điện áp lớn thì việc áp dụng phương pháp PWM cho MMC sẽ trở nên khó khăn do việc sắp xếp các sóng mang tam giác sẽ phức tạp hơn [68]

Phương pháp điều chế SVM: Đây là phương pháp điều chế cho chất lượng thông số phía xoay chiều tốt [50], [51] Tuy nhiên, việc tính toán phức tạp là nhược điểm chính của phương pháp SVM khi áp dụng cho MMC, đặc biệt khi số mức của MMC là lớn

Các nghiên cứu về thuật toán điều chế cho MMC đã được thực hiện chi tiết ở các công trình nghiên cứu [30], [41], [42], [43], [45] Tuy nhiên việc tạo ra quy luật điều chế đơn giản khi số mức của bộ biến đổi tăng lên gặp nhiều khó khăn hoặc quá trình thực hiện còn nhiều phức tạp

 Với các phương pháp điều khiển cho MMC: Các phương pháp điều khiển cho MMC chủ yếu là điều khiển nhằm mục tiêu cân bằng điện áp tụ điện cho MMC được trình bày trong các tài liệu [30], [31] Điều khiển nhằm suy giảm thành phần sóng hài bậc cao của dòng điện vòng trong mỗi pha của BBĐ MMC, được trình bày trong các tài liệu [29], [73] Điều khiển nhằm tạo ra các tín hiệu dòng điện, điện áp phía xoay chiều có chất lượng tốt với quá trình chuyển mạch van tối ưu để giảm tổn thất trong MMC, được trình bày trong các tài liệu [38], [46]

 Điều khiển hoạt động của MMC trong một số ứng dụng như: Bù công suất phản kháng STATCOM [33], kết nối nguồn năng lượng phân tán với lưới điện [39], [42] Đây là một số các ứng dụng tiêu biểu của MMC trong hệ thống điện trung áp nhằm cải thiệt tính ưu việt trong hệ thống điện

Các công trình nghiên cứu về BBĐ MMC đã được thực hiện trong nhiều năm qua Tuy nhiên, vẫn đang còn nhiều vấn đề tồn tại cần khắc phục của BBĐ MMC

mà chưa có các nghiên cứu cụ thể như: thực hiện kỹ thuật điều chế đơn giản cho MMC với số mức bất kỳ trong trường hợp mở rộng cấu hình MMC với số lượng

SM không hạn chế; điều khiển hạn chế dòng điện vòng; điều khiển cân bằng điện áp

tụ điện với phương pháp điều khiển đơn giản và phù hợp; triển khai các ứng dụng của MMC một cách hiệu quả bằng cách kết hợp các phương pháp điều chế và điều khiển nhằm mục đích đạt được hiệu quả chuyển đổi và hiệu suất cao trong hoạt động của MMC…

1.1.3 Ứng dụng của bộ biến đổi MMC

Trong khoảng vài năm trở lại đây đã có sự phát triển đáng kể về cấu trúc nghịch lưu đa mức nói chung Về nguyên tắc làm việc nghịch lưu đa mức kiểu MMC có thể được ứng dụng cho các hệ thống công nghiệp như các bộ biến đổi đa mức thông thường, với mục đích ứng dụng trong những trường hợp yêu cầu công suất lớn và điện áp cao trong nhiều các hệ thống khác trong hệ thống điện được thể hiện như Hình 1.1 MMC được ứng dụng trong hệ thống điện sức gió, hệ thống điện mặt trời, điều khiển động cơ điện xoay chiều, hệ thống quạt gió, hệ thống truyền tải điện cao

áp một chiều HVDC, hệ thống UPS [33], [34] Với nhiều ưu điểm khi áp dụng cho

hệ thống công suất lớn, thực tế đã có một số quốc gia đã áp dụng hệ thống HVDC

như Itaipu, Brazil, Hoa kỳ [74], [75] để truyền tải năng lượng điện cấp cho lưới điện xoay chiều tần số 50Hz hoặc 60Hz với công suất lên đến 12.600MW có khoảng cách hàng trăm km [79]

1.2 Cấu trúc cơ bản và hoạt động của bộ biến đổi MMC

1.2.1 Cấu trúc của bộ biến đổi MMC

Cấu trúc BBĐ MMC được thể hiện như Hình 1.2 gồm có ba pha, mỗi pha của BBĐ được tạo thành từ hai nhánh van gồm nhánh trên và nhánh dưới chứa số lượng

N các SM mắc nối tiếp nhau nằm dưới điện áp một chiều chung V DC Tính năng mở rộng dần cấu trúc bằng việc thêm các SM của MMC cho phép tăng khả năng chịu điện áp trên các SM và sử dụng tối đa các mức điện áp để đảm bảo chất lượng điện

áp đầu ra về trị số THD mà không cần dùng đến các bộ lọc [20] Điện cảm nhánh L o

liên kết giữa nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha với đầu ra xoay chiều AC lấy ra từ điểm giữa của hai cuộn cảm nhánh Các cuộn cảm này có tác dụng hạn chế dòng

điện vòng và các quá độ làm việc của BBĐ [42], [78] Khi thành phần di/dt cao sẽ

nguy hiểm cho các thiết bị của MMC và có thể được kiểm soát và giảm thiểu bằng các cuộn cảm này [31],[38] Các cuộn cảm còn có tác dụng khắc phục quá điện áp

và không gây ảnh hưởng đáng kể vào các hoạt động bình thường của MMC vì các dòng nhánh nội bộ được chảy liên tục [52] Các tổn hao trong mỗi nhánh của MMC

được mô tả bởi điện trở R o, điện trở này còn có tác dụng giúp tụ điện nạp điện tốt hơn và giảm thiểu tăng dòng quá độ trong mạch [55]

Hình 1.2 Cấu trúc bộ biến đổi MMC

Điện áp một chiều đầu vào được cấp bởi một nguồn chung duy nhất V DC (có thể

là hệ thống acquy công suất lớn, nguồn điện PV) Tổng điện áp DC của mỗi nhánh MMC bằng tổng điện áp DC trên mỗi SM, nghĩa là mỗi SM sẽ chịu mức điện áp là

V DC /N nếu có N là số SM trên mỗi nhánh pha Điện áp xoay chiều trên các pha là v x

(x = a,b,c) thay đổi từng bước trong phạm vi của V DC /2 đến -V DC /2 với mỗi bước

điện áp là V DC /N Vì cấu trúc của MMC thực hiện theo cách mắc nối tiếp một loạt

các SM với nhau, do đó có thể tránh được sự phức tạp trong quá trình điều khiển đồng bộ các van [27], [71] Đồng thời có thể giảm tổn thất của BBĐ xuống mức rất thấp Điều này có được là do tần số đóng cắt thấp trong các van của mỗi SM và điện

áp lên chúng cũng ở mức thấp [29], [30]

Khi hoạt động, mỗi SM sẽ thực hiện việc đóng cắt ở các thời điểm khác nhau do

đó BBĐ có thể đạt được hiệu suất cao cũng như làm giảm độ méo sóng hài [31], [33] Tùy thuộc vào cấu trúc của MMC, các SM có cấu tạo khác nhau [38], [39] Cấu trúc phổ biến nhất của SM là sơ đồ nửa cầu H với phía DC chỉ gồm một tụ điện SM dạng nửa cầu H có ưu điểm là chỉ dùng một số ít nhất gồm hai khóa bán dẫn với chức năng đưa điện áp phía tụ DC ra phía AC Trong luận án này chỉ sử dụng cấu trúc SM dạng nửa cầu cho cấu hình MMC Cấu trúc SM dạng nửa cầu cho

điện áp đầu ra có hai mức là 0 hoặc V C (điện áp trên tụ điện của SM) tùy thuộc vào trạng thái tín hiệu đóng/cắt của cặp van bán dẫn IGBT S1 và S2 Số lượng các SM trong BBĐ MMC phụ thuộc vào yêu cầu về cấp điện áp ở phía xoay chiều cũng như công suất trao đổi từ phía một chiều sang phía xoay chiều Về lý thuyết, số lượng

SM có thể tăng lên không hạn chế nhằm đáp ứng với mọi yêu cầu về mức điện áp ở phía xoay chiều [27], [37] So với các BBĐ đa mức CHB, NPC thì BBĐ MMC có các ưu điểm và nhược điểm như sau:

* Ưu điểm:

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

+ Tính khả dụng cao, điện áp đặt lên các van bán dẫn được chia nhỏ, vì vậy có thể mở rộng tới hàng trăm mức điện áp, bằng cách thêm các SM vào mỗi pha BBĐ

và dễ dàng trong việc sửa chữa và vận hành, vì vậy độ tin cậy của BBĐ thường cao hơn so với các BBĐ đa mức khác [37]

+ Các van trên một pha đóng cắt ở các thời điểm khác nhau trong chu kỳ trích mẫu bởi chương trình điều khiển nên tần số chuyển mạch thấp và tạo ra tổng độ méo sóng hài thấp [30]

+ BBĐ có thể chịu được quá độ trong giới hạn cho phép khi có sóng quá độ lan truyền vào BBĐ, chi phí giá thành thấp hơn so với các BBĐ cùng cấp điện áp [26] + Đối với các ứng dụng nối lưới thì BBĐ MMC có khả năng bù công suất phản kháng, loại bỏ sóng hài, đồng thời cân bằng tải [33]

+ 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 BBĐ cùng cấp điện áp [55]

* Nhược điểm:

+ Tồn tại dòng điện vòng móc vòng từ nhánh trên qua nhánh dưới trong mỗi pha, đây là nguyên nhân gây tổn thất điện năng và làm giảm giới hạn chịu đựng của các linh kiện bán dẫn [29], [32], [33]

+ Điều khiển phức tạp khi số mức điện áp tăng và số lượng SM lớn

+ Khi cấu trúc càng mở rộng thì số lượng SM tăng, khi đó số van bán dẫn cũng

sẽ tăng lên dẫn đến chi phí của BBĐ sẽ cao

1.2.1 Nguyên lý tạo một mức điện áp của SM dạng nửa cầu

Hình 1.3 Trạng thái đóng cắt của S1 và S2: (a) và (b) Khi dòng điện có chiều dương; (c)

và (d) khi dòng điện có chiều âm

Để tạo điện áp đầu ra AC, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu bật hoặc tắt cho các IGBT của SM SM được chèn vào (insert) hoặc bỏ qua (bypass) dựa trên trạng thái của các van trong SM Cấu trúc của SM dạng nửa cầu có hai trạng thái chuyển đổi:

- S1 ở trạng thái ON và S2 ở trạng thái OFF

- S1 ở trạng thái OFF và S2 ở trạng thái ON

Hai khóa này không được phép bật cùng một lúc, bởi vì điện áp tụ điện sẽ được phóng hoàn toàn và sau đó nó sẽ trở thành không có tác dụng Bằng cách xem xét

các trạng thái chuyển mạch, bốn trạng thái làm việc khác nhau có thể được thực hiện dựa trên các hướng dòng điện như Hình 1.3

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

TH1: S1 được OFF S2 được ON (Hình 1.3a) và dòng điện được quy ước theo chiều

dương Dòng điện i sẽ đi qua S2, V SM sẽ bằng không (điện áp tụ được giả định là không) và tụ điện được “bỏ qua” Trạng thái này gọi là trạng thái SM bị “bypass" TH2: S1 được ON và S2 được OFF (Hình 1.3b) và dòng điện được 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 = V C Điện áp của nhánh được thiết lập trên SM và sẽ tăng lên một bước Trạng thái này gọi là trạng thái SM được “insert”

TH3: S1 được ON và S2 được OFF (Hình 1.3c) và dòng điện được quy ước theo chiều âm Trường hợp này dòng điện có chiều ngược lại Bộ điều khiển sẽ bật S1 để kết nối các tụ điện với mạch và tăng điện áp nhánh lên một bước Trong trạng thái

này, các tụ điện được phóng và V SM = V C Trạng thái này SM được “insert”

TH4: S1 được OFF và S2 được ON (Hình 1.3d) và dòng điện được 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 Đây cũng là trạng thái SM được “bypass”

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC

Trong hoạt động bình thường của MMC trong Hình 1.2, tất cả các tụ điện được

tích điện đến giá trị định mức là V DC /N Để đạt được giá trị này, tài liệu [60] đã đề

xuất quy luật “insert” hoặc “bypass” các SM, trong đó mỗi SM của một nhánh được bật sẽ tắt số SM tương ương của nhánh còn lại sao cho trong một chu kỳ làm việc luôn có N các SM được bật ở mỗi pha Các tụ điện được bật và tắt bởi các xung điều khiển độc lập [61] Trong MMC, các tụ điện không đóng vai trò tích điện cho các nguồn điện chính mà được tích điện để phục vụ cho một mức điện áp có giá trị bằng DC /N Khi tất cả các tụ điện đã được tích điện, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu

để bật và tắt các SM để tạo ra điện áp AC từ một nguồn DC hoặc ngược lại [33] Tại mỗi thời điểm lấy mẫu, chỉ một nửa trong tổng số SM trong một pha là được bật

(tức là N các SM được bật) Do đó, tổng số các tụ điện làm việc nối từ nhánh trên và

nhánh dưới cùng là bằng N tại mọi thời điểm

BBĐ MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp được tạo ra bởi mỗi

SM để tạo ra điện áp xoay chiều AC ở từng pha của các BBĐ Nếu có một SM được chèn vào ở nhánh dưới, nhưng không có SM nào ở nhánh trên bị bỏ qua thì sẽ có

N+1 các SM được chèn vào, khi đó điện áp trung bình sẽ là V DC /(N+1), như vậy

điện áp trung bình trên mỗi tụ được chèn vào đã bị thay đổi Để tránh trường hợp

này, bộ điều khiển sẽ tác động để có N các SM ở trên mỗi pha được sử dụng để đạt

được điện áp đầu ra mong muốn Do đó tổng điện áp đặt lên tất cả các tụ (kể cả

được chèn vào hay bỏ qua) là V DC Từ quá trình bật tắt của các SM nên điện áp trên

phía xoay chiều AC luôn dao động trong các mức –V DC /2 đến +V DC /2 với mỗi bước

điện áp là V DC /N Để dễ dàng phân tích ta xem như mỗi nhánh của MMC đại diện

cho một nguồn điện áp điều khiển được [68] Điện áp AC tăng bằng cách tắt các

SM ở nhánh trên đồng thời bật cùng lúc số SM tương ứng ở nhánh dưới Tuy nhiên,

ở mỗi thời điểm chỉ tăng hoặc giảm một mức điện áp để có được dạng sóng điện áp bậc trơn tru Ở đây ta mới chỉ xét đến số lượng các SM được chèn vào và bỏ qua mà 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 Vì vậy cần có phương pháp điều khiển phù hợp để xác định được số SM chèn vào hay bỏ qua Trong chế độ vận hành bình thường, giá trị dòng điện đi qua mỗi nhánh BBĐ là một đại lượng xoay chiều và khác nhau đối với từng nhánh [27], [77] Vì sự lệch pha giữa 3 dòng điện phía AC nên trạng thái xả và nạp của các tụ trên từng pha được thay đổi liên tục từ pha này sang pha khác Khi đó sẽ xuất hiện điện áp chênh lệch tức thời với các SM 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 BBĐ, 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 BBĐ và được gọi là dòng điện vòng Dòng điện vòng ít gây ra hiệu ứng bên ngoài cả phía AC lẫn

DC Tuy nhiên, dòng điện vòng là nguyên nhân gây ra tổn thất của BBĐ [40] Chất lượng điều khiển của dòng điện vòng được thỏa mãn khi biên độ của nó có giá trị thấp và các thành phần sóng hài trong dòng điện vòng được loại bỏ Trong hình

Hình 1.2, cuộn cảm L o trên mỗi nhánh có vai trò làm giảm ảnh hưởng của dòng điện

vòng Nếu giá trị L o của từng nhánh lớn hơn thì biên độ dòng điện vòng sẽ nhỏ đi

Tuy nhiên khi giá trị L o lớn, thì thời gian đáp ứng của hệ thống tăng lên, BBĐ sẽ không thể thay đổi nhanh chóng được giá trị dòng điện vòng nên tính toán chọn giá trị điện cảm cần phù hợp với đáp ứng của hệ thống [29]

1.3 Vấn đề điều chế cho bộ biến đổi MMC

Phương pháp điều chế và điều khiển cho các BBĐ đa mức luôn được quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm qua, nhằm mục đích đạt hiệu quả truyền dẫn năng lượng điện tốt nhất, nâng cao độ tin cậy và tăng cường chất lượng các thông số của BBĐ…[41] Hiện nay, việc sử dụng điều khiển bằng công nghệ số DSP, FPGA cho phép thực hiện các kỹ thuật điều khiển mới và tinh vi hơn so với các phương pháp điều khiển tuyến tính cổ điển, tạo ra sự linh hoạt cần thiết của BBĐ trong các ứng dụng thực tế Các phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức như mô tả ở Hình 1.4, có thể chia thành hai nhóm lớn là thuật toán dựa trên điều chế SVM và thuật toán dựa trên mức điện áp gồm: phương pháp PWM; phương pháp NLM Các tiêu chí để lựa chọn các kỹ thuật điều chế thích hợp vào cấu trúc, đặc điểm kỹ thuật khi thiết kế và khả năng ứng dụng của từng loại BBĐ Cả hai phương pháp trên đều được điều chế trong miền thời gian [102] Khi đánh giá về tổn thất, các phương pháp điều chế có tần số thấp được sử dụng nhiều hơn trong ứng dụng công suất cao vì có khả năng giảm tổn thất đóng cắt trong khi chất lượng điện áp đầu ra vẫn thỏa mãn yêu cầu, đạt hiệu quả cao hơn so với phương pháp có tần số cao [42] Ngoài ra, các tiêu chí để lựa chọn còn được thực hiện dựa trên viên việc thực hiện đơn giản quá trình chuyển mạch được tối ưu, có thể phối hợp nhịp nhàng với các tiêu chí điều khiển khác

Khi áp dụng các phương pháp điều chế cho BBĐ MMC thì nhiệm vụ trọng tâm của điều khiển MMC là điều khiển các van bán dẫn để xác định số lượng SM được chèn vào ở mỗi nhánh trong một thời điểm Trong quá trình điều chế, mỗi phương pháp điều chế có những đặc điểm riêng trong kỹ thuật thực hiện Phương pháp điều chế PWM có thể tạo ra N+1 mức điện áp [15], [35], [51] Trong khi đó phương pháp NLM có thể tạo ra 2N+1 mức điện áp nhưng có cách thực thực hiện đơn giản

với tần số đóng cắt thấp có thể áp dụng với số mức bất kỳ, để thực hiện phương pháp NLM cần có cách thức cân bằng điện áp trên tụ điện để tụ điện hoạt động ổn định [42] Phương pháp SVM áp dụng cho BBĐ đa mức thu được kết quả tốt với 2N+1 mức điện áp và được thực hiện dựa trên nguyên lý điều chế SVM cho máy điện xoay chiều ba pha [50], [51] Khi áp dụng cho BBĐ đa mức, phương pháp SVM sẽ lựa chọn các trạng thái vector điện áp sao cho đảm bảo quá trình chuyển mạch ít nhất và tối ưu về mặt sóng hài [43]

Đối với BBĐ đa mức MMC, phương pháp điều chế có tầm quan trọng rất lớn,

vì nó sẽ ảnh hưởng đến sóng hài, kích thước bộ lọc, tổn hao chuyển mạch, và cách thiết kế điều khiển… Trong luận án này, các phương pháp điều chế PWM, SVM, NLM được phân tích áp dụng cho BBĐ MMC nhằm thực hiện quy luật biến đổi điện áp một chiều sang xoay chiều với số mức không hạn chế và tạo ra sóng điện

áp, dòng điện phía đầu ra có dạng sin đảm bảo được các yêu cầu của BBĐ ĐTCS

Vì BBĐ MMC với số cấp điện áp lớn nên phương pháp điều chế NLM có thể tạo ra các bậc điện áp trơn tru với tần số đóng cắt thấp hơn so với các phương pháp điều chế khác, giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi của hệ thống Phương pháp PWM là phương pháp có cách thực hiện đơn giản, dễ dàng triển khai trong thực tế mà không cần điều khiển cân bằng điện áp tụ điện, tuy nhiên phương pháp PWM thực hiện đơn giản chỉ khi MMC có số ít các SM và tạo ra số mức điện áp thấp So với phương pháp NLM và PWM thì phương pháp SVM có cách thực hiện phức tạp hơn

và gây áp lực tính toán lên các bộ điều khiển, tuy nhiên phương pháp SVM cho kết quả với chất lượng tốt hơn về trị số thành phần sóng hài của dòng điện và điện áp Mặt khác trong phương pháp điều chế SVM sẽ tồn tại trạng thái dư các mức điện áp trong quá trình điều chế, các trạng thái dư này có thể được sử dụng để phục vụ chiến lược cân bằng điện áp trên các tụ điện Đây là ưu điểm lớn của điều chế SVM

mà các phương pháp điều chế khác không có được

1.4 Vấn đề điều khiển cho bộ biến đổi MMC

Hình dạng điện áp, dòng điện đầu ra, dòng điện đầu vào, hệ số công suất là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất luợng của các BBĐ Cũng như các phụ tải khác, các BBĐ bán dẫn phải tuân thủ các tiêu chuẩn mang tính pháp lý về giới hạn các thành phần sóng hài trong luới điện Cụ thể: Quy định về sóng hài điện áp tại khoản 2, Điều 7 Thông tư 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 của Bộ Công Thương quy định “Với cấp Trung và Hạ áp, tổng độ biến dạng sóng hài không được vượt quá 6,5%” Ngoài ra, các yêu cầu cơ bản đặt ra với BBĐ MMC như: hiệu suất biến đổi cao; tần số phía xoay chiều ổn định; điện áp và dòng điện phía xoay chiều có dạng sin chuẩn; điện áp phía một chiều ổn định; có thể tạo ra số mức điện

áp lớn để áp dụng cho hệ thống điện trung áp và cao áp với công suất cỡ MW trở lên; các tụ điện trong mỗi pha BBĐ hoạt động ổn định quanh giá trị định mức của

nó và độ lệch giá trị điện áp tụ khỏi vị trí cân bằng không được vượt quá giá trị 10%; dòng điện vòng trong mỗi pha phải được hạn chế, các thành phần sóng hài bậc cao trong dòng điện vòng phải được loại bỏ để tránh tổn hao và nâng đảm bảo sự hoạt động ổn định của van bán dẫn trong thời gian lâu dài Ngoài ra BBĐ có thể trao đổi được công suất hai chiều và hoạt động ổn định trong chế độ vận hành bình thường và khi có một số biến động nhất định trong hệ thống điện ở giới hạn cho phép Đáp ứng được một số tiêu chuẩn kỹ thuật như: dễ dàng sửa chữa, thay thế thiết bị khi sự cố, tuổi thọ dài…

Để đảm bảo được các yêu cầu đặt ra như trên, các chiến lược điều khiển, điều chế cho MMC đóng một vai trò quan trọng, chúng cần được thực hiện nhịp nhàng với tốc độ nhanh và chính xác đáp ứng được các yêu cầu về điều khiển của BBĐ ĐTCS

Do các phương trình mô tả động lực học của MMC có mối liên hệ rất cao giữa các biến điều khiển, nên việc điều khiển MMC trở nên phức tạp Đặc thù của MMC khác biệt so với các BBĐ đa mức khác là có thể tạo ra số mức điện áp rất lớn, tồn tại dòng điện vòng trong mạch và vấn đề điện áp tụ không được cân bằng khi hoạt động [30], [55] Nhiệm vụ chính của việc điều khiển và vận hành đúng đắn BBĐ MMC gồm: kiểm soát các giá trị đầu ra (dòng điện, điện áp) cũng như các đại lượng bên trong (điện áp tụ điện trên SM và dòng điện vòng) đạt được yêu cầu mong muốn Điều khiển để kiểm soát hoạt động của dòng điện vòng và điều khiển cân bằng điện áp tụ điện là những nhiệm vụ chính cho hoạt động đúng của MMC Việc điều khiển các điện áp tụ của SM quanh giá trị định mức là bắt buộc để cung cấp dạng sóng đầu ra ổn định, còn việc điều khiển giá trị dòng điện vòng có thể được thực hiện bằng việc điều khiển sự mất cân bằng điện áp các nhánh do quá trình phóng nạp tụ sinh ra Vấn đề đặt ra là phải kiểm soát giá trị dòng điện vòng ở mức thấp và điều khiển giá trị điện áp các tụ điện được bật của SM luôn ở vị trí cân bằng trong tất cả các chu kỳ hoạt động nhằm đảm bảo quá trình hoạt động tốt của MMC

ổn định lâu dài

1.4.1 Vấn đề điều khiển cân bằng điện áp tụ điện của MMC

Cân bằng điện áp trong BBĐ MMC bao gồm: Cân bằng điện áp giữa các pha, cân bằng điện áp giữa các nhánh van trong một pha và cân bằng điện áp giữa các tụ điện trong cùng một pha Cân bằng điện áp giữa các tụ SM của MMC là một trong những vấn đề chính và quan trọng của điều khiển hoạt động trong MMC, vì nó liên quan đến hoạt động an toàn của toàn hệ thống, có tác động đáng kể đến dạng sóng điện áp đầu ra và sinh ra dòng điện vòng có trị số lớn không mong muốn Việc cân bằng điện áp tụ điện của SM sẽ giúp cho sự dao động điện áp trong tụ điện luôn nằm trong giới hạn cho phép, giúp cho lựa chọn các thiết bị bán dẫn đóng cắt ở mức

độ hợp lý và tránh sự đóng cắt không cần thiết để giảm tổn thất trong BBĐ Có nhiều phương pháp cân bằng điện áp tụ điện của MMC đã được nghiên cứu trong

các tài liệu [56], [57], [78], [98] Tuy nhiên các thuật toán cân bằng phổ biến nhất là thuật toán được thực hiện bằng cách sắp xếp điện áp các tụ điện theo giá trị tăng dần hoặc giảm dần phụ thuộc vào chiều dòng điện để chọn các SM được bật và tắt trong một chu kỳ hoạt động của MMC [57], [78] Đây là phương pháp cân bằng thường được sử dụng có thể thích ứng với tất cả các điều chế mà không cần mạch vòng điều khiển bổ sung Ý tưởng cốt lõi của phương pháp này là tính toán có bao nhiêu SM được chèn vào mạch theo chiến lược điều chế Sau đó, các SM phù hợp nhất được chọn Phương pháp này vừa đơn giản vừa thiết thực Tuy nhiên, vấn đề sắp xếp thường xuyên điện áp tụ điện là một gánh nặng cho bộ điều khiển, đặc biệt là trong trường hợp MMC có số lượng lớn các SM

Trong luận án này, ngoài việc cân bằng điện áp tụ điện bằng cách lựa chọn SM được bật hoặc tắt theo quá trình sắp xếp điện áp tụ trong các phương pháp điều chế Luận án đề xuất phương pháp cân bằng điện áp tụ điện dựa trên phương pháp điều chế SVM cho MMC, quá trình cân cân bằng điện áp tụ điện được thực hiện bằng thuật toán dự báo trên tập hữu hạn các trạng thái dư của các vector trạng thái, sao cho giá trị trung bình của điện áp trên tụ trên một nhánh bằng với giá trị đặt, như vậy sẽ luôn đảm bảo được cân bằng điện áp trên tụ giữa các nhánh pha với nhau Theo tài liệu [51], trong điều chế SVM cho BBĐ đa mức, ở các cấp điện áp sẽ tồn tại một số các trạng thái dư, phương pháp đề xuất sẽ tận dụng các trạng thái dư này

để xây dựng thuật toán dự báo trong một chu kỳ điều chế Đây là phương pháp rất hữu ích khi MMC có số mức lớn, khắc phục được áp lực tính toán lên bộ điều khiển

so với việc sắp xếp chèn điện áp từng tụ điện trên mỗi nhánh pha mà vẫn đảm bảo được hiệu quả cân bằng điện áp tụ điện trong hoạt động của MMC Ý tưởng của phương pháp được thực hiện bằng cách tính giá trị trung bình điện áp tụ trên mỗi nhánh sau đó giá trị này được so sánh với giá trị đặt và sai lệch sẽ được triệt tiêu bằng hàm mục tiêu Đây là một trong những ưu điểm lớn của phương pháp điều khiển dự báo vì bộ điều khiển MPC có thể xử lý hiệu quả trước các ràng buộc và nhiều mục tiêu cùng một lúc Đây là một trong những đóng góp mới góp phần giảm thiểu sự tính toán phức tạp của quá trình điều khiển cân bằng điện áp tụ điện

1.4.2 Vấn đề điều khiển dòng điện vòng

Dòng điện vòng được móc vòng trong cả ba pha của BBĐ và ảnh hưởng tới quá trình phóng và nạp của điện áp tụ điện mỗi SM khi BBĐ làm việc Sự phóng nạp sẽ sinh ra một loạt các sóng hài tần số thấp trong dòng điện vòng, đây là các sóng hài không mong muốn và cần được loại bỏ [62] Tài liệu [43] đã chứng minh rằng dòng điện vòng được tạo ra bởi sự chênh lệch điện áp giữa các nhánh của MMC, dạng sóng của dòng điện vòng hoạt động với tần số gấp đôi tần số cơ bản [62] và được đặt chồng lên thành phần dòng một chiều cung cấp năng lượng trực tiếp từ DC sang

AC của MMC Nghĩa là thành phần của dòng điện vòng bao gồm dòng i DC để

truyền công suất từ phía DC sang phía AC và các thành phần sóng hài xoay chiều tần số thấp của nó Dòng vòng chạy qua cả sáu nhánh van, tuy dòng điện vòng không làm ảnh hưởng lớn đến điện áp và dòng điện phía AC nhưng nó là nguyên nhân chính gây nên méo dạng của dòng điện nhánh [65] Nếu không được loại bỏ dòng điện vòng sẽ gây nên tổn thất trong BBĐ và gây ra ứng suất không mong muốn trên các thiết bị bán dẫn [88] Quá trình điều khiển dòng điện vòng khi MMC

có số SM lớn luôn hướng tới việc thiết kế dễ dàng, loại bỏ được các thành phần bậc cao và chỉ giữ lại thành phần một chiều có tác dụng truyền công suất của BBĐ từ phía một chiều sang phía xoay chiều Đây là một nhiệm vụ quan trọng để nâng cao hiệu suất cũng như khả năng làm việc của các thiết bị bán dẫn trong MMC

Mặc dù biện pháp đầu tiên để suy giảm giá trị dòng điện vòng là tăng độ tự cảm

của cuộn cảm L o, nhưng cách này không thể loại bỏ hoàn toàn độ đập mạch của dòng điện vòng và không hiệu quả về mặt chi phí do sụt áp lớn và chi phí cao của

cuộn cảm cao áp Phân tích mối quan hệ giữa điện cảm nhánh L o và dòng điện vòng bậc hai đã được trình bày trong [61] Việc kiểm soát không đúng dòng điện vòng có thể có tác động bất lợi đến quá trình truyền công suất từ phía DC sang phía AC của MMC và gây ra tổn thất điện năng Ngoài ra, thành phần sóng hài của dòng điện vòng có thể làm méo dạng tới điện áp phía AC Việc loại bỏ các thành phần sóng hài trong dòng điện vòng sẽ dẫn đến hoạt động hiệu quả nhất của MMC về mặt tổn thất chuyển mạch, dẫn điện và cho phép giảm kích thước của tụ điện trong SM Khi loại bỏ được thành phần sóng hài sẽ làm cho dòng điện nhánh không bị méo và độ mấp mô điện áp tụ sẽ được giảm thiểu Quá trình này sẽ giúp cân bằng điện áp tụ trong SM Việc giảm thiểu dòng điện vòng là một yếu tố cần thiết và quan trọng để đạt được hoạt động ổn định và hiệu quả của MMC, đây là việc để dễ dàng lựa chọn các tụ điện có kích thước nhỏ, giảm giá thành của hệ thống và giúp cho quá trình thiết kế nhiệt của BBĐ trở nên dễ dàng hơn Mối tương quan giữa dòng điện phía

AC, dòng điện vòng và điện áp tụ điện làm phức tạp việc điều khiển MMC Hiện nay đã có nhiều đề xuất trong việc điều khiển triệt tiêu hoặc giảm thiểu dòng điện vòng, cụ thể được trình bày trong các tài liệu [39], [61], [78] Trong luận án này, tác giả đề xuất chiến lược điều khiển trực tiếp giảm thiểu dòng điện vòng bằng cách cách sử dụng bộ điều khiển tuyến tính PI, để đạt hiệu quả cao phương pháp sẽ kết hợp với bộ cộng hưởng tỷ lệ (PR) để triệt tiêu các thành phần sóng hài tồn tại trong dòng điện vòng và độ nhấp nhô điện áp tụ điện dưới sự chênh lệch điện áp các nhánh trong một pha MMC thông qua việc lọc trực tiếp các sóng hài trong dòng điện vòng bằng cách sử dụng bộ lọc thông thấp (LPF) với dòng điện vòng đo được Với bộ điều khiển PR, tất cả các thành phần của dòng điện vòng sẽ được điều khiển trực tiếp (chẳng hạn như sóng hài bậc 2, bậc 4…) mà không ảnh hưởng đến thành phần DC của dòng điện vòng Quá trình này sẽ tạo ra để tạo giá trị đặt của điện áp

chênh lệch v diff để điều khiển dòng điện vòng trong mỗi pha So với các phương pháp điều khiển khác, khi sử dụng bộ điều khiển PI có nhiều ưu điểm như thiết kế

đơn giản, triệt tiêu sai lệch tĩnh tốt, đáp ứng nhanh, hiệu suất ổn định, phạm vi điều khiển rộng Bộ điều khiển PI sẽ tác động trực tiếp lên dòng điện vòng, các mắt cộng hưởng PR được sử dụng để triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc cao tần số thấp để

có được công suất đầu ra mong muốn

1.4.3 Vấn đề điều khiển trong một số ứng dụng tiêu biểu của MMC

Để MMC hoạt động có hiệu quả trong hệ thống điện, việc thiết kế điều khiển BBĐ MMC để áp dụng trong một số các ứng dụng của MMC đóng vai trò quan trọng khi triển khai MMC trong thực tế Đây là công việc nhằm minh chứng khả năng hoạt động của MMC để có thể truyền dẫn hoặc trao đổi năng lượng giữa các

hệ thống điện khác nhau Trong triển khai ứng dụng của BBĐ MMC, luận án thực hiện thiết kế các mạch vòng điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI, trong đó mạch vòng bên ngoài là mạch vòng điều khiển công suất, điều khiển từ thông; mạch vòng bên trong là mạch vòng dòng điện Mạch vòng ngoài thường yêu cầu thời gian tác động chậm hơn mạch vòng dòng điện bên trong, phương pháp điều khiển PI với cách thực thiết kế đơn giản phù hợp để triệt tiêu sai lệch tĩnh của tín hiệu thực và tín hiệu đặt mong muốn nhằm mục đích đảm bảo chất lượng điều khiển cho toàn hệ thống với các ưu điểm như: đảm bảo khả năng tác động nhanh; đảm bảo hệ thống không bị quá tải thông qua các khâu như hạn chế dòng điện; đảm bảo chất lượng mạch vòng dòng điện bên trong và đảm bảo được vấn đề điều khiển các mạch vòng công suất bên ngoài

1.5 Định hướng nghiên cứu và đóng góp của luận án

Trọng tâm hay những đóng góp khoa học chính của luận án này nằm ở việc xây dựng hệ thống điều chế cho MMC, triển khai một số thuật toán điều khiển dòng điện vòng, điều khiển cân bằng điện áp tụ điện, phát triển các ứng dụng của MMC

và xây dụng mẫu thí nghiệm cho MMC, cụ thể như sau:

- Phát triển thuật toán điều chế PWM, NLM, đặc biệt là thuật toán điều chế SVM cho nghịch lưu MMC không hạn chế số mức;

- Giải quyết vấn đề cân bằng điện áp trên các tụ DC bằng việc tận dụng các mức trạng thái dư của phương pháp điều chế SVM dựa trên thuật toán dự báo trong một chu kỳ điều chế;

- Giải quyết vấn đề suy giảm thành phần sóng hài bậc cao trên dòng điện vòng bằng các mạch vòng điều chỉnh sử dụng bộ điều khiển PI kết hợp với các mắt cộng hưởng PR để loại bỏ sóng hài bậc cao tần số thấp;

- Xây dựng mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm của BBĐ MMC 3 pha hoạt động với 12SM chia thành hai nhánh trong mỗi pha

Ngoài ra, luận án cũng xây dựng các ứng dụng tiêu biểu dựa trên bộ biến đổi MMC với các thuật toán điều chế, điều khiển đã xây dựng để chứng minh sự hoạt động của MMC trong hệ thống điện Những đóng góp này được minh chứng bởi mô phỏng và mô hình thực nghiệm chứng tỏ tính đúng đắn cũng như chất lượng cao của hệ thống điều khiển Thông qua mô hình thực nghiệm đã chứng minh được khả năng áp dụng thực tiễn của hệ thống này Nghiên cứu này cũng phát triển một số ứng dụng của MMC để chứng tỏ các ưu thế của MMC trong các hệ thống tiêu biểu điện áp cao Kết quả kiểm chứng được thực hiện thông qua mô phỏng nhằm chứng minh về nguyên tắc khả năng và những đặc điểm ưu việt của MMC

1.6 Tóm tắt và kết luận

BBĐ đa mức MMC là cấu trúc có thể khắc phục được một số khó khăn của các BBĐ đa mức khác khi áp dụng biến đổi điện năng ở cấp điện áp cao Quá trình nghiên cứu BBĐ MMC trong luận án này được tập trung chủ yếu vào các giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả hoạt động trong một số chế độ có thể xảy ra trong thực tế Dựa trên cơ sở đó, tác giả đã phân tích các vấn đề cần khắc phục của MMC,

do cấu hình của BBĐ có nhiều phức tạp khi yêu cầu số mức lớn, vì vậy đòi hỏi các thiết bị cho MMC phải có giá thành hợp lý và cách thức thực hiện điều khiển phải tiên tiến Chính vì vậy, mục đích của nghiên cứu này là xây dựng một BBĐ MMC

để thử nghiệm nhằm đánh giá, kiểm chứng những khả năng ứng dụng của MMC trong thực tế với các đặc tính ưu việt khi sử dụng kết hợp quá trình điều chế, điều khiển cho BBĐ Việc xây dựng BBĐ MMC có các vấn đề trọng tâm cần giải quyết như điều khiển nhịp nhàng quá trình chuyển mạch các van và tối ưu quá trình điều

khiển thông số đầu ra BBĐ Nhiệm vụ của luận án này là xây dựng các thuật toán

điều chế và thuật toán điều khiển để kiểm soát quá trình hoạt động của MMC theo yêu cầu Chương này đã phân tính chi tiết về tình hình nghiên cứu của BBĐ đa mức MMC về các phương diện điều chế, điều khiển, trong đó tác giả đã phân tích một số

ưu điểm của MMC so với các BBĐ đa mức đang được nghiên cứu hiện nay Về mặt cấu trúc các BBĐ MMC được cấu thành bởi các SM mắc nối tiếp nhau, số lượng

SM phụ thuộc vào yêu cầu số mức điện áp đầu ra của BBĐ, tác giả đã chỉ ra SM nửa cầu là sự lựa chọn phù hợp cho MMC Về phương pháp điều chế, tác giả đã nêu các phương pháp điều chế đã được nghiên cứu áp dụng cho BBĐ đa mức trong thời gian qua Chương 1 tác giả cũng đã giới thiệu các phương pháp điều khiển cho MMC, trong đó chỉ ra vấn đề điều khiển dòng điện vòng, điều khiển cân bằng điện

áp tụ điện để đảm bảo chất lượng dòng điện, điện áp đầu ra khi BBĐ hoạt động

CHƯƠNG 2:

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI MMC

Để đánh giá hiệu suất hoạt động của MMC theo các cấu trúc và phương pháp điều khiển khác nhau, việc mô tả tính động học bằng các phương trình toán học cho MMC là rất cần thiết Do MMC có cấu trúc và hoạt động phức tạp nên đòi hỏi phải

có một phương pháp điều khiển phù hợp để tạo dòng điện, điện áp phía xoay chiều

có chất lượng tốt, cân bằng điện áp tụ và hạn chế dòng điện vòng trong mạch của MMC Chính vì vậy, cần một mối liên hệ giữa các biến trong các mô hình toán học

để mô tả BBĐ Như đã trình bày trong chương 1, BBĐ MMC gồm nhiều khóa bán dẫn, các tụ điện trong các SM, cuộn cảm nhánh, điện trở nhánh Do đó, quá trình

mô hình hóa BBĐ MMC theo phương pháp thông thường sẽ rất phức tạp khi số lượng SM trong BBĐ MMC tăng lên Để việc mô hình hóa trở nên thuận lợi hơn ta giả thiết rằng các phần tử của BBĐ hoạt động trong điều kiện lý tưởng, nghĩa là các van đóng cắt BBĐ là lý tưởng và tác động trực tiếp đến các biến dòng điện và điện

áp, tất cả giá trị điện áp tụ có giá trị như nhau và ở trạng thái ổn định

Theo tài liệu [77], có nhiều phương pháp để mô hình hóa BBĐ ĐTCS như: Mô hình đóng cắt; mô hình dữ liệu; mô hình trung bình; mô hình tín hiệu lớn, tín hiệu nhỏ… Đối với BBĐ MMC là một hệ thống phi tuyến, hoạt động của mô hình là việc quyết định đến các luật điều khiển [71] Các phương pháp mô hình hóa nêu trên hoàn toàn có thể thực hiện cho BBĐ MMC Tuy nhiên, để thuận tiện trong việc điều khiển thì luận án thực hiện mô hình hóa MMC theo mô hình trung bình các trạng thái liên tục, vì đây là phương pháp phù hợp để thiết kế các luật điều khiển phi tuyến như điều khiển mô hình, điều khiển triệt tiêu sai lệch, ngoài ra phương pháp này có cách mô tả đơn giản và dễ hiểu, các biến trong mô hình được thể hiện đầy

đủ, thể hiện được sự ổn định cần thiết khi mô tả tính động học của hệ thống Phương pháp mô hình hóa này có thể mô tả hoạt động của hệ thống trong khoảng thời gian đủ nhỏ để thấy được hoạt động của BBĐ khi bị kích thích tức thời, từ đó

có thể tác động kiểm soát kích thích đó bằng luật điều khiển

2.1 Mô hình trạng thái liên tục của BBĐ MMC khi nối tải R-L

Cấu trúc mạch lực một pha của BBĐ MMC nối tải R-L được thể hiện như Hình

2.1, bao gồm 2N các SM Trong sơ đồ Hình 2.1, mỗi pha có 2N các SM, V DC và i DC

là điện áp và dòng điện ở phía DC của BBĐ; i Hx và i Lx (x = A,B,C) lần lượt là dòng điện nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha của BBĐ; V Hx và V Lx lần lượt là tổng điện áp

của các SM ở nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha của BBĐ; v ex và i x là điện áp và dòng điện ở phía AC của BBĐ

V C

+ _

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 nguồn điện áp tương đương duy nhất Khi đó mô hình sẽ dễ dàng hơn cho việc phân tích và mô phỏng

Giả sử điện áp các SM được cân bằng ở giá trị định mức và số SM trên mỗi

nhánh là N, nếu ký hiệu k Hx , k Lx là chỉ số chèn của SM ở nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha được chèn vào (được điều khiển ON) Khi đó sơ đồ thay thế Hình 2.1 của MMC được thể hiện bằng cấu trúc mô hình trung bình như Hình 2.2

+_

v Hx

L o

+_

Hình 2.2 Cấu trúc mô hình trung bình của BBĐ MMC

Chiều dòng điện các nhánhi Hx và i Lx được thể hiện trong Hình 2.2 Theo định

luật Kirchhoff 1, dòng điện phía xoay chiều được mô tả như phương trình (2.1):

i i i Equation Chapter 2 Section 1(2.1)

Từ Hình 2.1, mối quan hệ giữa điện áp phía xoay chiều AC và các dòng điện nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha của BBĐ được biểu diễn bởi phương trình (2.2)

và (2.3):

1 2

Như vậy sức điện động xoay chiều của MMC chưa kể đến sụt áp trên L o và R o

được viết như (2.5):

1 2

Trong đó: V C = V DC /N là điện áp bậc thang trên mỗi tụ của SM với giả thiết điện

áp trên mỗi tụ đều bằng nhau

Điện dung mỗi nhánh của MMC được tính theo công thức (2.7):

.

.

SM Hx

Hx SM Lx

Lx

C C

N k C C

SM nhánh trên và nhánh dưới chèn vào như Bảng 2.1 và số mức điện áp trên đầu ra

Hình 2.3 Đồ thị mô tả sự tạo thành điện áp đầu ra của MMC khi áp dụng phương pháp

điều chế NLM cải tiến

Bảng 2.1 Số mức điện áp trên đầu ra của NVL cải tiến

Trừ hai phương trình (2.2) và (2.3) ta thấy mối quan hệ của điện áp một chiều

V DC với các đại lượng xoay chiều như (2.12):

Thành phần v diff_x là điện áp chênh lệch tạo nên dòng điện vòng i vx Phương trình

(2.12), (2.13) cho thấy i vx không ảnh hưởng đến dòng đầu ra nhưng sẽ ảnh hưởng đến điện áp trên các nhánh tụ của các SM được chèn vào ở nhánh trên và nhánh dưới Trong hoạt động của MMC như đã phân tích thì dòng điện vòng cần được

giảm thiểu hoặc loại bỏ Trong chế độ xác lập dòng điện vòng i vx bao gồm thành

phần một chiều I vx và các thành phần sóng hài bậc cao i vx,h như sau:

, 1

Thành phần DC I vx xác định công suất mà nguồn một chiều trao đổi với tải, còn

các thành phần sóng hài I vx,h xác định bởi chênh lệch giá trị tức thời của điện áp

tổng trên nhánh trên và nhánh dưới v Lx + v Hx so với V DC Trong tài liệu [54] cho thấy

sự mất cân bằng năng lượng trên tụ giữa nhánh trên và nhánh dưới trong mỗi pha có

thể điều khiển bởi thành phần sóng hài bậc nhất của điện áp chênh lệch v diff_x, hoặc

bởi thành phần bậc nhất của dòng điện vòng I vx,1 đồng pha với thành phần bậc nhất

của điện áp đầu ra v x Mặt khác ta cũng có các phương trình cho sự thay đổi điện áp

trên nhánh trên và nhánh dưới khi mỗi nhánh trên gồm k H tụ C mắc nối tiếp và mỗi nhánh dưới gồm k L tụ C nối tiếp như sau:

Hx Hx Hx

Lx Lx Lx

dv C

i

k dt dv C

vx Lx

trên và nhánh dưới trên các pha điện áp ra hay nhằm giảm độ đập mạch của i vx Nếu gọi VCx là tổng điện áp tụ điện được chèn vào trong một pha, khi đó điện áp đầu ra của BBĐ MMC được tính theo công thức (2.18):

Mx

C C

x Cx

SM

Lx Lx CLx

Phương trình (2.24) để mô tả quá trình động học của BBĐ MMC trong quá trình

làm việc Từ (2.22) thấy rằng điện áp đầu ra không phụ thuộc vào dòng điện i vx

Đồng thời, dòng điện i vx chỉ phụ thuộc vào điện áp liên kết DC và tổng điện áp mỗi nhánh Các điện áp nhánh được xác định trong (2.18) và (2.22), có thể chọn làm giá trị đặt cho điện áp mỗi nhánh như (2.25):

Trong đó V x là giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều tạo được Mối quan hệ của dòng điên một chiều và dòng điện trong nhánh trên và nhánh dưới được thể hiện như (2.26):

Ở đây I x là giá trị hiệu dụng của dòng điện phía xoay chiều Khi đó công suât trên

mỗi nhánh pha được xác định như (2.27):

bộ biến đổi; thành phần thứ ba là thành phần tần số gấp đôi tần số cơ bản, thành phần này là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng đập mạch trong điện áp tụ và là nguyên nhân sinh ra dòng điện vòng tồn tại trong các pha của BBĐ Trong hoạt động của BBĐ, thành phần thứ nhất và thành phần thứ hai là những yếu tố gây nên tổn thất trong MMC Trong điều khiển, thành phần thứ ba sẽ được hạn chế hoặc loại

bỏ bởi các thuật toán điều khiển để tránh ảnh hưởng đến hoạt động bình thường và tránh tổn thất của BBĐ

2.2 Mô hình BBĐ MMC trong chế độ nối lưới

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý BBĐ MMC nối lưới

Để phân tích quá trình động học của MMC trong chế độ nối lưới điện, ta thực

hiện quá trình phân tích mô hình của MMC trong hệ tọa độ dq Khi hệ tọa độ dq

đồng bộ với vector điện áp lưới, vector dòng điện và điện áp được biểu diễn dưới dạng các vector DC, khi đó quá trình mô tả sẽ đơn giản và sẽ thuận tiện hơn trong thiết kế điều khiển MMC nối lưới điện

Hình 2.5 Sơ đồ tương đương BBĐ MMC nối lưới

Mô hình BBĐ MMC nối lưới được thể hiện như hình Hình 2.4 Mô hình BBĐ nối lưới như Hình 2.4 gồm: BBĐ MMC để chuyển điện năng từ một chiều sang