Mô hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi đa cấu trúc module

Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Điện áp của điểm nối giữa bộ biến đổi và hệ xoay chiều Điện áp một chiều đầu vào bộ biến đổi , Dòng điện chảy trong nhánh

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRIỆU DUY HOÀNG

MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN

ĐỔI ĐA MỨC CẤU TRÚC MODULE

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS PHẠM VIỆT PHƯƠNG

Hà Nội - Năm 2017

Trang 2

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN

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

Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2017

Học viên thực hiện

Triệu Duy Hoàng

Trang 3

Mục lục

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ iv

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 3

TÌM HIỂU CHUNG VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.2 Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module 5

1.3 Ứng dụng của MMC 7

1.4 Tính cấp thiết của đề tài 10

Chương 2 11

BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC CẤU TRÚC MODULE 11

2.1 Cấu trúc của bộ biến đổi đa mức cấu trúc module 11

2.1.1 Cấu trúc dạng nửa cầu 11

2.1.2 Cấu trúc dạng cầu 11

2.1.3 Cấu trúc dạng Đi-ốt kẹp 12

2.1.4 Cấu trúc dạng liên kết chéo 12

2.2 Nguyên lý của bộ biến đổi đa mức cấu trúc module 13

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của từng Sub Module 13

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC 15

Chương 3 19

MÔ HÌNH HOÁ VÀ XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC 19

3.1 Mô hình hoá bộ biến đổi MMC xét trên một pha 19

Trang 4

Mục lục

3.2 Mô hình hoá bộ biến đổi MMC xét trên ba pha 22

3.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi MMC 24

3.2.1 Phương pháp điều chế NLM 25

3.2.2 Phương pháp điều chế véc tơ không gian 27

3.2.3 Phương pháp điều chế PWM 28

3.2.4 Lựa chọn phương pháp điều khiển 29

3.3 Thiết kế mạch vòng điều khiển 29

3.3.1 Mạch vòng dòng điện 30

3.3.2 Mạch vòng công suất 34

3.3.3 Mạch vòng điện áp hiệu dụng 36

3.4 Tính toán thông số mạch 37

3.5 Hiệu chỉnh lại trên Matlab-Simulink 39

3.5.1 Hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện 39

3.5.2 Hiệu chỉnh mạch vòng công suất 40

3.5.3 Hiệu chỉnh mạch vòng điện áp một chiều 41

Chương 4 44

THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN NLM VÀ PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 44

4.1 Thuật toán NLM 44

4.1.1 Thuật toán NLM cổ điển 44

Trang 5

Mục lục

MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ 56

5.1 Phần mềm và thông số mô phỏng 56

5.2 Kết quả mô phỏng 57

5.2.1 Kết quả đầu ra thuật thoán NLM 57

5.2.2 Điện áp nhánh pha trên và dưới của 1 pha 57

5.2.3 Điện áp dây đầu ra 58

5.2.4 Điện áp trên các pha đầu ra 58

5.2.5 Dòng điện đầu ra 59

5.2.6 Sóng hài TDH đầu ra 59

5.2.7 Tổng kết 59

KẾT LUẬN 61

PHỤ LỤC 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Trang 6

Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

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

Điện áp một chiều đầu vào bộ biến đổi

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

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

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

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

trên và dưới

∑

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

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

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

, Thành phần d và q của điện áp lưới

, Thành phần d và q của dòng điện

Trang 7

Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt

PWM Pulse width modulation Điều chế độ rộng xung

LSPWM Level-Shift PWM Điều chế dịch mức sóng mang

PSPWM Phase-Shift PWM Điều chế dịch pha sóng mang

SVM Space véctơ r modulation Điều chế véctơ không gian

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

áp cao NLM Nerest Level Modulation Phương pháp điều chế NLM

Trang 8

Danh mục các bảng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng so sánh các cấu trúc Sub module 13 Bảng 2.2: Bảng trạng thái van, điện áp đầu ra, chiều dòng điện và trạng thái tụ 15 Bảng 3.1: Các thông số mô phỏng cho bộ biến đổi MCC 37 Bảng 5.1: Các thông số mô phỏng cho bộ biến đổi MCC 56

Trang 9

Danh mục các hình, đồ thị

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 : Phân loại các bộ biến đổi đa mức 4

Hình 1.2 : Cấu trúc bộ biến đổi đa cấp kiểu module (MMC) 6

Hình 1.3: Các hệ thống HVDC được lắp đặt trên thế giới qua các thời kì 9

Hình 1.4: Hệ thống HVDC do SIEMENS lắp đặt tại Trung Quốc 9

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc dạng nửa cầu của Module trong MMC 11

Hình 2.2 : Cấu trúc toàn cầu của Module trong MMC 12

Hình 2.3: Cấu trúc dạng Diode kẹp của Module trong MMC 12

Hình 2.4: Cấu trúc dạng liên kết chéo của Module trong MMC 13

Hình 2.5: Trạng thái hoạt động và dạng điện áp ra của một Sub-module 14

Hình 2.6: Mạch điện trên một pha của bộ biến đổi MMC tổng quát 15

Hình 2.7: Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC 10 mức 16

Hình 3.1: Sơ đồ mạch một pha của một bộ MMC điển hình 20

Hình 3.2: Sơ đồ mạch ba pha của một bộ MMC điển hình 23

Hình 3.3 : Phương pháp NLM áp dụng cho bộ MMC với 10 module trên một nhánh pha với chỉ số điều chế bằng 0.85 biên độ 25

Hình 3.4: Phương pháp điều chế NLM, dạng điện áp ra trên một nhánh 26

Hình 3.5: Véctơ không gian cho nghịch lưu N mức 27

Hình 3.6: Phương pháp dịch sóng mang 28

Hình 3.7: Cấu trúc tổng quan của mạch vòng điều khiển 29

Hình 3.8: Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển dòng điện của bộ biến đổi MMC 32

Hình 3.9: Biểu diễn dạng hàm truyền mạch vòng điều khiển dòng điện 32

Hình 3.10: Biểu diễn dạng hàm truyền mạch vòng điều khiển công suất phía ngoài 35

Hình 3.11: Mạch vòng điều chỉnh điện áp hiệu dụng 37

Trang 10

Danh mục các hình, đồ thị

Hình 3.12: Mô hình hàm truyền bộ điều khiển dòng điện trên Matlab Simulink 39

Hình 3.13: Kết quả BĐK dòng điện với bộ số PI tính toán 40

Hình 3.14 Kết quả BĐK dòng điện sau chỉnh sửa hệ số Kp, Ti 40

Hình 3.15: Mô hình hàm truyền bộ điều khiển công suất trên Matlab Simulink 41

Hình 3.16: Kết quả bộ điều khiển công suất với bộ số PI tính toán 41

Hình 3.17 :Mô hình hàm truyền bộ điều chỉnh điện áp một chiều 41

Hình 3.18 Kết quả bộ điều khiển điện áp 1 chiều DC với bộ PI theo tính toán 42

Hình 3.19 Kết quả bộ điều khiển điện áp1 chiều DC với bộ số PI sau hiệu chỉnh 42

Hình 4.1: Cấu trúc của thuật toán NLM 44

Hình 4.2: Cấu trúc mạch lực một pha của bộ biến đổi MMC 44

Hình 4.3: Cấu trúc mô tả thuật toán NLM cổ điển 46

Hình 4.4: Nguyên lý hoạt động của cả phương pháp NLM cổ điển dùng cho MMC 47

Hình 4.5: Nguyên lý hoạt động của phương pháp NLM cải tiến dùng cho MMC với 10 Sub-modules mỗi nhánh 49

Hình 4.6: Tổng quát cấu trúc của phương pháp NLM cải tiến 50

Hình 4.7: Lưu đồ thuật toán phương pháp NLM cải biến 52

Hình 4.8: Lưu đồ thuật toán cân bằng năng lượng 54

Hình 5.1 Đầu ra thuật toán NLM 57

Hình 5 2 Điện áp nhánh pha trên và dưới của pha A 57

Hình 5 3 Điện áp dây AB, BC và AC đầu ra của MMC 58

Trang 11

Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay tự động hóa đã len lỏi vào trong mọi lĩnh vực trên thế giới Từ công nghiệp, nông nghiệp đến cuộc sống hàng ngày Có thể nói tự động hóa là một phần không thể thiếu trong mọi lĩnh vực sản xuất, dẫn tới nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao, bao gồm các nguồn năng lượng mới cùng với những nguồn năng lượng truyền thống Từ đó dẫn tới nhu cầu hoà chung lưới điện cho các hệ thống này, mà bộ biến đổi là một phần quan trọng không thể thiếu trong đó Do đó việc nghiên cứu, phát triển, nâng cao hiệu quả và giảm giá thành của các bộ biến đổi đóng một vai trò rất quan trọng

Các bộ biến đổi đa mức đã được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong mấy thập kỷ trở lại đây và có nhiều thành công Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (Modular Multilevel Converter – MMC) là một trong những mô hình tiên tiến và được ứng dụng khá mạnh mẽ MMC có ưu điểm là tạo ra được điện áp đầu ra gần với dạng sóng sin, độ méo sóng hài thấp và cấu tạo, sửa chữa bảo trì dễ dàng

Từ thực tế đó trong luận văn này sẽ tập trung tới đối tượng nghiên cứu là các bộ

biến đổi MMC trong luận văn Luận văn tốt nghiệp thực hiện với tên gọi: “Mô hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi đa mức cấu trúc module”

Nội dung luận văn gồm các phần cơ bản như sau:

Chương 1: Tìm hiểu chung về các bộ biến đổi đa mức

Chương 2: Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module

Chương 3: Mô hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển

Chương 4: Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng Chương 5: Mô phỏng và kiểm chứng kết quả

Kết luận

Sau khi được giao đề tài, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Việt

Trang 12

Lời mở đầu

tuy nhiên chắc chắn có nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp của

thầy cô và các bạn

Sinh viên thực hiện

Triệu Duy Hoàng

Trang 13

Chương 1: Tìm hiểu chung về các bộ biến đổi

Chương 1 TÌM HIỂU CHUNG VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC

1.1 Giới thiệu chung

Trong vài thập kỷ trở lại đây, trên thế giới đang đẩy mạnh việc phát triển những nguồn năng lượng mới để thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống sắp cạn kiệt và ô nhiễm môi trường như dầu, than, khí đốt… Các nguồn năng lượng mới như gió, mặt trời, sóng biển… là những nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo, song song với đó phát sinh nhu cầu hoà chung lưới điện cho các hệ thống này, mà

bộ biến đổi là một phần quan trọng không thể thiếu Do đó việc nghiên cứu, phát triển, nâng cao hiệu quả và giảm giá thành của các bộ biến đổi đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển chung cho nền công nghiệp và ngành năng lượng tái tạo

Trong những năm gần đây, các bộ biến đổi đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, năng lượng tái tạo, cải tạo lưới điện, truyền tải… đồng thời được nghiên cứu rộng rãi, áp dụng cho những ứng dụng công suất lớn, điện áp cao, chất lượng tốt, giảm sóng hài, tuy nhiên đòi hỏi độ phức tạp cao

Tử thực tế như vậy, rất nhiều mô hình bộ biến đổi, các công nghệ bán dẫn mới được đề xuất và áp dụng trong các ứng dụng không chỉ trong lĩnh vực công nghiệp

mà cả năng lượng, truyền tải điện năng Bộ nghịch lưu đa mức (Multilevel converter - MC) được giới thiệu vào năm 1975 [1], bộ nghịch lưu đa mức cung cấp hơn hai cấp điện áp Điện áp đầu ra mong muốn có thể được tổng hợp từ nhiều cấp điện áp với ít méo dạng, tần số chuyển mạch ít hơn dẫn tới tổn hao công suất trên các linh kiện bán dẫn cũng giảm theo, hiệu suất cao hơn và điện áp cung cấp đầu vào thấp hơn so với bộ nghịch lưu hai mức truyền thống

Trang 14

Hình 1.1 : Phân loại các bộ biến đổi đa mức

Lịch sử hình thành của các bộ biến đổi đa mức được thể hiện rõ ở trong hình vẽ

phân loại hệ thống các bộ biến đổi đa mức [1] Như chúng ta thấy, các bộ biến đổi

công suất lớn được sử dụng chia làm hai nhánh phát triển, đó là bộ biến đổi trực tiếp

Trang 15

Tuy nhiên, trong thực tế phát triển về mô hình các bộ biến đổi đa mức và các phương pháp điều chế vẫn còn gặp phải những nhược điểm như sau:

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

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

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

- Vẫn phải dùng nhiều nguồn DC riêng lẻ dẫn tới kích thước lớn và lắp đặt phức tạp

1.2 Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module

Việc nghiên cứu về mô hình bộ biến đổi đa mức kiểu mới và phương pháp điều chế đơn giản, phù hợp hơn trở thành một yêu cầu cấp thiết, là trọng tâm cho nghiên cứu về các bộ biến đổi đa mức công suất lớn Từ thực tế trên, bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (Modular Multilevel Converter –MMC) là một phát triển nâng cấp của bộ biến đổi đa mức, được đề xuất lần đầu tiên bởi R Marquardt và A Lesnicar vào đầu những năm 2000 [1] Cấu trúc của bộ biến đổi dựa trên sự ghép nối của một

số lượng lớn các module thành phần (Sub-module - SM), mỗi SM là bộ biến đổi nửa cầu dùng van bán dẫn điều khiển hoàn toàn

Trang 16

Hình 1.2 : Cấu trúc bộ biến đổi đa cấp kiểu module (MMC)

Ưu điểm của bộ biến đổi MMC là:

- Cấu trúc mở dạng module, mức điện áp của MMC phụ thuộc vào số lượng của module thành phần, MMC có thể được sử dụng cho các hệ thống truyền tải điện siêu cao áp như trong hệ thống truyền tải điện một chiều điện áp cao HVDC

R arm , L arm

V a

R arm , L arm

V b

R arm , L arm

V c

1 nhánh pha

V dc

Trang 17

- Độ tin cậy cao, trong trường hợp module hỏng có thể sử dụng module dự phòng

Sub Tăng hiệu suất: dựa vào việc giảm tần số chuyển mạch của SubSub module Những khái niệm và nghiên cứu về MMC sẽ được trình bày cụ thể và chi tiết hơn ở các chương tiếp theo

Song song với nhiều ưu điểm trong thiết kế như vậy, các phương pháp điều chế cũng là đề tài được nghiên cứu trong nhiều năm Trong nhiều thập kỷ gần đây, các phương pháp điều chế cho các bộ biến đổi nghịch lưu đa mức được nghiên cứu và phát triển rộng rãi, người ta luôn muốn tìm ra một phương pháp điều chế tận dụng được những ưu điểm như là tần số đóng cắt thấp, giảm tổn hao, đơn giản trong điều khiển Có hai nhóm lớn trong của phương pháp điều chế đó là điều chế véctơ không gian và điều chế dựa trên thuật toán về mức điện áp Trong điều chế theo dạng điện áp thì có điều chế theo phương pháp PWM, theo sóng hài hoặc theo phương pháp Nerest Level Modulation (NLM) Trong đó phương pháp điều khiển NLM với những ưu điểm của nó đã được nghiên cứu phát triển và áp dụng rộng rãi trong việc điều khiển các bộ MMC với số lượng module thành phần lên tới hàng chục, thậm chí hàng trăm

1.3 Ứng dụng của MMC

Bộ biến đổi nghịch lưu đa mức nói chung và nghịch lưu đa mức kiểu MMC nói riêng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là trong những trường hợp nguồn công suất lớn và yêu cầu chất lượng điện áp cao, thì những bộ nghịch lưu đa mức cấu trúc MMC có vai trò rất quan trọng Một trong những ứng dụng rất quan trọng của bộ nghịch lưu đa mức cấu trúc MMC đó là trong hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC đang được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới

Hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều là hệ thống truyền tải sử dụng điện một chiều để truyền tải giữa các địa điểm xa như giữa các quốc gia với nhau, hoặc

Trang 18

bộ MMC được đưa vào ứng dụng trong hệ thống này là để biến đổi từ điện một chiều sang điện xoay chiều để hòa vào lưới sau đó đưa vào sử dụng trong công nghiệp và sinh hoạt Ngoài ra bộ nghịch lưu đa mức còn ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp

Các bộ nghịch lưu đa mức có thể ứng dụng tốt trong các hệ thống quạt gió, băng tải, các hệ thống năng lượng gió, năng lượng tái tạo.v.v Bộ nghịch lưu đa mức cấu trúc MMC được ứng dụng rất mạnh mẽ trong hệ thống truyền tải điện cao

áp một chiều HVDC Hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều là một hệ thống có công suất rất lớn, và yêu cầu chất lượng điện áp cao, và bộ biến đổi MMC đã được

sử dụng và phát huy được những ưu điểm của nó

Đến nay trên thế giới nhiều nước đã và đang áp dụng hệ thống truyền tải điện một chiều, dưới đây là một số ví dụ về truyền tải HVDC trên thế giới[1]:

- Ở Itaipu, brazil, Hệ thống HVDC được lựa chọn để cung cấp công suất tần số 50Hz vào hệ thống 60Hz, và để tuyền tải một lượng công suất lên đến 12.600MW của nhà máy thủy điện qua khoảng cách 800km

- Ở Rihand, Ấn Độ , hệ thống truyền tải HVDC được lựa chọn để truyền tải lượng công suất 1.500MW tới New Dehil để đảm bảo mục tiêu tổn thất và hành lang tuyến nhỏ nhất và độ tin cậy và khả năng điều khiển tốt hơn

- Siemens là hãng đi đầu trong công nghệ truyền tải HVDC, ở trên thế giới

có rất nhiều hệ thống được Siemens lắp đặt Sau đây là một số hệ thống

đã xây dựng ở trên thế giới :

Trang 19

Hình 1 3 Các hệ thống HVDC được lắp đặt trên thế giới qua các thời kì

Hình 1 4 Hệ thống HVDC do SIEMENS lắp đặt tại Trung Quốc

Trang 20

1.4 Tính cấp thiết của đề tài

Như vậy cùng với nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới, việc ứng dụng các

bộ biến đổi đa mức ngày càng mở rộng, kéo theo đó là sự bùng nổ đáng kể các nghiên cứu về cấu trúc bộ biến đổi MMC cũng như các ứng dụng của nó trong các

lĩnh vực khác nhau Với đề tài được giao:“Mô hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi đa mức cấu trúc module”, nội dung luận văn này tập trung vào việc phát triển thuật toán NLM kết hợp với thuật toán cân bằng năng lượng cho bộ biến đổi MMC công suất 21 MW, điện áp một chiều 20 kV sử dụng

20 module thành phần ở mỗi pha của bộ biến đổi Tính đúng đắn của các phân tích

lý thuyết được kiểm chứng lại thông qua mô phỏng máy tính trên phần mềm PSCAD

Trang 21

Chương 2 Bộ biến đổi đa mức cấu trúc Module

Chương 2

BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC CẤU TRÚC MODULE

2.1 Cấu trúc của bộ biến đổi đa mức cấu trúc module

2.1.1 Cấu trúc dạng nửa cầu

Cấu hình nửa cầu sử dụng 2 van bán dẫn IGBT với 2 Đi-ốt ngược và một tụ điện [3] Cấu trúc của một module được chỉ ra như hình dưới, trong đó điện áp ra của SM này có hai trạng thái bằng điện áp trên tụ Vc hoặc bằng 0 tùy thuộc vào trạng thái đóng–cắt của 2 van bán dẫn S1, S2

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc dạng nửa cầu của Module trong MMC

Mạch nửa cầu ta có thể thấy chỉ dùng S1 và S2 đóng cắt mạch khá đơn giản nên mạch điều khiển cho mạch này cũng đơn giản, chỉ cần một nguồn Vc cung cấp điện cho tụ nên dễ dàng có thể tạo điện áp cung cấp cho tụ Nhưng mạch này có nhược điểm là công suất mạch chưa cao điện áp ra chất lượng chưa cao

2.1.2 Cấu trúc dạng cầu

Ở cấu trúc toàn cầu thì điện áp đầu ra của một toàn cầu SM là bằng ±VC hay bằng 0 (chuyển mạch on/off) tùy thuộc vào các trạng thái chuyển mạch của bốn van bán dẫn S1 đến S4 Cấu trúc dạng cầu hoàn chỉnh như ở hình 2.2 [3]

C

Trang 22

Hình 2.2 : Cấu trúc toàn cầu của Module trong MMC

Nhận xét: Từ số lượng các thiết bị bán dẫn của SM toàn cầu là gấp hai lần trong một SM nửa cầu, các tổn thất điện năng cũng như chi phí của một MMC dựa trên toàn cầu SM là cao hơn so với nửa cầu SM

2.1.3 Cấu trúc dạng Đi-ốt kẹp

Cấu trúc dạng kẹp đôi bao gồm 2 Sub-module nửa cầu, 2 đi-ốt phụ và 1 van IGBT có đấu đi-ốt song song ngược Thông thường khi hoạt động, S5 luôn ON và

SM có cấu trúc như 2 nửa cầu nối tiếp với nhau, điện áp đầu ra có 2 mức là 0 và E,

tổn thất là lớn hơn so với SM nửa cầu nhưng thấp hơn so với SM dạng cầu Khi

ghép các cấu hình đơn giản với nhau thì sẽ được nhiều dạng điện áp xếp chồng, tạo

ra điện áp hình sin mong muốn Cấu trúc dạng kẹp đôi như ở hình 2.3 [3]

S2

S1

Vc

+ -

C

S4S3

-C2

V C2

+

D7

Trang 23

kẹp đôi, ta thấy cấu trúc dạng này có số lượng van bán dẫn lớn nên chi phí cao và tổn hao trên van lớn Cấu trúc dạng liên kết chéo được chỉ ra như ở hình 2.4 [3]

Hình 2.4: Cấu trúc dạng liên kết chéo của Module trong MMC

2.2 Nguyên lý của bộ biến đổi đa mức cấu trúc module

Từ những phân tích ở mục 2.1, có thể tổng hợp lại thành bảng sau:

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

Đi-ốt kẹp

0, Vc Vc Vc Vc , ,(  ) Có Trung bình Liên kết chéo

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của từng Sub Module

Hình 2.5 mô tả trạng thái đóng cắt của hai van bán dẫn S1 và S2 khi dòng điện chảy trong bộ biến đổi nửa cầu ix có chiều dương ở hình 2.5.a và chiều âm ở hình 2.5.b Các trạng thái đóng cắt được mô tả cụ thể như sau:

-C2

V C2

+

Trang 24

a) Dòng điện i x có chiều dương

b) Dòng điện ix có chiều âm Hình 2.5: Trạng thái hoạt động và dạng điện áp ra của một Sub-module

Trường hợp dòng điện i x chảy trong mạch có chiều dương như hình a) Nếu van S1 ON, S2 OFF thì điện áp phía xoay chiều bộ biến đổi nửa cầu VSM = Vc, trạng thái này gọi là trạng thái module được chèn vào (inserted) Ngược lại nếu S1 OFF, S2 ON thì điện áp đầu ra của module VSM = 0, trạng thái này gọi là trạng thái module bị bỏ qua (bypass)

Trường hợp dòng điện i x chảy trong mạch có chiều âm như trên hình b) Trạng thái chèn vào cũng xảy ra khi S1 ON, S2 OFF Trạng thái bypass cũng xảy ra khi van S1 OFF, S2 ON

Trang 25

của 1 SM

Chiều dòng điện

Bảng 2.2: Bảng trạng thái van, điện áp đầu ra, chiều dòng điện và trạng thái tụ

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC

Hình 2.6: Mạch điện trên một pha của bộ biến đổi MMC tổng quát

Với cấu trúc MMC, năng lượng một chiều không lưu trữ ở một tụ đơn lẻ như đối với bộ nghịch lưu truyền thống, năng lượng sẽ được lưu trữ ở các tụ thuộc các Sub-module riêng lẻ Bộ điều khiển có nhiệm vụ giữ cho điện áp phân phối tốt nhất

Trang 26

Để giữ cho điện áp trên mỗi module riêng lẻ là không đổi, tổng số module được

kết nối trên một nhánh pha phải được giữ không đổi Giả sử có N module trên một

nửa nhánh pha, xét trường hợp tất cả các module trên nhánh phía trên được chèn vào và các module ở nhánh dưới bị bỏ qua, khi đó điện áp trung bình trên tụ của mỗi module là:

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

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

bình sẽ thành , khi đó điện áp trung bình sẽ thay đổi Để tránh trường hợp này,

chỉ có module ở nhánh trên và N-n module ở nhánh dưới được sử dụng để đạt

được điện áp đầu ra mong muốn

Tại một thời điểm chỉ có một nửa số lượng module thành phần được chèn vào, do đó tổng điện áp đặt lên tất cả các tụ (kể cả được chèn vào hay bỏ qua) bằng

2V DC

Trang 27

các tụ đủ lớn để điện áp không bị dao động Trong một chu kỳ, có 4 trạng thái khác nhau:

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

các module ở nhánh phía trên được bỏ qua do đó điện áp V DC /2 được nối trực tiếp

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

module nhánh dưới bằng V DC

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Trang 28

kV, đối với IGBT thường chịu được vài kV thì phải mắc nối tiếp các IGBT với nhau, do đó trong quá trình chuyển mạch, các van phải đồng thời cùng hoạt động Đối với MMC có số lượng Sub-module đủ lớn, điện

áp đặt trên các tụ loại bỏ được hạn chế đó và cải thiện được tỉ lệ lỗi

- Cấu trúc module cho phép hoạt động khi có module bị lỗi, đơn giản là bỏ qua module đó cho tới khi được thay thế hoặc sửa chữa Điện áp một chiều sẽ chia cho N-1 module còn lại và mạch vẫn có thể hoạt động bình thường

- Có thể thiết kế mạch MMC với các module dự phòng sử dụng trong trường hợp phát sinh hư hỏng, trường hợp các module dự phòng này được sử dụng, chúng sẽ được chèn vào mạch khi cần thiết

Kết luận: ở chương này ta đã nghiên cứu và tiếp cận tới cấu trúc của

Sub-module, cấu trúc cơ bản nhất để cấu tạo nên một bộ MMC điển hình, cùng với đó là nguyên lý hoạt động của bộ MMC, cách thức để tạo ra các cấp điện áp ở phía đầu

ra Tuy nhiên ta mới chỉ xét đến số lượng các SM được chèn vào, số lượng SM được bỏ qua, chứ chưa xét đến cách làm thế nào để xác định tại thời điểm đó ta cần bao nhiêu SM được chèn vào, bao nhiêu SM bị bỏ qua cho từng nhánh, từng pha

Đó chính là những công việc mà thuật toán NLM và NLM cải tiến thực hiện Nguyên lý thuật toán NLM sẽ được trình bày chi tiết ở chương 4

Trang 29

Chương 3 Mô hình hoá bộ biến đổi MMC

Chương 3

MÔ HÌNH HOÁ VÀ XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU

KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC

3.1 Mô hình hoá bộ biến đổi MMC xét trên một pha

Xét với nghịch lưu hai mức thông thường, bộ biến đổi chỉ đơn giản kết nối với

cực dương và âm của nguồn một chiều Bằng cách đóng ngắt một cách thích hợp

các phần tử , tín hiệu đầu ra phía xoay chiều là một dãy xung có tần số theo yêu cầu

và sóng hài bậc cao, có thể giảm bớt được bằng các bộ lọc

Nếu chỉ kết nối 2 module trong bộ MMC, hoạt động của bộ MMC sẽ giống

như đối với một bộ nghịch lưu hai mức thông thường Tuy nhiên thực tế, có N

module được nối tiếp trong cấu hình của bộ MMC Xét trên một pha của một bộ

MMC điển hình (hình 3.1), đầu ra xoay chiều được kết nối với điểm giữa của một

nhánh pha, mỗi nhánh pha bao gồm 2 nhánh phía trên và phía dưới, là nơi các

Sub-module được kết nối với nhau

Định nghĩa các ký hiệu như sau:

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

Dòng điện chảy trong hệ xoay chiều Dòng điện chảy trong mạch vòng , Dòng điện chảy trong nhánh trên và nhánh dưới của bộ biến đổi

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

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

, Tổng điện áp của các tụ thuộc module được chèn vào ở nhánh trên và dưới

∑

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

Trang 30

, Hệ số chèn của nhánh trên và nhánh dưới

Hình 3.1: Sơ đồ mạch một pha của một bộ MMC điển hình

Các module được mắc nối tiếp với nhau, do đó khi các module được chèn vào thì điện dung trong mỗi module cũng coi là mắc nối tiếp, điện dung tương đương trên mỗi nhánh được tính theo công thức:

Giả thiết bỏ qua sự mất cân bằng điện áp trong các tụ, coi như trường hợp lý tưởng là các tụ có mức năng lượng bằng nhau Ta có công thức điện áp tức thời

Trang 31

∑

Dòng điện đầu ra là:

Mong muốn rằng dòng điện trên nhánh trên và nhánh dưới bằng nhau để các

tụ không bị mất cân bằng bởi quá trình nạp và xả, tuy nhiên trong thực tế, có một dòng điện chảy trong mạch vòng là và ta có công thức tính dòng điện nhánh trên và nhánh dưới như sau:

Đặt =

∑ ∑

Công thức (3.10) trở thành:

Trang 32

Qua công thức trên ta có nhận xét dòng điện chảy vòng không ảnh hường đến điện áp đầu ra phía xoay chiều và dòng điện này chỉ phụ thuộc vào sự thay đổi của tổng điện áp tụ của nhánh tức phụ thuộc vào ,

Kết hợp các kết quả trên lại ta thành lập được hệ thống phương trình vi phân

mô tả một pha của bộ biến đổi MMC như sau:

Có thể thấy rằng điện áp đầu ra không phụ thuộc vào dòng điện chảy vòng

mà chỉ phụ thuộc vào điện áp một chiều và tổng điện áp trên các tụ ở nhánh trên và nhánh dưới Vì vậy, ta có thể thay đổi số mức điện áp ở đầu ra bằng cách thay đổi số lượng SM được chèn vào mà không cần xét tới ảnh hưởng của dòng

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

Bước tiếp theo của việc mô hình hoá là mở rộng bộ biến đổi MMC ra thành

ba pha, bằng cách thêm vào hai nhánh pha như chỉ ra ở hình 3.2 Hệ thống về bản chất hoạt động tương tự như xét trên một pha, chỉ khác ở chỗ có sự lệch pha giữa các pha này

Trang 33

Hình 3.2: Sơ đồ mạch ba pha của một bộ MMC điển hình

Trang 34

Trang 35

3.2.1 Phương pháp điều chế NLM

Phương pháp điều chế NLM (Nearest Level Modulation) được hiểu đơn giản

là sử dụng một chỉ số điều chế (m) trực tiếp tính toán xem có bao nhiêu Sub-module

được kết nối trong mỗi nhánh trên một pha để có thể đạt được điện áp đầu ra gần nhất với giá trị mong muốn tại một thời điểm bất kỳ, như được minh hoạ trong hình 3.3 [2]

Hình 3.3 : Phương pháp NLM áp dụng cho bộ MMC với 10 module trên một nhánh

pha với chỉ số điều chế bằng 0.85 biên độ

Điều này được thực hiện như sau:

- Lấy một chỉ số điều chế m (biên độ bằng 2 (±1) và nhân với một nửa số

module trên mỗi nhánh để tạo ra một tín hiệu có biên độ tối đa bằng với số module

- Thêm vào một nửa số Sub-module trên mỗi nhánh để tín hiệu thu được dao động trong khoảng 0 đến giá trị bằng tổng số module (tạo ra N+1 mức điện áp với phương pháp NLM thông thường, và tạo ra 2N+1 mức điện áp với phương pháp NLM cải tiến)

- Tín hiệu thu được được làm tròn tới số nguyên gần nhất để đảm bảo một số lượng module thích hợp được chèn vào ở nhánh dưới Số lượng các Sub-module thành phần được chèn vào hoặc bỏ qua được tính toán như sau:

2−

( )

Trang 36

Hình 3.4: Phương pháp điều chế NLM, dạng điện áp ra trên một nhánh

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

Nhược điểm: Kỹ thuật này cũng có nhược điểm là số lượng chuyển mạch thấp cũng tạo ra sự dao động lớn trong điện áp của các module Khi thực hiện bám theo điện áp đầu ra hình sin, số lượng các module được chèn vào sẽ tăng dần cho tới khi cực đại, sau đó giảm dần Một module được chèn vào khi điện áp hình sin đang tăng dần sẽ không thể bỏ qua cho tới khi điện áp xoay chiều đầu ra đạt tới giá trị lớn nhất, do đó module đó sẽ được chèn vào trong ít nhất là nửa chu kỳ trước khi nó có

V ref_arm (t)

( − 1)

( − 2)

( − 3)

Trang 37

3.2.2 Phương pháp điều chế véc tơ không gian

Phương pháp điều chế véctơ r không gian (SVM) xuất phát từ những ứng dụng của véctơ r không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng và phát triển trong các hệ thống điện ba pha [2] Phương pháp điều chế véctơ r không gian

và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số

và là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết

bị công suất trên hệ thống truyền tải điện

Hình 3.5: Véctơ không gian cho nghịch lưu N mức

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

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

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

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	2,96 MB