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

2 Đối tượng nghiên cứu: BBĐ đa mức cấu trúc MMC, các phương pháp điều chế SVM, PWM, NLM, phương pháp điều khiển MPC áp dụng cho MMC để cân bằng điện áp trên các tụ điện và suy giảm thành

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Bộ biến đổi (BBĐ) đa mức được coi như một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao 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 Với cấu trúc mô đun hóa, MMC

có thể tạo ra số mức rất lớn Chiến lược điều khiển cho MMC bao gồm: 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 Các kỹ thuật điều chế 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 Phương pháp điều chế SVM có những ưu điểm ở khả năng linh hoạt hơn nhiều so với PWM dựa trên sóng mang 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 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 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 So với các BBĐ đa mức khác thì trong mạch MMC có tồn tại dòng điện vòng, dòng điện vòng trong MMC đóng vai trò là dòng DC quyết định sự cân bằng công suất giữa phía DC với phía AC Vì vậy suy giảm thành phần sóng hài của dòng điện vòng là một nhiệm vụ quan trọng của hệ thống điều khiển Luận án này tập trung nghiên cứu về BBĐ đa mức có cấu trúc MMC

2

Đối tượng nghiên cứu:

BBĐ đa mức cấu trúc MMC, các phương pháp điều chế SVM, PWM, NLM, phương pháp điều khiển MPC áp dụng cho MMC để cân bằng điện áp trên các tụ điện và 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 Thực nghiệm các phương pháp điều chế cho MMC nhúng trong đối tượng xử lý tín hiệu số FPGA AX309 Xlinx 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 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 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

Về thực tế: Đề tài xây dựng mẫu thí 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

Những đóng góp mới của luận án:

1 Xây dựng thuật toán điều chế PWM, NLM, SVM 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 Trong đó, luận án đã xây dựng thuật toán chuyển mạch tối ưu cho MMC có số mức bất kỳ nhằm đơn giản hóa thuật toán điều chế SVM đối với MMC có số mức lớn

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

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 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 hệ thống 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 I/O để chứng minh quá trình làm việc của MMC với các phương pháp điều chế NLM, PWM, SVM đã

đề xuất

Bố cục luận án gồm 5 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về BBĐ đa mức MMC

Chương 2 Thực hiện mô hình hóa BBĐ MMC

Chương 3 Các phương pháp điều chế cho BBĐ MMC

Chương 4 Hệ thống điều khiển trong các ứng dụng cho BBĐ MMC Chương 5 Xây dựng hệ thống thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC MMC là BBĐ đa mức 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 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 BBĐ MMC có thể khắc phục được những nhược

4

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

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

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

SM1 SM2 SMN

SMN+1 SMN+2 SM2N

SMN+1 SMN+2 SM2N

SM1 SM2 SMN

SMN+1 SMN+2 SM2N

SM S1 S2

Hình 1.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC

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; chi phí giá thành thấp hơn so với các BBĐ cùng cấp điện áp; 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

* 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 tăng giới hạn chịu đựng của các linh kiện bán dẫn; Điều khiển phức tạp khi số mức điện áp tăng và số lượng SM lớn

1.2 Vấn đề điều chế cho bộ biến đổi MMC

Các phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức 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 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

Hình 1.2 Tổng quan về phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức

1.3 Vấn đề điều khiển cho bộ biến đổi MMC

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 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

1.3.1 Vấn đề điều khiển cân bằng điện áp tụ điện trong MMC Cân bằng điện áp trong 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 Có nhiều phương pháp cân bằng điện áp tụ điện của MMC đã

6

được nghiên cứu trong các tài liệu 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 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 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 một trong những ưu điểm lớn của phương pháp điều khiển dự báo vì bộ điều khiển MPC 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

1.3.2 Vấn đề điều khiển dòng điện vòng

Dòng điện vòng được sinh ra trong cả ba pha của BBĐ do sự phóng

và nạp của điện áp tụ điện mỗi SM trong quá trình hoạt động 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 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 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 páp

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

1.5 Định hướng nghiên cứu và đóng góp của luận án

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 trong mỗi pha

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI MMC 2.1 Mô hình của BBĐ MMC khi nối tải R-L

SM1 SM2 SMN

SMN+1 SMN+2

Mô hình BBĐ MMC nối lưới được thể hiện như hình Hình 2.2 Phương trình toán học của sơ đồ Hình 2.2 mô tả như (2.5)

mô hình trong chế độ cơ bản nối tải RL, mô hình trong chế độ kết nối lưới điện

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SVM CHO BỘ

BIẾN ĐỔI MMC3.1 Phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức

V1

V2 V3

V4

V7 V8

V9 V10

(0,1,1) (-1,0,0) (-1,1,1)

(1,1,0) (0,0,-1) (1,0,-1) (1,1,-1)

(0,-1,1)

(1,0,1) (0,-1,0)

(-1,-1,1)

(-1,-1,0) (0,0,1) (-1,0,1)

(1-,1,0)

(-1,0,-1) (0,1,0)

(0,1,-1) (-1,1,-1)

(1,1,1) (-1,-1,-1)

Hình 3.1 Trạng thái vector điện áp của BBĐ ba mức

10

Hình 3.1 thấy rằng trong hệ tọa độ abc vector V7 (1,-1,-1) có

trạng thái ngược dấu với vector đối xứng qua gốc tọa độ, V13 1,1,1), V8 (1,0,-1) ngược dấu với V14 (-1,0,1)…

(-3.1.1 Tính các hệ số điều chế theo phương pháp điều chế từ ba vector gần nhất

Gọi m g , m h là phần thập phân ngoài phần nguyên của tọa độ v rg,

, Equation Chapter (Next) Section 1(3.1)

Có thể thấy rằng đường thẳng m gm h 1 chia hình thoi trên hình 5 ra làm hai tam giác, trong đó vector V1 thuộc miền m gm h 1

và vector V2 thuộc miền m gm h 1

Vector V1 có thể tổng hợp từ 3 vector p1, p2, p3 như sau:

3.1.2 Xác định vị trí của vectơ v trong sector lớn

Thể hiện trên mặt phẳng vector ba hệ tọa độ góc phần sáu (Z1x,

Z1y), (Z2x, Z2y), (Z3x, Z3y), như trên Hình 3.3, trong đó (Z1x, Z1y) đã sử

dụng ở trên như hệ tọa độ gh, sẽ giúp phân biệt được ngay các góc

phần sáu I, II, …, IV

Z 1x

Z 1y

0

I II

IV V VI

Z 3x

Z 3y

0

I II III

IV V VI

Hình 3.4 Thuật toán xác định sector lớn

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

V1

V2 V3

V4

V7 V8

V9 V10

(0,1,1) (-1,0,0) (-1,1,1)

(-1,-1,1)

(-1,-1,0) (0,0,1) (-1,0,1)

(1-,1,0)

(-1,0,-1) (0,1,0)

(0,1,-1) (-1,1,-1)

(1,1,1) (0,0,0) (-1,-1,-1)

4

Hình 3.5 Trật tự chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu ba pha 3 mức

12

3.3 Thực hiện quy luật điều chế SVM cho MMC

S1 S2 V C

V g

V h

[V gu ] [V gl ]

[V hu ]

[V hl ]

Chọn tam giác 1 hoặc 2

và hệ số điều chế

Xung điều khiển van pha B Xung điều khiển van pha C

SM 1a

SM 2a

SM 3a SM4 a

Hình 3.6 Cấu trúc phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC

3.4 Mô phỏng phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC

Hình 3.11 Dòng điện vòng trong mỗi pha của bộ biến đổi MMC

3.5 Điều khiển dự báo cân bằng điện áp trung bình tụ điện

Mô hình dự báo dòng điện vòng trong chu kỳ làm việc tiếp theo

Mô hình dự báo điện áp tụ điện:

Để cân bằng điện áp trên tụ quanh giá trị cân bằng V DC /N , hàm

mục tiêu được tối thiểu như phương trình (3.6)

14

u 2 (k) = [i A i B i C ]

u 3 (k) = [i vA i vB i vC ]

u 4 (k) = [v e_H A v e_H B v e_HC v e_LA v e_LB v e_LC ]

u 5 (k) = [v _diffA v _diffA v _diffA ]

J vmin = J v ; k opt = k sim ; k AB Cout = k AB C

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

PR1 PR2

PI

1/2

ivj

Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển dòng điện vòng một pha của MMC

3.7 Kết quả mô phỏng MMC dựa trên thuật toán điều khiển dự báo dòng điện vòng và cân bằng điện áp tụ điện cho MMC