Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:163

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm xây dựng thuật toán điều chế cho MMC có khả năng mở rộng để tạo sốmức 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa

LỜI CAM ĐOAN 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 i
LỜI CẢM ƠN 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 ii
MỤC LỤC 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 iii
3.6 Mô phỏng phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC ............................. 67 3.7 Điều khiển dự báo cân bằng điện áp trung bình tụ điện ................................ 69 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 iv
5.3.3 Kết quả thực nghiệm phương pháp điều chế SVM cho MMC ............... 124 5.4 Tóm tắt và kết luận ........................................................................................ 125 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 v
DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa L H Cuộn cảm trên tải R  Điện trở trên tải Lo H Cuộn cảm trên nhánh của MMC C F Tụ điện của SM Ro  Điện trở nhánh của MMC U V Điện áp nguồn điện phía xoay id, iq A Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ dq i∝, iβ A Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ ∝β iv A Dòng điện vòng ix A Dòng điện phía đầu ra xoay chiều iDC A Dòng điện phía một chiều iref A Dòng điện đặt iref_d, iref_d A Dòng điện đặt trục d và trục q trong hệ tọa độ dq iHx A Dòng điện chạy ở nhánh trên iLx A Dòng điện chạy ở nhánh dưới vHx V Điện áp tổng của nhánh trên vx V Điện áp ra phía xoay chiều vLx V Điện áp tổng của nhánh dưới VDC V Điện áp nguồn một chiều VC V Điện áp tụ điện Vdiff V Độ chênh lệch điện áp nhánh trên và nhánh dưới P W Công suất tác dụng Q Var Công suất phản kháng VSM V Điện áp của SM vex V Điện áp ra của bộ biến đổi kH, kL Chỉ số chèn của SM ở nhánh trên và nhánh dưới VCx V Điện áp tổng của tụ điện được chèn vào trong một pha Cx F Điện dung tổng trong một pha Cl F Điện dụng bộ lọc nối lưới Ll H Điện cảm bộ lọc nối lưới ωs rad/s Tần số góc dòng điện và điện áp lưới vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ĐTCS Điện tử công suất BBĐ Bộ biến đổi 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 Mảng cổng lập trình được Array HB H-Bridge Cầu H DSP Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số FACTS Flexible AC Transmission Hệ thống truyền tải xoay chiều linh System hoạt FC Flying Capacitor Tụ bay IGBT Insulated Gate Bipolar Van IGBT Transistor PV Photovoltaic Điện mặt trời 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 PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung MMC Modular multilevel Converter Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module STATCOM Static Synchronous Thiết bị bù đồng bộ tĩnh Compensator 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 SM Sub Module Bộ biến đổi nửa cầu PS-PWM Phase Shift Carrier Based Điều chế theo sóng mang dạng dịch pha Modulation LS-PWM Level Shift Carrier Based Điều chế theo sóng mang dạng dịch mức Modulation IPD In Phase Disposition Sóng mang cùng pha POD Phase Opposite Disposition Sóng mang đối xứng qua trục thời gian APOD Alternative Phase Opposite Sóng mang ngược pha giữa hai sóng Disposition mang kề nhau, dịch một góc 180o CSPK Công suất phản kháng vii
DANH MỤC BẢNG 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 [kg, kh] , mg + mh 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 [kg, kh], mg + mh 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, mg + mh 1............... 62 Bảng 3.11 Bảng các hệ số điều chế cho các pha, sector II, IV, VI, mg + mh 1........ 63 viii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 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 180o 38 Hình 2.17 Điều chế sóng mang dịch pha sử dụng hai sóng sin ngược pha 180o ..... 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 ix
Hình 2.32 Dòng điện vòng trong mỗi pha của BBĐ MMC ...................................... 43 Hình 2.33 Kết quả phân tích Fourier điện áp đầu ra pha A .................................... 44 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 mg + mh 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 kHx và kHx trong suốt một nửa chu kỳ đóng cắt Ts ................. 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 JVmin và kOpt .................... 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 x
Hình 3.35 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc mạch lực và các tin hiệu đo lường để điều khiển cho BBĐ MMC 13 mức. .................................................................................. 81 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 mg, mh trong điều chế SVM............. 83 Hình 3.40 Mô hình lập trình xác định tọa độ nguyên kg, kh; kiểu tam giác D1, D2 và các hệ số d1, d2, d3 .................................................................................................... 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 kopt trong hệ tọa độ dq ................................................. 87 Hình 3.52 Hình dạng hệ số kA, kB, kC trong điều chế SVM....................................... 88 Hình 3.53 Hình dạng hệ số điều chế dA, dB, dC trong điều chế SVM ....................... 88 Hình 3.54 Hình dạng giá trị tối thiểu của hàm mục tiêu Jvmin .................................. 88 Hình 3.55 Giá trị thực của ivA, vHA, vLA, vdiff_A ......................................................... 88 Hình 3.56 Giá trị dự báo của ivA, vHA, vLA, 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 id trong hệ tọa độ dq ................................................. 97 Hình 4.10 Đáp ứng dòng điện iq 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 xi
Hình 4.14 Kết quả phân tích Fourier dòng điện xoay chiều ................................... 98 Hình 4.15 Cấu trúc hệ thống D-STATCOM .......................................................... 100 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 xii
Hình 5.26 Hình dạng dòng điện trên tải xoay chiều của pha A, B, C .................... 123 Hình 5.27 Hình dạng điện áp trên tụ điện của SM1 pha A, B, C ........................... 123 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 xiii
Mở đầu 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 1
Mở đầu 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 2
Mở đầu 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 3
Mở đầu 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. 4
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC 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 5
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC 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]. 6
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC 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 7