Đồ án: Nghiên cứu D-STATCOM và Phương Pháp MPC cho Bộ Biến Đổi MMC - Đại học Bách Khoa Hà Nội

Nghiên cứu D-STATCOM dùng bộ biến đổi MMC và điều khiển MPC nhằm nâng cao chất lượng điện năng, cải thiện độ ổn định cho hệ thống điện.

• Tác giả: Nguyễn Văn Vũ
• Người hướng dẫn: Phạm Việt Phương
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu thiết bị D-STATCOM và phương pháp MPC cho bộ biến đổi MMC
• Loại tài liệu: Đồ án chuyên ngành
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Tóm tắt nội dung đồ án
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: BỘ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH D-STATCOM
• 1.1. D-STATCOM là gì?
• 1.2. Cấu tạo và chức năng của D-STATCOM
• 1.3. Sơ đồ một pha tương đương, nguyên lý hoạt động của D-STATCOM
• 1.4. Chế độ hoạt động của D-STATCOM
• 1.5. Tác dụng của bộ biến đổi nguồn áp trong D-STATCOM
• 1.6. Tổng hợp nội dung đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC
• 2.1. Cấu trúc bộ biến đổi MMC
• 2.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các Sub-Module
• 2.3. Nguyên lý hoạt động của MMC
• 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO D-STATCOM
• 3.1. Giới thiệu chung về phương pháp điều khiển dự báo
• 3.2. Áp dụng bộ điều khiển dự báo MPC cho bộ biến đổi công suất
• 4. MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG
• 4.1. Đề xuất định hướng phát triển đề tài:
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám Phá D STATCOM MMC Công Nghệ Nền Tảng Chất Lượng Điện 57

Trong bối cảnh lưới điện hiện đại phải đối mặt với nhu cầu phụ tải biến đổi liên tục và xu hướng tăng lên, việc đảm bảo chất lượng điện năng và ổn định hệ thống trở thành thách thức hàng đầu. Các giải pháp truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS - Flexible AC Transmission System) đã ra đời để giải quyết vấn đề này. Trong số đó, D-STATCOM (Distribution Static Synchronous Compensator) nổi bật như một thiết bị điện tử công suất tiên tiến, được thiết kế để cải thiện độ tin cậy hệ thống và ổn định điện áp tại các điểm kết nối trong lưới phân phối. D-STATCOM hoạt động bằng cách điều khiển chủ động việc trao đổi công suất phản kháng (và công suất tác dụng) với lưới, qua đó điều chỉnh điện áp và giảm thiểu sóng hài.

Đồ án này tập trung nghiên cứu sâu về D-STATCOM và phương pháp Điều khiển dự báo mô hình (MPC) cho Bộ biến đổi MMC (Modular Multilevel Converter) – một cấu trúc biến đổi đa mức hiện đại, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Bộ biến đổi MMC không chỉ cung cấp giải pháp cho các ứng dụng công suất lớn, điện áp cao như ứng dụng HVDC, mà còn là nền tảng lý tưởng để tích hợp với D-STATCOM nhằm đạt được hiệu suất tối ưu. Sự kết hợp này hứa hẹn khả năng phản ứng nhanh trong việc bù công suất, duy trì chất lượng điện năng cao và nâng cao hiệu suất năng lượng cho toàn bộ hệ thống điện lưới.

Việc nghiên cứu và áp dụng MPC vào D-STATCOM sử dụng MMC không chỉ là một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật điện mà còn mở ra tiềm năng lớn cho các lưới điện thông minh (smart grid) trong tương lai. Mục tiêu chính là phát triển các thuật toán điều khiển hiệu quả, giúp tối ưu hóa hệ thống điện, đảm bảo cung cấp điện ổn định và đáng tin cậy. Chương 1 của tài liệu đã trình bày khái niệm, cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng của D-STATCOM [tr. 6]. Chương 2 tập trung vào Bộ biến đổi đa mức MMC, làm rõ cấu trúc MMC và nguyên lý hoạt động của MMC [tr. 6]. Phần tiếp theo sẽ đi sâu vào phương pháp điều khiển dự báo MPC và các giải pháp tích hợp để nâng cao hiệu suất toàn diện.

1.1. D STATCOM là gì Nguyên lý và Vai trò trong Lưới Điện 57

D-STATCOM là một thiết bị điện tử công suất thuộc nhóm FACTS, có khả năng điều khiển điện áp tại điểm kết nối một cách chủ động. Cấu tạo của D-STATCOM bao gồm bộ biến đổi nguồn áp (VSC - Voltage Source Converter), tụ DC, cuộn kháng hoặc máy biến áp ghép nối và một bộ điều khiển [tr. 1]. Chức năng chính là điều chỉnh độ lớn điện áp bằng cách tự động hấp thụ hoặc phát ra công suất phản kháng cho lưới điện xoay chiều. Thiết bị này nổi trội hơn các thiết bị FACTS khác nhờ khả năng cung cấp CSPK thay đổi, vận hành không ồn, tổn thất ít và đặc biệt là khả năng ổn định điện áp lưới hiệu quả [tr. 1].

Nguyên lý hoạt động của D-STATCOM dựa trên việc sử dụng bộ biến đổi nguồn áp (BBĐ) để tạo ra điện áp xoay chiều AC từ nguồn DC. Việc điều chỉnh điện áp đầu ra phía AC cho phép D-STATCOM trao đổi công suất phản kháng. Khi điện áp lưới và điện áp bộ chuyển đổi cùng pha, nếu độ lớn của điện áp lưới nhỏ hơn điện áp bộ chuyển đổi, D-STATCOM sẽ cung cấp công suất phản kháng và ngược lại [tr. 2-3]. Hiệu suất của D-STATCOM phụ thuộc trực tiếp vào thuật toán điều khiển được áp dụng. D-STATCOM có ứng dụng rộng rãi từ bù công suất phản kháng tại các nút lưới, ổn định điện áp trong các nhà máy điện gió, đến hạn chế sóng hài trong các nhà máy luyện kim và nâng cao chất lượng điện năng cho các tòa nhà [tr. 2].

1.2. Bộ Biến Đổi MMC Kiến Trúc Hiện Đại và Ưu Điểm Nổi Bật 60

Bộ biến đổi MMC là một trong những công nghệ kỹ thuật điện tử công suất đột phá, lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 2003. Đặc điểm khác biệt của MMC so với các bộ biến đổi đa mức khác nằm ở khả năng ứng dụng cho dải công suất lớn và điện áp cao, trở thành giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp công suất lớn, kết nối các hệ thống điện phân tán và đặc biệt phù hợp cho hệ thống truyền tải năng lượng điện một chiều công suất lớn và khoảng cách xa (HVDC) [tr. 7].

Cấu trúc bộ biến đổi MMC được xây dựng từ một số lượng lớn các Module con (Sub-Module - SM) mắc nối tiếp với nhau. Mỗi pha của MMC gồm hai nhánh (trên và dưới), mỗi nhánh chứa N Module SM. Số lượng SM càng nhiều thì chất lượng điện áp đầu ra càng cao và số mức điện áp đầu ra cũng tăng theo [tr. 7]. Ưu điểm chính của MMC bao gồm khả năng làm việc với điện áp và công suất lớn, tính khả dụng cao do cấu trúc module, tổn hao công suất thấp nhờ tần số đóng mở van thấp, và kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên, MMC vẫn đối mặt với nhược điểm như sự tồn tại của dòng điện chảy vòng từ phía một chiều qua mỗi pha, gây tổn thất năng lượng và làm tăng độ phức tạp của điều khiển dòng điện [tr. 5-6].

II. Thách Thức Nâng Cao Chất Lượng Điện Năng Giải Pháp D STATCOM MPC 60

Hệ thống điện lưới hiện đại đang phải đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng liên quan đến chất lượng điện năng và ổn định điện áp. Sự gia tăng của các tải phi tuyến, các nguồn năng lượng tái tạo phân tán và nhu cầu điện biến động liên tục đã dẫn đến các vấn đề như méo sóng hài (harmonics), dao động điện áp, và giảm sụt áp. Các vấn đề này không chỉ gây tổn thất năng lượng mà còn ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện tử công suất và độ tin cậy hệ thống nói chung.

Để duy trì một hệ thống điện ổn định và hiệu quả, việc bù công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp là hết sức cần thiết. D-STATCOM đã chứng tỏ vai trò quan trọng trong việc cung cấp phản ứng nhanh để giải quyết các vấn đề này. Tuy nhiên, khi kết hợp với các bộ biến đổi đa mức MMC, một cấu trúc phức tạp với nhiều module con, việc điều khiển trở nên thách thức hơn. Bộ biến đổi MMC dù có nhiều ưu điểm, nhưng cũng tồn tại dòng điện vòng và yêu cầu cân bằng điện áp trên các tụ điện của Sub-Module (SM) để hoạt động an toàn và hiệu quả [tr. 12].

Chính vì những thách thức này, phương pháp điều khiển dự báo mô hình (MPC) được xem xét như một giải pháp đầy tiềm năng. MPC có khả năng xử lý các ràng buộc và phi tuyến, cũng như tối ưu hóa hệ thống điện với nhiều biến điều khiển cùng lúc, mang lại hiệu suất năng lượng cao hơn. Việc nghiên cứu tích hợp D-STATCOM với Bộ biến đổi MMC dưới sự điều khiển của MPC không chỉ nhằm nâng cao chất lượng điện năng, mà còn hướng đến việc xây dựng một hệ thống điện linh hoạt và đáng tin cậy hơn, đáp ứng yêu cầu của lưới điện thông minh (smart grid) trong tương lai [tr. 18]. Các chương tiếp theo sẽ đi sâu vào cách MPC giải quyết các vấn đề này thông qua các thuật toán điều khiển tiên tiến.

2.1. Nhu Cầu Bù Công Suất và Ổn Định Điện Áp Lưới Điện Hiện Đại 60

Lưới điện phân phối nước ta hiện nay thường xuyên đối mặt với nhu cầu sử dụng phụ tải thay đổi liên tục, có xu hướng tăng cao, gây áp lực lớn lên hệ thống truyền tải điện. Để cải thiện chất lượng điện áp và giảm tổn thất, việc đặt các thiết bị nguồn có điều khiển là cần thiết. D-STATCOM là một trong những thiết bị FACTS được ứng dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng và ổn định điện áp tại các nút của lưới điện [tr. 2]. Chức năng của D-STATCOM là điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối bằng cách tự động hấp thụ hoặc phát ra công suất phản kháng cho lưới điện xoay chiều. Điều này đặc biệt quan trọng trong các nhà máy điện gió để ổn định điện áp lưới, điều chỉnh hệ số công suất và giảm nhấp nháy điện áp [tr. 2]. Việc duy trì điện áp ổn định không chỉ nâng cao chất lượng điện năng mà còn tăng cường độ tin cậy hệ thống cho các thiết bị nhạy cảm như máy tính, thang máy, và thiết bị điện tử khác.

2.2. Kiểm Soát Sóng Hài và Các Vấn Đề Từ Bộ Biến Đổi Công Suất 61

Sự phát triển của kỹ thuật điện tử công suất và việc sử dụng ngày càng nhiều các bộ biến đổi trong hệ thống điện đã mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng kéo theo thách thức về sóng hài (harmonics). Các bộ biến đổi như MMC khi hoạt động có thể tạo ra các thành phần sóng hài trong dòng điện và điện áp, gây méo dạng sóng, làm giảm chất lượng điện năng và ảnh hưởng đến các thiết bị khác trong hệ thống điện lưới. D-STATCOM có vai trò quan trọng trong việc hạn chế sóng hài, đặc biệt trong các nhà máy luyện kim sử dụng lò hồ quang, lò cao tần hoặc các dây chuyền sản xuất tự động [tr. 2].

Ngoài ra, đối với Bộ biến đổi MMC, việc kiểm soát nội bộ là rất quan trọng. MMC hoạt động dựa trên việc cộng dồn điện áp của các Sub-Module (SM) [tr. 8]. Yêu cầu điều khiển của MMC bao gồm điều khiển dòng điện và điều khiển điện áp đầu ra, cũng như các đại lượng bên trong như cân bằng điện áp trên tụ điện của SM và giảm thiểu dòng điện vòng [tr. 12]. Dòng điện vòng tồn tại do quá trình nạp xả liên tục của tụ điện và độ nhấp nhô của điện áp tụ, có thể gây ra méo dòng điện nhánh và làm hỏng van bán dẫn [tr. 12]. Giải quyết các vấn đề này là chìa khóa để đảm bảo hiệu suất năng lượng và độ tin cậy hệ thống cho D-STATCOM và MMC.

III. MPC Nâng Tầm Điều Khiển D STATCOM MMC Bí Quyết Tối Ưu 60

D-STATCOM có khả năng cung cấp nhanh chóng và hiệu quả công suất phản kháng để nâng cao độ ổn định điện áp. Phần quan trọng nhất của bộ bù này là hệ thống điều khiển. Trong số các thuật toán điều khiển tiên tiến, Điều khiển dự báo mô hình (MPC) đang nổi lên như một phương pháp vượt trội, đặc biệt cho các bộ biến đổi điện tử công suất như Bộ biến đổi MMC. MPC khác biệt với các phương pháp truyền thống như điều khiển PI hay điều khiển trễ ở chỗ nó có thể được triển khai một cách đơn giản mà không cần bộ điều chế PWM hay SVM phức tạp [tr. 18].

Một trong những ưu điểm nổi bật của MPC là khả năng xử lý các vấn đề về ràng buộc và phi tuyến, cũng như không giới hạn số lượng biến điều khiển. Điều này có nghĩa là MPC có thể đồng thời điều khiển dòng điện, điều khiển điện áp và các đại lượng nội bộ khác của MMC, như cân bằng điện áp trên tụ điện SM và giảm thiểu dòng điện vòng, mang lại hiệu suất năng lượng và độ tin cậy hệ thống cao hơn [tr. 18]. Nghiên cứu khoa học kỹ thuật điện trong lĩnh vực này đã chỉ ra rằng MPC cho chất lượng điều khiển tốt và phản ứng nhanh, có thể thay thế các phương pháp truyền thống.

Khi áp dụng MPC cho Bộ biến đổi MMC với số lượng van đóng cắt rất lớn, phương pháp này khai thác tối đa ưu điểm của cả bộ điều khiển và bộ biến đổi, giảm khối lượng tính toán và đơn giản hóa quá trình thiết kế so với các bộ điều khiển khác. MPC nâng cao chất lượng dạng sóng đầu ra và kiểm soát tốt sự ổn định của dòng điện và điện áp phía đầu ra bộ biến đổi [tr. 20]. Tuy nhiên, để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động, MPC vẫn cần sự kết hợp với các thuật toán điều khiển và phương pháp khác, đặc biệt trong việc xây dựng hàm mục tiêu và mô hình toán học rời rạc chính xác cho hệ thống điện phức tạp. Chương 3 của tài liệu đã giới thiệu chung về MPC và cách áp dụng nó trong thiết kế điều khiển cho D-STATCOM [tr. 18].

3.1. Phương Pháp Điều Khiển Dự Báo Mô Hình MPC Nền Tảng và Nguyên Lý 60

Điều khiển dự báo mô hình (MPC) là một phương pháp điều khiển tiên tiến, xuất hiện từ những năm 1960, giải quyết các bài toán tối ưu trong miền thời gian [tr. 18]. Nguyên lý cốt lõi của MPC là sử dụng một mô hình toán học của đối tượng để dự đoán các đáp ứng tương lai trong một khoảng thời gian xác định (Prediction Horizon). Dựa trên các dự đoán này, một thuật toán tối ưu sẽ được sử dụng để tính toán chuỗi tín hiệu điều khiển trong khoảng điều khiển (Control Horizon), sao cho sai lệch giữa tín hiệu đặt và đáp ứng là nhỏ nhất [tr. 18]. Hàm mục tiêu là yếu tố trung tâm của MPC, được thiết kế để tối ưu hóa hệ thống điện và điều khiển các biến cụ thể, có thể bao gồm điều khiển dòng điện, điều khiển điện áp hoặc cân bằng năng lượng.

Cấu trúc điều khiển của MPC bao gồm ba khối chính: khối mô hình dự báo (xác định tín hiệu ra tương lai), khối hàm mục tiêu (xác định các biến bám theo tín hiệu đặt), và khối tối ưu hóa (tìm nghiệm giá trị điều khiển để hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ nhất) [tr. 19]. Mặc dù việc triển khai MPC yêu cầu năng lực tính toán lớn do phức tạp về mặt toán học, sự phát triển của bộ vi xử lý đã giúp MPC được áp dụng rộng rãi hơn trong kỹ thuật điện tử công suất [tr. 20]. MPC đặc biệt phù hợp với hệ thống nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO) và có thể xử lý các điều kiện ràng buộc một cách hiệu quả.

3.2. FCS MPC Giải Pháp Đột Phá Cho Bộ Biến Đổi Công Suất Đa Mức 63

Trong kỹ thuật điện tử công suất, phương pháp điều khiển dự báo MPC được chia thành hai nhóm chính: CCS-MPC (tín hiệu liên tục) và FCS-MPC (tín hiệu hữu hạn các trạng thái) [tr. 21]. Đối với các bộ biến đổi công suất, đặc biệt là Bộ biến đổi MMC với các trạng thái đóng cắt của van là hữu hạn, FCS-MPC là lựa chọn phù hợp nhất. Phương pháp này giảm đáng kể số lượng tính toán và thời gian xử lý, nhờ việc giới hạn miền dự báo trong các trạng thái đóng cắt khả thi của van [tr. 21].

Mô hình dự báo trong FCS-MPC được xây dựng dựa trên mối quan hệ giữa các trạng thái đóng cắt, biến điều khiển và hàm mục tiêu. Tại mỗi giai đoạn điều khiển, FCS-MPC tính toán giá trị của các biến điều khiển ở giai đoạn tiếp theo cho từng trạng thái đóng cắt trong tập hữu hạn. Sau đó, hàm mục tiêu ước tính giá trị của từng biến dự báo và trạng thái chuyển mạch với hàm mục tiêu tối ưu nhất sẽ được lựa chọn cho chu kỳ điều khiển kế tiếp [tr. 21]. So với bộ điều khiển PI truyền thống, FCS-MPC có cấu trúc đơn giản hơn do không cần bộ điều chế và bộ lọc. Hơn nữa, nó giúp giảm biên độ nhấp nhô điện áp và sóng hài (harmonics), góp phần nâng cao chất lượng điện năng [tr. 21]. Sự phát triển nhanh chóng của các bộ xử lý như DSP (Digital Signal Processor) và FPGA (Field Programmable Gate Array) đã giúp việc hiện thực hóa FCS-MPC trở nên linh hoạt và dễ dàng hơn.

IV. Thiết Kế Điều Khiển MPC Toàn Diện cho D STATCOM MMC 59

Để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và chất lượng điện năng của D-STATCOM khi tích hợp với Bộ biến đổi MMC, việc thiết kế một hệ thống điều khiển toàn diện là vô cùng quan trọng. Phương pháp điều khiển dự báo mô hình (MPC) được lựa chọn làm nền tảng cho mạch vòng điều khiển bên trong, tập trung vào điều khiển dòng điện pha và điều khiển dòng điện vòng của MMC. Cấu trúc điều khiển cho D-STATCOM bù công suất phản kháng thường bao gồm hai mạch vòng: mạch vòng trong sử dụng MPC và mạch vòng ngoài để điều chỉnh điện áp lưới hoặc bù công suất phản kháng [tr. 26].

Một trong những thách thức lớn trong điều khiển MMC là duy trì cân bằng điện áp trên tụ điện SM và giảm thiểu dòng điện vòng. Mặc dù có thể tích hợp thuật toán cân bằng điện áp vào hàm mục tiêu của MPC [tr. 26], phương pháp này có thể làm tăng đáng kể khối lượng tính toán. Do đó, trong nghiên cứu này, thuật toán cân bằng năng lượng được đặt ở bên ngoài MPC để xác định SM nào sẽ được chèn vào hoặc bỏ qua, giúp giảm thiểu độ phức tạp tính toán của bộ điều khiển chính [tr. 26].

Việc xây dựng mô hình toán học rời rạc chính xác của hệ thống điện là bước thiết yếu để MPC có thể dự đoán trạng thái tương lai của các biến điều khiển. Tài liệu sử dụng phương pháp chuyển tiếp Euler để rời rạc hóa các phương trình vi phân mô tả D-STATCOM và MMC, cho phép MPC đưa ra các quyết định điều khiển tối ưu trong mỗi chu kỳ lấy mẫu [tr. 25]. Thiết kế mạch vòng ngoài, thường sử dụng bộ điều khiển PI, sẽ tính toán giá trị đặt cho mạch vòng trong, đảm bảo D-STATCOM đáp ứng yêu cầu bù công suất phản kháng theo mong muốn, duy trì ổn định điện áp và giảm thiểu sóng hài trong hệ thống điện lưới.

4.1. Xây Dựng Hàm Mục Tiêu và Mô Hình Toán Học Rời Rạc Hiệu Quả 62

Để phương pháp điều khiển dự báo mô hình (MPC) hoạt động hiệu quả, việc xây dựng một hàm mục tiêu chính xác và một mô hình toán học rời rạc của hệ thống điện là cực kỳ quan trọng. Hàm mục tiêu trong MPC có chức năng tối ưu hóa hệ thống điện bằng cách điều khiển các biến để bám theo các giá trị đặt, triệt tiêu sai lệch [tr. 23]. Đối với D-STATCOM và MMC, hàm mục tiêu thường bao gồm các thành phần liên quan đến điều khiển dòng điện (dòng pha và dòng điện vòng) [tr. 26-27]. Khi có nhiều biến điều khiển khác nhau về tính chất, trọng số (λ) được sử dụng để điều chỉnh mức độ ưu tiên và cân bằng ảnh hưởng của từng biến [tr. 24]. Việc xác định trọng số thường được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm [tr. 24].

Mô hình toán học rời rạc của hệ thống điện (bao gồm D-STATCOM và MMC) là cơ sở để MPC dự đoán các trạng thái tương lai của các biến điều khiển. Tài liệu sử dụng phương pháp chuyển tiếp Euler để rời rạc hóa các phương trình vi phân liên tục [tr. 25]. Phương pháp này giúp ước tính giá trị tương lai của các biến điều khiển (như dòng điện xoay chiều và dòng điện vòng) tại chu kỳ lấy mẫu tiếp theo, dựa trên giá trị hiện tại và đầu vào hệ thống [tr. 26]. Sự chính xác của mô hình dự báo này là yếu tố quyết định đến hiệu quả của thuật toán điều khiển FCS-MPC trong việc đạt được chất lượng điều khiển mong muốn, giảm thiểu sóng hài và đảm bảo ổn định điện áp.

4.2. Chiến Lược Cân Bằng Điện Áp Tụ SM và Giảm Dòng Điện Vòng 61

Cân bằng điện áp trên tụ điện SM là một vấn đề then chốt trong hoạt động của Bộ biến đổi MMC, ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và độ tin cậy hệ thống [tr. 12]. Điện áp tụ điện SM cần được giữ trong giới hạn cho phép để tránh hư hỏng van bán dẫn và đảm bảo dạng sóng đầu ra ổn định. Tài liệu này đề xuất sử dụng một thuật toán cân bằng năng lượng đặt bên ngoài vòng điều khiển MPC chính [tr. 26]. Thuật toán này liên tục đo điện áp tụ điện SM tại mỗi chu kỳ lấy mẫu, sắp xếp các giá trị và chọn ra các SM phù hợp để chèn vào hoặc bỏ qua, nhằm phân phối cân bằng năng lượng giữa các tụ và giảm tần số đóng cắt trung bình [tr. 28].

Bên cạnh đó, việc giảm thiểu dòng điện vòng là yêu cầu quan trọng khác trong điều khiển MMC. Dòng điện vòng có thể gây ra tổn thất năng lượng và méo dạng dòng điện nhánh [tr. 12]. MPC được thiết kế để điều khiển trực tiếp dòng điện vòng thông qua hàm mục tiêu, giúp duy trì nó trong giới hạn chấp nhận được [tr. 27]. Bằng cách tích hợp cả điều khiển dòng điện vòng và cân bằng điện áp tụ điện SM, D-STATCOM kết hợp MMC dưới sự điều khiển của MPC có thể đạt được hiệu suất năng lượng tối ưu, cải thiện chất lượng điện năng và tăng cường ổn định điện áp cho hệ thống điện lưới.

V. Kiểm Chứng Hiệu Suất D STATCOM MMC qua Mô Phỏng Matlab Simulink 62

Để kiểm chứng tính hiệu quả của thiết bị D-STATCOM và phương pháp MPC cho Bộ biến đổi MMC, giai đoạn mô phỏng hệ thống điện đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Nghiên cứu này đã thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, một công cụ phổ biến trong kỹ thuật điện tử công suất và tối ưu hóa hệ thống điện. Mục tiêu của mô phỏng là đánh giá khả năng của hệ thống trong việc bù công suất phản kháng, ổn định điện áp, giảm thiểu sóng hài và duy trì chất lượng điện năng cao trong các điều kiện tải khác nhau [tr. 32].

Các thông số chi tiết của hệ thống D-STATCOM và Bộ biến đổi MMC đã được thiết lập cẩn thận, bao gồm điện áp một chiều trung bình, số lượng SM mỗi nhánh (N=10), điện dung tụ điện SM, điện cảm nhánh, và công suất định mức của D-STATCOM là 3 MVA [tr. 32, Bảng 4.1]. Điều kiện mô phỏng bao gồm việc thay đổi tải (tải R, RL, RC) và yêu cầu công suất phản kháng theo thời gian để kiểm tra đáp ứng của hệ thống. FCS-MPC được áp dụng để điều khiển Bộ biến đổi MMC với 10 SM trên mỗi nhánh, cho phép điện áp đầu ra đạt 11 mức, điều này góp phần vào việc tạo ra dạng sóng mịn hơn và giảm sóng hài [tr. 32].

Kết quả mô phỏng đã chứng minh sự thống nhất giữa lý thuyết và thực tiễn, cho thấy hiệu suất hoạt động đáng tin cậy của D-STATCOM dưới sự điều khiển của MPC cho MMC. Các biểu đồ và số liệu từ Matlab/Simulink cung cấp bằng chứng rõ ràng về khả năng phản ứng nhanh của hệ thống, ổn định điện áp đầu ra, và hiệu quả trong việc điều khiển dòng điện cũng như cân bằng điện áp tụ điện SM. Đây là một bước quan trọng trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật điện, cung cấp cơ sở vững chắc cho các triển khai thực tế trong tương lai của lưới điện thông minh (smart grid).

5.1. Thiết Lập Hệ Thống và Thông Số Mô Phỏng Thực Tế 57

Để thực hiện mô phỏng hệ thống điện một cách chính xác, các thông số kỹ thuật của D-STATCOM và Bộ biến đổi MMC đã được xác định cụ thể. Hệ thống D-STATCOM được thiết kế với điện áp một chiều trung bình (UDC) là 10 kV và công suất định mức (Sn) là 3 MVA. Bộ biến đổi MMC sử dụng 10 Sub-Module (SM) trên mỗi nhánh, tổng cộng 60 SM và 120 van IGBT [tr. 16]. Các thông số mạch lực như điện dung tụ điện SM (CSM = 5000 µF) và điện cảm trên mỗi nhánh (Larm = 2 mF) được tính toán chi tiết [tr. 32, Bảng 4.1].

Thông số của bộ điều khiển công suất phản kháng cũng được xác định, với hệ số Kp = 0.065 [tr. 32, Bảng 4.2]. Các điều kiện tải được mô phỏng thay đổi theo thời gian, bao gồm tải thuần trở (R), tải trở-cảm (RL) và tải trở-dung (RC), với các giá trị công suất phản kháng và công suất tác dụng khác nhau [tr. 33, Bảng 4.3 & 4.4]. Việc thiết lập kỹ lưỡng các thông số này đảm bảo rằng mô phỏng phản ánh một cách chân thực nhất các kịch bản hoạt động của hệ thống điện lưới thực tế, cho phép đánh giá toàn diện hiệu suất năng lượng và chất lượng điện năng của giải pháp.

5.2. Đánh Giá Chất Lượng Điện Năng và Đáp Ứng Hệ Thống 60

Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink đã chứng minh rõ ràng hiệu quả của D-STATCOM được điều khiển bằng MPC cho Bộ biến đổi MMC trong việc cải thiện chất lượng điện năng và ổn định điện áp. Khi thay đổi tải, D-STATCOM thể hiện khả năng phản ứng nhanh trong việc bù công suất phản kháng (hoặc hấp thụ) với đáp ứng ổn định chỉ sau khoảng 0.05 giây [tr. 33-34, Hình 4.1 & 4.2]. Điện áp đầu ra của D-STATCOM có chất lượng tốt và dao động trong khoảng thiết kế, duy trì ổn định quanh giá trị mong muốn [tr. 34, Hình 4.3].

Một điểm nhấn quan trọng là khả năng giảm thiểu sóng hài (harmonics). Độ méo sóng hài toàn phần (THD) của dòng điện đầu ra đạt 0.56% và THD điện áp đầu ra là 2.88%, cho thấy chất lượng điện năng rất tốt, đáp ứng các tiêu chuẩn ngành [tr. 36-37, Hình 4.6 & 4.7]. Ngoài ra, điện áp trên tụ điện SM được cân bằng tương đối ổn định quanh giá trị định mức 1000 V, và dòng điện vòng trong MMC được giảm thiểu đáng kể, có dạng hình sóng sin sau một thời gian quá độ ngắn [tr. 37-38, Hình 4.8 & 4.9]. Điện áp một pha của MMC đạt 11 bậc như thiết kế [tr. 39, Hình 4.10]. Những kết quả này khẳng định giải pháp D-STATCOM với MPC cho MMC là một phương án mạnh mẽ để tối ưu hóa hệ thống điện và nâng cao độ tin cậy hệ thống.

VI. Tương Lai D STATCOM MPC Hướng Nghiên Cứu và Ứng Dụng Tiềm Năng 62

Nghiên cứu về D-STATCOM và phương pháp điều khiển dự báo mô hình (MPC) cho Bộ biến đổi MMC đã đạt được những kết quả khả quan trong việc nâng cao chất lượng điện năng và ổn định điện áp của hệ thống điện lưới. Tuy nhiên, như mọi lĩnh vực khoa học, vẫn còn nhiều tiềm năng để tiếp tục phát triển và tối ưu hóa hệ thống điện này. Việc khắc phục những hạn chế hiện tại và khám phá các ứng dụng thực tế mới sẽ là trọng tâm của các nghiên cứu khoa học kỹ thuật điện trong tương lai.

Một trong những hướng phát triển quan trọng là chuyển từ mô phỏng hệ thống điện sang triển khai thực nghiệm trên phần cứng (Hardware-in-the-Loop – HIL). Điều này cho phép kiểm chứng hiệu suất của D-STATCOM và MPC trong điều kiện gần giống với thực tế nhất, giải quyết các thách thức kỹ thuật phát sinh trong quá trình chuyển đổi từ lý thuyết sang ứng dụng. Ngoài ra, việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, có khả năng xử lý các tình huống bất thường hoặc hỏng hóc trong Bộ biến đổi MMC, cũng là một lĩnh vực đầy hứa hẹn [tr. 40].

Các cải tiến trong MPC như tối ưu hóa hàm mục tiêu để cân bằng giữa phản ứng nhanh và tổn hao chuyển mạch, hay tích hợp thêm các ràng buộc về hiệu suất năng lượng và tuổi thọ linh kiện, sẽ giúp D-STATCOM trở thành một thiết bị FACTS ngày càng hiệu quả. Tiềm năng ứng dụng của sự kết hợp này không chỉ giới hạn trong lưới điện thông minh (smart grid) mà còn mở rộng sang các hệ thống HVDC và các ứng dụng công nghiệp công suất lớn khác, đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành kỹ thuật điện tử công suất.

6.1. Đánh Giá Chung và Hạn Chế Của Nghiên Cứu Hiện Tại 57

Qua các kết quả mô phỏng hệ thống điện trên Matlab/Simulink, có thể khẳng định việc áp dụng phương pháp điều khiển dự báo mô hình (MPC) vào Bộ biến đổi MMC với 10 SM đã mang lại hiệu quả cao cho D-STATCOM. Hệ thống đã đáp ứng tốt các yêu cầu về chất lượng điện năng, ổn định điện áp, bù công suất phản kháng (hoặc hấp thụ) nhanh chóng và chính xác theo giá trị mong muốn. Độ méo sóng hài (harmonics) thấp, điện áp tụ điện SM và dòng điện vòng được giảm thiểu tối đa, khẳng định tính ưu việt của thuật toán điều khiển được đề xuất [tr. 39].

Tuy nhiên, nghiên cứu này vẫn còn một số hạn chế. Điểm chính là việc mới chỉ dừng lại ở giai đoạn mô phỏng lý thuyết mà chưa có kiểm chứng thực nghiệm trên phần cứng (HIL). Điều này là do các yếu tố khách quan như tình hình dịch bệnh đã cản trở việc tiếp cận phòng thí nghiệm [tr. 40]. Việc triển khai thực nghiệm là bước cần thiết để xác nhận lại các kết quả lý thuyết trong điều kiện thực tế, đồng thời phát hiện và giải quyết các vấn đề phát sinh trong quá trình vận hành, như nhiễu, trễ thời gian thực hay các yếu tố phi lý tưởng của thiết bị điện tử công suất.

6.2. Triển Vọng Phát Triển HIL và Khả Năng Chống Lỗi Hệ Thống 60

Hướng nghiên cứu trong tương lai của đề tài tập trung vào việc khắc phục những hạn chế còn tồn tại và mở rộng phạm vi ứng dụng. Một trong những định hướng quan trọng là thực hiện thực nghiệm trên thời gian thực sử dụng phần cứng (Hardware-in-the-Loop – HIL) [tr. 40]. HIL cho phép kết nối bộ điều khiển thực tế với một mô hình hệ thống điện được mô phỏng chi tiết, mang lại môi trường kiểm thử an toàn và hiệu quả, giảm thiểu rủi ro khi triển khai trong hệ thống điện lưới thật. Việc sử dụng vi mạch FPGA hoặc DSP để hiện thực hóa thuật toán điều khiển MPC trong môi trường HIL sẽ là bước tiến lớn trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật điện.

Ngoài ra, việc phát triển khả năng chống lỗi cho Bộ biến đổi MMC cũng là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Ví dụ, xây dựng thuật toán để tự động xử lý khi có Sub-Module (SM) bị hỏng, bằng cách ngắt các SM tương ứng ở các pha khác để duy trì cân bằng điện áp tụ điện SM và đảm bảo độ tin cậy hệ thống [tr. 40]. Những cải tiến này không chỉ nâng cao hiệu suất năng lượng và chất lượng điện năng mà còn tăng cường khả năng phục hồi của hệ thống điện, góp phần xây dựng một lưới điện thông minh (smart grid) mạnh mẽ và bền vững hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1, thì ở Chương 2 này sẽ trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động. Cuối cùng là tính toán thông số mạch lực khi áp dụng MMC và D-STATCOM để mô phỏng ở Chương 4. Chương 3: Thiết kế điều khiển cho D-STATCOM Chương này sẽ đi từ việc giới thiệu khái niệm điều khiển dực báo MPC, sau đó là các làm quy trình thiết kế cho bộ điều khiển dự báo MPC. Sau khi xây dựng xong quy trình thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC thì sẽ áp dụng luôn cho việc điều khiển hệ thống D-STATCOM và những nội sẽ được trình bày trong mô hình điều khiển D-STATCOM là: thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC, thiết kế bộ điều khiển bù công suất phản kháng và thuật toán cân bằng năng lượng.

Chương 4: Mô phỏng hệ thống Mô phỏng để kiểm chứng lại kết quả ở Chương 2 và 3. Hệ thống sẽ được mô phỏng trên môi trường đó là Matlab/Simulink. Sau đó sẽ tiến hành nhận xét, đánh giá chung về những gì làm được và chưa làm được. 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƯƠNG 2.

BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC Bộ biến đổi MMC được giới thiệu lần đầu tiên từ năm 2003 bởi R.Lesnicar [2], đây là bộ biến đổi với đặc tính khác biệt so với các bộ biến đổi đa mức khác và có những tính năng vượt trội để áp dụng cho dải công suất lớn, điện áp cao được xem là giải pháp cho các ứng dụng công nghiệp công suất lớn, kết nối các hệ thống điện phân tán công suất cao và rất phù hợp cho hệ thống truyền tải năng lượng điện một chiều công suất lớn và khoảng cách xa đặc biệt là cao áp một chiều hay HVDC.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC Bộ biến đổi MMC là bộ biến đổi DC-AC. Nền tảng của bộ biến đổi MMC là được ghép nối bởi một số lượng lớn các bộ biến đổi thành phần SM (Sub-Module) mắc nối tiếp với nhau để tạo ra các mức điện áp khác nhau. Cấu trúc bộ biến đổi MMC được thế hiện như Hình 2.1: Mô hình bộ biến đổi đa mức MMC Bộ biến đổi MMC gồm có ba pha như nhau, mỗi pha của bộ biến đổi được tạo thành từ hai nhánh là nhánh trên và nhánh dưới, mỗi nhánh có số lượng là N Module tùy theo yêu cầu. Vì vậy tổng số SM trên 1 pha là 2N Module.

Số lượng SM trong mỗi pha là như nhau. Số lượng SM càng nhiều thì chất lượng điện áp đầu ra càng cao cũng như số mức điện áp đầu ra cũng tăng lên theo. Tuy nhiên việc điều khiển sẽ càng khó theo mức độ tăng dần của số lượng SM. Theo lý thuyết thì số lượng các SM là không giới hạn miễn sao có thể đáp ứng yêu cầu về điện áp đầu ra.

Trên mỗi nhánh có điện cảm L0 (hay còn gọi Larm) nhằm giảm dòng điện 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] quá độ trong mạch. Điện áp một chiều là nguồn chung duy nhất cho cả 3 nhánh. Điện áp xoay chiều ở đầu ra lấy từ điểm nối chung của hai nhánh và giữa hai cuộn cảm của mỗi nhánh của mỗi pha.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các Sub-Module Cấu tạo Tất cả các SM gồm có 2 van IGBT và 1 tụ điện được thể hiện qua hình 2. Để tạo ra điện áp mong muốn tại các đầu MMC, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu đóng hoặc mở cho các van IGBT của SM.

Điện áp ra của các SM sẽ bằng điện áp trên tụ VC hoặc bằng 0 tùy trạng thái đóng cắt của van. Có 2 trạng thái đóng cắt chính: • S1 ở trạng thái ON và S2 ở trạng thái OFF. • S1 ở trạng thái OFF và S2 ở trạng thái ON. S1 D1 i + UDC C N S2 D2 USM _ Hình 2.2: Cấu hình của một Sub-Module (SM) Nguyên lý Hình 2.3 mô tả các trạng thái đóng cắt của các van S1 và S2 và dòng điện được quy ước là chiều dương với hình (a) và (b), có chiều âm với hình (c) và (d).

Bộ biến đổi MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp của các SM để tạo ra điện áp xoay chiểu ở từng pha của các bộ biến đổi. Đối với từng SM, điện áp đầu ra được gắn liền với một trong hai trạng thái ngược nhau được định nghĩa là chèn vào (inserted) hoặc bỏ qua (bypass) dựa trên trạng thái đóng cắt của từng cặp van có kể đến chiều của dòng điện chạy trong mạch. D1 D1 D1 D1 S1 S1 S1 UDC/N S1 UDC/N i UDC/N i UDC/N i i S2 USM S2 S2 USM D2 USM S2 D2 D2 USM D2 a) b) c) d) Hình 2.3: Trạng thái hoạt động của SM TH1: S1 OFF và S2 ON (Hình 2.3a) và dòng điện được quy ước theo chiều dương. Dòng điện sẽ đi qua S2, USM = 0.

Trạng thái này được gọi là trạng thái SM bị “bỏ qua”. 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] TH2: S1 ON à S2 OFF (Hình 2.3b) và dòng điện được quy ước theo chiều dương. Trong trường hợp này dòng điện sẽ đi qua D1 và tụ điện sẽ tích điện và USM = UDC/N. Trạng thái này được gọi là trạng thái SM được “chèn vào”.

TH3: S1 ON và S2 OFF (Hình 2.3c) và dòng điện được quy ước theo chiều âm. Trạng thái này, tụ điện được xả và USM = UDC/N. Trạng thái này SM được “chèn vào”. TH4: S1 OFF và S2 ON (Hình 2.3d) và dòng điện quy ước theo chiều âm.

Trạng thái này, dòng điện đi qua D2. Các tụ điện sẽ được “ngắn mạch” và USM = 0. Trạng thái này SM được “bỏ qua”. Ngoài các trạng thái chèn vào (Inserted) và trạng thái bỏ qua (Bypass) đã nêu ở trên thì còn các trạng thái đặc biệt: Trạng thái CẤM: khi cả hai van S1 và S2 đồng thời đều ở trạng thái ON, trong việc điều khiển các SM của MMC tuyệt đối không được để xảy ra trạng thái này vì khi S1 và S2 đồng thời ON sẽ gây ra hiện tượng ngắn mạch điện áp trên tụ.

Phải đảm bảo rằng trạng thái của S1 và S2 luôn luôn phải ngược nhau. Trạng thái KHÓA: khi cả hai van S1 và S2 đồng thời đều ở trạng thái OFF, trong trường hợp này thì việc kiểm soát điện áp đầu ra của từng SM sẽ rất khó khăn.1 thể hiện quan hệ giữa trạng thái van, điện áp, chiều dòng điện và trạng thái tụ của mỗi SM.1: Trạng thái của Sub-Module (SM) Trạng thái Chiều Điện áp Trạng Trạng van dòng ra thái tụ thái SM S1 S2 điện 1 0 USM + Nạp Chèn vào 0 1 0 + Nối tắt Bỏ qua 1 0 USM - Xả Chèn vào 0 1 0 - Nối tắt Bỏ qua 1 1 Ngắn mạch Cấm 0 0 Hở mạch Khóa 2.3 Nguyên lý hoạt động của MMC Với cấu trúc được mô tả như hình 2.1 việc các SM được chèn vào hay bỏ qua ở mỗi nhánh cho phép đưa ra dạng đúng của điện áp đầu ra. Quá trình nạp hoặc xả của tụ điện phụ thuộc vào hướng dòng điện. 9 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Để giữ cho điện áp trên mỗi SM là không đổi thì tổng số SM được kết nối với nhau trên mỗi nhánh pha phải không đổi.

Giả sử có N SM được kết nối với nhau trong 1 pha thì điện áp trên mỗi SM là: U DC (2.1) U SM = UCx = N Khi MMC hoạt động bình thường thì các tụ đều được nạp điện đến giá trị trên. Để làm được điều đó, một phương pháp đã đưa ra ý kiến rằng ta sẽ chèn 1 SM và bỏ qua 2N-1 SM. Khi tụ của SM đó đã được nạp xong thì sẽ được bộ điều khiển bỏ qua, và SM tiếp theo sẽ được chèn vào [2]. Mặt khác, ta không thể nạp các tụ bằng điện áp nguồn vì sẽ gây hỏng hóc do mức điện áp cao, do đó cần sử dụng điện áp một chiều bên ngoài với mức điện áp thấp hơn [3].

Tốt hơn nữa là ta thêm điện trở vào mỗi nhánh để quá trình nạp được tốt hơn [4].4: Quá trình nạp tụ ở mỗi nhánh Sau khi các tụ được nạp, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu yêu cầu chèn vào hay bỏ qua các SM để tạo điện áp AC. Tuy nhiên, ở mỗi thời điểm chỉ N SM ở mỗi pha được mở. Ở đây ta mới chỉ xét đến số lượng các SM được chèn vào, số lượng SM được bỏ qua mà chưa xét đến cách làm thế nào để xác định tại thời điểm đó ta cần bao nhiêu SM được chèn vào, bao nhiêu SM bị bỏ qua cho từng nhánh, từng pha. Vì vậy cần có phương pháp điều khiển phù hợp để xác định được số SM chèn vào hay bỏ qua.

Nếu có một SM được chèn vào ở nhánh dưới, nhưng không có SM nào ở nhánh trên bị bỏ qua, khi đó có N+1 các SM được chèn vào, khi đó điện áp trung bình sẽ là UDC/(N+1), như vậy điện áp trung bình trên mỗi tụ được chèn vào đã bị thay đổi. 10 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] A B C D 7 6 5 Voltage (V) 4 3 2 1 0 t(s) Hình 2.5: Dạng điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC Hình 2.5 mô tả dạng điện áp đầu ra UAC của một bộ MMC lý tưởng (không xét đến tổn hao). Giả sử điện áp được phân phối đều giữa các tụ của các SM và các tụ đủ lớn để điện áp không bị dao động. Trong một chu kỳ, có bốn trạng thái khác nhau: Trạng thái A: Điện áp đầu ra là lớn nhất, để đạt được trạng thái này, tất cả các SM ở nhánh phía trên được bỏ qua do đó điện áp UDC/2 được nối trực tiếp tới đầu ra, tất cả các SM ở nhánh phía dưới được chèn vào, tổng điện áp qua các module nhánh dưới bằng UDC.

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 SM ở nhánh phía trên được chèn vào. Việc đảm bảo số lượng SM chèn vào là không thay đổi là quan trọng vậy nên sau khi một SM ở nhánh trên được chèn vào và một SM ở nhánh dưới được bỏ qua thì điện áp đầu ra đạt ((UDC/2) – USM). Trạng thái C: Tất cả các SM ở nhánh phía trên được chèn vào và tất cả SM ở nhánh dưới bị bỏ qua, điện áp đầu ra lúc này là - UDC/2 Trạng thái D: Tể 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.