Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu điện năng ngày càng tăng tại các trung tâm tải lớn, trong khi nguồn phát có thể nằm xa như các trang trại gió ngoài khơi, việc truyền tải điện năng hiệu quả trở thành thách thức lớn. Hệ thống truyền tải điện một chiều áp cao (HVDC) được xem là giải pháp tối ưu cho việc truyền tải điện năng công suất lớn trên khoảng cách xa với tổn thất thấp hơn so với truyền tải xoay chiều truyền thống. Theo ước tính, các hệ thống HVDC có thể giảm tổn thất truyền tải xuống dưới 3% trên mỗi 100 km, trong khi truyền tải xoay chiều có thể lên đến 7-8%.

Modular Multilevel Converter (MMC) là một công nghệ biến tần đa cấp được đề xuất từ năm 2003, đã nhanh chóng trở thành lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng HVDC nhờ tính mô-đun, khả năng mở rộng và hiệu suất cao. MMC bao gồm ba nhánh pha, mỗi nhánh có hai cánh (trên và dưới), mỗi cánh gồm N mô-đun con (sub-modules). Việc điều khiển MMC nhằm cân bằng điện áp tụ điện, giảm sóng hài và tối ưu hóa dòng điện tuần hoàn là trọng tâm nghiên cứu nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống HVDC.

Luận văn tập trung nghiên cứu, phân tích và so sánh các phương pháp điều khiển MMC trong hệ thống HVDC, đặc biệt áp dụng cho truyền tải điện từ các trang trại gió. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa MMC với số lượng mô-đun con điển hình (khoảng 10 mô-đun), phân tích các phương pháp điều khiển sóng mang PWM như LS-PWM, PS-PWM, và đánh giá các chỉ số quan trọng như cân bằng điện áp tụ, dòng điện tuần hoàn, tần số chuyển mạch và tổng méo hài (THD) của điện áp đầu ra. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống HVDC hiệu quả, tin cậy, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam và trên thế giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết biến tần đa cấp Modular Multilevel Converter (MMC): MMC được cấu tạo từ nhiều mô-đun con bán cầu (half-bridge) hoặc cầu đầy (full-bridge), mỗi mô-đun có tụ điện và các khóa bán dẫn IGBT. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc điều khiển đóng/ngắt các khóa để tạo ra điện áp đầu ra đa cấp, giảm sóng hài và cân bằng điện áp tụ.

  • Mô hình toán học trung bình của MMC: Mô hình này biểu diễn điện áp và dòng điện của từng nhánh pha MMC dưới dạng các đại lượng trung bình, giúp phân tích và thiết kế điều khiển hiệu quả.

  • Phương pháp điều khiển sóng mang PWM: Các kỹ thuật điều khiển sóng mang như LS-PWM (sóng mang dịch mức), PS-PWM (sóng mang dịch pha) được áp dụng để điều khiển các khóa bán dẫn trong MMC nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm méo hài.

  • Khái niệm dòng điện tuần hoàn và cân bằng điện áp tụ: Dòng điện tuần hoàn trong MMC gây ra tổn thất và ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị, do đó việc điều khiển cân bằng điện áp tụ điện trong các mô-đun con là rất quan trọng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mô phỏng trên phần mềm PLECS, mô hình hóa MMC với 10 mô-đun con mỗi nhánh, áp dụng cho hệ thống HVDC truyền tải điện từ trang trại gió.

  • Phương pháp phân tích: So sánh hiệu quả các phương pháp điều khiển sóng mang PWM (LS-PWM, PS-PWM) dựa trên các chỉ số: điện áp tụ điện cân bằng, dòng điện tuần hoàn, tần số chuyển mạch (khoảng 3330 Hz), và tổng méo hài THD (đạt khoảng 0.5% với APOD-PWM).

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian một năm, bao gồm giai đoạn mô hình hóa, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình MMC với 10 mô-đun con được chọn làm mẫu điển hình để đảm bảo tính đại diện và khả năng mở rộng trong thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của phương pháp điều khiển sóng mang APOD-PWM:
    Mô phỏng MMC với 10 mô-đun con áp dụng APOD-PWM cho thấy tổng méo hài THD của điện áp đầu ra chỉ khoảng 0.5%, thấp hơn đáng kể so với các phương pháp khác. Điện áp tụ điện được cân bằng tốt, giảm thiểu dòng điện tuần hoàn không mong muốn.

  2. So sánh LS-PWM và PS-PWM:
    Cả hai phương pháp đều tạo ra sóng mang tam giác với tần số chuyển mạch khoảng 3330 Hz, tuy nhiên PS-PWM có ưu thế trong việc giảm dòng điện tuần hoàn nhờ sự dịch pha của sóng mang, giúp cải thiện hiệu suất hệ thống.

  3. Điều khiển phân tán cân bằng điện áp tụ:
    Việc áp dụng điều khiển phân tán giúp cân bằng điện áp giữa các mô-đun con hiệu quả hơn, giảm thiểu sự chênh lệch điện áp và tăng độ tin cậy của MMC trong vận hành dài hạn.

  4. Mô phỏng hệ thống HVDC truyền tải điện từ trang trại gió:
    Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống MMC-HVDC có khả năng truyền tải điện ổn định với tổn thất thấp, đáp ứng tốt yêu cầu về công suất và chất lượng điện áp, phù hợp với các ứng dụng năng lượng tái tạo.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên xuất phát từ cấu trúc mô-đun hóa của MMC, cho phép điều khiển linh hoạt từng mô-đun con, từ đó giảm thiểu sóng hài và dòng điện tuần hoàn. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả về THD thấp và cân bằng điện áp tụ điện được cải thiện nhờ áp dụng kỹ thuật điều khiển sóng mang dịch pha (APOD-PWM) và điều khiển phân tán.

Biểu đồ phân tích Fourier và bảng số liệu mô phỏng minh họa rõ ràng sự giảm sóng hài và cân bằng điện áp giữa các mô-đun. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì hệ thống HVDC.

Kết quả cũng khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng MMC trong truyền tải điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo như trang trại gió, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng sạch và bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai điều khiển phân tán cho MMC:
    Áp dụng phương pháp điều khiển phân tán nhằm cân bằng điện áp tụ điện và giảm dòng điện tuần hoàn, nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các nhà sản xuất biến tần và đơn vị vận hành hệ thống HVDC.

  2. Ưu tiên sử dụng sóng mang APOD-PWM trong điều khiển MMC:
    Để giảm tổng méo hài và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra, các hệ thống MMC nên áp dụng kỹ thuật APOD-PWM. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu và kỹ sư thiết kế.

  3. Phát triển mô hình mô phỏng MMC-HVDC tích hợp nguồn năng lượng tái tạo:
    Mở rộng mô hình mô phỏng để đánh giá hiệu quả truyền tải điện từ các trang trại gió và các nguồn tái tạo khác, phục vụ cho việc thiết kế hệ thống thực tế. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể: viện nghiên cứu và trường đại học.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành hệ thống MMC-HVDC:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển MMC và vận hành hệ thống HVDC cho kỹ sư và cán bộ kỹ thuật. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: các trung tâm đào tạo và doanh nghiệp điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện:
    Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về MMC và HVDC, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu và luận văn liên quan.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống truyền tải điện:
    Giúp hiểu rõ về các phương pháp điều khiển MMC, từ đó tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống HVDC.

  3. Doanh nghiệp sản xuất biến tần và thiết bị điện:
    Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm biến tần MMC với hiệu suất cao và độ tin cậy tốt.

  4. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý năng lượng:
    Tham khảo để đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ MMC-HVDC trong phát triển lưới điện thông minh và năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. MMC là gì và tại sao được sử dụng trong HVDC?
    MMC là biến tần đa cấp với cấu trúc mô-đun, giúp tạo ra điện áp đầu ra đa cấp, giảm sóng hài và tổn thất. Nó được sử dụng trong HVDC vì khả năng mở rộng, hiệu suất cao và độ tin cậy.

  2. Các phương pháp điều khiển sóng mang PWM nào được áp dụng cho MMC?
    Các phương pháp phổ biến gồm LS-PWM (dịch mức), PS-PWM (dịch pha) và APOD-PWM (dịch pha thay thế). APOD-PWM thường cho kết quả tốt nhất về giảm sóng hài và cân bằng điện áp.

  3. Điều khiển phân tán cân bằng điện áp tụ điện trong MMC là gì?
    Đây là kỹ thuật điều khiển độc lập từng mô-đun con để cân bằng điện áp tụ, giảm dòng điện tuần hoàn và tăng độ ổn định hệ thống.

  4. Tổng méo hài (THD) của điện áp đầu ra MMC đạt được là bao nhiêu?
    Theo mô phỏng, THD có thể đạt khoảng 0.5% với phương pháp APOD-PWM, cho thấy chất lượng điện áp rất cao.

  5. Ứng dụng thực tế của MMC-HVDC trong truyền tải điện năng từ năng lượng tái tạo?
    MMC-HVDC được sử dụng để truyền tải điện từ các trang trại gió ngoài khơi về lưới điện chính, giúp giảm tổn thất và tăng hiệu quả truyền tải trên khoảng cách xa.

Kết luận

  • MMC là công nghệ biến tần đa cấp hiệu quả, phù hợp cho hệ thống truyền tải HVDC công suất lớn và khoảng cách xa.
  • Phương pháp điều khiển sóng mang APOD-PWM và điều khiển phân tán cân bằng điện áp tụ điện giúp giảm sóng hài và dòng điện tuần hoàn, nâng cao hiệu suất hệ thống.
  • Mô hình mô phỏng MMC với 10 mô-đun con trên phần mềm PLECS cho kết quả khả quan, phù hợp ứng dụng trong truyền tải điện từ trang trại gió.
  • Đề xuất triển khai các giải pháp điều khiển tiên tiến và đào tạo nhân lực để phát triển hệ thống MMC-HVDC tại Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình mô phỏng, thử nghiệm thực tế và phát triển sản phẩm biến tần MMC phù hợp với điều kiện địa phương.

Hành động ngay: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến được đề xuất để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống HVDC MMC trong thực tế.