I. Tổng Quan Về Điều Khiển Bộ Biến Đổi MMC HVDC
Dòng điện AC đang là nền tảng truyền tải điện năng trên toàn cầu trong hơn 100 năm. Tuy nhiên, truyền tải điện xoay chiều cao áp (HVAC) có những hạn chế về khả năng truyền tải, khoảng cách và khả năng kết nối trực tiếp các lưới điện xoay chiều có tần số khác nhau. Với nhu cầu xây dựng lưới điện thông minh hơn, truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) đang được kỳ vọng vượt xa vai trò truyền thống như một phần bổ sung cho HVAC. HVDC là lựa chọn truyền tải năng lượng với lượng công suất lớn trên khoảng cách xa với tổn thất tối thiểu. Trong hệ thống ba pha thông thường, công suất được phân phối tuân theo giá trị RMS của nó, HVDC cho phép truyền công suất hoạt động với điện áp DC cao. Ngoài ra, điện kháng trong hệ thống truyền tải AC có thể tránh được giúp giảm tổn thất điện năng. Vì vậy, chi phí đầu tư ban đầu của HVDC tuy cao hơn so với HVAC, nhưng do tổn thất thấp hơn, hiệu quả về chi phí sẽ cao hơn. Năng lượng từ các trang trại điện gió ngoài khơi có thể được cung cấp hiệu quả vào lưới điện trên bờ thông qua HVDC. Hơn nữa, hệ thống HVDC rất hữu ích để kết nối các lưới điện xoay chiều không đồng bộ một cách đáng tin cậy. Sử dụng hệ thống HVDC cho phép sử dụng cả cáp ngầm và đường dây trên không. Do đó, HVDC được coi là một giải pháp thay thế hiệu quả cao để truyền một lượng lớn điện năng trong khoảng cách xa và cho các ứng dụng đặc biệt. Là nhân tố quan trọng trong năng lượng tương lai, hệ thống dựa trên năng lượng tái tạo và HVDC có thể thực sự định hình lưới điện của tương lai.
1.1. MMC HVDC Giải Pháp Truyền Tải Điện Tối Ưu
Cùng với sự phát triển của lưới điện HVDC trên thế giới, bộ biến đổi đa cấp mô-đun (MMC) thu hút sự chú ý do khả năng xử lý thích ứng với điện áp và công suất cao. MMC được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong lĩnh vực HVDC. MMC-HVDC ngày càng trở nên quan trọng trong việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo (điện gió) và cung cấp kết nối linh hoạt giữa hai mạng lưới điện xoay chiều, sử dụng cấu hình back-to-back hoặc cáp ngầm. ABB, Siemens và Alstom đang ứng dụng công nghệ MMC cho các dự án thực tế. Chẳng hạn, dự án Trans Bay Cable (Hoa Kỳ) là dự án HVDC đầu tiên sử dụng MMC.
1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Bộ Biến Đổi Đa Cấp MMC
Bộ biến đổi đa cấp mô-đun MMC có nhiều ưu điểm, bao gồm tính mô-đun hóa cao, khả năng mở rộng linh hoạt, khả năng xử lý công suất cao với khóa bán dẫn định mức điện áp tương đối thấp, phân phối năng lượng tụ điện, cấu hình không có bộ lọc và dự phòng. Các tính năng này làm cho MMC trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng HVDC hiện đại. Marquardt và Lesnicar đã giới thiệu cấu trúc liên kết bộ biến đổi đa cấp này vào năm 2003.
II. Phân Tích Các Phương Pháp Điều Chế Cho Bộ MMC HVDC
Có rất nhiều kỹ thuật điều chế (modulation) và điều khiển cho bộ MMC. Chúng có thể được chia thành hai nhóm chính: phương pháp dựa trên sóng mang (PWM) và phương pháp sắp xếp và lựa chọn. Đối với các kỹ thuật dựa trên sóng mang, N dạng sóng sóng mang được tạo ra trên mỗi nhánh và được bố trí khác so với trục tọa độ như phase disposition (PD), phase opposition disposition (POD), alternate phase opposition disposition (APOD). Các kỹ thuật này có những hạn chế như sự phân bố gợn sóng trong điện áp tụ điện không đều. Do những hạn chế đó, các kỹ thuật này không được sử dụng rộng rãi, ngoại trừ PWM dịch pha (PS-PWM), trong đó N sóng mang được so sánh với tín hiệu tham chiếu. Một thuật toán điều khiển bổ sung bao gồm điều khiển trung bình và điều khiển cân bằng để sửa đổi các tín hiệu tham chiếu này có thể được sử dụng để cải thiện cân bằng tụ điện trong.
2.1. Điều Chế LS PWM Ưu Nhược Điểm và Ứng Dụng Thực Tế
Điều chế sóng mang PWM dịch mức (LS-PWM) là một kỹ thuật điều chế dựa trên sóng mang. Trong LS-PWM, các sóng mang được sắp xếp theo pha (PD), ngược pha (POD) hoặc ngược pha thay thế (APOD). Các kỹ thuật LS-PWM có ưu điểm là đơn giản và dễ thực hiện, nhưng chúng cũng có nhược điểm là phân bố gợn sóng trong điện áp tụ điện không đều.
2.2. Điều Chế PS PWM Giải Pháp Điều Chế Hiệu Quả Cho MMC
Điều chế PWM sóng mang dịch pha (PS-PWM) là một kỹ thuật điều chế dựa trên sóng mang khác. Trong PS-PWM, N sóng mang được so sánh với tín hiệu tham chiếu. PS-PWM có ưu điểm là cải thiện được cân bằng tụ điện, nhưng nó cũng có nhược điểm là độ phức tạp cao hơn so với LS-PWM.
III. Ứng Dụng MMC Trong Hệ Thống Truyền Tải Điện HVDC
Trong những năm gần đây, HVDC đã trở thành một giải pháp phổ biến để truyền tải điện năng từ xa. Các ưu điểm của HVDC so với HVAC bao gồm khả năng truyền tải công suất lớn hơn, tổn thất điện năng thấp hơn và khả năng kết nối các lưới điện không đồng bộ. Bằng cách thay thế bộ biến đổi dòng điện bằng bộ biến đổi nguồn điện áp được điều khiển hoàn toàn, những bất lợi hiện có của công nghệ HVDC cổ điển đã được giải quyết. Sau khi chuyển đổi sơ cấp thành DC, dòng điện qua cáp có thể được điều khiển liên tục và độc lập với hệ thống AC, cho phép điều khiển công suất hiệu quả với hệ số công suất gần bằng một, giúp giảm thiểu tổn thất. Đáng chú ý là bộ biến đổi MMC đã trở thành một giải pháp phù hợp cho công nghệ HVDC do tính khả thi cao, khả năng mở rộng theo yêu cầu và khả năng mô-đun hóa, cho phép xây dựng hệ thống HVDC đa cấp.
3.1. MMC HVDC Kết Nối Nguồn Năng Lượng Tái Tạo Hiệu Quả
Các hệ thống HVDC có thể được sử dụng để kết nối các nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như các trang trại điện gió ngoài khơi, với lưới điện. Điều này có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và cải thiện an ninh năng lượng. Điện gió ngoài khơi có tiềm năng lớn, tuy nhiên địa điểm thường xa bờ, việc truyền tải điện đòi hỏi công nghệ phù hợp, hệ thống HVDC sử dụng bộ MMC có thể là một giải pháp hiệu quả.
3.2. Điều Khiển Hệ Thống HVDC Hai Đầu Cuối Với Bộ MMC
Việc điều khiển hệ thống HVDC hai đầu cuối với bộ MMC đòi hỏi phải điều khiển cả dòng điện DC và điện áp DC. Dòng điện DC có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh góc điều khiển của bộ MMC, trong khi điện áp DC có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh tỷ lệ điều chế của bộ MMC.
IV. Giải Pháp Điều Khiển Phân Tán Cân Bằng Điện Áp Cho MMC
Cân bằng điện áp giữa các mô-đun con (SM) trong MMC là một thách thức quan trọng. Do đó, cần phải có một kỹ thuật cân bằng điện áp hiệu quả. Việc cân bằng điện áp liên quan đến việc duy trì điện áp của mỗi tụ điện trong phạm vi cho phép. Cân bằng điện áp có thể được thực hiện bằng các phương pháp điều khiển tập trung hoặc phân tán. So với các phương pháp điều khiển tập trung, các phương pháp điều khiển phân tán có thể được thực hiện với chi phí giao tiếp thấp hơn, giảm gánh nặng tính toán và tăng tính mô-đun.
4.1. Phương Pháp Điều Khiển Tập Trung Cân Bằng Điện Áp Tổng Quan
Trong phương pháp điều khiển tập trung, một bộ điều khiển trung tâm thu thập thông tin về điện áp của tất cả các mô-đun con và tính toán các tín hiệu điều khiển để cân bằng điện áp. Phương pháp này có ưu điểm là độ chính xác cao, nhưng nó cũng có nhược điểm là độ phức tạp cao và yêu cầu giao tiếp lớn.
4.2. Phương Pháp Điều Khiển Phân Tán Cân Bằng Điện Áp Ưu Điểm và Ứng Dụng
Trong phương pháp điều khiển phân tán, mỗi mô-đun con có một bộ điều khiển riêng để cân bằng điện áp. Các bộ điều khiển này chỉ cần giao tiếp với các mô-đun con lân cận, do đó giảm yêu cầu giao tiếp và tăng tính mô-đun. Để tăng tính mô-đun, cần có các kỹ thuật điều khiển giúp mỗi mô-đun hoạt động độc lập mà không cần giao tiếp với các mô-đun khác.
V. Nghiên Cứu Điều Khiển Phân Tán Cân Bằng Nhiệt Độ MMC
Trong bộ MMC, việc cân bằng nhiệt độ giữa các mô-đun con là rất quan trọng. Nếu nhiệt độ giữa các mô-đun con không cân bằng, điều này có thể dẫn đến giảm tuổi thọ và hiệu suất của bộ MMC. Do đó, cần có một kỹ thuật cân bằng nhiệt độ hiệu quả. Một số nghiên cứu đã chỉ ra, phân tán, cân bằng, nhiệt độ, giữa các module
5.1. Mất Cân Bằng Nhiệt Độ Trong Module MMC Nguyên Nhân Và Hậu Quả
Sự mất cân bằng nhiệt độ giữa các mô-đun có thể do nhiều nguyên nhân, bao gồm sự khác biệt trong đặc tính của các thiết bị bán dẫn, sự khác biệt trong điều kiện làm mát và sự khác biệt trong tải. Sự mất cân bằng nhiệt độ có thể dẫn đến giảm tuổi thọ và hiệu suất của bộ MMC. Hậu quả là quá nhiệt, hư hỏng
5.2. Phương Pháp Phân Tán Kiểm Soát Cân Bằng Nhiệt Độ Module MMC
Một phương pháp điều khiển phân tán để cân bằng nhiệt độ là điều chỉnh dòng điện qua mỗi mô-đun con dựa trên nhiệt độ của nó. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ điều khiển PID hoặc một bộ điều khiển mờ. Phương pháp điều khiển này có thể giúp giảm sự mất cân bằng nhiệt độ và cải thiện hiệu suất của bộ MMC.
VI. Triển Vọng Phát Triển Của Công Nghệ MMC HVDC
Trong tương lai, công nghệ MMC-HVDC có tiềm năng to lớn để ứng dụng rộng rãi hơn trong hệ thống điện. Các nghiên cứu tiếp tục tập trung vào việc cải thiện hiệu suất, độ tin cậy và giảm chi phí của MMC-HVDC, đồng thời khám phá các ứng dụng mới, chẳng hạn như tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo quy mô lớn và xây dựng lưới điện siêu nhỏ.
6.1. Các Nghiên Cứu Mới Nhất Về MMC HVDC Hướng Tới Hiệu Quả Cao
Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến, các cấu trúc liên kết MMC mới và các thiết bị bán dẫn hiệu suất cao để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí. Các nghiên cứu này có thể giúp MMC-HVDC trở nên cạnh tranh hơn so với các công nghệ truyền tải điện khác.
6.2. MMC HVDC Chìa Khóa Cho Lưới Điện Tương Lai Với Năng Lượng Tái Tạo
MMC-HVDC đóng vai trò quan trọng trong việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo quy mô lớn vào lưới điện. Nó cho phép truyền tải điện năng từ các nguồn tái tạo ở xa đến các trung tâm tiêu thụ, giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và thúc đẩy phát triển bền vững.
