I. Tổng quan về bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức MMC
Bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa MMC (Modular Multilevel Converter) là cấu trúc biến đổi điện áp được nghiên cứu rộng rãi trong kỹ thuật điện công suất hiện đại. Kiến trúc MMC sử dụng các module con SM (Sub-Module) xếp tầng, cho phép tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra với chất lượng sóng hài vượt trội. Nghiên cứu về MMC tập trung vào hai nhóm vấn đề cốt lõi: phương pháp điều chế tín hiệu đóng cắt và chiến lược điều khiển cân bằng điện áp. Các công trình quốc tế đã đề xuất nhiều giải pháp như PS-PWM, LS-PWM và modulation dựa trên mức tham chiếu. Tại Việt Nam, nghiên cứu về MMC còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào mô phỏng và ứng dụng truyền tải điện áp một chiều HVDC. Luận án tiến sĩ của Trần Hùng Cường tại Đại học Bách khoa Hà Nội là một trong những công trình đầu tiên hệ thống hóa các phương pháp điều chế và điều khiển MMC, đặt nền móng cho phát triển công nghệ biến đổi công suất đa mức trong nước.
1.1. Cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của MMC
MMC bao gồm ba pha, mỗi pha có hai nhánh (nhánh trên và nhánh dưới) nối tại điểm giữa phía DC. Mỗi nhánh gồm N module con SM nối tiếp với cuộn cảm Lo. Module SM dạng nửa cầu gồm hai van bán dẫn IGBT và một tụ điện, hoạt động ở hai trạng thái: chèn (inserted) và bỏ qua (bypass). Khi SM ở trạng thái chèn, điện áp tụ điện được nối vào mạch chính. Khi ở trạng thái bỏ qua, SM bị ngắn mạch. Bằng cách điều khiển số SM chèn vào từng thời điểm, MMC tạo ra điện áp đầu ra dạng bậc thang với nhiều mức điện áp.
1.2. Vấn đề dòng điện vòng trong bộ biến đổi MMC
Dòng điện vòng là hiện tượng đặc trưng của MMC, phát sinh do sự mất cân bằng điện áp tức thời giữa các nhánh. Do lệch pha 120 độ giữa ba dòng điện phía AC, trạng thái nạp/xả tụ điện trên từng pha thay đổi liên tục. Điện áp chênh lệch giữa SM ở nhánh liền kề tạo ra dòng điện vòng chảy bên trong các nhánh. Dòng điện vòng ít ảnh hưởng đến phía AC và DC nhưng gây tổn thất công suất đáng kể. Cuộn cảm Lo trên mỗi nhánh có tác dụng hạn chế biên độ dòng điện vòng, tuy nhiên giá trị Lo quá lớn sẽ làm chậm đáp ứng động của hệ thống.
II. Phân tích các vấn đề điều chế trong bộ biến đổi MMC
Điều chế là yếu tố quyết định chất lượng điện áp đầu ra và hiệu suất hoạt động của MMC. Phương pháp điều chế phổ biến gồm LS-PWM (Level-Shifted PWM) và PS-PWM (Phase-Shifted PWM). LS-PWM sử dụng nhiều sóng tam giác dịch mức so với sóng tham chiếu, gồm ba biến thể: IPD (đồng pha), APOD (lệch pha xen kẽ 180 độ) và POD (phân cực ngược nhau). Phân tích THD cho thấy IPD cho hiệu suất sóng hài tốt nhất, tiếp theo là APOD và POD. Tuy nhiên, LS-PWM đòi hỏi thuật toán cân bằng điện áp tụ điện phức tạp. PS-PWM sử dụng các sóng mang cùng tần số, cùng biên độ nhưng lệch pha nhau, giúp phân bố đều tổn thất đóng cắt giữa các module. Một thách thức lớn là duy trì điện áp tụ điện SM ổn định trong quá trình vận hành, đặc biệt khi tải thay đổi hoặc chế độ làm việc bất đối xứng.
2.1. Phương pháp điều chế sóng mang dịch mức LS PWM
LS-PWM áp dụng cho bộ biến đổi đa mức bằng cách sử dụng nhiều sóng tam giác chồng lên nhau theo các mức điện áp khác nhau. Ba biến thể chính bao gồm: IPD với tất cả sóng mang đồng pha, APOD với sóng mang liền kề lệch pha 180 độ, và POD với sóng mang trên trục 0 ngược pha sóng mang dưới trục 0. Phương pháp này trực tiếp tạo ra nhiều mức điện áp nhưng yêu cầu thuật toán cân bằng điện áp tụ điện phức tạp để đảm bảo điện áp các SM không phân kỳ. Theo nghiên cứu, IPD cho chỉ tiêu THD thấp nhất trong ba biến thể.
2.2. Phương pháp điều chế sóng mang dịch pha PS PWM
PS-PWM phát triển từ PWM cổ điển, sử dụng loạt sóng tam giác cùng tần số và biên độ nhưng lệch pha nhau một góc xác định để so sánh với sóng sin tham chiếu. Ưu điểm nổi bật của PS-PWM là khả năng tự cân bằng điện áp tụ điện mà không cần thuật toán bổ sung phức tạp. Phương pháp này phân bố đều số lần đóng cắt cho từng module, đảm bảo tuổi thọ đồng đều của các van bán dẫn. PS-PWM được áp dụng phổ biến cho MMC trong các ứng dụng truyền tải điện áp cao và điều khiển động cơ công suất lớn.
III. Phương pháp điều khiển cân bằng điện áp và dòng điện MMC
Điều khiển MMC đòi hỏi giải quyết đồng thời nhiều mục tiêu: điều khiển dòng điện phía AC theo tham chiếu, điều hòa điện áp bus DC, cân bằng điện áp tụ điện giữa các SM, và hạn chế dòng điện vòng. Mô hình trạng thái liên tục của MMC được xây dựng dựa trên phương trình điện áp và dòng điện trên từng nhánh. Chiến lược điều khiển phân tầng gồm vòng điều khiển dòng điện nhanh và vòng điều khiển điện áp chậm. Điều khiển dòng điện vòng sử dụng thành phần DC và tần số thấp của điện áp tham chiếu để triệt tiêu dòng không mong muốn. Cân bằng điện áp tụ điện được thực hiện bằng thuật toán sắp xếp (sorting algorithm) kết hợp với phương pháp lựa chọn SM dựa trên hướng dòng điện nhánh. Mô hình mô phỏng MATLAB/Simulink được sử dụng để xác nhận hiệu quả các thuật toán đề xuất trên cấu trúc MMC nhiều mức điện áp khác nhau.
3.1. Mô hình hóa và xây dựng bộ điều khiển dòng điện MMC
Mô hình trạng thái liên tục của MMC được thiết lập dựa trên phương trình vi phân mô tả mối quan hệ giữa điện áp nhánh, dòng điện nhánh và điện áp tụ điện SM. Bộ điều khiển dòng điện sử dụng cấu trúc PI hoặc PR (Proportional-Resonant) để điều khiển thành phần dòng điện d-trục và q-trục trong hệ tọa độ quay dq. Vòng điều khiển dòng điện ngoài cùng đóng vai trò quyết định điện áp tham chiếu cho từng nhánh, từ đó tính toán số SM cần chèn vào mạch. Tốc độ đáp ứng của vòng điều khiển dòng điện ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện áp đầu ra và khả năng chống nhiễu của hệ thống.
3.2. Thuật toán cân bằng điện áp tụ điện các module con SM
Cân bằng điện áp tụ điện là vấn đề then chốt trong vận hành MMC, đảm bảo điện áp từng SM không phân kỳ so với giá trị định mức. Thuật toán sắp xếp đo điện áp thực tế của tất cả SM trong một nhánh, sau đó sắp xếp theo thứ tự tăng hoặc giảm dần. SM được chọn chèn vào mạch dựa trên hướng dòng điện nhánh: khi dòng điện dương, SM có điện áp thấp nhất được ưu tiên chèn để nạp; khi dòng điện âm, SM có điện áp cao nhất được chèn để xả. Phương pháp này đơn giản về tính toán nhưng cho hiệu quả cân bằng tốt, đặc biệt áp dụng hiệu quả với phương pháp PS-PWM.
IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của công nghệ MMC đa mức
Nghiên cứu về các phương pháp điều chế và điều khiển MMC đa mức kiểu module hóa đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Phương pháp PS-PWM thể hiện ưu thế vượt trội nhờ khả năng tự cân bằng điện áp, phân bố đều tổn thất đóng cắt và dễ dàng mở rộng số mức điện áp. Kết hợp với thuật toán sắp xếp SM và bộ điều khiển dòng điện đa vòng lặp, hệ thống MMC đạt được chất lượng điện áp đầu ra với THD thấp, đáp ứng nhanh và ổn định trong các chế độ làm việc khác nhau. Ứng dụng thực tế của MMC trải rộng từ truyền tải điện HVDC, lưu trữ năng lượng lưới điện thông minh, đến điều khiển truyền động động cơ công suất lớn. Tại Việt Nam, công nghệ MMC có tiềm năng ứng dụng trong hệ thống truyền tải điện áp cao liên kết các vùng miền và tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện quốc gia.
4.1. Ứng dụng MMC trong truyền tải điện HVDC và lưới thông minh
Công nghệ MMC là lựa chọn ưu tiên cho hệ thống truyền tải điện áp một chiều HVDC nhờ khả năng tạo ra điện áp đầu ra chất lượng cao với số mức lớn. MMC cho phép vận hành mềm mại, giảm nhiễu điện từ và hạn chế dòng khởi động. Trong lưới điện thông minh, MMC đóng vai trò biến đổi giao diện cho hệ thống lưu trữ năng lượng, bù công suất phản kháng và ổn định tần số. Các dự án HVDC quốc tế như ABB HVDC Light và Siemens HVDC Plus đều sử dụng cấu trúc MMC làm giải pháp cốt lõi cho truyền tải điện khoảng cách xa.
4.2. Hướng phát triển và tiềm năng nghiên cứu tiếp theo
Nghiên cứu MMC trong tương lai tập trung vào các hướng chính: giảm số lượng cảm biến điện áp để hạ chi phí, phát triển thuật toán điều khiển dự đoán (MPC) tăng tốc độ đáp ứng, và thiết kế module SM tiên tiến như full-bridge kết hợp half-bridge để mở rộng phạm vi điều khiển điện áp. Ứng dụng MMC trong microgrid và hệ thống năng lượng tái tạo phân tán cũng là hướng nghiên cứu được quan tâm. Tại Việt Nam, việc nội địa hóa công nghệ MMC và phát triển nguyên mẫu thử nghiệm là bước tiến cần thiết để tiếp cận công nghệ biến đổi công suất đa mức hiện đại.
