Luận án Tiến sĩ: Điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn MMC - Trần Hùng Cường

Luận án tiến sĩ nghiên cứu chuyên sâu phương pháp điều chế và điều khiển các bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa, ứng dụng trong hệ thống điện.

• Tác giả: Trần Hùng Cường
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Trọng Minh
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Tự động hóa Công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC như Itaipu, Brazil, Hoa kỳ [74], [75]. để truyền tải năng lượng điện cấp cho lưới điện xoay chiều tần số 50Hz hoặc 60Hz với công suất lên đến 12.600MW có khoảng cách hàng trăm km [79].1 Một số ứng dụng của BBĐ đa mức trong thực tế (nguồn: [60] ) 1.2 Cấu trúc cơ bản và hoạt động của bộ biến đổi MMC 1.1 Cấu trúc của bộ biến đổi MMC Cấu trúc BBĐ MMC được thể hiện như Hình 1.2 gồm có ba pha, mỗi pha của BBĐ được tạo thành từ hai nhánh van gồm nhánh trên và nhánh dưới chứa số lượng N các SM mắc nối tiếp nhau nằm dưới điện áp một chiều chung VDC. Tính năng mở rộng dần cấu trúc bằng việc thêm các SM của MMC cho phép tăng khả năng chịu điện áp trên các SM và sử dụng tối đa các mức điện áp để đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra về trị số THD mà không cần dùng đến các bộ lọc [20]. Điện cảm nhánh Lo liên kết giữa nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha với đầu ra xoay chiều AC lấy ra từ điểm giữa của hai cuộn cảm nhánh.

Các cuộn cảm này có tác dụng hạn chế dòng điện vòng và các quá độ làm việc của BBĐ [42], [78]. Khi thành phần di/dt cao sẽ nguy hiểm cho các thiết bị của MMC và có thể được kiểm soát và giảm thiểu bằng các cuộn cảm này [31],[38]. Các cuộn cảm còn có tác dụng khắc phục quá điện áp và không gây ảnh hưởng đáng kể vào các hoạt động bình thường của MMC vì các dòng nhánh nội bộ được chảy liên tục [52]. Các tổn hao trong mỗi nhánh của MMC được mô tả bởi điện trở Ro, điện trở này còn có tác dụng giúp tụ điện nạp điện tốt hơn và giảm thiểu tăng dòng quá độ trong mạch [55].

8 Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC iDC SM + + SM1 SM1 SM1 S1 SM2 SM2 SM2 VHa S2 VC _ SMN SMN SMN Ro Ro Ro Lo Lo Lo iHA iHB iHC iA VDC vA iB iLA vB iLB vC iC iLC Ro Ro Ro Lo Lo Lo + SMN+1 SMN+1 SMN+1 SMN+2 SMN+2 SMN+2 vLa _ SM2N SM2N SM2N _ Hình 1.2 Cấu trúc bộ biến đổi MMC Điện áp một chiều đầu vào được cấp bởi một nguồn chung duy nhất VDC (có thể là hệ thống acquy công suất lớn, nguồn điện PV). Tổng điện áp DC của mỗi nhánh MMC bằng tổng điện áp DC trên mỗi SM, nghĩa là mỗi SM sẽ chịu mức điện áp là VDC/N nếu có N là số SM trên mỗi nhánh pha. Điện áp xoay chiều trên các pha là vx (x = a,b,c) thay đổi từng bước trong phạm vi của VDC/2 đến -VDC/2 với mỗi bước điện áp là VDC/N. Vì cấu trúc của MMC thực hiện theo cách mắc nối tiếp một loạt các SM với nhau, do đó có thể tránh được sự phức tạp trong quá trình điều khiển đồng bộ các van [27], [71].

Đồng thời có thể giảm tổn thất của BBĐ xuống mức rất thấp. Điều này có được là do tần số đóng cắt thấp trong các van của mỗi SM và điện áp lên chúng cũng ở mức thấp [29], [30]. Khi hoạt động, mỗi SM sẽ thực hiện việc đóng cắt ở các thời điểm khác nhau do đó BBĐ có thể đạt được hiệu suất cao cũng như làm giảm độ méo sóng hài [31], [33]. Tùy thuộc vào cấu trúc của MMC, các SM có cấu tạo khác nhau [38], [39].

Cấu trúc phổ biến nhất của SM là sơ đồ nửa cầu H với phía DC chỉ gồm một tụ điện. SM dạng nửa cầu H có ưu điểm là chỉ dùng một số ít nhất gồm hai khóa bán dẫn với chức năng đưa điện áp phía tụ DC ra phía AC. Trong luận án này chỉ sử dụng cấu trúc SM dạng nửa cầu cho cấu hình MMC. Cấu trúc SM dạng nửa cầu cho điện áp đầu ra có hai mức là 0 hoặc VC (điện áp trên tụ điện của SM) tùy thuộc vào trạng thái tín hiệu đóng/cắt của cặp van bán dẫn IGBT S1 và S2.

Số lượng các SM trong BBĐ MMC phụ thuộc vào yêu cầu về cấp điện áp ở phía xoay chiều cũng như công suất trao đổi từ phía một chiều sang phía xoay chiều. Về lý thuyết, số lượng SM có thể tăng lên không hạn chế nhằm đáp ứng với mọi yêu cầu về mức điện áp ở phía xoay chiều [27], [37]. So với các BBĐ đa mức CHB, NPC thì BBĐ MMC có các ưu điểm và nhược điểm như sau: * Ưu điểm: 9 Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC + Có thể áp dụng cho hệ thống công suất lớn, điện áp cao. + Tính khả dụng cao, điện áp đặt lên các van bán dẫn được chia nhỏ, vì vậy có thể mở rộng tới hàng trăm mức điện áp, bằng cách thêm các SM vào mỗi pha BBĐ và dễ dàng trong việc sửa chữa và vận hành, vì vậy độ tin cậy của BBĐ thường cao hơn so với các BBĐ đa mức khác [37].

+ Các van trên một pha đóng cắt ở các thời điểm khác nhau trong chu kỳ trích mẫu bởi chương trình điều khiển nên tần số chuyển mạch thấp và tạo ra tổng độ méo sóng hài thấp [30]. + BBĐ có thể chịu được quá độ trong giới hạn cho phép khi có sóng quá độ lan truyền vào BBĐ, chi phí giá thành thấp hơn so với các BBĐ cùng cấp điện áp [26]. + Đối với các ứng dụng nối lưới thì BBĐ MMC có khả năng bù công suất phản kháng, loại bỏ sóng hài, đồng thời cân bằng tải [33]. + Hoạt động của hai phía một chiều và xoay chiều không cần bộ lọc đầu ra hay máy biến áp cách ly và thiết bị làm mát, do đó kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý hơn so với các BBĐ cùng cấp điện áp [55].

* Nhược điểm: + Tồn tại dòng điện vòng móc vòng từ nhánh trên qua nhánh dưới trong mỗi pha, đây là nguyên nhân gây tổn thất điện năng và làm giảm giới hạn chịu đựng của các linh kiện bán dẫn [29], [32], [33]. + Điều khiển phức tạp khi số mức điện áp tăng và số lượng SM lớn. + Khi cấu trúc càng mở rộng thì số lượng SM tăng, khi đó số van bán dẫn cũng sẽ tăng lên dẫn đến chi phí của BBĐ sẽ cao.1 Nguyên lý tạo một mức điện áp của SM dạng nửa cầu D1 D1 D1 V /N D1 S1 S1 VDC/N S1 DC S1 VDC/N i VDC/N i i i S2 VSM S2 VSM S2 D2 S2 D2 VSM D2 D2 VSM a) b) c) d) 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 Để tạo điện áp đầu ra AC, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu bật hoặc tắt cho các IGBT của SM. SM được chèn vào (insert) hoặc bỏ qua (bypass) dựa trên trạng thái của các van trong SM.

Cấu trúc của SM dạng nửa cầu có hai trạng thái chuyển đổi: - S1 ở trạng thái ON và S2 ở trạng thái OFF. - S1 ở trạng thái OFF và S2 ở trạng thái ON. Hai khóa này không được phép bật cùng một lúc, bởi vì điện áp tụ điện sẽ được phóng hoàn toàn và sau đó nó sẽ trở thành không có tác dụng. Bằng cách xem xét 10 Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC các trạng thái chuyển mạch, bốn trạng thái làm việc khác nhau có thể được thực hiện dựa trên các hướng dòng điện như Hình 1.

Các trạng thái đóng cắt được mô tả cụ thể trong bốn trường hợp như sau: TH1: S1 được OFF S2 được ON (Hình 1.3a) và dòng điện được quy ước theo chiều dương. Dòng điện i sẽ đi qua S2, VSM sẽ bằng không (điện áp tụ được giả định là không) và tụ điện được “bỏ qua”. Trạng thái này gọi là trạng thái SM bị “bypass". TH2: S1 được ON và S2 được OFF (Hình 1.3b) và dòng điện được quy ước theo chiều dương.

Trong trường hợp này dòng điện i sẽ đi qua D1 và tụ điện sẽ tích điện và VSM = VC. Điện áp của nhánh được thiết lập trên SM và sẽ tăng lên một bước. Trạng thái này gọi là trạng thái SM được “insert”. TH3: S1 được ON và S2 được OFF (Hình 1.3c) và dòng điện được quy ước theo chiều âm.

Trường hợp này dòng điện có chiều ngược lại. Bộ điều khiển sẽ bật S1 để kết nối các tụ điện với mạch và tăng điện áp nhánh lên một bước. Trong trạng thái này, các tụ điện được phóng và VSM = VC. Trạng thái này SM được “insert”.

TH4: S1 được OFF và S2 được ON (Hình 1.3d) và dòng điện được quy ước theo chiều âm. Trong trạng thái này, D2 được bật và dòng điện sẽ đi qua nó. Các tụ điện sẽ được “ngắn mạch” và VSM = 0. Đây cũng là trạng thái SM được “bypass”.1 Điện áp ngõ ra của SM Trạng thái van Điện áp ra Chiều dòng điện Trạng thái tụ S1 S2 0 1 0 + Nối tắt 1 0 VC + Nạp 1 0 VC - Xả 0 1 0 - Nối tắt 1.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC Trong hoạt động bình thường của MMC trong Hình 1.2, tất cả các tụ điện được tích điện đến giá trị định mức là VDC/N.

Để đạt được giá trị này, tài liệu [60] đã đề xuất quy luật “insert” hoặc “bypass” các SM, trong đó mỗi SM của một nhánh được bật sẽ tắt số SM tương ương của nhánh còn lại sao cho trong một chu kỳ làm việc luôn có N các SM được bật ở mỗi pha. Các tụ điện được bật và tắt bởi các xung điều khiển độc lập [61]. Trong MMC, các tụ điện không đóng vai trò tích điện cho các nguồn điện chính mà được tích điện để phục vụ cho một mức điện áp có giá trị bằng DC/N. Khi tất cả các tụ điện đã được tích điện, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu để bật và tắt các SM để tạo ra điện áp AC từ một nguồn DC hoặc ngược lại [33].

Tại mỗi thời điểm lấy mẫu, chỉ một nửa trong tổng số SM trong một pha là được bật (tức là N các SM được bật). Do đó, tổng số các tụ điện làm việc nối từ nhánh trên và nhánh dưới cùng là bằng N tại mọi thời điểm. 11 Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC BBĐ MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp được tạo ra bởi mỗi SM để tạo ra điện áp xoay chiều AC ở từng pha của các BBĐ.