Tổng quan luận án

Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (Modular Multilevel Converter - MMC) được ứng dụng trong các hệ thống truyền tải và biến đổi điện năng công suất lớn, điện áp cao từ cấp trung áp (1 kV đến 60 kV) đến cao áp (110 kV đến 220 kV) như hệ thống truyền tải một chiều cao áp (HVDC), bù công suất phản kháng tĩnh (STATCOM), tích hợp năng lượng tái tạo (điện gió, điện mặt trời) và truyền động điện công nghiệp. Cấu trúc MMC giải quyết được các hạn chế của các bộ biến đổi đa mức truyền thống như bộ biến đổi diode kẹp (NPC), bộ biến đổi tụ bay (FCC) hay nghịch lưu cầu H nối tầng (CHB) nhờ khả năng mở rộng số mức điện áp không giới hạn, giảm điện áp chịu đựng trên mỗi linh kiện bán dẫn và loại bỏ các bộ lọc cồng kềnh hoặc máy biến áp cách ly.

Tuy nhiên, việc vận hành MMC đặt ra các thách thức kỹ thuật phức tạp:

  • Hiện tượng dòng điện vòng ($i_v$) xuất hiện giữa các nhánh pha do sự chênh lệch điện áp tức thời giữa nhánh trên và nhánh dưới, gây tổn hao công suất, làm méo dạng dòng điện nhánh và tăng ứng suất nhiệt lên van bán dẫn IGBT.
  • Sự mất cân bằng điện áp trên các tụ điện một chiều ($V_C$) của từng phân mô-đun (Sub-Module - SM) và giữa các pha trong quá trình phóng nạp.
  • Thuật toán điều chế đa sóng mang hoặc vector không gian kinh điển gặp giới hạn về khối lượng tính toán khi số lượng phân mô-đun tăng cao.

Nhằm giải quyết các khoảng trống kỹ thuật này, luận án của nghiên cứu sinh Trần Hùng Cường, thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Trần Trọng Minh và TS. Phạm Việt Phương tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Mục tiêu nghiên cứu 1: Xây dựng và hoàn thiện thuật toán điều chế vector không gian (SVM) và điều chế mức gần nhất cải tiến (NLM cải tiến) có khả năng áp dụng linh hoạt cho bộ biến đổi MMC với số mức bất kỳ, tối ưu hóa quá trình chuyển mạch và giảm độ méo sóng hài (THD).
  2. Mục tiêu nghiên cứu 2: Thiết kế thuật toán điều khiển dự báo (MPC) dựa trên tập trạng thái dư để cân bằng điện áp trung bình trên các tụ điện SM, khắc phục nhược điểm tính toán sắp xếp liên tục của các phương pháp truyền thống.
  3. Mục tiêu nghiên cứu 3: Thiết kế cấu trúc điều khiển phối hợp giữa bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI) và bộ cộng hưởng tỉ lệ (PR) kết hợp bộ lọc thông thấp (LPF) nhằm triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc chẵn (bậc 2, bậc 4) của dòng điện vòng, chỉ giữ lại thành phần một chiều truyền công suất.
  4. Mục tiêu nghiên cứu 4: Thiết kế các mạch vòng điều khiển dòng điện, điện áp và công suất ($P, Q$) cho MMC trong các ứng dụng nối lưới điện xoay chiều ba pha và thiết bị bù tĩnh D-STATCOM.
  5. Mục tiêu nghiên cứu 5: Thiết kế, chế tạo phần cứng và xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống MMC ba pha (gồm 12 SM trên mỗi pha), nhúng các thuật toán điều chế và điều khiển trên vi mạch tích hợp FPGA AX309 Xilinx để kiểm chứng thực tế.
  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (MMC) sử dụng phân mô-đun dạng nửa cầu (half-bridge SM); các kỹ thuật điều chế (NLM, PWM, SVM); các thuật toán điều khiển cân bằng điện áp tụ điện, điều khiển dòng điện vòng và điều khiển công suất.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về lý thuyết: Mô hình hóa toán học trạng thái liên tục của MMC nối tải R-L và nối lưới; phân tích thuật toán điều chế và điều khiển trong điều kiện điện áp vận hành bình thường và biến động lưới.
    • Về thực nghiệm: Hệ thống phần cứng MMC 3 pha với 12 SM/pha (tổng 36 SM), mạch đo lường dòng điện/điện áp, mạch driver IGBT, mạch dead-time, mạch ADC MCP3208 và bộ điều khiển trung tâm FPGA AX309 Xilinx tại Phòng thí nghiệm 203-C9, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Cấu trúc MMC được giới thiệu lần đầu vào những năm 2000 bởi Marquardt và Lesnicar, mở ra hướng tiếp cận mới trong biến đổi năng lượng điện áp cao. Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước:

Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các công trình điện tử công suất tập trung chủ yếu vào các bộ biến đổi cơ bản như chỉnh lưu AC/DC, biến đổi AC/AC, nghịch lưu DC/AC, biến tần gián tiếp AC/DC/AC và biến tần ma trận (Matrix Converter). Các nghiên cứu chuyên sâu, có hệ thống về cấu trúc MMC, đặc biệt là các giải pháp điều chế cho số mức bất kỳ, thuật toán điều khiển tối ưu dòng điện vòng và xây dựng hệ thống thực nghiệm phần cứng hoàn chỉnh quy mô phân mô-đun lớn vẫn còn hạn chế.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

  • Về phương pháp điều chế:
    • Phương pháp NLM: Phù hợp khi số lượng SM lớn vì tần số đóng cắt thấp. Tài liệu tham khảo chỉ ra rằng NLM cổ điển tạo ra $N+1$ mức điện áp với sai lệch biên độ $0,5V_C$.
    • Phương pháp PWM (PS-PWM, LS-PWM): Phương pháp dịch pha (PS-PWM) có khả năng tự cân bằng điện áp tụ nhưng làm tăng tần số đóng cắt của van; phương pháp dịch mức (LS-PWM) như IPD, POD, APOD đòi hỏi thêm thuật toán cân bằng tụ phức tạp và khó cấu hình khi số mức lớn.
    • Phương pháp SVM: Cho chất lượng sóng hài điện áp và dòng điện tốt, biên độ điều chế linh hoạt, nhưng số lượng vector trạng thái tăng theo cấp số nhân khi số mức tăng ($3M^2 - 3M + 1$), dẫn đến gánh nặng tính toán lớn cho bộ xử lý.
  • Về điều khiển cân bằng điện áp tụ và dòng điện vòng:
    • Thuật toán sắp xếp điện áp tụ truyền thống (sorting algorithm) đòi hỏi sắp xếp liên tục toàn bộ điện áp tụ trong mỗi chu kỳ trích mẫu, gây nghẽn tài nguyên tính toán khi số lượng SM lên đến hàng chục hoặc hàng trăm.
    • Dòng điện vòng ($i_v$) sinh ra do sự mất cân bằng điện áp giữa các nhánh pha, chứa thành phần một chiều $I_{vx}$ mang năng lượng hữu ích và các sóng hài bậc chẵn ($2\omega, 4\omega...$). Nếu chỉ tăng điện cảm nhánh ($L_o$) sẽ làm tăng sụt áp, chi phí và thời gian đáp ứng quá độ của hệ thống.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án tập trung giải quyết đồng thời ba vấn đề: (1) Đơn giản hóa thuật toán tính toán điều chế SVM và mở rộng NLM cải tiến cho số mức bất kỳ; (2) Giảm tải tính toán cân bằng điện áp tụ bằng cách kết hợp điều khiển dự báo MPC trên tập trạng thái dư của SVM; (3) Triệt tiêu sóng hài bậc cao của dòng điện vòng bằng bộ điều khiển cộng hưởng PR phối hợp LPF; (4) Hiện thực hóa toàn bộ thuật toán trên phần cứng thực nghiệm FPGA AX309 Xilinx.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

Luận án sử dụng mô hình trung bình trạng thái liên tục (Continuous State Average Model) để mô tả quá trình động học của MMC. Xét một pha $x$ ($x \in {A, B, C}$) gồm nhánh trên ($H$) và nhánh dưới ($L$), mỗi nhánh có $N$ phân mô-đun, điện cảm nhánh $L_o$, điện trở nhánh $R_o$:

  • Quan hệ dòng điện xoay chiều đầu ra: $$i_x = i_{Hx} - i_{Lx}$$

  • Dòng điện vòng trong mỗi pha: $$i_{vx} = \frac{i_{Lx} + i_{Hx}}{2} \implies \begin{cases} i_{Lx} = i_{vx} + \frac{i_x}{2} \ i_{Hx} = i_{vx} - \frac{i_x}{2} \end{cases}$$

  • Phương trình điện áp nhánh theo định luật Kirchhoff: $$v_x = -v_{Hx} - L_o \frac{di_{Hx}}{dt} - R_o i_{Hx} + \frac{V_{DC}}{2}$$ $$v_x = v_{Lx} + L_o \frac{di_{Lx}}{dt} + R_o i_{Lx} - \frac{V_{DC}}{2}$$

  • Điện áp ra xoay chiều (chưa tính sụt áp trên $L_o, R_o$): $$v_{ex} = \frac{1}{2}(v_{Lx} - v_{Hx})$$

  • Động học dòng điện vòng phụ thuộc vào độ chênh lệch điện áp nhánh $v_{diff_x}$: $$L_o \frac{di_{vx}}{dt} + R_o i_{vx} = \frac{V_{DC}}{2} - \frac{v_{Lx} + v_{Hx}}{2} = v_{diff_x}$$

  • Mô hình trạng thái tổng quát mô tả động học điện áp tụ và dòng điện vòng: $$\frac{d}{dt}\begin{bmatrix} i_{vx} \ V_{CHx} \ V_{CLx} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -\frac{R_o}{L_o} & -\frac{k_{Hx}}{2L_o} & -\frac{k_{Lx}}{2L_o} \ \frac{k_{Hx}}{C_{SM}} & 0 & 0 \ \frac{k_{Lx}}{C_{SM}} & 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} i_{vx} \ V_{CHx} \ V_{CLx} \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} \frac{V_{DC}}{2L_o} \ -\frac{k_{Hx} i_x}{2C_{SM}} \ \frac{k_{Lx} i_x}{2C_{SM}} \end{bmatrix}$$ (Trong đó $k_{Hx}, k_{Lx}$ là chỉ số chèn của các SM ở nhánh trên và nhánh dưới).

  • Mô hình MMC nối lưới trên hệ tọa độ quay $dq$: $$L \frac{di_d}{dt} = -R i_d + \omega L i_q + v_d - u_d$$ $$L \frac{di_q}{dt} = -R i_q - \omega L i_d + v_q - u_q$$ (Với $R = R_f + \frac{R_o}{2}$, $L = L_f + \frac{L_o}{2}$, $u_d, u_q$ là điện áp lưới, $v_d, v_q$ là điện áp đầu ra MMC).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp giải tích và mô hình hóa: Thiết lập các hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống mạch lực, phân tích vector không gian trong hệ tọa độ $gh$ và $\alpha\beta$, biến đổi hệ tọa độ dq phục vụ điều khiển vector tựa theo điện áp lưới (VOC).
  • Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hình mô phỏng thời gian thực trên môi trường MATLAB/Simulink cho hệ thống MMC 13 mức, kiểm chứng đáp ứng động học của các mạch vòng dòng điện, công suất và các giải thuật điều khiển dự báo.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế bo mạch phần cứng chuẩn công nghiệp, chế tạo mạch đo dòng điện (dùng cảm biến Hall), mạch đo điện áp tụ, mạch đệm ADC MCP3208, mạch Dead-Time và mạch Driver cách ly kích van IGBT; lập trình thuật toán điều chế và điều khiển trực tiếp trên chip xử lý số FPGA AX309 Xilinx.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết, phân loại các bộ biến đổi đa mức và phân tích cấu trúc hoạt động của MMC sử dụng phân mô-đun nửa cầu.

Mỗi phân mô-đun gồm hai van IGBT ($S_1, S_2$), hai diode mắc song song ngược ($D_1, D_2$) và một tụ điện một chiều $C_{SM}$. Tùy thuộc vào trạng thái đóng cắt của van và chiều dòng điện nhánh, SM hoạt động ở 4 trạng thái:

Trạng thái van $S_1$ Trạng thái van $S_2$ Chiều dòng điện nhánh ($i$) Điện áp đầu ra $V_{SM}$ Trạng thái tụ điện Chế độ SM
0 (OFF) 1 (ON) Dương ($+$) 0 Nối tắt (không đổi) Bypass
1 (ON) 0 (OFF) Dương ($+$) $V_C$ Nạp năng lượng Insert
1 (ON) 0 (OFF) Âm ($-$) $V_C$ Phóng năng lượng Insert
0 (OFF) 1 (ON) Âm ($-$) 0 Nối tắt (không đổi) Bypass

Chương này cũng phân tích quy chuẩn kỹ thuật theo Thông tư 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 của Bộ Công Thương (quy định tổng độ biến dạng sóng hài điện áp THD cấp Trung và Hạ áp không được vượt quá 6,5%), độ lệch điện áp trên tụ không vượt quá 10% giá trị định mức và đặt ra các mục tiêu giải quyết sóng hài dòng điện vòng.

Chương 2: Mô hình hóa bộ biến đổi MMC

Chương 2 thiết lập các mô hình trạng thái liên tục của MMC khi nối tải thuần trở - cảm ($R-L$) và chế độ nối lưới xoay chiều ba pha. Đồng thời, chương này đi sâu phân tích và so sánh hai phương pháp điều chế tần số cơ bản: NLM cổ điển và NLM cải tiến.

Tiêu chí so sánh Phương pháp NLM cổ điển Phương pháp NLM cải tiến
Hàm làm tròn sử dụng $\text{round}_{0,5}(x)$ $\text{round}_{0,25}(x)$
Tổng số SM mỗi nhánh $N$ $N$
Số SM chèn vào một pha tại một thời điểm Luôn cố định là $N$ Dao động giữa $N$ và $N+1$
Số mức điện áp tạo ra ở đầu ra $N+1$ mức $2N+1$ mức
Kích thước mỗi bước điện áp ($v_{step}$) $V_C$ $0,5 V_C$
Sai lệch lớn nhất giữa điện áp đặt và ra $0,5 V_C$ $0,25 V_C$

Nhờ áp dụng hàm làm tròn $\text{round}_{0,25}$, NLM cải tiến nhân đôi số mức điện áp đầu ra trên cùng một cấu hình phần cứng, giảm một nửa biên độ bậc thang sai lệch, từ đó giảm đáng kể sóng hài THD và giảm ứng suất biến thiên điện áp $dv/dt$ trên tải. Chương 2 cũng trình bày kết quả mô phỏng so sánh giữa NLM cải tiến và phương pháp dịch pha PS-PWM.

Chương 3: Phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC

Chương 3 tập trung phát triển giải thuật điều chế vector không gian (SVM) tối ưu hóa cho MMC:

  • Xác định vector trạng thái và sector: Phân chia không gian vector thành 6 sector lớn trên hệ tọa độ không vuông góc $gh$. Trong mỗi sector, sử dụng 3 vector điện áp gần nhất (NVM) để tổng hợp vector điện áp đặt.
  • Quy luật chuyển mạch tối ưu: Thiết lập trật tự đóng cắt van sao cho trong mỗi chu kỳ chuyển mạch chỉ có một van thay đổi trạng thái, tối thiểu hóa số lần đóng cắt để giảm tổn hao nhiệt.
  • Điều khiển dự báo (MPC) cân bằng điện áp trung bình tụ điện: Tận dụng các trạng thái đóng cắt dư (redundant switching states) của vector không gian để xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa $J_V$: $$J_V = \min \sum \left| V_{C_avg_pred} - V_{C_ref} \right|$$ Thuật toán dự báo điện áp trung bình tụ trên từng nhánh trong chu kỳ tiếp theo và lựa chọn vector trạng thái tối ưu ($k_{Opt}$) mà không cần dùng thuật toán sắp xếp từng tụ đơn lẻ.
  • Điều khiển triệt tiêu sóng hài dòng điện vòng: Kết hợp bộ điều khiển dòng điện vòng trên hệ tọa độ tĩnh sử dụng khâu tích phân tỉ lệ (PI) và các bộ cộng hưởng tỉ lệ (PR) điều chỉnh ở tần số $2\omega$ và $4\omega$, kết hợp bộ lọc thông thấp (LPF) để loại bỏ thành phần sóng hài bậc 2 và bậc 4.
  • Kết quả mô phỏng: Kiểm chứng trên hệ thống MMC 13 mức, dạng sóng điện áp ba pha hình sin nhiều bậc trơn tru, dòng điện xoay chiều có THD thấp, điện áp các tụ điện duy trì ổn định quanh mức định mức, dòng điện vòng chỉ còn thành phần một chiều $I_{vx}$.

Chương 4: Hệ thống điều khiển cho các ứng dụng của MMC

Chương 4 thiết kế cấu trúc điều khiển hoàn chỉnh cho hai ứng dụng thực tế:

  1. Hệ thống MMC nối lưới ba pha không dùng biến áp:
    • Cấu trúc điều khiển phân tầng: Mạch vòng ngoài điều khiển công suất tác dụng ($P$) và công suất phản kháng ($Q$) (hoặc điện áp DC); mạch vòng trong điều khiển dòng điện $i_d, i_q$ trên hệ tọa độ $dq$ đồng bộ bằng vòng khóa pha (PLL).
    • Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đáp ứng nhanh với các bước nhảy công suất đặt, dòng điện hòa lưới đạt dạng sin chuẩn với THD thỏa mãn quy định kỹ thuật của lưới điện.
  2. Hệ thống D-STATCOM bù công suất phản kháng:
    • Cấu trúc mạch bù tĩnh dựa trên MMC kết nối song song với lưới điện để điều chỉnh điện áp tại điểm đấu nối chung (PCC) và bù công suất phản kháng cho phụ tải công nghiệp.
    • Thiết kế các mạch vòng điều khiển điện áp DC bus và dòng điện phản kháng $i_q$. Mô phỏng chứng minh MMC chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ phát công suất phản kháng (chế độ điện dung) và tiêu thụ công suất phản kháng (chế độ điện cảm), giữ ổn định điện áp DC và cân bằng điện áp trên các tụ phân mô-đun.

Chương 5: Thiết kế xây dựng hệ thống thực nghiệm bộ biến đổi MMC

Chương 5 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế phần cứng và thử nghiệm thực nghiệm hệ thống MMC ba pha quy mô phòng thí nghiệm:

  • Cấu trúc phần cứng: Hệ thống gồm 3 pha, mỗi pha có 12 SM (6 SM nhánh trên, 6 SM nhánh dưới), tổng cộng 36 phân mô-đun.
  • Thiết kế các khối mạch chức năng:
    • Mạch lực: Thiết kế các module chứa 2 SM sử dụng van IGBT.
    • Mạch Driver: Mạch cách ly quang và khuếch đại xung kích van IGBT, tích hợp bộ nguồn cách ly độc lập cho từng kênh van.
    • Mạch Dead-Time: Khóa phần cứng tạo thời gian chết chống trùng dẫn giữa hai van $S_1, S_2$ trong cùng một SM.
    • Mạch đo lường và ADC: Mạch cảm biến dòng điện nhánh và điện áp tụ SM, sử dụng IC chuyển đổi tương tự - số 12-bit MCP3208 giao tiếp SPI.
    • Bộ điều khiển trung tâm: Kit vi mạch lập trình mảng cổng logic FPGA AX309 Xilinx chịu trách nhiệm tính toán thời gian thực, đọc dữ liệu ADC và xuất xung kích PWM cho toàn bộ hệ thống van bán dẫn.
  • Kết quả thực nghiệm: Luận án ghi nhận và phân tích các dạng sóng thực tế trên dao động ký:
    • Dạng sóng xung điều khiển từ FPGA và đầu ra Driver.
    • Điện áp bậc thang nhánh trên, nhánh dưới và điện áp xoay chiều ba pha trên tải $R-L$.
    • Dạng sóng dòng điện ba pha đầu ra đạt dạng sin trơn.
    • Điện áp trên các tụ điện của các SM duy trì cân bằng ổn định quanh giá trị tính toán.
    • Dạng sóng dòng điện vòng được kiểm chứng khi chạy các thuật toán PWM, NLM và SVM.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng thành công thuật toán điều chế mức gần nhất cải tiến (NLM cải tiến) sử dụng hàm làm tròn 0,25, giúp tăng số mức điện áp đầu ra từ $N+1$ lên $2N+1$ mức và giảm biên độ sai lệch điện áp xuống còn $0,25V_C$, giảm độ méo sóng hài THD mà không làm tăng tần số đóng cắt của linh kiện.
  2. Phát triển quy luật điều chế vector không gian (SVM) tổng quát hóa cho MMC với số mức bất kỳ, tối ưu hóa trật tự chuyển mạch nhằm giảm số lần đóng cắt van bán dẫn và tổn thất chuyển mạch.
  3. Đề xuất giải pháp điều khiển dự báo (MPC) cân bằng điện áp trung bình tụ điện trên từng nhánh pha dựa trên việc khai thác tập trạng thái dư của các vector không gian, giúp giải phóng áp lực tính toán so với các thuật toán sắp xếp tụ truyền thống.
  4. Đề xuất cấu trúc điều khiển suy giảm dòng điện vòng kết hợp bộ điều khiển PI, bộ cộng hưởng PR tại tần số $2\omega, 4\omega$ và bộ lọc LPF, loại bỏ thành phần sóng hài bậc chẵn và giảm thiểu nhấp nhô điện áp tụ điện.

Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm bộ biến đổi MMC ba pha gồm 36 phân mô-đun (12 SM/pha) kèm theo hệ thống mạch đo lường, mạch điều khiển Driver, ADC và mạch tạo thời gian chết bảo vệ van.
  2. Hiện thực hóa việc lập trình nhúng toàn bộ thuật toán điều chế NLM, PWM, SVM và giải thuật điều khiển trên nền tảng vi mạch số FPGA AX309 Xilinx, chứng minh tính khả thi của cấu trúc phần cứng và phần mềm trong điều kiện làm việc thực tế.
  3. Ứng dụng thành công cấu trúc điều khiển cho MMC trong hai bài toán công nghiệp: hòa lưới điện ba pha không qua máy biến áp và thiết bị bù tĩnh D-STATCOM đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng điện năng theo Thông tư 39/2015/TT-BCT.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Các phân tích lý thuyết và mô hình toán học ban đầu giả định các thông số phần tử mạch lực là lý tưởng, điện áp tụ điện hoàn toàn đồng nhất.
  • Luận án mới chỉ tập trung nghiên cứu cấu trúc phân mô-đun dạng nửa cầu (half-bridge SM), chưa mở rộng phân tích các cấu trúc SM khác như cầu đầy đủ (full-bridge SM) có khả năng triệt tiêu dòng sự cố ngắn mạch phía một chiều.
  • Hệ thống thực nghiệm mới chỉ thực hiện kiểm chứng các thuật toán điều chế và điều khiển dòng điện, điện áp trên tải $R-L$ tại quy mô công suất phòng thí nghiệm, chưa thực hiện hòa lưới trực tiếp trên đường dây công suất lớn ngoài hiện trường.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu áp dụng các thuật toán điều chế và điều khiển MMC khi lưới điện xảy ra sự cố mất cân bằng điện áp nghiêm trọng hoặc sụt áp sâu (Low Voltage Ride Through - LVRT).
  • Nghiên cứu phát triển cấu hình MMC sử dụng các phân mô-đun hỗn hợp (kết hợp Half-Bridge và Full-Bridge) để nâng cao khả năng tự xử lý sự cố ngắn mạch DC.
  • Tối ưu hóa sâu hơn mã nguồn phần mềm trên FPGA để nâng cao tần số lấy mẫu và mở rộng quy mô hệ thống cho các ứng dụng truyền tải điện một chiều cao áp HVDC thương mại.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật điều khiển, Tự động hóa và Điện tử công suất: Tham khảo phương pháp mô hình hóa toán học trạng thái liên tục của các hệ thống biến đổi đa mức phi tuyến, phương pháp thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC và kỹ thuật điều chế vector không gian đa mức.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống nhúng: Tham khảo toàn bộ sơ đồ nguyên lý phần cứng, cách tính toán thông số mạch lực, mạch đo lường dòng/áp, mạch driver cách ly IGBT, mạch tạo trễ Dead-Time và phương pháp lập trình điều khiển trên chip FPGA Xilinx (Chương 5 và các Phụ lục).
  • Kỹ sư vận hành hệ thống điện và đơn vị nghiên cứu lưới điện thông minh: Tham khảo giải pháp thiết kế bộ bù tĩnh D-STATCOM dựa trên MMC để cải thiện chất lượng điện năng và phương thức kết nối các nguồn năng lượng tái tạo công suất lớn vào lưới điện quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp điều chế NLM cải tiến lại tạo ra được $2N+1$ mức điện áp so với $N+1$ mức của NLM cổ điển?

Phương pháp NLM cải tiến thay đổi hàm làm tròn từ $\text{round}{0,5}(x)$ sang $\text{round}{0,25}(x)$. Khi đó, thời điểm chuyển bước điện áp giữa nhánh trên và nhánh dưới không diễn ra đồng thời, làm cho tổng số phân mô-đun được chèn vào trên một pha dao động linh hoạt giữa $N$ và $N+1$ SM. Kích thước bậc thang điện áp ngõ ra giảm từ $V_C$ xuống còn $0,5V_C$, giúp tăng gấp đôi số mức điện áp lên $2N+1$ mức và giảm sai lệch biên độ lớn nhất xuống $0,25V_C$.

2. Dòng điện vòng trong MMC phát sinh do đâu và gây ra tác hại gì?

Dòng điện vòng ($i_v$) sinh ra do sự mất cân bằng điện áp tức thời giữa nhánh trên và nhánh dưới trong từng pha của MMC trong quá trình các tụ điện phóng nạp không đồng bộ. Dòng điện vòng chạy quẩn bên trong sáu nhánh van, chứa thành phần một chiều $I_{vx}$ và các thành phần sóng hài bậc chẵn ($2\omega, 4\omega...$). Tác hại của nó là làm méo dạng dòng điện nhánh, tăng biên độ nhấp nhô điện áp trên các tụ điện và làm tăng tổn thất nhiệt cũng như ứng suất làm việc lên các van bán dẫn IGBT.

3. Giải pháp cân bằng điện áp tụ điện dựa trên điều chế SVM trong luận án có ưu điểm gì so với phương pháp sắp xếp truyền thống?

Phương pháp sắp xếp truyền thống yêu cầu liên tục đo đạc và sắp xếp lại toàn bộ điện áp tụ trong mỗi chu kỳ đóng cắt để chọn SM bật/tắt, gây nghẽn tính toán khi số lượng SM lớn. Luận án khai thác các trạng thái dư của vector không gian kết hợp thuật toán điều khiển dự báo MPC để tối ưu hóa giá trị trung bình của điện áp tụ trên từng nhánh pha, đưa điện áp trung bình bám theo giá trị đặt mà không cần can thiệp sắp xếp liên tục từng tụ riêng lẻ.

4. Hệ thống thực nghiệm của luận án được xây dựng với quy mô và cấu hình phần cứng như thế nào?

Hệ thống thực nghiệm gồm bộ biến đổi MMC ba pha với tổng cộng 36 phân mô-đun dạng nửa cầu (12 SM trên mỗi pha, chia đều 6 SM nhánh trên và 6 SM nhánh dưới). Phần cứng bao gồm các bo mạch chứa 2 SM với van IGBT, mạch Driver cách ly xung kích, mạch Dead-Time chống ngắn mạch van, mạch đo dòng điện/điện áp tích hợp chip ADC 12-bit MCP3208 và khối xử lý trung tâm là kit vi mạch số FPGA AX309 Xilinx.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Hùng Cường đã giải quyết các bài toán cốt lõi trong mô hình hóa, điều chế và điều khiển bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (MMC). Công trình đã đề xuất thành công kỹ thuật điều chế NLM cải tiến ($2N+1$ mức), thuật toán SVM tối ưu hóa trật tự chuyển mạch, phương pháp điều khiển dự báo MPC cân bằng điện áp tụ trên tập trạng thái dư và cấu trúc PR kết hợp LPF triệt tiêu sóng hài dòng điện vòng. Toàn bộ các kết quả lý thuyết và mô phỏng đã được kiểm chứng bằng hệ thống thực nghiệm MMC 3 pha 36 phân mô-đun điều khiển bởi FPGA AX309 Xilinx, khẳng định tính đúng đắn và khả năng ứng dụng thực tế trong hệ thống điện công nghiệp và truyền tải năng lượng.