Mô Hình Hóa và Xây Dựng Cấu Trúc Điều Khiển cho Bộ Biến Đổi Đa Mức

Mô hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi đa cấu trúc module, tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Triệu Duy Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Việt Phương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Mô Hình Hóa Và Xây Dựng Cấu Trúc Điều Khiển Cho Bộ Biến Đổi Đa Mức
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module
• 1.3. Ứng dụng của MMC
• 1.4. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC CẤU TRÚC MODULE
• 2.1. Cấu trúc của bộ biến đổi đa mức cấu trúc module
• 2.2. Cấu trúc dạng nửa cầu
• 2.3. Cấu trúc dạng cầu
• 2.4. Cấu trúc dạng Đi-ốt kẹp
• 2.5. Cấu trúc dạng liên kết chéo
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC
• 4. CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN NLM VÀ PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
• 4.1. Thuật toán NLM
• 4.1.1. Thuật toán NLM cổ điển
• 4.1.2. Thuật toán NLM cải tiến
• 4.2. Lựa chọn thuật toán NLM cho MMC và thuật toán cân bằng điện áp
• 4.2.1. Lựa chọn thuật toán NLM cho MMC
• 4.2.2. Thuật toán cân bằng điện áp
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ
• 5.1. Phần mềm và thông số mô phỏng
• 5.2. Kết quả mô phỏng
• 5.2.1. Kết quả đầu ra thuật toán NLM
• 5.2.2. Điện áp nhánh pha trên và dưới của 1 pha
• 5.2.3. Điện áp dây đầu ra
• 5.2.4. Điện áp trên các pha đầu ra
• 5.2.5. Dòng điện đầu ra
• 5.2.6. Sóng hài TDH đầu ra
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Bộ Biến Đổi Đa Mức Khái Niệm Ưu Điểm

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo, bộ biến đổi đa mức (Multilevel Converter - MC) đóng vai trò then chốt. MC cung cấp điện áp đầu ra với nhiều cấp điện áp, giảm thiểu méo hài và tổn hao công suất so với các bộ biến đổi hai mức truyền thống. Điều này dẫn đến hiệu suất cao hơn và yêu cầu điện áp đầu vào thấp hơn. MC được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, năng lượng tái tạo, cải tạo lưới điện và truyền tải điện. Trích dẫn từ tài liệu gốc: "Bộ nghịch lưu đa mức (Multilevel converter - MC) được giới thiệu vào năm 1975 [1], bộ nghịch lưu đa mức cung cấp hơn hai cấp điện áp." Các nghiên cứu và phát triển liên tục hướng đến việc nâng cao hiệu quả và giảm giá thành của các bộ biến đổi đa mức, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Phân Loại Bộ Biến Đổi Đa Mức

Lịch sử phát triển của bộ biến đổi đa mức trải qua nhiều giai đoạn, với các mô hình phổ biến như Đi-ốt kẹp (NPC), tụ bay (FC), xếp tầng (Cascaded) và lai (Hybrid). Các bộ biến đổi này thuộc nhánh bộ biến đổi nguồn áp trong hệ thống phân loại. Tuy nhiên, vẫn còn những nhược điểm như số lượng van bán dẫn lớn, tổn hao chuyển mạch cao và điều khiển phức tạp.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Bộ Biến Đổi Đa Mức So Với Truyền Thống

Bộ biến đổi đa mức mang lại nhiều ưu điểm so với bộ biến đổi truyền thống, bao gồm khả năng tạo ra điện áp đầu ra gần dạng sóng sin, giảm độ méo hài, và giảm tần số chuyển mạch. Điều này dẫn đến tổn hao công suất thấp hơn trên các linh kiện bán dẫn và hiệu suất tổng thể cao hơn.

1.3. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bộ Biến Đổi Đa Mức Trong Công Nghiệp

Bộ biến đổi đa mức được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm các hệ thống quạt gió, băng tải, hệ thống năng lượng gió và năng lượng tái tạo. Đặc biệt, bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (MMC) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC.

II. MMC Là Gì Tìm Hiểu Cấu Trúc Nguyên Lý Hoạt Động

Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (MMC) là một phát triển nâng cấp của bộ biến đổi đa mức, được đề xuất vào đầu những năm 2000. Cấu trúc của MMC dựa trên sự ghép nối của một số lượng lớn các module thành phần (Sub-module - SM), mỗi SM là bộ biến đổi nửa cầu dùng van bán dẫn điều khiển hoàn toàn. MMC có ưu điểm là cấu trúc mở, mức điện áp phụ thuộc vào số lượng module, điều khiển đơn giản, và độ tin cậy cao. Trích dẫn từ tài liệu gốc: "Từ thực tế trên, bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (Modular Multilevel Converter –MMC) là một phát triển nâng cấp của bộ biến đổi đa mức, được đề xuất lần đầu tiên bởi R. Lesnicar vào đầu những năm 2000 [1]."

2.1. Cấu Tạo Chi Tiết Của Module Trong Bộ Biến Đổi MMC

Module trong bộ biến đổi MMC có thể có nhiều cấu trúc khác nhau, bao gồm cấu trúc nửa cầu, cấu trúc cầu, cấu trúc Đi-ốt kẹp, và cấu trúc liên kết chéo. Mỗi cấu trúc có những ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất, chi phí và độ phức tạp của hệ thống.

2.2. Nguyên Lý Hoạt Động Của Bộ Biến Đổi MMC Chi Tiết Từng Giai Đoạn

Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC dựa trên việc điều khiển các van bán dẫn trong các module để tạo ra điện áp đầu ra mong muốn. Các phương pháp điều chế như NLM, PWM và SVM được sử dụng để điều khiển các van bán dẫn này một cách hiệu quả.

2.3. So Sánh Các Loại Cấu Trúc Module Phổ Biến Trong Bộ Biến Đổi MMC

So sánh các cấu trúc module phổ biến như nửa cầu, cầu, Đi-ốt kẹp và liên kết chéo, tập trung vào ưu nhược điểm của từng loại liên quan đến số lượng linh kiện, hiệu suất và độ phức tạp điều khiển. Bảng so sánh này hỗ trợ lựa chọn cấu trúc phù hợp cho các ứng dụng cụ thể.

III. Mô Hình Hóa MMC Phương Pháp Thách Thức Cần Vượt Qua

Mô hình hóa bộ biến đổi MMC là bước quan trọng để thiết kế và điều khiển hệ thống. Mô hình hóa có thể được thực hiện trên một pha hoặc ba pha, sử dụng các phương pháp toán học và phần mềm mô phỏng như Matlab/Simulink. Thách thức trong mô hình hóa là xử lý độ phức tạp của hệ thống và đảm bảo độ chính xác của mô hình. Trích dẫn từ tài liệu gốc: "Với đề tài được giao:“Mô hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi đa mức cấu trúc module” , nội dung luận văn này tập trung vào việc phát triển thuật toán NLM kết hợp với thuật toán cân bằng năng lượng cho bộ biến đổi MMC công suất 21 MW, điện áp một chiều 20 kV sử dụng 20 module thành phần ở mỗi pha của bộ biến đổi."

3.1. Mô Hình Toán Học Chi Tiết Cho Bộ Biến Đổi MMC Một Pha

Phát triển mô hình toán học chi tiết cho bộ biến đổi MMC một pha, bao gồm các phương trình mô tả điện áp, dòng điện và năng lượng trong các module. Mô hình này là cơ sở để phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển.

3.2. Mô Hình Toán Học Ba Pha Tính Toán Phức Tạp Giải Pháp Tối Ưu

Mở rộng mô hình sang hệ ba pha, xem xét tương tác giữa các pha và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất và ổn định của hệ thống. Các phương pháp đơn giản hóa mô hình được đề xuất để giảm độ phức tạp tính toán.

3.3. Sử Dụng Matlab Simulink Để Mô Phỏng Bộ Biến Đổi MMC Hiệu Quả

Hướng dẫn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng bộ biến đổi MMC, bao gồm việc xây dựng mô hình, thiết lập thông số và phân tích kết quả. Các kỹ thuật mô phỏng nâng cao được giới thiệu để cải thiện độ chính xác và tốc độ mô phỏng.

IV. Cấu Trúc Điều Khiển MMC Cách Thiết Kế Để Tối Ưu Hiệu Suất

Xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi MMC là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất cao, ổn định và chất lượng điện áp đầu ra. Cấu trúc điều khiển bao gồm các mạch vòng điều khiển dòng điện, công suất và điện áp. Các phương pháp điều chế như NLM, PWM và SVM được tích hợp vào cấu trúc điều khiển. Trích dẫn từ tài liệu gốc: "Trong đó phương pháp điều khiển NLM với những ưu điểm của nó đã được nghiên cứu phát triển và áp dụng rộng rãi trong việc điều khiển các bộ MMC với số lượng module thành phần lên tới hàng chục, thậm chí hàng trăm."

4.1. Điều Chế PWM NLM SVM So Sánh Ứng Dụng Trong MMC

So sánh các phương pháp điều chế PWM, NLM và SVM, tập trung vào ưu nhược điểm của từng phương pháp liên quan đến độ phức tạp, hiệu suất và chất lượng điện áp đầu ra. Hướng dẫn lựa chọn phương pháp điều chế phù hợp cho các ứng dụng cụ thể của MMC.

4.2. Thiết Kế Mạch Vòng Điều Khiển Dòng Điện Cho Bộ Biến Đổi MMC

Hướng dẫn thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện cho bộ biến đổi MMC, bao gồm việc lựa chọn bộ điều khiển PID và tính toán các thông số. Các phương pháp tối ưu hóa mạch vòng điều khiển được giới thiệu để cải thiện đáp ứng và ổn định của hệ thống.

4.3. Tối Ưu Mạch Vòng Điều Khiển Điện Áp Và Công Suất Trong MMC

Hướng dẫn thiết kế và tối ưu hóa mạch vòng điều khiển điện áp và công suất cho bộ biến đổi MMC, đảm bảo ổn định và chất lượng điện áp đầu ra. Các phương pháp điều khiển nâng cao như điều khiển dự báo mô hình (MPC) và điều khiển thích nghi được giới thiệu.

V. Thuật Toán NLM Cho MMC Cải Tiến Cân Bằng Năng Lượng

Thuật toán NLM (Nearest Level Modulation) là một phương pháp điều chế hiệu quả cho bộ biến đổi MMC, đặc biệt khi số lượng module lớn. Thuật toán NLM lựa chọn mức điện áp gần nhất với điện áp tham chiếu, giảm thiểu tần số chuyển mạch và tổn hao công suất. Cân bằng năng lượng giữa các module là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Trích dẫn từ tài liệu gốc: "Trong đó phương pháp điều khiển NLM với những ưu điểm của nó đã được nghiên cứu phát triển và áp dụng rộng rãi trong việc điều khiển các bộ MMC với số lượng module thành phần lên tới hàng chục, thậm chí hàng trăm."

5.1. Tìm Hiểu Chi Tiết Về Thuật Toán NLM Cổ Điển Cải Tiến

Trình bày chi tiết về thuật toán NLM cổ điển và các cải tiến, tập trung vào các phương pháp lựa chọn mức điện áp và giảm thiểu tần số chuyển mạch. So sánh hiệu quả của các phiên bản thuật toán khác nhau.

5.2. Lựa Chọn Thuật Toán NLM Phù Hợp Cân Bằng Điện Áp Trong MMC

Hướng dẫn lựa chọn thuật toán NLM phù hợp cho các ứng dụng cụ thể của MMC, dựa trên số lượng module, yêu cầu hiệu suất và chất lượng điện áp đầu ra. Trình bày các phương pháp cân bằng điện áp giữa các module để đảm bảo hoạt động ổn định.

5.3. Phương Pháp Cân Bằng Năng Lượng Hiệu Quả Cho Bộ Biến Đổi MMC

Phân tích các phương pháp cân bằng năng lượng hiệu quả cho bộ biến đổi MMC, bao gồm các kỹ thuật điều khiển dòng điện và điện áp trong các module. Đánh giá hiệu quả của các phương pháp khác nhau trong việc duy trì cân bằng năng lượng và ổn định hệ thống.

VI. Mô Phỏng Kiểm Chứng Kết Quả MMC Bằng Phần Mềm

Mô phỏng và kiểm chứng kết quả là bước cuối cùng để đánh giá hiệu quả của mô hình hóa và cấu trúc điều khiển. Phần mềm mô phỏng như PSCAD, Matlab/Simulink được sử dụng để mô phỏng hoạt động của bộ biến đổi MMC và kiểm tra các đặc tính. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quan trọng để điều chỉnh và tối ưu hóa hệ thống. Trích dẫn từ tài liệu gốc: "Tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết được kiểm chứng lại thông qua mô phỏng máy tính trên phần mềm PSCAD."

6.1. Lựa Chọn Phần Mềm Thiết Lập Thông Số Cho Mô Phỏng MMC

Hướng dẫn lựa chọn phần mềm mô phỏng phù hợp (PSCAD, Matlab/Simulink) và thiết lập các thông số cho mô phỏng bộ biến đổi MMC, bao gồm điện áp, dòng điện, tần số và các thông số của module.

6.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng Điện Áp Dòng Điện THD

Hướng dẫn phân tích kết quả mô phỏng bộ biến đổi MMC, bao gồm điện áp đầu ra, dòng điện, và THD (Tổng méo hài). Đánh giá hiệu quả của hệ thống dựa trên các chỉ số này.

6.3. Đánh Giá So Sánh Kết Quả Mô Phỏng Với Lý Thuyết

So sánh kết quả mô phỏng với phân tích lý thuyết, đánh giá sai số và xác định nguyên nhân. Đề xuất các biện pháp cải thiện độ chính xác của mô hình và cấu trúc điều khiển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao và xu hướng chuyển dịch sang các nguồn năng lượng tái tạo sạch như gió, mặt trời, việc hòa lưới điện các hệ thống năng lượng này trở nên cấp thiết. Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (Modular Multilevel Converter – MMC) là một trong những công nghệ tiên tiến, đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp và điều khiển năng lượng hiệu quả. Bộ biến đổi MMC được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống công suất lớn, đặc biệt là trong truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC), với ưu điểm tạo ra điện áp đầu ra gần dạng sóng sin, giảm méo sóng hài và dễ dàng bảo trì sửa chữa.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi MMC công suất 21 MW, điện áp một chiều 20 kV, sử dụng 20 module thành phần mỗi pha. Mục tiêu chính là phát triển thuật toán điều chế Nearest Level Modulation (NLM) kết hợp với thuật toán cân bằng năng lượng nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng điện áp đầu ra. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô hình hóa trên phần mềm PSCAD và Matlab-Simulink, với dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng từ năm 2017 tại Việt Nam.

Việc nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng, giảm tổn hao và cải thiện độ tin cậy của hệ thống điện, góp phần thúc đẩy phát triển công nghiệp tự động hóa và năng lượng tái tạo.

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:

• Mô hình bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (MMC): Cấu trúc MMC gồm nhiều Sub-module (SM) nối tiếp, mỗi SM là bộ biến đổi nửa cầu với van bán dẫn IGBT và tụ điện. Điện áp đầu ra được tổng hợp từ các mức điện áp của các SM, tạo ra dạng sóng sin gần lý tưởng với độ méo sóng hài thấp.

• Phương pháp điều chế Nearest Level Modulation (NLM): Thuật toán NLM xác định số lượng SM được chèn vào hoặc bỏ qua dựa trên chỉ số điều chế, nhằm tạo ra điện áp đầu ra gần nhất với giá trị mong muốn. NLM có ưu điểm tần số đóng cắt thấp, giảm tổn hao và sóng hài.

• Mô hình điều khiển vòng kín: Sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện và công suất với bộ điều khiển PI, chuyển đổi hệ tọa độ abc sang dq để xử lý tín hiệu dòng điện và điện áp, đảm bảo ổn định và đáp ứng nhanh.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp một chiều đầu vào (VDC), điện áp xoay chiều đầu ra (VAC), dòng điện nhánh trên và dưới, điện dung của Sub-module, tần số chuyển mạch, và sóng hài tổng (THD).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được thu thập từ phần mềm PSCAD và Matlab-Simulink, dựa trên các thông số thực tế của bộ biến đổi MMC công suất 21 MW, điện áp 20 kV, với 20 Sub-module mỗi pha.

• Phương pháp phân tích: Mô hình hóa hệ thống điện ba pha MMC, xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả dòng điện và điện áp, áp dụng thuật toán NLM để điều chế điện áp đầu ra. Phân tích hiệu suất điều khiển qua các tham số như thời gian đáp ứng, sóng hài đầu ra, và tổn hao công suất.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2017, bao gồm giai đoạn mô hình hóa, thiết kế thuật toán điều khiển, mô phỏng và hiệu chỉnh tham số điều khiển trên Matlab-Simulink.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của thuật toán NLM: Thuật toán NLM cho phép điều khiển số lượng Sub-module chèn vào chính xác, giảm tần số đóng cắt van bán dẫn xuống mức thấp nhất, từ đó giảm tổn hao công suất và sóng hài đầu ra. Mô phỏng cho thấy điện áp đầu ra đạt giá trị RMS khoảng 12,24 kV với điện áp một chiều 20 kV, tương ứng với công suất 21 MW.

2. Cân bằng điện áp giữa các Sub-module: Thuật toán cân bằng năng lượng giúp duy trì điện áp ổn định trên từng tụ điện của Sub-module, tránh dao động lớn gây hư hỏng. Kết quả mô phỏng chỉ ra điện áp trên các nhánh trên và dưới được phân phối đều, đảm bảo độ tin cậy vận hành.

3. Thời gian đáp ứng mạch điều khiển: Qua hiệu chỉnh bộ điều khiển PI, thời gian quá độ của mạch vòng dòng điện giảm từ khoảng 0,03 giây xuống còn 0,018 giây, nâng cao khả năng đáp ứng nhanh và ổn định của hệ thống.

4. Dòng điện qua van bán dẫn: Dòng điện lớn nhất qua van được tính toán là khoảng 1140 A, với điện áp chịu đựng trên van khoảng 2,6 kV sau khi tính hệ số dự trữ, đảm bảo an toàn vận hành trong điều kiện công suất cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định ưu điểm vượt trội của bộ biến đổi MMC so với các bộ biến đổi hai mức truyền thống, đặc biệt trong các ứng dụng công suất lớn như truyền tải HVDC. Việc sử dụng thuật toán NLM giúp giảm tần số đóng cắt, từ đó giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị. So sánh với các phương pháp điều chế PWM và SVM, NLM đơn giản hơn, phù hợp với số lượng lớn Sub-module, đồng thời giảm thiểu sóng hài đầu ra.

Các biểu đồ mô phỏng điện áp và dòng điện đầu ra minh họa rõ sự ổn định và chất lượng sóng sin gần lý tưởng, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật trong truyền tải điện áp cao. Tuy nhiên, nhược điểm của NLM là dao động điện áp module có thể lớn nếu không có thuật toán cân bằng năng lượng bổ trợ, điều này đã được khắc phục trong nghiên cứu.

Kết quả cũng cho thấy việc hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển PI là cần thiết để đạt được thời gian đáp ứng tối ưu, phù hợp với yêu cầu vận hành thực tế. Các thông số dòng điện và điện áp qua van bán dẫn được tính toán kỹ lưỡng đảm bảo an toàn và độ bền thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán NLM cải tiến: Áp dụng thuật toán NLM kết hợp cân bằng năng lượng trong các hệ thống MMC công suất lớn để giảm tổn hao và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các đơn vị nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị điện.

2. Tối ưu hóa bộ điều khiển PI: Tiến hành hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển PI dựa trên mô phỏng và thử nghiệm thực tế để rút ngắn thời gian đáp ứng và tăng độ ổn định hệ thống. Thời gian: 3-6 tháng, chủ thể: kỹ sư điều khiển và phòng thí nghiệm.

3. Nâng cao độ bền và an toàn thiết bị: Thiết kế hệ thống bảo vệ và dự phòng cho các Sub-module, đảm bảo vận hành liên tục khi có module bị lỗi hoặc hỏng. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: nhà sản xuất và đơn vị vận hành.

4. Mở rộng ứng dụng MMC trong truyền tải HVDC: Khuyến khích áp dụng bộ biến đổi MMC trong các dự án truyền tải điện cao áp một chiều tại Việt Nam và khu vực, nhằm nâng cao hiệu quả truyền tải và giảm tổn thất. Thời gian: dài hạn, chủ thể: cơ quan quản lý năng lượng và doanh nghiệp điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất: Nghiên cứu chi tiết về mô hình hóa, thuật toán điều khiển và ứng dụng thực tế của bộ biến đổi MMC, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng thiết kế hệ thống.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và tự động hóa: Áp dụng các giải pháp điều khiển và thiết kế module để phát triển sản phẩm biến đổi điện áp công suất lớn, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ công nghệ MMC và tiềm năng ứng dụng trong truyền tải điện năng, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo và truyền tải hiệu quả.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan đến bộ biến đổi đa mức và điều khiển hệ thống điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ biến đổi MMC là gì và ưu điểm chính của nó?
   Bộ biến đổi MMC là bộ biến đổi đa mức cấu trúc module, gồm nhiều Sub-module nối tiếp tạo ra điện áp đầu ra gần dạng sóng sin. Ưu điểm chính là giảm méo sóng hài, tần số đóng cắt thấp, dễ bảo trì và nâng cao độ tin cậy.

2. Thuật toán Nearest Level Modulation (NLM) hoạt động như thế nào?
   NLM xác định số lượng Sub-module được chèn vào hoặc bỏ qua dựa trên chỉ số điều chế, nhằm tạo ra điện áp đầu ra gần nhất với giá trị mong muốn, giảm tần số đóng cắt và tổn hao.

3. Tại sao cần cân bằng điện áp giữa các Sub-module?
   Cân bằng điện áp giúp tránh dao động lớn trên tụ điện của từng module, ngăn ngừa hư hỏng và đảm bảo điện áp phân phối đều, nâng cao độ bền và hiệu suất của bộ biến đổi.

4. Phương pháp điều khiển nào được ưu tiên trong nghiên cứu này?
   Phương pháp điều khiển NLM được chọn do ưu điểm tần số đóng cắt thấp, giảm tổn hao và phù hợp với số lượng lớn Sub-module trong MMC.

5. Ứng dụng thực tế của bộ biến đổi MMC là gì?
   MMC được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC), các hệ thống năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, và trong công nghiệp yêu cầu công suất lớn và chất lượng điện áp cao.

Kết luận

• Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (MMC) là giải pháp hiệu quả cho các hệ thống truyền tải điện công suất lớn, đặc biệt trong truyền tải HVDC.
• Thuật toán điều chế Nearest Level Modulation (NLM) kết hợp cân bằng năng lượng giúp giảm tổn hao, sóng hài và nâng cao chất lượng điện áp đầu ra.
• Mô hình điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PI được hiệu chỉnh tối ưu giúp hệ thống đáp ứng nhanh và ổn định.
• Các tham số dòng điện và điện áp qua van bán dẫn được tính toán đảm bảo an toàn và độ bền thiết bị trong vận hành thực tế.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng MMC trong truyền tải điện và tự động hóa công nghiệp, đề xuất các giải pháp triển khai và tối ưu hóa trong tương lai.

Áp dụng thuật toán NLM cải tiến trong các dự án thực tế, tiếp tục nghiên cứu tối ưu bộ điều khiển và mở rộng ứng dụng MMC trong các hệ thống năng lượng tái tạo và truyền tải điện cao áp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tìm hiểu chung về các bộ biến đổi 1. Tính cấp thiết của đề tài Như vậy cùng với nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới, việc ứng dụng các bộ biến đổi đa mức ngày càng mở rộng, kéo theo đó là sự bùng nổ đáng kể các nghiên cứu về cấu trúc bộ biến đổi MMC cũng như các ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau. Với đề tài được giao:“Mô hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi đa mức cấu trúc module” , nội dung luận văn này tập trung vào việc phát triển thuật toán NLM kết hợp với thuật toán cân bằng năng lượng cho bộ biến đổi MMC công suất 21 MW, điện áp một chiều 20 kV sử dụng 20 module thành phần ở mỗi pha của bộ biến đổi. Tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết được kiểm chứng lại thông qua mô phỏng máy tính trên phần mềm PSCAD.

Bộ biến đổi đa mức cấu trúc Module Chương 2 BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC CẤU TRÚC MODULE 2.1 Cấu trúc của bộ biến đổi đa mức cấu trúc module 2. Cấu trúc dạng nửa cầu Cấu hình nửa cầu sử dụng 2 van bán dẫn IGBT với 2 Đi-ốt ngược và một tụ điện [3]. Cấu trúc của một module được chỉ ra như hình dưới, trong đó điện áp ra của SM này có hai trạng thái bằng điện áp trên tụ V c hoặc bằng 0 tùy thuộc vào trạng thái đóng–cắt của 2 van bán dẫn S1, S2 S1 D1 + C Vc - S2 D2 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc dạng nửa cầu của Module trong MMC Mạch nửa cầu ta có thể thấy chỉ dùng S1 và S2 đóng cắt mạch khá đơn giản nên mạch điều khiển cho mạch này cũng đơn giản, chỉ cần một nguồn V c cung cấp điện cho tụ nên dễ dàng có thể tạo điện áp cung cấp cho tụ. Nhưng mạch này có nhược điểm là công suất mạch chưa cao điện áp ra chất lượng chưa cao.

Cấu trúc dạng cầu Ở cấu trúc toàn cầu thì điện áp đầu ra của một toàn cầu SM là bằng ±VC hay bằng 0 (chuyển mạch on/off) tùy thuộc vào các trạng thái chuyển mạch của bốn van bán dẫn S1 đến S4. Cấu trúc dạng cầu hoàn chỉnh như ở hình 2. Bộ biến đổi đa mức cấu trúc Module S1 S3 + C Vc - S2 S4 Hình 2.2 : Cấu trúc toàn cầu của Module trong MMC Nhận xét: Từ số lượng các thiết bị bán dẫn của SM toàn cầu là gấp hai lần trong một SM nửa cầu, các tổn thất điện năng cũng như chi phí của một MMC dựa trên toàn cầu SM là cao hơn so với nửa cầu SM. Cấu trúc dạng Đi-ốt kẹp Cấu trúc dạng kẹp đôi bao gồm 2 Sub-module nửa cầu, 2 đi-ốt phụ và 1 van IGBT có đấu đi-ốt song song ngược.

Thông thường khi hoạt động, S5 luôn ON và SM có cấu trúc như 2 nửa cầu nối tiếp với nhau, điện áp đầu ra có 2 mức là 0 và E, tổn thất là lớn hơn so với SM nửa cầu nhưng thấp hơn so với SM dạng cầu. Khi ghép các cấu hình đơn giản với nhau thì sẽ được nhiều dạng điện áp xếp chồng, tạo ra điện áp hình sin mong muốn. Cấu trúc dạng kẹp đôi như ở hình 2.3 [3] D6 S1 VC1 VC2 S3 + + C1 - S5 C2 - S2 S4 D7 Hình 2.3:SM1 SM2 trong MMC Cấu trúc dạng Đi-ốt kẹp của Module 2. Cấu trúc dạng liên kết chéo Cấu tạo cũng gồm có 2 SM nửa cầu được kết nối kiểu Back-to-Back bằng 2 van IGBT phụ có điốt đấu song song ngược.

Tổn hao công suất tương tự với SM dạng 12 Chương 2. Bộ biến đổi đa mức cấu trúc Module kẹp đôi, ta thấy cấu trúc dạng này có số lượng van bán dẫn lớn nên chi phí cao và tổn hao trên van lớn. Cấu trúc dạng liên kết chéo được chỉ ra như ở hình 2.4 [3] S6 S5 S1 VC1 VC2 S3 + + - - C1 C2 S2 S4 SM1 SM2 Hình 2.4: Cấu trúc dạng liên kết chéo của Module trong MMC 2. Nguyên lý của bộ biến đổi đa mức cấu trúc module Từ những phân tích ở mục 2.1, có thể tổng hợp lại thành bảng sau: Cấu trúc SM Mức điện áp DC – fault handling Tổn hao Nửa cầu 0,V c Không Thấp Cầu hoàn chỉnh 0, V c Có Cao Đi-ốt kẹp 0, Vc1,Vc2 ,(Vc1 Vc2 ) Có Trung bình Liên kết chéo 0, Vc1,Vc2 ,(Vc1 Vc2 ) Có Trung bình Bảng 2.1: Bảng so sánh các cấu trúc Sub-module Theo đó cấu trúc nửa cầu trong bộ biến đổi đa mức có những ưu điểm là giảm chi phí giá thành do tốn bớt van bán dẫn, giảm công suất hao phí trên van nên trong luận văn này ta lựa chọn cấu trúc nửa cầu cho bộ biến đổi MMC.

Nguyên lý hoạt động của từng Sub Module Hình 2.5 mô tả trạng thái đóng cắt của hai van bán dẫn S1 và S2 khi dòng điện chảy trong bộ biến đổi nửa cầu ix có chiều dương ở hình 2.a và chiều âm ở hình 2. Các trạng thái đóng cắt được mô tả cụ thể như sau: 13 Chương 2. Bộ biến đổi đa mức cấu trúc Module a) Dòng điện ix có chiều dương b) Dòng điện ix có chiều âm Hình 2.5: Trạng thái hoạt động và dạng điện áp ra của một Sub-module Trường hợp dòng điện ix chảy trong mạch có chiều dương như hình a). Nếu van S1 ON, S2 OFF thì điện áp phía xoay chiều bộ biến đổi nửa cầu VSM = V c, trạng thái này gọi là trạng thái module được chèn vào (inserted).

Ngược lại nếu S1 OFF, S2 ON thì điện áp đầu ra của module V SM = 0, trạng thái này gọi là trạng thái module bị bỏ qua (bypass). Trường hợp dòng điện ix chảy trong mạch có chiều âm như trên hình b). Trạng thái chèn vào cũng xảy ra khi S1 ON, S2 OFF. Trạng thái bypass cũng xảy ra khi van S1 OFF, S2 ON.

Ngoài hai trạng thái trên còn một trạng thái nữa khi cả 2 van S1, S2 đều OFF, gọi là trạng thái khóa. Tuy nhiên đây là trạng thái thường phải tránh xảy ra khi điều khiển bộ biến đổi MMC bởi những khó khăn trong việc kiểm soát điện áp đầu ra của bộ biến đổi. Bộ biến đổi đa mức cấu trúc Module Trạng thái van Điện áp ra Chiều dòng Trạng thái S1 S2 của 1 SM điện tụ 1 0 Vc + Nạp 0 1 0 + Nối tắt 1 0 Vc - Xả 0 1 0 - Nối tắt Bảng 2.2: Bảng trạng thái van, điện áp đầu ra, chiều dòng điện và trạng thái tụ 2. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC Hình 2.6: Mạch điện trên một pha của bộ biến đổi MMC tổng quát Với cấu trúc MMC, năng lượng một chiều không lưu trữ ở một tụ đơn lẻ như đối với bộ nghịch lưu truyền thống, năng lượng sẽ được lưu trữ ở các tụ thuộc các Sub-module riêng lẻ.

Bộ điều khiển có nhiệm vụ giữ cho điện áp phân phối tốt nhất giữa các Sub-module ở trên một phía của một pha. Bộ biến đổi đa mức cấu trúc Module Để giữ cho điện áp trên mỗi module riêng lẻ là không đổi, tổng số module được kết nối trên một nhánh pha phải được giữ không đổi. Giả sử có N module trên một nửa nhánh pha, xét trường hợp tất cả các module trên nhánh phía trên được chèn vào và các module ở nhánh dưới bị bỏ qua, khi đó điện áp trung bình trên tụ của mỗi module là:   =  Nếu có một module được chèn vào ở nhánh dưới, nhưng không có module nào ở nhánh trên bị bỏ qua, khi đó có N+1 module được chèn vào, điện áp trung  bình sẽ thành  , khi đó điện áp trung bình sẽ thay đổi. Để tránh trường hợp này, chỉ có  module ở nhánh trên và N-n module ở nhánh dưới được sử dụng để đạt được điện áp đầu ra mong muốn.

Tại một thời điểm chỉ có một nửa số lượng module thành phần được chèn vào, do đó tổng điện áp đặt lên tất cả các tụ (kể cả được chèn vào hay bỏ qua) bằng 2VDC Hình 2.7: Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC 10 mức Hình 2.7 mô tả điện áp đầu ra  của một bộ MMC lý tưởng (không xét đến tổn hao), với 10 module trên một phía của một nhánh pha và điện áp một chiều V DC bằng 10V. Giả định rằng điện áp được phân phối đều giữa các tụ của các module và 16 Chương 2. Bộ biến đổi đa mức cấu trúc Module các tụ đủ lớn để điện áp không bị dao động. Trong một chu kỳ, có 4 trạng thái khác nhau: Trạng thái A: điện áp đầu ra là lớn nhất, để đạt được trạng thái này, tất cả các module ở nhánh phía trên được bỏ qua do đó điện áp V DC/2 được nối trực tiếp tới đầu ra, tất cả các module ở nhánh phía dưới được chèn vào, tổng điện áp qua các module nhánh dưới bằng V DC Trạng thái B: điện áp ra giảm dần và bám theo đường sin.

Để đạt được điều này, điện áp cần được chèn thêm vào giữa điện áp dương một chiều và điểm giữa điện áp xoay chiều, như vậy các module ở nhánh phía trên được chèn vào. Để đảm bảo số lượng module chèn vào là không thay đổi thì một module buộc phải được bỏ qua khi một module khác được chèn vào. Do vậy mỗi khi có một module được chèn vào ở nhánh phía trên thì có một module được bỏ qua ở nhánh dưới. Sau khi một module ở nhánh trên được chèn vào và một module ở nhánh dưới được bỏ qua thì điện áp đầu ra đạt 4V (VDC /2 – Vmodule).

Càng nhiều module ở nhánh trên được chèn vào và module ở nhánh dưới bị bỏ qua thì điện áp xoay chiều đầu ra càng giảm. Trạng thái C: Tất cả các module ở nhánh phía trên được chèn vào và tất cả module ở nhánh dưới bị bỏ qua, điện áp đầu ra lúc này là - VDC /2 Trạng thái D: để tăng dần điện áp đầu ra từ giá trị nhỏ nhất, các module ở nhánh dưới được chèn vào dần đồng thời các module ở nhánh trên được bỏ qua. Bộ biến đổi MMC có những ưu điểm nổi trội so với bộ biến đổi hai mức truyền thống như: - Không phải tất cả các van bán dẫn trên một pha đều đóng mở cùng lúc, các van được điều khiển tại các thời điểm tức thời khác nhau, do đó tần số chuyển mạch thấp.