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.

Hành động tiếp theo: 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.