Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng, đặc biệt tại các trung tâm công nghiệp và đô thị, việc truyền tải điện năng từ các nguồn phát xa như các trang trại gió ngoài khơi trở thành thách thức lớn. Hệ thống truyền tải điện một chiều áp cao (HVDC) được xem là giải pháp hiệu quả để truyền tải công suất lớn trên khoảng cách xa với tổn thất thấp hơn so với truyền tải xoay chiều truyền thống. Theo ước tính, các hệ thống HVDC có thể giảm tổn thất truyền tải xuống dưới 3% trên mỗi 100 km, trong khi truyền tải xoay chiều có thể lên đến 7-8%.

Modular Multilevel Converter (MMC) là một trong những công nghệ chuyển đổi điện năng tiên tiến, được phát triển từ năm 2003, với ưu điểm về tính mô-đun, khả năng mở rộng và hiệu suất cao trong các ứng dụng HVDC. MMC gồm ba nhánh pha, mỗi nhánh có hai cánh (trên và dưới), mỗi cánh gồm N mô-đun con (sub-modules). Việc điều khiển MMC đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng điện áp tụ điện, giảm sóng hài và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích, so sánh các giải pháp điều khiển MMC trong hệ thống truyền tải HVDC, đặc biệt tập trung vào các phương pháp điều khiển phân tán nhằm nâng cao tính mô-đun và độ tin cậy của hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình mô phỏng PLECS với cỡ mẫu mô-đun con N=10, áp dụng cho hệ thống HVDC truyền tải điện từ trang trại gió. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống truyền tải điện hiệu quả, ổn định và linh hoạt, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam và trên thế giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết Modular Multilevel Converter (MMC): MMC được cấu tạo từ nhiều mô-đun con bán cầu (half-bridge) hoặc các kiểu khác như H-bridge, clamp double, NPC, FC. Mỗi mô-đun có khả năng điều khiển điện áp riêng biệt, giúp cân bằng điện áp tụ điện và giảm sóng hài bậc cao. Các phương trình mô hình trung bình của nhánh pha MMC được sử dụng để phân tích dòng điện, điện áp và các thành phần sóng hài.

  • Phương pháp điều khiển PWM (Pulse Width Modulation): Nghiên cứu tập trung vào các kỹ thuật điều khiển sóng mang PWM như LS-PWM (sóng mang dịch mức), PS-PWM (sóng mang dịch pha) với các biến thể PD (theo pha), POD (đối pha), APOD (đối pha thay thế). Các phương pháp này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất cân bằng điện áp, sóng hài đầu ra và dòng điện tuần hoàn trong MMC.

  • Lý thuyết điều khiển phân tán: Áp dụng để tăng tính mô-đun và khả năng mở rộng của hệ thống MMC, giảm thiểu sự phụ thuộc vào bộ điều khiển trung tâm, nâng cao độ tin cậy và khả năng chịu lỗi.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp tụ điện, dòng điện tuần hoàn, sóng hài tổng (THD), cân bằng điện áp, điều khiển phân tán, mô-đun con (sub-module), sóng mang PWM.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình mô phỏng hệ thống MMC-HVDC trên phần mềm PLECS, với cỡ mẫu mô-đun con N=10, áp dụng cho hệ thống truyền tải điện từ trang trại gió công suất lớn. Các tham số mô phỏng bao gồm điện áp DC 360 kV, tần số sóng mang 3330 Hz, điện trở và cuộn cảm nhánh được xác định theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô hình hóa chi tiết cấu trúc MMC và các mô-đun con.
  • So sánh các phương pháp điều khiển sóng mang PWM (LS-PWM, PS-PWM) với các biến thể PD, POD, APOD.
  • Phân tích các chỉ số quan trọng như điện áp tụ điện, dòng điện tuần hoàn, sóng hài tổng (THD), tần số chuyển mạch.
  • Áp dụng điều khiển phân tán để đánh giá hiệu quả cân bằng điện áp và giảm sóng hài.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn mô hình hóa, mô phỏng, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả cân bằng điện áp tụ điện: Phương pháp điều khiển APOD-PWM cho kết quả cân bằng điện áp tốt nhất với sai số điện áp tụ điện dưới 0.5%, thấp hơn khoảng 15% so với PD-PWM và POD-PWM. Điều này giúp giảm thiểu dòng điện tuần hoàn và tăng tuổi thọ các mô-đun con.

  2. Giảm sóng hài tổng (THD): THD của điện áp đầu ra MMC khi sử dụng APOD-PWM đạt khoảng 0.5%, thấp hơn đáng kể so với các phương pháp khác (khoảng 1.2% với PD-PWM). Kết quả phân tích Fourier cho thấy sóng hài bậc cao được triệt tiêu hiệu quả, cải thiện chất lượng điện năng.

  3. Dòng điện tuần hoàn và tần số chuyển mạch: Dòng điện tuần hoàn được giảm khoảng 20% khi áp dụng điều khiển phân tán kết hợp với APOD-PWM so với điều khiển tập trung truyền thống. Tần số chuyển mạch được duy trì ổn định ở mức 3330 Hz, đảm bảo hiệu suất chuyển đổi cao và giảm tổn thất.

  4. Mô phỏng hệ thống HVDC truyền tải điện từ trang trại gió: Mô hình mô phỏng cho thấy hệ thống MMC-HVDC có khả năng truyền tải công suất ổn định với tổn thất thấp, đồng thời duy trì điện áp DC ổn định trong phạm vi ±1% trong điều kiện tải thay đổi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên là do phương pháp APOD-PWM tạo ra các sóng mang dịch pha thay thế, giúp cân bằng điện áp giữa các mô-đun con hiệu quả hơn, đồng thời giảm dòng điện tuần hoàn không mong muốn. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng điều khiển phân tán để nâng cao tính mô-đun và độ tin cậy của MMC.

Việc giảm THD và dòng điện tuần hoàn không chỉ cải thiện chất lượng điện năng mà còn giảm thiểu tổn thất và tăng tuổi thọ thiết bị, góp phần giảm chi phí vận hành hệ thống HVDC. Biểu đồ điện áp tụ điện và dòng điện tuần hoàn được trình bày qua các đồ thị mô phỏng cho thấy sự ổn định và cân bằng tốt hơn khi áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến.

Kết quả mô phỏng hệ thống HVDC truyền tải điện từ trang trại gió chứng minh tính khả thi và hiệu quả của MMC trong các ứng dụng năng lượng tái tạo, hỗ trợ phát triển lưới điện thông minh và bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai điều khiển phân tán MMC: Áp dụng phương pháp điều khiển phân tán kết hợp APOD-PWM để nâng cao tính mô-đun, giảm dòng điện tuần hoàn và cải thiện cân bằng điện áp tụ điện. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất thiết bị và đơn vị vận hành hệ thống HVDC.

  2. Tối ưu hóa tần số chuyển mạch: Duy trì tần số chuyển mạch ở mức khoảng 3.3 kHz để cân bằng giữa hiệu suất chuyển đổi và tổn thất công suất, đồng thời giảm thiểu sóng hài. Đề xuất này dành cho các kỹ sư thiết kế và bảo trì hệ thống.

  3. Phát triển mô hình mô phỏng chi tiết: Sử dụng phần mềm PLECS hoặc tương đương để mô phỏng và đánh giá các giải pháp điều khiển MMC trong các điều kiện vận hành thực tế, đặc biệt với các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời. Thời gian nghiên cứu khoảng 12 tháng, dành cho các viện nghiên cứu và trường đại học.

  4. Nâng cao đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ MMC và HVDC cho kỹ sư vận hành và bảo trì, nhằm đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả và bền vững. Chủ thể thực hiện là các tổ chức đào tạo và nhà sản xuất thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống HVDC: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu trúc MMC và các phương pháp điều khiển tiên tiến, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy hệ thống.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về mô hình hóa, điều khiển và mô phỏng MMC trong ứng dụng HVDC, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  3. Các công ty sản xuất thiết bị điện công suất: Thông tin về các kỹ thuật điều khiển và thiết kế MMC giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

  4. Đơn vị quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ về công nghệ MMC-HVDC giúp xây dựng các chiến lược phát triển lưới điện thông minh, tích hợp năng lượng tái tạo hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. MMC là gì và tại sao được sử dụng trong HVDC?
    MMC là bộ biến đổi đa cấp mô-đun, cho phép truyền tải điện áp cao với hiệu suất cao, giảm sóng hài và tổn thất. Nó được sử dụng trong HVDC vì tính mô-đun, khả năng mở rộng và độ tin cậy cao.

  2. Các phương pháp điều khiển PWM nào được áp dụng cho MMC?
    Các phương pháp phổ biến gồm LS-PWM (dịch mức), PS-PWM (dịch pha) với các biến thể PD, POD, APOD. APOD-PWM được đánh giá cao về hiệu quả cân bằng điện áp và giảm sóng hài.

  3. Điều khiển phân tán có lợi ích gì cho MMC?
    Điều khiển phân tán giúp tăng tính mô-đun, giảm sự phụ thuộc vào bộ điều khiển trung tâm, nâng cao độ tin cậy và khả năng chịu lỗi của hệ thống MMC.

  4. Làm thế nào để giảm sóng hài trong MMC?
    Sử dụng các kỹ thuật điều khiển sóng mang PWM tiên tiến như APOD-PWM, kết hợp với cân bằng điện áp tụ điện và thiết kế cuộn cảm phù hợp giúp giảm sóng hài tổng (THD) xuống dưới 1%.

  5. Ứng dụng của MMC-HVDC trong năng lượng tái tạo?
    MMC-HVDC được sử dụng để truyền tải điện từ các trang trại gió và mặt trời xa bờ về lưới điện chính, giúp giảm tổn thất, tăng hiệu quả và hỗ trợ phát triển lưới điện thông minh.

Kết luận

  • MMC là công nghệ biến đổi điện năng tiên tiến, phù hợp cho hệ thống truyền tải HVDC công suất lớn và khoảng cách xa.
  • Phương pháp điều khiển APOD-PWM kết hợp điều khiển phân tán mang lại hiệu quả cân bằng điện áp và giảm sóng hài vượt trội.
  • Mô hình mô phỏng PLECS với N=10 mô-đun con cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu truyền tải điện từ trang trại gió.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và tính mô-đun của hệ thống MMC-HVDC, hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo.
  • Đề xuất tiếp tục phát triển các giải pháp điều khiển tiên tiến và đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu để ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong thực tế.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng các kết quả và giải pháp trong luận văn để phát triển các hệ thống truyền tải điện hiện đại, bền vững và hiệu quả.