ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ D_STATCOM VÀ PHƯƠNG PHÁP MPC CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ D_STATCOM VÀ PHƯƠNG PHÁP MPC CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC NGUYỄN VĂN VŨ vu.nv164716@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Chuyên ngành Tự động hóa cơng nghiệp Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Việt Phương Bộ mơn: Viện: Tự động hóa cơng nghiệp Điện HÀ NỘI, 06/2021 Chữ ký GVHD ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ D_STATCOM VÀ PHƯƠNG PHÁP MPC CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC Hà Nội, ngày 30 tháng 06 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Tóm tắt nội dung đồ án Qua thời gian làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu thiết bị DSTATCOM phương pháp MPC cho biến đổi MMC”, em thực nội dung sau: Chương 1: Thiết bị bù công suất D-STATCOM Chương 2: Bộ biến đổi đa mức MMC Chương 3: Phương pháp điều khiển dự báo cho D-STATCOM Chương 4: Mô kiểm chứng Trong trình nghiên cứu đề tài, kiến thức chuyên ngành em hạn chế nên nhiều thiếu sót tìm hiểu, đánh giá trình bày đề tài Rất mong nhận quan tâm, đóng góp thêm thầy/ giảng viên mơn để đề tài em đầy đủ hoàn thiện Em xin cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 06 năm 2021 Sinh viên thực Nguyễn Văn Vũ iv MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix CHƯƠNG BỘ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH D-STATCOM 1.1 D-STATCOM gì? 1.2 Cấu tạo chức D-STATCOM Cấu tạo Chức 1.3 Sơ đồ pha tương đương, nguyên lý hoạt động D-STATCOM 1.4 Chế độ hoạt động D-STATCOM 1.5 Tác dụng biến đổi nguồn áp D-STATCOM 1.6 Tổng hợp nội dung đồ án CHƯƠNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC 2.1 Cấu trúc biến đổi MMC 2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động Sub-Module Cấu tạo Nguyên lý 2.3 Nguyên lý hoạt động MMC 2.4 Tần số phát xung 11 2.5 Mơ hình hóa MMC nối lưới 12 Yêu cầu điều khiển MMC 12 Mơ hình hóa 13 2.6 Tính tốn thơng số biến đổi MMC cho D-STATCOM 16 Tính chọn tụ điện 16 Tính chọn cuộn cảm 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO D-STATCOM 18 3.1 Giới thiệu chung phương pháp điều khiển dự báo 18 Cấu trúc, cách thức hoạt động điều khiển MPC 19 Kết luận, ưu điểm nhược điểm MPC 20 3.2 Áp dụng điều khiển dự báo MPC cho biến đổi công suất 20 3.3 Phương pháp điều khiển dự báo cho biến đổi công suất 21 3.4 Chức cách xác đinh hàm mục tiêu phương pháp MPC 23 Cách xác định trọng số 24 3.5 Xây dựng mơ hình tốn học rời rạc hệ thống 25 3.6 Cấu trúc điều khiển MPC cho D-STATCOM 25 Cấu trúc điều khiển dự báo cho D-STATCOM 26 Xây dựng hàm mục tiêu cho D-STATCOM 26 Thiết kế mạch vịng ngồi 29 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG 32 Đề xuất định hướng phát triển đề tài: 40 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 PHỤ LỤC 44 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo D-STATCOM Hình 1.2: Sơ đồ mạch pha tương đương D-STATCOM Hình 1.3: Các đại lượng vecto Hình 2.1: Mơ hình biến đổi đa mức MMC Hình 2.2: Cấu hình Sub-Module (SM) Hình 2.3: Trạng thái hoạt động SM Hình 2.4: Quá trình nạp tụ nhánh 10 Hình 2.5: Dạng điện áp xoay chiều đầu MMC 11 Hình 2.6: Đồ thị phát xung cho nhánh pha 12 Hình 2.7: Mơ hình pha đơn giản MMC 13 Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển MPC 19 Hình 3.2: Khoảng dự báo 19 Hình 3.3: Sơ đồ khối FCS-MPC 21 Hình 3.4: Nguyên tắc hoạt động FCS-MPC 22 Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển dự báo 26 Hình 3.6: Lưu đồ thuật tốn MPC 27 Hình 3.7: Sơ đồ ngun lý thuật tốn cân lượng 28 Hình 3.8: Thuật toán cân lượng 29 Hình 3.9: Sơ đồ khối mạch vịng cơng suất 30 Hình 4.1: Đáp ứng cơng suất tác dụng 33 Hình 4.2: Đáp ứng cơng suất phản kháng 34 Hình 4.3: Điện áp đầu D-STATCOM 34 Hình 4.4: Dịng điện 35 Hình 4.5: Đồ thị điện áp dịng điện 35 Hình 4.6: THD dịng điện đầu 36 Hình 4.7: THD điện áp đầu D-STATCOM 36 Hình 4.8: Dịng điện vịng MMC 37 Hình 4.9: Điện áp tụ điện SM 38 Hình 4.10: Điện áp pha MMC 39 Hình 4.11: Điện áp có khơng có bù 39 Hình A2.1: Mơ hình tổng quan 45 Hình A2.2: Mơ hình tổng quan MMC 45 Hình A2.3: Mơ hình tổng quan MPC 46 vii DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1: Sự trao đổi công suất Bảng 2.1: Trạng thái Sub-Module (SM) Bảng 4.1: Thông số mô hệ thống D-STATCOM 32 Bảng 4.2: Thông số điều khiển công suất phản kháng 32 Bảng 4.3: Bảng giá trị tải 33 Bảng 4.4: Bảng giá trị công suất theo thời gian mô 33 Bảng P.1: Bảng số liệu giá trị Larm Carm 44 viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT D-STATCOM MMC SM VSC IGBT MPC FPGA DSP FCS-MPC VBC MIMO HVDC EMF CSPK CSTD PCC DC AC CSC BBĐ ix Distribution Static Synchronous Compensator Modular Multilevel Converter Sub-Module Voltage Source Converter Insulated Gate Bipolar Transistor Model Predictive Control Field-programmable gate array Digital Signal Processor Finite control set model predictive control Voltage balancing control Multiple In, Multiple Out Hight Voltage Direct Current Electromotive force Công suất phản kháng Công suất tác dụng Point Of Common Connection Direct Current Alternating Current Current Source Converter Bộ biến đổi Hình 4.6: THD dịng điện đầu Hình 4.7: THD điện áp đầu D-STATCOM 36 Đáp ứng dòng điện điện áp đầu D-STATCOM trạng thái ổn định, độ méo sóng hài THD dịng điện 0.56% độ méo sóng hài THD điện áp 2.88% cho thấy chất lượng biến đổi tốt Hình 4.8: Dòng điện vòng MMC Ban đầu dòng điện vòng dao động lớn sau khoảng thời gian dịng điện ổn định có dạng hình sóng sin Thời gian độ thay đổi tải tương đối nhỏ 37 Hình 4.9: Điện áp tụ điện SM Điện áp tụ cân tương đối ổn định, dao động quanh giá trị định mức 1000 V, ngưỡng hoạt động cho phép 38 Hình 4.10: Điện áp pha MMC Ta thấy điện áp đầu MMC đáp ứng 11 bậc thiết kế Hình 4.11: Điện áp có khơng có bù Khi có bù điện áp giữ ổn định quanh giá trị (pu) Qua ta thấy có bù điện áp giữ ổn định, kéo theo lưới điện ổn định 39 Nhận xét: Qua tất kết mô ta thấy việc áp dụng phương pháp điều khiển dự báo vào biến đổi MMC với N=10SM cho bù công suất phản kháng D-STATCOM thay đổi tải cho kết điện áp đáp ứng mức yêu cầu, công suất phản kháng bù hấp thụ từ lưới điện ổn định, độ méo sóng hài thấp, điện áp tụ dòng điện vòng giảm thiểu cách tối đa Thời điểm thay đổi tải, D-STATCOM bù hấp thụ công suất phản kháng nhanh, giá trị công suất bù hấp thụ bám theo công suất mong muốn Đề xuất định hướng phát triển đề tài: Hướng nghiên tương lai đề tài khắc phục hạn chế tồn áp dụng điều khiển dự báo FCS-MPC Từ đó, áp dụng điều khiển dự báo cho thiết bị điều khiển điện tử công suất khác Phương pháp điều khiển thực nghiệm thời gian thực sử dụng phần cứng (Hardware in the loop – HIL) Đây vấn đề quan trọng, có ý nghĩa thực tiễn q trình điều khiển ổn định hệ thống điện Cụ thể đây, chúng em tìm hiểu cách sử dụng vi mạch FPGA để làm thực nghiệm cho đề tài này, tình hình dịch bệnh phức tạp, nên em bạn chưa có thời gian gặp gỡ lên trường để làm thực nghiệm Vì em dừng lại lí thuyết, chưa có thực nghiệm, mong thầy/cơ thơng cảm Ngồi ta cịn lập trình xử lý có vấn đề xảy thời điểm hay thời gian có SM bị hỏng, ta xử lý cách tự động ngắt SM pha tương ứng cho số SM mạch MMC hoạt động cân nhánh pha 40 KẾT LUẬN Trong thời gian làm đồ án với đề tài: “Nghiên cứu thiết bị D-STATCOM phương pháp MPC cho biến đổi MMC”, em tiến hành tìm hiểu, tổng hợp thơng tin kiến thức có từ q trình học tập đạt kết sau: - Tìm hiểu bù cơng suất D-STATCOM - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động biến đổi MMC - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển dự báo MPC Tính tốn, thiết kế mơ để kiểm chứng D-STATCOM so với lý thuyết Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Việt Phương người hướng dẫn em hoàn thành đề tài này, với tồn thể nhóm đồ án đỡ giúp đỡ lẫn q trình hồn thiện - Dù cố gắng để hoàn thành đồ án, chắn khơng thể khơng có sai sót, kiến thức hạn chế thời gian thực hiện, em mong nhận ý kiến thầy để đồ án hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Farhad Shahnia, Sumedha Rajakaruna, Arindam Ghosh, Compensators (STATCOMs) in Power Systems, Singapore, 2015 Static [2] A.Lesnicar and R Marquardt, "An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range," in Proc IEEE Bologna PowerTech Conf, pp 1-6, 2003 [3] B Chuco, E H Watanabe, "Back-to-Back HVDC Based on Modular Multilevel Converter," in Brazilain Power Electronics Conference (COBEP), 2011, 2011 [4] A Das, H Nademi, L Norum, "A Method for Charging and Discharging Capacitors in Modular Multilevel Converter," in Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, Australia, 2011 [5] Rohner, S.; Bernet, S.; Hiller, M.; Sommer, R., "Analysis and Simulation of a 6kV, 6MVA Modular Multivel Converter," in 35th Annual Conference of EEE 2009, pp 225-230, 2009 [6] Q Jiangchao, M Saeedifard, "Predictive Control of a Modular Multilevel Converter for a Back-to-Back HVDC System," in IEEE Transactions on Power Delivery, vol 27, no 3, pp 1538-1547, July 2012 [7] M Saeedifard and R Iravani, "Dynamic performance of a modular multilevel back-to-back HVDC system," in IEEE Trans Power Del, vol 25,no 4, pp 2903-2912, 2010 [8] Marcin Zygmanowski, Bogusław Grzesik, Radosław Nalepa, "Capacitance and Inductance Selection of the Modular Multilevel Converter," Poland [9] Anh, Đỗ Thị Tú, "Điều khiển dự báo phản hồi đầu theo nguyên lý," Luận án Tiến sĩ ĐHBK Hà Nội, 2015 [10] Razieh Nejati Fard, Predictive Control in Power Electronics Converters, Specialization Project, January 2013 [11] J Rodriguez, J Cortes, R M Kennel, M P Kazmierkowski, "Model predictive control-a simple and powerful method," in IEEE Power Electronics and Motion Control Conference, Chile, 2009 [12] Jose Rodriguez and Patricio Cortes, Predictive Control of Power Converters and Electrical Drives, First Edition, John Wiley & Sons, Ltd, 2012 [13] P Cortes, S Kouro, B La Rocca, R Vargas, J Rodriguez, J Leon, S.Vazquez and L Franquelo, "Guidelines for weighting factors design in model predictive control of power converters and drives," in Proc IEEE Int Conf Ind Technol, pp 1-7, 2009 42 [14] M.A Perez, E Fuentes, and J Rodriguez, "Predictive curent control of acac modular multilevel converters," in Proc IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Chile, pp 1289-1294, 14-17 March 2010 [15] Sergio Vazquez, Jose I Leon, Leopoldo G Franquelo, Jose Rodriguez, Hector A Young, Abraham Marquez andPericle Zanchetta, "Model Predictive Control: A Review of Its Applications in Power Electronics," in IEEE Industrial Electronics Magazine, pp 16-31, March 2014 [16] HernÁn Miranda ; Patricio Cortes ; Juan I Yuz ; JosÉ Rodriguez, "Predictive Torque Control of Induction Machines Based on State-Space Models," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 56, no 6, pp 1916 - 1924, June 2009 43 PHỤ LỤC A1: Chi tiết số liệu mơ Bảng tính tốn giá trị Larm Carm từ thay đổi EP thể qua Bảng P.1: Bảng P.1: Bảng số liệu giá trị Larm Carm Thông số mạch lực: %Thong so mach luc %Thong so MMC clc; Vdc = 10000; % Dien ap phia mot chieu (V) C=5000e-6; % Tu SM (F) l_arm=0.005; % Dien cam nhanh (H) r_arm= 2; % Dien tro nhanh (Om) L = 0.4e-3; % Inductance load (H) R = 0.005; % Resisiance load (ohm) Ts=1e-5; % Thoi gian trich mau (s) Lo = 0.01; % Inductance Tranformer (H) %Tinh toan thong so/;/// Sn=3000; %gia tri cong suat bo nghich luu kVA ma=1; %he so dieu che EP=20; %gia tri ty le nang luong voi 10= for i = 1:n if vC_up(i) && k_up < n && iA_up < for i = 1:n if vC_up(i) > vC_up_1(n-k_up) sm_up(i) = 1; else sm_up(i) = 0; end end end %% DC Blancing if k_low == n for i = 1:n sm_low(i) = 1; end elseif k_low == for i = 1:n sm_low(i) = 0; end elseif k_low > && k_low < n && iA_low >= for i = 1:n if vC_low(i) && k_low < n && iA_low < for i = 1:n if vC_low(i) > vC_low_1(n-k_low) sm_low(i) = 1; else sm_low(i) = 0; end end end 50