Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa mức kiểu module: Modular Multilevel Converter

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 Mục lục Lời Nói đầu PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ I Tổng quan biến đổi Cấu trúc diode-kẹp Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi Cascade inverter Cấu trúc MMC II.Tổng quan phƣơng pháp điều chế cho MMC Phƣơng pháp PWM Vecto không gian SVM 11 Phƣơng pháp NLM 13 PHẦN II: CÁCH THỰC HIỆN CÁC PHƢƠNG PHÁP CHO BỘ NGHỊCH LƢU MMC BẢY MỨC VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 18 Phƣơng pháp PWM 19 a) Cách thực 19 b) Kết mô 20 Phƣơng pháp điều chế vecto không gian (SVM) 21 a) Xác định vecto thời gian thực 21 b) Xác định trạng thái chuyển mạch 23 c) Kết mô 25 Phƣơng pháp NLM 26 a) Thuật toán cân lượng 26 b) Cách thực phương pháp NLM 28 c) Kết mô 30 Nhận xét so sánh phƣơng pháp thực cho MMC 31 PHẦN III: Tính chọn L, C áp dụng cho biến đổi MMC 21 mức 32 Tính chọn tụ điện: 32 Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 Tính giá trị cuộn cảm 33 Áp dụng cho MMC 21 mức 33 a) Thông số biến đổi : 33 b) Kết mô phỏng: 34 Kết luận: 36 Danh mục tài liệu tham khảo 37 Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 Lời Nói đầu Những năm gần đây, ngành công nghiệp phát triển bắt đầu yêu cầu thiết bị lƣợng cao hơn, đạt đến mức MW Việc điều khiển đóng cắt điện áp AC phạm vi MW thƣờng đƣợc kết nối đến lƣới điện trung Để kết nối thiết bị bán dẫn công suất vào lƣới điện trung (2.3, 3.3, 4.16, or 6.9 kV) khó Vì lý này, biến tần đa mức lên nhƣ giải pháp để làm việc với cấp điện áp cao Những biến tần bao gồm nhiều phần tử bán dẫn, nhiều nguồn chiều hay tụ điện Điện áp đầu chúng tạo nhiều bƣớc sóng làm cho tín hiệu điện áp giống dạng sin chuẩn Việc hoán đổi trạng thái chuyển mạch van bán dẫn làm giảm tổn hao phát nhiệt làm giảm điện áp rơi van Hiện ngƣời ta phát triển nhiều loại chuyển đổi khác với ứng dụng đa dạng nhƣ phát triển phƣơng pháp điều chế phù hợp cho biến đổi Hiểu đƣợc tầm quan trọng đó, thông qua hƣớng dẫn nhiệt tình thầy Phạm Việt Phƣơng em tìm hiểu biến đổi đa mức nhƣ phƣơng pháp điều chế điện áp Và từ em hoàn thành đƣợc đồ án với đề tài: “Nghiên cứu đánh giá phương pháp điều chế cho biến đổi đa mức kiểu module: Modular Multilevel Converter.” Với lĩnh vực kiến thức kinh nghiệm nhiều hạn chế Em mong giúp đỡ bảo thầy cô môn Tự động hóa công nghiệp để đồ án tốt Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Việt Phƣơng định hƣớng dẫn cho em suốt trình nghiên cứu hoàn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2017 Sv thực hiện: Hà Văn Đức Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ I Tổng quan biến đổi Cấu trúc diode-kẹp Bộ chuyển đổi điện áp NPC đƣợc đƣa nhƣ biến tần ba mức Đó thay đổi cấu trúc biến đổi hai mức có thêm hai ôt bán dẫn công suất cho pha nhƣ thể hình 1.1 Điểm thiết bị chuyển mạch đƣợc kết nối với điểm trung tính chuyển đổi thông qua điốt kẹp, cho phép tạo mức điện áp không Bằng cách này, điện áp DC-link, mức điện áp mà thiết bị phải chịu đƣợc giảm xuống nửa so với cấu trúc hai mức Và điện áp thiết bị chuyển mạch đƣợc giới hạn cho Vdc/2 ( điện áp tụ bus-DC link) thông qua điốt kẹp Hình 1.1: Cấu trúc biến tần NPC mức Cấu trúc nhƣ hình tạo mức điện áp ( Vdc/2 ; ; -Vdc/2) Van thứ van thứ ba đóng mở ngƣợc Van thứ hai thứ tƣ tƣơng tự Bảng 1.1: Bảng trạng thái đóng cắt van cấu trúc ôt kẹp tạo mức điện áp S1x ON OFF OFF Switch states S2x S3x ON OFF ON ON OFF ON Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 Điện áp S4x OFF OFF ON Vdc/2 -Vdc/2 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017  Ƣu điểm: + Tất pha dùng chung đƣờng dẫn nguồn chiều với yêu cầu tối thiểu số lƣợng tụ điện + Các tụ điện đƣợc nạp điều từ trƣớc theo nhóm + Hiệu suất cao đƣợc đóng cắt tần số + Phƣơng thức điều khiển đơn giản  Nhƣợc điểm: - Theo lý thuyết, biến tần NPC tạo đƣợc nhiều mức điện áp Tuy nhiên thực tế, kĩ thuật có số hạn chế.Trong điều kiện hoạt động định NPC gặp vấn đề cân điện áp tụ điện (không kiểm soát đƣợc trình nạp hay xả dẫn đến nạp tải), điều tạo điện áp điểm trung tính điểm đất làm cho điện áp bị méo dạng Điều nói lên cần thiết điểm trung tính hay cân điện áp tụ - Khi số mức điện áp lớn đòi hỏi cần sử dụng nhiều diot làm tăng chi phí cho nghịch lƣu Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi Cấu trúc chuyển đổi FC đƣợc trình bày hình 1.2 tụ điện pha đƣợc nạp với mức điện áp khác Càng gần nguồn điện áp tụ lớn, gần tải điện áp tụ nhỏ Do đó, việc thay đổi trạng thái chuyển mạch thu đƣợc nhiều mức điện áp Hình 1.2: Cấu trúc tụ điện thay đổi Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017  Ƣu điểm Cấu trúc có trạng thái chuyển mạch dự phòng để thay đổi mức điện áp tụ, cho thấy lợi so với cấu trúc NPC Khi số bậc tăng cao không cần dùng lọc nhánh đƣợc phân tích độc lập với nhánh khác Không nhƣ nghịch lƣu đa bậc dạng NPC phân tích phải quan tâm đến cân điện áp ba pha ngõ vào Khi số lƣợng tụ điện lớn cho phép biến tần hoạt động khoảng thời gian ngắt điện cúp điện áp ngắn  Nhƣợc điểm Các hạn chế cấu trúc số lƣợng tụ điện dùng nhiều, cần phải nạp trƣớc giá trị cho tụ nhƣ trƣớc khởi động ( điều bắt buộc) Sự phân phối thờ gian chuyển mạch thiết bị chuyển mạch không Việc mở rộng mức điện áp chuyển đổi FC tùy ý Tuy nhiên mở rộng mức điện áp số lƣợng tụ điện tăng dẫn đến tăng chi phí nên cấu trúc giới hạn mức Cascade inverter Cấu trúc liên kết CHB đƣợc dựa kết nối chuỗi nghịch lƣu áp cầu pha (sub modul) với nguồn DC cách ly có sẵn nhƣ acquy, battery (Hình 1.3) Sự vắng mặt diot kẹp tụ điện thay đổi, nhƣ trƣờng hợp NPC FC, dẫn đến việc đóng cắt sub modul để tạo mức điện áp mong muốn Mỗi sub modul tạo ba điện áp tùy thuộc vào trạng thái đóng cắt (Udc,-Udc,0) Đầu điện áp pha kết việc xếp chồng điện áp đƣợc tạo từ sub modul pha Dùng nguồn DC cách li từ phía thứ cấp đầu vào nên vấn đề cân hay phải khởi tạo trƣớc nhƣ cấu trúc NPC hay FC Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 Hình 1.3 Cấu trúc nghịch lƣu cascade Tần số đóng ngắt module dạng mạch giảm n lần dv/dt giảm nhƣ Điện áp áp đặt lên linh kiện giảm 0,57n lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp  Ƣu điểm: + Cấu trúc CHB có cấu trúc modul dễ ghép nối khả kiểm soát độc lập Điều cho phép trình sản xuất đƣợc thực nhanh rẻ tiền + Số lƣợng mức điện áp đầu lớn hai lần số modul thành phần + Độ méo sóng hài nhỏ van phải đóng cắt tần số thấp  Nhƣợc điểm: - Tuy nhiên modul lại cần nguồn DC cách ly điều không khả quan - Thiết kê điều khiển khó số modul thành phần tang lên Cấu trúc MMC Cấu trúc MMC kết nối loạt phần tử nửa cầu giống đƣợc gọi sub modul hay cells Trên pha chuyển đổi MMC đƣợc chia thành nhánh nhánh dƣới nhánh có số lƣợng cells nhƣ nhánh có thêm cuôn cảm L Điện áp AC đầu lấy từ điểm nối chung Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 hai nhánh hai cuộn cảm Cuộn cảm có tác dụng làm phẳng dòng điện đột ngột đóng mở van để tạo mức điện áp khác Cấu trúc MMC dung chung bus DC nên không cần tụ điện DClink cồng kềnh nhƣ cấu trúc NPC hay FC Theo đánh giá thực nghiệm việc đánh giá cân hay tổn thất chuyển mạch cấu trúc MMC thuận lợi Tất sub-modul có cấu trúc nhƣ Mỗi sub-modul bao gồm hai trạng thái phụ thuộc vào vị trí chuyển mạch Trên hình 1.4b sub-modul, S1 trạng thái ON S2 trạng thái OFF sub đƣợc bỏ qua hay điện áp submodu 0V Khi S1 OFF S2 ON sub-modul đƣợc thêm vào mạch với điện áp điện áp tụ Vc Tùy theo số lƣợng sub-modul đƣợc thêm vào mạch ta có mức điện áp AC đầu khác Hƣớng dòng điện chảy nhánh pha ảnh hƣởng tới trình nạp hay phóng tụ điện (hình 1.4.1) Khi sub-modul đƣợc thêm vào nhánh mà dòng điện chảy qua nhánh dƣơng tụ nạp điện, ngƣợc lại dòng điện âm tụ xả Ở trạng thái bypass ( trạng thái sub-modul bị bỏ qua dòng điện không ảnh hƣởng tới điện áp tụ) Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 Hình 1.5: Ảnh hƣởng dòng điện đến tụ sub-modul Ta có bảng trạng thái chuyển mạch modul.(S1 phía dƣới sub-modul) Trạng thái chuyển mạch S1 S2 1 0 1  Ƣu điểm: Điện áp SM 0 Vc Vc Dòng điện nhánh i>0 i0 i 0: { (3.8) b) Xác định trạng thái chuyển mạch Sau xác định đƣợc vecto điện áp khoảng thời gian thực vecto để tạo điện áp ⃗ Ta chọn trạng thái chuyển mạch cần thiết để tạo vecto Ở chọn trang thái chuyển mạch để tổn hao chuyển mạch nhỏ [5] - Đầu tiên ta chọn trạng thái chuyển mạch cho vecto Vul [ { ] [ ] Trong đó: Ka, Kb, Kc đại diện cho trạng thái chuyển mạch pha a, b, c tƣơng ứng - Tiếp theo ta xác định trạng thái chuyển mạch cho vecto Vuu, Vll dựa giá trị S Nếu S>0 : { [ ] [ ] Nếu S0 Thực ON cho N SM có điện áp tụ điện thấp S Thực ON cho N SM có điện áp tụ điện cao Gán N =N_old Lưu đồ thuật toán cân lượng b) Cách thực phương pháp NLM - Áp dụng NLM: Mức điện áp đƣợc tạo dựa số lƣợng sub-modul đƣợc thêm vào hay bỏ qua nghịch lƣu Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 28 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 + Cấu trúc tổng quát cho phƣơng pháp NLM: Tín hiệu đặt Tính điện áp Làm tròn Chia Cân điện áp PX Ud + Đầu tiên ta xác định số lƣợng sub-modul đƣợc thêm vào hay bị bỏ qua mạch nghịch lƣu cho nhánh pha { [ ( )] [ ( )] Ở Udc điện áp bus DC, Ud điện áp trung bình tụ ( Ud = Udc/6 ), Nu, Nl lần lƣợt số sub-modul nhánh nhánh dƣới đƣợc thêm vào Tùy vào cách làm tròn 0,5 hay 0,25 mà ta có mức điện áp tƣơng ứng mức (N+1) hay 15 mức (2N+1) - Áp dụng cân điện áp: Cách thực với MMC mức: + Thực xét với Nu = Nu = trƣớc xếp trƣờng hợp không cần quan tâm đến chiều dòng điện hay điện áp tụ cần thực OFF SM ON SM thoát thuật toán để giảm thời gian thực thi thuật toán + Với trƣờng hợp lại Nu, việc chọn Nu SM đƣợc chèn vào đƣợc thực thuật toán phát thay đổi Nu từ mức sang mức khác thuật toán lựa chọn tụ cần đƣợc ON theo cách thức sau: - Sắp xếp giá trị điện áp tụ theo thứ tự tăng dần lƣu vào vùng nhớ Sau đó, OFF SM nhƣ phần lập trình phía sau cần ON SM cần thiết - Kiểm tra chiều dòng điện nhánh dƣơng nạp điện cho tụ So sánh điện áp tụ chƣa xếp với giá trị thứ M vùng nhớ nhỏ SM tƣơng ứng đƣợc ON Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 29 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 - Kiểm tra chiều dòng điện nhánh âm xả điện từ tụ So sánh điện áp tụ chƣa xếp với giá trị thứ - M vùng nhớ lớn SM tƣơng ứng ON Hình 3.8 Cấu trúc mô cho phƣơng pháp NLM c) Kết mô a Điện áp L Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 30 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 b Điện áp có L Hình 3.9 Điện áp pha biến đổi MMC mức theo NLM Hình 3.10 Ảnh hƣởng sóng hài tới điện áp (THD) Nhận xét so sánh phƣơng pháp thực cho MMC Đối với phƣơng pháp PWM: Ta thấy nghịch lƣu MMC có số modul thực dễ dàng Tuy nhiên số lƣơng sub modul tăng lên cần nhiều song mang nên thiết kế phần cứng khó việc phát xung khó khăn Tần sô đóng mở van lớn so với phƣơng pháp SVM NLM Mà biến đổi điện áp cao tổn hao phát nhiệt lớn Nên chất lƣợng điện áp không tốt nhƣ phƣơng pháp SVM NLM Chỉ thích hợp với biến đổi với số lƣợng sub modul thành phần Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 31 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 Đối với phƣơng pháp SVM Ta thấy phƣơng pháp SVM dễ hiểu phù hợp với điều khiển số, chất lƣợng điện áp tốt Tuy nhiên số sub-modul lớn ta thấy khối lƣợng tính toán lớn ( mức phải xét tới 216 tam giác) điều dẫn đến dễ mắc sai sót trình tính toán xác định vecto điện áp, đồng thời đòi hỏi vi xử lí phải có nhớ đủ lớn xử lí nhanh Phƣơng pháp SVM ta lựa chọn van chuyển mạch nên tần số đóng cắt giảm so với PWM nhƣng cao NLM nhiều lần Chỉ thích hợp với biến đổi với số lƣợng sub-modul thành phần vừa phải Đối với phƣơng pháp NLM: Ta thấy việc thực phƣơng pháp NLM dễ dàng Do thuật toán viết đƣợc dƣới dạng tổng quát nên việc mở rộng số lƣợng sub-modul hoàn toàn thực đƣợc Tần số chuyển mạch van bán dẫn thấp Giảm tổn hao đóng cắt Chất lƣợng điện áp tƣơng đối tốt Chỉ phù hợp với biến đổi có nhiều sub-modul thành phần Và thực với biến đổi điện áp cao Sử dụng nhiều cảm biến để đo điện áp tụ dòng điện Dùng kết hợp với cân điện áp PHẦN III: Tính chọn L, C áp dụng cho biến đổi MMC 21 mức Tính chọn tụ điện: Trong nghịch lƣu áp lƣợng đƣợc lƣu trữ tụ điện liên kết với nguồn DC Năng lƣợng lớn đƣợc tích lũy tụ ECmax đƣợc xác định công thức sau: ECmax = EP * Sn (1) Ở EP thay đổi phụ thuộc vào ứng dụng nghịch lƣu ( EP từ 10J/KVA đến 50J/KVA), Sn công suất nghịch lƣu Ta có giá hiệu dụng điện áp dây nghịch lƣu là: Vl-lrms = √ a* √ ; Ở ma hệ số điều chế nằm khoảng từ - ⁄ √ Năng lƣợng lớn đƣợc dự trữ tụ liên kết với nguồn DC nghịch lƣu pha nhánh đƣợc tính nhƣ sau: Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 32 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 (2) Ở Carm điện dung tụ nhánh nghịch lƣu CSM điện dung tu đƣợc gắn với sub-modul Từ (1) (2) ta có điện dung nhánh chuyển đổi là: Và CSM = Carm *n Tính giá trị cuộn cảm Vai trò cuộn cảm L nhánh ngăn chặn dòng điện có tần số cao khác điện áp nhánh nhánh dƣới Là phẳng dòng điện tăng vọt van chuyển mạch Giá trị cuộn cảm phụ thuộc vào điện áp tụ sub-modul (Vdc/n), kĩ thuật điều chế, tần số chuyển mạch điều khiển Nó đƣợc tính công thức sau: ( ( Ở ) ) ( ) tần số điện áp 100 rad/s , ma hệ số điều chế, h chọn =2 Áp dụng cho MMC 21 mức Thực nhƣ với MMC mức nhƣng thay N=10, hàm làm tròn 0.25 a) Thông số biến đổi : ( ) ( ) ( ) Biên độ điện áp pha xoay chiều AC: - Tìm ( ) EP nằm khoảng từ 10 J/kVA to 50 J/kVA Ban đầu ta chọn EP=30J/kVA Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 33 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 ( ( ) ) ( ( ) ( ) Với N = 10 mắc nối tiếp 10 SubModule tụ ) có giá trị ( ) - Tìm đƣợc tính theo công thức: ( ( ) ( Chọn h =2 thay vào ta đƣợc Điện áp tụ ( ) ( ) ) ) Tần số điện áp đầu ( ) Điện trở tải R = 30Ω Điện cảm tải L = 1mH b) Kết mô phỏng: a Khi chƣa có L Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 34 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 b Khi có L Hình 4.1 : Điện áp pha MMC 21 mức Hình 4.2 Ảnh hƣởng sóng hài tới điện áp (THD) Khi tăng số lƣợng sub modul thành phần lên ta thấy ảnh hƣởng sóng hài tới điện áp nhỏ ( 2.77%) Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 35 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 Kết luận: Qua thời gian dài tìm hiểu hoàn thành đồ án giúp em có thêm nhiều hiểu biết điện tử công suất Hiểu rõ tầm quan trọng biến đổi đa mức nhƣ phƣơng pháp điều chế phù hợp cho chất lƣợng điện áp tốt - Những kết đạt đƣợc: Hoàn thành đồ án theo yêu cầu từ thầy Hiểu đƣợc phƣơng pháp điều chế mô thành công cho biến đổi MMC Từ rút đánh giá cho phƣơng pháp điều chế - Những điều chƣa đạt đƣợc: Các biến đổi có ứng dụng quan trọng thực tế nên nhiều kiến thức quan trọng mà e chƣa nắm bắt đƣợc Và đồ án dừng lại mô mạch vòng hở Chƣa có mạch thực tế Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 36 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017 Danh mục tài liệu tham khảo [1] “A Level-Increased Nearest Level Modulation Method for Modular Multilevel Converters” Pengfei Hu, Student Member, IEEE, Daozhuo Jiang [2] “Modified space vector modulation for fault-tolerant operation of multilevel cascaded H-bridge inverters” Mohsen Aleenejad, Hossein ImanEini, Shahrokh Farhangi [3] “Báo cáo luận văn” Trần Quốc Hoàn [4] “Control of MMC in HVDC Applications” Artjoms Timofejevs Daniel Gamboa [5] “A Minimum Loss Switching Method Using Space Vector Modulation for Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter” Mohsen Aleenejad*, Hossein Iman-Eini** and Shahrokh Farhangi*** [6] “Performance Evaluation of Half-Bridge Cascaded Multilevel Converters Operated with Multicarrier Sinusoidal PWM Techniques” Georgios S Konstantinou Vassilios G Agelidis [7] “Capacitance and Inductance Selection of the Modular Multilevel Converter” Marcin Zygmanowski1, Bogusław Grzesik1, Radosław Nalepa2 [8] “A Fast and Generalized Space Vector Modulation Scheme for Multilevel Inverters” Yi Deng, Student Member, IEEE, Koon Hoo Teo, Member, IEEE, Chunjie Duan, Senior Member, IEEE, Thomas G Habetler, Fellow, IEEE, and Ronald G Harley, Fellow, IEEE Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989 37 ... thành đƣợc đồ án với đề tài: “Nghiên cứu đánh giá phương pháp điều chế cho biến đổi đa mức kiểu module: Modular Multilevel Converter. ” Với lĩnh vực kiến thức kinh nghiệm nhiều hạn chế Em mong giúp... lƣợng tụ điện lớn cho phép biến tần hoạt động khoảng thời gian ngắt điện cúp điện áp ngắn  Nhƣợc điểm Các hạn chế cấu trúc số lƣợng tụ điện dùng nhiều, cần phải nạp trƣớc giá trị cho tụ nhƣ trƣớc... dịch pha cho PWM Kĩ thuật phân phối thời gian công suất nhƣ modul Bằng cách chọn tần số sóng mang phù hợp cân điện áp tụ điện Tạo sóng hài điện áp nhỏ so với phƣơng pháp PWM Thích hợp dùng cho MMC