Nghiên cứu đặc tính động của bộ biến đổi kiểu back to back cấu trúc module

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MMC Modular Multilevel Converter Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module HVDC High Voltage Direct Current Hệ thống dòng một chiều điện áp cao PWM Pulse-Width Modulation L

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI KIỂU

BACK-TO-BACK CẤU TRÚC MODULE

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

TS PHẠM VIỆT PHƯƠNG

HÀ NỘI - 2015

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu đặc tính động của bộ biến đổi kiểu Back-to-Back cấu trúc module” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Phạm Việt Phương Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với

thực tế

Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015

Học viên thực hiện

Nguyễn Hồng Sơn

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC NGUỒN ÁP 5

1.1.Bộ biến đổi hai mức 5

1.2.Bộ biến đổi 3 mức 7

1.3.Bộ biến đổi đa mức 8

1.3.1.Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Neutral-Point Clamp) 11

1.3.2.Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) 13

1.3.3.Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) 14

1.3.4.Bộ biến đổi có sử dụng máy biến áp 16

1.4.Kết luận 16

1.5.Mục tiêu của luận văn 17

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CẤU TRÚC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ MODULE MMC 19

2.1 Tổng quát về cấu trúc MMC 19

2.2.Nguyên lý hoạt động của module thành phần (Dạng nửa cầu) 22

2.3.Các phương pháp điều chế trong MMC 24

2.3.1.Kỹ thuật PWM sắp đặt sóng mang (Carrier-disposition - CD-PWM) 25

Trang 4

2.3.2.Kỹ thuật Sub-Harmonic PWM 27

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MODULE MMC TRONG HỆ THỐNG HVDC PLUS CỦA HÃNG SIEMENS 30

3.1.Phân tích hệ thống HVDC PLUS sử dụng cấu trúc MMC 32

3.1.1.Ưu điểm của HVDC Plus 32

3.1.2.Cấu tạo HVDC Plus của Siemens 33

3.2.Tính toán thông số hệ thống 36

3.2.1.Tính toán sơ bộ máy biến áp phía trước chỉnh lưu 37

3.2.2.Tính toán sơ bộ máy biến áp phía sau nghịch lưu 38

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG HVDC PLUS 39

4.1.Mô hình hóa MMC 41

4.2.Các bộ điều khiển vòng ngoài của MMC (outter control) 43

4.2.1.Mạch vòng điều khiển dòng điện 46

4.2.2.Mạch vòng điều khiển công suất tác dụng và phản kháng 48

4.2.3.Bộ điều khiển điện áp một chiều 49

4.3.Phương pháp điều khiển vòng trong của MMC 50

4.2.1.Các phương pháp điều khiển 51

4.2.2.Phân tích tính ổn định của các SM 54

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HVDC PLUS SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSCAD 59

5.1 Tính toán thông số mạch lực 59

5.1.1.Cách chọn tụ 59

5.1.2.Cách chọn cuộn cảm 60

Trang 5

5.2.Tính toán thông số các mạch vòng điều khiển 61

5.2.1.Thông số mạch điều khiển vòng trong 61

5.2.2.Thông số mạch điều khiển vòng ngoài 61

5.3.Kết quả mô phỏng 62

5.3.1.Kết quả khi MMC hoạt động ở trạng thái định mức 62

5.3.2.Mạch điều chỉnh cân bằng vòng trong 66

5.3.3.Mạch điều chỉnh công suất 70

5.3.4.Bộ điều khiển điện áp một chiều 72

KẾT LUẬN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

Trang 6

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MMC Modular Multilevel Converter Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module HVDC High Voltage Direct Current Hệ thống dòng một chiều điện áp cao

PWM Pulse-Width Modulation Luật điều chế độ rộng xung

PD-PWM Phase Disposition Luật sóng mang cùng pha

POD-PWM Phase Opposition Disposition Luật sóng mang ngược pha

APOD-PWM Alternate Phase Opposition

CCC Capacitor comutated converter Bộ biến đổi sử dụng tụ điện chuyển

mạch LCC Line comutated converter Bộ biến đổi sử dụng chuyển mạch

đường dây VSC Voltage Source Converter Bộ biến đổi điện áp

Trang 7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1.Trạng thái làm việc của một SM 23

Bảng 3.1.Cấu trúc của HVDC Classic và HVDC Plus 33

Bảng 5.1.Thông số bộ biến đổi MMC 59

Bảng 5.2.Các hệ số K của bộ điều khiển 61

Bảng 5.3.Các hằng số thời gian 61

Bảng 5.4.Thông số mạch điều khiển vòng ngoài 61

Trang 8

Lời nói đầu

1

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Sơ đồ 1 pha của bộ biến đổi (a) Hai mức, (b) Ba mức, (c) n mức 5

Hình 1.2.Một pha của bộ biến đổi 2 mức và dạng điện áp ra xoay chiều 6

Hình 1.3.Cấu hình mở rộng của bộ biến đổi 2 mức 7

Hình 1.4.Sơ đồ một pha của bộ biến đổi 3 mức và dạng điện áp ra xoay chiều 7

Hình 1.5.Một pha của bộ biến đổi đa mức và dạng điện áp ra xoay chiều sử dụng IGBT 8

Hình 1.6.Các cấu trúc bộ biến đổi đa mức 9

Hình 1.7.Bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng Diode kẹp 11

Hình 1.8.Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng Diode kẹp 12 Hình 1.9.Bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng tụ điện 13

Hình 1.10.Dạng sóng của điện áp đầu ra bộ biến đổi 5 mức dùng tụ điện 13

Hình 1.11.Cấu trúc của bộ biến đổi ghép tầng 15

Hình 1.12.Dạng điện áp đầu ra của bộ biến đổi ghép tầng 11 mức 15

Hình 1.13.Bộ biến đổi GTO STATCOM có dùng máy biến áp 16

Hình 2.1.Sơ đồ tổng quát cấu trúc MMC 20

Hình 2.2.Các dạng cấu trúc của SM 21

Hình 2.3.Cấu trúc Half-brigde Cell 22

Hình 2.4 Dòng điện chảy trong SM theo mỗi trạng thái đóng cắt của van và tụ 23

Hình 2.5.Tổng quát kĩ thuật điều chế PWM 24

Hình 2.6.Sóng mang bố trí ngược pha 25

Hình 2.7.Sóng mang bố trí ngược pha 26

Hình 2.8.Sóng mang bố trí ngược pha xen kẽ 26

Trang 9

Hình 2.9.Sóng mang hình răng cưa 27

Hình 2.10.Sóng mang hình tam giác 27

Hình 2.11.Phương pháp dịch pha sóng mang 28

Hình 3.1.Bản đồ đường cáp dự án Trans Bay 31

Hình 3.2.Trạm chuyển đổi của Siemens 32

Hình 3.3.Hệ thống HVDC PLUS 34

Hình 3.4.Cấu hình truyền tải đơn cực 34

Hình 3.5.Cấu hình cơ bản của HVDC Plus 35

Hình 4.1.Tổng quan hệ thống VSC-HVDC 39

Hình 4.2.Cấu trúc chi tiết các mạch vòng điều khiển của HVDC Plus 40

Hình 4.3.Mạch điện tương đương một pha của bộ biến đổi MMC 41

Hình 4.4.Sơ đồ khối hệ thống đồng bộ pha truyền thống 1PLL 44

Hình 4.5.Sơ đồ khối hệ thống đồng bộpha truyền thống 3PLL 44

Hình 4.6.Đồng bộ với khung tọa độ quay 45

Hình 4.7.Cấu trúc mạch vòng khóa pha 46

Hình 4.8.Cấu trúc điều khiển dòng điện 47

Hình 4.9.Sơ đồ khối điều khiển dòng điện 47

Hình 4.10.Bộ điều khiển công suất 49

Hình 4.11.Sơ đồ khối điều khiển điện áp một chiều 49

Hình 4.12.Sơ đồ mạch vòng điều khiển điện áp trung bình pha u 51

Hình 4.13.Sơ đồ mạch nguyên lý điều khiển theo phương pháp Individual – balancing control 52

Hình 4.14.Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo phương pháp Arm – balancing control 53

Hình 4.15.Quan hệ giữa biểu thức (4.42), (4.43) và góc 56

Trang 10

Hình 5.1.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac) 62

Hình 5.2.Dạng điện áp nhánh trên (VU) và nhánh dưới (VL) khi chưa lọc 63

Hình 5.3.Dạng điện áp nhánh trên (VU) và nhánh dưới (VL) sau khi qua lọc 63

Hinh 5.4.Dạng điện áp trên tụ VC1 và VC5 64

Hình 5.5 Dạng điện áp trung bình tụ nhánh trên (VCAUAV) và dưới (VCALAV) 64

Hình 5.6.Dạng điện áp dòng điện tuần hoàn (iZ) 65

Hình 5.7.Đồ thị công suất tác dụng (P) 65

Hình 5.8.Đồ thị công suất phản kháng (Q) 66

Hình 5.9.Đồ thị dạng sóng điều chế của SM1 (Va1*) 66

Hình 5.10 Dạng điện áp trên tụ VC1 và VC5 khi Vcref = 70 kV 67

Hình 5.11.Đồ thị dạng sóng điều chế của SM1 (Va1*)Vcref = 70 kV 67

Hình 5.12.Dòng điện sai lệch (iZ) 68

Hình 5.13.Công suất phản kháng Q 68

Hình 5.14.Công suất tác dụng P 69

Hình 5.16.Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P 70

Hình 5.17.Đồ thì đáp ứng công suất phản kháng Q 71

Hình 5.19.Đồ thì dòng điện tuần hoàn (iZ) 72

Hình 5.20.Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P 73

Hình 5.21.Đồ thì đáp ứng công suất phản kháng Q 73

Hình 5.23.Đồ thì dòng điện tuần hoàn (iZ) 74

Hình 5.24.Dạng điện áp trên tụ VC1và VC5 75

Trang 11

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng điện đã có ưu thế trong sản xuất, khai thác và truyền tải cho nên hầu như toàn bộ năng lượng đang khai thác được trong tự nhiên người ta đều chuyển đổi nó thành điện năng trước khi sử dụng.Từ đó hình thành một hệ thống điện nhằm truyền tải, phân phối và cung cấp điện đến từng hộ sử dụng điện Các thiết bị điện tử công suất là cơ sở cho các hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt, được sử dụng

để giảm dao động, tăng tính ổn định trong hệ thống năng lượng, đảm bảo chất lượng điện áp và điều khiển quá trình truyền tải công suất điện Và song hành cùng với sự phát triển của hệ thống điện thì đó là sự phát triển của ngành công nghiệp thiết bị bán dẫn nói riêng cũng như điện tử công suất nói chung cũng có những tiền bộ vượt bậc

Do đó việc nắm bắt được những công nghệ mới là nhu cầu cấp thiết với kỹ sư

tự động hóa Một trong những công nghệ mới có khả năng ứng dụng trong hệ thống điện là bộ biến đổi Modular Multilevel Converter (MMC).Nghiên cứu hệ thống điều khiển của MMC mục đích là khai thác hiệu quả để nâng cao chất lượng điện năng của

hệ thống điện Việt Nam, tiến tới làm chủ công nghệ MMC có ý nghĩa cực kỳ quan trọng

Và đây cũng chính là đề tài cho đồ án tốt nghiệp của em “Nghiên cứu đặc tính động của bộ biến đổi kiểu Back-to-Back cấu trúc module”với sự hướng dẫn của thầy giáo TS Phạm Việt Phương Sau đây em xin trình bày đồ án của mình

Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015

Học viên thực hiện

Trang 12

Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

Do đó các bộ biến đổi công suất cao ngày càng được chú ý nghiên cứu và phát triển Ban đầu là hai mức, sau đó phát triển nhiều mức và có rất nhiều dạng cấu trúc khác nhau Tham tài liệu [3], [7], [11], [12], [14], [15] Hình 1.1 đưa ra sơ đồ một pha của

bộ biến đổi với số mức khác nhau Bộ biến đổi 2 mức tạo ra điện áp đầu ra có 2 giá trị (2 mức) so với cực âm của tụ điện (Hình 1.1a), trong khi bộ biến đổi 3 mức tạo ra 3 mức điện áp và tương tự như vậy cho trường hợp còn lại

Hình 1.1.Sơ đồ 1 pha của bộ biến đổi (a) Hai mức, (b) Ba mức, (c) n mức

1.1.Bộ biến đổi hai mức

Là bộ biến đổi mà đầu ra có 2 mức điện áp, mạch đơn giản chỉ gồm 2 van bán dẫn, nguồn có điểm giữa

Trang 13

Dù vậy, bộ biến đổi 2 mức vẫn có nhược điểm là:

 Van chịu điện áp cao

 Điện áp ra bao gồm nhiều hàm điều hòa không mong muốn

Vì vậy, bộ biến đổi đa mức ít được sử dụng, muốn tăng dải công suất, sẽ cần thêm nhiều van bán dẫn nối nối tiếp và sự đóng cắt sẽ trở nên phức tạp, sẽ xảy ra hiện tượng đóng cắt trễ do nhiệt độ của van.Cấu hình mở rộng được biểu diễn trên hình 1.3

Trang 14

7

Hình 1.3.Cấu hình mở rộng của bộ biến đổi 2 mức

1.2.Bộ biến đổi 3 mức

Là bộ biến đổi mà đầu ra có 3 mức điện áp, ±Vd/2và 0 Cấu hình mạch đơn giản

chỉ gồm 4 van bán dẫn, nguồn có điểm giữa

Hình 1.4.Sơ đồ một pha của bộ biến đổi 3 mức và dạng điện áp ra xoay chiều

Trang 15

8

1.3.Bộ biến đổi đa mức

Hình 1.5.Một pha của bộ biến đổi đa mức và dạng điện áp ra xoay chiều sử dụng

 Không yêu cầu mạch dập RC (Snubber Circuit)

Lịch sử phát triển của bộ biến đổi đa mức bắt đầu từ những năm thập kỉ 70 khi mà bằng sáng chế đầu tiên mô tả một cấu trúc biến đổi có khả năng tạo ra điện áp đa cấp

từ nhiều nguồn điện áp một chiều khác nhau được công bố (bởi Baker và Bannister, 1975) Cấu trúc này đạt được bằng cách kết nối nhiều bộ biến đổi đơn pha thành một dãy Hình 1.6a thể hiện ví dụ một mạch liên quan đến cấu trúc được giới thiệu bởi Baker và Bannister) Các cấu trúc được mô tả trong hình vẽ là bộ biến đổi có một loạt kết nối là mạch cầu (H-bridge) (series-connected H-bridge inverter – SCHBI), được gọi như là bộ biến đổi nối tầng H-bridge

Trang 16

9

a.Bộ biến đổi SCHB 2M+1 mức b.Bộ biến đổi NPC 3 mức và 5 mức

c Bộ biến đổi 3 mức và 5 mức dạng tụ bay Hình 1.6.Các cấu trúc bộ biến đổi đa mức

Năm 1980, Baker giới thiệu một dạng bộ biến đổi đa mức sửa đổi.Hai cấu trúc

ví dụ được biểu diễn ở hình 1.6b bao gồm bộ biến đổi 3 mức và 5 mức Cấu trúc 5 mức trong hình khác với cấu trúc ban đầu mà Baker đã đề xuất (1980) tính toán kết nối

Trang 17

10

hàng loạt diode kẹp Điện áp có thể được chia ra cho nhiều diode như trong mô tả của Yuan và Barbi (2000) Ngược lại với các bộ biến đổi đơn pha kết nối theo hàng loạt, loại bộ biến đổi này có thể tạo ra điện áp đa mức từ một nguồn điện áp một chiều với rất nhiều diode kết nối có điểm trung tính Kiểu cấu trúc này được gọi là bộ biến đổi diode kẹp có điểm trung tính (neutral point clamped inverter – NPC) Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) cho NPC được giới thiệu bởi Nabae năm 1980.Sự thu hút của bộ biến đổi đa mức (ngoại trừ bộ biến đổi 3 mức) bị mờ đi vào những năm

1980 cho đến những năm 1990 thì nó bắt đầu được chú ý trở lại Ví dụ, năm 1990 Marchesoni đề xuất rằng SCHBI có thể được sử dụng trong phòng thí nghiệm tổng hợp phản ứng hạt nhân Hơn nữa Marchesoni và nhóm nghiên cứu của anh ta đã tạo ra đóng góp cho việc nghiên cứu các bộ biến đổi đa mức, đặc biệt trong điều khiển và mô phỏng vào đầu những năm 1990 (Marchesoni, 1989; Marchesoni, 1990; Carrara, 1990; Fracchia,1992), Sau đó giữa những năm 1990, số bằng sáng chế được công bố bao gồm Lavieville, 1997;Hammond, 1997 Meynard and Foch (1992) và Lavieville (1997) bộ biến đổi kiểu tụ bay được giới thiệu Cấu trúc này được mô tả trong hình 1.6c cho 3 mức và 5 mức.Hammond (1997) đã đề xuất một phương pháp thiết thực để thực hiện SCHBI.Từ những năm 1990 tới 2000, có một vài dạng biến đổi cấu trúc của

bộ biến đổi đa mức được đề xuất Một số cách bổ sung cho biến đổi kiểu nối tầng được giới thiệu bởi Stemmler và Guggenbach, 1993; Kawabata, 1996; Corzine, 1999; Kang,2000 Các cấu trúc khác đã thu hút được sự chú ý ngày càng nhiều đó là bộ biến đổi đa mức mô đun hóa (Modular Mutilevel Converter – M2LC hoặc MMC) Lesnicar

và Marquardt, 2003; Glinka và Marquardt, 2003, 2005; Hagiwara và Akagi, 2008; Rohner, 2009; Antonopoulos, 2009

Cả ba cấu trúc, SCHBI, NPC và Tụ bay đã làm dấy lên sự quan tâm lớn nhất cho tới nay Cấu trúc SCHBI có ưu điểm lớn hơn 2 cấu trúc còn lại do tính mô đun hóa của nó Số mức điện áp có thể tăng mà không làm phức tạp mạch, mà chỉ cần tăng số lượng mô đun H-Bridge Điểm hạn chế của SCHBI là cần nguồn một chiều cho mỗi

mô đun, trong khi 2 cấu trúc còn lại thì chỉ cần 1 nguồn.Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu rõ hơn từng cấu trúc để có thể so sánh ưu nhược điểm giữa chúng và đưa ra kết luận

Trang 18

11

1.3.1.Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Neutral-Point Clamp)

Bộ chuyển đổi Diode kẹp ban đầu được đề xuất như là một bộ biến đổi ba mức.Một bộ biến đổi ba pha năm cấp Diode kẹp như trong hình 1.7 Mỗi ba pha của bộ biến đổi thông qua một đường DC chung, được chia bởi 4 tụ.Điện áp trên mỗi tụ điện là VDC/4,

và quá điện áp trên mỗi thiết bị chuyển mạch sẽ chảy qua điốt kẹp.Lấy điện áp V0 ở nhánh âm của đường dẫn một chiều là bằng 0.Đối với các van bán dẫn coi trạng thái 1 tức là van mở và trạng thái 0 tức là van khóa Mỗi pha có 4 cặp van liên hợp, mỗi cặp van liên hợp hoạt động theo nguyên tắc là khi một van bất kỳ trong cặp van liên hợp ở trạng thái 1 (mở) thì van còn lại phải ở trạng thái 0 (đóng) Bốn cặp van liên hợp của pha a là (Sa1, Sa’1), (Sa2, Sa’2), (Sa3, Sa’3), (Sa4, Sa’4)

Hình 1.7.Bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng Diode kẹp

Trang 19

12

Hình 1.8.Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng Diode kẹp

Một bộ nghịch lưu điốt kẹp n mức sẽ cho n mức điện áp pha và (2n - 1) mức điện áp dây ở đầu ra

 Ưu điểm

- Tất cả các pha dùng chung một đường dẫn nguồn một chiều (DC bus)

- Các tụ điện có thể được nạp điện từ trước theo nhóm

- Hiệu suất cao vì tổng thiết bị được đóng cắt ở tần số cơ bản

 Nhược điểm:

- Trong mỗi điều kiện hoạt động nhất định có thể xảy ra sự mất cân bằng điện

áp trên tụ, gây ra một điện thế giữa điểm trung tính và điểm đất làm méo thành phần song hài đầu ra Do đó, giữ được điểm trung tính, sự cân bằng điện áp trên các tụ càng phức tạp khi mức điện áp đầu ra lớn hơn ba mức

- Số lượng diode lớn, có một mối quan hệ phi tuyến giữa giá trị điện áp khóa diode và số mức đầu ra điện áp, ngăn cản việc có thêm số mức điện áp

Tuy nhiên cấu trúc này hiện nay vẫn đang được sử dụng nhiều trong biến tần vì những

ưu điểm mà nó mang lại

Trang 20

13

1.3.2.Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

Cấu trúc của bộ biến đổi dùng tụ điện thay đổi cũng tương tự như Bộ biến đổi dùng diode kẹp.Sự khác nhau ở chỗ thay vì dùng diode kẹp thì dùng tụ điện.Mạch bộ biến đổi dùng tụ điện được biểu diễn như hình dưới

Hình 1.9.Bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng tụ điện

Hình 1.10.Dạng sóng của điện áp đầu ra bộ biến đổi 5 mức dùng tụ điện

Bộ biến đổi này được phát triển từ bộ biến đổi 2 mức bằng cách thêm tụ nối ghép tầng

Có 4 cặp van chuyển đổi trong mỗi pha của bộ biến đổi Ví dụ như là các cặp (S1, S’1), (S2, S’2), (S3, S’3), (S4, S’4) của pha a Vì vậy chỉ có 4 tín hiệu độc lập cho mỗi pha Khi S1, S2, S3 và S4 dẫn thì điện áp pha VAN là 4E Tương tự S1, S2, S3 dẫn thì

Trang 21

14

VAN = 3E Các van sẽ được đóng cắt theo luật nhất định và tạo ra đầu ra điện áp như hình 1.10

 Ưu điểm:

- Có nhiều trạng thái cho một mức điện áp giúp cân bằng mức điện áp trên các tụ

- Điều chỉnh được công suất tác dụng và công suất phản kháng

- Số lượng tụ lớn cho phép bộ nghịch lưu hoạt động trong chế độ ngắt điện và sụt áp trong thời gian ngắn

- Điều khiển phức tạp, khởi tạo giá trị điện áp ban đầu cho các tụ khó khăn

- Hiệu suất thấp

- Các van hoạt động với một tần suất không đều nhau

- Số lượng tụ nhiều làm tăng giá thành và cồng kềnh

1.3.3.Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)

Cấu trúc 1 pha của bộ biến đổi ghép tầng m mức được thể hiện như hình vẽ dưới Mỗi nguồn DC riêng rẽ được nối đến từng pha hoặc theo dạng cầu hoặc nửa cầu Mỗi mức của bộ biến đổi được tạo ra bởi 3 điện áp ra +VDC, 0, và –VDC bằng cách nối nguồn

DC với đầu ra AC có được bằng cách kết hợp 4 khóa S1, S2, S3 và S4

Trang 22

15

Hình 1.11.Cấu trúc của bộ biến đổi ghép tầng

Hình 1.12.Dạng điện áp đầu ra của bộ biến đổi ghép tầng 11 mức

Trang 23

16

 Ưu điểm:

- Số mức điện áp đầu ra có thể lớn gấp 2 lần số lượng nguồn D (m=2s+1)

- Việc bố trí linh kiện trong module và module hóa có khả năng được sản xuất nhanh hơn và rẻ hơn

- Việc dùng nguồn DC riêng đòi hỏi cho mỗi mạch H-bridges, vì vậy ứng dụng của sản phẩm bị giới hạn khi mà có nhiều nguồn DC

1.3.4.Bộ biến đổi có sử dụng máy biến áp

Hình 1.13.Bộ biến đổi GTO STATCOM có dùng máy biến áp

Nhược điểm: - Kích thước cồng kềnh, chi phí lớn

- Tổn hao điện năng lớn

Ưu điểm: do sử dụng máy biến áp nên có cấp điện áp ra phù hợp với bộ biến đổi

1.4.Kết luận

Từ những nhược điểm của các bộ biến đổi đa mức nói trên, xu hướng ngày nay trong lưới điện và các ứng dụng của bộ biến đổi công suất lớn cần một bộ biến đổi có cấu trúc phù hợp, đáp ứng được các yêu cầu như có thể hoạt động ở nhiều mức điện áp

Trang 24

17

khác nhau, cấu trúc đơn giản, không sử dụng máy biến áp, không sử dụng nguồn một chiều cho từng bộ biến đổi nhỏ như cấu hình cascade … Chính vì lí do đó mà các nhà khoa học đã cho ra đời một cấu trúc với tên gọi Modular Multilevel Converter (MMC) thu hút được rất nhiều sự quan tâm Để tìm hiểu kĩ hơn về cấu trúc cũng như nguyên lý phương pháp hoạt động, điều chế ta sẽ đi vào chương 2

1.5.Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu của luận văn nghiên cứu đặc tính động của bộ biến đổi kiểu Back cấu trúc module

Back-to Hiểu được nguyên lý hoạt động, các phương pháp điều khiển của bộ biến đổi dạng MMC

- Mô hình hóa, tính toán thông số của bộ điều khiển trong của hệ thống HVDC sử dụng cấu trúc MMC

- Mô phỏng BBĐ sử dụng cấu trúc MMC làm việc chế độ nghịch lưu trên PSCAD/EMTDC

Nội dung của luận văn được trình bày trong 5 chương, bao gồm các nội dung sau:

Chương 1 giới thiệu tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp (multilevel inverter) thường được dùng trong công nghiệp Nội dung chính của chương này là phân tích ưu nhược điểm của các bộ biến đổi đa mức này để làm nổi bật lên ưu điểm vượt trội và cấu trúc mạch lực cũng như khả năng vận hành của bộ biến đổi đa mức cấu trúc module MMC

Chương 2 của luận văn đi sâu vào tìm hiểu cấu tạo mạch lực, nguyên lý hoạt động cũng như phương pháp điều khiển của bộ biến đổi cấu trúc module MMC.Ưu nhược điểm của các cấu hình MMC sử dụng các bộ biến đổi công suất khác nhau được phân tích và so sánh trong chương này

Chương 3 đề cập đến một ứng dụng cụ thể của bộ biến đổi công suất MMC trong lưới điện.Đó là hệ thống truyền tải cao áp một chiều HVDC-Plus công suất 400

MW sử dụng hai hệ thống bộ biến đổi MMC giống nhau và ghép nối kiểu

Trang 25

Back-to-18

Back.Các thống số mạch lực của hệ thống được tính toán một cách chi tiết để làm cơ

sở cho việc mô hình hóa và mô phỏng ở các chương sau

Chương 4 tiến hành mô hình hóa bộ và xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ thống bộ biến đổi MMC kiểu Back-to-Back trong hệ thống HVDC-Plus.Các mạch vòng điều khiển điện áp, dòng điện và công suất được xây dựng và tính toán lựa chọn thông số bộ điều khiển để phục vụ cho việc mô phỏng và kiểm nghiệm hệ thống ở chương sau

Chương 5 thực hiện việc mô phỏng hệ thống HVDC-Plus sử dụng bộ biến đổi công suất MMC kiểu Back-to-Back.Các thông số và điều kiện mô phỏng được tính toán và trình bày trong chương này Các kết quả mô phỏng thu được từ phần mềm PSCAD được kiểm nghiệm với các tính toán lý thuyết trong các chương trước

Trang 26

Chương 2: Tìm hiểu cấu trúc và các phương pháp điều chế module MMC

SM thì khả năng giữ cân bằng cho tụ càng khó

Trang 27

20

Hình 2.1.Sơ đồ tổng quát cấu trúc MMC

Trang 28

21

Hình 2.2.Các dạng cấu trúc của SM

Trên hình 2.2 là một vài dạng cấu trúc của SM, trong đó dạng nửa cầu và dạng cầu là phổ biến nhất như trong hình (a) và (b) Dạng nửa cầu chỉ có thể tạo ra điện áp 0 và điện áp dương, được sử dụng khi MMC kết nối với hệ thống điện một chiều, trong khi

đó dạng cầu tạo ra được điện 0, điện áp dương và điện áp âm được sử dụng khi MMC kết nối hoặc với hệ thống xoay chiều hoặc một chiều

Mạch kẹp đôi được biểu diễn trong hình 2.2(c), mạch bao gồm 2 SM nửa cầu và có thêm diode cùng với 1 IGBT.Trong chế độ hoạt động bình thường, van S5 luôn ON và

bộ đôi kẹp SM hoạt động tương đương với 2 nửa cầu nối nối tiếp.So sánh giữa dạng

Trang 29

Theo nghiên cứu trong tất cả các cấu hình trên về tính toán cân bằng tụ và tổn thất đóng cắt cũng như là sự phức tạp trong điều khiển thì cấu trúc nửa cầu là thích hợp nhất

2.2.Nguyên lý hoạt động của module thành phần (Dạng nửa cầu)

Hafl-brigde Cell hay còn gọi là chopper-cell bao gồm 2 IGBT và tụ điện một chiều

Hình 2.3.Cấu trúc Half-brigde Cell

Với cấu trúc nửa cầu, mỗi module có khả năng cung cấp điện áp đầu ra ở hai mức là +VDC hoặc 0 V Điều đó có nghĩa là bộ biến đổi có thể hoạt động như một nguồn áp có điều khiển với một số lượng lớn các mức điện áp có thể cung cấp cho đầu

ra Đồng thời, MMC cũng làm giảm đáng kể các sóng hài bậc cao.Sự khác biệt trong mỗi module phụ được sử dụng trong MMC phụ thuộc vào ứng dụng (STATCOM, HVDC, BTB) Sự khác nhau trong cấu trúc mỗi cell làm mức điện áp có thể khác nhau tại các đầu của module phụ Tuy nhiên với sự gia tăng số lượng module phụ, việc cân bằng tụ trở nên phức tạp

C T1

T2 Vx

Trang 30

23

Cấu trúc nửa cầu có 2 khóa đóng cắt 2 chiều cùng với các diode và tụ một chiều Tụ điện hoạt động như một bộ đệm năng lượng hay nguồn điện áp Chiều của dòng điện trong mỗi SM sẽ quyết định trạng thái làm việc của tụ (nạp hay phóng), hình 2.4 biểu diễn các trường hợp dòng điện chảy trong SM

Hình 2.4 Dòng điện chảy trong SM theo mỗi trạng thái đóng cắt của van và tụ

Trong bảng 2.1, đầu ra điện áp của mỗi SM và trạng thái của tụ phụ thuộc vào trạng thái đóng cắt và chiều của dòng điện chảy trong nhánh

Bảng 2.1.Trạng thái làm việc của một SM

Trạng thái van Điện áp ra của SM Chiều dòng điện Trạng thái tụ

Trang 31

24

của SM, qua tụ C và qua IGBT1 ra ngoài Như vậy, i> 0 thì điện áp từ nguồn DC nạp vào cho tụ điện và có giá trị bằng giá trị VC của tụ điện, i< 0 thì điện áp đầu ra VX = VC

do tụ điện xả năng lượng vào tải trong quá trình vận hành

Khi IGBT1 off, IGBT2 on Kể cả dòng điện i> 0 hay i< 0 thì điện áp đầu ra của

SM cũng là giá trị VX = 0 do dòng điện đi vào từ nhánh dương của SM đi qua IGBT2

on và ra ngoài (i> 0) hay dòng điện đi vào từ nhánh âm của SM, đi qua điốt D2 và ra ngoài(i< 0) Như vậy, trong trường hợp này điện áp từ nguồn hay từ tải đều đã bị ngắn mạch qua tụ điện, điều này khiến cho giá trị điện áp đầu ra của bộ biến đổi luôn có giá trị VX = 0

2.3.Các phương pháp điều chế trong MMC

Khái niệm điều chế độ rộng với sóng mang là việc so sánh một tín hiệu điều chế mẫu với sóng mang hình tam giác có tần số cao Sóng mang có thể có dạng sóng một hoặc hai chu kỳ thời điểm chuyển mạch được xác định bởi các giao điểm của tín hiệu điều chế và tín hiệu sóng mang

Hình vẽ 2.5 sau đây thể hiện tổng quát kĩ thuật điều chế PWM

Hình 2.5.Tổng quát kĩ thuật điều chế PWM

Trang 32

25

2.3.1.Kỹ thuật PWM sắp đặt sóng mang (Carrier-disposition - CD-PWM)

Trong kỹ thuật này cần N sóng mang hình tam giác giống hệt nhau được bố trí đối xứng với trục 0.Sau đó so sánh với điện áp mẫu để tạo ra được điện áp đầu ra mong muốn Dựa vào sự chuyển pha giữa các sóng mang, kỹ thuật này được chia làm 3 loại sau: Sắp đặt sóng mang cùng pha (Phase Disposition - PD), ngược pha (Phase Opposition Disposition - POD), và kết hợp (Alternate Phase Opposition Disposition - APOD) được thể hiện ở các hình 2.6, 2.7, 2.8 bên dưới theo tài liệu [16] Nhược điểm của kỹ thuật này là sự phân bố không đều của gợn điện áp trên tụ trên mỗi SM tác động đến độ méo tổng phía xoay chiều

Theo tài liệu [5] ta có hệ số biến điệu biên độ ma

*

( 1)

m a

cr

V m

Hình 2.6.Sóng mang bố trí ngược pha

Trang 33

26

- Sóng mang bố trí ngược pha

Phương pháp bố trí ngược pha : sử dụng hai loại sóng mang, một cho các mức điện áp dương và một cho các mức điện áp âm Trong đó, các sóng mang sử dụng cho các mức điện áp âm được dịch pha đi 180 độ so với các sóng mang sử dụng cho các mức điện áp dương

Hình 2.7.Sóng mang bố trí ngược pha

- Sóng mang bố trí ngược pha xen kẽ

Phương pháp bố trí ngược pha xen kẽ sử dụng hai loại sóng mang biến thiên ở ngay mức điện áp và pha ban đầu Hai loại sóng mang này sau đó được nhân lên để phủ kín toàn dải điện áp

Hình 2.8.Sóng mang bố trí ngược pha xen kẽ

Trang 34

27

2.3.2.Kỹ thuật Sub-Harmonic PWM

2.3.2.1.Dạng răng cưa (Sawtooth)

Trong kỹ thuật này cần 2N sóng mang mỗi pha, hoặc dạng sóng răng cưa hoặc dạng sóng tam giác với độ dịch pha là được biểu diễn trong hình 2.9 và 2.10 Giả sử cùng số lượng đóng cắt giữa hai kỹ thuật PD PWM và Subharmonic thì đầu ra của PD PWM có độ méo tổng tốt hơn

Hình 2.9.Sóng mang hình răng cưa

Hình 2.10.Sóng mang hình tam giác 2.3.2.2.Dạng dịch pha sóng mang (Phase-shifted carrier- PSC PWM)

Phương pháp biến điệu dịch pha nhiều sóng mang được phát triển từ phương pháp biến điệu độ rộng xung đơn cực Trong đó, quan hệ giữa số lượng sóng mang và

số mức điện áp là: n m 1 với n là số lượng sóng mang, m là số mức điện áp

Trang 35

28

Các sóng mang phải có cùng tần số cũng như khoảng cách giữa hai đỉnh liên tiếp phải bằng nhau Góc lệch pha giữa hai sóng mang được cho bởi công thức theo tài liệu [16]:

360 1

f m f

 (2.3)

*

m a cr

V m V

bị phải bằng với tần số sóng mang : fsw  f cr Do vậy, điện áp pha có dạng sóng m mức và điện áp dây có dạng sóng (2m-1) mức

Hình 2.11.Phương pháp dịch pha sóng mang

Trang 36

29

Tóm tắt:

- Bộ biến đổi kiểu MMC có khả năng tạo điện áp đầu ra gần với hình sin lý tưởng phía xoay chiều và một điện áp một chiều tương đối mịn, vì vậy có rất ít yêu cầu về bộ lọc sóng hài

- Có khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng

- Thiết kế mô đun giúp MMC có tính linh hoạt cao trong việc thiết kế trạm biến đổi

Do vậy, bộ biến đổi MMC được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải HVDC Plus Tiếp sau đây là chương 3 tìm hiểu về hệ thống HVDC Plus sử dụng cấu trúc MMC kiểu Back-to-Back đã được hãng Siemens phát triển

Trang 37

30

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MODULE MMC TRONG HỆ

THỐNG HVDC PLUS CỦA HÃNG SIEMENS

Việc quyết định lắp đặt truyền tải HVDC hay HVAC phụ thuộc vào yếu tố vốn đầu tư

và sự thất thoát Truyền tài DC với hai dây dẫn có thể cho phép tải cùng lượng năng lượng so với truyền tải AC ba dây dẫn với cùng kích thước và các điều kiện tương đương.Điều này dẫn đến giảm dây dẫn và chi phí lắp đặt Hơn nữa, chi phí đầu tư được giảm do không cần các thiết bị bù vì truyền tải một chiều không tiêu thụ công suất phản kháng Tổn thất điện năng được giảm 30% do tổn thất dây dẫn Hệ thống truyền tải DC có khả năng kinh tế hơn so với AC cho đường dây trên không, nó có thể thay đổi từ 400 đến 700 km, trong khi hệ thống AC chỉ là 25 đến 50 km, tùy thuộc vào từng yêu cầu cụ thể

Công nghệ truyền tải HVDC dựa trên các thiết bị điện tử có công suất cao được sử dụng rộng rãi ngày nay trong hệ thống truyền tải với khoảng cách dài Việc thực hiện chuyển đổi AC sang DC và ngược lại có hai dạng:

- Bộ biến đổi nguồn dòng (Current-Source Converters - CSC)

- Bộ biến đổi nguồn áp (Voltage-Source Converters - VSC)

Bộ biến đổi nguồn dòng CSC truyền thống sử dụng van hồ quang thủy ngân được sử dụng từ những năm 1950, cho đến khi được thay thế bằng Thyristor vào những năm

1970 Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị tự chuyển mạch và các bộ vi điều khiển, việc thay thế CSC bằng VSC trờ thành khả thi về mặt kinh tế, kết quả là các dự

án VSC- HVDC được thực hiện vào đầu năm 1997 Cả hai công nghệ có nguyên lý hoạt động khác nhau cũng như ưu và nhược điểm, việc quyết định chọn bộ biến đổi kiểu nào phụ thuộc vào từng yêu cầu dự án cụ thể

Trong rất nhiều trường hợp, những khu vực có nhu cầu năng lượng không gần kề với nơi phát điện Kết nối qua các thành phố, tới các giàn khoan, truyền tải điện qua cáp ngầm ngoài biển là những ví dụ nổi bật cho việc sử dụng HVDC Plus, cái mà cung cấp khả năng truyền tải điện tin cậy và với khoảng cách xa Hệ thống HVDC Plus đầu tiên

Trang 38

Chương 3: Ứng dụng module MMC trong hệ thống HVDC PLUS của hãng SIEMENS

31

trên thế giới đó là Trans Bay, được đưa ra bởi Siemens và đã truyền tải công suất lên tới 400MW, điện áp một chiều 200kV, công suất phản kháng 170MVar sử dụng bộ biến đổi MMC với kiểu cấu trúc Back-to-Back từ Pittsburg ở vịnh phía tây tới đồi Potrero của thành phố San Francisco, Mỹ vào năm 2010 với khoảng cách 85km Dựa vào tài liệu [13]

Hình 3.1.Bản đồ đường cáp dự án Trans Bay

Trang 39

32

Hình 3.2.Trạm chuyển đổi của Siemens

3.1.Phân tích hệ thống HVDC PLUS sử dụng cấu trúc MMC

3.1.1.Ưu điểm của HVDC Plus

Trong nhiều năm áp dụng thành công và rộng lớn hệ thống truyền tài trung áp, VSC sử dụng IGBT hiện đại đã trở nên quan trọng trong truyền tải và phân phối điện như HVDC, FACT (Flexible AC Transmission Systems).HVDC và FACT với LCC sử dụng các thành phần công suất và các thiết bị thông thường mà có thể kết hợp trong các cấu hình khác nhau để chuyển đổi hoặc kiểm soát công suất phản kháng

Trang 40

Chương 3: Ứng dụng module MMC trong hệ thống HVDC PLUS của hãng SIEMENS

33

Ta có thể so sánh giữa công nghệ HVDC Classic và HVDC Plus

Bảng 3.1.Cấu trúc của HVDC Classic và HVDC Plus

Bộ biến đổi nguồn dòng mạch tuyến

Line-Commucated Current-Sourced Converter

(LCC-CSC)

Bộ biến đổi nguồn áp tự chuyển mạch Self-Commucated Voltage-Sourced Converter (SCC-VSC)

Sử dụng Thyristor chỉ có khả năng điểu

khiển đóng

Sử dụng IGBT có khả năng điều khiển

đóng và cắt Lợi ích của công nghệ VSC đó là:

-Sự trao đổi cả hai dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng được kiểm soát một cách độc lập

- Khả năng phản ứng tốt, linh hoạt theo với yêu cầu của lưới điện

- Hoạt động tin cậy ngay trong cả hệ thống cũ hay thụ động

- Khả năng bố trí trạm linh hoạt và nhỏ gọn

3.1.2.Cấu tạo HVDC Plus của Siemens

Hệ thống HVDC Plus được Siemens đưa vào thương mại hóa vào năm 2010 với công suất truyền tải 400MW, điện áp ±200 kV tham khảo tài liệu [3], [4].Sử dụng công nghệ bộ biến đối đa mức nguồn áp gọi là MMC.Cùng thời điểm đó, ABB đã phát triển sản phẩm HVDC Light của họ có cấu trúc gần giống.MMC được xây dựng trên nhiều số lượng SM giống nhau nhưng điều khiển là riêng lẻ, tách rời.Bộ biến đổi hoạt động như một bộ điều khiển nguồn áp với số lượng lớn các bước điện áp rời rạc.HCDC Plus sử dụng cấu hình lưỡng cực.Mỗi cực có thể hoạt động song song hoặc độc lập với nhau (khi gặp sự cố hoặc trong khi bảo dưỡng) Cấu trúc HVDC PLUS được biểu diễn trên hình 3.3

Định dạng
Số trang	85
Dung lượng	2,21 MB