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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỒNG SƠN NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI KIỂU BACK-TOBACK CẤU TRÚC MODULE Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM VIỆT PHƢƠNG HÀ NỘI - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu đặc tính động biến đổi kiểu Back-to-Back cấu trúc module” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Phạm Việt Phƣơng Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015 Học viên thực Nguyễn Hồng Sơn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC NGUỒN ÁP 1.1.Bộ biến đổi hai mức 1.2.Bộ biến đổi mức 1.3.Bộ biến đổi đa mức 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 luận văn 17 CHƢƠNG 2: TÌM HIỂU CẤU TRÚC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ MODULE MMC 19 2.1 Tổng quát cấu trúc MMC .19 2.2.Nguyên lý hoạt động module thành phần (Dạng nửa cầu) 22 2.3.Các phương pháp điều chế MMC 24 2.3.1.Kỹ thuật PWM đặt sóng mang (Carrier-disposition - CD-PWM) 25 2.3.2.Kỹ thuật Sub-Harmonic PWM 27 CHƢƠNG 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 HVDC Plus 32 3.1.2.Cấu tạo HVDC Plus Siemens 33 3.2.Tính toán thông số hệ thống 36 3.2.1.Tính toán sơ máy biến áp phía trước chỉnh lưu 37 3.2.2.Tính toán sơ máy biến áp phía sau nghịch lưu 38 CHƢƠNG 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 điều khiển vòng 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 phản kháng 48 4.2.3.Bộ điều khiển điện áp chiều 49 4.3.Phương pháp điều khiển vòng MMC 50 4.2.1.Các phương pháp điều khiển 51 4.2.2.Phân tích tính ổn định SM 54 CHƢƠNG 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 5.2.Tính toán thông số mạch vòng điều khiển .61 5.2.1.Thông số mạch điều khiển vòng 61 5.2.2.Thông số mạch điều khiển vòng 61 5.3.Kết mô 62 5.3.1.Kết MMC hoạt động trạng thái định mức 62 5.3.2.Mạch điều chỉnh cân vòng 66 5.3.3.Mạch điều chỉnh công suất .70 5.3.4.Bộ điều khiển điện áp chiều 72 KẾT LUẬN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 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 chiều điện áp cao SM Sub-module Các module biến đổi thành phần PWM Pulse-Width Modulation Luật điều chế độ rộng xung PD-PWM Phase Disposition Luật sóng mang pha POD-PWM Phase Opposition Disposition Luật sóng mang ngược pha APOD-PWM Alternate Phase Opposition Luật sóng mang kết hợp Disposition PS-PWM Phase Shifted - Pulse Witdth Điều chế độ rộng xung dịch pha Modulation LS-PWM CCC sóng mang Level Shifted - Pulse Witdth Điều chế độ rộng xung dịch mức Modulation sóng mang 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 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1.Trạng thái làm việc SM 23 Bảng 3.1.Cấu trúc HVDC Classic HVDC Plus 33 Bảng 5.1.Thông số biến đổi MMC 59 Bảng 5.2.Các hệ số K điều khiển 61 Bảng 5.3.Các số thời gian 61 Bảng 5.4.Thông số mạch điều khiển vòng 61 Lời nói đầu DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1.Sơ đồ pha biến đổi (a) Hai mức, (b) Ba mức, (c) n mức Hình 1.2.Một pha biến đổi mức dạng điện áp xoay chiều Hình 1.3.Cấu hình mở rộng biến đổi mức Hình 1.4.Sơ đồ pha biến đổi mức dạng điện áp xoay chiều Hình 1.5.Một pha biến đổi đa mức dạng điện áp xoay chiều sử dụng IGBT Hình 1.6.Các cấu trúc biến đổi đa mức Hình 1.7.Bộ biến đổi ba pha mức sử dụng Diode kẹp 11 Hình 1.8.Dạng sóng điện áp đầu biến đổi ba pha mức sử dụng Diode kẹp 12 Hình 1.9.Bộ biến đổi ba pha mức sử dụng tụ điện 13 Hình 1.10.Dạng sóng điện áp đầu biến đổi mức dùng tụ điện 13 Hình 1.11.Cấu trúc biến đổi ghép tầng 15 Hình 1.12.Dạng điện áp đầu 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 SM 21 Hình 2.3.Cấu trúc Half-brigde Cell 22 Hình 2.4 Dòng điện chảy SM theo trạng thái đóng cắt van 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 Hình 2.9.Sóng mang hình 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 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 HVDC Plus 35 Hình 4.1.Tổng quan hệ thống VSC-HVDC 39 Hình 4.2.Cấu trúc chi tiết mạch vòng điều khiển HVDC Plus 40 Hình 4.3.Mạch điện tương đương pha biến đổi MMC 41 Hình 4.4.Sơ đồ khối hệ thống đồng pha truyền thống 1PLL 44 Hình 4.5.Sơ đồ khối hệ thống đồng bộpha truyền thống 3PLL 44 Hình 4.6.Đồng 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 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 biểu thức (4.42), (4.43) góc 56 Hình 5.1.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) 62 Hình 5.2.Dạng điện áp nhánh (VU) nhánh (VL) chưa lọc 63 Hình 5.3.Dạng điện áp nhánh (VU) nhánh (VL) sau qua lọc 63 Hinh 5.4.Dạng điện áp tụ VC1 VC5 64 Hình 5.5 Dạng điện áp trung bình tụ nhánh (VCAUAV) (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 SM1 (Va1*) 66 Hình 5.10 Dạng điện áp tụ VC1 VC5 Vcref = 70 kV 67 Hình 5.11.Đồ thị dạng sóng điều chế 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 5.15.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) 69 Hình 5.16.Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P 70 Hình 5.17.Đồ đáp ứng công suất phản kháng Q 71 Hình 5.18.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) 71 Hình 5.19.Đồ dòng điện tuần hoàn (iZ) 72 Hình 5.20.Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P 73 Hình 5.21.Đồ đáp ứng công suất phản kháng Q 73 Hình 5.22.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) 74 Hình 5.23.Đồ dòng điện tuần hoàn (iZ) 74 Hình 5.24.Dạng điện áp tụ VC1và VC5 75 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Nhận xét: - Dạng điện áp nhánh nhánh có dạng sin để tổng hợp tạo điện áp dây điện áp pha kết mô phía trước - Khi qua lọc, điện áp tụ mềm mại hơn, sóng hài thấp so với chưa qua lọc Hinh 5.4.Dạng điện áp tụ VC1 VC5 Hình 5.5 Dạng điện áp trung bình tụ nhánh (VCAUAV) (VCALAV) 64 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Nhận xét: - Điện áp trung bình tụ nhánh điện áp tụ có đường phóng nạp theo lý thuyết Hình 5.6.Dạng điện áp dòng điện tuần hoàn (iZ) Nhận xét: - Dòng tuần hoàn có biên độ giống với tính toán lý thuyết Hình 5.7.Đồ thị công suất tác dụng (P) 65 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Hình 5.8.Đồ thị công suất phản kháng (Q) Nhận xét: - Công suất tác dụng công suất phản kháng bám theo giá trị đặt Hình 5.9.Đồ thị dạng sóng điều chế SM1 (Va1*) 5.3.2.Mạch điều chỉnh cân vòng Mạch có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp tụ bám theo giá trị đặt cho trước Hình 5.10 biểu diễn đáp ứng điện áp tụ SM giá trị đặt thay đổi từ 50 kV lên 70 kV 66 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Hình 5.10 Dạng điện áp tụ VC1 VC5 Vcref = 70 kV Hình 5.11.Đồ thị dạng sóng điều chế SM1 (Va1*)Vcref = 70 kV Nhận xét: - Dạng điện áp tụ dạng sóng điều chế thay đổi giá trị đặt thay đổi Sau thời gian định, trờ vị trí cân bằng, bám theo giá trị đặt 67 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Hình 5.12.Dòng điện sai lệch (iZ) Hình 5.13.Công suất phản kháng Q 68 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Hình 5.14.Công suất tác dụng P Nhận xét: - Tương tự tín hiệu khác, giá trị đặt thay đổi, công suất tác dụng, phản kháng dòng điện iZ thay đổi tức khắc, sau quay vị trí ổn định Hình 5.15.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) 69 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Nhận xét: - Khi có điều khiển cân bằng, ta thấy điện áp tụ bám sát giá trị đặt, nhiên đến 10 chu kỳ Điện áp tụ thay đổi từ 50 kV lên 80 kV theo giá trị đặt - Điện áp pha dây thay đổi nhiều - Công suất bám theo giá trị đặt trước - Tuy nhiên dòng điện sai lệch nhánh nhánh giảm 5.3.3.Mạch điều chỉnh công suất Đáp ứng công suất tác dụng, công suất phản kháng giữ nguyên 30 MVAr giá trị đặt tăng từ 100 MW lên 180 MW hình 5.18 Hình 5.16.Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P 70 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Hình 5.17.Đồ đáp ứng công suất phản kháng Q Nhận xét: - Khi giá trị công suất tác dụng đặt thay đổi, công suất phản kháng giữ nguyên, nhìn vào kết mô ta thấy đáp ứng mạch điều chỉnh công suất Hình 5.18.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) 71 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Hình 5.19.Đồ dòng điện vòng (iZ) Nhận xét: - Ta thấy tăng công suất, điện áp tải tăng theo, điện áp điều chế tăng suy tăng hệ số điều chế làm tăng giá trị điện áp pha điện áp dây Tuy nhiên công suất thực tới chu kỳ bám theo giá trị đặt - Điện áp tụ không bị ảnh hưởng nhiều giữ trạng thái cân 5.3.4.Bộ điều khiển điện áp chiều Làm việc với trường hợp suy giảm điện áp DC-LINK từ 200kV xuống 180 kV Đáp ứng điện áp pha điện áp dây 72 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Hình 5.20.Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P Hình 5.21.Đồ đáp ứng công suất phản kháng Q Nhận xét: - Khi thay đổi điện áp chiều từ 200kV xuống 180kV công suất tác dụng công suất phản kháng đáp ứng Cho thấy điều khiển điện áp chiều tính toán 73 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Hình 5.22.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) Hình 5.23.Đồ dòng điện tuần hoàn (iZ) 74 Chương 5: Mô hệ thống HVDC PLUS sử dụng phần mềm PSCAD Hình 5.24.Dạng điện áp tụ VC1và VC5 Nhận xét: - Do suy giảm điện áp DC Ta thấy dạng điện áp tụ SM1 bị suy giảm theo - Ta thấy điện áp điều chế bị cân bằng, so với trước suy giảm điện áp DC - Điện áp đầu biến đổi cân với nhau, nhiên chất lượng hình sin bị méo chút - Công suất phát giữ giá trị đặt - Dòng điện sai lệch bị tăng lên 75 Kết luận KẾT LUẬN Bằng việc nghiên cứu tìm hiểu đề tài “Nghiên cứu đặc tính động biến đổi kiểu Back-to-Back cấu trúc module”đã giúp nắm rõ cấu trúc MMC hệ thống HVDC mà Siemens sử dụng Qua thấy phát triển mạnh mẽ công nghiệp van bán dẫn bước tiến lớn việc điều khiển hệ thống HVDC sử dụng cấu hình MMC này, điều khiển dòng điện, điện áp chiều điều khiển công suất Các đáp ứng kiểm chứng lại cách xác thông qua mô phỏng.Xuyên suốt toàn luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết, sau thực mô phần mềm để đánh giá kết Hướng để tài thực tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm để khẳng định kết có luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn giảng dạy tận tình thầy giáo TS.Phạm Việt Phƣơng thầy cô giáo môn Tự động hóa CN giúp hoàn thành luận văn Do thời gian eo hẹp lực thân hạn chếnên luận nghiên cứu trình nghịch lưu MMC, chưa thể trình trao đổi công suất hai MMC hệ thống HVDC-PLUS Siemens Các chế độ làm việc trạng thái cân hay cố chưa thể đầy đủ luận văn Tôi mong ý kiến đóng góp thầy cô để luận văn hoàn thiện Một lần xin cám ơn TS.Phạm Việt Phƣơng giúp đỡ tận tình cho suốt trình thực luận văn Học viên thực 76 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Quốc Hải, “Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất”, Nhà xuất Khoa học – Kỹ thuật, 2009 [2] Trần Trọng Minh, “Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất”, Bộ môn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Công Nghiệp, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2012 [3] M Davies, M Dommaschk, J Dorn, J Lang, D Retzmann, D Soerangr, HVDC PLUS – Basics and Principle of Operation, Siemens Energy Sector, 2008 [4]Siemens, High voltage direct current transmission, Proven Technology for Power Exchange [5] Artjoms Timofejevs, Daniel Gamboa, Control of MMC in HVDC Applications, Aalborg University, Denmark, 2013 [6] Elisabeth Nøkleby Abildgaard, Exploring the Properties of a Modular Multilevel Converter Based HVDC Link, Department of Electric Power Engineering, Norwegian University of Science and Technology, 2012 [7] Michail Vasiladiotis, Analysis, Implementation and Experimental Evaluation of Control Systems for a Modular Multilevel Converter, Royal Institute of Technology, Department of Electrical Engineering, Electrical Machines and Power Electronics, Stockholm, Sweden 2009 [8] Hagiwara, M.; Maeda, R.; Akagi, H., "Control and Analysis of the Modular Multilevel Cascade Converter Based on Double-Star Chopper-Cells (MMCCDSCC)", Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.26, no.6, pp.1649,1658 [9] Marcin Zygmanowski, Bogusław Grzesik, Radosław Nalepa, Capacitance and Inductance Selection of the Modular Multilevel Converter, Silesian University Of Technology Faculty of Electrical Engineering, Dept of Power Electronics, Electrical Drives and Robotics ul B Krzywoustego, Gliwice, Poland, 2007 77 Tài liệu tham khảo [10] M Karimi-Ghartemani, “A Novel Three-Phase Magnitude-Phase-Locked Loop System”, IEEE Transactions On Circuits And Systems – I, Regular Papers, Vol.53, No.8,August2006 [11] José Rodríguez, Jih-Sheng Lai and Fang Zheng Peng “Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL 49, NO 4, AUGUST 2002 [12] Ville Naumanen “Multilevel converter modulation: Implement and analysis”, Lappeenrannan teknillinen yliopisto, Digipaino 2010 [13] Siemens, The Smart Way, Answers for energy [14] Jih-Sheng Lai “Multilevel Converters-A New Breed of Power Converters” IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL.32, NO.3, MAY/JUNE 1996 [15] Kenneth Moore “HIGH-POWER CONVERTERS AND AC DRIVES” IEEE Press 445 Hoes Lane Piscataway, NJ 08854 [16] Suman Debnath, Jiangchao Qin, Behrooz Bahrani, Maryam Saeedifard, Peter Barbosa“Operation, Control, and Applications of the Modular Multilevel Converter: A Review” IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL 30, NO 1, JANUARY 2015 [17] Marcin Zygmanowski, Bogusław Grzesik, Radosław Nalepa “Capacitance and Inductance Selection of the Modular Multilevel Converter” Faculty of Electrical Engineering, Dept of Power Electronics, Electrical Drives and Robotics ul B Krzywoustego Gliwice, Poland 78 ... gọi biến đổi nối tầng H-bridge Chương 1: Tổng quan biến đổi đa mức nguồn áp a .Bộ biến đổi SCHB 2M+1 mức b .Bộ biến đổi NPC mức mức c Bộ biến đổi mức mức dạng tụ bay Hình 1.6.Các cấu trúc biến đổi. .. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC NGUỒN ÁP 1.1 .Bộ biến đổi hai mức 1.2 .Bộ biến đổi mức 1.3 .Bộ biến đổi đa mức 1.3.1 .Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Neutral-Point... Để tìm hiểu kĩ cấu trúc nguyên lý phương pháp hoạt động, điều chế ta vào chương 1.5.Mục tiêu luận văn Mục tiêu luận văn nghiên cứu đặc tính động biến đổi kiểu Back-toBack cấu trúc module - Hiểu