Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa tt

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Bộ biến đổi (BBĐ) đa mức coi giải pháp hiệu cho ứng dụng công suất lớn điện áp cao BBĐ mơ đun hóa MMC với nguồn DC chung chuyển đổi điện với điện áp lớn công suất cao BBĐ có ưu điểm lớn tính mơ-đun hóa cao, khóa bán dẫn phải đóng cắt điện áp thấp, giảm tổn hao chuyển mạch, độ tin cậy cao, linh hoạt sửa chữa thay thiết bị Với cấu trúc mơ đun hóa, MMC tạo số mức lớn Chiến lược điều khiển cho MMC bao gồm: trình điều chế, cân điện áp tụ DC, đặc thù MMC vấn đề suy giảm sóng hài bậc cao dòng điện vòng Các kỹ thuật điều chế chia làm hai loại: điều chế tần số điều chế độ rộng xung PWM Đối với điều chế tần số bao gồm phương pháp điều chế theo mức gần (NLM) mở rộng NLM cải tiến Phương pháp điều chế SVM có ưu điểm khả linh hoạt nhiều so với PWM dựa sóng mang SVM có khả tạo quỹ đạo vector mong muốn có dạng nhờ lựa chọn vector trạng thái thời gian phù hợp chu kỳ điều chế Vấn đề cân điện áp cho tụ chiều DC MMC bao gồm cân điện áp tụ nhánh pha cân điện áp pha với Có nhiều phương pháp thực cân điện áp tụ này, tùy thuộc vào phương pháp điều chế lựa chọn Trên sở SVM cho MMC đưa cân điện áp thực thuật toán dự báo tập hữu hạn trạng thái dư vector trạng thái, cho giá trị trung bình điện áp tụ với giá trị đặt, đảm bảo cân điện áp tụ nhánh pha với So với BBĐ đa mức khác mạch MMC có tồn dịng điện vịng, dịng điện vịng MMC đóng vai trị dịng DC định cân cơng suất phía DC với phía AC Vì suy giảm thành phần sóng hài dịng điện vịng nhiệm vụ quan trọng hệ thống điều khiển Luận án tập trung nghiên cứu BBĐ đa mức có cấu trúc MMC Đối tượng nghiên cứu: BBĐ đa mức cấu trúc MMC, phương pháp điều chế SVM, PWM, NLM, phương pháp điều khiển MPC áp dụng cho MMC để cân điện áp tụ điện suy giảm thành phần sóng hài dựa việc triệt tiêu giá trị dòng điện vòng, đề tài nghiên cứu số ứng dụng tiêu biểu hệ thống điện dựa cấu trúc BBĐ MMC Thực nghiệm phương pháp điều chế cho MMC nhúng đối tượng xử lý tín hiệu số FPGA AX309 Xlinx Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết phương pháp điều khiển, điều chế thuật toán chuyển mạch đảm bảo yêu cầu đặt cho BBĐ Nghiên cứu mơ máy tính kiểm chứng hoạt động mơ hình, nghiên cứu thực nghiệm để chứng minh hoạt động thực tế thuật toán điều khiển cho MMC Mục tiêu đề tài: Xây dựng thuật tốn điều chế cho MMC có khả mở rộng để tạo số mức bất kỳ, thiết kế thuật tốn điều khiển dịng điện vịng, điều khiển cân điện áp tụ điện, điều khiển BBĐ MMC ứng dụng, xây dựng mơ hình thực nghiệm BBĐ MMC ba pha có 12 SM pha nhằm chứng minh khả chế tạo BBĐ hệ thống biến đổi nguồn điện Vấn đề phạm vi nghiên cứu: Về lý thuyết: Xây dựng mơ hình tốn học cho BBĐ MMC, phân tích đánh giá khả ứng dụng phương pháp điều điều chế NLM, SVM, PWM, phương pháp điều khiển MPC, thuật toán cân điện áp tụ điện kết hợp với phương pháp điều khiển PI khâu cộng hưởng PR Thiết kế mạch vòng dòng điện, mạch vịng điện áp, mạch vịng cơng suất để đảm bảo hoạt động MMC ứng dụng tiềm Về thực tế: Đề tài xây dựng mẫu thí nghiệm BBĐ MMC để kiểm chứng thuật tốn điều chế tạo điện áp có dạng bậc thang phía xoay chiều, nhằm mục đích chứng minh tính đắn phương pháp đề xuất so với nghiên cứu lý thuyết Những đóng góp luận án: Xây dựng thuật toán điều chế PWM, NLM, SVM với quy luật tạo số mức không hạn chế đảm bảo tối ưu thành phần sóng hài cho BBĐ MMC cần mở rộng cấu hình Trong đó, luận án xây dựng thuật toán chuyển mạch tối ưu cho MMC có số mức nhằm đơn giản hóa thuật tốn điều chế SVM MMC có số mức lớn Xây dựng mơ hình dự báo điều khiển cân điện áp trung bình nhánh van MMC dựa mức trạng thái điện áp dư phương pháp điều chế SVM Thiết kế điều khiển suy giảm triệt tiêu thành phần sóng hài tồn dòng điện vòng điều khiển tuyến tính PI kết hợp với khâu cộng hưởng PR Ngoài ra, luận án thiết kế điều khiển số ứng dụng tiêu biểu dựa MMC để chứng minh hoạt động thực tế Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống BBĐ MMC có 12 SM pha phịng thí nghiệm, với thuật toán cài đặt FPGA AX309 Xilinx 80 chân I/O để chứng minh trình làm việc MMC với phương pháp điều chế NLM, PWM, SVM đề xuất Bố cục luận án gồm chương sau: Chương Tổng quan BBĐ đa mức MMC Chương Thực mơ hình hóa BBĐ MMC Chương Các phương pháp điều chế cho BBĐ MMC Chương Hệ thống điều khiển ứng dụng cho BBĐ MMC Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC MMC BBĐ đa mức có đặc tính ưu việt tính module hóa, cấu hình mở rộng tạo số lượng lớn mức điện áp với cơng suất khác nhau, chuyển đổi với hiệu suất cao tổn hao thấp mà khơng cần lọc phía xoay chiều, điều có cấu hình MMC mắc nối tiếp hàng loạt Sub-module pha Nhờ có nhiều ưu điểm vượt trội cần nguồn DC phía chiều nên MMC phù hợp để áp dụng cho dải công suất lớn, điện áp cao BBĐ MMC khắc phục nhược điểm BBĐ đa mức CHB, NPC như: cấu hình đơn giản, dễ dàng mở rộng theo yêu cầu trị số điện áp AC, điều khiển dễ dàng, linh hoạt thay sửa chữa 1.1 Cấu trúc hoạt động biến đổi MMC Tính mở rộng dần cấu trúc việc thêm SM MMC cho phép tăng khả chịu điện áp SM sử dụng tối đa mức điện áp để đảm bảo chất lượng điện áp đầu trị số THD mà không cần dùng đến lọc iDC SM + VHa _ VDC/2 SM1 SM1 SM1 SM2 SM2 SM2 SMN SMN SMN S2 Ro Lo Ro Lo iHa vb iLa iHc iLb vc Ro Ro Ro Lo Lo Lo + SMN+1 SMN+1 SMN+1 vLa SMN+2 SMN+2 SMN+2 SM2N SM2N SM2N _ VC Ro Lo iHb va VDC/2 S1 ia ib ic iLc Hình 1.1 Cấu trúc biến đổi MMC So với BBĐ đa mức CHB, NPC BBĐ MMC có ưu điểm nhược điểm sau: * Ưu điểm: Có thể áp dụng cho hệ thống cơng suất lớn, điện áp cao; chi phí giá thành thấp so với BBĐ cấp điện áp; Đối với ứng dụng nối lưới BBĐ MMC có khả bù cơng suất phản kháng, loại bỏ sóng hài, đồng thời cân tải * Nhược điểm: Tồn dịng điện vịng móc vịng từ nhánh qua nhánh pha, nguyên nhân gây tổn thất điện làm tăng giới hạn chịu đựng linh kiện bán dẫn; Điều khiển phức tạp số mức điện áp tăng số lượng SM lớn 1.2 Vấn đề điều chế cho biến đổi MMC Các phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức chia thành hai nhóm lớn thuật toán dựa điều chế SVM thuật toán dựa mức điện áp gồm: Phương pháp PWM; Phương pháp NLM Khi đánh giá tổn thất, phương pháp điều chế có tần số thấp sử dụng nhiều ứng dụng cơng suất cao có khả giảm tổn thất đóng cắt chất lượng điện áp đầu thỏa mãn yêu cầu, đạt hiệu cao so với phương pháp có tần số cao Hình 1.2 Tổng quan phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức 1.3 Vấn đề điều khiển cho biến đổi MMC Nhiệm vụ việc điều khiển vận hành đắn BBĐ MMC gồm: kiểm sốt giá trị đầu (dịng điện, điện áp) đại lượng bên (điện áp tụ điện SM dòng điện vòng) đạt yêu cầu mong muốn Vấn đề đặt phải kiểm sốt giá trị dịng điện vịng mức thấp điều khiển giá trị điện áp tụ điện bật SM ln vị trí cân tất chu kỳ hoạt động nhằm đảm bảo trình hoạt động tốt MMC ổn định lâu dài 1.3.1 Vấn đề điều khiển cân điện áp tụ điện MMC Cân điện áp MMC bao gồm: Cân điện áp pha, cân điện áp nhánh van pha cân điện áp tụ điện pha Cân điện áp tụ SM MMC vấn đề quan trọng điều khiển hoạt động MMC, liên quan đến hoạt động an tồn tồn hệ thống, có tác động đáng kể đến dạng sóng điện áp đầu sinh dịng điện vịng có trị số lớn khơng mong muốn Có nhiều phương pháp cân điện áp tụ điện MMC nghiên cứu tài liệu Tuy nhiên thuật toán cân phổ biến thuật toán thực cách xếp điện áp tụ điện theo giá trị tăng dần giảm dần phụ thuộc vào chiều dòng điện để chọn SM bật tắt chu kỳ hoạt động MMC Luận án đề xuất phương pháp cân điện áp tụ điện dựa phương pháp điều chế SVM cho MMC, trình cân cân điện áp tụ điện thực thuật toán dự báo tập hữu hạn trạng thái dư vector trạng thái, cho giá trị trung bình điện áp tụ nhánh với giá trị đặt, đảm bảo cân điện áp tụ nhánh pha với Trong điều chế SVM cho BBĐ đa mức, cấp điện áp tồn số trạng thái dư, phương pháp đề xuất tận dụng trạng thái dư để xây dựng thuật toán dự báo chu kỳ điều chế Đây ưu điểm lớn phương pháp điều khiển dự báo điều khiển MPC Đây đóng góp góp phần giảm thiểu tính tốn phức tạp trình điều khiển cân điện áp tụ điện 1.3.2 Vấn đề điều khiển dòng điện vòng Dòng điện vòng sinh ba pha BBĐ phóng nạp điện áp tụ điện SM q trình hoạt động Dịng vịng chạy qua sáu nhánh van, dòng điện vòng khơng làm ảnh hưởng lớn đến điện áp dịng điện phía AC ngun nhân gây nên méo dạng dòng điện nhánh Mặc dù biện pháp để suy giảm giá trị dòng điện vòng tăng độ tự cảm cuộn cảm Lo, cách khơng thể loại bỏ hồn tồn độ đập mạch dòng điện vòng Trong luận án này, tác giả đề xuất chiến lược điều khiển trực tiếp giảm thiểu dòng điện vòng cách cách sử dụng điều khiển tuyến tính PI, để đạt hiệu cao, phương páp kết hợp với cộng hưởng tỷ lệ (PR) để triệt tiêu thành phần sóng hài tồn dịng điện vịng độ nhấp nhô điện áp tụ điện chênh lệch điện áp nhánh pha MMC thông qua việc lọc trực tiếp sóng hài dịng điện vịng cách sử dụng lọc thơng thấp (LPF) với dòng điện vòng đo 1.5 Định hướng nghiên cứu đóng góp luận án Phát triển thuật toán điều chế PWM, NLM, đặc biệt thuật tốn điều chế SVM cho nghịch lưu MMC khơng hạn chế số mức; Giải vấn đề cân điện áp tụ DC việc tận dụng mức trạng thái dư phương pháp điều chế SVM dựa thuật toán dự báo chu kỳ điều chế; Giải vấn đề suy giảm thành phần sóng hài bậc cao dịng điện vịng mạch vòng điều chỉnh sử dụng điều khiển PI kết hợp với mắt cộng hưởng PR để loại bỏ sóng hài bậc cao tần số thấp Xây dựng mơ hình thực nghiệm phịng thí nghiệm BBĐ MMC pha hoạt động với 12SM pha CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI MMC 2.1 Mơ hình BBĐ MMC nối tải R-L IDC + vHx VDC/2 _ SM1 SM SM2 S1 SMN S2 Ro + _VC R Ro/2 L Lo/2 Lo N L iHx R ix iLx vx vex Ro Lo + SMN+1 VDC/2 ivx vLx SMN+2 _ SM2N Hình 2.1 Cấu trúc MMC pha Mơ tả mơ hình tốn học MMC (2.1)  Ro   Lo ivx    d    Nk Hx VCHx   dt     CSM V   CLx   Nk Hx   CSM  k Hx Lo   k Lx     Lo  ivx         k Hx N   VCHx  VDC   V    2CSM    CLx   k Lx N       2CSM   0 ix ix  Equation Chapter Section 1(2.1) Điện áp đầu có dạng: vex   k Lx  k Hx  VC  k MxVCe ; k Mx  k Lx  k Hx Mối quan hệ điện áp chiều VDC với đại lượng chiều (2.3) d  iLx  iHx  VDC  vLx  vHx  Lo  Ro  iLx  iHx  dt Công suất pha BBĐ xác định theo (2.4) IV IV Px  PHx  PLx  I DCVDC  x x cos    x x cos  2t    2 2.2 Mơ hình BBĐ MMC chế độ nối lưới (2.2) xoay (2.3) (2.4) IDC + VHa VDC/2 _ SM1 SM1 SM1 SM2 SM2 SM2 SMN SMN Ro Lo SMN Ro Lo iHa iHb va VDC/2 Ro Lo vb iLa iLb vc Ro Ro Ro Lo Lo Lo + SMN+1 SMN+1 SMN+1 vLa SMN+2 SMN+2 SMN+2 SM2N SM2N SM2N _ iHc ia ib ic iLc ua Lf Rf Lf Rf ub Lf Rf uc Hình 2.2 Sơ đồ tương đương BBĐ MMC nối lưới Mơ hình BBĐ MMC nối lưới thể hình Hình 2.2 Phương trình tốn học sơ đồ Hình 2.2 mơ tả (2.5) Ro Lo dia  vea  ua  ( R f  )ia  ( L f  ) dt  Ro Lo dib  veb  ub  ( R f  )ib  ( L f  ) 2 dt  Ro Lo dic  vec  uc  ( R f  )ic  ( L f  ) dt  (2.5) 2.3 Tóm tắt kết luận BBĐ đa mức MMC cấu trúc mới, có nhiều ưu điểm so với BBĐ đa mức khác cấp điện áp, có cấu trúc đặc biệt nên BBĐ MMC thường áp dụng cho hệ thống với cấp điện áp cao Khi sử dụng cấp điện áp cao, cấu hình BBĐ MMC trở nên phức tạp Việc mơ tả tính động học mơ hình hóa trở nên phức tạp Trong chương này, tác giả trình bày mơ hình tốn học BBĐ MMC chế độ hoạt động khác như: mơ hình chế độ nối tải RL, mơ hình chế độ kết nối lưới điện CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SVM CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC 3.1 Phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức V10 V11 (-1,1,-1) V12 V3 (1-,1,0) V13 V4 (-1,1,1) V14 (-1,0,-1) (0,1,0) V0 V5 (-1,-1,0) (0,0,1) V2 V6 (-1,-1,1) (1,1,0) (0,0,-1) (1,0,1) (0,-1,0) V8 (1,0,-1) V7 (0,-1,-1) (1,-1,-1) V18 (1,-1,0) V17 V16 V15 (1,1,-1) (1,1,1) (0,0,0) V1 (-1,-1,-1) (0,1,1) (-1,0,0) (-1,0,1) V9 (0,1,-1) (0,-1,1) (1,-1,1) Hình 3.1 Trạng thái vector điện áp BBĐ ba mức Hình 3.1 thấy hệ tọa độ abc vector V7 (1,-1,-1) có trạng thái ngược dấu với vector đối xứng qua gốc tọa độ, V13 (1,1,1), V8 (1,0,-1) ngược dấu với V14 (-1,0,1)… 3.1.1 Tính hệ số điều chế theo phương pháp điều chế từ ba vector gần h b p3(kg,kh+1) mh vrh p4(kg+1,kh+1) V2 V1 mg p1(kg,kh) p2(kg+1,kh) g vrg a Hình 3.2 Tổng hợp vector điện áp từ ba vector đỉnh tam giác Gọi mg, mh phần thập phân phần nguyên tọa độ vrg, vrh tương ứng: mg  vrg   vrg   vrg  k g    , Equation Chapter (Next) Section 1(3.1)  mh  vrh   vrh   vrh  k h Có thể thấy đường thẳng mg  mh  chia hình thoi hình làm hai tam giác, vector V1 thuộc miền mg  mh  vector V2 thuộc miền mg  mh  Vector V1 tổng hợp từ vector p1, p2, p3 sau: V1  p1  mg  p  p1   mh  p3  p1   1  mg  mh  p1  mg p  mh p3 (3.2) Vector V2 tổng hợp từ vector p2, p3, p4 sau: V2  p  1  mg   p3  p   1  mh  p2  p  (3.3)   mg  mh  1 p  1  mg  p3  1  mh  p 3.1.2 Xác định vị trí vectơ v sector lớn Thể mặt phẳng vector ba hệ tọa độ góc phần sáu (Z1x, Z1y), (Z2x, Z2y), (Z3x, Z3y), Hình 3.3, (Z1x, Z1y) sử 10 dụng hệ tọa độ gh, giúp phân biệt góc phần sáu I, II, …, IV Z2y Z1y Z3x Z2x II II III I Z1x IV II III I Z3y IV VI III I IV VI VI V V V Hình 3.3 Ba hệ tọa độ khơng vng góc tạo nên góc phần sáu Tọa độ [g,h] Đúng Sai Z1x.Z1y < Đúng Z1x > Sector I Đúng Sector III Sai Z2x > Sector II Sai Z1x > Sector IV Sai Z2x.Z2y < Đúng Đúng Sai Sector V Sector VI Hình 3.4 Thuật tốn xác định sector lớn 3.2 Trật tự tối ưu số lần chuyển mạch chất lượng sóng hài điện áp V10 V11 (-1,1,-1) V9 (1,1,-1) (0,1,-1) V12 V3 (1-,1,0) (-1,0,-1) (0,1,0) V2 (1,1,0) (0,0,-1) V13 V4 (-1,1,1) V14 (1,1,1) (0,0,0) V1 (-1,-1,-1) (0,1,1) (-1,0,0) V0 V5 (-1,-1,0) (0,0,1) (-1,0,1) V6 V16 V15 (-1,-1,1) V8 (1,0,-1) (1,0,1) (0,-1,0) V7 (0,-1,-1) (1,-1,-1) V18 (1,-1,0) V17 (0,-1,1) (1,-1,1) Hình 3.5 Trật tự chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu ba pha mức 11 3.3 Thực quy luật điều chế SVM cho MMC Pha C iHc Pha B iHb Pha A Vg Vg [Vgu] 0gh Vg Vh abc dul Xác Chọn dlu định [Vgl] tam phần giác d uu tọa độ [Vhu ] nguyên hệ số [kg, kh ] điều d ll theo [Vhl] chế (3.22) Xung SM1a SM2a điều khiển SM3a van pha SM4a A Xung điều khiển van pha B SM1c SM2c SM3c Vh iHa VDC/2 + SM1a _ VHa R ic NOT SM2b _ ro L ib Lo ia SM4b S1 SM1c Vh + NOT Xung SM2c điều khiển SM3c van pha SM4c C NOT SM3a NOT SM4a + + S2 VC V /2 _ DC VLa iLc _ iLb iLa Hình 3.6 Cấu trúc phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC 3.4 Mô phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC 6000 3000 2000 1000 0 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 3.7 Điện áp nhánh nhánh pha A MMC Dòng điện (A) 40 20 -20 -40 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 3.8 Dịng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải 4000 3000 2000 Điệnáp(V) Điện áp (V) 5000 4000 1000 -1000 -2000 -3000 -4000 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 3.9 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều 12 Điện áp tụ nhánh Điện áp tụ nhánh Điện áp (V) 1010 1005 1000 995 990 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 3.10 Điện áp tụ điện nhánh nhánh pha A Pha A D ò n g đ iệ n (A ) 30 Pha B Pha C 20 10 -10 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 3.11 Dịng điện vòng pha biến đổi MMC 3.5 Điều khiển dự báo cân điện áp trung bình tụ điện Mơ hình dự báo dịng điện vịng chu kỳ làm việc mô tả (3.4) ivj  t1   ivj  t0   VDC  vLj  t0   vHj  t0   t1 L Mơ hình dự báo điện áp tụ điện:   ivj  t0   ivj  t1  i j  t0    vC , Hj  t1   vC ,Hj  t0     t1 2 C     ivj  t0   ivj  t1  i j  t0      t1 vC , Lj  t1   vC , Lj  t0    2 C   (3.4) (3.5) Để cân điện áp tụ quanh giá trị cân VDC/N , hàm mục tiêu tối thiểu phương trình (3.6) 2 (3.6) JV    v jC , H  VC    v jC , L  VC  j  A, B ,C   13 Cập nhật: u1(k) = [d1 d2 d3 D1 D2 kg kh Secto] u2(k) = [iA iB iC] u3(k) = [ivA ivB ivC] u4(k) = [ve_H A ve_H B ve_HC ve_LA ve_LB ve_LC] u5(k) = [v_diffA v_diffA v_diffA] ksim = kSm in Đúng Sai ksim tH x t1 = tH x; kH x1 = kH x; kLx1 = kLx t2 = tLx – tHx; kH x1 = kHx+1; kLx1 = kLx t3 = Ts/2 – (t1+t2 ); kH x1 = kH x+1; kLx1 = kLx+1 Sai t1 = tH x; kHx1 = kH x; kLx1 = kLx t2 = tLx – tH x; kH x1 = kH x+1; kLx1 = kLx t3 = Ts/2 – (t1+t2); kH x1 = kH x+1; kLx1 = kLx+1 [ktHx, ktLx] = [kH x1, kLx1, t1, kH x2, kLx2, t2, kH x3 , kLx3, t3] k =1 k=4 k = k+1 Đúng k = k+1 Sai k =3? Sai k = 6? Đúng Sai Đúng Jvmin = Jv; kopt = ksim; kAB Cout = kAB C ksim = ksim+1 Hình 3.12 Thuật tốn điều khiển MPC xác định JVmin kOpt 14 3.6 Điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao dịng điện vịng MMC PR2 iHj + + 1/2 ivj iv,h_j PR1 _ + LPF ivj iLj + + + 1/VDC Vdiff_j PI kp+ki/s Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển dịng điện vịng pha MMC 3.7 Kết mơ MMC dựa thuật tốn điều khiển dự báo dịng điện vòng cân điện áp tụ điện cho MMC 100 Dòng điện (A) 50 -50 -100 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 3.14 Dịng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải 4000 3000 Điện áp (V) 2000 1000 -1000 -2000 -3000 -4000 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 3.15 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc 1020 Điện áp (V) 1000 980 960 940 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 3.16 Điện áp tụ điện nhánh nhánh pha A 15 Dòng điện (A) 40 30 20 10 -10 0.1 0.3 0.2 Thời gian (s) Hình 3.17 Dòng điện vòng ba pha BBĐ MMC 3.8 Tóm tắt kết luận Trong chương 3, tác giả đưa biện pháp kỹ thuật việc thực phương pháp điều chế BBĐ MMC Do phương pháp SVM có kỹ thuật thực tương đối phức tạp điều chế SVM cho kết điều chế tốt nhất, tác giả sử dụng mơ hình điều chế SVM cho MMC để phát triển cấu trúc điều khiển dòng điện vòng cân điện áp tụ điện CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC ỨNG DỤNG CỦA MMC 4.1 Điều khiển BBĐ MMC nối lưới điện xoay chiều ba pha S(k) IDC ia Laf Raf ib Lbf Rbf ic Lcf Rcf Lưới điện ua,b,c VDC ia,b,c MMC id abc/ dq PLL iq ud uq Tính cơng suất P,Q theo (4.8) Điều khiển cơng suất _ PI + P Pref Điều khiển dịng điện ud + + + PI _ _ _ + id L va dq/ abc Q Qref + _ iq vc Thực chiến lược điều chế SVM hình 3.45 L PI _ + + vb + PI + + uq + Hình 4.1 Sơ đồ mạch vịng điều khiển biến đổi MMC 16 Kết mô hệ thống biến đổi MMC nối lưới 150 Dòng điện (A) 100 50 -50 -100 -150 0.2 Thời gian (s) 0.1 0.4 0.3 Hình 4.2 Dịng điện ba pha phía xoay chiều cấp cho lưới điện X 105 0 0.1 0.2 Thời gian (s) 0.4 0.3 Hình 4.3 CSPK BBĐ MMC cung cấp cho lưới điện 1020 Đ iệ n áp (V ) 1000 980 960 940 920 0.1 0.2 Thời gian (s) 0.3 0.4 Hình 4.4 Điện áp tụ điện nhánh nhánh pha A 40 D òn g đ iệ n (A ) 30 20 10 -10 0.1 0.2 Thời gian (s) 0.3 0.4 Hình 4.5 Dịng điện vịng chạy pha A BBĐ 17 4.2 Ứng dụng DSTATCOM bù CSPK dựa BBĐ MMC iDC + VHa _ VDC/2 SM1 SM1 SM1 SM2 SM2 SM2 SMN SMN SMN V1a V1b V1c Ro Lo ILa Ro Lo V2a VDC/2 DSTATCOM iLa Ro Lo V2b V2c Ro Ro Ro Lo Lo Lo + SMN+1 SMN+1 SMN+1 vLa SMN+2 SMN+2 SMN+2 SM2N SM2N SM2N _ ia ib ic ILb ILc Nút hệ thống điện Hình 4.6 Cấu trúc hệ thống STATCOM 4.2.1 Nguyên lý làm việc DSTATCOM N út hệ thống điện IDC V1 IL V2 V1 VDC XL Máy biến áp MMC V2 Hình 4.7 Sơ đồ ngun lý DSTATCOM Cơng suất tác dụng CSPK thể (4.1) V V  V  P  0; Q  1 Equation Chapter (Next) Section 1(4.1) 1 XL 18 4.2.2 Thiết kế điều khiển DSTATCOM dựa MMC S(k) IDC Lưới điện ia Laf Raf ib Lbf Rbf ic Lcf Rcf VDC ia,b,c ua,b,c MMC Điều khiển điện áp _ PI + VDCref Điều khiển dòng điện ud + + + PI _ _ id L va dq/ abc id abc/ dq PLL iq ud uq Tính cơng suất Q theo (4.21) Q Qref + _ iq vc S(k) Thực chiến lược điều chế SVM hình L PI Điều khiển cơng suất vb _ + PI + + uq + Hình 4.8 Cấu trúc điều khiển DSTATCOM dựa BBĐ MMC 4.2.3 Mô hệ thống DSTATCOM dựa MMC 150 Dòng điện (A) 100 50 -50 -100 -150 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 4.9 Hình dạng dịng điện đầu DSTATCOM 3000 Điện áp (V) 2000 1000 -1000 -2000 -3000 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 4.10 Hình dạng điện áp đầu STATCOM 19 6010 Điệnáp (V) Giá trị VDC thực Giá trị VDC đặt 6000 5990 0.1 Thời gian (s) 0.2 0.3 Hình 4.11 Hình dạng điện áp nguồn chiều DC 4.3 Tóm tắt kết luận Chương trình bày số ứng dụng cho BBĐ MMC hệ thống điện cụ thể, BBĐ thực chương triển khai cho ứng dụng truyền công suất MMC kết nối lưới điện phần 4.1, ứng dụng MMC để bù công suất phản kháng cho nút hệ thống điện phần 4.2 Quá trình tính tốn, thiết kế thơng số điều khiển tác giả đưa để giải để đạt mục tiêu điều khiển theo yêu cầu đặt CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM BBĐ MMC 5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC iDC vHCxj VC1_x SM1x SMNx VC2_x iHx VDC/2 Xung SM1x Xung SMNx vHCxj Lox Lx Rx Driver ix ADC FPGA ADC Mạch vLCxj đo iHx lường iLx Lox iLx VCN+1_x VDC/2 SMN+1x vLCxj VC2N_x SM2Nx Xung SM N+1x Xung SM2Nx Hình 5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm pha BBĐ MMC 20 Hình 5.2 Mơ hình tổng thể hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC 5.2 Kết thực nghiệm điều chế PWM cho MMC Hình 5.3 Đđiện áp nhánh nhánh pha A Hình 5.4 Hình dạng điện áp tải xoay chiều pha A, B, C 21 Hình 5.5 Dịng điện tải xoay Hình 5.6 Hình dạng điện áp chiều pha tụ điện SM1 pha A, B, 5.3 Kết thực nghiệm điều chế NLM cho MMC Hình 5.7 Hình dạng điện áp nhánh Hình 5.8 Hình dạng điện áp trên nhánh pha A tải xoay chiều pha A, B, C Hình 5.9 Hình dạng dịng điện Hình 5.10 Hình dạng điện áp tụ điện SM1 pha tải xoay chiều pha 22 5.4 Kết thực nghiệm điều chế SVM cho MMC Hình 5.11 Hình dạng điện áp Hình 5.12 Điện áp xoay chiều nhánh nhánh pha A đầu pha A, B, C Hình 5.13 Hình dạng dịng điện Hình 5.14 Hình dạng điện áp tải xoay chiều pha A, B, C tụ điện SM1 pha 5.5 Tóm tắt kết luận Ở chương trình bày trình thiết kế, xây dựng hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC Kết đầu phía xoay chiều với phân tích lý thuyết mơ thực Các kết chứng minh MMC có khả hoạt động ổn định đáp ứng yêu cầu đặt BBĐ đa mức KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Về vấn đề điều chế: tác giả ưu nhược điểm phương pháp điều chế, nêu vấn đề tồn đưa giải pháp để thực điều chế đơn giản SM MMC tăng lên với số lượng lớn Trong luận án, tác giả thực quy 23 luật chuyển mạch tối ưu với MMC có số mức phương pháp điều chế SVM Về vấn đề điều khiển: điều khiển giảm thiểu loại bỏ thành phần sóng hài bậc cao tần số thấp tồn dòng điện vòng; thiết kế điều khiển cân điện áp trung bình tụ thuật tốn điều khiển dự báo để triệt tiêu sai lệch tĩnh hàm mục tiêu đảm bảo cho BBĐ hoạt động ổn định với dịng điện, điện áp AC hình sin Về ứng dụng MMC: Tác giả xây dựng hệ thống điều khiển cho số ứng dụng tiêu biểu MMC hoạt động cấp trung áp, hệ thống điều khiển chủ u tập trung việc điều chỉnh dịng cơng suất tác dụng, công suất phản kháng MMC kết nối với hệ thống điện xoay chiều Về xây dựng hệ thống thực nghiệm: tác giả xây dựng hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC ba pha có 12 SM pha để chứng minh hoạt động dựa phương pháp điều chế BBĐ có số mức lớn Các thuật tốn điều chế nhúng thiết bị vi xử lý FPGA AX309 Xilinx  Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo: Nghiên cứu điều khiển BBĐ MMC trường hợp nối lưới có nhiều chế độ làm việc khơng bình thường Nghiên cứu điều khiển MMC làm việc chế độ nghịch lưu Nghiên cứu ứng dụng MMC hệ thống HVDC Nghiên cứu ứng dụng MMC trường hợp kết nối nhiều nguồn lượng tái tạo Nghiên cứu MMC dựa chế độ nâng điện áp 24 ... kiện bán dẫn; Điều khiển phức tạp số mức điện áp tăng số lượng SM lớn 1.2 Vấn đề điều chế cho biến đổi MMC Các phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức chia thành hai nhóm lớn thuật tốn dựa điều chế SVM... yêu cầu, đạt hiệu cao so với phương pháp có tần số cao Hình 1.2 Tổng quan phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức 1.3 Vấn đề điều khiển cho biến đổi MMC Nhiệm vụ việc điều khiển vận hành đắn BBĐ MMC... minh hoạt động dựa phương pháp điều chế BBĐ có số mức lớn Các thuật toán điều chế nhúng thiết bị vi xử lý FPGA AX309 Xilinx  Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo: Nghiên cứu điều khiển BBĐ MMC trường