Hình 2.2.Các dạng cấu trúc của SM (Cell)
Cấu trúc MMC như hình 2.1 theo tài liệu [5], [16] được tạo nên bởi cách ghép nối các phần tử giống nhau vào với nhau, goi là submodule hay Cells, mỗi SM là một thành phần cơ bản của MMC, các SM nối tiếp nhau trong một pha được goi là leg. Mỗi pha (leg) được chia thành nhánh van trên (upper arm) và nhánh van dưới (lower arm), mỗi SM trên mỗi nhánh van là bằng nhau. Điện áp xoay chiều đâu ra được lấy ở điểm giữa các nhánh van. Do các tụ trên một pha dùng chung một nguồn DC cho nên không cân lắp thêm tụ lọc một chiều ở đầu vào, các cuộn kháng lọc (Larm) cũng được đưa vào để lọc sóng hài bậc cao của dòng điện. Mỗi cấu trúc của SM khác nhau sẽ có ứng dụng khác nhau như STATCOM, HVDC, BTB…Tuy nhiên, nếu tăng thêm thành
phần trong mỗi SM thì khả năng giữ cân bằng cho tụ càng khó. Theo như thực nghiệm, đánh giá khả năng cân bằng, tổn hao đóng cắt thì cấu trúc nữa cầu (Half- Bridge) được coi là tối ưu nhất để đưa vào mỗi SM khi yêu cầu khả năng truyền tải công suất theo hai chiều.
Ở dự án này, cấu trúc mà Siemens sử dụng là cấu trúc nửa cầu (HB), cấu tạo lưỡng chiều bởi 2 hai van bán dẫn và một diode đấu song song ngược, và một tụ điện đóng vai trò như một nguồn nuôi một chiều (hình 2.2). Các thiết bị chuyển mạch thực hiện việc chèn các SM vào nhánh van, trong khi các diode song song ngược đảm bảo dòng điện luôn được liên tục.
Do các SM là giống nhau, nên nguyên lý điều khiển MMC có thể coi là điều khiển mỗi SM. Mỗi SM có hai trạng thái, phụ thuộc vào sự đóng cắt trên 2 van bán dẫn, khi S1_ON và S2_OFF, SM được chèn vào nhánh van. Điện áp tại đầu của SM VSM = Vc. khi S1_OFF và S2_ON thì SM được đưa vào trạng thái by-pass, VSM = 0. Các SM phải được hoạt động sao cho không để tụ bị ngắn mạch. Bằng cách điều chỉnh các SM được chèn vào hay nối tắt, ta sẽ thu được một điện áp dạng bậc thang ở đâu ra.
Bộ biến đổi nửa cầu (Hafl brigde Cell):
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
C T1
T2 Vx
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. Một nhược điểm của dạng cầu so với dạng nửa cầu là số lượng thiết bị lớn. Các dạng Cell một chiều như hình (c) được đề xuất để giảm số lượng thiết bị nhưng trạng thái chuyển mạch bị hạn chế. Hiệu quả của các Cell có thể được nâng cao, thay thế các cell tiêu chuẩn bằng cấu trúc đa mức như kiểu tụ bay hay diode kẹp được thể hiện ở hình (d) và (e).
Với cấu trúc nửa cầu, mỗi module có khả năng cung cấp điện áp đầu ra ở hai mức là +VDC hoặc 0 V; với cấu trúc cầu, mỗi module có thể cung cấp ba mức điện áp đẩu ra là +VDC, 0, và –VDC. 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. Theo nghiên cứu tính toán cân bằng tụ và tổn thất đóng cắt thì cấu trúc nửa cầu là thích hợp nhất.
Trong luận văn này, cấu trúc nửa cầu sẽ được đề cập với 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) theo tài liệu [5], 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
S1 S2 1 0 Vc (+) Nạp 0 1 0 (+) Nối tắt 1 0 Vc (-) Phóng 0 1 0 (-) Nối tắt 1 1 Ngắn mạch tụ 0 0 Hở mạch
Khi IGBT1 on, IGBT2 off. Nếu dòng điện i> 0 thì điện áp đầu ra của module thành phần (SM) VX = VC, dòng điện chạy qua điốt D1, qua C và ra khỏi SM. Nếu dòng điện i<0 thì điện áp đầu ra của bộ biến đổi VX = VC, dòng điện vào từ nhánh âm 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 =
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
Các ưu điểm chính :
- Vì cấu tạo theo kiểu module, cấu trúc bộ biến đổi có thể mở rộng một cách linh hoạt khi công suất và điện áp yêu cầu tăng.
- Bộ biến đổi có thể cấu tạo nên từ số lượng lớn SM nên có khả năng tạo ra điện áp hình sin chất lượng cao.
- Hoạt động đáng tin cậy, có thể thay thế các SM mới ngay khi SM cũ bị lỗi. - Hiệu suất cao do tần số đóng cắt thấp của mỗi SM.
- Giảm số thiết bị đi theo, do cuộn cảm bé hoặc thậm chí không sử dụng cuộn cảm, loại bỏ được tụ lọc một chiều rất to và cồng kềnh.
Do có khả năng hoạt động với điện áp cao, hiệu suất cao, dễ dàng lắp đặt, hoạt động đáng tin cậy, ít sóng hài ở đầu ra. MMC rất thích hợp để trở thành một cấu trúc trong các BBĐ ứng dụng trong hệ thống HVDC hiện đại.
2.2. Các phƣơng 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 2.5. Sơ đồ kỹ thuật điều chế PWM
Theo như sơ đồ được lấy trong tài liệu [5] và [16] thì ta có các ký thuật điều chế độ rộng xung. Trong đó có kỹ thuật thường được sử dụng nhất là kỹ thuật điều chế độ rộng xung kiểu sóng mang PWM Carriers (pulse-width modulation carriers) vì nhớ những ưu điểm của nó. Trong phương pháp PWM Carriers thì có 2 phương pháp đó là phương pháp dịch mức sóng mang CD-PWM (Carrier-disposition PWM) và phương pháp dịch pha sóng mang (Sub-harmonic PWM).
2.2.1 Phƣơng pháp dịch mức sóng mang (CD-PWM)
Phương pháp dịch mức sóng mang khác với phương pháp dịch pha sóng mang là cách bố trí các sóng mang. Phương pháp này bố trí sóng mang đặt dọc nhau từ thấp lên cao.
Hệ số biến điệu biên độma :
* * ( 1) m a cr V m V m (2.1)
Với Vm*là biên độ điện áp sóng Sin chuẩn, *
cr
Dựa vào cách bố trí sóng mang, phương pháp này có 3 loại là: - Sóng mang bố trí cùng pha.
Cách bố trí các sóng mang cùng pha có hình dáng giống như là một sóng mang duy nhất được nhân lên và bố trí dọc khắp toàn dải điện áp. Sự khác nhau giữa hai sóng mang là độ lệch mức điện áp.
Hình 2.6. Sóng mang bố trí cùng pha - 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 sòng 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
2.2.2. Phƣơng pháp Sub-harmonic PWM.
a. Phương pháp dịch pha sóng mang (Phase-shifted carrier 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.
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:
360 1
m
(2.2)
Hệ số điều chế tần số và hệ số biến điệu biên độ lần lượt là mf và ma:
cr f m f m f (2.3) * * m a cr V m V (2.4)
với mf là hệ số điều chế tần số, fcrlà tần số sóng mang, fmlà tần số sóng Sin chuẩn,
a
m là hệ số biến điệu biên độ, Vm* là biên độ sóng Sin chuẩn,Vcr* là biên độ sóng mang.
Trong phương pháp điều chế dịch pha sóng mang thì tần số đóng cắt của thiết bị phải bằng với tần số sóng mang : fsw fcr. Do vậy, điện áp pha có dạng sóng m mức và điện áp dây có dạng sóng (2m-1) mức.
Hình 2.9. Phương pháp dịch pha sóng mang b. Phương pháp răng cưa (Saw-tooth)
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 2.10 và 2.11. 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 2.10. Sóng mang hình răng cưa
Hình 2.11. Sóng mang hình tam giác Nhận xét:
Thiết kế mô đun giúp MMC có tính linh hoạt cao trong việc thiết kế trạm biến đổi như là dễ thay thế khi bị hỏng hóc và cũng dễ dàng nâng cấp. Với 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. Và qua những ưu điểm trên thì bộ biến đổi MMC được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải HVDC Plus.
CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG HVDC PLUS CỦA SIEMENS
3.1. Hệ thống HVDC-PLUS của hãng Siemens dùng cấu trúc MMC
Hệ thống HVDC-Plus sử dụng cấu trúc MMC được Siemens đưa vào thương mại hóa vào năm 2010 với công suất truyền tải 400MW, điện áp ±200 kV theo tài liệu [13]. Dự án đầu tiên được ứng dụng hệ thống HVDC-Plus sử dụng cấu trúc MMC chính là dự án Trans Bay Cable:
Hình 3.2. Sơ đồ địa hình của dự án Trans Bay Cable
Hệ thống HVDC-Plus sử dụng cấu trúc MMC có 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) theo tài liệu [3], [4]. Cấu trúc HVDC PLUS được biểu diễn trên hình 3.3.
Có thể coi mỗi cực của hệ thống HVDC PLUS trên hình 3.3 là một hệ thống HVDC có cấu hình truyền tải đơn cực như trên hình 3.4.
Hình 3.4. Cấu hình truyền tải đơn cực
Mỗi bộ MMC sử dụng trên hình 3.4. sử dụng các SM nối tầng với nhau như hình 2.1 mỗi pha được chia thành hai nhánh. Nhánh trên và nhánh dưới đều chịu một điện áp là VDC/2 ở giữa tại đầu ra các nhánh có các cuộn kháng cân bằng.
MMC được sử dụng trong HVDC Plus có những khác biệt quan trọng và lợi ích sau đây:
- Tính mô đun hóa được xây dựng ở cả mạch lực và mạch điều khiển, vì vậy hệ thống có khả năng mở rộng và thiết kế một cách linh hoạt.
- Trong trạng thái hoạt động bình thường, ở bất kì thời điểm nào không có nhiều hơn 1 mức cho mỗi bộ đóng cắt mỗi nhánh, kết quả là điện áp AC có thể được điều chỉnh từng lượng nhỏ rất tốt, tạo ra ít sóng hài, và hầu hết là loại bỏ hoàn toàn lọc AC
- Tần số chuyển mạch thấp của các thiết bị bán dẫn riêng lẻ dẫn đến tổn thất chuyển mạch rất thấp. Tổng tổn thất của VSC-HVDC cũng là rất thấp mà có hiệu quả cao hơn so với các giải pháp hai mức và ba mức hiện tại - HVDC Plus sử dụng các thiết bị, phần tử tiêu chuẩn công nghiệp, chẳng
điều kiện khắc nghiệt. Các ứng dụng rộng rãi là kết quả của thời gian dài phát triển của các thiết bị đạt tiêu chuẩn công nghiệp đó.
- Điện áp và dòng tải đầu ra phù hợp với việc sử dụng các máy biến áp AC tiêu chuẩn
- Dải công suất đạt được cũng như điện áp DC của bộ biến đổi được xác định chỉ bởi khả năng của bộ điều khiển tức là số lượng mô đun có thể vận hành được. Với thiết kế hiện tại, khả năng truyền tải có thể đạt được 1000 MW hoặc cao hơn
- Việc loại bỏ các thành phần bổ sung như lọc AC tạo nên khả năng có sẵn và độ tin cậy cao, hơn nữa việc loại bỏ các thành phần này còn làm giảm thời gian thực hiện dự án.
- Việc thay thế, bảo dưỡng sửa chữa có thể thực hiện dễ dàng vì đặc điểm của chúng là các mô đun độc lập. Đây chính là sự khác biệt quan trọng so với các kiểu cấu trúc khác
- Do thiết kế tốt và phản ứng nhanh chóng của hệ thống bảo vệ, việc lỗi bên trong hay bên ngoài hệ thống, như ngắn mạch giữa hai cực DC đều được quản lí một cách tin cậy.
3.2. Thông số mô phỏng của hệ thống
Vì hệ thống HVDC PLUS sử dụng loại truyền tải lưỡng cực nên mỗi cực truyền tải công suất là 200 MW với điện áp là 200 kV nên ta chỉ cần tính toán cho một cực.
Với P = 200 MW, Ud = 200 kV ta có:
Dòng điện một chiều:
Vì mỗi trạm sử dụng 2592 SM nửa cầu cho cả hai cực, ở đây ta tính cho một cực nên ta có:
Số SM trên mỗi cực là:2592 1296
2
Số SM trên mỗi pha là:1296 432
3
Công suất trên mỗi SM là:
Điện áp trên mỗi SM là:
Dòng điện trên mỗi SM là: 1000 333,33
3 3
d SM
I A
I A
3.2.1. Tính toán sơ bộ máy biến áp phía trƣớc chỉnh lƣu
Vì sử dụng chỉnh lưu đi ốt cầu ba pha nên ta có:
Coi công suất trước và sau chỉnh lưu không đổi ta được:
200 200
d
P MW S MVA
Phía thứ cấp máy biến áp: