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:

2 2 2 2 2 2 2 85, 47 109, 6 0, 78 109, 6 0, 3 120 120 3, 44 109, 6 U KV Z I KA Z L H C F Z                

Phía sơ cấp máy biến áp: √ √ 1 1 1 1 1 1 1 66, 4 66, 4 1 66, 4 0,176 120 120 5, 7 66, 4 U KV Z I KA Z L H C F Z                

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

Điện áp dây phía sau nghịch lưu có biên độ điện áp là: 200kV Trị hiêu dụng của điện áp dây là:

√

Phía thứ cấp máy biến áp:

Trị hiệu dụng của điện áp pha là:

√

Coi công suất truyền tải là không đổi ta được: S=200MVA

Tính toán phía sơ cấp máy biến áp: √ √

CHƢƠNG 4. MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU

KHIỂN CHO HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI MMC

Trong tài liệu [5] trong hình 4.1, mạch điều khiển bên ngoài của hệ thống HVDC-Plus quy định việc trao đổi công suất giữa hai phía xoay chiều và một chiều. Công suất tác dụng và phản kháng được điều chỉnh bởi pha và biên độ dòng điện dây với điện áp PCC. Cấu trúc điều khiển hệ thống VSC-HVDC thông thường bao gồm một mạch vòng trong điểu chỉnh dòng nhanh chóng và mạch vòng bên ngoài tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng.

Hệ thống VSC-HVDC bao gồm 2 bộ VSC được nối kiểu back-to-back thông qua hệ thống truyền tải một chiều. Mỗi bộ đều có các bộ điều khiển điện áp xoay chiều, một chiều, điều khiển công suất, điều khiển dòng và điều khiển bên trong MMC.

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

4.1. Mô hình hóa MMC

Ta mô hình toán học dựa vào tài liệu [5] cho một pha của hệ thống và giả thiết rằng các SM đã được cân bằng, có vô số SM trên mỗi nhánh van. Ta có thể biểu diễn một nhánh van thành một tụ có giá trị thay đổi nối tiếp với cuộn cảm và một điện trở tương đương như hình 4.3. Tần số đóng cắt là rất lớn, do đó có thể đạt được một điện áp hình sin ở đầu ra.

Dưới những điều kiện trên thì mạch có thể đưa ra hệ số chèn với giá trị liên tục m_u/l có giá trị từ 0 khi các SM bị nối tắt và đến 1 khi tất cả các SM được đưa vào. Gọi tổng điện áp trên tụ của mỗi nhánh là , thì điện áp trên mỗi nhánh là:

( ) = ( ). (4.1) Trong đó, x biểu diễn nhánh trên (u) hoặc nhánh dưới (l)

Gọi điện dung của mỗi SM là vậy điện kháng trên mỗi nhánh được tính theo công thức:s

=

( ) ^(4.2)

Khi dòng điện nhánh ( ) chảy qua trên mỗi nhánh thì tổng điện áp động trên tụ là:

^{( )}

(4.3)

Theo như hình 4.2 thì ta có dòng điện pha đầu ra được tính theo định luật Kirchhoff sau:

i_u - i_l = i_ac (4.4)

Dòng điện sai lệch i_diff chạy qua một pha của bộ biến đổi làm cân bằng từ dòng điện nhánh trên và nhánh dưới tới dòng điện xoay chiều đầu ra:

i_u = i_diff + (4.5) i_l = i_diff - (4.6) Cộng 2 biểu thức trên ta có:

Từ 2 biểu thức (4.2), (4.3) ta cũng có thể mở rộng tính điện áp nhánh như sau:

(4.8)

(4.9)

Phân tích mạch điện hình 4.3, ta có được biểu thức điện áp xoay chiều e_v e_v = - R_armi_u - L_arm

- m_u (4.10)

e_v = + R_armi_l + L_arm

+ m_l (4.11) Trừ 2 biểu thức trên ta được:

V_dc - 2 R_armi_z - L_arm

- (m_u + m_l ) = 0 (4.12) Trừ (4.10) và (4.11) và thay thế cho (4.11) vào (4.12) thì biểu thức một pha của bộ biến đổi có thể được mô tả bởi hệ thống phương trình vi phân sau:

( ) = ( ) ( ) + ( ) (4.13)

Có thể thấy từ biểu thức (4.10) và (4.11) thì điện áp đầu ra không phụ thuộc vào dòng điện iz, cùng lúc đó thì dòng điện iz chỉ phụ thuộc vào điện áp một chiều V_DC và tổng điện áp trên mỗi nhánh ( ). . Vì vậy, dòng điện i_z có thể bị ảnh hưởng mà không tác động đến chất lượng phía xoay chiều bằng việc điều chỉnh hệ số chèn m_u/l với cùng độ lớn.

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

Theo tài liệu

[5]

chiều hay điện áp xoay chiều. Khi hoạt động ở chế độ nghịch lưu thì bộ biến đổi điều khiển điện áp phía một chiều có giá trị được xác định trước. Để đạt được điều này, bộ điều khiển điện áp một chiều điều chỉnh dòng điện tác dụng đặt theo sự mất cân bằng trao đổi công suất giữa hệ thống xoay chiều và một chiều để giữ dòng điện dặt tới 0. Ở chế độ chỉnh lưu, bộ biến đổi bám sát trực tiếp công suất tác dụng đặt. Công suất phản kháng ở cả 2 phía có thể điều khiển được độc lập. Nó có thể được điều chỉnh để bám sát giá trị đặt, do đó điều khiển hệ số công suất tại điểm kết nối(PCC) hoặc điều khiển điện áp lưới xoay chiều tại điểm kết nối(PCC). Mạch vòng khóa pha(PLL) được sử dụng để đồng bộ với điện áp lưới. Cơ chế khóa pha có khả năng phát hiện góc pha và biên độ của điện áp lưới, sau đó sử dụng trong các bộ điều khiển. Tần số lưới cũng có thể tìm được trong mạch vòng khóa pha.

4.2.1. Mạch vòng khóa pha

Trong thuật toán điều khiển bộ biến đổi nối lưới cần xác định chính xác góc pha của điện áp lưới ( ) để đạt được việc điều khiển độc lập công suất phản kháng và công suất tác dụng giữa đầu vào bộ biến đổi và lưới điện.

Chất lượng của việc đồng bộ lưới điện, ngoài cấu trúc điều khiển dòng điện, là yếu tố quan trọng xác định chất lượng điều khiển. Sai lệch trong tính toán góc pha dẫn đến sai lệch đáng kể đến điện áp ra của bộ biến đổi.

Có nhiều phương pháp ứng dụng trong việc đồng bộ lưới thì phương pháp thường được sử dụng hiện nay, nhưng cùng một nguyên lý. Tham khảo trong tài liệu [10].

Mạch vòng khóa pha 1PLL bao gồm một bộ lọc ở dạng bộ điều khiển PI. Mạch vòng này bị ảnh hưởng của việc mất cân bằng và sự biến dạng của điện áp lưới. Vì vậy, băng thông của bộ lọc phải phù hợp giữa việc lọc sóng hài không mong muốn mà xảy ra trong hệ thống đồng bộ pha vì có độ méo điện áp đo được, và thời gian đáp ứng nhanh cần thiết theo dõi điện áp trong khi thay đổi tần số hoặc sụt điện áp trên lưới.

Mạch vòng khóa pha truyền thống 3PLL được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hệ thống điện 3 pha được biểu diễn hình 4.9

Hình 4.5. Sơ đồ khối hệ thống đồng bộ pha truyền thống 3PLL - Hoạt động của mạch vòng khóa pha:

Đo điện áp lưới ba pha v_a, v_b, v_c

(4.14)

( )

( )

( ) √ (

√ √ ^{, ( + (4.15)}

- Đồng bộ với khung tọa độ quay.

Góc pha được tính ra bởi đồng bộ hóa với vector điện áp tổng của 3 pha a, b, c trên khung tọa độ dq. Vectơ điện áp tổng được đặt trùng với trục dq như hình 4.6.

Hình 4.6. Đồng bộ với khung tọa độ quay.

Sau khi áp dụng biến đổi khung tọa độ, các thánh phần điện áp lưới dq là:

( ) ( ^{̂ ̂}

̂ ̂^{* ( ) (4.16)}

Trong đó ̂ là góc ước lượng của 3PLL. Hoạt động của 3PLL dựa trên hệ thống điều khiển vòng kín cái mà điều chỉnh v_d tới 0 và khóa ̂ tới góc pha của tín hiệu đầu vào

Trong trạng thái ổn định của mạch vòng khóa pha (trạng thái khóa: ̂), thành phần điện áp lưới

v

Hình 4.7. Cấu trúc mạch vòng khóa pha Hàm truyền đạt của mạch vòng khóa pha:

( ) (4.17) Thông số bộ PI: (4.18) (4.19)

Với t_s là thời gian xác lập mong muốn và ξ là hệ số tắt dần.

4.2.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện

Động học phía xoay chiều của bộ biến đổi trong khung tọa độ dq được cho bởi hai công thức sau:

(4.20)

(4.21)

Với i là dòng điện đầu ra, L và R là trở kháng của hệ thống, V_t là điện áp ra, V_s

Dựa vào biểu thức (4.20) và (4.21) thiết kế được cấu trúc điều khiển dòng điện dq trong hình 4.8. Vì tín hiệu bám là giá trị một chiều nên bộ điều khiển PI được sử dụng.

Hình 4.8. Cấu trúc điều khiển dòng điện

Mạch vòng dòng điện được thiết kế để đạt được đáp ứng nhanh. Điều chỉnh bộ điều khiển dựa trên tiêu chuẩn tối ưu độ lớn vì sử dụng cấu trúc điều khiển tầng.

Hình 4.9. Sơ đồ khối điều khiển dòng điện

Với T_av là thời gian trễ và có giá trị bằng một nửa chu kỳ đóng cắt. Hàm truyền mạch vòng hở của hệ thống là:

( )

Với là hằng số thời gian của toàn hệ thống. Bằng việc lựa chọn điểm 0 của bộ điều khiển thì sẽ khử được các điểm cực làm hệ thống chậm đi. Hàm truyền của mạch vòng hở của hệ thống trở thành:

( ) (4.23) Thành phần khuếch đại của bộ điều khiển được tính toán dựa trên điều kiện:

|

| (4.24) Kết quả thu được là:

(4.25)

Hàm truyền đạt mạch vòng kín của hệ thống trở thành:

(4.26)

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

Công suất tức thời phân phối tới lưới điện xoay chiều trong khung tọa độ dq được tính toán như sau:

( ) [ ( ) ( )] (4.27)

( ) [ ( ) ( )] (4.28)

Với V_{sd q,} là các thành phần điện áp lưới và không thể điều khiển. Các dòng điện đặt thu được từ biểu thức (4.27) và (4.28) như sau:

( )

(4.29)

Để đảm bảo bám sát chính xác giá trị công suất đặt, điều khiển công suất độc lập trong mạch vòng kín như hình 4.14. Bộ điều khiển công suất này tạo ra tín hiệu đặt cho dòng điện.

Hình 4.14. Bộ điều khiển công suất

Các giá trị của bộ điều khiển công suất được tính toán dựa trên tiêu chuẩn tối ưu đối xứng và có thể cần phải điều chỉnh các giá trị trong bộ điều khiển để đạt được đáp ứng mong muốn.

4.2.4. Bộ điều khiển điện áp một chiều

Vòng điều khiển điện áp một chiều điều chỉnh dòng điệni_d để giữ việc trao đổi công suất thực giữa hệ thống một chiều và xoay chiều tiến đến 0. Phương pháp điều chỉnh dựa trên tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. sơ đồ khối rút gọn của bộ điều khiển điện áp một chiều ở hình 4.15. Bộ điều khiển dòng điện bên trong được thay thế bằng phép tính gần đúng có

Hàm truyền của hệ thống một chiều thu được từ biểu thức dòng điện trên tụ phía một chiều, tuyến tính hóa quanh điện áp đặt ổn định. Hàm truyền của mạch vòng hở là:

( ) ( )

(4.31) Áp dụng các điều kiện của tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thu được các tham số của bộ điều khiển như sau:

(4.32)

(4.34)

Với là tham số tối ưu đối xứng, thường nằm trong dãy 2 đến 4.

Trong cấu trúc liên kết MMC không có tụ điện giữa các thiết bị đầu cuối một chiều, điện áp phía một chiều được hình thành bởi việc đưa các SM vào trong ba pha và điện áp rơi trên các điện cảm nhánh. Giả thiết ở mọi thời điểm số lượng SM được đưa vào trên mỗi pha bằng với N, thì điện dung tương đương phía một chiều là:

(4.36) Giá trị 3 là số pha của bộ biến đổi.

4.3. Phƣơng pháp điều khiển vòng trong của MMC

Trong mục này sẽ đề cập đến điều khiển điện áp bao gồm điều khiển trung bình và điều khiển cân bằng riêng rẽ được tham khảo trong tài liệu [8]. Điều khiển trung bình dựa trên việc điều chỉnh dòng điện tuần hoàn từ phía một chiều đến các pha của bộ biến đổi, trong khi điều khiển cân bằng riêng rẽ dựa vào dòng điện tải( hoặc nguồn cung cấp). Mục này cũng đưa ra điều khiển cân bằng nhánh đặc trưng bởi việc giảm sai lệch điện áp trung bình giữa nhánh trên và nhánh dưới của một pha. Sử dụng điều khiển cân bằng nhánh cùng với điều khiển trung bình và điều khiển cân bằng riêng rẽ

sẽ ổn định được điện áp trên tụ của các SM. Ở đây các bộ điều khiển được tính toán phục vụ cho việc mô phỏng sau này, do giới hạn phần mềm mô phỏng và độ phức tạp của hệ thống cho nên số lượng SM sẽ được giảm xuống từ 216 SM còn 4 SM trên mỗi nhánh van.

4.3.1. Các phƣơng pháp điều khiển

Các phương pháp điều khiển như sau: - Điều khiển trung bình

- Điều khiển cân bằng riêng rẽ - Điều khiển cân bằng nhánh

a. Điều khiển trung bình (Average control)

Đây là phương pháp điều khiển trung bình điện áp của từng pha riêng rẽ. Điện áp trung bình thực của từng pha được đo về qua 2 mạch vòng điều chỉnh điện áp và điều chỉnh dòng điện sẽ đưa ra giá trị điều khiển cho từng pha tương ứng.

Hình 4.16. Sơ đồ mạch vòng điều khiển điện áp trung bình pha u

Điện áp trung bình ̅ được đo về so sánh với điện áp đặt . ̅ được tính bởi công thức:

̅ (4.37) Mạch vòng dòng điện điều chỉnh dòng lưu thông từ dc link tới chân bộ biến đổi, và tạo ra điện áp đặt .

Dòng lưu thông trong mỗi pha:

= +

= + (4.38)

= ( + )

: Dòng điện nhánh dương của pha u : Dòng điện nhánh âm của pha u : Dòng điện lưu thông qua pha

b. Điều khiển cân bằng riêng rẽ (Individual – balancing control)

Phương pháp này điều khiển cân bằng điện áp cho từng Cell riêng lẻ. Các điện áp của từng tụ điện được đo về so sánh với điện áp đặt của từng Cell đã tính toán, qua bộ điều chỉnh P sẽ cho ra điện áp đặt điều khiển cho từng Cell tương ứng. Qua đó sẽ điều khiển tạo ra sự cân bằng điện áp giữa các Cell với nhau.

Hình 4.17. Sơ đồ mạch nguyên lý điều khiển theo phương pháp Individual –

balancing control

Trong đó:

là điện áp đặt theo tính toán của các Cell.

là điện áp trên tụ treo của Cell thứ j. là dòng điện pha u.

Với phương pháp điều khiển này các bộ điều khiển các Cell ở nhánh âm sẽ nhân với hệ số là và các bộ điều khiển cho các Cell ở nhánh dương sẽ nhân với hệ số là . Cụ thể trong bộ biến đổi đa mức được mô phỏng trong đồ án này thì các bộ điều khiển cho các Cell với j = 5-8 sẽ nhân với hệ số là và các bộ điều khiển cho các Cell với j = 1-4 sẽ nhân với hệ số là . Khi đó, ta có:

( ) với j = 1-4 (4.39)

( ) với j = 5-8 (4.40)

c. Điều khiển cân bằng nhánh (Arm – balancing control)

Phương pháp điều khiển này có chức nằng làm giảm độ sai lệch điện áp giữa