Vòng điều khiển điện áp một chiều điều chỉnh dòng điệnid 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)
= ( + ) Trong đó:
: 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
̅ và ̅ .Nói cách khác, phương pháp này làm cân bằng điện áp trung bình của nhánh dương và nhánh âm.
̅ (4.41)
̅ (4.42) Với ̅ là điện áp nhánh dương của pha u
Hình 4.18. Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo phương pháp Arm – balancing control
Điện áp và dòng điện pha của bộ biến đổi, , được tính bởi
√ (4.43)
√ ( ) (4.44)
Với là góc lệch pha.
Khi thì ( ̅ ̅ ) (4.45)
Khi thì ( ̅ ̅ ) (4.46)
Ở đây được xác định bởi thông số mạch và thông số điều khiển.
Cuối cùng, điện áp đặt của nhánh dương ( ) được xác đinh bởi công thức:
̅
(4.47)
Điện áp đặt của nhánh âm ( ) được xác đinh bởi công thức:
̅
Điện áp được chuẩn hóa cho mỗi điện áp một chiều của tụ VCj
Sau đó, điện áp đặt này được so sánh với sóng tam giác có tần số và kết quả đưa ra để điều khiển đóng mở các IGBT theo luật PWM
4.3.2. Phân tích tính ổn định của các SM
a. Không có điều khiển cân bằng nhánh.
Phân tích tính ổn định không có điều khiển cân bằng nhánh( = 0). Hình 4.16, 4.17, 4.18 chỉ ra sơ đồ mạch điện sử dụng để phân tích một pha của bộ biến đổi. Cần chú ý đến dòng điện tuần hoàn bởi vì nó quyết định ổn định bộ biến đổi, hoạt động như một biến trạng thái.
( ) ( ) (4.49) Trong đó: (4.50) (√ )
Ở đây, là hằng số thời gian của vòng dòng điện, và là hằng số thời gian của vòng điện áp, và là hằng số thời gian của điều khiển cân bằng.
a0 = 1 a1 = a2 = + - ) (4.51) a3 = + - a4 = a5 = Ta có: b1 = = ( - ) - + (4.52) b2 = = ( - ) c1 = c2 = a5 d1 = e1 = a5 Các SM ổn định khi các hệ số a0,a1,a2,a3,a4,a5 cũng như các hệ số b1,c1,d1 là phải dương. Và giả thiết quan trọng tiếp theo là:
Nếu biểu thức trên là đúng thì từ a0 tới b2 là dương trong mọi điều kiện hoạt động. Với c1>0 và d1>0 cùng với ta có:
(4.54)
Với (
) (4.55)
Hình 4.19. Quan hệ giữa biểu thức (4.44), (4.45) và góc
Do vậy, dòng điện tuần hoàn iz ổn định khi φ thỏa mãn và dòng điện tuần hoàn iz không ổn định khi φ nằm trong
b. Khi có điều khiển cân bằng nhánh .
Điều khiển cân bằng nhánh làm cho các SM ổn định trong mọi điều kiện hoạt động ( ). Điều chỉnh điều kiện hoạt động sucmodule của góc φ trong
điện iz ổn định mà không cần tới điều khiển cân bằng nhánh. Biểu thức
( ) có thể ứng dụng trong các SM. Trong trường hợp này, chỉ có sự khác biệt duy nhất có hoặc không có điều khiển cân bằng nhánh là khuếch đại điều khiển thay đổi đương lượng từ K4 đến K4 + 2K5 trong biểu thức ( √
( ) ) . Mặt khác, dòng điện tuần hoàn iZkhông ổn định nếu biểu thức ( )
được áp dụng vào bộ biến đổi bởi vì điều kiện ổn định thay đổi từ
thành .
Nếu φ thuộc thì điều khiển cân bằng nhánh có biểu thức:
( ) cần được áp dụng cho bộ biến đổi, khi đó ta có:
( ) ( ) (4.56) Trong đó: ( √ ( ) ) (4.57)
Điều kiện tồn tại biểu thức (4.56) là :
(4.58) Áp dụng định luật ổn định Routh-Hurwitz cho biểu thức (4.33) bao gồm dòng điện tuần hoàn iz ổn định khi φ thuộc trong khi dòng điện tuần hoàn
iz không ổn định khi φ thuộc . Điều kiện ổn định thay đổi từ
thành nếu biểu thức ( )
được áp dụng cho bộ biến đổi. Mặt khác, dòng điện tuần hoàn iz không ổn định nếu biểu thức ( ) được áp dụng bởi vì điều kiện ổn định không thay đổi từ biểu thức
Cuối cùng, kết luận tiếp theo thu được là:
- Nếu φ thuộc , iZổn định khi biểu thức
( ) hoặc không có điều khiển cân bằng nhánh được áp dụng. - Nếu φ thuộc , iz ổn định khi biểu thức
( ) và không ổn định khi biểu thức ( )
được áp dụng, khi đó quan hệ thỏa mãn.
Hình 4.7 chỉ ra mối quan hệ giữa ( ) , (
) và φ. Hình 4.7 chứng tỏ rằng ( ) được ứng dụng khi bộ biến đổi hoạt động như một nghịch lưu (φ= ) hoặc chế độ điện dung (φ=3 /2), và
( ) được áp dụng khi bộ biến đổi hoạt động như một chỉnh lưu (φ=0) hoặc chế độ điện cảm (φ= /2).
4.4. Tính toán thông số các mạch vòng điều khiển 4.4.1. Thông số mạch điều khiển vòng trong 4.4.1. Thông số mạch điều khiển vòng trong
Như đã phân tích ở phần mạch điều khiển vòng trong thì điều khiển các SM sẽ có riêng một bộ điều khiển. Áp dụng điều kiện ổn định ta có: trong đó :
, , , (√
) , ta sẽ chọn được các hệ số K1, K2, K3, K4, K5 như bảng 4.1.
Bảng 4.1. Các hệ số K của bộ điều khiển.
K1 K2 K3 K4 K5
0,1 1 25 0.00004 0.00004
Bảng 4.2. Các hằng số thời gian.
TI <<TVI ~ TB ~ 1/ << TV2 0.005 (ms) 4 (ms) 3.36 (ms) 150 (ms) Với kết quả trên thì các giá trị phù hợp với điều kiện ổn định. Từ đó ta tiến hành mô phỏng hệ thống.
4.4.2. Thông số mạch điều khiển vòng ngoài
Các thông số bộ điều khiển ở bảng 4.3. được tính theo tiêu chuẩn tối ưu module và được hiệu chỉnh lại như trong bảng.
Bảng 4.3. Thông số mạch điều khiển vòng ngoài Bộ điều khiển Bộ điều khiển dòng
điện
Bộ điều khiển công suất
Bộ điều khiển điện áp một chiều
Kp 0.15 0.4 0.025
CHƢƠNG 5. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HVDC PLUS SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI MMC
Hệ thống HVDC PLUS của Siemens sử dụng 216 SM trên một nhánh van. Tuy nhiên, giới hạn của phần mềm mô phỏng và độ phức tạp của hệ thống nên ta giảm xuống chỉ còn 4 SM trên mỗi nhánh van để thực hiện mô phỏng, còn các thông số khác giữ nguyên.
5.1. Tính toán thông số mạch lực.
Thông số của hệ thống sử dụng trong mô phỏng. Bảng 5.1. Thông số bộ biến đổi MMC
Thông số Ký hiệu Giá trị
Công suất định mức Sn 200 MVA
Điện áp DC VDC 200 kV Điện trở nhánh Rarm 0.04 Ω Điện cảm Larm 50 mH Tụ Carm 300 uF Tần số đóng cắt fsw 1500 Hz Số SM N 4 5.1.1. Cách chọn tụ
Ở bộ biến đổi năng lượng được lưu trữ trên tụ điện, Năng lượng này được quyết định bởi tỷ số giữa chỉ số năng lượng (EP) và công suất định mức(Sn). Dựa vào tài liệu [17].
Trong đó: EP tùy thuộc và mỗi ứng dụng của bộ biến đổi thông thường EP = 10 J/kVA đến 50 J/kVA. EP càng thấp thì chi phí cho bộ biến đổi càng giảm tuy tăng độ nhấp nhô điện áp.
Trước khi thiết kế một bộ biến đổi có 2 thông số quan trọng phải được thiết lập. Đó là công suất định mức Sn và điện áp dây hiệu dụng Vl-l-rms ở phía xoay chiều bộ biến đổi hay là điện áp một chiều ở phía một chiều của bộ biến đổi. Mối quan hệ giữa điện áp phía một chiều và xoay chiều.
√
√ (5.2)
ma: là hệ số điều chế.
Năng lượng lớn nhất chứa trong các tụ điện một chiều của hệ thống 3 pha bao gồm 6n SM được tính là:
( ) (5.3) Do đó giá trị dung kháng của mỗi nhánh van Carm được tính theo chỉ số năng lượng EP là:
(5.4)
Điện dung của một SM sẽ được tính là:
(5.5)
5.1.2. Cách chọn cuộn cảm
Vai trò của cuộn kháng trong MMC để triệt tiêu thành phần sóng hài bậc cao của dòng điện trên các nhanh van gây ra bởi sự mất cân bằng điện áp giữa nhánh trên và nhánh dưới. Sự mất cần bằng này có thể gây ra bởi chu kỳ đóng cắt khác nhau giữa các van. Giá trị điện cảm phụ thuộc điện áp trên SM, cách điều chế, tần số đóng cắt.
Giá trị điện cảm có thể được lựa chọn theo công thức sau: ( ) ( ) (5.6) h là thành phần sóng hài bậc h (h = 2, h = 4).
5.2. Tính toán thông số các mạch vòng điều khiển 5.2.1. Thông số mạch điều khiển vòng trong 5.2.1. Thông số mạch điều khiển vòng trong
Như đã phân tích ở phần mạch điều khiển vòng trong thì điều khiển các SM sẽ có riêng một bộ điều khiển. Áp dụng điều kiện ổn định ta có: trong đó :
, , , (√
) , ta sẽ chọn được các hệ số K1, K2, K3, K4, K5 như bảng 5.2.
Bảng 5.2. Các hệ số K của bộ điều khiển.
K1 K2 K3 K4 K5
0,1 1 25 0.00004 0.00004
Thay vào điều kiện ổn định ta tính được các hằng số thời gian ở bảng 5.2. Bảng 5.3. Các hằng số thời gian
TI <<TVI ~ TB ~ 1/ << TV2 0.005 (ms) 4 (ms) 3.36 (ms) 150 (ms) .
Với kết quả trên thì các giá trị phù hợp với điều kiện ổn định. Từ đó ta tiến hành mô phỏng hệ thống.
5.2.2. Thông số mạch điều khiển vòng ngoài
Các thông số bộ điều khiển ở bảng 5.4. được tính theo tiêu chuẩn tối ưu module và được hiệu chỉnh lại như trong bảng.
Bảng 5.4. Thông số mạch điều khiển vòng ngoài Bộ điều khiển Bộ điều khiển dòng
điện
Bộ điều khiển công suất
Bộ điều khiển điện áp một chiều
Kp 0.15 0.4 0.025
Ki 120 50 200
5.3. Kết quả mô phỏng
Điều kiện mô phỏng:
- Bộ biến đổi hoạt động bình thường - Giả sử tụ đã được nạp ngay từ đầu
5.3.1. Kết quả khi MMC hoạt động ở trạng thái định mức.
Với các tín hiệu công suất đặt (Pref) = 180 MW, công suất phản kháng (Qref) = 30 MVar điện áp đặt trên tụ mỗi SM (Vcref) = 50 kV.
Điện áp pha và điện áp dây:
- Có dạng sóng gần giống với hình sin - Sóng hài thấp
Hình 5.1. Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac)
Hình 5.2. Dạng điện áp nhánh trên (VU) và nhánh dưới (VL) khi chưa lọc. Nhận xét:
- Dạng điện áp nhánh trên và nhánh dưới có số mức giống với tính toán lý thuyết
- Tuy nhiên do chưa có bộ lọc nên điện áp trên tụ bị méo, có dạng bậc thang nên sóng hài lớn
Hình 5.3. Dạng điện áp nhánh trên (VU) và nhánh dưới (VL) sau khi qua lọc. Nhận xét:
- Dạng điện áp nhánh trên và nhánh dưới có dạng sin để khi tổng hợp có thể tạo ra điện áp dây và điện áp pha như kết quả mô phỏng phía trước
- Khi qua bộ lọc, điện áp trên tụ được mềm mại hơn, sóng hài thấp hơn so với khi chưa qua lọc
Hình 5.5. Dạng điện áp trung bình tụ nhánh trên (VCAUAV) và dưới (VCALAV) Nhận xét:
- Điện áp trung bình tụ nhánh và điện áp trên tụ có đường phóng nạp đúng theo như lý thuyết
Hình 5.6. Dạng điện áp dòng điện vòng (iZ). Nhận xét:
Hình 5.7. Đồ thị công suất tác dụng (P).
Hình 5.8. Đồ thị công suất phản kháng (Q). Nhận xét:
Hình 5.9. Đồ thị dạng sóng điều chế của SM1 (Va1*).
5.3.2. Mạch điều chỉnh cân bằng vòng trong
Mạch này có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp trên tụ bám theo một giá trị đặt cho trước. Hình 5.10 biểu diễn đáp ứng điện áp trên tụ SM khi giá trị đặt thay đổi từ 50 kV lên 70 kV.
Hình 5.11. Đồ thị dạng sóng điều chế của SM1 (Va1*) Vcref = 70 kV. Nhận xét: