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:
- Dạng điện áp trên tụ và dạng sóng điều chế thay đổi ngay khi giá trị đặt thay đổi. Sau một thời gian nhất định, nó trờ về vị trí cân bằng, bám theo giá trị đặt mới.
Hình 5.13. Công suất phản kháng Q.
Hình 5.14. Công suất tác dụng P. Nhận xét:
- Tương tự như các tín hiệu khác, khi giá trị đặt thay đổi, công suất tác dụng, phản kháng và dòng điện iZ thay đổi ngay tức khắc, nhưng sau đó sẽ quay về vị trí ổn định.
Hình 5.15. Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac). Nhận xét:
- Khi có bộ điều khiển cân bằng, ta thấy điện áp trên tụ bám rất sát giá trị đặt, tuy nhiên mất đến 10 chu kỳ cơ bản. Điện áp trên tụ mới thay đổi từ 50 kV lên 80 kV theo giá trị đặt.
- Điện áp pha và dây không có thay đổi nhiều. - Công suất vẫn bám theo giá trị đặt trước.
- Tuy nhiên dòng điện sai lệch giữa nhánh trên và nhánh dưới được giảm đi.
5.3.3. Mạch điều chỉnh công suất.
Đáp ứng của công suất tác dụng, công suất phản kháng giữ nguyên ở 30 MVAr khi giá trị đặt tăng từ 100 MVA lên 180 MVA hình 5.16.
Hình 5.16. Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P.
Hình 5.17. Đồ thì 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 quả mô phỏng ta có thể thấy được đáp ứng của mạch điều chỉnh công suất
Hình 5.18. Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac).
Hình 5.19. Đồ thì dòng điện tuần hoàn (iZ). Nhận xét:
- Ta thấy khi tăng công suất, điện áp trên tải cũng tăng theo, điện áp điều chế tăng suy ra tăng hệ số điều chế làm tăng giá trị điện áp pha và điện áp dây. Tuy nhiên công suất thực cũng mất tới 5 chu kỳ mới bám theo giá trị đặt.
- Điện áp trên tụ không bị ảnh hưởng nhiều và vẫn được giữ ở trạng thái cân bằng.
5.3.4. Bộ điều khiển điện áp một chiều
Làm việc với trường hợp suy giảm điện áp DC-LINK từ 200kV xuống 180 kV. Đáp ứng điện áp pha và điện áp dây.
Hình 5.20. Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P.
Hình 5.21. Đồ thì đáp ứng công suất phản kháng Q. Nhận xét:
- Khi thay đổi điện áp một chiều từ 200kV xuống còn 180kV nhưng công suất tác dụng và công suất phản kháng vẫn được đáp ứng. Cho thấy bộ điều khiển điện áp một chiều tính toán đúng
Hình 5.22. Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac).
Hình 5.24. Dạng điện áp trên tụ VC1 và VC5. Nhận xét:
- Do sự suy giảm điện áp DC. Ta thấy dạng điện áp trên tụ của SM1 bị suy giảm theo.
- Ta thấy rằng điện áp điều chế bị mất cân bằng, so với trước khi suy giảm điện áp DC.
- Điện áp đầu ra của bộ biến đổi vẫn cân bằng với nhau, tuy nhiên chất lượng hình sin bị méo đi một chút.
- Công suất phát ra vẫn được giữ ở giá trị đặt. - Dòng điện sai lệch bị tăng lên.
KẾT LUẬN
Bằng việc nghiên cứu và tìm hiểu đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi cấu trúc module trong hệ thống truyền tải HVDC-Plus” đã giúp tôi nắm rõ hơn về cấu trúc MMC cũng như hệ thống HVDC mà Siemens đã sử dụng. Qua đó thấy được sự phát triển mạnh mẽ nền công nghiệp van bán dẫn và bước tiến lớn trong việc điều khiển hệ thống HVDC sử dụng cấu hình MMC này, đó là các bộ điều khiển dòng điện, điện áp một chiều và điều khiển công suất. Các đáp ứng đều được kiểm chứng lại một cách chính xác thông qua mô phỏng.
Tuy nhiên do thời gian, kiến thức và khả năng có hạn nên ở luận này tôi chỉ nghiên cứu được quá trình nghịch lưu của bộ MMC, chưa thể hiện được quá trình trao đổi công suất giữa hai bộ MMC như trong hệ thống HVDC-PLUS của Siemens. Các chế độ làm việc ở trạng thái mất cân bằng hay sự cố chưa được thể hiện đầy đủ ở trong luận văn.
Một lần nữa tôi xin cám ơn TS. Phạm Việt Phương đã giúp đỡ tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Hà nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015
Sinh viên thực hiện
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Quốc Hải, “Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất”, Nhà xuất bản 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 (MMCC- DSCC)", 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.
[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, August 2006.
[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:implementation and analysis”,
Lappeenranta University of Technology, Lappeenranta, Finland,on the 7th of June, 2010, at noon.
[13] SIEMENS,“The Smart Way-Answers for energy”.
[14] Jih-Sheng La,“ Multilevel converters-a new breed of power converters ”, IEEE Transactions on Industry Applications (Impact Factor: 2.05). 05/1996; 32(3). [15] Kenneth Moore,“ HIGH-POWER CONVERTERS AND AC DRIVES”, IEEE
Press 445 Hoes Lane Piscataway, NJ 08854.
[16] Suman Debnath, Jiangchao Qin, Student, Behrooz Bahrani, Maryam Saeedifard,
and 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] Zygmanowski, M.; Grzesik, B.; Nalepa, R., "Capacitance and inductance selection of the modular multilevel converter" Power Electronics and Applications (EPE), 2013 15th European Conference on , vol., no., pp.1,10, 2-6 Sept. 2013.