CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC
1.4 Vấn đề điều khiển cho bộ biến đổi MMC
Hình dạng điện áp, dòng điện đầu ra, dòng điện đầu vào, hệ số công suất là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất luợng của các BBĐ. Cũng như các phụ tải khác, các BBĐ bán dẫn phải tuân thủ các tiêu chuẩn mang tính pháp lý về giới hạn các thành phần sóng hài trong luới điện. Cụ thể: Quy định về sóng hài điện áp tại khoản 2, Điều 7 Thông tư 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 của Bộ Công Thương quy định “Với cấp Trung và Hạ áp, tổng độ biến dạng sóng hài không được vượt quá 6,5%”... Ngoài ra, các yêu cầu cơ bản đặt ra với BBĐ MMC như: hiệu suất biến đổi cao; tần số phía xoay chiều ổn định; điện áp và dòng điện phía xoay chiều có dạng sin chuẩn; điện áp phía một chiều ổn định; có thể tạo ra số mức điện áp lớn để áp dụng cho hệ thống điện trung áp và cao áp với công suất cỡ MW trở lên; các tụ điện trong mỗi pha BBĐ hoạt động ổn định quanh giá trị định mức của
14
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
nó và độ lệch giá trị điện áp tụ khỏi vị trí cân bằng không được vượt quá giá trị 10%; dòng điện vòng trong mỗi pha phải được hạn chế, các thành phần sóng hài bậc cao trong dòng điện vòng phải được loại bỏ để tránh tổn hao và nâng đảm bảo sự hoạt động ổn định của van bán dẫn trong thời gian lâu dài. Ngoài ra BBĐ có thể trao đổi được công suất hai chiều và hoạt động ổn định trong chế độ vận hành bình thường và khi có một số biến động nhất định trong hệ thống điện ở giới hạn cho phép. Đáp ứng được một số tiêu chuẩn kỹ thuật như: dễ dàng sửa chữa, thay thế thiết bị khi sự cố, tuổi thọ dài…
Để đảm bảo được các yêu cầu đặt ra như trên, các chiến lược điều khiển, điều chế cho MMC đóng một vai trò quan trọng, chúng cần được thực hiện nhịp nhàng với tốc độ nhanh và chính xác đáp ứng được các yêu cầu về điều khiển của BBĐ ĐTCS.
Do các phương trình mô tả động lực học của MMC có mối liên hệ rất cao giữa các biến điều khiển, nên việc điều khiển MMC trở nên phức tạp. Đặc thù của MMC khác biệt so với các BBĐ đa mức khác là có thể tạo ra số mức điện áp rất lớn, tồn tại dòng điện vòng trong mạch và vấn đề điện áp tụ không được cân bằng khi hoạt động [30], [55]. Nhiệm vụ chính của việc điều khiển và vận hành đúng đắn BBĐ MMC gồm: kiểm soát các giá trị đầu ra (dòng điện, điện áp) cũng như các đại lượng bên trong (điện áp tụ điện trên SM và dòng điện vòng) đạt được yêu cầu mong muốn. Điều khiển để kiểm soát hoạt động của dòng điện vòng và điều khiển cân bằng điện áp tụ điện là những nhiệm vụ chính cho hoạt động đúng của MMC. Việc điều khiển các điện áp tụ của SM quanh giá trị định mức là bắt buộc để cung cấp dạng sóng đầu ra ổn định, còn việc điều khiển giá trị dòng điện vòng có thể được thực hiện bằng việc điều khiển sự mất cân bằng điện áp các nhánh do quá trình phóng nạp tụ sinh ra. Vấn đề đặt ra là phải kiểm soát giá trị dòng điện vòng ở mức thấp và điều khiển giá trị điện áp các tụ điện được bật của SM luôn ở vị trí cân bằng trong tất cả các chu kỳ hoạt động nhằm đảm bảo quá trình hoạt động tốt của MMC ổn định lâu dài.
1.4.1 Vấn đề điều khiển cân bằng điện áp tụ điện của MMC
Cân bằng điện áp trong BBĐ MMC bao gồm: Cân bằng điện áp giữa các pha, cân bằng điện áp giữa các nhánh van trong một pha và cân bằng điện áp giữa các tụ điện trong cùng một pha. Cân bằng điện áp giữa các tụ SM của MMC là một trong những vấn đề chính và quan trọng của điều khiển hoạt động trong MMC, vì nó liên quan đến hoạt động an toàn của toàn hệ thống, có tác động đáng kể đến dạng sóng điện áp đầu ra và sinh ra dòng điện vòng có trị số lớn không mong muốn. Việc cân bằng điện áp tụ điện của SM sẽ giúp cho sự dao động điện áp trong tụ điện luôn nằm trong giới hạn cho phép, giúp cho lựa chọn các thiết bị bán dẫn đóng cắt ở mức độ hợp lý và tránh sự đóng cắt không cần thiết để giảm tổn thất trong BBĐ. Có nhiều phương pháp cân bằng điện áp tụ điện của MMC đã được nghiên cứu trong
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
các tài liệu [56], [57], [78], [98]. Tuy nhiên các thuật toán cân bằng phổ biến nhất là thuật toán được thực hiện bằng cách sắp xếp điện áp các tụ điện theo giá trị tăng dần hoặc giảm dần phụ thuộc vào chiều dòng điện để chọn các SM được bật và tắt trong một chu kỳ hoạt động của MMC [57], [78]. Đây là phương pháp cân bằng thường được sử dụng có thể thích ứng với tất cả các điều chế mà không cần mạch vòng điều khiển bổ sung. Ý tưởng cốt lõi của phương pháp này là tính toán có bao nhiêu SM được chèn vào mạch theo chiến lược điều chế. Sau đó, các SM phù hợp nhất được chọn. Phương pháp này vừa đơn giản vừa thiết thực. Tuy nhiên, vấn đề sắp xếp thường xuyên điện áp tụ điện là một gánh nặng cho bộ điều khiển, đặc biệt là trong trường hợp MMC có số lượng lớn các SM.
Trong luận án này, ngoài việc cân bằng điện áp tụ điện bằng cách lựa chọn SM được bật hoặc tắt theo quá trình sắp xếp điện áp tụ trong các phương pháp điều chế.
Luận án đề xuất phương pháp cân bằng điện áp tụ điện dựa trên phương pháp điều chế SVM cho MMC, quá trình cân cân bằng điện áp tụ điện được thực hiện bằng thuật toán dự báo trên tập hữu hạn các trạng thái dư của các vector trạng thái, sao cho giá trị trung bình của điện áp trên tụ trên một nhánh bằng với giá trị đặt, như vậy sẽ luôn đảm bảo được cân bằng điện áp trên tụ giữa các nhánh pha với nhau.
Theo tài liệu [51], trong điều chế SVM cho BBĐ đa mức, ở các cấp điện áp sẽ tồn tại một số các trạng thái dư, phương pháp đề xuất sẽ tận dụng các trạng thái dư này để xây dựng thuật toán dự báo trong một chu kỳ điều chế. Đây là phương pháp rất hữu ích khi MMC có số mức lớn, khắc phục được áp lực tính toán lên bộ điều khiển so với việc sắp xếp chèn điện áp từng tụ điện trên mỗi nhánh pha mà vẫn đảm bảo được hiệu quả cân bằng điện áp tụ điện trong hoạt động của MMC. Ý tưởng của phương pháp được thực hiện bằng cách tính giá trị trung bình điện áp tụ trên mỗi nhánh sau đó giá trị này được so sánh với giá trị đặt và sai lệch sẽ được triệt tiêu bằng hàm mục tiêu. Đây là một trong những ưu điểm lớn của phương pháp điều khiển dự báo vì bộ điều khiển MPC có thể xử lý hiệu quả trước các ràng buộc và nhiều mục tiêu cùng một lúc. Đây là một trong những đóng góp mới góp phần giảm thiểu sự tính toán phức tạp của quá trình điều khiển cân bằng điện áp tụ điện.
1.4.2 Vấn đề điều khiển dòng điện vòng
Dòng điện vòng được móc vòng trong cả ba pha của BBĐ và ảnh hưởng tới quá trình phóng và nạp của điện áp tụ điện mỗi SM khi BBĐ làm việc. Sự phóng nạp sẽ sinh ra một loạt các sóng hài tần số thấp trong dòng điện vòng, đây là các sóng hài không mong muốn và cần được loại bỏ [62]. Tài liệu [43] đã chứng minh rằng dòng điện vòng được tạo ra bởi sự chênh lệch điện áp giữa các nhánh của MMC, dạng sóng của dòng điện vòng hoạt động với tần số gấp đôi tần số cơ bản [62] và được đặt chồng lên thành phần dòng một chiều cung cấp năng lượng trực tiếp từ DC sang AC của MMC. Nghĩa là thành phần của dòng điện vòng bao gồm dòng iDC để
16
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
truyền công suất từ phía DC sang phía AC và các thành phần sóng hài xoay chiều tần số thấp của nó. Dòng vòng chạy qua cả sáu nhánh van, tuy dòng điện vòng không làm ảnh hưởng lớn đến điện áp và dòng điện phía AC nhưng nó là nguyên nhân chính gây nên méo dạng của dòng điện nhánh [65]. Nếu không được loại bỏ dòng điện vòng sẽ gây nên tổn thất trong BBĐ và gây ra ứng suất không mong muốn trên các thiết bị bán dẫn [88]. Quá trình điều khiển dòng điện vòng khi MMC có số SM lớn luôn hướng tới việc thiết kế dễ dàng, loại bỏ được các thành phần bậc cao và chỉ giữ lại thành phần một chiều có tác dụng truyền công suất của BBĐ từ phía một chiều sang phía xoay chiều. Đây là một nhiệm vụ quan trọng để nâng cao hiệu suất cũng như khả năng làm việc của các thiết bị bán dẫn trong MMC.
Mặc dù biện pháp đầu tiên để suy giảm giá trị dòng điện vòng là tăng độ tự cảm của cuộn cảm Lo, nhưng cách này không thể loại bỏ hoàn toàn độ đập mạch của dòng điện vòng và không hiệu quả về mặt chi phí do sụt áp lớn và chi phí cao của cuộn cảm cao áp. Phân tích mối quan hệ giữa điện cảm nhánh Lo và dòng điện vòng bậc hai đã được trình bày trong [61]. Việc kiểm soát không đúng dòng điện vòng có thể có tác động bất lợi đến quá trình truyền công suất từ phía DC sang phía AC của MMC và gây ra tổn thất điện năng. Ngoài ra, thành phần sóng hài của dòng điện vòng có thể làm méo dạng tới điện áp phía AC. Việc loại bỏ các thành phần sóng hài trong dòng điện vòng sẽ dẫn đến hoạt động hiệu quả nhất của MMC về mặt tổn thất chuyển mạch, dẫn điện và cho phép giảm kích thước của tụ điện trong SM. Khi loại bỏ được thành phần sóng hài sẽ làm cho dòng điện nhánh không bị méo và độ mấp mô điện áp tụ sẽ được giảm thiểu. Quá trình này sẽ giúp cân bằng điện áp tụ trong SM. Việc giảm thiểu dòng điện vòng là một yếu tố cần thiết và quan trọng để đạt được hoạt động ổn định và hiệu quả của MMC, đây là việc để dễ dàng lựa chọn các tụ điện có kích thước nhỏ, giảm giá thành của hệ thống và giúp cho quá trình thiết kế nhiệt của BBĐ trở nên dễ dàng hơn. Mối tương quan giữa dòng điện phía AC, dòng điện vòng và điện áp tụ điện làm phức tạp việc điều khiển MMC. Hiện nay đã có nhiều đề xuất trong việc điều khiển triệt tiêu hoặc giảm thiểu dòng điện vòng, cụ thể được trình bày trong các tài liệu [39], [61], [78]. Trong luận án này, tác giả đề xuất chiến lược điều khiển trực tiếp giảm thiểu dòng điện vòng bằng cách cách sử dụng bộ điều khiển tuyến tính PI, để đạt hiệu quả cao phương pháp sẽ kết hợp với bộ cộng hưởng tỷ lệ (PR) để triệt tiêu các thành phần sóng hài tồn tại trong dòng điện vòng và độ nhấp nhô điện áp tụ điện dưới sự chênh lệch điện áp các nhánh trong một pha MMC thông qua việc lọc trực tiếp các sóng hài trong dòng điện vòng bằng cách sử dụng bộ lọc thông thấp (LPF) với dòng điện vòng đo được. Với bộ điều khiển PR, tất cả các thành phần của dòng điện vòng sẽ được điều khiển trực tiếp (chẳng hạn như sóng hài bậc 2, bậc 4…) mà không ảnh hưởng đến thành phần DC của dòng điện vòng. Quá trình này sẽ tạo ra để tạo giá trị đặt của điện áp chênh lệch vdiff để điều khiển dòng điện vòng trong mỗi pha. So với các phương pháp điều khiển khác, khi sử dụng bộ điều khiển PI có nhiều ưu điểm như thiết kế
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
đơn giản, triệt tiêu sai lệch tĩnh tốt, đáp ứng nhanh, hiệu suất ổn định, phạm vi điều khiển rộng. Bộ điều khiển PI sẽ tác động trực tiếp lên dòng điện vòng, các mắt cộng hưởng PR được sử dụng để triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc cao tần số thấp để có được công suất đầu ra mong muốn.
1.4.3 Vấn đề điều khiển trong một số ứng dụng tiêu biểu của MMC
Để MMC hoạt động có hiệu quả trong hệ thống điện, việc thiết kế điều khiển BBĐ MMC để áp dụng trong một số các ứng dụng của MMC đóng vai trò quan trọng khi triển khai MMC trong thực tế. Đây là công việc nhằm minh chứng khả năng hoạt động của MMC để có thể truyền dẫn hoặc trao đổi năng lượng giữa các hệ thống điện khác nhau. Trong triển khai ứng dụng của BBĐ MMC, luận án thực hiện thiết kế các mạch vòng điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI, trong đó mạch vòng bên ngoài là mạch vòng điều khiển công suất, điều khiển từ thông; mạch vòng bên trong là mạch vòng dòng điện. Mạch vòng ngoài thường yêu cầu thời gian tác động chậm hơn mạch vòng dòng điện bên trong, phương pháp điều khiển PI với cách thực thiết kế đơn giản phù hợp để triệt tiêu sai lệch tĩnh của tín hiệu thực và tín hiệu đặt mong muốn nhằm mục đích đảm bảo chất lượng điều khiển cho toàn hệ thống với các ưu điểm như: đảm bảo khả năng tác động nhanh; đảm bảo hệ thống không bị quá tải thông qua các khâu như hạn chế dòng điện; đảm bảo chất lượng mạch vòng dòng điện bên trong và đảm bảo được vấn đề điều khiển các mạch vòng công suất bên ngoài.