CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC
1.2 Cấu trúc cơ bản và hoạt động của bộ biến đổi MMC
1.2.1 Cấu trúc của bộ biến đổi MMC
Cấu trúc BBĐ MMC được thể hiện như Hình 1.2 gồm có ba pha, mỗi pha của BBĐ được tạo thành từ hai nhánh van gồm nhánh trên và nhánh dưới chứa số lượng N các SM mắc nối tiếp nhau nằm dưới điện áp một chiều chung VDC. Tính năng mở rộng dần cấu trúc bằng việc thêm các SM của MMC cho phép tăng khả năng chịu điện áp trên các SM và sử dụng tối đa các mức điện áp để đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra về trị số THD mà không cần dùng đến các bộ lọc [20]. Điện cảm nhánh Lo
liên kết giữa nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha với đầu ra xoay chiều AC lấy ra từ điểm giữa của hai cuộn cảm nhánh. Các cuộn cảm này có tác dụng hạn chế dòng điện vòng và các quá độ làm việc của BBĐ [42], [78]. Khi thành phần di/dt cao sẽ nguy hiểm cho các thiết bị của MMC và có thể được kiểm soát và giảm thiểu bằng các cuộn cảm này [31],[38]. Các cuộn cảm còn có tác dụng khắc phục quá điện áp và không gây ảnh hưởng đáng kể vào các hoạt động bình thường của MMC vì các dòng nhánh nội bộ được chảy liên tục [52]. Các tổn hao trong mỗi nhánh của MMC được mô tả bởi điện trở Ro, điện trở này còn có tác dụng giúp tụ điện nạp điện tốt hơn và giảm thiểu tăng dòng quá độ trong mạch [55].
8
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
iDC SM
+ + SM1 SM1 SM1 S1
SM2 SM2
VHa SM2
S2 VC
_ SMN SMN SMN
Ro Ro Ro
Lo Lo Lo
iHA iHB iHC iA
VDC vA vB iB
iLA iLB v
C iLC iC
Ro Ro Ro
Lo Lo Lo
SMN+1 SM
+ N+1 SMN+1
SMN+2 SMN+2 SMN+2
vLa
_ _ SM2N SM2N SM2N
Hình 1.2 Cấu trúc bộ biến đổi MMC
Điện áp một chiều đầu vào được cấp bởi một nguồn chung duy nhất VDC (có thể là hệ thống acquy công suất lớn, nguồn điện PV). Tổng điện áp DC của mỗi nhánh MMC bằng tổng điện áp DC trên mỗi SM, nghĩa là mỗi SM sẽ chịu mức điện áp là VDC/N nếu có N là số SM trên mỗi nhánh pha. Điện áp xoay chiều trên các pha là vx
(x = a,b,c) thay đổi từng bước trong phạm vi của VDC/2 đến -VDC/2 với mỗi bước điện áp là VDC/N. Vì cấu trúc của MMC thực hiện theo cách mắc nối tiếp một loạt các SM với nhau, do đó có thể tránh được sự phức tạp trong quá trình điều khiển đồng bộ các van [27], [71]. Đồng thời có thể giảm tổn thất của BBĐ xuống mức rất thấp. Điều này có được là do tần số đóng cắt thấp trong các van của mỗi SM và điện áp lên chúng cũng ở mức thấp [29], [30].
Khi hoạt động, mỗi SM sẽ thực hiện việc đóng cắt ở các thời điểm khác nhau do đó BBĐ có thể đạt được hiệu suất cao cũng như làm giảm độ méo sóng hài [31], [33]. Tùy thuộc vào cấu trúc của MMC, các SM có cấu tạo khác nhau [38], [39].
Cấu trúc phổ biến nhất của SM là sơ đồ nửa cầu H với phía DC chỉ gồm một tụ điện. SM dạng nửa cầu H có ưu điểm là chỉ dùng một số ít nhất gồm hai khóa bán dẫn với chức năng đưa điện áp phía tụ DC ra phía AC. Trong luận án này chỉ sử dụng cấu trúc SM dạng nửa cầu cho cấu hình MMC. Cấu trúc SM dạng nửa cầu cho điện áp đầu ra có hai mức là 0 hoặc VC (điện áp trên tụ điện của SM) tùy thuộc vào trạng thái tín hiệu đóng/cắt của cặp van bán dẫn IGBT S1 và S2. Số lượng các SM trong BBĐ MMC phụ thuộc vào yêu cầu về cấp điện áp ở phía xoay chiều cũng như công suất trao đổi từ phía một chiều sang phía xoay chiều. Về lý thuyết, số lượng SM có thể tăng lên không hạn chế nhằm đáp ứng với mọi yêu cầu về mức điện áp ở phía xoay chiều [27], [37]. So với các BBĐ đa mức CHB, NPC thì BBĐ MMC có các ưu điểm và nhược điểm như sau:
* Ưu điểm:
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
+ Có thể áp dụng cho hệ thống công suất lớn, điện áp cao.
+ Tính khả dụng cao, điện áp đặt lên các van bán dẫn được chia nhỏ, vì vậy có thể mở rộng tới hàng trăm mức điện áp, bằng cách thêm các SM vào mỗi pha BBĐ và dễ dàng trong việc sửa chữa và vận hành, vì vậy độ tin cậy của BBĐ thường cao hơn so với các BBĐ đa mức khác [37].
+ Các van trên một pha đóng cắt ở các thời điểm khác nhau trong chu kỳ trích mẫu bởi chương trình điều khiển nên tần số chuyển mạch thấp và tạo ra tổng độ méo sóng hài thấp [30].
+ BBĐ có thể chịu được quá độ trong giới hạn cho phép khi có sóng quá độ lan truyền vào BBĐ, chi phí giá thành thấp hơn so với các BBĐ cùng cấp điện áp [26].
+ Đối với các ứng dụng nối lưới thì BBĐ MMC có khả năng bù công suất phản kháng, loại bỏ sóng hài, đồng thời cân bằng tải [33].
+ Hoạt động của hai phía một chiều và xoay chiều không cần bộ lọc đầu ra hay máy biến áp cách ly và thiết bị làm mát, do đó kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý hơn so với các BBĐ cùng cấp điện áp [55].
* Nhược điểm:
+ Tồn tại dòng điện vòng móc vòng từ nhánh trên qua nhánh dưới trong mỗi pha, đây là nguyên nhân gây tổn thất điện năng và làm giảm giới hạn chịu đựng của các linh kiện bán dẫn [29], [32], [33].
+ Điều khiển phức tạp khi số mức điện áp tăng và số lượng SM lớn.
+ Khi cấu trúc càng mở rộng thì số lượng SM tăng, khi đó số van bán dẫn cũng sẽ tăng lên dẫn đến chi phí của BBĐ sẽ cao.
1.2.1 Nguyên lý tạo một mức điện áp của SM dạng nửa cầu
S1 D1 S1 D1 S1 D1 VDC/N S1 D1
i i VDC/N
VDC/N VDC/N i i
VSM S2 D2 V
SM
S2 D2 VSM S2 D2 V
SM
S2 D2
a) b) c) d)
Hình 1.3 Trạng thái đóng cắt của S1 và S2: (a) và (b) Khi dòng điện có chiều dương; (c) và (d) khi dòng điện có chiều âm
Để tạo điện áp đầu ra AC, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu bật hoặc tắt cho các IGBT của SM. SM được chèn vào (insert) hoặc bỏ qua (bypass) dựa trên trạng thái của các van trong SM. Cấu trúc của SM dạng nửa cầu có hai trạng thái chuyển đổi:
- S1 ở trạng thái ON và S2 ở trạng thái OFF.
- S1 ở trạng thái OFF và S2 ở trạng thái ON.
Hai khóa này không được phép bật cùng một lúc, bởi vì điện áp tụ điện sẽ được phóng hoàn toàn và sau đó nó sẽ trở thành không có tác dụng. Bằng cách xem xét
10
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
các trạng thái chuyển mạch, bốn trạng thái làm việc khác nhau có thể được thực hiện dựa trên các hướng dòng điện như Hình 1.3.
Các trạng thái đóng cắt được mô tả cụ thể trong bốn trường hợp như sau:
TH1: S1 được OFF S2 được ON (Hình 1.3a) và dòng điện được quy ước theo chiều dương. Dòng điện i sẽ đi qua S2, VSM sẽ bằng không (điện áp tụ được giả định là không) và tụ điện được “bỏ qua”. Trạng thái này gọi là trạng thái SM bị “bypass".
TH2: S1 được ON và S2 được OFF (Hình 1.3b) và dòng điện được quy ước theo chiều dương. Trong trường hợp này dòng điện i sẽ đi qua D1 và tụ điện sẽ tích điện và VSM = VC. Điện áp của nhánh được thiết lập trên SM và sẽ tăng lên một bước.
Trạng thái này gọi là trạng thái SM được “insert”.
TH3: S1 được ON và S2 được OFF (Hình 1.3c) và dòng điện được quy ước theo chiều âm. Trường hợp này dòng điện có chiều ngược lại. Bộ điều khiển sẽ bật S1 để kết nối các tụ điện với mạch và tăng điện áp nhánh lên một bước. Trong trạng thái này, các tụ điện được phóng và VSM = VC. Trạng thái này SM được “insert”.
TH4: S1 được OFF và S2 được ON (Hình 1.3d) và dòng điện được quy ước theo chiều âm. Trong trạng thái này, D2 được bật và dòng điện sẽ đi qua nó. Các tụ điện sẽ được “ngắn mạch” và VSM = 0. Đây cũng là trạng thái SM được “bypass”.
Bảng 1.1 Điện áp ngõ ra của SM
Trạng thái van Điện áp ra Chiều dòng điện Trạng thái tụ
S1 S2
0 1 0 + Nối tắt
1 0 VC + Nạp
1 0 VC - Xả
0 1 0 - Nối tắt
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC
Trong hoạt động bình thường của MMC trong Hình 1.2, tất cả các tụ điện được tích điện đến giá trị định mức là VDC/N. Để đạt được giá trị này, tài liệu [60] đã đề xuất quy luật “insert” hoặc “bypass” các SM, trong đó mỗi SM của một nhánh được bật sẽ tắt số SM tương ương của nhánh còn lại sao cho trong một chu kỳ làm việc luôn có N các SM được bật ở mỗi pha. Các tụ điện được bật và tắt bởi các xung điều khiển độc lập [61]. Trong MMC, các tụ điện không đóng vai trò tích điện cho các nguồn điện chính mà được tích điện để phục vụ cho một mức điện áp có giá trị bằng
DC/N. Khi tất cả các tụ điện đã được tích điện, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu để bật và tắt các SM để tạo ra điện áp AC từ một nguồn DC hoặc ngược lại [33]. Tại mỗi thời điểm lấy mẫu, chỉ một nửa trong tổng số SM trong một pha là được bật (tức là N các SM được bật). Do đó, tổng số các tụ điện làm việc nối từ nhánh trên và nhánh dưới cùng là bằng N tại mọi thời điểm.
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
BBĐ MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp được tạo ra bởi mỗi SM để tạo ra điện áp xoay chiều AC ở từng pha của các BBĐ. Nếu có một SM được chèn vào ở nhánh dưới, nhưng không có SM nào ở nhánh trên bị bỏ qua thì sẽ có N+1 các SM được chèn vào, khi đó điện áp trung bình sẽ là VDC/(N+1), như vậy điện áp trung bình trên mỗi tụ được chèn vào đã bị thay đổi. Để tránh trường hợp này, bộ điều khiển sẽ tác động để có N các SM ở trên mỗi pha được sử dụng để đạt được điện áp đầu ra mong muốn. Do đó tổng điện áp đặt lên tất cả các tụ (kể cả được chèn vào hay bỏ qua) là VDC. Từ quá trình bật tắt của các SM nên điện áp trên phía xoay chiều AC luôn dao động trong các mức –VDC/2 đến +VDC/2 với mỗi bước điện áp là VDC/N. Để dễ dàng phân tích ta xem như mỗi nhánh của MMC đại diện cho một nguồn điện áp điều khiển được [68]. Điện áp AC tăng bằng cách tắt các SM ở nhánh trên đồng thời bật cùng lúc số SM tương ứng ở nhánh dưới. Tuy nhiên,
ở mỗi thời điểm chỉ tăng hoặc giảm một mức điện áp để có được dạng sóng điện áp bậc trơn tru. Ở đây ta mới chỉ xét đến số lượng các SM được chèn vào và bỏ qua mà chưa xét đến cách làm thế nào để xác định tại thời điểm đó ta cần bao nhiêu SM được chèn vào, bao nhiêu SM bị bỏ qua cho từng nhánh, từng pha. Vì vậy cần có phương pháp điều khiển phù hợp để xác định được số SM chèn vào hay bỏ qua.
Trong chế độ vận hành bình thường, giá trị dòng điện đi qua mỗi nhánh BBĐ là một đại lượng xoay chiều và khác nhau đối với từng nhánh [27], [77]. Vì sự lệch pha giữa 3 dòng điện phía AC nên trạng thái xả và nạp của các tụ trên từng pha được thay đổi liên tục từ pha này sang pha khác. Khi đó sẽ xuất hiện điện áp chênh lệch tức thời với các SM ở nhánh liền kề nếu điện áp trung bình trong cùng một chu kỳ là giống nhau. Vì tổng số SM được chèn vào trong một nhánh là không đổi nên tổng điện áp trên một nhánh trong một chu kỳ là đại lượng dao động cùng tần số với phía xoay chiều. Tuy nhiên đại lượng này dao động không đồng bộ ở các nhánh của BBĐ, tạo thành sự mất cân bằng điện áp giữa các điện áp chèn vào ở từng nhánh gây ra xuất hiện dòng điện. Dòng điện này chảy trong các nhánh của BBĐ và được gọi là dòng điện vòng. Dòng điện vòng ít gây ra hiệu ứng bên ngoài cả phía AC lẫn DC. Tuy nhiên, dòng điện vòng là nguyên nhân gây ra tổn thất của BBĐ [40]. Chất lượng điều khiển của dòng điện vòng được thỏa mãn khi biên độ của nó có giá trị thấp và các thành phần sóng hài trong dòng điện vòng được loại bỏ. Trong hình Hình 1.2, cuộn cảm Lo trên mỗi nhánh có vai trò làm giảm ảnh hưởng của dòng điện vòng. Nếu giá trị Lo của từng nhánh lớn hơn thì biên độ dòng điện vòng sẽ nhỏ đi.
Tuy nhiên khi giá trị Lo lớn, thì thời gian đáp ứng của hệ thống tăng lên, BBĐ sẽ không thể thay đổi nhanh chóng được giá trị dòng điện vòng nên tính toán chọn giá trị điện cảm cần phù hợp với đáp ứng của hệ thống [29].
12