CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC
1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu các BBĐ ĐTCS kết nối các nguồn điện và ứng dụng trong công nghiệp đã được nghiên cứu nhiều như: Bộ chỉnh lưu AC/DC;
BBĐ AC/AC (biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được) [6]; BBĐ DC/DC (biến đổi điện áp một chiều có trị trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có trị
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
trung bình thay đổi được); Bộ nghịch lưu DC/AC [10]; Bộ biến tần gián tiếp AC/DC/AC (chỉnh lưu điện áp xoay chiều ngõ vào sau đó chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng điện áp và tần số thay đổi được) [6];
Bộ biến tần ma trận (Matrix Converter) [8]. Tuy nhiên, chưa có công trình nào nghiên cứu bài bản, chi tiết các thuật toán điều chế, điều khiển, tối ưu quá trình làm việc phát triển các ứng dụng cho BBĐ đa mức MMC với kỹ thuật phát triển số mức bất kỳ.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Cấu trúc BBĐ MMC đã được giới thiệu lần đầu từ những năm 2000 bởi Marquardt và Lesnicar [25] mục đích phát triển cấu hình về BBĐ đa mức cho hệ thống biến đổi điện năng công suất lớn, điện áp cao [26], [27], [33], [39], [60].
Trong hàng chục năm qua, BBĐ MMC được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu nhằm tạo ra sản phẩm thương mại có tính năng tốt. Hiện nay, có nhiều các dự án nghiên cứu đánh giá điều khiển và nâng cao hiệu suất của MMC. Các nghiên cứu cho MMC chủ yếu tập trung vào cấu trúc mạch lực, phương pháp mô hình hóa, thuật toán điều khiển cho MMC. Cụ thể như sau:
Các phương pháp mô hình hóa cho bộ biến đổi MMC được trình bày trong các tài liệu [69], [70].
Với các phương pháp điều chế cho BBĐ MMC.
Phương pháp điều chế NLM cho MMC: Phương pháp này tỏ ra rất phù hợp với BBĐ MMC khi số lượng SM ở mức lớn với tần số đóng cắt van thấp hơn nhiều so với các phương pháp khác, đây cũng là ưu điểm lớn nhất của phương pháp điều chế NLM. Kết quả của phương pháp này đã cho thấy chất lượng điện áp tốt với THD nhỏ khi số SM từ 10 SM trở lên, tần số đóng cắt các van bán dẫn ở mức thấp [45].
Tuy nhiên, nhược điểm trong phương pháp này là việc tự cân bằng điện áp tụ của BBĐ gặp nhiều khó khăn, do đó cần phát triển phương pháp điều chế với thuật toán cân bằng điện áp tụ để đạt được sự hoạt động tốt và chuyển đổi năng lượng hiệu suất cao trong BBĐ [49], [62]. Vấn đề này làm gia tăng sự phức tạp của quá trình điều khiển BBĐ MMC.
Phương pháp điều chế PWM: Các phương pháp PWM áp dụng cho MMC có thể kể đến như PSPWM và LSPWM. Ưu điểm chính của phương pháp này đó là quá trình điều chế đơn giản, dễ dàng cho BBĐ MMC [21]. Với phương pháp LSPWM áp dụng cho MMC cần thêm thuật toán cân bằng điện áp tụ, trong khi PSPWM áp dụng cho MMC không cần thuật toán cân bằng điện áp tụ điện mà MMC vẫn hoạt động tốt với điện áp các tụ điện được cân bằng [30], [51]. Nhược điểm chính của phương pháp PWM đó là các van bán dẫn phải đóng cắt ở tần số lớn, khi số mức điện áp lớn thì việc áp dụng phương pháp PWM cho MMC sẽ trở nên khó khăn do việc sắp xếp các sóng mang tam giác sẽ phức tạp hơn [68].
6
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
Phương pháp điều chế SVM: Đây là phương pháp điều chế cho chất lượng thông số phía xoay chiều tốt [50], [51]. Tuy nhiên, việc tính toán phức tạp là nhược điểm chính của phương pháp SVM khi áp dụng cho MMC, đặc biệt khi số mức của MMC là lớn.
Các nghiên cứu về thuật toán điều chế cho MMC đã được thực hiện chi tiết ở các công trình nghiên cứu [30], [41], [42], [43], [45]. Tuy nhiên việc tạo ra quy luật điều chế đơn giản khi số mức của bộ biến đổi tăng lên gặp nhiều khó khăn hoặc quá trình thực hiện còn nhiều phức tạp.
Với các phương pháp điều khiển cho MMC: Các phương pháp điều khiển cho MMC chủ yếu là điều khiển nhằm mục tiêu cân bằng điện áp tụ điện cho MMC được trình bày trong các tài liệu [30], [31]. Điều khiển nhằm suy giảm thành phần sóng hài bậc cao của dòng điện vòng trong mỗi pha của BBĐ MMC, được trình bày trong các tài liệu [29], [73]. Điều khiển nhằm tạo ra các tín hiệu dòng điện, điện áp phía xoay chiều có chất lượng tốt với quá trình chuyển mạch van tối ưu để giảm tổn thất trong MMC, được trình bày trong các tài liệu [38], [46].
Điều khiển hoạt động của MMC trong một số ứng dụng như: Bù công suất phản kháng STATCOM [33], kết nối nguồn năng lượng phân tán với lưới điện [39], [42]. Đây là một số các ứng dụng tiêu biểu của MMC trong hệ thống điện trung áp nhằm cải thiệt tính ưu việt trong hệ thống điện.
Các công trình nghiên cứu về BBĐ MMC đã được thực hiện trong nhiều năm qua. Tuy nhiên, vẫn đang còn nhiều vấn đề tồn tại cần khắc phục của BBĐ MMC mà chưa có các nghiên cứu cụ thể như: thực hiện kỹ thuật điều chế đơn giản cho MMC với số mức bất kỳ trong trường hợp mở rộng cấu hình MMC với số lượng SM không hạn chế; điều khiển hạn chế dòng điện vòng; điều khiển cân bằng điện áp tụ điện với phương pháp điều khiển đơn giản và phù hợp; triển khai các ứng dụng của MMC một cách hiệu quả bằng cách kết hợp các phương pháp điều chế và điều khiển nhằm mục đích đạt được hiệu quả chuyển đổi và hiệu suất cao trong hoạt động của MMC…
1.1.3 Ứng dụng của bộ biến đổi MMC
Trong khoảng vài năm trở lại đây đã có sự phát triển đáng kể về cấu trúc nghịch lưu đa mức nói chung. Về nguyên tắc làm việc nghịch lưu đa mức kiểu MMC có thể được ứng dụng cho các hệ thống công nghiệp như các bộ biến đổi đa mức thông thường, với mục đích ứng dụng trong những trường hợp yêu cầu công suất lớn và điện áp cao trong nhiều các hệ thống khác trong hệ thống điện được thể hiện như Hình 1.1. MMC được ứng dụng trong hệ thống điện sức gió, hệ thống điện mặt trời, điều khiển động cơ điện xoay chiều, hệ thống quạt gió, hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC, hệ thống UPS [33], [34]... Với nhiều ưu điểm khi áp dụng cho hệ thống công suất lớn, thực tế đã có một số quốc gia đã áp dụng hệ thống HVDC
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
như Itaipu, Brazil, Hoa kỳ [74], [75]... để truyền tải năng lượng điện cấp cho lưới điện xoay chiều tần số 50Hz hoặc 60Hz với công suất lên đến 12.600MW có khoảng cách hàng trăm km [79].
Hình 1.1 Một số ứng dụng của BBĐ đa mức trong thực tế (nguồn: [60])