MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Bộ biến đổi (BBĐ) đa mức được coi như một giải pháp hiệu
quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao. BBĐ mô đun
hóa MMC với một nguồn DC chung có thể chuyển đổi được điện
năng với điện áp lớn và công suất cao. BBĐ này có những ưu điểm
lớn đó là tính mô-đun hóa cao, khóa bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở điện
áp thấp, giảm tổn hao do chuyển mạch, độ tin cậy cao, linh hoạt
trong sửa chữa và thay thế thiết bị. Với cấu trúc mô đun hóa, MMC
có thể tạo ra số mức rất lớn. Chiến lược điều khiển cho MMC bao
gồm: quá trình điều chế, cân bằng điện áp trên các tụ DC, và đặc thù
đối với MMC là vấn đề suy giảm sóng hài bậc cao của dòng điện
vòng. Các kỹ thuật điều chế được chia làm hai loại: điều chế tại tần
số cơ bản và điều chế độ rộng xung PWM. Đối với điều chế ở tần số
cơ bản bao gồm các phương pháp điều chế theo mức gần nhất
(NLM) và mở rộng của nó là NLM cải tiến. Phương pháp điều chế
SVM có những ưu điểm ở khả năng linh hoạt hơn nhiều so với PWM
dựa trên sóng mang. SVM có khả năng tạo ra quỹ đạo vector mong
muốn có dạng bất kỳ nhờ lựa chọn các vector trạng thái và các thời
gian phù hợp trong một chu kỳ điều chế. Vấn đề cân bằng điện áp
cho các tụ một chiều DC của MMC bao gồm cân bằng điện áp giữa
các tụ trên một nhánh pha và cân bằng điện áp giữa các pha với
nhau. Có nhiều phương pháp thực hiện cân bằng điện áp tụ này, tùy
thuộc vào mỗi phương pháp điều chế được lựa chọn. Trên cơ sở
SVM cho MMC đưa ra cân bằng điện áp 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 bằng với giá trị đặt,
như vậy sẽ luôn đảm bảo được cân bằng điện áp trên tụ giữa các
nhánh pha với nhau. So với các BBĐ đa mức khác thì trong mạch
MMC có tồn tại dòng điện vòng, dòng điện vòng trong MMC đóng
vai trò là dòng DC quyết định sự cân bằng công suất giữa phía DC
với phía AC. Vì vậy suy giảm thành phần sóng hài của dòng điện
vòng là một nhiệm vụ quan trọng của hệ thống điều khiển. Luận án
này tập trung nghiên cứu về BBĐ đa mức có cấu trúc MMC.
1
Đối tượng nghiên cứu:
BBĐ đa mức cấu trúc MMC, các phương pháp điều chế
SVM, PWM, NLM, phương pháp điều khiển MPC áp dụng cho
MMC để cân bằng điện áp trên các tụ điện và suy giảm thành phần
sóng hài dựa trên việc triệt tiêu giá trị dòng điện vòng, đề tài cũng
nghiên cứu một số ứng dụng tiêu biểu trong hệ thống điện dựa trên
cấu trúc BBĐ MMC. Thực nghiệm các phương pháp điều chế cho
MMC nhúng trong đối tượng xử lý tín hiệu số FPGA AX309 Xlinx.
Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều khiển, điều
chế và thuật toán chuyển mạch đảm bảo các yêu cầu đã đặt ra cho
BBĐ. Nghiên cứu mô phỏng trên máy tính kiểm chứng hoạt động
của mô hình, nghiên cứu thực nghiệm để chứng minh hoạt động thực
tế của thuật toán điều khiển cho MMC.
Mục tiêu đề tài:
Xây dựng thuật toán điều chế cho MMC có khả năng mở rộng để
tạo số mức bất kỳ, thiết kế các thuật toán điều khiển dòng điện vòng,
điều khiển cân bằng điện áp trên tụ điện, điều khiển BBĐ MMC
trong các ứng dụng, xây dựng mô hình thực nghiệm BBĐ MMC ba
pha có 12 SM trên mỗi pha nhằm chứng minh khả năng chế tạo BBĐ
này trong các hệ thống biến đổi nguồn điện.
Vấn đề và phạm vi nghiên cứu:
Về lý thuyết: Xây dựng mô hình toán học cho BBĐ MMC, phân tích
và đánh giá khả năng ứng dụng của các phương pháp điều điều chế
NLM, SVM, PWM, phương pháp điều khiển MPC, các thuật toán
cân bằng điện áp trên các tụ điện kết hợp với phương pháp điều
khiển PI và các khâu cộng hưởng PR. Thiết kế các mạch vòng dòng
điện, mạch vòng điện áp, mạch vòng công suất để đảm bảo hoạt
động của MMC trong các ứng dụng tiềm năng.
Về thực tế: Đề tài xây dựng mẫu thí nghiệm BBĐ MMC để kiểm
chứng các thuật toán điều chế tạo ra điện áp có dạng bậc thang phía
xoay chiều, nhằm mục đích chứng minh tính đúng đắn của phương
pháp đề xuất so với nghiên cứu lý thuyết.
Những đóng góp mới của luận án:
2
1. Xây dựng thuật toán điều chế PWM, NLM, SVM với quy luật tạo
số mức không hạn chế đảm bảo tối ưu thành phần sóng hài cho BBĐ
MMC cần mở rộng cấu hình. Trong đó, luận án đã xây dựng thuật
toán chuyển mạch tối ưu cho MMC có số mức bất kỳ nhằm đơn giản
hóa thuật toán điều chế SVM đối với MMC có số mức lớn.
2. Xây dựng mô hình dự báo điều khiển cân bằng điện áp trung bình
mỗi nhánh van của MMC dựa trên các mức trạng thái điện áp dư
trong phương pháp điều chế SVM.
3. Thiết kế bộ điều khiển suy giảm và triệt tiêu thành phần sóng hài
tồn tại trong dòng điện vòng bằng bộ điều khiển tuyến tính PI kết
hợp với các khâu cộng hưởng PR. Ngoài ra, luận án cũng đã thiết kế
điều khiển một số ứng dụng tiêu biểu dựa trên MMC để chứng minh
hoạt động trong thực tế.
4. Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống BBĐ MMC có 12 SM
trên mỗi pha trong phòng thí nghiệm, với các thuật toán được cài đặt
trên FPGA AX309 Xilinx 80 chân I/O để chứng minh quá trình làm
việc của MMC với các phương pháp điều chế NLM, PWM, SVM đã
đề xuất.
Bố cục luận án gồm 5 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan về BBĐ đa mức MMC
Chương 2. Thực hiện mô hình hóa BBĐ MMC
Chương 3. Các phương pháp điều chế cho BBĐ MMC
Chương 4. Hệ thống điều khiển trong các ứng dụng cho BBĐ MMC
Chương 5. Xây dựng hệ thống thực nghiệm
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC
MMC là BBĐ đa mức có đặc tính ưu việt như tính module hóa,
cấu hình có thể mở rộng tạo ra số lượng lớn các mức điện áp với
công suất khác nhau, có thể chuyển đổi với hiệu suất cao và tổn hao
thấp mà không cần bộ lọc phía xoay chiều, điều này có được là do
cấu hình MMC mắc nối tiếp hàng loạt các Sub-module trong mỗi
pha. Nhờ có nhiều ưu điểm vượt trội và chỉ cần một nguồn DC duy
nhất phía một chiều nên MMC phù hợp để áp dụng cho dải công suất
lớn, điện áp cao. BBĐ MMC có thể khắc phục được những nhược
3
điểm của các BBĐ đa mức CHB, NPC như: cấu hình đơn giản, dễ
dàng mở rộng theo yêu cầu trị số của điện áp AC, điều khiển dễ
dàng, linh hoạt trong thay thế và sửa chữa.
1.1 Cấu trúc cơ bản và hoạt động của bộ biến đổi MMC
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.
iDC
SM
+
VHa
_
VDC/2
SM1
SM1
SM1
SM2
SM2
SM2
SMN
SMN
SMN
S2
Ro
Lo
Ro
Lo
iHa
0
vb
iLa
iHc
iLb
vc
Ro
Ro
Ro
Lo
Lo
Lo
+
SMN+1
SMN+1
SMN+1
vLa
SMN+2
SMN+2
SMN+2
SM2N
SM2N
SM2N
_
VC
Ro
Lo
iHb
va
VDC/2
S1
ia
ib
ic
iLc
Hình 1.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC
So với các BBĐ đa mức CHB, NPC thì BBĐ MMC có các ưu
điểm và nhược điểm như sau:
* Ưu điểm: Có thể áp dụng cho hệ thống công suất lớn, điện áp
cao; chi phí giá thành thấp hơn so với các BBĐ cùng cấp điện áp;
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.
* 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 tăng giới hạn chịu đựng của các linh kiện bán dẫn; Điều
khiển phức tạp khi số mức điện áp tăng và số lượng SM lớn.
1.2 Vấn đề điều chế cho bộ biến đổi MMC
Các phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức có thể chia thành hai
nhóm lớn là thuật toán dựa trên điều chế SVM và thuật toán dựa trên
mức điện áp gồm: Phương pháp PWM; Phương pháp NLM. Khi
4
đánh giá về tổn thất, các phương pháp điều chế có tần số thấp được
sử dụng nhiều hơn trong ứng dụng công suất cao vì có khả năng giảm
tổn thất đóng cắt trong khi chất lượng điện áp đầu ra vẫn thỏa mãn yêu
cầu, đạt hiệu quả cao hơn so với phương pháp có tần số cao.
Hình 1.2 Tổng quan về phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức
1.3 Vấn đề điều khiển cho bộ biến đổi MMC
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. 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.
1.3.1. Vấn đề điều khiển cân bằng điện áp tụ điện trong MMC
Cân bằng điện áp trong 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. Có nhiều phương pháp cân bằng điện áp tụ điện của MMC đã
5
được nghiên cứu trong các tài liệu. 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. 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. 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 một trong những ưu điểm lớn của
phương pháp điều khiển dự báo vì bộ điều khiển MPC. 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.
1.3.2. Vấn đề điều khiển dòng điện vòng
Dòng điện vòng được sinh ra trong cả ba pha của BBĐ do sự phóng
và nạp của điện áp tụ điện mỗi SM trong quá trình hoạt động. 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. 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 . 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 páp
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.
6
1.5 Định hướng nghiên cứu và đóng góp của luận án
Phát triển thuật toán điều chế PWM, NLM, đặc biệt là thuật toán
điều chế SVM cho nghịch lưu MMC không hạn chế số mức;
Giải quyết vấn đề cân bằng điện áp trên các tụ DC bằng việc tận
dụng các mức trạng thái dư của phương pháp điều chế SVM dựa trên
thuật toán dự báo trong một chu kỳ điều chế;
Giải quyết vấn đề suy giảm thành phần sóng hài bậc cao trên
dòng điện vòng bằng các mạch vòng điều chỉnh sử dụng bộ điều
khiển PI kết hợp với các mắt cộng hưởng PR để loại bỏ sóng hài bậc
cao tần số thấp.
Xây dựng mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm của
BBĐ MMC 3 pha hoạt động với 12SM trong mỗi pha.
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI MMC
2.1 Mô hình của BBĐ MMC khi nối tải R-L
IDC
+
vHx
VDC/2
_
SM1
SM
SM2
S1
SMN
S2
Ro
+
_VC
R
Ro/2
L
Lo/2
Lo
N
L
iHx
R
ix
iLx
vx
vex
Ro
Lo
+ SMN+1
VDC/2
ivx
vLx SMN+2
_
SM2N
Hình 2.1 Cấu trúc MMC một pha
Mô tả mô hình toán học của MMC như (2.1)
7
Ro
Lo
ivx
d
Nk Hx
VCHx
dt CSM
V
CLx Nk
Hx
CSM
k Hx
2 Lo
1
k Lx
2 Lo
ivx 2
k Hx N
0 VCHx
VDC
V 2CSM
CLx k Lx N
0
2CSM
0
0
ix
ix
Equation Chapter 2 Section 1(2.1)
Điện áp đầu ra có dạng:
1
vex k Lx k Hx VC k MxVCe ; k Mx k Lx k Hx
2
Mối quan hệ của điện áp một chiều VDC với các đại lượng
chiều như (2.3).
d iLx iHx
VDC vLx vHx Lo
Ro iLx iHx
dt
Công suất mỗi pha của BBĐ được xác định theo (2.4).
IV
IV
Px PHx PLx I DCVDC x x cos x x cos 2t
2
2
2.2 Mô hình BBĐ MMC trong chế độ nối lưới
(2.2)
xoay
(2.3)
(2.4)
IDC
+
VHa
VDC/2
_
SM1
SM1
SM1
SM2
SM2
SM2
SMN
SMN
Ro
Lo
SMN
Ro
Lo
iHa
iHb
va
0
VDC/2
Ro
Lo
vb
iLa
iLb
vc
Ro
Ro
Ro
Lo
Lo
Lo
+
SMN+1
SMN+1
SMN+1
vLa
SMN+2
SMN+2
SMN+2
SM2N
SM2N
SM2N
_
iHc ia
ib
ic
iLc
ua
Lf
Rf
Lf
Rf
ub
Lf
Rf
uc
Hình 2.2 Sơ đồ tương đương BBĐ MMC nối lưới
8
Mô hình BBĐ MMC nối lưới được thể hiện như hình Hình 2.2.
Phương trình toán học của sơ đồ Hình 2.2 mô tả như (2.5)
Ro
Lo dia
vea ua ( R f 2 )ia ( L f 2 ) dt
Ro
Lo dib
veb ub ( R f )ib ( L f )
2
2 dt
Ro
Lo dic
vec uc ( R f 2 )ic ( L f 2 ) dt
(2.5)
2.3 Tóm tắt và kết luận
BBĐ đa mức MMC là một cấu trúc mới, có nhiều ưu điểm so
với các BBĐ đa mức khác cùng cấp điện áp, do có cấu trúc đặc biệt
nên BBĐ MMC thường áp dụng cho các hệ thống với cấp điện áp
cao. Khi sử dụng ở cấp điện áp cao, cấu hình BBĐ MMC cũng trở
nên phức tạp. Việc mô tả tính động học cũng như mô hình hóa cũng
trở nên phức tạp. Trong chương này, tác giả đã trình bày mô hình
toán học của BBĐ MMC trong các chế độ hoạt động khác nhau như:
mô hình trong chế độ cơ bản nối tải RL, mô hình trong chế độ kết nối
lưới điện.
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SVM CHO BỘ
BIẾN ĐỔI MMC
3.1 Phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức
V10
V11
(-1,1,-1)
V12
V3
(1-,1,0)
V13
V4
(-1,1,1)
V14
(-1,0,-1)
(0,1,0)
V0
V5
(-1,-1,0)
(0,0,1)
V2
V6
(-1,-1,1)
(1,1,0)
(0,0,-1)
(1,0,1)
(0,-1,0)
V8
(1,0,-1)
V7
(0,-1,-1)
(1,-1,-1)
V18
(1,-1,0)
V17
V16
V15
(1,1,-1)
(1,1,1)
(0,0,0) V1
(-1,-1,-1)
(0,1,1)
(-1,0,0)
(-1,0,1)
V9
(0,1,-1)
(0,-1,1)
(1,-1,1)
Hình 3.1 Trạng thái vector điện áp của BBĐ ba mức
9
Hình 3.1 thấy rằng trong hệ tọa độ abc vector V7 (1,-1,-1) có
trạng thái ngược dấu với vector đối xứng qua gốc tọa độ, V13 (1,1,1), V8 (1,0,-1) ngược dấu với V14 (-1,0,1)….
3.1.1 Tính các hệ số điều chế theo phương pháp điều chế từ ba
vector gần nhất
h
b
p3(kg,kh+1)
mh
vrh
p4(kg+1,kh+1)
V2
V1
mg
p1(kg,kh)
p2(kg+1,kh)
g
0
vrg
a
Hình 3.2 Tổng hợp vector điện áp từ ba vector đỉnh của tam giác
Gọi mg, mh là phần thập phân ngoài phần nguyên của tọa độ vrg,
vrh tương ứng:
mg vrg vrg vrg k g
, Equation Chapter (Next) Section 1(3.1)
mh vrh vrh vrh k h
Có thể thấy rằng đường thẳng mg mh 1 chia hình thoi trên
hình 5 ra làm hai tam giác, trong đó vector V1 thuộc miền mg mh 1
và vector V2 thuộc miền mg mh 1
Vector V1 có thể tổng hợp từ 3 vector p1, p2, p3 như sau:
V1 p1 mg p 2 p1 mh p3 p1
1 mg mh p1 mg p 2 mh p3
(3.2)
Vector V2 có thể tổng hợp từ 3 vector p2, p3, p4 như sau:
V2 p 4 1 mg p3 p 4 1 mh p2 p 4
(3.3)
mg mh 1 p 4 1 mg p3 1 mh p 2
3.1.2 Xác định vị trí của vectơ v trong sector lớn
Thể hiện trên mặt phẳng vector ba hệ tọa độ góc phần sáu (Z1x,
Z1y), (Z2x, Z2y), (Z3x, Z3y), như trên Hình 3.3, trong đó (Z1x, Z1y) đã sử
10
dụng ở trên như hệ tọa độ gh, sẽ giúp phân biệt được ngay các góc
phần sáu I, II, …, IV.
Z2y
Z1y
Z3x
Z2x
II
II
III
I
Z1x
0
IV
II
III
I
Z3y
0
IV
VI
III
I
0
IV
VI
VI
V
V
V
Hình 3.3 Ba hệ tọa độ không vuông góc tạo nên các góc phần sáu
Tọa độ [g,h]
Đúng
Sai
Z1x.Z1y < 0
Đúng
Z1x > 0
Sector I
Đúng
Sector III
Sai
Z2x > 0
Sector II
Sai
Z1x > 0
Sector IV
Sai
Z2x.Z2y < 0
Đúng
Đúng
Sai
Sector V
Sector VI
Hình 3.4 Thuật toán xác định sector lớn
3.2 Trật tự tối ưu về số lần chuyển mạch và chất lượng sóng hài
điện áp ra
V10
V11
(-1,1,-1)
V9
(1,1,-1)
(0,1,-1)
4
V12
V3
(1-,1,0)
(-1,0,-1)
(0,1,0)
V2
(1,1,0)
(0,0,-1)
1
V13
V4
(-1,1,1)
V14
(1,1,1)
(0,0,0) V1
(-1,-1,-1)
(0,1,1)
(-1,0,0)
V0
V5
(-1,-1,0)
(0,0,1)
(-1,0,1)
V6
V16
V15
(-1,-1,1)
V8
(1,0,-1)
3
(1,0,1)
(0,-1,0)
2
V7
(0,-1,-1)
(1,-1,-1)
V18
(1,-1,0)
V17
(0,-1,1)
(1,-1,1)
Hình 3.5 Trật tự chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu ba pha 3 mức
11
3.3 Thực hiện quy luật điều chế SVM cho MMC
Pha C
iHc
Pha B
iHb
Pha A
Vg
Vg
[Vgu]
0gh Vg
Vh
abc
dul
Xác
Chọn dlu
định [Vgl]
tam
phần
giác 1 d
uu
tọa độ [Vhu ]
hoặc 2
nguyên
và hệ số
[kg, kh ]
điều d
ll
theo [Vhl]
chế
(3.22)
Xung SM1a
SM2a
điều
khiển SM3a
van pha
SM4a
A
Xung
điều
khiển
van pha
B
SM1c
SM2c
SM3c
Vh
iHa
VDC/2 +
SM1a
_
VHa
R
ic
NOT
SM2b
_
ro
L
ib
Lo
ia
SM4b
S1
SM1c
Vh
+
NOT
Xung
SM2c
điều
khiển SM3c
van pha SM4c
C
NOT
SM3a
NOT
SM4a
+
+
S2
VC V /2 _
DC
VLa
iLc
_
iLb
iLa
Hình 3.6 Cấu trúc phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC
3.4 Mô phỏng phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC
6000
3000
2000
1000
0
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 3.7 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A của MMC
Dòng điện (A)
40
20
0
-20
-40
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 3.8 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải
4000
3000
2000
Điệnáp(V)
Điện áp (V)
5000
4000
1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 3.9 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều
12
Điện áp các tụ nhánh trên
Điện áp các tụ nhánh dưới
Điện áp (V)
1010
1005
1000
995
990
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 3.10 Điện áp các tụ điện nhánh trên và nhánh dưới pha A
Pha A
D ò n g đ iệ n (A )
30
Pha B
Pha C
20
10
0
-10
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 3.11 Dòng điện vòng trong mỗi pha của bộ biến đổi MMC
3.5 Điều khiển dự báo cân bằng điện áp trung bình tụ điện
Mô hình dự báo dòng điện vòng trong chu kỳ làm việc tiếp theo
mô tả như (3.4).
ivj t1 ivj t0
1 VDC vLj t0 vHj t0
t1
L
2
Mô hình dự báo điện áp tụ điện:
ivj t0 ivj t1 i j t0 1
vC , Hj t1 vC ,Hj t0
t1
2
2 C
ivj t0 ivj t1 i j t0 1
t1
vC , Lj t1 vC , Lj t0
2
2 C
(3.4)
(3.5)
Để cân bằng điện áp trên tụ quanh giá trị cân bằng VDC/N , hàm
mục tiêu được tối thiểu như phương trình (3.6).
2
2
(3.6)
JV v jC , H VC v jC , L VC
j A, B ,C
13
Cập nhật: u1(k) = [d1 d2 d3 D1 D2 kg kh Secto]
u2(k) = [iA iB iC]
u3(k) = [ivA ivB ivC]
u4(k) = [ve_H A ve_H B ve_HC ve_LA ve_LB ve_LC]
u5(k) = [v_diffA v_diffA v_diffA]
ksim = kSm in
Đúng
Sai
ksim <= kSmax
Điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức MMC
[kg kh ksim]
Cập nhật N; Vdiff_x; VD C
kA,B,C = [kA, tA, kB, tB, kC, tC]
*
Thuật toán xác định k H x, k
theo công thức (3.52)
(x = A, B, C)
*
Đúng
Lx
Sai
Đúng
Sai
kLx, kH x = 0
kLx, kH x = N
Đúng
tLx > tH x
t1 = tH x; kH x1 = kH x; kLx1 = kLx
t2 = tLx – tHx; kH x1 = kHx+1; kLx1 = kLx
t3 = Ts/2 – (t1+t2 ); kH x1 = kH x+1; kLx1 = kLx+1
Sai
t1 = tH x; kHx1 = kH x; kLx1 = kLx
t2 = tLx – tH x; kH x1 = kH x+1; kLx1 = kLx
t3 = Ts/2 – (t1+t2); kH x1 = kH x+1; kLx1 = kLx+1
[ktHx, ktLx] = [kH x1, kLx1, t1, kH x2, kLx2, t2, kH x3 , kLx3, t3]
k =1
k=4
k = k+1
Đúng
k = k+1
Sai
k =3?
Sai
k = 6?
Đúng
Sai
Đúng
Jvmin = Jv; kopt = ksim; kAB Cout = kAB C
ksim = ksim+1
Hình 3.12 Thuật toán điều khiển MPC xác định JVmin và kOpt
14
3.6. Điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao của dòng
điện vòng trong MMC
PR2
iHj
+
+
1/2
ivj
iv,h_j
PR1
_
+
LPF
ivj
iLj
+
+
+
1/VDC
Vdiff_j
PI
kp+ki/s
Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển dòng điện vòng một pha của MMC
3.7 Kết quả mô phỏng MMC dựa trên thuật toán điều khiển dự
báo dòng điện vòng và cân bằng điện áp tụ điện cho MMC
100
Dòng điện (A)
50
0
-50
-100
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 3.14 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải
4000
3000
Điện áp (V)
2000
1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 3.15 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc
1020
Điện áp (V)
1000
980
960
940
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 3.16 Điện áp các tụ điện nhánh trên và nhánh dưới pha A
15
Dòng điện (A)
40
30
20
10
0
-10
0
0.1
0.3
0.2
Thời gian (s)
Hình 3.17 Dòng điện vòng trong ba pha của BBĐ MMC
3.8 Tóm tắt và kết luận
Trong chương 3, tác giả đã đưa ra các biện pháp kỹ thuật của việc
thực hiện các phương pháp điều chế BBĐ MMC. Do phương pháp
SVM có kỹ thuật thực hiện tương đối phức tạp nhưng điều chế SVM
cho kết quả điều chế tốt nhất, vì vậy tác giả sử dụng mô hình điều
chế SVM cho MMC để phát triển cấu trúc điều khiển dòng điện vòng
và cân bằng điện áp trên tụ điện.
CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC ỨNG
DỤNG CỦA MMC
4.1 Điều khiển BBĐ MMC nối lưới điện xoay chiều ba pha
S(k)
IDC
ia
Laf
Raf
ib
Lbf
Rbf
ic
Lcf
Rcf
Lưới điện
ua,b,c
VDC
ia,b,c
MMC
id
abc/
dq
PLL
iq
ud
uq
Tính
công suất
P,Q theo
(4.8)
Điều khiển
công suất
_
PI
+
P
Pref
Điều khiển dòng điện
ud
+
+ +
PI
_
_
_
+
id
L
va
dq/
abc
Q
Qref
+
_
iq
vc
Thực hiện chiến
lược điều chế
SVM hình 3.45
L
PI
_
+
+
vb
+
PI
+
+
uq +
Hình 4.1 Sơ đồ mạch vòng điều khiển bộ biến đổi MMC
16
Kết quả mô phỏng bộ hệ thống bộ biến đổi MMC nối lưới
150
Dòng điện (A)
100
50
0
-50
-100
-150
0.2
Thời gian (s)
0.1
0
0.4
0.3
Hình 4.2 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cấp cho lưới điện
X 105
3
2
1
0
0
0.1
0.2
Thời gian (s)
0.4
0.3
Hình 4.3 CSPK BBĐ MMC cung cấp cho lưới điện
1020
Đ iệ n áp (V )
1000
980
960
940
920
0
0.1
0.2
Thời gian (s)
0.3
0.4
Hình 4.4 Điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A
40
D òn g đ iệ n (A )
30
20
10
0
-10
0
0.1
0.2
Thời gian (s)
0.3
0.4
Hình 4.5 Dòng điện vòng chạy trong pha A của BBĐ
17
4.2 Ứng dụng DSTATCOM bù CSPK dựa trên BBĐ MMC
iDC
+
VHa
_
VDC/2
SM1
SM1
SM1
SM2
SM2
SM2
SMN
SMN
SMN
V1a V1b V1c
Ro
Lo
0
ILa
Ro
Lo
V2a
VDC/2
DSTATCOM
iLa
Ro
Lo
V2b
V2c
Ro
Ro
Ro
Lo
Lo
Lo
+
SMN+1
SMN+1
SMN+1
vLa
SMN+2
SMN+2
SMN+2
SM2N
SM2N
SM2N
_
ia
ib
ic
ILb
ILc
Nút hệ thống điện
Hình 4.6 Cấu trúc hệ thống STATCOM
4.2.1 Nguyên lý làm việc DSTATCOM
N út hệ thống điện
IDC
V1
IL
V2
V1
VDC
XL
Máy biến áp
MMC
V2
Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý của DSTATCOM
Công suất tác dụng và CSPK tại thanh cái 1 thể hiện bởi (4.1).
V V V
P 0; Q 1 1 2 Equation Chapter (Next) Section 1(4.1)
1
1
XL
18
4.2.2 Thiết kế điều khiển DSTATCOM dựa trên MMC
S(k)
IDC
Lưới điện
ia
Laf
Raf
ib
Lbf
Rbf
ic
Lcf
Rcf
VDC
ia,b,c
ua,b,c
MMC
Điều khiển
điện áp
_
PI
+
VDCref
Điều khiển dòng điện
ud
+
+ +
PI
_
_
id
L
va
dq/
abc
id
abc/
dq
PLL
iq
ud
uq
Tính
công suất
Q theo
(4.21)
Q
Qref
+
_
iq
vc
S(k)
Thực hiện chiến
lược điều chế
SVM hình
L
PI
Điều khiển
công suất
vb
_
+
PI
+
+
uq +
Hình 4.8 Cấu trúc điều khiển DSTATCOM dựa trên BBĐ MMC
4.2.3 Mô phỏng hệ thống DSTATCOM dựa trên MMC
150
Dòng điện (A)
100
50
0
-50
-100
-150
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 4.9 Hình dạng dòng điện đầu ra của DSTATCOM
3000
Điện áp (V)
2000
1000
0
-1000
-2000
-3000
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 4.10 Hình dạng điện áp đầu ra của STATCOM
19
6010
Điệnáp (V)
Giá trị VDC thực
Giá trị VDC đặt
6000
5990
0
0.1
Thời gian (s)
0.2
0.3
Hình 4.11 Hình dạng điện áp nguồn một chiều DC
4.3 Tóm tắt và kết luận
Chương 4 trình bày một số ứng dụng cho BBĐ MMC trong hệ
thống điện cụ thể, BBĐ đã được thực hiện trong chương 3 được triển
khai cho ứng dụng truyền công suất khi MMC kết nối lưới điện trong
phần 4.1, ứng dụng MMC để bù công suất phản kháng cho nút của
hệ thống điện trong phần 4.2. Quá trình tính toán, thiết kế thông số
bộ điều khiển đã được tác giả đưa ra để giải quyết để đạt được các
mục tiêu điều khiển theo yêu cầu đặt ra.
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC
NGHIỆM BBĐ MMC
5.1. Cấu trúc hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC
iDC
vHCxj VC1_x
SM1x
SMNx
VC2_x iHx
VDC/2
Xung
SM1x
Xung
SMNx
vHCxj
Lox
Lx
0
Rx
Driver
ix
ADC
FPGA
ADC
Mạch vLCxj
đo iHx
lường
iLx
Lox
iLx
VCN+1_x
VDC/2
SMN+1x
vLCxj
VC2N_x
SM2Nx
Xung
SM N+1x
Xung
SM2Nx
Hình 5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm một pha của BBĐ MMC
20
- Xem thêm -