LỜI NÓI ĐẦU càng Sự phát triể n mạnh mẽ của khoa học k ỹ thuật trong thế k ỷ 20 và 21 đã ngày càng làm gia tăng vai trò và tầ m quan tr ọng của lĩnh vực điện tử công suất cả trong sản xuất cũng như trong đờ i sống của con ngườ i.i. Ở Việt Nam, quá trình công nghiệp hóa, hiệ n đại hóa mạnh mẽ trong những thập niên trở lại đây đã đặt ra một yêu cầu bức thiết cần có những k ỹ sư, nhà nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này. Tuy còn tương đố i mớ i mẻ ở nước ta, nhưng những khái niệ m về bộ biến đổi công suất lớn đã được nghiên cứu và ứ ng ộng rãi trên thế giới. Chính vì nhữ ng lợi ích to lớ n của bộ biến đổi công suất lớn đã dụng r ộng đượ c kiểm chứng trong thực tế cũng như thực tr ạng ạng là ở Việt Nam lĩnh vực này còn chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức. Nên trong quá trình thự c hiện đồ án tốt nghiệ p tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, dướ i sự hướ ng ng dẫn của thầy giáo TS. Phạ m Việt Phương, chúng em đã nỗ lực cố gắng để nghiên cứu và tìm hiểu v ề các bộ biến đổi công suất lớn tiêu biểu hiện nay. Trong đó, chúng em đặ c biệt nhận thấy nh ững điểm ưu việt vượ t tr ội ội hơn hẳn so với các bộ biến đổi cùng loại của B ộ biến đổi đa cấ p ki ểu module – MMC (Modular Multilevel Converter). Do đó, sau một quá trình tìm tòi nghiên cứu, phân tích, mô phỏng và rút ra kế t luận đánh giá; dướ i sự hướ ng ng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Việt Phương, chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệ p của mình về đề tài: “ Nghiên cứ u ứ ng ng d ụng bộ biến đổi đa cấ p kiể u module – MMC (Modular Multilevel Converter)”. Nội dung đồ án của chúng em gồm 6 chương: Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi công suất lớ n. n. Chương 2: Phân tích nguyên lý hoạt độ ng của bộ biến đổi đa cấ p kiểu Module. Chương 3: Phương pháp biến điệu độ r ộng xung PWM sử dụng trong bộ biến đổi đa MMC. Chương 4: Mô hình toán học của bộ biến đổi MMC. Chương 5: Thiết k ế bộ điều khiển cho bộ biến đổi MMC. Chương 6: Kết quả mô phỏng.
cấ p
Với tính chất là một đồ án tốt nghiệp ngành Tự động hóa, em và các bạn đã cố gắng hết sức mình để hoàn thành đồ án tốt nh ất có thể. Nhưng do kinh nghiệm còn nhiề u hạn chế và do những thiếu sót phạm phải trong quá trình nghiên cứ u, bản đồ án của chúng em chắ c chắn còn nhiều sai sót. Em xin chân thành cảm ơn sự đóng góp, sửa chữa hữu ích của thầy cô trong bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, trường đại học Bách Khoa Hà Nội. Đặ c biệt, chúng em xin gử i lờ i cảm ơn sâu sắc nhất đên thầy giáo TS. Phạm Vi ệt Phương, nếu không có sự chỉ dạy hướ ng ng d ẫn và giúp đỡ tận tình của th ầy thì
chúng em sẽ không bao giờ có giờ có thể hoàn thành đồ án này !
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤ T LỚ N 1.1. Giớ i thiệu về các bộ biến đổi công suất lớ n. n.
Điện tử công suất là một chuyên ngành củ a k ỹ thuật điện tử. Điện tử công suất nghiên cứu và ứ ng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong các bộ b ộ biến đổi, nhằm mục đích biến đổi và khống chế nguồn năng lượng điện có các thông số không thay đổi đượ c thành nguồn năng lượng điện v ới các thông số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải điện khác nhau.
Hình 1. 1V ị trí vai trò của điện t ử công ử công suấ t t Đối với lĩnh vực điện tử tín hiệu thì yêu cầu quan tr ọng nhất là độ chính xác rồi mới đến hi ệu su ất. Nhưng đối v ới điện t ử công suất thì yêu cầ u v ề hiệu su ất l ại được đặt lên trên. Điệ n tử công suất là kỹ thuật biến đổi và điều khiển năng lượng điện vớ i hiệu quả cao nhất Ngày nay, công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã đạt đượ c những tiến bộ vượ t bậc vớ i việc cho ra đờ i những phần tử kích thướ c nhỏ gọn, có khả năng đóng cắt dòng điện l ớ n, n, chịu đượ c điện áp cao và giả m t ổn hao công suất. Cùng với đó là các tiến b ộ vượ t b ậc trong lĩnh vực lý thuyết điề u khiển và các phầ n t ử điều khiển ví dụ như các chip vi xử lý, vi điều khiển, DSP 16 bit, 32 bit, … nhanh và mạnh hơn trướ c r ất ọng đó đóng vai trò quyết định đế n sự phát triển c ủa lĩnh nhiều. Những nền tảng quan tr ọng vực điện t ử công suất, góp phần t ạo ra nhiều ch ủng loại b ộ biến đổi v ớ i những ứng dụng ộng rãi trong công nghiệp và trong đờ i sống. Điện tử công suất đã và đang phát triển r ộng mạnh mẽ và trải r ộng trong hầu khắp các lĩnh vự c. Vớ i dải công suất tr ải r ộng từ nhỏ (vài
W đến vài trăm W) đế n lớn và rất lớn (vài trăm kW đến vài chục MW). Điệ n tử công suất đượ c ứng d ụng r ộng khắ p t ừ các thiết b ị cầm tay, dân dụng đến các thiế t bị công nghiệ p, các hệ thống trong công nghiệ p. Đối tượng chính của điện tử công suất là các bộ biến đổi bán dẫn công suấ t hay còn gọi là các bộ biến đổi. Nhiệm v ụ của điện t ử công suất là xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cách cung cấ p điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tả i. Để làm được điều đó, cầ n phải có những bộ biến đổi thích hợ p vớ i từng yêu cầu khác nhau của t ải. Các bộ biến đổi trong điện t ử công suất thường được chia ra làm năm dạ ng chính. Các bộ biến đổi làm nhiệ m vụ chỉnh lưu: biến đổi điện xoay chiều (AC) thành điện một chiều (DC). Các bộ biến đổi làm nhiệm vụ nghịch lưu: biến đổi điện một chiều (DC) thành xoay chiều (AC). Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều AC/AC còn đượ c gọi là các bộ băm xung xoay chiều; các bộ điều chỉnh điện áp một chiều DC/DC: các bộ băm xung một chiều. Và cuối cùng là biế n t ần: biến đổi t ần s ố từ điện xoay chiều có tần s ố f 1 sang tần số f 2.
Hình 1. 2 Các dạng biến đổi năng lượng cơ bản trong điệ n t ử công suấ t Ngày nay trong công nghiệp đang xuấ t hiện ngày càng nhiều các ứ ng dụng đòi hỏi công suất lớn và hoạt động đượ c với điện áp trung áp. Các động cơ trung áp công suấ t lớn là một ví dụ điển hình. Các động cơ, các bộ truyền động trung áp có dải cô ng suất tr ải r ộng t ừ 0,4 MW đến 40 MW và dải điện áp từ 2,3 kV đến 13,8 kV; tuy nhiên vùng làm việc ch ủ yếu c ủa động cơ trung áp là từ 1 MW đến 4 MW v ớ i d ải điện áp từ 3,3 kV đến 6,6 kV. Động cơ trung áp công suấ t lớn đượ c sử dụng trong công nghiệ p ở nhiều lĩnh vực khác nhau như: sử dụng làm máy bơm trong hệ thống đườ ng ống của ngành công nghiệ p hóa dầu, dùng để chạy qu ạt trong ngành công nghiệ p xi- măng, dùng làm máy bơm nướ c ở các trạm bơm, dùng làm động cơ của các máy cán thép trong ngành công nghiệ p sản
xuất thép, đặc biệt là các ứ ng dụng trong lĩnh vực đườ ng sắt và còn nhiề u ứng dụng khác nữa. Khi làm việ c v ới lưới điện trung áp, phương pháp chỉ nối duy nhất một van bán dẫ n công suất tr ực tiế p với lướ i sẽ gây ra rấ t nhiều khó khăn. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu và cho ra đờ i r ất nhiều các bộ biến đổi công suất lớn như một công cụ giao tiế p hữu hiệu giữa các ứ ng dụng yêu cầu công suất lớ n với lưới điện.
Tuy nhiên, các bộ biến đổi công suất l ớn không chỉ giải quyết vấn đề của động cơ trong công nghiệp mà nó còn đượ c ứng dụng ở r ất nhiều lĩnh vực khác nữa, đặ c biệt là trong truyền tải điện năng như hệ thống truyền t ải điện xoay chiều thông minh (FACTS Flexible Alternating Current Transmission System) hay hệ thống truyền tải điện một chiều điện áp cao (HVDC – High-Voltage Direct Current). Hay trong một lĩnh vực đang r ất được quan tâm khác là năng lượ ng sạch, các nguồn quang điện, điện gió cũng như các pin nhiên liệu có thể thông qua các bộ biến đổi công suất lớn để truyền tải điện năng từ nguồn cung cấp đến nơi sử dụng. Các bộ biến đổi công suất lớn có thể sử dụng một trong hai dạng: bộ biến đổi nguồn dòng hoặc bộ biến đổi nguồn áp. Vì các bộ biến đổi nguồn dòng vốn không có sẵn trong thực tế và lại ph ải giữ cho nguồn dòng bằng hằng s ố nên gây ra rấ t nhiều khó khăn cho công tác điều khiển. Do đó nên trong thự c t ế hiện nay, người ta thường dùng các bộ biến đổi công suấ t lớn là các bộ biến đổi nguồn áp. Yêu cầu chung đố i với các bộ biến đổi công suất lớ n hiện nay là:
Đóng cắt vớ i tần số cao Tạo ra điện áp xoay chiều có ít sóng hài Có công suất lớ n Điện áp đầu ra cao
1.2. Tổng quan v ề các bộ biến đổi công suất lớ n.
Tùy theo công suất, cấu trúc bộ biến đổi và các yêu cầ u của tải mà ta có các bộ biến đổi công suất lớn khác nhau. Các bộ biến đổi công suấ t lớ n hiện nay có thể phân làm hai dạng chính là: bộ biến đổi đa mức và bộ biến đổi đa cấp. Trong đó, các bộ biến đổi đa cấ p bao gồm ba dạng thườ ng g ặp đó là: bộ biến đổi có sử dụng máy biến áp, bộ biến đổi cấu trúc ghép tầng c ầu H (Cascaded H- bridge Converter) và bộ biến đổi đa cấ p kiểu môđun (MMC – Multilevel Modular Converter). Cách phân loạ i bộ biến đổi công suất lớ n đượ c cho ở hình dưới đây:
ộ biến đổi công suất lớn
B
Bộ biến đổi đa mức
Bộ biến đổi có dùng máy biến áp
Bộ biến đổi đa cấp
Bộ biến đổi cấu trúc ghép tầng cầu H
Bộ biến đổi đa cấp kiểu mô-đun
Hình 1. 3 T ổn g quan bộ biến đổi công suấ t l ớ n 1.2.1. Bộ biến đổi đa mứ c
Hình 1. 4: (a) Bộ biến đổ i hai mứ c; (b) Bộ biến đổ i ba mứ c; (c) Bộ biến đổ i n mứ c Những khái niệm đầu tiên về các bộ biến đổi đa mức đã đượ c nhắc đến từ năm 1975 vớ i khởi đầu là các bộ biến đổi ba mức. K ể từ đó đến nay, r ất nhiều cấu trúc, cơ cấ u của b ộ biến đổi đa mức đã được phát triển lên. Tuy vậy, khái niệm cơ sở về các bộ biến đổi đa mức vẫn là: sử dụng một chuỗi các van bán dẫn cùng vớ i một vài nguồn áp một chiều điện áp thấp để tạo ra đượ c sự biến đổi công suất bằng cách tổ ng hợp các sóng điện áp hình thang. Mục đích sau cùng chính là đạt t ới đượ c mức công suất cao hơn. Tụ điện, pin và các nguồn năng lượng tái tạo đều có thể đượ c sử dụng làm các nguồn áp trong các bộ biến đổi đa mức. Cách thức đóng hay mở các van bán dẫn theo một quy luật định
trướ c sẽ nối thông hoặc nối tắt các nguồn một chiều tạo ra các mức điện áp khác nhau theo quy luật, từ đó tổng hợp các mức điện áp tạ o ra dạng điện áp tổng cao hơn ở đầu ra. ộ bi ến đổ i hai m ứ c a) B
Hình 1. 5. Bộ biến đổ i hai mức và dạng điện áp đầu ra Bộ biến đổi hai mức chỉ tạo ra được điện áp đầu ra có biên độ lớ n nhất là Vd , độ méo tổng THD tương đối cao, chất lượng điện áp còn chưa tốt và có công suấ t nhỏ. Tuy nhiên ưu điểm của bộ biến đổi hai mức là nó có cấu trúc đơn giản và dễ điều khiển. b) B ộ bi ế n đổ i c ấu trúc điố t k ẹp (Di ode-Clamped M ul til evel I nver ter )
Sơ đồ cấu trúc. Bộ biến đổi điốt k ẹ p sử dụng các điốt và tụ điện nối tầng để tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau. Ban đầu, bộ biến đổi điốt k ẹ p vốn đượ c sử dụng như một bộ nghịch lưu ba mức. Sau đó, nó đã được phát triển lên thành mộ t bộ biến đổi ba pha sáu mức như ở hình 1.7. Nhìn trên sơ đồ cấu trúc ta thấ y mỗi pha của bộ biến đổi đều đượ c nối với đườ ng dẫn một chiều chung ta tạm gọi đó là đườ ng dẫn nguồn. Tuy nhiên, đườ ng dẫn nguồn lại được chia ra thành sáu mức điện áp khác nhau bởi năm tụ điện từ C1 đến C5 như trong hình vẽ. Điện áp trên mỗ i tụ điện là VDC và điện áp trên mỗi van bán dẫ n bị hạn chế ở mức là VDC thông qua các diot kẹ p.
Hình 1. 6 C ấu trúc bộ biến đổi đa mức điố t k ẹ p (Diode-Clamped Multilevel Inverter) Nguyên lý hoạt động Bảng 1.1 liệt kê các trạng thái đóng cắ t c ủa các van bán dẫn và các mức điện áp đầ u ra tương ứng của pha a . Quy ướ c lấy điện áp V 0 ở nhánh âm của đườ ng dẫn một chiều là bằng 0. Đố i với các van bán dẫ n ta coi: tr ạng thái 1 tức là van mở và trạng thái 0 tức là van khóa. Mỗi pha có năm cặp van liên hợ p, mỗi cặp van liên hợ p hoạt động theo nguyên tắc: khi một van bất k ỳ trong cặp van liên hợ p ở tr ạng thái 1 (mở) thì bắ t buộc van còn lạ i phải ở tr ạng thái 0 (đóng). Năm cặp van liên hợ p c ủa pha a là (Sa1, S a’1), (Sa2, S a’2), (Sa3, Sa’3), (Sa4, Sa’4), (Sa5, Sa’5). Từ bảng 1.1 ta có nhận xét : trong một pha, các van ở tr ạng thái 1 (mở) luôn liề n k ề nối ti ếp nhau, đối vớ i một b ộ nghịch lưu sáu mức, luôn có năm van ở tr ạng thái mở trong mọi thời điểm.
Bảng 1. 1 Bảng đóng cắt các van trong pha a
Điện áp
Tr ạng thái đóng cắt Sa5
Sa4
Sa3
Sa2
Sa1
Sa’5
Sa’4
Sa’3
Sa’2
Sa’1
V5=5VDC 1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
V4=4VDC 0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
V3=3VDC 0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
V2=2VDC 0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
V1=VDC
0
0
0
0
1
1
1
1
1
0
V0=0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
Hình 1. 7 Dạng đồ thị điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu tụ k ẹ p Mỗi điện áp dây ở đầu ra của bộ nghịch lưu có dạng như trên hình 1.2, trong đó Vab là tổng hợp điện áp thu đượ c của điện áp trên pha a và pha b. Kế t quả ta thu đượ c điện áp tổng ở đầu ra là một sóng hình thang mườ i một mức có dạng gần với sóng Sin. Từ đó ta có thể rút ra kế t lu ận: một b ộ nghịch lưu điố t k ẹ p m mứ c s ẽ cho m mức điện áp pha và (2m - 1) mức điện áp dây ở đầu ra. Mặc dù mỗ i thiết b ị đóng cắt ch ỉ dùng để khóa duy nhất một mức điện áp là V DC nhưng trong cấu trúc điố t k ẹ p lại yêu cầu phải có thể khóa đượ c nhiều mức điện áp ngượ c khác nhau. Ví dụ trên pha a, khi tấ t c ả các van bán dẫn ở nhánh dướ i t ừ Sa’1 đến Sa’5 đều mở, điốt D4 khóa mức điện áp lên tớ i 4VDC, tương tự như vậy, điốt D3 khóa mức 3VDC, điốt D2 khóa mức 2VDC và điốt D1 khóa mức VDC. N ếu bộ nghịch lưu đượ c thiết k ế sao cho mỗi điốt khóa đều có cùng mức điện áp với các van chuyển mạch, thì điốt Dn sẽ phải tương đương với n điốt mắc nối tiếp nhau. Khi đó dẫn đế n, số lượng điốt cần có trong
mỗi pha sẽ là (m - 1)x(m - 2). Tức là số lượng điốt khóa sẽ tỷ lệ với bình phương số mức của bộ biến đổi điốt k ẹ p. Các ứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi đa mức điốt k ẹp là: kết nối trung gian giữa đường dây truyền tải điện áp cao một chiều với đường dây truyền tải xoay chiều. Dùng trong điều khiển tốc độ cho động cơ công suất lớ n, sử dụng điện trung áp .Bù VAR tĩnh. Bộ biến đổi đa mứ c sử dụng điốt k ẹp có những ưu điểm như sau: Tất cả các pha dùng chung một đườ ng dẫn nguồn một chiều (DC bus) với yêu cầu tối thiểu về số lượ ng tụ điện. Các tụ điện có thể đượ c nạp điện từ trước theo nhóm. Hiệu suất cao vì tổ ng thiết bị được đóng cắt ở tần số cơ bản. Phương thức điều khiển đơn giản cho thể thức Back-To-Back. Bên cạnh những ưu điểm vừa k ể trên, bộ biến đổi điốt k ẹp cũng có những nhược điểm
như sau : Điều khiển dòng công suất tác dụ ng sẽ là khó khăn cho mỗi bộ nghịch lưu đơn bở i vì nguồn điện áp mộ t chiều trung áp thườ ng gặp khó khăn trong vấn đề nạ p tụ nếu không có các bộ điều khiển. Số lượng diot đòi hỏi tương đối lớn do đó bộ biến đổi sẽ tr ở nên rất cồng k ềnh khi số mức nghịch lưu lớ n.
1.2.2. Bộ biến đổi đa cấ p
Ngày nay, các hệ thống kiểu phân tán và module hóa đang trở thành những mô hình tối ưu để thực thi những yêu cầu đặt ra trong nhiều lĩnh vực k ỹ thuật. Mô hình bộ biến đổi đa cấp là một ví dụ điển hình cho phương pháp này. Bộ biến đổi đa cấp đã đáp ứng đượ c những tiêu chuẩn đề ra như: tăng độ tin cậy trong hoạt động, dễ dàng chuẩn đoán lỗi, s ửa ch ữa b ảo dưỡng và tái cấu trúc hệ thống. Đặc bi ệt trong trườ ng h ợ p x ảy ra sự cố, c ấu trúc module cho phép hệ thống điều khiển có thể dễ dàng cách ly vấn đề , duy trì hoạt động an toàn cho toàn bộ hệ thống. Thậm chí trong nhiều trườ ng h ợp có thể vận hành đạt gần như mức bình thường dù có xả y ra sự cố. Sự tiến bộ gần đây trong việc nâng cao tính năng dòng, áp của các thiế t bị chuyển mạch như IGBT, GTO đã thúc đẩ y việc nghiên cứu nâng cấp và mở r ộng phạm vi sử dụng c ủa các bộ biến đổi đa cấ p. Qua bộ biến đổi đa cấ p, d ạng điện áp đầ u ra sẽ gần v ớ i hình Sin.
Hình 1. 8 Dạng điện áp đầu ra của bộ biến đổ i 9 mứ c
So với các bộ biến đổi hai mức, các bộ biến đổi đa cấp đã cho thấy rõ đượ c những ưu điểm vượ t tr ội như: Chất lượng sóng hình thang : B ộ biến đổi đa cấp không chỉ cho điện áp đầ u ra vớ i mức
sóng hài thấp hơn rất nhiều mà còn giả m được độ dốc điện áp ; do đó vấn đề về tính tương thích điện từ có thể đượ c giải quyết phần nào. Điện áp của các module : Bộ biến đổi đa cấ p cho ra nhiều bậc điện áp nhỏ. Do đó ứng suất mà các động cơ phả i chịu khi nối chúng vào bộ điều khiển nhiều động cơ đượ c giảm. Trong tương lai thông qua bộ điều chế tiên tiến các chế độ điện áp còn có thể đượ c loại bỏ. Dòng điệ n xoay chiều đầu ra: Bộ biến đổi đa cấp có thể cung cấp dòng điện xoay chiều ít bị biến dạng. T ần số chuyể n mạch: Các bộ biến đổi đa cấp có thể hoạt động ở hai tần số đóng cắt là tần số đóng cắt cơ bản và tầ n số cao PWM. Do đó, bằng cách giả m tần số đóng cắt ta có thể giảm đượ c tổn hao do chuyển mạch và vì vậy có thể đạt đượ c hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, các bộ biến đổi đa cấp cũng có một số nhược điểm. M ột trong những nhược điểm chính củ a bộ biến đổi đa cấp là cầ n phải sử dụng đến một số lượ ng lớ n phần tử đóng cắt bán dẫn và đi kèm với đó là các hệ thống điều khiển van. Do đó sẽ làm tăng mức độ phức tạ p của toàn bộ hệ thống cũng như làm gia tăng tổ n hao chung.
ộ bi ến đổ i s ử d ụng máy biến áp a. B
Hình 1. 9 Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi ghép tầng dùng máy biến áp. Bộ biến đổi đa cấp ghép tầng dùng máy biến áp có thể tạo ra được điện áp có biên độ lớn thông qua máy biến áp, mỗi cấp điện áp có bề r ộng như nhau. Các máy biến áp ở đây đượ c sử dụng để cộng các xung vuông thành áp nấc thang, có số bậc được tính bằng hai lần số bộ nghịch lưu một pha.
Hình 1. 10 Dạng điện áp đầu ra 12 bậc. Bộ biến đổi ghép tầng dùng máy biến áp có hai ưu điểm chính là cho điện áp ra có ít sóng hài do đã qua biến áp lọc và có cấ u tạo đơn giản. Nhược điể m của cấu trúc có sử dụng máy biến áp là kích thướ c lớn, giá thành cao do phả i sử dụng máy biến áp và hiệ u suất cũng không cao. b. B ộ bi ến đổi đa cấ p c ấu trúc ghép tầ ng c ầu H (Cascade H -br idges I nver ter )
Sơ đồ cấu trúc
Sơ đồ cấu trúc củ a một pha của bộ biến đổi đa cấp ghép tầng cầu H đượ c minh họa trên hình 1.11.
Hình 1. 11 C ấu trúc một pha của bộ biến đổi đa cấ p m bậc Mỗi nguồn một chiều độc lậ p (Separate DC Source - SDCS ) đượ c nối vớ i một cấu trúc một pha dạng c ầu hay còn gọi là cầ u H. Mỗi c ấu trúc thành phần như vậy đượ c gọi là một bậc của bộ biến đổi. Mỗi bậc của b ộ biến đổi có thể tạo ra ba mức điện áp đầ u ra khác nhau là: +V DC, 0 và -VDC tùy theo các phương pháp tổ hợp khác nhau củ a bốn van S1, S2, S 3, và S 4 để nối nguồn một chiều với đầu ra. Khi cặ p van S1 và S 4 đồng thờ i mở dẫn dòng thì điện áp ở đầu ra là +V DC, khi cặ p van S2 và S 3 đồng thờ i mở dẫn dòng thì điện áp ở đầu ra là -VDC. Trong trườ ng hợ p một trong hai cặ p van: (S1 và S2 ) hoặc (S3 và S4 )mở thì điện áp trên đầ u ra bằng 0. Các bậc của bộ biến đổi đượ c n ối nối tiế p vớ i nhau như trên hình vẽ là cấu trúc củ a một pha của bộ biến đổi m b ậc. Điện áp đầ u ra của các bậc do đó đượ c x ế p ch ồng t ạo nên dạng sóng điện áp ở đầu ra của bộ biến đổi chính là tổng hợ p của các mức đ iện áp ở mỗi b ậc thành phần. Quan hệ giữa số lượ ng b ậc trong một pha vớ i s ố lượ ng nguồn một chiều độc l ập (SDCS) đượ c cho bởi công thức: m = 2s + 1. Trong đó, m là số bậc trong một pha; s là số lượ ng nguồn một chiều độc lậ p của pha
đó.
Ví dụ về dạng sóng điện áp của m ột pha của m ột b ộ biến đổi 11mức c ấu trúc cầu H vớ i 5 nguồn một chiều độc lập được cho trên hình 1.12: điện áp đầ u ra của một pha được tính theo công thức Va-n = Va1 + Va2 + Va3 + Va4 + Va5.
Hình 1. 12 Đồ thị điện áp đầu ra của bộ biến đổi đa cấ p cấu trúc ghép tầng cầu H Chúng ta có thể k ể ra những ưu nhược điểm chính củ a b ộ biến đổi đa cấ p c ấu trúc ghép tầng cầu H như sau. Về ưu điểm:
Số mức điện áp ở đầu ra của b ộ biến đổi l ớ n hơn số lượ ng nguồn một chiều độc lập hơn hai lần: m=2s+1 Phương pháp cấu trúc theo kiểu mô -đun cho phép quá trình điều khiển tr ở nên dễ
dàng, nhanh hơn và ít tốn kém hơn. Tuy nhiên, bộ biến đổi cấu trúc ghép tầng cầu H vẫn còn có nhược điểm đó là mỗ i bậc của bộ biến đổi yêu cầ u phải có mộ t nguồn m ột chiều độc lập (SDCS). Do đó nhữ ng ứng
dụng của cấu trúc chiều độc lậ p.
loại này bị hạn chế trong những sản phẩm đã có sẵn các nguồ n một
ộ bi ến đổi đa c ấp ki ểu mô- đun ( M odular M ulti level Converter - M M C) c. B
Sơ đồ cấu trúc
n module
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
thành phần
Usu
Usv
Usw
L L
iu
L
iv
L
L
L
Vdc
iw
L
L
L
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
Hình 1. 13 . C ấu trúc bộ biến đổi đa cấ p kiể u module (MMC)
Hình 1. 14 Module thành phần có cấu trúc nử a cầu
Hình 1. 15 Module thành phần có cấu trúc cầ u Trong năm 2010, hệ thống HVDC PLUS dựa trên một k ỹ thuật biến đổi đa cấ p đượ c gọi là bộ biến đổi đa cấ p kiểu mô-đun (MMC) của Siemens đã lần đầu tiên đượ c đưa vào sử dụng trong thực tế. Gần như cùng lúc đó, ABB đã nâng cấ p sản phẩm HVDC Light của h ọ cũng dựa trên một công nghệ tương tự đó chính là bộ biến đổi đa cấ p kiểu mô-đun (MMC). MMC được xây dựng từ các module thành phần đông nhất nhưng lại có khả năng điều khiển độc l ập đượ c t ừng module. Các module thành phần trong MMC có thể có cấu trúc nử a c ầu như trên hình 1.13, hoặc có cấu trúc cầu như trên hình 1.14. Vớ i cấu trúc nửa cầu, mỗi module có khả năng cung cấp điện áp đầ u ra ở hai mức là +VDC hoặc 0 V; vớ i c ấu trúc cầ u, m ỗi module có thể cung cấ p ba mức điện áp đẩu ra là +V DC, 0, và – VDC. Điều đó có nghĩa là bộ biến đổi có thể hoạt động như một nguồn áp có điề u khiển vớ i một số lượ ng lớn các mức điện áp có thể cung cấp cho đầu ra. Đồ ng thờ i, MMC cũng làm giảm đáng kể các sóng hài bậc cao. MMC là cấu trúc mở, có khả năng cho phép mở r ộng. Mức điện áp của MMC phụ thuộc vào số lượ ng của các mô -đun thành phần; thậm chí MMC có thể đượ c sử dụng trong các hệ thống truyền tải điện năng siêu cao áp. Trong cấu trúc của MMC không thự c hiện theo cách mắ c n ối tiế p một loạt các van bán dẫ n v ới nhau, do đó có thể tránh đượ c sự phức tạp trong quá trình điề u khiển đồng bộ hóa các van. Đồ ng thờ i lại có thể giảm tổn thất của bộ biến đổi xuống mức r ất thấ p, ch ỉ khoảng 1 %. Điều này có được là do tầ n số đóng cắt thấ p trong m ỗi mô-đun thành phần và điện áp trên các van trong mỗi mô-đun cũng ở mức thấ p. Mỗi mô-đun thành phần sẽ thực hiện việc đóng cắt ở các thời điểm khác nhau do đó bộ biến đổi có thể đạt đượ c hiệu suất cao cũng như làm giảm độ méo sóng hài.
Hình 1. 16 . Ví dụ về d ạng điện áp phía AC của bộ MMC 9 mứ c Bộ biến đổi MMC có những ưu điể m nổi bật như:
Tính khả dụng cao, có cấu trúc mô đun dựa trên sự kết nối nhiều bộ biến đổi (SM) đồng nhất, sử dụng chung một bus DC. Đối với các ứng dụng nối lưới thì bộ biến đổi nối MMC có khả năng bù công suất phản kháng, loại bỏ sóng hài, đồng thời cân bằng tải. Do không dùng tới nguồn một chiều độc lập cung cấp cho từng SM nên giá thành và kích thước thiết bị giảm ,việc tháo lắp cũng sẽ dễ dàng hơn
Tuy vậy nó cũng có nhược điểm riêng :
Khi cấu trúc càng mở rộng thì số lượng van bán dẫn cũng sẽ tăng lên TỔNG K ẾT:
Bộ biến đổi đa mứ c kiểu module (Modular Multilevel Converter - MMC) là một trong những b ộ biến đổi trung và cao áp tiên tiế n, hiệu qu ả nhất để đạt đượ c m ục t iêu có thể biến đổi công suất lớn mà không cầ n phải sử dụng đến máy biến áp. Năm 1981, Alesina và Venturini đã đề xuất cấu trúc nhánh kiểu module theo phương pháp mỗ i nhánh là sự xế p chồng của nhiều bộ nguồn. Marquardt và Lesnicar đã đưa ra những khái niệm cơ bản nh ất v ề bộ biến đổi đa mứ c ki ểu module (MMC) cùng với đó là nguyên tắ c hoạt động cũng như kiểm nghiệm khả năng vận hành, chất lượ ng vận hành của MMC trong điều kiện lý tưởng. Allebrod, Hamerski và Marquardt đã đi sâu vào nghiên cứ u v ề các ứng dụng của MMC trong hệ thống cao áp dòng điệ n một chiều HVDC nhằm giải quyết các vần đề về hiệu suất và tổn thất trong hệ thống. Và Siemens đã là nhà tiên phong trong lĩnh vực này khi đưa vào vận hành hệ thông HVDC PLUS ứng dụng công nghệ MMC. Theo báo cáo thì cấu trúc củ a hệ thống HVDC PLUS có hơn 200 mô -đun thành phần ở mỗi nhánh, và cố thể cung cấp công suất lên tớ i 400 MVA.
Với
yêu cầu thực hiện đồ án tốt nghiệ p trong khoảng thời gian định trước, chúng em đã quyết định lựa chọn đề tài là “ Nghiên cứ u ứ ng d ụng của bộ biến đổi đa cấ p kiể u module”. Trong đó chú trọng nghiên cứu, tìm hiểu và mô phỏ ng hoạt động của bộ biến đổi đa mức kiểu module – MMC vì những tiến bộ và những ứng dụng r ộng rãi của cấu trúc này trong thực tế. Nội dung đồ án của em gồm 6 chương, tóm tắt nội dung và mục đích củ a mỗi chương em xin trình bày khái quát như sau: Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi công suất l ớ n. N ội dung của chương em muốn nêu ra nhu cầ u hiện nay của các bộ biến đổi công suất lớ n trong trong nghiệp cũng như trong t ruyền tải điện. Sau đó là giớ i thiệu chung và phân loại các bộ biến đổi công suất lớn đang đượ c sử dụng phổ biến hiện nay. Đặc biệt, từ đó em muốn đưa ra sự so sánh để thấy được nhưng ưu điểm cũng như nhược điể m của bộ biến đổi đa bậc kiểu module MMC so với các bộ biến đổi khác và lý do tìm hiểu nghiên cứu về bộ MMC. Chương 2: Phân tích nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi kiểu module. Trong chương này em đi sâu vào tìm hiểu và phân tích nguyên lý hoạt độ ng c ủa b ộ biến đổi MMC bao gồm hai dạng c ấu trúc: bộ biến đổi n ửa c ầu và bộ biến đổi c ầu. T ừ đó, em đã tìm hiể u về các ứng dụng của bộ biến đổi MMC trong thực tế. Chương 3: Phương pháp biến điệu độ rông xung PWM sử dụng trong bộ biến đổi MMC. Trong chương này, em nêu ra và phân tích các phương pháp PWM đượ c sử dụng cho bộ biến đổi MMC trong thực tế, phân tích nguyên lý, ưu nhược điể m. Từ đó, em quyết đị nh chọn phương pháp PWM dịch pha để ứng dụng điều khiển trong đồ án. Các kế t quả mô phỏng bằng phần mêm PSCAD được trình bày. Chương 4: Mô hình toán học của bộ biến đổi MMC. Trong chương này em trình bày quá trình mô hình hóa bộ biến đổi MMC dướ i dạng mô hình toán họ c. K ết quả cuối cùng đã thu được mô hình toán họ c c ủa MMC để phục v ụ cho công tác điều khiển ở chương sau. Chương 5: Thiết k ế bộ điều khiển cho MMC. Từ mô hình toán học đã xây dự ng được em đã đưa ra cấu trúc điề u khiển cho bộ MMC. Sau đó, em đã đề ra ba phương án điều khiển là: điều khiển trung bình, điều khiển cân bằng cho tưng SM và điều khiển cân bằng nhánh. Chương 6: Kết quả mô phỏng. Trình bày các thông số mô phỏng và các kế t quả mô phỏng từ phần mềm PSCAD.
Chương 2 PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘ NG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI ĐA CẤP KIỂU MODULE 2.1. Cấu trúc của bộ biến đổi đa cấp kiểu module - MMC Mỗi pha của bộ biến đổi MMC có thể có nhiều module thành phầ n (Submodule - SM) được ghép tầng vớ i nhau. Cấu trúc của MMC được chia làm hai nhánh, nhánh
trên và nhánh dướ i mỗi nhánh đều có điện áp V . Ở giữa dùng các cuộ n cảm L để DC
2
cân bằng giữa hai nhánh và lọc bớt sóng hài.
Usu
Usv
Usw
L L
iu
L
iv
L
SM 1u
SM 1v
SM 1w
SM 2u
SM 2v
SM 2w
SM 3u
SM 3v
SM 3w
SM 4u
SM 4v
SM 4w
ipu
L
L
Vdc
iw
L
inu
L
L
SM 5u
SM 5v
SM 5w
SM 6u
SM 6v
SM 6w
SM 7u
SM 7v
SM 7w
SM 8u
SM 8v
SM 8w
Hình 2. 1. C ấu trúc mạch l ự c của bộ biến đổ i MMC [13]. Bộ biến đổi ghép tầng đa cấ p kiểu module (MMC) có thể phân thành hai dạ ng là : bộ biến đổi nửa cầu nối sao kép (DSCC – Double Star Chopper-cell) và bộ biến đổi cầu nối sao kép (Double Star Bride -cell). Hai loại trên cùng là loạ i bộ biến đổi đa
cấp, điện áp ra đều có dạ ng mức, cấu trúc mạch đều là các module thành phầ n (SM) ghép tầng với nhau nên dễ gây ra nhầ m lẫn giữa hai loại. Dựa vào cấu trúc sơ đồ mạch khác nhau mà ta có thể phân biệt hai loại này trong họ MMC:
Bộ biến đổi đa mứ c nửa cầu nối sao kép DSCC :
Trong cấu trúc này, mỗ i bộ SM bao gồm hai IGBT và mộ t tụ điện, có dạng như hình vẽ dưới đây :
Hình 2. 2 . C ấu trúc nử a cầu nối sao kép của MMC .
Bộ biến đổi đa mứ c cầu nối sao kép DSBC :
Trong cấu trúc này, mỗ i bộ SM bao gồm 4 IGBT và mộ t tụ điện, dạng như hình vẽ
dưới đây:
Hình 2. 3. C ấu trúc cầu nối sao kép của MMC [15].
2.2. Nguyên lý hoạt động của MMC 2.2.1. Bộ biến đổi nử a cầu-DSCC
Bộ biến đổi nửa cầu hay còn gọi là chopper -cell bao gồm hai IGBT và mộ t tụ điện một chiều giống như hình 2.2.Nguyên lý hoạt độ ng của bộ biến đổi nửa cầu:
ia> 0
ia< 0
Hình 2. 4. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổ i nử a cầu [17]. Trườ ng hợ p 1: IGBT1 on, IGBT2 off. Nếu dòng điện ia> 0 thì điện áp đầu ra của module thành phần (SM) VX = VC, dòng điện chạy qua điốt D1, qua C và ra khỏ i SM. Nếu dòng điện ia< 0 thì điện áp đầ u ra c ủa bộ biến đổi VX = VC, dòng điện vào từ nhánh âm của SM, qua t ụ C và qua IGBT1 ra ngoài. Như vậ y, ia> 0 thì điện áp từ nguồn DC nạp vào cho tụ điện và có giá trị bằng giá trị VC của tụ điện, ia< 0 thì điện áp đầu ra VX = VC do tụ điện xả năng lượng vào tải trong quá trình vận hành. Trườ ng hợ p 2: IGBT1 off, IGBT2 on. K ể cả dòng điện ia> 0 hay ia< 0 thì điện áp đầu ra của SM cũng là giá trị VX = 0 do dòng điện đi vào từ nhánh dương của SM đi qua IGBT2 on và ra ngoài(i a> 0)hay dòng điện đi vào từ nhánh âm của SM, đi qua điốt D2 và ra ngoài(ia< 0). Như vậy, trong trườ ng hợp này điện áp từ nguồn hay từ tải đều đã bị ngắn mạch qua tụ điện, điều này khiến cho giá trị điện áp đầu ra của bộ biến đổi luôn có giá trị VX = 0.
Bảng 2. 1 Tr ạng thái đóng cắt của IGBT trong bộ biến đổi nửa cầu. Mode
T2
T1
ia
V ju
dVC/dt
1
OFF
ON
>0
VCju
>0
2
OFF
ON
<0
VCju
<0
3
ON
OFF
>0
0
0
4
ON
OFF
<0
0
0
2.2.2. Bộ biến đổi cầu-DSBC
Trong cấu trúc này, mỗ i bộ SM bao gồm 4 IGBT và mộ t tụ điện, dạng như hình vẽ 2.3.Nguyên lý hoạt độ ng của bộ biến đổi MMC kiểu DSBC như sau:
ia> 0
ia< 0
Hình 2. 5. Nguyên lý hoạt động bộ biến đổ i cầu . Tương tự như bộ biến đổi nửa cầu, việc đóng cắt IGBT và điện áp ra củ a bộ biến đổi cầu đượ c thể hiện theo bảng 2.2. Bảng 2. 2 Tr ạng thái đóng cắt của IGBT trong bộ biến đổi cầu. Mode
T1
T2
T3
T4
Vx (Ia> 0)
Vx (Ia<0)
1
ON
OFF
OFF
ON
VC
-VC
2
OFF
ON
ON
OFF
VC
-VC
3
ON
OFF
ON
OFF
0
0
4
OFF
ON
OFF
ON
0
0
2.3.
Ứ ng dụng của MMC
Trong năm 2003, Marquardt và cộ ng sự đã đưa ra mạ ch biến đổi công suất khác đó là “Bộ biến đổi đa mức cấu trúc modular” (MMC) và nguyên lý hoạt động cơ bản của nó [10],[11]. Các ứ ng dụng của MMC bao gồm:
MMC thích hợ p nhất với các ứ ng dụng điện áp cao và công suấ t lớ n bởi vì chúng kết nối các thiết bị theo một chuỗi mà không cần đến thành phần đồ ng bộ. Nâng cao điện áp và công suấ t. Phù hợp cho điều khiển động cơ ở dải điện áp trung bình và cao ví dụ như quạt gió, máy bơm, máy nén khí, nhữ ng loại tải mà có momen tỉ lệ bình phương vớ i tốc độ quay. Nền tảng cơ bản cho bộ biến đổi nối lướ i. Và còn r ất nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp như hệ thống BESS( Battery Energy Storage System), HVDC... 2.3.1. Ứ ng dụng của bộ biến đổi nử a cầu
Như đã nói ở trên, cấu trúc củ a mạch DSCC là sự k ết hợ p của cấu trúc sao kép với các bộ biến đổi là nử a cầu như hình 2.2. DSCC gồm nhiều bộ biến đổi nửa cầu ghép tầng vớ i nhau ở hai nhánh trên và dướ i. DSCC sử dụng hai cuộn cảm có giá trị điện cảm bằng nhau được đặt trên hai nhánh âm và dương.
τ
IG
190 V 15 kW
200 V 50 Hz
iS
400 V
iu
IM
380 V 15 kW
iDC vu vDC
DSCC
LAC
p, q 1:2
(5%)
PDC
Hình 2. 6 . Sơ đồ hệ thố ng ứ ng d ụng DSCC dùng điề u khiển động cơ [19]. Trong thực tế các ứng dụng của nó là:
DSCC thường đượ c ứng d ụng cho điều khiển động cơ vì điện áp ra xoay chiề u của nó có thể k ết n ối tr ực ti ế p v ới động cơ. Nó thường đượ c ứng d ụng để điều khiển động cơ có điện áp trung bình, hệ thống truyền tải dòng một chiều điện áp cao (HVDC), và hệ thống Back-To-Back (BTB) để đạt đượ c sự thay đổi tần số giữa hai hệ thống điện vớ i tần số khác nhau, hoặc liên kết không đồ ng bộ giữa hai hệ thống điện với cùng một dải tần số (hình 2.7). DSCC còn đượ c ứng dụng cho hệ thống bộ biến đổi nối lưới để trao đổi công suất phản kháng với lưới điện (hình 2.8). 2.3.2. Ứ ng dụng của bộ biến đổi cầu
Khác với DSCC, DSBC có cấu trúc bộ biến đổi đượ c nối hình sao, gồm các đầu xoay chiều của nhiều bộ biến đổi cầu cũng được ghép tầng vớ i nhau ở hai nhánh trên và dướ i. DSBC sử dụng hai cuộn cảm riêng biệt, phù hợ p vớ i hệ thống biến đổi năng lượ ng (PCS) cho việc tái tạo các nguồn tài nguyên như năng lượng gió và mặ t tr ời. DSBC còn có thể hoạt động như một bộ chuyển đổi tần số ba pha sang một pha tr ực tiế p.
2.3.3. Ứ ng dụng của MMC cho h ệ thống HVDC-Plus
Hệ thống điện áp cao mộ t chiều HVDC (High Voltage Direct Current) là hệ thống truyền tải sử dụng dòng một chiều cho phần lớn quá trình truyề n tải điện năng, nó có nhiều ưu điểm với các hệ thống xoay chiều đã phổ biến: giá thành thấp hơn, cho phép ít tổn hao hơn. HVDC cho phép truyề n tải công suất giữa các hệ thống cung cấ p điện xoay chiều không đồng bộ, hoặc giữa các mạng lưới điện có tầ n số khác nhau. Hiện nay HVDC được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giớ i. Gần đây, tập đoàn SIEMENS đã có những bướ c tiến trong việc cải tiến HVDC, trong đó đưa bộ biến đổi modular MMC dùng IGBT thay thế cho các bộ biến đổi công suất cổ điển dùng Thysistor là đáng kể nhất.
Hình 2. 7. Ứ ng d ụng của HVDC Plus. Trong đó nguyên lý hoạt động của HVDC Plus được trình bày như hình vẽ dướ i đây:
Hình 2. 8. Nguyên lý hoạt động chính củ a HVDC Plus .
Có thể thấy MMC đóng một vai trò rất quan tr ọng trong hệ thống HVDC Plus. Nhờ có các bộ biến đổi k ết hợ p với các bộ điều khiển mà khi kế t nối các hệ thống truyền tải điện áp cao chúng ta có thể yên tâm về chất lượ ng, giảm thiểu tổn hao, đảm bảo tốc độ đáp ứng nhanh và dễ dàng điều chỉnh nhiều mức điện áp. Khi ứ ng dụng MMC vào HVDC Plus ta có cấu trúc như sau:
Hình 2. 9 .Sơ đồ l ắp ráp HVDC Plus sử d ụng MMC [23].
Hình 2. 10 .H ệ thố ng HVDC thự c t ế của SIEMEN [24].
