NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC DÙNG VI MẠCH TÍCH HỢP FPGA

TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊC LƯU ĐA MỨC CẤU TRÚC MODULE MMC

Tổng quan về bộ biến đổi nghịch lưu đa mức có cấu trúc module MMC

Trong những năm gần đây, bộ biến đổi đa mức đang thu hút sự chú ý lớn nhờ khả năng tạo ra điện áp gần như sin hoàn hảo, chất lượng cao và giảm tổn thất khi đóng cắt Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, yêu cầu nguồn điện áp cao và công suất lớn, cùng với mong muốn đơn giản hóa vận hành, sửa chữa và lắp đặt, đã thúc đẩy sự phát triển của bộ biến đổi nghịch lưu đa mức Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng bộ biến đổi này cũng gặp phải một số nhược điểm như số lượng van bán dẫn và linh kiện tăng lên, khó khăn trong việc điều khiển và kiểm soát điện áp đầu ra, cùng với thuật toán phức tạp Để khắc phục những vấn đề này, bộ biến đổi nghịch lưu đa mức cấu trúc module (MMC) đã ra đời, mang lại chất lượng điện áp vượt trội với tần số chuyển mạch giảm đáng kể và thuật toán đơn giản hơn Với những lợi ích nổi bật, bộ biến đổi MMC đã được các hãng như Siemens và ABB áp dụng thành công cho các hệ thống HVDC với công suất lên đến 1000MW.

Ngoài ứng dụng cho hệ thống truyền tải HVDC, nghiên cứu những bộ biến đổi MMC có thể đáp ứng các yêu cầu ứng dụng như:

Khả năng kết nối linh hoạt các nguồn điện phân tán với công suất lớn và điện áp cao là rất cần thiết hiện nay Điều này đảm bảo việc cách ly và trao đổi công suất tác dụng, cũng như thu phát công suất phản kháng độc lập Hệ thống này không chỉ đảm bảo độ tin cậy mà còn dễ dàng mở rộng, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng.

Ứng dụng hệ thống bù công suất phản kháng trong lưới điện giúp giảm thiểu tổn thất điện năng và nâng cao chất lượng điện năng.

- Ứng dụng cho hệ thống truyền động công suất lớn trong công nghiệp hiệu quả về kinh tế và kĩ thuật

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi nghịch lưu đa mức cấu trúc MMC

1.1.1 Cấu trúc của bộ biến đổi MMC

Hình 1.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC

Cấu trúc của bộ biến đổi MMC, như hình 1.1, bao gồm các sub-module là thành phần thiết yếu Mỗi sub-module được cấu thành từ hai van bán dẫn, cho phép điều khiển hoàn toàn và mắc nối tiếp để hình thành cấu trúc nửa cầu, đồng thời mắc song song với nhau.

1 tụ điện mang điện áp Vc Trong một bộ biến đổi nghich lưu đa mức MMC thường có rất nhiều SM

Cấu trúc bộ biến đổi MMC bao gồm ba pha, mỗi pha được tạo thành từ hai nhánh: nhánh trên và nhánh dưới, với mỗi nhánh chứa N module SM (Sub-Module) mắc nối tiếp và kết nối với cuộn cảm L o Điện áp xoay chiều của mỗi pha được lấy ra giữa hai cuộn kháng L o của mỗi nhánh Cuộn cảm nối tiếp trên hai nhánh có vai trò giảm dòng điện quá độ trong quá trình đóng mở van, giúp tạo ra các mức điện áp khác nhau Tổn thất trong các SM và cuộn cảm nhánh được mô hình hóa như một điện trở nhỏ r o mắc nối tiếp với các phần tử trong hệ thống.

Bộ biến đổi có hai nhánh, với đầu vào là nguồn cấp một chiều V DC Điện áp trên mỗi nhánh SM được xác định bằng V DC, do đó mỗi SM sẽ chịu mức điện áp là V DC/N, trong đó N là số lượng nhánh.

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi nghịch lưu đa mức cấu trúc MMC số SM trên mỗi nhánh) Điện áp xoay chiều được tạo ra trên mỗi pha thay đổi theo bước nhảy điện áp của SM là V DC /N trong giới hạn từ -V DC /2 đến V DC /2, số mức điện áp tạo ra phụ thuộc vào số lượng SM mỗi nhánh, càng nhiều SM số mức tạo ra càng lớn, càng gần với hình sin nhất

Cấu trúc bộ biến đổi MMC với các van bán dẫn mắc nối tiếp giúp giảm thiểu sự phức tạp trong quá trình điều khiển đóng, cắt và đồng bộ hóa các van Điều này cũng dẫn đến việc giảm tần số đóng cắt trên mỗi SM, từ đó giảm tổn hao công suất xuống mức rất thấp Hơn nữa, việc đóng cắt ở các khoảng thời gian khác nhau giữa các SM thành phần giúp giảm độ méo sóng hài, nâng cao hiệu suất cho bộ biến đổi.

So với các bộ biến đổi truyền thống, bộ biển đổi nghịch lưu đa mức cấu trúc MMC đem lại những ưu điểm như:

- Có thể áp dụng cho hệ thống công suất lớn, điện áp cao với số lượng submodule không giới hạn

Cấu trúc module được thiết kế dựa trên sự kết nối đồng nhất của nhiều SM, giúp chia nhỏ điện áp đặt nên van bán dẫn, từ đó dễ dàng cho việc mở rộng, sửa chữa và vận hành, đồng thời nâng cao độ tin cậy.

- Tần số chuyển mạch thấp do các van trên một pha đóng cắt ở thời điểm khác nhau, giảm độ méo do song hài tạo ra

Hoạt động của hai phía xoay chiều và một chiều không yêu cầu bộ lọc hay biến áp cách li, giúp sản phẩm có kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp hơn so với các bộ biến đổi cùng cấp điện áp.

Bên cạnh những ưu điểm đó, thì bộ biến đổi MMC cũng có những nhược điểm là:

- Có dòng điện vòng xuất hiện trong mạch 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 hơn, cần phải thực hiện cân bằng điện áp trên mỗi SM

Những nhược điểm nêu trên có thể được khắc phục thông qua các thuật toán cân bằng và bộ điều khiển sử dụng vi mạch tích hợp công nghệ cao như FPGA Thực nghiệm trong đồ án này đã chứng minh điều đó.

1.1.2 Nguyên lý làm việc của bộ biển đổi MMC

Khi khởi động bộ biến đổi MMC, các tụ điện của mỗi SM được nạp đến giá trị định mức V DC /N bằng cách bật từng SM một và tắt 2N-1 SM còn lại Sau quá trình nạp, bộ điều khiển tự động gửi tín hiệu để điều chỉnh trạng thái các SM, nhằm tạo ra điện áp xoay chiều.

AC được tạo ra từ nguồn một chiều DC bằng cách bật một nửa số SM trên mỗi pha tại mỗi thời điểm Điều này có nghĩa là tổng số tụ hoạt động trên cả nhánh trên và nhánh dưới luôn duy trì bằng N tại mọi thời điểm.

Hình 1.2 Nguyên tắc hoạt động của MMC trên một pha với N = 4 SM mỗi nhánh

Bài viết mô tả nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC với 4 SM trong mỗi nhánh Mỗi SM khi hoạt động sẽ tạo ra mức điện áp V DC/4 Tại thời điểm minh họa trong hình, có tổng cộng 4 SM đang được bật.

Trong hệ thống, khi các SM ở nhánh dưới được kích hoạt, điện áp DC sẽ được tạo ra, trong khi các SM ở nhánh trên sẽ ngừng hoạt động, dẫn đến điện áp bằng 0 Tiếp theo, các SM ở nhánh dưới sẽ được tắt dần, trong khi các SM ở nhánh trên sẽ được bật dần để đảm bảo rằng điện áp xoay chiều được tạo ra thay đổi một cách từ từ và ổn định.

V DC /4 Cứ như vậy ta có được điện áp ra xoay chiều AC với 4 SM mỗi nhánh

Các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi MMC

Trong nghiên cứu về các bộ biến đổi MMC, phương pháp điều chế và điều khiển là những yếu tố quan trọng Các phương pháp điều chế có thể được phân thành hai nhóm chính: thuật toán dựa trên vector không gian và thuật toán dựa trên mức điện áp Việc lựa chọn phương pháp điều chế phù hợp phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể Tuy nhiên, khi đánh giá các phương pháp, tần số đóng cắt thấp và tổn hao giảm là những yếu tố được chú ý hàng đầu.

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi nghịch lưu đa mức cấu trúc MMC tần số chuyển mạch thấp, cụ thể là phương pháp Nearest Level Modulation (NLM) đã được chọn là đối tượng nghiên cứu chính trong đồ án này

Hình 1.4 Các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa mức cấu trúc module [4]

1.2.1 Phương pháp điều chế vector không gian SVM

Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) được phát triển từ ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều và đã được mở rộng cho các hệ thống điện ba pha Đây là một phương pháp hiện đại, chủ yếu dựa vào kỹ thuật số, và hiện đang là phương pháp phổ biến nhất trong lĩnh vực điện tử công suất SVM được sử dụng để điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha, bao gồm điều khiển truyền động điện xoay chiều, các mạch lọc tích cực, và các thiết bị công suất trong hệ thống truyền tải điện.

Phương pháp SVM tối ưu hóa trình tự đóng cắt van, mang lại chất lượng điện áp vượt trội Nguyên lý điều chế vector điện áp trong bộ biến đổi đa mức tương tự như bộ nghịch lưu hai mức Để tạo vector trung bình, cần xác định vị trí vector điện áp trong sector và chọn trạng thái chuyển mạch phù hợp để tính toán thời gian chuyển mạch Hình lục giác được chia thành các tam giác nhỏ nhằm thuận tiện cho việc tính toán, đặc biệt với bộ MMC.

N mức, số trạng thái chuyển mạch có thể có là N 3 trạng thái và số tam giác trong khối lục giác véc-tơ không gian là 6(N-1) 2

Hình 1.5 Sơ đồ vector không gian của N mức

Sơ đồ vector không gian của N mức thể hiện trạng thái điện áp ba pha trên mặt phẳng, với mỗi điểm nối biểu thị một trạng thái cụ thể Chẳng hạn, điểm (1,2,0) cho thấy pha A là VSM, pha B là 2V SM và pha C là 0, trong đó V SM là điện áp trên một SM Ngoài ra, các dạng điện áp đầu ra khác nhau có thể được tạo ra từ các tổ hợp đóng cắt của các mạch van khác nhau.

Phương pháp điều chế vector không gian là một công nghệ tiên tiến cho phép điều khiển tuyến tính hiệu quả trong các hệ thống tự động, đặc biệt trong việc chuyển đổi năng lượng điện từ DC sang AC Mặc dù mang lại chất lượng cao trong điều khiển, phương pháp này vẫn gặp phải một số nhược điểm như yêu cầu bộ vi xử lý mạnh mẽ và bộ nhớ lớn, cùng với độ phức tạp gia tăng khi số bậc của bộ biến đổi tăng lên, và lập trình giải thuật cũng trở nên phức tạp hơn.

1.2.2 Phương pháp điều chế PWM

Các kỹ thuật điều chế PWM cho bộ biến đổi MMC dựa trên việc so sánh tín hiệu chuẩn với dạng sóng tam giác tần số cao Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong quá trình biến đổi năng lượng Việc áp dụng PWM trong MMC không chỉ cải thiện khả năng điều khiển mà còn giảm thiểu nhiễu và tăng cường độ tin cậy của hệ thống.

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi nghịch lưu đa mức cấu trúc MMC mang) để xác định khoảng thời gian điều chế Trong các kỹ thuật PWM có hai kỹ thuật phổ biến đó là dịch mức sóng mang (LSPWM) và dịch pha sóng mang (PSPWM) a) Kĩ thuật dịch mức sóng mang (Level Shift PWM)

Cần N-1 sóng mang với cùng biên độ và tần số cho N mức điện áp

Với phương pháp dịch mức, có ba kiểu bố trí sóng mang như hình dưới đây:

Hình 1.6 Dịch mức PWM a) kiểu PD; b) kiểu POD; c) kiểu APOD

- PD ( Phase Dispostion): Tất cả các sóng mang đều cùng pha

- POD ( Phase Opposition Disposition): Các sóng mang bên trên Ox cùng pha với nhau và ngược pha với các sóng mang bên dưới trục Ox

- APOD ( Alternative Phase Opposite Disposition): Bố trí ngược pha luân phiên, hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau dịch pha một góc 180 o

Phương pháp bố trí sóng mang đa bậc cùng pha trong kỹ thuật dịch mức sóng mang giúp giảm thiểu độ méo dạng điện áp dây Cụ thể, các phương pháp POD và APOD được áp dụng cho bộ nghịch lưu ba bậc, mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì dạng sóng mang ổn định.

Sử dụng N-1 sóng mang với biên độ và tần số giống nhau, mỗi sóng mang được dịch pha một góc  60 / (N−1) với N là số mức điện áp đầu ra Phương pháp này giúp phân phối thời gian và công suất đồng đều giữa các SM, đồng thời có thể cân bằng điện áp tụ thông qua việc lựa chọn tần số sóng mang phù hợp Kết quả là tạo ra điện áp với sóng hai thấp nhất, phù hợp cho bộ biến đổi MMC.

Hình 1.7 Dịch pha sóng mang (PS PWM) cho thấy rằng các phương pháp PWM hiện nay được áp dụng rộng rãi trong điều chế cho bộ biến đổi, đặc biệt là những bộ biến đổi sử dụng ít van bán dẫn nhờ vào những ưu điểm nổi bật và tính dễ thực hiện Tuy nhiên, trong các hệ thống như truyền tải cao áp một chiều (HVDC) với bộ biến đổi đa mức cấu trúc module (MMC), các phương pháp PWM lại bộc lộ nhược điểm rõ rệt, gây ra tổn thất lớn do tần số đóng cắt cao và quy trình thực hiện phức tạp.

1.2.3 Phương pháp điều chế NLM

Phương pháp điều chế gần mức nhất (Nearest Level Modulation - NLM) là kỹ thuật chia đều điện áp DC cho các module thành phần, sắp xếp theo các mức điện áp gần với giá trị mong muốn V ref (t) Thuật toán NLM sử dụng hàm làm tròn để tính toán số nguyên SM, từ đó tạo ra điện áp đầu ra theo yêu cầu.

Khi điện áp của các tụ điện trong hệ thống SM được cân bằng và đạt giá trị V DC /N, mỗi nhánh của bộ biến đổi có khả năng tạo ra N+1 mức điện áp (0, V DC /N, 2V DC /N, , V DC) Số lượng SM cần được chèn vào mỗi nhánh được xác định theo một công thức cụ thể.

Hàm round được sử dụng để làm tròn số, giúp xác định số SM được chèn vào hoặc bỏ qua cho mỗi nhánh Tín hiệu điện áp ra sẽ theo sát giá trị điện áp tham chiếu V ref (t).

Với mỗi hàm làm tròn khác nhau sẽ tạo ra số mức điện áp khác nhau, N+1 mức với NLM thông thường và 2N+1 mức với NLM cải tiến

Phương pháp NLM đơn giản hơn nhiều so với SVM do không cần tính toán phức tạp Mặc dù NLM tạo ra dạng sóng có chất lượng kém hơn so với một số phương pháp PWM cải tiến khi số lượng SM nhỏ, nhưng khi số lượng SM tăng lên, chất lượng điện áp của NLM được cải thiện đáng kể nhờ tần số chuyển mạch thấp hơn Do đó, NLM chủ yếu được ứng dụng khi số SM đủ lớn để nâng cao điện áp đầu ra Chương 3 sẽ đi sâu vào phương pháp này khi áp dụng cho bộ biến đổi MMC.

Chương 2: Tìm hiểu về công nghệ FPGA và kit AX309 XC6SLX9 của Xilinx

CÔNG NGHỆ FPGA VÀ KIT AX309 XC6SLX9 CỦA XILINX

Tổng quan về FPGA

FPGA (Field Programmable Gate Array) là mạch tích hợp cho phép người dùng lập trình lại cấu trúc mảng phần tử logic Từ "Field" ám chỉ khả năng tái lập trình của thiết bị Được phát triển từ năm 1984 bởi Ross Freeman, người sáng lập công ty Xilinx, FPGA có thể tích hợp hàng triệu phần tử bán dẫn vào một vi mạch Với khả năng chứa từ 100.000 đến hàng tỷ cổng logic, FPGA vượt trội hơn hẳn các thiết bị logic lập trình đơn giản (SPLD) trước đây, giúp thực hiện các hàm phức tạp và nâng cao hiệu suất làm việc.

Kiến trúc FPGA là một mảng phức tạp gồm các khối logic nhỏ hơn SPLD, nhưng lại chứa nhiều phần tử logic hơn Điều này cho phép FPGA phát huy tối đa khả năng lập trình của các phần tử logic và hệ thống mạch kết nối.

Hiện nay, FPGA được tích hợp nhiều bộ logic số học tối ưu, hỗ trợ RAM, ROM và tốc độ cao, cùng với các bộ nhân và bộ cộng, phục vụ cho việc xử lý tín hiệu số hiệu quả.

Một số FPGA hiện đại không chỉ cho phép cấu trúc lại vi mạch ở mức toàn cục mà còn hỗ trợ cấu trúc lại ở mức cục bộ, cho phép điều chỉnh một bộ phận riêng lẻ mà không ảnh hưởng đến hoạt động của các bộ phận khác.

FPGA, hay mạch lập trình được, là một dạng vi mạch chuyên dụng tương tự như ASIC (Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng), nhưng vẫn chưa đạt được hiệu suất tối ưu và có hạn chế trong việc thực hiện các tác vụ phức tạp Dù vậy, FPGA có ưu điểm là khả năng tái cấu trúc trong quá trình sử dụng, giúp đơn giản hóa quy trình thiết kế, giảm chi phí và rút ngắn thời gian đưa vào ứng dụng.

So với các loại vi mạch bán dẫn lập trình như PLA, PAL và CPLD, FPGA nổi bật với nhiều ưu điểm FPGA cho phép cấu hình linh hoạt hơn, khả năng xử lý song song tốt hơn và hiệu suất cao hơn trong việc thực hiện các tác vụ phức tạp Bên cạnh đó, FPGA cũng hỗ trợ nhiều ứng dụng đa dạng, từ xử lý tín hiệu đến thiết kế hệ thống nhúng.

- Tái lập trình FPGA thực hiện đơn giản hơn, cũng như tính linh động trong lập trình

- Kiến trúc FPGA có khả năng chứa số lượng các cổng logic lơn hơn nhiều lần so với các vi mạch bán dẫn lập trình được có trước đây

Khác với vi xử lý thông thường, FPGA được lập trình và thiết kế chủ yếu bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL như VHDL và Verilog Các nhà sản xuất FPGA lớn như Xilinx và Altera cung cấp phần mềm và thiết bị hỗ trợ cho quá trình thiết kế Phần mềm này có khả năng thực hiện toàn bộ quy trình thiết kế IC chuẩn với đầu vào là mã thiết kế HDL, còn được gọi là mã RTL.

Hình 2.1.Cấu trúc cơ bản của FPGA

FPGA là một loại mạch tích hợp với hàng nghìn ô logic tương đồng, từ 64 đến hơn 10.000 ô Mỗi ô logic thực hiện một hoặc nhiều chức năng độc lập và được kết nối với nhau thông qua ma trận kết nối cùng với các khóa chuyển mạch có thể lập trình Người thiết kế sử dụng các ô này để tạo thành các khối cơ bản, từ đó liên kết các khối lại với nhau nhằm xây dựng mạch cho các thiết kế phức tạp.

Cấu trúc FPGA bao gồm một dãy hai chiều các khối logic có khả năng kết nối với nhau thông qua các nguồn kết nối chung, với các chuyển mạch nằm bên trong các kết nối này.

Chương 2: Tìm hiểu về công nghệ FPGA và kit AX309 XC6SLX9 của Xilinx lập trình được dùng để nối các khối logic với đoạn kết nối, các khối vào/ra hay các đoạn kết nối với nhau Mạch logic cài đặt trong FPGA bằng cách ánh xạ logic vào các logic riêng rẽ và sau đó nối các khối logic cấu hình ( Configurable logic block) cần thiết qua các chuyển mạch

Các khối CLB cung cấp các phần tử chức năng với cấu trúc logic, trong khi các khối vào ra (I/O Blocks) tạo ra giao diện giữa các chân và đường tín hiệu bên trong Hệ thống kết nối khả trình đảm bảo sự truyền dẫn hiệu quả đến các đầu vào và đầu ra của các CLB cùng với các IOB.

Khối logic cấu hình (CLB) trong FPGA được lập trình để thực hiện các tính toán và lưu trữ cơ bản trong hệ thống số Mỗi phần tử logic cơ bản bao gồm một mạch tổ hợp có thể lập trình và một Flip-Flop hoặc một chốt (latch) Ngoài các khối logic cơ bản, nhiều FPGA hiện nay còn tích hợp các khối chức năng chuyên dụng như bộ nhớ, bộ nhân (multipliers) và bộ ghép kênh (multiplexers) Cấu hình bộ nhớ đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển chức năng của từng phần tử bên trong khối logic.

Kết nối có thể lập trình trong FPGA cho phép liên kết các khối logic và I/O để tạo thành thiết kế thống nhất Các transistor và bộ ghép kênh thường được sử dụng trong các cụm logic để kết nối các phần tử logic, trong khi cổng đệm ba trạng thái cần thiết cho cấu trúc định tuyến bên trong FPGA Một số FPGA cung cấp nhiều kết nối đơn giản giữa các khối logic, trong khi những FPGA khác có ít kết nối hơn, dẫn đến định tuyến phức tạp hơn.

Khối I/O khả trình đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp giao tiếp giữa các khối logic và kiến trúc định tuyến đến các thành phần bên ngoài Một trong những yếu tố then chốt trong thiết kế kiến trúc I/O là lựa chọn các tiêu chuẩn điện áp cung cấp và điện áp tham chiếu được hỗ trợ.

FPGA không chỉ bao gồm các thành phần chính mà còn tích hợp nhiều thành phần nhỏ khác như MAC (circuit nhân tích lũy), giúp thực hiện phép nhân và cộng một cách hiệu quả Bên cạnh đó, FPGA còn có các khối thực hiện các chức năng đặc biệt như xử lý tín hiệu số và LUT (Look-up Table), hoạt động như một bộ nhớ RAM nhỏ, được sử dụng để tạo ra các chức năng cần thiết.

Kit FPGA Xilinx Spartan XC6SLX9

Do khả năng xử lý mạch tổ hợp với tốc độ cao mà các vi xử lý thông thường không thể đạt được, kit FPGA trở thành lựa chọn ưu việt cho các ứng dụng yêu cầu xử lý song song Với số chân vào ra lớn, kit FPGA đáp ứng tốt yêu cầu của phương pháp NLM cho bộ biến đổi MMC khi số lượng SM đủ lớn Vì vậy, board FPGA AX309 XC6SLX9 thuộc dòng Spartan-6 của Xilinx được lựa chọn cho ứng dụng trong đồ án này.

Trên kit FPGA AX309 bao gồm:

- FPGA: chip Xilinx Spartan-6 XC6SLX9 FPGA

- Cổng JTAG: Cổng nạp chương trình

- SPI flash memory: 64Mbit SPI FLASH

- Xung clock hệ thống: 50MHz

- Đặc biệt là 80 chân mở rộng: đây chính là nơi đo tín hiệu về, cũng như phát xung đóng cắt van IGBT phục vụ cho phần thực nghiệm ở chương 4

Ngoài ra là hệ thống nút bấm, led, còi báo, cổng hỗ trợ camera,VGA,USB

Hình 2.2 Kit FPGA AX309 board XC6SLX9 của Xilinx

Hình 2.3 Sơ đồ khối kit FPGA AX 309.

MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC

Mô hình hóa bộ biến đổi đa mức cấu trúc module MMC

Để phát triển bộ biến đổi MMC, việc hiểu rõ mô hình toán học về dòng điện và điện áp là rất quan trọng Điều này giúp chúng ta thiết kế bộ điều khiển tối ưu và phù hợp cho hệ thống.

Xét bộ biến đổi MMC có số lượng SM là vô hạn trong mỗi nhánh, các tụ trên mỗi

Bộ biến đổi SM đã được cân bằng điện áp, trong đó mỗi nhánh được coi như một tụ điện biến thiên mắc nối tiếp với điện trở tương đương và điện cảm Khi tần số đóng cắt được xem là rất lớn, điện áp xoay chiều sin tuyệt đối sẽ được tạo ra ở đầu ra của bộ biến đổi Mô hình tương đương một pha của bộ biến đổi MMC được thể hiện trong hình 1.1.

Hình 3.1 Mô hình trung bình của bộ biến đổi MMC

Chương 3: Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi MMC

- V dc : điện áp trên 2 cực nguồn một chiều

- u v : điện áp ở cực đầu ra bộ biến đổi

- V Cu  , V Cl  : tương ứng là tổng điện áp tụ điện nhánh trên và nhánh dưới

- i i u , l : tương ứng là dòng điện nhánh trên và dòng điện nhánh dưới

- i ac : dòng điện đầu ra của bộ biến đổi

- i diff : dòng sai lệch giữa nhánh trên và nhánh dưới- dòng điện vòng

- m u , m l : hệ số điều chế nhánh trên và nhánh dưới, giá trị trong đoạn [0 1]

- R arm, Larm: lần lượt là điện trở tương đương, điện cảm nhánh

Hệ số chèn m u và m l bằng 0 khi tất cả các SM trên nhánh được dẫn thông qua, trong khi m u và m l bằng 1 khi tất cả các SM trên nhánh được chèn vào Khi đó, điện áp tức thời trên mỗi nhánh được tính theo công thức nhất định.

Tổng hệ số điều chế 2 nhánh nên được giữ bằng 1, để 1 SM được chèn vào trong nhánh này thì tương ứng một SM được dẫn thông trong nhánh kia u l 1 m +m = (3.3)

Kí hiệu điện dung tụ điện của mỗi SM là CSM khi đó điện dung của các tụ điện được chèn vào nhánh có thể được tính như sau:

Với N là số SM trên một nhánh của bộ biến đổi

Khi dòng điện nhánh đi qua tụ điện tương đương, nó đại diện cho các tụ điện được thêm vào nhánh của bộ biến đổi Tính động học của tổng điện áp của tụ điện được biểu diễn qua công thức cụ thể.

Cl effl SM i t N m i d V dt  = C = C (3.7) Áp dụng định luật Kirchhoff dòng điện với chiều dòng điện như hình 3.1, dòng điện đầu ra được tính như sau: ac u l i = −i i (3.8)

Mối quan hệ dòng điện vòng với dòng nhánh trên, dòng nhánh dưới và dòng điện xoay chiều đầu ra được thể hiện qua công thức:

2 u l diff i i i = + (3.11) Áp dụng định luật Kirchhoff, điện áp xoay chiều ở đầu ra của bộ biến đổi bằng:

Từ (3.11), (3.12) và (3.13) ta có phương trình biểu diễn dòng sai lệch:

2 2 diff dc arm diff arm l Cl u Cu diff arm diff l Cl u Cu dc arm arm arm

2 2 2 l Cl u Cu arm ac arm ac v m V m V R i L di u dt

Qua 2 công thức (3.14) và (3.15) ta nhận thấy sự độc lập của dòng diện vòng i diff không ảnh đến điện áp xoay chiều u v đầu ra của bộ biến đổi, mà chỉ phụ thuộc vào tổng điện áp tụ 2 nhánh, hay hệ số điều chế m u ,m l Điện áp sai lệch giữa nhánh trên và nhánh dưới hoạt động như một sức điện động xoay chiều (EMF) bên trong bộ biến đổi, kí hiệu là

Khi điều khiển điện áp ở cực của bộ biến đổi, thực chất là chúng ta đang điều chỉnh sức điện động xoay chiều bên trong bộ biến đổi đó.

Mặt khác, kết hợp (3.6), (3.7), (3.9), (3.10) và (3.14) ta thu được hệ phương trình vi phân mô tả 1 pha của bộ biến đổi MMC:

2 arm u l dc arm arm arm arm diff diff u u ac

Có thể xác định mô hình hàm truyền của bộ biến đổi, từ đó phát triển các chương trình mô phỏng sử dụng trực tiếp các hàm này.

Phương pháp điều chế NLM

Phương pháp điều chế NLM (Nearest Level Modulation) rất thích hợp cho các bộ biến đổi có cấu trúc nhiều module thành phần.

Hình 3.2 Cấu trúc một pha MMC và sơ đồ tương đương

Sơ đồ thay thế một pha của bộ biến đổi MMC được trình bày trong hình 3.2, trong đó U dc và i dc đại diện cho điện áp và dòng điện phía DC Các điện áp tổng của các SM ở nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha lần lượt là u U và u L, trong khi dòng điện ở các nhánh này được ký hiệu là i U và i L Cuối cùng, u và i là điện áp và dòng điện phía AC của bộ biến đổi Theo định luật Kirchhoff, các mối quan hệ này có thể được áp dụng để phân tích hệ thống.

L dc u u Ldi U dt u u Ldi U dt

L U i i = − i (3.19) Điện áp của MMC có thể được biểu diễn:

Sức điện động xoay chiều của MMC hay điện áp xoay chiều khi ổn định (EMF):

Tổng quát, giá trị tham chiếu của điện áp xoay chiều được biểu diễn dưới dạng phương trình: cos( ) 2 ref dc e u = mU t (3.22)

Với hệ số điều chế m trong khoảng 0 < m < 1, phương pháp NLM cổ điển cho thấy rằng tại mỗi thời điểm, N SM sẽ được chèn vào trên mỗi pha, dẫn đến phương trình điện áp phía DC là: dc u l.

Từ đó xác định được điện áp nhánh trên và nhánh dưới:

1 cos( ) 2 ref dc u ref dc l u U m t u U m t

Bỏ qua điện áp trên các SM chế độ bypass, mối quan hệ giữa điện áp trên tụ của mỗi sub-module (U d) và điện áp một chiều (U dc) được xác định bởi công thức: U dc = N U d.

Sơ đồ khối tổng quát của phương pháp NLM được thể hiện trong Hình 3.3, minh họa nguyên lý hoạt động của thuật toán này Có hai cách làm tròn khác nhau đã dẫn đến sự phát triển của hai phương pháp NLM: phương pháp cổ điển và phương pháp cải tiến.

3.2.1 Phương pháp NLM cổ điển

Dựa vào phương trình (3.24) và (3.25) ta xác định được số lượng SM sẽ được chèn vào nhánh trên và nhánh dưới lần lượt là:

Hàm làm tròn round 0.5 ( ) x có chức năng làm tròn giá trị của x tới số nguyên gần nhất, dựa vào phần thập phân của x Nếu phần thập phân lớn hơn 0.5, x sẽ được làm tròn lên số nguyên tiếp theo; ngược lại, nếu phần thập phân nhỏ hơn hoặc bằng 0.5, x sẽ được làm tròn xuống số nguyên liền trước.

Hình 3.4 bên dưới mô tả nguyên lý thực hiện phương pháp NLM cổ điển với sự thay đổi các mức điện của 2 nhánh theo thời gian

Trong khoảng thời gian từ t1 đến t2, tại thời điểm t1, điện áp u l step được xác định bằng công thức M U d, trong đó M là số lượng sub-module được chèn vào nhánh dưới của pha và N là số sub-module trong một nhánh của pha Các giá trị điện áp đặt của hai nhánh cùng với điện áp xoay chiều đầu ra tại t = t1 cũng được xem xét.

Lúc này, mức điện áp của hai nhánh và điện áp xoay chiều đầu ra của bộ biến đổi được biểu diễn:

Tại thời điểm từ t2 đến t3, giá trị điện áp đặt của hai nhánh và điện áp xoay chiều đầu ra của bộ biến đổi tại t2 được xác định rõ ràng.

Mức điện áp của hai nhánh và điện áp xoay chiều đầu ra của bộ biến đổi được biểu diễn:

Hình 3.4 Nguyên lý hoạt động của NLM cổ điển với bước làm tròn 0.5 [5]

So sánh u e step ở hai biểu thức (3.28) và (3.30) ta có thể thấy độ cao mỗi mức là U d

Do giới hạn điện áp làm tròn là  0.5 U d nên số mức tối đa của suất điện động xoay

Chương 3: Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi MMC chiều là dc 1 d

U + (hay N+1) Sự sai lệch lớn nhất giữa u e step và u e ref xuất hiện tại thời điểm chuyển bậc thang và nó bằng 0.5U d

3.2.2 Phương pháp NLM cải tiến Ở phương pháp NLM cải tiến, ta chỉ thay đổi hàm làm tròn round 0.5 ( ) x bằng hàm làm tròn round 0.25 ( ) x Số lượng SM chèn vào hai nhánh được xác định bởi:

Hình 3.5 thể hiện nguyên lý hoạt động của NLM cải tiến với sự thay đổi các mức điện của 2 nhánh theo thời gian

Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động của NLM cải tiến với bước làm tròn 0.25 [5]

+ Xét khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 , giả sử u l step =M U d , các giá trị điện áp đặt của hai nhánh và điện áp xoay chiều đầu ra tại t = t 1 :

Lúc này, mức điện áp của hai nhánh và điện áp xoay chiều đầu ra của bộ biến đổi:

Tại thời điểm từ t2 đến t3, giá trị điện áp đặt của hai nhánh và điện áp xoay chiều đầu ra của bộ biến đổi tại t2 được xác định rõ ràng.

Mức điện áp của hai nhánh và điện áp xoay chiều đầu ra của bộ biến đổi là:

Kích thước bước điện áp giảm xuống còn u e step là 0.5Ud, với sai lệch lớn nhất giữa u e ref và u e step xảy ra tại thời điểm thay đổi bước (t1, t2, và t3) So sánh các biểu thức (3.32), (3.33) hoặc (3.34), (3.35) cho thấy sai lệch tối đa đạt 0.25Ud Ngoài ra, từ các biểu thức (3.33) và (3.35), tổng số module thành phần SM được chèn vào sẽ là N hoặc N+1.

Phương pháp NLM cải tiến tạo ra điện áp với số mức gấp đôi so với phương pháp NLM cổ điển, giúp giảm đáng kể sóng hài và nhiễu do dv/dt trong điện áp đầu ra.

Hình 3.6 Sơ đồ khối thuật toán NLM cải tiến

Thiết kế mạch vòng điều khiển cho bộ biến đổi đa mức cấu trúc module

Hình 3.7 Cấu trúc điều khiển MMC

Hệ thống điều khiển bộ biến đổi đa mức sử dụng cấu trúc điều khiển tầng, bao gồm vòng điều khiển dòng điện bên trong và các vòng điều khiển bên ngoài như công suất tác dụng, công suất phản kháng, hoặc điện áp hiệu dụng ở đầu ra Việc lựa chọn mạch vòng điều khiển là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và ổn định của hệ thống.

Chương 3: Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi MMC ngoài còn tùy thuộc vào ứng dụng của bộ biến đổi như nối lưới hay tải độc lập….Hệ thống điều khiển sẽ được thực hiện trên khung tọa độ dq để có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng, có thể sử dụng bộ điều khiển PI đảm bảo sai lệch tĩnh bằng không

Vòng khóa pha được sử dụng để đồng bộ với điện áp lưới, giúp phát hiện góc và biên độ điện áp lưới, từ đó cung cấp góc pha cho việc chuyển đổi hệ trục tọa độ abc/dq của vector dòng điện Trong bản đồ án này, chương trình mô phỏng là bộ biến đổi đa mức cấu trúc module nhằm thực hiện nối lưới Để đáp ứng yêu cầu nhanh chóng trong trường hợp nối lưới, bộ điều khiển dòng điện được chọn cho mạch vòng điều chỉnh phía trong Mạch điều khiển vòng ngoài bao gồm mạch vòng công suất tác dụng và công suất phản kháng, với khả năng điều khiển độc lập hai loại công suất này.

Hình 3.8 Sơ đồ mạch nối lưới tương đương

Bộ biến đổi MMC được kết nối với nguồn điện một chiều cố định V dc ở một đầu và lưới điện xoay chiều v ở đầu còn lại Giữa bộ biến đổi và lưới điện có một điện trở R f và cuộn cảm lọc L f Điện áp tại cực bộ biến đổi, ký hiệu là u v, nhanh pha hơn điện áp lưới một góc δ, trong khi dòng điện i có chiều từ bộ biến đổi tới lưới chậm pha hơn điện áp lưới một góc φ.

Từ (3.15) và (3.16) ta viết lại thành:

Điện áp hai đầu cực của bộ biến đổi được ký hiệu là uv, trong khi suất điện động bên trong bộ biến đổi được ký hiệu là ev Dòng điện đầu ra từ bộ biến đổi tới lưới được ký hiệu là i.

Với R f , L f là điện trở và điện cảm phía xoay chiều

Từ hai phương trình (3.26) và (3.27) ở trên ta có:

3.3.1 Bộ điều khiển dòng điện trên khung tọa đô quay dq

Mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện (hình 3.9)

Sơ đồ mạch vòng dòng điện trong hình 3.9 bao gồm bộ điều khiển dòng điện Gc(s) và mô hình NLM GNLM(s) Trong đó, e v đại diện cho sức điện động bên trong bộ biến đổi, còn v là điện áp lưới xoay chiều.

Từ phương trình (3.34) chuyển sang trục tọa độ dq ta có: sd vd sd s sd d sq vq sq s sq q e Ri Ldi Li v dt e Ri Ldi Li v dt

Hình 3.10 Biểu diễn vector điện áp và dòng điện trên các hệ trục tọa độ

Hệ tọa độ cố định abc được chuyển sang hệ tọa độ quay dq để thiết kế bộ điều khiển Khung tọa độ quay dq quay đồng bộ với vận tốc góc w s so với khung tọa độ cố định αβ, trong đó góc giữa trục d và trục α được xác định là θ s = w s t.

Dựa trên phương trình (3.35), tín hiệu dòng điện và điện áp trên khung tọa độ quay dq có tính chất một chiều và ít thay đổi, vì vậy bộ điều khiển PI được sử dụng để điều chỉnh dòng điện nhằm triệt tiêu sai lệch tĩnh.

Hình 3.11 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện

Do hai phương trình điện áp trên khung tọa độ quay d và q có đặc tính động học tương đồng, việc thiết kế bộ điều khiển chỉ cần thực hiện trên một trục tọa độ.

Bộ điều khiển dòng điện với cấu trúc tầng yêu cầu mạch vòng bên trong phải có đáp ứng nhanh Để đạt được điều này, phương pháp tối ưu module sẽ được áp dụng để điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển PI Trong quá trình này, sự xen kẽ và nhiễu sẽ được bỏ qua để đảm bảo tính chính xác của cấu trúc bộ điều khiển dòng điện.

Hình 3.12 Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng điện Với T av là thời gian trễ của bộ biến đổi và bằng nửa chu kỳ đóng cắt mạch van

 =L R là hằng số thời gian của mạch điện tương đương

Hàm truyền hệ hở của hệ thống:

Chọn T i i =  khi đó sẽ hủy được điểm cực làm chậm hệ thống, hàm truyền hệ hở trở thành:

Theo tiêu chuẩn tối ưu module, hệ số khuếch đại của bộ điều khiển dòng điện được tìm theo điều kiện:

3.3.2 Bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng

Bộ điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng được thiết kế dựa trên khung tọa độ quay dq, cho phép tính toán chính xác công suất tác dụng và công suất phản kháng.

Ta chọn hệ trục dq sao cho vector điện áp lưới trùng với trục d, điều này có nghĩa rằng điện áp trên truc q bằng 0, ta suy ra:

Do có đặc tính động học tương tự, bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng sẽ có cấu trúc và tham số chung Vì vậy, bài viết này chỉ tập trung vào mạch vòng điều khiển công suất tác dụng, với sơ đồ khối cho bộ điều khiển công suất tác dụng được trình bày rõ ràng.

Hình 3.13 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh công suất tác dụng

Bộ điều khiển PI có hàm truyền như sau:

Bộ điều khiển dòng điện bên trong coi như là một khâu trễ, có hàm truyền như sau:

Với T av là thời gian trễ của bộ biến đổi

Từ sơ đồ hình 3.13 ta có hàm truyền vòng hở cho mạch vòng điều chỉnh công suất tác dụng như sau:

Bộ điều chỉnh PI được chỉnh định để đảm bảo độ dự trữ pha và tần số cắt đủ lớn, nên ta chọn:

Với  c là băng thông mong muốn

Khi sử dụng cấu trúc điều khiển tầng, vòng điều khiển bên trong có khả năng phản ứng nhanh hơn so với vòng điều khiển bên ngoài Tần số cắt của vòng điều chỉnh dòng điện gần đạt khoảng 1.

2T av khi đó băng thông cho vòng điều khiển bên ngoài được chọn sao cho có biên độ nhỏ hơn, ta chọn 1 c 20

Chúng ta đã xác định các tham số cho mạch vòng điều khiển dòng điện, mạch vòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong bộ biến đổi đa mức cấu trúc module khi kết nối với lưới điện, kết hợp với phương pháp điều chế NLM cải tiến.

Chương 3: Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi MMC thuật toán cân bằng điện áp tụ đã được giới thiệu ở phần trước ta có sơ đồ tổng quát cho bộ biến đổi đa mức cấu trúc module bao gồm các mạch vòng điều khiển như sau:

Hình 3.14 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh bộ biến đổi MMC

Thuật toán cân bằng năng lượng

Cân bằng điện áp giữa các tụ điện trong các Sub-modules là một thách thức quan trọng của bộ biến đổi MMC Nguyên nhân chính là sự khác biệt giữa các tụ điện được sử dụng cho các Sub-modules Hơn nữa, việc liên tục "insert" cũng góp phần vào vấn đề này.

Để tạo ra mức điện áp mong muốn và “bypass” các SM tại mỗi thời điểm, cần một chiến lược giữ cân bằng điện áp trên mỗi nhánh van của bộ biến đổi Thuật toán cân bằng điện áp được thực hiện bằng cách sắp xếp mức điện áp trên các tụ, lựa chọn và kích hoạt các sub-module có điện áp thấp nhất hoặc cao nhất theo hướng dòng điện trong mỗi nhánh Để đảm bảo sự cân bằng điện áp giữa các sub-modules trong cùng một nhánh, thuật toán này phải được thực hiện trong mỗi chu kỳ điều khiển.

Nếu tổng số lượng sub-modules ở trạng thái dẫn trong một nhánh không thay đổi, sẽ có một số quá trình chuyển mạch không cần thiết diễn ra, dẫn đến tần số chuyển mạch cao và tổn thất chuyển mạch lớn Biến đổi điện áp trên tụ của các sub-module có thể tạo ra sự khác biệt về điện áp giữa ba pha, gây ra dòng điện điện vòng trong ba pha Dòng điện này đi qua sáu nhánh, làm méo dòng điện hình sin ở mỗi nhánh.

Giá trị hiệu dụng của dòng điện nhánh và tổn thất bộ biến đổi tăng lên, do đó, thuật toán cân bằng năng lượng được áp dụng nhằm giảm tần số đóng cắt trung bình của thiết bị Thuật toán này cũng giúp phân phối năng lượng một cách cân bằng trong các tụ SM, góp phần giảm đáng kể biên độ của dòng điện vòng mà không làm ảnh hưởng đến điện áp và dòng điện đầu ra của MMC.

Thuật toán cân bằng năng lượng

Tín hiệu đóng cắt các van của SM Đo dòng điện nhánh

Hình 3.15 Nguyên lý thuật toán cân bằng năng lượng [9]

Cân bằng điện áp tụ có thể được thực hiện qua hai phương pháp chính: một là sử dụng ba mạch vòng điều khiển, và hai là bố trí chèn hoặc bỏ qua một cách hợp lý các SM trong chu kỳ phóng nạp của tụ.

Phương pháp sử dụng ba mạch vòng điều khiển có một số hạn chế, bao gồm việc mỗi SM cần một mạch vòng điều khiển riêng biệt, dẫn đến cấu trúc mạch phức tạp và sự xuất hiện của các thành phần sóng hài.

Phương pháp bố trí hợp lý các SM trong chu kỳ phóng nạp của tụ điện giúp đo điện áp tụ nhiều lần trong một chu kỳ cơ bản và sắp xếp theo giá trị điện áp Việc kiểm soát SM được thực hiện dựa vào chiều dòng điện và giá trị điện áp của tụ Phương pháp này đặc biệt hữu ích khi số lượng SM lớn.

Hình 3.16 Lưu đồ thuật toán NLM

Cách thức thực hiện thuật toán: (n là số SM được chèn vào tại một thời điểm, N là số SM mỗi nhánh của bộ biến đổi)

Trước khi sắp xếp, cần thực hiện xét với n = 0 hoặc n = N vì trong cả hai trường hợp này, không cần quan tâm đến chiều dòng điện hay điện áp của các tụ Do đó, chỉ cần thực hiện tắt (OFF) hoặc bật (ON) cả N SM và sau đó thoát khỏi thuật toán để giảm thời gian thực thi.

Khi n thay đổi từ mức này sang mức khác, thuật toán sẽ chọn ra n SM để chèn vào Việc lựa chọn tụ cần được ON sẽ được thực hiện theo một phương pháp nhất định.

Sắp xếp giá trị điện áp của các tụ theo thứ tự tăng dần và lưu vào bộ nhớ Sau đó, tắt cả N SM để chỉ cần bật các SM cần thiết Khi kiểm tra, nếu dòng điện nhánh dương, tụ sẽ được nạp điện So sánh điện áp trên các tụ chưa sắp xếp với giá trị thứ n trong bộ nhớ; nếu nhỏ hơn hoặc bằng, SM tương ứng sẽ được bật Ngược lại, nếu dòng điện nhánh âm, tụ sẽ xả điện So sánh điện áp trên các tụ chưa sắp xếp với giá trị thứ N - n trong bộ nhớ; nếu lớn hơn, SM tương ứng sẽ được bật.

Tính toán mạch lực bộ biến đổi MMC

3.5.1 Lựa chọn cuộn cảm trên nhánh

Cuộn cảm trên nhánh là yếu tố quan trọng trong bộ biến đổi MMC, được mắc nối tiếp với các sub-module trong mỗi nhánh để bù cho sự sai khác giữa điện áp phase-leg và điện áp dây DC Sự sai khác này gây ra dòng điện móc vòng, và cuộn cảm nhánh ảnh hưởng lớn đến biên độ của dòng điện này Trong các ứng dụng kết nối điện áp đầu ra AC của bộ MMC với lưới điện, cuộn cảm nhánh còn giúp giới hạn dòng điện lỗi khi dây DC bị ngắn mạch Do đó, việc lựa chọn cuộn cảm nhánh cần được ưu tiên để hạn chế dòng điện móc vòng và kiểm soát dòng điện lỗi trong trường hợp ngắn mạch dây DC.

Dòng điện sai lệch i diff và sự biến động của điện áp tụ giữa các sub-module là hai tiêu chí quan trọng để xác định giá trị cuộn cảm và tụ điện trong các phân tích.

Dòng điện sai lệch i diff bao gồm một thành phần một chiều và các thành phần sóng hài bậc cao:

Với idc là thành phần một chiều, ih là biên độ sóng hài bậc h ( i h = 0 với h=2n-1, i h ≠ 0 với h = 2n, n = 1…∞)

Trong các thành phần sóng hài, sóng hài bậc hai là yếu tố chính ảnh hưởng mạnh mẽ đến dòng điện sai lệch Biên độ của sóng hài bậc hai chủ yếu phụ thuộc vào hiệu ứng cộng hưởng, có thể xuất hiện ở cả hai nhánh trong cùng một pha của bộ biến đổi Tần số góc cộng hưởng được xác định theo một biểu thức cụ thể.

Với h = 2n, n=1…∞,  r là tần số góc

Công thức trên bị giới hạn trong điều kiện ở trạng thái tĩnh, điện trở nhánh là nhỏ

3.5.2 Tính giá trị tụ điện mỗi sub-module Ở bộ biến đổi MMC, năng lượng được lưu trữ trong tụ điện, năng lượng lớn nhất ECmax được lưu trữ trong tụ được xác định bởi hệ số công suất bộ biến đổi Sn và hệ số tỉ lệ công suất năng lượng EP (Energy Power) được định nghĩa: max

Tỉ lệ EP thay đổi theo từng ứng dụng; EP thấp giúp giảm chi phí cho bộ biến đổi nhưng lại làm tăng độ nhấp nhô điện áp Hệ thống truyền tải cao áp một chiều HVDC PLUS của Siemens sử dụng bộ biến đổi MMC.

Mỗi nhánh của hệ thống có 216 SM, với giá trị EP được chọn trong khoảng 10 J/kVA đến 50 J/kVA Tuy nhiên, do hạn chế trong mô phỏng, bộ biến đổi MMC chỉ được mô phỏng với 8 sub-module trên mỗi nhánh, vì vậy giá trị EP sẽ được xác định trong khoảng 270 J/kVA đến 1350 J/kVA.

Trước khi thiết kế bộ biến đổi, cần xác định hai thông số quan trọng: công suất định mức Sn và giá trị hiệu dụng của điện áp dây.

V l-lrms ở phía xoay chiều bộ biến đổi.Ta có mỗi quan hệ giữa điện áp một chiều và điện áp dây phía xoay chiều được xác định như sau:

Hệ số điều chế ma có thẻ thay đổi từ 0 đến 2 / 3

Tổng năng lượng được lưu trữ trong tụ điện của ba pha MMC bao gồm 6n SM:

Do đó giá trị tụ điện có thể tính toán nhờ hệ số tỉ lệ công suất năng lượng EP: max

Thông thường giá trị tụ điện nhánh nằm trong khoảng từ 0,5mF tới 2mF [7] Mặt khác, từ biểu thức (3.53) và (3.57), giá trị điện cảm tính được là:

MÔ PHỎNG VÀ ỨNG DỤNG KIT FPGA AX309 VÀO THỰC NGHIỆM

Tiêu đề	Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Cho Bộ Biến Đổi MMC Dùng Vi Mạch Tích Hợp FPGA
Tác giả	Nguyễn Đình Tuấn
Người hướng dẫn	TS. Phạm Việt Phương
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Tự Động Hóa Công Nghiệp
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	106
Dung lượng	3,24 MB