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 MMC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

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

Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng thiết bị công suất lớn trong các ứng dụng công nghiệp với điện áp trung hoặc cao thế ngày càng tăng, đặc biệt là trong truyền tải điện cao áp một chiều HVDC và truyền động điện trung thế Để đáp ứng nhu cầu này, các bộ biến đổi đa mức đã được nghiên cứu và ứng dụng, vì chúng không chỉ đạt hệ số công suất cao mà còn có khả năng biến đổi điện áp và công suất lớn Nghiên cứu về bộ biến đổi đa mức, đặc biệt là bộ biến đổi cấu trúc module MMC (Modular Multilevel Converter), đang thu hút nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực điện tử công suất do những ưu điểm vượt trội so với bộ biến đổi hai mức cổ điển Các hệ thống HVDC PLUS của Siemens và HVDC Light của ABB là những ví dụ điển hình, cả hai đều sử dụng bộ biến đổi nghịch lưu đa mức MMC làm bộ biến đổi nguồn áp.

Bộ biến đổi MMC nổi bật với đặc tính khác biệt so với các bộ biến đổi đa mức khác, mang lại nhiều tính năng ưu việt cho ứng dụng trong dải công suất lớn và điện áp cao Đây là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp công suất lớn và kết nối các hệ thống điện phân tán MMC rất phù hợp cho hệ thống truyền tải điện một chiều công suất lớn và khoảng cách xa So với các bộ nghịch lưu truyền thống, bộ biến đổi đa mức MMC có nhiều ưu điểm như khả năng mở rộng với các mức điện áp và công suất khác nhau, tạo ra điện áp ra với chất lượng tốt, sử dụng một nguồn điện áp một chiều duy nhất ở đầu vào, không cần máy biến áp, và giảm tần số đóng cắt van, từ đó giảm tổn thất do đóng cắt.

Vì vậy, trong đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu về bộ biến đổi đa mức có cấu trúc module MMC

1.1.1 Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi nghịch lưu đa mức MMC

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi nghịch lưu đa mức MMC [6]

Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module ba pha bao gồm hai nhánh van cho mỗi pha, với mỗi nhánh chứa N sub-module là các bộ biến đổi nửa cầu mắc nối tiếp Điện áp xoay chiều được lấy từ điểm giữa của hai cuộn cảm trong mỗi nhánh, giúp giảm dòng điện quá độ trong mạch Tổn thất trong các sub-module và cuộn cảm được mô hình hóa bằng một điện trở nhỏ nối tiếp Số mức điện áp xoay chiều đầu ra phụ thuộc vào số lượng sub-module trong mỗi nhánh, và chất lượng điện áp có thể được cải thiện nếu số lượng sub-module đủ lớn, cho phép điều khiển tần số thấp để giảm tổn hao khi đóng cắt.

Về lý thuyết, số lượng các sub-module có thể không giới hạn, cho phép đáp ứng mọi yêu cầu về điện áp đầu ra xoay chiều Bộ biến đổi sử dụng nguồn một chiều U dc để chuyển đổi thành điện áp xoay chiều, do đó điện áp DC của mỗi sub-module trên mỗi nhánh là U dc N.

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi nghịch lưu đa mức MMC

Trong hoạt động bình thường của MMC, tất cả các tụ điện được nạp đến giá trị định mức U dc N Khi các tụ điện đã được tích điện đầy đủ, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu để bật và tắt các SM, nhằm tạo ra điện áp AC từ nguồn DC.

Bộ biến đổi MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp V SM từ các module thành phần, nhằm tạo ra điện áp xoay chiều cho mỗi pha Trong cấu hình bộ biến đổi MMC, tổng số các SM trên mỗi nhánh của mỗi pha được ký hiệu là N Với cấu trúc nửa cầu của các SM, các van S và 1 S được điều khiển để thực hiện chức năng này.

ON, OFF quyết định đến trạng thái của sub-module là chèn vào hay bỏ qua, điều này được phân tích ở hình 1.2 [4]

Hình 1.2 minh họa trạng thái đóng cắt của hai van bán dẫn S và 1 S khi dòng điện 2 chảy qua bộ biến đổi nửa cầu Cụ thể, hình 1.2a và 1.2b thể hiện dòng điện có chiều dương, trong khi hình 1.2c và 1.2d thể hiện dòng điện có chiều âm.

Hình 1.2 Trạng thái đóng cắt các van của sub-module SM (a),(b) Khi dòng điện có chiều dương; (c),(d) Khi dòng điện có chiều âm

Khi dòng điện i chảy trong mạch có chiều dương và van S ON, van 1 S OFF, dòng điện sẽ đi qua diode D, nạp điện cho tụ C và điện áp đầu ra AC V SM của SM sẽ bằng điện áp U C phía DC, trạng thái này được gọi là trạng thái chèn Ngược lại, khi van S OFF và van 1 S ON, dòng điện sẽ bỏ qua tụ C và chỉ đi qua van S 2.

SM bằng không Trạng thái này gọi là trạng thái bộ biến đổi bypass ( bỏ qua )

Khi dòng điện i có chiều âm trong mạch, nếu van S được bật (ON) và van 1 S tắt (OFF), dòng điện sẽ đi qua, xả điện cho tụ C và tiếp tục qua van S 1, tạo ra điện áp đầu ra phía AC.

Trong hệ thống SM của SM, điện áp DC U C xác định trạng thái chèn Nếu van S OFF và van 1 S ON (như hình 1.2d), dòng điện sẽ không đi qua tụ C mà chỉ qua diode 2.

D2, điện áp đầu ra phía AC V SM của SM bằng không Trạng thái này là trạng thái bộ biến đổi bypass ( bỏ qua)

Ngoài hai trạng thái đã đề cập, còn tồn tại trạng thái khóa, trong đó cả hai van S và 1 S đều ở chế độ OFF Trạng thái này khiến tụ điện C của mỗi SM chỉ được nạp mà không được xả, gây khó khăn trong việc kiểm soát điện áp trên SM Do đó, trạng thái này thường không được áp dụng khi điều khiển bộ biến đổi MMC.

Từ những phân tích ở trên, bảng 1.1 dưới đây tổng hợp trạng thái của sub-module khi các van S , 1 S được điều khiển ON, OFF 2

Bảng 1.1 Bảng trạng thái mô tả hoạt động của một SM

Trạng thái van Điện áp ra của một SM

OFF ON 0 Dương Bỏ qua

OFF ON 0 Âm Bỏ qua

ON ON Ngắn mạch tụ

Hình 1.3 mô tả cách hoạt động của một pha trong bộ biến đổi MMC với 4 SM mỗi nhánh Các tụ điện hoạt động như một nguồn điện một chiều với điện áp U d /4 Bằng cách chèn hoặc dẫn thông các SM phù hợp, các mức điện áp sẽ được tạo ra ở nhánh trên, nhánh dưới, và điện áp trên cực đầu ra AC.

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động một pha bộ biến đổi MMC

Bộ biến đổi đa mức MMC được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, với nhiều ứng dụng cụ thể được minh họa trong hình 1.4.

Hình 1.4 Ứng dụng của các bộ biến đổi đa mức [1]

Bộ biến đổi nghịch lưu đa mức kiểu module MMC đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, đặc biệt trong hệ thống truyền tải điện áp cao một chiều (HVDC) với dải công suất lớn và yêu cầu chất lượng điện áp tốt Hệ thống HVDC cho phép truyền tải điện một chiều giữa các địa điểm xa, như giữa các quốc gia hoặc qua các eo biển, và hỗ trợ kết nối hai lưới điện xoay chiều có tần số khác nhau MMC được sử dụng trong hệ thống này để chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều, từ đó hòa vào lưới điện phục vụ cho nhu cầu công nghiệp và sinh hoạt.

- Những ưu điểm chính của bộ biến đổi MMC có thể được tổng kết như sau:

 Tính khả dụng cao, sử dụng duy nhất một nguồn điện áp một chiều ở đầu vào

 Có khả năng bù công suất phản kháng, loại bỏ sóng hài bậc cao, và cân bằng tải

 Theo lý thuyết thì có thể tạo điện áp ra là vô hạn chỉ yêu cầu nguồn DC đủ lớn và số lượng sub-module SM đủ nhiều

 Có cấu trúc kiểu module dựa trên cách ghép nối nhiều SM với nhau thuận lợi cho việc đóng gói lắp đặt, kết nối, mở rộng

Không cần bộ lọc đầu ra, máy biến áp cách ly hay thiết bị làm mát, giúp sản phẩm có kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý hơn so với các bộ biến đổi cùng cấp điện áp.

- Tuy nhiên, bộ biến đổi MMC vẫn có những nhược điểm nhất định như:

 Tồn tại dòng điện lưu thông 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 khi số mức điện áp tăng và số lượng các linh kiện bán dẫn lớn

 Khi cấu trúc càng mở rộng thì số lượng van bán dẫn cũng sẽ tăng lên, chi phí của bộ biến đổi cao.

Tổng quan về các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi MMC

Trong nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi nghịch lưu, mục tiêu chính là cải thiện hiệu suất và khả năng điều khiển Hiện nay, có nhiều phương pháp điều chế cho các bộ biến đổi đa mức, được phân chia thành hai nhóm chính: thuật toán dựa trên vector không gian và thuật toán dựa trên mức điện áp.

Hình 1.5 Tổng quan các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa mức [1]

Mỗi phương pháp điều chế đều có ưu nhược điểm riêng, do đó việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng Bài viết sẽ trình bày chi tiết về các phương pháp điều chế phổ biến, bao gồm: phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM), phương pháp điều chế vector không gian (SVM) và phương pháp điều chế NLM.

1.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung Pulse Width Modulation PWM

Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM cho bộ biến đổi MMC dựa trên việc so sánh sóng sin chuẩn với sóng mang tam giác có tần số cao hơn, nhằm xác định thời gian đóng cắt của các van trong mạch lực Trong kỹ thuật điều chế PWM, có hai loại sóng mang chính là sóng mang dịch mức LS-PWM và sóng mang dịch pha PS-PWM Phương pháp dịch mức sóng mang là một trong những cách thức quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của bộ biến đổi.

Với phương pháp dịch mức, có ba kiểu bố trí sóng mang trên hình 1.6

Hình 1.6 Phương pháp dịch mức sóng mang [4] a, Sóng mang IPD; b, Sóng mang POD; c, Sóng mang APOD

- IPD (In Phase Disposition): Tất cả các sóng mang đều cùng pha

POD (Phase Opposite Disposition) là hiện tượng sóng mang đối xứng qua trục thời gian Ox Các sóng mang kế cận nằm bên trên và bên dưới trục Ox sẽ có cùng pha, trong khi hai sóng mang gần trục Ox sẽ ở trạng thái ngược pha với nhau.

- 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 b) Phương pháp dịch pha sóng mang

Phương pháp này sử dụng việc dịch pha của sóng mang để so sánh với điện áp sin chuẩn, thực hiện với N-1 sóng mang có biên độ và tần số đồng nhất Mỗi sóng mang liền kề được dịch pha một góc θ = 360/(N - 1), trong đó N đại diện cho số mức điện áp đầu ra.

Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM hiện nay vẫn được ưa chuộng cho các bộ biến đổi, đặc biệt là những bộ sử dụng ít van bán dẫn nhờ vào tính đơn giản và dễ thực hiện Tuy nhiên, trong các hệ thống với số lượng van bán dẫn lớn, tần số đóng cắt cao có thể gây ra tổn thất trong quá trình chuyển đổi, dẫn đến giảm tuổi thọ của thiết bị bán dẫn.

1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian SVM

Lý thuyết điều chế vector không gian là phương pháp tối ưu cho kỹ thuật số hiện nay, mang lại nhiều lợi ích trong việc tối ưu hóa chuyển mạch van bán dẫn Phương pháp này cho phép lựa chọn van phù hợp để đóng cắt và đặc biệt hiệu quả với các bộ chuyển đổi đa mức Nguyên lý tính toán vector điện áp được áp dụng cho các bộ biến đổi 2 mức và 3 mức, có thể mở rộng cho các bộ biến đổi nhiều mức Tuy nhiên, việc tính toán vector trạng thái trở nên phức tạp và chi phí tăng cao khi số mức điện áp lớn, đòi hỏi bộ vi xử lý có khả năng tính toán mạnh mẽ và bộ nhớ lớn Lý thuyết này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử công suất, đặc biệt trong điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha, như điều khiển truyền động điện xoay chiều, các mạch lọc tích cực, và thiết bị công suất trong hệ thống truyền tải điện.

Nguyên tắc thực hiện là tính toán vector điện áp tổng hợp trong khối lục giác, được chia thành 6 sector Việc xác định vị trí vector điện áp trong sector nào giúp chọn lựa các trạng thái chuyển mạch phù hợp, từ đó tính toán thời gian chuyển mạch Để thuận tiện, diện tích hình lục giác thường được chia thành các hình tam giác con Đối với bộ nghịch lưu N mức, số trạng thái chuyển mạch có thể lên đến N^3, trong khi số tam giác trong khối lục giác vector không gian là 6(N-1)^2.

Hình 1.8 Mặt phẳng vector cho bộ biến đổi N mức [4] Đối với bộ nghịch lưu N mức vectơ điện áp ra được tính bởi:

  (1.1) Ở đây V dc là điện áp nguồn DC cung cấp S a , S b , S c là trạng thái chuyển mạch của pha A, B, C tương ứng

1.2.3 Phương pháp điều chế NLM

Phương pháp điều chế Nearest Level Modulation (NLM), hay còn gọi là điều chế gần mức nhất, rất phù hợp với các bộ biến đổi có cấu trúc nhiều module thành phần Nguyên lý cơ bản của phương pháp này được minh họa trong hình 1.9.

Hình 1.9 Nội dung phương pháp điều chế NLM [6]

Phương pháp này tập trung vào việc phân phối đồng đều điện áp DC cho các sub-module, nhằm đạt được điện áp đầu ra mong muốn với sai lệch nhỏ Thuật toán NLM sẽ thực hiện các phép tính làm tròn để xác định số lượng module cần thiết để tạo ra mức điện áp như yêu cầu.

Giả sử điện áp của các tụ điện trong hệ thống SM là đồng nhất và đạt giá trị V DC N, mỗi nhánh của bộ biến đổi có khả năng tạo ra N+1 mức điện áp, bao gồm các mức 0, V DC N, 2V DC N cho đến V DC.

SM được chèn vào trên mỗi nhánh được tính như sau:

Hàm round được sử dụng để làm tròn số, cho phép xác định số SM chèn vào hoặc dẫn qua mỗi nhánh, với tín hiệu điện áp ra theo giá trị điện áp tham chiếu Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho bộ biến đổi có số lượng SM lớn nhờ tần số đóng cắt thấp và bước điện áp nhỏ.

Từ nguyên lý cơ bản của ba phương pháp, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng Khi số lượng van bán dẫn tăng, những nhược điểm như tần số đóng cắt cao, tổn hao lớn, và tính toán phức tạp của hai phương pháp điều chế vector không gian SVM và PWM trở nên rõ ràng và khó cải thiện Ngược lại, phương pháp điều chế NLM với ưu điểm dễ thực hiện, tính toán ít và phù hợp với bộ biến đổi có số lượng SM lớn sẽ khắc phục những nhược điểm trên Do đó, khi sử dụng bộ biến đổi nghịch lưu đa mức MMC với số lượng SM lớn, phương pháp NLM là lựa chọn tối ưu Vì vậy, phương pháp NLM được chọn để thực hiện trong đồ án này, và thuật toán NLM sẽ được trình bày chi tiết hơn trong phần sau.

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NLM VÀ THUẬT TOÁN CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO MMC

Thuật toán NLM

Sơ đồ thay thế một pha của bộ biến đổi MMC được trình bày trong hình 2.1, trong đó U dc và i dc đại diện cho điện áp và dòng điện phía DC Dòng điện nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha được ký hiệu là i L, trong khi tổng điện áp của các SM ở nhánh trên và nhánh dưới lần lượt là u U và u L Cuối cùng, u và i là điện áp và dòng điện phía AC của bộ biến đổi.

Hình 2.1 Cấu trúc MMC một pha [5] Áp dụng định luật Kirchhoff’s cho hình 2.1 ta có:

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

Mạch điện tương đương của MMC được thể hiện như trên hình bên, từ đó ta có điện áp ra được biểu diễn như sau: i U

   dt (2.3) Sức điện động xoay chiều của MMC hay điện áp xoay chiều khi ổn định được viết như sau:

1   e 2 L U u  u u (2.4) Tổng quát lại giá trị tham chiếu của suất điện động xoay chiều được biểu diễn: cos  

Với m là hệ số điều chế 0