LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trong thế kỷ 20 và 21 đã ngày càng
làm gia tăng vai trò và tầm quan trọng của lĩnh vực điện tử công suất cả trong sản xuất
cũng như trong đời sống của con người. Ở Việt Nam, quá trình công nghiệp hóa, hiện
đại hóa mạnh mẽ trong những thập niên trở lại đây đã đặt ra một yêu cầu bức thiết cần có
những kỹ sư, nhà nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này. Tuy còn tương đối mới mẻ ở
nước ta, nhưng những khái niệm về bộ biến đổi công suất lớn đã được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi trên thế giới. Chính vì những lợi ích to lớn của bộ biến đổi công suất lớn đã
được kiểm chứng trong thực tế cũng như thực trạng là ở Việt Nam lĩnh vực này còn chưa
được đầu tư nghiên cứu đúng mức. Nên trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp tại
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Phạm Việt
Phương, chúng em đã nỗ lực cố gắng để nghiên cứu và tìm hiểu về các bộ biến đổi công
suất lớn tiêu biểu hiện nay. Trong đó, chúng em đặc biệt nhận thấy những điểm ưu việt
vượt trội hơn hẳn so với các bộ biến đổi cùng loại của Bộ biến đổi đa cấp kiểu module –
MMC (Modular Multilevel Converter). Do đó, sau một quá trình tìm tòi nghiên cứu, phân
tích, mô phỏng và rút ra kết luận đánh giá; dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
Phạm Việt Phương, chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình về đề tài: “
Nghiên cứu ứng dụng bộ biến đổi đa cấp kiểu 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 lớn.
Chương 2: Phân tích nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi đa cấp kiểu Module.
Chương 3: Phương pháp biến điệu độ rộng xung PWM sử dụng trong bộ biến đổi đa cấp
MMC.
Chương 4: Mô hình toán học của bộ biến đổi MMC.
Chương 5: Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi MMC.
Chương 6: Kết quả mô phỏng.
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 nhất có thể. Nhưng do kinh nghiệm còn nhiều
hạn chế và do những thiếu sót phạm phải trong quá trình nghiên cứu, bản đồ án của
chúng em chắc chắn còn nhiều sai sót. Em xin chân thành cảm ơn sự đóng góp, sửa chữa

Đối tượng chính của điện tử công suất là các bộ biến đổi bán dẫn công suất hay
còn gọi là các bộ biến đổi. Nhiệm vụ của điện tử công suất là xử lý và điều khiển dòng
năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải.
Để làm được điều đó, cần phải có những bộ biến đổi thích hợp với từng yêu cầu khác
nhau của tải. Các bộ biến đổi trong điện tử công suất thường được chia ra làm năm dạng
chính. Các bộ biến đổi làm nhiệm 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 được 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 biến tần: biến đổi tần số từ điện xoay chiều có tần số f
1

sang tần số f
2
.

Hình 1. 2 Các dạng biến đổi năng lượng cơ bản trong điện tử công suất
Ngày nay trong công nghiệp đang xuất hiện ngày càng nhiều các ứng dụng đòi hỏi
công suất lớn và hoạt động được với điện áp trung áp. Các động cơ trung áp công suất
lớn là một ví dụ điển hình. Các động cơ, các bộ truyền động trung áp có dải công suất trải
rộng từ 0,4 MW đến 40 MW và dải điện áp từ 2,3 kV đến 13,8 kV; tuy nhiên vùng làm
việc chủ yếu của động cơ trung áp là từ 1 MW đến 4 MW với dải điện áp từ 3,3 kV đến
6,6 kV. Động cơ trung áp công suất lớn được sử dụng trong công nghiệp ở nhiều lĩnh vực
khác nhau như: sử dụng làm máy bơm trong hệ thống đường ống của ngành công nghiệp
hóa dầu, dùng để chạy quạt trong ngành công nghiệp xi-măng, dùng làm máy bơm nước
ở các trạm bơm, dùng làm động cơ của các máy cán thép trong ngành công nghiệp sản
xuất thép, đặc biệt là các ứng dụng trong lĩnh vực đường sắt và còn nhiều ứng dụng khác
nữa. Khi làm việc với lưới điện trung áp, phương pháp chỉ nối duy nhất một van bán dẫn
công suất trực tiếp với lưới sẽ gây ra rất nhiều khó khăn. Để giải quyết vấn đề này, các
nhà khoa học đã nghiên cứu và cho ra đời rất nhiều các bộ biến đổi công suất lớn như

Bộ biến đổi có
dùng máy biến áp
Bộ biến đổi cấu trúc
ghép tầng cầu H
Bộ biến đổi đa cấp
kiểu mô-đun

Hình 1. 3 Tổng quan bộ biến đổi công suất lớn
1.2.1. Bộ biến đổi đa mức

Hình 1. 4: (a) Bộ biến đổi hai mức; (b) Bộ biến đổi ba mức; (c) Bộ biến đổi n mức

Những khái niệm đầu tiên về các bộ biến đổi đa mức đã được nhắc đến từ năm
1975 với khởi đầu là các bộ biến đổi ba mức. Kể từ đó đến nay, rất nhiều cấu trúc, cơ cấu
của bộ 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 với một vài nguồn áp một
chiều điện áp thấp để tạo ra được sự biến đổi công suất bằng cách tổng hợp các sóng điện
áp hình thang. Mục đích sau cùng chính là đạt tới được mức công suất cao hơn. Tụ điện,
pin và các nguồn năng lượng tái tạo đều có thể được 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
trước 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 tạo ra dạng điện áp tổng cao hơn ở đầu ra.
a) Bộ biến đổi hai mức Hình 1. 5. Bộ biến đổi hai mức và dạng điện áp đầu ra
Bộ biến đổi hai mức chỉ tạo ra được điện áp đầu ra có biên độ lớn nhất là V
d
, độ
méo tổng THD tương đối cao, chất lượng điện áp còn chưa tốt và có công suất nhỏ. Tuy

phải ở trạng thái 0 (đóng). Năm cặp van liên hợp của pha a là (S
a1
, S
a’1
), (S
a2
, S
a’2
), (S
a3
,
S
a’3
), (S
a4
, S
a’4
), (S
a5
, S
a’5
). Từ bảng 1.1 ta có nhận xét : trong một pha, các van ở trạng
thái 1 (mở) luôn liền kề nối tiếp nhau, đối với một bộ nghịch lưu sáu mức, luôn có năm
van ở trạng thái mở trong mọi thời điểm.


S
a’1

V
5
=5V
DC
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
V
4
=4V
DC

0
1
1
1
1
1
0

1
0
0
V
1
=V
DC

0
0
0
0
1
1
1
1
1
0
V
0
=0
0
0
0
0
0
1
1
1
1

điốt D
2
khóa mức 2V
DC
và điốt D
1
khóa mức V
DC
. Nếu bộ nghịch lưu được thiết kế sao
cho mỗi điốt khóa đều có cùng mức điện áp với các van chuyển mạch, thì điốt D
n
sẽ phải
tương đương với n điốt mắc nối tiếp nhau. Khi đó dẫn đến, 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 kẹp.
Các ứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi đa mức điốt kẹp 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 lớn, sử dụng điện trung áp .Bù VAR tĩnh.
Bộ biến đổi đa mức sử dụng điốt kẹp có những ưu điểm như sau:
 Tất cả các pha dùng chung một đường dẫn nguồn một chiều (DC bus) với yêu cầu
tối thiểu về số lượng tụ điện.
 Các tụ điện có thể được nạp điện từ trước theo nhóm.
 Hiệu suất cao vì tổng 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 kể trên, bộ biến đổi điốt kẹp cũng có những nhược điểm
như sau :
 Điều khiển dòng công suất tác dụng sẽ là khó khăn cho mỗi bộ nghịch lưu đơn bởi
vì nguồn điện áp một chiều trung áp thường gặp khó khăn trong vấn đề nạp tụ nếu
không có các bộ điều khiển.
 Số lượng diot đòi hỏi tương đối lớn do đó bộ biến đổi sẽ trở nên rất cồng kềnh khi

 Tần số chuyển 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 tần số cao PWM. Do đó, bằng cách giảm tần số
đóng cắt ta có thể giảm được tổn hao do chuyển mạch và vì vậy có thể đạt được
hiệu suất cao hơn.
Tuy nhiên, các bộ biến đổi đa cấp cũng có một số nhược điểm. Một trong những
nhược điểm chính của bộ biến đổi đa cấp là cần phải sử dụng đến một số lượng lớn 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 tạp của toàn bộ hệ thống cũng như làm gia tăng tổn hao chung.

a. Bộ biến đổi sử dụng máy biến áp

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 rộng như nhau. Các máy biến áp ở
đây được 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 cấu tạo đơn giản. Nhược điểm của cấu trúc có sử
dụng máy biến áp là kích thước lớn, giá thành cao do phải sử dụng máy biến áp và hiệu
suất cũng không cao.
b. Bộ biến đổi đa cấp cấu trúc ghép tầng cầu H (Cascade H-bridges Inverter)
 Sơ đồ cấu trúc
Sơ đồ cấu trúc của một pha của bộ biến đổi đa cấp ghép tầng cầu H được minh họa
trên hình 1.11.


thì điện áp ở đầu ra là -V
DC
. Trong trường hợp một trong hai cặp van: (S
1
và S
2
) hoặc (S
3

và S
4
)mở thì điện áp trên đầu ra bằng 0. Các bậc của bộ biến đổi được nối nối tiếp với
nhau như trên hình vẽ là cấu trúc của một pha của bộ biến đổi m bậc. Điện áp đầu ra của
các bậc do đó được xếp chồng tạo nên dạng sóng điện áp ở đầu ra của bộ biến đổi chính
là tổng hợp của các mức điện áp ở mỗi bậc thành phần. Quan hệ giữa số lượng bậc trong
một pha với số lượng nguồn một chiều độc lập (SDCS) được cho bởi công thức: m = 2s
+ 1. Trong đó, m là số bậc trong một pha; s là số lượng nguồn một chiều độc lập của pha
đó.
Ví dụ về dạng sóng điện áp của một pha của một bộ biến đổi 11mức cấu trúc cầu
H với 5 nguồn một chiều độc lập được cho trên hình 1.12: điện áp đầu ra của một pha
được tính theo công thức V
a-n
= V
a1
+ V
a2
+ V
a3
+ V
a4

L
n module
thành phần
Usu
Usv
Usw
iu
iv
iw
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM
SM

Hình 1. 13 . Cấu trúc bộ biến đổi đa cấp kiểu module (MMC) Hình 1. 14 Module thành phần có cấu trúc nửa cầu

Hình 1. 15 Module thành phần có cấu trúc cầu
Trong năm 2010, hệ thống HVDC PLUS dựa trên một kỹ thuật biến đổi đa cấp
được gọi là bộ biến đổi đa cấp kiểu mô-đun (MMC) của Siemens đã lần đầu tiên được

 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 KẾT:
Bộ biến đổi đa mức kiểu module (Modular Multilevel Converter - MMC) là một
trong những bộ biến đổi trung và cao áp tiên tiến, hiệu quả nhất để đạt được mục tiêu có
thể biến đổi công suất lớn mà không cần phải sử dụng đến máy biến áp. Năm 1981,
Alesina và Venturini đã đề xuất cấu trúc nhánh kiểu module theo phương pháp mỗi
nhánh là sự xếp chồng của nhiều bộ nguồn. Marquardt và Lesnicar đã đưa ra những khái
niệm cơ bản nhất về bộ biến đổi đa mức kiểu module (MMC) cùng với đó là nguyên tắc
hoạt động cũng như kiểm nghiệm khả năng vận hành, chất lượng vận hành của MMC
trong điều kiện lý tưởng. Allebrod, Hamerski và Marquardt đã đi sâu vào nghiên cứu về
các ứng dụng của MMC trong hệ thống cao áp dòng điện 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 của hệ thống HVDC PLUS có hơn 200 mô-đun
thành phần ở mỗi nhánh, và cố thể cung cấp công suất lên tới 400 MVA.
Với yêu cầu thực hiện đồ án tốt nghiệp trong khoảng thời gian định trước, chúng
em đã quyết định lựa chọn đề tài là “Nghiên cứu ứng dụng của bộ biến đổi đa cấp kiểu
module”. Trong đó chú trọng nghiên cứu, tìm hiểu và mô phỏng hoạt động của bộ biến
đổi đa mức kiểu module – MMC vì những tiến bộ và những ứng dụng rộng rãi của cấu
trúc này trong thực tế.
Nội dung đồ án của em gồm 6 chương, tóm tắt nội dung và mục đích của mỗi chương
em xin trình bày khái quát như sau:
 Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi công suất lớn. Nội dung của chương em

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 phần (Submodule
- SM) được ghép tầng với nhau. Cấu trúc của MMC được chia làm hai nhánh, nhánh
trên và nhánh dưới mỗi nhánh đều có điện áp . Ở giữa dùng các cuộn cảm L để
cân bằng giữa hai nhánh và lọc bớt sóng hài.
SM 4u
SM 2u
SM 1u
SM 5u
SM 7u
SM 8u
Vdc
L L L
L L L
L
L
L
Usu
Usv
Usw
iu
iv
iw
SM 3u
SM 6u
SM 4v
SM 2v
SM 1v
SM 5v
SM 7v

Trong cấu trúc này, mỗi bộ SM bao gồm 4 IGBT và một tụ điện, dạng như hình vẽ
dưới đây:
Hình 2. 3. Cấu trúc cầu nối sao kép của MMC [15].
2.2. Nguyên lý hoạt động của MMC
2.2.1. Bộ biến đổi nửa cầu-DSCC
Bộ biến đổi nửa cầu hay còn gọi là chopper-cell bao gồm hai IGBT và một tụ
điện một chiều giống như hình 2.2.Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi nửa cầu:

i
a
> 0 i
a
< 0 Hình 2. 4. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi nửa cầu [17].
Trường hợp 1: IGBT1 on, IGBT2 off. Nếu dòng điện i
a
> 0 thì điện áp đầu ra
của module thành phần (SM) V
X
= V
C
, dòng điện chạy qua điốt D1, qua C và ra khỏi

> 0)hay dòng điện đi vào từ nhánh âm của SM, đi qua
điốt D2 và ra ngoài(i
a
< 0). Như vậy, trong trường 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 V
X
= 0.

Bảng 2. 1 Trạng thái đóng cắt của IGBT trong bộ biến đổi nửa cầu.
Mode
T
2
T
1
i
a
V
ju

dV
C
/dt
1
OFF
ON
>0


i
a
< 0 Hình 2. 5. Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi cầu .
Tương tự như bộ biến đổi nửa cầu, việc đóng cắt IGBT và điện áp ra của bộ
biến đổi cầu được thể hiện theo bảng 2.2.
Bảng 2. 2 Trạng thái đóng cắt của IGBT trong bộ biến đổi cầu.
Mode
T
1
T
2
T
3
T
4

V

C
3
ON
OFF
ON
OFF
0
0
4
OFF
ON
OFF
ON
0
0
2.3. Ứng dụng của MMC
Trong năm 2003, Marquardt và cộng sự đã đưa ra mạch 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 ứng dụng của MMC bao gồm:
 MMC thích hợp nhất với các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn bởi vì
chúng kết nối các thiết bị theo một chuỗi mà không cần đến thành phần đồng
bộ.
 Nâng cao điện áp và công suất.
 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, những loại tải mà có momen tỉ lệ bình
phương với tốc độ quay.
 Nền tảng cơ bản cho bộ biến đổi nối lưới.
 Và còn rất nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp như hệ thống BESS(
Battery Energy Storage System), HVDC
2.3.1. Ứng dụng của bộ biến đổi nửa cầu

IM












DSCC



p, q
(5%)



1:2
τ





400 V