BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN XUÂN VIỆT

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẤU TRÚC
MODUL CHO CÁC ỨNG DỤNG VỚI LƯỚI ĐIỆN

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS. PHẠM VIỆT PHƯƠNG

HÀ NỘI – 2017


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc
thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã
được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố.
Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2017
Học viên thực hiện

Nguyễn Xuân Việt

i

Mục lục

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ
BIẾN ĐỔI MMC .....................................................................................................16
2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi MMC ....................................................................16
2.1.1 Cấu trúc nửa cầu.......................................................................................17
2.1.2 Cấu trúc cầu đủ.........................................................................................18
2.1.3 Cấu trúc diode kẹp ...................................................................................18
2.1.4 Cấu trúc bộ biến đổi ba mức ....................................................................19
2.1.5 Cấu trúc bộ biến đổi năm mức với liên kết chéo .....................................20
2.1.6 So sánh và lựa chọn cấu trúc ....................................................................20
2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC ...................................................21
2.2.1 Trạng thái chèn vào (Inserted) .................................................................21
2.2.2 Trạng thái bỏ qua (By pass) .....................................................................22
2.2.3 Nguyên lý hoạt động của 1 pha ................................................................23
2.2.4 Nguyên lý hoạt động của 3 pha ................................................................27
2.3 Ứng dụng thực tế .............................................................................................29
2.4 Kết luận ...........................................................................................................30
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ
BIẾN ĐỔI MMC .....................................................................................................31
3.1 Mô hình hóa bộ biến đổi MMC ......................................................................31
3.2 Mô hình hoá bộ biến đổi MMC xét trên ba pha ..............................................34
3.3 Xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi MMC .....................................36
3.4 Thiết kế mạch vòng điều khiển .......................................................................37
3.4.1. Mạch vòng dòng điện ..............................................................................37
3.4.2 Mạch vòng công suất ...............................................................................42
iii


Mục lục

5.2.7 Tổng kết ...................................................................................................68
KẾT LUẬN ..............................................................................................................69
PHỤ LỤC .................................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................74

v


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu



Điện áp xoay chiều đầu ra



Điện áp của điểm nối giữa bộ biến đổi và hệ xoay chiều



Điện áp một chiều đầu vào bộ biến đổi



Dòng điện chảy trong hệ xoay chiều




,


N

m

Ý nghĩa

,

Điện dung của một sub-module và điện dung tương đương
trên mỗi nhánh

,

Hệ số chèn của nhánh trên và nhánh dưới
Số lượng submodule trên một nhánh của pha

,

Thành phần d và q của điện áp lưới

,

Thành phần d và q của dòng điện
Chỉ số điều chế

vi

PWM

Pulse width modulation

Điều chế độ rộng xung

LSPWM

Điều chế dịch mức sóng mang

PSPWM

Điều chế dịch pha sóng mang

SVM

Space vecto modulation

Điều chế véctơ không gian

SM

Submodule

Các mô-đun thành phần

HVDC

High voltage direct current


Bảng 2.2: Điện áp ngõ ra của Sub – module .............................................................23
Bảng 3.1 Các tham số bộ biến đổi MMC ..................................................................45
Bảng 5.1: Các thông số mô phỏng của bộ biến đổi MMC .......................................64

viii


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Phân loại các bộ biến đổi đa mức ...............................................................5
Hình 1.2: Cấu trúc bộ biến đổi NPC ...........................................................................6
Hình 1.3: Cấu trúc bộ biến đổi FC ..............................................................................7
Hình 1.4: Cấu trúc bộ biến đổi CHB ...........................................................................8
Hình 1.5: Vector không gian nghịch lưu N – mức ....................................................10
Hình 1.6: Bố trí sóng mang PWM ............................................................................12
Hình 1.7: Điện áp nhánh van theo điều chế NLM ....................................................13
Hình 2.1 Mô hình bộ biến đổi MMC ........................................................................16
Hình 2.2: Cấu trúc nửa cầu Sub – module ................................................................17
Hình 2.3: Cấu trúc cầu đủ Sub – module ..................................................................18
Hình 2.4: Cấu trúc diode kẹp ....................................................................................19
Hình 2.5: Cấu trúc bộ biến đổi ba mức .....................................................................19
Hình 2.6 Cấu trúc bộ biến đổi 5 mức có liên kết chéo ..............................................20
Hình 2.7: Trạng thái chèn vào của Sub – module .....................................................21
Hình 2.8: Trạng thái bỏ qua của Sub – module ........................................................22
Hình 2.9: Mạch điện trên một pha của bộ biến đổi MMC tổng quát ........................23
Hình 2.10: Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC 10 mức ...................................25
Hình 2.11: Cấu trúc bộ MMC 3 pha .........................................................................27
Hình 3.1 Mô hình một pha MMC .............................................................................31
Hình 3.2: Sơ đồ mạch ba pha của bộ MMC ..............................................................35

Hình 5.3: Điện áp dây đầu ra bộ biến đổi MMC.......................................................66
x


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 5.4: Điện áp đầu ra từng pha bộ MMC ............................................................66
Hình 5.5: Dòng điện đầu ra pha A bộ MMC ............................................................67
Hình 5.6: Sóng hài đầu ra bộ MMC ..........................................................................67

xi


Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, điện tử công suất được áp dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công
nghiệp, từ những bộ biến đổi công suất cỡ nhỏ cho đến những ứng dụng có sử dụng
những bộ biến đổi hàng mega oat. Sự phát triển của công nghệ bán dẫn, cho phép
chế tạo những van bán dẫn có thể chịu được dòng, áp cao cũng như tần số đóng cắt
lớn, đồng thời các hướng nghiên cứu về mô hình các bộ biến đổi, thuật toán điều
chế mới trong nhưng năm gần đây đạt được những thành tựu to lớn góp phần đưa
điện tử công suất trở thành một lĩnh vực hấp dẫn, có nhiều thú vị đối với nghiên
cứu, đầu tư.
Các bộ nghịch lưu đa mức là một vấn đề không mới, đã được nghiên cứu trong
hơn ba thập kỉ qua, mang lại những ưu điểm hơn nhiều so với bộ biến đổi hai mức
truyền thống, vì thế, các bộ biến đổi đa mức là đề tài thường xuyên được quan tâm,
đầu tư nghiên cứu.
Cũng từ thực tiễn đó, em đã quyết định chọn bộ nghịch lưu đa mức cấu trúc
module để nghiên cứu. Luận văn tốt nghiệp do em thực hiện với tên gọi: “Nghiên


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC
1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Công nghệ năng lượng đang thay đổi và phát triển từng ngày. Tình trạng phụ
thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và sự tăng giá của các nguồn nhiên liệu đốt dẫn đến
sự đầu tư khổng lồ vào các nguồn tài nguyên, kinh tế và các nguồn lực để có được
những nguồn năng lượng với giá thành rẻ hơn, thân thiện với môi trường hơn mà
không phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch. Trong các thập kỉ qua, những
nguồn năng lượng tái tạo trở thành trọng tâm trong nghiên cứu và các họ khác nhau
của các bộ biến đổi công suất được thiết kế để tích hợp mô hình khác nhau của hệ
thống lưới phân phối như một thực tế cần thiết. Trên đường dây truyền tải, việc sử
các hệ thống biến đổi công suất lớn là cần thiết để phân phối và nâng cao chất lượng
điện năng nhằm đem lại độ tin cậy và hiệu quả kinh tế.
Cho đến ngày nay, sự phát triển của điện tử công suất đã đạt được những
thành tựu to lớn. Trong đó phải kể đến sự phát triển của các bộ biến đổi đa mức.
Được nghiên cứu từ khoảng vài thập kỉ gần đây, nghiên cứu các bộ biến đổi đa mức
vẫn luôn là một chủ đề dành được nhiều sự quan tâm của trong lĩnh vực điện tử
công suất bởi nhưng ưu điểm vượt trội so với bộ biến đổi hai mức cổ điển.
Những ưu điểm được thể hiện về hiệu suất bộ biến đổi được nâng cao, chất
lượng tín hiệu đầu ra gần với dạng sin mà thành phần sóng hài bậc cao lại rất nhỏ
theo số bậc của bộ biến đổi. Ở giai đoạn đầu trong lịch sử hình thành bộ biến đổi đa
mức, trọng tâm của việc nghiên cứu được đặt vào việc nâng cao chất lượng của bộ
điều khiển, tìm ra các thuật toán tối ưu khác nhau để giảm độ méo sóng hài cho tín
hiệu ra của bộ biến đổi, các vấn đề về điện áp cân bằng trên tụ. Gần đây hơn, mục
đích và hướng nghiên cứu tiếp cận chuyển sang cải tiến, nâng cao hơn về thuật toán
tính toán điều khiển đóng cắt của các van bán dẫn để làm giảm sóng hài, phù hợp
các tiêu chuẩn của Grid codes, phát triển các mô hình mới cho bộ biến đổi cũng như
phương pháp điều khiển.
3



Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức

Hình 1.2: Cấu trúc bộ biến đổi NPC
Trong bộ biến đổi NPC, điểm trung tính được đưa ra từ điểm nối giữa các cặp
diode kẹp ở từng pha của bộ biến đổi với điện áp một chiều, điện áp đầu ra từng pha
được lấy từ điểm giữa ở mỗi nhánh. Nhờ có cấu trúc như vậy, mức điện áp trên mỗi
van phải chỉ bằng một nửa so với bộ biến đổi hai mức thông thường. Với cấu trúc
giống như vậy, bộ NPC có thể mở rộng lên nhiều mức điện áp. Tuy nhiên, vấn đề
gặp phải của bộ biến đổi NPC là sự mất cân bằng điện áp trên tụ, dẫn đến tình trạng
giữa điểm trung tính so với đất có xuất hiện một hiệu điện thế khác 0 gây ra tình
trạng méo điện áp đầu ra. Khi số mức tăng lên, tính phức tạp trong điều khiển điện
áp cân bằng trên tụ, cùng với đó là quan hệ hàm bậc hai giữa ngưỡng điện áp khóa
của diode và số mức của bộ biến đổi là vấn đề được nghiên cứu nhiều đối với bộ
biến đổi NPC.
1.1.2 Bộ biến đổi FC
Mỗi tụ trên từng nhánh pha của bộ biến đổi FC được nạp với một mức điện áp
khác nhau, do vậy, khi trạng thái của khóa đóng cắt thay đổi, giá trị điện áp đầu ra
đạt được các mức khác nhau. Nhờ vào năng lượng được dự trữ trong các tụ, bộ biến
đổi có thể vượt qua trong khoảng thời gian ngắn của lõm điện áp. Một trở ngại là tụ
cần được nạp trước khi khởi động, được hiểu như khởi tạo. Mặc dù cấu trúc bộ biến

6


Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức

đổi FC có thể mở rộng lên số lượng cell là tùy ý, nhưng điều đó đồng nghĩa với việc
tăng giá thành sản phẩm nên số mức của bộ biến đổi FC thường được giới hạn là 4

SVM gặp phải khó khăn khi số lượng thiết bị của bộ biến đổi tăng lên
nhiều.

-

Giá thành của bộ biến đổi cao, việc bảo trì, bảo dưỡng gặp khó khăn do
tính phức tạp từ cấu trúc bộ biến đổi mang lại.

Từ thực tế trên, việc nghiên cứu về mô hình bộ biến đổi đa mức kiểu mới và
phương pháp điều chế đơn giản, phù hợp hơn trở thành một yêu cầu cấp thiết, là
trọng tâm cho nghiên cứu về các bộ biến đổi đa mức công suất lớn.

8


Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức

Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module là một phát triển nâng cấp của bộ biến
đổi đa mức, được đề xuất lần đầu tiên bởi R. Marquardt và A. Lesnicar vào đầu
những năm 2000. Cấu trúc của bộ biến đổi dựa trên sự ghép nối của một số lượng
lớn các module thành phần (SM – Submodule), mỗi SM là bộ biến đổi nửa cầu
dùng van bán dẫn điều khiển hoàn toàn. Ưu điểm của bộ biến đổi MMC là:
-

Có thể mở rộng khả năng làm việc với các mức điện áp và công suất khác
nhau.

-

Tín hiệu điện áp đầu ra có số mức bất kỳ và chất lượng sóng hài tốt.


Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức

chế cơ bản đó là Phương pháp điều chế vector không gian (Space Vector
Modulation – SVM) và nhóm phương pháp điều chế dựa trên nền tảng về mức điện
áp, là phương pháp điều chế độ rộng xung tuyến tính (Pulse Width Modulation –
PWM), phương pháp điều chế NLM (Nearest Level Modulation).
1.2.1 Phương pháp điều chế vector không gian SVM
Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) xuất phát từ những ứng dụng
của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng và phát
triển trong các hệ thống điện ba pha. Phương pháp điều chế vector không gian và
các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số và
là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực điện tử công
suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như điều khiển
truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết
bị công suất trên hệ thống truyền tải điện.
Mặt phẳng vector không gian của nghịch lưu N mức được thể hiện trong hình
1.5 [9].

Hình 1.5: Vector không gian nghịch lưu N – mức
10


Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức

Mỗi điểm trên mặt phẳng đại diện cho một trạng thái của điện áp ba pha của
bộ biến đổi. Ví dụ điểm có tọa độ (2, 1, 0), điện áp từng pha theo thứ tự thuận ABC
là (2Vc, 1Vc, 0), ở đây Vc là điện áp trên tụ một chiều tương ứng của từng module
thành phần.
Ưu điểm: Phương pháp điều chế vector không gian cho phép điều khiển tuyến

11


Chương 1: Tổng quan bộ nghịch lưu đa mức

Hình 1.6: Bố trí sóng mang PWM
Ngày nay các phương pháp điều chế PWM vẫn còn được sử dụng rộng rãi và
phổ biến trong các bộ biến đổi đặc biệt là trong các bộ biến đổi có ít van bán dẫn.
Ưu điểm: phương pháp điều chế độ rộng xung PWM đơn giản và dễ thực hiện
trong các bộ biến đổi đơn giản ít van bán dẫn
Nhược điểm: trong các bộ biến đổi sử dụng phương pháp điều chế PWM thì
tần số đóng cắt của các van cao, do đó gây ra tổn thất lớn. Và nhược điểm đó thể
hiện rõ trong các bộ biến đổi công suất lớn sử dụng nhiều van bán dẫn.
1.2.3 Phương pháp điều chế NLM
Các phương pháp điều chế SVM và PWM đều có những nhược điểm như là
tần số đóng cắt cao, tổn hao lớn và tính toán, điều khiển phức tạp. Điều này được
thể hiện rõ khi số lượng các SM tăng lên, và để khắc phục được những nhược điểm
đó một phương pháp điều chế mới ra đời. Đó là phương pháp điều chế Nerest Level
Control – NLM, phát triển đầy hứa hẹn trong các bộ ứng dụng tầm trung - cao áp.
Phương pháp điều chế NLM (Nearest level modulation) được hiểu đơn giản là
sử dụng một chỉ số điều chế (m) trực tiếp tính toán xem có bao nhiêu SM được kết
nối trong mỗi nhánh trên một pha để có thể đạt được điện áp đầu ra gần nhất với giá
trị mong muốn tại một thời điểm bất kỳ. NLM tạo ra N+1 mức điện áp với phương
pháp NLM thông thường, và tạo ra 2N+1 mức điện áp với phương pháp NLM cải
tiến. Phương pháp này dựa trên việc tính toán số lượng các module thành phần của
bộ biến đổi MMC cần thiết phải chèn vào dựa trên việc so sánh tín hiệu tham chiếu
Vref để tạo ra một mức điện áp mong muốn tại một thời điểm bất kỳ đã giải quyết
được những khó khăn của phương pháp điều chế SVM và PWM đồng thời giảm
được đáng kể tổn hao do đóng cắt. Dạng điện áp ra trên một nhánh của bộ biến đổi
theo phương pháp điều chế NLM được thể hiện như trong hình 1.7 [11].

=

+

( )

( )

,

,

,

,

=
=

−
−

,

,

(1.1)
(1.2)

Trong đó: