MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Bộ biến đổi (BBĐ) đa mức được coi như một giải pháp hiệu
quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao. BBĐ mô đun
hóa MMC với một nguồn DC chung có thể chuyển đổi được điện
năng với điện áp lớn và công suất cao. BBĐ này có những ưu điểm
lớn đó là tính mô-đun hóa cao, khóa bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở điện
áp thấp, giảm tổn hao do chuyển mạch, độ tin cậy cao, linh hoạt
trong sửa chữa và thay thế thiết bị. Với cấu trúc mô đun hóa, MMC
có thể tạo ra số mức rất lớn. Chiến lược điều khiển cho MMC bao
gồm: quá trình điều chế, cân bằng điện áp trên các tụ DC, và đặc thù
đối với MMC là vấn đề suy giảm sóng hài bậc cao của dòng điện
vòng. Các kỹ thuật điều chế được chia làm hai loại: điều chế tại tần
số cơ bản và điều chế độ rộng xung PWM. Đối với điều chế ở tần số
cơ bản bao gồm các phương pháp điều chế theo mức gần nhất
(NLM) và mở rộng của nó là NLM cải tiến. Phương pháp điều chế
SVM có những ưu điểm ở khả năng linh hoạt hơn nhiều so với PWM
dựa trên sóng mang. SVM có khả năng tạo ra quỹ đạo vector mong
muốn có dạng bất kỳ nhờ lựa chọn các vector trạng thái và các thời
gian phù hợp trong một chu kỳ điều chế. Vấn đề cân bằng điện áp
cho các tụ một chiều DC của MMC bao gồm cân bằng điện áp giữa
các tụ trên một nhánh pha và cân bằng điện áp giữa các pha với
nhau. Có nhiều phương pháp thực hiện cân bằng điện áp tụ này, tùy
thuộc vào mỗi phương pháp điều chế được lựa chọn. Trên cơ sở
SVM cho MMC đưa ra cân bằng điện áp được thực hiện bằng thuật
toán dự báo trên tập hữu hạn các trạng thái dư của các vector trạng
thái, sao cho giá trị trung bình của điện áp trên tụ bằng với giá trị đặt,
như vậy sẽ luôn đảm bảo được cân bằng điện áp trên tụ giữa các
nhánh pha với nhau. So với các BBĐ đa mức khác thì trong mạch
MMC có tồn tại dòng điện vòng, dòng điện vòng trong MMC đóng
vai trò là dòng DC quyết định sự cân bằng công suất giữa phía DC

NLM, SVM, PWM, phương pháp điều khiển MPC, các thuật toán
cân bằng điện áp trên các tụ điện kết hợp với phương pháp điều
khiển PI và các khâu cộng hưởng PR. Thiết kế các mạch vòng dòng
điện, mạch vòng điện áp, mạch vòng công suất để đảm bảo hoạt
động của MMC trong các ứng dụng tiềm năng.
Về thực tế: Đề tài xây dựng mẫu thí nghiệm BBĐ MMC để kiểm
chứng các thuật toán điều chế tạo ra điện áp có dạng bậc thang phía
xoay chiều, nhằm mục đích chứng minh tính đúng đắn của phương
pháp đề xuất so với nghiên cứu lý thuyết.
Những đóng góp mới của luận án:
2


1. Xây dựng thuật toán điều chế PWM, NLM, SVM với quy luật tạo
số mức không hạn chế đảm bảo tối ưu thành phần sóng hài cho BBĐ
MMC cần mở rộng cấu hình. Trong đó, luận án đã xây dựng thuật
toán chuyển mạch tối ưu cho MMC có số mức bất kỳ nhằm đơn giản
hóa thuật toán điều chế SVM đối với MMC có số mức lớn.
2. Xây dựng mô hình dự báo điều khiển cân bằng điện áp trung bình
mỗi nhánh van của MMC dựa trên các mức trạng thái điện áp dư
trong phương pháp điều chế SVM.
3. Thiết kế bộ điều khiển suy giảm và triệt tiêu thành phần sóng hài
tồn tại trong dòng điện vòng bằng bộ điều khiển tuyến tính PI kết
hợp với các khâu cộng hưởng PR. Ngoài ra, luận án cũng đã thiết kế
điều khiển một số ứng dụng tiêu biểu dựa trên MMC để chứng minh
hoạt động trong thực tế.
4. Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống BBĐ MMC có 12 SM
trên mỗi pha trong phòng thí nghiệm, với các thuật toán được cài đặt
trên FPGA AX309 Xilinx 80 chân I/O để chứng minh quá trình làm
việc của MMC với các phương pháp điều chế NLM, PWM, SVM đã

+

VHa
_

VDC/2

SM1

SM1

SM1

SM2

SM2

SM2

SMN

SMN

SMN

S2
Ro
Lo

Ro


SMN+1

SMN+1

vLa

SMN+2

SMN+2

SMN+2

SM2N

SM2N

SM2N

_

VC

Ro
Lo
iHb

va

VDC/2

cầu, đạt hiệu quả cao hơn so với phương pháp có tần số cao.

Hình 1.2 Tổng quan về phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức
1.3 Vấn đề điều khiển cho bộ biến đổi MMC
Nhiệm vụ chính của việc điều khiển và vận hành đúng đắn BBĐ
MMC gồm: kiểm soát các giá trị đầu ra (dòng điện, điện áp) cũng
như các đại lượng bên trong (điện áp tụ điện trên SM và dòng điện
vòng) đạt được yêu cầu mong muốn. Vấn đề đặt ra là phải kiểm soát
giá trị dòng điện vòng ở mức thấp và điều khiển giá trị điện áp các tụ
điện được bật của SM luôn ở vị trí cân bằng trong tất cả các chu kỳ
hoạt động nhằm đảm bảo quá trình hoạt động tốt của MMC ổn định
lâu dài.
1.3.1. Vấn đề điều khiển cân bằng điện áp tụ điện trong MMC
Cân bằng điện áp trong MMC bao gồm: Cân bằng điện áp giữa
các pha, cân bằng điện áp giữa các nhánh van trong một pha và cân
bằng điện áp giữa các tụ điện trong cùng một pha. Cân bằng điện áp
giữa các tụ SM của MMC là một trong những vấn đề chính và quan
trọng của điều khiển hoạt động trong MMC, vì nó liên quan đến hoạt
động an toàn của toàn hệ thống, có tác động đáng kể đến dạng sóng
điện áp đầu ra và sinh ra dòng điện vòng có trị số lớn không mong
muốn. Có nhiều phương pháp cân bằng điện áp tụ điện của MMC đã
5


được nghiên cứu trong các tài liệu. Tuy nhiên các thuật toán cân
bằng phổ biến nhất là thuật toán được thực hiện bằng cách sắp xếp
điện áp các tụ điện theo giá trị tăng dần hoặc giảm dần phụ thuộc vào
chiều dòng điện để chọn các SM được bật và tắt trong một chu kỳ
hoạt động của MMC. Luận án đề xuất phương pháp cân bằng điện áp
tụ điện dựa trên phương pháp điều chế SVM cho MMC, quá trình


1.5 Định hướng nghiên cứu và đóng góp của luận án
Phát triển thuật toán điều chế PWM, NLM, đặc biệt là thuật toán
điều chế SVM cho nghịch lưu MMC không hạn chế số mức;
Giải quyết vấn đề cân bằng điện áp trên các tụ DC bằng việc tận
dụng các mức trạng thái dư của phương pháp điều chế SVM dựa trên
thuật toán dự báo trong một chu kỳ điều chế;
Giải quyết vấn đề suy giảm thành phần sóng hài bậc cao trên
dòng điện vòng bằng các mạch vòng điều chỉnh sử dụng bộ điều
khiển PI kết hợp với các mắt cộng hưởng PR để loại bỏ sóng hài bậc
cao tần số thấp.
Xây dựng mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm của
BBĐ MMC 3 pha hoạt động với 12SM trong mỗi pha.
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI MMC
2.1 Mô hình của BBĐ MMC khi nối tải R-L
IDC
+

vHx
VDC/2

_

SM1
SM

SM2
S1
SMN
S2

Lo
+ SMN+1

VDC/2

ivx

vLx SMN+2
_

SM2N

Hình 2.1 Cấu trúc MMC một pha
Mô tả mô hình toán học của MMC như (2.1)

7


 Ro
 
Lo
ivx  

d   
Nk Hx
VCHx  
dt     CSM
V 
 CLx   Nk
Hx

0

ix

ix 

Equation Chapter 2 Section 1(2.1)
Điện áp đầu ra có dạng:

1
vex   k Lx  k Hx  VC  k MxVCe ; k Mx  k Lx  k Hx
2
Mối quan hệ của điện áp một chiều VDC với các đại lượng
chiều như (2.3).
d  iLx  iHx 
VDC  vLx  vHx  Lo
 Ro  iLx  iHx 
dt
Công suất mỗi pha của BBĐ được xác định theo (2.4).
IV
IV
Px  PHx  PLx  I DCVDC  x x cos    x x cos  2t   
2
2
2.2 Mô hình BBĐ MMC trong chế độ nối lưới

(2.2)
xoay
(2.3)



iHa

iHb

va
0

VDC/2

Ro
Lo

vb

iLa

iLb

vc

Ro

Ro

Ro

Lo

Lo

iLc

ua

Lf

Rf

Lf

Rf

ub

Lf

Rf

uc

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương BBĐ MMC nối lưới
8


Mô hình BBĐ MMC nối lưới được thể hiện như hình Hình 2.2.
Phương trình toán học của sơ đồ Hình 2.2 mô tả như (2.5)
Ro
Lo dia

vea  ua  ( R f  2 )ia  ( L f  2 ) dt


V11
(-1,1,-1)

V12

V3
(1-,1,0)

V13

V4
(-1,1,1)

V14

(-1,0,-1)
(0,1,0)

V0

V5

(-1,-1,0)
(0,0,1)

V2

V6



(0,1,1)
(-1,0,0)

(-1,0,1)

V9
(0,1,-1)

(0,-1,1)

(1,-1,1)

Hình 3.1 Trạng thái vector điện áp của BBĐ ba mức
9


Hình 3.1 thấy rằng trong hệ tọa độ abc vector V7 (1,-1,-1) có
trạng thái ngược dấu với vector đối xứng qua gốc tọa độ, V13 (1,1,1), V8 (1,0,-1) ngược dấu với V14 (-1,0,1)….
3.1.1 Tính các hệ số điều chế theo phương pháp điều chế từ ba
vector gần nhất
h

b

p3(kg,kh+1)
mh

vrh


và vector V2 thuộc miền mg  mh  1
Vector V1 có thể tổng hợp từ 3 vector p1, p2, p3 như sau:
V1  p1  mg  p 2  p1   mh  p3  p1 
 1  mg  mh  p1  mg p 2  mh p3

(3.2)

Vector V2 có thể tổng hợp từ 3 vector p2, p3, p4 như sau:
V2  p 4  1  mg   p3  p 4   1  mh  p2  p 4 

(3.3)

  mg  mh  1 p 4  1  mg  p3  1  mh  p 2

3.1.2 Xác định vị trí của vectơ v trong sector lớn
Thể hiện trên mặt phẳng vector ba hệ tọa độ góc phần sáu (Z1x,
Z1y), (Z2x, Z2y), (Z3x, Z3y), như trên Hình 3.3, trong đó (Z1x, Z1y) đã sử
10


dụng ở trên như hệ tọa độ gh, sẽ giúp phân biệt được ngay các góc
phần sáu I, II, …, IV.
Z2y

Z1y

Z3x

Z2x



IV

VI

VI

V

V

V

Hình 3.3 Ba hệ tọa độ không vuông góc tạo nên các góc phần sáu
Tọa độ [g,h]

Đúng

Sai

Z1x.Z1y < 0
Đúng

Z1x > 0

Sector I
Đúng

Sector III


V11
(-1,1,-1)

V9
(1,1,-1)

(0,1,-1)

4
V12

V3
(1-,1,0)

(-1,0,-1)
(0,1,0)

V2

(1,1,0)
(0,0,-1)

1
V13

V4
(-1,1,1)

V14



2
V7
(0,-1,-1)

(1,-1,-1)

V18
(1,-1,0)

V17
(0,-1,1)

(1,-1,1)

Hình 3.5 Trật tự chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu ba pha 3 mức
11


3.3 Thực hiện quy luật điều chế SVM cho MMC
Pha C
iHc

Pha B

iHb

Pha A
Vg
Vg

van pha
SM4a
A
Xung
điều
khiển
van pha
B

SM1c
SM2c
SM3c

Vh

iHa
VDC/2 +

SM1a

_

VHa
R

ic
NOT

SM2b



NOT

SM4a

+

+
S2

VC V /2 _
DC

VLa

iLc
_

iLb
iLa

Hình 3.6 Cấu trúc phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC
3.4 Mô phỏng phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC
6000

3000
2000
1000
0
0

2000
Điệnáp(V)

Điện áp (V)

5000
4000

1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 3.9 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều
12


Điện áp các tụ nhánh trên



20
10
0

-10
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 3.11 Dòng điện vòng trong mỗi pha của bộ biến đổi MMC
3.5 Điều khiển dự báo cân bằng điện áp trung bình tụ điện
Mô hình dự báo dòng điện vòng trong chu kỳ làm việc tiếp theo
mô tả như (3.4).
ivj  t1   ivj  t0  

1 VDC  vLj  t0   vHj  t0  
t1
L
2

Mô hình dự báo điện áp tụ điện:

 ivj  t0   ivj  t1  i j  t0   1





13


Cập nhật: u1(k) = [d1 d2 d3 D1 D2 kg kh Secto]
u2(k) = [iA iB iC]
u3(k) = [ivA ivB ivC]
u4(k) = [ve_H A ve_H B ve_HC ve_LA ve_LB ve_LC]
u5(k) = [v_diffA v_diffA v_diffA]
ksim = kSm in

Đúng

Sai

ksim
[ktHx, ktLx] = [kH x1, kLx1, t1, kH x2, kLx2, t2, kH x3 , kLx3, t3]

k =1
k=4

k = k+1
Đúng

k = k+1
Sai

k =3?

Sai

k = 6?
Đúng

Sai
Đúng
Jvmin = Jv; kopt = ksim; kAB Cout = kAB C
ksim = ksim+1

Hình 3.12 Thuật toán điều khiển MPC xác định JVmin và kOpt
14


3.6. Điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao của dòng
điện vòng trong MMC
PR2


kp+ki/s

Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển dòng điện vòng một pha của MMC
3.7 Kết quả mô phỏng MMC dựa trên thuật toán điều khiển dự
báo dòng điện vòng và cân bằng điện áp tụ điện cho MMC
100
Dòng điện (A)

50
0
-50
-100
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 3.14 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải
4000
3000

Điện áp (V)

2000


0.2

0.3

Hình 3.16 Điện áp các tụ điện nhánh trên và nhánh dưới pha A
15


Dòng điện (A)

40
30
20
10
0
-10
0

0.1

0.3

0.2

Thời gian (s)

Hình 3.17 Dòng điện vòng trong ba pha của BBĐ MMC
3.8 Tóm tắt và kết luận
Trong chương 3, tác giả đã đưa ra các biện pháp kỹ thuật của việc


VDC

ia,b,c

MMC

id
abc/
dq

PLL

iq
ud
uq

Tính
công suất
P,Q theo
(4.8)

Điều khiển
công suất
_
PI
+
P
Pref


SVM hình 3.45

L

PI

_

+
+

vb

+

PI

+

+

uq +

Hình 4.1 Sơ đồ mạch vòng điều khiển bộ biến đổi MMC
16


Kết quả mô phỏng bộ hệ thống bộ biến đổi MMC nối lưới
150



0.2
Thời gian (s)

0.4

0.3

Hình 4.3 CSPK BBĐ MMC cung cấp cho lưới điện
1020
Đ iệ n áp (V )

1000
980
960
940
920
0

0.1

0.2
Thời gian (s)

0.3

0.4

Hình 4.4 Điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A
40

VDC/2

SM1

SM1

SM1

SM2

SM2

SM2

SMN

SMN

SMN

V1a V1b V1c

Ro
Lo

0

ILa

Ro


SMN+1

SMN+1

SMN+1

vLa

SMN+2

SMN+2

SMN+2

SM2N

SM2N

SM2N

_

ia
ib
ic

ILb

ILc

1

1

XL

18


4.2.2 Thiết kế điều khiển DSTATCOM dựa trên MMC
S(k)
IDC

Lưới điện

ia

Laf

Raf

ib

Lbf

Rbf

ic

Lcf

dq/
abc

id
abc/
dq

PLL

iq
ud
uq

Tính
công suất
Q theo
(4.21)

Q

Qref
+
_

iq

vc

S(k)


100
50
0
-50
-100
-150
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 4.9 Hình dạng dòng điện đầu ra của DSTATCOM
3000

Điện áp (V)

2000
1000
0
-1000
-2000
-3000
0

0.1

Hình 4.11 Hình dạng điện áp nguồn một chiều DC
4.3 Tóm tắt và kết luận
Chương 4 trình bày một số ứng dụng cho BBĐ MMC trong hệ
thống điện cụ thể, BBĐ đã được thực hiện trong chương 3 được triển
khai cho ứng dụng truyền công suất khi MMC kết nối lưới điện trong
phần 4.1, ứng dụng MMC để bù công suất phản kháng cho nút của
hệ thống điện trong phần 4.2. Quá trình tính toán, thiết kế thông số
bộ điều khiển đã được tác giả đưa ra để giải quyết để đạt được các
mục tiêu điều khiển theo yêu cầu đặt ra.
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC
NGHIỆM BBĐ MMC
5.1. Cấu trúc hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC
iDC
vHCxj VC1_x

SM1x

SMNx
VC2_x iHx

VDC/2

Xung
SM1x
Xung
SMNx

vHCxj
Lox


SM2Nx

Xung
SM N+1x
Xung
SM2Nx

Hình 5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm một pha của BBĐ MMC
20


Hình 5.2 Mô hình tổng thể hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC
5.2 Kết quả thực nghiệm điều chế PWM cho MMC

Hình 5.3 Đđiện áp nhánh trên và
nhánh dưới pha A

Hình 5.4 Hình dạng điện áp trên
tải xoay chiều của pha A, B, C

21


Hình 5.5 Dòng điện trên tải xoay Hình 5.6 Hình dạng điện áp trên
chiều của các pha
tụ điện của SM1 pha A, B,
5.3 Kết quả thực nghiệm điều chế NLM cho MMC

Hình 5.7 Hình dạng điện áp nhánh Hình 5.8 Hình dạng điện áp trên
trên và nhánh dưới pha A

23


luật chuyển mạch tối ưu với MMC có số mức bất kỳ bằng phương
pháp điều chế SVM.
Về vấn đề điều khiển: điều khiển giảm thiểu và loại bỏ thành phần
sóng hài bậc cao tần số thấp tồn tại trong dòng điện vòng; thiết kế
điều khiển cân bằng điện áp trung bình trên tụ bằng thuật toán điều
khiển dự báo để triệt tiêu sai lệch tĩnh bằng hàm mục tiêu đảm bảo
cho BBĐ hoạt động ổn định với dòng điện, điện áp AC hình sin.
Về ứng dụng của MMC: Tác giả đã xây dựng hệ thống điều khiển
cho một số ứng dụng tiêu biểu của MMC hoạt động ở cấp trung áp,
hệ thống điều khiển chủ yêu tập trung việc điều chỉnh dòng công suất
tác dụng, công suất phản kháng khi MMC được kết nối với hệ thống
điện xoay chiều.
Về xây dựng hệ thống thực nghiệm: tác giả đã xây dựng được hệ
thống thực nghiệm BBĐ MMC ba pha có 12 SM trên mỗi pha để
chứng minh các hoạt động cơ bản dựa trên các phương pháp điều chế
khi BBĐ có số mức lớn. Các thuật toán điều chế được nhúng trên
thiết bị vi xử lý FPGA AX309 Xilinx.
 Đề xuất những hướng nghiên cứu tiếp theo:
1. Nghiên cứu điều khiển BBĐ MMC trong trường hợp nối lưới có
nhiều chế độ làm việc không bình thường.
2. Nghiên cứu điều khiển MMC làm việc ở chế độ nghịch lưu.
3. Nghiên cứu các ứng dụng của MMC trong hệ thống HVDC.
4. Nghiên cứu ứng dụng của MMC trong trường hợp kết nối nhiều
các nguồn năng lượng tái tạo.
5. Nghiên cứu MMC dựa trên chế độ nâng điện áp.

24