ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ D_STATCOM VÀ PHƯƠNG PHÁP MPC CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ D_STATCOM
VÀ PHƯƠNG PHÁP MPC CHO BỘ
BIẾN ĐỔI MMC
NGUYỄN VĂN VŨ


Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Chun ngành Tự động hóa cơng nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Phạm Việt Phương

Bộ mơn:
Viện:

Tự động hóa cơng nghiệp
Điện

HÀ NỘI, 06/2021

Chữ ký của GVHD


ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ D_STATCOM VÀ
PHƯƠNG PHÁP MPC CHO BỘ BIẾN ĐỔI MMC

Hà Nội, ngày 30 tháng 06 năm 2021
Giáo viên hướng dẫn



Tóm tắt nội dung đồ án
Qua thời gian làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu thiết bị DSTATCOM và phương pháp MPC cho bộ biến đổi MMC”, em đã thực hiện
các nội dung sau:
Chương 1: Thiết bị bù công suất D-STATCOM.
Chương 2: Bộ biến đổi đa mức MMC.
Chương 3: Phương pháp điều khiển dự báo cho D-STATCOM.
Chương 4: Mơ phỏng và kiểm chứng.
Trong q trình nghiên cứu đề tài, do kiến thức chuyên ngành của em còn
hạn chế nên cịn nhiều thiếu sót khi tìm hiểu, đánh giá và trình bày về đề tài. Rất
mong nhận được sự quan tâm, đóng góp thêm của các thầy/ cơ giảng viên bộ môn
để đề tài của em được đầy đủ và hoàn thiện hơn.
Em xin cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 06 năm 2021
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Vũ

iv


MỤC LỤC
............................................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... vii

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ......................................................................... viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................. ix
CHƯƠNG 1. BỘ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH D-STATCOM.................................... 1
1.1

D-STATCOM là gì? ................................................................................... 1

1.2

Cấu tạo và chức năng của D-STATCOM .................................................. 1
Cấu tạo ........................................................................................ 1
Chức năng ................................................................................... 2

1.3

Sơ đồ một pha tương đương, nguyên lý hoạt động của D-STATCOM ..... 2

1.4

Chế độ hoạt động của D-STATCOM ........................................................ 3

1.5

Tác dụng của bộ biến đổi nguồn áp trong D-STATCOM ......................... 5

1.6

Tổng hợp nội dung đồ án ........................................................................... 6

CHƯƠNG 2. BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC .................................................. 7

2.1

Cấu trúc bộ biến đổi MMC ........................................................................ 7

2.2

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các Sub-Module................................... 8
Cấu tạo ........................................................................................ 8
Nguyên lý .................................................................................... 8

2.3

Nguyên lý hoạt động của MMC ................................................................. 9

2.4

Tần số phát xung. ..................................................................................... 11

2.5

Mơ hình hóa MMC nối lưới ..................................................................... 12
Yêu cầu điều khiển của MMC .................................................. 12
Mô hình hóa .............................................................................. 13

2.6

Tính tốn thơng số bộ biến đổi MMC cho D-STATCOM....................... 16
Tính chọn tụ điện ...................................................................... 16
Tính chọn cuộn cảm .................................................................. 17

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO D-STATCOM ...................... 18
3.1

Giới thiệu chung về phương pháp điều khiển dự báo .............................. 18
Cấu trúc, cách thức hoạt động bộ điều khiển MPC .................. 19
Kết luận, ưu điểm và nhược điểm của MPC ............................. 20

3.2

Áp dụng bộ điều khiển dự báo MPC cho bộ biến đổi công suất ............. 20

3.3

Phương pháp điều khiển dự báo cho bộ biến đổi công suất..................... 21


3.4

Chức năng và cách xác đinh hàm mục tiêu trong phương pháp MPC ..... 23
Cách xác định trọng số .............................................................. 24

3.5

Xây dựng mơ hình tốn học rời rạc của hệ thống .................................... 25

3.6

Cấu trúc bộ điều khiển MPC cho D-STATCOM ..................................... 25
Cấu trúc bộ điều khiển dự báo cho D-STATCOM ................... 26
Xây dựng hàm mục tiêu cho D-STATCOM ............................. 26

Thiết kế mạch vịng ngồi ......................................................... 29

CHƯƠNG 4. MƠ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG ............................................. 32
Đề xuất định hướng phát triển đề tài: .............................................................. 40
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 42
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 44

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của D-STATCOM ........................................................... 1
Hình 1.2: Sơ đồ mạch 1 pha tương đương của D-STATCOM .............................. 2
Hình 1.3: Các đại lượng vecto ............................................................................... 4
Hình 2.1: Mơ hình bộ biến đổi đa mức MMC ....................................................... 7
Hình 2.2: Cấu hình của một Sub-Module (SM) ..................................................... 8
Hình 2.3: Trạng thái hoạt động của SM ................................................................. 8
Hình 2.4: Quá trình nạp tụ ở mỗi nhánh .............................................................. 10
Hình 2.5: Dạng điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC..................................... 11
Hình 2.6: Đồ thị phát xung cho nhánh trên của một pha ..................................... 12
Hình 2.7: Mơ hình một pha đơn giản của MMC.................................................. 13
Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển của MPC. ............................................................. 19
Hình 3.2: Khoảng dự báo ..................................................................................... 19
Hình 3.3: Sơ đồ khối của FCS-MPC .................................................................... 21
Hình 3.4: Nguyên tắc hoạt động của FCS-MPC. ................................................. 22
Hình 3.5. Cấu trúc bộ điều khiển dự báo ............................................................. 26
Hình 3.6: Lưu đồ thuật tốn MPC ........................................................................ 27
Hình 3.7: Sơ đồ ngun lý của thuật tốn cân bằng năng lượng ......................... 28
Hình 3.8: Thuật tốn cân bằng năng lượng .......................................................... 29

Hình 3.9: Sơ đồ khối mạch vịng cơng suất ......................................................... 30
Hình 4.1: Đáp ứng cơng suất tác dụng ................................................................. 33
Hình 4.2: Đáp ứng cơng suất phản kháng ............................................................ 34
Hình 4.3: Điện áp đầu ra của D-STATCOM. ...................................................... 34
Hình 4.4: Dịng điện ra ......................................................................................... 35
Hình 4.5: Đồ thị điện áp và dịng điện ................................................................. 35
Hình 4.6: THD dịng điện đầu ra .......................................................................... 36
Hình 4.7: THD điện áp đầu ra của D-STATCOM ............................................... 36
Hình 4.8: Dịng điện vịng trong MMC................................................................ 37
Hình 4.9: Điện áp trên tụ điện SM ....................................................................... 38
Hình 4.10: Điện áp một pha của MMC ................................................................ 39
Hình 4.11: Điện áp khi có và khơng có bộ bù...................................................... 39
Hình A2.1: Mơ hình tổng quan ............................................................................ 45
Hình A2.2: Mơ hình tổng quan của MMC ........................................................... 45
Hình A2.3: Mơ hình tổng quan của MPC ............................................................ 46

vii


DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1: Sự trao đổi công suất ............................................................................. 4
Bảng 2.1: Trạng thái của Sub-Module (SM).......................................................... 9
Bảng 4.1: Thông số mô phỏng hệ thống D-STATCOM ...................................... 32
Bảng 4.2: Thông số bộ điều khiển công suất phản kháng.................................... 32
Bảng 4.3: Bảng giá trị tải ..................................................................................... 33
Bảng 4.4: Bảng giá trị công suất theo thời gian mô phỏng .................................. 33
Bảng P.1: Bảng số liệu các giá trị Larm và Carm .................................................... 44

viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

D-STATCOM
MMC
SM
VSC
IGBT
MPC
FPGA
DSP
FCS-MPC
VBC
MIMO
HVDC
EMF
CSPK
CSTD
PCC
DC
AC
CSC
BBĐ

ix

Distribution Static Synchronous Compensator
Modular Multilevel Converter
Sub-Module
Voltage Source Converter

Insulated Gate Bipolar Transistor
Model Predictive Control
Field-programmable gate array
Digital Signal Processor
Finite control set model predictive control
Voltage balancing control
Multiple In, Multiple Out
Hight Voltage Direct Current
Electromotive force
Công suất phản kháng
Công suất tác dụng
Point Of Common Connection
Direct Current
Alternating Current
Current Source Converter
Bộ biến đổi



CHƯƠNG 1. BỘ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH D-STATCOM
1.1 D-STATCOM là gì?
Lưới điện phân phối của nước ta ngày này ln phải đổi mặt với nhu cầu sử
dụng phụ tải thay đổi liên tục, và ngày càng có xu hướng tăng lên. Chính vì vậy
mà việc truyển tải điện năng và cung cấp điện của các nhà máy điện và hệ thống
truyền tải đã gần như không thể đáp ứng được nhu cầu hiện tại.
Thay vì chỉ đặt các máy biến áp để điện áp có thể được cải thiện và để giảm
tổn thất điện năng người ta có thể đặt các thiết bị nguồn có điều khiển ở các vị trí
thích hợp. Các thiết bị đó có tên gọi là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh
hoạt FACTS (Flexiable Alternate Curent Transmission System). Trong đó bộ bù
đồng bộ tĩnh dùng với lưới phân phối D-STATCOM (Distribution Static

Synchronous Compensator) là một thiết bị điện tử công suất mới nhằm làm tăng
độ tin cậy và chất lượng điện áp của lưới điện phân phối.
D-STATCOM là một thiết bị biến đổi năng lượng, điều khiển điện áp tại điểm
kết nối một cách chủ động để cải thiện chất lượng điện áp, trao đổi công suất phản
kháng, công suất tác dụng bằng cách thay đổi góc pha và biên độ của bộ biến đổi
này. Hiệu suất của D-STATCOM phụ thuộc vào thuật toán điều khiển.
1.2 Cấu tạo và chức năng của D-STATCOM
Cấu tạo
Đồ án này tập trung nghiên cứu về D-STATCOM, một thiết bị biến đổi nguồn
áp với dung lượng bù thay đổi được và nối song song với lưới điện qua một máy
biến áp. D-STATCOM nổi trội hơn các thiết bị FACTS khác là có thể cung cấp
CSPK thay đổi, khơng ồn, tổn thất ít, ổn định điện áp lưới.

Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của D-STATCOM

1


Cấu trúc của D-STATCOM bao gồm: bộ biến đổi nguồn áp (VSC), tụ DC,
cuộn kháng hoặc máy biến áp ghép nối và một bộ điều khiển cho bộ biến đổi nguồn
áp.
• Tụ DC: được giả thiết là các thiết bị lưu trữ điện một chiều lý tưởng (có
điện áp 𝑉𝑑𝑐 ổn định).
• Cuộn kháng hoặc máy biến áp: có tác dụng ngăn dịng tăng lên đột ngột và
hấp thụ cơng suất.
• BBĐ VSC: Bộ biến đổi nguồn điện áp đầu ra xoay chiều AC từ nguồn điện
áp một chiều DC và là thứ qua trọng nhất trong D-STATCOM.
• Bộ điều khiển: điều khiển đóng mở cho các van bán dẫn trong BBĐ VCS
để tạo ra điện áp mong muốn.
Chức năng

Chức năng chính là điều chỉnh độ lớn điện áp tại điểm kết nối bằng cách tự
động hấp thụ hoặc phát ra công suất phản kháng cho lưới điện xoay chiều. Sự
chuyển đổi công suất phản kháng được thực hiện thông qua điện kháng của máy
biến áp, để bù CSPK thì điện áp thứ cấp máy biến áp cùng pha với điện áp lưới.
Phạm vi ứng dụng:
• Đặt tại các nút của lưới điện để bù cơng suất phản kháng.
• Đặt trong các nhà máy điện dùng sức gió nhằm ổn định điện áp lưới,
điều chỉnh hằng số công suất, giảm nhấp nháy điện áp.
• Đặt tại các nhà máy luyện kim để hạn chế sóng hài trong cơng nghệ
luyện kim của các lò hồ quang, lò cao tần hoặc các dây truyền sản xuất
tự động.
• Đặt ở những tịa nhà nhằm giảm méo tín hiệu, nâng cao chất lượng điện
năng, tăng cường độ tin cậy hoạt động của các thiết bị như: máy tính,
thang máy, thiết bị điện tử…
1.3 Sơ đồ một pha tương đương, nguyên lý hoạt động của D-STATCOM
ZS
UL

XL
US

Ubus

UVSC

U DC

Hình 1.2: Sơ đồ mạch 1 pha tương đương của D-STATCOM

Sơ đồ mạch một pha tương đương của hệ thống D-STATCOM được thể hiện

qua Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của D-STATCOM là sử dụng bộ biến đổi
2


(BBĐ) nguồn áp để tạo ra đầu ra xoay chiều AC từ nguồn điện áp một chiều DC.
Điện áp xoay chiều AC của BBĐ được đấu nối với hệ thống điện. Việc điều chỉnh
điện áp đầu ra phía xoay chiều AC làm cho D-STATCOM có thể trao đổi cơng
suất phản kháng. Khi điện áp lưới và điện áp của bộ chuyển đổi cùng pha, nếu độ
lớn của điện áp lưới nhỏ hơn so với điện áp bộ chuyển đổi thì hệ thống DSTATCOM sẽ cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống xoay chiều và hấp thụ
công suất phản kháng từ lưới điện khi độ lớn của điện áp lưới lớn hơn điện áp bộ
chuyển đổi.
Ngoài ra thay đổi góc pha giữa điện áp đầu ra D-STATCOM và điện áp lưới,
D-STATCOM có thể trao đổi cơng suất tác dụng với hệ thống. Việc điều chỉnh
góc pha sẽ khiến cho nhiều vấn đề khác xảy ra trong lưới điện. Vì vậy ta chỉ nghiên
cứu điều chỉnh độ lớn của điện áp D-STATCOM để trao đổi công suất phản kháng
với lưới điện. Trong đồ án này chỉ nghiên cứu D-STATCOM trong chế độ trao đổi
cơng suất phản kháng vì vậy mà điện áp đầu ra của D-STATCOM và điện áp lưới
cùng pha.
1.4 Chế độ hoạt động của D-STATCOM
Hình 1.3 chỉ ra các đại lượng vectơ ở trạng thái ổn định với tần số cơ bản trong
chế độ điện dung và điện cảm, và ở trạng thái chuyển đổi từ tính dung sang tính
cảm và ngược lại.
Điện áp thanh cái U bus bằng tổng của điện áp bộ chuyển đổi UVSC và điện áp
trên biến áp U L trong cả hai chế độ điện dung và điện cảm.
⎯⎯
→

⎯⎯
→

⎯⎯
→

U bus = UVSC + U L

(1.1)

Trong chế độ điện dung (capacitive) bù CSPK, dòng điện I sớm pha 90 so
với điện áp bộ chuyển đổi UVSC , | UVSC || U bus | . Và ngược lại, trong chế độ điện
cảm (inductive) hấp thụ CSPK, dòng điện I chậm pha 90 so với điện áp bộ
chuyển đổi UVSC , | UVSC || U bus |

3


y

y
I

UL

Ubus

UVS C

x

O

UVSC Ubus

UL

O

x

I
Hấp thụ CSPK

Bù CSPK

y

y
UVSC
δ

I

UL

Ubus

I

x

Ubus

O

O

x

δ

UL

UVSC
Hấp thụ CSTD

Bù CSTD

Hình 1.3: Các đại lượng vecto

Ngồi ra khi điều chỉnh góc pha từ giá trị 0 đến một giá trị dương, công
suất tác dụng được truyền từ bộ tụ điện DC tới điểm kết nối (PCC).
Khi điều chỉnh góc pha từ giá trị 0 đến một giá trị âm, công suất tác dụng
được truyền từ điểm kết nối (PCC) vào tụ điện DC.
Sự trao đổi công suất giữa D-STATCOM và hệ thống AC được thể hiện
qua bảng 1.1.
Bảng 1.1: Sự trao đổi công suất

Sự trao đổi công suất
D-STATCOM



HỆ THỐNG AC

UVSC  U bus

Q



+

UVSC  U bus

+



Q

 0

P



+

 0

+



P

D-STATCOM hoạt động ở chế độ nghịch lưu bằng cách điều khiển góc pha
giữa điện áp bộ biến đổi và điện áp đường dây và biên độ độ lớn của điện áp để DSTATCOM phát hoặc hấp thu công suất mong muốn tại điểm kết nối.
Công suất tác dụng và công suất phản kháng trao đổi giữa D-STATCOM và
hệ thống:
4


P=

U SUVSC
sin 
XL

(1.2)

Q=

U S2 U SUVSC
−
cos
XL
XL

(1.3)

Trong đó:
U S là giá trị điện áp lưới

UVSC là giá trị điện áp bộ chuyển đổi

X L là điện kháng của máy biến áp

𝛿 là góc lệch giữa điện áp lưới và điện áp bộ chuyển đổi
Qua biểu thức (1.2) và (1.3) ta thấy khi giữ góc lệch pha giữa lưới điện và thiết
bị bù là bằng 0, để bù công suất phản kháng theo yêu cầu ta chỉ cần điều chỉnh độ
lớn điện áp đầu ra của bộ bù. Trong thực tế góc lệch sẽ khơng bằng khơng vì hệ
thống sẽ lấy một lượng nhỏ công suất tác dụng từ lưới về để duy trì điện áp trên
các tụ.
1.5 Tác dụng của bộ biến đổi nguồn áp trong D-STATCOM
Trong D-STATCOM, thành phần quan trọng nhất là bộ biến đổi tĩnh bằng việc
sử dụng cách linh kiện điện tử công suất, tác dụng của bộ biến đổi này là từ nguồn
một chiều, tạo ra điện áp xoay chiều. Có 2 loại cấu trúc bộ biến đổi chính là bộ
biến đổi nguồn áp VSC và bộ biến đổi nguồn dòng CSC, tùy thuộc vào nguồn 1
chiều đang sử dụng là nguồn gì mà các bộ biến đổi được sử dụng tương ứng. Trong
đó VSC được sử dụng phổ biến hơn. VSC ngày nay thường sử dụng các van đóng
cắt IGBT vì nó có tần số đóng cắt cao, đáp ứng được mức điện áp sử dụng cần
thiết.
Vì D-STATCOM thường đi kèm với các yêu cầu cao về mức năng lượng, do
đó bộ nghịch lưu 2 mức đơn giản không thể đáp ứng được. Cùng với sự phát triển
của điện tử công suất, để đáp ứng được các yêu cầu về trao đổi năng lượng ta sử
dụng nghịch lưu đa mức. Bộ biến đổi đa mức hoạt động dựa trên nguyên tắc chia
điện áp DC thành các điện áp được lưu trữ trong tụ điện. Với việc sử dụng bộ biến
đổi đa mức có thể làm giảm tỉ số biến đổi của máy biến áp, thậm chí có thể nối
trực tiếp mà khơng cần qua máy biến áp. Điện áp đầu ra có thể chỉ cần lọc với cuộn
cảm nhỏ.

Cấu trúc đa mức gồm 2 loại là bộ biến đổi nguyên khối và bộ biến đổi kiểu
module. Bộ biến đổi nguyên khối gồm diode kẹp và tụ bay [1], nhưng bộ biến đổi
module có nhiều điểm phù hợp với với điện áp cao, công suất cao. Tối ưu hơn hẳn
là sử dụng bộ biến đổi kiểu module với cấu trúc nửa cầu MMC [2]. Sau đây ta sẽ
xem các ưu nhược điểm và sử dụng cấu trúc này cho D-STATCOM.
Ưu điểm
• Dùng được với điện áp cao, công suất lớn.

5


• Tính khả dụng cao do cấu trúc được kết hợp bởi nhiều độ biến đổi nhỏ hay
còn gọi là Sub Module.
• Tổn hao cơng suất nhỏ do tần số đóng mở thấp.
• Thay vì cần một tụ điện dung lớn thì ta sẽ sử dụng nhiều tụ nhỏ, năng lượng
sẽ được chia đều cho các tụ tế bào đó.
• Kích thước nhỏ, giá thành rẻ hơn so với các bộ biến đổi khác cùng cấp điện
áp.
Nhược điểm
• Vẫn cịn tồn tại dịng điện chảy vịng từ phía một chiều qua mỗi pha là
nguyên nhân chính gây tổn thất năng lượng.
• Khi cấu trúc càng mở rộng thì số lượng van và chi phí càng lớn, điều khiển
sẽ ngày càng một khó
1.6 Tổng hợp nội dung đồ án
Đồ án này sẽ trình bày quá trình nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ
thống bù đồng bộ tĩnh dùng cho lưới điện phân phối là D-STATCOM. Nội dung
sẽ được tiến hành qua 4 chương, sau đây là tóm tắt của mỗi chương:
Chương 1: Giới thiệu về D-STATCOM
Chương này sẽ trình bày khái niệm, cấu tạo, nguyên lý, ứng dụng của bộ bù
đồng bộ tĩnh cho lưới phân phối D-STATCOM. Phân tích đánh giá và đề xuất

nghiên cứu cho bộ biến đổi MMC.
Chương 2: Bộ nghịch lưu đa mức MMC
Theo đề xuất sử dụng bộ nghịch lưu đa mức MMC như ở Chương 1, thì ở
Chương 2 này sẽ trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động. Cuối cùng là tính tốn
thơng số mạch lực khi áp dụng MMC và D-STATCOM để mô phỏng ở Chương 4.
Chương 3: Thiết kế điều khiển cho D-STATCOM
Chương này sẽ đi từ việc giới thiệu khái niệm điều khiển dực báo MPC, sau
đó là các làm quy trình thiết kế cho bộ điều khiển dự báo MPC. Sau khi xây dựng
xong quy trình thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC thì sẽ áp dụng luôn cho việc
điều khiển hệ thống D-STATCOM và những nội sẽ được trình bày trong mơ hình
điều khiển D-STATCOM là: thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC, thiết kế bộ điều
khiển bù công suất phản kháng và thuật tốn cân bằng năng lượng.
Chương 4: Mơ phỏng hệ thống
Mơ phỏng để kiểm chứng lại kết quả ở Chương 2 và 3. Hệ thống sẽ được mô
phỏng trên môi trường đó là Matlab/Simulink. Sau đó sẽ tiến hành nhận xét, đánh
giá chung về những gì làm được và chưa làm được.

6


CHƯƠNG 2. BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC
Bộ biến đổi MMC được giới thiệu lần đầu tiên từ năm 2003 bởi R.Marquardt
và A.Lesnicar [2], đây là bộ biến đổi với đặc tính khác biệt so với các bộ biến đổi
đa mức khác và có những tính năng vượt trội để áp dụng cho dải công suất lớn,
điện áp cao được xem là giải pháp cho các ứng dụng công nghiệp công suất lớn,
kết nối các hệ thống điện phân tán công suất cao và rất phù hợp cho hệ thống truyền
tải năng lượng điện một chiều công suất lớn và khoảng cách xa đặc biệt là cao áp
một chiều hay HVDC.
2.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC
Bộ biến đổi MMC là bộ biến đổi DC-AC. Nền tảng của bộ biến đổi MMC là

được ghép nối bởi một số lượng lớn các bộ biến đổi thành phần SM (Sub-Module)
mắc nối tiếp với nhau để tạo ra các mức điện áp khác nhau. Cấu trúc bộ biến đổi
MMC được thế hiện như Hình 2.1.

Hình 2.1: Mơ hình bộ biến đổi đa mức MMC

Bộ biến đổi MMC gồm có ba pha như nhau, mỗi pha của bộ biến đổi được tạo
thành từ hai nhánh là nhánh trên và nhánh dưới, mỗi nhánh có số lượng là N
Module tùy theo yêu cầu. Vì vậy tổng số SM trên 1 pha là 2N Module. Số lượng
SM trong mỗi pha là như nhau. Số lượng SM càng nhiều thì chất lượng điện áp
đầu ra càng cao cũng như số mức điện áp đầu ra cũng tăng lên theo. Tuy nhiên
việc điều khiển sẽ càng khó theo mức độ tăng dần của số lượng SM. Theo lý thuyết
thì số lượng các SM là khơng giới hạn miễn sao có thể đáp ứng yêu cầu về điện áp
đầu ra. Trên mỗi nhánh có điện cảm L0 (hay cịn gọi Larm) nhằm giảm dòng điện
7


quá độ trong mạch. Điện áp một chiều là nguồn chung duy nhất cho cả 3 nhánh.
Điện áp xoay chiều ở đầu ra lấy từ điểm nối chung của hai nhánh và giữa hai cuộn
cảm của mỗi nhánh của mỗi pha.
2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các Sub-Module
Cấu tạo
Tất cả các SM gồm có 2 van IGBT và 1 tụ điện được thể hiện qua hình 2.2. Để
tạo ra điện áp mong muốn tại các đầu MMC, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu đóng
hoặc mở cho các van IGBT của SM. Điện áp ra của các SM sẽ bằng điện áp trên
tụ VC hoặc bằng 0 tùy trạng thái đóng cắt của van. Có 2 trạng thái đóng cắt chính:
• S1 ở trạng thái ON và S2 ở trạng thái OFF.
• S1 ở trạng thái OFF và S2 ở trạng thái ON.

S1

D1

UDC
N

C

+

i

S2

D2

USM

_
Hình 2.2: Cấu hình của một Sub-Module (SM)

Ngun lý
Hình 2.3 mơ tả các trạng thái đóng cắt của các van S1 và S2 và dòng điện được
quy ước là chiều dương với hình (a) và (b), có chiều âm với hình (c) và (d).
Bộ biến đổi MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp của các
SM để tạo ra điện áp xoay chiểu ở từng pha của các bộ biến đổi. Đối với từng SM,
điện áp đầu ra được gắn liền với một trong hai trạng thái ngược nhau được định
nghĩa là chèn vào (inserted) hoặc bỏ qua (bypass) dựa trên trạng thái đóng cắt của
từng cặp van có kể đến chiều của dịng điện chạy trong mạch.

i

USM

D1

S1

UDC/N

S2

D2

a)

i

D1

S1

UDC/N i

USM S2

D2

b)

D1

S1

USM S2

UDC/N

D2

c)

i
USM

D1

S1

UDC/N

S2

D2

d)

Hình 2.3: Trạng thái hoạt động của SM

TH1: S1 OFF và S2 ON (Hình 2.3a) và dịng điện được quy ước theo chiều
dương. Dòng điện sẽ đi qua S2, USM = 0. Trạng thái này được gọi là trạng thái SM
bị “bỏ qua”.

8


TH2: S1 ON à S2 OFF (Hình 2.3b) và dịng điện được quy ước theo chiều
dương. Trong trường hợp này dòng điện sẽ đi qua D1 và tụ điện sẽ tích điện và
USM = UDC/N. Trạng thái này được gọi là trạng thái SM được “chèn vào”.
TH3: S1 ON và S2 OFF (Hình 2.3c) và dịng điện được quy ước theo chiều
âm. Trạng thái này, tụ điện được xả và USM = UDC/N. Trạng thái này SM được
“chèn vào”.
TH4: S1 OFF và S2 ON (Hình 2.3d) và dịng điện quy ước theo chiều âm.
Trạng thái này, dòng điện đi qua D2. Các tụ điện sẽ được “ngắn mạch” và USM =
0. Trạng thái này SM được “bỏ qua”.
Ngoài các trạng thái chèn vào (Inserted) và trạng thái bỏ qua (Bypass) đã nêu
ở trên thì cịn các trạng thái đặc biệt:
Trạng thái CẤM: khi cả hai van S1 và S2 đồng thời đều ở trạng thái ON,
trong việc điều khiển các SM của MMC tuyệt đối không được để xảy ra trạng thái
này vì khi S1 và S2 đồng thời ON sẽ gây ra hiện tượng ngắn mạch điện áp trên tụ.
Phải đảm bảo rằng trạng thái của S1 và S2 ln ln phải ngược nhau.
Trạng thái KHĨA: khi cả hai van S1 và S2 đồng thời đều ở trạng thái OFF,
trong trường hợp này thì việc kiểm sốt điện áp đầu ra của từng SM sẽ rất khó
khăn.
Bảng 2.1 thể hiện quan hệ giữa trạng thái van, điện áp, chiều dòng điện và
trạng thái tụ của mỗi SM.
Bảng 2.1: Trạng thái của Sub-Module (SM)

Trạng thái
van

Điện áp

ra

Chiều
dòng
điện

Trạng

Trạng

thái tụ

thái SM

S1

S2

1

0

USM

+

Nạp

Chèn vào

0

1

0

+

Nối tắt

Bỏ qua

1

0

USM

-

Xả

Chèn vào

0

1

0

-

Nối tắt

Bỏ qua

1

1

Ngắn mạch

Cấm

0

0

Hở mạch

Khóa

2.3 Nguyên lý hoạt động của MMC
Với cấu trúc được mơ tả như hình 2.1 việc các SM được chèn vào hay bỏ qua
ở mỗi nhánh cho phép đưa ra dạng đúng của điện áp đầu ra. Quá trình nạp hoặc xả
của tụ điện phụ thuộc vào hướng dòng điện.

9

Để giữ cho điện áp trên mỗi SM là không đổi thì tổng số SM được kết nối với
nhau trên mỗi nhánh pha phải khơng đổi. Giả sử có N SM được kết nối với nhau
trong 1 pha thì điện áp trên mỗi SM là:
U SM = UCx =

U DC
N

(2.1)

Khi MMC hoạt động bình thường thì các tụ đều được nạp điện đến giá trị trên.
Để làm được điều đó, một phương pháp đã đưa ra ý kiến rằng ta sẽ chèn 1 SM và
bỏ qua 2N-1 SM. Khi tụ của SM đó đã được nạp xong thì sẽ được bộ điều khiển
bỏ qua, và SM tiếp theo sẽ được chèn vào [2]. Mặt khác, ta không thể nạp các tụ
bằng điện áp nguồn vì sẽ gây hỏng hóc do mức điện áp cao, do đó cần sử dụng
điện áp một chiều bên ngoài với mức điện áp thấp hơn [3]. Tốt hơn nữa là ta thêm
điện trở vào mỗi nhánh để quá trình nạp được tốt hơn [4].

Hình 2.4: Quá trình nạp tụ ở mỗi nhánh

Sau khi các tụ được nạp, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu yêu cầu chèn vào hay
bỏ qua các SM để tạo điện áp AC. Tuy nhiên, ở mỗi thời điểm chỉ N SM ở mỗi
pha được mở. Ở đây ta mới chỉ xét đến số lượng các SM được chèn vào, số lượng
SM được bỏ qua mà chưa xét đến cách làm thế nào để xác định tại thời điểm đó ta
cần bao nhiêu SM được chèn vào, bao nhiêu SM bị bỏ qua cho từng nhánh, từng
pha. Vì vậy cần có phương pháp điều khiển phù hợp để xác định được số SM
chèn vào hay bỏ qua.
Nếu có một SM được chèn vào ở nhánh dưới, nhưng khơng có SM nào ở nhánh
trên bị bỏ qua, khi đó có N+1 các SM được chèn vào, khi đó điện áp trung bình sẽ
là UDC/(N+1), như vậy điện áp trung bình trên mỗi tụ được chèn vào đã bị thay

đổi.

10


A

B

C

D

7

Voltage (V)

6

5
4
3
2

1
0

t(s)

Hình 2.5: Dạng điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC

Hình 2.5 mơ tả dạng điện áp đầu ra UAC của một bộ MMC lý tưởng (không xét
đến tổn hao). Giả sử điện áp được phân phối đều giữa các tụ của các SM và các tụ
đủ lớn để điện áp không bị dao động. Trong một chu kỳ, có bốn trạng thái khác
nhau:
Trạng thái A: Điện áp đầu ra là lớn nhất, để đạt được trạng thái này, tất cả
các SM ở nhánh phía trên được bỏ qua do đó điện áp UDC/2 được nối trực tiếp tới
đầu ra, tất cả các SM ở nhánh phía dưới được chèn vào, tổng điện áp qua các
module nhánh dưới bằng UDC.
Trạng thái B: Điện áp ra giảm dần và bám theo đường sin. Để đạt được điều
này, điện áp cần được chèn thêm vào giữa điện áp dương một chiều và điểm giữa
điện áp xoay chiều, như vậy các SM ở nhánh phía trên được chèn vào. Việc đảm
bảo số lượng SM chèn vào là không thay đổi là quan trọng vậy nên sau khi một
SM ở nhánh trên được chèn vào và một SM ở nhánh dưới được bỏ qua thì điện áp
đầu ra đạt ((UDC/2) – USM).
Trạng thái C: Tất cả các SM ở nhánh phía trên được chèn vào và tất cả SM ở
nhánh dưới bị bỏ qua, điện áp đầu ra lúc này là - UDC/2
Trạng thái D: Tể tăng dần điện áp đầu ra từ giá trị nhỏ nhất, các module ở
nhánh dưới được chèn vào dần đồng thời các module ở nhánh trên được bỏ qua.
Tuy nhiên ta chỉ nên tăng giảm một bước điện áp ở một thời điểm để dạng điện
áp ra là mịn nhất có thể.
2.4 Tần số phát xung.
Một trong những ưu điểm của bộ biến đổi đa mức MMC là tần số đóng mở
van thấp, do đó làm giảm nhiệt lượng tỏa ra ở các van, góp phần làm tăng tuổi thọ
của van bán dẫn. Tần số đóng mở van thấp cịn làm giảm lượng sóng hài của điện
áp ra. Để hiểu hơn về giá trị tần số phát xung, ta xét bộ biến đổi MMC có N SM
mỗi nhánh như hình 2.6.

11

Voltage (V)

U DC

N −1
N −2

N

N −1
N −2

2

2
1

1

0

0

Hình 2.6: Đồ thị phát xung cho nhánh trên của một pha

Từ đồ thị ta thấy điện áp đầu ra theo hình bậc thang với biên độ của mỗi bậc
là UDC/N, có N+1 bậc, giá trị từ 0 đến UDC. Để tính tần số đóng mở trung bình của
các SM, ta cần xác định tổng số lần phát xung của N SM. Gọi K là tổng số lần phát
xung của các SM trong một chu kỳ, từ hình 2.6 ta có biểu thức:

K = 1 + 2 + ... + ( N − 1) + N  + ( N − 1) + ( N − 2 ) + ... + 2 + 1
N ( N + 1) ( N − 1) N
K=
+
= N2
2
2

(2.2)

Có tổng N SM tham gia vào phương trình này, số lần phát xung trung bình của
1 SM bằng N. Trong 1s có 50 chu kỳ điện áp, nên ta có cơng thức tổng qt cho
tần số đóng mở van trung bình của SM là: 𝑓𝑆𝑊 = 50𝑁(Hz).
2.5 Mơ hình hóa MMC nối lưới
Yêu cầu điều khiển của MMC
Trước khi tiến hành mơ hình hóa ta hãy xem xét các vấn đề để hiệu suất sử
dụng MMC là cao nhất. Nhiệm vụ chính của việc điều khiển bộ biến đổi MMC
bao gồm: kiểm sốt các giá trị đầu ra (dịng điện, điện áp) cũng như các đại lượng
bên trong (điện áp trên tụ của SM và dòng điện vòng trong các nhánh).
Điều khiển dòng điện đầu ra
Đây là nhiệm vụ qua trọng nhất đối với bài toán điều khiển MMC cần phải
làm được vì nó sẽ liên quan chặt chẽ đến bài toán điều khiển cho D-STATCOM.
Yêu cầu đặt ra là điều khiển dòng điện đầu ra bám sát với giá trị đặt tham chiếu
được tính tốn với sai lệch là nhỏ nhất.
Muốn điều khiển được dòng điện đầu ra theo yêu cầu chúng ta cần đóng cắt
các SM một cách hợp lý.
Cân bằng điện áp trên tụ điện
Việc cân bằng điện áp trong bộ biến đổi 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 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 hệ thống. Việc cân bằng điện áp tụ điện
trong SM sẽ giúp cho sự dao động điện áp trong tụ điện luôn nằm trong giới hạn
cho phép, giúp cho lựa chọn các thiết bị bán dẫn đóng cắt ở mức độ hợp lý và tránh
12


sự đóng cắt khơng cần thiết để giảm tốn thất trong MMC. Hơn nữa thi việc cân
bằng điện áp trên các tụ của SM trong tất cả các chu kỳ hoạt động sẽ làm cho dạng
của các giá trị đầu ra được ổn định.
Giảm thiểu dòng điện vòng.
Khi MMC hoạt động, có sự tồn tại của dịng điện vịng từ phía DC sang mỗi
pha [5]. Lý do gây ra dịng điện này là do quá trình nạp xả liên tục của tụ điện, độ
nhấp nhô của điện áp tụ điện sẽ sinh ra dịng điện móc vịng chảy qua cả 2 nhánh
trong mỗi pha sẽ gây ra méo dòng điện nhánh, nhanh hỏng van,...
Mơ hình hóa
Sau khi đánh giá các vấn đề cần điều khiển đã xác định được các đối tượng
cần điều khiển, ta mơ hình hóa cấu trúc MMC theo các biến vừa xác định. Giả sử
điện áp tụ điện của SM là cân bằng và số lượng SM là vơ hạn trong nhánh. Ta có
thể tương đương với mỗi nhánh của bộ biến đổi như một tụ điện thay đổi mắc nối
tiếp với một điện trở tương đương và điện cảm nhánh. Vì 3 pha là như nhau nên
để ngắn gọn xây dựng mơ hình tốn học một pha được mơ tả trong hình 2.7.

idc
ip

Up

C
Rarm

UDC /2

Larm
i

R

L

Larm
UDC /2

i diff

Un

e

Rarm
C
in

Hình 2.7: Mơ hình một pha đơn giản của MMC.

Trong đó:
UDC: Điện áp nguồn một chiều.
R, L : Điện trở và điện cảm giữa lưới và bộ biến đổi
Ue: Điện áp ở đầu ra bộ biến đổi.
U p , U n : Tổng điện áp tụ nhánh trên, nhánh dưới.

idiff : Dịng điện chảy vịng từ phía một chiều đến mỗi pha.

i p , in : Dòng điện nhánh trên, dòng điện nhánh dưới.
13


i : Dòng điện pha

Rarm , Larm : Điện trở và điện cảm mỗi nhánh.

Theo [5][6][7] dòng điện nhánh trên và nhánh dưới được tính bởi (2.3) và (2.4)
như sau:
idc i
(2.3)

ip

i
2 diff
i
i
2 diff

3
idc

in

3

(2.4)

Từ 2.3 và 2.4 ta được:
i = i p − in

(2.5)

1
2
idiff = (i p + in − idc )
2
3

(2.6)

Áp dụng luật Kirchhoff ta thu được phương trình sau:

di
U DC
di
= u p + Larm p + Rarmi p + Ri + L + ue
2
dt
dt

(2.7)

U DC
di
di

= un + Larm n + Rarmin − Ri − L − ue
2
dt
dt

(2.8)

Ta lấy 2.7 trừ cho 2.8 ta có thể thu được biểu thức 2.8 như sau:

u p un

Larm

d (i p in )
dt

Rarm (i p in ) 2Ri 2L

di
dt

2ue

0

(2.9)

Kết hợp 2.5, 2.8 ta được:
di
−1

=
[u p -u n +2u e +(R arm +2R)i]
dt 2 L + Larm

(2.10)

Để tính được biến thứ 2 là dịng điện vòng, ta cộng 2.7 và 2.8 với nhau:

U DC

up

un

Larm

d (i p in )
dt

Rarm (i p

in )

(2.11)

Thay biểu thức (2.6) vào (2.11) và để đơn giản ta giả sử dòng một chiều là
khơng đổi nên

didiff
dt

didc
= 0 , ta được phương trình như sau:
dt

1
[U
u p un 2 Rarm (idiff
2 Larm DC

1

3

idc ]

(2.12)

Mô hình tốn học của điện áp tụ:
Tổng hệ số điều chế hai nhánh nên được giữ bằng 1, để một sub-module được
chèn vào trong nhánh này thì tương ứng một Sub-module được bỏ qua trong nhánh
kia.

m p + mn = 1

(2.13)

Điện dung tụ điện của một SM là CSM khi đó điện dung của các tụ điện được
chèn vào nhánh được tính như sau:
14

CSM

C p = Nm
p


C = CSM
n

Nmn


(2.14)

Khi dòng điện nhánh i p và in chảy qua nhánh trên và nhánh dưới 1 pha thì
tổng giá trị điện áp tụ được tính:
d
U Cp
dt

1
ip
Cp

d
U Cn
dt

1
in
Cn

(2.15)

Thay biểu thức 2.3 và 2.4 vào biểu thứ 2.15 ta được:
d
U Cp
dt
d
U Cn
dt

1
idiff
Cp

idc i
3 2
Cp

1
idiff
Cn

idc i
3 2
Cn

(2.16)

Đơn giản ta viết gọn như sau

duci
dt

im
C

(2.17)

Trong đó i = 1,2,..., 2n là số SM được bật và im có thể bằng không nếu như
SM bị tắt, hoặc bằng i p nếu tất cả SM được bật nằm ở nhánh trên hoặc bằng in nếu
như tất cả SM được bật nằm ở nhánh dưới.
Từ các phương trình 2.10, 2.12, 2.16 ta thu được mơ hình hóa của bộ biến đổi
MMC nối lưới được biểu thị qua biểu thức (2.18):
 −( Rarm + 2 R)
 d  
i
 dt   Larm + 2 L

 
di  
0
 dt diff  

=
d


 U Cp  
0
 dt
 
d
 

 U Cn
 
0
 dt
 


0

0

− Rarm
Larm

0

1
Cp

0

1
Cn

0

u p − un − 2ue




Larm + 2 L



0


2
U DC − u p − un − Rarmidc 


3
 i  

0  i  
2
L

arm
diff
 



+
idc i
 
 U Cp


+
 
0 
3 2

 
 U Cn


C

p



0
idc i


+




3 2


Cn



(2.18)

Kết luận: Mơ hình tốn học của hệ thống được xây dựng dựa trên ba biến
điều khiển là dòng nhánh, dòng vòng và điện áp tụ điện dựa trên yêu cầu điều khiển

15