Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng cực

Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
Nội dung yêu cầu:
-

Tổng quan về hệ thống HVDC
Tổng quan về hệ thống HVDC-PLUS dùng bộ biến đổi đa mức cấu trúc module
MMC
Tính toán thông số mạch lực mô hình hóa thiết kế hệ thống điều khiển
Mô phỏng kiểm nghiệm các chế độ làm việc

Những nội dung đã thực hiện
Chương 1: Tổng quan về HVDC: lịch sử hình thành,các lợi ích của hệ thống HVDC so
với HVAC. Cấu hình hệ thống HVDC các bộ biến đổi ,phương thức truyền dẫn. Giới
thiệu về hệ thống HVDC-Plus của Siemens
Chương 2: Giới thiệu cấu trúc HVDC dùng cấu trúc MMC. Nguyên lý hoạt động của bộ
biến đổi trên cơ sở hoạt động của cấu trúc SM kiểu nửa cầu. Phân tích nguyên lý hoạt
động mô hình toán học của bộ biến đổi. Trình bày các phương pháp điều chế cho MMC
Chương 3: Giới thiệu bộ biến đổi HVDC-PLUS cấu trúc lưỡng cực của Siemens. Tính
chọn thông số các thành phần cơ bản,mô hình hóa đưa ra cấu trúc điều khiển
Những việc chưa làm và cần thực hiện tiếp theo:
Xác định cấu hình điều khiển ,tính toán thông số các bộ điều khiển
Tiến hành mô phỏng ở các chế độ làm việc của bộ biến đổi trên PSCAD

Page 1


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực

Contents

Page 2


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC
1.1Lịch sử hình thành
Trong xu thế hình thành và phát triển thị trường điện thế giới,ngày càng nhiều công ty
điện lực tiến hành hiện đại hóa mạng lưới phân phối theo hướng áp dụng công nghệ
mới,đặc biệt là điện tử công suất thế hệ mới do những lý do sau
-

Xuất hiện các phụ tải mới yêu cầu cao hơn về phụ tải truyền thống và chất lượng
điện năng
Giá trị thiệt hại do mất điện đòi hỏi độ tin cậy cao hơn
Xu hướng lông ghép các nhà máy điện ,đặc biệt các nhà máy điện sử dụng năng
lượng tái tạo
Công nghệ điện tử công suất mới bộ biến đổi nguồn áp đã đủ chin muồi để áp
dụng vào thực tiễn
Các yêu cầu khắt khe hơn hơn từ cơ quan quản lý điện lực và thách thức nẩy sinh
trong quá trình điều tiết tạo điều kiện cho các dịch vụ hỗ trợ trong ngành điện

Chính vì nhưng nguyên nhân trên HVDC đang là một công nghệ hấp dẫn và được đánh
giá là công nghệ phát triển cho tương lai.HVDC là hệ thống truyền tải điện năng,sử dụng
dòng một chiều để truyền tải công suất. Nó có nhiều ưu điểm so với hệ thống truyền tải
xoay chiều đã phổ biến: đảm bảo an ninh năng lượng, tiết kiệm. Hiện nay HVDC đang
được sử dụng rộng rãi trên nhiều nước trên thế giới và trở thành một phần quan trọng của
nhiều hệ thống truyền tải điện. Đường dây HVDC thương mại đầu tiên được xây dựng

vào năm 1954,là một tuyến cáp ngầm nối giữa đảo Gotland của Thụy Điển và đất liền.
Thời gian này các hệ thống truyền dẫn được điều khiển bằng van hồ quang - thủy ngân.
Với sự phát triển của thiết bị điện tử công suất và các van bán dẫn vào cuối những năm
1960 công nghệ dựa trên van thyristor lần đầu tiên được thử nghiệm ở Gotland vào năm
1967,và sau đó được phổ biến quy mô lớn ở Canada với công suất định mức 320MW.
Hiện nay bộ biến đổi nguồn dòng (CSC) dựa trên công nghệ các van thyristor được sử
dụng ở phần lớn các hệ thống HVDC trên toàn thế giới và một trong những hệ thống lớn
nhất là Three Gorges-Shanghai với công suất định mức 3000MW, điện áp một chiều 500kV. Hệ thống CSC-HVDC còn được gọi HVDC Classic(ABB)
Trong thời gian cuối những năm 1990 sự phát triển của các chất bán dẫn cho thiết bị điện
tử công suất đã dẫn đến sự ra đời của các loại van IGBT , GTO và chúng đã được ứng
dụng cho bộ biến đổi nguồn áp (VSC). Hệ thống truyền tải thương mại VSC-HVDC lần
đầu tiên được đưa vào hoạt động vào năm 1999 ở đảo Gotland bằng cáp ngầm với công
Page 3


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
suất 50MW. Hệ thống VSC-HVDC còn được gọi là HVDC Light(ABB) hoặc HVDC
PLUS (Siemens). Những năm gần đây sự phát triển ngày càng cao của các thiết bị điện tử
công suất đã phát triển công nghệ VSC. Công suất định mức của hệ thống này ngày càng
được nâng cao, công suất có thể lên tới 1100MW,điện áp một chiều 300kV và còn tiếp
tục phát triển
1.2 So sánh giữa HVDC và HVAC
1.2.1 đánh giá trên phương diện kinh tế
Chi phí của đường dây truyền tải bao gồm các nguồn đầu tư cho cơ sở hạ tầng thực tế giải
(phóng mặt bằng,cột điện,dây dẫn,cách điện và thiết bị đầu cuối) và các chi phí phát sinh
cho quá trình hoạt động ( tổn thất). Cho rằng yêu cầu cách điện tương tự nhau đối với
cùng một mức điện áp xoay chiều và một chiều,đường dây một chiều có thể truyền dẫn
công suất lớn hơn với hai dây dẫn thay cho ba đối với truyễn dẫn xoay chiều với cùng
kích thước. Vì thế với một mức công suất nhất định ,đường dây một chiều đòi hỏi hành

lang hẹp hơn,cột điện đơn giản và rẻ hơn,giảm chi phí dây dẫn và cách điện
Hình 1.1 so sánh giữa truyền dẫn AC và DC với cùng công suất 2000MW

Hình 1.1 So sánh hành lang giữa truyễn dẫn xoay chiều và một chiều
Page 4


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
Với đường dây truyễn dẫn một chiều,vì chỉ có hai dây dẫn(truyền tải cùng một công suất
với truyền dẫn xoay chiều),tổn thất truyền tải giảm chỉ còn bằng hai phần ba so với
truyền dẫn xoay chiều. Hiệu quả của dây DC không cần vỏ bọc là tổn thất điện năng rất ít
và tổn thất trong trường hợp dùng cáp cũng rất ít do truyễn dẫn điện một chiều
Các yếu tố khác ảnh hưởng đến giá trị đường dây là chi phí đền bù và các thiết bị đầu
cuối. Truyền dẫn một chiều không cần bù công suất phản kháng chi phí các thiết bị đầu
cuối tăng lên do cần các bộ biến đổi và bộ lọc
Hình 1.2 cho thấy sự thay đổi của chi phí của truyền tải xoay chiều và truyền tải một
chiều với cùng khoảng cách. AC có xu hướng tiết kiệm hơn DC với khoảng cách nhỏ hơn
“khoảng cách hòa vốn” nhưng lại đắt tiền hơn với khoảng cách xa hơn. Khoảng cách hòa
vốn có thể khác nhau khoảng từ 400-700km đối với đường dây trên không tùy thuộc mỗi
đơn vị chi phí đường dây. Với hệ thống dùng cáp khoảng cách hòa vốn nằm giữa 2550km

Hình 1.2 So sánh giưa đường dây AC/DC
1.2.2 đánh giá trên phương diện kỹ thuật
Do khả năng điều khiển nhanh chóng,một truyễn dẫn một chiều có thể hoàn toàn điều
khiển công suất truyền đi,tăng cường sự ổn định và tính năng động khi liên kết với mạng
xoay chiều và có thể hạn chế dòng sự cố trong đường dây DC. Hơn nữa truyễn dẫn DC
khắc phục một số vấn đề sau đây liên quan đến truyễn dẫn AC
Page 5

Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
•

Giới hạn ổn định
Việc truyền công suất trong đường dây AC phụ thuộc vào sự khác biệt góc pha giữa điện
áp pha ở hai đầu đường dây. Đối với một công suất nhất định thì góc pha tăng theo
khoảng cách. Công suất tối đa truyền được giới hạn bởi những cân nhắc về trạng thái ổn
định và ổn định thoáng qua. Khả năng mang công suất của đường dây AC tỉ lệ nghịch với
khoảng cách truyền dẫn trong khi khả năng mang công suất của đường DC không bị ảnh
hưởng bởi khoảng cách truyền dẫn

•

Điện áp điều khiển
Điều khiển điện áp trong đường dây AC thì rất là phức tạp do dòng nạp và sụt điện áp.
Biên dạng điện áp trong đường dây AC là tương đối bằng phẳng chỉ với một mức công
suất truyền dẫn cố định tương ứng tải trở kháng sóng xung. Các biên dạng điện áp khác
nhau tương ứng với đường dây tải khác nhau. Đối với điện áp không đổi ở hai đầu đường
dây,điện áp trung điểm làm giảm tải đường dây cao hơn so với SIL và tăng tải ít hơn SIL.
Việc duy trì điện áp hằng số ở hai đầu đường dây đòi hỏi điều khiển công suất phản
kháng khi tải đường dây tăng lên. công suất phản kháng tăng lên tỉ lệ thuận với chiều dài
đường dây. Mặc dù các các trạm biến đổi DC yêu cầu công suất phản kháng liên quan
đến công suất truyền tải. Bản thân đường dây truyền tải DC không yêu cầu công suất
phản kháng. Trạng thái ổn định của dòng nạp trong cáp AC đặt ra vấn đề nghiêm trọng và
làm khoảng cách hòa vốn khoảng chừng 50km đối với sử dụng cáp

•

Bù đường dây
Bù đường dây là rất cần thiết truyền dẫn khoảng cách dài xoay chiều để khắc phục những
vấn đề về dây nạp và giới hạn ổn định. Sự gia tăng trong việc truyền tải công suất và điện
áp điều khiển thông qua sử dụng các cuộn cảm,chuỗi tụ điện và gần đây là thế hệ bù tĩnh
mới
trong trường hợp truyền tải DC,sự bù đó là không cần thiết

•

Vấn đề của mạng AC nối liền nhau
Việc kết nối hai hệ thống công suất thông qua liên kết AC yêu cầu điều khiển sự phát
điện tự động của cả hai hệ thống phối hợp sử dụng đường nối công suất và tín hiệu tần số.
Ngay cả việc điều khiển phối hợp giữa các hệ thống kết nối với nhau hoạt động của các
mỗi liên kết xoay chiều vẫn có thể có vấn đề do:

 Sự xuất hiện dao động công suất lớn có thể dẫn đến sự thay đổi thường xuyên
Page 6


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
 Tăng nguy cơ lỗi
 Truyền tải nhiễu động từ hệ này sang hệ thống khác

Khả năng điều khiển nhanh chóng dòng công suất trong đường dây DC loại bỏ tất cả các
vấn đề trên. Hơn nữa các kết nối không đồng bộ của hai hệ thống công suất có thể đạt
được thông qua sử dụng các liên kết DC
•

Trở kháng đất

Trong truyền dẫn xoay chiều,sự tồn tại của dòng điện đất không thể cho phép ở trạng thái
ổn định do độ cao của mặt đất điều đó không chỉ ảnh hưởng hiệu quả truyền dẫn công
suất mà còn làm nhiễu sóng điện thoại. Trở kháng đất là không đáng kể cho dòng DC và
liên kết DC hoạt động có thể sử dụng một dây dẫn nối với đất( truyền dẫn đơn cực). Sự
nối đất là trở ngại chỉ khi chôn các cấu trúc kim loại(chẳng hạn như ống) có mặt và dễ bị
ăn mòn với dòng DC. Cần lưu ý rằng khi hoạt động ở chế độ đơn cực,mạng điện xoay
chiều cung cấp cho các trạm biến đổi hoạt động với cân bằng điện áp và dòng điện. Do
đó hoạt động đơn cực của truyền dẫn DC có thể cho thời gian dài trong khi các truyền
dẫn xoay chiều một pha hoạt động không cân bằng không thể thực hiên được nhiều hơn
một giây

Phương diện môi trường
HVDC có thể cung cấp công suất cao hơn với đường dây ít hơn và hành lang hẹp hơn.
Điều này đặc biệt quan trọng trong việc khai thác tài nguyên ở các khu vực xa xôi,nơi
đường dây đi qua khu vực nhạy cảm về môi trường hoặc là các danh làm thắng cảnh.
Không có hiện tượng cảm ứng điện từ gây ảnh hưởng tới môi trường,làm nhiễu loạn sóng
radio làm ảnh hưởng tới môi trường sống của sinh vật khi đi qua các khu vực sinh thái
1.2.3

1.3Các mô hình truyền dẫn
Có ba loại cấu hình chính tùy vào các điều kiện về giá thành, môi trường truyền
dẫn,khoảng cách truyền tải mà mỗi cấu hình được xem xét và áp dụng vào các trường
hợp cụ thể
1.3.1Kết nối đơn cực
Kết nối này dùng một dây dẫn ,thường sử dụng cực tính âm,đường trở về có thể dùng đất
hoặc nước. Có thể dùng đường trở về bằng kim loại nếu trở đất quá lớn và có thể gây
Page 7


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng

cực
nhiễu loạn tới các công trình ngầm bằng kim loại khác. Cấu hình này có chi phí đầu tư
thấp do sử dụng ít dây dẫn

Hình 1.3.1: Kết nối đơn cực
1..3.2Kết nối lưỡng cực
Kết nối này gồm một cực dương một cực âm,mỗi đầu có bộ biến đỗi điện áp với điện áp
định mức bằng nhau mắc nối tiếp về phía một chiều. Điểm giữa hai bộ biến đổi được nối
đất. Khi gặp sự cố ta có thể ngắt một bộ ra mà không làm gián đoạn việc truyền tải của
các bộ còn lại,đây là kết nối phổ biến nhất trong hệ thống HVDC hiện đại

Hình
lưỡng

1.3.2 : Kết nối
cực

1.3.3Kết nối đồng cực
Kết nối này gồm hai hay nhiều dây có cùng cực tính, thường chọn cực âm vì ít có nhiễu
thông tin do vầng quang gây ra hơn. Đường trở về thông qua nối đất. Mặc dù kết cấu này
giảm chi phí lắp đặt nhưng dòng qua đất lớn nên đường dây không được quá dài thường
được sử dụng cho các trạm tập trung

Page 8


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực

Hình 1.3.3 : Kết nối đồng cực

1.4 Công nghệ bộ biến đổi và cấu trúc cho bộ biến đổi
1.4.1công nghệ bộ biến đổi
trong một hệ thống HVDC đòi hỏi một quá trình chuyển đổi với khả năng chuyển đổi
năng lượng điện từ AC sang DC và ngược lại. Dựa trên các thiết bị chuyển mạch sử dụng
trong bộ biến đổi ta có thể phân loại gồm :
•
•

bộ biến đổi nguồn dòng (CSC)
bộ biến đổi nguồn áp (VSC)
1.4.1.1.CSC
CSC sử dụng công nghệ bán dẫn dựa trên các thyristor để chuyển mạch. Nó là một loại
bộ biến đổi chuyển mạch đường dây (LCC) vì thyristor chỉ có thể ngắt, khi dòng đi qua
nó là không. Do đó nó yêu cầu một điện áp ngược đặt lên nó để ngắt.CSC-HVDC phù
hợp với các dự án truyền tải công suất và khoảng cách truyền dẫn lớn mà không có sự
ảnh hưởng của điện dung dọc theo chiều dài đường dây . Một ưu điểm của LCC là tổn
hao thấp. Nhược điểm là ngốn lượng lớn công suất phản kháng cần điều chỉnh bù công
suất phản kháng cần thiết. Cấu hình cơ bản nhất là mạch cầu ba pha,gồm 6 van bán dẫn.
Dòng điện chỉ chạy theo một chiều nên chỉ có thể đảo chiều công suất bằng cách đảo
chiều cực tính

Hình 1.4.1.1 Cấu hình CSC-HVDC
Page 9


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
1.4.1.2.VSC
Các thử nghiệm đầu tiên hệ thống VSC-HVDC được xây dựng vào năm 1997 tại
Hellsjön, Thụy Điển. Sau đó, vào năm 1999 tại Gotland, Thụy Điển, các dự án VSCHVDC thương mại đầu tiên được đưa vào hoạt động. Kể từ đó, nhiều dự án đã được xây

dựng hoặc đang trong kế hoạch cho tương lai gần. Một cấu trúc mới VSC là MMC đang
thu hút đối với các ứng dụng bởi những đặc điểm nổi bật như: dạng điện áp đầu ra tốt, tổn
thất đóng cắt thấp. Các nhà sản xuất đã phát triển thế hệ mới của VSC trên cơ sở của
MMC, và áp dụng trong một dự án thực tế tại Mỹ. Công nghệ VSC-HVDC là công nghệ
xây dựng trên sử dụng các van bán dẫn IGBT.Là một bộ chuyển đổi nguồn điện áp
chuyển mạch bắt buộc. Trong khi đó, bằng cách áp dụng phương pháp điều khiển PWM
(hay phương thức kết nối tầng cho MMC), nó có tốc độ đáp ứng rất nhanh, đặc biệt là
trong giai đoạn quá độ sau khi thay đổi. Các tính năng chính của VSC-HVDC bao gồm
các nội dung sau:
điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng có thể hoạt động ở bốn góc phần tư
không sử dụng tụ bù công suất phản kháng giảm số thiết bị đi kèm
kết nối giữa lưới công suất thấp với công suất cao làm việc như máy phát điện đồng bộ
linh hoạt trong hỗ trợ lưới AC,dưới chế độ STATCOM nâng cao công suất và tính ổn
định của lưới AC
• đảo chiều công suất ,lắp đặt vận hành nhanh chóng
•
•
•
•

Hình 1.4.1.2 Cấu hình VSC-HVDC bộ biến đổi hai mức

Page 10


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
1.4.2 Cấu trúc của bộ biến đổi trong hệ thống HVDC
Một tìm kiếm về bằng sáng chế đã cho thấy rằng bộ biến đổi đa mức đã được xuất hiện
khoảng hơn 40 năm. Bộ biến đổi đa mức làm tăng chất lượng điện áp đầu ra,có khả năng

hoạt động với công suất,hiệu suất cao hơn rất nhiều so với bộ biến đổi hai mức

Hình 1.4.2.1: Nguyên lý bộ biến đổi đa mức
Các cấu trúc thường được sử dụng trong các bộ biến đổi đa mức
- Cấu trúc dạng diot kẹp NPC
- Cấu trúc dùng tụ điện trôi FC
- Cấu trúc tầng cầu H CHB
- Cấu trúc dạng ghép tầng MMC
1.4.2.1. NPC
Bộ biến đổi diot kẹp sử dụng các tụ điện và diot nối tầng để tạo ra nhiều mức điện áp
khác nhau. Ban đầu bộ biến đỏi điot kẹp được sử dụng như bộ nghịch lưu ba mức,sau đó
nó được phát triển thánh bộ biến đổi ba pha sáu mức. Theo sơ đồ cấu trúc ta thấy mỗi pha
của bộ biến đổi đều nối với đường dẫn chung một chiều ta tạm gọi là đường dẫn nguồn.
Tuy nhiên đường dẫn nguồn lại được chia thành sáu mức khác nhau bởi các tụ từ C1 đến
C5. Điện áp trên mỗi tụ điện là Vdc và điện áp trên mỗi van bán dẫn bị hạn chế là Vdc
thông qua các diot kẹp
Page 11


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
Ưu điểm
-

Tất cả các pha dùng chung một đường dẫn nguồn một chiều (DC bus)
Các tụ điện có thể nạp điện từ trước theo nhóm
Hiệu suất cao vì các thiết bị được đóng cắt ở tần số cơ bản
Nhược điểm

-

-

Trong mỗi điều kiện hoạt động nhất định có khả năng xảy ra mất cân bằng điện áp trên
tụ, gây ra một điện thế giữa điểm trung tính và nối đất làm méo thành phần sóng hài đầu
ra. Do đó để cân bằng điện áp tụ càng phức tạp khi mức điện áp đầu ra lớn hơn ba mức
Khi tăng số mức của điện áp đầu ra thì số lượng diot và tụ điện tăng lên rất lớn

Hình 1.4.2.2:Cấu trúc của bộ biến đổi đa mức diot kẹp

Page 12


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
1.4.2.2. FC
Cấu trúc FC được biễu diễn ở hình 1.3 mỗi tụ trên pha được nạp đến mỗi giá trị điện áp
khác nhau,do đó khi thay đổi trạng thái đóng cắt của mỗi van,ta sẽ có giá trị điện áp ở đầu
ra khác nhau
Tuy nhiên do điều khiển phức tạp hiệu suất thấp,cấu trúc thiết bị cồng kềnh nên cấu trúc
này không còn được sử dụng rộng rãi

Hình 1.4.2.3 : Cấu trúc bộ biến đổi dùng tụ trôi
Ưu điểm
 Có nhiều trạng thái trên một mức điện áp giúp cân bằng điện áp trên các tụ
 Điều chỉnh được công suất tác dụng và công suất phản kháng
 Số lượng tụ lớn cho phép bộ nghịch nghịch lưu hoạt động trong chế độ ngắt điện và sụt

áp trong thời gian ngắn
Nhược điểm

 Điều khiển phức tạp khởi tạo giá trị điện áp ban đầu cho các tụ khó khăn
Page 13


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
 Hiệu suất thấp
 Các van hoạt động với một tần suất không đều nhau
 Số lượng tụ nhiều làm tăng giá thành và cồng kềnh. Số mức điện áp ở đầu ra bị giới hạn

là năm

1.4.2.3. CHB
Cấu trúc CHB được tạo ra bằng cách ghép nối tiếp các bộ nghịch lưu một pha full-bridge
với nguồn cấp riêng
Mỗi bộ sẽ tạo ra được ba mức điện áp 0,V,-V. Điện áp đầu ra được xếp chồng bởi điện áp
thành phần của mỗi bộ nghịch lưu thành phần
Thành phần của mỗi bộ nghịch lưu trên một pha,bởi nguồn một pha được cung cấp bởi
cuộn thứ cấp của máy biến áp

Page 14


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực

Hình 1.4.2.4: Cấu trúc CHB

Ưu điểm: Bởi cấu trúc này được nuổi bởi mỗi nguồn riêng biệt,nên không có vấn đề về
cân bằng hay quá trình khởi tạo điện áp như cấu trúc NPC và FC,là cấu trúc dạng module

nên có khả năng điều khiển độc lập và khả năng kiểm suất thành phần thứ tự không của
dòng điện

Page 15


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
Nhược điểm của bộ này là nếu số module tăng lên cần nhiều các nguồn DC sẽ hạn chế do
cồng kềnh và chi phí cao
1.4.2.4. MMC
Các đề xuất gần đây về khái niệm MMC thu hút quan tâm đặc biệt cho các ứng dụng biến
đổi điện áp cao do lợi thế của mình và ít phức tạp hơn cấu trúc liên kết thông thường. Cấu
trúc MMC được tạo nên bởi các phần tử giống nhau được gọi là các SM( module thành
phần). Mỗi SM được ghép nối tiếp với nhau trong một pha được gọi là leg. Mỗi pha được
được chia làm nhánh trên và nhánh dưới,mỗi SM trên mỗi nhánh là như nhau. Điện áp
mỗi pha được lấy ở các điểm giữa của các nhánh van do các tự trên mỗi pha dùng chung
bus DC nên không cần lắp tụ lọc ở đầu vào ,các cuộn kháng L được dùng để lọc các
thành phần có sóng hái bậc cao. Mỗi cấu trúc SM khác nhau sẽ có những ứng dụng khác
nhau như HVDC,STATCOM,BTB

Hình 1.4.2.5 Cấu trúc bộ biến đổi MMC

Page 16


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực

Hình 1.4.2.6: các cấu hình SM

Bộ biến đổi MMC có những ưu điểm nổi bật:

Page 17


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
 Tính khả dụng cao ,có cấu trúc module dựa trện sự kết nối của nhiều SM đồng nhất sử





dụng bus DC chung
Đối với các ứng dụng nối với lưới thì bộ MMC có khả năng bù công suất phản kháng loại
sóng hài đồng thời cân bằng tải
Do không dùng nguồn một chiều độc lập nên khả năng mở rộng dễ dàng ,kích thước giảm
Hiệu suất cao do tần số đóng cắt thấp của SM
Hoạt động đáng tin cậy có thể thay thế các SM lỗi cũ
Nhược điểm:
- Chi phí ban đầu lớn
- Số lượng các thành phần chuyển mạch lớn hơn so với cấu trúc khác
1.5 Hệ thống HVDC Plus
Bộ biến đổi đa mức kiểu module(MMC) là bộ biến đổi trung và cao áp tiên tiến,hiểu quả
nhất để đạt được mục tiêu có thể biến đổi công suất lớn mà không cần sử dụng máy biến
áp. Năm 1981 Alesina và Venturini đã đề xuất cấu trúc kiều module theo phương pháp
mỗi nhánh là sự xếp chồng của nhiều bộ nguồn. Marquardt và Lesnicar đã đưa các khái
niệm cơ bản nhất về bộ biến đổi đa mức kiều module cùng với đó là nguyên tắc hoạt
động cũng như kiểm nghiệm khả năng vận hành,chất lượng vận hành của MMC trong hệ
thống cao áp một chiều nhằm giải quyết các vấn đề hiệu suất và tổn thất trong hệ thống.

Và Siemens đã là nhà sản xuất tiên phong trong lĩnh vực này khi đưa vào vận hành hệ
thống HVDC PLUS ứng dụng công nghệ MMC. Hệ thống HVDC Plus dùng bộ biến đổi
nguồn áp sử dụng cấu trúc MMC được đưa vào thương mại hóa vào năm 2010 với công
suất truyền tải 400MW,điện áp 200kV. Hệ thống HVDC Plus được đánh giá là một công
nghệ thông minh dùng cho tương lai

 Khả năng đạt được hiệu quả cao mà chỉ sử dụng không gian hạn chế
 Có thể kết nối các nguồn năng lượng phân tán vào hệ thống lưới điện như điện gió điện

mặt trời ..
 Thời gian và chi phí bảo trì thấp nhưng lại có độ tin cậy cao khiến HVDC Plus là một

giải pháp kinh tế
 Do thiết kế kiểu module giúp tiết kiệm thời gian và nguồn lực trong việc quy hoạch,thực

hiện dự án
 Giúp ổn định các lưới điện yếu hay mất ổn định
 Bảo vệ môi trường

Page 18


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
1.6 Mục tiêu của đồ án
Với nội dung đề tài đồ án tốt nghiệp là “ Nghiên cứu ứng dụng của bộ biến đổi đa mức
kiểu module”. Nội dung đồ án của em gồm 5 chương sau đây là tóm tắt nội dung của mỗi
chương
 Chương 1: Tìm hiểu về hệ thống HVDC Plus của Siemens. Trong chương này đi






vào giới thiệu hệ thống HVDC các cấu hình truyền dẫn,công nghệ bộ biến đổi.
Đặc biệt em muốn đưa ra so sánh ưu nhược điểm của các bộ biến đổi MMC với
các bộ biến đổi khác để thấy được sự ưu việt của MMC với các bộ biến đổi khác
Chương 2: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động,các phương trình toán học,các phương
pháp điều chế cho bộ biến đổi
Chương 3: Mô hình hóa, xây dựng bộ điều khiển của hệ thống HVDC sử dụng cấu
trúc MMC
Chương 4:Mô phỏng bộ biến đổi sử dụng cấu trúc MMC làm việc ở chế độ nghịch
lưu trên phần mềm PSCAD
Chương 5: Tổng kết

Page 19


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
Chương II: Nguyên lý hoạt động,phương trình toán học,mô hình hóa của
bộ biến đổi MMC
2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC

Hình 2.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC

Page 20

Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực

Hình 2.2 Module thành phần có cấu trúc nửa cầu

Bộ biến đổi MMC gồm chuỗi các module được ghép với nhau. Trong dự án bộ biến đổi
MMC trong HVDC PLUS sử dụng cấu trúc nửa cầu. Theo thực nghiệm đánh giá khả
năng cân bằng,tổn hao đóng cắt thì cấu trúc nửa cầu được coi là tối ưu nhất khi yêu cầu
truyền tải công suât hai chiều
Nguyên lý hoạt động: Cấu trúc nửa cầu có cấu tạo lưỡng cực bởi hai van bán dẫn và diot
đấu song song ngược và một tụ điện đóng vai trò như một nguồn nuôi một chiều. Các
Page 21


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
thiết bị chuyển mạch thực hiên việc chèn các SM vào nhánh van, trong khi các diot được
đảm bảo dòng điện được liên tục
Do các SM giống nhau nên nguyên lý điều khiển MMC có thể coi điều khiển mỗi SM .
Mỗi SM gồm hai trạng thái phụ thuộc vào sự đóng cắt trên hai van bán dẫn,khi S1_ON
và S2_OFF SM được chèn vào nhánh. Điện áp đầu ra của SM là Vc khi S1_OFF S2_ON
thì VSM=0. Bằng cách chèn vào hay nối tắt các SM ta sẽ thu được điện áp đầu ra ở dạng
bậc thang

Hình 2.3Dòng điện chạy trong SM và các trạng thái đóng cắt của các van

MMC có cấu trúc mở cho phép mở rổng nhờ tăng số lượng module mức điện áp của
MMC phụ thuôc vào số module thành phần thậm chí MMC có thể sử dụng trong hệ
Page 22

Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
thống truyền tải siêu cao áp. Trong cấu trúc MMC không mắc nối tiếp các van bán dẫn
với nhau nên tránh được sự phức tạp trong điều khiển đồng bộ hóa các van đồng thời có
thể giảm mức tổn thất xuống mức thấp nhất chỉ khoảng 1%. Điều này có được là do tần
số đóng cắt và điện áp trên mỗi module thấp. Mỗi module đóng cắt ở các thời điểm khác
nhau do đó bộ biến đổi có hiệu suất cao và làm giảm độ méo của sóng hài
2.2 Các phương trình toán học
Giả thiết rằng các SM đã được cân bằng ,ta có thể biễu diễn một nhánh van thành tụ có
giá trị thay đổi nối tiếp với cuộn cảm và một điện trở tương đương. Coi tần số đóng cắt là
rất lớn có thể tạo điện áp hình sin ở đầu ra

Hình 2.4 Mạch điện tương đương của một pha của bộ biến đổi MMC
Trong đó mu,ml [0,1] lần lượt là các hệ số chèn của nhánh trên và nhánh dưới của mỗi
pha, idiff là dòng điện sai lệch giữa nhánh trên và nhánh dưới, i ac là dòng điện xoay chiều
đầu ra của một pha.iu và il là dòng điện nhánh trên và nhánh dưới của một pha., là tổng
điện áp tụ của nhánh trên và nhánh dưới,Vdc là điện áp một chiều
Hệ số mu,l có hệ số là 0 khi các SM nối tắt ,là 1 khi các SM được được chèn vào
Điện áp tức thời trên mỗi nhánh
Page 23


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực
Vx(t)= mx(t).

(1)

Gọi CSM là giá trị điện dung của mỗi SM

Ceff=(2)
Khi dòng điện nhánh ix(t) chảy trên mỗi nhánh thì tổng điện áp động trên tụ là
(3)
Theo định luật Kirchoff ta có
(4)
Dòng điện sai lệch chạy qua một pha của bộ biến đổi làm cân bằng dòng điện nhánh trên
nhánh dưới và dòng đầu ra

Cộng 2 biểu thức ta có

Điện áp động trên tụ của mỗi nhánh là

Phân tích mạch điện ta có được biểu thức của điện áp xoay chiều

Trừ 2 biểu thức cho nhau ta được

Ta có phương trình vi phân
Page 24


Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng
cực

Từ phương trình (9) ,(10) ta có nhận xét điện áp đầu ra không phụ thuộc vào i diff và idiff
chỉ phụ thuộc vào điện áp và mx(t).. Vì vậy dòng idiff có thể ảnh hưởng bằng thay đổi hệ
số chèn mu,l mà không ảnh hưởng tới chất lượng điện áp đầu ra

2.3.Kỹ thuật điều chế cho MMC
Các nhiệm vụ chính cần thiết để điều khiển MMC là để xác định số lượng các module sẽ
được chèn vào trong mỗi nhánh tại bất kỳ thời điểm nào. Kể từ khi MMC cho phép tính

linh hoạt trong việc lựa chọn các mô-đun chèn vào đó chính là kỹ thuật mới được yêu
cầu.Kỹ thuật này sẽ cung cấp méo sóng hài thấp, và cân bằng điện áp tuyệt vời, giữ điện
áp phân bố đều giữa các mô-đun. Tuy nhiên, vì mô-đun sau đó được chuyển đổi liên tục
vào và ra khỏi hệ thống, điều này tăng tổn hao do chuyển mạch. Như vậy, các kỹ thuật
khác đòi hỏi tỷ lệ chuyển đổi thấp hơn trong khi duy trì điện áp các tụ điện có thể chấp
nhận điều chỉnh điện áp là thấp hơn.Để giảm thiểu tổn thất, mô-đun chỉ nên được thêm
vào hoặc bỏ qua theo yêu cầu để theo điện áp điều khiển, nhưng điều này có thể không
điều chỉnh điện áp lý tưởng. Do đó các kỹ thuật chuyển mạch được lựa chọn phải có sự
thỏa hiệp giữa chỉnh điện áp và tổn thất
Các phương pháp điều chế và điều khiển đã là đề tài nghiên cứu trong suốt thập kỷ qua.
Có nhiều phương pháp đã phát triển cho cả hai loại hai mức và đa mức. Tuy nhiên
phương pháp điều chế có thể chia thành hai loại chính: điều chế vector không gian
(SVM) và điều chế dựa vào mức điện áp

Hình 2.5:Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức
Page 25