Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa mức kiểu module: Modular Multilevel Converter

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Mục lục
Lời Nói đầu .................................................................................................... 3
PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU CHẾ ............................................................................................................ 4
I. Tổng quan về các bộ biến đổi ......................................................................... 4
1. Cấu trúc diode-kẹp ....................................................................................... 4
2. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi..................................................................... 5
3. Cascade inverter ........................................................................................... 6
4. Cấu trúc MMC ............................................................................................. 7
II.Tổng quan về các phƣơng pháp điều chế cho MMC......................................... 9
1. Phƣơng pháp PWM...................................................................................... 9
2. Vecto không gian SVM ............................................................................. 11
3. Phƣơng pháp NLM .................................................................................... 13
PHẦN II: CÁCH THỰC HIỆN CÁC PHƢƠNG PHÁP CHO BỘ NGHỊCH
LƢU MMC BẢY MỨC VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ ..................................... 18
1. Phƣơng pháp PWM.................................................................................... 19
a) Cách thực hiện ........................................................................................ 19
b) Kết quả mô phỏng ................................................................................... 20
2. Phƣơng pháp điều chế vecto không gian (SVM)....................................... 21
a) Xác định vecto và thời gian thực hiện .................................................... 21
b) Xác định trạng thái chuyển mạch ........................................................... 23
c) Kết quả mô phỏng ................................................................................... 25
3. Phƣơng pháp NLM .................................................................................... 26
a) Thuật toán cân bằng năng lượng ........................................................... 26
b) Cách thực hiện phương pháp NLM ........................................................ 28
c) Kết quả mô phỏng................................................................................... 30
4. Nhận xét và so sánh các phƣơng pháp thực hiện cho bộ MMC ................ 31
PHẦN III: Tính chọn L, C và áp dụng cho bộ biến đổi MMC 21 mức .............. 32
1. Tính chọn tụ điện: ...................................................................................... 32

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

1


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

2. Tính giá trị cuộn cảm ................................................................................. 33
3. Áp dụng cho bộ MMC 21 mức .................................................................. 33
a) Thông số bộ biến đổi : ............................................................................ 33
b) Kết quả mô phỏng: ................................................................................. 34
Kết luận: .............................................................................................................. 36
Danh mục tài liệu tham khảo. ............................................................................. 37

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

2


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Lời Nói đầu
Những năm gần đây, ngành công nghiệp phát triển đã bắt đầu yêu cầu thiết bị
năng lƣợng cao hơn, có thể đạt đến mức MW. Việc điều khiển đóng cắt điện áp
AC trong phạm vi MW thƣờng đƣợc kết nối đến lƣới điện trung thế. Để kết nối
một thiết bị bán dẫn công suất vào lƣới điện trung thế (2.3, 3.3, 4.16, or 6.9 kV)
là rất khó. Vì những lý do này, những bộ biến tần đa mức mới đã nổi lên nhƣ là
giải pháp để làm việc với các cấp điện áp cao hơn. Những biến tần này bao gồm
nhiều phần tử bán dẫn, nhiều nguồn một chiều hay tụ điện. Điện áp đầu ra của
chúng tạo ra nhiều bƣớc sóng làm cho tín hiệu điện áp giống dạng sin chuẩn

hơn. Việc hoán đổi các trạng thái chuyển mạch của các van bán dẫn làm giảm
tổn hao phát nhiệt và làm giảm điện áp rơi trên mỗi van.
Hiện nay ngƣời ta đã phát triển ra nhiều loại bộ chuyển đổi khác nhau với
những ứng dụng đa dạng cũng nhƣ phát triển ra những phƣơng pháp điều chế
phù hợp cho các bộ biến đổi. Hiểu đƣợc tầm quan trọng đó, thông qua sự hƣớng
dẫn nhiệt tình của thầy Phạm Việt Phƣơng em đã tìm hiểu các bộ biến đổi đa
mức cũng nhƣ những phƣơng pháp điều chế điện áp hiện nay. Và từ đó em đã
hoàn thành đƣợc đồ án với đề tài: “Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều
chế cho bộ biến đổi đa mức kiểu module: Modular Multilevel Converter.”
Với một lĩnh vực khá mới và do kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế.
Em rất mong sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô bộ môn Tự động hóa công
nghiệp để đồ án có thể tốt hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy
Phạm Việt Phƣơng đã định hƣớng và chỉ dẫn cho em trong suốt quá trình nghiên
cứu và hoàn thiện đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2017
Sv thực hiện:

Hà Văn Đức

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

3


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ CÁC PHƢƠNG
PHÁP ĐIỀU CHẾ
I.

Tổng quan về các bộ biến đổi
1. Cấu trúc diode-kẹp
Bộ chuyển đổi điện áp NPC đầu tiên đƣợc đƣa ra nhƣ một biến tần ba mức.
Đó là sự thay đổi cấu trúc của bộ biến đổi hai mức có thêm hai đi ôt bán dẫn
công suất cho mỗi pha nhƣ thể hiện trong hình 1.1. Điểm giữa của các thiết bị
chuyển mạch đƣợc kết nối với điểm trung tính của bộ chuyển đổi thông qua điốt
kẹp, cho phép tạo ra mức điện áp không. Bằng cách này, đối với cùng một điện
áp DC-link, mức điện áp mà các thiết bị phải chịu đƣợc giảm xuống còn một
nửa so với cấu trúc hai mức.
Và điện áp trên mỗi thiết bị chuyển mạch đƣợc giới hạn cho Vdc/2 ( điện áp
trên tụ ở bus-DC link) thông qua các điốt kẹp.

Hình 1.1: Cấu trúc của bộ biến tần NPC 3 mức
Cấu trúc nhƣ hình một tạo ra 3 mức điện áp ( Vdc/2 ; 0 ; -Vdc/2). Van thứ nhất
và van thứ ba đóng mở ngƣợc nhau. Van thứ hai và thứ tƣ tƣơng tự.
Bảng 1.1: Bảng trạng thái đóng cắt van cấu trúc đi ôt kẹp tạo ra 3 mức điện áp
S1x
ON
OFF
OFF

Switch states
S2x
S3x
ON
OFF
ON
ON
OFF
ON

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

Điện áp
S4x
OFF
OFF
ON

Vdc/2
0
-Vdc/2

4


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

 Ƣu điểm:
+ Tất cả các pha dùng chung một đƣờng dẫn nguồn một chiều với yêu cầu tối
thiểu về số lƣợng tụ điện
+ Các tụ điện có thể đƣợc nạp điều từ trƣớc theo nhóm
+ Hiệu suất cao vì đƣợc đóng cắt ở tần số cơ bản
+ Phƣơng thức điều khiển đơn giản
 Nhƣợc điểm:
- Theo lý thuyết, bộ biến tần NPC có thể tạo ra đƣợc nhiều mức điện áp ra. Tuy
nhiên trên thực tế, kĩ thuật này có một số hạn chế.Trong những điều kiện hoạt
động nhất định NPC có thể gặp vấn đề mất cân bằng điện áp trên tụ điện (không
kiểm soát đƣợc quá trình nạp hay xả dẫn đến nạp quá tải), điều này tạo ra điện
áp giữa điểm trung tính và điểm đất làm cho điện áp ra bị méo dạng. Điều này

nói lên sự cần thiết của điểm trung tính hay sự cân bằng điện áp trên tụ.
- Khi số mức điện áp ra là lớn thì đòi hỏi cần sử dụng nhiều diot làm tăng chi
phí cho bộ nghịch lƣu.
2. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi
Cấu trúc của bộ chuyển đổi FC đƣợc trình bày trong hình 1.2 mỗi tụ điện
trong pha đƣợc nạp với mức điện áp khác nhau. Càng gần nguồn điện áp trên tụ
càng lớn, càng gần tải điện áp trên tụ càng nhỏ. Do đó, bằng việc thay đổi các
trạng thái chuyển mạch có thể thu đƣợc nhiều mức điện áp ra.

Hình 1.2: Cấu trúc tụ điện thay đổi
Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

5


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

 Ƣu điểm
Cấu trúc này có thể có các trạng thái chuyển mạch dự phòng để thay đổi mức
điện áp trên tụ, cho thấy lợi thế hơn so với cấu trúc NPC. Khi số bậc tăng cao thì
không cần dùng bộ lọc và mỗi nhánh có thể đƣợc phân tích độc lập với các
nhánh khác. Không nhƣ nghịch lƣu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan
tâm đến cân bằng điện áp ba pha ở ngõ vào. Khi số lƣợng các tụ điện lớn cho
phép biến tần vẫn hoạt động trong khoảng thời gian ngắt điện và cúp điện áp
ngắn.
 Nhƣợc điểm
Các hạn chế trong cấu trúc này là số lƣợng tụ điện dùng nhiều, cần phải nạp
trƣớc giá trị cho tụ là nhƣ nhau trƣớc khi khởi động ( điều này là bắt buộc). Sự
phân phối thờ gian chuyển mạch trên các thiết bị chuyển mạch là không bằng
nhau. Việc mở rộng mức điện áp ra đối với bộ chuyển đổi FC là tùy ý. Tuy

nhiên khi mở rộng mức điện áp ra thì số lƣợng tụ điện tăng dẫn đến tăng chi phí
nên cấu trúc này chỉ giới hạn ở 4 mức.
3. Cascade inverter
Cấu trúc liên kết CHB đƣợc dựa trên sự kết nối một chuỗi các nghịch lƣu áp
cầu một pha (sub modul) với các nguồn DC cách ly có sẵn nhƣ acquy, battery
(Hình 1.3). Sự vắng mặt của các diot kẹp hoặc tụ điện thay đổi, nhƣ trong
trƣờng hợp của NPC và FC, dẫn đến việc đóng cắt các sub modul để tạo ra các
mức điện áp mong muốn. Mỗi sub modul có thể tạo ra ba điện áp tùy thuộc vào
trạng thái đóng cắt (Udc,-Udc,0). Đầu ra điện áp pha là kết quả của việc xếp
chồng các điện áp đƣợc tạo ra từ mỗi sub modul của pha. Dùng nguồn DC cách
li từ phía thứ cấp đầu vào nên không có vấn đề về mất cân bằng hay phải khởi
tạo trƣớc nhƣ cấu trúc NPC hay FC.

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

6


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Hình 1.3 Cấu trúc bộ nghịch lƣu cascade
Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần
và dv/dt cũng giảm đi nhƣ vậy. Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi
0,57n lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp.
 Ƣu điểm:
+ Cấu trúc CHB là có cấu trúc modul dễ ghép nối và khả năng kiểm soát độc
lập. Điều này sẽ cho phép quá trình sản xuất đƣợc thực hiện nhanh hơn và rẻ
tiền.
+ Số lƣợng mức điện áp đầu ra có thể lớn hơn hai lần số modul thành phần.
+ Độ méo sóng hài nhỏ do các van chỉ phải đóng cắt ở tần số thấp.

 Nhƣợc điểm:
- Tuy nhiên mỗi modul lại cần một nguồn DC cách ly điều này không khả quan.
- Thiết kê bộ điều khiển khó khi số modul thành phần tang lên.
4. Cấu trúc MMC
Cấu trúc MMC là sự kết nối của một loạt các phần tử nửa cầu giống nhau
đƣợc gọi là sub modul hay cells. Trên một pha của bộ chuyển đổi MMC đƣợc
chia thành nhánh trên và nhánh dƣới mỗi nhánh có số lƣợng cells là nhƣ nhau và
mỗi nhánh có thêm một cuôn cảm L. Điện áp AC ở đầu ra lấy từ điểm nối chung
Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

7


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

của hai nhánh và giữa hai cuộn cảm. Cuộn cảm có tác dụng làm phẳng dòng
điện đột ngột khi đóng mở van để tạo mức điện áp khác nhau.
Cấu trúc MMC chỉ dung chung một bus DC nên không cần các tụ điện DClink cồng kềnh nhƣ ở cấu trúc NPC hay FC.
Theo các đánh giá thực nghiệm trong việc đánh giá sự mất cân bằng hay sự
tổn thất chuyển mạch thì cấu trúc MMC là thuận lợi nhất.

Tất cả các sub-modul có cấu trúc nhƣ nhau. Mỗi sub-modul bao gồm hai trạng
thái phụ thuộc vào vị trí chuyển mạch. Trên hình 1.4b là 1 sub-modul, khi S1 ở
trạng thái ON và S2 ở trạng thái OFF thì sub đƣợc bỏ qua hay điện áp ở submodu là 0V. Khi S1 là OFF và S2 là ON thì sub-modul đƣợc thêm vào mạch với
điện áp bằng điện áp trên tụ Vc. Tùy theo số lƣợng các sub-modul đƣợc thêm
vào trong mạch ta có các mức điện áp AC ở đầu ra là khác nhau.
Hƣớng của dòng điện chảy trên các nhánh của các pha sẽ ảnh hƣởng tới quá
trình nạp hay phóng của tụ điện (hình 1.4.1). Khi sub-modul đƣợc thêm vào
nhánh mà dòng điện chảy qua nhánh là dƣơng thì tụ sẽ nạp điện, ngƣợc lại khi
dòng điện âm thì tụ sẽ xả. Ở trạng thái bypass ( trạng thái sub-modul bị bỏ qua

dòng điện sẽ không ảnh hƣởng tới điện áp trên tụ).

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

8


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Hình 1.5: Ảnh hƣởng của dòng điện đến tụ trên sub-modul
Ta có bảng trạng thái chuyển mạch của một modul.(S1 phía dƣới sub-modul)
Trạng thái chuyển mạch
S1
S2
1
0
1
0
0
1
0
1
 Ƣu điểm:

Điện áp trên
SM
0
0
Vc
Vc

Dòng điện trên
nhánh
i>0
i<0
i>0
i<0

Trạng thái
của tụ
By-passed
By-passed
Nạp
Xả

+ Bộ chuyển đổi dễ dàng đóng gói với số lƣợng sub-modul lớn, chất lƣợng
điện áp ra sẽ gần tín hiệu sin chuẩn hơn.
+ Độ tin cậy cao, các sub-modul dự phòng có thể đƣợc thêm vào nếu một submodul khác bị hỏng.
+ Tần số chuyển mạch của mỗi sub-modul thấp hơn.
+ Giảm đáng kể thậm chí có thể loại bỏ các bộ lọc, không dùng các tụ điện
DC-link cồng kềnh.
 Nhƣợc điểm:
- Chỉ phù hợp nhất với các ứng dụng điện áp cao. Và kết quả tốt nhất với số
lƣợng sub-modul lớn.
II.Tổng quan về các phƣơng pháp điều chế cho MMC
1. Phƣơng pháp PWM
Điều chế độ rộng xung (PWM) dựa trên sự so sánh của một tín hiệu chuẩn (tín
hiệu cần điều chế) với một dạng sóng tam giác với tần số cao (sóng mang). Sóng
mang có thể là sóng đơn cực hay sóng lƣỡng cực, Các trạng thái chuyển mạch
đƣợc xác định bằng các điểm giao nhau của sóng cần điều chế và sóng mang.

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

9


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Khi tín hiệu chuẩn đƣợc lấy mẫu thông qua nhiều sóng mang, kĩ thuật PWM
đƣợc xem nhƣ kĩ thuật PWM đa tầng. Việc thực hiện PWM đa tầng cho cấu trúc
nghịch lƣu là khá phù hợp bởi vì mỗi sóng mang có thể gán cho mỗi sub-modul
của bộ nghịch lƣu đa mức.
Hệ số điều chế biên độ (AMI): là tỉ số giữa biên độ của tín hiệu chuẩn và biên
độ sóng mang so sánh.
Ma =

(

)

Hệ số điều chế tần số: là tỉ số tần số của sóng mang và tần số của tín hiệu
chuẩn.
Ma
Kĩ thuật PWM đa tầng có thế là kĩ thuật dịch mức hoặc dịch pha hoặc là sự kết
hợp của dịch mức và dịch pha tùy vào sự phù hợp đối với cấu trúc bộ nghịch
lƣu.
- Kĩ thuật dịch mức sóng mang (LS-PWM)
Thực hiện với N-1 sóng mang có cùng biên độ và tần số, mỗi tín hiệu sóng
mang liên quan tới một mức điện áp ra của bộ nghịch lƣu. Tùy vào cách sắp xếp
vị trí các sóng mang ta có 3 cách bố trí:

Hình 2.1: Các cách bố trí sóng mang của PWM dịch mức
+ IPD(In Phase Disposition) Bố trí cùng pha: Tất cả các sóng mang đều cùng
pha hình a)
+ POD(Phase Opposite Disposition) Bố trí đối xứng qua trục Ox: Các sóng
mang kế cận liên tiếp nhau nằm bên trên và bên dƣới trục Ox sẽ cùng pha với
nhau, 2 sóng mang nằm gần trục Ox ngƣợc pha với nhau nhƣ hình b).
+ APOD(Alternative Phase Opposite Disposition) Bố trí ngƣợc pha: Hai sóng
mang kế cận nhau dịch pha 1 góc 180 độ nhƣ hình c).
Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

10


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Chất lƣợng điện áp ra có sóng hài đáng kể nhƣng giảm đƣợc đáng kể tần số
chuyển mạch so với tần số của sóng mang.
- Kỹ thuật dịch pha sóng mang(PS-PWM)
Thực hiện với N-1 sóng mang có cùng biên độ và tần số. Mỗi sóng mang
liền kề sẽ đƣợc dịch pha một góc bằng θ = 360/ (N - 1). Trong đó N là số mức
điện áp đầu ra.

Hình 2.2 : Bố trí sóng mang dịch pha cho PWM
Kĩ thuật này phân phối thời gian và công suất nhƣ nhau ở mỗi modul. Bằng
cách chọn tần số sóng mang phù hợp có thể cân bằng điện áp trên tụ điện. Tạo ra
sóng hài điện áp ra là nhỏ nhất so với các phƣơng pháp PWM ở trên. Thích hợp
dùng cho MMC.
2. Vecto không gian SVM
Điều chế vecto không gian là phƣơng pháp phù hợp đối với kĩ thuật số hiện
nay, nó có khả năng tối ƣu hóa việc chuyển mạch của van bán dẫn bằng cách có

thể lựa chọn các van phù hợp để đóng cắt. Nó cũng phù hợp đối với các bộ
chuyển đổi đa mức.Ứng dụng trong các lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến
điều khiển các đại lƣợng xoay chiều ba pha nhƣ 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.

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

11


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Hình 2.3 : Ứng dụng của SVM trong điều khiển động cơ
Nguyên tắc thực hiện là tính toán vecto điện áp đƣợc tổng hợp nằm bên trong
khối lục giác, khối lục giác đƣợc chia thành 6 secto. Xác định vị trí vecto điện
áp nằm trong secto nào từ đó chọn lựa các trạng thái chuyển mạch phù hợp để
tính toán thời gian chuyển mạch. Thích hợp cho các bộ chuyển đổi 2,3,5 mức nó
có thể mở rộng cho nhiều mức của bộ chuyển đổi tuy nhiên khối lƣợng tính toán
sẽ rất lớn và phức tạp.
Đối với bộ nghịch lƣu N mức vecto điện áp ra đƣợc tính bởi:
Vout = Vdc*(Sa + Sb*

+Sc*

)

Ở đây Vdc là điện áp nguồn DC cung cấp. Sa, Sb, Sc là trạng thái chuyển mạch
của pha A, B, C tƣơng ứng.
Đối với bộ nghịch lƣu N mức số trạng thái chuyển mạch có thể có là N3 trạng

thái. Và số tam giác trong khối lục giác vecto không gian là 6*(N-1)2 .

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

12


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Hình 2.4: Sơ đồ vecto không gian của bộ nghịch lƣu 5 mức
3. Phƣơng pháp NLM
Phƣơng pháp NLM đƣợc đề xuất cho các bộ nghịch lƣu với số mức là tùy
ý. Nó quyết định số sub-modul đƣợc thêm vào hay đƣợc bỏ qua trên nhánh của
bộ nghịch lƣu MMC.

`
Hình 2.5 : Cấu trúc một pha của MMC
Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

13


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Nguồn Udc/2 là thành phần điện áp phía một chiều cấp cho nhánh trên và
nhánh dƣới. Up và Un lần lƣợt là điện áp tổng của nhánh trên và nhánh dƣới; Uu
là điện áp ra của MMC, ip và in lần lƣợt là thành phần dòng điện chảy trong
nhánh trên và nhánh dƣới của MMC; idiff là dòng điện chảy vòng từ phía một
chiều đến mỗi pha của MMC còn iu là dòng điện trên pha của MMC. Áp dụng
định luật Kirchhoff ta có phƣơng trình:

{

(2.1)

(2.2)
Từ đó ta có:
Xét tại thời điểm cân bằng:

(

)

(2.3)

(

)

(2.4)

Từ (2.4) ta có thể viết điện áp duới dạng:
(

)

(2.5)

Trong đó m là tỷ số điều chế. Trong phƣơng pháp điều chế NLM cổ điển thì N
là số SM đƣợc chèn vào trên mỗi pha. Ta cũng có phƣơng trình điện áp phía DC.
(2.6)

Từ

(2.5)

ta

có
{

đƣợc

điện

áp

trên

[

(

)]

[

(

)]

mỗi

nhánh

của

một

pha:

(2.7)

- Thuật toán NLM cổ điển điều chế N+1
{

{
{

[
[

(
(

)]}
)]}

(2.8)

( ) là phép làm tròn, giá trị của x đƣợc làm tròn tới giá trị số
Với

nguyên gần nhất tùy thuộc vào phần thập phân của x. Nếu phần thập phân của x
lớn hơn 0.5 thì x đƣợc làm tròn lên giá trị nguyên tiếp theo, trƣờng hợp ngƣợc
lại thì x đƣợc làm tròn xuống giá trị nguyên liền trƣớc.
Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

14


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Hình 2.6 Nguyên lý làm tròn 0.5 của thuật toán NLM
+ Giả sử tại t1 ta có
Với M là số SM đƣợc chèn vào ở nhánh
dƣới của pha và N là số SM của một nhánh của pha. Ta có từ t1 đến t2:
(
{

)

[(

)

]

(

(2.9)

)

Trong trƣờng hợp này, điện áp hình thang của nhánh và suất điện động xoay
chiều đƣợc biểu diễn:

{

(

)

(

(2.10)
)

+ Tại thời điển t2 đến t3:

{

[(

)

]

[(

)

]

(

(2.11)

)

Trong trƣờng hợp này, điện áp hình thang của nhánh và suất điện động xoay
chiều đƣợc biểu diễn:

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

15


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

(
{

)

(

)

(

(2.12)
)

So sánh
ở cả hai trƣờng hợp với nhau ta có thể thấy độ cao mỗi mức
(bậc thang) của là Ud. Bởi vì do làm tròn là 0.5Udc nên số mức điện áp tối đa ở
suất điện động xoay chiều là bằng 1+

= N+1. Sự sai lệch lớn nhất giữa và

xuất hiện tại thời điểm chuyển bậc thang trên dạng điện áp qua so sánh có thể
thấy bằng 0.5Ud.
- Thuật toán NLM cải tiến điều chế 2N+1
{

{

[

(

)]}

{

[

(

)]}

(2.13)

( ) là phép làm tròn, giá trị của x đƣợc làm tròn tới giá trị số
Với
nguyên gần nhất tùy thuộc vào phần thập phân của x. Nếu phần thập phân của x
lớn hơn 0.25 thì x đƣợc làm tròn lên giá trị nguyên tiếp theo, trƣờng hợp ngƣợc
lại thì x đƣợc làm tròn xuống giá trị nguyên liền trƣớc
Theo những phân tích bên trên thì phƣơng pháp NLM cổ điển tạo ra N+1
mức điện áp ra. Vì vậy, đối với trƣờng hợp điện áp thấp với một vài submodules, độ méo sóng hài của điện áp ra có xu hƣớng lớn; để cải thiện chất
lƣợng đầu ra, phƣơng pháp NLM cải tiến đã đƣợc đề xuất để thay thế các
phƣơng pháp khác với số lƣợng mức điện áp đầu ra sẽ tăng lên thành 2N+1 mà
vẫn giữ nguyên số lƣợng sub-modules.
Điểm đáng chú ý là tại thời điểm chuyển mức ở dạng điện áp
và
hoàn toàn không giống nhau. Số mức điện áp của mỗi nhánh trên và dƣới là
N+1, trong khi đó số mức điện áp ra lại là 2N+1. Tuy nhiên bề cao của mỗi bậc
thang đã giảm xuống còn 0.5Ud. Sự khác biệt nhỏ này dẫn tới sự tăng đáng kể
các mức điện áp.

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

16


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Hình 2.7 Nguyên lý làm tròn 0.25 của thuật toán NLM
+ Giả sử tại t1 ta có
Với M là số SM đƣợc chèn vào ở nhánh
dƣới của pha và N là số SM của một nhánh của pha. Ta có từ t1 đến t2:
(

{

)

[(

)

]

(

(2.14)

)

Trong trƣờng hợp này, điện áp hình thang của nhánh và suất điện động xoay
chiều đƣợc biểu diễn:

{

(

)

(

(2.15)
)

+ Tại thời điển t2 đến t3:

{

[(

)

]

[(

)

]

(

(2.16)

)

Trong trƣờng hợp này, điện áp hình thang của nhánh và suất điện động xoay
chiều đƣợc biểu diễn:

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

17

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

{

(

)

(

(2.17)
)

PHẦN II: CÁCH THỰC HIỆN CÁC PHƢƠNG PHÁP CHO BỘ NGHỊCH
LƢU MMC BẢY MỨC VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ
Bộ nghịch lƣu 7 mức :
STT

Thông số

Kí hiệu

Giá trị

Đơn vị

1

Nguồn áp một chiều

Vdc

20

kV

2

Số lƣợng Sub
Module của mỗi
nhánh trong một pha

N

6

SM

3

Điện dung của tụ
trong một SubModule

5000

µF

4

Điện cảm trên mỗi

nhánh trong một pha

3

mH

5

Điện áp nạp cho tụ

10/3

kV

6

Tần số điện áp AC
đầu ra

f

50

Hz

7

Điện trở tải

R

30

Ω

8

Điện cảm tải
L
0.5
Bảng 1: Thông số mạch lực của bộ MMC bảy mức

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

mH

18


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Mạch lực MMC cho cả 3 phƣơng pháp điều chế:

1. Phƣơng pháp PWM
a) Cách thực hiện
Sử dụng phƣơng pháp PWM với bộ nghịch lƣu MMC bảy mức ta sử dụng
sáu sóng mang đƣợc bố trí dịch pha nhau 600 với biên độ là 1 và ta chọn hệ số
điều chế (ma=0,85) do đó biên độ tín hiệu chuẩn cần so sánh là 0.85.

Hình 3.2: Tín hiệu sóng mang và tín hiệu chuẩn

Tín hiệu sóng mang đƣợc so sánh với tín hiệu chuẩn để phát xung cho bộ
nghịch lƣu. Nếu tín hiệu chuẩn lớn hơn tín hiệu sóng mang thì xung phát ra có
giá trị là 1 tƣơng đƣơng với trạng thái mở van. Ngƣợc lại nếu tín hiệu chuẩn nhỏ
hơn tín hiệu sóng mang xung phát ra có giá trị là 0 tƣơng đƣơng với trạng thái
van khóa.

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

19


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Hình 3.2 : Sơ đồ bộ nghịch lƣu MMC bảy mức thực hiện với PWM
b) Kết quả mô phỏng

a) Không có cuộn cảm L

b) Khi có thêm cuộn cảm L
Hình 3.2 : Điện áp ra bộ MMC 7 mức

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

20


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Hình 3.3 : Ảnh hƣởng của sóng hài tới điện áp ra (THD)
2. Phƣơng pháp điều chế vecto không gian (SVM)

a) Xác định vecto và thời gian thực hiện
Đối với phƣơng pháp SVM hiện nay có rất nhiều cách thức thực hiện, nhƣng ở
trong bài viết này chúng em thực hiện SVM theo [2].
Trong một bộ biến đổi 3 pha bảy mức thì số trạng thái chuyển mạch sẽ là
và có
tam giác nhỏ trong sơ đồ vector không gian.

Hình 3.4 Sơ đồ vec tơ không gian nghịch lƣu ba pha bảy mức
Theo phƣơng pháp này :
Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

21


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

- Biểu diễn hệ thống điện áp ba pha xoay chiều bằng vector điện áp
⃗
-

(

)

(3.1)

Sau đó vector (3.1) trên mặt phẳng tọa đọ 0αß :
⃗

, với {

(

)
√

(

)

(3.2)

- Dùng phép chiếu vector chuyển biểu diễn sang mặt phẳng tọa độ 0gh tạo
với nhau một góc 60 độ, trục g trùng với trục α theo sơ đồ khối trên.
⃗

√

, với {

(3.3)

√

Từ (3.3) ta có tọa độ của vecto ⃗ trên hệ tọa độ 0gh. Từ đây ta có thể xác định
đƣợc tọa độ của 4 vecto chứa tọa độ của vecto điện áp ⃗ (Vlu,Vuu,Vul,Vll ). Và
chúng tạo thành một hình bình hành ở dƣới. Ta tiến hành làm tròn lên và xuống
với 4 vecto vừa đƣợc xác định theo (3.4). Trong đó kí hiệu ⌈·⌉ và⌊·⌋ là phép làm
tròn lên và làm tròn xuống

(3.4)

Khi xác định đƣợc tọa độ của bốn vecto chứa vecto điện áp ⃗ ta tiếp tục đi
xác định 3 vecto gần nhất với vecto ⃗ trong số 4 vecto trên. Xác định bằng
cách :
(3.5)
[
]
Từ (3.5) thấy đƣợc S có thể âm hoặc dƣơng, với giá trị của S ta xác định
đƣợc 3 đỉnh tam giác gần nhất vector tham chiếu.
Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989
22


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Khi đó vector cần điều chế
{

Với
,
,
tham chiều nhất.

(3.6)

(

) là tỷ số điều chế tƣơng ứng với ba vector gần vector

Khi S < 0:
{

(3.7)

Khi S > 0:
{

(3.8)

b) Xác định trạng thái chuyển mạch
Sau khi xác định đƣợc 3 vecto điện áp và khoảng thời gian thực hiện 3 vecto
trên để tạo ra điện áp ⃗ . Ta đi chọn các trạng thái chuyển mạch cần thiết để tạo
ra 3 vecto này. Ở đây chọn trang thái chuyển mạch để tổn hao do chuyển mạch
là nhỏ nhất. [5]
-

Đầu tiên ta chọn trạng thái chuyển mạch cho vecto Vul
[

{

]

[

]

Trong đó: Ka, Kb, Kc đại diện cho trạng thái chuyển mạch của pha a, b, c
tƣơng ứng.

- Tiếp theo ta xác định trạng thái chuyển mạch cho vecto Vuu, Vll dựa trên
giá trị của S.
Nếu S>0 :
{

[

]

[

]

Nếu S<0:
{
Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

[
[

]
]
23


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Tất cả các trạng thái chuyển mạch của nghịch lƣu 7 mức có thể đƣợc xác
định nhƣ qui tắc xác định ở năm mức trong bài báo: [8]

Ở hình trên bộ nghịch lƣu 5 mức: mức điện áp thấp nhất biểu diễn là 0 và
cao nhất là số 4.

Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

24


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH | 2017

Hình 3.5: Sơ đồ MMC 7 mức thực hiện với SVM
c) Kết quả mô phỏng

a. Khi không có cuộn cảm L

b. Khi có cuộn cảm L
Hình 3.6: Điện áp pha của bộ nghịch lƣu 7 mức
Sinh viên: Hà Văn Đức 20130989

25