Nghiên cứu đặc tính động của bộ biến đổi kiểu back to back cấu trúc module

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

NGUYỄN HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI KIỂU BACK-TOBACK CẤU TRÚC MODULE

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHẠM VIỆT PHƢƠNG

HÀ NỘI - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu đặc tính động của bộ
biến đổi kiểu Back-to-Back cấu trúc module” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn
của thầy giáo TS. Phạm Việt Phƣơng. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với
thực tế.
Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015
Học viên thực hiện

Nguyễn Hồng Sơn

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC NGUỒN ÁP ......5
1.1.Bộ biến đổi hai mức ............................................................................................... 5
1.2.Bộ biến đổi 3 mức ..................................................................................................7
1.3.Bộ biến đổi đa mức ................................................................................................ 8
1.3.1.Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Neutral-Point Clamp) .................................11
1.3.2.Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) ........13
1.3.3.Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) .................................................14
1.3.4.Bộ biến đổi có sử dụng máy biến áp.............................................................. 16
1.4.Kết luận ................................................................................................................16
1.5.Mục tiêu của luận văn .......................................................................................... 17
CHƢƠNG 2: TÌM HIỂU CẤU TRÚC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ
MODULE MMC ..........................................................................................................19
2.1. Tổng quát về cấu trúc MMC ...............................................................................19
2.2.Nguyên lý hoạt động của module thành phần (Dạng nửa cầu) ............................ 22
2.3.Các phương pháp điều chế trong MMC ............................................................... 24
2.3.1.Kỹ thuật PWM sắp đặt sóng mang (Carrier-disposition - CD-PWM) ..........25


2.3.2.Kỹ thuật Sub-Harmonic PWM ......................................................................27
CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG MODULE MMC TRONG HỆ THỐNG HVDC PLUS
CỦA HÃNG SIEMENS .............................................................................................. 30

3.1.Phân tích hệ thống HVDC PLUS sử dụng cấu trúc MMC ..................................32
3.1.1.Ưu điểm của HVDC Plus ..............................................................................32
3.1.2.Cấu tạo HVDC Plus của Siemens ..................................................................33
3.2.Tính toán thông số hệ thống .................................................................................36
3.2.1.Tính toán sơ bộ máy biến áp phía trước chỉnh lưu ........................................37
3.2.2.Tính toán sơ bộ máy biến áp phía sau nghịch lưu .........................................38
CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
THỐNG HVDC PLUS ................................................................................................ 39
4.1.Mô hình hóa MMC............................................................................................... 41
4.2.Các bộ điều khiển vòng ngoài của MMC (outter control) ...................................43
4.2.1.Mạch vòng điều khiển dòng điện...................................................................46
4.2.2.Mạch vòng điều khiển công suất tác dụng và phản kháng ............................ 48
4.2.3.Bộ điều khiển điện áp một chiều ...................................................................49
4.3.Phương pháp điều khiển vòng trong của MMC ...................................................50
4.2.1.Các phương pháp điều khiển .........................................................................51
4.2.2.Phân tích tính ổn định của các SM ................................................................ 54
CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HVDC PLUS SỬ DỤNG PHẦN MỀM
PSCAD .......................................................................................................................... 59
5.1. Tính toán thông số mạch lực ...............................................................................59
5.1.1.Cách chọn tụ ..................................................................................................59
5.1.2.Cách chọn cuộn cảm ......................................................................................60


5.2.Tính toán thông số các mạch vòng điều khiển .....................................................61
5.2.1.Thông số mạch điều khiển vòng trong .......................................................... 61
5.2.2.Thông số mạch điều khiển vòng ngoài .......................................................... 61
5.3.Kết quả mô phỏng ................................................................................................ 62
5.3.1.Kết quả khi MMC hoạt động ở trạng thái định mức. ....................................62
5.3.2.Mạch điều chỉnh cân bằng vòng trong ........................................................... 66
5.3.3.Mạch điều chỉnh công suất. ...........................................................................70

5.3.4.Bộ điều khiển điện áp một chiều ...................................................................72
KẾT LUẬN ..................................................................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 77


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MMC

Modular Multilevel Converter

Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module

HVDC

High Voltage Direct Current

Hệ thống dòng một chiều điện áp cao

SM

Sub-module

Các module bộ biến đổi thành phần

PWM

Pulse-Width Modulation

Luật điều chế độ rộng xung

PD-PWM

Phase Disposition

Luật sóng mang cùng pha

POD-PWM

Phase Opposition Disposition

Luật sóng mang ngược pha

APOD-PWM

Alternate

Phase

Opposition Luật sóng mang kết hợp

Disposition
PS-PWM

Phase Shifted - Pulse Witdth Điều chế độ rộng xung bằng dịch pha
Modulation

LS-PWM

CCC

sóng mang

Level Shifted - Pulse Witdth Điều chế độ rộng xung bằng dịch mức
Modulation

sóng mang

Capacitor comutated converter

Bộ biến đổi sử dụng tụ điện chuyển
mạch

LCC

Line comutated converter

Bộ biến đổi sử dụng chuyển mạch
đường dây

VSC

Voltage Source Converter

Bộ biến đổi điện áp


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1.Trạng thái làm việc của một SM .................................................................... 23
Bảng 3.1.Cấu trúc của HVDC Classic và HVDC Plus ................................................. 33
Bảng 5.1.Thông số bộ biến đổi MMC ........................................................................... 59

Bảng 5.2.Các hệ số K của bộ điều khiển. ...................................................................... 61
Bảng 5.3.Các hằng số thời gian. .................................................................................... 61
Bảng 5.4.Thông số mạch điều khiển vòng ngoài .......................................................... 61


Lời nói đầu

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.Sơ đồ 1 pha của bộ biến đổi (a) Hai mức, (b) Ba mức, (c) n mức ................... 5
Hình 1.2.Một pha của bộ biến đổi 2 mức và dạng điện áp ra xoay chiều ....................... 6
Hình 1.3.Cấu hình mở rộng của bộ biến đổi 2 mức ........................................................ 7
Hình 1.4.Sơ đồ một pha của bộ biến đổi 3 mức và dạng điện áp ra xoay chiều ............. 7
Hình 1.5.Một pha của bộ biến đổi đa mức và dạng điện áp ra xoay chiều sử dụng
IGBT ................................................................................................................................ 8
Hình 1.6.Các cấu trúc bộ biến đổi đa mức ...................................................................... 9
Hình 1.7.Bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng Diode kẹp ............................................... 11
Hình 1.8.Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng Diode kẹp 12
Hình 1.9.Bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng tụ điện ..................................................... 13
Hình 1.10.Dạng sóng của điện áp đầu ra bộ biến đổi 5 mức dùng tụ điện.................... 13
Hình 1.11.Cấu trúc của bộ biến đổi ghép tầng .............................................................. 15
Hình 1.12.Dạng điện áp đầu ra của bộ biến đổi ghép tầng 11 mức .............................. 15
Hình 1.13.Bộ biến đổi GTO STATCOM có dùng máy biến áp .................................... 16
Hình 2.1.Sơ đồ tổng quát cấu trúc MMC ...................................................................... 20
Hình 2.2.Các dạng cấu trúc của SM .............................................................................. 21
Hình 2.3.Cấu trúc Half-brigde Cell ............................................................................... 22
Hình 2.4. Dòng điện chảy trong SM theo mỗi trạng thái đóng cắt của van và tụ ......... 23
Hình 2.5.Tổng quát kĩ thuật điều chế PWM.................................................................. 24
Hình 2.6.Sóng mang bố trí ngược pha........................................................................... 25
Hình 2.7.Sóng mang bố trí ngược pha........................................................................... 26
Hình 2.8.Sóng mang bố trí ngược pha xen kẽ ............................................................... 26

1


Hình 2.9.Sóng mang hình răng cưa ............................................................................... 27
Hình 2.10.Sóng mang hình tam giác ............................................................................. 27
Hình 2.11.Phương pháp dịch pha sóng mang ................................................................ 28
Hình 3.1.Bản đồ đường cáp dự án Trans Bay ............................................................... 31
Hình 3.2.Trạm chuyển đổi của Siemens ........................................................................ 32
Hình 3.3.Hệ thống HVDC PLUS .................................................................................. 34
Hình 3.4.Cấu hình truyền tải đơn cực ........................................................................... 34
Hình 3.5.Cấu hình cơ bản của HVDC Plus ................................................................... 35
Hình 4.1.Tổng quan hệ thống VSC-HVDC .................................................................. 39
Hình 4.2.Cấu trúc chi tiết các mạch vòng điều khiển của HVDC Plus ......................... 40
Hình 4.3.Mạch điện tương đương một pha của bộ biến đổi MMC ............................... 41
Hình 4.4.Sơ đồ khối hệ thống đồng bộ pha truyền thống 1PLL ................................... 44
Hình 4.5.Sơ đồ khối hệ thống đồng bộpha truyền thống 3PLL .................................... 44
Hình 4.6.Đồng bộ với khung tọa độ quay. .................................................................... 45
Hình 4.7.Cấu trúc mạch vòng khóa pha ........................................................................ 46
Hình 4.8.Cấu trúc điều khiển dòng điện ........................................................................ 47
Hình 4.9.Sơ đồ khối điều khiển dòng điện .................................................................... 47
Hình 4.10.Bộ điều khiển công suất ............................................................................... 49
Hình 4.11.Sơ đồ khối điều khiển điện áp một chiều ..................................................... 49
Hình 4.12.Sơ đồ mạch vòng điều khiển điện áp trung bình pha u ................................ 51
Hình 4.13.Sơ đồ mạch nguyên lý điều khiển theo phương pháp Individual – balancing
control ............................................................................................................................ 52
Hình 4.14.Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo phương pháp Arm – balancing control .... 53
Hình 4.15.Quan hệ giữa biểu thức (4.42), (4.43) và góc

........................................... 56

Hình 5.1.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac) .............................. 62
Hình 5.2.Dạng điện áp nhánh trên (VU) và nhánh dưới (VL) khi chưa lọc. .................. 63
Hình 5.3.Dạng điện áp nhánh trên (VU) và nhánh dưới (VL) sau khi qua lọc. .............. 63
Hinh 5.4.Dạng điện áp trên tụ VC1 và VC5. .................................................................... 64
Hình 5.5. Dạng điện áp trung bình tụ nhánh trên (VCAUAV) và dưới (VCALAV) ............. 64
Hình 5.6.Dạng điện áp dòng điện tuần hoàn (iZ). .......................................................... 65
Hình 5.7.Đồ thị công suất tác dụng (P). ........................................................................ 65
Hình 5.8.Đồ thị công suất phản kháng (Q). ................................................................... 66
Hình 5.9.Đồ thị dạng sóng điều chế của SM1 (Va1*). ................................................... 66
Hình 5.10. Dạng điện áp trên tụ VC1 và VC5 khi Vcref = 70 kV. ..................................... 67
Hình 5.11.Đồ thị dạng sóng điều chế của SM1 (Va1*)Vcref = 70 kV ............................. 67
Hình 5.12.Dòng điện sai lệch (iZ). ................................................................................. 68
Hình 5.13.Công suất phản kháng Q............................................................................... 68
Hình 5.14.Công suất tác dụng P. ................................................................................... 69
Hình 5.15.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac). ........................... 69
Hình 5.16.Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P. ........................................................... 70
Hình 5.17.Đồ thì đáp ứng công suất phản kháng Q. ..................................................... 71
Hình 5.18.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac). ........................... 71
Hình 5.19.Đồ thì dòng điện tuần hoàn (iZ). ................................................................... 72
Hình 5.20.Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P. ........................................................... 73
Hình 5.21.Đồ thì đáp ứng công suất phản kháng Q. ..................................................... 73
Hình 5.22.Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac). ........................... 74
Hình 5.23.Đồ thì dòng điện tuần hoàn (iZ). ................................................................... 74
Hình 5.24.Dạng điện áp trên tụ VC1và VC5. ................................................................... 75


LỜI NÓI ĐẦU
Năng lượng điện đã có ưu thế trong sản xuất, khai thác và truyền tải cho nên

hầu như toàn bộ năng lượng đang khai thác được trong tự nhiên người ta đều chuyển
đổi nó thành điện năng trước khi sử dụng.Từ đó hình thành một hệ thống điện nhằm
truyền tải, phân phối và cung cấp điện đến từng hộ sử dụng điện. Các thiết bị điện tử
công suất là cơ sở cho các hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt, được sử dụng
để giảm dao động, tăng tính ổn định trong hệ thống năng lượng, đảm bảo chất lượng
điện áp và điều khiển quá trình truyền tải công suất điện. Và song hành cùng với sự
phát triển của hệ thống điện thì đó là sự phát triển của ngành công nghiệp thiết bị bán
dẫn nói riêng cũng như điện tử công suất nói chung cũng có những tiền bộ vượt bậc.
Do đó việc nắm bắt được những công nghệ mới là nhu cầu cấp thiết với kỹ sư
tự động hóa. Một trong những công nghệ mới có khả năng ứng dụng trong hệ thống
điện là bộ biến đổi Modular Multilevel Converter (MMC).Nghiên cứu hệ thống điều
khiển của MMC mục đích là khai thác hiệu quả để nâng cao chất lượng điện năng của
hệ thống điện Việt Nam, tiến tới làm chủ công nghệ MMC có ý nghĩa cực kỳ quan
trọng.
Và đây cũng chính là đề tài cho đồ án tốt nghiệp của em “Nghiên cứu đặc tính
động của bộ biến đổi kiểu Back-to-Back cấu trúc module”với sự hướng dẫn của
thầy giáo TS. Phạm Việt Phƣơng. Sau đây em xin trình bày đồ án của mình.

Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015
Học viên thực hiện


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐA
MỨC NGUỒN ÁP
Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã tạo ra nhiều loại van bán dẫn với
hiệu quả cao như khi đóng cắt không gây ra tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời
gian. Chúng có thể làm việc được với điện áp cao, dòng điện lớn mà chỉ dùng tín hiệu
điều khiển đóng cắt có công suất nhỏ.Vì vậy cho phép các bộ biến đổi công suất có

khả năng làm việc ở dải điện áp cao, công suất lớn, tần số đóng cắt lớn, sóng hài giảm.
Do đó các bộ biến đổi công suất cao ngày càng được chú ý nghiên cứu và phát triển.
Ban đầu là hai mức, sau đó phát triển nhiều mức và có rất nhiều dạng cấu trúc khác
nhau. Tham tài liệu [3], [7], [11], [12], [14], [15]. Hình 1.1 đưa ra sơ đồ một pha của
bộ biến đổi với số mức khác nhau. Bộ biến đổi 2 mức tạo ra điện áp đầu ra có 2 giá trị
(2 mức) so với cực âm của tụ điện (Hình 1.1a), trong khi bộ biến đổi 3 mức tạo ra 3
mức điện áp và tương tự như vậy cho trường hợp còn lại.

Hình 1.1.Sơ đồ 1 pha của bộ biến đổi (a) Hai mức, (b) Ba mức, (c) n mức

1.1.Bộ biến đổi hai mức
Là bộ biến đổi mà đầu ra có 2 mức điện áp, mạch đơn giản chỉ gồm 2 van bán
dẫn, nguồn có điểm giữa.

5


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

Cấu hình:

Hình 1.2.Một pha của bộ biến đổi 2 mức và dạng điện áp ra xoay chiều
Ưu điểm:
 Mạch đơn giản
 Sử dụng tụ có điện dung bé
Dù vậy, bộ biến đổi 2 mức vẫn có nhược điểm là:
 Van chịu điện áp cao
 Điện áp ra bao gồm nhiều hàm điều hòa không mong muốn
Vì vậy, bộ biến đổi đa mức ít được sử dụng, muốn tăng dải công suất, sẽ cần thêm
nhiều van bán dẫn nối nối tiếp và sự đóng cắt sẽ trở nên phức tạp, sẽ xảy ra hiện tượng

đóng cắt trễ do nhiệt độ của van.Cấu hình mở rộng được biểu diễn trên hình 1.3

6


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

Hình 1.3.Cấu hình mở rộng của bộ biến đổi 2 mức

1.2.Bộ biến đổi 3 mức
Là bộ biến đổi mà đầu ra có 3 mức điện áp, ±Vd/2và 0. Cấu hình mạch đơn giản
chỉ gồm 4 van bán dẫn, nguồn có điểm giữa.

Hình 1.4.Sơ đồ một pha của bộ biến đổi 3 mức và dạng điện áp ra xoay chiều

7


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

1.3.Bộ biến đổi đa mức

Hình 1.5.Một pha của bộ biến đổi đa mức và dạng điện áp ra xoay chiều sử dụng
IGBT
Ưu điểm:
 Dạng sóng điện áp đầu ra gần với hình sin
 Sóng hài giảm
 Tổn thất đóng cắt thấp
 Không yêu cầu mạch dập RC (Snubber Circuit)
Lịch sử phát triển của bộ biến đổi đa mức bắt đầu từ những năm thập kỉ 70 khi mà

bằng sáng chế đầu tiên mô tả một cấu trúc biến đổi có khả năng tạo ra điện áp đa cấp
từ nhiều nguồn điện áp một chiều khác nhau được công bố (bởi Baker và Bannister,
1975). Cấu trúc này đạt được bằng cách kết nối nhiều bộ biến đổi đơn pha thành một
dãy. Hình 1.6a thể hiện ví dụ một mạch liên quan đến cấu trúc được giới thiệu bởi
Baker và Bannister) Các cấu trúc được mô tả trong hình vẽ là bộ biến đổi có một loạt
kết nối là mạch cầu (H-bridge) (series-connected H-bridge inverter – SCHBI), được
gọi như là bộ biến đổi nối tầng H-bridge

8


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

a.Bộ biến đổi SCHB 2M+1 mức

b.Bộ biến đổi NPC 3 mức và 5 mức

c. Bộ biến đổi 3 mức và 5 mức dạng tụ bay
Hình 1.6.Các cấu trúc bộ biến đổi đa mức
Năm 1980, Baker giới thiệu một dạng bộ biến đổi đa mức sửa đổi.Hai cấu trúc
ví dụ được biểu diễn ở hình 1.6b bao gồm bộ biến đổi 3 mức và 5 mức. Cấu trúc 5
mức trong hình khác với cấu trúc ban đầu mà Baker đã đề xuất (1980) tính toán kết nối

9


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

hàng loạt diode kẹp. Điện áp có thể được chia ra cho nhiều diode như trong mô tả của
Yuan và Barbi (2000). Ngược lại với các bộ biến đổi đơn pha kết nối theo hàng loạt,

loại bộ biến đổi này có thể tạo ra điện áp đa mức từ một nguồn điện áp một chiều với
rất nhiều diode kết nối có điểm trung tính. Kiểu cấu trúc này được gọi là bộ biến đổi
diode kẹp có điểm trung tính (neutral point clamped inverter – NPC). Phương pháp
điều chế độ rộng xung (PWM) cho NPC được giới thiệu bởi Nabae năm 1980.Sự thu
hút của bộ biến đổi đa mức (ngoại trừ bộ biến đổi 3 mức) bị mờ đi vào những năm
1980 cho đến những năm 1990 thì nó bắt đầu được chú ý trở lại. Ví dụ, năm 1990
Marchesoni đề xuất rằng SCHBI có thể được sử dụng trong phòng thí nghiệm tổng
hợp phản ứng hạt nhân. Hơn nữa Marchesoni và nhóm nghiên cứu của anh ta đã tạo ra
đóng góp cho việc nghiên cứu các bộ biến đổi đa mức, đặc biệt trong điều khiển và mô
phỏng vào đầu những năm 1990 (Marchesoni, 1989; Marchesoni, 1990; Carrara, 1990;
Fracchia,1992), Sau đó giữa những năm 1990, số bằng sáng chế được công bố bao
gồm

Lavieville, 1997;Hammond, 1997. Meynard and Foch (1992) và Lavieville

(1997) bộ biến đổi kiểu tụ bay được giới thiệu. Cấu trúc này được mô tả trong hình
1.6c cho 3 mức và 5 mức.Hammond (1997) đã đề xuất một phương pháp thiết thực để
thực hiện SCHBI.Từ những năm 1990 tới 2000, có một vài dạng biến đổi cấu trúc của
bộ biến đổi đa mức được đề xuất. Một số cách bổ sung cho biến đổi kiểu nối tầng được
giới thiệu bởi Stemmler và Guggenbach, 1993; Kawabata, 1996; Corzine, 1999;
Kang,2000. Các cấu trúc khác đã thu hút được sự chú ý ngày càng nhiều đó là bộ biến
đổi đa mức mô đun hóa (Modular Mutilevel Converter – M2LC hoặc MMC) Lesnicar
và Marquardt, 2003; Glinka và Marquardt, 2003, 2005; Hagiwara và Akagi, 2008;
Rohner, 2009; Antonopoulos, 2009.
Cả ba cấu trúc, SCHBI, NPC và Tụ bay đã làm dấy lên sự quan tâm lớn nhất
cho tới nay. Cấu trúc SCHBI có ưu điểm lớn hơn 2 cấu trúc còn lại do tính mô đun hóa
của nó. Số mức điện áp có thể tăng mà không làm phức tạp mạch, mà chỉ cần tăng số
lượng mô đun H-Bridge. Điểm hạn chế của SCHBI là cần nguồn một chiều cho mỗi
mô đun, trong khi 2 cấu trúc còn lại thì chỉ cần 1 nguồn.Sau đây chúng ta sẽ đi tìm
hiểu rõ hơn từng cấu trúc để có thể so sánh ưu nhược điểm giữa chúng và đưa ra kết

luận.
10


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

1.3.1.Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Neutral-Point Clamp)
Bộ chuyển đổi Diode kẹp ban đầu được đề xuất như là một bộ biến đổi ba mức.Một bộ
biến đổi ba pha năm cấp Diode kẹp như trong hình 1.7. Mỗi ba pha của bộ biến đổi
thông qua một đường DC chung, được chia bởi 4 tụ.Điện áp trên mỗi tụ điện là VDC/4,
và quá điện áp trên mỗi thiết bị chuyển mạch sẽ chảy qua điốt kẹp.Lấy điện áp V0 ở
nhánh âm của đường dẫn một chiều là bằng 0.Đối với các van bán dẫn coi trạng thái 1
tức là van mở và trạng thái 0 tức là van khóa. Mỗi pha có 4 cặp van liên hợp, mỗi cặp
van liên hợp hoạt động theo nguyên tắc là khi một van bất kỳ trong cặp van liên hợp ở
trạng thái 1 (mở) thì van còn lại phải ở trạng thái 0 (đóng). Bốn cặp van liên hợp của
pha a là (Sa1, Sa’1), (Sa2, Sa’2), (Sa3, Sa’3), (Sa4, Sa’4).

Hình 1.7.Bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng Diode kẹp

11


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

Hình 1.8.Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng Diode kẹp
Một bộ nghịch lưu điốt kẹp n mức sẽ cho n mức điện áp pha và (2n - 1) mức điện áp
dây ở đầu ra.
 Ưu điểm
- Tất cả các pha dùng chung một đường dẫn nguồn một chiều (DC bus)
- Các tụ điện có thể được nạp điện từ trước theo nhóm.

- Hiệu suất cao vì tổng thiết bị được đóng cắt ở tần số cơ bản.
 Nhược điểm:
- Trong mỗi điều kiện hoạt động nhất định có thể xảy ra sự mất cân bằng điện
áp trên tụ, gây ra một điện thế giữa điểm trung tính và điểm đất làm méo thành phần
song hài đầu ra. Do đó, giữ được điểm trung tính, sự cân bằng điện áp trên các tụ càng
phức tạp khi mức điện áp đầu ra lớn hơn ba mức.
- Số lượng diode lớn, có một mối quan hệ phi tuyến giữa giá trị điện áp khóa
diode và số mức đầu ra điện áp, ngăn cản việc có thêm số mức điện áp.
Tuy nhiên cấu trúc này hiện nay vẫn đang được sử dụng nhiều trong biến tần vì những
ưu điểm mà nó mang lại.

12


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

1.3.2.Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)
Cấu trúc của bộ biến đổi dùng tụ điện thay đổi cũng tương tự như Bộ biến đổi dùng
diode kẹp.Sự khác nhau ở chỗ thay vì dùng diode kẹp thì dùng tụ điện.Mạch bộ biến
đổi dùng tụ điện được biểu diễn như hình dưới.

Hình 1.9.Bộ biến đổi ba pha 5 mức sử dụng tụ điện

Hình 1.10.Dạng sóng của điện áp đầu ra bộ biến đổi 5 mức dùng tụ điện
Bộ biến đổi này được phát triển từ bộ biến đổi 2 mức bằng cách thêm tụ nối ghép tầng.
Có 4 cặp van chuyển đổi trong mỗi pha của bộ biến đổi. Ví dụ như là các cặp (S1,
S’1), (S2, S’2), (S3, S’3), (S4, S’4) của pha a. Vì vậy chỉ có 4 tín hiệu độc lập cho mỗi
pha. Khi S1, S2, S3 và S4 dẫn thì điện áp pha VAN là 4E. Tương tự S1, S2, S3 dẫn thì

13

Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

VAN = 3E. Các van sẽ được đóng cắt theo luật nhất định và tạo ra đầu ra điện áp như
hình 1.10
 Ưu điểm:
- Có nhiều trạng thái cho một mức điện áp giúp cân bằng mức 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 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.
- 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
1.3.3.Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)
Cấu trúc 1 pha của bộ biến đổi ghép tầng m mức được thể hiện như hình vẽ dưới. Mỗi
nguồn DC riêng rẽ được nối đến từng pha hoặc theo dạng cầu hoặc nửa cầu. Mỗi mức
của bộ biến đổi được tạo ra bởi 3 điện áp ra +VDC, 0, và –VDC bằng cách nối nguồn
DC với đầu ra AC có được bằng cách kết hợp 4 khóa S1, S2, S3 và S4.

14


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

Hình 1.11.Cấu trúc của bộ biến đổi ghép tầng

Hình 1.12.Dạng điện áp đầu ra của bộ biến đổi ghép tầng 11 mức

15


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

 Ưu điểm:
-

Số mức điện áp đầu ra có thể lớn gấp 2 lần số lượng nguồn D (m=2s+1)

-

Việc bố trí linh kiện trong module và module hóa có khả năng được sản xuất
nhanh hơn và rẻ hơn

 Nhược điểm:
-

Việc dùng nguồn DC riêng đòi hỏi cho mỗi mạch H-bridges, vì vậy ứng
dụng của sản phẩm bị giới hạn khi mà có nhiều nguồn DC

1.3.4.Bộ biến đổi có sử dụng máy biến áp

Hình 1.13.Bộ biến đổi GTO STATCOM có dùng máy biến áp
Nhược điểm: - Kích thước cồng kềnh, chi phí lớn
- Tổn hao điện năng lớn
Ưu điểm: do sử dụng máy biến áp nên có cấp điện áp ra phù hợp với bộ biến đổi

1.4.Kết luận

Từ những nhược điểm của các bộ biến đổi đa mức nói trên, xu hướng ngày nay trong
lưới điện và các ứng dụng của bộ biến đổi công suất lớn cần một bộ biến đổi có cấu
trúc phù hợp, đáp ứng được các yêu cầu như có thể hoạt động ở nhiều mức điện áp

16


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

khác nhau, cấu trúc đơn giản, không sử dụng máy biến áp, không sử dụng nguồn một
chiều cho từng bộ biến đổi nhỏ như cấu hình cascade … Chính vì lí do đó mà các nhà
khoa học đã cho ra đời một cấu trúc với tên gọi Modular Multilevel Converter (MMC)
thu hút được rất nhiều sự quan tâm. Để tìm hiểu kĩ hơn về cấu trúc cũng như nguyên lý
phương pháp hoạt động, điều chế ta sẽ đi vào chương 2.

1.5.Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu của luận văn nghiên cứu đặc tính động của bộ biến đổi kiểu Back-toBack cấu trúc module
- Hiểu được nguyên lý hoạt động, các phương pháp điều khiển của bộ biến đổi
dạng MMC.
- Mô hình hóa, tính toán thông số của bộ điều khiển trong của hệ thống HVDC sử
dụng cấu trúc MMC.
- Mô phỏng BBĐ sử dụng cấu trúc MMC làm việc chế độ nghịch lưu trên
PSCAD/EMTDC.
Nội dung của luận văn được trình bày trong 5 chương, bao gồm các nội dung sau:
Chương 1 giới thiệu tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp (multilevel
inverter) thường được dùng trong công nghiệp. Nội dung chính của chương này là
phân tích ưu nhược điểm của các bộ biến đổi đa mức này để làm nổi bật lên ưu điểm
vượt trội và cấu trúc mạch lực cũng như khả năng vận hành của bộ biến đổi đa mức
cấu trúc module MMC.
Chương 2 của luận văn đi sâu vào tìm hiểu cấu tạo mạch lực, nguyên lý hoạt

động cũng như phương pháp điều khiển của bộ biến đổi cấu trúc module MMC.Ưu
nhược điểm của các cấu hình MMC sử dụng các bộ biến đổi công suất khác nhau được
phân tích và so sánh trong chương này.
Chương 3 đề cập đến một ứng dụng cụ thể của bộ biến đổi công suất MMC
trong lưới điện.Đó là hệ thống truyền tải cao áp một chiều HVDC-Plus công suất 400
MW sử dụng hai hệ thống bộ biến đổi MMC giống nhau và ghép nối kiểu Back-to-

17


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức nguồn áp

Back.Các thống số mạch lực của hệ thống được tính toán một cách chi tiết để làm cơ
sở cho việc mô hình hóa và mô phỏng ở các chương sau.
Chương 4 tiến hành mô hình hóa bộ và xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ
thống bộ biến đổi MMC kiểu Back-to-Back trong hệ thống HVDC-Plus.Các mạch
vòng điều khiển điện áp, dòng điện và công suất được xây dựng và tính toán lựa chọn
thông số bộ điều khiển để phục vụ cho việc mô phỏng và kiểm nghiệm hệ thống ở
chương sau.
Chương 5 thực hiện việc mô phỏng hệ thống HVDC-Plus sử dụng bộ biến đổi
công suất MMC kiểu Back-to-Back.Các thông số và điều kiện mô phỏng được tính
toán và trình bày trong chương này. Các kết quả mô phỏng thu được từ phần mềm
PSCAD được kiểm nghiệm với các tính toán lý thuyết trong các chương trước

18