Nghiên cứu độc tính và tác dụng hạ glucose máu của viên andiabet trên thực nghiệm

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

với phía AC. Vì vậy suy giảm thành phần sóng hài của dòng điện
vòng là một nhiệm vụ quan trọng của hệ thống điều khiển. Luận án
này tập trung nghiên cứu về BBĐ đa mức có cấu trúc MMC.
1


Đối tượng nghiên cứu:
BBĐ đa mức cấu trúc MMC, các phương pháp điều chế
SVM, PWM, NLM, phương pháp điều khiển MPC áp dụng cho
MMC để cân bằng điện áp trên các tụ điện và suy giảm thành phần
sóng hài dựa trên việc triệt tiêu giá trị dòng điện vòng, đề tài cũng
nghiên cứu một số ứng dụng tiêu biểu trong hệ thống điện dựa trên
cấu trúc BBĐ MMC. Thực nghiệm các phương pháp điều chế cho
MMC nhúng trong đối tượng xử lý tín hiệu số FPGA AX309 Xlinx.
Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu trên lý thuyết các phương pháp điều khiển, điều
chế và thuật toán chuyển mạch đảm bảo các yêu cầu đã đặt ra cho
BBĐ. Nghiên cứu mô phỏng trên máy tính kiểm chứng hoạt động
của mô hình, nghiên cứu thực nghiệm để chứng minh hoạt động thực
tế của thuật toán điều khiển cho MMC.
Mục tiêu đề tài:
Xây dựng thuật toán điều chế cho MMC có khả năng mở rộng để
tạo số mức bất kỳ, thiết kế các thuật toán điều khiển dòng điện vòng,
điều khiển cân bằng điện áp trên tụ điện, điều khiển BBĐ MMC
trong các ứng dụng, xây dựng mô hình thực nghiệm BBĐ MMC ba
pha có 12 SM trên mỗi pha nhằm chứng minh khả năng chế tạo BBĐ
này trong các hệ thống biến đổi nguồn điện.
Vấn đề và phạm vi nghiên cứu:
Về lý thuyết: Xây dựng mô hình toán học cho BBĐ MMC, phân tích
và đánh giá khả năng ứng dụng của các phương pháp điều điều chế

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


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

đề xuất.
Bố cục luận án gồm 5 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan về BBĐ đa mức MMC
Chương 2. Thực hiện mô hình hóa BBĐ MMC
Chương 3. Các phương pháp điều chế cho BBĐ MMC
Chương 4. Hệ thống điều khiển trong các ứng dụng cho BBĐ MMC
Chương 5. Xây dựng hệ thống thực nghiệm
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC
MMC là BBĐ đa mức có đặc tính ưu việt như tính module hóa,
cấu hình có thể mở rộng tạo ra số lượng lớn các mức điện áp với
công suất khác nhau, có thể chuyển đổi với hiệu suất cao và tổn hao
thấp mà không cần bộ lọc phía xoay chiều, điều này có được là do
cấu hình MMC mắc nối tiếp hàng loạt các Sub-module trong mỗi
pha. Nhờ có nhiều ưu điểm vượt trội và chỉ cần một nguồn DC duy
nhất phía một chiều nên MMC phù hợp để áp dụng cho dải công suất
lớn, điện áp cao. BBĐ MMC có thể khắc phục được những nhược
3


điểm của các BBĐ đa mức CHB, NPC như: cấu hình đơn giản, dễ
dàng mở rộng theo yêu cầu trị số của điện áp AC, điều khiển dễ
dàng, linh hoạt trong thay thế và sửa chữa.
1.1 Cấu trúc cơ bản và hoạt động của bộ biến đổi MMC
Tính năng mở rộng dần cấu trúc bằng việc thêm các SM của
MMC cho phép tăng khả năng chịu điện áp trên các SM và sử dụng
tối đa các mức điện áp để đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra về trị số
THD mà không cần dùng đến các bộ lọc.
iDC

SM

+

VHa
_

VDC/2

SM1

SM1

SM1

SM2

SM2

SM2

SMN

SMN

SMN

S2
Ro
Lo

Ro

Lo
iHa

0

vb

iLa

iHc

iLb

vc

Ro

Ro

Ro

Lo

Lo

Lo

+

SMN+1

SMN+1

SMN+1

vLa

SMN+2

SMN+2

SMN+2

SM2N

SM2N

SM2N

_

VC

Ro
Lo
iHb

va

VDC/2

S1

ia
ib
ic

iLc

Hình 1.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC
So với các BBĐ đa mức CHB, NPC thì BBĐ MMC có các ưu
điểm và nhược điểm như sau:
* Ưu điểm: Có thể áp dụng cho hệ thống công suất lớn, điện áp
cao; chi phí giá thành thấp hơn so với các BBĐ cùng cấp điện áp;
Đối với các ứng dụng nối lưới thì BBĐ MMC có khả năng bù công
suất phản kháng, loại bỏ sóng hài, đồng thời cân bằng tải.
* Nhược điểm: Tồn tại dòng điện vòng móc vòng từ nhánh trên
qua nhánh dưới trong mỗi pha, đây là nguyên nhân gây tổn thất điện
năng và làm tăng giới hạn chịu đựng của các linh kiện bán dẫn; Điều
khiển phức tạp khi số mức điện áp tăng và số lượng SM lớn.
1.2 Vấn đề điều chế cho bộ biến đổi MMC
Các phương pháp điều chế cho BBĐ đa mức có thể chia thành hai
nhóm lớn là thuật toán dựa trên điều chế SVM và thuật toán dựa trên
mức điện áp gồm: Phương pháp PWM; Phương pháp NLM. Khi
4


đánh giá về tổn thất, các phương pháp điều chế có tần số thấp được
sử dụng nhiều hơn trong ứng dụng công suất cao vì có khả năng giảm
tổn thất đóng cắt trong khi chất lượng điện áp đầu ra vẫn thỏa mãn yêu

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

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


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

cân cân bằng điện áp tụ điện được thực hiện bằng thuật toán dự báo
trên tập hữu hạn các trạng thái dư của các vector trạng thái, sao cho
giá trị trung bình của điện áp trên tụ trên một nhánh bằng với giá trị
đặt, như vậy sẽ luôn đảm bảo được cân bằng điện áp trên tụ giữa các
nhánh pha với nhau. Trong điều chế SVM cho BBĐ đa mức, ở các
cấp điện áp sẽ tồn tại một số các trạng thái dư, phương pháp đề xuất
sẽ tận dụng các trạng thái dư này để xây dựng thuật toán dự báo
trong một chu kỳ điều chế. Đây là một trong những ưu điểm lớn của
phương pháp điều khiển dự báo vì bộ điều khiển MPC. Đây là một
trong những đóng góp mới góp phần giảm thiểu sự tính toán phức
tạp của quá trình điều khiển cân bằng điện áp tụ điện.
1.3.2. Vấn đề điều khiển dòng điện vòng
Dòng điện vòng được sinh ra trong cả ba pha của BBĐ do sự phóng
và nạp của điện áp tụ điện mỗi SM trong quá trình hoạt động. Dòng
vòng chạy qua cả sáu nhánh van, tuy dòng điện vòng không làm ảnh
hưởng lớn đến điện áp và dòng điện phía AC nhưng nó là nguyên
nhân chính gây nên méo dạng của dòng điện nhánh. Mặc dù biện
pháp đầu tiên để suy giảm giá trị dòng điện vòng là tăng độ tự cảm
của cuộn cảm Lo, nhưng cách này không thể loại bỏ hoàn toàn độ đập
mạch của dòng điện vòng . Trong luận án này, tác giả đề xuất chiến
lược điều khiển trực tiếp giảm thiểu dòng điện vòng bằng cách cách
sử dụng bộ điều khiển tuyến tính PI, để đạt hiệu quả cao, phương páp
sẽ kết hợp với bộ cộng hưởng tỷ lệ (PR) để triệt tiêu các thành phần
sóng hài tồn tại trong dòng điện vòng và độ nhấp nhô điện áp tụ điện
dưới sự chênh lệch điện áp các nhánh trong một pha MMC thông qua
việc lọc trực tiếp các sóng hài trong dòng điện vòng bằng cách sử
dụng bộ lọc thông thấp (LPF) với dòng điện vòng đo được.

6

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

vHx
VDC/2

_

SM1
SM

SM2
S1
SMN
S2

Ro

+
_VC
R

Ro/2

L

Lo/2

Lo
N

L

iHx

R

ix

iLx

vx

vex

Ro

Lo
+ SMN+1

VDC/2

ivx

vLx SMN+2
_

SM2N

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

7


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


 CSM



k Hx
2 Lo

 1 
k Lx 



2 Lo 
ivx   2 
     k Hx N 
0  VCHx
 VDC

 V    2CSM 
  CLx   k Lx N 
0 



 2CSM 



0

0

ix

ix 

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

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

(2.2)
xoay
(2.3)

(2.4)

IDC
+
VHa
VDC/2

_

SM1

SM1

SM1

SM2

SM2

SM2

SMN

SMN
Ro
Lo

SMN
Ro
Lo

iHa

iHb

va
0

VDC/2

Ro
Lo

vb

iLa

iLb

vc

Ro

Ro

Ro

Lo

Lo

Lo

+

SMN+1

SMN+1

SMN+1

vLa

SMN+2

SMN+2

SMN+2

SM2N

SM2N

SM2N

_

iHc ia
ib
ic

iLc

ua

Lf

Rf

Lf

Rf

ub

Lf

Rf

uc

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương BBĐ MMC nối lưới
8


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


Ro
Lo dib

veb  ub  ( R f  )ib  ( L f  )
2
2 dt

Ro
Lo dic

vec  uc  ( R f  2 )ic  ( L f  2 ) dt


(2.5)

2.3 Tóm tắt và kết luận
BBĐ đa mức MMC là một cấu trúc mới, có nhiều ưu điểm so
với các BBĐ đa mức khác cùng cấp điện áp, do có cấu trúc đặc biệt
nên BBĐ MMC thường áp dụng cho các hệ thống với cấp điện áp
cao. Khi sử dụng ở cấp điện áp cao, cấu hình BBĐ MMC cũng trở
nên phức tạp. Việc mô tả tính động học cũng như mô hình hóa cũng
trở nên phức tạp. Trong chương này, tác giả đã trình bày mô hình
toán học của BBĐ MMC trong các chế độ hoạt động khác nhau như:
mô hình trong chế độ cơ bản nối tải RL, mô hình trong chế độ kết nối
lưới điện.
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SVM CHO BỘ
BIẾN ĐỔI MMC
3.1 Phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức
V10

V11
(-1,1,-1)

V12

V3
(1-,1,0)

V13

V4
(-1,1,1)

V14

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

V0

V5

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

V2

V6

(-1,-1,1)

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

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

V8
(1,0,-1)

V7
(0,-1,-1)

(1,-1,-1)

V18
(1,-1,0)

V17

V16

V15

(1,1,-1)

(1,1,1)
(0,0,0) V1
(-1,-1,-1)

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

(-1,0,1)

V9
(0,1,-1)

(0,-1,1)

(1,-1,1)

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


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

b

p3(kg,kh+1)
mh

vrh

p4(kg+1,kh+1)

V2
V1
mg

p1(kg,kh)

p2(kg+1,kh)
g

0

vrg

a

Hình 3.2 Tổng hợp vector điện áp từ ba vector đỉnh của tam giác
Gọi mg, mh là phần thập phân ngoài phần nguyên của tọa độ vrg,
vrh tương ứng:
mg  vrg   vrg   vrg  k g



, Equation Chapter (Next) Section 1(3.1)

mh  vrh   vrh   vrh  k h

Có thể thấy rằng đường thẳng mg  mh  1 chia hình thoi trên
hình 5 ra làm hai tam giác, trong đó vector V1 thuộc miền mg  mh  1

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

(3.2)

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

(3.3)

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

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


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

Z1y

Z3x

Z2x

II

II

III

I

Z1x

0
IV

II

III

I

Z3y

0
IV

VI

III

I
0

IV

VI

VI

V

V

V

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

Đúng

Sai

Z1x.Z1y < 0
Đúng

Z1x > 0

Sector I
Đúng

Sector III

Sai

Z2x > 0

Sector II

Sai

Z1x > 0

Sector IV

Sai

Z2x.Z2y < 0
Đúng

Đúng

Sai

Sector V

Sector VI

Hình 3.4 Thuật toán xác định sector lớn
3.2 Trật tự tối ưu về số lần chuyển mạch và chất lượng sóng hài
điện áp ra
V10

V11
(-1,1,-1)

V9
(1,1,-1)

(0,1,-1)

4
V12

V3
(1-,1,0)

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

V2

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

1
V13

V4
(-1,1,1)

V14

(1,1,1)
(0,0,0) V1
(-1,-1,-1)

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

V0

V5

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

(-1,0,1)

V6

V16

V15
(-1,-1,1)

V8
(1,0,-1)

3

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

2
V7
(0,-1,-1)

(1,-1,-1)

V18
(1,-1,0)

V17
(0,-1,1)

(1,-1,1)

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


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

Pha B

iHb

Pha A
Vg
Vg

[Vgu]
0gh Vg

Vh
abc

dul

Xác
Chọn dlu
định [Vgl]
tam
phần
giác 1 d
uu
tọa độ [Vhu ]
hoặc 2
nguyên
và hệ số
[kg, kh ]
điều d
ll
theo [Vhl]
chế
(3.22)

Xung SM1a
SM2a
điều
khiển SM3a

van pha
SM4a
A
Xung
điều
khiển
van pha
B

SM1c
SM2c
SM3c

Vh

iHa
VDC/2 +

SM1a

_

VHa
R

ic
NOT

SM2b

_
ro

L

ib

Lo
ia

SM4b

S1
SM1c

Vh

+
NOT

Xung
SM2c
điều
khiển SM3c
van pha SM4c
C

NOT

SM3a

NOT

SM4a

+

+
S2

VC V /2 _
DC

VLa

iLc
_

iLb
iLa

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

3000
2000
1000
0
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 3.7 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A của MMC
Dòng điện (A)

40
20
0
-20
-40
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 3.8 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải
4000
3000

2000
Điệnáp(V)

Điện áp (V)

5000
4000

1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 3.9 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều
12


Điện áp các tụ nhánh trên

Điện áp các tụ nhánh dưới

Điện áp (V)

1010
1005
1000
995
990

0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 3.10 Điện áp các tụ điện nhánh trên và nhánh dưới pha A
Pha A

D ò n g đ iệ n (A )

30

Pha B

Pha C

20
10
0

-10
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

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

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

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


vC , Hj  t1   vC ,Hj  t0   
 t1
2
2 C



 ivj  t0   ivj  t1  i j  t0   1


 t1
vC , Lj  t1   vC , Lj  t0   
2
2 C



(3.4)

(3.5)

Để cân bằng điện áp trên tụ quanh giá trị cân bằng VDC/N , hàm
mục tiêu được tối thiểu như phương trình (3.6).
2
2
(3.6)
JV    v jC , H  VC    v jC , L  VC 
j  A, B ,C





13


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

Đúng

Sai

ksim <= kSmax

Điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức MMC
[kg kh ksim]

Cập nhật N; Vdiff_x; VD C

kA,B,C = [kA, tA, kB, tB, kC, tC]
*

Thuật toán xác định k H x, k
theo công thức (3.52)

(x = A, B, C)

*

Đúng

Lx

Sai
Đúng

Sai

kLx, kH x = 0
kLx, kH x = N

Đúng

tLx > tH x

t1 = tH x; kH x1 = kH x; kLx1 = kLx
t2 = tLx – tHx; kH x1 = kHx+1; kLx1 = kLx
t3 = Ts/2 – (t1+t2 ); kH x1 = kH x+1; kLx1 = kLx+1

Sai

t1 = tH x; kHx1 = kH x; kLx1 = kLx
t2 = tLx – tH x; kH x1 = kH x+1; kLx1 = kLx
t3 = Ts/2 – (t1+t2); kH x1 = kH x+1; kLx1 = kLx+1

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

k =1
k=4

k = k+1
Đúng

k = k+1
Sai

k =3?

Sai

k = 6?
Đúng

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

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


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

iHj
+
+

1/2

ivj

iv,h_j
PR1

_
+

LPF

ivj

iLj

+
+
+

1/VDC

Vdiff_j

PI

kp+ki/s

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

50
0
-50
-100
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

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

Điện áp (V)

2000

1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 3.15 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc
1020

Điện áp (V)

1000
980
960
940
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

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


Dòng điện (A)

40
30
20
10
0
-10
0

0.1

0.3

0.2

Thời gian (s)

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

thực hiện các phương pháp điều chế BBĐ MMC. Do phương pháp
SVM có kỹ thuật thực hiện tương đối phức tạp nhưng điều chế SVM
cho kết quả điều chế tốt nhất, vì vậy tác giả sử dụng mô hình điều
chế SVM cho MMC để phát triển cấu trúc điều khiển dòng điện vòng
và cân bằng điện áp trên tụ điện.
CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC ỨNG
DỤNG CỦA MMC
4.1 Điều khiển BBĐ MMC nối lưới điện xoay chiều ba pha
S(k)
IDC
ia

Laf

Raf

ib

Lbf

Rbf

ic

Lcf

Rcf

Lưới điện
ua,b,c

VDC

ia,b,c

MMC

id
abc/
dq

PLL

iq
ud
uq

Tính
công suất
P,Q theo
(4.8)

Điều khiển
công suất
_
PI
+
P
Pref

Điều khiển dòng điện
ud
+
+ +
PI
_
_

_
+
id

L

va
dq/
abc

Q

Qref
+
_

iq

vc

Thực hiện chiến
lược điều chế

SVM hình 3.45

L

PI

_

+
+

vb

+

PI

+

+

uq +

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


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

Dòng điện (A)

100
50
0
-50

-100
-150
0.2
Thời gian (s)

0.1

0

0.4

0.3

Hình 4.2 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cấp cho lưới điện
X 105
3
2
1
0

0

0.1

0.2
Thời gian (s)

0.4

0.3

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

1000
980
960
940
920
0

0.1

0.2
Thời gian (s)

0.3

0.4

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

D òn g đ iệ n (A )

30
20
10
0
-10
0

0.1

0.2
Thời gian (s)

0.3

0.4

Hình 4.5 Dòng điện vòng chạy trong pha A của BBĐ

17


4.2 Ứng dụng DSTATCOM bù CSPK dựa trên BBĐ MMC
iDC
+
VHa
_

VDC/2

SM1

SM1

SM1

SM2

SM2

SM2

SMN

SMN

SMN

V1a V1b V1c

Ro
Lo

0

ILa

Ro

Lo

V2a

VDC/2

DSTATCOM

iLa

Ro
Lo

V2b

V2c

Ro

Ro

Ro

Lo

Lo

Lo

+

SMN+1

SMN+1

SMN+1

vLa

SMN+2

SMN+2

SMN+2

SM2N

SM2N

SM2N

_

ia
ib
ic

ILb

ILc

Nút hệ thống điện

Hình 4.6 Cấu trúc hệ thống STATCOM
4.2.1 Nguyên lý làm việc DSTATCOM

N út hệ thống điện

IDC

V1
IL

V2

V1

VDC

XL

Máy biến áp

MMC
V2

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý của DSTATCOM
Công suất tác dụng và CSPK tại thanh cái 1 thể hiện bởi (4.1).
V V  V 
P  0; Q  1 1 2 Equation Chapter (Next) Section 1(4.1)

1

1

XL

18


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

Lưới điện

ia

Laf

Raf

ib

Lbf

Rbf

ic

Lcf

Rcf

VDC

ia,b,c

ua,b,c

MMC

Điều khiển
điện áp
_
PI
+
VDCref

Điều khiển dòng điện
ud
+
+ +
PI
_
_
id

L

va

dq/
abc

id
abc/
dq

PLL

iq
ud
uq

Tính
công suất
Q theo
(4.21)

Q

Qref
+
_

iq

vc

S(k)

Thực hiện chiến
lược điều chế
SVM hình

L

PI

Điều khiển
công suất

vb

_
+

PI

+

+

uq +

Hình 4.8 Cấu trúc điều khiển DSTATCOM dựa trên BBĐ MMC
4.2.3 Mô phỏng hệ thống DSTATCOM dựa trên MMC
150

Dòng điện (A)

100
50
0
-50
-100
-150
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 4.9 Hình dạng dòng điện đầu ra của DSTATCOM
3000

Điện áp (V)

2000
1000
0
-1000
-2000
-3000
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

Hình 4.10 Hình dạng điện áp đầu ra của STATCOM

19


6010
Điệnáp (V)

Giá trị VDC thực
Giá trị VDC đặt
6000

5990
0

0.1

Thời gian (s)

0.2

0.3

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

SM1x

SMNx
VC2_x iHx

VDC/2

Xung
SM1x
Xung
SMNx

vHCxj
Lox

Lx

0

Rx

Driver
ix

ADC

FPGA

ADC

Mạch vLCxj
đo iHx
lường
iLx

Lox
iLx
VCN+1_x

VDC/2

SMN+1x

vLCxj
VC2N_x

SM2Nx

Xung
SM N+1x
Xung
SM2Nx

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


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

Hình 5.3 Đđiện áp nhánh trên và
nhánh dưới pha A

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

21


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

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

tải xoay chiều của pha A, B, C

Hình 5.9 Hình dạng dòng điện trên Hình 5.10 Hình dạng điện áp trên
tụ điện của SM1 các pha
tải xoay chiều các pha

22


5.4 Kết quả thực nghiệm điều chế SVM cho MMC

Hình 5.11 Hình dạng điện áp Hình 5.12 Điện áp xoay chiều
nhánh trên và nhánh dưới pha A
đầu ra của pha A, B, C

Hình 5.13 Hình dạng dòng điện
Hình 5.14 Hình dạng điện áp
trên tải xoay chiều của pha A, B, C
trên tụ điện của SM1 pha
5.5 Tóm tắt và kết luận
Ở chương đã trình bày quá trình thiết kế, xây dựng hệ thống thực
nghiệm BBĐ MMC. Kết quả đầu ra phía xoay chiều đúng với các
phân tích lý thuyết và mô phỏng đã thực hiện. Các kết quả này đã
chứng minh MMC có khả năng hoạt động ổn định đáp ứng các yêu
cầu đặt ra của BBĐ đa mức.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Về các vấn đề điều chế: tác giả đã chỉ ra các ưu nhược điểm của các
phương pháp điều chế, nêu ra vấn đề tồn tại và đưa ra giải pháp để
thực hiện điều chế đơn giản hơn khi các SM của MMC tăng lên với
số lượng lớn. Trong luận án, tác giả đã chỉ ra và thực hiện được quy

23


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

24