Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa (Luận án tiến sĩ)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của các Thầy hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án
được trích dẫn đầy đủ. Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và
chưa từng được tác giả khác công bố.

Người hướng dẫn khoa học

Hà Nội, ngày 12 tháng 02 năm 2020
Tác giả luận án

Trần Hùng Cường

i


LỜI CẢM ƠN

Luận án này được hoàn thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của Tôi tại
trường Bách khoa Hà Nội, sau một thời gian học tập nghiên cứu, Tôi đã hoàn thành
luận án này dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Trọng Minh và TS. Phạm Việt
Phương, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Trước hết, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn tận tình của tập
thể các thầy hướng dẫn, những người đã dìu dắt, chia sẻ, quan tâm, tạo mọi điều
kiện, giúp đỡ kịp thời về thời gian và chuyên môn để tôi hoàn thiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong bộ môn Tự động hóa Công nghiệp,
các Thầy Cô công tác tại viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, đã có những ý
kiến góp ý chân thành, sâu sắc trong suốt quá trình tôi học tập, làm việc, xây dựng
thực nghiệm cũng như từng bước thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo, Viện Điện Trường Đại học Bách

khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về nhiều mặt để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em Nghiên cứu sinh cùng chuyên ngành,
các bạn sinh viên Tự động hóa, các kỹ sư và nhà nghiên cứu trẻ tại Phòng thí
nghiệm 203-C9 trường ĐH Bách khoa Hà Nội, những người luôn cùng Tôi đồng
hành, luôn động viên, giúp đỡ lẫn nhau, cùng trao đổi chuyên môn, hỗ trợ Tôi trong
việc tìm kiếm tài liệu nghiên cứu trong học tập để tôi có kết quả như ngày hôm nay.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện của
Ban giám hiệu trường Đại học Hồng Đức, Ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Công nghệ
và các đồng nghiệp tại khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức đã
giúp đỡ tạo điều kiện về mặt thời gian, công việc để Tôi học tập, nghiên cứu một
cách thuận lợi.
Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình Tôi đã luôn quan tâm,
động viên và giúp đỡ để Tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án.
Hà Nội, ngày 12 tháng 02 năm 2020
Tác giả luận án

Trần Hùng Cường

ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................ vii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC........................... 5

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ...................................................... 5
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................... 5
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................... 6
1.2 Cấu trúc cơ bản và hoạt động của bộ biến đổi MMC ..................................... 8
1.2.1 Cấu trúc của bộ biến đổi MMC .................................................................. 8
1.2.1 Nguyên lý tạo một mức điện áp của SM dạng nửa cầu ........................... 10
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC ........................................... 11
1.3 Vấn đề điều chế cho bộ biến đổi MMC ......................................................... 13
1.4 Vấn đề điều khiển cho bộ biến đổi MMC ...................................................... 14
1.5 Định hướng nghiên cứu và đóng góp của luận án.......................................... 18
1.6 Tóm tắt và kết luận ......................................................................................... 19
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI MMC ............................................. 20
2.1 Mô hình trạng thái liên tục của BBĐ MMC khi nối tải R-L.......................... 20
2.2 Mô hình BBĐ MMC trong chế độ nối lưới ................................................... 26
2.3 Mô hình MMC trong các phương pháp điều chế cơ bản ............................... 30
2.3.1 Mô hình MMC trong phương điều chế mức gần nhất NLM ...................... 30
2.3.1.1 Điều chế NLM cổ điển cho MMC ....................................................... 31
2.3.1.2 Điều chế NLM cải tiến cho MMC ........................................................ 33
2.4 Mô phỏng các phương pháp điều chế cơ bản cho MMC ............................... 40
2.4.1 Mô phỏng phương pháp điều chế NLM cải tiến cho BBĐ MMC ........... 41
2.4.2 Mô phỏng phương pháp điều chế PS-PWM cho BBĐ MMC ................. 42
2.5 Tóm tắt và kết luận......................................................................................... 44
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SVM CHO BBĐ MMC .................... 46
3.1 Phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức .................................... 46
3.1.1 Trạng thái khóa bán dẫn, trạng thái mức và vector trạng thái ................. 47
3.1.2 Tính hệ số điều chế theo phương pháp điều chế từ ba vector gần nhất .. 51
3.1.4 Xác định các vector trạng thái trong các sector ...................................... 54
3.2 Trật tự tối ưu về số lần chuyển mạch và chất lượng sóng hài điện áp ra ....... 57
3.3 Thứ tự chuyển mạch tối ưu và điều chế bằng ba vector gần nhất.................. 59
3.4 Thực hiện quy luật điều chế SVM cho MMC ................................................ 63

3.5 Thuật toán cân bằng điện áp trên các tụ của MMC ....................................... 65
iii


3.6 Mô phỏng phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC ............................. 67
3.7 Điều khiển dự báo cân bằng điện áp trung bình tụ điện ................................ 69
3.7.1 Mô hình dự báo dòng điện vòng, điện áp tụ điện của MMC ................... 72
3.7.2 Hàm mục tiêu của thuật toán điều khiển dự báo cân bằng giá trị trung
bình điện áp tụ điện ............................................................................................ 74
3.7.3 Thuật toán tối ưu hóa giá trị dự báo điện áp trung bình trên tụ điện mỗi
nhánh pha ........................................................................................................... 75
3.8 Điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao của dòng điện vòng trong
MMC ................................................................................................................ 76
3.9 Mô hình và kết quả mô phỏng MMC dựa trên thuật toán điều khiển dự báo
dòng điện vòng và cân bằng điện áp tụ điện .................................................... 80
3.9.1. Mô hình các khối mô phỏng trong matlab-simulink ............................... 80
3.9.3 Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 85
3.10 Tóm tắt và kết luận........................................................................................ 89
CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC ỨNG DỤNG CỦA MMC .. 91
4.1 Điều khiển BBĐ MMC nối lưới điện xoay chiều ba pha .............................. 91
4.1.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ............................................................. 92
4.1.2 Thiết kế bộ điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng .......... 94
4.1.3 Kết quả mô phỏng hệ thống bộ biến đổi MMC nối lưới ......................... 96
4.2 Ứng dụng D-STATCOM bù CSPK dựa trên MMC ...................................... 99
4.2.1 Giới thiệu về STATCOM và bù công suất phản kháng............................ 99
4.2.2 Cấu trúc DSTATCOM dựa trên MMC .................................................. 100
4.2.3 Nguyên lý làm việc D-STATCOM........................................................ 101
4.2.4 Thiết kế điều khiển D-STATCOM dựa trên MMC ............................... 103
4.2.5 Mô phỏng hệ thống D-STATCOM dựa trên MMC .............................. 105
4.3 Tóm tắt và kết luận ........................................................................................ 107

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM BỘ BIẾN
ĐỔI MMC .............................................................................................................. 109
5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm BBĐ MMC ................................................ 109
5.2 Tính toán thiết kế hệ thống thực nghiệm ..................................................... 110
5.2.1 Tính toán thiết kế mạch lực .................................................................... 110
5.2.2 Tính toán thiết kế mạch đo ..................................................................... 112
5.2.3 Mạch ADC ............................................................................................. 114
5.2.3 Tính toán và thiết kế mạch driver .......................................................... 115
5.2.4 Mạch đệm ADC ..................................................................................... 116
5.2.5 Mạch FPGA ............................................................................................ 117
5.2.6 Sản phẩm mạch được thiết kế ................................................................ 117
5.3 Kết quả thực nghiệm .................................................................................... 120
5.3.1 Kết quả thực nghiệm phương pháp điều chế PWM cho MMC .............. 120
5.3.2 Kết quả thực nghiệm phương pháp điều chế NLM cho MMC............... 122
iv


5.3.3 Kết quả thực nghiệm phương pháp điều chế SVM cho MMC ............... 124
5.4 Tóm tắt và kết luận ........................................................................................ 125
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 127
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 130
PHỤC LỤC............................................................................................................. 139
Phục lục 1 Các chương trình lập trình ............................................................... 139
Phục lục 2 Hình ảnh một số khối thực hiện mô phỏng trên Matlab-Simmulink 146
Phục lục 3 Tính toán thông số hệ thống mạch đo trong thực nghiệm MMC ...... 148

v


DANH MỤC KÝ HIỆU

Ký hiệu
L
R
Lo
C
Ro
U
id, iq
i∝, iβ
iv
ix
iDC
iref
iref_d, iref_d
iHx
iLx
vHx
vx
vLx
VDC
VC
Vdiff
P
Q
VSM
vex
kH, kL

VCx

Đơn vị Ý nghĩa
H
Cuộn cảm trên tải
Điện trở trên tải

H
Cuộn cảm trên nhánh của MMC
F
Tụ điện của SM
Điện trở nhánh của MMC

V
Điện áp nguồn điện phía xoay
A
Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ dq
A
Dòng điện chạy qua cuộn cảm trên hệ tọa độ ∝β
A
Dòng điện vòng
A
Dòng điện phía đầu ra xoay chiều
A
Dòng điện phía một chiều
A
Dòng điện đặt
A
Dòng điện đặt trục d và trục q trong hệ tọa độ dq
A
Dòng điện chạy ở nhánh trên

A
Dòng điện chạy ở nhánh dưới
V
Điện áp tổng của nhánh trên
V
Điện áp ra phía xoay chiều
V
Điện áp tổng của nhánh dưới
V
Điện áp nguồn một chiều
V
Điện áp tụ điện
V
Độ chênh lệch điện áp nhánh trên và nhánh dưới
W
Công suất tác dụng
Var
Công suất phản kháng
V
Điện áp của SM
V
Điện áp ra của bộ biến đổi
Chỉ số chèn của SM ở nhánh trên và nhánh dưới
V
Điện áp tổng của tụ điện được chèn vào trong một pha

Cx

F

Điện dung tổng trong một pha

Cl
Ll
ωs

F
H
rad/s

Điện dụng bộ lọc nối lưới
Điện cảm bộ lọc nối lưới
Tần số góc dòng điện và điện áp lưới

vi


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ĐTCS
BBĐ
SVM
CHB
FPGA
HB
DSP
FACTS
FC
IGBT
PV
NPC

MPC
FCS
PLL
PWM
MMC
STATCOM

FOC
THD
NLM
SVM
SM
PS-PWM
LS-PWM
IPD
POD
APOD
CSPK

Điện tử công suất
Bộ biến đổi
Space Vector Modulation
Điều chế véc tơ không gian
Cascaded H -bridge
Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng
Field Programmable Gate Mảng cổng lập trình được
Array
H-Bridge
Cầu H
Digital Signal Processor

Xử lý tín hiệu số
Flexible AC Transmission Hệ thống truyền tải xoay chiều linh
System
hoạt
Flying Capacitor
Tụ bay
Insulated
Gate
Bipolar Van IGBT
Transistor
Photovoltaic
Điện mặt trời
Neutral –point converter
Bộ biến đổi đa mức diode chốt
Model Predictive Control
Điều khiển dựa trên mô hình dự báo
Finite Control Set
Điều khiển hữu hạn trạng thái đóng cắt
Phase Locked Loop
Vòng khóa pha
Pulse Width Modulation
Điều chế độ rộng xung
Modular multilevel Converter Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module
Static
Synchronous Thiết bị bù đồng bộ tĩnh
Compensator
Flux oriented control
Điều khiển tựa theo từ thông
Total Harmonic Distortion
Tổng méo sóng hài

Nearest Level Modulation
Điều chế mức gần nhất
Space Vector Modulation
Điều chế vector không gian
Sub Module
Bộ biến đổi nửa cầu
Phase Shift Carrier Based Điều chế theo sóng mang dạng dịch pha
Modulation
Level Shift Carrier Based Điều chế theo sóng mang dạng dịch mức
Modulation
In Phase Disposition
Sóng mang cùng pha
Phase Opposite Disposition
Sóng mang đối xứng qua trục thời gian
Alternative Phase Opposite Sóng mang ngược pha giữa hai sóng
Disposition
mang kề nhau, dịch một góc 180o
Công suất phản kháng

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Điện áp ngõ ra của SM ............................................................................ 11
Bảng 2.1 Số mức điện áp trên đầu ra của NVL cải tiến. .......................................... 23
Bảng 2.2 Kết quả so sánh giữa hai phương pháp NLM cổ điển và NLM cải tiến ... 35
Bảng 2.3 Thông số mô phỏng BBĐ MMC ................................................................ 40
Bảng 3.1 Bảng vector trạng thái cho MMC ba pha 3 mức (góc phần sáu I, II, III) 50
Bảng 3.2 Bảng các vector trạng thái trong các sector ............................................. 56
Bảng 3.3 Chuyển mạch tối ưu cho nhóm 4 tam giác 1, 2, 3, 4. ................................ 58

Bảng 3.4 Bảng gán các trạng thái khóa cho các vector trong điều chế NVM ở sector
I, cùng một trạng thái [kg, kh] , mg + mh <=1 ......................................................... 60
Bảng 3.5 Bảng gán các trạng thái khóa cho các vector trong điều chế NVM ở sector
I, cùng một trạng thái [kg, kh], mg + mh > 1 ........................................................... 60
Bảng 3.6 Bảng gán các trạng thái khóa cho các vector trong điều chế NVM ở sector
II, cùng một trạng thái [kg, kh], mg + mh <= 1 ........................................................ 60
Bảng 3.7 Bảng gán các trạng thái khóa cho các vector trong điều chế NVM ở sector
II, cùng một trạng thái [kg, kh], mg + mh > 1......................................................... 60
Bảng 3.8 Bảng các hệ số điều chế trên hệ tọa độ abc cho các sector...................... 62
Bảng 3.9 Bảng hệ số điều chế cho các pha, sector I, III, V, mg + mh <= 1 ............. 62
Bảng 3.10 Bảng hệ số điều chế cho các pha, sector I, III, V, mg + mh >1............... 62
Bảng 3.11 Bảng các hệ số điều chế cho các pha, sector II, IV, VI, mg + mh <=1 ... 62
Bảng 3.12 Bảng các hệ số điều chế cho các pha, sector II, IV,VI, mg + mh>1........ 63

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Một số ứng dụng của BBĐ đa mức trong thực tế ....................................... 8
Hình 1.2 Cấu trúc bộ biến đổi MMC .......................................................................... 9
Hình 1.3 Trạng thái đóng cắt của S1 và S2: (a) và (b) Khi dòng điện có chiều
dương; (c) và (d) khi dòng điện có chiều âm ........................................................... 10
Hình 1.4 Tổng quan về các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa mức ........... 13
Hình 2.1 Cấu trúc BBĐ MMC một pha .................................................................... 21
Hình 2.2 Cấu trúc mô hình trung bình của BBĐ MMC ........................................... 21
Hình 2.3 Đồ thị mô tả sự tạo thành điện áp đầu ra của MMC khi áp dụng phương
pháp điều chế NLM cải tiến...................................................................................... 23
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý BBĐ MMC nối lưới ......................................................... 27
Hình 2.5 Sơ đồ tương đương BBĐ MMC nối lưới ................................................... 27

Hình 2.6 Biểu diễn vector điện áp và dòng điện trên các hệ trục tọa độ ................. 29
Hình 2.7 Tín hiệu điện áp ra và điện áp đặt của phương pháp điều chế NLM ........ 30
Hình 2.8 Sơ đồ phương pháp NLM cổ điển .............................................................. 31
Hình 2.9 Nguyên lý của phương pháp NLM cổ điển ................................................ 32
Hình 2.10 Sơ đồ phương pháp NLM cải tiến ........................................................... 33
Hình 2.11 Nguyên lý của phương pháp NLM cải tiến .............................................. 34
Hình 2.12 Cấu trúc phương pháp điều chế NLM cải tiến cho BBĐ MMC .............. 35
Hình 2.13 Điều chế sóng mang dịch mức kiểu IPD ................................................. 36
Hình 2.14 Điều chế sóng mang dịch mức kiểu APOD ............................................. 37
Hình 2.15 Điều chế sóng mang dịch mức kiểu POD............................................... 37
Hình 2.16 Điều chế sóng mang dịch pha sử dụng hai sóng mang ngược pha 180o 38
Hình 2.17 Điều chế sóng mang dịch pha sử dụng hai sóng sin ngược pha 180o ..... 38
Hình 2.18 Điều chế PSPWM cho bộ biến đổi MMC ................................................ 39
Hình 2.19 Nguyên lý tạo xung cho phương pháp PS-PWM ..................................... 39
Hình 2.20 Cấu trúc phương pháp điều chế PSPWM cho BBĐ MMC..................... 40
Hình 2.21 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A của MMC .............................. 41
Hình 2.22 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc ...................... 41
Hình 2.23 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải .............................. 41
Hình 2.24 Dạng điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A ............. 41
Hình 2.25 Dòng điện vòng trong các pha của bộ biến đổi ...................................... 41
Hình 2.26 Kết quả phân tích Fourier điện áp đầu ra AC ...................................... 42
Hình 2.27 Kết quả phân tích Fourier dòng điện trên tải ......................................... 42
Hình 2.28 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A của MMC .............................. 43
Hình 2.29 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải .............................. 43
Hình 2.30 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc ...................... 43
Hình 2.31 Dạng điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A ............. 43
ix


Hình 2.32 Dòng điện vòng trong mỗi pha của BBĐ MMC ...................................... 43

Hình 2.33 Kết quả phân tích Fourier điện áp đầu ra pha A .................................... 44
Hình 2.34 Kết quả phân tích Fourier của dòng điện đầu ra .................................... 44
Hình 3.1 Trạng thái vector điện áp của BBĐ ba mức trên tọa độ gh ..................... 50
Hình 3.2 Trạng thái vector điện áp của BBĐ ba mức trên tọa độ abc ................... 50
Hình 3.3 Vector không gian cho MMC ba pha 5 mức (N = 2, M = 5) ................... 51
Hình 3.4 Tổng hợp vector điện áp ra từ ba vector đỉnh của tam giác .................... 51
Hình 3.5 Đồ thị minh họa quá trình tính toán các hệ số điều chế .......................... 53
Hình 3.6 Ba hệ tọa độ không vuông góc tạo nên các góc phần sáu (các Sector) .... 53
Hình 3.7 Thuật toán xác định sector lớn ................................................................. 54
Hình 3.8 Tín hiệu PWM và thời gian sử dụng vector tích cực, vector không ......... 58
Hình 3.9 Trật tự chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu ba pha 3 mức........................ 58
Hình 3.10 Trật tự chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu 7 mức (góc phần sáu thứ I)59
Hình 3.11 Mẫu xung điều chế SVM cho sector I, III, V. .......................................... 61
Hình 3.12 Mẫu xung điều chế cho sector II, IV, VI. ................................................. 61
Hình 3.13 Mẫu xung khi chuyển hệ tọa độ abc, sector I,III,V, khi mg + mh <= 1 ... 61
Hình 3.14 Mẫu xung khi chuyển hệ tọa độ abc, sector I,III,V, khi mg + mh > 1 ...... 61
Hình 3.15 Mẫu xung khi chuyển sang hệ tọa độ abc, sector II, IV, VI, ................... 62
Hình 3.16 Mẫu xung khi chuyển sang hệ tọa độ abc, sector II, IV,VI, .................... 62
Hình 3.17 Giá trị của kHx và kHx trong suốt một nửa chu kỳ đóng cắt Ts ................. 64
Hình 3.18 Cấu trúc phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC ........................... 65
Hình 3.19 Thuật toán cân bằng điện áp tụ điện ....................................................... 66
Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý của thuật toán cân bằng điện áp tụ điện....................... 66
Hình 3.21 Lưu đồ thuật toán cân bằng điện áp tụ điện............................................ 67
Hình 3.22 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A của MMC ............................. 68
Hình 3.23 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải .............................. 68
Hình 3.24 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc ..................... 68
Hình 3.25 Dạng điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A ............. 68
Hình 3.26 Dòng điện vòng trong mỗi pha pha của bộ biến đổi MMC..................... 69
Hình 3.27 Kết quả phân tích Fourier điện áp đầu ra pha A .................................... 69
Hình 3.28 Kết quả phân tích Fourier dòng điện đầu ra........................................... 69

Hình 3.29 Cấu trúc và nguyên lý làm việc của bộ điều khiển dự báo ...................... 70
Hình 3.30 Nguyên tắc hoạt động của thuật toán MPC ............................................ 75
Hình 3.31 Cấu trúc MPC cân bằng điện áp trung bình tụ điện của MMC .............. 76
Hình 3.32 Cấu trúc điều khiển dòng điện vòng trong một pha của MMC ............... 78
Hình 3.33 Lưu đồ thuật toán điều khiển dự báo xác định JVmin và kOpt .................... 79
Hình 3.34 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng hệ thống BBĐ MMC áp dụng điều khiển cân
bằng điện áp trung bình trên tụ và điều khiển dòng điện vòng dựa trên thuật toán
điều chế SVM ............................................................................................................ 80

x


Hình 3.35 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc mạch lực và các tin hiệu đo lường để điều
khiển cho BBĐ MMC 13 mức. .................................................................................. 81
Hình 3.36 Sơ đồ cấu trúc mạch lực của một nhánh trong bộ biến đổi MMC ......... 81
Hình 3.37 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng điều chế SVM và điều khiển dòng điện vòng và
cân bằng điện áp tụ DC ............................................................................................ 82
Hình 3.38 Mô hình cấu trúc chuyển tọa độ abc sang ∝β trong matlab-simulink ... 83
Hình 3.39 Mô hình xác định Sector và giá trị mg, mh trong điều chế SVM............. 83
Hình 3.40 Mô hình lập trình xác định tọa độ nguyên kg, kh; kiểu tam giác D1, D2 và
các hệ số d1, d2, d3 .................................................................................................... 83
Hình 3.41 Mô hình mô phỏng điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao
cho dòng điện vòng của MMC.................................................................................. 84
Hình 3.42 Mô hình lập trình thực hiện điều chế SVM và thuật toán điều khiển dự
báo điện áp trung bình trên tụ DC ........................................................................... 84
Hình 3.43 Mô hình xác định thời gian đóng mở van trong một nhánh của MMC . 85
Hình 3.44 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho tải .............................. 85
Hình 3.45 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa qua cuộn lọc ..................... 85
Hình 3.46 Dạng điện áp các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A ............ 85
Hình 3.47 Dòng điện vòng trong ba pha của BBĐ MMC ....................................... 86

Hình 3.48 Điện áp chênh lệch của nhánh trên và nhánh dưới các pha của MMC .. 86
Hình 3.49 Kết quả phân tích Fourier điện áp đầu ra pha A ................................... 86
Hình 3.50 Kết quả phân tích Fourier dòng điện đầu ra........................................... 86
Hình 3.51 Hình dạng hệ số kopt trong hệ tọa độ dq ................................................. 87
Hình 3.52 Hình dạng hệ số kA, kB, kC trong điều chế SVM....................................... 88
Hình 3.53 Hình dạng hệ số điều chế dA, dB, dC trong điều chế SVM ....................... 88
Hình 3.54 Hình dạng giá trị tối thiểu của hàm mục tiêu Jvmin .................................. 88
Hình 3.55 Giá trị thực của ivA, vHA, vLA, vdiff_A ......................................................... 88
Hình 3.56 Giá trị dự báo của ivA, vHA, vLA, vdiff_A ...................................................... 89
Hình 4.1 Sơ đồ mạch vòng dòng điện....................................................................... 93
Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện ................................................ 93
Hình 4.3 Sơ đồ khối mạch vòng công suất ............................................................... 94
Hình 4.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển mạch vòng công suất .............................. 95
Hình 4.5 Sơ đồ mạch vòng điều khiển bộ biến đổi MMC......................................... 96
Hình 4.6 Dạng điện áp ba pha phía xoay chiều chưa cung cấp cho lưới điện ........ 96
Hình 4.7 Dòng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho lưới điện ...................... 96
Hình 4.8 Công suất phản kháng BBĐ MMC cung cấp cho lưới điện ...................... 97
Hình 4.9 Đáp ứng dòng điện id trong hệ tọa độ dq ................................................. 97
Hình 4.10 Đáp ứng dòng điện iq trong hệ tọa độ dq ................................................ 97
Hình 4.11 Điện áp trên các tụ điện của nhánh trên và nhánh dưới pha A .............. 97
Hình 4.12 Dòng điện vòng chạy trong pha A của BBĐ ........................................... 97
Hình 4.13 Kết quả phân tích Fourier dạng điện áp xoay chiều .............................. 98
xi


Hình 4.14 Kết quả phân tích Fourier dòng điện xoay chiều ................................... 98
Hình 4.15 Cấu trúc hệ thống D-STATCOM .......................................................... 100
Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý của D-STATCOM ........................................................ 101
Hình 4.17 a) Trạng thái hấp thu công suất phản kháng; b) Trạng thái phát ra công
suất phản kháng; c) Trạng thái không trao đổi công suất phản kháng ................. 102

Hình 4.18 Sóng dòng điện, điện áp của D-STATCOM .......................................... 102
Hình 4.19 Đặc tính V-I của D-STATCOM ............................................................ 103
Hình 4.20 Sơ đồ mạch vòng điều khiển điện áp DC .............................................. 104
Hình 4.21 Sơ đồ cấu trúc điều khiển D-STATCOM dựa trên BBĐ MMC ............. 105
Hình 4.22 Hình dạng dòng điện đầu ra của D-STATCOM .................................... 106
Hình 4.23 Hình dạng điện áp đầu ra của D-STATCOM ........................................ 106
Hình 4.24 Hình dạng điện áp nguồn một chiều DC ............................................... 106
Hình 4.25 Hình dạng đáp ứng công suất Q đầu ra MMC.................................... 106
Hình 4.26 Hình dạng dòng điện trên trục d và trục q ............................................ 106
Hình 4.27 Hình dạng điện áp tụ điện pha A của MMC.......................................... 107
Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thực nghiệm một pha của BBĐ MMC .............. 110
Hình 5.2 Sơ đồ thiết kế mạch gồm 2 SM ................................................................ 111
Hình 5.3 Cấu trúc mạch đo dòng điện nhánh ........................................................ 113
Hình 5.4 Cấu trúc mạch đo điện áp trên các tụ của SM ........................................ 113
Hình 5.5 Mạch đo dòng điện nhánh ....................................................................... 113
Hình 5.6 Mạch đo điện áp tụ của SM ..................................................................... 114
Hình 5.7 Mạch ADC thực hiện bởi IC MCP3208 .................................................. 114
Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý mạch Driver .................................................................. 115
Hình 5.9 Khối nguồn cấp cho mạch driver ............................................................ 115
Hình 5.10 Sơ đồ thiết kế của mạch driver ............................................................. 116
Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý và bo mạch thực mạch Dead Time.............................. 117
Hình 5.12 Sơ đồ mô tả tuần tự lập trình trên FPGA .............................................. 117
Hình 5.13 Bo mạch gồm 2 SM ................................................................................ 118
Hình 5.14 Bo mạch Driver cấp xung cho 4 IGBT ................................................. 118
Hình 5.15 Mạch đo dòng và tụ điện trên các nhánh cho một pha ......................... 118
Hình 5.16 Kit FPGA AX 309 Xilinx........................................................................ 118
Hình 5.17 Mô hình tổng thể hệ thống thực nghiệm bộ biến đổi MMC .................. 119
Hình 5.18 Mẫu xung ra của FPGA và Drive cấp cho IGBT .................................. 120
Hình 5.19 Hình dạng điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A ............................ 120
Hình 5.20 Hình dạng điện áp trên tải xoay chiều của pha A, B, C ........................ 121

Hình 5.21 Hình dạng dòng điện trên tải xoay chiều của pha A, B, C ................... 121
Hình 5.22 Hình dạng điện áp trên tụ điện của SM1 pha A, B, C ........................... 121
Hình 5.23 Hình dạng dòng điện vòng pha A, B, C ................................................. 121
Hình 5.24 Hình dạng điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A ............................ 122
Hình 5.25 Hình dạng điện áp trên tải xoay chiều của pha A, B, C ........................ 122
xii


Hình 5.26 Hình dạng dòng điện trên tải xoay chiều của pha A, B, C .................... 123
Hình 5.27 Hình dạng điện áp trên tụ điện của SM1 pha A, B, C ........................... 123
Hình 5.28 Hình dạng dòng điện vòng pha A, B, C ................................................. 123
Hình 5.29 Hình dạng điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A ........................... 124
Hình 5.30 Hình dạng điện áp xoay chiều đầu ra của pha A, B, C ........................ 124
Hình 5.31 Hình dạng dòng điện trên tải xoay chiều của pha A, B, C .................... 124
Hình 5.32 Hình dạng điện áp trên tụ điện của SM1 pha A, B, C ........................... 125
Hình 5.33 Hình dạng dòng điện vòng pha A, B, C ................................................. 125

xiii


Mở đầu

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây BBĐ đa mức được coi như một giải pháp hiệu quả
cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao. Các BBĐ đa mức giúp cho quá
trình sử dụng linh kiện bán dẫn với kích thước nhỏ hơn, dễ dàng hơn cho quá trình
thiết kế nhiệt của thiết bị. BBĐ đa mức tạo ra điện áp dạng sin từ các bước điện áp
nhỏ hơn từ các nguồn DC, là các loại nghịch lưu nối tầng, hoặc từ các cấp điện áp
dùng bộ phân áp bằng một loạt tụ, như nghịch lưu dùng diode kẹp (NPC) các mức

điện áp và nghịch lưu dùng hệ thống tụ DC tự do (FCC), nghịch lưu trên cơ sở cầu
chữ H nối tầng (CHB). 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 [17]. Với cấu trúc mô đun hóa, MMC có thể tạo ra số mức rất lớn [18]. Với
lợi thế này, có thể xây dựng được các BBĐ MMC làm việc ở cấp điện áp từ trung
thế (MV – từ trên 1 kV đến 60 kV), đến mức cao thế (HV – 110 kV đến 220 kV)
[19], [20], [28], [33]. Như vậy, với dải công suất lớn, điện áp cao là vùng làm việc
chủ yếu của MMC để đạt được tính năng cao trong chuyển đổi điện năng.
Chiến lược điều khiển cho MMC trong nghiên cứu này tập trung vào các vấn đề
như: 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. Quá trình điều chế cần
đảm bảo hướng tới giảm tần số đóng cắt của van bán dẫn, từ đó giảm được tổn hao
do đóng cắt, trong khi phải đảm bảo giảm thiểu tổng độ méo sóng hài THD trên
dạng sóng điện áp ra. Để thực hiện được chiến lược điều khiển cho MMC, các thiết
bị vi xử lý mạnh mẽ đã ra đời cho phép thực hiện quá trình điều khiển với tốc độ
nhanh, chính xác và đáp ứng được số lượng cổng tín hiệu rất lớn của MMC để tạo
điều kiện hiện thực hóa việc điều khiển hàng loạt van bán dẫn trong cùng một
khoảng thời gian nhỏ.
Các kỹ thuật điều chế cho MMC 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. Về điều chế độ rộng xung PWM có thể áp dụng tất cả các phương pháp nhiều
sóng mang như đối với các nghịch lưu đa mức khác như kỹ thuật điều chế với các
sóng mang dịch pha PS-PWM và các sóng mang dịch mức LS-PWM [21]. Điều chế
với nhiều sóng mang dễ áp dụng và cũng có thể mang lại hiệu quả cao về đảm bảo
thành phần sóng hài với THD thấp [21], [51]. Tuy nhiên, do các dạng sóng mang là
cố định nên muốn thay đổi các chế độ của sơ đồ điều chế để đạt được những mục
tiêu khác như tăng khả năng sử dụng điện áp nguồn DC, giảm số lần đóng cắt của

1


Mở đầu
van bán dẫn bằng các sơ đồ điều chế gián đoạn. Với đặc thù của MMC là có thể tạo
ra số mức điện áp rất lớn nên thuật toán điều chế nhiều sóng mang trở nên rất phức
tạp. Việc cải tiến hay thực hiện quy luật điều chế mới luôn được quan tâm từ các
nhà khoa học trên thế giới. Phép điều chế SVM có những ưu điểm ở khả năng linh
hoạt hơn nhiều so với PWM. 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 [11], [43]. Điều này rất cần thiết để đảm bảo đặc tính động học
của hệ thống vì thông thường BBĐ nằm trong hệ thống các mạch vòng điều chỉnh,
lượng đặt cho BBĐ điện áp thường từ đầu ra của bộ điều khiển dòng điện có thể có
dạng khác xa so với hình sin, khi đó tính toán các lượng offset cho PWM nhiều
sóng mang trở nên là vấn đề lớn. Nhờ khả năng sắp xếp các vector tích cực một
cách tùy ý trong chu kỳ đóng cắt, SVM có thể cho phép thực hiện các phép điều chế
gián đoạn (DPWM) dễ dàng để giảm thiểu số lần khóa bán dẫn chuyển mạch [22].
Nhờ các vector trạng thái dư các thuật toán cân bằng điện áp DC giữa các pha và
giữa các tụ DC trên cùng một pha cũng có thể xây dựng được một cách thuận lợi.
Yêu cầu tính toán cao được coi là nhược điểm chính của SVM khi số lượng vector
trạng thái tăng lên nhanh theo số mức [9], [50], [53]. Như vậy việc xây dựng được
một thuật toán SVM hiệu quả về yêu cầu tính toán, có khả năng áp dụng cho nghịch
lưu MMC có số mức bất kỳ là một nhiệm vụ thực tiễn phải giải quyết.
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.
Mục đích của cân bằng điện áp tụ chính là làm cho các tụ điện hoạt động ổn định và
lâu dài, đảm bảo trị số định mức theo yêu cầu để BBĐ có thể tạo ra các thông số
đầu ra mong muốn. 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. Giá trị tức thời của các tụ DC còn được cân bằng bởi thuật toán
sắp xếp các tụ theo giá trị điện áp tăng dần hoặc giảm dần để lựa chọn đưa tụ nào
vào tùy theo cần nạp cho tụ hay cho tụ xả phụ thuộc vào chiều dòng điện.
Cũng như các BBĐ đa mức khác thì trong mạch MMC có tồn tại dòng điện
vòng trong mạch lực của MMC, dòng điện vòng trong MMC đóng vai trò là dòng
DC quyết định sự cân bằng công suất giữa phía DC với phía AC. Về mặt lý tưởng
nếu điện áp phía DC phẳng hoàn toàn thì dòng điện vòng chỉ có thành phần DC
[23], [24]. Tuy nhiên đối với mỗi nhánh một pha công suất tức thời phía AC có
dạng đập mạch với tần số bằng 2 lần tần số cơ bản, vì vậy trên dòng điện vòng
ngoài thành phần trung bình DC sẽ có các thành phần sóng hài bậc chẵn, 2, 4…
[28], [31]. Các thành phần hài này sẽ gây nên đập mạch trên các tụ DC và sẽ ảnh
hưởng đến chất lượng sóng hài của điện áp AC. Nếu muốn đập mạch điện áp trên tụ
2


Mở đầu
đủ nhỏ thì có thể phải chọn tụ DC đủ lớn, về lý tưởng là vô cùng lớn [47], điều
không thể chấp nhận vì tính kinh tế kỹ thuật của cả hệ thống. Vì vậy, suy giảm
thành phần sóng hài của dòng điện vòng là một nhiệm vụ quan trọng của hệ thống
điều khiển. Trên cơ sở hệ thống điều khiển MMC đã xây dựng được, việc chứng tỏ
những ưu thế của MMC trong các ứng dụng tiêu biểu cũng là một nhiệm vụ đặt ra
trong nghiên cứu này. Những ứng dụng tiêu biểu nhất cho MMC bao gồm: ứng với
chế độ MMC nối lưới không cần máy biến áp, ứng dụng trong bộ bù đồng bộ tĩnh
D-TATCOM để bù công suất phản kháng cho phụ tải điện…
Luận án này sẽ tập trung nghiên cứu về BBĐ đa mức có cấu trúc module MMC.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
BBĐ đa mức MMC, các phương pháp điều chế SVM, PWM, NLM, phương
pháp điều khiển dự báo MPC áp dụng cho MMC để cân bằng điện áp trên các tụ

điện và làm 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. Trên cơ sở đó nghiên cứu thực nghiệm các phương pháp
điều chế cho MMC nhúng trong đối tượng xử lý tín hiệu số FPGA AX309 Xilinx.
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 CỦA 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 để loại bỏ các
thành phần hài bậc chẵn thấp nhất 2, 4, chỉ giữ lại thành phần một chiều truyền công
suất từ phía DC sang phía AC với mục tiêu đảm bảo chỉ số THD đạt giá trị yêu cầu.
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 và đảm bảo được chất
luợng dòng điện, điện áp trong điều kiện điện áp luới mất cân bằng. Chỉ ra ứng
dụng của BBĐ MMC trong hệ thống điện.
Về thực tế: Xây dựng mô phỏng thời gian thực để kiểm chứng cấu trúc điều
khiển và thuật toán cân bằng năng lượng cho MMC. Đề tài xây dựng mô hình thực
3

Mở đầu
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. Các thuật toán điều khiển, điều chế được
nhúng trên thiết bị vi mạch tích hợp FPGA AX309 Xilinx.
Bố cục luận án gồm 5 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan về BBĐ đa mức MMC: Giới thiệu và nêu vai trò của BBĐ
MMC trong các ứng dụng công nghiệp, phân tích dựa trên tổng hợp các công trình
nghiên cứu về BBĐ MMC đã được công bố trong và ngoài nước. Phân tích cấu trúc,
nguyên lý hoạt động và khả năng ứng dụng của MMC. Trình bày các vấn đề điều
khiển cho MMC, các tồn tại và phương pháp giải quyết, khả năng phát triển của
MMC ở hiện tại và tương lai. Chương này cũng trình bày các yêu cầu cơ bản của
MMC. Các vấn đề nghiên cứu, mục tiêu đề tài, định hướng và đóng góp của đề tài
cũng được nêu ra để thực hiện cho quá trình nghiên cứu ở các chương sau.
Chương 2. Thực hiện mô hình hóa BBĐ MMC: Nghiên cứu xây dựng mô hình
toán học của BBĐ. Dựa vào các biến và các phương pháp mô hình hóa, trong
chương này tác giả đã thực hiện xây dựng mô hình toán học của BBĐ MMC trong
một số chế độ cụ thể như khi phía xoay chiều được nối tải R-L và trong chế độ vận
hành nối lưới, chương này cũng phân tích mô hình MMC trong các phép điều chế
cơ bản kèm theo mô phỏng kiểm chứng kết quả.
Chương 3. Phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC: trọng tâm của chương
này là thực hiện các phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC đảm bảo trật tự
chuyển mạch tối ưu. Kết quả dòng điện, điện áp phía xoay chiều, điện áp tụ, dòng
điện vòng được đưa ra phân tích để đánh giá hiệu quả của BBĐ khi thực hiện các
phương pháp điều chế. Dựa trên kết quả phân tích của các phương pháp điều chế
đạt được, chương này sẽ phân tích, thiết kế điều khiển dự báo cân bằng điện áp
trung bình trên tụ điện ở mỗi nhánh van, thiết kế điều khiển suy giảm thành phần
sóng hài bậc cao trong dòng điện vòng. Từ đó sẽ mô phỏng kiểm chứng kết quả.
Chương 4. Hệ thống điều khiển trong các ứng dụng cho BBĐ MMC: Trong

chương này tác giả thực hiện thiết kế các vòng điều khiển dòng điện, điện áp và
điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng dựa trên cấu trúc điều chế và
điều khiển đã thực hiện ở chương 3. Mục đích nâng cao chất lượng các kết quả đầu
ra phía xoay chiều khi BBĐ MMC nối lưới điện và thực hiện chức năng bù công
suất phản kháng mà lưới điện yêu cầu.
Chương 5. Xây dựng hệ thống thực nghiệm: Luận án trình bày các cấu trúc và
kết quả thực nghiệm với hệ thống BBĐ MMC gồm 12 SM trong mỗi pha: kiểm
nghiệm các phương pháp điều chế áp dụng cho BBĐ MMC.
Cuối cùng là kết luận và kiến nghị, cho thấy được đóng góp chính của luận án và
chỉ ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài.

4


Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC

Bộ biến đổi đa mức có cấu trúc module hóa (MMC) là BBĐ đa mức DC-AC 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 [17], [27], [28], [33].
So với các BBĐ đa mức khác, chẳng hạn như: BBĐ diode kẹp; BBĐ tụ điện tự do;
BBĐ cầu H nối tầng, ở mức điện áp cao BBĐ MMC có thể dễ dàng điều khiển hơn
và tạo ra dạng sóng điện áp có chất lượng tốt hơn [21], [39], [44]. 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, đây được xem là giải pháp cho
các ứng dụng để kết nối các nguồn điện phân tán công suất lớn, điện áp cao, ứng

dụng nổi bật nhất của MMC là sử dụng cho hệ thống truyền tải điện một chiều
HVDC với khoảng cách xa, ngoài ra MMC có thể ứng dụng cho các hệ thống điện
từ trung áp đến cao áp như: truyền động điện trung áp; các hệ thống bù tĩnh
STATCOM và các hệ thống biến đổi điện năng trung áp và cao áp, hệ thống lưu trữ
năng lượng (BESS), hệ thống điện mặt trời, hệ thống điện sức gió…[26], [33], [36],
[52], [65]. BBĐ MMC có thể khắc phục được những nhược 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 [32], [50],
[51], [71]. BBĐ MMC dựa trên những tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo các
phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị xử lý số cực mạnh nên có độ tin cậy cao,
tuổi thọ dài, cấu trúc đơn giản phù hợp với việc biến đổi các nguồn năng lượng [25],
[29]. MMC sử dụng các van bán dẫn hai chiều nên có thể tạo ra dòng điện, điện áp
ra phía xoay chiều hình sin có tần số phù hợp với điện áp lưới, có khả năng áp dụng
cho mọi dải công suất, từ trung áp đến cao áp [28], [54], [60].

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu các BBĐ ĐTCS kết nối các nguồn điện
và ứng dụng trong công nghiệp đã được nghiên cứu nhiều như: Bộ chỉnh lưu
AC/DC; BBĐ AC/AC (biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng không đổi
thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được) [6]; BBĐ DC/DC (biến đổi
điện áp một chiều có trị trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có trị
5


Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
trung bình thay đổi được); Bộ nghịch lưu DC/AC [10]; Bộ biến tần gián tiếp
AC/DC/AC (chỉnh lưu điện áp xoay chiều ngõ vào sau đó chuyển đổi điện áp một
chiều thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng điện áp và tần số thay đổi được) [6];
Bộ biến tần ma trận (Matrix Converter) [8]. Tuy nhiên, chưa có công trình nào

nghiên cứu bài bản, chi tiết các thuật toán điều chế, điều khiển, tối ưu quá trình làm
việc phát triển các ứng dụng cho BBĐ đa mức MMC với kỹ thuật phát triển số mức
bất kỳ.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Cấu trúc BBĐ MMC đã được giới thiệu lần đầu từ những năm 2000 bởi
Marquardt và Lesnicar [25] mục đích phát triển cấu hình về BBĐ đa mức cho hệ
thống biến đổi điện năng công suất lớn, điện áp cao [26], [27], [33], [39], [60].
Trong hàng chục năm qua, BBĐ MMC được sự quan tâm đặc biệt của các nhà
nghiên cứu nhằm tạo ra sản phẩm thương mại có tính năng tốt. Hiện nay, có nhiều
các dự án nghiên cứu đánh giá điều khiển và nâng cao hiệu suất của MMC. Các
nghiên cứu cho MMC chủ yếu tập trung vào cấu trúc mạch lực, phương pháp mô
hình hóa, thuật toán điều khiển cho MMC. Cụ thể như sau:
 Các phương pháp mô hình hóa cho bộ biến đổi MMC được trình bày trong
các tài liệu [69], [70].
 Với các phương pháp điều chế cho BBĐ MMC.
Phương pháp điều chế NLM cho MMC: Phương pháp này tỏ ra rất phù hợp với
BBĐ MMC khi số lượng SM ở mức lớn với tần số đóng cắt van thấp hơn nhiều so
với các phương pháp khác, đây cũng là ưu điểm lớn nhất của phương pháp điều chế
NLM. Kết quả của phương pháp này đã cho thấy chất lượng điện áp tốt với THD
nhỏ khi số SM từ 10 SM trở lên, tần số đóng cắt các van bán dẫn ở mức thấp [45].
Tuy nhiên, nhược điểm trong phương pháp này là việc tự cân bằng điện áp tụ của
BBĐ gặp nhiều khó khăn, do đó cần phát triển phương pháp điều chế với thuật toán
cân bằng điện áp tụ để đạt được sự hoạt động tốt và chuyển đổi năng lượng hiệu
suất cao trong BBĐ [49], [62]. Vấn đề này làm gia tăng sự phức tạp của quá trình
điều khiển BBĐ MMC.
Phương pháp điều chế PWM: Các phương pháp PWM áp dụng cho MMC có
thể kể đến như PSPWM và LSPWM. Ưu điểm chính của phương pháp này đó là
quá trình điều chế đơn giản, dễ dàng cho BBĐ MMC [21]. Với phương pháp
LSPWM áp dụng cho MMC cần thêm thuật toán cân bằng điện áp tụ, trong khi
PSPWM áp dụng cho MMC không cần thuật toán cân bằng điện áp tụ điện mà

MMC vẫn hoạt động tốt với điện áp các tụ điện được cân bằng [30], [51]. Nhược
điểm chính của phương pháp PWM đó là các van bán dẫn phải đóng cắt ở tần số
lớn, khi số mức điện áp lớn thì việc áp dụng phương pháp PWM cho MMC sẽ trở
nên khó khăn do việc sắp xếp các sóng mang tam giác sẽ phức tạp hơn [68].
6


Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
Phương pháp điều chế SVM: Đây là phương pháp điều chế cho chất lượng
thông số phía xoay chiều tốt [50], [51]. Tuy nhiên, việc tính toán phức tạp là nhược
điểm chính của phương pháp SVM khi áp dụng cho MMC, đặc biệt khi số mức của
MMC là lớn.
Các nghiên cứu về thuật toán điều chế cho MMC đã được thực hiện chi tiết ở
các công trình nghiên cứu [30], [41], [42], [43], [45]. Tuy nhiên việc tạo ra quy luật
điều chế đơn giản khi số mức của bộ biến đổi tăng lên gặp nhiều khó khăn hoặc quá
trình thực hiện còn nhiều phức tạp.
 Với các phương pháp điều khiển cho MMC: Các phương pháp điều khiển
cho MMC chủ yếu là điều khiển nhằm mục tiêu cân bằng điện áp tụ điện cho MMC
được trình bày trong các tài liệu [30], [31]. Điều khiển nhằm suy giảm thành phần
sóng hài bậc cao của dòng điện vòng trong mỗi pha của BBĐ MMC, được trình bày
trong các tài liệu [29], [73]. Điều khiển nhằm tạo ra các tín hiệu dòng điện, điện áp
phía xoay chiều có chất lượng tốt với quá trình chuyển mạch van tối ưu để giảm tổn
thất trong MMC, được trình bày trong các tài liệu [38], [46].
 Điều khiển hoạt động của MMC trong một số ứng dụng như: Bù công suất
phản kháng STATCOM [33], kết nối nguồn năng lượng phân tán với lưới điện [39],
[42]. Đây là một số các ứng dụng tiêu biểu của MMC trong hệ thống điện trung áp
nhằm cải thiệt tính ưu việt trong hệ thống điện.
Các công trình nghiên cứu về BBĐ MMC đã được thực hiện trong nhiều năm
qua. Tuy nhiên, vẫn đang còn nhiều vấn đề tồn tại cần khắc phục của BBĐ MMC
mà chưa có các nghiên cứu cụ thể như: thực hiện kỹ thuật điều chế đơn giản cho

MMC với số mức bất kỳ trong trường hợp mở rộng cấu hình MMC với số lượng
SM không hạn chế; điều khiển hạn chế dòng điện vòng; điều khiển cân bằng điện áp
tụ điện với phương pháp điều khiển đơn giản và phù hợp; triển khai các ứng dụng
của MMC một cách hiệu quả bằng cách kết hợp các phương pháp điều chế và điều
khiển nhằm mục đích đạt được hiệu quả chuyển đổi và hiệu suất cao trong hoạt
động của MMC…
1.1.3 Ứng dụng của bộ biến đổi MMC
Trong khoảng vài năm trở lại đây đã có sự phát triển đáng kể về cấu trúc nghịch
lưu đa mức nói chung. Về nguyên tắc làm việc nghịch lưu đa mức kiểu MMC có thể
được ứng dụng cho các hệ thống công nghiệp như các bộ biến đổi đa mức thông
thường, với mục đích ứng dụng trong những trường hợp yêu cầu công suất lớn và
điện áp cao trong nhiều các hệ thống khác trong hệ thống điện được thể hiện như
Hình 1.1. MMC được ứng dụng trong hệ thống điện sức gió, hệ thống điện mặt trời,
điều khiển động cơ điện xoay chiều, hệ thống quạt gió, hệ thống truyền tải điện cao
áp một chiều HVDC, hệ thống UPS [33], [34]... Với nhiều ưu điểm khi áp dụng cho
hệ thống công suất lớn, thực tế đã có một số quốc gia đã áp dụng hệ thống HVDC
7


Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
như Itaipu, Brazil, Hoa kỳ [74], [75]... để truyền tải năng lượng điện cấp cho lưới
điện xoay chiều tần số 50Hz hoặc 60Hz với công suất lên đến 12.600MW có
khoảng cách hàng trăm km [79].

Hình 1.1 Một số ứng dụng của BBĐ đa mức trong thực tế (nguồn: [60] )

1.2

Cấu trúc cơ bản và hoạt động của bộ biến đổi MMC

1.2.1 Cấu trúc của bộ biến đổi MMC
Cấu trúc BBĐ MMC được thể hiện như Hình 1.2 gồm có ba pha, mỗi pha của
BBĐ được tạo thành từ hai nhánh van gồm nhánh trên và nhánh dưới chứa số lượng
N các SM mắc nối tiếp nhau nằm dưới điện áp một chiều chung VDC. 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 [20]. Điện cảm nhánh Lo
liên kết giữa nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha với đầu ra xoay chiều AC lấy ra từ
điểm giữa của hai cuộn cảm nhánh. Các cuộn cảm này có tác dụng hạn chế dòng
điện vòng và các quá độ làm việc của BBĐ [42], [78]. Khi thành phần di/dt cao sẽ
nguy hiểm cho các thiết bị của MMC và có thể được kiểm soát và giảm thiểu bằng
các cuộn cảm này [31],[38]. Các cuộn cảm còn có tác dụng khắc phục quá điện áp
và không gây ảnh hưởng đáng kể vào các hoạt động bình thường của MMC vì các
dòng nhánh nội bộ được chảy liên tục [52]. Các tổn hao trong mỗi nhánh của MMC
được mô tả bởi điện trở Ro, điện trở này còn có tác dụng giúp tụ điện nạp điện tốt
hơn và giảm thiểu tăng dòng quá độ trong mạch [55].

8


Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
iDC

SM

+
+
VHa
_

SM1

SM1

SM1

SM2

SM2

SM2

SMN

SMN

SMN

S2
Ro
Lo

Ro
Lo
iHA
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

_

S1

iA
iB
iC

iLC

Hình 1.2 Cấu trúc bộ biến đổi MMC

Điện áp một chiều đầu vào được cấp bởi một nguồn chung duy nhất VDC (có thể
là hệ thống acquy công suất lớn, nguồn điện PV). Tổng điện áp DC của mỗi nhánh
MMC bằng tổng điện áp DC trên mỗi SM, nghĩa là mỗi SM sẽ chịu mức điện áp là
VDC/N nếu có N là số SM trên mỗi nhánh pha. Điện áp xoay chiều trên các pha là vx
(x = a,b,c) thay đổi từng bước trong phạm vi của VDC/2 đến -VDC/2 với mỗi bước
điện áp là VDC/N. Vì cấu trúc của MMC thực hiện theo cách mắc nối tiếp một loạt
các SM với nhau, do đó có thể tránh được sự phức tạp trong quá trình điều khiển
đồng bộ các van [27], [71]. Đồng thời có thể giảm tổn thất của BBĐ xuống mức rất
thấp. Điều này có được là do tần số đóng cắt thấp trong các van của mỗi SM và điện
áp lên chúng cũng ở mức thấp [29], [30].
Khi hoạt động, mỗi SM sẽ thực hiện việc đóng cắt ở các thời điểm khác nhau do
đó BBĐ có thể đạt được hiệu suất cao cũng như làm giảm độ méo sóng hài [31],
[33]. Tùy thuộc vào cấu trúc của MMC, các SM có cấu tạo khác nhau [38], [39].
Cấu trúc phổ biến nhất của SM là sơ đồ nửa cầu H với phía DC chỉ gồm một tụ
điện. SM dạng nửa cầu H có ưu điểm là chỉ dùng một số ít nhất gồm hai khóa bán
dẫn với chức năng đưa điện áp phía tụ DC ra phía AC. Trong luận án này chỉ sử
dụng cấu trúc SM dạng nửa cầu cho cấu hình MMC. Cấu trúc SM dạng nửa cầu cho
điện áp đầu ra có hai mức là 0 hoặc VC (điện áp trên tụ điện của SM) tùy thuộc vào
trạng thái tín hiệu đóng/cắt của cặp van bán dẫn IGBT S1 và S2. Số lượng các SM
trong BBĐ MMC phụ thuộc vào yêu cầu về cấp điện áp ở phía xoay chiều cũng như
công suất trao đổi từ phía một chiều sang phía xoay chiều. Về lý thuyết, số lượng
SM có thể tăng lên không hạn chế nhằm đáp ứng với mọi yêu cầu về mức điện áp ở
phía xoay chiều [27], [37]. So với các BBĐ đa mức CHB, NPC thì BBĐ MMC có
các ưu điểm và nhược điểm như sau:
* Ưu điểm:
9

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
+ Có thể áp dụng cho hệ thống công suất lớn, điện áp cao.
+ Tính khả dụng cao, điện áp đặt lên các van bán dẫn được chia nhỏ, vì vậy có
thể mở rộng tới hàng trăm mức điện áp, bằng cách thêm các SM vào mỗi pha BBĐ
và dễ dàng trong việc sửa chữa và vận hành, vì vậy độ tin cậy của BBĐ thường cao
hơn so với các BBĐ đa mức khác [37].
+ Các van trên một pha đóng cắt ở các thời điểm khác nhau trong chu kỳ trích
mẫu bởi chương trình điều khiển nên tần số chuyển mạch thấp và tạo ra tổng độ
méo sóng hài thấp [30].
+ BBĐ có thể chịu được quá độ trong giới hạn cho phép khi có sóng quá độ lan
truyền vào BBĐ, chi phí giá thành thấp hơn so với các BBĐ cùng cấp điện áp [26].
+ 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 [33].
+ Hoạt động của hai phía một chiều và xoay chiều không cần bộ lọc đầu ra hay
máy biến áp cách ly và thiết bị làm mát, do đó kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp
lý hơn so với các BBĐ cùng cấp điện áp [55].
* 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 giảm giới hạn chịu đựng của
các linh kiện bán dẫn [29], [32], [33].
+ Điều khiển phức tạp khi số mức điện áp tăng và số lượng SM lớn.
+ Khi cấu trúc càng mở rộng thì số lượng SM tăng, khi đó số van bán dẫn cũng
sẽ tăng lên dẫn đến chi phí của BBĐ sẽ cao.
1.2.1 Nguyên lý tạo một mức điện áp của SM dạng nửa cầu

i
VSM

D1

S1

VDC/N

S2

D2

a)

i

D1

S1

VSM S2

D2

b)

VDC/N

i

D1 V /N
DC

S1

VSM S2

D2

c)

i
VSM

D1

S1

VDC/N

S2

D2

d)

Hình 1.3 Trạng thái đóng cắt của S1 và S2: (a) và (b) Khi dòng điện có chiều dương; (c)
và (d) khi dòng điện có chiều âm

Để tạo điện áp đầu ra AC, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu bật hoặc tắt cho các
IGBT của SM. SM được chèn vào (insert) hoặc bỏ qua (bypass) dựa trên trạng thái
của các van trong SM. Cấu trúc của SM dạng nửa cầu có hai trạng thái chuyển đổi:
- S1 ở trạng thái ON và S2 ở trạng thái OFF.

- S1 ở trạng thái OFF và S2 ở trạng thái ON.
Hai khóa này không được phép bật cùng một lúc, bởi vì điện áp tụ điện sẽ được
phóng hoàn toàn và sau đó nó sẽ trở thành không có tác dụng. Bằng cách xem xét
10


Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
các trạng thái chuyển mạch, bốn trạng thái làm việc khác nhau có thể được thực
hiện dựa trên các hướng dòng điện như Hình 1.3.
Các trạng thái đóng cắt được mô tả cụ thể trong bốn trường hợp như sau:
TH1: S1 được OFF S2 được ON (Hình 1.3a) và dòng điện được quy ước theo chiều
dương. Dòng điện i sẽ đi qua S2, VSM sẽ bằng không (điện áp tụ được giả định là
không) và tụ điện được “bỏ qua”. Trạng thái này gọi là trạng thái SM bị “bypass".
TH2: S1 được ON và S2 được OFF (Hình 1.3b) và dòng điện được quy ước theo
chiều dương. Trong trường hợp này dòng điện i sẽ đi qua D1 và tụ điện sẽ tích điện
và VSM = VC. Điện áp của nhánh được thiết lập trên SM và sẽ tăng lên một bước.
Trạng thái này gọi là trạng thái SM được “insert”.
TH3: S1 được ON và S2 được OFF (Hình 1.3c) và dòng điện được quy ước theo
chiều âm. Trường hợp này dòng điện có chiều ngược lại. Bộ điều khiển sẽ bật S1 để
kết nối các tụ điện với mạch và tăng điện áp nhánh lên một bước. Trong trạng thái
này, các tụ điện được phóng và VSM = VC. Trạng thái này SM được “insert”.
TH4: S1 được OFF và S2 được ON (Hình 1.3d) và dòng điện được quy ước theo
chiều âm. Trong trạng thái này, D2 được bật và dòng điện sẽ đi qua nó. Các tụ điện
sẽ được “ngắn mạch” và VSM = 0. Đây cũng là trạng thái SM được “bypass”.
Bảng 1.1 Điện áp ngõ ra của SM
Trạng thái van
S1
S2
0
1

1
0
1
0
0
1

Điện áp ra

Chiều dòng điện

0
VC
VC
0

+
+
-

Trạng thái tụ
Nối tắt
Nạp
Xả
Nối tắt

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC
Trong hoạt động bình thường của MMC trong Hình 1.2, tất cả các tụ điện được
tích điện đến giá trị định mức là VDC/N. Để đạt được giá trị này, tài liệu [60] đã đề
xuất quy luật “insert” hoặc “bypass” các SM, trong đó mỗi SM của một nhánh được

bật sẽ tắt số SM tương ương của nhánh còn lại sao cho trong một chu kỳ làm việc
luôn có N các SM được bật ở mỗi pha. Các tụ điện được bật và tắt bởi các xung
điều khiển độc lập [61]. Trong MMC, các tụ điện không đóng vai trò tích điện cho
các nguồn điện chính mà được tích điện để phục vụ cho một mức điện áp có giá trị
bằng DC/N. Khi tất cả các tụ điện đã được tích điện, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu
để bật và tắt các SM để tạo ra điện áp AC từ một nguồn DC hoặc ngược lại [33].
Tại mỗi thời điểm lấy mẫu, chỉ một nửa trong tổng số SM trong một pha là được bật
(tức là N các SM được bật). Do đó, tổng số các tụ điện làm việc nối từ nhánh trên và
nhánh dưới cùng là bằng N tại mọi thời điểm.
11


Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC
BBĐ MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp được tạo ra bởi mỗi
SM để tạo ra điện áp xoay chiều AC ở từng pha của các BBĐ. Nếu có một SM được
chèn vào ở nhánh dưới, nhưng không có SM nào ở nhánh trên bị bỏ qua thì sẽ có
N+1 các SM được chèn vào, khi đó điện áp trung bình sẽ là VDC/(N+1), như vậy
điện áp trung bình trên mỗi tụ được chèn vào đã bị thay đổi. Để tránh trường hợp
này, bộ điều khiển sẽ tác động để có N các SM ở trên mỗi pha được sử dụng để đạt
được điện áp đầu ra mong muốn. Do đó tổng điện áp đặt lên tất cả các tụ (kể cả
được chèn vào hay bỏ qua) là VDC. Từ quá trình bật tắt của các SM nên điện áp trên
phía xoay chiều AC luôn dao động trong các mức –VDC/2 đến +VDC/2 với mỗi bước
điện áp là VDC/N. Để dễ dàng phân tích ta xem như mỗi nhánh của MMC đại diện
cho một nguồn điện áp điều khiển được [68]. Điện áp AC tăng bằng cách tắt các
SM ở nhánh trên đồng thời bật cùng lúc số SM tương ứng ở nhánh dưới. Tuy nhiên,
ở mỗi thời điểm chỉ tăng hoặc giảm một mức điện áp để có được dạng sóng điện áp
bậc trơn tru. Ở đây ta mới chỉ xét đến số lượng các SM được chèn vào và bỏ qua mà
chưa xét đến cách làm thế nào để xác định tại thời điểm đó ta cần bao nhiêu SM
được chèn vào, bao nhiêu SM bị bỏ qua cho từng nhánh, từng pha. Vì vậy cần có
phương pháp điều khiển phù hợp để xác định được số SM chèn vào hay bỏ qua.

Trong chế độ vận hành bình thường, giá trị dòng điện đi qua mỗi nhánh BBĐ là
một đại lượng xoay chiều và khác nhau đối với từng nhánh [27], [77]. Vì sự lệch
pha giữa 3 dòng điện phía AC nên trạng thái xả và nạp của các tụ trên từng pha
được thay đổi liên tục từ pha này sang pha khác. Khi đó sẽ xuất hiện điện áp chênh
lệch tức thời với các SM ở nhánh liền kề nếu điện áp trung bình trong cùng một chu
kỳ là giống nhau. Vì tổng số SM được chèn vào trong một nhánh là không đổi nên
tổng điện áp trên một nhánh trong một chu kỳ là đại lượng dao động cùng tần số với
phía xoay chiều. Tuy nhiên đại lượng này dao động không đồng bộ ở các nhánh của
BBĐ, tạo thành sự mất cân bằng điện áp giữa các điện áp chèn vào ở từng nhánh
gây ra xuất hiện dòng điện. Dòng điện này chảy trong các nhánh của BBĐ và được
gọi là dòng điện vòng. Dòng điện vòng ít gây ra hiệu ứng bên ngoài cả phía AC lẫn
DC. Tuy nhiên, dòng điện vòng là nguyên nhân gây ra tổn thất của BBĐ [40]. Chất
lượng điều khiển của dòng điện vòng được thỏa mãn khi biên độ của nó có giá trị
thấp và các thành phần sóng hài trong dòng điện vòng được loại bỏ. Trong hình
Hình 1.2, cuộn cảm Lo trên mỗi nhánh có vai trò làm giảm ảnh hưởng của dòng điện
vòng. Nếu giá trị Lo của từng nhánh lớn hơn thì biên độ dòng điện vòng sẽ nhỏ đi.
Tuy nhiên khi giá trị Lo lớn, thì thời gian đáp ứng của hệ thống tăng lên, BBĐ sẽ
không thể thay đổi nhanh chóng được giá trị dòng điện vòng nên tính toán chọn giá
trị điện cảm cần phù hợp với đáp ứng của hệ thống [29].

12