Nghiên cứu các phương pháp điều chế và điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa

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

Trần Hùng Cường

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT ĐA MỨC
KIỂU MODULE HÓA

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội- 2020


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
HD1: PGS. TS. Trần Trọng Minh
HD2: TS. Phạm Việt Phương

Phản biện 1: GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Anh Nghĩa
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hải

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường
họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi 8 giờ 30 phút, ngày 14 tháng 5 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. Trần Hùng Cường, Nguyễn Văn Tiến, Phạm Việt Phương, Trần
Trọng Minh, Phương pháp điều chế NLM (Nearest Level
Modulation) và thuật toán cân bằng năng lượng cho bộ biến đổi đa
mức cấu trúc module, Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và
Tự động hoá VCCA-2015 (10/2015).
2. Tran Hung Cuong, Tran Trong Minh, Hoang Thanh Nam, Model
Predictive Control Method for Modular Multilevel Converter
Application, the 11th SEATUC Symposium, tháng 3 năm 2016.
3. Phạm Việt Phương, Trần Hùng Cường, Áp dụng phương pháp
điều chế NLM (Nearest – Level - Modulation) cho bộ biến đổi đa
mức cấu trúc Module MMC, Chuyên san kỹ thuật điều khiển & tự
động hóa số 4 năm 2017 pp 12-17.
4. Hoàng Thành Nam, Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh, Phạm
Việt Phương (2017) Điều khiển dự báo cho nghịch lưu bảy mức cấu
trúc cầu H nối tầng, Hội thảo về Điều khiển và Tự động hóa cho sự
phát triển bền vững (CASD-2017).
5. Hoàng Thành Nam, Trần Hùng Cường, Phạm Việt Phương, Trần
Trọng Minh, Vũ Hoàng Phuương, Giảm số lượt tính tốn hàm mục
tiêu của phương pháp điều khiển dự báo cho bộ biến đổi đa mức cầu
H nối tầng để giảm tần số đóng cắt van, Hội nghị - Triển lãm quốc tế
lần thứ 4 về Điều khiển và Tự động hoá VCCA-2017 (12/2017).

6. Trần Hùng Cường, Hoàng Thành Nam, Trần Trọng Minh, Phạm
Việt Phương, Vũ Hoàng Phương, Điều khiển dự báo hữu hạn các
trạng thái đóng cắt các van cho bộ biến đổi đa mức có cấu trúc
MMC, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ 4 về Điều khiển và Tự
động hoá VCCA-2017 (12/2017).
7. Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Điều
khiển dự báo hữu hạn các trạng thái đóng cắt van cho bộ biến đổi đa
mức cấu trúc MMC, Tạp chí khoa học Công nghệ, số 133 (3.2019).
8. Trần Hùng Cường, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Phạm
Đỗ Tường Linh, Điều khiển bộ miến đổi đa mức có cấu trúc MMC
dựa trên phương pháp dự báo dịng điện, Tạp chí Khoa học và công
nghệ, Đại học Đà Nẵng, Vol. 17, No. 1.1-2019, pp 26-30.
9. Tran Hung Cuong, Pham Viet Phuong, Tran Van Phuong, Tran
Trong minh, Experiment on Nearest Level Modulation algorithm for
FPGA based Modular Multilevel Converters, 10th International
Conference on Power Electronics - ECCE Asia (ICPE 2019-ECCE
Asia), (5/2019).



LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 22 tháng 05 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, Tơi đã hồn 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 chun mơn để tơi hồn thiện luận án này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong bộ môn Tự động hóa Cơng nghiệp,
các Thầy Cơ cơng tác tại viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, đã có những ý
kiến góp ý chân thành, sâu sắc trong suốt q trình tơi 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 tơi hồn 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 Phịng 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 Tơi trong
việc tìm kiếm tài liệu nghiên cứu trong học tập để tơi có kết quả như ngày hơm nay.
Tơi xin bày tỏ lịng 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 Tơi đã ln quan tâm,
động viên và giúp đỡ để Tơi vượt qua mọi khó khăn để hồn thành luận án.
Hà Nội, ngày 22 tháng 05 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 ngồi nước .................................................. 5
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................... 5
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi 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: MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI MMC............................................. 20
2.1 Mơ hình trạng thái liên tục của BBĐ MMC khi nối tải R-L........................ 20
2.2 Mơ hình BBĐ MMC trong chế độ nối lưới................................................ 27
2.3 Mơ hình MMC trong các phương pháp điều chế cơ bản ............................. 30
2.3.1 Mơ 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
2.3.2 Phương pháp điều chế PWM…………………………………..………………….34
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
iii


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
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 Mơ hình dự báo dịng điện vịng, điện áp tụ điện của MMC................... 72
3.7.2 Hàm mục tiêu của thuật tốn 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 dịng điện vịng trong
MMC ........................................................................................................ 76
3.9 Mơ hình và kết quả mơ phỏng MMC dựa trên thuật tốn điều khiển dự báo
dịng điện vòng và cân bằng điện áp tụ điện ................................................ 80
3.9.1. Mơ hình các khối mơ phỏng trong matlab-simulink ............................... 80
3.9.3 Kết quả mơ 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 .............................. 106
4.3 Tóm tắt và kết luận ................................................................................. 108
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 tốn thiết kế hệ thống thực nghiệm ................................................. 110
5.2.1 Tính tốn thiết kế mạch lực .................................................................... 110
5.2.2 Tính tốn thiết kế mạch đo ..................................................................... 112
5.2.3 Mạch ADC ............................................................................................. 114
5.2.3 Tính tốn 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
iv


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
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 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 130
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 139
Phụ lục 1 Các chương trình lập trình ............................................................ 139
Phụ lục 2 Hình ảnh một số khối thực hiện mơ phỏng trên Matlab-Simmulink. 146
Phụ lục 3 Tính tốn thông số hệ thống mạch đo trong thực nghiệm MMC....... 148

v


DANH MỤC KÝ HIỆU

VCxΣ

Đơn vị Ý nghĩa
H
Cuộn cảm trên tải
Điện trở trên tải
Ω

H
Cuộn cảm trên nhánh của MMC
F
Tụ điện của SM
Điện trở nhánh của MMC
Ω
V
Điện áp nguồn điện phía xoay
A
Dịng 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 vịng
A
Dịng điện phía đầu ra xoay chiều
A
Dịng 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

CxΣ

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

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

vi


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ĐTCS
BBĐ
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
Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng
Gate Mảng cổng lập trình được

Cascaded H -bridge
Field Programmable
Array
H-Bridge
Digital Signal Processor
Flexible AC Transmission
System
Flying Capacitor
Insulated
Gate
Bipolar
Transistor
Photovoltaic
Neutral –point converter
Model Predictive Control

Finite Control Set
Phase Locked Loop
Pulse Width Modulation
Modular multilevel Converter
Static
Synchronous
Compensator
Flux oriented control
Total Harmonic Distortion
Nearest Level Modulation
Space Vector Modulation
Sub Module
Phase Shift Carrier Based
Modulation
Level Shift Carrier Based
Modulation
In Phase Disposition
Phase Opposite Disposition
Alternative Phase Opposite
Disposition

Cầu H
Xử lý tín hiệu số
Hệ thống truyền tải
hoạt
Tụ bay
Van IGBT

xoay chiều linh

Điện mặt trời
Bộ biến đổi đa mức diode chốt
Điều khiển dựa trên mơ hình dự báo
Điều khiển hữu hạn trạng thái đóng cắt
Vịng khóa pha
Điều chế độ rộng xung
Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module
Thiết bị bù đồng bộ tĩnh
Điều khiển tựa theo từ thông
Tổng méo sóng hài
Điều chế mức gần nhất
Điều chế vector khơng gian
Bộ biến đổi nửa cầu
Điều chế theo sóng mang dạng dịch pha
Điều chế theo sóng mang dạng dịch mức
Sóng mang cùng pha
Sóng mang đối xứng qua trục thời gian
Sóng mang ngược pha giữa hai sóng
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 dịng điện có chiều
dương; (c) và (d) khi dịng 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 mơ hình trung bình của BBĐ MMC ........................................... 21
Hình 2.3 Đồ thị mơ 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 Dịng 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 Dịng điện vịng 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 dịng điện trên tải ......................................... 42
Hình 2.28 Điện áp nhánh trên và nhánh dưới pha A của MMC .............................. 43
Hình 2.29 Dịng 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 Dịng điện vịng 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 dịng 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 khơng 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 q trình tính tốn các hệ số điều chế .......................... 53
Hình 3.6 Ba hệ tọa độ khơng vng góc tạo nên các góc phần sáu (các Sector) .... 53
Hình 3.7 Thuật tốn xác định sector lớn ................................................................. 54
Hình 3.8 Tín hiệu PWM và thời gian sử dụng vector tích cực, vector khơng ......... 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 tốn cân bằng điện áp tụ điện ....................................................... 66
Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý của thuật tốn cân bằng điện áp tụ điện....................... 66
Hình 3.21 Lưu đồ thuật tốn 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 Dịng 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 dịng 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 tốn 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 dịng điện vịng 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 mơ phỏng hệ thống BBĐ MMC áp dụng điều khiển cân
bằng điện áp trung bình trên tụ và điều khiển dịng điện vịng dựa trên thuật toán
điều chế SVM ............................................................................................................ 80
x


Hình 3.35 Sơ đồ mơ 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 mơ phỏng điều chế SVM và điều khiển dòng điện vòng và
cân bằng điện áp tụ DC ............................................................................................ 82
Hình 3.38 Mơ hình cấu trúc chuyển tọa độ abc sang ∝β trong matlab-simulink ... 83
Hình 3.39 Mơ hình xác định Sector và giá trị mg, mh trong điều chế SVM............. 83
Hình 3.40 Mơ 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 Mơ hình mơ phỏng điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao
cho dịng điện vịng của MMC.................................................................................. 84
Hình 3.42 Mơ 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 Mơ hình xác định thời gian đóng mở van trong một nhánh của MMC . 85
Hình 3.44 Dịng 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 Dịng điện vịng 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 dịng 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 vịng dịng điện....................................................................... 93
Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển mạch vịng dịng điện ................................................ 93
Hình 4.3 Sơ đồ khối mạch vịng cơng suất ............................................................... 94
Hình 4.4 Cấu trúc mạch vịng điều khiển mạch vịng cơng suất .............................. 95
Hình 4.5 Sơ đồ mạch vịng 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 Dịng điện ba pha phía xoay chiều cung cấp cho lưới điện ...................... 97
Hình 4.8 Công suất phản kháng BBĐ MMC cung cấp cho lưới điện ...................... 97
Hình 4.9 Đáp ứng dịng điện id trong hệ tọa độ dq ................................................. 97
Hình 4.10 Đáp ứng dịng 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 Dịng điện vịng chạy trong pha A của BBĐ ........................................... 98
Hình 4.13 Kết quả phân tích Fourier dạng điện áp xoay chiều .............................. 98
xi


Hình 4.14 Kết quả phân tích Fourier dịng 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 khơng trao đổi cơng suất phản kháng ................. 102

Hình 4.18 Sóng dịng điện, điện áp của D-STATCOM .......................................... 103
Hình 4.19 Đặc tính V-I của D-STATCOM ............................................................ 104
Hình 4.20 Sơ đồ mạch vịng điều khiển điện áp DC .............................................. 105
Hình 4.21 Sơ đồ cấu trúc điều khiển D-STATCOM dựa trên BBĐ MMC ............. 105
Hình 4.22 Hình dạng dịng 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 cơng suất Q đầu ra MMC.................................... 107
Hình 4.26 Hình dạng dịng điện trên trục d và trục q ............................................ 107
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 dịng điện nhánh ........................................................ 113
Hình 5.4 Cấu trúc mạch đo điện áp trên các tụ của SM ........................................ 113
Hình 5.5 Mạch đo dịng 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 mơ 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 dịng và tụ điện trên các nhánh cho một pha ......................... 118
Hình 5.16 Kit FPGA AX 309 Xilinx........................................................................ 118
Hình 5.17 Mơ 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 dịng 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 dịng điện vịng 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 dịng 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 dịng điện vịng 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 dịng 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 mơ-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 mơ 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 dịng điện vịng. Q 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 q 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 thơng 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 dịng điện có thể có
dạng khác xa so với hình sin, khi đó tính tốn 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.
u cầu tính tốn 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 tốn SVM hiệu quả về u cầu tính tốn, 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 thơng 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 cịn được cân bằng bởi thuật tốn
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 dịng điện.
Cũng như các BBĐ đa mức khác thì trong mạch MMC có tồn tại dịng điện
vịng trong mạch lực của MMC, dịng điện vịng trong MMC đóng vai trị là dịng
DC quyết định sự cân bằng cơng suất giữa phía DC với phía AC. Về mặt lý tưởng
nếu điện áp phía DC phẳng hồn tồn thì dịng điện vịng chỉ có thành phần DC
[23], [24]. Tuy nhiên đối với mỗi nhánh một pha cơng suất tức thời phía AC có
dạng đập mạch với tần số bằng 2 lần tần số cơ bản, vì vậy trên dịng điện vịng
ngồi 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
khơng 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 mơ phỏng trên
máy tính kiểm chứng hoạt động của mơ 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 tốn điều chế cho MMC có khả năng mở rộng để tạo số mức bất
kỳ, thiết kế các thuật tốn điều khiển dịng điện vịng, điều khiển cân bằng điện áp
trên tụ điện, điều khiển BBĐ MMC trong các ứng dụng, xây dựng mơ 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 mơ hình tốn 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 vịng cơng 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 mơ 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 cơng nghiệp, phân tích dựa trên tổng hợp các cơng trình
nghiên cứu về BBĐ MMC đã được cơng bố trong và ngồi 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 mơ hình hóa BBĐ MMC: Nghiên cứu xây dựng mơ hình
tốn học của BBĐ. Dựa vào các biến và các phương pháp mơ hình hóa, trong
chương này tác giả đã thực hiện xây dựng mơ hình tốn 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 mơ 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 dịng 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 dịng điện vịng. 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 dịng điện, điện áp và
điều khiển cơng 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 khơng 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 dịng 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 ngồi 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 khơng 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 khơng 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 cơng trình nào

nghiên cứu bài bản, chi tiết các thuật tốn 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 mơ
hình hóa, thuật tốn điều khiển cho MMC. Cụ thể như sau:
• Các phương pháp mơ 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
q 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 khơng cần thuật tốn 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
thơng số phía xoay chiều tốt [50], [51]. Tuy nhiên, việc tính tốn 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 cơng 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 q
trình thực hiện cịn 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 dịng điện, điện áp
phía xoay chiều có chất lượng tốt với q 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 cơng 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 khơng 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 cơng 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 cơng 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 cịn 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
dịng 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 cịn có tác dụng giúp tụ điện nạp điện tốt
hơn và giảm thiểu tăng dòng quá độ trong mạch [55].

8