Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI MMC

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI MMC

Tải bản đầy đủ - 0trang

Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



vào yêu cầu về cấp điện áp ở phía xoay chiều và cơng cơng suất trao đổi giữa phía

một chiều và xoay chiều. Điện áp xoay chiều trên mỗi pha của đầu ra bộ biến đổi

được lấy từ điểm giữa hai cuộn kháng Larm của mỗi nhánh, điện áp một chiều Vdc là

nguồn một chiều chung duy nhất cho cả 3 nhánh, không cần thiết phải sử dụng

nguồn một chiều riêng biệt cho từng SM như của mơ hình bộ biến đổi hai mức, bộ

NPC hay bộ FC trước đó. Theo lý thuyết, số lượng các module thành phần có thể

tăng lên khơng giới hạn nhằm đáp ứng mọi yêu cầu về mức điện áp đầu ra ở phía

xoay chiều.

Với các cấu trúc khác nhau của các SM, chúng ta có thể tạo ra các bộ MMC

trong các ứng dụng với hệ thống các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

(FACTs) như STATCOM, BTB, HVDC. Ngoài ra, sự khác biệt giữa các cấu trúc

của SM dẫn đến sự khác biệt về mức điện áp ở đầu ra từng module thành phần, tuy

nhiên khi số lượng module thành phần tăng lên dẫn đến việc thiết kế để tính tốn

cân bằng điện áp trên tụ trở lên phức tạp hơn. Từ thực tiễn nghiên cứu và kết quả

đánh giá về điện áp cân bằng và tổn hao do đóng cắt các thiết bị bán dẫn [10], mơ

hình module thành phần với cấu trúc nửa cầu là mơ hình có lợi nhất khi thực hiện

việc trao đổi cơng suất giữa phía một chiều và phía xoay chiều.

2.1.1 Cấu trúc nửa cầu

Cấu trúc mỗi Sub – module là bộ biến đổi nửa cầu được ghép từ hai van đóng

cắt IGBT có kèm diode chống điện áp ngược và mắc song song với tụ với chiều cực

tính được trình bày ở hình 2.2 [8].



Hình 2.2: Cấu trúc nửa cầu Sub – module



17



Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



Điện áp đầu ra của SM nửa cầu bằng điện áp trên tụ Vc hoặc bằng 0 tùy theo

trạng thái đóng cắt của khóa S1, S2. Cấu trúc nửa cầu sử dụng số van đóng cắt ít,

điều khiển đơn giản.

2.1.2 Cấu trúc cầu đủ

Mỗi SM là một bộ biến đổi cầu đủ, được tạo nên từ 2 nhánh van mắc song

song với nhau và song song với tụ điện. Điện áp đầu ra được lấy từ điểm trung tính

của 2 nhánh van. Cấu trúc cầu đủ được thể hiện trong hình 2.3.



Hình 2.3: Cấu trúc cầu đủ Sub – module

Điện áp ra của bộ biến đổi theo cấu trúc cầu đủ bằng điện áp trên tụ Vc hoặc

bằng 0 tùy theo trạng thái đóng cắt của các khóa S1, S2, S3, S4. Số lượng van đóng

cắt của cấu trúc cầu đủ nhiều gấp hai lần so với cấu trúc nửa cầu, do vậy tổn hao

trong quá trình chuyển mạch là lớn hơn so với cấu trúc bộ có cấu trúc SM nửa cầu.

2.1.3 Cấu trúc diode kẹp

Cấu trúc diode kẹp được trình bày trong hình 2.4, cấu tạo từ 2 Submodule nửa

cầu, 2 diot phụ và 1 van IGBT có đấu diot song song ngược. Thông thường khi hoạt

động, S5 luôn ON và SM kẹp đơi có cấu trúc như 2 nửa cầu nối tiếp với nhau, điện

cáp đầu ra có 2 mức là 0 và E, tổn thất là lớn hơn so với SM nửa cầu nhưng thấp

hơn so với SM cầu H. Khi ghép các cấu hình đơn giản với nhau thì sẽ được nhiều

dạng điện áp xếp chồng, tạo ra điện áp hình sin mong muốn [8].



18



Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



Hình 2.4: Cấu trúc diode kẹp

So với cấu trúc cầu và nửa cầu cùng số mức điện áp, bộ biến đối MMC cấu

trúc diode kẹp có tổn hao đóng cắt cao hơn cấu trúc nửa cầu và thấp hơn so với cấu

trúc cầu đủ.

2.1.4 Cấu trúc bộ biến đổi ba mức

Cấu trúc mỗi SM là một bộ biến đổi ba mức kiểu diode kẹp hoặc kiểu tụ bay

được thể hiện trong hình 2.5[8].



Hình 2.5: Cấu trúc bộ biến đổi ba mức

Cấu trúc bộ MMC được cấu tạo từ bộ biến đổi 3 mức kiểu tụ bay có tổn thất

tương đương với một bộ MMC có cấu trúc nửa cầu. Tuy nhiên đối với bộ MMC có

cấu trúc là bộ biến đổi 3 mức kiểu diode kẹp, tổn thất do đóng cắt các van bán dẫn

19



Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



sẽ lớn hơn so với bộ MMC cấu trúc nửa cầu và thấp hơn bộ MMC cấu trúc cầu đủ.

Trong thực tế sản xuất và áp dụng các phương pháp điều khiển, bộ MMC được cấu

tạo từ các SM là bộ biến đổi 3 mức không được phổ biến rộng rãi và đầu tư nghiên

cứu.

2.1.5 Cấu trúc bộ biến đổi năm mức với liên kết chéo

Mỗi SM được cấu tạo từ 2 bộ biến đổi nửa cầu có kết nối theo kiểu back – to –

back từ 2 IGBT kèm diode đấu chống điện áp ngược, được thể hiện trong hình 2.6

[8].



Hình 2.6 Cấu trúc bộ biến đổi 5 mức có liên kết chéo

2.1.6 So sánh và lựa chọn cấu trúc

Với điều kiện các bộ biến đổi là cùng số cấp điện áp, phía một chiều của bộ

biến đổi phải cùng chịu được dòng ngắn mạch khi có sự cố là như nhau, kết quả so

sánh giữa các bộ biến đổi với cấu trúc khác nhau của SM được trình bày trong bảng

2.1.

Dựa trên bảng so sánh, bộ biến đổi đa mức có SM là cấu trúc nửa cầu có tổn

thất do đóng cắt van thấp nhất vì số lượng van ít, ngồi ra phương pháp điều khiển

đối với cấu trúc nửa cầu dễ dàng nên trong luận văn, bộ MMC được nghiên cứu có

các Sub – module được cấu tạo từ cấu trúc nửa cầu.



20



Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



Cấu trúc SM



Mức điện áp



DC – fault handling



Tổn hao



Nửa cầu



0,Vc



Khơng



Thấp



Cầu đủ



0, Vc







Cao



Diode kẹp



0, Vc1 , Vc2 , (Vc1  Vc2 )







Trung bình



3 mức – tụ bay



0, Vc1 , Vc2 , (Vc1  Vc2 )



Không



Thấp



3 mức – diode kẹp



0, Vc2 , (Vc1  Vc2 )



Không



Trung bình



5 mức – kết nối chéo



0, Vc1 , Vc2 , (Vc1  Vc2 )







Trung bình



Bảng 2.1: Bảng so sánh các cấu trúc Sub – module

2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC

Bộ biến đổi MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp VSM của

các module thành phần để tạo ra điện áp xoay chiều ở từng pha của các bộ biến đổi.

Đối với từng Sub – module, điện áp đầu ra của mỗi Sub – module gắn liền với một

trong hai trạng thái ngược nhau được định nghĩa là chèn vào (inserted) hoặc bỏ qua

(bypass) dựa trên trạng thái đóng cắt của từng cặp van có kể đến chiều của dòng

điện chạy trong mạch.

2.2.1 Trạng thái chèn vào (Inserted)



Hình 2.7: Trạng thái chèn vào của Sub – module

Trạng thái Chèn vào (inserted) được mô tả ở hình 2.6 và được định nghĩa

trong 2 trường hợp sau:

-



Khi chiều dòng điện theo chiều âm, van S1 ON, van S2 OFF. Điện áp ra

của Sub – module VOUT  VC .



21



Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



-



Khi chiều dòng điện theo chiều dương, van S1 ON, van S2 OFF. Điện áp

ra của Sub – module VOUT  VC .



2.2.2 Trạng thái bỏ qua (By pass)



Hình 2.8: Trạng thái bỏ qua của Sub – module

Trạng thái Bỏ qua (Bypass) được định nghĩa trong 2 trường hợp được mơ tả ở

hình 2.4 bao gồm:

-



Khi chiều dòng điện đi theo chiều dương, van S1 OFF, van S2 ON, điện áp

ra của Sub – module VOUT = 0.



-



Khi chiều dòng điện đi theo chiều âm, van S1 OFF, van S2 ON, điện áp ra

của Sub – module VOUT = 0.



Xét trên từng Sub – module, ngoài thái Chèn vào (Inserted) và trạng thái Bỏ

qua (Bypass) nêu trên, trạng thái đặc biệt khi cả van S1, S2 đồng thời ON là trạng

thái CẤM, không được để xảy ra trong thuật toán điều khiển (phải đảm bảo trạng

thái của S1 và S2 luôn luôn ngược nhau) vì gây ra hiện tượng ngắn mạch điện áp

trên tụ.

Ngồi ra, trạng thái cả van S1, S2 cùng OFF là trạng thái KHĨA, trường hợp

này gây khó khăn trong việc kiểm soát điện áp đầu ra của từng Sub – module đồng

thời tần số đóng cắt van cao hơn nếu xét đến trạng thái này.

Như vậy trong thuật toán điều khiển, trường hợp van S1, S2 có cùng trạng

thái (cùng ON hoặc cùng OFF) được loại trừ.



22



Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



Quan hệ giữa trạng thái van, điện áp ra, chiều dòng điện và trạng thái tụ của

mỗi SM được thể hiện trong bảng 2.2.



Trạng thái van

S1

S2

1

0

0

1

1

0

0

1

1

1

0

0



Điện áp ra

0



Chiều dòng điện Trạng thái tụ

+

+

Ngắn mạch

Hở mạch



0



Nạp

Nối tắt

Xả

Nối tắt



Bảng 2.2: Điện áp ngõ ra của Sub – module

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của 1 pha

Hình 2.9 thể hiện cấu trúc một nhánh pha của bộ biến đổi MMC có N module

mắc nối tiếp.



Hình 2.9: Mạch điện trên một pha của bộ biến đổi MMC tổng quát

23



Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



Hệ thống AC được kết nối ở điểm giữa của nhánh pha. Mỗi nửa nhánh được

tạo bởi nhánh trên và nhánh dưới gồm có N Sub – module. Với mơ hình này, việc

điều khiển số lượng SM được chèn vào và bỏ qua ở từng nửa nhánh van cho phép



v

đưa ra đúng dạng điện áp AC cần thiết.

Các thơng số trong hình 2.9 như sau:

-



vS : Điện áp phía AC.



-



R, L: điện trở và điện cảm giữa nguồn và bộ biến đổi.



-



v AC : điện áp phía xoay chiều



-



iAC : dòng điện phía xoay chiều



-



RS , LS : Điện trở, điện cảm của nhánh trên và nhánh dưới bộ biến đổi.



-



vL , vU : Tổng điện áp trên các tụ được chèn vào của nhánh dưới và nhánh

trên.



-



iL , iU : Dòng điện chảy trong nhánh dưới và nhánh trên, chiều cực tính

theo chiều của nguồn DC.



-



VDC : Điện áp một chiều.



Ở bộ biến đổi MMC, năng lượng một chiều không lưu trữ ở một tụ đơn lẻ như

đối với bộ nghịch lưu nguồn áp thông thường mà được lưu trữ ở các tụ thuộc các

SM riêng biệt. Bộ điều khiển được thiết kế có nhiệm vụ giữ cho điện áp phân phối

tốt nhất giữa các SM ở trên một phía của từng pha.

Để giữ cho điện áp trên mỗi module riêng lẻ là không đổi, tổng số module được

kết nối trên một nhánh pha phải được giữ khơng đổi. Giả sử có N module trên một

phía của nhánh pha, xét trường hợp tất cả các module thuộc phía trên được chèn vào

và các module ở phía dưới của nhánh bị bỏ qua, khi đó điện áp trung bình trên tụ



VCx của mỗi module được tính bởi:

VCx 



VDC

N



24



(2.1)



Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



Nếu có một module được chèn vào ở nhánh dưới, nhưng không có module nào

ở nhánh trên bị bỏ qua, khi đó có N+1 module được chèn vào, khi đó điện áp trung

bình sẽ là



VDC

, như vậy điện áp trung bình trên mỗi tụ được chèn vào đã bị thay

N 1



đổi. Để tránh trường hợp này, chỉ có



module ở nhánh trên và N-n module ở nhánh



dưới được sử dụng để đạt được điện áp đầu ra mong muốn.

Tại một thời điểm chỉ có một nửa số lượng module thành phần được chèn vào,

do đó tổng điện áp đặt lên tất cả các tụ (kể cả được chèn vào hay bỏ qua) là 2VDC .



Hình 2.10: Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC 10 mức

Hình 2.10 mơ tả điện áp đầu ra v AC của một bộ MMC lý tưởng (không xét đến

tổn hao), với 10 module trên một phía của một nhánh pha và điện áp một chiều VDC

bằng 10V. Giả định rằng điện áp được phân phối đều giữa các tụ của các module và

các tụ đủ lớn để điện áp không bị dao động. Trong một chu kỳ, có 4 trạng thái khác

nhau:

Trạng thái A: điện áp đầu ra là lớn nhất, để đạt được trạng thái này, tất cả các

module ở nhánh phía trên được bỏ qua do đó điện áp VDC/2 được nối trực tiếp tới

đầu ra, tất cả các module ở nhánh phía dưới được chèn vào, tổng điện áp qua các

module nhánh dưới bằng VDC



25



Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



Trạng thái B: điện áp ra giảm dần và bám theo đường sin. Để đạt được điều

này, điện áp cần được chèn thêm vào giữa điện áp dương một chiều và điểm giữa

điện áp xoay chiều, như vậy các module ở nhánh phía trên được chèn vào. Để đảm

bảo số lượng module chèn vào là không thay đổi thì một module buộc phải được bỏ

qua khi một module khác được chèn vào. Do vậy mỗi khi có một module được chèn

vào ở nhánh phía trên thì có một module được bỏ qua ở nhánh dưới. Sau khi một

module ở nhánh trên được chèn vào và một module ở nhánh dưới được bỏ qua thì

điện áp đầu ra đạt 4V (VDC/2 – Vmodule). Càng nhiều module ở nhánh trên được chèn

vào và module ở nhánh dưới bị bỏ qua thì điện áp xoay chiều đầu ra càng giảm.

Trạng thái C: Tất cả các module ở nhánh phía trên được chèn vào và tất cả

module ở nhánh dưới bị bỏ qua, điện áp đầu ra lúc này là - VDC/2

Trạng thái D: để tăng dần điện áp đầu ra từ giá trị nhỏ nhất, các module ở

nhánh dưới được chèn vào dần đồng thời các module ở nhánh trên được bỏ qua.

Bộ biến đổi MMC có những ưu điểm nổi trội so với bộ biến đổi hai mức truyền

thống như:

-



Không phải tất cả các van bán dẫn trên một pha đều đóng mở cùng lúc,

các van được điều khiển tại các thời điểm tức thời khác nhau, do đó tần

số chuyển mạch thấp.



-



Điện áp khố cần thiết cho mỗi van bán dẫn giới hạn bởi điện áp của tụ

trong mỗi module



-



Với trường hợp số lượng sub-module đủ lớn, điện áp đặt trên mỗi van bán

dẫn đủ thấp để không phải mắc nối tiếp các van. Đối với bộ biến đổi hai

mức truyền thống, mỗi van phải chịu điện áp khoá lên tới vài trăm kV,

đối với IGBT thường chịu được vài kV thì phải mắc nối tiếp các IGBT

với nhau, do đó trong q trình chuyển mạch, các van phải đồng thời

cùng hoạt động. Đối với MMC có số lượng sub-module đủ lớn, điện áp

đặt trên các tụ loại bỏ được hạn chế đó và cải thiện được tỉ lệ lỗi.



-



Cấu trúc module cho phép hoạt động khi có module bị lỗi, đơn giản là bỏ

qua module đó cho tới khi được thay thế hoặc sửa chữa. Điện áp một

26



Chương 2: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ biến đổi MMC



chiều sẽ chia cho N-1 module còn lại và mạch vẫn có thể hoạt động bình

thường.

-



Có thể thiết kế mạch MMC với các module dự phòng sử dụng trong

trường hợp phát sinh hư hỏng, trường hợp các module dự phòng này

được sử dụng, chúng sẽ được chèn vào mạch khi cần thiết.



Ở đây ta mới chỉ xét đến số lượng các SM được chèn vào, số lượng SM được

bỏ qua, chứ 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. Đó

chính là những cơng việc mà thuật tốn NLM và NLM cải tiến thực hiện. Ngun lý

thuật tốn NLM được trình bày ở chương 4.

2.2.4 Nguyên lý hoạt động của 3 pha

Mô hình bộ biến đổi MMC với đầy đủ 3 pha được thể hiện trong hình 2.11 [11].



Hình 2.11: Cấu trúc bộ MMC 3 pha

27



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI MMC

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×