BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TUẤN NGHĨA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI CẤU TRÚC MODULE TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI HVDC-PLUS Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM VIỆT PHƢƠNG HÀ NỘI - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho biến đổi cấu trúc module hệ thống truyền tải HVDC-Plus” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Phạm Việt Phƣơng Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015 Học viên thực Nguyễn Tuấn Nghĩa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO ÁP MỘT CHIỀU HVDC 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các loại cấu hình hệ thống HVDC 14 1.2.1 Sơ đồ mạch điện chiều 14 1.2.2 Bộ biến đổi Back-to-Back 14 1.2.3 Truyền tải khoảng cách dài đơn cực 15 1.2.4 Truyền tải khoảng cách dài lưỡng cực 15 1.3 Các biến đổi thường dùng hệ thống HVDC 17 1.4 Nhiệm vụ luận văn 19 CHƢƠNG CẤU TRÚC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ MODULE MMC 21 2.1 Mô tả cấu trúc biến đổi đa mức Modular Multilevel Converter (MMC) 21 2.2 Các phương pháp điều chế MMC 26 2.2.1 Phương pháp dịch mức sóng mang (CD-PWM) 27 2.2.2 Phương pháp Sub-harmonic PWM 29 CHƢƠNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG HVDC PLUS CỦA SIEMENS 32 3.1 Hệ thống HVDC-PLUS hãng Siemens dùng cấu trúc MMC 32 3.2 Thông số mô hệ thống 35 3.2.1 Tính toán sơ máy biến áp phía trước chỉnh lưu 36 3.2.2 Tính toán sơ máy biến áp phía sau nghịch lưu 37 CHƢƠNG MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI MMC 39 4.1 Mô hình hóa MMC 40 4.2 Các điều khiển vòng MMC (outter control) 42 4.2.1 Mạch vòng khóa pha 43 4.2.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện 46 4.2.3 Mạch vòng điều khiển công suất tác dụng phản kháng 48 4.2.4 Bộ điều khiển điện áp chiều 49 4.3 Phương pháp điều khiển vòng MMC 50 4.3.1 Các phương pháp điều khiển 51 4.3.2 Phân tích tính ổn định SM .55 4.4 Tính toán thông số mạch vòng điều khiển 59 4.4.1 Thông số mạch điều khiển vòng 59 4.4.2 Thông số mạch điều khiển vòng 60 CHƢƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HVDC PLUS SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI MMC 61 5.1 Tính toán thông số mạch lực 61 5.1.1 Cách chọn tụ 61 5.1.2 Cách chọn cuộn cảm 62 5.2 Tính toán thông số mạch vòng điều khiển 63 5.2.1 Thông số mạch điều khiển vòng 63 5.2.2 Thông số mạch điều khiển vòng 64 5.3 Kết mô 64 5.3.1 Kết MMC hoạt động trạng thái định mức .64 5.3.2 Mạch điều chỉnh cân vòng 69 5.3.3 Mạch điều chỉnh công suất 72 5.3.4 Bộ điều khiển điện áp chiều 75 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MMC Modular Multilevel Converter Bộ biến đổi đa mức cấu trúc module HVDC High Voltage Direct Current Hệ thống dòng chiều điện áp cao SM Sub-module Các module biến đổi thành phần PWM Pulse-Width Modulation Luật điều chế độ rộng xung PD-PWM Phase Disposition Luật sóng mang pha POD-PWM Phase Opposition Disposition Luật sóng mang ngược pha APOD-PWM Alternate Phase Opposition Luật sóng mang kết hợp Disposition PS-PWM LS-PWM CCC Phase Shifted - Pulse Witdth Điều chế độ rộng xung dịch Modulation pha sóng mang Level Shifted - Pulse Witdth Điều chế độ rộng xung dịch Modulation mức sóng mang Capacitor comutated converter Bộ biến đổi sử dụng tụ điện chuyển mạch LCC Line comutated converter Bộ biến đổi sử dụng chuyển mạch đường dây VSC Voltage Source Converter Bộ biến đổi điện áp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh số linh kiện pha dạng nghịch lưu 19 Bảng 2.1.Trạng thái làm việc SM 25 Bảng 4.1 Các hệ số K điều khiển 59 Bảng 4.2 Các số thời gian 60 Bảng 4.3 Thông số mạch điều khiển vòng 60 Bảng 5.1 Thông số biến đổi MMC 61 Bảng 5.2 Các hệ số K điều khiển 63 Bảng 5.3 Các số thời gian 63 Bảng 5.4 Thông số mạch điều khiển vòng 64 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tổng giá trị dựa vào khoảng cách Hình 1.2 Cột điện HVDC HVAC Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống HVDC-Classic HVDC-Classic Hình 1.4 Ứng dụng HVDC-Classic theo năm Hình 1.5 Dự án Neptune RTS Hình 1.6 Dự án Ballia-Bhiwadi Hình 1.7 Dự án BritNed Hình 1.8 Dự án Cometa Hình 1.9 So sánh thiết kế HVDC-Plus HVDC-Classic Hình 1.10 Dự án Trans Bay Cable 10 Hình 1.11 Dự án INELFE 10 Hình 1.12 Dự án BorWin2 11 Hình 1.13 Các dự án sử dụng hệ thống HVDC-Plus Siemmens 11 Hình 1.14 Dự án sử dụng hệ thống HVDC-Plus ứng dụng biến đổi đa mức MMC 12 Hình 1.15 Sơ đồ cấu trúc biến đổi đa mức MMC 13 Hình 1.16 Sơ đồ mạch điện chiều hệ thống HVDC 14 Hình 1.17 Sơ đồ biến đổi Back-to-Back 14 Hình 1.18 Sơ đồ truyền tải khoảng cách dài đơn cực nối đất 15 Hình 1.19 Sơ đồ truyền tải khoảng cách dài đơn cực có dây trung tính 15 Hình 1.20 Sơ đồ cấu hình lưỡng cực với dây trung tính nối đất 16 Hình 1.21 Sơ đồ cấu hình lưỡng cực làm việc đơn cực 16 Hình 1.22 Sơ đồ cấu hình lưỡng cực có dây trung tính 17 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát cấu trúc MMC 21 Hình 2.2.Các dạng cấu trúc SM (Cell) 22 Hình 2.3 Cấu trúc Half-brigde Cell 23 Hình 2.4 Dòng điện chảy SM theo trạng thái đóng cắt van tụ 25 Hình 2.5 Sơ đồ kỹ thuật điều chế PWM 27 Hình 2.6 Sóng mang bố trí pha 28 Hình 2.7 Sóng mang bố trí ngược pha 28 Hình 2.8 Sóng mang bố trí ngược pha xen kẽ 29 Hình 2.9 Phương pháp dịch pha sóng mang 30 Hình 2.10 Sóng mang hình cưa 31 Hình 2.11 Sóng mang hình tam giác 31 Hình 3.1 Dự án Trans Bay Cable 32 Hình 3.2 Sơ đồ địa hình dự án Trans Bay Cable 33 Hình 3.3 Hệ thống HVDC PLUS 33 Hình 3.4 Cấu hình truyền tải đơn cực 34 Hình 4.1 Hệ thống điều khiển HVDC-Plus 39 Hình 4.2.Cấu trúc chi tiết mạch vòng điều khiển HVDC-Plus 40 Hình 4.3 Mạch điện tương đương pha biến đổi MMC 40 Hình 4.4 Sơ đồ khối hệ thống đồng pha truyền thống 1PLL 43 Hình 4.5 Sơ đồ khối hệ thống đồng pha truyền thống 3PLL 44 Hình 4.6 Đồng với khung tọa độ quay 45 Hình 4.7 Cấu trúc mạch vòng khóa pha 46 Hình 4.8 Cấu trúc điều khiển dòng điện 47 Hình 4.9 Sơ đồ khối điều khiển dòng điện 47 Hình 4.14 Bộ điều khiển công suất 49 Hình 4.15 Sơ đồ khối điều khiển điện áp chiều 49 Hình 4.16 Sơ đồ mạch vòng điều khiển điện áp trung bình pha u 51 Hình 4.18 Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo phương pháp Arm – balancing control 54 Hình 4.19 Quan hệ biểu thức (4.44), (4.45) góc 57 Hình 5.1 Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) 65 Hình 5.2 Dạng điện áp nhánh (VU) nhánh (VL) chưa lọc 65 Hình 5.3 Dạng điện áp nhánh (VU) nhánh (VL) sau qua lọc 66 Hinh 5.4 Dạng điện áp tụ VC1 VC5 66 Hình 5.5 Dạng điện áp trung bình tụ nhánh (VCAUAV) (VCALAV) 67 Hình 5.6 Dạng điện áp dòng điện tuần hoàn (iZ) 67 Hình 5.7 Đồ thị công suất tác dụng (P) 68 Hình 5.8 Đồ thị công suất phản kháng (Q) 68 Hình 5.9 Đồ thị dạng sóng điều chế SM1 (Va1*) 69 Hình 5.10 Dạng điện áp tụ VC1 VC5 Vcref = 70 kV 69 Hình 5.11 Đồ thị dạng sóng điều chế SM1 (Va1*) Vcref = 70 kV 70 Hình 5.12 Dòng điện sai lệch (iZ) 70 Hình 5.13 Công suất phản kháng Q 71 Hình 5.14 Công suất tác dụng P 71 Hình 5.15 Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) 72 Hình 5.16 Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P 73 Hình 5.17 Đồ đáp ứng công suất phản kháng Q 73 Hình 5.18 Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) 74 Hình 5.19 Đồ dòng điện tuần hoàn (iZ) 74 Hình 5.20 Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P 75 Hình 5.21 Đồ đáp ứng công suất phản kháng Q 75 Hình 5.22 Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) 76 Hình 5.23 Đồ dòng điện tuần hoàn (iZ) 76 Hình 5.24 Dạng điện áp tụ VC1 VC5 77 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, hệ thống truyền tải điện chiều (HVDC) ngày quan tâm nghiên cứu ứng dụng triển khai nhiều thực tế ưu điểm vượt trội tính kinh tế kỹ thuật so với hệ thống truyền tải xoay chiều truyền thống Có điều nhờ thành tựu vượt bậc lĩnh vực bán dẫn công suất kỹ thuật điều khiển biến đổi công suất lớn Đối với hệ thống truyền tải điện chiều truyền thống triển khai, biến đổi công suất phần lớn có cấu hình đa mức sử dụng van bán dẫn Thyristor, GTO có khả chịu điện áp cao lại hạn chế khả điều khiển dòng công suất hai chiều, khả vận hành linh hoạt với cấp điện áp khác v.v… Hệ thống truyền tải điện chiều HVDC-Plus hãng Siemen đề xuất sử dụng biến đổi công suất cấu trúc module (MMC) với ưu điểm vượt trội khả điều chỉnh dòng công suất, khả vận hành linh hoạt cấp điện áp khác nhau, cấu trúc mạch lực đơn giản khắc phục nhược điểm hệ thống HVDC thông thường Từ lí đó, lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho biến đổi cấu trúc module hệ thống truyền tải HVDC-Plus” với hướng dẫn thầy giáo TS Phạm Việt Phƣơng Sau em xin trình bày đồ án Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015 Học viên thực - Tuy nhiên chưa có lọc nên điện áp tụ bị méo, có dạng bậc thang nên sóng hài lớn Hình 5.3 Dạng điện áp nhánh (VU) nhánh (VL) sau qua lọc Nhận xét: - Dạng điện áp nhánh nhánh có dạng sin để tổng hợp tạo điện áp dây điện áp pha kết mô phía trước - Khi qua lọc, điện áp tụ mềm mại hơn, sóng hài thấp so với chưa qua lọc Hinh 5.4 Dạng điện áp tụ VC1 VC5 66 Hình 5.5 Dạng điện áp trung bình tụ nhánh (VCAUAV) (VCALAV) Nhận xét: - Điện áp trung bình tụ nhánh điện áp tụ có đường phóng nạp theo lý thuyết Hình 5.6 Dạng điện áp dòng điện vòng (iZ) Nhận xét: - Dòng tuần hoàn có biên độ giống với tính toán lý thuyết 67 Hình 5.7 Đồ thị công suất tác dụng (P) Hình 5.8 Đồ thị công suất phản kháng (Q) Nhận xét: - Công suất tác dụng công suất phản kháng bám theo giá trị đặt 68 Hình 5.9 Đồ thị dạng sóng điều chế SM1 (Va1*) 5.3.2 Mạch điều chỉnh cân vòng Mạch có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp tụ bám theo giá trị đặt cho trước Hình 5.10 biểu diễn đáp ứng điện áp tụ SM giá trị đặt thay đổi từ 50 kV lên 70 kV Hình 5.10 Dạng điện áp tụ VC1 VC5 Vcref = 70 kV 69 Hình 5.11 Đồ thị dạng sóng điều chế SM1 (Va1*) Vcref = 70 kV Nhận xét: - Dạng điện áp tụ dạng sóng điều chế thay đổi giá trị đặt thay đổi Sau thời gian định, trờ vị trí cân bằng, bám theo giá trị đặt Hình 5.12 Dòng điện sai lệch (iZ) 70 Hình 5.13 Công suất phản kháng Q Hình 5.14 Công suất tác dụng P Nhận xét: - Tương tự tín hiệu khác, giá trị đặt thay đổi, công suất tác dụng, phản kháng dòng điện iZ thay đổi tức khắc, sau quay vị trí ổn định 71 Hình 5.15 Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) Nhận xét: - Khi có điều khiển cân bằng, ta thấy điện áp tụ bám sát giá trị đặt, nhiên đến 10 chu kỳ Điện áp tụ thay đổi từ 50 kV lên 80 kV theo giá trị đặt - Điện áp pha dây thay đổi nhiều - Công suất bám theo giá trị đặt trước - Tuy nhiên dòng điện sai lệch nhánh nhánh giảm 5.3.3 Mạch điều chỉnh công suất Đáp ứng công suất tác dụng, công suất phản kháng giữ nguyên 30 MVAr giá trị đặt tăng từ 100 MVA lên 180 MVA hình 5.16 72 Hình 5.16 Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P Hình 5.17 Đồ đáp ứng công suất phản kháng Q Nhận xét: - Khi giá trị công suất tác dụng đặt thay đổi, công suất phản kháng giữ nguyên, nhìn vào kết mô ta thấy đáp ứng mạch điều chỉnh công suất 73 Hình 5.18 Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) Hình 5.19 Đồ dòng điện tuần hoàn (iZ) Nhận xét: - Ta thấy tăng công suất, điện áp tải tăng theo, điện áp điều chế tăng suy tăng hệ số điều chế làm tăng giá trị điện áp pha điện áp dây Tuy nhiên công suất thực tới chu kỳ bám theo giá trị đặt - Điện áp tụ không bị ảnh hưởng nhiều giữ trạng thái cân 74 5.3.4 Bộ điều khiển điện áp chiều Làm việc với trường hợp suy giảm điện áp DC-LINK từ 200kV xuống 180 kV Đáp ứng điện áp pha điện áp dây Hình 5.20 Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P Hình 5.21 Đồ đáp ứng công suất phản kháng Q Nhận xét: 75 - Khi thay đổi điện áp chiều từ 200kV xuống 180kV công suất tác dụng công suất phản kháng đáp ứng Cho thấy điều khiển điện áp chiều tính toán Hình 5.22 Dạng điện áp pha (va, vb, vc) điện áp dây (vab, vbc, vac) Hình 5.23 Đồ dòng điện tuần hoàn (iZ) 76 Hình 5.24 Dạng điện áp tụ VC1 VC5 Nhận xét: - Do suy giảm điện áp DC Ta thấy dạng điện áp tụ SM1 bị suy giảm theo Ta thấy điện áp điều chế bị cân bằng, so với trước suy giảm điện áp DC - Điện áp đầu biến đổi cân với nhau, nhiên chất lượng hình sin bị méo chút - Công suất phát giữ giá trị đặt - Dòng điện sai lệch bị tăng lên 77 KẾT LUẬN Bằng việc nghiên cứu tìm hiểu đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho biến đổi cấu trúc module hệ thống truyền tải HVDC-Plus” giúp nắm rõ cấu trúc MMC hệ thống HVDC mà Siemens sử dụng Qua thấy phát triển mạnh mẽ công nghiệp van bán dẫn bước tiến lớn việc điều khiển hệ thống HVDC sử dụng cấu hình MMC này, điều khiển dòng điện, điện áp chiều điều khiển công suất Các đáp ứng kiểm chứng lại cách xác thông qua mô Tuy nhiên thời gian, kiến thức khả có hạn nên luận nghiên cứu trình nghịch lưu MMC, chưa thể trình trao đổi công suất hai MMC hệ thống HVDC-PLUS Siemens Các chế độ làm việc trạng thái cân hay cố chưa thể đầy đủ luận văn Một lần xin cám ơn TS Phạm Việt Phương giúp đỡ tận tình cho suốt trình thực luận văn Hà nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Tuấn Nghĩa 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Quốc Hải, “Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất”, Nhà xuất Khoa học – Kỹ thuật, 2009 [2] Trần Trọng Minh, “Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất”, Bộ môn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Công Nghiệp, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2012 [3] M Davies, M Dommaschk, J Dorn, J Lang, D Retzmann, D Soerangr, HVDC PLUS – Basics and Principle of Operation, Siemens Energy Sector, 2008 [4] Siemens, High voltage direct current transmission, Proven Technology for Power Exchange [5] Artjoms Timofejevs, Daniel Gamboa, Control of MMC in HVDC Applications, Aalborg University, Denmark, 2013 [6] Elisabeth Nøkleby Abildgaard, Exploring the Properties of a Modular Multilevel Converter Based HVDC Link, Department of Electric Power Engineering, Norwegian University of Science and Technology, 2012 [7] Michail Vasiladiotis, Analysis, Implementation and Experimental Evaluation of Control Systems for a Modular Multilevel Converter, Royal Institute of Technology, Department of Electrical Engineering, Electrical Machines and Power Electronics, Stockholm, Sweden 2009 [8] Hagiwara, M.; Maeda, R.; Akagi, H., "Control and Analysis of the Modular Multilevel Cascade Converter Based on Double-Star Chopper-Cells (MMCCDSCC)", Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.26, no.6, pp.1649,1658 [9] Marcin Zygmanowski, Bogusław Grzesik, Radosław Nalepa, Capacitance and Inductance Selection of the Modular Multilevel Converter, Silesian University Of Technology Faculty of Electrical Engineering, Dept of Power Electronics, Electrical Drives and Robotics ul B Krzywoustego, Gliwice, Poland, 2007 79 [10] M Karimi-Ghartemani, “A Novel Three-Phase Magnitude-Phase-Locked Loop System”, IEEE Transactions On Circuits And Systems – I, Regular Papers, Vol.53, No 8, August 2006 [11] José Rodríguez, Jih-Sheng Lai and Fang Zheng Peng, “Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL 49, NO 4, AUGUST 2002 [12] Ville Naumanen,“Multilevel converter modulation:implementation and analysis”, Lappeenranta University of Technology, Lappeenranta, Finland,on the 7th of June, 2010, at noon [13] SIEMENS,“The Smart Way-Answers for energy” [14] Jih-Sheng La,“ Multilevel converters-a new breed of power converters ”, IEEE Transactions on Industry Applications (Impact Factor: 2.05) 05/1996; 32(3) [15] Kenneth Moore,“ HIGH-POWER CONVERTERS AND AC DRIVES”, IEEE Press 445 Hoes Lane Piscataway, NJ 08854 [16] Suman Debnath, Jiangchao Qin, Student, Behrooz Bahrani, Maryam Saeedifard, and Peter Barbosa,“ Operation, Control, and Applications of the Modular Multilevel Converter: A Review”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL 30, NO 1, JANUARY 2015 [17] Zygmanowski, M.; Grzesik, B.; Nalepa, R., "Capacitance and inductance selection of the modular multilevel converter" Power Electronics and Applications (EPE), 2013 15th European Conference on , vol., no., pp.1,10, 2-6 Sept 2013 80 ... nhau, cấu trúc mạch lực đơn giản khắc phục nhược điểm hệ thống HVDC thông thường Từ lí đó, lựa chọn đề tài Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho biến đổi cấu trúc module hệ thống truyền tải. .. tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho biến đổi cấu trúc module hệ thống truyền tải HVDC-Plus” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Phạm Việt Phƣơng Các số liệu kết hoàn toàn... văn nghiên cứu hệ thống truyền tải điện chiều HVDC-Plus sử dụng biến đổi cấu trúc MMC: - Trong luận văn nghiên cứu nguyên lý hoạt động hệ thống truyền tải chiều HVDC-Plus sử dụng biến đổi cấu trúc