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

Cấu trúc submodule half-bridge full-bridge quyết định trực tiếp đến tính năng vận hành của bộ biến đổi MMC. Module nửa cầu (half-bridge) sở hữu thiết kế đơn giản. Cấu hình này chỉ gồm hai khóa bán dẫn IGBT và một tụ điện DC. Ưu điểm nổi bật là tổn hao đóng cắt thấp và chi phí chế tạo tối ưu. Module nửa cầu tạo ra hai mức điện áp là 0 và điện áp tụ. Ngược lại, submodule full-bridge tích hợp bốn van bán dẫn. Cấu trúc này tạo ra ba mức điện áp gồm điện áp dương, điện áp âm và 0. Module cầu đầy đủ có khả năng cô lập sự cố ngắn mạch trên đường dây DC một cách tự nhiên. Mỗi nhánh van MMC gồm hàng chục hoặc hàng trăm submodule mắc nối tiếp. Việc lựa chọn cấu trúc submodule phụ thuộc vào yêu cầu chịu lỗi cụ thể của từng dự án truyền tải. Khả năng dự phòng module cũng giúp hệ thống duy trì hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố phần cứng cục bộ.

Bộ biến đổi MMC đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp trong quá trình vận hành thực tế. Điện áp trên từng tụ điện submodule liên tục dao động theo chu kỳ dòng điện. Hiện tượng mất cân bằng điện áp dễ dẫn đến quá áp và phá hỏng linh kiện bán dẫn. Dòng điện tuần hoàn xuất hiện giữa các nhánh pha làm tăng tổn hao nhiệt và dòng đỉnh qua van. Chất lượng sóng hài điện áp ngõ ra đòi hỏi kỹ thuật điều chế chính xác ở tần số đóng cắt thấp. Tốc độ tính toán của bộ xử lý số bị thử thách khi số lượng submodule tăng lên hàng trăm bộ. Việc phối hợp giữa điều khiển vòng ngoài và cân bằng điện áp nội bộ yêu cầu cấu trúc đa tầng. Hệ thống cần phản ứng nhanh trước các biến động đột ngột từ lưới điện xoay chiều. Giải quyết triệt để các vấn đề này là mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu điều chế và thuật toán điều khiển hiện đại.

Mô hình trạng thái liên tục mô tả toàn diện động học của bộ biến đổi MMC khi làm việc với tải R-L và nối lưới điện ba pha. Phương trình cân bằng điện áp trên mỗi nhánh van tích hợp điện cảm kháng và điện trở nội. Dòng điện nhánh phân tách thành thành phần xoay chiều cung cấp cho lưới và thành phần một chiều mang năng lượng DC. Điện áp điểm trung tính và điện áp rơi trên cuộn kháng nhánh van được tính toán chi tiết. Khi vận hành nối lưới, hệ thống phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng và hệ số công suất. Động học của dòng điện nối lưới phụ thuộc trực tiếp vào sai lệch giữa điện áp tổng hợp từ các submodule và điện áp lưới xoay chiều. Việc xây dựng mô hình liên tục giúp đơn giản hóa quá trình phân tích ổn định tín hiệu nhỏ và thiết kế bộ điều khiển phản hồi tuyến tính.

Phương pháp điều chế Nearest Level Control NLC là giải pháp tối ưu cho bộ biến đổi MMC có số lượng mức lớn. Kỹ thuật này xác định số lượng submodule cần kích hoạt bằng cách làm tròn điện áp tham chiếu đến mức lượng tử gần nhất. Thuật toán NLC loại bỏ hoàn toàn sóng mang tam giác phức tạp. Tần số đóng cắt trung bình của các van bán dẫn giảm xuống mức tương đương tần số cơ bản. Tổn hao đóng cắt trong toàn bộ hệ thống giảm mạnh, nâng cao đáng kể hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Sóng hài bậc thấp được giảm thiểu tự nhiên nhờ số lượng mức điện áp đầu ra rất cao. NLC cải tiến bổ sung cơ chế bù sai số lượng tử hóa nhằm cải thiện độ méo dạng sóng hài tổng THD khi số lượng mức trung bình. Phương pháp NLC đặc biệt phù hợp cho các trạm biến đổi HVDC quy mô lớn với hàng trăm submodule trên mỗi nhánh pha.

Kỹ thuật điều chế sóng mang đóng vai trò nền tảng trong các ứng dụng MMC số mức vừa và nhỏ. Phương pháp điều chế Phase-Shifted Carrier PSC-PWM sử dụng các sóng mang dịch pha đều nhau góc 360 độ chia cho số submodule. Ưu điểm nổi bật của PSC-PWM là tự động phân bổ đều công suất và số lần chuyển mạch giữa các submodule. Ngược lại, điều chế Level-Shifted Carrier LSC-PWM sắp xếp các sóng mang dịch mức theo trục tung đứng. LSC-PWM mang lại chất lượng sóng hài điện áp vượt trội hơn ở cùng tần số đóng cắt. Tuy nhiên, LSC-PWM gây ra hiện tượng mất cân đối công suất giữa các module ở các tầng khác nhau. Việc phối hợp LSC-PWM đòi hỏi thuật toán bổ trợ để hoán đổi nhiệm vụ của các tụ điện. Việc so sánh giữa PSC-PWM và LSC-PWM giúp kỹ sư lựa chọn phương án cân bằng giữa tổn hao bán dẫn và chất lượng điện áp ra.

Không gian trạng thái của bộ biến đổi MMC được phân chia thành nhiều tam giác nhỏ bên trong các sector hình lục giác. Việc xác định ba vector trạng thái gần nhất dựa trên vị trí tức thời của vector điện áp tham chiếu. Hệ số điều chế và thời gian dẫn của từng vector được giải thông qua hệ phương trình hình học trực giao. Mỗi vector trạng thái tương ứng với một tập hợp các mức điện áp nhánh van cụ thể. Thuật toán tính toán trực tiếp tọa độ không gian giúp tối ưu hóa thời gian thực thi của bộ vi xử lý DSP. Giải pháp này hạn chế việc tra bảng dữ liệu kích thước lớn khi số mức điện áp tăng cao. Độ chính xác trong việc tính thời gian tác động đảm bảo dạng sóng điện áp ngõ ra bám sát tín hiệu đặt, hạn chế tối đa sai lệch biên độ và góc pha.

Trật tự chuyển mạch giữa các vector trạng thái quyết định trực tiếp đến số lần đóng cắt của van IGBT và chất lượng điện áp. Thuật toán sắp xếp chuỗi chuyển mạch tối ưu chỉ cho phép một cặp khóa bán dẫn thay đổi trạng thái trong mỗi bước chuyển dịch. Nguyên tắc này giúp triệt tiêu các xung áp đột biến và hạn chế hiện tượng phát sinh sóng hài bậc cao. Trình tự chuyển mạch đối xứng được thiết lập để triệt tiêu các thành phần hài chẵn trong điện áp pha ngõ ra. Chất lượng sóng hài cải thiện rõ rệt, đáp ứng tiêu chuẩn nghiêm ngặt về kết nối lưới điện. Sự kết hợp giữa tối ưu hóa vector và điều khiển thời gian trễ đóng cắt mang lại dạng sóng dòng điện mịn màng. Hệ thống đạt hiệu suất cao cùng độ méo dạng sóng hài tổng luôn duy trì dưới ngưỡng cho phép.

Thuật toán sắp xếp tụ điện sorting algorithm là phương pháp kinh điển và hiệu quả nhất để cân bằng điện áp tụ điện submodule. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đo điện áp tức thời của tất cả các tụ điện và xác định chiều của dòng điện nhánh van. Khi dòng điện nhánh nạp năng lượng vào tụ, các submodule có điện áp thấp nhất sẽ được chọn để kích hoạt đóng mạch. Ngược lại, khi dòng điện nhánh xả năng lượng, hệ thống sẽ ưu tiên chọn các submodule có mức điện áp cao nhất. Quá trình này diễn ra liên tục tại mỗi chu kỳ điều chế, giữ cho điện áp trên các tụ dao động đồng đều quanh giá trị định mức. Nhằm hạn chế tần số chuyển mạch tăng cao, thuật toán sắp xếp cải tiến áp dụng dải dung sai hoặc cơ chế khóa giữ trạng thái. Giải pháp này giảm đáng kể tổn hao chuyển mạch mà vẫn đảm bảo độ lệch điện áp cực nhỏ.

Dòng điện tuần hoàn trong MMC là dòng điện xoay chiều thứ tự nghịch có tần số gấp đôi tần số lưới. Dòng điện này chỉ chạy khép kín giữa ba pha của bộ biến đổi mà không đi ra ngoài tải hay lưới xoay chiều. Mặc dù không ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện ngõ ra, dòng tuần hoàn làm tăng dòng hiệu dụng qua các van bán dẫn và gây dao động điện áp tụ điện. Giải pháp triệt tiêu dòng điện tuần hoàn circulating current suppression áp dụng bộ điều khiển tỷ lệ tích phân cộng hưởng PIR hoặc phép biến đổi trên hệ tọa độ quay đôi dq. Bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điện áp bù chèn vào mạch điều chế để triệt tiêu thành phần dòng tuần hoàn bậc hai. Kết quả là tổn hao công suất trên nhánh van giảm mạnh, nhiệt độ linh kiện hạ thấp và hiệu suất vận hành toàn hệ thống được cải thiện đáng kể.

Thuật toán điều khiển dự báo mô hình MPC MMC là hướng tiếp cận tiên tiến trong điều khiển phi tuyến đa mục tiêu cho bộ biến đổi. MPC sử dụng mô hình toán học rời rạc để dự báo trạng thái tương lai của dòng điện ngõ ra, dòng điện tuần hoàn và điện áp tụ điện. Một hàm mục tiêu tổng quát được thiết lập, kết hợp các trọng số phạt tương ứng với từng tiêu chí vận hành mong muốn. Tại mỗi chu kỳ lấy mẫu, thuật toán tối ưu hóa sẽ quét các trạng thái đóng cắt khả dĩ và lựa chọn trạng thái làm cực tiểu hóa hàm mục tiêu. Ưu điểm nổi bật của MPC là đáp ứng động học cực nhanh, dễ dàng tích hợp các ràng buộc phi tuyến và loại bỏ các khâu điều chế trung gian phức tạp. Việc áp dụng MPC đa mục tiêu giúp đồng thời bám sát dòng điện tải, triệt tiêu dòng tuần hoàn và duy trì cân bằng điện áp tụ điện hiệu quả.

Thiết kế bộ điều khiển dòng điện và công suất PQ nối lưới dựa trên cấu trúc điều khiển phân tách trên hệ tọa độ đồng bộ dq. Thành phần dòng điện trục d chịu trách nhiệm điều chỉnh công suất tác dụng P hoặc điện áp bus một chiều DC. Thành phần dòng điện trục q được dùng để kiểm soát công suất phản kháng Q và hỗ trợ điện áp xoay chiều tại điểm kết nối chung PCC. Bộ điều khiển dòng điện sử dụng cấu trúc PI kết hợp bù ghép kênh nhằm triệt tiêu tương tác chéo giữa hai trục dq. Bộ tạo sóng khóa pha PLL chính xác đảm bảo đồng bộ hóa góc pha với lưới điện ngay cả khi xảy ra sự cố sụt áp. Hệ thống phản hồi nhanh cho phép bám sát giá trị đặt công suất với độ vọt lố tối thiểu và thời gian xác lập cực ngắn. Chất lượng dòng điện bơm vào lưới đạt độ méo dạng thấp, đáp ứng đầy đủ các quy chuẩn kỹ thuật lưới điện quốc gia.

Cấu trúc bộ biến đổi MMC được ứng dụng rộng rãi trong thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh phân phối D-STATCOM. Thiết bị D-STATCOM dựa trên MMC có khả năng phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng động với thời gian đáp ứng tính bằng mili giây. Hệ thống giúp ổn định điện áp nút, nâng cao hệ số công suất và triệt tiêu sóng hài sinh ra từ các phụ tải phi tuyến công nghiệp. Do không cần nguồn cấp một chiều ngoài, điện áp trên các tụ điện submodule được duy trì tự động thông qua việc hấp thụ một lượng nhỏ công suất tác dụng từ lưới. Cấu trúc module hóa giúp D-STATCOM dễ dàng mở rộng dung lượng bù lên cấp điện áp trung thế và cao thế mà không cần máy biến áp trung gian. Đây là giải pháp công nghệ then chốt giúp nâng cao chất lượng điện năng và tăng cường độ ổn định cho lưới điện hiện đại.