Điều khiển bộ biến đổi đa mức có cấu trúc MMC nối lưới dựa trên phương pháp điều khiển dự báo dòng điện

26 Trần Hùng Cường,, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Phạm Đỗ Tường Linh 
ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC CÓ CẤU TRÚC MMC NỐI LƯỚI 
DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO DÒNG ĐIỆN 
CONTROL FOR MODULAR MULTILEVEL CONVERTER (MMC) WITH 
CONNECTION GRID BASED ON MODEL PREDICTIVE CURRENT CONTROL METHODS 
Trần Hùng Cường1,2, Trần Trọng Minh1, Phạm Việt Phương1, Phạm Đỗ Tường Linh2 
1Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; tranhungcuong@hdu.edu.vn 
2Trường Đại học Hồng Đức; phamdotlinh@hdu.edu.vn 
Tóm tắt - Modular Multilevel Converter (MMC) là bộ biến đổi đa 
mức được xây dựng bằng cách mắc nối tiếp các Submodule (SM). 
Do có tính modun hóa cao nên bộ biến đổi được ứng dụng cho hệ 
thống công suất lớn, điện áp cao. So với các bộ biến đổi đa mức 
khác, sự khác biệt giữa điện áp nhánh trên và nhánh dưới của 
MMC trong mỗi pha sẽ được sử dụng để dự đoán dòng điện xoay 
chiều. Bài báo này đề xuất phương pháp điều khiển dự báo dòng 
điện dựa trên phương pháp điều khiển dự báo hữu hạn các trạng 
thái đóng cắt (FCS-MPC), đồng thời điều khiển công suất để kết 
nối MMC với lướisử dụng bộ điều khiển tuyển tính PI. Phương 
pháp điều khiển sử dụng mô hình của MMC để dự đoán giá trị 
tương lai của dòng điện mỗi pha. Hiệu quả của phương pháp điều 
khiển được đánh giá bằng cách mô phỏng trên Matlab/Simulink để 
chứng minh các ưu điểm của thuật toán. 
Abstract - The Modular Multilevel Converter (MMC) is a electronic 
converter whose topology is built up by using cascaded connection of sub-
modules. Due to its explicit features such as high modularity, low switching 
frequency, the MMC is recommended for high voltage, high power 
applications. Different from other converter topologies, the voltage 
difference between low and high side of each phase of the MMC can be 
determined, and in combination with converter’s parameters, the output 
phase current can be predicted for control purpose. In this paper, we 
propose an approach to minimize the tracking error between the measured 
and predicted current based on Finite Control Set - Model Predictive Control 
(FCS-MPC), simultaneously, to control output power to connect the MMC 
to the grid. The control method utilizes the MMC’s model to predict the 
future values of the phase current and finds the optimized working condition 
of the converter. The control performance is evaluated by simulation on 
Matlab/Simulink which shows the advantages of the algorithm. 
Từ khóa - Bộ biến đổi MMC;Điều khiển dự báo MPC; điều khiển 
công suất; bộ điều khiển PI; Sub-module. 
Key words - Modular Multilevel Converter; Model Predictive 
Control; control power; PI Controller; Sub-module. 
1. Đặt vấn đề 
Bộ biến đổi (BBĐ) MMC là cấu trúccó nhiều ưu điểm 
phù hợp cho các ứng dụng cao áp. So với một số BBĐ đa 
mức khác như: Cầu H nối tầng, Điốt kẹp, Tụ điện thay đổi 
thì MMC vẫn giữ được các ưu điểm của BBĐ đa mức và 
cónhiều tính năng nổi bật khác như: tính module hóa, tạo ra 
sóng điện áp gần sin lý tưởng [1]. Do có tính module hóa 
nên MMC có thể mở rộng tới hàng trăm mức điện áp để đáp 
ứng với cấp điện áp rất cao [2], được thực hiện bằng cách 
chia nhỏ mức điện áp cho các SM giống nhau [3]. Hiện nay, 
MMC đã được nghiên cứu áp dụng cho các hệ thống như: 
truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) [4], kết nối nguồn 
năng lượng tái tạo [5], [8]  MMC đã có sản phẩm ứng 
dụng điển hình là hệ thống HVDC 200kV-400MVA, đây là 
dự án cáp xuyên vịnh của hãng Siemens tại TP San Francisco 
của Hoa Kỳ [3]. Nhược điểm của MMC là khi số lượng các 
SM tăng lên, việc điều khiển sẽ trở nên phức tạp. Một số 
phương pháp điều chế đã được áp dụng thành công cho 
MMC như: PWM, SVM [6]. Tuy nhiên các phương pháp 
này vẫn tồn tại một số nhược điểm như: Thời gian đáp ứng 
chậm, tần số chuyển mạch van lớn, rất khó thực hiện khi số 
SM tăng lên. Để cải thiện các vấn đề trên, bài báo này trình 
bày phương pháp điều khiển FCS-MPC nhằm mục đích 
giảm quá trình tính toán phức tạp cho MMC và đạt mục tiêu 
điều khiển dòng điện có dạng sin lý tưởng phía xoay chiều. 
Ngoài ra, bài báo cũng đề xuất phương pháp điều khiểnsử 
dụng bộ điều khiển PI, để điều chỉnh công suất tác dụng và 
công suất phản kháng đáp ứng nhu cầu trao đổi công suất 
của BBĐ khi kết nối với lưới điện. Bộ điều khiển PI được 
chọn để điều khiển công suất ở mạch vòng ngoài là do quá 
trình thiết kế đơn giản, có thể đáp ứng nhanh với thời gian 
nhỏ. Bộ điều khiển MPC được phát triển trong ngành công 
nghiệpvào năm 1970 [7]. Tuy nhiên, MPC chỉ mới được áp 
dụng trong điện tử công suất vào năm 2003 [4]. Đến nay, với 
các thiết bị vi xử lý hiện đại, MPC đã có những ứng dụng 
mạnh mẽ và đạt được nhiều thành tựu trong điện tử công 
suất. Ưu điểm chính của MPC là thiết kế đơn giản, dễ dàng 
xử lý các sai lệch tín hiệu điều khiển thông qua hàm mục 
tiêu. Nguyên tắc làm việc của MPC là điều khiển tín hiệu 
thực bám theo tín hiệu đặt ở các chu kỳ làm việc tiếp theo để 
duy trì mức sai lệch nhỏ và giảm tổn thất bằng cách giảm tần 
số chuyển mạch van bán dẫn. Ý tưởng chính của FCS-MPC 
là sử dụng số lượng hữu hạn các trạng thái chuyển đổi của 
MMC để tính toán một hàm mục tiêu được xác định trước 
[5], [6]. Trạng thái chuyển đổi dẫn đến giá trị tối thiểu cho 
hàm mục tiêu sẽ được chọn làm trạng thái chuyển đổi tốt 
nhất của MMC trong chu kỳ chuyển đổi tiếp theo. Với cách 
tiếp cận này, số lượng phép tính giảm đáng kể, tránh những 
trạng thái chuyển đổi không cần thiết và thời gian xử lý tín 
hiệu sẽ nhỏ. Nhược điểm chính của MPC là khi số lượng SM 
tăng lên, các trạng thái chuyển đổi tăng lên theo cấp số nhân 
sẽ gây nên áp lực tính toán và kéo dài thời gian xử lý tín hiệu. 
2. Cấu trúc và mô hình toán học bộ biến đổi MMC 
2.1. Cấu trúc bộ biến đổi MMC 
Hình 1 là sơ đồ cấu trúc ba pha của MMC. Mỗi pha 
gồm 2N các SM. Các SM ở nhánh trên được ký hiệu từ 
SMj1 đến SMjN (j = a,b,c), các SM ở nhánh dưới được ký 
hiệu từ SMjN+1 đến SMj2N. 
Phía một chiều BBĐ MMC được cấp bởi một nguồn 
duy nhất là VDC, dòng điện tương ứng là iDC. Trong mỗi pha 
của MMC tồn tại các dòng điện nhánh trên và nhánh dưới 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.1, 2019 27 
được ký hiệu là iHj và iLj, VHj và VLj là tổng điện áp trên tụ 
điện nhánh trên và nhánh dưới mỗi pha của MMC. Vj, ij, iv 
là điện áp, dòng điện xoay chiều, dòng điện vòng của 
MMC, dòng điện xoay chiều được lấy ra ở điểm giữa của 
cuộn cảm Lo của mỗi nhánh. Cuộn cảm này có tác dụng hạn 
chế các quá độ làm việc của bộ biến đổi [9]. Các tổn hao 
trong mỗi nhánh của BBĐ được mô tả bởi điện trở Ro. 
SM1
SM2
SMN
SMN+1
SMN+2
SM2N
Lo
Lo
iHa
iLa
iDC
ia
ic
L R
SM1
SM2
SMN
SMN+1
SMN+2
SM2N
SM1
SM2
SMN
SMN+1
SMN+2
SM2N
SM
S1
S2
Ro
Ro
VDC
+
_
VH_a
vL_a
+
_
vc
vb
va
VC
ib
+
_
vam
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của bộ biến đổi MMC 
2.2. Nguyên lý hoạt động của MMC 
Bộ biến đổi MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng 
dồn điện áp VSM của các SM để tạo ra điện áp xoay chiều ở 
từng pha. Đối với từng SM, điện áp đầu ra sẽ gắn liền với 
một trong hai trạng thái ngược nhau được định nghĩa là 
“chèn vào” hoặc “bỏ qua” dựa trên trạng thái đóng cắt của 
các cặp van có kể đến chiều của dòng điện chạy trong mạch 
như các Hình 2. Đối với BBĐ MMC, điện áp VDC được 
phân phối trên các tụ của từng SM trong tất cả các nhánh 
van mỗi pha. Nếu tổng điện áp của các SM được chèn vào 
trên mỗi nhánh là khác nhau, dòng điện sẽ được sinh ra từ 
sự mất cân bằng điện áp trên các tụ [4]. 
S1
S2
S1
S2
S1
S2
S1
S2
ON
OFF ON OFF
a) b)
i i i i
UC UC UC UC
Hình 2. Trạng thái ON và OFF của các SM khi: 
a) dòng điện có chiều dường; b) dòng điện có chiều âm 
VH
VL
iL
iH
iDC
iv
VDC/2
Lo
Lo
ij
jm
VDC/2
LR
Ro
Ro
Hình 3. Mạch điện tương đương một pha của MMC 
Các SM của MMC được cấu tạo bởi hai van bán dẫn 
IGBT mắc song song với một tụ điện C như Hình 1, mỗi SM 
có hai trạng thái chuyển mạch là {0;1}, trong đó 1 ứng với 
trạng thái tụ điện được chèn vào, tương ứng với SM được 
ON và ngược lại. Hình 2 mô tả các trạng thái ON và OFF 
của SM, trong trường hợp chiều dòng điện là dương như ở 
Hình 2a và trường hợp dòng điện là âm như ở Hình 2b [5]. 
Mạch điện tương đương một pha của MMC như Hình 3. 
MMC hoạt động tốt khi điện áp các tụ điện phải được 
điều khiển bám so với giá trị đặt. Do đó, mục tiêu điều 
khiển là giữ điện áp trung bình của các tụ bám giá trị đặt 
và điện áp các tụ phải được cân bằng. Trong mô hình tất cả 
các điện áp tụ điện được coi như một nguồn điện tương 
đương như Hình 3, khi hoạt động bình thường tất cả các tụ 
điện được tích điện đến giá trị định mức VDC/N. Để đạt 
được giá trị này MMC đề xuất bật lần lượt các SM của một 
nhánh và tắt số SM tương ứng ở nhánh còn lại. Tổng số SM 
được bật của mỗi nhánh là N. Việc bật tắt của mỗi SM được 
thực hiện bằng các xung điều khiển do bộ điều khiển tạo 
ra. Mỗi lần bật hoặc tắt của SM số mức của MMC sẽ tăng 
hoặc giảm một mức điện áp có giá trị bằng VDC/N. Quá 
trình này sẽ tạo ra điện áp phía xoay chiều luôn dao động 
trong các mức -VDC/2 đến +VDC/2 với mỗi bước điện áp là 
VDC/N. Từ hình1, mô hình toán học ba pha mô tả dòng điện 
nhánh của MMC như công thức (1). 
1 1
3 2
1 1
3 2
Hj DC vj j
Lj DC vj j
i i i i
i i i i
(j = a,b,c) (1) 
Các phương trình điện áp của nhánh trên và nhánh dưới 
của các pha được mô tả bởi (2). 
2
2
Hj jDC
Hj Hj o o j jm
Lj jDC
Lj Lj o o j jm
di diV
v L Ri L R i v
dt dt
di diV
v L Ri L R i v
dt dt
 (2) 
vcm là điện áp xoay chiều nối lưới. Điện áp ra của mỗi 
SM được xác định bởi phương trình (3). 
. 1 2x Cv S v x N (3) 
Ở đây S nhận trạng thái 0 hoặc 1. Từ (3), điện áp mỗi 
nhánh của MMC được cho bởi phương trình (4). 
1
N
yj
jy Cx
x
V
v v
N
(y = H; L) (4) 
Mô hình toán học của dòng điện trong miền thời gian 
liên tục thu được bằng cách giải phương trình (1), (2) và 
được thể hiện bởi (5). 
1
2 2
2
j
Lj Hj jm o j
o
di
v v v R R i
dt L L
 (5) 
Ở đây: 
, ,
1
6
jm Hj Lj
j a b c
v v v 
Phương trình (5) sẽ được sử dụng để dự báo điều khiển 
dòng điện xoay chiều nối lưới của MMC. 
28 Trần Hùng Cường,, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Phạm Đỗ Tường Linh 
3. Điều khiển dự báo dòng điện xoay chiều cho bộ biến 
đổi MMC 
3.1. Giới thiệu về phương pháp điều khiển dự báo 
Nguyên tắc làm việc của MPC là dựa trên việc dự đoán 
hoạt động của mô hình ở các chu kỳ làm việc tiếp theo, tính 
toán trạng thái làm việc tối ưu thông qua hàm mục tiêu phụ 
thuộc vào đặc điểm của từng hệ thống [10]. Mô hình điều 
khiển dự báo khi áp dụng trong hệ thống các bộ biến đổi 
được thể hiện như Hình 4. 
Bộ biến đổi Lưới
Tối ưu hàm 
mục tiêu
Dự báo 
biến điều 
khiển
S(k)xref(k+1)
x(k)
Bộ điều khiển FCS-MPC
Hình 4. Biểu đồ khóa điều khiển của MMC [6] 
Trong đó x(k) là biến cần điều khiển. Dựa trên mô hình 
rời rạc của hệ thống, các giá trị hiện tại của các biến điều 
khiển x(k) được sử dụng để dự đoán các giá trị trong tương 
lai x(k+1) cho tất cả các trạng thái chuyển đổi. Tất cả các 
giá trị dự đoán x(k+1) được so sánh với giá trị đặt xref(k+1) 
bằng một hàm mục tiêu, trạng thái chuyển mạch S tối ưu 
sẽ được chọn để áp dụng cho bộ chuyển đổi và làm trạng 
thái để dự toán tiếp cho các chu kỳ sau. 
Ts Ts
x
xref(k)
t(k) t(k+1) t(k+2) t
x1(k+1)
x3(k+1)
x2(k+1)
x2(k+2)
x1(k+2)
x3(k+2)
x(k)
Hình 5. Nguyên lý hoạt động dự báo tín hiệu của MPC [7] 
Phương pháp dự báo tín hiệu của MPC được thể hiện 
như Hình 5. Trong đó t(k) là chu kỳ trích mẫu đầu tiên, 
t(k+1)và t(k+2) là các chu kỳ dự đoán các trạng thái làm 
việc tiếp theo của tín hiệu điều khiển. Giả sử MPC được áp 
dụng cho hệ thống với ba trạng thái chuyển đổi là x1, x2 và 
x3 với giá trị đặt là không đổi. Trong mỗi chu kỳ dự báo 
hàm mục tiêu sẽ xác định giá trị sai lệch giữa các trạng thái 
của biến điều khiển so với giá trị đặt, và giá trị sai lệch bé 
nhất so với giá trị đặt sẽ được chọn làm tín hiệu điều khiển 
cho hệ thống, ở Hình 5 tại thời điểm t(k+1) tín hiệu x3(k+1) 
được chọn làm tín hiệu điều khiển, ở thời điểm t(k+2) tín 
hiệu x2(k+2) được chọn làm tín hiệu điều khiển. Các chu 
kỳ tiếp theo quá trình được lặp đi lặp lại nhiều lần dựa trên 
thuật toán lập trình đã được định sẵn. 
3.2. Chiến lược FCS-MPC cho bộ biến đổi MMC 
Phương pháp FCS-MPC cho MMC để điều khiển dòng 
điện xoay chiều trên tải được thực hiện qua bốn bước sau: 
i) Đo dòng điện xoay chiều; ii) Tạo ra các giá trị đặt của 
dòng điện là ijref(k) với biên độ và tần số như biến điều 
khiển mong muốn; iii) Từ mô hình toán học liên tục, thực 
hiện ngoại suy các biến điều khiển dòng điện theo phương 
pháp gián đoạn hóa Euler để được các giá trị dự báo điều 
khiển trong chu kỳ lấy mẫu tiếp theo; iv) Thực hiện tối ưu 
hóa biến điều khiển bằng hàm mục tiêu. 
3.2.1. Xác định số trạng thái chuyển mạch của MMC 
Trong bộ biến đổi MMC một pha có (N + 1) mức điện 
áp, tổng số trạng thái chuyển đổi thể hiện bởi (7) [7]: 
2
2 !
! 2 !
N
N
N
M C
N N N
 (7) 
Trong MMC ba pha, số trạng thái chuyển đổi là M3 
trạng thái. Ví dụ: bộ biến đổi ba pha MMC với 7 mức điện 
áp có M = 3432 (có N = 7 SM trên mỗi nhánh), số trạng 
thái chuyển mạch trên ba pha của MMC là 34323 trạng thái 
chuyển đổi. Vì hàm mục tiêu sẽ tính tất cả các trạng thái 
chuyển đổi trong cùng một chu kỳ điều khiển nên số trạng 
thái chuyển đổi sẽ quyết định tốc độ xử lý tín hiệu của bộ 
điều khiển. Khi số mức của bộ biến đổi tăng lên, số trạng 
thái chuyển đổi sẽ tăng lên theo cấp số nhân, do đó áp lực 
tính toán của bộ điều khiển trong cùng một thời gian trích 
mẫu là rất lớn. Vì vậy phương pháp FCS-MPC sẽ tối ưu 
các trạng thái tính toán và chỉ chọn những trạng thái phù 
hợp trước khi đưa vào xử lý tín hiệu. 
3.2.2. Điều khiển tín hiệu dòng điện xoay chiều 
t(k) t(k+1)t(k-1) t(k+2) t(k+3)
0
i(k)
i(k+1)
i(k)
iref(k)
i
t
i(k): Giá trị dòng điện thực
iref(k): Giá trị dòng điện đặt
iref(k)
Hình 6. Thuật toán điều khiển dự báo dòng điện 
Mục đích của dự báo tín hiệu dòng điện là điều khiển 
sao cho dòng điện ra bám sát dòng điện đặt. Theo Euler mô 
hình gián đoạn của dòng điện xoay chiều phía đầu ra được 
mô tả bởi (8). 
1 [ 1 1 2 1 ]j j jH jH Cmi k Ai k B v k v k v k C (8) 
Trong đó: 
, ,
1
1 1 1
6
jm Lj Hj
j a b c
v k v k v k 
2
1 ; ; 1 1 1
2 2
To s s
o o
R R T T
A B C
L L L L
a La Ha
j b jL La jH Hb
c La Hc
i k v k v k
i k i k v k v k v k v k
i k v k v k
Từ phương trình (8) ta xác định được hàm mục tiêu tối 
ưu hóa giá trị dòng điện như (9): 
(k 1) (k 1)j jref jJ i i (9) 
Trong đó, ijref(k+1), ij(k+1) là dòng điện đặt và dòng 
điện dự báo các pha được tính từ công thức (8). Trong một 
khoảng thời gian trích mẫu đủ nhỏ thì (k 1) (k)jref jrefi i , 
khi đó (9) viết lại như công thức (10). 
(k) (k 1)j jref jJ i i (10) 
Hàm mục tiêu (10) sẽ tính giá trị sai lệch nhỏ nhất của 
dòng điện xoay chiều so với giá trị đặt. Giá trị tối ưu được 
sử dụng làm tín hiệu ra trên tải xoay chiều và làm giá trị để 
dự báo cho chu kỳ lấy mẫu tiếp theo. Hình 7 là lưu đồ thuật 
toán điều khiển các biến của MMC theo FCS-MPC. 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.1, 2019 29 
Tính hàm mục tiêu Jj
dựa vào công thức (10)
Sai
Đúng
Đúng
Sai
Chọn trạng thái đóng cắt van tối ưu
Thực hiện đóng cắt các van Sxj
Tín hiệu 
ij(k), 
vjH(k), vjL(k)Tính ij(k+1) dựa vào 
phương trình (8)
ijref(k)
Jj < Jmin ?
Sxj = Sxj(k) và Jmin = Jj
Hình 7. Lưu đồ thuật toán áp dụng MPC cho MMC 
4. Thiết kế bộ điều khiển công suất cho bộ biến đổi 
MMC nối lưới điện 
Điều khiển đảm bảo công suất để cung cấp cho phụ tải 
là công việc quan trọng của MMC, mục đích là đảm bảo 
nguồn công suất cần thiết, ổn định cung cấp cho tải. Phần 
này trình bày chiến lược điều khiển công suất khi MMC 
được kết nối với lưới điện xoay chiều ba pha. Quá trình 
điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng 
được thực hiện bởi mạch vòng ngoài bằng bộ điều khiển 
tuyến tính PI. Bộ điều khiển PI sẽ điều khiển dòng công 
suất vàgiảm được độ đập mạch của trào lưu công suất cho 
lưới điện mà vẫn đảm bảo dòng điện có dạng hình sin mong 
muốn. Theo tài liệu [3], trong hệ tọa độ dq công suất của 
bộ biến đổi được tính theo phương trình (11). 
3
( )
2
3
( )
2
d d q q
d q q d
P v i v i
Q v i v i
= + 
 = − −
 (11) 
Từ phương trình (11) dòng điệnid, iq tính như (12). 
2
3
2
3
q
d q
d d
q
q d
d d
v
i P i
v v
v
i Q i
v v
= − 
 = − +
 (12) 
Trong thiết kế, thành phầnvd/vqđược coi là nhiễu và 
được bỏ qua, thành phần này sẽ được bù sau khi thiết kế 
xong bộ điều khiển. Dựa vào phương trình (12), sơ đồ mạch 
vòng điều khiển công suất được thể hiện ở Hình 8. 
PI
PI
Pref
Qref
+
+_
_
+
vd/vq
P
Q iq_ref
id_ref
Hình 8. Cấu trúc mạch vòng điều khiển công suất 
Để điều khiển công suất, các tín hiệu dòng điện, điện áp 
được đo và được chuyển sang hệ tọa độ 0dq. Từ dòng điện 
id và iq sẽ tính được công suất thực của hệ thống. Công suất 
tính toán sẽ được so sánh với giá trị công suất đặt mong 
muốn, thành phần sai lệch sẽ được triệu tiêu bằng bộ điều 
khiển PI, sau đó các thành phần nhiễu sẽ được bù và tạo ra 
các giá trị dòng điện cần thiết cho bước điều khiển tiếp theo. 
Cấu trúc hệ thống điều khiển điều khiển công suất của MMC 
dựa trên phương pháp đề xuất được thể hiện như Hình 9. 
Tính 
công suất 
P,Q theo 
(11)
PI
PI
dq/
abc
abc/
dq
 Mô hình dư báo 
dòng điện theo 
(8)
Hàm mục tiêu 
(10)
PLL
Bộ biến 
đổi 
MMC 
hình 1
id
iq
ud
uq
P
Q
Pref
Qref
S(k)
VDC
ia,b,c
va,b,c
S(k)
Ra La
Rb Lb
Rc Lc
ia
ib
ic
Lưới điện
+
_
+_
ia_ref(k)
ia(k+1) ic(k+1)
_
+
vd/vq
vd/vq
id_ref
iq_ref
vjL(k)
vjH(k) 
ib_ref(k)
ic_ref(k)
ib(k+1)
ia(k) ic(k)ib(k) 
Hình 9. Cấu trúc hệ thống điều khiển cho MMC
5. Mô phỏng và đánh giá kết quả 
Kết quả mô phỏng bằng phần mềm MATLAB/ 
SIMMULINK cho BBĐ MMC ở Hình 1 áp dụng thuật toán 
điều khiển đề xuất. Các thông số mô phỏng được trình bày 
trong Bảng 1. 
Bảng 1.Thông số mô phỏng hệ thống. 
Thông số Giá trị Thông số Giá trị 
VDC 6000V Điện áp trên tải 6000V 
Điện cảm nhánh Lo 10 mH Tần số lưới 50Hz 
Điện trở nhánh Ro 6 Ω Pref 500 kW 
Chu kì trích mẫu Ts 200 µs Qref 500 kVar 
Kết quả mô phỏng dòng điện, điện áp ba pha phía nối 
lưới xoay chiều trên Hình 10 và Hình 11 cho thấy dòng 
điện, điện áp có dạng sin chuẩn ở thời gian 0,02s. Kết quả 
cho thấy bộ điều khiển cho đáp ứng nhanh và chất lượng. 
Điện áp nhánh trên pha A ở Hình 12 cho thấy điện áp ra có 
dạng 7 mức, mỗi mức điện áp có giá trị 1000V. 
0 0.1 0.2
Thời gian (s)
-400
-200
200
400
D
ò
n
g 
đ
iệ
n
 (
A
)
0
Pha A Pha B Pha C
Hình 10. Dòng điện ba pha a,b,c phía xoay chiều nối lưới 
-2000
-1000
1000
2000
Đ
iệ
n
 á
p
 (
V
)
0 `
0 0.1 0.2
Thời gian (s)
-3000
3000 Pha A Pha B Pha C
Hình 11. Điện áp ba pha a, b, c phía xoay chiều nối lưới 
30 Trần Hùng Cường,, Trần Trọng Minh, Phạm Việt Phương, Phạm Đỗ Tường Linh 
1000
2000
4000
5000
Đ
iệ
n
 á
p
 (
V
)
3000
0
6000
0 0.1 0.2
Thời gian (s) 
Hình 12. Điện áp nhánh trên pha a 
Hình 13 cho thấy, điện áp tụ của bộ biến đổi được nạp 
tới 1000V trong khoảng 0.02s, khi MMC hoạt động, điện 
áp tụ điện luôn được giữ cân bằng với biên độ dao động 
cực đại là 27V, tức là 2,7% giá trị định mức. 
VC1a
VC2a
VC3a
VC4a
VC5a
VC6a
500
600
700
800
900
1000
0 0.1 0.2
Thời gian (s)
Đ
iệ
n 
áp
 (V
)
Hình 13. Điện áp trên các tụ điện nhánh trên pha a 
0
5
10
-5
Cô
ng
 s
uấ
t P
 (W
)
x 105
P thực
P đặt
0 0.1 0.2
Thời gian (s) 
Hình 14. Công suất phản kháng cung cấp cho lưới điện 
0 0.1 0.2
Thời gian (s)
0
5
10
-5
Cô
ng
 s
uấ
t P
 (W
)
x 105
Q thực
Q đặt
Hình 15. Công suất phản kháng cung cấp cho lưới điện 
Hình 16. Kết quả phân tích Fourier dòng điện AC nối lưới 
Hình 17. Kết quả phân tích Fourier điện áp AC nối lưới 
Hình 14 và Hình 15 là đáp ứng của công suất tác dụng 
và công suất phản kháng. Kết quả cho thấy, công suất tác 
dụng và công suất phản kháng bám giá trị đặt sau 0,023s. 
Khi thay đổi giá trị đặt công suất ở thời điểm 1,5s, công 
suất thay đổi ngay tức khắc để bám theo giá trị đặt sau 
0,005s. Kết quả phân tích tổng độ méo sóng hài trên Hình 
16 và Hình 17 cho dòng điện và điện áp phía xoay chiều 
cho thấy, chỉ số THD của dòng điện và điện áp lần lượt là 
0,32% và 1,86%, các sóng hài bậc cao với biên độ lớn xuất 
hiện ít, điều này chứng minh nhưng ưu điểm khi áp dụng 
phương pháp điều khiển FCS-MPC và PI cho MMC. Kết 
quả phân tích cho thấy, mục tiêu điều khiển đã đạt được kết 
quả mong muốn là THD ở mức thấp, giá trị dòng điện và 
điện áp đạt được hình sin sau một thời gian ngắn, giá trị 
công suất cung cấp cho tải luôn có giá trị ổn định với độ 
đập mạch nhỏ. 
6. Kết luận 
Bài báo đã thực hiện việc điều khiển công suất và dòng 
điện cho bộ biến đổi MMC kết nối lưới điện. Công suất 
trao đổi với lưới được điều khiển bởi bộ điều khiển tuyến 
tính PI. Dòng điện đầu ra phía xoay chiều được điều khiển 
bằng phương pháp điều khiển dự báo. Phân tích các kết quả 
thu được khi cấu hình bộ biến đổi có 6 SM trên mỗi nhánh 
cho thấy dòng điện, điện áp xoay chiều nối lưới có dạng sin 
chuẩn với chỉ số THD là 0,32% và 1,86%. Công suất tác 
dụng và công suất phản kháng bám giá trị đặt với độ đập 
mạch nhỏ khi thay đổi chế độ làm việc. Các kết quả đã 
chứng minh hiệu quả của thuật toán điều khiển đã đề xuất 
và cho thấy bộ biến đổi MMC khi được nối lưới luôn hoạt 
động ổn định. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] K. Ilves, A. Antonopoulos, S. Norrga, and H. Nee, IEEE Trans. 
Power Electron., vol. 27, no. 1, pp. 57–68, Jan. 2014. 
[2] J. Qin and M. Saeedifard. Predictive control of a modular multilevel 
converter for a back-to-back HVDC system. IEEE Trans. Power 
Deliv,27(3):1538–1547, Jul. 2012. 
[3] Wei LI, Luc-Andre GREGOIRE. Control and Performance of a 
Modular Multilevel Converter System. CIGRÉ Canada Conference 
on Power Systems Halifax, September 6- 8, 2011. 
[4] Kurt Friedrich. Modern HVDC PLUS application of VSC in Modular 
Multilevel Converter Topology. Addison-Wesley, Reading, MA, 
2nd ed, 2012. 
[5] T. Geyer, G. Papafotiou, and M. Morari. Model predictive direct 
torque control - part I: Concept, algorithm and analysis. IEEE Trans. 
Ind. Electron., 56(6):1894–1905, Jun. 2009. 
[6] Mr. Balasaheb J. Pawar; Dr. Vitthal J. Gond; “Modular multilevel 
converters: A review on topologies, modulation, modeling and 
control schemes”, International Conference on Electronics, 
Communication and Aerospace Technology ICECA 2017. 
[7] Q. Song, W. Liu, X. Li, H. Rao, S. Xu, and L. Li, “A steady-state 
analysis method for a modular multilevel converter”, IEEE Trans. 
Power Electron., vol. 28, no. 8, pp. 3702–3713, Aug. 2013. 
[8] J. Mei, B. Xiao,K. Shen, L. Tolbert, and J. Y. Zheng, “Modular 
multilevel inverter with new modulation method and its application 
tophotovoltaic grid-connected generator”, IEEE Trans. Power 
Electron.,vol. 28, no. 11, pp. 5063–5073, Nov. 2013. 
(BBT nhận bài: 10/10/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 18/01/2018)