Mô phỏng bộ nghịch lưu ba pha sử dụng kỹ thuật điều khiển dự báo cho ứng dụng nguồn UPS

Nội dung text: Mô phỏng bộ nghịch lưu ba pha sử dụng kỹ thuật điều khiển dự báo cho ứng dụng nguồn UPS

1. MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO ỨNG DỤNG NGUỒN UPS SIMULATION OF THREE-PHASE INVERTER USING MODEL PREDICTIVE CONTROL FOR UPS APPLICATIONS Nguyễn Minh Vũ1, Nguyễn Văn Nhờ2 1 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2 Trường đại học Bách Khoa TP.HCM TÓM TẮT Việc sử dụng một bộ nghịch lưu với bộ lọc đầu ra LC cho phép tạo ra điện áp hình sin có độ méo dang hài thấp, thích hợp cho các hệ thống nguồn điện liên tục. Bài báo này trình bày một phương pháp điều khiển mới và đơn giản là sử dụng điều khiển dự báo cho bộ nghịch lưu NPC 3 bậc với bộ lọc ngõ ra LC. Tại thời gian lấy mẫu, bộ điều khiển sử dụng mô hình của hệ thống để dự báo trạng thái của điện áp đầu ra cho mỗi trạng thái chuyển mạch có thể. Một hàm giá trị được sử dụng như là một tiêu chuẩn để lựa chọn các trạng thái chuyển mạch sẽ được áp dụng trong khoảng thời gian lấy mẫu tiếp theo. Bằng cách thêm hoặc bỏ bớt các yếu tố trong hàm giá trị thì có thể đạt được mục tiêu điều khiển mong muốn. Đề tài sử dụng các thanh công cụ của Matlab/Simulink mô phỏng để kiểm chứng tính hiệu quả của giải thuật MPC. Từ khóa: điều khiển dự báo, bộ lọc ngõ ra LC,nguồn điện liên tục, THD. ABSTRACT The use of an inverter with an output LC filter allows for generation of output sinusoidal voltages with low harmonic distortion, suitable for uninterruptible power supply systems. The thesis presents a new and simple control scheme using predictive control for a three-level NPC converter. The controller uses the model of the system to predict, on each sampling interval, the behavior of the output voltage for each possible switching state. A cost function is used as a criterion for selecting the switching state that will be applied during the next sampling interval. By adding or removing the control elements in the cost function, can achieve the desired control objectives. By using Matlab/Simulink tools to simulate and test the effectiveness of MPC method. Keywords: predictive control, output LC filter, uninterruptible power supply, THD. 1. GIỚI THIỆU biến MSPWM, phương pháp vector không gian, thì cũng có nhưng phương khác như Điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha là một trong những vấn đề được quan tâm pháp điều khiển deatbeat, điều khiển thích nhất trong điện tử công suất và đã được nghi, phương pháp điều khiển hồi tiếp nghiên cứu rộng rãi trong những thập niên nhiều vòng lặp gần đây. Việc điều khiển bộ nghịch lưu với Điều khiển dự báo xuất hiện như là bộ lọc ngõ ra LC có tầm quan trọng trong một thay thế hấp dẫn cho điều khiển của bộ các ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao của chuyển đổi công suất do đáp ứng nhanh, có điện áp ngõ ra. Ứng dụng đó bao gồm phân một số ưu điểm thuận lợi trong việc điều phối điện năng, hệ thống lưu trữ năng lượng, khiển bộ chuyển đổi công suất như: các nguồn cung cấp điện liên tục UPS [1-2]. khái niệm dễ hiểu, có thể áp dụng vào các Mạch lọc LC tại ngõ ra của mạch nghịch hệ thống khác nhau và kết quả là bộ điều lưu sẽ làm cho vấn đề thiết kế bộ điều khiển khiển dễ thực nghiệm. sẽ trở nên khó khăn hơn. Ngoài những kỹ Đặc điểm chính của điều khiển dự thuật điều khiển kinh điển như phương báo là sử dụng mô hình của hệ thống để dự pháp điều chế độ rộng sung sin SPWM, đoán trạng thái tương lai của các biến được phương pháp điều chế độ rộng xung cải
2. 2 điều khiển. Trọng tâm chính của bài báo là j giải thuật MPC cho bộ nghịch lưu NPC 3 ae 3 4 bậc ứng dụng cho hệ nguồn tần số 3 pha 2.2 Vector không gian điện áp tải UPS với bộ lọc ngõ ra LC. Bộ điều khiển sử Sự kết hợp của các khóa Sa, Sb, Sc sẽ dụng mô hình của hệ thống để dự báo trạng tạo ra 27 trạng thái chuyển mạch tương ứng thái của điện áp đầu ra cho mỗi trạng thái là 27 vector điện áp [3]. chuyển mạch có thể tại mỗi khoảng thời gian lấy mẫu, và sau đó một hàm giá trị được sử dụng như là một tiêu chí để lựa chọn các trạng thái chuyển mạch sẽ được áp dụng trong khoảng thời gian lấy mẫu tiếp theo. 2. BỘ NGHỊCH LƯU NPC 3 BẬC VÀ CÁC TRẠNG THÁI VEC TOR KHÔNG GIAN 2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 bậc NPC Hình 2: Giản đồ vector điện áp Cấu trúc của bộ nghịch lưu NPC 3 bậc Vector điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu được trình bày như hình 1. được tính toán như sau: 2 2 vi v aN av bN a v cN 5 3 Trong đó: vaN , vbN , vcN là điện áp pha của bộ nghịch lưu với cực âm của nguồn DC [4]. Vector điện áp tải vi có thể được tính dựa vào trạng thái chuyển mạch của vector S như sau: Hình 1: Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc vi S. V DC 6 Với V là điện áp nguồn DC ngõ vào của Các trạng thái chuyển mạch của bộ DC bộ nghịch lưu. nghịch lưu được xác định thông qua sự chuyển mạch của các khóa công suất như 3. MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO sau: MPC ỨNG DỤNG CHO HỆ 0 khi Sa1 =S a2 =S a3 =S a4 =0 NGUỒN UPS Sx= 1 khi S a1 =S a3 =S a4 =0 ; S a2 =1 1 Mô hình NPC 3 bậc với bộ lọc LC ngõ 2 khi Sa1 =S a2 =S a3 =S a4 =1 ra sử dụng kỹ thuật điều khiển dự báo ứng dụng cho hệ nguồn tần số 3 pha UPS. Quá trình kích các khóa bán dẫn tuân thủ 3.1 Mô hình tổng quát MPC theo quy luật như sau: Một hình điều khiển tổng quát của Ksa1 K sa3 1 2 MPC được áp dụng cho các bộ chuyển đổi Ksa2 K sa4 1 công suất và truyền động được giới thiệu trong hình 3. Bộ chuyển đổi công suất có Chuyển sang trạng thái vector như sau: thể là bất kỳ cấu trúc nào đó và số lượng 2 2 pha, trong khi tải tổng quát được thể hiện S Sa aS b a S c 3 3 trong hình có thể đại diện cho một máy điện, lưới điện, hoặc cho bất kỳ một tải tích cực hoặc thụ động nào đó. Để chọn trạng thái
3. chuyển mạch giúp tối thiểu hàm mục tiêu, mô hình của hệ thống và các hạn chế của hệ tất cả các trạng thái được đánh giá và giá trị thống. Kết quả là một loạt sự điều khiển tối tối ưu được lưu trữ để áp dụng tiếp theo. ưu N, bộ điều khiển sẽ chỉ áp dụng cho các phần tử đầu tiên của dãy. Nguyên tắc làm việc của MPC được tóm tắt trong hình 4. Các giá trị tương lai của các trạng thái của hệ thống được dự đoán cho đến một phạm vi được xác định trước trong thời gian (k + N) bằng cách sử Hình 3: Mô hình tổng quát của MPC dụng mô hình hệ thống và các thông tin có Trong mô hình này, biến đo lường là sẵn (đo lường) tại thời gian k. Trình tự của x(k) được sử dụng trong mô hình để tính sự điều khiển tối ưu được tính toán bằng toán giá trị dự báo x(k+1) của biến điều cách giảm thiểu hàm mục tiêu. Toàn bộ quá khiển cho mỗi một sự điều khiển có thể nào trình này được lặp lại một lần nữa cho mỗi đó của n, tức là trạng thái chuyển mạch, lần lấy mẫu xem như số liệu đo đạc mới [5]. điện áp hoặc là dòng điện. Sau đó, những dự báo này được đánh giá bằng cách sử dụng một hàm giá trị để so sánh các giá trị tham chiếu x∗(k), các giới hạn và sự điều khiển tối ưu S được chọn để áp dụng trong bộ chuyển đổi. Đại lượng x(k) có thể là dòng điện hoặc điện áp 3.2 Những ý tưởng cơ bản trong MPC Sử dụng một mô hình để dự đoán các trạng thái tương lai của các biến cho đến Hình 4: Nguyên lý làm việc của MPC một phạm vi theo thời gian. 3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho MPC Một hàm mục tiêu tượng trưng cho Trong giai đoạn thiết kế tập hợp điều trạng thái mong muốn của hệ thống. khiển hữu hạn MPC cho việc điều khiển Sự điều khiển tối ưu đạt được bằng tối một bộ chuyển đổi năng lượng, được thực giản hàm mục tiêu. hiện các bước sau đây: Các mô hình được sử dụng để dự báo Mô hình hóa việc xác định tất cả trạng là mô hình rời rạc mà được biểu diễn như là thái chuyển mạch có thể của bộ chuyển đổi một mô hình không gian trạng thái như sau: công suất, và mối quan hệ giữa ngõ vào/ngõ ra của điện áp hoặc dòng điện. x( k 1) Ax ( k ) Bu ( k ) 7 Định nghĩa một hàm mục tiêu để tượng y( k ) Cx ( k ) Du ( k ) 8 trưng cho các trạng thái mong muốn của hệ thống. Lấy mô hình rời rạc để dự đoán các Một hàm giá trị tượng trưng cho trạng trạng thái tương lai của các biến được điều thái mong muốn của hệ thống cần phải khiển. được xác định. Hàm này bao gồm các tham Lựa chọn hàm mục tiêu để tối ưu hóa chiếu, trạng thái trong tương lai, và sự điều quá trình điều khiển MPC theo công thức khiển trong tương lai: tổng quát: g f ( x ( k ), u ( k ), , u ( k N )) 9 g x* - x p 10 MPC là một vấn đề tối ưu hóa mà bao * p gồm việc tối thiểu hàm giá trị g, cho một trong đó x là giá trị tham chiếu và x là giá phạm vi N xác định trước, tùy thuộc vào trị dự báo của biến điều khiển. Giá trị tham
4. chiếu có thể là điện áp, dòng điện Trong LC là sự kết hợp giữa giá trị của tụ điện và bài báo này tác giả chọn giá trị tham chiếu điện cảm. Giá trị điện dung cao sẽ có tác là điện áp và hàm mục tiêu được chọn như dụng tích cực đến chất lượng điện áp. Mặc sau: khác, giá trị cuộn cảm cao hơn là cần thiết g (v* v ) 2 (v * v ) 2 (11) để đạt được yêu cầu tần số cắt của bộ lọc, c c c  c  do đó bộ lọc LC sẽ phù hợp với mô hình Mục tiêu điều khiển là dạng sóng điện áp này. ngõ ra sau bộ lọc LC phải bám sát theo Hàm chuyển đổi của bộ lọc LC có dạng: dạng sóng điện áp tham chiếu. 1 F(s) 12 2 3.4 Mô hình MPC với bộ lọc LC ngõ ra 1 s LC Sơ đồ tổng quát cho mô hình điều Tần số cắt f của bộ lọc LC có thể được khiển dự báo bao gồm các khối chính là: c khối mô hình dự báo, khối thuật toán tối tính như sau: giảm hàm mục tiêu, khối nghịch lưu. Sơ đồ 1 fc 13 bên dưới là mô hình điều khiển dự báo cho 2 LC bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC ứng dụng cho bộ UPS với bộ lọc ngõ ra là LC. Tần số cắt được chọn nằm trong giới hạn giữa tần số cơ bản của điện áp và tần số chuyển mạch. fg f c f sw 14 trong đó fg là tần số cơ bản, fc là tần số cắt, fsw là tần số chuyển mạch của bộ nghịch lưu. Đối với đề tài này thì việc lựa chon giá trị L-C phù hợp dựa trên tiêu chí là điện áp Hình 5: Mô hình MPC với bộ lọc LC ngõ ra sẽ bám theo điện áp tham chiếu, giới hạn sụt áp trên cuộn dây cho phép, lựa chọn tần số cắt thích hợp. Độ sụt áp trên cuộn Để xây dựng mô hình điều khiển dự dây được tính dựa vào dòng điện định mức báo cho bộ nghịch lưu này ta cần xác định ngõ ra của bộ nghịch lưu. các yếu tố sau: u. L . IN 15 - Xác định hàm mục tiêu g. Trong đó là tần số góc, L là giá trị cuộn - Xây dựng một mô hình của bộ chuyển cảm, IN là dòng điện định mức của bộ đổi và các trạng thái chuyển mạch có thể nghịch lưu. có. Thời gian - Xây dựng một mô hình tải để dự báo. 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Đối với mô hình này thì giá trị tham Kết quả mô phỏng của bài báo được chiếu là điện áp, các giá trị dùng để phục vụ thực hiện bằng phần mềm Matlab với thời cho quá trình dự báo là dòng điện qua cuộn gian lấy mẫu là Ts=1e-4s. dây L (if) và điện áp ngõ ra sau tụ C (vc). Khối mạch lọc LC có nhiệm vụ lọc điện áp ngõ ra để có dạng hình sin và làm cho độ méo dạng hài giảm xuống. Tuy nhiên, đối với những mạch có bộ lọc LC thì việc thiết kế và điều khiển sẽ khó khăn hơn. Hình 6: Các khối mô phỏng MPC Thành phần chính của thiết kế bộ lọc
5. Điện áp tham chiếu có biên độ là 220V * Nhận xét: Điện áp ngõ ra của bộ nghịch như sau: lưu bị lệch pha so với điện áp tham chiếu. Độ lệch là: 90 (0,0106 0,01). 5,4 0,01 Hình 7: Dạng sóng điện áp tham chiếu Trường hợp 1: Chọn VDC = 580V, Tần số Hình 11: THD = 0.91% của điện áp -4 -3 cắt fc=200Hz, C = 3,9.10 F, L = 1,6.10 H. ngõ ra trường hợp 2 Trường hợp 3: Chọn VDC = 580V, tần số -3 -6 fsw=10kHz, C=20.10 F, L=40.10 H. Hình 8: Dạng sóng điện áp tham chiếu và điện áp tải trường hợp 1 Hình 12: Dạng sóng điện áp tham chiếu * Nhận xét: Điện áp ngõ ra của bộ nghịch và điện áp tải trường hợp 3 lưu bị lệch pha so với điện áp tham chiếu. Độ lệch là: * Nhận xét: Điện áp ngõ ra của bộ nghịch 90 (0,0104 0,01). 3,6 lưu bị lệch pha so với điện áp tham chiếu. 0,01 Độ lệch là: 90 (0,0601 0,06). 0,15 0,06 Hình 9: THD = 1,35% của điện áp ngõ ra trường hợp 1 Hình 13: THD =1,14% của điện áp Trường hợp 2: Chọn VDC = 580V, tần số ngõ ra trường hợp 3 -4 -3 cắt fc=150Hz, C = 7.10 F, L = 1,6.10 H. Bảng tóm tắt kết quả mô phỏng Diễn Độ sụt Độ lệch THD giải áp (V) pha(ο) (%) TH1 8.5 3.6 1.35 TH2 9.7 5.4 0.91 TH3 4 0.15 1.14 Hình 10: Dạng sóng điện áp tham chiếu và điện áp tải trường hợp 2
6. ra không bị méo dạng và sụt áp. Nhận xét: Bổ sung các yếu tố vào hàm mục tiêu * Điểm đạt được: để đạt được kết quả tối ưu nhất như: giảm Về cơ bản dạng sóng của điện áp tải 3 tần số chuyển mạch của linh kiện, cân bằng pha đã bám theo giá trị điện áp tham chiếu, điện áp tụ DC, giảm điện áp Commonmode. dạng sóng sau khi qua bộ lọc có dạng hình sin. Độ sụt áp trong mô phỏng của trường hợp 1 và 2 lớn hơn so với tiêu chí chọn ban ban đầu. Độ lệch pha cũng tăng khi giảm tần số cắt, nhưng độ méo dạng của điện áp sóng sin ngõ ra giảm. Trường hợp 3 có độ sụt áp nhỏ hơn yêu cầu, độ lệch pha không đáng kể, độ méo dạng là 1.14% nhỏ hơn tiêu chuẩn yêu cầu là 5%. * Điểm chưa đạt: Việc mô phỏng chưa thực hiện được cân bằng tụ của mạch NPC, giảm điện áp Common-mode, giảm tần số đóng ngắt của linh kiện. 5. KẾT LUẬN Kết quả mô phỏng cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu là điện áp ngõ ra bám theo giá trị điện áp tham chiếu, độ méo dạng hài trong mô phỏng nhỏ hơn 5%. Còn một số tồn tại như tần số lấy mẫu còn hạn chế, người thực hiện chưa kiểm soát được việc kiểm tra tín hiệu qua từng khối, từng khâu như trong mô phỏng, thời gian thực hiện các chu kỳ lệnh, nhúng khối có nhiều chức năng xuống vi xử lý nhưng chương trình hoạt động chỉ sử dụng một vài chức năng trong khối đó. Đề tài cần phải khắc phục khối cảm biến hồi tiếp dòng điện, điện áp cho đúng để áp dụng được giải thuật MPC, điều khiển vòng kín theo yêu cầu đặt ra. Cần thiết kế và tính toán chọn lại giá trị bộ lọc LC cho phù hợp để đáp ứng ngõ
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ihab S. Mohamed, Sherif A. Zaid, M. F. Abu-Elyazeed, Hany M. Elsayed, “Model Predictive Control–A Simple and Powerful Method to Control UPS Inverter Applications With Output LC Filter”, in Saudi International Electronics, Communications and Photonics Conference (SIECPC’13), (Riyadh), pp. 1–6, 27-30 Apr. 2013. [2] J. Rodrguez, J. Pontt, C. A. Silva, P. Correa, P. Corts, and U. Ammann, “Predictive Current Control of a Voltage Source Inverter,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 1, 495–503,Feb. 2007. [3] R. Vargas, P. Cortes, U. Ammann, J. Rodrıguez, and J. Pontt, “Predictive control of a three-phase neutralpoint-clamped inverter,” I E E E Transaction on Industrial Electronics, vol. 54, no. 5, pp. 2697–2705, October 2007. [4] Ali M. Almaktoof, A. K. Raji, and M. T. E. Kahn, “Modeling and Simulation of Three-Phase Voltage Source Inverter Using a Model Predictive Current Control,” International Journal of Innovation, Management and Technology, Vol. 5, No. 1, February 2014. [5] Jose Rodriguez and Patricio Cortes. Predictive Control of Power Converter and Electrical Drivers: John Wiley & Sons Ltd, 2012. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Nguyễn Minh Vũ Đơn vị: Công Ty Cổ Phần Đầu Tư Kiết Điền Điện thoại: 093.72.79.606 Email: nguyenminhvuspkt@gmail.com
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.