Vũ Hoàng Giang<br />
<br />
18<br />
<br />
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU CỦA BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ÁP SỬ DỤNG<br />
BỘ ĐIỀU KHIỂN PI CÓ KHẮC PHỤC HIỆN TƯỢNG BÃO HÒA TÍCH PHÂN<br />
DC-LINK VOLTAGE CONTROL OF VOLTAGE SOURCE CONVERTER BY USING<br />
PI CONTROLLER WITH ANTI-WINDUP<br />
Vũ Hoàng Giang<br />
Trường Đại học Điện lực; giangvh@epu.edu.vn<br />
Tóm tắt - Máy điện trong nhiều hệ truyền động điện và hệ thống<br />
điện gió khác nhau thường được kết nối với lưới điện thông qua<br />
bộ biến đổi nguồn áp, được cấu tạo từ hai bộ biến đổi thành phần<br />
phía máy điện và phía lưới điện nối kề nhau (back-to-back) qua kết<br />
nối một chiều (dc-link). Trong đó điện áp một chiều được điều khiển<br />
thông qua bộ biến đổi phía lưới điện. Bài báo giới thiệu kết quả<br />
nghiên cứu lựa chọn cấu trúc và thông số của bộ điều khiển kiểu<br />
tích phân - tỷ lệ có khắc phục hiện tượng bão hòa tích phân để<br />
điều khiển điện áp một chiều của bộ biến đổi nguồn áp. Quá trình<br />
phân tích, xây dựng sơ đồ điều khiển được thực hiện trong trường<br />
hợp bộ biến đổi được kết nối với lưới điện qua bộ lọc kiểu LCL.<br />
Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy đáp ứng điện áp tốt xác<br />
nhận hoạt động của bộ điều khiển.<br />
<br />
Abstract - The electric machines of various electric drives and<br />
wind power systems are commonly connected to the main grid via<br />
a voltage source converter, which is combined by two back-to-back<br />
converters at the machine side and grid side with dc-link in the<br />
middle. The dc-link voltage is controlled via the grid side converter.<br />
The paper introduces the investigation results of the selection of<br />
structure and parameters of proportional integral (PI) regulator with<br />
anti-windup for the control of DC voltage of voltage source<br />
converter. The analysis and development of control diagram is<br />
implemented in the case that the converter is connected to the grid<br />
via a LCL filter. Simulation and experiment results provide excellent<br />
responses that confirm the performance of the proposed regulator.<br />
<br />
Từ khóa - điện áp một chiều; bộ điều khiển PI; khắc phục hiện<br />
tượng bão hòa tích phân; bộ lọc LCL; bộ biến đổi nguồn áp.<br />
<br />
Key words - DC-link voltage; PI regulator; anti-windup; LCL filter;<br />
Voltage source converter.<br />
<br />
1. Đặt vấn đề<br />
<br />
ngắn nhờ sự kết hợp nạp ban đầu cho tụ điện tại dc-link<br />
và lựa chọn về cấu trúc và thông số phù hợp của các bộ<br />
điều khiển.<br />
<br />
Trong các hệ thống điện gió và hệ truyền động điện,<br />
máy điện không đồng bộ hoặc máy điện đồng bộ kích thích<br />
nam châm vĩnh cửu thường được nối tới lưới điện thông<br />
qua bộ biến đổi phía máy điện (MSC) và bộ biến đổi phía<br />
lưới điện (GSC), chúng được kết nối theo cấu trúc kề nhau<br />
(back-to-back) nguồn áp. Các bộ truyền động kiểu nguồn<br />
áp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, có sơ đồ<br />
nguyên lý trên Hình 1a. Ngoài ra, bộ biến đổi được biết với<br />
cấu trúc back-to-back xuất hiện phổ biến trong các hệ thống<br />
phát điện gió như thể hiện trên Hình 1 b và c.<br />
Duy trì điện áp một chiều đóng vai trò quan trọng<br />
trong quá trình vận hành và đảm bảo vùng điện áp làm<br />
việc an toàn cho các phần tử tại dc-link, đặc biệt là các tụ<br />
điện. Đặc điểm chung của các hệ thống trong Hình 1 là<br />
điện áp một chiều được điều khiển thông qua bộ biến đổi<br />
GSC. Trong các hệ thống điều khiển truyền thống, bộ điều<br />
khiển tích phân tỷ lệ được sử dụng để điều chỉnh điện áp<br />
ở vòng ngoài và đưa ra giá trị đặt cho vòng trong điều<br />
khiển dòng điện. Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển là<br />
có đáp ứng nhanh với độ nhảy vọt ban đầu (overshoot)<br />
nhỏ và hạn chế độ gợn sóng sinh ra trong đáp ứng điện áp<br />
và dòng điện.<br />
Trong các nghiên cứu đã qua, nhiều tác giả đã cố gắng<br />
giải quyết các vấn đề trên. Phương pháp điều khiển có dự<br />
báo được đề xuất bởi [1] để điều khiển điện áp dc-link, hạn<br />
chế quá áp dựa trên phân tích cân bằng năng lượng. Trong<br />
[2], phương pháp điều khiển điện áp dc-link dựa trên phản<br />
hồi công suất tức thời nhằm hạn chế dao động điện áp cho<br />
phép nâng cao ổn định của hệ thống.<br />
Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu điều khiển điện<br />
áp một chiều của bộ biến đổi nguồn áp nhằm thu được<br />
đáp ứng với độ nhảy vọt ban đầu nhỏ và thời gian hội tụ<br />
<br />
a) Bộ truyền động điện sử dụng máy điện không đồng bộ<br />
<br />
b) Cấu trúc hệ thống điện gió nguồn kép<br />
<br />
c) Cấu trúc hệ thống điện gió với bộ biến đổi toàn công suất<br />
Hình 1. Cấu trúc của các hệ thống sử dụng bộ biến đổi<br />
nguồn áp<br />
<br />
2. Điều khiển bộ biến đổi phía lưới điện (GSC)<br />
Như đã đề cập ở trên, bộ biến đổi GSC được điều<br />
khiển trước để duy trì điện áp một chiều dc-link. Để phát<br />
triển hệ thống điều khiển, trước hết cần mô tả mô hình<br />
<br />
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1<br />
<br />
của các phần tử liên quan bao gồm bộ biến đổi và bộ lọc<br />
thụ động đầu ra. Ngoài ra, cân bằng công suất tại dc-link<br />
cũng được xét đến trong quá trình tính toán thông số của<br />
bộ điều khiển.<br />
2.1. Bộ lọc thụ động kiểu LCL<br />
Thông thường, để hạn chế sóng hài bậc cao, sinh ra do<br />
quá trình đóng cắt các van của bộ biến đổi, xâm nhập vào<br />
lưới điện, bộ lọc thụ động thường được trang bị ở giữa bộ<br />
biến đổi và lưới điện.<br />
Các bộ lọc thường gặp hiện nay kiểu L, LC hay LCL.<br />
Trong đó, bộ lọc LCL có khả năng hạn chế sóng hài tốt<br />
ngay cả khi L có giá trị bé. Bộ lọc LCL cũng thu hút nhiều<br />
sự chú ý hơn nhờ đặc điểm có giá thành cạnh tranh so với<br />
bộ lọc kiểu L. Tuy nhiên, nhược điểm khi sử dụng bộ lọc<br />
này là có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng và mất ổn định<br />
hệ thống. Trong thiết kế, tần số cắt của bộ lọc cần chọn<br />
trong vùng từ 10 lần tần số của lưới điện đến một nửa tần<br />
số đóng cắt của bộ biến đổi [3].<br />
<br />
19<br />
<br />
2.2. Điều khiển dòng điện<br />
Ở bước thiết kế bộ điều khiển, bộ lọc có thể được thay<br />
thế bằng một cuộn cảm tương đương và bỏ qua tụ điện<br />
[4], [5].<br />
Phương trình điện áp trên điện cảm tương đương được<br />
viết như sau:<br />
<br />
vgrida <br />
ifa <br />
ifa vfa <br />
d <br />
<br />
<br />
<br />
<br />
vgridb = R ifb + L dt ifb + vfb <br />
vgridc<br />
ifc <br />
ifc vfc <br />
<br />
<br />
<br />
(1)<br />
<br />
trong đó R và L tương ứng là điện trở và điện cảm của cuộn<br />
cảm tương đương, R = rL1+rL2, L = L1+L2, với rL1, rL2, L1,<br />
L2 là thông số của bộ lọc LCL.<br />
Biến đổi phương trình (1) sang hệ hai trục đồng bộ (dq)<br />
định hướng theo véc tơ điện áp lưới [6], ta thu được biểu<br />
diễn sau:<br />
<br />
difd<br />
<br />
v dgrid = Ri ìd + L dt − gridLi fq + v fd<br />
<br />
difq<br />
v<br />
= Ri ìq + L<br />
+ gridLi fd + v fq<br />
qgrid<br />
dt<br />
<br />
(2)<br />
<br />
<br />
v fd = − Ri fd + L difd <br />
<br />
dt <br />
<br />
<br />
+ gridLi fq + v dgrid<br />
<br />
<br />
v = − Ri + L difq − Li<br />
grid fd<br />
fq<br />
fq<br />
dt <br />
<br />
<br />
<br />
(3)<br />
<br />
hay<br />
Hình 2. Sơ đồ bộ biến đổi nguồn áp nối lưới qua bộ lọc LCL<br />
<br />
(<br />
<br />
)<br />
<br />
trong đó vqgrid = 0 do véc tơ điện áp lưới được định hướng<br />
dọc trục d (Hình 3b); các điện áp hồi tiếp thuận (feedforward) được tính bằng [6].<br />
<br />
vffd = gridLi fq + vdgrid<br />
<br />
vffq = −gridLi fd<br />
<br />
(4)<br />
<br />
Dựa vào phương trình (2), vòng điều khiển dòng điện<br />
được xây dựng như trên Hình 4.<br />
<br />
Hình 3. Điều khiển bộ biến đổi phía lưới điện<br />
<br />
Sơ đồ điều khiển của bộ biến đổi GSC được thể hiện<br />
trên Hình 3, gồm hai vòng điều khiển: vòng trong điều<br />
khiển dòng điện qua bộ lọc và vòng ngoài điều khiển điện<br />
áp một chiều. Trong nghiên cứu này, điều khiển tựa điện<br />
áp lưới điện được lựa chọn do bộ biến đổi được nối với<br />
nguồn điện áp lưới ổn định.<br />
<br />
Hình 4. Sơ đồ vòng điều khiển dòng điện qua bộ lọc<br />
<br />
Trong Hình 4, để xây dựng vòng kín điều khiển dòng<br />
điện, bộ biến đổi được giả thiết là lý tưởng (bỏ qua thời gian<br />
<br />
Vũ Hoàng Giang<br />
<br />
20<br />
<br />
đóng cắt của các van khi các van này được đóng cắt với tần<br />
số cỡ kHz) và được mô tả bằng giá trị trung bình.<br />
Khi đó, bộ biến đổi được mô hình hóa bằng một hệ số<br />
GGSC =1 do quán tính của nó lớn hơn nhiều so với các phần<br />
tử còn lại trong vòng điều khiển.<br />
2.3. Điều khiển điện áp dc-link<br />
<br />
động đặt lại [7], [8], được thể hiện trên Hình 6, với Kp và Ti<br />
là các thông số của bộ điều khiển; x và x* tương ứng là<br />
biến điều khiển và giá trị đặt của nó; yFF là đại lượng hồi<br />
tiếp thuận (feed-forward) của bộ điều khiển, được cho bởi<br />
phương trình (4) và uc đại lượng đầu ra của bộ điều khiển.<br />
Khối bão hòa sẽ giới hạn trực tiếp tín hiệu điều khiển.<br />
Do đó, cần có mô hình phù hợp của khối bão hòa, tránh<br />
trường hợp giới hạn quá mức tạo nên các hạn chế không<br />
cần thiết hoặc hạn chế không đủ dẫn đến hiện tượng bão<br />
hòa tích phân (windup).<br />
<br />
Hình 5. Sơ đồ vòng điều khiển điện áp<br />
<br />
Với điều kiện bỏ qua tổn thất công suất do sóng hài bậc<br />
cao trong quá trình đóng cắt của các van điện tử công suất,<br />
trong bộ lọc và bộ biến đổi, cân bằng công suất qua bộ biến<br />
đổi GSC được biểu diễn như sau:<br />
Pf = Pgdc<br />
<br />
(5)<br />
<br />
trong đó: Pf là công suất tác dụng phía xoay chiều của GSC,<br />
Pf = vdgridifd+vqgridifq;<br />
Pgdc là công suất tác dụng phía một chiều của GSC,<br />
Pgdc=vdcigc.<br />
Hơn nữa do phương pháp điều khiển được lựa chọn định<br />
hướng điện áp lưới nên công suất tác dụng phía xoay chiều<br />
được đơn giản hóa và tính bằng: Pf = vdgridifd do vqgrid=0.<br />
Vì vậy, dòng điện đi ra GSC được tính bởi:<br />
igc = ifdvdgrid/vdc. Do đó tại dc-link ta có phương trình sau:<br />
<br />
vdgrid<br />
d<br />
Clink vdc =<br />
i fd − i rc<br />
dt<br />
vdc<br />
<br />
(6)<br />
<br />
với Clink là là điện dung của tụ điện ở dc-link. Từ phương<br />
trình (6), điện áp một chiều có thể điều khiển thông qua<br />
dòng điện của bộ lọc ifd [6]. Sơ đồ khối của vòng điều khiển<br />
điện áp được xây dựng như trên Hình 5, trong đó irc đóng<br />
vai trò của một nhiễu loạn.<br />
2.4. Cấu trúc của bộ điều khiển PI<br />
Bộ điều khiển kiểu PI được sử dụng để điều khiển điện<br />
áp một chiều có khắc phục hiện tượng bão hòa tích phân,<br />
trong đó khối bão hòa (limiter) được đặt thêm vào bộ điều<br />
khiển. Cấu trúc này được biết đến với tên gọi là cấu trúc tự<br />
Lưới điện<br />
400V, 50Hz<br />
<br />
Hình 6. Cấu trúc của bộ PI có khắc phục hiện tượng bão hòa<br />
tích phân<br />
<br />
Dựa vào sơ đồ vòng điều khiển trong Hình 4, Hình 5 có<br />
thể tính toán được các thông số của bộ điều khiển PI cho<br />
dòng điện qua bộ lọc và điện áp một chiều. Kết quả tính<br />
toán được tổng hợp trong Bảng 1.<br />
Bảng 1. Thông số của bộ điều khiển<br />
Kp<br />
<br />
Ti<br />
<br />
Điện áp<br />
<br />
0,3<br />
<br />
0,02<br />
<br />
Dòng điện<br />
<br />
4,8<br />
<br />
0,002<br />
<br />
3. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm<br />
Hoạt động của bộ điều khiển đã lựa chọn trong Mục 2<br />
được kiểm chứng thông qua mô phỏng và thí nghiệm đối<br />
với bộ biến đổi nguồn áp. Các điều kiện thực hiện như sau:<br />
- Bộ biến đổi GSC 3 pha được cấu tạo từ các van IGBT<br />
có Diode nối đối song. Bộ biến đổi được nối với lưới điện<br />
thông qua bộ lọc thụ động kiểu LCL. Thông số của bộ lọc<br />
được cho trong phụ lục.<br />
- Lưới điện có điện áp dây danh định bằng 400V, tần số<br />
danh định bằng 50Hz.<br />
<br />
- Điện áp đặt của dc-link bằng 650V.<br />
<br />
Bộ lọc<br />
LCL<br />
<br />
Clin<br />
<br />
GSC<br />
<br />
if a,b,c<br />
vgrid a,b,c<br />
<br />
Bộ điều khiển<br />
<br />
Rth<br />
<br />
Xung điều khiển<br />
Bộ điều<br />
khiển<br />
<br />
Hình 7. Sơ đồ mô phỏng điều khiển điện áp dc-link<br />
<br />
Mô phỏng được phát triển theo sơ đồ khối như trên Hình<br />
7. Trong đó, phần mạch từ dc-link về phía RSC và máy điện<br />
được thay thế bằng một điện trở Thevenin (Rth). Thí nghiệm<br />
được thực hiện với hệ máy điện một chiều – động cơ không<br />
đồng bộ có công suất 1,5kW, Hình 9b nối lưới thông qua hai<br />
<br />
bộ biến đổi giống nhau, Hình 9a.<br />
Khi bộ điều khiển chưa được kích hoạt, tụ điện tại<br />
dc-link được nạp đến giá trị điện áp ban đầu khoảng 580-600V<br />
tùy thuộc vào giá trị thực tế của Rth. Nhờ có quá trình nạp ban<br />
đầu và cấu trúc của bộ điều khiển có khắc phục hiện tượng<br />
<br />
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1<br />
<br />
bão hòa tích phân nên điện áp dc-link được điều khiển với đáp<br />
ứng có độ nhảy vọt ban đầu rất bé khi đưa bộ điều khiển vào<br />
làm việc. Trên Hình 8, độ nhảy vọt ban đầu và thời gian xác<br />
lập của đáp ứng điện áp khi có khắc phục hiện tượng bão hòa<br />
tích phân (đường nét liền) nhỏ hơn đáng kể so với trường hợp<br />
không có (đường nét đứt). Đáp ứng điện áp trên Hình 8 (mô<br />
phỏng, đường nét liền) và Hình 10 (thí nghiệm) với độ nhảy<br />
vọt ban đầu tương ứng là 1,7% và 3,5% nhỏ hơn nhiều so với<br />
ngưỡng lớn nhất 25% của phương pháp Ziegler-Nichols. Thời<br />
gian ổn định của tín hiệu bằng khoảng 0,2s.<br />
<br />
21<br />
<br />
4. Kết luận<br />
Quá trình phân tích và phát triển sơ đồ điều khiển điện<br />
áp một chiều của bộ biến đổi nguồn áp đã được giới thiệu<br />
trong bài báo. Bộ điều khiển tích phân - tỷ lệ có khắc phục<br />
hiện tượng bão hòa tích phân đã được lựa chọn để điều<br />
khiển điện áp một chiều và dòng điện qua bộ lọc. Kết quả<br />
mô phỏng trên máy tính và thí nghiệm cho đáp ứng tốt thể<br />
hiện cấu trúc bộ điều khiển đã lựa chọn phù hợp và có thể<br />
áp dụng để điều khiển điện áp một chiều trong các hệ thống<br />
có cấu trúc phần kết nối với lưới điện qua bộ biến đổi nguồn<br />
áp rất phổ biến hiện nay như hệ thống điện gió.<br />
5. Phụ lục<br />
Bộ lọc thụ động kiểu LCL có thông số: L1 = 2,3mH;<br />
L2 = 0,9mH; C = 8,8F; rL1 = 0,2; rL2 = 0,2;<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
<br />
Hình 8. Đáp ứng điều khiển điện áp dc-link (mô phỏng)<br />
<br />
(a)<br />
<br />
(b)<br />
<br />
Hình 9. Bộ biến đổi GSC (trái) và hệ máy điện một chiều nối<br />
đồng trục động cơ không đồng bộ<br />
<br />
[1] F. He, Z. Zhao, L. Yuan and S. Lu, “A DC-link voltage control<br />
scheme for single-phase grid-connected PV inverters”, in IEEE<br />
Energy Conversion Congress and Exposition , 2011.<br />
[2] J. Yao, H. Li, Y. Liao and Z. Chen, “An improved control strategy<br />
of limiting the DC-link voltage fluctuation for a doubly fed induction<br />
wind generator”, IEEE transactions on power electronics, vol. 23,<br />
no. 3, pp. 1205-1213, 2008.<br />
[3] J. Lettl, J. Bauer and L. Linhart, “Comparison of Different Filter<br />
Types for Grid Connected Inverter”, in PIERS Proceedings,<br />
Marrakesh, Morocco, 2011.<br />
[4] M. Liserre, F. Blaabjerg and S. Hansen, “Design and Control of an<br />
LCL-Filter-Based Three-Phase Active Rectifier”, IEEE<br />
Transactions on Industry Applications, vol. 41, pp. 1281-1291,<br />
2005.<br />
[5] C. Wessels, J. Dannehl and F. W. Fuchs, “Active Damping of LCLFilter Resonance based on Virtual Resistor for PWM Rectifiers<br />
Stability Analysis with Different Filter Parameters”, in IEEE Power<br />
Electronics Specialists Conference, 2008, 2008.<br />
[6] R. Pena, J. Clare and G. Asher, “Doubly fed induction generator<br />
using back-to-back PWM converters and its application to variablespeed wind-energy generation”, in IEE Proceedings Electric Power<br />
Applications, 1996.<br />
[7] K. I. Astrom and T. Hagglund, PID controllers: Theory, Design, and<br />
Tuning, 2nd Edition ed., United States of America: Intrusment of<br />
Society of America, 1995.<br />
[8] A. Visioli, Practical Pid Control, Springer-Verlag London Limited,<br />
2006.<br />
<br />
Hình 10. Đáp ứng điều khiển điện áp dc-link (thí nghiệm)<br />
(BBT nhận bài: 04/04/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 15/11/2018)<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
