Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
270
ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO DÒNG ĐIỆN CHO NGHỊCH LƯU
3L-NPC VÀ BÀI TOÁN CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ
Nguyễn Hoàng Việt
Trường Đại học Thủy lợi, email: viethn@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Nghịch lưu đa mức có diode kẹp (Multi-
level Neutral Point Clamped - ML-NPC) đã
được giới thiệu bởi Nabae, Takahashi và
Akagi vào năm 1981 và là một trong những
lựa chọn hàng đầu trong họ nghịch lưu đa
mức vì nó có kích thước nhỏ gọn do sử dụng
ít các thành phần thụ động và một nguồn DC
duy nhất, chiến thuật điều khiển đơn giản.
Biến thể nghịch lưu 3 mức diode kẹp (3L-
NPC) được nghiên cứu rộng rãi nhất và cũng
đã được sử dụng trong biến tần trung áp của
các hãng lớn như ACS1000 của ABB,
SIMOVERT MV của Siemens. Trong khi
nghịch lưu 3L-NPC hoạt động, các tụ điện
liên kết luôn phải giữ cân bằng điện áp, nếu
không điện áp điểm trung tính bị dao động
mạnh có thể gây quá áp làm hỏng các van
bán dẫn. Vì vậy, bài toán cân bằng điện áp tụ
luôn là mối quan tâm lớn trong bài toán điều
khiển nghịch lưu 3L-NPC [1].
Trong những năm gần đây, điều khiển dự
báo đang được phát triển rất mạnh mẽ, đặc
biệt là trong lĩnh vực điều khiển bộ biến đổi
[2]. Nó đã được áp dụng thành công trong bài
toán điều khiển dòng phía tải cho các bộ
nghịch lưu. Bài báo xem xét, nghiên cứu áp
dụng điều khiển dự báo để điều khiển dòng
điện phía tải của nghịch lưu 3L-NPC đồng
thời giải quyết bài toán cân bằng điện áp tụ
của nghịch lưu này. Kết quả mô phỏng trên
Matlab/Simulink cho thấy, điều khiển dự báo
dòng điện cho đáp ứng động học rất tốt, duy
trì giá trị dòng tải theo giá trị đặt mong muốn
đồng thời điện áp trên hai tụ liên kết luôn
được giữ cân bằng.
2. CÁC VECTOR ĐIỆN ÁP ĐẦU RA CỦA
NGHỊCH LƯU BA MỨC 3L-NPC
Mạch lực của nghịch lưu 3L-NPC được
đưa ra ở hình 1 [1].
Hình 1. Mạch lực nghịch lưu 3L-NPC
Mỗi pha của nghịch lưu 3L-NPC bao gồm
4 van 1234
,,,
x
xxx
SSSS với
,,
x
ABC cũng
thường được ký hiệu là trạng thái đóng cắt
của van. Bốn trạng thái này tạo ra 3 trạng thái
đóng cắt P, O và N tương ứng với điện áp E,
0 và -E. Kết hợp các trạng thái đóng cắt của
ba pha sẽ thu được 27 trạng thái chuyển
mạch của bộ nghịch lưu. Các trạng thái
chuyển đóng cắt của bộ nghịch lưu tạo ra 1
vector không, 6 vector nhỏ, 6 vector trung
bình và 6 vector lớn [1], [2].
Hình 2. Trạng thái chuyển mạch
và vector điện áp tương ứng
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
271
Vị trí các vector điện áp đầu ra và các
trạng thái chuyển mạch tương ứng của chúng
được mô tả ở hình 2.
3. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO DÒNG
ĐIỆN CHO NGHỊCH LƯU 3L-NPC
Cấu trúc điều khiển dự báo dòng điện cho
nghịch lưu 3L-NPC được đưa ra ở hình 3.
Cấu trúc này gồm hai phần chính là mô hình
dự báo và tối ưu hàm mục tiêu. Mô hình dự
báo làm hai nhiệm vụ chính là dự báo giá trị
tương lai cho dòng điện tải và điện áp trên
hai tụ điện ở khâu DC của nghịch lưu 3L-
NPC. Mỗi chu kỳ trích mẫu, khâu tối ưu hàm
mục tiêu sẽ giải bài toán tối ưu để tìm giá trị
nhỏ nhất tương ứng với một vector điện áp
tối ưu. Trạng thái chuyển mạch tương ứng
với vector điện áp tối ưu sẽ được sử dụng để
điều khiển nghịch lưu 3L-NPC.
Hình 3. Cấu trúc điều khiển dự báo
dòng điện cho nghịch lưu 3L-NPC
3.1. Mô hình dự báo dòng điện
Phương trình vi phân dòng tải được viết
dưới dạng vector như sau [2].
d
LR
dt 
iiu
(1)
trong đó: i là vector dòng điện tải, u là vector
điện áp đầu ra nghịch lưu.

2
2
3AB C
iaiaii (2)

2
2
3AZ BZ CZ
uauauu (3)
trong đó: 2/3j
ae
.
Sử dụng xấp xỉ Euler cho thành phần vi
phân dòng điện ở (1) được đưa ra bởi (4).
(1)()
s
dk k
dt T
ii i (4)
trong đó:
s
T là chu kỳ trích mẫu.
Thay (4) vào (1), mô hình dự báo dòng
điện tải thu được ở (5).
(1) ()()
s
S
TL
kkkR
LT








iui (5)
3.2. Mô hình dự báo điện áp tụ
Phương trình dòng điện chảy qua các tụ
liên kết Cd1 và Cd2 được mô tả ở (6) [2].
1
11
2
22
c
c
c
c
dV
iC
dt
dV
iC
dt
(6)
Sử dụng xấp xỉ Euler cho (6), mô hình dự
báo điện áp tụ thu được ở (7).
11 1
22 2
1
(1) () ()
1
(1) () ()
ccsc
ccsc
Vk Vk Tik
C
Vk Vk Tik
C


(7)
trong đó, C = C1 = C2.
Các dòng điện chảy qua tụ có thể tính theo
trạng thái chuyển mạch của các van.
1111
2 444
() () () () () () () ()
() () () () () () () ()
c d AA BB CC
c d AA BB CC
ik ik Skik Skik Skik
ik ik Skik Skik Skik


Từ mô hình dự báo điện áp tụ (7), giá trị
dự báo của sai lệch điện áp tụ dễ dàng thu
được ở (8).


14
14
14
( 1) () / () () ()
/()()()
/()()()
ccsAAA
sBBB
sCCC
Vk Vk T C S k S k i k
TCS k S kik
TCS k S kik



(8)
trong đó:
12
(1) (1) (1)
cc c
Vk V k V k
 ,
12
() () ()
cc c
Vk V k V k .
Phương trình (8) thể hiện rằng giá trị dự
báo của sai lệch điện áp tụ chỉ phụ thuộc vào
trạng thái chuyển mạch van và giá trị dòng
điện tải. Điều này có nghĩa là không phải sử
dụng thêm cảm biến để đo dòng điện chảy
qua các tụ điện.
3.3. Hàm mục tiêu
Hàm mục tiêu được sử dụng trong cấu trúc
điều khiển dòng điện cho nghịch lưu 3L-NPC
phải đảm bảo tối ưu sai lệch dòng điện tải để
thỏa mãn bài toán điều khiển bám, đồng thời
phải tối ưu sai lệch điện áp tụ để giữ cân
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
272
bằng điện áp tụ. Vì vậy, hàm mục tiêu có thể
mô tả ở dạng (9).
12
(1) (1) (1)
c
gk g k g k
 (9)
trong đó:
**
1(1) (1) (1) (1) (1)gk ik ik ik ik

  (10)
2(1) (1)
c
gk Vk (11)
trong đó: *
,(1)ik

và ,(1)ik

là giá trị dự
báo của dòng tải mong muốn và dòng tải thực
tế trên hệ trục tọa độ
, c
là trọng số hàm
mục tiêu. Nếu chu kỳ trích mẫu đủ nhỏ thì
**
,,
(1) ()ik ik
 
 .
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Mô hình mô phỏng điều khiển dự báo
dòng điện cho nghịch lưu 3L-NPC được xây
dựng trên Matlab/Simulink với tải R=10Ω và
L=10mH. Chu kỳ trích mẫu được lựa chọn là
Ts=25µs. Điện áp một chiều Vd=600V. Hai tụ
liên kết có giá trị C=C
1=C2=470µF. Giá trị
đặt dòng điện tải có biên độ là 5A và tần số
100Hz và tại 0.1(s) biên độ dòng điện tăng
lên 10A và giữ nguyên tần số 100Hz.
Khi hệ số 0
c
, nghĩa là không sử dụng
thành phần tối ưu sai lệch điện áp tụ trong
hàm mục tiêu, thì kết quả mô phỏng dòng
điện tải pha A và điện áp trên hai đầu tụ được
đưa ra ở hình 4 và hình 5.
Hình 4. Đáp ứng dòng điện iA khi 0
c
Hình 5. Điện áp trên hai đầu tụ khi 0
c
Khi không sử dụng thành phần sai lệch điện
áp tụ trong hàm mục tiêu, 0
c
, thì điện áp
trên hai đầu tụ sẽ không được duy trì cân
bằng. Điện áp Vc1 sẽ tiến về 600V còn điện áp
Vc2 sẽ dịch chuyển về 0V. Tuy nhiên tổng
điện áp phía một chiều vẫn là 600V, vẫn đảm
bảo được bài toán điều khiển bám, dòng điện
tải vẫn bám theo được giá trị đặt mong muốn.
Hình 6 và hình 7, là kết quả mô phỏng
dòng điện tải pha A và điện áp trên hai đầu tụ
khi 0.1
c
. Kết quả mô phỏng cho thấy, điện
áp tụ luôn được giữ cân bằng ở giá trị 300V
và dòng điện tải vẫn bám theo được giá trị
đặt mong muốn.
Hình 6. Đáp ứng dòng điện iA khi 0.1
c
Hình 7. Điện áp trên hai đầu tụ khi 0.1
c
5. KẾT LUẬN
Bài báo nghiên cứu cấu trúc điều khiển dự
báo dòng điện cho nghịch lưu 3L-NPC, đồng
thời cũng giải quyết bài toán cân bằng điện
áp tụ cho mạch nghịch lưu này. Kết quả mô
phỏng cho thấy cấu trúc này có thể đáp ứng
đồng thời việc giữ cân bằng điện áp tụ và
đảm bảo dòng tải bám theo giá trị mong
muốn. Tuy nhiên, vấn đề chọn trọng số trong
hàm mục tiêu và khối lượng tính toán lớn là
hai vấn đề cần quan tâm và giải quyết của
cấu trúc này trong các nghiên cứu tiếp theo.
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. Rodriguez et al., "Multilevel Converters:
An Enabling Technology for High-Power
Applications," in Proceedings of the IEEE,
vol. 97, no. 11, pp. 1786-1817, Nov. 2009.
[2] R. Vargas, P. Cortes, U. Ammann, J.
Rodriguez and J. Pontt, "Predictive Control
of a Three-Phase Neutral-Point-Clamped
Inverter," in IEEE Transactions on
Industrial Electronics, vol. 54, no. 5, pp.
2697-2705, Oct. 2007.