Điều khiển nghịch lưu 3-pha 4-dây trong hệ thồng nguồn phân tán độc lập

Nguyễn Văn Liễn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 102(02): 129 - 136<br /> <br /> ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU 3-PHA 4-DÂY<br /> TRONG HỆ THỒNG NGUỒN PHÂN TÁN ĐỘC LẬP<br /> Nguyễn Văn Liễn1*,Trần Minh Đức2, Ngô Đức Minh3<br /> 1<br /> <br /> Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2Trường Cao đẳng nghề Lilama2,<br /> 3<br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên,<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo nghiên cứu điều khiển nghịch lưu 3 pha 4 dây cho một hệ thống nguồn phân tán làm việc<br /> ở chế độ độc lập. Trong đó, kỹ thuật điều khiển được kết hợp giữa bộ điều khiển trượt để điều<br /> khiển vòng lặp dòng điện ở bên trong (DSMC) và bộ điều khiển bền vững để điều khiển điện áp<br /> được phát triển dưới hệ tọa độ tham chiếu tĩnh αβ0 (Clarke’s) sử dụng phương pháp điều chế độ<br /> rộng xung vector không gian (MSVPWM) nhằm đạt mục đích ổn định giá trị điện áp với trạng thái<br /> sai lệch tĩnh giảm và tổng độ méo dạng sóng hài thấp dưới quy định cho phép, hàm truyền đáp ứng<br /> nhanh khi nhiễu tải thay đổi. Ngoài ra, bên cạnh việc phát triển và mô tả thuật toán, một thảo luận<br /> tiếp theo được đề xuất là nghiên cứu thiết kế bộ lọc L-C, nâng cao động học hàm truyền của vòng<br /> lặp kín dòng điện và điện áp trên miền tần số và mô phỏng hệ thống trong điều kiện tải khác nhau.<br /> Từ khóa: In3Leg, Tham chiếu tĩnh αβ0, DSMC, MSVPWM, bộ điều khiển RSC…<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ*<br /> Bộ nghịch lưu 3-pha 4-dây hoạt động trong hệ<br /> thống điện nguồn phân tán, bộ nghịch lưu<br /> giao tiếp với tải theo kiểu của hệ thống 4-dây.<br /> Nghịch lưu 4-dây có hai loại: loại 4-leg và<br /> loại 3-leg kết hợp với điểm giữa của nguồn<br /> một chiều (In3Leg). Trong bài báo này sử<br /> dụng loại thứ hai In3Leg với kỹ thuật điều<br /> khiển thực hiện trong tọa độ tham chiếu tĩnh<br /> αβ0 sử dụng phương pháp điều chế vector<br /> không gian.<br /> Trước khi hoạt động trong chế độ nối lưới,<br /> các In3Leg cần làm việc ở chế độ cách ly.<br /> Trước đây, các nghiên cứu trong lĩnh vực này<br /> chủ yếu sử dụng kỹ thuật điều khiển truyền<br /> thống: điều khiển PID, điều khiển bền vững,<br /> điều khiển trượt, điều khiển thông minh.<br /> Trong bài báo này, các tác giả sử dụng một kỹ<br /> thuật điều khiển mới kết hợp giữa điều khiển<br /> bền vững và điều khiển trượt. Ưu điểm của kỹ<br /> thuật điều khiển phức tạp và tiết kiệm được 2<br /> chuyển mạch công suất.<br /> CẤU TRÚC HỆ THỐNG VÀ CÁC MÔ TẢ<br /> TOÁN HỌC<br /> Hệ thống In3Leg được lựa chọn có mô hình<br /> như hình 1:<br /> Trong sơ đồ cấu trúc của In3Leg, điểm giữa<br /> của bus DC được nối đất, ngõ ra của bộ<br /> *<br /> <br /> nghịch lưu được kết nối qua bộ lọc L-C 3pha<br /> trước khi cung cấp cho tải.<br /> <br /> Hình 1. Bộ nghịch lưu In3Leg<br /> <br /> Mô tả hệ thống trong hệ tọa độ ABC<br /> Vector điện áp pha của In3Leg:<br /> Vpwm = [vpwmA, vpwmB, vpwmC ]T<br /> Vector dòng điện ngõ ra của In3Leg:<br /> Iinv = [ iinvA, iinvB, iinvC]T.<br /> Vector điện áp của In3Leg đặt lên tải :<br /> Vload = [vloadA,vloadB,vloaDC ]T<br /> Vector dòng tải 3-pha :<br /> Iload = [iloadA, iloadB, iloaDC ]T<br /> Bộ lọc có điện trở nối tiếp Rf, cuộn cảm Lf,<br /> và tụ điện Cf.<br /> Từ hình 1 viết được các phương trình:<br /> <br /> Tel: 0913 090406, Email: liennv@mail.hut.edu.vn<br /> <br /> 129<br /> <br /> Nguyễn Văn Liễn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 102(02): 129 - 136<br /> <br /> Chuyển hệ tọa độ Clarke’s<br /> Các mô tả trên trong hệ tọa độ ABC hoàn<br /> toàn có thể tham chiếu sang hệ tọa độ tĩnh<br /> αβ0 nhờ phép biến đổi tọa độ Clarke’s. Sơ đồ<br /> như hình 2.<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ thay thế một pha của In3Leg<br /> <br /> Trong đó fABC là vector xác định trong tọa độ<br /> ABC, fαβ0 là vector trong tọa độ αβ0. Và ma<br /> trận Tαβ0 được xác định như là ma trận của<br /> biến đổi ABC sang αβ0.<br /> <br /> Chuyển đổi từ hệ thống thực sang hệ đơn<br /> vị tương đối (pu) và không gian trạng thái<br /> Để thuận lợi cho xây dựng các thuật điều<br /> khiển, hệ thống có thể chuyển đổi sang hệ<br /> thống đơn vị tương đối (pu). Trong đó tất cả<br /> các biến và các tham số đã được chuẩn hóa:<br /> Srate : công suất biểu kiến<br /> Vrate: điện áp pha trung bình RMS<br /> Các giá trị cơ bản được suy ra:<br /> <br /> Tương tự, (1) và (2) được viết lại như sau:<br /> <br /> Tương ứng với các giá trị tính trong hệ đơn vị<br /> thực vload , iinv , iload , vpwm:<br /> <br /> Để không mất tính tổng quát, hệ thống được<br /> quy đổi về mạch tương đương như hình 3.<br /> Gọi:<br /> vload,eq: Điện áp tải tương đương<br /> iinv,eq: Dòng nghịch lưu<br /> iload,eq: Dòng tải tương đương<br /> vpwm: Ký hiệu điện áp nghịch lưu.<br /> Từ hình 3 viết được :<br /> <br /> Vload: điện áp trên tải;<br /> Iinv:<br /> dòng nghịch lưu;<br /> Vpwm: điện áp nghịch lưu PWM.<br /> Các giá trị đơn vị này có thể được mô tả<br /> như sau<br /> <br /> Hình 2. Tọa độ tham chiếu αβ0 tĩnh<br /> <br /> 130<br /> <br /> Nguyễn Văn Liễn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 102(02): 129 - 136<br /> <br /> và các tham số của mạch cũng sẽ được đổi<br /> sang hệ đơn vị thực:<br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển<br /> <br /> Trong đó:<br /> là tần số góc cơ bản. Khi đó ta có mô hình<br /> tương đương như sau, hình 4 tương ứng với<br /> các mô tả (8), (9):<br /> <br /> - Mạch vòng điều khiển dòng điện phía trong<br /> là một bộ điều khiển trượt gián đoạn<br /> (DSMC).<br /> - Mạch vòng điều khiển điện áp phía ngoài bộ<br /> điều khiển bền vững có khâu điều chế vector<br /> không gian (MSVPWM)<br /> - Các giá trị: vref là điện áp tham chiếu của tải,<br /> là dòng nghịch lưu mong muốn, icmd<br /> dòng nghịch lưu thực tế,<br /> điện áp PWM<br /> yêu cầu, vpwm điện áp ngõ ra của bộ điều chế<br /> thực tế.<br /> Thiết kế bộ điều khiển trượt<br /> Từ phương trình (10) một bộ điều khiển trượt<br /> điều khiển được xây dựng theo các bước:<br /> Chọn chu kỳ lấy mẫu Ts. khi đó bộ điều khiển<br /> dòng cho In3Leg thiết kế được:<br /> <br /> Hình 4. Mô hình của In3Leg trong hệ pu<br /> <br /> Trong đó:<br /> <br /> Bước tiếp theo là mô tả hệ thống trong không<br /> gian trạng thái:<br /> Trong<br /> đó<br /> các<br /> biến<br /> trạng<br /> thái:<br /> , biến điều khiển ngõ<br /> vào u = vpwm, nhiễu ngõ vào d = iload và các<br /> ma trận<br /> <br /> XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN<br /> Cấu trúc điều khiển như hình 5, gồm 2 vòng<br /> nối tầng:<br /> <br /> Để dòng điện ngõ của bước tiếp theo y(k+1)<br /> bám theo dòng điện tham chiếu ngõ vào<br /> icmd(k), chế độ điều khiển trượt sẽ phân phối<br /> sự chọn lựa theo dạng:<br /> s(k)=CiX(k) + icmd(k)<br /> Độ bám sai lệch, như vậy khi đó ở chế độ mặt<br /> phẳng trượt, ngõ ra y(k) có khuynh hướng về<br /> giá trị mẫu icmd(k). Chế độ mặt phẳng trượt có<br /> thể đạt được nếu tín hiệu điều khiển ngõ ra<br /> u(k) được thiết kế:<br /> s(k+1) = CiAdX(k) + CBdu(k)+CEdd(k)icmd(k) (12)<br /> 131<br /> <br /> Nguyễn Văn Liễn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Luật điều khiển thỏa mãn (12) được gọi là bộ<br /> điều khiển tương đương [1] và được cho bởi:<br /> ueq(k) = (CiBd)-1 [icmd(k) – CiAdX(k)-CiEdd(k)]<br /> = u(k).<br /> (13) và<br /> Thiết kế bộ điều khiển điện áp bền vững<br /> Bộ điều khiển bền vững (RSC) được sử dụng<br /> để ổn định vòng lặp bên ngoài [2]. Trong hệ<br /> thống điều khiển này ngõ vào tham chiếu là<br /> điện áp ngõ ra mong muốn có tín hiệu sin<br /> 50Hz, nhiễu là dòng tải. Trong thực tế, các<br /> thành phần chính mà có thể ảnh hưởng đến hệ<br /> thống điều khiển là các sóng hài bậc thấp như<br /> bậc 3, bậc 5, bậc 7… các sóng hài bậc cao ít<br /> bị ảnh hưởng. Do đó, ta biết được đặc tính<br /> bám của tín hiệu hoặc là các tín hiệu được<br /> bơm vào, mà được điều chỉnh bởi số cặp cực<br /> <br /> 102(02): 129 - 136<br /> <br /> Do tồn tại u(k-1), phương trình (14) chuyển<br /> sang không gian trạng thái là:<br /> <br /> trong đó :<br /> Xp(k) = [X(k)T u(k-1)]T<br /> = [vload(k)<br /> <br /> iinv(k)<br /> <br /> u(k-1)]T<br /> <br /> ,<br /> <br /> Đối tượng điều khiển của RSC là DSMC<br /> được mô tả:<br /> <br /> Trong đó<br /> trong đó:<br /> Bộ điểu khiển RSC là mô hình bộ điều khiển<br /> cơ bản. Để sử dụng bộ điều khiển RSC cần<br /> bốn điểu kiện sau cần thỏa mản [2]<br /> Đối tượng điều khiển là trạng thái tĩnh và có<br /> khả năng đo được<br /> Số chiều của bộ điều khiển lớn hơn hay bằng<br /> với số tín hiệu ngõ ra<br /> Điểm không của đối tượng điều khiển để loại<br /> trừ các điểm cực của tham chiếu ngõ vào và<br /> các tín hiệu nhiễu<br /> Các tín hiệu ngõ ra của hệ thống phải đo được<br /> Phương trình đối tượng điều khiển cho ở<br /> phương trình (10), và chu kỳ lấy mẩu Ts, chu<br /> kỳ lấy mẫu ngõ vào trễ, tín hiệu rời rạc của<br /> đối tượng điểu khiển là<br /> <br /> trong đó<br /> <br /> ;<br /> <br /> A∗p = A p − B p (C i Bd ) Ci Ad C1 ,<br /> −1<br /> <br /> B ∗p = B p (Ci Bd )<br /> <br /> −1<br /> <br /> Ngõ ra của đối tượng điều khiển chính là điện<br /> áp điều khiển tải. Vì vậy, ngõ vào và ngõ ra<br /> phải có cùng kích thước. Trong các hệ thống<br /> thực tế, các điện áp tải, các dòng nghịch lưu,<br /> và các dòng tải tất cả phải đo được. Vì vậy,<br /> nó có thể được khai báo cho tất cả bốn điều<br /> kiện của RSC được thỏa mãn<br /> Việc thiết kế RSC gồm hai phần: một bộ bù<br /> servo và một bộ bù tĩnh.<br /> Bộ bù servo có thể được thiết kế như sau. Nếu<br /> đặc tính bám hay là nhiễu các điểm cực<br /> , bộ bù sero là<br /> Trong đó<br /> η1 <br />  As1<br /> η <br /> <br /> 3<br /> <br /> η=<br /> ,A = <br /> η5  8 <br />  <br /> <br /> <br /> η7 <br /> <br /> 132<br /> <br /> As 3<br /> As 5<br /> <br />  Bs1 <br /> <br /> B <br /> <br /> , B =  s 3 <br />  8  Bs5 <br />  <br /> <br /> As 7 <br />  Bs 7 <br /> <br /> Nguyễn Văn Liễn và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 102(02): 129 - 136<br /> <br /> sai lệch : e = vref – vload.<br /> <br /> 1<br /> η <br />  0<br /> 0 <br /> η =  i1 , A8 =  2 , Bsi =  <br /> 1 <br />  − ωi 0 <br /> ηi 2 <br /> trong đó: i =1,3,5 và 7<br /> Hàm truyền của bộ bù servo được minh họa<br /> như sau<br /> <br /> Hình 8. Đồ thị bode của bộ bù servo<br /> cho sóng bậc 3<br /> <br /> Hình 6. Sơ đồ khối của bộ bù servo<br /> <br /> Từ hình 6 cho thấy bộ bù servo gồm có các<br /> bộ lọc cộng hưởng nối tiếp. Các đặc tính trên<br /> miền tần số gồm bốn bộ lọc cộng hưởng như<br /> hình 8 đến hình 10.<br /> Đặc tính cộng hưởng cho phép các tín hiệu có<br /> tần số đặc biệt đi qua. Vì tín hiệu ngõ vào đến<br /> bộ bù servo là điện áp ổn áp, điện áp ổn áp có<br /> khuynh hướng nhạy cảm với các tín hiệu sai<br /> lệch tĩnh ổn áp cùng với các tần số đặc biệt.<br /> Hình 9. Đồ thị bode của bộ bù servo<br /> cho sóng bậc 7<br /> <br /> Trường hợp này, bộ bù sevo cần được rời rạc<br /> tín hiệu hóa với cùng chu kỳ lấy mẫu Ts .<br /> Thời gian rời rạc hóa của bộ bù servo được tính:<br /> (18)<br /> trong đó:<br /> <br /> Asd = e AsTs ,<br /> TS<br /> <br /> Bsd = ∫ e AS (TS −τ ) B8dτ<br /> 0<br /> <br /> Hình 7. Đồ thị bode của bộ bù servo<br /> cho sóng cơ bản<br /> <br /> Sự tồn tại của bộ bù servo, đặc tính tĩnh của<br /> bộ bù được tạo ra nhằm tăng tính kết hợp. Từ<br /> phương trình (16) và phương trình bộ bù<br /> servo (18) có thể được viết lại<br /> 133<br /> <br />