Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCS-MPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là đề xuất thuật toán nhằm triệt tiêu sai lệch trạng thái tĩnh vốn dĩ tồn tại trong thuật toán FCS-MPC thông thường; đưa ra thuật toán cải tiến với mục tiêu giảm khối lượng tính toán cho multistep MPC; ứng dụng mạng nơ-ron thành phương pháp điều khiển ANN-MPC nhằm giảm sự phụ thuộc của MPC vào mô hình hệ thống và triển khai được thuật toán multistep MPC trên mô hình thời gian thực.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCS-MPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phó Bảo Bình ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO VỚI TẬP HỮU HẠN CÁC GIÁ TRỊ ĐẦU VÀO (FCS-MPC) CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phó Bảo Bình ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO VỚI TẬP HỮU HẠN CÁC GIÁ TRỊ ĐẦU VÀO (FCS-MPC) CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Trần Trọng Minh 2. PGS.TS Vũ Hoàng Phương Hà Nội, 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của các thầy hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng 4 năm 2023 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án i
Lời cảm ơn Luận án này được hoàn thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của tôi tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Sau một thời gian học tập nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận án dưới sự hướng dẫn của các thầy: PGS.TS Trần Trọng Minh và PGS.TS Vũ Hoàng Phương, Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn tận tình của các thầy hướng dẫn, những người đã luôn chia sẻ, quan tâm cả trong công việc lẫn đời sống, tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thiện luận án này. Tôi trân trọng cảm ơn các thầy cô thuộc nhóm chuyên môn Điện tử công suất và Truyền động điện, các thầy cô phòng C9-102 đã cho tôi môi trường làm việc và học tập rất đầm ấm, chuyên nghiệp, năng động cùng với những góp ý chân thành, sâu sắc. TS Dương Minh Đức, TS Nguyễn Duy Đỉnh, TS Nguyễn Anh Tân là những người giúp tôi rất nhiều trong việc củng cố thêm kiến thức chuyên môn và hoàn thiện hơn nữa luận án của mình. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Tự động hóa, Trường Điện-Điện tử; Ban Giám hiệu, Phòng đào tạo - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về nhiều mặt trong công việc học tập tại đây. Tôi chân thành cảm ơn các anh chị em Nghiên cứu sinh của khoa Tự động hóa, Viện kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, những người luôn cùng tôi đồng hành, động viên, giúp đỡ và hỗ trợ tôi. Tôi sẽ luôn nhớ đến các nhóm sinh viên K61, K62, K63 thuộc PE-Lab học tập và nghiên cứu tại phòng C9-203 cùng với hai em Nguyễn Mạnh Tuấn và Đinh Huy Hùng (K61) thuộc APES-Lab. Họ là những người luôn cùng tôi đồng hành, động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều trong việc nghiên cứu, triển khai thực nghiệm. Sự quan tâm, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí và các đồng nghiệp tại bộ môn Điện kỹ thuật, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội là nguồn động lực rất lớn giúp tôi vững bước trên chặng đường học tập và nghiên cứu này. Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến những thành viên trong gia đình tôi, những người bạn thân thiết đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án. Hà Nội, tháng 4 năm 2023 Tác giả luận án Phó Bảo Bình ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... II MỤC LỤC....................................................................................................................III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... VI DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................... IX MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 5 1.1. Khái quát vấn đề nghiên cứu ........................................................................... 5 1.1.1 Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng (CHB) ............................................ 5 1.1.2 Các phương pháp điều khiển cho NLĐM cấu trúc CHB ..................... 8 1.1.3 Điều khiển dự báo dựa trên mô hình MPC .......................................... 11 1.1.4 Lý do MPC đặc biệt phù hợp với NLĐM cấu trúc CHB và hệ truyền động IM ............................................................................................... 14 1.1.5 Nguyên lý thực hiện FCS-MPC........................................................... 15 1.2. Vấn đề của FCS-MPC ................................................................................... 16 1.2.1. Sai lệch tĩnh ......................................................................................... 17 1.2.2. Multistep MPC .................................................................................... 17 1.3. Ứng dụng mạng nơ-ron để xây dựng bộ điều khiển ANN-MPC nhằm thực nghiệm thuật toán multistep MPC ................................................................ 20 Kết luận chương 1 ................................................................................................ 21 CHƯƠNG 2. FCS-MPC VỚI MỤC ĐÍCH TRIỆT TIÊU SAI LỆCH TĨNH CHO NLĐM CẤU TRÚC CHB NỐI TẢI ĐỘNG CƠ IM ........................................... 23 2.1. Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC .................................................. 23 2.2. Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC kết hợp khâu tích phân ............ 25 2.3. Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC cho mạch nghịch lưu đa mức CHB ứng dụng động cơ IM........................................................................... 27 iii
2.3.1. Cấu trúc điều khiển dự báo FCS-MPC thông thường cho mạch nghịch lưu đa mức CHB nối tải động cơ IM ................................................... 27 2.3.2. Nguyên lý hoạt động của NLĐM cấu trúc CHB ................................. 28 2.3.3. Mô hình trạng thái động cơ không đồng bộ (IM) ................................ 31 2.3.4. Cấu trúc điều khiển dự báo FCS-MPC kết hợp khâu tích phân cho mạch nghịch lưu đa mức CHB, ứng dụng động cơ IM ....................... 35 2.4. Kết quả mô phỏng kiểm chứng ..................................................................... 39 2.4.1. Kiểm tra đáp ứng dòng điện ................................................................ 40 2.4.2. Kiểm tra đáp ứng CMV và tối ưu đóng cắt ......................................... 44 2.4.3. Kiểm tra đáp ứng ở trạng thái quá độ của hệ thống ............................ 45 CHƯƠNG 3. THUẬT TOÁN MULTISTEP MPC CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẤU TRÚC CHB NỐI TẢI ĐỘNG CƠ IM ........................................................ 50 3.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống NLĐM cấu trúc CHB nối tải động cơ IM, sử dụng thuật toán Multistep MPC .................................................................... 50 3.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện với phương pháp điều khiển multistep MPC .............................................................................................................. 51 3.2.1. Mô hình hệ thống ................................................................................. 51 3.2.2. Mô hình dự báo.................................................................................... 52 3.2.3. Hàm mục tiêu....................................................................................... 53 3.2.4. Thuật toán giải mã mặt cầu SDA ........................................................ 54 3.3. Nâng cao tốc độ tính toán Multistep MPC với phương pháp K-best SDA cho NLĐM cấu trúc CHB nối tải động cơ IM ..................................................... 59 3.3.1. Cấu trúc điều khiển .............................................................................. 59 3.3.2. Thuật toán giải mã mặt cầu K-best SDA ............................................. 60 3.3.3. Mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink ................... 65 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .......... 76 4.1. Thực nghiệm kiểm chứng thuật toán multistep MPC với phương pháp K-best SDA cho biến tần đa mức cấu trúc CHB ...................................................... 76 4.1.1. Điều kiện thực nghiệm ........................................................................ 76 4.1.2. Triển khai trên vi điều khiển FPGA .................................................... 79 4.1.3. Kết quả thực nghiệm............................................................................ 81 4.2. Thực nghiệm kiểm chứng thuật toán Multistep MPC sử dụng ANN, áp dụng cho nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB ........................................................... 84 4.2.1. Phương pháp điều khiển ANN-MPC................................................... 84 iv
4.2.2. Cấu trúc mạng nơ-ron ANN ................................................................ 86 4.2.3. Thực hiện phương pháp ANN-MPC ................................................... 90 4.2.4. Mô phỏng kiểm chứng trên Matlab/Simulink ..................................... 95 4.2.5. Mô hình thực nghiệm .......................................................................... 98 4.2.6. Kết quả thu được trên mô hình thực nghiệm ..................................... 101 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................. 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 107 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 115 v
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Từ viết tắt Dạng đầy đủ bằng tiếng Anh Ý nghĩa BBĐ Bộ biến đổi NLĐM Nghịch lưu đa mức ĐTCS Điện tử công suất TĐĐ Truyền động điện MV Medium Voltage Trung áp PES Power Electronic System Hệ thống điện tử công suất MLI Multilevel Inverter Bộ nghịch lưu đa mức VSI Voltage Source Inverter Nghịch lưu nguồn áp Insulated Gate Bipolar Transistor lưỡng cực cổng cách IGBT Transistor ly CHB Cascaded H-Bridge Cầu H nối tầng NPC Neutral Point Converter BBĐ cấu trúc diode kẹp MMC Modular Multilevel Converters BBĐ dạng module hóa FC Flying Capacitor Tụ bay LV Low Voltage Điện áp thấp Flexible AC Transmission Hệ thống truyền tải xoay chiều FACTS System linh hoạt STATCOM Static Synchronous Compensator Thiết bị bù đồng bộ tĩnh HVDC High Voltage DC Dòng điện 1 chiều điện áp cao DC Direct Current Dòng điện một chiều Động cơ không đồng bộ ba pha IM Induction Motor rotor lồng sóc FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông AI Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo Điều khiển dự báo dựa theo mô MPC Model Predictive Control hình vi
Continuous Control Set CCS- MPC trên tập điều khiển liên CCS-MPC MPC tục MPC trên tập điều khiển hữu FCS-MPC Finite Control Set MPC hạn MIMO Multi Input, Multi Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra Điều khiển khoảng dự báo dịch RHC Receding Horizon Control trên miền thời gian OPP Optimized Pulse Patterns Các mẫu xung tối ưu ESA Exhaustive Search Algorithm Thuật toán tìm kiếm toàn diện SDA Sphere Decoding Algorithm Thuật toán giải mã mặt cầu DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SVM Space Vector Modulation Điều chế vector không gian DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp mômen Mảng cổng lập trình được dạng FPGA Field Programmable Gate Array trường DPC Direct Power Control Điều khiển trực tiếp công suất VOC Direct Voltage Control Điều khiển trực tiếp điện áp THD Total Harmonic Distortion Tổng méo sóng hài CMV Common-mode Voltage Điện áp common-mode ANN Artificial Neural Network Mạng nơ-ron nhân tạo vii
Danh mục các bảng Bảng 2.1 Bảng thể hiện tối ưu đóng cắt ................................................................... 38 Bảng 2.2 Thông số mạch lực và bộ điều khiển ........................................................ 39 Bảng 2.3 Thông số động cơ ...................................................................................... 40 Bảng 2.4 Kịch bản mô phỏng ................................................................................... 40 Bảng 2.5 Thay đổi đồng thời các tham số động cơ trong phạm vi 35% .................. 42 Bảng 2.6 Số lần chuyển mức pha A ........................................................................ 45 Bảng 3.1 Quá trình thực hiện thuật toán................................................................... 64 Bảng 3.2 Thông số động cơ ...................................................................................... 65 Bảng 3.3 Thông số mạch lực và bộ điều khiển ........................................................ 66 Bảng 3.4 Kịch bản mô phỏng ................................................................................... 66 Bảng 3.5 So sánh số lượng nút kiểm tra ................................................................... 70 Bảng 4.1 Bảng thông số huấn luyện ......................................................................... 92 Bảng 4.2 Kích thước ma trận.................................................................................... 93 Bảng 4.3 Trạng thái và xung điều khiển van ............................................................ 95 Bảng 4.4 Thông số mô phỏng ANN-MPC ............................................................... 95 Bảng 4.5 Bảng chỉ định dữ liệu huấn luyện ............................................................. 96 Bảng 4.6 Tài nguyên sử dụng FPGA...................................................................... 101 Bảng 4.7. Thông số thực nghiệm............................................................................ 102 viii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Các kiểu cấu trúc nghịch lưu đa mức .......................................................... 6 Hình 1.2 NLĐM cấu trúc MMC cấp cho tải động cơ ................................................ 7 Hình 1.3 NLĐM cấu trúc CHB cấp cho tải động cơ .................................................. 8 Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển thông dụng cho NLĐM cấu trúc CHB (nguồn [22]) ........................................................................................................... 9 Hình 1.5 Phân loại Điều khiển dự báo (nguồn [26]) ................................................ 11 Hình 1.6 Ưu và nhược điểm của MPC (nguồn [23]) ................................................ 12 Hình 1.7 Sơ đồ khối điều khiển FCS-MPC .............................................................. 13 Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát phương pháp FCS-MPC .................. 15 Hình 1.9 Nguyên lý điều khiển khoảng dự báo dịch trên miền thời gian RHC (nguồn [47]) ......................................................................................................... 16 Hình 1.10 ANN với chức năng là khối xấp xỉ .......................................................... 21 Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển thuật toán FCS-MPC tích hợp khâu tích phân .............. 26 Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển động cơ IM sử dụng phương pháp FCS-MPC .............. 28 Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực NLĐM cấu trúc CHB ...................................................... 29 Hình 2.4 Cấu trúc 1 cầu H và bảng phối hợp đóng cắt ............................................ 29 Hình 2.5 Mặt phẳng vector không gian của nghịch lưu ba pha 11 mức cấu trúc CHB ................................................................................................................. 31 Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển động cơ IM sử dụng chiến lược điều khiển dự báo dòng điện tích hợp khâu tích phân ................................................................... 35 Hình 2.7 Minh họa điện áp common-mode .............................................................. 36 Hình 2.8 Mô tả cách thực hiện hàm mục tiêu........................................................... 39 Hình 2.9 Kết quả mô phỏng trên trục d theo phương pháp FCS-MPC thông thường ................................................................................................................. 41 Hình 2.10 Kết quả mô phỏng trên trục d theo phương pháp FCS-MPC tích hợp khâu tích phân .................................................................................................. 41 Hình 2.11 Đáp ứng dòng điện và sai lệch dòng điện trên trục q với điều khiển dự báo thông thường .................................................................................... 41 Hình 2.12 Đáp ứng dòng điện và sai lệch dòng điện trên trục q với điều khiển dự báo kết hợp khâu tích phân ..................................................................... 42 Hình 2.13 Đáp ứng dòng điện và sai lệch dòng điện trên trục d khi áp dụng FCS- MPC thông thường .................................................................................. 42 ix
Hình 2.14 Đáp ứng dòng điện và sai lệch dòng điện trên trục d khi áp dụng FCS- MPC kết hợp khâu tích phân ................................................................... 43 Hình 2.15 Các đáp ứng trên trục q khi dùng FCS-MPC thông thường .................... 43 Hình 2.16 Các đáp ứng trên trục q khi dùng FCS-MPC kết hợp khâu tích phân ..... 43 Hình 2.17 Đáp ứng điện áp common-mode ............................................................. 44 Hình 2.18 Đáp ứng tối ưu đóng cắt .......................................................................... 44 Hình 2.19 Kịch bản 1: tốc độ đặt thay đổi từ 0 đến nref tại thời điểm 0,5(s). a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref,  (tải quạt gió) ........................................ 46 Hình 2.20 Kịch bản 2: Tốc độ đặt thay đổi từ 0 đến nref tại thời điểm 0,5(s). a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref,  (tải không đổi) ............................... 47 Hình 2.21 Kịch bản 3: đảo chiều quay động cơ -nref đến +nref tại thời điểm 1,2(s). a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref,  .............................................. 48 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển của hệ thống CHB-MLI nối tải động cơ IM, sử dụng phương pháp Multistep MPC .................................................................. 51 Hình 3.2 Các bước triển khai thuật toán giải mã mặt cầu SDA ............................... 54 Hình 3.3 Minh họa ý nghĩa của phép biến đổi ......................................................... 56 Hình 3.4 Minh họa biểu đồ thuật toán tìm kiếm nhánh và ràng buộc ...................... 58 Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán tìm kiếm.......................................................................... 58 Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển động cơ IM dựa trên NLĐM cấu trúc CHB, sử dụng phương pháp Multistep MPC với thuật toán K-best SDA ...................... 59 Hình 3.7 Tìm kiếm nút dùng SDA a) và K-best SDA bằng sơ đồ cây b) ................ 60 Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán K-best SDA .................................................................. 61 Hình 3.9 Cấu trúc đề xuất thực hiện K-best SDA trên FPGA.................................. 62 Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán sắp xếp Bitonic ........................................................... 63 Hình 3.11 Minh họa thuật toán Bitonic sắp xếp với mảng 8 phần tử....................... 64 Hình 3.12 Điện áp common-mode khi thay đổi các trọng số ................................... 66 Hình 3.13 So sánh THD dòng điện giữa SDA và K-best SDA ................................ 67 Hình 3.14 So sánh tần số đóng cắt trung bình giữa SDA và K-best SDA ............... 67 Hình 3.15 a) Sai lệch dòng điện trục d; b) Sai lệch dòng điện trục q............. 68 Hình 3.16 Đáp ứng dòng điện với N=2: a) Trên trục d; b) Trên trục q................... 69 Hình 3.17 Giá trị THD khi tăng số bước dự báo ...................................................... 69 Hình 3.18 Kịch bản 1: tốc độ đặt thay đổi từ 0 đến nref tại thời điểm 0,5(s): a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref,  (tải quạt gió) ....................................... 71 Hình 3.19 Kịch bản 2: tốc độ đặt thay đổi từ 0 đến nref tại thời điểm 0,5(s): a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref,  (tải không đổi) .................................... 72 x
Hình 3.20 Kịch bản 3: đảo chiều quay động cơ - nref đến - +nref tại thời điểm 1,2(s). a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref,  .............................................. 73 Hình 4.1 Mô hình hệ thống thực nghiệm ................................................................ 76 Hình 4.2 Sơ đồ mạch nguyên lý cầu H ..................................................................... 77 Hình 4.3 Hệ thống biến áp cấp nguồn ...................................................................... 77 Hình 4.4 Mạch lực sau khi đã hoàn thiện ................................................................. 78 Hình 4.5 Mạch đo dòng sau khi đã hoàn thiện ......................................................... 78 Hình 4.6 Mạch đo điện áp sau khi đã hoàn thiện ..................................................... 79 Hình 4.7 Kit ZYBO Z7-20 của hãng Xilinx ............................................................. 79 Hình 4.8 Cấu trúc thực hiện thuật toán điều khiển trên FPGA ................................ 81 Hình 4.9 So sánh thời gian thực hiện giữa SDA và K-best SDA tại N=1................ 82 Hình 4.10 So sánh thời gian thực hiện giữa SDA và K-best SDA tại N=2.............. 82 Hình 4.11 Dạng dòng điện a) và điện áp b) trên tải khi chưa có cả 2 trọng số ........ 83 Hình 4.12 Điện áp CMV trước a) và sau b) khi có trọng số .................................... 83 Hình 4.13 Điện áp trên tải trước a) và sau b) khi có trọng số đóng cắt.................... 83 Hình 4.14 Cấu trúc điều khiển ANN-MPC .............................................................. 86 Hình 4.15 Kiến trúc mạng nơ-ron ............................................................................ 87 Hình 4.16 Mô tả thuật toán Gradient Decent ........................................................... 89 Hình 4.17 Các vector điện áp tương ứng với bộ CHB 5 mức ................................. 91 Hình 4.18 Kiến trúc mạng trong giải thuật ANN-MPC ........................................... 91 Hình 4.19 Quá trình thu thập dữ liệu và huấn luyện của bộ điều khiển ANN-MPC 94 Hình 4.20 Điện áp tải 1 pha với bộ điều khiển ANN-MPC ..................................... 96 Hình 4.21 Điện áp tải 1 pha với bộ điều khiển MPC thông thường ......................... 96 Hình 4.22 Trạng thái đóng cắt ứng với bộ điều khiển ANN-MPC .......................... 97 Hình 4.23 Trạng thái đóng cắt ứng với bộ điều khiển MPC thông thường.............. 97 Hình 4.24 Điện áp tải 1 pha với bộ điều khiển ANN-MPC ..................................... 97 Hình 4.25 Trạng thái đóng cắt với bộ điều khiển ANN-MPC ................................. 98 Hình 4.26 Sơ đồ hệ thống CHB 3 pha 5 mức ........................................................... 98 Hình 4.27 Khối mạch lực 1 cell.............................................................................. 100 Hình 4.28 Mô hình tải 3 pha thuần trở và bộ lọc LC ............................................. 100 Hình 4.29 Hệ thống bàn thí nghiệm hoàn thiện ..................................................... 101 Hình 4.30 Cấu trúc thực hiện thuật toán trong FPGA ............................................ 102 Hình 4.31 Điện áp 5 mức 3 pha .............................................................................. 103 xi
Hình 4.32 Điện áp 5 mức trên từng pha ................................................................. 103 Hình 4.33 Dòng điện trên 1 pha tải ........................................................................ 103 xii
Mở đầu 1. Sự cần thiết của đề tài Hệ truyền động công suất cao, trung áp hay còn gọi là hệ truyền động MV được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong đó chiếm đến 85% là các phụ tải máy nén khí, bơm, quạt, băng tải. Tuy nhiên, truyền động MV cũng phải đối mặt với nhiều thách thức, trong số đó là những thách thức liên quan đến thiết kế bộ biến đổi phía động cơ, các ràng buộc của thiết bị chuyển mạch và các yêu cầu của hệ thống truyền động. Đối với ứng dụng MV, các yêu cầu về giảm dv/dt và tối ưu đóng cắt trên các van bán dẫn, giảm điện áp common-mode xuống mức cho phép… là những yếu tố rất cần thiết [1]. Đó cũng là những lý do khiến các bộ biến đổi nghịch lưu đa mức là thành phần không thể thiếu đối với hầu hết các ứng dụng điện tử công suất trong dải điện áp trung và cao. Trong số các phương pháp điều khiển cho các bộ biến đổi nghịch lưu đa mức, điều khiển dự báo mô hình (MPC) đã nổi lên như một kỹ thuật điều khiển thay thế đầy hứa hẹn cho các ứng dụng điện tử công suất và truyền động điện. Điều này xuất phát từ thực tế là MPC có thể xử lý nhiều biến, các ràng buộc hệ thống và đạt được đáp ứng động học nhanh chóng. Trong số các họ MPC, bộ điều khiển MPC trên tập hữu hạn (FCS-MPC) hay còn gọi là MPC trực tiếp đã trở thành một trong những chiến lược điều khiển phổ biến nhất vì nó có thể tận dụng lợi thế sự chuyển mạch của bộ biến đổi công suất và không cần khâu điều chế. Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu chỉ giới hạn ở MPC một bước (single-step MPC) với ưu điểm là đáp ứng động học nhanh. Gần đây, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tăng chiều dài khoảng dự báo gọi là MPC nhiều bước (multistep MPC), có lợi ích đáng kể trong việc cải thiện hiệu suất hệ thống ở trạng thái ổn định [2]. MPC có tiềm năng vượt trội hơn các bộ điều khiển tuyến tính truyền thống bằng cách cung cấp đáp ứng động học nhanh hơn và trạng thái ổn định tốt hơn. MPC đã được phát triển và triển khai trong các ứng dụng về truyền động điện và nối lưới. Bên cạnh những ưu điểm không thể phủ nhận, MPC vẫn còn những hạn chế về mặt thuật toán cần phải khắc phục như: tồn tại sai lệch tĩnh, khối lượng tính toán lớn… Dựa trên những thực tế đó, tác giả đã lựa chọn đề tài với tên gọi: “Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCS-MPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng” với mục đích cải thiện một số hạn chế của thuật toán FCS-MPC, cho phép FCS- MPC để trở thành một giải pháp thay thế điều khiển khả thi và hấp dẫn cho các ứng 1
dụng điện tử công suất và truyền động điện. 2. Mục tiêu nghiên cứu Luận án thực hiện nghiên cứu, đề xuất các phương pháp cải thiện thuật toán FCS- MPC và ứng dụng FCS-MPC cho bộ biến đổi nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng. Mục tiêu của đề tài là đề xuất thuật toán nhằm triệt tiêu sai lệch trạng thái tĩnh vốn dĩ tồn tại trong thuật toán FCS-MPC thông thường; đưa ra thuật toán cải tiến với mục tiêu giảm khối lượng tính toán cho multistep MPC; ứng dụng mạng nơ-ron thành phương pháp điều khiển ANN-MPC nhằm giảm sự phụ thuộc của MPC vào mô hình hệ thống và triển khai được thuật toán multistep MPC trên mô hình thời gian thực. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: Bộ biến đổi nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng. • Phạm vi nghiên cứu: sử dụng cấu trúc điều khiển động cơ IM với điều khiển dòng điện bằng phương pháp FCS-MPC. Các mạch vòng ngoài vẫn áp dụng phương pháp điều khiển PI truyền thống. 4. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm - Nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa bộ nghịch lưu đa mức và động cơ IM; - Nghiên cứu phối hợp các thuật toán điều khiển kinh điển và hiện đại; kiểm nghiệm lý thuyết bằng mô phỏng; - Nghiên cứu và kiểm chứng lý thuyết bằng thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài • Ý nghĩa khoa học: Kết quả của nghiên cứu này giúp cải thiện thuật toán FCS-MPC dựa trên những hạn chế đang tồn tại của phương pháp điều khiển này. Thứ nhất là xây dựng được thuật toán FCS-MPC cải tiến với mục đích triệt tiêu sai lệch trạng thái tĩnh. Thứ hai là đưa ra thuật toán K-best SDA được cải tiến từ thuật toán giải mã cầu SDA nhằm nâng cao tốc độ tính toán cho phương pháp điều khiển FCS-MPC đa bước. Các thuật toán điều khiển được triển khai thực hiện trên nền FPGA. Thứ ba là đề xuất phương pháp điều khiển ANN-MPC giúp thực nghiệm thuật toán FCS-MPC đa bước được khả thi. • Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng thông qua mô hình thực nghiệm, chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn. Sự đóng góp của luận án giúp cho việc ứng dụng của phương pháp điều khiển dự báo MPC trong thực tế là có triển vọng, đảm bảo chất lượng điều khiển. 2
6. Các đóng góp của luận án Luận án này tập trung vào việc đưa ra những đóng góp về mặt lý thuyết và thực tiễn nhằm cải thiện thuật toán FCS-MPC, từ một bước đến nhiều bước; giúp FCS-MPC trở thành một chiến lược điều khiển khả thi cho bộ biến đổi điện tử công suất và hệ truyền động điện. Các đề xuất trong luận án này đã được kiểm chứng bằng các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink và mô hình thực nghiệm. Những đóng góp chính được tóm lược như sau: - Ứng dụng bộ điều khiển FCS-MPC đơn bước cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có bổ sung khâu tích phân để bù sai lệch tĩnh; - Ứng dụng phương pháp điều khiển FCS-MPC đa bước để nâng cao chất lượng điều khiển bộ nghịch lưu cầu H 11 mức nối tầng tải động cơ IM và K-best SDA nhằm giảm khối lượng tính toán MPC; - Đề xuất cấu trúc ANN-MPC để thay thế bộ điều khiển FCS-MPC đa bước nhằm giảm khối lượng tính toán. 7. Bố cục của luận án Nội dung của luận án được trình bày thành các chương và phần kết luận như sau: Chương 1. Tổng quan Giới thiệu tổng quan về nghịch lưu đa mức nói chung và NLĐM cấu trúc CHB nói riêng, các phương pháp điều khiển cho BBĐ CHB và hệ truyền động động cơ IM, phương pháp điều khiển dự báo mô hình MPC. Chương này cũng trình bày phân loại, ưu nhược điểm của MPC; từ đó đề xuất hướng nghiên cứu chuyên sâu. Chương 2. FCS-MPC với mục đích triệt tiêu sai lệch tĩnh cho nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB nối tải động cơ IM Trình bày mô hình hóa quá trình điện từ động cơ IM trên hệ tọa độ β và dq. Bên cạnh đó đề xuất thuật toán single-step MPC nhằm xử lý vấn đề sai lệch tĩnh cũng như đưa ra sơ đồ cấu trúc điều khiển. Tính đúng đắn của thuật toán được đánh giá bằng kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink. Chương 3. Thuật toán multistep MPC cho nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB nối tải động cơ IM Đưa ra thuật toán giải mã mặt cầu SDA và K-best SDA nhằm giảm khối lượng tính toán, tức giảm áp lực lên vi điều khiển. Đánh giá ưu điểm của K-best SDA so với SDA và kiểm chứng một số đáp ứng của hệ thống khi sử dụng thuật toán multistep MPC thông qua các kết quả mô phỏng. Chương 4: Xây dựng hệ thống thực nghiệm và kết quả Nội dung chương 4 là đánh giá tính hiệu quả của multistep MPC cùng với thuật toán K-best SDA thông qua việc thực hiện trên nền tảng FPGA. Tiếp đó là đề xuất phương 3
pháp điều khiển ANN-MPC nhằm thay thế cho bộ điều khiển Multistep MPC mà vẫn đáp ứng được các chỉ tiêu điều khiển. Các kết quả mô phỏng và kiểm chứng thông qua mô hình thực nghiệm trên FPGA được phân tích và đưa ra các đánh giá. Kết luận và kiến nghị Trình bày tóm lược những kết quả đã đạt được của luận án; đồng thời chỉ ra những hạn chế và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo. 4
CHƯƠNG 1. Tổng quan Equation Chapter (Next) Section 1 1.1. Khái quát vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng (CHB) Bộ biến đổi nghịch lưu đa mức MLI (Multilevel inverter) đã được nghiên cứu và phát triển trong hơn ba thập kỷ và được ứng dụng thành công trong công nghiệp, truyền tải điện áp cao và kết nối các nguồn năng lượng tái tạo [3]. Hơn thế nữa, các bộ biến đổi đa mức có nhiều ưu điểm hơn so với bộ biến đổi hai mức thông thường, nhất là chất lượng điện áp đầu ra. Do điện áp đầu ra có nhiều mức nên dv/dt trên mỗi khóa bán dẫn được giảm nhiều, giảm sóng hài điện áp và tổn hao đóng cắt [4]. Các bộ biến đổi đa mức là thành phần không thể thiếu đối với hầu hết các ứng dụng điện tử công suất trong dải điện áp trung và cao. Hiện tại, chúng được thương mại hóa, là nguồn cấp cho nhiều ứng dụng như: máy nén, máy bơm, quạt, máy nghiền, máy cán, băng tải, máy khởi động tua bin khí, máy trộn, bù công suất phản kháng, động cơ trong lĩnh vực hàng hải, truyền tải HVDC, chuyển đổi năng lượng gió... Nghịch lưu đa mức được phân thành ba cấu trúc chính là: cấu trúc diode kẹp điểm trung tính NPC [5], cấu trúc tụ điện thay đổi FC [6] và cấu trúc nối tầng. Cấu trúc nối tầng lại chia thành cấu trúc cầu H nối tầng CHB [7], và cấu trúc dạng module hóa MMC [8], [9]. Nếu phân loại theo số lượng nguồn DC, nghịch lưu đa mức phân thành 2 loại là sử dụng một nguồn DC và sử dụng nhiều nguồn DC cách ly. Hình 1.1 cho cái nhìn khái quát ở từng cấu trúc nghịch lưu đa mức. Với mục tiêu ứng dụng trong hệ thống truyền động có công suất lớn, việc đảm bảo dòng lấy vào từ lưới điện có dạng gần sin là rất quan trọng. Để đáp ứng yêu cầu đó, có thể: (1) tăng số mức điện áp của bộ biến đổi đa mức, (2) nối tiếp các van bán dẫn, (3) xếp chồng các cell hoặc submodule, (4) kết hợp các biện pháp trên. Đối với NLĐM cấu trúc NPC, khi số mức tăng cao, số lượng diode kẹp cũng nhiều hơn làm tăng độ phức tạp của mạch nguồn và giảm hiệu suất của bộ biến đổi. Hơn nữa, số lượng lớn van bán dẫn gây tăng nhiễu điện từ (EMI), đặc biệt trong các ứng dụng công suất lớn và tần số chuyển mạch cao [10]. Trong khi đó, cấu trúc kiểu FC đòi hỏi một số lượng lớn các tụ điện để kẹp với các van bán dẫn. Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm. Khi số mức điện áp càng lớn thì sẽ làm cho độ phức tạp của hệ thống tăng lên, việc điều khiển sẽ gặp nhiều khó khăn chủ yếu do vấn đề cân bằng điện áp tụ [11]. 5
Cấu trúc CHB vdc1 vac1 Nhiều nguồn DC cách ly vac vdc2 vac2 Cấu trúc MMC Nghịch lưu đa mức -Vdc -2Vdc Cấu trúc NPC + (1/2)vdc - + vdc vac (1/2)vdc - vc vdc Một nguồn DC Cấu trúc FC + (1/2)vdc vdc vac - + (1/2)vdc - Hình 1.1 Các kiểu cấu trúc nghịch lưu đa mức Trong luận án này, đối tượng nghiên cứu là nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB cấp cho tải trung thế. Với ứng dụng này, cấu trúc dạng nối tầng chiếm được ưu thế hơn. Bộ biến đổi cấu trúc MMC vốn khởi nguồn được phát triển cho hệ thống truyền tải HVDC [12]. Năm 2010, hệ thống HVDC PLUS đầu tiên của Siemens được đưa vào vận hành với công nghệ VSI đa mức dùng cấu trúc MMC. Đồng thời, ABB đã cập nhật sản phẩm HVDC Light của hãng để sử dụng công nghệ gần như tương tự [13]. MMC là cấu trúc hiện đại nhất trong số các NLĐM, hiện nay là có triển vọng cho các ứng dụng công suất trung bình và cao, đặc biệt cho bộ biến đổi nguồn điện áp VSI. MMC có khả năng mở rộng các submodule (SM), làm giảm chi phí sản xuất của BBĐ; điện áp đầu ra có chất lượng cao với THD và dv/dt thấp [14]. Các submodule của bộ MMC không yêu cầu các nguồn DC cách ly, thay vào đó là hoạt động với nguồn một chiều duy nhất vd. Tuy nhiên, nhược điểm của NLĐM cấu trúc MMC là yêu cầu số lượng tụ kẹp nhiều. Giá trị các tụ này tương đối cao, điện áp trên tụ phải được đo và điều khiển; điều này làm tăng độ phức tạp của mạch lực và sơ đồ điều 6