Untitled SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K2 2016 Trang 40 Phương pháp điều khiển sliding mode và droop control cho các bộ nghịch lưu trong Microgrid Phạm Thị Xuân Hoa 1 Nguyễn Minh Hu[.]
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.19, No.K2 - 2016 Phương pháp điều khiển sliding mode droop control cho nghịch lưu Microgrid Phạm Thị Xuân Hoa Nguyễn Minh Huy Khoa Điện – Điện Tử, Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM (Bản nhận ngày 05 tháng 02 năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 24 tháng 02 năm 2016) TÓM TẮT Điều khiển bền vững linh hoạt mục tiêu thành phần hài Trong trình bày microgrid độc lập Microgrid có phương pháp điều khiển trượt bám SMC (Sliding nghịch lưu khác với tải tuyến Mode Control) để điều khiển nghịch lưu tính phi tuyến Sóng hài dòng điện gây kết nối song song microgrid hoạt động tải phi tuyến làm cho điều khiển điện độc lập, điều khiển cải thiện áp kiểu PI (Proportional Integral) PID đặc tính bền vững hệ thống điều khiển (Proportional Integral Derivative) cho đường giảm sai số xác lập Tính ổn định hệ thống đặc tính điện áp ngõ nghịch lưu có độ vịng kín xác định theo tiêu chuẩn vọt lố sai số xác lập cao, trường hợp Lyapunov Cấu trúc điều khiển bao gồm microgrid hoạt động chế độ độc lập Hơn nữa, vịng điều khiển SMC bên vịng điều tính bền vững hệ thống vịng kín PID khơng khiển Droop control bên ngồi Mục đích đảm bảo Một số nghiên cứu dùng thiết kế vòng điều khiển SMC bên điều khiển điện áp kiểu PR, điều khiển PR có để cải thiện tính chất động học khả khử sóng hài cho tín hiệu điện microgrid Các kết thu từ việc mô áp có dạng sin Tuy nhiên, điều khiển PR matlab cho độ lệch nhỏ tần số việc lựa chọn Từ khóa: Điều khiển trượt bám, điều khiển bền vững, nghịch lưu song song ĐẶT VẤN ĐỀ Tính ổn định linh hoạt vấn đề quan tâm microgrid độc lập, đặc tính định chiến lược điều khiển Trong đưa chiến lược điều khiển cho nghịch lưu giống khác nhau, kết nối song song cung cấp cơng suất cho tải tuyến Trang 40 tính phi tuyến Kết nối song song để nâng cao hiệu suất nguồn phát, nâng cao độ tin cậy Tuy nhiên, phải điều khiển chia công suất cho nghịch lưu Tải phi tuyến làm méo dạng dòng điện nguồn nghịch lưu Dịng tải ln có thành phần sóng hài, thành phần hài TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K2- 2016 khơng phân nghịch lưu có nguy tải làm nóng nghịch lưu Điều làm cho tuổi thọ chúng giảm nhiều Nhược điểm droop control khơng giữ tần số điện áp giá trị định mức Nhưng mạng điện áp thấp điện áp cho phép thay đổi phạm vi cho phép Tuy nhiên, việc chia tải theo kiểu droop control bị ảnh hưởng trở kháng đường dây, làm cho việc chia dịng khơng nghịch lưu, đặc biệt tải phi tuyến việc chia dịng hài khơng làm ảnh hưởng đến tuổi thọ nghịch lưu Sự kết hợp vòng điều khiển SMC điều chỉnh lại tần số điện áp microgrid gần với giá trị tham chiếu [1], [2] Đã có nhiều nghiên cứu phương pháp điều khiển này, mục tiêu chủ yếu tập trung điều khiển SMC cho dòng điện điện áp ngõ nghịch lưu microgrid độc lập [3], [4] Bài thiết kế điều khiển SMC để cải thiện khuyết điểm droop control Bộ điều khiển SMC kết hợp với droop control để đáp ứng cho việc đồng nghịch lưu Microgrid độc lập với tải phi tuyến Với mơ hình SMC độ lệch điện áp tần số giảm thiểu so với giá trị định mức, cải thiện độ ổn định microgrid Các kết mô cho thấy điều Chiến lược điều khiển sử dụng vịng điều khiển cơng suất droop control bên ngồi vòng điều khiển SMC để điều khiển điện áp dòng điện bên Bài điều khiển hệ tọa độ dq0 để điều khiển định hướng theo điện áp, từ điều khiển cơng suất tác dụng P công suất phản kháng Q cách độc lập Hệ thống điều khiển đảm bảo tính ổn định nghịch lưu hoạt động song song microgrid độc lập, cải thiện đáp ứng động học hệ thống Ở trình bày luật điều khiển SMC cho hai nhiều nghịch lưu giống khác kết nối song song microgrid độc lập Phương pháp điều khiển trượt bám SMC phương pháp điều khiển đơn giản hiệu quả, điều khiển quỹ đạo hệ thống dọc theo mặt trượt thiết kế [5], [6] Tín hiệu ngõ điều khiển bám theo tín hiệu ngõ vào mong muốn Vì vậy, SMC giải pháp cho việc điều khiển nghịch lưu chế độ độc lập với nhiều phụ tải phi tuyến Tính ổn định bền vững hệ thống sử dụng tiêu chuẩn Lyapunov Các kết mô cho thấy điều khiển SMC làm giảm thiểu ảnh hưởng sóng hài dịng điện tải phi tuyến gây Đối tượng nghiên cứu hai nghịch lưu giống khác kết nối song song cung cấp cho tải tuyến tính phi tuyến hoạt động micro grid độc lập hình Sơ đồ tương đương pha hai nghịch lưu ba pha kết nối song song biểu diễn hình Hình Mạch điện tương đương hai nghịch lưu song song micro grid độc lập Trang 41 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.19, No.K2 - 2016 Hình Cấu hình micro grid hoạt động độc lập Phương pháp điều khiển = + 2.1 Thiết kế điều khiển Droop control Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển chia cơng suất Droop control trình bày theo [7], [8] sau: = + Công suất chạy đường dây tính: )+ + ( ] (1) − )](2) ; − = (3) Công thức (3) cho thấy tần số phụ thuộc vào cơng suất tác dụng P, điện áp phụ thuộc vào công suất kháng Q Vì điện áp điều khiển Q, tần số điều khiển P Tuyến tính gần cơng thức (3) ta thu cơng thức cho điều khiển Droop P/f Q/V: = = Trang 42 [− − Trong đường dây phân phối X>>R nhỏ Khi cơng thức (1) (2) trở thành: = Hình Sơ đồ phát cơng suất nghịch lưu [ ( − ( − ) (4) − ( − ) (5) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K2- 2016 Hình Sơ đồ khối điều khiển Droop control Trong đó: P0, Q0 cơng suất tác dụng phản kháng định mức nghịch lưu P, Q giá trị công suất tác dụng phản kháng thực tế mà nghịch lưu cung cấp cho tải V0, f0 điện áp định mức tần số định mức nguồn tải V, f điện áp tần số ngõ nghịch lưu Hệ số độ dốc m n chọn theo độ thay điện áp tần số cho phép so với định mức: − = ; = − − − (6) Sơ đồ khối vịng điều khiển cơng suất Droop control bên ngồi vịng điều khiển SMC bên thể hình 2.2 Thiết kế điều khiển trượt SMC ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ̇ ̇ ̇ = = ̇ ̇ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ = = = 1 − − 1 − (7) − + − (8) − − = − − = + − Thiết kế điều khiển trượt hệ tọa độ dq xác định tín hiệu điều khiển dd dq cho tín hiệu điện áp dịng điện ngõ nghịch lưu bám theo tín hiệu mong muốn Định nghĩa biến trạng thái trục d trục q: − − − = = = Từ hình 2, ta có phương trình vi phân: ⎧ ⎪ ⎪ + − = ̇ − = ∗ ∗ ∗ (9) Trong ∗ , ∗ , ∗ tín hiệu tham chiếu dòng điện ngõ nghịch lưu, điện áp tụ, dòng điện qua tải chiếu lên trục d − − − Trong d tín hiệu điều khiển hệ thống = = = Biễu diễn hệ phuương trình (7) hệ tọa độ dq0 ta hệ phương trình (8): Trong ∗ ∗ ∗ (10) ∗ , ∗ , ∗ tín hiệu tham chiếu dịng điện ngõ nghịch lưu, điện áp tụ, dòng điện qua tải chiếu lên trục q Trang 43 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.19, No.K2 - 2016 Từ hệ phương trình trạng thái (9) (10) ta chọn mặt trượt cho trục d trục q: ∗ = a1dx1d + a2dx2d + a3dx3d = a1d( )+ a2d( ̇ − ̇ ∗ )+ a3d( − ∗ ) a2q( ̇ = a1qx1q + a2qx2q + a3qx3q = a1q( ∗ − ̇ )+ a3q( − ∗ ) − − ∗ )+ Trong a1d, a2d, a3d, a1q, a2q, a3q hệ số dương Luật điều khiển dd dq điều khiển hệ thống cho t tiến vơ biến trạng thái x1d, x2d, x3d, x1q, x2q, x3q tiến đến zero, phương trình Sd=0 Sq=0 xác định mặt trượt Sd Sq cần thiết kế Vấn đề đặt xác định luật điều khiển dd dq để đưa quỹ đạo pha hệ thống mặt trượt Sd=0, Sq=0 trì mặt trượt cách bền vững với thay đổi đột ngột thông số hệ thống Biểu diễn hệ phương trình (9) dạng phương trình khơng gian trạng thái hệ thống trục d: ̇ = + Trong đó: ⎡0 − ⎢ = ⎢ ⎢ ⎣0 , 0 = 0 , 0 0 = ̇ = = [ ̇ + ∗ − = 0⎤ ⎥ − ⎥ ⎥ 0⎦ , − ̇∗ + + ̇ ̇ ] (11) Vậy để hệ thống ổn định tiệm cận Sd = quỹ đạo pha hệ thống bắt buộc phải di chuyển mặt trượt Sd=0, để làm điều ̇ = nghĩa quỹ đạo pha nằm mặt trượt Vì ta chọn: ̇ = − = 0 Trang 44 0 , 0 = , − ) (12) ( Trong k1d k2d hệ số dương Lúc quỹ đạo pha hệ thống đưa mặt trượt Sd=0 giữ ổn định Từ (11) (12), ta có luật điều khiển cho trục d: + − + ∗ − − + − − ( ) − + ∗̇ ̇ − (13) Biểu diễn hệ phương trình (10) dạng phương trình khơng gian trạng thái hệ thống trục q: + + Trong đó: = 0 Ta thấy Vd(Sd) xác định dương phải có ̇ < Khi Sd > nghĩa quỹ đạo pha khỏi mặt trượt tín hiệu điều khiển dd phải điều khiển cho ̇ < để quỹ đạo pha trở mặt trượt Khi Sd để quỹ đạo pha trở mặt trượt Khi Sd =0 ̇ = ̇ = hàm Lyapunov: = + = theo nguyên lý ổn định Lyapunov, ta chọn = , − ∗ ⎡0 − ⎢ = ⎢ ⎢ ⎣0 − ∗̇ − − − ⎤ ⎥ − ⎥ ⎥ ⎦ TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K2- 2016 ̇ = ̇ + ̇ ̇ + = [ Tương tự trên, ta chọn: ̇ = − − ] ̇ (14) (15) Từ (14) (15), ta có luật điều khiển cho trục q: = + + + − + ∗ − + − + − ∗̇ ̇ + (16) Khi quỹ đạo pha hệ thống xuất phát từ điểm đến chạm vào mặt trượt tín hiệu điều khiển dd dq phải thay đổi đột ngột để đưa quỹ đạo pha hệ thống mặt trượt Sd=0 Sq=0 nên xảy tượng chattering, tượng gây phát nóng thiết bị Để loại trừ tượng ta thay hàm sign luật điều khiển hàm sat để tín hiệu dd dq khơng thay đổi đột ngột Sơ đồ điều khiển sliding mode hệ thống hệ tọa độ dq thể hình Trong sơ đồ điều khiển hình 5, điện áp tham chiếu ∗ = ∗ = điện áp tham chiếu lấy từ ngõ điều khiển Droop control Khi dịng điện tham chiếu ngõ nghịch lưu và dòng tham chiếu cung cấp cho tải nghịch lưu tính theo biểu thức: ⎧ ∗̇ ⎪ ⎪ ∗ ̇ ⎨ ∗ ⎪ ⎪ ⎩ ∗ = = = = ∗ ∗ − − 1 ̇∗ + ̇∗ + ∗ ∗ + ∗ − ∗ − + ∗ ∗ (17) Hình Sơ đồ khối điều khiển SMC hệ tọa độ dq0 Trang 45 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.19, No.K2 - 2016 2.3 Mơ hình hóa nghịch lưu tải Bộ nghịch lưu lọc kết nối với tải RC song song mơ hình hóa hình Hình Mơ hình hóa nghịch lưu tải hệ tọa độ dq0 Bảng Các thông số mô cho điều khiển Droop control, SMC nghịch lưu Thông số Giá trị Đơn vị Điện cảm L1 1.2 mH Tần số định mức f0 50 HZ Điện cảm L2 0.4 mH Hệ số trượt m 3.125e-5 rad/J Điện dung C 50 µF Hệ số trượt n 5.73e-3 V/Var Điện trở tải định mức RL Ω k1d k1q 2.0883 10 Điện dung tải định mức CL 31.5 µF k2d k2q 4.1667 10 Công suất định mức ngõ P0 14 kW , 310 V Điện áp tải tham chiếu Trang 46 ∗ Thơng số , Giá trị 1 Đơn vị TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K2- 2016 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Sử dụng công cụ Matlab/Simulink mô cho hai nghịch lưu hoạt động song song microgrid độc lập hình theo thơng số cho bảng Ta có kết đặc tuyến dịng, áp, cơng suất sau: VL(V) 600 400 200 -200 -400 -600 0.01 0.02 0.03 0.04 (a) 0.05 0.06 t(s) 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình Phân tích phổ điện áp đặt lên tải dòng điện qua tải IL(A) 100 50 -50 -100 0.01 0.02 0.03 (b) 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình (a) Dạng sóng điện áp đặt lên tải, (b) Dạng sóng dịng điện qua tải Hình cho thấy biên độ điện áp tải VL = 309.7V, sai lệch so với giá trị tham chiếu (310V) Dòng điện qua tải có biên độ 34.58A Các đặc tuyến ổn định vào thời điểm t =0.005s, khoảng thời gian 0