Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.Điều khiển dự báo với tập hữu hạn các giá trị đầu vào (FCSMPC) cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng.
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn thầy hướng dẫn nhà khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các số liệu, kết luận án hoàn toàn trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày Người hướng dẫn khoa học tháng năm 2023 Tác giả luận án i Lời cảm ơn Luận án hoàn thành sở kết nghiên cứu Đại học Bách khoa Hà Nội Sau thời gian học tập nghiên cứu, tơi hồn thành luận án hướng dẫn thầy: PGS.TS Trần Trọng Minh PGS.TS Vũ Hoàng Phương, Đại học Bách khoa Hà Nội Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc dẫn tận tình thầy hướng dẫn, người chia sẻ, quan tâm công việc lẫn đời sống, tạo điều kiện giúp đỡ để tơi hồn thiện luận án Tôi trân trọng cảm ơn thầy cô thuộc nhóm chun mơn Điện tử cơng suất Truyền động điện, thầy phịng C9-102 cho tơi mơi trường làm việc học tập đầm ấm, chuyên nghiệp, động với góp ý chân thành, sâu sắc TS Dương Minh Đức, TS Nguyễn Duy Đỉnh, TS Nguyễn Anh Tân người giúp nhiều việc củng cố thêm kiến thức chuyên môn hồn thiện luận án Tơi 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 tạo điều kiện thuận lợi nhiều mặt công việc học tập Tôi chân thành cảm ơn anh chị em Nghiên cứu sinh khoa Tự động hóa, Viện kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, người đồng hành, động viên, giúp đỡ hỗ trợ Tôi nhớ đến nhóm sinh viên K61, K62, K63 thuộc PE-Lab học tập nghiên cứu phòng C9-203 với hai em Nguyễn Mạnh Tuấn Đinh Huy Hùng (K61) thuộc APES-Lab Họ người đồng hành, động viên, hỗ trợ nhiều việc nghiên cứu, triển khai thực nghiệm Sự quan tâm, giúp đỡ, động viên tạo điều kiện Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí đồng nghiệp môn Điện kỹ thuật, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội nguồn động lực lớn giúp vững bước chặng đường học tập nghiên cứu Sau cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thành viên gia đình tơi, người bạn thân thiết quan tâm, động viên giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án Hà Nội, tháng 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 XIII CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Khái quát vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng (CHB) 1.1.2 Các phương pháp điều khiển cho NLĐM cấu trúc CHB 1.1.3 Điều khiển dự báo dựa mơ hình MPC 1.1.4 Lý MPC đặc biệt phù hợp với NLĐM cấu trúc CHB hệ truyền động IM……………… 10 1.1.5 Nguyên lý thực FCS-MPC 11 1.2 Vấn đề FCS-MPC 12 1.2.1 Sai lệch tĩnh 13 1.2.2 Multistep MPC 13 1.3 Ứng dụng mạng nơ-ron để xây dựng điều khiển ANN-MPC nhằm thực nghiệm thuật toán multistep MPC .16 Kết luận chương .17 CHƯƠNG FCS-MPC VỚI MỤC ĐÍCH TRIỆT TIÊU SAI LỆCH TĨNH CHO NLĐM CẤU TRÚC CHB NỐI TẢI ĐỘNG CƠ IM 19 2.1 Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC 19 2.2 Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC kết hợp khâu tích phân 21 2.3 Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC cho mạch nghịch lưu đa mức CHB ứng dụng động IM 23 iii 2.3.1 Cấu trúc điều khiển dự báo FCS-MPC thông thường cho mạch nghịch lưu đa mức CHB nối tải động IM 23 2.3.2 Nguyên lý hoạt động NLĐM cấu trúc CHB 24 2.3.3 Mơ hình trạng thái động không đồng (IM) 27 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 IM 31 2.4 Kết mô kiểm chứng 35 2.4.1 Kiểm tra đáp ứng dòng điện 36 2.4.2 Kiểm tra đáp ứng CMV tối ưu đóng cắt 40 2.4.3 Kiểm tra đáp ứng trạng thái độ hệ thống .41 CHƯƠNG THUẬT TOÁN MULTISTEP MPC CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẤU TRÚC CHB NỐI TẢI ĐỘNG CƠ IM 46 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống NLĐM cấu trúc CHB nối tải động IM, sử dụng thuật toán Multistep MPC 46 3.2 Thiết kế điều khiển dòng điện với phương pháp điều khiển multistep MPC……… 47 3.2.1 Mơ hình hệ thống 47 3.2.2 Mơ hình dự báo 48 3.2.3 Hàm mục tiêu .49 3.2.4 Thuật toán giải mã mặt cầu SDA 50 3.3 Nâng cao tốc độ tính tốn Multistep MPC với phương pháp K-best SDA cho NLĐM cấu trúc CHB nối tải động IM 55 3.3.1 Cấu trúc điều khiển 55 3.3.2 Thuật toán giải mã mặt cầu K-best SDA .56 3.3.3 Mô kiểm chứng phần mềm Matlab/Simulink 61 CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ…… 72 4.1 Thực nghiệm kiểm chứng thuật toán multistep MPC với phương pháp K-best SDA cho biến tần đa mức cấu trúc CHB .72 4.1.1 Điều kiện thực nghiệm 72 4.1.2 Triển khai vi điều khiển FPGA 75 4.1.3 Kết thực nghiệm 77 4.2 Thực nghiệm kiểm chứng thuật toán Multistep MPC sử dụng ANN, áp dụng cho nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB 80 4.2.1 Phương pháp điều khiển ANN-MPC 80 iv 4.2.2 Cấu trúc mạng nơ-ron ANN 82 4.2.3 Thực phương pháp ANN-MPC 86 4.2.4 Mô kiểm chứng Matlab/Simulink .91 4.2.5 Mơ hình thực nghiệm 94 4.2.6 Kết thu mơ hình thực nghiệm .97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 PHỤ LỤC 111 v Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Từ viết tắt Dạng đầy đủ 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 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor lưỡng cực cổng cách 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 FACTS Flexible AC Transmission System Hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt STATCOM Static Synchronous Compensator Thiết bị bù đồng tĩnh HVDC High Voltage DC Dòng điện chiều điện áp cao DC Direct Current Dòng điện chiều IM Induction Motor Động không đồng ba pha rotor lồng sóc FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thơng AI Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo MPC Model Predictive Control Điều khiển dự báo dựa theo mơ hình vi CCS-MPC Continuous Control Set CCSMPC MPC tập điều khiển liên tục FCS-MPC Finite Control Set MPC MPC tập điều khiển hữu hạn MIMO Multi Input, Multi Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu RHC Receding Horizon Control Điều khiển khoảng dự báo dịch miền thời gian OPP Optimized Pulse Patterns Các mẫu xung tối ưu ESA Exhaustive Search Algorithm Thuật tốn tìm kiếm tồn 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 FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình dạng 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 bảng Bảng 2.1 Bảng thể tối ưu đóng cắt 34 Bảng 2.2 Thông số mạch lực điều khiển .35 Bảng 2.3 Thông số động 36 Bảng 2.4 Kịch mô 36 Bảng 2.5 Thay đổi đồng thời tham số động phạm vi 35% 38 Bảng 2.6 Số lần chuyển mức pha A .40 Bảng 3.1 Q trình thực thuật tốn 60 Bảng 3.2 Thông số động 61 Bảng 3.3 Thông số mạch lực điều khiển .62 Bảng 3.4 Kịch mô 62 Bảng 3.5 So sánh số lượng nút kiểm tra 66 Bảng 4.1 Bảng thông số huấn luyện .88 Bảng 4.2 Kích thước ma trận 89 Bảng 4.3 Trạng thái xung điều khiển van 91 Bảng 4.4 Thông số mô ANN-MPC 91 Bảng 4.5 Bảng định liệu huấn luyện 92 Bảng 4.6 Tài nguyên sử dụng FPGA 97 Bảng 4.7 Thông số thực nghiệm 98 viii Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Các kiểu cấu trúc nghịch lưu đa mức Hình 1.2 NLĐM cấu trúc MMC cấp cho tải động .3 Hình 1.3 NLĐM cấu trúc CHB cấp cho tải động Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển thơng dụng cho NLĐM cấu trúc CHB (nguồn [22]) Hình 1.5 Phân loại Điều khiển dự báo (nguồn [26]) Hình 1.6 Ưu nhược điểm MPC (nguồn [23]) Hình 1.7 Sơ đồ khối điều khiển FCS-MPC Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát phương pháp FCS-MPC 11 Hình 1.9 Nguyên lý điều khiển khoảng dự báo dịch miền thời gian RHC (nguồn [47]) .12 Hình 1.10 ANN với chức khối xấp xỉ 17 Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển thuật tốn FCS-MPC tích hợp khâu tích phân .22 Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển động IM sử dụng phương pháp FCS-MPC .24 Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực NLĐM cấu trúc CHB .25 Hình 2.4 Cấu trúc cầu H bảng phối hợp đóng cắt 25 Hình 2.5 Mặt phẳng vector khơng gian nghịch lưu ba pha 11 mức cấu trúc CHB 27 Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển động IM sử dụng chiến lược điều khiển dự báo dịng điện tích hợp khâu tích phân 31 Hình 2.7 Minh họa điện áp common-mode 32 Hình 2.8 Mơ tả cách thực hàm mục tiêu 35 Hình 2.9 Kết mơ trục d theo phương pháp FCS-MPC thông thường 37 Hình 2.10 Kết mơ trục d theo phương pháp FCS-MPC tích hợp khâu tích phân 37 Hình 2.11 Đáp ứng dịng điện sai lệch dòng điện trục q với điều khiển dự báo thông thường 37 Hình 2.12 Đáp ứng dòng điện sai lệch dòng điện trục q với điều khiển dự báo kết hợp khâu tích phân 38 Hình 2.13 Đáp ứng dịng điện sai lệch dịng điện trục d áp dụng FCSMPC thông thường 38 ix Hình 2.14 Đáp ứng dịng điện sai lệch dòng điện trục d áp dụng FCSMPC kết hợp khâu tích phân 39 Hình 2.15 Các đáp ứng trục q dùng FCS-MPC thông thường 39 Hình 2.16 Các đáp ứng trục q dùng FCS-MPC kết hợp khâu tích phân 39 Hình 2.17 Đáp ứng điện áp common-mode 40 Hình 2.18 Đáp ứng tối ưu đóng cắt 40 Hình 2.19 Kịch 1: tốc độ đặt thay đổi từ đến nref thời điểm 0,5(s) a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, (tải quạt gió) 42 Hình 2.20 Kịch 2: Tốc độ đặt thay đổi từ đến nref thời điểm 0,5(s) a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, (tải không đổi) 43 Hình 2.21 Kịch 3: đảo chiều quay động -nref đến +nref thời điểm 1,2(s) a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, 44 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống CHB-MLI nối tải động IM, sử dụng phương pháp Multistep MPC 47 Hình 3.2 Các bước triển khai thuật toán giải mã mặt cầu SDA 50 Hình 3.3 Minh họa ý nghĩa phép biến đổi 52 Hình 3.4 Minh họa biểu đồ thuật tốn tìm kiếm nhánh ràng buộc .54 Hình 3.5 Sơ đồ thuật tốn tìm kiếm 54 Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển động IM dựa NLĐM cấu trúc CHB, sử dụng phương pháp Multistep MPC với thuật toán K-best SDA .55 Hình 3.7 Tìm kiếm nút dùng SDA a) K-best SDA sơ đồ b) .56 Hình 3.8 Lưu đồ thuật tốn K-best SDA 57 Hình 3.9 Cấu trúc đề xuất thực K-best SDA FPGA 58 Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán xếp Bitonic 59 Hình 3.11 Minh họa thuật tốn Bitonic xếp với mảng phần tử .60 Hình 3.12 Điện áp common-mode thay đổi trọng số 62 Hình 3.13 So sánh THD dòng điện SDA K-best SDA 63 Hình 3.14 So sánh tần số đóng cắt trung bình SDA K-best SDA 63 Hình 3.15 a) Sai lệch dòng điện trục d; b) Sai lệch dịng điện trục q 64 Hình 3.16 Đáp ứng dòng điện với N=2: a) Trên trục d; b) Trên trục q 65 Hình 3.17 Giá trị THD tăng số bước dự báo 65 Hình 3.18 Kịch 1: tốc độ đặt thay đổi từ đến nref thời điểm 0,5(s): a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, (tải quạt gió) 67 Hình 3.19 Kịch 2: tốc độ đặt thay đổi từ đến nref thời điểm 0,5(s): a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, (tải không đổi) 68 x