Bài viết này trình bày việc ứng dụng luật điều khiển Dead-Beat cho bộ điều khiển dòng điện của chỉnh lưu tích cực trên cơ sở bộ nghịch lưu cầu H nối tầng với phía một chiều cách ly, nhằm nâng cao tính động học cho hệ thống và thuận lợi hơn trong việc triển khai thuật toán điều khiển bằng vi điều hay DSP.
Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU TÍCH CỰC TRÊN CƠ SỞ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC NỐI TẦNG CẦU CHỮ H Bùi Văn Huy*, Phạm Văn Minh, Quách Đức Cường Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội TĨM TẮT Hệ thống chỉnh lưu tích cực ngày ứng dụng rộng rãi mạng điện có tham nguồn lượng tái tạo Cấu trúc hệ chỉnh lưu tích cực xây dựng sở nghịch lưu nguồn áp Trong hệ thống công suất lớn điện áp cao, nghịch lưu nguồn áp truyền thống thường thay nghịch lưu đa bậc nguồn áp nhằm nâng cao chất lượng hệ thống Bài báo trình bày việc ứng dụng luật điều khiển Dead- Beat cho điều khiển dòng điện chỉnh lưu tích cực sở nghịch lưu cầu H nối tầng với phía chiều cách ly, nhằm nâng cao tính động học cho hệ thống thuận lợi việc triển khai thuật toán điều khiển vi điều hay DSP Kết mô Matlab/Simulink cho thấy cấu trúc điều khiển thỏa mãn yêu cầu đặt với hệ chỉnh lưu tích cực, cho đáp ứng động học hệ thống nhanh Từ khóa: Chỉnh lưu tích cực, Dead-Beat, Năng lượng tái tạo; nghịch lưu đa bậc, Matlab-Simulink MỞ ĐẦU * Chỉnh lưu tích cực biến đổi AC-DC (chuyển đổi xoay chiều sang chiều), xây dựng sở nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Inverter – VSI), nối với lưới thơng qua cuộn cảm L, nhờ đảm bảo dòng đầu vào hình sin hệ số cơng suất điều chỉnh đến một, có khả trao đổi công suất hai chiều lưới AC phía tải DC [1] Trong ứng dụng cơng suất lớn, điện áp cao, VSI thông thường thay nghịch lưu đa bậc Điều làm cho hệ thống phân nhỏ bước nhảy điện áp phía xoay chiều, nhờ giảm tốc độ tăng điện áp dU/dt tải, van bán dẫn phải đóng cắt mức điện áp thấp, tần số đóng cắt tế bào mạch lực thấp đảm bảo tần số điện áp trình điều chế cao Kết hệ thống xây dựng nghịch lưu đa bậc giảm đáng kể tổn thất q trình đóng cắt van, đảm bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài điện áp Cấu trúc hệ thống chỉnh lưu tích cực pha bậc nối tầng cho hình 1, phía DC đóng vai trò phụ tải Nếu tụ điện DC phụ * Tel: 0977 642225, Email: buivanhuy@haui.edu.vn tải phía DC hi vọng điện áp khâu DC Nếu điện áp khâu DC không cân chất lượng sóng hài dòng xoay chiều giảm Để giải vấn đề tài liệu [1] đề xuất thuật toán cân điện áp tụ, báo không đề cập vấn đề Điểm đóng góp báo đề xuất việc thiết kế điều khiển Dead –beat cho mạch vòng dòng điện nhằm mục đích nâng cao tính động học hệ thống chưa sử dụng đến thuật toán cân điện áp tụ đề cập Kết mô cho thấy chất lượng động học hệ thống tốt so với việc sử dụng điều khiển PI NỘI DUNG CHÍNH Thiết kế điều khiển Deadbeat cho hệ chỉnh lưu tích cực pha sở nghịch lưu đa bậc nối tầng Thuật toán điều khiển dead - beat phương pháp điều khiển kỹ thuật số đề cập nhiều tài liệu [2,3,4,5] Khi áp dụng phương pháp hệ thống điện tử cơng suất, phương pháp dự đốn độ rộng xung đưa tới van chu kỳ dựa mơ hình hệ thống phản hồi thông số cần điều khiển đo chu kỳ Theo [3] khâu Dead-beat (DB) cho phép thực 205 Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ q trình q độ khoảng thời gian hữu hạn định trước làm triệt tiêu sai lệch điều chỉnh sau lượng hữu hạn chu kỳ trích mẫu Ta thiết kế khâu Dead-beat theo đặc tính chủ đạo hay đặc tính nhiễu Nguyên lý điều chỉnh dead-beat thực hệ thống điều khiển số 185(09): 205 - 211 lưu tích cực pha sở nghịch lưu đa bậc nối tầng Chỉnh lưu tích cực cầu H nối tầng hình có sơ đồ tương đương hình L R R,L iL S3 S1 Uconv Us C S2 S4 S1 S3 Hình Sơ đồ tương đương mạch pha Từ hình ta có phương trình (1) diL R iL uconv us dt L L C S2 S4 S1 S3 S2 (1) Bỏ qua điện trở cuộn cảm rời rạc hóa cơng thức (1) với T chu kỳ trích mẫu ta thực phép xấp xỉ (2) C S4 Hình Chỉnh lưu tích cực cầu H nối tầng Phần tiếp sau báo xây dựng mơ hình tốn học cho biến đổi Thiết kế điều khiển Deadbeat cho hệ chỉnh iL (k 1) iL (k ) Uconv Us ib diL iL ( k 1) iL ( k ) / T dt i ( k 1) i ( k ) T u u ( k ) L L conv s L (2) Khi ta có cơng thức tính giá trị đặt cho điện áp đầu vào biến đổi (3) T L T uconv (k ) us (k ) uconv (k ) ( us (k ) iL (k ) iL (k 1)) L T L (3) Từ (3) ta xây dựng sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện hình với Ri điều khiển dòng điện u s (k 1) u s (k ) T L T L + iL* (k ) x(k ) Ri - y (k ) L T u conv (k 1) z 1 I uconv (k ) T L + - iL (k ) z 1 I Hình Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện Phương trình đầu điều khiển dòng cho (4) * y(k ) Ri i L (k ) i L (k ) 206 (4) Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 Mục tiêu đặt thiết kế điều chỉnh dòng có động học cao cho giá trị thực đuổi kịp giá trị đặt hai chu kỳ trích mẫu thỏa mãn biểu thức (5) iL ( z) z 2 i L ( z) * (5) Thay (5) vào (4) ta có (6) * y( z ) Ri i L ( z ) i L ( z ) Ri ( z 1)i L ( z ) (6) Mặt khác nhìn vào cấu trúc điều khiển xây dựng hình ta có (7) uconv ( k 1) L T T T y ( k ) us ( k 1) y ( k ) uconv ( k 1) us ( k 1) T L L L T z uconv ( z ) us ( z ) L (7) Kết hợp (7) với (3) ta có (8) y( z) T T T L T z uconv ( z ) u s ( z ) z ( u s ( z ) iL ( z ) ziL ( z )) u s ( z ) L L L T L z ( z 1)iL ( z ) (8) Thay (8) vào (6) ta có (9) z z z 1 Ri z 1 z 2 (9) Từ phương trình (9) ta có giá trị y(k) (10) Ri z 1 y( z ) y(k ) x(k ) x(k 1) y(k 2) z 2 x( z ) (10) Sau thiết kế xong điều khiển dòng điện, ta có cấu trúc điều khiển mạch vòng cho hệ thống hình Vòng điều khiển bên ngồi vòng điều khiển điện áp tổng hợp theo thuật toán PI quen thuộc sử dụng [1], vòng điều khiển dòng điện Ri tổng hợp theo phương pháp dead-beat Bộ PWM đóng vai trò phát xung điều khiển vào van cầu H (HB1,2,3) S3 S1 L iL C S2 S4 S1 S3 R Udc,3 R Udc,2 R Udc,1 C us S2 S4 S1 S3 C S2 us/Usm Udref S4 iL G_HB1 PI X Ri PWM G_HB2 G_HB3 Ud,av=(Udc1+Udc2+Udc3)/3 Hình Cấu trúc điều khiển hệ thống chỉnh lưu tích cực 207 Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 Xây dựng sơ đồ mô Trên sở thiết kế điều khiển mục 2.1, ta xây dựng sơ đồ mô cho điều khiển dòng điện hình sơ đồ mơ tồn hệ thống hình Bảng Thông số mô STT Thông số Cuộn cảm L Tụ điện, điện trở phần DC Hệ số Kp điều khiển điện áp Hệ số Ki điều khiển điện áp Hệ số đo dòng Điện áp lưới phía xoay chiều Giá trị đặt điện áp chiều tụ Tham số Kp mạch vòng dòng điện sử dụng PI Tham số Ki mạch vòng dòng điện sử dụng PI Giá trị 4,5 mH Như hình 0,002 0,356 1/150 220V 150V 1.6965 126.8201 Hình Cấu trúc mơ điều khiển dòng điện kiểu deadbeat Hình Sơ đồ mơ tồn hệ thống với điều khiển dòng Dead-bead 208 Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Sau chạy mơ ta có kết mơ dạng điện áp chiều tổng tụ cho hình cho thấy giá trị điện áp chiều tụ bám giá trị đặt thời gian ngắn cỡ 0.03s, nhanh nhiều so với trường hợp sử dụng điều khiển PI hình 11 Hình Kết mô dạng điện áp chiều tổng tụ giá trị đặt theo thuật tốn dead beat Hình Dạng dòng điện bơm vào lưới chỉnh lưu tích cực Hình Kết phân tích sóng hài dòng điện Kết phân tích dạng dòng điện bơm vào lưới phân tích dạng sóng hài dòng điện thời điểm 0,1s 0,2s hình 8, hình cho thấy chất lượng sóng hài tốt, độ méo THD khoảng 5,9% tốt so với kết phân tích sóng hài sử dụng thuật toán PI thể hình 12 Kết mơ hình 10 cho thấy dạng dòng bơm vào lưới điện áp lưới đồng pha Điều chứng tỏ hệ số công suất đạt tới 209 Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 Hình 10 Dạng dòng điện bơm vào lưới dạng điện áp lưới trục tọa độ Hình 11 Kết mơ dạng điện áp chiều tổng tụ giá trị đặt theo thuật tốn PI mạch vòng dòng điện Hình 12 Kết phân tích sóng hài dòng điện sử dụng thuật tốn PI mạch vòng dòng điện KẾT LUẬN Thuật toán điều khiển dead beat ứng dụng cho mạch vòng dòng điện cho chất lượng động học tốt so với điều khiển PI, giá trị tổng điện áp chiều tụ nhanh chóng hội tụ giá trị đạt Kết nghiên cứu hồn tồn mở rộng cho hệ thống phức tạp chẳng hạn hệ thống có nhiều cầu H nối tầng hơn, hệ thống chỉnh lưu tích cực pha LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả cảm ơn hỗ trợ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội mơn Tự 210 động hóa Công Nghiệp ĐH BKHN nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh, Chiến lược cân điện áp khâu DC cho chỉnh lưu tích cực sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H, Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2013 Nguyễn Dỗn Phước, “ Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nxb ĐHBKHN 2016 Nguyễn Phùng Quang, (2011), Điều khiển số(Digital Control Systems), Bài giảng dành cho học viên cao học ĐHBKHN Mengchao Ma, Peng Li, Member, IEEE , Botao Li (2008), Study on Deadbeat Control Strategy for Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Gridconnected Distributed Generation System, DRPT2008 6-9 April 2008 Nanjing China Nguyễn Phùng Quang (2016), Điều chế vector 185(09): 205 - 211 truyền động điện xoay chiều pha, Nxb ĐH Bách Khoa HN, trang 149-155 ABSTRACT DYNAMIC IMPROVEMENT OF CASCADED H-BRIDGE ACTIVE RECTIFIERS USING DEAD-BEAT TYPE CONTROLLER Bui Van Huy*, Pham Van Minh, Quach Duc Cuong Hanoi University of Industry Active rectifier systems (ARS) are widely used in power networks with renewable energy sources The structure of the active rectifier system is based on a voltage inverter In high-voltage highpower systems, traditional voltage inverters are often replaced by multilevel inverters to improve system quality The paper proposed a deadbeat current controller design for cascaded H-bridge (CHB) active rectifier with isolated DC sources to improve dynamic response of the ARS and to take advantage of implementation algorithms based on microprocessors or Digital Signal Processing (DSP) systems Result, simulated by Matlab/Simulink, shows that this control structure satisfies established demands toward ARS and has fast dynamic response Keywords: Active rectifier, Dead-Beat, Renewable energy sources, Multilevel inverter, MatlabSimulink Ngày nhận bài: 24/8/2018; Ngày phản biện: 29/8/2018; Ngày duyệt đăng: 31/8/2018 * Tel: 0977 642225, Email: buivanhuy@haui.edu.vn 211 ... tính chủ đạo hay đặc tính nhiễu Nguyên lý điều chỉnh dead-beat thực h thống điều khiển số 185(09): 205 - 211 lưu tích cực pha sở nghịch lưu đa bậc nối tầng Chỉnh lưu tích cực cầu H nối tầng h nh... cho h thống phức tạp chẳng h n h thống có nhiều cầu H nối tầng h n, h thống chỉnh lưu tích cực pha LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả cảm ơn h trợ Trường Đại h c Công nghiệp H Nội mơn Tự 210 động h a... động h a Cơng Nghiệp H BKHN nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh, Chiến lược cân điện áp khâu DC cho chỉnh lưu tích cực sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H, H i nghị toàn