Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết giới thiệu một cách tiếp cận thiết kế qua điều khiển điện áp bằng phương pháp dự đoán mẫu (MPVC) cho các bộ đổi điện buck-boost DC-DC. Một MPVC đem lại hiệu suất điều khiển thông suốt cho các hệ thống đổi điện DC-DC nhằm giữ cho điện áp mạng điện một chiều ổn định như điện áp và cường độ dòng điện trong giới hạn xác định trước.
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP THƠNG QUA DỰ ĐỐN GIÁ TRỊ MẪU CỦA BỘ ĐỔI ĐIỆN DC-DC TRONG CÁC HỆ THỐNG LƢU ĐIỆN Phan Thanh Minh1, Lê Đình Mạnh1, Trịnh Văn Khích1 Trường Đại học Thơng tin Liên lạc Tóm tắt: Bài báo giới thiệu cách tiếp cận thiết kế qua điều khiển điện áp phương pháp dự đoán mẫu (MPVC) cho đổi điện buck-boost DC-DC Một MPVC đem lại hiệu suất điều khiển thông suốt cho hệ thống đổi điện DC-DC nhằm giữ cho điện áp mạng điện chiều ổn định điện áp cường độ dòng điện giới hạn xác định trước Ngoài ra, hiệu suất MPVC trạng thái độ nâng lên Phương pháp điều khiển đề xuất kiểm chứng thông qua mô mạch phần cứng Từ khóa: điều khiển dự đốn mẫu, đổi điện buck-boost DC-DC, hệ thống lưu điện, HILS Mở đầu Một hệ thống vi mạng điện DC gồm kết hợp nguồn điện phân phối nguồn điện lƣu trữ (ESS) (hình 1), áp dụng vùng nơng thơn, ngành hàng hải khuôn viên trƣờng đại học Trong hệ thống vi mạng điện DC chuyển đổi buck-boost (tăng-giảm) DC-DC đƣợc dùng để chuyển đổi lƣợng ESS mạng điện DC Chức đổi điện buck-boost DC-DC ESS giữ cho điện áp mạng điện DC không đổi trƣờng hợp điện từ nguồn điện phân phối không đủ cho việc tiêu thụ điện tải Việc vận hành chuyển đổi buck-boost DC-DC nhằm đáp ứng yêu cầu mong muốn, phƣơng pháp điều khiển khác đƣợc đề xuất nhƣ PI thông thƣờng [1], độ trễ [2] điều khiển chế độ trƣợt [3] Các phƣơng pháp điều khiển chứng minh khả đáp ứng đầy đủ yêu cầu vận hành chuyển đổi buck-boost DC-DC ESS; nhiên có nhiều thiếu sót liên quan đến điều khiển bao gồm điều chỉnh tham số nhƣ băng thông thấp Để giải vấn đề trên, điều khiển phƣơng pháp dự đoán mẫu (MPC) đƣợc đề xuất nghiên cứu Hình Cấu hình vi mạng điện DC Thay thiết kế mạch độc lập cho biến điều khiển xếp tầng chúng lại với nhau, MPC tận dụng mẫu thời gian rời rạc để dự đoán trạng thái tƣơng lai tất đầu vào điều khiển tạo đầu vào thay có hàm tính phí tối ƣu Trong thuật tốn MPC, hầu hết hệ thống điện cơng suất áp dụng MPC làm mạch điều khiển cƣờng độ dòng điện bên điều khiển PI làm mạch điều khiển điện áp bên Tuy nhiên, khả phản hồi hệ thống bị giới hạn băng thơng thấp mạch điện bên ngồi [4] Trong báo này, MPVC mẫu điều khiển điện áp trực tiếp khơng có mạch điều khiển bên đƣợc đề xuất để giải vấn đề đề 11 cập trên, nhờ điện áp mạng DC đƣợc điều chỉnh tốt, dòng điện điện áp đƣợc giữ giới hạn xác định trƣớc Mô hình điều khiển phƣơng pháp dự đốn mẫu Trong MPC, mơ hình hệ thống đƣợc dùng để dự đoán giá trị tƣơng lai biến [5] Vì vậy, hệ thống cần đƣợc biểu thị dƣới dạng mơ hình khơng gian trạng thái miền thời gian rời rạc lấy từ mẫu thời gian liên tục dựa chu kỳ mẫu khơng đổi Sau đó, hàm tính phí đƣợc xác định từ tham số giá trị dự đoán biến tổ hợp số liên kết đầu vào, đầu chế độ Do đó, hàm tính phí đƣợc dùng để thể trạng thái mong muốn hệ thống Cuối cùng, quy trình tối ƣu hóa đƣợc thực để chọn chế độ chuyển đổi tối ƣu mang lại giá trị tối thiểu hàm tính phí Dựa vào độ dài mặt cắt ngang dự đoán, MPC đƣợc phân loại làm hai loại: mặt cắt ngang dài mặt cắt ngang ngắn MPVC đƣợc nghiên cứu phần sau Xây dựng mơ hình tốn học Trong phần này, để thiết kế điều khiển phƣơng pháp điện áp dự đốn mẫu, trƣớc hết mơ hình chuyển đổi đổi điện buck-boost DC đƣợc lấy miền thời gian liên tục Sau đó, mơ hình thời gian rời rạc đƣợc lấy để dự đoán giá trị biến Bộ đổi điện buck-boost báo đổi điện hai chiều bán cầu DC-DC nhƣ đƣợc minh họa hình Ở phía điện áp thấp đổi điện, nguồn điện áp B thể nguồn pin có trở kháng bên khơng đáng kể Cuộn cảm có điện cảm LB với trở kháng nối tiếp ký sinh RB Phía điện áp cao, tụ lọc điện đƣợc nối song song với mạng điện DC Bộ đổi điện DC-DC đƣợc vận hành dựa chuyển mạch bổ sung S1 3.1 Trạng thái không gian miền thời gian liên tục Các trạng thái chuyển mạch S1 đƣợc sử dụng để định xem đổi điện vận hành chế độ buck hay boost dựa tín hiệu từ điều khiển Ngoài ra, đặc tính chuyển đổi, có chế độ dẫn điện liên tục đƣợc xem xét để tạo hiệu suất phƣơng trình tốn học Trạng thái khơng gian miền thời gian liên tục đổi điện đƣợc biểu thị nhƣ [6] x(t ) = A1 x(t ) + Bu(t ) x(t ) = A2 x(t ) + Bu(t ) (S1 = 1) (1) (S1 = 0) (2) (3) vector Trong đó, điện áp trạng thái bao gồm cƣờng độ dòng pin, đầu tụ điện vdc Vector đầu vào gồm điện áp pin cƣờng độ dòng pin đổi điện Đầu hệ thống điện áp liên kết DC, y(t ) = vdc (t ) Các ma trận hệ thống đƣợc cho bởi: 3.2 Trạng thái không gian miền thời gian rời rạc Bằng cách áp dụng công thức Euler, mẫu trạng thái không gian miền thời gian rời rạc đổi điện đƣợc lấy từ mẫu thời gian liên tục nhƣ sau: x(kTs + Ts ) = F1 x(kTs ) + G1u(kTs ) x(kTs + Ts ) = F x(kTs ) + G2u(kTs ) (S1 = 1) (4) ( S1 = 0) (5) (6) Trong khoảng thời gian lấy mẫu ma trận hệ thống đƣợc tách bởi: 1F1 = Hình Các đổi điện buck-boost DC-DC RBTS TS RT LB LB 1- B S LB , F2 = , G1 = G = T - S 1 Cf - TS LB 0 TS Cf , H= Đề xuất mơ hình điều khiển điện áp thơng qua dự đốn giá trị mẫu 4.1 Phân tích trạng thái pha khơng tối thiểu Bộ đổi điện buck-boost DC-DC hình đƣợc sử dụng cho việc chuyển đổi điện đƣa 12 vào mạng điện DC Điện trở R đƣợc xem nhƣ Bộ đổi tải kết nối song song với tụ điện đầu điện đƣợc mơ hình hóa dựa phƣơng pháp mơ hình trung bình tín hiệu lớn nhƣ đƣợc thể (7) iB = (vB - vdc - RB iB ) LB v vdc = ( iB - dc - iS ) Cf R Trong (7) vdc R đến điện áp vdc (đầu ra) vdc ( s ) - Ts (9) =K 2 T1 s + T1s + (s) Trong K hệ số khuếch đại hàm chuyển đổi, T số thời gian mặt phẳng nửa bên hệ số tắt phải, T1 số thời gian thứ dần Trong công thức (9), tham số đƣợc cho v - vdce - RB iB ) e dc v ( eiB - iBe - dc - iS ) vdc = Cf R K =- chuyển đổi đổi điện H v ( s) từ điều khiển H v (s) = tốc độ chu kỳ iS = icon - (vB LB Bằng việc đặt vB iS hàm đầu vào (tốc độ chu kỳ) đƣợc thể nhƣ Tính tuyến tính mẫu trung bình tín hiệu lớn cho kết mẫu tín hiệu nhỏ nhƣ sau: iB = Trong phần số dƣới “e” biểu thị biến trạng thái ổn định đổi điện ký hiệu “~” biểu thị biến số tín hiệu nhỏ R( e vdce - iBe RB ) ,T= e R + RB (8) iBe LB ,T= e vdce - iBe RB Tại điểm trạng thái ổn định, e vdce - iBe RB giá trị dƣơng làm cho T dƣơng Từ phần tử (1-TS) nửa mặt phải Kết thể trạng thái pha không tối ƣu đổi điện kết hợp với bƣớc đầu vào Đồng nghĩa với đầu bƣớc đầu tiến theo chiều dƣơng tới C f R.LB e R + RB and = C f R.RB + LB C f R.LB e2 R + RB giá trị cuối liên quan đến bƣớc đầu vào Để giải vấn đề này, MPVC với mặt cắt ngang dài đƣợc ý đến, N1Ts, đƣợc áp dụng để dự đoán giá trị sau đầu lựa chọn trạng thái chuyển mạch phù hợp để đảm bảo độ ổn định hệ thống Hình Các mặt cắt ngang dự đốn (a) khơng có khóa di chuyển, (b) có khóa di chuyển 4.2 Kỹ thuật lấy mẫu Việc dự đoán cho khoảng cách dài N1Ts chiếm nhiều thời gian tính tốn Ví dụ, hình 3(a) khoảng dự đốn bƣớc (N1Ts = 9Ts), số lƣợng chuỗi chuyển mạch nhƣ u = [u(k+1),…,u(k+N1)], đƣợc kiểm tra điều khiển 29 = 512 Để giảm bớt gánh nặng này, trƣớc có số chiến lƣợc bao gồm kỹ thuật khóa di chuyển nhƣ minh họa hình 3(b) Thay sử dụng khoảng lấy mẫu Ts, kỹ thuật khóa dịch chuyển sử dụng mTs nhƣ khoảng lấy mẫu cho việc dự đoán điều khiển Lấy ví dụ, m=3 điều khiển dự đoán chu kỳ 3Ts Sau đó, để đạt đƣợc khoảng dự đốn dài giống nhƣ (9Ts) số bƣớc khóa dịch chuyển (N2=3) Điều có nghĩa N2.mTs = N1Ts (3x3Ts=9Ts) khơng có kỹ thuật khóa dịch chuyển số chuỗi chuyển mạch u = [u(k+1),…,u(k+N2)] 23 = Do đó, thời gian tính tốn giảm xuống đáng kể 13 4.3 Xác định hàm tổn hao Dựa yêu cầu pin mạng điện DC, đổi điện phải trì điện áp mạng điện DC tốt nhƣ điện áp dòng điện giới hạn đƣợc xác định trƣớc Do đó, hai hàm tính phí đƣợc giới thiệu cho điện áp mạng điện DC tình trạng pin [8] Nếu điện áp mạng điện DC cao giá trị tham chiếu hàm tính phí cơng thức (10) đƣợc chọn để sạc pin dựa vào trạng thái sạc (SOC): J= k + N -1 j =k * f iCC / CV - iB ( j + 1) - Tạo chuỗi khả thi trạng thái chuyển mạch cho bƣớc dự đốn N2 Tính tốn hàm tính phí J chuỗi trạng thái chuyển mạch Chọn chuỗi tối ƣu trạng thái chuyển mạch làm tối ƣu hàm tính phí Áp dụng phần tử chuỗi tối ƣu trạng thái chuyển mạch u* - u (0) , u ( j + 1) (10) Nếu điện áp mạng điện DC thấp giá trị tham chiếu pin đƣợc phóng điện để cấp điện áp cho mạng điện DC Trong trƣờng hợp này, hàm tính phí cơng thức (11) đƣợc áp dụng để điều chỉnh điện áp mạng điện DC: J= k + N -1 j =k * g vdc - vdc ( j + 1) - u* - u(0) , u( j + 1) (11) Trong hai hàm tính phí (10) (11) hệ số trọng số đƣợc sử dụng để điều chỉnh tần số chuyển đổi đổi điện Tiếp theo, quy trình tối ƣu hóa đƣợc thực bƣớc thời gian thứ k để tối thiểu hàm tính phí dựa chuỗi chuyển mạch, u = [u(k+1),…, u(k+N2)] Hàm tính phí tối thiểu J tạo chuỗi chuyển mạch tối ƣu hóa u* phần tử u*(k+1) đƣợc áp dụng để cấp nguồn chuyển mạch S1 4.4 Thuật tốn MPVC Hình Lƣu đồ thuật tốn MPVC Kết mô thực nghiệm 5.1 Mơ hình tham số Trong phần này, thuật toán đề xuất đƣợc kiểm chứng việc sử dụng mô PSIM HIL Trong mô HIL, thiết lập hãng National Instrument điều khiển HIL PXIe 1078 DSP-FPGA đƣợc xây dựng nhƣ hình Hình Mơ phần cứng mạch Hình Sơ đồ khối điều khiển MPVC Hình mơ tả sơ đồ khối mơ hình MPVC hình cho thấy lƣu đồ thuật tốn MPVC Có bƣớc nhƣ sau: Đo giá trị vB , iB , vdc icon 14 Các tham số hệ thống mạng điện DC điều khiển đƣợc liệt kê bảng bảng So sánh điều khiển MPVC PI xếp tầng thơng thƣờng đƣợc trình bày dƣới Bảng Các tham số hệ thống Bộ chuyển đổi DCDC RB Bảng Các tham số điều khiển mô HIL Pin Dung lƣợng LB mH vB Cf 1500 F Điện áp danh định 10,8 Ah 192~251 V 222 V 5.2 Kết mơ sử dụng phần mềm PSIM Hình Cƣờng độ dòng pin điện áp mạng điện (a) Bộ điều khiển PI, (b) Bộ điều khiển MPVC Hình cho thấy phản hồi từ điều khiển MPVC PI xếp tầng thông thƣờng tải thay đổi bƣớc từ kW đến kW trở kW thời điểm lần lƣợt t = 0,2s t = 0,28s Thứ nhất, pin đƣợc sạc từ mạng điện DC dịng điện pin có giá trị dƣơng Khi tải đƣợc áp dụng thời điểm t = 0,2s, chế độ điều khiển bị thay đổi đến pin phóng điện để điều chỉnh * Cho thấy MPVC đem điện áp mạng điện DC vdc lại điện áp thấp dƣới mức chuẩn nhƣ thời gian ổn định ngắn so với phƣơng pháp điều khiển thông thƣờng Thứ hai, tải thay đổi từ kW đến kW pin đƣợc nạp nguồn lƣợng từ mạng điện DC Tại thời điểm t = 0,28s qua mơ hình đề xuất cho thấy trình chuyển đổi chế độ điều khiển từ phóng sang nạp điện nhanh việc tải thấp so với điều khiển PI Kết luận Nghiên cứu tập trung vào việc điều khiển điện áp phƣơng pháp dự đoán mẫu đổi điện buck-boost DC-DC cho ứng dụng ESS để điều chỉnh trực tiếp điện áp đầu mạch điện điều khiển dịng bên Điều cho phép phản hồi nhanh trình chuyển đổi chế MPVC 380 V Ts 25 s N2 M 0,1 0,1 Bộ điều khiển PI 380 V Ts 100 s Kp_cc 0,05 Ki_cc 0,2 Kp_vc 0,75 Ki_vc 120 5.3 Thực nghiệ m theo kỹ thuật HIL Đ ể kiểm tra tính hợp lệ phƣơng pháp đề xuất, thuật toán điều khiển đƣợc thực bảng mạch DSP-FPGA hệ thống mạng điện DC đƣợc thiết lập HIL Mơ hình tổng thể bao gồm đổi điện buck-boost DC-DC, pin chỉnh lƣu điốt pha Bƣớc thời gian mô HIL s Hình minh họa kết mô HIL điều khiển MPVC PI xếp tầng với bƣớc thay đổi tải thời điểm t1 t2 Hình 8(a) cho thấy kết điều khiển PI, mức dƣới chuẩn tải mạng điện DC lần lƣợt 12V 14V Tuy nhiên, mức dƣới chuẩn tải MPVC tƣơng ứng lần lƣợt 10V 7V nhƣ hình 8(b) Điều cho thấy MPVC cung cấp hiệu suất tốt suốt q trình chuyển đổi chế độ phóng nạp điện với mức điện áp dƣới chuẩn tải Cũng mà độ gợn dịng phƣơng pháp điều khiển đề xuất đƣợc giữ mức thấp nhƣ phƣơng pháp điều khiển thơng thƣờng Hình Dòng điện điện áp mạng điện DC (a) Bộ điều khiển PI, (b) Bộ điều khiển MPVC độ điều khiển vận hành từ nạp điện sang phóng điện Cũng mà MPVC đạt đƣợc dƣới mức chuẩn tải thấp điện áp mạng điện DC so với phƣơng pháp điều khiển thơng thƣờng Ngồi ra, kết mô HIL kiểm chứng đƣợc hiệu phƣơng pháp điều khiển đề xuất 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO M Kwon, J Park, and S Choi, “A seamless transfer method of bidirectional DC -DC converter for ESS in DC micro-grids,” The Trans of the Korean Institute of Power Electron., vol 19, no 2, p p 194–200, 2014 R Dhaouadi, Y Hori, and H Xiaoliang, “Robust control of an ultracapacitor -based hybrid energy storage system for electric vehicles,” 2014 IEEE 13th Int Work Adv Motion Control, 2014, pp 161– 166 W Na, P Chen, and H Lee, “Multi-phase sliding mode control power converter for electrical vehicle applications,” in proc of ICPE 2015-ECCE Asia, 2015, pp 1650–1654 P Karamanakos, S Member, T Geyer, and S Member, “Direct voltage control of DC – DC boost converters using enumeration-based model predictive control,” IEEE Trans Power Electron., vol 29, no 2, pp 968–978, 2014 J Rodriguez and P Cortés, Predictive Control of Power Converters and Electrical Drives, 1st ed Chichester, U.K.: IEEE Wiley Press, Mar 2012 S Bacha, I Munteanu, and A I Bratcu, Power Electronic Converters Modeling and Control: With Case Studies New York, NY, USA: Springer, 2014 R Cagienard, P Grieder, E C Kerrigan, and M.Morari, “Move blocking strategies in receding horizon control,” J Process Control, vol 17, no 6, pp 563–570, 2007 D D Le and D.-C Lee, “Model predictive voltage control for seamless transfer of DC -DC converters in ESS applications,” in proc of KIPE Conf., 2017, pp 369–370 MODEL PREDICTIVE VOLTAGE CONTROL OF DC-DC CONVERTERS FOR BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEMS Phan Thanh Minh1, Le Đinh Manh1, Tran Van Khich1 Telecommunications University Abstract: This paper presents a design approach of a model predictive voltage control (MPVC) for bidirectional DC-DC buck-boost converters The MPVC gives a fast seamless control performance for battery DC-DC converter systems to maintain the DC grid voltage as well as the battery voltage and current within the predefined limits In addition, the performance of the MPVC in transient states is also improved The proposed control method has been verified by a hardware-in-the-loop (HIL) simulation HILS 16 Keywords: Model predictive control, DC-DC buck-boost converters, battery energy storage system, ... nhờ điện áp mạng DC đƣợc điều chỉnh tốt, dòng điện điện áp đƣợc giữ giới hạn xác định trƣớc Mơ hình điều khiển phƣơng pháp dự đoán mẫu Trong MPC, mơ hình hệ thống đƣợc dùng để dự đốn giá trị. .. hình điều khiển điện áp thơng qua dự đốn giá trị mẫu 4.1 Phân tích trạng thái pha không tối thiểu Bộ đổi điện buck-boost DC-DC hình đƣợc sử dụng cho việc chuyển đổi điện đƣa 12 vào mạng điện DC Điện. .. gian rời rạc đƣợc lấy để dự đoán giá trị biến Bộ đổi điện buck-boost báo đổi điện hai chiều bán cầu DC-DC nhƣ đƣợc minh họa hình Ở phía điện áp thấp đổi điện, nguồn điện áp B thể nguồn pin có trở