Thiết kế điều khiển cho hệ UPS có xét đến tính bất định của mô hình và tính phi tuyến của tải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 2019.1 - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thiết kế điều khiển cho hệ UPS có xét đến tính bất định mơ hình tính phi tuyến tải TRẦN TIẾN DŨNG Dungtt.vatm@gmail.com - Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa TRẦN TIẾN DŨNG - Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Thị Thúy Nga Bộ môn: Điều khiển tự động Viện: Điện CA170333 HÀ NỘI - 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thiết kế điều khiển cho hệ UPS có xét đến tính bất định mơ hình tính phi tuyến tải TRẦN TIẾN DŨNG Dungtt.vatm@gmail.com Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Thị Thúy Nga Bộ môn: Điều khiển tự động Viện: Điện HÀ NỘI - 2019 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trần Tiến Dũng Đề tài luận văn: THI T I HI N CHO HỆ P C X T T NH CỦA M H NH V T NH PHI T N T NH N CỦA T I Ngành: ỹ thuật iều khiển Tự động hóa Mã số HV: CA170333 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 30/10/2019 với nội dung sau: - ửa lỗi tả, chỉnh lại định dạng văn theo quy định, điều chỉnh lại kích thước hình vẽ, thay hình vẽ mờ hình rõ nét, thay trang bìa trang phụ bìa theo mẫu phòng tạo ổ sung vào chương nội dung yêu cầu hệ thống P , định nghĩa cơng thức tính THD, nhiệm vụ toán điều khiển nghịch lưu P Việt hóa thuật ngữ tiếng Anh ửa phần hệ số tắt dần, loại bỏ   phần nội dung 2.1.1 hình vẽ 2.2 - Thay công thức 2.18 2.19 ửa phần đề cập đến nhiễu bị chặn công thức 2.30 Thêm phần giải thích Δ cơng thức 2.36 ổ sung thêm trích dẫn tài liệu tham khảo vào phần có nội dung liên quan Xóa chữ “Chương 4” phần kết luận kiến nghị Thêm bảng giải thuật ngữ - - Ngày tháng 11 năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Vũ Thị Thúy Nga Trần Tiến Dũng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Nguyễn Thu Hà LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc rõ ràng phép công bố TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Tiến Dũng i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn tới TS Vũ Thị Thúy Nga tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, bảo tơi suốt q trình thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất thầy mơn Điều Khiển Tự Động tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập bảo vệ luận văn Vì thời gian lực có hạn, luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận góp ý thầy Ngồi ra, tơi xin cảm ơn gia đình bạn bè tôi, họ người động viên, hỗ trợ, sát cánh bên suốt trình thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn! HỌC VIÊN Trần Tiến Dũng ii BẢNG CHÚ GIẢI CÁC THUẬT NGỮ STT NGHĨA TIẾNG VIỆT THUẬT NGỮ TIẾNG ANH Uninterrupted Power System (UPS) Hệ thống cung cấp nguồn điện khơng gián đoạn hay cịn gọi Bộ lưu điện Standby UPS Bộ lưu điện dạng chờ cấp nguồn cho tải qua nghịch lưu cố nguồn đầu vào Hybrid UPS Bộ lưu điện dùng khóa chuyển mạch biến áp Line Interactive UPS Bộ lưu điện có mạch ổn áp Online UPS Bộ lưu điện dạng cấp nguồn liên tục cho tải thông qua nghịch lưu Diode Điốt bán dẫn Thyristor Chỉnh lưu silic có điều khiển DC Một chiều AC Xoay chiều 10 THD Tổng độ méo dạng sóng hài 11 IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế 12 IEEE Viện kỹ nghệ Điện Điện tử 13 PWM Điều chế độ rộng xung 14 SISO Một vào 15 LMI Bất đẳng thức ma trận tuyến tính iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii BẢNG CHÚ GIẢI CÁC THUẬT NGỮ iii DANH MỤC HÌNH VẼ .vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP NGUỒN ĐIỆN KHÔNG GIÁN ĐOẠN 1.1 Giới thiệu ứng dụng UPS 1.1.1 Standby UPS 1.1.2 Hybrid UPS 1.1.3 Line Interactive UPS 1.1.4 Online UPS 1.2 Nhiệm vụ toán điều khiển nghịch lưu UPS 12 1.2.1 Yêu cầu hệ thống UPS 12 1.2.2 Định nghĩa THD 13 1.2.3 Nhiệm vụ toán điều khiển nghịch lưu UPS 13 1.3 Mơ hình hóa hệ thống UPS 14 1.3.1 Mơ hình hệ thống UPS với tụ lọc đấu hình 14 1.3.2 Mơ hình hệ thống UPS với tụ lọc đấu tam giác 16 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 19 2.1 Một số khái niệm liên quan 20 iv 2.1.1 Hệ số giảm xóc/tắt dần 20 2.1.2 Giới thiệu hàm Lyapunov 23 2.2 Điều khiển trượt với mặt trượt tuyến tính 25 2.2.1 Dạng 27 2.2.2 Thiết kế mặt trượt 27 2.2.3 Thiết kế điều khiển trượt 29 2.3 Điều khiển trượt với mặt trượt phi tuyến 33 2.3.1 Giới thiệu mặt trượt phi tuyến 33 2.3.2 Phân tích thay đổi hệ số tắt dần 36 2.3.3 Chỉnh định tham số mặt trượt dựa thuật toán Linear Matrix Inequality (LMI) 38 2.3.4 Thiết kế điều khiển trượt phi tuyến 41 CHƯƠNG MÔ PHỎNG 43 3.1 Áp dụng phương pháp điều khiển trượt tuyến tính 45 3.2 Áp dụng phương pháp điều khiển trượt phi tuyến 49 3.3 Kết luận mô 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Standby UPS Hình 1.2 Hybrid UPS Hình 1.3 Line Interactive UPS Hình 1.4 Online UPS Hình 1.5 Cấu hình phần tử đơn Hình 1.6 Cấu hình phần tử đơn với chỉnh lưu Hình 1.7 Cấu hình UPS mắc song song 10 Hình 1.8 Cấu hình UPS mắc song song chờ 11 Hình 1.9 Cấu hình nghịch lưu 12 Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống UPS với tụ lọc đấu hình 14 Hình 1.11 Hệ trục tọa độ abc dq0 15 Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống UPS với tụ lọc đấu hình tam giác 16 Hình 2.1 Hệ thống lị xo giảm xóc 21 Hình 2.2 Đáp ứng hệ thống SISO dao động bậc 23 Hình 2.3 Hai giai đoạn quỹ đạo trạng thái 32 Hình 3.1 Mơ hình mơ hệ thống UPS MATLAB/Simulink 44 Hình 3.2 Đáp ứng dịng, áp sử dụng điều khiển trượt tuyến tính trường hợp từ không tải đến đầy tải 46 Hình 3.3 Đáp ứng dòng, áp sử dụng điều khiển trượt tuyến tính trường hợp tải khơng cân 47 Hình 3.4 Đáp ứng dịng, áp sử dụng điều khiển trượt tuyến tính trường hợp tải phi tuyến 48 Hình 3.5 Đáp ứng dịng, áp sử dụng điều khiển trượt phi tuyến trường hợp từ không tải đến đầy tải 50 vi Hình 3.6 Đáp ứng dịng, áp sử dụng điều khiển trượt phi tuyến trường hợp tải không cân 51 Hình 3.7 Đáp ứng dịng, áp sử dụng điều khiển trượt phi tuyến trường hợp tải phi tuyến 52 vii V1   K   Q T sign     T SBd  K   Q T sign     SB d  K    T sign   Với   Q   , ta có điều phải chứng minh 42 (2.77) CHƯƠNG MÔ PHỎNG Xét hệ thống UPS ba pha với tải đấu hình phần 1.2.1 Mơ hình tốn hệ thống biểu diễn thông qua (1.3) Giả sử ta giá trị đặt dòng điện nghịch lưu I id , I iq ký hiệu I idr , I iqr , định nghĩa sau:   I idr  I Ld  k wVLqr    I  I  wV Lq Ldr  iqr k1 (3.1) Ta định nghĩa biến sai lệch sau, x1  VLd  VLdr , x2  VLq  VLqr , x3  Iid  Iidr , x4  I Lq  I Lqr Mơ hình trạng thái hệ sau:  x1  wx2  k1 x3  x   wx  k x 1   x  wI  k V  k V  k V  I iq Ld id iq idr   x   wI  k V  k V  k V  I id Lq id iq iqr  (3.2) Hệ phương trình (3.2) biểu diễn thành: x  Ax  B  u  d  Trong đó, x   x1 x2  w k1 w 0 A  0   0 x3 (3.3) x4  , u  Vid Viq  T T 0 k1  k 0  , B   22  , B2   0  B2   k4  0 43  wI  k V  I  k4  , d  B21  iq Ld idr   k3    wI id  k2VLq  I iqr  Mô thực với thông số hệ thống sau: Trong đó, cơng suất định mức ( Prate ): 450VA, điện áp chiều: 280VA, điện áp đầu định mức ( VL,rms ): 110V, tần số điện áp ( f ): 60Hz, thời gian lấy mẫu: 5kHz, mạch lọc LC: L f  10mH , C f  6 F Điện trở tải RL  80 , tải phi tuyến có thông số: Ldc  5mH , Rdc  200 Dựa thơng số này, ta có phương trình trạng hệ thống sau: x  Ax  B  u  d  Trong đó: 377 166666.7 0      377   1666666.7  0    , B A    83.4 48.11 0     0    48.11 83.4  Hình 3.1 Mơ hình mơ hệ thống UPS MATLAB/Simulink 44 (3.4) 3.1 Áp dụng phương pháp điều khiển trượt tuyến tính Trong phần này, phương pháp điều khiển trượt với mặt trượt tuyến tính áp dụng cho hệ thống UPS Biến trượt chọn theo (2.13), với hệ số tắt dần thời gian xác lập động học trượt   , ts  0.05s , áp dụng phương pháp gán điểm  0.0006 0.0023 cực ta tính S    Bộ điều khiển trượt có cơng thức theo (2.41) với  0.0023 0.0006 K  100 , Q  100 Kết mô thực với ba trường hợp: Trường hợp hệ thống từ trạng thái không tải đến đấu tải, trường hợp hai với tải không cân bằng, trường hợp ba với tải phi tuyến Trường hợp 1: Từ trạng thái không tải đến đấu tải Trong 0.075s đầu tiên, hệ thống hoạt động không tải, đến thời điểm 0.075s ba pha đấu tải, trường hợp tải cân Đáp ứng dịng, áp hệ thống thể hình 3.2 Trường hợp 2: Pha C tải ba pha khơng có tải, tải khơng cân Đáp ứng dịng, áp hệ thống thể hình 3.3 Trường hợp 3: Hệ thống đấu với tải phi tuyến Đáp ứng dòng, áp hệ thống thể hình 3.4 45 Hình 3.2 Đáp ứng dịng, áp sử dụng điều khiển trượt tuyến tính trường hợp từ không tải đến đầy tải 46 Hình 3.3 Đáp ứng dịng, áp sử dụng điều khiển trượt tún tính trường hợp tải khơng cân 47 Hình 3.4 Đáp ứng dịng, áp sử dụng điều khiển trượt tuyến tính trường hợp tải phi tuyến Nhận xét: Ở ba trường hợp mô phỏng, với thay đổi tải, tải phi tuyến, điện áp đầu hệ thống điều khiển ổn định Trong trường hợp hình 3.2, khơng có tải, dịng điện tải I L  0.075s đầu, sau đấu tải, điện áp hệ thống có chút dao động, nhiên nhanh chóng ổn định trở lại, điện áp dịng điện có dạng điều hịa với tỉ lệ THD  2.27 Trong trường hợp hai, với tải bị hở pha C, qua hình 3.3, thấy dịng điện tải khơng cân bằng, nhiên điện áp ổn định, hệ số THD  0.8 Ở trường hợp ba, tải phi tuyến nối vào hệ thống, dịng điện tải khơng sin điện áp đảm bảo dạng sin thấy hình 3.4, nhiên hệ số THD 1.2 48 3.2 Áp dụng phương pháp điều khiển trượt phi tuyến Trong phần này, phương pháp điều khiển trượt với mặt trượt phi tuyến áp dụng cho hệ thống UPS Biến trượt phi tuyến định nghĩa (2.45) Trong giai đoạn đầu, hệ số tắt dần thời gian xác lập mong muốn   0.4 ts  0.1s , dựa  0.0002 0.0028 phương pháp gán điểm cực, ta tính giá trị ma trận F     0.0028 0.0002 1  Với ma trận W    , giải phương trình Lyapunov (2.47), ta thu 0   0.0128 P Biến trượt định nghĩa sau: 0.0128   F1  300e50 y  A12T P     F  300e50 y  AT P  12  2 0  z       z2   (3.5) Bộ điều khiển trượt định nghĩa (2.73) với K  50 , Q  100 Bộ điều khiển kiểm nghiệm ba trường hợp, tương tự phần 3.1 Trường hợp 1: Từ trạng thái không tải đến đấu tải Đáp ứng hệ thống thể hình 3.5 Trường hợp 2: Tải khơng cân Đáp ứng hệ thống biểu diễn hình 3.6 Trường hợp 3: Tải phi tuyến Đáp ứng hệ thống biểu diễn hình 3.7 49 Hình 3.5 Đáp ứng dòng, áp sử dụng điều khiển trượt phi tuyến trường hợp từ không tải đến đầy tải 50 Hình 3.6 Đáp ứng dịng, áp sử dụng điều khiển trượt phi tuyến trường hợp tải khơng cân 51 Hình 3.7 Đáp ứng dòng, áp sử dụng điều khiển trượt phi tuyến trường hợp tải phi tuyến Nhận xét: Trong trường hợp hình 3.5, hệ thống khởi động khơng tải với dịng điện tải IL = Sau đấu tải 0.075s, điện áp hệ thống có dao động nhiên nhanh chóng điều khiển ổn định lại, dịng điện tải có dạng điều hòa, đối xứng với tỉ lệ THD 0.04 Trong trường hợp hai, thấy hình 3.6, dịng điện khơng cân tải bị hụt pha C, nhiên điện áp điều khiển ổn định giá trị đặt, tỉ lệ THD 0.04 Ở trường hợp ba với hình 3.7, tải tải phi tuyến, dịng điện tải không sin điện áp đảm bảo dạng sin với tỉ lệ THD 0.3 52 3.3 Kết luận mô Kết mô cho thấy điều khiển trượt tuyến tính phi tuyến giúp ổn định điện áp cho hệ thống UPS bền vững với thay đổi tải, tải không cân tải phi tuyến Có thể nói hai điều khiển thỏa mãn yêu cầu thiết kế đặt So sánh hai điều khiển, mặt lý thuyết, điều khiển trượt phi tuyến hứa hẹn cho đáp ứng nhanh với độ điều chỉnh nhỏ điều khiển trượt tuyến tính Trong mơ phỏng, hệ số tắt dần hệ kín trường hợp điều khiển tuyến tính thấp, thấy hệ số THD hệ kín cao nhiều so với điều khiển phi tuyến 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong thời gian nghiên cứu thực luận văn, em đạt số kết sau:  Tìm hiểu cấu trúc số cấu hình tiêu biểu hệ thống UPS, xây dựng mơ hình tốn cho hệ thống  Phân tích thiết kế điều khiển trượt tuyến tính truyền thống điều khiển trượt với mặt trượt phi tuyến  Thực mô Matlab/Simulink Bộ điều khiển trượt giới thiệu luận văn đáp ứng yêu cầu thiết kế đặt thiết kế điều khiển đảm bảo cho chất lượng điện áp đầu ổn định, đối xứng mơ hình tồn bất định, tải phi tuyến không đối xứng Tuy nhiên tượng dao động đặc trưng điều khiển trượt chưa khắc phục luận văn Do đó, số phương pháp cải tiến điều khiển trượt tiếp tục nghiên cứu áp dụng để giúp loại bỏ hạn chế tượng 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bijnan B, Fulwani D, Kyung S.K (2009), Sliding Mode Control Using Novel Sliding Surfaces, Springer [2] B M Chen, T H Lee, K Peng, and V.Venkataramanan, “Composite nonlinear feedback control for linear systems with input saturation: theory and applications,” IEEE Trans Automat Control, vol 48, pp 427‒ 439, (2003) [3] Christopher E, Sarah K.S (1998), Sliding Mode Control theory and application, Springer [4] Cortes P, Ortiz G, Yuz I J, Rodriguez J, Vazquez S, Franquelo L G (2009), Model predictive control of an inverter with output LC filter for UPS applications, IEEE Trans Ind Electr 56(6), pp 1875–1883 [5] European Embedded Control Institute (2012), Introduction of Sliding Mode Control [6] Jiang S, Cao D, Li Y., Liu J., Peng F Z (2012), Low-THD, fasttransient, and costeffective synchronous-frame repetitive controller for three-phase UPS inverters, IEEE Trans Power Electr vol 27, pp 2994–3004 [7] Jinkun Liu (2017), Sliding Mode Control Using MATLAB [8] Kim D E., Lee D C (2010), “Feedback linearization control of threephase UPS inverter systems,” IEEE Trans Ind Electr vol 57, pp 963–968 [9] Kojima M, Hirabayashi K, and Kawabata Y (2004), Novel vector control system using deadbeat-controlled PWM inverter with output LC filter, IEEE Trans Ind Appl vol 40, pp 162–169 [10] Mattaveli P (2005), An improved deadbeat control for UPS using disturbance observers, IEEE Trans Ind Electr, pp 206–212, (2005) [11] Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết điều khiển tuyến tính [12] Nguyễn Dỗn Phước (2014), Điều khiển trượt trượt bậc cao 55 [13] R A De Carlo, S H Zak, and G P.Matthews “Variable structure control of nonlinear multivariable systems: A tutorial,” IEEE Proc., vol 76, pp 212 ‒232, (1998) [14] V I Utkin, “Variable structure systems with sliding modes,” IEEE Trans Automat Contr., vol 22, pp 212 ‒222, (1997) [15] Yuri S, Christopher E.L.F, Arie L (2013), Sliding Mode Control and Observation, Springer 56 ... LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thiết kế điều khiển cho hệ UPS có xét đến tính bất định mơ hình tính phi tuyến tải TRẦN TIẾN DŨNG Dungtt.vatm@gmail.com Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Giảng viên... này, phương pháp điều khiển trượt phân tích áp dụng thiết kế điều khiển cho hệ thống UPS Việc sử dụng phương pháp điều khiển trượt giúp cho hệ thống ổn định, bền vững với số bất định nhiễu thỏa... GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT Trong năm gần đây, việc ứng dụng phương pháp điều khiển nâng cao vào thiết kế điều khiển cho hệ thống UPS thay điều khiển PI truyền thống mang đến nhiều kết tốt Trong