Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo 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, n[r]
(1)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 TÓM 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 thông qua cuộn cảm L, nhờ đảm bảo dịng đầu vào hình sin hệ số công suất điều chỉnh đến một, có khả trao đổi cơng suất hai chiều lưới AC phía tải DC [1] Trong ứng dụng công 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 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 khơng 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 vịng dịng 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
(2)Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 trình 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
R,L S1 S2 S3 S4 C S1 S2 S3 S4 C S1 S2 S3 S4 C ib
Us U
co
nv
Hình 1. 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
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
Us Uconv
L R
iL
Hình Sơ đồ tương đương mạch pha Từ hình ta có phương trình (1)
1 L
L conv s
di R
i u u
dt L L (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)
( 1) ( ) /
( 1) ( ) ( )
L
L L
L L conv s
di
i k i k T
dt
T
i k i k u u k
L (2)
Khi ta có cơng thức tính giá trị đặt cho điện áp đầu vào biến đổi (3)
( 1) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) ( 1))
L L conv s conv s L L
T L T
i k i k u k u k u k u k i k i k
L T L
(3)
Từ (3) ta xây dựng sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều chỉnh dịng điện hình với Ri điều
khiển dòng điện
T L -+ ( ) conv u k ( ) s u k ( ) L i k T L
z I
1
z I L
T
+
( 1)
s
u k
-*( )
L
i k
i
R uconv(k1)
( ) y k ( ) x k T L
Hình 3. Cấu trúc mạch vịng điều chỉnh dịng điện Phương trình đầu điều khiển dòng cho (4)
*
( ) i L( ) L( )
(3)Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 Mục tiêu đặt thiết kế điều chỉnh dịng có động học cao cho giá trị thực đuổi kịp giá trị đặt hai chu kỳ trích mẫu thỏa mãn biểu thức (5)
*
( ) L( ) L
i z z i z (5) Thay (5) vào (4) ta có (6)
*
( ) i L( ) L( ) i( 1) ( )L
y z R i z i z R z i z (6) Mặt khác nhìn vào cấu trúc điều khiển xây dựng hình ta có (7)
( 1) ( ) ( 1) ( ) ( 1) ( 1)
( ) ( )
conv s conv s
conv s
L T T T
u k y k u k y k u k u k
T L L L
T
z u z u z
L (7)
Kết hợp (7) với (3) ta có (8)
( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) ( )) ( )
( 1) ( )
conv s s L L s
L
T T T L T
y z z u z u z z u z i z zi z u z
L L L T L
z z i z
(8)
Thay (8) vào (6) ta có (9)
2
2
1
1
i
z z z
R z z
(9) Từ phương trình (9) ta có giá trị y(k) (10)
1
( ) 1
( ) ( ) ( 1) ( 2)
1 ( )
i y z z
R y k x k x k y k
z x z (10)
Sau thiết kế xong điều khiển dịng điện, ta có cấu trúc điều khiển mạch vòng cho hệ thống hình Vịng 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 trị phát xung điều khiển vào van cầu H (HB1,2,3)
PI X PWM
Ud,av=(Udc1+Udc2+Udc3)/3
Ri Udref G_HB1 G_HB2 G_HB3 S1 S2 S3 Udc,2 S4 C R S1 S2 S3 Udc,1 S4 C R us
us/Usm iL
S1 S2 S3 Udc,3 S4 C R L L iL
(4)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 dịng điện hình sơ đồ mơ tồn hệ thống hình 6.
Bảng 1. Thông số mô
STT Thông số Giá trị
1 Cuộn cảm L 4,5 mH
2 Tụ điện, điện trở phần DC Như hình Hệ số Kp điều khiển điện áp 0,002 Hệ số Ki điều khiển điện áp 0,356
5 Hệ số đo dịng 1/150
6 Điện áp lưới phía xoay chiều 220V
7 Giá trị đặt điện áp chiều tụ 150V Tham số Kp mạch vòng dòng điện sử dụng PI 1.6965 Tham số Ki mạch vòng dòng điện sử dụng PI 126.8201
Hình Cấu trúc mơ điều khiển dòng điện kiểu deadbeat
(5)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 7.Kết mơ dạng điện áp chiều tổng tụ giá trị đặt theo thuật tốn dead beat
Hình 8. Dạng dịng điện bơm vào lưới chỉnh lưu tích cực
Hình 9. Kết phân tích sóng hài dịng điện Kết phân tích dạng dịng điện bơm vào
lưới phân tích dạng sóng hài dịng 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 tốn PI thể hình 12
(6)Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211
Hình 10. Dạng dịng 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 vịng dịng điện
Hình 12. Kết phân tích sóng hài dịng điện sử dụng thuật tốn PI mạch vịng dịng 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
động hóa Cơng Nghiệp ĐH BKHN nghiên cứu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh, Chiến lược cân bằng điện áp khâu DC cho chỉnh lưu tích cực trên sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H, Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2013
2 Nguyễn Doãn Phước, “ Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nxb ĐHBKHN 2016
3 Nguyễn Phùng Quang, (2011), Điều khiển số(Digital Control Systems), Bài giảng dành cho học viên cao học ĐHBKHN
(7)Bùi Văn Huy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 Gridconnected Distributed Generation System,
DRPT2008 6-9 April 2008 Nanjing China
5 Nguyễn Phùng Quang (2016), Điều chế vector
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 voltage high-power 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, Matlab-Simulink
Ngày nhận bài: 24/8/2018; Ngày phản biện: 29/8/2018; Ngày duyệt đăng: 31/8/2018