ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN HỮU HOÀNG LONG NAM ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Hoàng Mai ĐÀ NẴNG – NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Trần Hữu Hồng Long Nam ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC Học viên: Trần Hữu Hoàng Long Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.60 Khóa: 33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Trong năm gần đây, nghịch lưu đa mức nghiên cứu xem lựa chọn tốt cho ứng dụng truyền động điện trung áp Các thiết bị công nghiệp yêu cầu khắt khe nguồn điện cấp chất lượng điện ổn định độ lớn điện áp, ổn định tần số làm việc, sóng hài Luận văn đề cập đến nghịch lưu pha mức dạng diode kẹp, sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung để thay đổi độ lớn điện áp đầu nghịch lưu Để giải vấn đề chất lượng điện áp hệ thống luôn đảm bảo điện áp DC đầu vào nghịch lưu thay đổi trường hợp có phụ tải cao, tác giả nghiên cứu hàm truyền hệ thống, xây dựng điều khiển mờ PID với luật điều khiển mờ chỉnh định thông số PID ổn định điện áp đầu cho nghịch lưu mức diode kẹp với độ lớn điện áp đầu vào cho trước Tác giả tóm tắt kết đạt đưa hướng phát triển Từ khóa – Bộ nghịch lưu đa mức; chất lượng điện áp; diode kẹp; điều chế độ rộng xung; điều khiển mờ PID PID FUZZY CONTROLLER APPLICATION STABILIZE VOLTAGE FOR MULTILEVEL INVERTER Abstract – In recent years, multilevel inverters have been researched and considered as the best choice for medium voltage electrical applications Industrials equipements is also more stringent for power quality such as voltage stability, frequency stability, and harmonics This thesis deals with diode-clamped 3-phases 7-levels inverters, using pulse-width modulation technique to change the inverter output voltage magnitude To solve the problem of quality of system voltage is guaranteed when the inverter input DC voltage changes or in case of high load, the author has researched the system's transmission function, built-in PID fuzzy controller with pid parameters self-tuning fuzzy control system to stabilize the output voltage for the diode-clamped 7-levels inverter with a input voltage The author has summarized the results achieved and set out the next direction Key words - multilevel inverters; quality of system voltage; diode-clamped; pulsewidth modulation; PID fuzzy controller MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tên đề tài Lý chọn đề tài Mục đích mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .2 Dự kiến kết đạt .3 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT 1.2 PHÂN LOẠI CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 1.3 CÁC DẠNG CẤU TRÚC CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC 1.3.1 Bộ nghịch lưu dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Miltilevel Inverter) .6 1.3.2 Bộ nghịch lưu dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) .8 1.3.3 Bộ nghịch lưu cấu trúc dạng cầu H ghép tầng (Cascaded H-Bridges) 1.4 CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 10 1.4.1 Nghiên cứu giới 10 1.4.2 Nghiên cứu Việt Nam 12 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 13 CHƯƠNG CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỨC DẠNG DIODE KẸP 14 2.1 CẤU TRÚC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỨC DẠNG DIODE KẸP 14 2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC 17 2.2.1 Nguyên tắc thực hiện: .17 2.2.2 Sử dụng phương thức loại trừ sóng hài tính điện áp đầu 19 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ/PID ĐỂ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỨC DẠNG DIODE KẸP 22 3.1 MƠ HÌNH VẬT LÝ CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỨC DẠNG DIODE KẸP 22 3.1.1 Một số khái niệm 22 3.2.1 Xây dựng hàm truyền đối tượng từ mơ hình vật lý 22 3.2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ/PID ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO BỘ NGHỊCH LƯU MỨC DẠNG DIODE KẸP 25 3.2.1 Tổng quan điều khiển PID 25 3.2.1.1 Cấu trúc chung hệ điều khiển: 25 3.2.1.2 Các phương pháp xác định tham số PID 26 3.2.2 Tổng quan điều khiển mờ .34 3.2.2.1 Định nghĩa tập mờ .34 3.2.2.2 Các thuật ngữ logic mờ .34 3.2.2.3 Biến ngôn ngữ 34 3.2.2.4 Luật hợp thành 35 3.2.2.5 Giải mờ 36 3.2.2.6 Thiết kế điều khiển mờ 38 3.2.3 Thiết kế điều khiển PID-Mờ ổn định điện áp cho nghịch lưu đa mức 39 3.2.3.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID thích nghi: 39 3.2.3.2 Luật chỉnh định PID 40 3.2.3.3 Xây dựng PID mờ thích nghi: 40 3.3 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG 46 3.3.1 Sơ đồ mô điều khiển PID mờ 46 3.3.2 Khối nghịch lưu mức dạng Diode kẹp 46 3.3.2.1 Khối tạo xung tam giác 46 3.3.2.2 Khối tạo xung điều khiển .47 3.3.2.3 Khối nghịch lưu mức diode kẹp 48 3.3.3 Khối luật điều khiển FUZZY 48 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 49 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 50 4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO CÁC TRƯỜNG HỢP TẢI KHÁC NHAU, ĐIỆN ÁP VÀO THAY ĐỔI .50 4.1.1 Trường hợp không tải, điện áp vào UDC=800V 50 4.1.2 Trường hợp không tải, điện áp vào UDC=400V 51 4.1.3 Trường hợp có tải động cơ, điện áp đầu vào UDC=600V .52 4.1.4 Trường hợp có tải động cơ, điện áp đầu vào UDC=800V .53 4.2 SO SÁNH ĐÁP ỨNG ĐỘ LỚN ĐIỆN ÁP ĐẦU RA GIỮA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ PID MỜ .54 4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng Trang Bảng trạng thái khóa chuyển mạch pha A nghịch lưu bảng 1.1 diode kẹp pha mức 2.1 Trạng thái khóa chuyển mạch (pha A) nghịch lưu pha 15 mức 3.1 Giá trị vào – tương ứng số điều chế biên độ ma 23 điện áp hiệu dụng Ura đối tượng điều khiển 3.2 Ảnh hưởng điều khiển Kp, Ki, Kd 27 3.3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 28 3.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 29 3.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 30 3.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 30 3.7 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 30 3.8 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 30 3.9 Luật chỉnh định Kp 43 3.10 Luật chỉnh định Kd 43 3.11 Luật chỉnh định Ki 44 DANH MỤC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang Ứng dụng nghịch lưu đa mức việc hòa lưới từ nhiều hình 1.1 nguồn điện khác 1.2 Phân loại nghịch lưu đa mức 1.3 Bộ nghịch lưu pha mức dạng diode kẹp 1.4 Dạng sóng điện áp dây đầu Vab nghịch lưu diode kẹp pha mức 1.5 Cấu trúc nghịch lưu dùng tụ điện thay đổi (Flying capacitor multilevel inverter) pha mức 1.6 Cấu trúc nghịch lưu dạng cầu H ghép tầng (cascaded H- Bridge) pha m mức 1.7 Dạng sóng điện áp đầu nghịch lưu cầu H nối tầng 11 10 mức với nguồn DC riêng lẽ 1.8 Kết phân tích FFT nghịch lưu mức bất đối xứng 11 1.9 Kết mô đáp ứng thông số PID tự điều 11 chỉnh hệ thống mờ 1.10 Kết so sánh hiệu biến tần mức so với biến tần 12 mức 2.1 Sơ đồ nghịch lưu dạng diode kẹp pha mức 14 2.2 Dạng sóng điện áp dây nghịch lưu pha mức 15 2.3 Ví dụ trạng thái khóa chuyển mạch điện áp Va0 16 2.4 Tương quan sóng mang sóng điều chế 17 2.5 Hình dạng xung kích khóa điện tử nghịch lưu 18 mức diode kẹp 2.6 Tương quan sóng mang sóng điều khiển với số điều 19 chế biên độ ma = 0.8 2.7 Dạng điện áp phương pháp loại trừ sóng hài 21 3.1 Mơ hình vật lý nghịch lưu áp mức dạng diode kẹp 22 3.2 Mối quan hệ số điều chế biên độ ma điện áp hiệu 24 dụng Ura 3.3 Cơng cụ “ident” để tìm hàm truyền gần đối tượng 24 3.4 Kết hàm truyền gần đối tượng tìm công 25 cụ “ident” 3.5 Cấu trúc hệ thống điều khiển 26 3.6 Đáp ứng nấc hệ hở có dạng S 28 3.7 Xác định số khuếch đại tới hạn 28 3.8 Đáp ứng nấc hệ kín k = kth 29 3.9 Đáp ứng nấc hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones- 29 Reswick 3.10 Quan hệ diện tích tổng số 31 3.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín 32 3.12 Miền xác định logic mờ 34 3.13 Minh họa hàm thuộc 35 3.14 Minh họa phương pháp giải mờ 37 3.15 Phương pháp trọng tâm 38 3.16 Mơ hình tổng qt hệ thống điều khiển 39 3.17 Các vùng cần chỉnh định thông số PID 40 3.18 Các biến đầu vào biến đầu điều khiển FUZZY 41 3.19 Hàm liên thuộc đầu vào sai số e 41 3.20 Hàm liên thuộc đầu vào tốc độ sai số de/dt 42 3.21 Hàm liên thuộc đầu Kp 42 3.22 Hàm liên thuộc đầu Ki 42 3.23 Hàm liên thuộc đầu Kd 43 3.24 Biều diễn luật chỉnh định Kp không gian 44 3.25 Biều diễn luật chỉnh định Ki không gian 45 3.26 Biều diễn luật chỉnh định Kd không gian 45 3.27 Sơ đồ mô điều khiển PID Mờ 46 3.28 Khối tạo xung tam giác 46 3.29 Khối tạo xung điều khiển 47 3.30 Khối nghịch lưu mức dạng diode kẹp 48 3.31 Luật điều khiển FUZZY 48 4.1 Kết mô điều khiển PID cho trường hợp không tải, 50 điện áp vào UDC=800V 4.2 Phân tích THD điện áp đầu trường hợp không tải, điện 50 áp vào UDC=800V (THD = 6,11%) 4.3 Kết mô điều khiển PID cho trường hợp không tải, 51 điện áp vào UDC=400V 4.4 Phân tích THD điện áp đầu trường hợp không tải, điện 51 áp vào UDC=400V (THD = 12,20%) 4.5 Kết mô điều khiển PID cho trường hợp tải động 52 cơ, điện áp vào UDC=600V 4.6 Phân tích THD điện áp đầu trường hợp tải động cơ, 52 điện áp vào UDC=600V (THD = 13,70%) 4.7 Kết mô điều khiển PID cho trường hợp tải động 53 cơ, điện áp vào UDC=800V 4.8 Phân tích THD điện áp đầu trường hợp tải động cơ, 53 điện áp vào UDC=800V (THD = 11,35%) 4.9 Kết mô so sánh đáp ứng độ lớn điện áp đầu điều khiển PID điều khiển PID mờ 54 - 43 - Hình 3.23 Hàm liên thuộc đầu Kd c Xây dựng luật hợp thành: Ta có tổng cộng là: x x = 147 luật hợp thành IF … THEN … Bảng 3.9 Luật chỉnh định Kp Kp e N3 N2 N1 ZE P1 P2 P3 N3 U L M Z M L U N2 U L M Z M L U N1 U L M Z M L U de/dt ZE U L M Z M L U P1 U L M Z M L U P2 U L M Z M L U P3 U L M Z M L U P1 Z M L U L M Z P2 Z M L U L M Z P3 Z M L U L M Z Bảng 3.10 Luật chỉnh định Kd Kd e N3 N2 N1 ZE P1 P2 P3 N3 Z M L U L M Z N2 Z M L U L M Z N1 Z M L U L M Z de/dt ZE Z M L U L M Z - 44 Bảng 3.11 Luật chỉnh định Ki Ki e N3 N2 N1 ZE P1 P2 P3 N3 Z M L U L M Z N2 Z S M L M S Z N1 Z S S M S S Z de/dt ZE Z Z Z S Z Z Z P1 Z S S M S S Z P2 Z S M L M S Z Hình 3.24 Biều diễn luật chỉnh định Kp khơng gian P3 Z M L U L M Z - 45 - Hình 3.25 Biều diễn luật chỉnh định Ki khơng gian Hình 3.26 Biều diễn luật chỉnh định Kd không gian d Chọn luật giải mờ: Chọn luật hợp thành theo quy tắc Max – Min Giải mờ theo phương pháp trọng tâm - 46 3.3 SƠ ĐỒ MƠ PHỎNG 3.3.1 Sơ đồ mơ điều khiển PID mờ Hình 3.27 Sơ đồ mơ điều khiển PID Mờ 3.3.2 Khối nghịch lưu mức dạng Diode kẹp 3.3.2.1 Khối tạo xung tam giác Hình 3.28 Khối tạo xung tam giác - 47 3.3.2.2 Khối tạo xung điều khiển Hình 3.29 Khối tạo xung điều khiển - 48 3.3.2.3 Khối nghịch lưu mức diode kẹp Hình 3.30 Khối nghịch lưu mức dạng diode kẹp 3.3.3 Khối luật điều khiển FUZZY Hình 3.31 Luật điều khiển FUZZY - 49 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Đối với nghịch lưu áp mức diode kẹp, thuộc dạng đối tượng khơng thể xác định mơ hình tốn học trực tiếp từ cơng thức tốn khó để xác định ta sử dụng mơ hình vật lý, phương pháp mơ hình số dựa vào phần mềm matlab, từ tìm hàm truyền đạt gần nghịch lưu áp mức dạng diode kẹp với độ xác 93,1% Dựa vào hàm truyền trên, ta xây dựng điều khiển PID/mờ thích nghi cho nghịch lưu áp mức dạng diode kẹp trường hợp điện áp nguồn DC đầu vào nghịch lưu thay đổi - 50 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO CÁC TRƯỜNG HỢP TẢI KHÁC NHAU, ĐIỆN ÁP VÀO THAY ĐỔI 4.1.1 Trường hợp không tải, điện áp vào UDC=800V Hình 4.1 Kết mơ điều khiển PID cho trường hợp không tải, điện áp vào UDC=800V Hình 4.2 Phân tích THD điện áp đầu trường hợp không tải, điện áp vào UDC=800V (THD = 6,11%) - 51 4.1.2 Trường hợp không tải, điện áp vào UDC=400V Hình 4.3 Kết mơ điều khiển PID cho trường hợp không tải, điện áp vào UDC=400V Hình 4.4 Phân tích THD điện áp đầu trường hợp không tải, điện áp vào UDC=400V (THD = 12,20%) - 52 4.1.3 Trường hợp có tải động cơ, điện áp đầu vào UDC=600V Hình 4.5 Kết mô điều khiển PID cho trường hợp tải động cơ, điện áp vào UDC=600V Hình 4.6 Phân tích THD điện áp đầu trường hợp tải động cơ, điện áp vào UDC=600V (THD = 13,70%) - 53 4.1.4 Trường hợp có tải động cơ, điện áp đầu vào UDC=800V Hình 4.7 Kết mơ điều khiển PID cho trường hợp tải động cơ, điện áp vào UDC=800V Hình 4.8 Phân tích THD điện áp đầu trường hợp tải động cơ, điện áp vào UDC=800V (THD = 11,35%) - 54 4.2 SO SÁNH ĐÁP ỨNG ĐỘ LỚN ĐIỆN ÁP ĐẦU RA GIỮA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ PID MỜ Hình 4.9 Kết mô so sánh đáp ứng độ lớn điện áp đầu điều khiển PID điều khiển PID mờ 4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Với kết mô ta nhận thấy với điều khiển PID/mờ thiết kế chất lượng điện áp hệ thống luôn đảm bảo điện áp DC đầu vào nghịch lưu thay đổi trường hợp có thêm phụ tải Kết mơ thu hồn tồn phù hợp với kết nghiên cứu lý thuyết, điều chừng tỏ phương pháp cách thức xây dựng điều khiển PID/mờ đắn xác Bộ điều khiển PID/mờ hồn tồn đáp ứng yêu cầu chất lượng điện áp đầu nghịch lưu mức dạng diode kẹp - 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Mục tiêu hệ thống điều khiển ngày nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động Trên thực tê có nhiều đối tượng cần điều khiển, đối tượng thơng thương khơng có đủ tham số cần thiết, nên việc thiết kế điều khiển dựa lý thuyết điều khiển kinh điển gặp nhiều khó khăn Chính lý đòi hỏi phải ứng dụng lý thuyết điều khiển đại vào thực tế Luận văn trọng vào việc xây dựng hệ điều khiển cho nghịch lưu đa mức dựa tảng lý thuyết điều khiển cao cấp Với kết thu từ mơ phỏng, đóng góp vấn đề sau: + Đã xây dựng điều khiển PID/mờ ổn định điện áp cho nghịch lưu áp mức dạng diode kẹp điện áp đầu vào thay đổi có tải động + Với điều khiển mà luận văn xây dựng, thông số chất lượng điều chỉnh sai lệch tĩnh, độ điều chỉnh, thời gian độ, số lần dao động hệ tốt, độ điều chỉnh thời gian độ nhỏ Như điều khiển nghiên cứu luận văn hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chất lượng điều khiển điện áp cho nghịch lưu đa mức có khả ứng dụng vào thực tế điều khiển Như vậy, trình thực luận văn này, tác giả giải trọn vẹn vấn đề đặt Tuy nhiên với thời gian nghiên cứu hạn chế phạm vi giới hạn vấn đề đặt ra, luận văn chưa đề cập đến chất lượng điện áp độ lớn THD, thay đổi ổn định tần số … DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] [2] [3] [4] [5] Nguyễn Thị Mỹ Dung (2011), Thiết kế điều khiển PID thích nghi điều khiển tốc độ động điện chiều có momen quán tính thay đổi, Luận văn thạc sỹ Nguyễn Bá Mịch (2006), Nghiên cứu kỹ thuật điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc với nguồn áp DC không cân bằng, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý Thuyết Điều Khiển Nâng Cao, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Đường Khánh Sơn, Từ Diệp Công Thành (2012), Ứng dụng điều khiển self tuning Fuzzy-PI điều khiển OMNI-DIRECTIONAL MOBILE ROBOT, Số 20 báo Khoa học Ứng dụng Tiếng Anh C.R.Balamurugan1, S.P.Natarajan2, R.Bensraj3, Investigations on Three Phase Five Level Diode Clamped Multilevel Inverter, Vol.2, Issue.3, May-June pp-1273-1279 [7] Dr Keith Corzine (2005), “Operation and Design of Multilevel Inverters” [8] F Z Peng, J W McKeever, D J Adams, “Cascade Multilevel Inverters for Utility Applications” Proceedings of 23rd International Conference on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, 1997, pp 437-442 [9] Nguyễn Văn Nhờ & Hong Hee Lee, Analysis of Carrier Based PWM Methods Based on Optimization of Voltage Errors [10] Politehnica” University of Timisoara Romania (2012), “Tuning Fuzzy PID Controllers” [6]