Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho bộ nghịch lưu đa mức NNPC ứng dụng cho hệ thống biến đổi trung áp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ VIẾT CƢỜNG LÊ VIẾT CƢỜNG C C THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO BỘ NGHỊCH CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA R L T LƢU ĐA MỨC NNPC ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG DU BIẾN ĐỔI TRUNG ÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOÁ K37 Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VIẾT CƢỜNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO BỘ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC NNPC ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI TRUNG ÁP Chuyên ngành Mã số C C R L T : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa : 8520216 DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGƠ VĂN QUANG BÌNH Đà Nẵng - Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Lê Viết Cƣờng C C DU R L T MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN …………………………………………………………………… TÓM TẮT LUẬN VĂN …………………………………………………………… DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT …………………………… DANH MỤC CÁC BẢNG ………………………………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH ………………………………………………………… MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài C C Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu R L T Phƣơng pháp nghiên cứu DU Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC .4 1.1 Khái niệm .4 1.2 Các cấu trúc nghịch lƣu áp đa mức 1.2.1 Bộ nghịch lƣu điôt kẹp (diode clamped multilevel inverter) 1.2.2 Bộ nghịch lƣu dạng flying capacitor 1.2.3 Bộ nghịch lƣu nhiều mức kiểu cầu H nối tầng (cascade H-bridge multilevel inverter) .12 1.3 Bộ nghịch lƣu cấu trúc NNPC 15 1.3.1 Cấu trúc 15 1.3.2 Trạng thái trình chuyển mạch 17 1.3.3 Nguyên lý điều khiển cân điện áp tụ điện 20 1.3.4 Phƣơng pháp điều chế với việc điều khiển cân điện áp tụ điện 22 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 25 2.1 Tổng quan phƣơng pháp điều khiển cho nghịch lƣu 25 2.1.1 Phƣơng pháp điều khiển tuyến tính 25 2.1.2 Phƣơng pháp điều khiển trễ 27 2.1.3 Phƣơng pháp điều khiển trƣợt .28 2.1.4 Phƣơng pháp điều khiển đại 28 2.1.5 Phƣơng pháp điều khiển dự đoán 29 2.2 Phƣơng pháp điều khiển theo mơ hình dự báo .30 2.2.1 Tổng quan .30 2.2.2 Phƣơng pháp điều khiển theo mơ hình dự báo với số trạng thái hữu hạn 33 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO MƠ HÌNH DỰ BÁO VỚI SỐ TRẠNG THÁI HỮU HẠN CHO BỘ NGHỊCH LƢU NNPC 37 3.1 Mơ hình tốn học nghịch lƣu NNPC 37 3.1.1 Trƣờng hợp tải RL 37 3.1.2 Trƣờng hợp tải nối lƣới điện 40 3.2 Áp dụng phƣơng pháp điều khiển dự báo cho nghịch lƣu NNPC 41 3.2.1 Áp dụng phƣơng pháp điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lƣu NNPC .41 3.2.2 Áp dụng phƣơng pháp điều khiển công suất trực tiếp dựa theo mơ hình dự báo cho nghịch lƣu NNPC nối lƣới điện 43 C C R L T DU 3.3 Mô phỏng, phân tích đánh giá hệ thống phần mềm Matlab/Simulink 45 3.3.1 Điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lƣu với tải RL 45 3.3.2 Điều khiển trực tiếp công suất cho nghịch lƣu nối lƣới điện dựa theo mơ hình dự báo .51 3.4 Kết luận 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 TÓM TẮT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO BỘ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC NNPC ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI TRUNG ÁP Học viên: Lê Viết Cường Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: K37 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Luận văn trình bày việc thiết kế điều khiển dự báo (Model Predictive Control MPC) cho cấu trúc nghịch lưu bốn mức (Nested Neutral Point Clamped - NNPC) ứng dụng cho hệ thống biến đổi trung áp So với cấu trúc nghịch lưu sử dụng phổ biến, nghịch lưu NNPC có nhiều ưu điểm khả tăng cơng suất, độ méo sóng hài đầu nhỏ, giảm số khóa bán dẫn điện áp đặt lên khóa nhau, dẫn đến giảm kích thước giá thành hệ thống đơn giản việc điều khiển Vì vậy, cấu trúc bắt đầu trọng áp dụng cho dải điện áp 2.4-7.2 kV, đặc biệt hệ thống lượng tái tạo Phương pháp điều khiển phổ biến áp dụng cho nghịch lưu đa mức điều khiển tuyến tính (Proportional Integral - PI) Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp đáp ứng hệ thống chậm, chất lượng điều khiển phụ thuộc vào độ xác thơng số điều khiển PI cần có khối điều chế phức tạp Bộ điều khiển dự báo theo mơ hình với số trạng thái hữu hạn (Finite control set model predictive control - FCS-MPC) có ưu điểm dễ dàng áp dụng với hệ thống phi tuyến, tích hợp ràng buộc có cấu trúc đơn giản khơng có cấu trúc điều khiển nối tầng khối điều chế Trong nội dung nghiên cứu, hàm mục tiêu trình điều khiển cho nghịch lưu NNPC bao gồm dòng điện tải điện áp cân tụ điện Trạng thái chuyển mạch tốt xác định từ trình tối ưu hóa hàm mục tiêu, điều khiển đóng cắt khóa bán dẫn nghịch lưu Để xác nhận tính hiệu khả thi phương pháp đề xuất, phân tích khảo sát phần mềm Matlab/Simulink với điều kiện hoạt động khác hệ thống Từ khóa - Bộ nghịch lưu đa mức; nghịch lưu mức cấu trúc NNPC; hệ thống biến đổi trung áp; cân điện áp tụ điện; điều khiển dự báo theo mô hình với số trạng thái hữu hạn MODEL PREDICTIVE CONTROL OF NESTED NEUTRAL POINT CLAMPED INVERTERS FOR MEDIUM VOLTAGE CONVERSION SYSTEM Abstract – This thesis presents a model predictive controller (MPC) design for a Nested Neutral Point Clamped inverter of four-level application for a medium voltage conversion system The NNPC inverter is considered as an attractive solution compared with the other voltage source inverter thanks to its advantages: increase the power capacity, reduce the harmonic distortion of output level and number of components and all switches have the same voltage stress This leads to a reduction in the size and cost of the system and a simple control strategy Therefore, this configuration has been focused on applying for a voltage range of 2.4-7.2 kV, especially for renewable energy systems The well-known control method applied to multilevel inverters is linear control (Proportional Integral - PI) However, the disadvantages of this method are slow dynamic response, the requirement of accurate parameters for the PI current controllers, and complex modulation blocks The finite control set model predictive control (FCS-MPC) presents advantages such as straightforward incorporation of nonlinearities, additional static constraint and simple concept (without cascaded control loop structure and modulation block) In this study, the cost function for control NNPC inverter consists of the load current and the capacitor voltage balancing The best switching state is determined by optimizing the cost function, which will be applied to the switching signal of the inverter Simulation analyses were performed in a Matlab/Simulink with different operating conditions of the system to validate the effectiveness and feasibility of the proposed control strategy Key word – Multilevel inverters, four level Nested Neutral Point Clamped inverter, medium voltage conversion system, capacitor voltage balancing, Finite control set model predictive control C C DU R L T DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: C Điện dung iox Dòng điện pha tải với { } ixg Dòng điện pha lưới điện với { I Giá trị hiệu dụng dòng điện (A) L Lx Điện kháng Mức điện áp đầu pha nghịch lưu NNPC [N] [O] [P] Trạng thái không (negative) nghịch lưu Trạng thái (zero) nghịch lưu Trạng thái tương ứng (positive) nghịch lưu Pg Qg R S Ts Vdc Công suất tác dụng lưới điện Công suất phản kháng lưới điện Điện trở Khóa bán dẫn nghịch lưu Thời gian lấy mẫu điều khiển Điện áp chiều nguồn cung cấp vxz vcr Điện áp pha đầu nghịch lưu với Sóng mang điều chế vcx1, vcx2 Điện áp tụ điện nghịch lưu NNPC với { } vm vg vpwm Sóng điều chế hình sin Tín hiệu điều khiển đóng cắt khóa bán dẫn Sóng PWM tham chiếu } C C R L T DU { } Điện áp tụ điện Sai lệch điện áp tụ điện Z Điểm trung tính ảo nghịch lưu Trọng số điều khiển cân điện áp tụ điện Các kí hiệu trên: * p Giá trị tham chiếu đặt Giá trị dự báo Các kí hiệu dƣới: a, b, c ref Các pha đầu nghịch lưu Giá trị tham chiếu o Giá trị đầu g Lưới điện CÁC CHỮ VIẾT TẮT: AC Dòng điện xoay chiều (alternate current) ANN CSI CHB Điều khiển sử dụng kỹ thuật mạng neuron (artificial neutral network) Nghịch lưu nguồn dòng (current source inverter) Nghịch lưu đa mức dạng cầu H nối tầng (cascaded H-bridge) CBPWM Điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (carrier-based pulse width modulation) CBPWM Điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (carrier-based pulse width modulation) CCS-MPC DC Điều khiển dự báo với trạng thái liên tục (Continuous Control Set MPC) Dòng điện chiều (direct current) DPC DTC FC Điều khiển công suất trực tiếp (Direct Power Control) Điều khiển mô men trực tiếp (direct torque control) Nghịch lưu đa mức dạng tụ bay (flying capacitor) FCS-MPC Điều khiển theo mơ hình dự báo với số trạng thái hữu hạn (Finite FOC IGBT IPD MPC NPC NNPC control set model model predictive control) Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông (field oriented control) Transistor lưỡng cực (insulated gate bipolar transistor) Phương pháp điều chế bố trí pha (in phase disposition) Điều khiển dự báo theo mơ hình (model prediction control) Nghịch lưu đa mức dạng điôt kẹp (Neutral Point Clamped) Nghịch lưu đa mức cấu trúc NNPC (Nested Neutral Point Clamped) PC PI PWM SVM SFOPWM SHE THD VSI C C R L T DU Phương pháp điều khiển dự báo (predictive control) Điều khiển tỷ lệ-tích phân PI (proportional and integral) Điều chế độ rộng xung (pulse width modulation) Điều chế vectơ không gian (space vector modulation) Điều chế độ rộng xung cải biến (switching frequency optimal pulse width modulation) Phương pháp loại bỏ sóng hài (Selected Harmonic Elimination) Tổng độ biến dạng sóng hài (total harmonic distortion) Nghịch lưu nguồn áp (voltage source inverter) VOC Phương pháp điều khiển tựa theo điện áp (voltage oriented control) 3L-NPC Nghịch lưu mức (three level neutral point clamped) C C DU R L T DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Bảng tổ hợp trạng thái chuyển mạch (pha A) nghịch lưu 3L-NPC 1.2 Bảng q trình dẫn dịng khóa pha A nghịch lưu 3L-NPC 1.3 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) 3L-FLC 10 1.4 Quá trình dẫn dịng khóa pha A nghịch lưu 3L-FLC 11 1.5 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) 5L-CHB 13 1.6 Bảng số lượng thành phần cấu trúc nghịch lưu 16 1.7 Bảng trạng thái khóa bán dẫn nghịch lưu 4LNNPC 18 1.8 Bảng ảnh hưởng trạng thái khóa bán dẫn lên điện áp 20 C C R L T DU tụ điện 1.9 Bảng chế phương pháp điều khiển cân điện 21 áp tụ điện 3.1 Bảng trạng thái khóa bán dẫn điện áp pha tương ứng nghịch lưu 4L-NNPC 38 3.2 Bảng thông số hệ thống khảo sát 45 3.3 Bảng thông số hệ thống mô 52 3.4 Bảng so sánh chất lượng điều khiển hai phương pháp 55 1 0 1; 1 1 0 1; 1 0 0 1; 1 0 0; 1 0 0 1; 1 0 1]; % Thời gian lấy mẫu Ts = 50e-6; % Điện áp đặt lên tụ điện uc_ref = Udc/3; % Hệ số cân điện áp tụ điện %lamda = I_ref/uc_ref C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... 3.2 Áp dụng phƣơng pháp điều khiển dự báo cho nghịch lƣu NNPC 41 3.2.1 Áp dụng phƣơng pháp điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lƣu NNPC .41 3.2.2 Áp dụng phƣơng pháp điều khiển. .. ứng dụng cho hệ thống lượng tái tạo Vì vậy, bối cảnh động lực để học viên chọn đề tài ? ?Thiết kế điều khiển dự báo cho nghịch lưu đa mức NNPC ứng dụng cho hệ thống biến đổi trung áp? ?? cho luận... 59 TÓM TẮT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO BỘ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC NNPC ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI TRUNG ÁP Học viên: Lê Viết Cường Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã