ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà Nội, 06/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC Trưởng môn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : TS Phạm Việt Phương Sinh viên thực : Nguyễn Văn Nhật Lớp : CN-ĐK TĐH 01 – K57 MSSV : 20125699 Giáo viên duyệt : Hà Nội, 06/2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp với tên đề tài: “Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo cho biến đổi đa mức MMC” em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Phạm Việt Phương Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hồn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Văn Nhật MỤC LỤC Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Danh mục số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Danh mục số liệu Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT HVDC High Voltage Direct Current MMC Modular Multilevel Converter SM Sub-module IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors MPC Model Predictive Control SVM Support Vector Machine PWM Pulse-Width Modulation MIMO Multiple In, Multiple Out FPGA Field Programmable Gate Array DSP Digital Signalprocessor FCS Finite Control Set Danh mục từ viết tắt CCS Continuous Control Set OSV Optinal Switching Vector OSS Optinal Switching Sequence GPC Generalized Predictive Control EMPC Explicit Model Predictive Control Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Trong năm gần nhu cầu lượng ngày cao, quy mô công nghiệp nhu cầu sử dụng thiết bị công suất lớn ngày cao Tuy việc điều khiển thiết bị dải cơng suất lớn gặp nhiều khó khăn Bộ biến đổi đa mức MMC đời với tính vượt trội giải hiệu vấn đề Nhận thấy tiềm biến đổi MMC, thầy giáo TS Phạm Việt Phương hướng dẫn em thực đề tài: “Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo cho biến đổi đa mức MMC” Đồ án này, trình bày với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan biến đổi đa mức MMC Chương 2: Phương pháp điều khiển dự báo Chương 3: Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo cho biến đổi MMC Chương 4: Mô hệ thống Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Việt Phương hướng dẫn chu đáo em thực đồ án này, em xin cảm ơn anh Trần Hùng Cường giúp đỡ em trình thực đồ án Dù cố gắng đồ án khơng có sai sót, kiến thức cịn hạn chế thời gian thực hiện, em mong nhận ý kiến thầy cô để đồ án hoàn thiện Em xin cảm ơn! Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Chương Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo MPC cho MMC Với : A= L0 + 2L -Ts (r +2R) L0 + 2L B= Ts L0 + 2L -Dòng điện vòng chu kỳ lấy mẫu k+1: 2r i (k +1)= C.i (k)+ D.[U - una (k)- u pa (k)- I (k)] diff diff dc dc C= (3.25) L0 − rTs L0 T D= s L0 -Điện áp tụ điện chu kỳ lấy mẫu k+1: T uci (k +1)= uci (k)+ s [im (k)] C (3.26) Trong bước việc thiết kế điều khiển FCS-MPC ,một hàm mục tiêu xác định trước để tính tốn dự báo tín hiệu có tương lai chu kỳ, sau tín hiệu điều khiển tốt tín hiệu tối ưu có sai lệch bé so với tín hiệu đặt lựa chọn áp dụng cho biến đổi Tuy nhiên, biến đổi MMC với số lượng lớn SM, có nhiều trạng thái chuyển đổi làm cho việc thực phương pháp FCS-MPC gặp nhiều khó khăn việc tính tốn lựa chọn trạng thái tối ưu, làm thời gian xử lý tín hiệu lâu hơn, điều không tốt cho hệ thống điều khiển Một hàm mục tiêu chung xác định để để điều khiển biến biến đổi MMC bám giá trị đặt chúng Để xây dựng hàm mục tiêu chung cho biến điều khiển ta dựa vào phương trình rời rạc biến điều khiển Chương Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo MPC cho MMC hàm mục tiêu phải xác định theo hành vi mong muốn mơ hình rời rạc Ta xây dựng công thức hàm mục tiêu cụ thể sau: J x =λ J + λ J + λ J 1x 1x 2x 2x 3x 3x (3.27) Trong : - λ1x, λ2x , λ3x trọng số, xác định tầm quan trọng ưu tiên tương đối điều khiển, trọng số có vai trị tạo liên hệ biến thống chúng đơn vị tính tốn, trọng số chưa có phương pháp tính cụ - thể mà xác định phương pháp thực nghiệm x = a,b,c J1x tính cơng thức : J 1x =i xref (k +1)- ix (k +1) (3.28) Hàm mục tiêu tối ưu hóa giá trị dịng điện phía xoay chiều ixref(k+1) ix(k+1) dòng điện đặt dòng điện dự báo phía xoay chiều pha Trong khoảng thời gian trích mẫu đủ nhỏ thì: i jref (k +1) ≈ i jref (k) (3.29) Lúc J1x viết thành : J 1x =i xref (k)- ix (k +1) (3.30) - J2x tính cơng thức: J  2x = ∑ U   Ci (k +1) - U  dc ÷ N ÷  (3.31) Với UCi (k+1) giá trị điện áp tụ chu kỳ trích mẫu k+1 xác định cơng thức 3.26 Hàm mục tiêu xác định thêm sai lệch giá trị đặt điện áp tụ giá trị thực chu kỳ lấy mẫu k+1 Khi giá trị tối ưu - sai lệch chọn để điều khiển giá trị hoạt động điện áp tụ điện J3x tính cơng thức: Chương Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo MPC cho MMC J 3x =i -i (k +1) Uxref diff (3.32) Điện áp tụ điện tạo dòng điện vòng mạch, ngồi việc điều khiển cân điện áp tụ điện, việc hạn chế dòng điện vòng yếu tố cần thiết Mơ hình tốn học rời rạc dòng điện vòng theo phương pháp chuyển tiếp Euler thực theo công thức 3.25 với giá trị mong muốn i ≈0 Uxref lúc J3x viết thành : J 3x =i (k +1) diff (3.33) Chương Mô hệ thống CHƯƠNG MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 4.1 Mơ mạch vịng hở cho biến đổi MMC với N=4 Trong thực mô sử dụng phương pháp điều khiển dự báo FCSMPC, điều có nghĩa điện áp đầu có N+1=5 mức Với thơng số mạch lực tính bảng 4.1 ta xây dựng mơ hình mơ biến đổi MMC có bốn SM nhánh Matlab Simulink Bổ sung thông số mô ta bảng thông số bảng 4.1 Bảng 4.1 Bảng thông số mô biến đổi MMC với N=4 STT Thơng số Kí hiệu Giá trị Đơn vị Nguồn áp chiều Vdc 6000 V Số lượng SM nhánh N SM Điện dung tụ SM C 200.10-5 -3 F Điện cảm nhánh L 50.10 H Điện trở nhánh R 50 Ω Điện trở lưới R0 Ω Điện cảm lưới L0 10.10-3 H -5 Chu kỳ trích mẫu Ts 10 s Tấn số f 50 Hz Mô phần mềm Matlab: Chương Mô hệ thống Hình 4.1 Mơ hình tổng qt mơ Trên mơ hình khối MMC chứa pha pha bao gồm SM điện cảm nhánh Điện áp chiều 1200V, khối MPC có chứa điều khiển Hình 4.2 Cấu tạo SM Chương Mơ hệ thống Hình 4.3 Cấu trúc nhánh Mỗi nhánh pha gồm SM mắc nối tiếp với Hình 4.4 Cấu trúc khối MPC 4.2 Kết mô Khi thực mô matlab với thông số bảng 4.1 Ban đầu biến đổi vận hành dòng 20A thời điểm t = sau vận hành dịng 40A thời điểm t = 0.1 giây Ta thu kết sau Chương Mơ hệ thống Hình 4.5 Điện áp nhánh pha A Hình 4.6 Điện áp nhánh pha A Thực mô vòng 0.2 giây, trạng thái ổn định đạt sau khoảng 0,1 giây (khoảng thời gian ngắn) kết thể hình 4.5 hình 4.6 Ta so sánh điện áp nhánh điện áp nhánh ln có tổng xấp xỉ với Udc Chương Mơ hệ thống Hình 4.7 Điện áp xoay chiều pha A Hình 4.8 Điện áp xoay chiều pha B Chương Mô hệ thống Hình 4.9 Điện áp xoay chiều pha C Tiếp tục thực đo điện áp xoay chiều pha thể hình 4.7 hình 4.8 hình 4.9 ta thấy điện áp pha A,B,C có dạng bậc thang rõ ràng với mức điện áp, tần số thấp, số lần đóng cắt van qua thể q trình làm việc theo yêu cầu mong muốn áp dụng phương pháp điều khiển dự báo Điện áp pha dao động khoảng –Udc/2 đến Udc/2 tức khoảng -3000V đến 3000V Hình 4.10 Điện áp tụ nhánh pha A Chương Mơ hệ thống Hình 4.11 Điện áp tụ nhánh pha A Thực đo điện áp tụ khoảng thời gian 0.2 giây ta thấy tụ hoạt động ổn định khoảng 0.08 giây thời gian nhỏ chứng tỏ tụ cân Hình 4.12 Dịng điện pha đầu lúc ổn định Chương Mô hệ thống Hình 4.13 Dịng điện pha đầu lúc ổn định khoảng 0s=>0.02s Hình 4.14 Dịng điện pha đầu lúc ổn định khoảng 0.09s=>0.12s Tại thời điểm thay đổi chế độ làm việc hình 4,14, dòng tải bám sát giá trị đặt có dạng sin gần chuẩn pha A,B,C đáp ứng dòng điện xảy tức thời bám dòng đặt Chương Mô hệ thống Hình 4.15 Chỉ số THD dịng điện đầu lúc ổn định Đáp ứng dòng điện đầu biến đổi trạng thái ổn định, độ méo dạng sóng hài THD 1.28% cho thấy chất lượng biến đổi tốt Chương Mô hệ thống Hình 4.16 Dịng điện vịng Dịng điện vòng hạn chế cách gần tối đa thời điểm 0.1 giây (thời gian nhỏ) cho thấy phương pháp sử dụng tốt cho việc hạn chế dòng điện vòng Nhận xét : Qua tất kết mô ta thấy việc áp dụng phương pháp điều khiển dự báo vào biến đổi MMC với N = cho kết tốt Kết luận KẾT LUẬN Trong suốt trình thực đề tài thiết kế tốt nghiệp: “Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo cho biến đổi đa mức MMC”, em có hội để củng cố thêm kiến thức thân Bên cạnh đó, đề tài đồ án cịn giúp em phát triển sang mảng kiến thức mà em chưa có hội tiếp cận giảng đường Do điều kiện thời gian trình độ có hạn nên thực tế đề tài cịn nhiều thiếu sót hạn chế Có thể kể đến vấn đề như: việc lập trình thực dừng với nghịch lưu MMC có SM nhánh, thay đổi số SM nhánh cần thực việc lập trình lại cho phù hợp Hướng phát triển đề tài tiếp tục thực thay đổi để áp dụng vào thực tế dùng phương pháp điều khiển dự báo cho biến đổi khác Em xin chân thành cảm ơn TS Phạm Việt Phương người trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đề tài Cùng với em xin gửi lời cảm ơn đến anh Trần Hùng Cường tận tình bảo, giúp đỡ em giải vấn đề khó khăn liên quan tới đề tài Chắc chắn thiết kế tốt nghiệp khơng thể hồn thành thiếu giúp đỡ quý báu thầy anh Em mong nhận góp ý từ phía thầy cơ, bạn để thiết kế em có hội để phát triển hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 11 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Văn Nhật Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Rodriguez, J Cortes, R M Kennel, M P Kazmierkowski, “Model predictive control- a simple and powerful method,” IEEE Power Electronics and Motion Control Conference, Chile, 2009 [2] http://en.wikipedia.org/wiki/Euler_method, truy nhập cuối ngày 09/06/2018 [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Backward_Euler_method, truy nhập cuối ngày 09/06/2018 [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Midpoint_method, truy nhập cuối ngày 09/06/2018 [5] Q Jiangchao, M Saeedifard, "Predictive Control of a Three-Phase DC-AC Modular Multilevel Converter", IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), USA, 2012 [6] Rohner, S.; Bernet, S.; Hiller, M.; Sommer, R.; “Analysis and Simulation of a kV, 6MVA Modular Multilevel Converter Industrial Electronics”, 2009 IECON '09 35th Annual Conference of IEEE 2009, Page(s): 225-230 [7] M Saeedifard and R Iravani "Dynamic performance of a modular multilevel back-to-back HVDC system", IEEE Trans Power Del., vol 25, no 4, pp.2903 -2912, 2010 [8] Trần Trọng Minh “ Giáo trình thiết kế điện tử cơng suất ” [9] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất” Hà Nội năm 2014 ... Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo MPC cho MMC CHƯƠNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU DỰ BÁO MPC CHO MMC 3.1 Thông số mạch lực biến đổi đa mức MMC Các thơng số tính tốn sau áp dụng cho biến đổi MMC. .. quan biến đổi đa mức MMC Chương 2: Phương pháp điều khiển dự báo Chương 3: Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo cho biến đổi MMC Chương 4: Mô hệ thống 21 Chương Tổng quan biến đổi đa mức MMC. .. Chương Phương pháp điều khiển dự báo CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 2.1 Giới thiệu chung phương pháp điều khiển dự báo Điều khiển dự báo (Model Predictive Control) hay MPC giải pháp tốt