(2.25) 𝑢𝐿𝑑 𝑆𝑑 𝑢𝐿𝑞 𝑆𝑞 (2.26) (2.27) 𝑖𝐿𝑑 (2.28) 𝑖𝐿𝑞 (2.29) (2.30) 𝑖𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑢𝑆𝑑 𝑢𝑆𝑞
18 Qua các tính toán về điều kiện hoạt động và mô hình hóa bộ biến đổi , ta đã từng bước làm rõ các ưu điểm vượt trội của chỉnh lưu tích cực :
- Có khả năng làm việc ở cả chế độ chỉnh lưu thông thường và chế độ cho phép trả năng lượng về lưới điện
- Cho dạng sóng dòng điện gần hình Sin, giảm thiểu sóng hài bậc cao do áp dụng phương pháp điều chế SinPWM
- Điều khiển tuyệt đối hệ số công suất 𝑐𝑜𝑠𝜑, điều mà khó bộ biến đổi nào khác làm được.
Với mô hình xây dựng ở 2.5 , ta nhận thấy sự tương đồng về vai trò của các đại lượng vector trong hệ tọa dq của mô hình toán học bộ biến đổi nối lưới khi so với mô hình động cơ IM. Hơn nữa, cấu trúc mạch lực và phương pháp điều chế PWM đều áp dụng cho mạch cầu H 3 pha của động cơ IM và bộ biến đổi nối lưới. Do đó, bộ biến đổi nối lưới được xem xét các phương pháp điều khiển vector dựa trên cơ sở của các phương pháp điều khiển vector của động cơ IM (FOC hoặc DTC). Ta cũng có thể phân loại chỉnh lưu PWM cho bộ biến đổi nối lưới thành 2 loại phương pháp điều khiển :
- Điều khiển dựa theo điện áp : Điện áp lưới 𝐮𝐋 đặt trùng với trục d của hệ tọa độ quay dq và coi vai trò của 𝐮𝐋 giống như từ thông rotor 𝝍𝒓 của động cơ IM có thể áp dụng cấu trúc điều khiển FOC hay DTC.
- Điều khiển dựa theo từ thông ảo : Tạo ra vector từ thông ảo để đưa bộ biến đổi nối lưới quy đổi ảo thành đối tượng động cơ IM ảo để áp dụng các phương pháp điều khiển vector cho động cơ như FOC hay DTC. Với phân loại như vậy ta sẽ có biểu đồ phân loại cụ thể như hình 2.14 :
Hình 2.14 Phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu PWM
Khác với động cơ IM quan tâm điều khiển 2 đại lượng chính là từ thông và momen thì với phương pháp điều khiển theo điện áp ta sẽ điều khiển 2 đại lượng chính là điện áp (VOC- điều khiển tựa điện áp) và công suất (DPC- điều khiển trực tiếp công suất). Tương tự với phương pháp điều khiển theo từ thông ảo ta sẽ có 2 loại : phương pháp VFOC – điều khiển tựa từ thông ảo và phương pháp VFDPC- điều khiển trực tiếp công suất theo từ thông ảo.
Ta biết rằng về cấu trúc điều khiển cho phương pháp DPC và VF-DPC hoặc phương pháp VOC và VFOC có cấu trúc là khá tương đồng, điểm khác biệt nằm
19 ở khâu ước lượng được sử dụng, lập trình. Chính về thế, ta sẽ sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm 2 nhóm :
- Nhóm phương pháp DPC và VF-DPC - Nhóm phương pháp VOC và VFOC
Tổng quan phương pháp điều khiển DPC và VF-DPC
Phương pháp DPC được coi như phương pháp DTC trong điều khiển động cơ IM. Điểm khác biệt là thay vì điều chỉnh momen xoắn và từ thông Stator thì DPC quan tâm điều khiển 2 đại lượng tức thời khác là công suất phản kháng và công suất tác dụng của bộ biến đổi. Ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển sau :
Hình 2.15 Cấu trúc điều khiển DPC và VF-DPC
Cũng như điều khiển DTC thì điều khiển DPC không sử dụng mạch vòng dòng điện mà sử dụng bộ điều khiển băng trễ, thông qua sai lệch đầu vào để chọn lựa đóng mở hoàn toàn trực tiếp van IGBT tương ứng với từng sector trong không gian vector. Công suất phản kháng và tác dụng được ước lượng thông qua điện áp và dòng điện lưới phản hồi. Điểm bất lợi chính là thuật toán ước lượng phải dựa vào sự sai lệch dòng điện mới tính toán ước lượng được công suất , còn có thêm một số nhược điểm khác như:
- Cần tần số trích mẫu khâu đo lường cao do giá trị công suất ước lượng là đại lượng thay đổi liên tục
- Cần giá trị điện kháng cao để giảm gai dạng dòng điện do tần số đóng cắt van không cố định
- Khó khăn cho thiết kế khâu lọc sóng hài cũng bởi tần số đóng cắt không ổn định
- Cần tránh việc tính toán ước lượng trong quá trình chuyển mạch của van vì có thể gây lỗi bộ điều khiển.
20 Đối với VF-DPC thì cải tiến cách tính toán hơn khi dùng một đại lượng từ thông ảo. Từ thông ảo này là đại lượng tích phân của vector điện áp lưới 𝐮𝐋 , ta sẽ trình bày đặc tính của phương pháp VF-DPC :
- Không cần cảm biến điện áp đường dây. Hơn nữa, ước lượng công suất đường dây không dùng cảm biến điện áp ít nhiễu hơn nhiều do đặc tính lọc thông thấp tự nhiên của bộ tích phân.
- Thuật toán ước lượng công suất đơn giản , hiệu quả cao - Tần số trích mẫu thấp hơn so với yêu cầu của DPC - Dạng dòng điện hình Sin do THD thấp
- Không cần khối điều chế PWM, bỏ qua bộ điều khiển PI của mạch vòng dòng điện, không cần các phép chuyển hệ tọa độ
- Đáp ứng động học của bộ điều khiển cao
- Tính toán dễ dàng đại lượng p,q hơn phương pháp dựa theo điện áp lưới, không có sai lệch dòng điện lưới.
Điểm bất lợi của phương pháp VF-DPC là :
- Tần số đóng cắt van vẫn không cố định (nhược điểm chung của phương pháp điều khiển trực tiếp)
- Yêu cầu về vi điều khiển phải nhanh , mạnh mẽ.
Tổng quan phương pháp VOC và VFOC
Hình 2.16 Cấu trúc điều khiển VOC và VFOC
Phương pháp điều khiển VOC và VFOC tương đồng với phương pháp điều khiển FOC cho động cơ IM. Phương pháp này dựa trên các phép chuyển hệ trục tọa độ , từ hệ tọa độ cho 3 pha abc sang hệ tọa độ cố định 𝛼𝛽 sau cùng là hệ tọa độ quay dq. Các đại lượng điện được chuyển đổi trong hệ tọa độ quay dq mang ý nghĩa là đại lượng một chiều không dao động nên dễ dàng thiết kế bộ điều khiển phù hợp. Cũng giống như phương pháp FOC cho động cơ IM thì phương pháp VOC và VFOC cho bộ biến đổi đáp ưng phản hồi nhanh, hiệu suất tĩnh cao
21 nhưng nhược điểm là chất lượng điều khiển phụ thuộc hoàn toàn vào độ ổn định của mạch vòng dòng điện.
Ưu điểm chính của phương pháp VOC và VFOC khi so với DPC là:
- Tần số trích mẫu không lớn nên giảm chi phí khi không cần các vi điều khiển chất lượng quá cao.
- Tần số đóng cắt van là cố định do dùng bộ điều chế xung nên dễ dàng thiết kế các bộ lọc sóng hài cho đường dây.
Xét riêng phương pháp VFOC vì điều khiển theo từ thông ảo nên có khả năng điều khiển chỉnh lưu trong điều kiện điện áp lưới không lý tưởng nhờ việc không cần dùng cảm biến điện áp, giảm thiểu được ảnh hưởng của nhiễu do đặc tính lọc thông thấp của khâu tích phân điện áp lưới.
Tuy nhiên thì cả 2 phương pháp VOC và VFOC đều có bất lợi về điều khiển xen kênh các đại lượng điện trong bộ điều khiển, cần dùng phép chuyển tọa độ khá phức tạp trong tính toán và bộ điều khiển PI được yêu cầu cho cả mạch vòng trong lẫn mạch điện áp bên ngoài. Những điểm yếu này thì lại được xóa bỏ khi dùng phương pháp DPC và VF-DPC nhưng khuyết điểm về tần số trích mẫu và tần số đóng cắt lại là điểm mạnh của VOC và VFOC. Tóm lại tổng thể so sánh đồng thời cả 4 phương pháp thì ta rút ra một số kết luận sau :
- Với các phương pháp điều khiển theo từ thông ảo (VFOC và VF-DPC) cung cấp khả năng chống nhiễu tốt cho điều khiển bộ chỉnh lưu nên được sử dụng nếu nguồn điện áp lưới không có ổn định cao.
- Về tần số đóng cắt van cố định là yêu cầu khá quan trọng vì ảnh hưởng đến phần thiết kế mạch lọc cho đường dây nên phương pháp VOC hoặc VFOC sẽ được ưu tiên lựa chọn trong trường hợp này.
- Hệ số công suất : Nhìn chung phương pháp liên quan đến điều khiển trực tiếp DPC hay VF-DPC cho hệ số công suất tốt hơn phương pháp VOC và VFOC nhưng lại yêu cầu về mặt tính toán phức tạp, yêu cầu về phần cứng vi điều khiển cao làm giá thành đắt đỏ. Chính vì thế VOC và VFOC vẫn là lựa chọn khả dĩ hơn do mức chênh lệch về hệ số công suất chưa thật sự xứng đáng với chênh lệch giá thành phần cứng bỏ ra.
Dù phương pháp DPC và VF-DPC có ưu điểm đáng chú ý, đặc biệt là phương pháp VF-DPC có rất nhiều ưu điểm như đã nói ở mục 2.6.1 nhưng khuyết điểm về tần số đóng cắt không ổn đinh cộng với yêu cầu về giá thành phần cứng cao nên vẫn chưa là lựa chọn phổ biến trong thực tế bằng phương pháp VOC và VFOC. Với sự tương đồng về cấu trúc điều khiển , ở mục sau ta sẽ bắt đầu đi sâu vào phương pháp VOC trước và sẽ nghiên cứu các điểm ưu việt của phương pháp VFOC trên nền tảng đã có về VOC trong các đề tài đồ án sau.