Xuất hàm mục tiêu bổ sung thành phần triệt tiêu điện áp common

L ỜI CẢM ƠN

3.2. xuất hàm mục tiêu bổ sung thành phần triệt tiêu điện áp common

3.2.1. Triệt tiêu điện áp common mode

Điện áp common mode được định nghĩa là chênh lệch điện thế giữa điểm trung tính của tải và điểm trung tính của bộ nghịch lưu, được xác định theo phương trình

(2.18). Như đã đề cập trong [1], [63], [85] điện áp này gây ra ảnh hưởng xấu tới hoạt

động của thiết bị. Do đó, vấn đề triệt tiêu điện áp common mode là rất quan trọng,

đặc biệt trong các các hệ thống điện áp cao và công suất lớn.

Thông thường, điện áp common mode sẽ được kiểm soát bởi khâu điều chế độ

rộng xung cho bộ nghịch lưu. Đặc biệt, với kỹ thuật điều chế SVM thay đổi là chỉ lựa chọn các vector điện áp có điện áp common mode bằng không sẽ cho phép triệt tiêu

74

được thành phần điện áp common mode [27]. Tuy nhiên, có thể dễ dàng nhận thấy rằng, kỹ thuật điều chế này chỉ có thể thực hiện với nghịch lưu đa mức mà nghịch lưu

nguồn áp ba pha thông thường không thể thực hiện được. Theo Hình 3. 4 với nghịch

lưu 5 mức, những vector chuẩn có CMV bằng không được ký hiệu thêm bởi những vòng tròn màu xanh sẽ được lựa chọn để điều chế. Ví dụ, vector điện áp V19 có hai trạng thái của mạch nghịch lưu là (1;-2;-2) và (2;-1;-1). Trong kỹ thuật điều chế này, trạng thái mạch nghịch lưu (2;-1;-1) có điện áp common mode bằng không sẽ được lựa chọn để tạo ra vector điện áp chuẩn.

Đối với phương pháp điều khiển FCS - MPC có cấu trúc như Hình 3.1, khâu điều chế độ rộng xung được ẩn đi. Vì thế, việc triệt tiêu điện áp common mode là chưa được thực hiện khi áp dụng cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng. Do đó, để xử lý vấn đề tối ưu điện áp common-mode, cần phải bổ sung thêm thành phần này trong mục tiêu của bộ điều khiển dự báo. Phương trình (3.12) thực hiện vai trò triệt tiêu

điện áp common mode của bộđiều khiển dựbáo dòng điện.

  1 ZN dc v k g V  (3. 12)

Trong đó, vZN k là điện áp common-mode tại thời điểm thứk.

19

V

(1;-2;-2) (2;-1;-1)

Hình 3. 4. Minh họa vector chuẩn có mức trạng thái có CMV=0 của nghịch lưu 5 mức cấu trúc cầu H nối tầng

75 Với việc phương trình (3.12) được bổ sung trong việc tối ưu hóa hàm mục tiêu của bộ điều khiển dự báo, vector điện áp dự báo cho chu kỳ tiếp theo sẽ là vector thỏa mãn đồng thời sai lệch dòng điện cho phép và có điện áp common mode nhỏ nhất.

Tương tựnhưkhi có khâu điều chế, khi muốn triệt tiêu điện áp common mode thì bộ điều khiển dựbáo dòng điện chỉ lựa chọn các vector điện áp có common mode bằng không.

Khi xây dựng vector điện áp không gian cho nghịch lưu đa mức, với yêu cầu về

triệt tiêu điện áp common mode, vector điện áp chuẩn sẽđược xác định từ trạng thái của mạch nghịch lưucó điện áp common mode nhỏ nhất. Việc xác định vector điện áp chuẩn này đã được trình bay tại chương 2. Ví dụ, với nghịch lưu 11 mức cấu trúc cầu H nối tầng sẽ lựa chọn được 331 vector điện áp chuẩn từ 1331 trạng thái của mạch nghịch lưu thể hiện như trên Hình 1.6.

3.2.2. Tối ưu số lần đóng cắt van bán dẫn

Tương tựnhư việc triệt tiêu điện áp common mode, tối ưu tần sốđóng van bán dẫn

cũng sẽđược kiểm soát bởi khâu điều chếđộ rộng xung cho bộ nghịch lưu. Đối với

phương pháp điều khiển FCS - MPC có cấu trúc như Hình 3.1, khâu điều chếđộ rộng xung được ẩn đi. Vì thế, việc tối ưu tần số đóng cắt van bán dẫn là chưa được thực hiện khi áp dụng cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng. Theo nguyên lý điều khiển FCS – MPC, vector điện áp được chọn có thể là bất kỳ vector nào, miễn là thỏa mãn hàm mục tiêu theo phương trình (3.11). Do đó, số lần đóng cắt của van bán dẫn có thể rất lớn. Điều này làm tăng tổn hao trên hệ thống do việc đóng cắt van gây ra. Đặc biệt, với bộđiều khiển dựbáo dòng điện yêu cầu tần số trích mẫu cao trong khoảng

10 100 s[49]. Để kiểm soát số lần đóng cắt của van bán dẫn, cần phải coi đây là

một mục tiêu trong bộđiều khiển dựbáo dòng điện. Tối ưu số lần đóng cắt van bán dẫn được đưa ra bởi phương trình (3.13).

           

2 A A 1 B B 1 C C 1

g  k k k k k k k k  k k k k (3. 13)

Trong đó, k k kA, B, C là mức điện áp đầu ra ba pha A B C, ,  của nghịch lưu.

Với việc phương trình (3. 13) được bổ sung để tối ưu hóa hàm mục tiêu của bộ điều khiển dựbáo, vector điện áp dự báo cho chu kỳ tiếp theo sẽ là vector thỏa mãn

đồng thời sai lệch dòng điện cho phép và số lần thay đổi mức trên mỗi pha là nhỏ

nhất. Như vậy, bản chất phương trình (3. 13) là để xác định thay đổi mức trên mỗi pha giữa hai chu kỳ trích mẫu liên tiếp. Tuy nhiên, nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng, với một mức điện áp trên mỗi pha sẽ có nhiều cách sắp xếp mức của từng cầu H đơn khác nhau. Dođó, để có thể tối ưu số lần đóng cắt làm việc hiệu quả, tương ứng với mỗi mức điện áp pha, cần giữ cốđịnh cách lựa chọn số lượng cầu H tham

76

gia điều chế cũng như cách lựa chọn van đóng cắt. Cách lựa chọn van chi tiết cho từng mức điện áp mỗi pha được thể hiện trong Bảng 3. 1.

Bảng 3. 1. Bảng trạng thái đóng cắt. x k kxikxi,1;kxi,3   1 1,1; 1,3 x x x k k k kx2kx2,1;kx2,3 kx3kx3,1;kx3,3 kx4kx4,1;kx4,3 kx5kx5,1;kx5,3 +5 1(1;0) 1(1;0) 1(1;0) 1(1;0) 1(1;0) +4 1(1;0) 1(1;0) 1(1;0) 1(1;0) 0(0;0) +3 1(1;0) 1(1;0) 1(1;0) 0(0;0) 0(0;0) +2 1(1;0) 1(1;0) 0(0;0) 0(0;0) 0(0;0) +1 1(1;0) 0(0;0) 0(0;0) 0(0;0) 0(0;0) 0 0(0;0) 0(0;0) 0(0;0) 0(0;0) 0(0;0) -1 0(0;0) 0(0;0) 0(0;0) 0(0;0) -1(0;1) -2 0(0;0) 0(0;0) 0(0;0) -1(0;1) -1(0;1) -3 0(0;0) 0(0;0) -1(0;1) -1(0;1) -1(0;1) -4 0(0;0) -1(0;1) -1(0;1) -1(0;1) -1(0;1) -5 -1(0;1) -1(0;1) -1(0;1) -1(0;1) -1(0;1)

Trong Bảng 3. 1, biến xa b c, ,  biểu thị cho tên pha, i 1 5 biểu thị cho số thứ

tự của cầu H trong pha x, kxi,1;kxi,3 là trạng thái của van 1 và 3 trong cầu H thứ i

của pha x, kxi là mức điện áp đầu ra của cầu H thứ i của pha x, kx là mức điện áp

đầu ra của pha x

3.2.3. Giảm thiểu khối lượng tính toán hàm mục tiêu

Khi hệ thống vận hành ở chếđộổn định, vector điện áp V được lựa chọn tuần tự để tạo ra dòng điện hình sin chuẩn. Ở hai khoảng thời gian trích mẫu liên tiếp, hai vector điện áp được lựa chọn sẽcó biên độ và góc pha xấp xỉnhau. Do đó, trong mỗi chu kỳ trích mẫu Ts, thay vì sử dụng toàn bộ 331 vector để tính toán hàm mục tiêu, ta chỉ cần lựa chọn các vector trong phạm vi nhỏhơn. Đã có một số nghiên cứu như

[68]đề xuất rằng chỉ lựa chọn 7 vector tham gia tính toán hàm mục tiêu. Tuy nhiên,

phương án này sẽ khiến cho thời gian đáp ứng của hệ thống tăng lên, làm giảm chất

lượng của bộđiều khiển. Vì vậy, ởđây đề xuất sử dụng phạm vi vector rộng hơn. Cụ

thể, mỗi một chu kỳ trích mẫu sẽ có một nhóm 19 vector tham gia tính toán hàm mục

tiêu. Nhóm này được tạo thành từ vector điện áp được chọn ở chu kỳ trích mẫu trước và 18 vector liền kề với vector này. Phương án này sẽ giúp giảm thời gian đáp ứng xuống, đồng thời cũng không ảnh hưởng tới thời gian thực thi của vi xử lý do các dòng FPGA hiện nay cho phép thực hiện các phép tính song song.

77 Một ví dụ về nhóm 19 vector tham gia tính toán hàm mục tiêu được minh họa trên

Hình 3. 5 , vector V39 (hình tròn màu xanh) là vector được lựa chọn trong chu kỳ

trích mẫu trước, 18 vector liền kề với nó là những vector biểu diễn bởi hình tròn màu cam. Một cách định lượng hóa, thì tập hợp 19 vector được xác định dựa vào khoảng cách từ vector được lựa chọn trong chu kỳ trích mẫu trước tới các vector khác, được

tính theo phương trình (3. 14). V7 V8 V9 V20 V19 V21 V22 V37 V93 V94 V95 V38 V39 V40 V41 V62 V63 V64 V65 V0 V1 V2 V61 V91 V92 V66 V96 V97

Hình 3. 5. Minh họa một tập hợp 19 vector.

    2 2 , x y x y x y d v v  vv  v v  (3. 14) y v được gọi là một vectorliền kề của vx nếu   4 , 3 x y dc d v v  V . Bộ vector liền kề

tương ứng với từng vector của hệ thống sẽ được xác định sẵn và đưa vào cơ sở dữ

liệu của bộđiều khiển MPC.

Với phương án thực hiện như vậy, hàm mục tiêu chỉ được thực hiện 19 lần trong mỗi chu kỳ trích mẫu, giảm được một lượng lớn so với khi xét đến toàn bộ các vector. Con số này sẽkhông đổi cho dù số mức của bộ nghịch lưu không phải 11 mức mà nhiều mức hoặc ít mức hơn.

3.2.4. Hàm mục tiêu của thuật toán MPC cải tiến

Để giải quyết hạn chế của phương pháp FCS - MPC truyền thống, luận án đề xuất

phương pháp điều khiển FCS – MPC cải tiến với hàm mục tiêu bổ sung thành phần triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu đóng cắt. Cấu trúc của phương pháp điều khiển dựbáo dòng điện đề xuất được thể hiện như Hình 3. 6

78 Với: [ ] A i B C k V k V k k            

là vector không gian của điện áp tại thời điểm thứ k

,

xi j

S là van thứ j của cầu thứ i trong pha x xA B C, , ;i 1 5;j 1 4

Hàm mục tiêu đề xuất của phương pháp điều khiển FCS - MPC cải tiến cho nghịch

lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng như sau:

0 cm 1 sw 2

gg  g  g (3. 15)

Trong đó: cm là trọng số của triệt tiêu điện áp common mode.

w

s

 là trọng số của tối ưu đóng cắt.

Như vậy, hàm mục tiêu gồm 3 yêu cầu:

Yêu cầu 1: Tối ưu sai lệch giữa dòng điện đặt và dòng điện dựbáo được thực hiện bởi g0.

Yêu cầu 2: Tối ưu common mode được thực hiện bởi g1. Yêu cầu 3: Tối ưu đóng cắt được thực hiện bởi g2.

Với hàm mục tiêu có trọng số: Các trọng số trong hàm mục tiêu là hằng số được

xác định qua thử sai. Tuy nhiên, trong các quá trình hoạt động khác nhau, tuy trọng số không đổi nhưng đầu vào sai lệch sẽ khác nhau đã làm cho hàm mục tiêu sẽđưa ra ưu tiên tối ưu khác nhau để có bộđiều khiển tốt nhất. Ví dụ, trong điều kiện quá

độ thì sai lệch dòng điện là lớn do đó trong điều kiện này sai lệch dòng điện có tỉ

trọng lớn trong hàm mục tiêu. Vì vậy, bộđiều khiển sẽ lựa chọn các giá trị điện áp làm cho sai lệch dòng điện nhỏ nhất. Trong điều kiện ổn định, sai lệch dòng điện nhỏ đi thì các mục tiêu về tối ưu common mode, tối ưu đóng cắt sẽtác động đểđạt được mục tiêu đặt ra của bộđiều khiển.

Để đảm bảo cân bằng đáp ứng động học và khối lượng tính toán, hàm mục tiêu

như phương trình (3.9) sẽ thực hiện cho 19 vector điện áp liền kề trong một chu kỳ

trích mẫu đã đề xuất. Vector điện áp khiến cho hàm mục tiêu đạt cực tiểu thì sẽđược lựa chọn đểđưa vào điều chế cho bộ nghịch lưu. Sau đó, dựa theo Bảng 3. 1 để xác

định trạng thái đóng cắt cho các van tương ứng với vector điện áp như đã lựa chọn bên trên. Bên cạnh đó, với việc lựa chọn thiết bị điều khiển là FPGA cho phép thực hiện song song các lượt tính toán, vì thế thời gian tính toán của 19 lượt vector điện

áp này tương đương một lượt tính toán. Lưu đồ thuật toán thuật toán cho 19 vector

79 Tối ưu đóng cắt (3.13) Tối thiểu hóa hàm mục tiêu (3.15)

Bộ điều khiển dự báo

Bảng trạng thái đóng cắt (Bảng 3.1) Mô hình dự báo dòng stator (3.2) MHTT (3.3)

Tối ưu sai lệch dòng điện

(3.11)

Tối ưu điện áp

common- mode (3.12) _ _ Trích mẫu Vi điều khiển dq  abc  Trích mẫu CHB - MLI { IM E Rѱ Rω

Hình 3. 6. Cấu trúc điều khiển của thuật toán MPC cải tiến cho hệ thống nghịch lưu đa mức nối tải động cơ.

Xác định tập hợp 19 vector g0 (3.11) g1 (3.12) g2 (3.13) g (3.15) Xác định giá trị cực tiểu ...... ... Kết thúc Bắt đầu

Hình 3. 7. Lưu đồ thuật toán triển khai phương pháp MPC đề xuất trên vi điều khiển.

3.3. Mô phỏng kiểm chứng

3.3.1. Kết quả mô phỏng với trường hợp không có lỗi van bán dẫn

Tính đúng đắn và hiệu quả của thuật toán MPC cải tiến cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng nối tải động cơ được kiểm chứng bằng mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB-Simulink. Cụ thể, thuật toán được áp dụng cho bộ nghịch lưu ba pha 11

mức cầu H nối tầng, với tải là động cơ trung thế, chu kỳ trích mẫu T 50s. Các thông số mô phỏng hệ thống được thể hiện trong Phụ lục 5. Các mạch vòng bên ngoài

80 thiết kếđầy đủđể phục vụ cho mô phỏng. Trong mô phỏng này để thể hiện được rõ

hơn các dạng dòng điện, điện áp nên chọn momen quán tính của động cơ j=10 (kg.m2)

a, Mô phỏng với tải quạt gió

Kịch bản mô phỏng bao gồm các giai đoạn là từhóa động cơ, tăng tốc, ổn định. Giá trịlượng đặt cho các bộđiều khiển từ thông và tốc độđược thể hiện trong Bảng 3. 2.

Bảng 3. 2. Giá trị đặt của các bộ điều khiển PI.

Thời điểm (s) 0 0,7

Từthông đặt (Wb) 7,4

Tốc độđặt (rpm) 0 1470 Với tải là quạt gió, momen tải sẽđược xác định như sau:

2 2dm . t dm M M n n        (3. 16)

Trong đó, Mdmvà ndm lần lượt là momen định mức và tốc độđịnh mức của động

cơ, n là tốc độ tức thời của động cơ.

Do trong giai đoạn tăng tốc, giá trị sai lệch của dòng điện rất lớn, nên các thành phần trọng số tối ưu điện áp common-mode và tối ưu số lần đóng cắt van bán dẫn chỉ được sử dụng khi động cơ đã đạt tốc độ ổn định. Giá trị các trọng số trong từng giai

đoạn khảo sát được thể hiện chi tiết trong Bảng 3. 3.

Bảng 3. 3. Giá trị các trọng số trong các giai đoạn khảo sát.

Thời điểm (s) 0 – 0,9 0,9 – 1,3 1,3 – 1,5 1,5 – 1,9 Trọng số tối ưu điện áp

common-mode 0 50 0 50

Thời điểm (s) 0 – 1,1 1,1 – 1,3 1,3 – 1,7 1,7 – 1,9 Trọng số tối ưu đóng cắt 0 6 0 6

Kết quảđáp ứng của các bộđiều khiển từ thông và tốc độ được thể hiện trên các

Hình 3. 8, Hình 3. 9. Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian quá độ của từthông động

cơ là 0,47 (s). Khi động cơ quay thuận, tốc độ động cơ không xuất hiện độquá điều chỉnh, thời gian quá độ là 0,1 (s), có thể thấy rằng tốc độ của động cơ đáp ứng rất nhanh.

Momen động cơ có đáp ứng rất tốt với độđập mạch lớn nhất bằng 1%.

81

Hình 3. 14, Hình 3. 13 cho thấy dòng điện bám giá trị đặt rất tốt. Dạng điện áp common-mode được thể hiện trên Hình 3. 13. Tại các thời điểm mà thành phần trọng số tối ưu điện áp common mode được sử dụng, điện áp common mode đã được triệt tiêu hoàn toàn.

Dạng điện áp trên pha A trước và sau thời điểm sử dụng trọng số tối ưu đóng cắt

được thể hiện trên Hình 3. 15. Có thể thấy rằng số lần đóng cắt van bán dẫn cũng đã

giảm đi đáng kể (độ dày của tín hiệu điện áp giảm rõ rệt). Cụ thể, khảo sát số lần chuyển mức pha A trong khoảng thời gian 0,02 s trước và sau khi áp dụng trọng số

tối ưu đóng cắt cho các trường hợp động cơ quay thuận và quay ngược, thu được kết