L ỜI CẢM ƠN
1.2.3. Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện
* Phương pháp điều khiển dự báo (MPC): phương pháp điều khiển dự báo với nguyên lý cơ bản là dựa vào mô hình trạng thái, quá trình trễ, tối ưu hóa hàm mục tiêu và cùng với lý thuyết điều khiển dựbáo để tối ưu giá trị [47]. MPC có ưu điểm là khái niệm trực quan, thiết kếđơn giản và phù hợp với đối tượng phi tuyến [48].
MPC lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1960 và được ứng dụng nhiều trong công nghiệp vào năm 1970 [49]. Từ những năm 1980, MPC bắt đầu được ứng dụng
trong điện tử công suất, lúc này do hạn chế về kỹ thuật xử lý nên nó chỉ được ứng dụng cho các hệ thống tần số thấp [23], [50], [51]. Về bản chất điều khiển dự báo gồm nhiều các phương pháp điều khiển khác nhau có chung một đặc điểm, đó là sử
dụng các mô hình toán học của hệ thống để dựđoán hành vi tương lai [52]. Việc thực hiện được bộđiều khiển MPC yêu cầu những phức tạp về mặt toán học, đòi hỏi năng
lực tính toán của bộ vi xử lý phải lớn. Trong một thập kỉ trở lại đây, sự phát triển của các bộ vi xử lý với tốc độcao như DSP, FPGA… đã đáp ứng được yêu cầu vềđộ tính
14 toán lớn của MPC [53], [54]. Vì vậy, việc áp dụng MPC cho điện tử công suất và truyền động điện đã khảthi hơn trong thực tế [55].
Với đối tượng là các bộ biến đổi điện tử công suất, điều khiển dựbáo được chia làm 2 loại [55]: Điều khiển Continuous control set- MPC (CCS- MPC): Tính toán các giá trịđiều khiển liên tục đểđưa vào bộđiều chếđộ rộng xung, từđó thu được điện
áp đầu ra của bộ công suất. Ưu điểm của phương pháp này là đưa ra tần số chuyển mạch định trước, nhưng sẽ tạo ra sự phức tạp khi triển khai thuật toán; Điều khiển Finite control set- MPC ( FCS- MPC): Dựa trên sốlượng trạng thái đóng cắt hữu hạn, bộđiều khiển đánh giá trực tiếp từng trạng thái chuyển mạch sao cho đảm bảo mục
đích điều khiển mà hệ thống đề ra. Cách tiếp cận này cho phép các sơ đồđiều khiển linh hoạt và đơn giản hơn, không cần bộ điều chếđộ rộng xung do bộđiều khiển sẽ
tính toán ra trạng thái chuyển mạch tối ưu và áp dụng trực tiếp lên mạch lực. FCS – MPC có 2 phương pháp điều khiển dự báo đó là điều khiển dự báo momen (PTC) và
điều khiển dựbáo dòng điện PCC [56], [57]. FCS-MPC được ứng dụng thành công
trong điện tử công suất, bao gồm bộ biến đổi DC-DC, DC-AC, AC-DC, và AC-AC [58]. Đối với hệ thống truyền động điện thì MPC đã được ứng dụng rộng rãi cho máy
điện xoay chiều, trong đó là động cơ KĐB-RLS [59] hay như động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu [60], hay như với động cơ nhiều pha [61], bên cạnh đó MPC có thể
sử dụng ở cấu trúc điều khiển không cảm biến [62]. Do đó, FCS – MPC sẽđược lựa chọn để thực hiện trong nghiên cứu này.
Việc loại bỏ khâu tổng hợp vector điện áp từ ba vector gần nhất giúp giảm đáng
kể thời gian tính toán và độ phức tạp của thuật toán điều khiển, từ đó cải thiện đáp ứng động học của hệ thống. Tuy nhiên, việc không có khâu điều chế dẫn tới không thực hiện được các mục tiêu khác của điện tử công suất như: Tối ưu common mode,
tối ưu đóng cắt, cân bằng điện áp trên tụ,…Vì vậy, nhiệm vụ này phải được thực hiện trong hàm mục tiêu của bộđiều khiển dựbáo dòng điện [55], [56]. Điện áp commode gây ra do việc đóng cắt tạo ra vector điện áp các pha có tần số là bội của tần số cơ
bản UAUBUC 0 điện áp này gây ra dòng rò trong động cơ. Vấn đềđiều chế của bộ biến đổi giảm thiểu điện áp common mode cho nghịch lưuđa mức cấu trúc cầu H nối tầng được trình bày trong [63]. Với việc lựa chọn các vector điện áp có common module nhỏ nhất đểđiều chếđã làm giảm CMV của nghịch lưu đa mức. Tuy nhiên việc điều chế và lựa chọn vector điện áp có CMV với bộ biến đổi có mức cao còn
khó khăn. Bên cạnh đó, việc không linh động trong việc thay đổi CMV có thể gây ra
ảnh hưởng đến chất lượng hệ truyền động. Để khắc phục nhược điểm này, phương
pháp MPC cho phép tối ưu CMV trong hàm mục tiêu bên cạnh các mục tiêu quan
trọng của bộ điều khiển [64], [58]. Với phương pháp này điện áp CMV là một đại
lượng được điều khiển và được đại diện bởi một thành phần có trọng số của hàm mục tiêu. Việc thay đổi trọng số này sẽlàm cho điện áp CMV thay đổi một cách dễ dàng
15 tuy thuộc yêu cầu của bộđiều khiển. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện có mới chỉ áp dụng cho các nghịch lưu nguồn áp 3 pha thông thường
Bên cạnh đó, điều khiển MPC đòi hỏi chu kỳ trích mẫu phải đủ nhỏ khoảng
10 100 s[49], [55]. Do đó, tần số đóng cắt của bộ biến đổi cũng tăng lên làm tổn thất trong quá trình đóng cắt tăng lên. Các nghiên cứu [65]–[67] đã thực hiện đưa tần sốđóng cắt là một đại lượng điều khiển và cũng được đại diện bằng một thành phần có trọng số trong hàm mục tiêu điều khiển. Việc thay đổi trọng số này đã làm thay đổi tần sốđóng cắt của bộ biến đổi. Tuy nhiên khi tần sốđóng cắt giảm cũng làm cho
chất lượng dòng điện, điện áp giảm xuống nên cần lựa chọn trọng số phù hợp mục
tiêu điều khiển và chất lượng của hệ truyền động.
Một trong những hạn chế của phương pháp điều khiển MPC là yêu cầu khảnăng
tính toán lớn của bộ điều khiển. Đặc biệt, khi hệ truyền động được cấp nguồn bởi nghịch lưuđa mức thì sốlượng vector điện áp tăng nhanh theo số mức. Do đó, khối lượng tính toán của phương pháp sẽ tăng lên theo số tăng của vector điện áp. Tuy nhiên, khối lượng tính toán quá lớn có thể không thể thực hiện được do hạn chế tài nguyên của thiết bịđiều khiển. Bên cạnh đó, việc tính toán khối lượng quá lớn sẽ làm cho thời gian tính toán tăng lên, làm ảnh hưởng đến chất lượng bộđiều khiển. Đã có
khá nhiều nghiên cứu về vấn đề giảm sốlượng tính toán của phương pháp điều khiển MPC. Ở [68] đề xuất phương pháp sử dụng 7 vector điện áp không gian liền kề. Bằng việc cố định chỉ lựa chọn 1 trong 7 vector điện áp xung quanh vector điện áp ở chu kỳtrước. Điều này đã đảm bảo là với bộ biến đổi có mức bất kỳ thì sốlượng tính toán
là không đổi. Ở [69], [70] lựa chọn 3 vector liền kề từvector điện áp dựbáo. Điều
này cũng tạo ra sốlượng tính toán cốđịnh với bất kỳ mức nào của bộđiều khiển. Tuy nhiên, việc giảm các lựa chọn vector điện áp của hàm mục tiêu sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng bộđiều khiển đặc biệt là quá trình quá độ, bên cạnh đó với hàm đa mục tiêu bao gồm sai lệch dòng điện stator, tối ưu common mode, tối ưu đóng cắt các
phương pháp đề xuất là khó khả thi và sẽ làm cho chất lượng hệ truyền động giảm xuống. Do đó, các phương pháp trên mới thử nghiệm với hàm mục tiêu không có trọng số. Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lưu đa mức không dùng khâu điều chế sẽ rất phù hợp cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng do giảm được khối tính toán tươngđối phức tạp của khâu điều chế. Tuy nhiên, phương pháp này cũng đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán phải nhanh là vấn đề của nghiên cứu đặt ra.
Qua các công trình nghiên cứu tại mục 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3 nhận thấy rằng, đối với cấu trúc biến tần đa mức cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ theo nguyên lý FOC, có thể dùng bộ điều khiển dòng điện (tuyến tính, phi tuyến) cùng với khâu điều chế, hay như bộđiều khiển dự báo dòng điện thì đặt điện áp lên động cơ về biên độ và góc pha theo yêu cầu. Tuy nhiên thấy rằng, với các công trình khoa học hiện
16
có chưa đặt ra vấn đề đồng thời triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu đóng cắt van bán dẫn. Vì vậy, đây là một trong những mục tiêu nghiên cứu của luận án.
1.2.4. Phát hiện và xử lý lỗi của nghịch lưu đa mứckhi xảy ra lỗi van công suất
Với việc tăng số mức, khảnăng xảy ra lỗi một hoặc nhiều van bán dẫn hoàn toàn có thể xảy ra [2]. Thông thường thiết bị bảo vệ sẽtác động để ngắt nghịch lưu ra khỏi
lưới điện nếu bị lỗi, dẫn đến động cơ dừng làm việc. Việc dừng đột ngột động cơ
trong thực tếđôi khi có thể gây ra sự cố nghiêm trọng, ví dụnhư hiện tượng búa nước trong hệ thống bơm cột áp cao. Mặt khác, nếu tiếp tục làm việc trong điều kiện lỗi có thể dẫn đến điện áp đầu ra mất cân bằng gây nguy hiểm cho động cơ nếu chạy liên tục trong một thời gian dài. Do đó, kỹ thuật xửlý trong điều kiện xảy ra lỗi để duy trì hoạt động chủđộng của nghịch lưu là rất quan trọng. Để đạt được điều đó, cần thực hiện hai việc: (1) phát hiện vị trí có lỗi; (2) cấu hình lại nghịch lưu và thay đổi thuật
toán điều chế.
a. Phát hiện lỗi của nghịch lưu đa mức
Đối với lỗi của nghịch lưu đa mức, 38% là do lỗi của van bán dẫn công suất gây nên [3]. Lỗi của van bán dẫn công suất được chia làm 2 nhóm chính: hở mạch và ngắn mạch van bán dẫn [71]. Việc phát hiện nhanh, chính xác vị trí của lỗi giúp giảm
ảnh hưởng của lỗi đến nghịch lưu và hệ truyền động. Do đó, đã có nhiều phương pháp đề xuất để phát hiện lỗi:
* Phương pháp phân tích phổ của dòng điện đầu ra [72]. Phương pháp này dựa trên phân tích THD của dòng điện đầu ra. Bằng việc dựa trên sai khác về giá trị THD của
dòng điện trên các pha, sẽ tìm được cầu H công suất bị lỗi. Với việc đo liên tục về
THD của dòng điện đầu ra đòi hỏi mạch đo dòng phải chính xác cao, khảnăng tính
toán của phần cứng phải rất nhanh.
* Phương pháp dựa vào sai lệch điện áp điều chếvà điện áp ra thực tế của cell [73], [74]. Bằng việc so sánh giữa sóng sin điều chếvà sóng răng cưa, để xác định được
xung điều khiển cho các van bán dẫn, điện áp đầu ra theo điều chế của cell công suất. Lỗi được xác định là khi có sai khác của 2 đại lượng này, sơ đồ khối thể hiện như
Hình 1. 7, đây là phương án tương đối đơn giản, dễ thực hiện. Tuy nhiên, nghiên cứu mới chỉ ra phát hiện lỗi cho phương pháp dịch mức sóng mang. Do đó, việc phát triển thuật toán phát hiện lỗi cho phương pháp điều chế vector không gian (SVM) của nghịch lưu đa mức đặc biệt là khi số mức tăng cao là hướng nghiên cứu cần thực hiện.
* Phương pháp dùng mạng neural phân loại THD của điện áp đầu ra từđó phát
hiện ra lỗi [75], [76]. Tương tựnhư phương pháp trên phương pháp này cũng đòi hỏi phần cứng xử lý mạnh và cơ cấu mạch đo có độ chính xác rất cao. Bên cạnh đó, sử
17 Vout Vdc 1 -1 TH -TH Reference Calculation Vref Vg1 Vg2 Vgn Active Cell Composer Comparator CNT1 CNT2 >CT1 >CT2 Fault signal Fault Detection Block Fault Cell Cellx Set Reset Error=0 Error=0
Hình 1. 7. Sơ đồ khối phát hiện lỗi theo sai lệch điện áp [73].
AC source n-Loads Cost function minimization CHB model prediction PLL Sin() Reference current prediction Luenberger observer Fault detection and localization is* vo,i* is>(k+1)
For selected Sj,i
vs CHB Cells vs is vo,i vo,i vo,i is vs θs ϕ + + vo,i vo,i* io,i < vs Is,pk
Hình 1. 8. Sơ đồ khối phát hiện lỗi theo sai lệch dòng điện với dòng dự báo [77].
dụng mạng neural đòi hỏi phải có dữ liệu lớn, tuy nhiên khi có bất kỳ sựthay đổi về
cấu hình của cầu H (tăng hoặc giảm số mức) cần có bộ dữ liệu mới.
* Phương pháp dựa vào sai lệch dòng điện dựbáo và dòng điện đo được từđó phát
hiện ra lỗi [77], [78]. Việc dựa vào mô hình đối tượng, tác giảđã dựbáo dòng điện ở
thời điểm i(k+1). Sự sai khác của tính hiệu dự báo i(k+1) và dòng điện đo được ở
i(k+1) sẽso sánh bước thay đổi của dòng. Lỗi của nghịch lưu được xác định khi sự
sai khác này lớn hơn giá trịngưỡng đặt trước, sơ đồ khối thể hiện nhưHình 1. 8. Với
18 trong việc phát hiện lỗi. Tuy nhiên, phương pháp này cũng đòi hỏi mạch đo chính xác
rất cao để có thể phát hiện lỗi chính xác. Bên cạnh đó, phương pháp cũng đòi hỏi phải có mô hình chính xác cao, thời gian tính toán nhanh.
Luận án này sẽđề xuất một phương án chẩn đoán lỗi hở mạch van bán dẫn công suất dựa trên việc so sánh sựtương ứng giữa điện áp đầu ra cầu H công suất thực tế và điện áp đầu ra cầu H công suất theo tín hiệu điều khiển. Khi có sự sai khác bất
thường xảy ra, cell công suất được xác định là có lỗi và bị loại bỏ bằng phần mềm và phần cứng trong thời gian nhỏ nhất có thể, dễ dàng thực hiện, mạch đo điện áp không yêu cầu vềđộ chính xác quá cao. Việc mô phỏng và thực nghiệm thuật toán đề xuất sẽ chứng minh được tính đúng đắn thuật toán.
b. Xử lý lỗi
Sau khi đã phát hiện được lỗi, cell công suất bị lỗi sẽđược loại bỏ thông qua thiết bịđóng cắt. Sau đó, sẽ áp dụng thuật toán điều chếtrong trường hợp bị lỗi. Đã có khá
nhiều nghiên cứu về về việc khắc phục lỗi trong bộ nghịch lưu.
Hình 1. 9.Hình ảnh mô tả phương pháp “bypass cell” [47]
HA5 HA4 HA3 HA2 HA1 HB1 HB2 HB3 HB4 HB5 HC1 HC2 HC3 HC4 VAB VBC 120o 120o HA4 HA3 HA2 HA1 HB1 HB2 HB3 HC1 HC2 HC3 HC4 HC5 VAB VCA VBC
Lỗi cell HA5, HB4,HB5 Dịch điểm trung tính
HC1 HC2 HC3 HC4 HC5 VAB VBC αo o βo µ VCA HC5 VCA 120o 120o 120o 120o
19
* Phương pháp “bypass cell” chứa van bán dẫn bị lỗi được đề xuất ở tài liệu [80].
Phương pháp này tương đối đơn giản, dễ thực hiện, tạo ra điện áp cân bằng giữa các pha. Bằng cách thực hiện loại bỏ cầu H bị lỗi và các cầu H không bị lỗi ở các pha
tương ứng đểđảm bảo dòng điện, điện áp các pha là cân bằng. Do các cell không bị
lỗi ởcác pha tương ứng cũng sẽ bị loại bỏ dẫn đến điện áp đầu ra bị suy giảm lớn. Sơ đồ nguyên lý thể hiện như Hình 1. 9.
a) b)
c) d)
Hình 1. 11. Ảnh hưởng của vector điện áp ra khi mạch nghịch lưu xảy ra lỗi.
(a)Dạng vector điện áp ra khi cell HA1 bị lỗi. (b) Dạng vector điện áp ra khi cell HB1 bị lỗi. (c) Dạng vector điện áp ra khi cầu HA1, HB1 bị lỗi. (d) Dạng
vector điện áp ra khi cầu HA1, HB1, HC1 bị lỗi.
* Để khắc phục nhược điểm của phương pháp “bypass cell”, phương pháp dịch
điểm trung tính đã được đề xuất ở tài liệu [79], [41]. Với phương pháp này, chỉ cầu H lỗi bị loại bỏ dẫn đến điện áp ra thường lớn hơn so với phương pháp “bypass cell”. Sơ đồ nguyên lý dịch điểm trung tính thể hiện như Hình 1. 10.
20 * Kỹ thuật điều chế vector không gian để xử lý lỗi được đề xuất ở [81]. Bằng việc
xác định vùng ảnh hưởng của không gian vector điện áp khi xảy ra lỗi của cell công suất trên các pha như Hình 1. 11,vector điện áp không bị lỗi là hình tròn, vector điện áp lỗi thể hiện là hình tam giác. Nghiên cứu đã chỉra được điện áp lớn nhất mà nghịch
lưu đa mức có thể tạo ra mà vẫn đảm bảo các điều kiện về cân bằng điện áp, dòng
điện. Phương pháp này mang lại hiệu quảtương đương với phương pháp dịch điểm trung tính. Tuy nhiên, cả hai phương pháp trên đều khá phức tạp, đặc biệt là khi số