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 đƣợc định nghĩa là chênh lệch điện thế giữa điểm trung tính của tải và điểm trung tính của bộ nghịch lƣu, đƣợc xác định theo phƣơng trình (2.18). Nhƣ đã đề cập trong [1], [63], [85] điện áp này gây ra ảnh hƣởng 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.

77 Thông thƣờng, điện áp common mode sẽ đƣợc kiểm soát bởi khâu điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lƣu. 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 đƣợc 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 lƣu đa mức mà nghịch lƣu nguồn áp ba pha thông thƣờng không thể thực hiện đƣợc. Theo Hình 3. 4 với nghịch lƣu 5 mức, những vector chuẩn có CMV bằng không đƣợc ký hiệu thêm bởi những vòng tròn màu xanh sẽ đƣợc lựa chọn để điều chế. Ví dụ, vector điện áp V19 có hai trạng thái của mạch nghịch lƣu là (1;-2;-2) và (2;-1;-1). Trong kỹ thuật điều chế này, trạng thái mạch nghịch lƣu (2;-1;-1) có điện áp common mode bằng không sẽđƣợc lựa chọn để tạo ra vector điện áp chuẩn.

Đối với phƣơng pháp điều khiển FCS - MPC có cấu trúc nhƣ Hình 3.1, khâu điều chế độ rộng xung đƣợc ẩn đi. Vì thế, việc triệt tiêu điện áp common mode là chƣa đƣợc thực hiện khi áp dụng cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng. Do đó, để xử lý vấn đề tối ƣu điện áp common-mode, cần phải bổ sung thêm thành phần này trong mục tiêu của bộ điều khiển dự báo. Phƣơng 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)

78 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

Với việc phƣơng trình (3.12) đƣợc bổ sung trong việc tối ƣu 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. Tƣơng tự nhƣkhi có khâu điều chế, khi muốn triệt tiêu điện áp common mode thì bộ điều khiển dự báo dòng điện chỉ lựa chọn các vector điện áp có common mode bằng không.

Khi xây dựng vector điện áp không gian cho nghịch lƣu đa mức, với yêu cầu về triệt tiêu điện áp common mode, vector điện áp chuẩn sẽđƣợc xác định từ trạng thái của mạch nghịch lƣucó điện áp common mode nhỏ nhất. Việc xác định vector điện áp chuẩn này đã đƣợc trình bay tại chƣơng 2. Ví dụ, với nghịch lƣu 11 mức cấu trúc cầu H nối tầng sẽ lựa chọn đƣợc 331 vector điện áp chuẩn từ 1331 trạng thái của mạch nghịch lƣu thể hiện nhƣ trên Hình 1.6.

3.2.2. Tối ưu số lần đóng cắt van bán dẫn

Tƣơng tự nhƣ việc triệt tiêu điện áp common mode, tối ƣu tần số đóng van bán dẫn cũng sẽđƣợc kiểm soát bởi khâu điều chếđộ rộng xung cho bộ nghịch lƣu. Đối với phƣơng pháp điều khiển FCS - MPC có cấu trúc nhƣ Hình 3.1, khâu điều chếđộ rộng xung đƣợc ẩn đi. Vì thế, việc tối ƣu tần sốđóng cắt van bán dẫn là chƣa đƣợc

79 thực hiện khi áp dụng cho nghịch lƣu đa mức cầu H nối tầng. Theo nguyên lý điều khiển FCS – MPC, vector điện áp đƣợc chọn có thể là bất kỳ vector nào, miễn là thỏa mãn hàm mục tiêu theo phƣơng 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 bộ điều khiển dự báo dòng điện yêu cầu tần số trích mẫu cao trong khoảng10 100 s[49]. Để kiểm soát số lần đóng cắt của van bán dẫn, cần phải coi đây là một mục tiêu trong bộ điều khiển dự báo dòng điện. Tối ƣu số lần đóng cắt van bán dẫn đƣợc đƣa ra bởi phƣơng 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, S S SA, B, C là mức điện áp đầu ra ba pha A B C, ,  của nghịch lƣu.

Với việc phƣơng trình (3. 13) đƣợc bổ sung để tối ƣu 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. Nhƣ vậy, bản chất phƣơng trình (3. 13) là để xác định thay đổi mức trên mỗi pha giữa hai chu kỳ trích mẫu liên tiếp. Tuy nhiên, nghịch lƣu 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. Do đó, để có thể tối ƣu số lần đóng cắt làm việc hiệu quả, tƣơng ứng với mỗi mức điện áp pha, cần giữ cố định cách lựa chọn số lƣợng cầu H tham gia điều chế cũng nhƣ cách lựa chọn van đóng cắt. Cách lựa chọn van chi tiết cho từng mức điện áp mỗi pha đƣợc thể hiện trong Bảng 3. 1.

Bảng 3. 1. Bảng trạng thái đóng cắt. x k SxiSxi,1;Sxi,3   1 1,1; 1,3 x x x S S S Sx2Sx2,1;Sx2,3 Sx3Sx3,1;Sx3,3 Sx4Sx4,1;Sx4,3 Sx5Sx5,1;Sx5,3 +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)

80 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, Sxi,1;Sxi,3 là trạng thái của van 1 và 3 trong cầu H thứ i

của pha x, Sxi là mức điện áp đầu ra của cầu H thứ i của pha x, Sx 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 đƣợc 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 đƣợc lựa chọn sẽ có biên độ và góc pha xấp xỉ nhau. 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 nhƣ [68] đề xuất rằng chỉ lựa chọn 7 vector tham gia tính toán hàm mục tiêu. Tuy nhiên, phƣơng án này sẽ khiến cho thời gian đáp ứng của hệ thống tăng lên, làm giảm chất lƣợng của bộ điều khiển. Vì vậy, ở đây 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 đƣợc tạo thành từ vector điện áp đƣợc chọn ở chu kỳ trích mẫu trƣớc và 18 vector liền kề với vector này. Phƣơng án này sẽ giúp giảm thời gian đáp ứng xuống, đồng thời cũng không ảnh hƣởng tới thời gian thực thi của vi xử lý do các dòng FPGA hiện nay cho phép thực hiện các phép tính song song.

Một ví dụ về nhóm 19 vector tham gia tính toán hàm mục tiêu đƣợc minh họa trên Hình 3. 5 , vector V39 (hình tròn màu xanh) là vector đƣợc lựa chọn trong chu kỳ trích mẫu trƣớc, 18 vector liền kề với nó là những vector biểu diễn bởi hình tròn màu cam. Một cách định lƣợng hóa, thì tập hợp 19 vector đƣợc xác định dựa vào khoảng cách từ vector đƣợc lựa chọn trong chu kỳ trích mẫu trƣớc tới các vector khác, đƣợc tính theo phƣơng trình (3. 14).

81 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 đƣợc gọi là một vectorliền kề của vx nếu   4 , 3 x y dc d v v  V . Bộ vector liền kề tƣơng ứng với từng vector của hệ thống sẽ đƣợc xác định sẵn và đƣa vào cơ sở dữ liệu của bộđiều khiển MPC.

Với phƣơng án thực hiện nhƣ vậy, hàm mục tiêu chỉ đƣợc thực hiện 19 lần trong mỗi chu kỳ trích mẫu, giảm đƣợc một lƣợng lớn so với khi xét đến toàn bộ các vector. Con số này sẽ không đổi cho dù số mức của bộ nghịch lƣu 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 phƣơng pháp FCS - MPC truyền thống, luận án đề xuất phƣơng pháp điều khiển FCS – MPC cải tiến với hàm mục tiêu bổ sung thành phần triệt tiêu điện áp common mode và tối ƣu đóng cắt. Cấu trúc của phƣơng pháp điều khiển dựbáo dòng điện đề xuất đƣợc thể hiện nhƣ Hình 3. 6

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

82 Hàm mục tiêu đề xuất của phƣơng pháp điều khiển FCS - MPC cải tiến cho nghịch lƣu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng nhƣ 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. sw là trọng số của tối ƣu đóng cắt.

Nhƣ vậy, hàm mục tiêu gồm 3 yêu cầu:

Yêu cầu 1: Tối ƣu sai lệch giữa dòng điện đặt và dòng điện dự báo đƣợc thực hiện bởi g0.

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

Với hàm mục tiêu có trọng số: Các trọng số trong hàm mục tiêu là hằng số đƣợc xác định qua thử sai. Tuy nhiên, trong các quá trình hoạt động khác nhau, tuy trọng số không đổi nhƣng đầu vào sai lệch sẽ khác nhau đã làm cho hàm mục tiêu sẽđƣa ra ƣu tiên tối ƣu 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 nhỏđi thì các mục tiêu về tối ƣu common mode, tối ƣu đóng cắt sẽtác động để đạt đƣợc mục tiêu đặt ra của bộđiều khiển.

Để đảm bảo cân bằng đáp ứng động học và khối lƣợng tính toán, hàm mục tiêu nhƣ phƣơng 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 sẽ đƣợc lựa chọn đểđƣa vào điều chế cho bộ nghịch lƣu. Sau đó, dựa theo Bảng 3. 1

đểxác định trạng thái đóng cắt cho các van tƣơng ứng với vector điện áp nhƣ 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 lƣợt tính toán, vì thế thời gian tính toán của 19 lƣợt vector điện áp này tƣơng đƣơng một lƣợt tính toán. Lƣu đồ thuật toán thuật toán cho 19 vector điện áp liền kề thực hiện song song nhƣ Hình 3. 7.

83 Tối ƣu 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 ƣu sai lệch dòng điện

(3.11)

Tối ƣu 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 lƣu đa mức cầu H nối tầng nối tải động cơ đƣợc kiểm chứng bằng mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB-Simulink. Cụ thể, thuật toán đƣợc áp dụng cho bộ nghịch lƣu 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 đƣợc thể hiện trong Phụ lục 5. Các mạch vòng

84 bên ngoài đƣợc thiết kế là các bộ điều khiển tuyến tính thông thƣờng (PI), đã đƣợc tính toán thiết kế đầy đủ để phục vụ cho mô phỏng. Trong mô phỏng này để thể hiện đƣợc 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 trịlƣợng đặt cho các bộđiều khiển từ thông và tốc độđƣợc thể hiện trong Bảng 3. 2.

Bảng 3. 2. Giá trịđặt của các bộđiều 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 sẽđƣợc xác định nhƣ sau:

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

Trong đó, Mdmvà ndm lần lƣợt 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 ƣu điện áp common-mode và tối ƣu số lần đóng cắt van bán dẫn chỉ đƣợc sử dụng khi động cơ đã đạt tốc độ ổn định. Giá trị các trọng số trong từng giai đoạn khảo sát đƣợc thể hiện chi tiết trong Bảng 3. 3.

Bảng 3. 3. Giá trị các trọng sốtrong 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 ƣu 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 ƣu đóng cắt 0 6 0 6

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

Hình 3. 8, Hình 3. 9. Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian quá độ của từ thông động cơ là 0,47 (s). Khi động cơ quay thuận, tốc độđộng cơ không xuất hiện độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ là 0,1 (s), có thể thấy rằng tốc độ của động cơ đáp ứng rất nhanh.

85 Điện áp và dòng điện trên ba pha nghịch lƣu đều rất cân bằng.

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

Dạng điện áp trên pha A trƣớc và sau thời điểm sử dụng trọng số tối ƣu đóng cắt đƣợc 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 trƣớc và sau khi áp dụng trọng số tối ƣu đóng cắt cho các trƣờng hợp động cơ quay thuận và quay ngƣợc, thu đƣợc