Điều khiển dự bỏo (MPC) đó đƣợc phỏt triển từ những năm 1970, nhƣng mói đến gần đõy nú mới đƣợc ứng dụng nhiều trong điều khiển điện tử cụng suất. Nguyờn nhõn cơ bản là do yờu cầu trớch mẫu nhanh của phƣơng phỏp điều khiển này. Để ỏp dụng MPC trong một hệ thống thực, cần phải xem xột giảm thời gian tớnh toỏn thật ngắn, vỡ chu kỡ trớch mẫu rất nhỏ. Chớnh vỡ vậy, ngƣời ta đó khuyến nghị giải quyết cỏc bài toỏn tối ƣu “offline”. Bài toỏn tối ƣu húa đƣợc giải quyết offine dựa theo mụ hỡnh đối tƣợng, cỏc ràng buộc; và nghiệm tối ƣu đƣợc lƣu lại dƣới dạng bảng tra để nhanh chúng tra cứu trong quỏ trỡnh thực thi “online”. Tuy nhiờn, với cỏc bộ biến đổi cụng suất cú đặc tớnh tự nhiờn giỏn đoạn, việc thực hiện tối ƣu húa “online” là hoàn toàn khả thi.
Với cỏc bộ chuyển đổi cụng suất ngày nay thƣờng cú số lƣợng trạng thỏi đúng ngắt van hữu hạn, cựng với sự ra đời của cỏc vi xử lý cú khả năng tớnh toỏn rất nhanh, việc tỡm ra nghiệm tối ƣu bằng ƣớc lƣợng “online” tất cả cỏc trạng thỏi đúng ngắt là hoàn toàn cú thể. Cỏc bƣớc cơ bản đầu tiờn cần làm nhƣ sau:
- Mụ hỡnh húa bộ chuyển đổi cụng suất và định nghĩa tất cả cỏc trạng thỏi
đúng ngắt cú thể, tỡm mối quan hệ của chỳng với điện ỏp/ dũng điện đầu vào/ đầu ra.
- Định nghĩa hàm mục tiờu theo mong muốn .
- Tỡm mụ hỡnh giỏn đoạn cho phộp dự bỏo giỏ trị tƣơng lai của biến đƣợc điều khiển.
Khi mụ hỡnh húa bộ biến đổi, yếu tố cơ bản là cỏc trạng thỏi đúng ngắt. Coi cỏc van đúng ngắt là lý tƣởng, chỉ cú 2 trạng thỏi on-off. Tuy nhiờn với một mạch cụng suất cú N van, số tổ hợp trạng thỏi đúng ngắt khụng phải là , mà phải phự
hợp cỏc nguyờn lý mạch: trỏnh ngắn mạch,…Một khớa cạnh nữa cần quan tõm là mối quan hệ giữa cỏc trạng thỏi đúng ngắt với cỏc vộc tơ điện ỏp/dũng điện. Thực tế cho thấy trong nhiều trƣờng hợp, hai hoặc nhiều trạng thỏi đúng ngắt cho ra cựng một vộc tơ điện ỏp/ dũng điện.
Mỗi ứng dụng khỏc nhau yờu cầu điều khiển khỏc nhau cho hệ thống nhƣ điều khiển dũng điện, điều khiển cụng suất, điều khiển momen… Hàm mục tiờu thƣờng đƣợc sử dụng nhất là hàm liờn quan đến sai lệch giữa giỏ trị đặt và giỏ trị dự bỏo.Tuy nhiờn ,một lợi thế của điều khiển dự bỏo là nú cú khả năng điều khiển cỏc kiểu biến khỏc nhau và bao gồm cả những ràng buộc trong một hàm mục tiờu. Để đối phú với sự khỏc nhau về biờn độ và đơn vị của cỏc biến đƣợc điều khiển, mỗi biến số trong hàm mục tiờu sẽ đƣợc gắn trọng số để dễ
dàng chỉnh định tầm quan trọng của mỗi biến.
Khi xõy dựng mụ hỡnh dự bỏo, biến đƣợc điều khiển phải đƣợc xõy dựng trờn mụ hỡnh giỏn đoạn theo thời gian để cú thể sử dụng cho việc dự bỏo cỏc biến này. Thờm vào đú là phải định nghĩa biến nào đƣợc đo và biến nào khụng đƣợc đo, vỡ một số biến cần đƣợc đo để dự bỏo thỡ lại khụng đƣợc đo, và khi đú
việc ƣớc lƣợng là cần thiết.
Để thu đƣợc mụ hỡnh giỏn đoạn, cần phải ỏp dụng một số phƣơng phỏp giỏn đoạn húa . Một phƣơng phỏp phổ biến nhất hay sử dụng cho xấp xỉ đạo hàm là phƣơng phỏp Euler.
dx x(k 1) x( k)
dt T
s Với là thời gian trớch mẫu.
Việc xấp xỉ đạo hàm theo cụng thức Euler bậc cao (vớ dụ cụng thức Euler bậc
2 : ( dx x(k 2) 4. x( k 1) 3. x( k)
) sẽ làm cho thuật toỏn dự bỏo phức tạp ( phải
dt 2.Ts
dự bỏo nhiều bƣớc), dẫn đến khối lƣợng tớnh toỏn rất lớn và khú thực hiện dự
bỏo online trong 1 chu kỡ trớch mẫu.
Để thực thi sỏch lƣợc điều khiển dự bỏo, bộ điều khiển phải làm những nhiệm vụ sau:
Dự bỏo giỏ trị đầu ra của biến đƣợc điều khiển với tất cả cỏc trạng thỏi đúng ngắt van cú thể.
Ƣớc lƣợng hàm mục tiờu cho mỗi dự bỏo.
Chọn trạng thỏi đúng ngắt cho giỏ trị hàm mục tiờu nhỏ nhất.
Hỡnh 3. 1 Tớn hiệu điều khiển tối ƣu phải đƣợc lƣu giữ cho chu kỡ trớch mẫu sau. Khối
lƣợng tớnh toỏn của phƣơng phỏp phụ thuộc trực tiếp vào số trạng thỏi đúng ngắt của bộ biến đổi. Do đú, đõy là hạn chế của phƣơng phỏp này.
52
3.2 Áp dụng điều khiển dự bỏo cho đối tƣợng bộ biến đổi DC-AC
3.2.1 Sơ đồ đúng ngắt van.
Hỡnh 3. 2
Với phƣơng phỏp điều chế vector khụng gian, trạng thỏi đúng ngắt của cỏc nhúm van đƣợc đại diện bởi cỏc tớn hiệu đúng ngắt Sa , Sb, Sc nhƣ đó mụ tả ở mục
2.3.1.
3 nhỏnh van tạo ra 8 tổ hợp van cú thể thực hiện đƣợc tƣơng ứng với 8 vector điện ỏp từ V0 tới V7. Giỏ trị của từng vector điện ỏp trờn hệ tọa độ αβ tƣơng ứng vớicỏc tổ hợp van đƣợc cho nhƣ bảng dƣới (theo cụng thức (2.12) ) :
Sa Sb -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 1 Im V3 (-1, 1, -1) V2 (1, 1, -1) V4 V0 (-1, -1, -1) Re V5(-1, -1, 1) V6(1, -1, 1) Hỡnh 3. 3 54
3.2.2 Cấu trỳc điều khiển bộ biến đổi DC-AC.
Cấu trỳc điều khiển bộ nghịch lƣu ba pha sẽ gồm cú 2 vũng điều khiển :
- Vũng điều khiển phớa ngoài là vũng điều khiển cụng suất, cú nhiệm vụ cõn bằng cụng suất P giữa phụ tải và nguồn phỏt.
- Vũng điều khiển phớa trong là vũng điều khiển dũng.
Hỡnh 3. 4 -AC
Giỏ trị đặt cụng suất tỏc dụng ∆P* chớnh là cụng suất tỏc dụng mà kho điện cần bự (hoặc nạp) cho lƣới điện. Giỏ trị cụng suất ∆P* đƣợc tớnh toỏn ở chƣơng V.
Cụng suất trao đổi giữa kho điện và lƣới điện đƣợc tớnh theo cụng thức:
P 3
(u
2
Q 3
2
Điện ỏp lƣới trờn hệ tọa độ tựa hƣớng điện ỏp lƣới là uN uNd j.uNq ; uNq 0 . Từ đú ta cú đƣợc phƣơng trỡnh :
P Q3u
Do vậy giỏ trị đặt INd* cho vũng điều khiển dũng đƣợc tớnh theo cụng thức :
i *2 P*
Nd (3.4)
3uNd
3.2.3 Thiết kế điều khiển dự bỏo vũng điều khiển dũng
Dựa trờn mụ hỡnh ghộp với lƣới điện của bộ DC-AC, ta cú thể viết lại nhƣ sau:
i
T
Với
Trong đú thành phầneNv (k) cú thể tớnh từ dũng phản hồi i(k-1) theo cụng thức sau:
Nve(k - 1) (ku- 1)
Và cho rằng trong một chu kỳ trớch mẫu thỡ eNv (k -1)= eNv (k) do đú thành phần
HN eNv(k) cú thể dựng khõu bự xuụi. Cấu trỳc điều khiển sẽ cú dạng nhƣ sau:
e Nv (tớnh toỏn) MPC Controller N Đối tượng Hỡnh 3. 5
56
Với phần cũn lại ta sẽ ỏp dụng phƣơng phỏp điều khiển dự bỏo theo kiểu GPC (Generalized Predictive Control)
Đặt x (k) Ti(k) , u(k ) u(k) N Ta cú mụ hỡnh dự bỏo cú dạng nhƣ sau: x (k 1) N x(k) HN u(k) y(k 1) C x(k 1) Với C là ma trận đơn vị 2x2.
Viết lại cho Ny bƣớc dự bỏo đầu ra:
x(k 1) x (k 2) x (k N ) yNNy xˆ Px N y 1 H N H x 0 NNy N uHN u (k 1) u (k N 1) u u y(k 1) y (k 2) y(k N ) C NH N x(k) N 1 C H
Với Nu là tầm dự bỏo và Ny là tầm điều khiển.
Viết gọn lại: xˆ Px x (k) Hx u yˆ Px(k) Hu Hàm mục tiờu cú dạng: Ny j 1 với r(k) là tớn hiệu đặt của dũng iT (k) u (k )
57
Hàm mục tiờu chứa u chứ khụng phải u , do vậy mụ hỡnh dự bỏo cần thay đổi bằng cỏch mở rộng thờm một biến trạng thỏi phụ nhƣ sau: ˆ x (k 1) ˆ z (k 1) ˆ y (k + 1) = C 0 Cỏc phƣơng trỡnh đƣợc mở rộng thành: B u(k)I B z V z y H 1) u(k)
J r H Nhƣ vậy để hàm mục tiờu đạt cực tiểu thỡ u phải thỏa món: dJ 0 d u 58 download by : skknchat@gmail.com
Từ đú ta xỏc định đƣợc:
u (HT
y Hy I) 1 HyT (r Pyz(k))
Ký hiệu Pr là ma trận con chứa p hàng đầu tiờn của (HT
yHy I)1 HyT
Luật điều khiển cho thời điểm t đƣợc viết thành:
(ku) Pr ( r Py (kz)) Pr r K z (k)z
Với Kz Pr Py
Điểm cần chỳ ý của phƣơng phỏp điều khiển dự bỏo này là với cỏc ma trận và cỏc tầm dự bỏo và điều khiển Nu , Ny cựng với tham số cho trƣớc thỡ ta
cú thể tớnh toỏn trƣớc cỏc ma trận Pr ,Kz mà khụng cần tớnh toỏn lại trong mỗi vũng lặp.
Nhƣ vậy ta cú sơ đồ thuật toỏn nhƣ sau:
59
Bắt đầu
Đo i(k), u(k) Lập z(k ) e (k - 1) u(k -1) Nv (ku) Pr ( r Py (kz)) Pr r K z (kz ) Đợi chu k ỳ tiếp theo (ku 1) (ku) (k)u e(k) Nv Lưu giỏ tr ị i(k ), u(k) Hỡnh 3. 6 Cỏc bƣớc thực hiện cụ thể nhƣ sau: Bƣớc 1: Tớnh trƣớc cỏc ma trận Pr ,Kz Bƣớc 2: Đo cỏc giỏ trị i(k), u(k) , lập z(k) Bƣớc 3: Tớnh toỏn giỏ trịeNv(k)
Bƣớc 4: Tớnh toỏn giỏ trị u(k )
Bƣớc 5: Tớnh toỏn u (k + 1)
Bƣớc 6: Lƣu cỏc giỏ trị i(k), u(k) để dựng trong cỏc chu kỳ tiếp theo. 60
3.3 Vũng khúa pha
Pha, biờn độ, tần số là cỏc thụng số quan trọng của điện ỏp cho hoạt động của cỏc bộ biến đổi cụng suất nối lƣới. Nhƣ trong bộ điều khiển mạch DC-AC ở trờn, tất cả mụ hỡnh, hàm mục tiờu, cỏc tớnh toỏn đều dựa trờn hệ tọa độ quay dqo; do đú cần thiết phải xỏc định gúc pha phục vụ cho chuyển đổi Park. Trong cỏc ứng dụng nhƣ vậy, việc phỏt hiện chớnh xỏc và nhanh chúng gúc pha, biờn độ và tần số của điện ỏp là điều cần thiết để đảm bảo bỏm sỏt tớn hiệu đặt và phự hợp với cỏc yờu cầu cho bộ biến đổi nối lƣới. Việc điều khiển dũng năng lƣợng giữa một bộ biến đổi điện tử cụng suất nối lƣới và lƣới điện xoay chiều phải cần tới một đại lƣợng đú là gúc pha điện ỏp (hoặc dũng điện
) hay cũn gọi là gúc đồng bộ hoỏ. Đại lƣợng này cần phải đƣợc đo đạc và giỏm sỏt liờn tục. Do đú, nú đũi hỏi cần phải sử dụng một thuật toỏn đồng bộ húa mà cú thể đồng bộ húa dũng điện của nghịch lƣu với điện ỏp lƣới.
Cú hai phƣơng phỏp đồng bộ húa cơ bản:
- Bộ lọc phỏt hiện điểm “0” (ZCD)
- Vũng khúa pha (PLL)
Thuật toỏn PLL đƣợc ỏp dụng phổ biến nhất cho hệ thống kết nối với lƣới điện ba pha là một thuật toỏn đƣợc thực hiện trờn hệ tọa độ đồng bộ (dq). Cấu trỳc của thuật toỏn PLL trờn hệ tọa độ dq đƣợc biểu diễn nhƣ trong Hỡnh 3.8.
Hỡnh 3. 7
61
Điện ỏp lƣới là tớn hiệu đầu vào của thuật toỏn và chỳng đƣợc chuyển sang hệ tọa độ
đồng bộ dq thụng qua modul chuyển đổi . Cỏc khúa pha đƣợc thực hiện
bằng cỏch điều khiển điện ỏp trờn trục d tiến đến khụng. Bộ điều khiển PI cú thể đƣợc sử dụng để điều khiển biến này và đầu ra của bộ điều khiển này là tần số lƣới. Tần số lƣới qua khõu tớch phõn sẽ chuyển thành tần số gúc của điện ỏp lƣới, đƣợc đƣa trở lạimodul chuyển đổi sang hệ tọa độ đồng bộ dq.
Cấu trỳc của PLL bao gồm:
- Phase Detector : Khõu này làm nhiệm vụ phỏt hiện sai lệch tần số, gúc pha và đầu ra cho một giỏ trị trung bỡnh của cỏc tớn hiệu vào. Đầu ra chỉ bằng 0 khi sai lệch bằng 0 nghĩa là tớn hiệu vào trựng pha, cựng tần số với tớn hiệu ra.
- Loop Filter : cấp tớn hiệu điện ỏp điều khiển đó đƣợc lọc tới VCO.
- Voltage Controlled Oscillator : Mạch dao động thế kiểm. Khõu này cú
nhiệm vụ tạo ra một tần số ˆ từ tần số trung tõm mà trong cỏc ứng dụng 1
liờn quan đến lƣới điện thỡ chớnh là tần số lƣới . Tần số mà bộ VCO phỏt 1n
ra đƣợc tớnh theo cụng thức :
ˆ K .v
1 1n VCO c
Trong đú Kvco là hằng số mạch dao động thế kiểm.
CHƢƠNG 4: Mễ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG MATLAB, SIMULINK, PLECS
Ở cỏc chƣơng trƣớc, mạch chuyển đổi cụng suất DC-AC đó đƣợc mụ hỡnh húa và thiết kế điều khiển theo phƣơng phỏp điều khiển dự bỏo. Trong đú, giỏ trị đầu vào chớnh là cụng suất đặt mong muốn. Trong chƣơng này tụi sẽ đƣa ra cỏc giải phỏp tớnh toỏn giỏ trị cụng suất đặt với mục tiờu ổn định điện ỏp cỏc lƣới điện siờu mềm ở chế độ động.
Tiếp theo đú, tụi sẽ trỡnh bày cỏc kết quả mụ phỏng kiểm chứng hoạt động của bộ biến đổi DC-AC trờn cơ sở cỏc thuật toỏn điều khiển đó thiết kế.