L ỜI NÓI ĐẦU
4.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển DVR
• Mô hình DVR trên hệ tọa độ tự nhiên.
Từ sơ đồ cấu trúc của DVR ta có thể đơn giản hóa DVR thành một bộ biến đổi VSC và bộ lọc LC được thể hiện như trên hình 4.5. Bộ biến đổi VSC được đại diện như một nguồn áp uinv . Bộ lọc LC được đại diện bởi các thành phần điện trở Rf , điện cảm Lf và tụ điện Cf . Nguồn điện được mô tả bởi một nguồn điện áp ug nối tiếp với
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
68
điện trở, điện kháng của lưới RS và LS. Máy biến áp nối tiếp được giả thiết như một máy biến áp lý tưởng nên được đại diện bởi các thành phần Rt và Lt. Tải được đại diện bởi các thành phần RL và LL.
Hình 4.5: Sơ đồ đơn giản hóa bộ biến đổi VSC và bộ lọc LC.
Mô hình tương đương của bộ biến đổi VSC và bộ lọc LC nối lưới. Từ mô hình trên các ký hiệu ugxlà điện áp nguồn 3 pha, uinvx, ifxlà điện áp và dòng điện của BBĐ, ucx, icxlà điện áp và dòng điện tụ lọc, uinjx, iinjxlà điện áp và dòng điện bơm vào của DVR.
Hình 4.6. Mô hình tương đương của bộ biến đổi VSC và bộ lọc LC
Giả sử điện áp bơm vào của DVR bằng điện áp trên tụ điện của bộ lọc đầu ra (máy biến áp được coi là lý tưởng). Với máy biến áp có tỉ lệ 1: n khi đó ta có uinjx(t) = n.ucfx(t) và iinjx(t) = n.iinjx(t) khi đó tần số riêng của mô hình là:
𝑓𝑛0 =2𝜋1 1
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
69
Mô hình 4.6 còn có thể được biểu diễn dưới dạng đơn giản như sau:
Hình 4.7. Mô hình đơn giản bộ biến đổi VCS và bộ lọc LC
Từ sơ đồ trên hình 4.7, ta có thể viết các phương trình vi phân một pha của VSC và bộ lọc LC nối lưới trên hệ tọa độ tự nhiên như sau:
�𝑖𝑓𝑥(𝑡) =𝑖𝐶𝑓𝑥(𝑡) +𝑖𝑖𝑛𝑗𝑥(𝑡) =𝐶𝑓𝑑𝑡𝑑 𝑢𝑖𝑛𝑗𝑥(𝑡) +𝑖𝑖𝑛𝑗𝑥(𝑡)
𝑢𝑖𝑛𝑣𝑥(𝑡)− 𝑢𝑖𝑛𝑗𝑥(𝑡)− 𝑅𝑓𝑖𝑓𝑥(𝑡)− 𝐿𝑓𝑑𝑡𝑑 𝑖𝑓𝑥(𝑡) = 0 (4.15)
Phương trình 4.15 có thể được viết lại dưới dạng phương trình trạng thái như sau như sau:
𝑑 𝑑𝑡�𝑢𝑖𝑓𝑥 𝑖𝑛𝑗𝑥� =�− 𝑅𝑓 𝐿𝑓 −𝐿1 𝑓 1 𝐶𝑓 0 � � 𝑖𝑓𝑥 𝑢𝑖𝑛𝑗𝑥�+� 1 𝐿𝑓 0�[𝑢𝑖𝑛𝑣𝑥] +�−01 𝐶𝑓�[𝑖𝑖𝑛𝑣𝑥] (4.16) 𝑢 𝑖𝑛𝑗𝑥=[0 1]�𝑢𝑖𝑓𝑥 𝑖𝑛𝑗𝑥�
Các giá trị riêng của hệ thống là liên hợp phức và dao động có tần số góc:
𝜔𝑛0 = 1 �𝐿𝑓𝐶𝑓 (4.17) Hệ số tắt dần: 𝜉 = 2𝐿 1 𝑓𝜔𝑛0 = 𝑅2𝑓�𝐶𝐿𝑓 𝑓 (4.18)
Từ phương trình trạng thái 4.16 ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc mạch tương đương như sau:
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
70 • Mô hình DVR trên hệ tọa độ quay dq.
Từ mô hình 4.7 áp dụng luật Kirchhoff cho điện áp và dòng điện ba pha ta có các phương trình như sau:
⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧𝑖𝑓𝑎(𝑡) =𝑖𝐶𝑓𝑎(𝑡) +𝑖𝑖𝑛𝑗𝑎(𝑡) =𝐶𝑓𝑑𝑡𝑑 𝑢𝑖𝑛𝑗𝑎(𝑡) +𝑖𝑖𝑛𝑗𝑎(𝑡) 𝑖𝑓𝑏(𝑡) =𝑖𝐶𝑓𝑏(𝑡) +𝑖𝑖𝑛𝑗𝑏(𝑡) = 𝐶𝑓𝑑𝑡𝑑 𝑢𝑖𝑛𝑗𝑏(𝑡) +𝑖𝑖𝑛𝑗𝑏(𝑡) 𝑖𝑓𝑏(𝑡) = 𝑖𝐶𝑓𝑐(𝑡) +𝑖𝑖𝑛𝑗𝑐(𝑡) = 𝐶𝑓𝑑𝑡𝑑 𝑢𝑖𝑛𝑗𝑐(𝑡) +𝑖𝑖𝑛𝑗𝑐(𝑡) (4.19) ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧𝑢𝑖𝑛𝑣𝑎(𝑡)− 𝑢𝑖𝑛𝑗𝑎(𝑡)− 𝑅𝑓𝑖𝑓𝑎(𝑡)− 𝐿𝑓𝑑𝑡𝑑 𝑖𝑓𝑎(𝑡) = 0 𝑢𝑖𝑛𝑣𝑏(𝑡)− 𝑢𝑖𝑛𝑗𝑏(𝑡)− 𝑅𝑓𝑖𝑓𝑏(𝑡)− 𝐿𝑓𝑑𝑡𝑑 𝑖𝑓𝑏(𝑡) = 0 𝑢𝑖𝑛𝑣𝑐(𝑡)− 𝑢𝑖𝑛𝑗𝑐(𝑡)− 𝑅𝑓𝑖𝑓𝑐(𝑡)− 𝐿𝑓𝑑𝑡𝑑 𝑖𝑓𝑐(𝑡) = 0 (4.20)
Áp dụng phép chuyển đổi tọa độ từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ quay dq với một PLL đồng bộ với vector điện áp lưới, phương trình 4.19 và 4.20 được biến đổi:
� 𝑑 𝑑𝑡𝑢𝑖𝑛𝑗𝑑𝑞(𝑡) =𝐶1 𝑓𝑖𝑓𝑑𝑞(𝑡)−𝐶1 𝑓𝑖𝑖𝑛𝑗𝑑𝑞(𝑡)∓ 𝑗𝜔𝐶𝑓𝑢𝑖𝑛𝑗𝑑𝑞(𝑡) 𝑑 𝑑𝑡𝑢𝑖𝑛𝑗0 (𝑡) = 𝐶1 𝑓𝑖𝑓0(𝑡)−𝐶1 𝑓𝑖𝑖𝑛𝑗0 (𝑡) (4.21) � 𝑑 𝑑𝑡𝑖𝑓𝑑𝑞(𝑡) = 𝐿1 𝑓𝑢𝑖𝑛𝑣𝑑𝑞(𝑡)−𝐿1 𝑓𝑢𝑖𝑛𝑗𝑑𝑞(𝑡)−𝐿1 𝑓𝑅𝑓𝑖𝑓𝑑𝑞(𝑡)∓ 𝑗𝜔𝐿𝑓𝑖𝑓𝑑𝑞(𝑡) 𝑑 𝑑𝑡𝑖𝑓0(𝑡) =𝐿1 𝑓𝑢𝑖𝑛𝑣0 (𝑡)−𝐿1 𝑓𝑢𝑖𝑛𝑗0 (𝑡)−𝐿1 𝑓𝑅𝑓𝑖𝑓0(𝑡) (4.22)
Trong đó,𝑖𝑓𝑑𝑞,0 là thành phần d, q và 0 của dòng điện cuộn cảm.; 𝑖𝑖𝑛𝑗𝑑𝑞,0 là thành phần d,q và 0 của dòng điện chèn vào lưới; 𝑢𝑖𝑛𝑗𝑑𝑞,0 là thành phần d, q và 0 của điện áp chèn vào lưới; 𝑢𝑖𝑛𝑣𝑑𝑞,0 là thành phần d,q và 0 của điện áp bộ biến đổi.
Từ phương trình chuyển đổi sang hệ tọa độ dq ta xây dựng được mô hình bộ biến đổi và bộ lọc LC trên hệ tọa độ dp như trên hình 4.9.
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
71
4.3.2. Cấu trúc điều khiển DVR.
Cấu trúc điều khiển DVR sử dụng một mạch vòng điện áp với bộ điều khiển PI có thể bù được những lõm điện áp cân bằng. Tuy nhiên như đã trình bày ở trên, trong thực tế phần lớn là những lõm điện áp không cân bằng, bộ điều khiển này là chưa đủ có thể dẫn đến sự thiếu chính xác trong quá trình điều khiển để tính toán lượng điện áp chèn vào gây ra lỗi đồng bộ, ảnh hưởng không tốt tới hệ thống. Do đó trong luận văn này sẽ sử dụng cấu trúc điều khiển hai mạch vòng điện áp và dòng điện, tuy vậy sẽ trình bày về cả hai cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp.
a. Cấu trúc điều khiển dùng một mạch vòng điện áp.
• Cấu trúc điều khiển truyền thẳng/vòng hở.
Việc điều khiển vector truyền thẳng là nhanh nhưng không đảm bảo sự ổn định hệ thống vì khi làm việc với lưới điện sự ảnh hưởng của nhiễu cũng như sự thay đổi các tham số của quá trình là khó để biết rõ, mặt khác mô hình của lưới cũng như của DVR là không thể chính xác tuyệt đối và không phải nhiễu nào trên lưới điện cũng đo được nên với điều khiển truyền thẳng khi nào cũng tồn tại sai lệch tĩnh.
Hình 4.10: Cấu trúc điều khiển truyền thẳng cho DVR.
Hình 4.10 là sơ đồ khối một pha, mô tả phương pháp điều khiển truyền thẳng/vòng hở có thể áp dụng cho hệ thống DVR. Đặt giá trị đặt điện áp chèn u*
injđưa vào bộ điều khiển điện áp (ví dụ bộ điều khiển PI) đầu ra bộ điều khiển đưa vào khâu
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
72
điều chế độ rộng xung của bộ biến đổi VSC để tạo ra điện áp xoay chiều, sau đó điện áp được lọc qua bộ lọc trước khi chèn vào lưới.
Ưu điểm của điều khiển vòng hở là khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu tới quá trình hoạt động của hệ thống. Song nhược điểm lớn nhất của nó là cần biết rõ thông tin đối tượng và ảnh hưởng của nhiễu. Do vậy với cấu trúc này thường không áp dụ ng độc lập để điều khiển DVR, mà nó sẽ được kết hợp với các phương pháp điều khiển khác. Đây là phương pháp điều khiển cơ bản mà trong các công trình nghiên cứu đã sử dụ ng để kết hợp hoặc mở rộng cấu trúc điều khiển.
• Cấu trúc điều khiển phản hồi/vòng kín.
Điều hiển vector phản hồi là phương pháp tốt để đảm bảo ổn định hệ thống, có khả năng loại nhiễu mà không phụ thuộc vào nhiễu của hệ thống có đo được hay không cũng như sự hiểu biết về nhiễu có rõ ràng hay không. Đây là những ưu điểm mà bộ điều hiển truyền thẳng không có được.
Hình 4.11: Điều khiển phản hồi cho DVR
Hình 4.11 là sơ đồ khối một pha, mô tả phương pháp điều khiển phản hồi có thể áp dụng cho hệ thống DVR. Điện áp chèn vào của DVR được đo liên tục và được phản hồi về bộ điều khiển dưới một vòng lặp đơn hay một đa vòng lặp của cấu trúc điều khiển. Tín hiệu báo sai lệch (Δu) được tạo ra bằng cách lấy giá trị đặt của điện áp chèn vào (uinj*) trừ điện áp chèn vào thực tế (uinj), tín hiệu sai lệch này được đưa đến bộ điều khiển điện áp (ví dụ bộ điều khiển PI), đầu ra bộ điều khiển đưa vào khâu điều
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
73
chế độ rộng xung của bộ biến đổi VSC để tạo ra điện áp xoay chiều, sau đó điện áp được lọc qua bộ lọc trước khi chèn vào lưới.
Điều khiển phản hồi có thể nói là phương pháp điều khiển cơ bản nhất vì nó hội tụ được nhiều khả năng như: ổn định một quá trình không ổn định, loại bỏ nhiễu bất định, bền vững với sai lệch mô hình. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là đặc tính động học chậm, việc thiết kế và chỉnh định bộ điều khiển để thỏa mãn tất cả các yêu cầu đặt ra là khó khăn, vì vậy cần phải kết hợp với các phương pháp điều khiển khác để cải thiện đặc tính của hệ thống.
b. Cấu trúc điều khiển dùng hai mạch vòng điều khiển điện áp.
Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng ở hình 4.12 được áp dụng để phát triển cấu trúc điều khiển cho DVR.
Hình 4.12: Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng cho DVR.
Trong cấu trúc này có hai giá trị đo, được phản hồi về hai bộ điều khiển đó là giá trị điện áp chèn vào (uinj) và dòng điện cuộn cảm bộ lọc (iinj) của DVR, nhưng chỉ có một biến điều khiển đó là điện áp bộ biến đổi uinv). Tuy nhiên, bậc của hệ thống không hề tăng lên nên hai bộ điều khiển không hoàn toàn độc lập với nhau. Đầu ra của bộ điều khiển điện áp đóng vai trò là giá trị đặt cho bộ điều khiển dòng. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc này như sau: Giả sử có nhiễu dòng điện tác động lên hệ thống
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
74
gây ảnh hưởng, ngay lập tức nó được nhận diện nhanh hơn qua biến đo từ khâu phản hồi dòng, bộ điều khiển dòng sẽ có tác dụng loại trừ hoặc ít ra là giảm thiểu đáng kể ảnh hưởng của nó tới biến đầu ra thực là uinj. Bộ điều khiển điện áp có chức năng đáp ứng với giá trị đặt thay đổi và loại trừ ảnh hưởng của những nguồn nhiễu còn lại, nhằm duy trì biến cần điều khiển là điện áp chèn vào uinj của DVR tại giá trị đặt uinj* của nó. Tóm lại, vòng điều khiển ngoài có nhiệm vụ phản ứng với mệnh lệnh phía trên giá trị đặt uinj*) và với nhiễu mang tính toàn cục, còn vòng điều khiển trong có trách nhiệm với nhiễu cục bộ.
4.3.3. Thuật toán điều khiển DVR.
Việc điều khiển điện áp thường được thực hiện trong hệ quy chiếu khác nhau. Các mục tiêu bằng cách sử dụng một hệ thống tọa độ tham chiếu là để đơn giản hóa việc điều khiển hoặc cải thiện hiệu suất. Khung tạo độ tham chiếu thường được sử dụng là, tài liệu [12]:
• Hệ tọa độ tĩnh gồm có hệ tọa độ ba pha (RST) và hệ tọa độ vectơ αβ.
• Hệ tọa độ quay gồm có hệ tọa độ quay thuận (dq0) và hệ tọa độ quay nghịch (- dq0).
a. Điều khiển hệ thống DVR trong hệ tọa độ tĩnh.
Trong hệ tọa độ ba pha tĩnh RST, dòng điện và điện áp có dạng hình sin. Một phép biến đổi giữa hệ tọa độ tĩnh RST và hệ tọa độ vectơ không gian được thể hiện như dưới đây:
𝑢�𝑡 =23(𝑢𝑅(𝑡) +𝑢𝑆(𝑡)𝑒𝑖2𝜋3 +𝑢𝑇(𝑡)𝑒𝑖4𝜋3 =𝑢𝛼(𝑡) +𝑗𝑢𝛽(𝑡) (4.23) Viết lại dưới dạng ma trận ta có: �𝑢𝑢𝛼𝛽�=32�10 −√20,5 −0,5 3 −√23 � � 𝑢𝑅 𝑢𝑆 𝑢𝑇 � (4.24) Các cấu trúc điều khiển được thực hiện trong hệ tọa độ tự nhiên là khá linh hoạt vì thiết kế điều khiển theo từng pha độc lập, với khả năng điều chỉnh dòng công suất tốt hơn, đặc biệt là trong các trường hợp không cân bằng. Tuy nhiên các phương pháp điều khiển trên hệ tọa độ tự nhiên cần thiết phải kết nối trung tính và khá phức tạp khi phải thực hiện trên cả ba pha riêng biệt. Mặt khác do các bộ điều khiển là tỷ lệ nên hệ thống là hữu sai.
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
75
Sự khác nhau cơ bản của thuật toán điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ so với thuật toán điều khiển trên hệ tọa độ quay dq ở chỗ, thuật toán điều khiển trên hệ tọa độ quay dq sử dụng góc pha của điện áp lưới như là đại lượng cơ bản để thực hiện, trong khi thuật toán điều điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ sử dụng tần số lưới. Mặt khác, thuật toán trên hệ tọa độ tĩnh αβ kết hợp thực hiện điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận, nghịch điều khiển điện áp) và cả điều khiển độc lập hai biến vô hướng αβ điều khiển dòng điên), trong khi thuật toán điều khiển trên hệ tọa độ quay chỉ điều chỉnh độc lập hai biến vô hướng d và q.
b. Điều khiển hệ thống DVR trong hệ tọa độ cực dq.
Khác với các cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ tự nhiên, điều khiển vector được áp dụng cho DVR dựa trên nguyên lý điều khiển vector không gian tương tự như đã được áp dụng trong điều khiển động cơ điện trình bày trong các tài liệu [3,8,12,17,18]. Đại diện cho phương pháp điều khiển này đối với DVR có thể kể đến cấu trúc điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq.
Hình 4.13: Minh họa một cấu trúc điều khiển hệ thống DVR trên hệ tọa độ cực.
Các tín hiệu điện áp lưới ug,abc, điện áp tải uL,abc xoay chiều ba pha được chuyển đổi về dưới dạng vector không gian thông qua phép chuyển đổi Clack và tiếp tục được chuyển đổi vào hệ tọa độ quay đồng bộ dq, nơi mà chúng trở thành lượng một chiều. Bộ điều khiển PI được bố trí và thực hiện với lượng một chiều. Cấu trúc thực hiện bởi vòng truyền thẳng đảm bảo làm tắt nhanh các quá trình quá độ, đồng thời cùng với điện áp uDCxác định hệ số điều chế PWM. Vòng kín phản hồi có nhiệm vụ bù sai lệch
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
76
điện áp chèn vào (đối với sóng cơ bản), các sai lệch tĩnh có thể được loại bỏ hiệu quả thông qua bộ điều khiển PI làm việc với các thành một chiều trên hệ tọa độ quay dq, vòng này cũng có tác dụng làm tắt dao động cộng hưởng của bộ lọc LC, các dao động này phụ thuộc chặt chẽ vào trở kháng tương đương của tải.
4.3.4. Cấu trúc điều khiển cho hệ thống DVR.
Cấu trúc điều khiển của DVR được phát triển trên cơ sở phương pháp điều khiển vector thực hiện trên hệ tọa độ quay dq với hai mạch vòng điều khiển. Để có thể điều khiển bù lõm điện áp cân bằng và không cân bằng, trong cấu trúc điều khiển vận dụng phương pháp tách thành phần thứ tự thuận và thành phần thứ tự nghịch thành hai kênh và điều khiển độc lập trước khi tổng hợp hai thành phần này để đưa ra lượng đặt cho khâu điều chế của bộ biến đổi VSC, mỗi kênh được áp dụng cấu trúc điều khiển hai mạch vòng, tương ứng với bộ điều khiển dòng điện và bộ điều khiển điện áp.
Hình 4.14: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống DVR.
Cấu trúc điều khiển DVR được mô tả trên hình 4.14 .Trong sơ đồ các kí hiệu được mô tả như sau: us,a(t); us,b(t) và us,c(t) là các điện áp pha nguồn. Các điện áp lưới
Chương 4: Điều khiển cho hệ thống DVR.
77
tại điểm nối chung PCC và dòng điện lưới được ký hiệu tương ứng bởi ug,a(t); ug,b(t); ug,c(t) và ig,a(t); ig,b(t); ig,c(t). Điện áp tải được ký hiệu là: uL,a(t); uL,b(t); uL,c(t). Điện áp 3 pha của bộ biến đổi VSC và dòng điện qua điện cuộn cảm lọc tương ứng được ký hiệu: uinv,abc(t); if,abc(t). Điện áp tụ lọc được ký hiệu:uc,abc(t). Điện áp và dòng điện chèn vào thông qua máy biến áp nối tiếp tương ứng được ký hiệu bởi: uinj,abc(t); iinj,abc(t). Điện áp phía một chiều sau chỉnh lưu được ký hiệu là udc(t).
Tín hiệu đầu vào điều khiển được xác định là điện áp bộ biến đổi uinv,abc(t), các biến được điều khiển là dòng điện qua cuộn cảm lọc Lf(if,abc(t)) và điện áp chèn vào thực tế uinj,abc(t) biến nhiễu loạn là dòng điện chèn vào iinj,abc.
Lượng đặt của điện áp tải u*
L,abcđược lựa chọn để phù hợp với đặc điểm của tải và hạn chế được sự tiêu hao điện áp ug,abc. Lượng đặt điện áp chèn vào của DVR bằng giá trị , u*
L,abc trừ đi điện áp lưới ug,abc.
𝑢𝑖𝑛𝑗∗ ,𝑎𝑏𝑐 =𝑢𝐿∗,𝑎𝑏𝑐 − 𝑢𝑔,𝑎𝑏𝑐 (4.25) Giá trị điện áp chèn vào chính bằng giá trị điện áp trên tụ lọc Cf, để điều khiển điện áp chèn vào của DVR chính là điều chỉnh điện áp trên tụ điện Cf. Dòng điện chèn vào được xác định theo: iinj,abc=n.ig,abc.
4.3.5. Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống DVR.
Dựa trên phương pháp điều khiển điện áp chèn “Trước lõm” đã được trình bày ở mục 4.2, thuật toán điều khiển cho DVR dựa trên nguyên lý điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq được xây dựng theo các bước sau:
- Phát hiện các lõm điện áp tính toán các thành phần điện áp, dòng điện ,góc pha - Sử dụng cấu trúc điều khiển hai vòng để điều khiển các thành phần điện áp,