Cấu trúc bộ điều khiển dự báo cho D-STATCOM Nguồn R L TẢI Udq(k) TÍNH TOÁN Q Q* idq*(k) Un(k) Up(k) iabc(k+1) iabc*(k) dq/abc idiff*(k+1)
Hình 3.5. Cấu trúc bộ điều khiển dự báo
Hình 3.5 mô tả cấu trúc bộ điều khiển cho D-STATCOM bù CSPK. Cấu trúc gồm có 2 mạch vòng điều khiển. Mạch vòng trong chính là thuật toán MPC điều khiển dòng điện, mạch vòng ngoài điều khiển bù CSPK hay chính là điều chỉnh điện áp lưới.
MPC ở đây điều khiển dòng pha và dòng vòng như đã làm rõ ở Chương 2. Mạch vòng ngoài chính là tìm giá trị đặt cho mạch vòng trong.
[14] đã đưa việc cân bằng điện áp tụ vào trong hàm mục tiêu, với cách làm đó thì ta sẽ không cần một khâu câu bằng điện áp tụ ở bên ngoài, tuy nhiên cách làm đó gián tiếp làm khối lượng tính toán của MPC trở nên rất nặng. Chính vì vậy, ở đồ án này em xin đặt thuật toán cân bằng năng lượng ở bên ngoài. Thuật toán cân bằng năng lượng ở đây được dùng để xác định SM nào trong cấu trúc MMC được chèn vào hay bỏ qua.
Xây dựng hàm mục tiêu cho D-STATCOM
Để điều khiển dự báo cho MMC, mô hình của MMC đã được bắt đầu bằng các biến rời rạc là dòng điện ra phía xoay chiều, dòng điện vòng, điện áp tụ. Để dự đoán một bước của các biến điều khiển ta áp dụng phương pháp chuyển tiếp Euler vào các công thức 2.10 và 2.12 ta được:
Dòng điện xoay chiều ở chu kỳ lấy mẫu k+1:
i j (k +1)= A.i j (k )+ B.
Trong đó:
A = Larm + 2L - Ts (Rarm + 2R)
L
Dòng điện vòng ở chu kỳ lấy mẫu k+1:
26
i (k +1)= C.i
diff diff
Trong đó:
C =
Vì có 2 biến điều khiển nên hàm mục tiêu sẽ có dạng như 3.8:
J = 1J1+ 2J2
Vì phải dự đoán trường hợp xảy ra tối ưu nhất trong vòng (C2NN )3 khả năng xảy ra đóng cắt của các SM, nên để thuận tiện ta sẽ xây dựng 3 bộ điều khiển cho 3 pha chạy song song thay vì chỉ xây dựng một bộ điều khiển cho cả 3 pha. Cách làm như vậy sẽ làm giảm tính toán đi rất nhiều. Khi đó hàm mục tiêu trở thành như sau:
J =| i jref ( k + 1) −i j ( k + 1) | + | idiffjref ( k + 1) −idiffj ( k +1) |
J= n=0, i=1 Tính iload(k+1) Sai i=N+1 Đúng n
27 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.6 trên là lưu đồ thuật toán cho MPC với 2 biến điều khiển là dòng điện nhánh và dòng điện vòng. Kết quả trả về sẽ là số lượng SM được chèn vào trong một pha của MMC.
Thuật toán cân bằng năng lượng
Thuật toán cân bằng năng lượng dùng để cân bằng điện áp tụ là vấn đề quan trọng trong các bộ nghịch lưu đa mức MMC. Thuật toán cân bằng điện áp tụ điện sẽ làm giảm tần số đóng cắt trung bình của mỗi pha và đồng thời phân phối cân bằng năng lượng trong các tụ SM, vì thế có thể giảm đáng kể biên độ của dòng điện vòng mà không ảnh hưởng đến điện áp và dòng điện đầu ra của MMC. Khi số lượng các SM trên mỗi nhánh van của BBĐ MMC là lớn thì phương pháp cân bằng điện áp dựa trên việc sắp xếp điện áp trên các tụ điện để chọn ra các SM sẽ được “chèn vào” là phương pháp phù hợp. Các phương pháp điều chế đề xuất được thực hiện trên miền thời gian thực gồm hai phần: phần đầu tiên là tạo của các bước chuyển mạch; phần thứ hai là cân bằng điện áp tụ điện. Để đạt được cân bằng điện áp tụ thì việc đo điện áp tụ điện SM được thực hiện liên tục tại mỗi chu kỳ trích mẫu và gửi đến bộ vi xử lý. Các điện áp đo được sắp xếp và chọn những giá trị phù hợp để gửi tín hiệu phát xung các van bán dẫn trên các SM.
Tín hiệu đặt MPC ĐoUC1 điện áp tụ UCN Đo dòng điện nhánh Bật n SM Thuật toán cân bằng năng lượng Tín hiệu đóng cắt van SM 1 SM N
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của thuật toán cân bằng năng lượng
28
Bắt đầu Đọc giá trị n cần chèn từ MPC Đọc giá trị điện áp tụ Đọc giá trị dòng điện nhánh Đúng n = 0 Bypass N SM Sai Đúng n = N Insert N SM Sai
Sắp xếp điện áp tụ theo giá trị tăng dần OFF cả N SM Inhánh > 0 Đúng Insert n SM có giá trị điện áp tụ thấp nhất Sai
Insert n SM có giá trị điện áp tụ cao nhất
Hình 3.8: Thuật toán cân bằng năng lượng
Giải thích lưu đồ thuật toán hình 3.8 như sau ( mỗi nhánh của MMC có 10 SM):
Xét với n = 0 hoặc n = N trước khi sắp xếp vì cả 2 trường hợp này không cần quan tâm đến chiều dòng điện hay điện áp các tụ, do đó chỉ cần thực hiện bỏ qua cả N SM hoặc chèn cả N SM rồi chuyển sang chu kỳ tiếp theo.
Với các trường hợp còn lại của n, việc chọn ra n SM nào được chèn vào thuật toán sẽ lựa chọn tụ cần được chèn theo cách thức sau:
Sắp xếp giá trị điện áp tụ theo thứ tự tăng dần. Sau đó, bỏ qua cả N SM như vậy phần sau chỉ cần chèn các SM cần thiết.
Kiểm tra nếu chiều dòng điện nhánh là dương sẽ nạp điện cho tụ. Kiểm tra nếu chiều dòng điện nhánh là âm sẽ xả điện từ tụ.
Thiết kế mạch vòng ngoài
Sau khi xây dựng xong xong thuật toán MPC ở trên đồng nghĩa ta đã xây dựng xong mạch vòng trong nhằm điều khiển dòng điện. Khi thiết kế mạch vòng ngoài ta phải biết được hàm truyền của mạch vòng điều khiển bên trong. Theo [15],[16] có thể coi hàm truyền của bộ biến đổi được coi là hàm truyền bậc nhất. Ở đồ án này MPC có tác dụng điều khiển dòng điện bám giá trị đặt của bộ biến đổi, nên ta có thể coi là hàm truyền bậc nhất:
29 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
G (s ) =e
Với:Teq là hằng số thời gian của bộ điều khiển vòng trong.
Điều khiển công suất của MMC là một việc rất quan trọng. Điều khiển công suất trong hệ tọa độ abc là rất khó khăn khi ta phải điều chỉnh góc pha, điện áp hoặc dòng điện. Ta coi điện áp 3 pha là cân bằng, việc điều khiển P Q sẽ được điều khiển trên tọa độ dq. Trong hệ tọa độ dq công suất của bộ biến đổi được tính theo công thức sau:
P = 3(u i +
2 d d
3
Q = (u i −
2 q d
Dòng điện id, iq được tính như sau:
2 i = d 3ud i = − q 3u d
Do vecto điện áp lưới được chọ trùng với trục d nên Ud = Uabc, và điện áp trục
qsẽ bằng 0. Dấu trừ ở biểu thức Q hay nhiễu uq/ud sẽ được bù sau. Bộ điều khiển được dử dụng để điều khiển công suất là bộ điều khiển PI như sau:
G
BDK = K p
Do Q và P có Do đặc tính động học tương tự nhau nên bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng sẽ có chung cấu trúc và tham số. Ở đồ án này ta xét bộ điều khiển CSPK cho D-STATCOM.
Q * Kp (1 +sTi ) sTi iq * 1 1+ sTeq iq 3ud 2 Q
Hình 3.9: Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển công suất phản kháng
Ta có hàm truyền vòng hở cho mạch vòng điều chỉnh công suất như sau:
G
HoQ = K
Bộ điều chỉnh PI được chỉnh định để đảm bảo độ dự trữ pha và tần số cắt đủ lớn, nên ta chọn:
30
Ti
K
p =
Với là băng thông mong muốn.
c
Đáp ứng của vòng điều khiển bên trong sẽ nhanh hơn vòng điều khiển bên ngoài, khi đó băng thông cho vòng điều khiển bên ngoài được chọn sao cho có biên độ nhỏ hơn tần số cắt của vòng điều chỉnh dòng điện, ta chọn c như sau:
c =
K
p =
Như vậy ta đã tính được thông số các mạch vòng điều khiển công suất phản kháng cho bộ biến đổi đa mức MMC.
Ứng dụng nối lưới là một phần rất quan trọng khi nghiên cứu cấu trúc điều khiển của bộ nghịch lưu đa mức MMC. Vấn đề lớn đặt ra ở đây là ta cần đồng bộ điện áp đầu ra của MMC với điện áp lưới. Để làm được việc này ta cần đồng bộ góc pha của hai nguồn điện áp riêng biệt này. Một trong số những kỹ thuật tính toán vòng khóa pha phổ biến hiện nay là kỹ thuật PLL. aa
31 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG
Hệ thống được mô phỏng bằng phần mềm Matlab\Simulink với các thông số mạch điện được cho ở Bảng 4.1, Bảng 4.2, và Bảng 4.3. Quá trình mô phỏng được biểu diễn ở Bảng 4.4. Điều kiện để xác định sự thống nhất giữa lý thuyết và mô phỏng là kết quả mô phỏng cho thấy sự đảm bảo về việc giảm thiều dòng điện vòng, cân bằng điện áp tụ và điện áp đầu ra.
Trong thực hiện mô phỏng này sử dụng phương pháp điều khiển dự báo FCS- MPC để mô phỏng cho bộ biến đổi MMC với 10 SM trên mỗi nhánh điều này có nghĩa là điện áp đầu ra có 10+1=11 mức.
Bảng 4.1: Thông số mô phỏng hệ thống D-STATCOM
STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Trong hệ thống D-STATCOM còn có các bộ điều khiển công suất:
Bảng 4.2: Thông số bộ điều khiển công suất phản kháng
Bộ điều khiển công suất Kp
Ti
Đáp ứng của bộ điều khiển được kiểm nghiệm khi thay đổi tải lần lượt tải cảm và tải dung.
32
Bảng 4.3: Bảng giá trị tải
Bảng 4.4: Bảng giá trị công suất theo thời gian mô phỏng
Thời gian 0 0.05 0.05 0.1 0.1 0.15 0.15 0.25 0.25 0.3
Ở đây ta chỉ quan tâm tới việc bù CSPK nên ta đặt yêu cầu của sông suất tác dụng là 0. Qua phần mềm Matlab ta thu được kết quả sau với những yêu cầu như trên:
Hình 4.1: Đáp ứng công suất tác dụng
33 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 4.2: Đáp ứng công suất phản kháng
Qua Hình 4.1 và Hình 4.2 ta thấy trong khoảng thời gian mô phỏng, trạng thái hấp thụ hoặc bù công suất phản kháng của D-STATCOM ổn định sau khoảng thời gian 0.02s. Công suất tác dụng P luôn được giữ bằng 0, do đồ án này ta thiết kế D-STATCOM chỉ trao đổi công suất phản kháng với lưới điện phân phối, giá trị công suất phản kháng bám theo giá trị công suất đặt. D-STATCOM đáp ứng được yêu cầu kêu gọi công suất.
Hình 4.3: Điện áp đầu ra của D-STATCOM.
Điện áp đầu ra của D-STATCOM cho chất lượng tốt và dao động trong khoảng -UDC/2 đến UDC/2 tức -5 kV đến 5 kV. Điều đó đồng nghĩa với bộ biển đổi nguồn áp VSC hoạt động tốt, ổn định. Điện áp được giữ ổn định.
34
Hình 4.4: Dòng điện ra
Dòng điện ra tại thời điểm thay đổi các tải có sự dao động không đáng kể. Sau khoảng thời gian ngắn khi thay đổi tải dòng điện bù ổn định sau khoảng thời gian ngắn thời gian ổn định khoảng 0.02s.
Hình 4.5: Đồ thị điện áp và dòng điện
Từ khoảng thời gian 0.05s tới 0.1s ta thấy dòng điện sớm pha hơn so với điện áp một góc 90° tức D-STATCOM đang ở bù CSPK lên lưới, phù hợp với những gì mà ta mô phỏng tải đóng cắt vào lưới. Tương tự với thời gian từ 0.15s tới 0.25s thì điện áp sớm pha hơn so với dòng điện một góc 90°, lúc đó D- STATCOM đang hấp thụ công suất phản kháng từ lưới.
35 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 4.6: THD dòng điện đầu ra
Hình 4.7: THD điện áp đầu ra của D-STATCOM
36
Đáp ứng dòng điện và điện áp đầu ra của D-STATCOM ở trạng thái ổn định, độ méo sóng hài THD dòng điện là 0.56% và độ méo sóng hài THD điện áp là 2.88% đã cho thấy chất lượng của bộ biến đổi khá tốt.
Hình 4.8: Dòng điện vòng trong MMC
Ban đầu dòng điện vòng dao động khá lớn nhưng sau một khoảng thời gian dòng điện ổn định có dạng hình sóng sin. Thời gian quá độ khi thay đổi tải tương đối nhỏ.
37 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 4.9: Điện áp trên tụ điện SM
Điện áp trên tụ đã được cân bằng tương đối ổn định, dao động quanh giá trị định mức là 1000 V, trong ngưỡng hoạt động cho phép.
38
Hình 4.10: Điện áp một pha của MMC
Ta thấy điện áp đầu ra của MMC đã đáp ứng được 11 bậc như đã thiết kế ở trên.
Hình 4.11: Điện áp khi có và không có bộ bù
Khi có bộ bù thì điện áp được giữ ổn định quanh giá trị là 1 (pu). Qua đó ta thấy khi có bộ bù thì điện áp được giữ ổn định, kéo theo đó lưới điện sẽ ổn định hơn.
39 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Nhận xét: Qua tất cả kết quả mô phỏng trên ta thấy việc áp dụng phương pháp điều khiển dự báo vào bộ biến đổi MMC với N=10SM cho bộ bù công suất phản kháng D-STATCOM khi thay đổi tải cho kết quả điện áp ra đáp ứng mức yêu cầu, công suất phản kháng được bù hoặc hấp thụ từ lưới điện ổn định, độ méo sóng hài thấp, điện áp tụ và dòng điện vòng được giảm thiểu một cách tối đa. Thời điểm thay đổi các tải, D-STATCOM bù hoặc hấp thụ công suất phản kháng nhanh, giá trị công suất bù hoặc hấp thụ bám theo công suất mong muốn.
Đề xuất định hướng phát triển đề tài:
Hướng nghiên cứ trong tương lai của đề tài là khắc phục những hạn chế còn tồn tại khi áp dụng bộ điều khiển dự báo FCS-MPC. Từ đó, áp dụng bộ điều khiển dự báo này cho các thiết bị điều khiển điện tử công suất khác. Phương pháp điều khiển này có thể thực nghiệm trên thời gian thực sử dụng phần cứng (Hardware in the loop – HIL). Đây là những vấn đề quan trọng, có ý nghĩa thực tiễn trong quá trình điều khiển và ổn định hệ thống điện. Cụ thể ở đây, chúng em đã tìm hiểu về cách sử dụng vi mạch FPGA để làm thực nghiệm cho đề tài này, nhưng vì tình hình dịch bệnh phức tạp, nên em và các bạn chưa có thời gian gặp gỡ và lên trường để làm thực nghiệm. Vì vậy em mới chỉ dừng lại ở lí thuyết, chưa có thực nghiệm, mong thầy/cô thông cảm.
Ngoài ra ta còn có thể lập trình bộ xử lý khi có vấn đề xảy ra ở một thời điểm hay thời gian nào đó có 1 SM bị hỏng, ta có thể xử lý bằng cách tự động ngắt các SM ở các pha tương ứng sao cho số SM trong mạch MMC còn hoạt động là cân bằng ở mỗi nhánh của mỗi pha.
40
KẾT LUẬN
Trong thời gian làm đồ án với đề
phương pháp MPC cho bộ biến đổi các thông tin và kiến thức có được từ như sau:
tài: “Nghiên cứu thiết bị D-STATCOM và
MMC”, em đã tiến hành tìm hiểu, tổng hợp
quá trình học tập và đã đạt được các kết quả
- Tìm hiểu về bộ bù công suất D-STATCOM.
- Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC.
- Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển dự báo MPC.
- Tính toán, thiết kế mô phỏng để kiểm chứng D-STATCOM so với lý thuyết.
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Phạm Việt Phương là người hướng dẫn em hoàn thành đề tài này, cùng với đó là toàn thể nhóm đồ án đỡ giúp đỡ lẫn nhau trong quá trình hoàn thiện.
Dù đã rất cố gắng để hoàn thành đồ án, nhưng chắc chắn không thể không có những sai sót, do kiến thức còn hạn chế cũng như thời gian thực hiện, em rất mong nhận được ý kiến của các thầy cô để đồ án được hoàn thiện hơn.