Phương pháp MPC ứng dụng trong điện tử công suất được chia thành hai nhóm sau[10]:
• Điều khiển dự báo tín hiệu liên tục (Continuous Control Set MPC) hay CCS-MPC đây là phương pháp điều khiển dự báo tín hiệu một cách liên tục.
• Điều khiển dự báo hữu hạn các trạng thái (Finite Control Set MPC) hay FCS-MPC đây là phương pháp điều khiển dự báo hữu hạn các trạng thái của mô hình.
Vì các trạng thái đóng cắt của các van bộ biến đổi là hữu hạn, khả năng hay miền dự báo sẽ được giới hạn trong các trạng thái đó. Vì vậy phương pháp FCS- MPC là phù hợp nhất sẽ giảm được đáng kể số lượng tính toán và thời gian tính. Mô hình dự báo này được xây dựng bởi mối quan hệ giữa các trạng thái đóng cắt, biến điều khiển và các hàm mục tiêu. Ở một giai đoạn điều khiển, với mỗi trạng thái đóng cắt trong tập hữu hạn, mô hình dự báo được sử dụng để tính toán giá trị của các biến điều khiển ở giai đoạn tiếp theo. Sau đó hàm mục tiêu sẽ ước tính giá trị của từng biến dự báo và trạng thái chuyển mạch với hàm mục tiêu tối ưu nhất sẽ được lựa chọn cho giai đoạn điều khiển kế tiếp. Vì vậy mà khối lượng tính toán của mô hình cũng trở nên phức tạp hơn. Nhưng sự phát triển nhanh chóng của DSP (Digital Signal Processor) và FPGA (Field Programmable Gate Array) với những ưu điểm như mô hình hóa linh hoạt, dễ dàng hiện thực hóa các hàm mục tiêu và các ràng buộc đang thu hút được sự quan tâm. So với bộ điều khiển PI truyền thống, mô hình dự báo FCS-MPC có cấu trúc đơn giản hơn vì không cần bộ điều chế và bộ lọc. Hơn nữa, sự nhấp nhô điện áp và sóng hài cũng có biên độ thấp hơn.
Để hiểu rõ hơn FCS-MPC ta xem hình 3.3 dưới đây:
Lưới DSTATCOM
Hàm mục tiêu tối ưu cho
i=1, n Mô hình dự báo )( S( ) ( ) ( + 1) Bộ điều khiển FCS-MPC S( )
Hình 3.3: Sơ đồ khối của FCS-MPC
Mô hình dự báo được xây dựng dựa trên biến điều khiển x và trạng thái chuyển mạch S. Tại thời điểm tk, giá trị dự đoán tương lai của mô hình dự đoán là xk+1 dựa trên xk và trạng thái Sk. Tất cả các giá trị dự đoán xk+1 sẽ được so sánh với giá trị
xref trong khối hàm mục tiêu. Cuối cùng, trạng thái chuyển mạch tối ưu sẽ được chọn là trạng thái chuyển tiếp cho chu kỳ tiếp theo.
Trường hợp FCS-MPC được áp dụng cho bộ biến đổi với ba trạng thái chuyển mạch (S1, S2, S3) và giá trị đặt không đổi trong một khoảng thời gian. Hàm mục tiêu được xác định bằng cách tính giá trị sai lệch giữa các trạng thái của biến cần điều khiển so với giá trị đặt. Giá trị sai lệch nhỏ nhất sẽ được lựa chọn làm tín hiệu điều khiển cho hệ thống tại thời điểm chu kỳ làm việc tiếp theo.
3( + 1) 1( + 1) 2( + 1) 1( + 2) 2( + 2) 3 ( + 2) + 1 + 2 S2: Tím S1: Xanh lá S3: Đỏ
Hình 3.4: Nguyên tắc hoạt động của FCS-MPC.
Tại thời điểm k+1, tín hiệu x2(k+1) sẽ được lựa chọn làm tín hiệu điều khiển do có độ sai lệnh nhỏ nhất so với giá trị đặt do đó trạng thái S3 sẽ được lựa chọn cho bộ biến đổi, tương tự tại thời điểm k+2 tín hiệu x1(k+2) được lựa chọn làm tín hiệu điều khiển, trạng thái S2 sẽ được lựa chọn. Các tín hiệu trên được lựa chọn do hàm mục tiêu của tín hiệu có giá trị so với tín hiệu đặt là nhỏ nhất. Các chu kỳ tiếp theo quá trình làm việc này diễn ra tương tự.
Khoảng thời gian giữa các chu kì xét là thời gian trích mẫu Ts được tính:
( 1) ( ) ( 2) ( 1)
Ts t t t t
k k k k
= + − = + − + (3.1)
Từ đó ta có thể suy ra công thức của mô hình dự báo tương lai được tính theo hàm thể hiện trạng thái đóng cắt và biến điều khiển:
( 1) ( ), i 1,....,
x k+ = f x k S =i n (3.2)
Trong đó:
x(k) là các biến điều khiển hiện tại
x(k+1) là giá trị tương lai của x(k)
Silà trạng thái điều khiển ứng với x(k) và n là số trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi.