2.2 Điều khiển nghịch lưu nối lưới sử dụng mô hình dự báo
2.2.1 Nguyên lý của hệ thống MPC
Như đã được đề cập ở chương một, phương pháp điều khiển sử dụng mô hình dự báo MPC đã được ứng dụng nhiều trong điều khiển các bộ biến đổi công suất. Đặc điểm chính của điều khiển dự báo là sử dụng mô hình hệ thống để dự báo đáp ứng tương lai của các biến điều khiển.
Nội dung
Hình 2.14. Nguyên lý hoạt động của MPC
Thông tin này được sử dụng bởi bộ điều khiển để tác động trạng thái ngõ ra nhằm thu được đáp ứng tối ưu theo một tiêu chuẩn tối ưu xác định trước. Tiêu chuẩn tối ưu trong điều khiển dự báo dựa vào nguyên lý bão hòa là giữ cho biến điều khiển trong các biên giới hạn của vùng bão hòa. Trong khi đó, điều khiển dự báo dựa vào quỹ đạo, các biến điều khiển buộc phải theo một quỹ đạo xác định trước.
Một tiêu chuẩn linh hoạt hơn được sử dụng trong điều khiển dự báo dựa vào mô hình, đó là sử dụng phương pháp cực tiểu hàm chi phí. Một ưu điểm của điều khiển dự báo đó là các khái niệm rất đơn giản và trực quan. Điều khiển dự báo có thể tránh được cấu trúc các bộ điều khiển ghép tầng thường được dùng trong các sơ đồ điều khiển tuyến tính, trong khi vẫn thu được các đáp ứng quá độ rất nhanh. Các đại lượng phi tuyến trong hệ thống có thể được xem xét trong mô hình, không cần phải tuyến tính hóa mô hình đối với một thời điểm cho trước và cải thiện được việc vận hành hệ thống trong tất cả các điều kiện. MPC cũng có thể xem xét các ràng buộc đối với một số biến. Khi thiết kế bộ điều khiển, những ưu điểm này có thể dễ dàng được thực hiện trong các sơ đồ điều khiển như MPC.
MPC là một mô hình rời rạc như hình 2.5 và 2.6. MPC có thể được biểu diễn trong mô hình không gian trạng thái như sau:
(2-4) Khi đó, một hàm chi phí g đặc trưng cho đáp ứng mong muốn của hệ thống được mô tả như sau:
(2-5) Trong đó, N là số trạng thái của nghịch lưu. Với nghịch lưu 3 pha 2 bậc, số trạng thái N được xác định như sau:
Nội dung
Với mỗi ứng dụng MPC khác nhau sẽ có các yêu cầu cụ thể về ràng buộc điều khiển như điều khiển dòng điện, điều khiển mô men, điều khiển công suất, giảm tần số chuyển mạch. Các yêu cầu này có thể mô tả trong hàm chi phí để thực hiện cực tiểu. Hàm chi phí cơ bản nhất được sử dụng trong nghịch lưu nối lưới là sai số dòng điện đặt và dòng điện đo được. Tuy nhiên, một trong các ưu điểm của MPC là có thể điều khiển các loại biến tham số khác nhau thông qua các ràng buộc trong hàm chi phí.
Để giải quyết sự khác biệt về đơn vị và biên độ của các biến điều khiển trong cùng một hàm chi phí, phương pháp trọng số thường được sử dụng để điều chỉnh mức độ quan trọng của các biến.
Khi xây dựng mô hình dự báo, các biến điều khiển phải được xem xét trong mô hình rời rạc để MPC có thể sử dụng được các biến này. Có thể có loại biến điều khiển có thể đo được, có loại không thể đo được mà phải thực hiện ước lượng. Do trong mô hình rời rạc của mpc phải sử dụng các phương pháp rời rạc, nên hệ thống bậc nhất thường được sử dụng trong các hệ thống nghịch lưu nối lưới. Phép toán đạo hàm khi đó có thể xấp xỉ đơn giản theo phương pháp Euler thuận như sau:
(2-7) Trong đó, Ts là chu kỳ lấy mẫu tính toán.
Đối với các hệ thống bậc cao, phương pháp Euler thuận sẽ không còn hiệu quả do xuất hiện sai số đáng kể. Khi đó, thường phải sử dụng một phương pháp rời rạc chính xác hơn.
Qui trình thực hiện MPC sẽ như sau:
Dự báo đáp ứng của các biến điều khiển đối với tất cả các trạng thái chuyển
mạch
Nội dung
Chọn trạng thái chuyển mạch để cực tiểu hàm chi phí
Qui trình này cũng được thể hiện trên hình 2.5.