Chương 1. Tổng quan nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng ứng dụng cho hệ truyền động không đồng bộ
1.2. Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện
1.2.4. Phát hiện và xử lý lỗi của nghịch lưu đa mức khi xảy ra lỗi van công suất 16 1.3. Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án
a. Phát hiện lỗi của nghịch lưu đa mức
Đối với lỗi của nghịch lưu đa mức, 38% là do lỗi của van bán dẫn công suất gây nên [3]. Lỗi của van bán dẫn công suất đƣợc chia làm 2 nhóm chính: hở mạch và ngắn mạch van bán dẫn [71]. Việc phát hiện nhanh, chính xác vị trí của lỗi giúp giảm ảnh hưởng của lỗi đến nghịch lưu và hệ truyền động. Do đó, đã có nhiều phương pháp đề xuất để phát hiện lỗi:
* Phương pháp phân tích phổ của dòng điện đầu ra [72]. Phương pháp này dựa trên phân tích THD của dòng điện đầu ra. Bằng việc dựa trên sai khác về giá trị THD của dòng điện trên các pha, sẽ tìm đƣợc cell công suất bị lỗi. Với việc đo liên tục về THD của dòng điện đầu ra đòi hỏi mạch đo dòng phải chính xác cao, khả năng tính toán của phần cứng phải rất nhanh.
* Phương pháp dựa vào sai lệch điện áp điều chế và điện áp ra thực tế của cell [73], [74]. Bằng việc so sánh giữa sóng sin điều chế và sóng răng cƣa, để xác định đƣợc xung điều khiển cho các van bán dẫn, điện áp đầu ra theo điều chế của cell công suất. Lỗi đƣợc xác định là khi có sai khác của 2 đại lƣợng này, sơ đồ khối thể hiện như Hình 1. 7 , đây là phương án tương đối đơn giản, dễ thực hiện. Tuy nhiên, nghiên cứu mới chỉ ra phát hiện lỗi cho phương pháp dịch mức sóng mang. Do đó,
16
việc phát triển thuật toán phát hiện lỗi cho phương pháp điều chế vector không gian (SVM) của nghịch lưu đa mức đặc biệt là khi số mức tăng cao là hướng nghiên cứu cần thực hiện.
* Phương pháp dùng mạng neural phân loại THD của điện áp đầu ra từ đó phát hiện ra lỗi [75], [76]. Tương tự như phương pháp trên phương pháp này cũng đòi hỏi phần cứng xử lý mạnh và cơ cấu mạch đo có độ chính xác rất cao. Bên cạnh đó, sử
Vg1 V
Vdc Reference
Calculation
Vout
Vref
Hình 1. 7. Sơ đồ khối phát hiện lỗi theo sai lệch điện áp
vs
Hình 1. 8. Sơ đồ khối phát hiện lỗi theo sai lệch dòng điện với dòng dự báo [77].
17
dụng mạng neural đòi hỏi phải có dữ liệu lớn, tuy nhiên khi có bất kỳ sự thay đổi về cấu hình của cầu H (tăng hoặc giảm số mức) cần có bộ dữ liệu mới.
* Phương pháp dựa vào sai lệch dòng điện dự báo và dòng điện đo được từ đó phát hiện ra lỗi [77], [78]. Việc dựa vào mô hình đối tƣợng, tác giả đã dự báo dòng điện ở thời điểm i(k+1). Sự sai khác của tính hiệu dự báo i(k+1) và dòng điện đo đƣợc ở i(k+1) sẽ so sánh bước thay đổi của dòng. Lỗi của nghịch lưu được xác định khi sự sai khác này lớn hơn giá trị ngưỡng đặt trước, sơ đồ khối thể hiện như Hình
2. 8 . Với phương pháp này đã mang lại hiệu quả khi không phải dùng thêm các thiết bị phụ trợ trong việc phát hiện lỗi. Tuy nhiên, phương pháp này cũng đòi hỏi mạch đo chính xác rất cao để có thể phát hiện lỗi chính xác. Bên cạnh đó, phương pháp cũng đòi hỏi phải có mô hình chính xác cao, thời gian tính toán nhanh.
Luận án này sẽ đề xuất một phương án chẩn đoán lỗi hở mạch van bán dẫn công suất dựa trên việc so sánh sự tương ứng giữa điện áp đầu ra cell công suất thực tế và điện áp đầu ra cell công suất theo tín hiệu điều khiển. Khi có sự sai khác bất thường xảy ra, cell công suất đƣợc xác định là có lỗi và bị loại bỏ bằng phần mềm và phần cứng trong thời gian nhỏ nhất có thể, dễ dàng thực hiện, mạch đo điện áp không yêu cầu về độ chính xác quá cao. Việc mô phỏng và thực nghiệm thuật toán đề xuất sẽ chứng minh đƣợc tính đúng đắn thuật toán.
b. Xử lý lỗi
Sau khi đã phát hiện đƣợc lỗi, cell công suất bị lỗi sẽ đƣợc loại bỏ thông qua thiết bị đóng cắt. Sau đó, sẽ áp dụng thuật toán điều chế trong trường hợp bị lỗi. Đã có khá nhiều nghiên cứu về về việc khắc phục lỗi trong bộ nghịch lưu.
Hình 1. 9. Hình ảnh mô tả phương pháp “bypass cell” [47]
18
HA5 HA4
HA3
HA2
120o
HC1
HC2
120o HC3
HC4
VCA HC5
VBC
Hình 1. 10. Hình ảnh mô tả phương pháp dịch điểm trung tính [79], [41]
* Phương pháp “bypass cell” chứa van bán dẫn bị lỗi được đề xuất ở tài liệu [80].
Phương pháp này tương đối đơn giản, dễ thực hiện, tạo ra điện áp cân bằng giữa các pha. Bằng cách thực hiện “bypass cell” bị lỗi và các cell không bị lỗi ở các pha tương ứng để đảm bảo dòng điện, điện áp các pha là cân bằng. Do các cell không bị lỗi ở các pha tương ứng cũng sẽ bị loại bỏ dẫn đến điện áp đầu ra bị suy giảm lớn.
Sơ đồ nguyên lý thể hiện nhƣ Hình 1. 9.
a) b)
19
c)
Hình 1. 11. Ảnh hưởng của vector điện áp ra khi mạch nghịch lưu xảy ra lỗi.
(a) Dạng vector điện áp ra khi cell HA1 bị lỗi. (b) Dạng vector điện áp ra khi cell HB1 bị lỗi. (c) Dạng vector điện áp ra khi cell HA1, HB1 bị lỗi. (d)
Dạng vector điện áp ra khi cell HA1, HB1, HC1 bị lỗi.
* Để khắc phục nhược điểm của phương pháp “bypass cell”, phương pháp dịch điểm trung tính đã được đề xuất ở tài liệu [79], [41]. Với phương pháp này, chỉ cell lỗi bị loại bỏ dẫn đến điện áp ra thường lớn hơn so với phương pháp “bypass cell”.
Sơ đồ nguyên lý dịch điểm trung tính thể hiện nhƣ Hình 1. 10.
* Kỹ thuật điều chế vector không gian để xử lý lỗi đƣợc đề xuất ở [81]. Bằng việc xác định vùng ảnh hưởng của không gian vector điện áp khi xảy ra lỗi của cell công suất trên các pha nhƣ Hình 1. 11 , vector điện áp không bị lỗi là hình tròn, vector điện áp lỗi thể hiện là hình tam giác. Nghiên cứu đã chỉ ra đƣợc điện áp lớn nhất mà nghịch lưu đa mức có thể tạo ra mà vẫn đảm bảo các điều kiện về cân bằng điện áp, dòng điện. Phương pháp này mang lại hiệu quả tương đương với phương pháp dịch điểm trung tính. Tuy nhiên, cả hai phương pháp trên đều khá phức tạp, đặc biệt là khi số mức tăng cao. Chính vì vậy, đa số các nghiên cứu chỉ xác định cho nghịch lưu với số mức hữu hạn. Đồng thời cách lựa chọn tổ hợp trạng thái đóng cắt làm xuất hiện điện áp common - mode lớn, gây ảnh hưởng xấu khi vận hành lâu dài.
Điện áp common mode (CMV) là hiệu điện thế giữa điểm trung tính của tải và bộ biến đổi. CMV có những tác động xấu khi vận hành hệ thống, đặc biệt khi phụ tải là động cơ. CMV là một trong các nguyên nhân chính làm giảm tuổi thọ của các loại động cơ. Đã có các phương án sử dụng bộ lọc tích cực hoặc thụ động làm giảm CMV [82], nhưng làm tăng kích thước và giá thành của hệ thống.
Nhận thấy nhược điểm của các phương pháp đã được nghiên cứu, luận án đề xuất thuật toán phát hiện lỗi van bán dẫn và xử lý hệ thống khi có lỗi hở mạch van.
20
Trong đó, việc phát hiện lỗi dựa trên sự sai khác bất thường giữa điện áp thực tế và tín hiệu điều khiển cầu H đảm bảo nhanh, chính xác, đơn giản. Việc xử lý lỗi của hệ thống khi có lỗi van bằng cách cấu hình lại hệ thống sau đó ứng dụng thuật toán tổng quát hóa điều chế SVM trong điều kiện tối ưu điện áp common mode để loại bỏ vùng không gian điện áp lỗi gọi là thuật toán SVM cải tiến.
1.3. Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án
Với đối tượng nghiên cứu là nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng, luận án tập trung nghiên cứu về phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu
H nối tầng trong điều kiện bình thường và khi xảy ra lỗi van bán dẫn; phát hiện và xử lý nghịch lưu khi xảy ra lỗi của van bán dẫn; thiết kế bộ điều kiện dự báo cho nghịch lưu đa mức với các kết quả và dự kiến đóng góp cho luận án cụ thể như sau:
- Đề xuất thuật toán tổng quát hóa phương pháp điều chế vector không gian: đơn giản hóa điều chế; giảm thời gian tính toán, khối lƣợng tính toán khi xây dựng phương pháp điều chế; dễ dàng cho tính toán, thiết kế hệ thống sử dụng nghịch lưu đa mức điều chế vector không gian.
- Đề xuất thuật toán phát hiện lỗi và xử lý lỗi của nghịch lưu đa mức khi xảy ra lỗi van bán dẫn: giảm ảnh hưởng của lỗi thông qua việc phát hiện nhanh, chính xác lỗi; duy trì hoạt động hoặc dừng chủ động của nghịch lưu bằng việc cấu hình lại và thay đổi điều chế SVM để mức suy giảm điện áp là nhỏ nhất, chất lƣợng dòng điện, điện áp đảm bảo.
- Đề xuất thuật toán sử dụng 19 vector liền kề với các phép tính song song trên FPGA: chỉ thực thực hiện 19 lượt tính toán với số mức bất kỳ của nghịch lưu; giảm thời gian tính toán do các phép tính được thực hiện song song (tương đương một lƣợt tính toán) trong FCS – MPC.
- Đề xuất hàm mục tiêu điều khiển với các chỉ tiêu: Tối ƣu sai lệch dòng điện, triệt tiêu điện áp common mode, giảm tần số đóng cắt của van bán dẫn.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm của nghịch lưu 3 pha 11 mức cấu trúc cầu H nối tầng và tiến hành các thực nghiệm cần thiết.