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
1.2.3. Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện
* Phương pháp điều khiển dự báo (MPC): phương pháp điều khiển dự báo với nguyên lý cơ bản là dựa vào mô hình trạng thái, quá trình trễ, tối ƣu hóa hàm mục tiêu và cùng với lý thuyết điều khiển dự báo để tối ƣu giá trị [47]. MPC có ƣu điểm là khái niệm trực quan, thiết kế đơn giản và phù hợp với đối tƣợng phi tuyến [48].
MPC lần đầu tiên đƣợc giới thiệu vào năm 1960 và đƣợc ứng dụng nhiều trong công nghiệp vào năm 1970 [49]. Từ những năm 1980, MPC bắt đầu đƣợc ứng dụng trong điện tử công suất, lúc này do hạn chế về kỹ thuật xử lý nên nó chỉ đƣợc ứng dụng cho các hệ thống tần số thấp [23], [50], [51]. Về bản chất điều khiển dự báo gồm nhiều các phương pháp điều khiển khác nhau có chung một đặc điểm, đó là sử
13
dụng các mô hình toán học của hệ thống để dự đoán hành vi tương lai [52]. Việc thực hiện đƣợc bộ điều khiển MPC yêu cầu những phức tạp về mặt toán học, đòi hỏi năng lực tính toán của bộ vi xử lý phải lớn. Trong một thập kỉ trở lại đây, sự phát triển của các bộ vi xử lý với tốc độ cao nhƣ DSP, FPGA… đã đáp ứng đƣợc yêu cầu về độ tính toán lớn của MPC [53], [54]. Vì vậy, việc áp dụng MPC cho điện tử công suất và truyền động điện đã khả thi hơn trong thực tế [55].
Với đối tƣợng là các bộ biến đổi điện tử công suất, điều khiển dự báo đƣợc chia làm 2 loại [55]: Điều khiển Continuous control set- MPC (CCS- MPC): Tính toán các giá trị điều khiển liên tục để đƣa vào bộ điều chế độ rộng xung, từ đó thu đƣợc điện áp đầu ra của bộ công suất. Ưu điểm của phương pháp này là đưa ra tần số chuyển mạch định trước, nhưng sẽ tạo ra sự phức tạp khi triển khai thuật toán; Điều khiển Finite control set- MPC ( FCS- MPC): Dựa trên số lƣợng trạng thái đóng cắt hữu hạn, bộ điều khiển đánh giá trực tiếp từng trạng thái chuyển mạch sao cho đảm bảo mục đích điều khiển mà hệ thống đề ra. Cách tiếp cận này cho phép các sơ đồ điều khiển linh hoạt và đơn giản hơn, không cần bộ điều chế độ rộng xung do bộ điều khiển sẽ tính toán ra trạng thái chuyển mạch tối ƣu và áp dụng trực tiếp lên mạch lực. FCS – MPC có 2 phương pháp điều khiển dự báo đó là điều khiển dự báo momen (PTC) và điều khiển dự báo dòng điện PCC [56], [57]. FCS-MPC đƣợc ứng dụng thành công trong điện tử công suất, bao gồm bộ biến đổi DC-DC, DC-AC, AC-DC, và AC-AC [58]. Đối với hệ thống truyền động điện thì MPC đã đƣợc ứng dụng rộng rãi cho máy điện xoay chiều, trong đó là động cơ KĐB-RLS [59] hay nhƣ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu [60], hay nhƣ với động cơ nhiều pha [61], bên cạnh đó MPC có thể sử dụng ở cấu trúc điều khiển không cảm biến [62].
Do đó, FCS – MPC sẽ đƣợc lựa chọn để thực hiện trong nghiên cứu này.
Việc loại bỏ khâu tổng hợp vector điện áp từ ba vector gần nhất giúp giảm đáng kể thời gian tính toán và độ phức tạp của thuật toán điều khiển, từ đó cải thiện đáp ứng động học của hệ thống. Tuy nhiên, việc không có khâu điều chế dẫn tới không thực hiện đƣợc các mục tiêu khác của điện tử công suất nhƣ: Tối ƣu common mode, tối ƣu đóng cắt, cân bằng điện áp trên tụ,…Vì vậy, nhiệm vụ này phải đƣợc thực hiện trong hàm mục tiêu của bộ điều khiển dự báo dòng điện [55], [56]. Điện áp commode gây ra do việc đóng cắt tạo ra vector điện áp các pha có tần số là bội của tần số cơ bản U A + U
B + UC ≠ 0 điện áp này gây ra dòng rò trong động cơ. Vấn đề
điều chế của bộ biến đổi giảm thiểu điện áp common mode cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng đƣợc trình bày trong [63]. Với việc lựa chọn các vector điện áp có common module nhỏ nhất để điều chế đã làm giảm CMV của nghịch lưu đa mức. Tuy nhiên việc điều chế và lựa chọn vector điện áp có CMV với bộ biến đổi có mức cao còn khó khăn. Bên cạnh đó, việc không linh động trong việc thay đổi CMV có thể gây ra ảnh hưởng đến chất lượng hệ truyền động. Để khắc phục nhược
14
điểm này, phương pháp MPC cho phép tối ưu CMV trong hàm mục tiêu bên cạnh các mục tiêu quan trọng của bộ điều khiển [64], [58]. Với phương pháp này điện áp CMV là một đại lƣợng đƣợc điều khiển và đƣợc đại diện bởi một thành phần có trọng số của hàm mục tiêu. Việc thay đổi trọng số này sẽ làm cho điện áp CMV thay đổi một cách dễ dàng tuy thuộc yêu cầu của bộ điều khiển. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện có mới chỉ áp dụng cho các nghịch lưu nguồn áp 3 pha thông thường
Bên cạnh đó, điều khiển MPC đòi hỏi chu kỳ trích mẫu phải đủ nhỏ khoảng 10 −100às [49], [55]. Do đú, tần số đúng cắt của bộ biến đổi cũng tăng lờn làm tổn thất trong quá trình đóng cắt tăng lên. Các nghiên cứu [65]–[67] đã thực hiện đƣa tần số đóng cắt là một đại lƣợng điều khiển và cũng đƣợc đại diện bằng một thành phần có trọng số trong hàm mục tiêu điều khiển. Việc thay đổi trọng số này đã làm thay đổi tần số đóng cắt của bộ biến đổi. Tuy nhiên khi tần số đóng cắt giảm cũng làm cho chất lƣợng dòng điện, điện áp giảm xuống nên cần lựa chọn trọng số phù hợp mục tiêu điều khiển và chất lƣợng của hệ truyền động.
Một trong những hạn chế của phương pháp điều khiển MPC là yêu cầu khả năng tính toán lớn của bộ điều khiển. Đặc biệt, khi hệ truyền động đƣợc cấp nguồn bởi nghịch lưu đa mức thì số lượng vector điện áp tăng nhanh theo số mức. Do đó, khối lượng tính toán của phương pháp sẽ tăng lên theo số tăng của vector điện áp. Tuy nhiên, khối lƣợng tính toán quá lớn có thể không thể thực hiện đƣợc do hạn chế tài nguyên của thiết bị điều khiển. Bên cạnh đó, việc tính toán khối lƣợng quá lớn sẽ làm cho thời gian tính toán tăng lên, làm ảnh hưởng đến chất lượng bộ điều khiển.
Đã có khá nhiều nghiên cứu về vấn đề giảm số lượng tính toán của phương pháp điều khiển MPC. Ở [68] đề xuất phương pháp sử dụng 7 vector điện áp không gian liền kề. Bằng việc cố định chỉ lựa chọn 1 trong 7 vector điện áp xung quanh vector điện áp ở chu kỳ trước. Điều này đã đảm bảo là với bộ biến đổi có mức bất kỳ thì số lƣợng tính toán là không đổi. Ở [69], [70] lựa chọn 3 vector liền kề từ vector điện áp dự báo. Điều này cũng tạo ra số lƣợng tính toán cố định với bất kỳ mức nào của bộ điều khiển. Tuy nhiên, việc giảm các lựa chọn vector điện áp của hàm mục tiêu sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng bộ điều khiển đặc biệt là quá trình quá độ, bên cạnh đó với hàm đa mục tiêu bao gồm sai lệch dòng điện stator, tối ƣu common mode, tối ưu đóng cắt các phương pháp đề xuất là khó khả thi và sẽ làm cho chất lượng hệ truyền động giảm xuống. Do đó, các phương pháp trên mới thử nghiệm với hàm mục tiêu không có trọng số. Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lưu đa mức không dùng khâu điều chế sẽ rất phù hợp cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng do giảm được khối tính toán tương đối phức tạp của khâu điều chế. Tuy nhiên, phương pháp này cũng đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán phải nhanh là vấn đề của nghiên cứu đặt ra.
15
Qua các công trình nghiên cứu tại mục 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3 nhận thấy rằng, đối với cấu trúc biến tần đa mức cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ theo nguyên lý FOC, có thể dùng bộ điều khiển dòng điện (tuyến tính, phi tuyến) cùng với khâu điều chế, hay như bộ điều khiển dự báo dòng điện thì đặt điện áp lên động cơ về biên độ và góc pha theo yêu cầu. Tuy nhiên thấy rằng, với các công trình khoa học hiện có chưa đặt ra vấn đề đồng thời triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu đóng cắt van bán dẫn. Vì vậy, đây là một trong những mục tiêu nghiên cứu của luận án.