CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SVM CHO BBĐ MMC
3.8 Điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao của dòng điện vòng trong
Một trong những thách thức kỹ thuật chính của MMC là loại bỏ được dòng điện vòng. Dòng điện vòng được tạo bởi thành phần dòng điện iDC và các sóng hài bậc cao tần số thấp của nó [62]. Dòng điện vòng được tạo ra do quá trình phóng nạp không đồng thời của tụ điện trên SM, độ đập mạch của điện áp tụ sẽ sinh ra dòng điện vòng chảy qua cả hai nhánh trong mỗi pha, dòng điện vòng không làm ảnh hưởng đến giá trị của các thông số đầu ra của BBĐ nhưng sẽ tạo ra một số hiệu ứng không mong muốn như: gây nên méo dạng của dòng điện nhánh; làm tăng biên độ điện áp tụ điện; làm tăng tổn thất và giảm tuổi thọ trên các van bán dẫn; gây ra sự sai lệch điện áp giữa nhánh trên và nhánh dưới; làm tăng giá trị định mức của thiết bị và tăng giá thành hệ thống [54], [57]. Đây là nguyên nhân gây nên ảnh hưởng xấu đến chức năng hoạt động của MMC. Do đó, loại bỏ được giá trị dòng điện vòng
Chương 3: Phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC
là điều kiện cần thiết để MMC hoạt động ổn định. Do MMC có cấu trúc gồm nhiều tín hiệu vào và ra, mô hình toán học có sự tương quan phức tạp của dòng điện, điện áp xoay chiều, điện áp tụ điện và dòng điện vòng, nên quá trình kiểm soát giá trị của dòng điện vòng vô cùng phức tạp và đòi hỏi các thuật toán điều khiển chất lượng cao [29]. Chất lượng của việc điều khiển dòng điện vòng được đánh giá bằng hai tiêu chí chính gồm: biên độ của dòng điện vòng trong mỗi nhánh của BBĐ MMC càng nhỏ càng tốt; các thành phần xoay chiều được loại bỏ chỉ còn thành phần một chiều, nghĩa là độ đập mạch của dòng điện vòng ở mức thấp.
Thông thường, dòng điện vòng có thể giảm bằng cách tăng giá trị cuộn cảm Lo, nhưng phương pháp này không thể loại bỏ dòng điện vòng và không hiệu quả về chi phí cũng như kích thước BBĐ, cuộn cảm chỉ có tác dụng khi dòng điện vòng ở giá trị cao [62]. Để điều khiển dòng điện vòng có thể điều chỉnh giá trị điện áp tổng của nhánh trên, nhánh dưới đồng thời sử dụng các mô hình dự báo (3.59), hàm mục tiêu như phương trình (3.68):
J
I v
x a , b
i vxt 1 I vx* ,
(3.68)
i vxt 2 I vx*
m ax
,
, c i vxt k1 I vx*
Trong đó Ivx ký hiệu dòng điện vòng mong muốn của pha A, B,C, được xác định bởi công suất tác dụng của MMC. Tuy nhiên, để tích hợp được điều khiển dòng điện vòng theo phương pháp điều khiển dự báo là một điều kiện rất phức tạp, do điều kiện về mặt thời gian cũng như quy mô của luận án, trong phần này tác giả chưa đi sâu vào nghiên cứu vấn đề dự báo dòng điện vòng để làm suy giảm thành phần sóng hài bậc cao. Thay vào đó luận án thực hiện điều khiển suy giảm thành phần sóng hài bậc cao của dòng điện vòng bằng mô hình điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI kết hợp các khâu của bộ điều khiển cộng hưởng PR để triệt tiêu sai lệch tĩnh và suy giảm thành phần bậc cao của dòng điện vòng của mỗi pha. Lý do lựa chọn cách thức điều khiển này là vì có cách thức thực hiện đơn giản hơn mà vẫn đảm bảo được hiệu quả của phương án đề xuất. Giải pháp đưa ra ở đây là tích hợp mạch vòng suy giảm sóng hài dòng điện vòng sử dụng các bộ điều chỉnh cộng hưởng (Prosional Resonant – PR Controller) với các mắt cộng hưởng tại 2s , 4s,... (slà tần số cơ bản điện áp xoay chiều đầu ra), vào đầu ra của khâu điều chế SVM để hiệu chỉnh các hệ số điện áp cho nhánh trên, nhánh dưới kHx, kLx ngay trong mỗi chu kỳ điều chế. Cấu trúc sơ đồ điều khiển dòng điện vòng được thể hiện như Hình 3.32.
Hàm truyền bộ lọc LPF như (3.69):
H s K 1 (3.69)
T s 1 T s 1
Trong đó, bộ lọc LPF có tác dụng có chức năng lọc và giữ lại các thành phần bậc cao của ivx, các thành phần này sẽ được so sánh với giá trị thực của ivx để đưa ra
77
Chương 3: Phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC
được thành phần sai lệch của thành phần một chiều và các sóng hài bậc cao trong ivx. Theo tài liệu [16], hàm truyền của bộ lọc LPF được thể hiện như (3.69). Các khâu cộng hưởng của bộ điều khiển PR có chức năng triệt tiêu các sai lệch của dòng điện vòng và tạo ra giá trị đặt của điện áp chênh lệch giữa các nhánh của MMC. Giá trị điện áp chênh lệch vdiff_x sẽ được sử dụng trong khâu điều chế để xác định các giá trị chèn tụ của MMC.
PR2
iHx i
vx
iv,h_x V
diff_x
+ 1/2 LPF _ PR1 ++
+ + +
iLx i
vx kp+ki/s PI
Hình 3.32 Cấu trúc điều khiển dòng điện vòng trong một pha của MMC
Lưu đồ thuật toán thực hiện phương pháp điều chế SVM kết hợp với các chiến lược điều khiển dòng điện vòng, điều khiển cân bằng điện áp trên tụ điện được thực hiện thông qua Hình 3.33. Lưu đồ thuật toán Hình 3.33 được giải thích như sau:
Đầu mỗi chu kỳ điều chế Ts, thuật toán cập nhật:
u1(k) = [d1 d2 d3 D1 D2 kg kh Secto], bao gồm: các hệ số điều chế d1, d2, d3; loại tam giác D1, D2; tọa độ nguyên kg, kh; các Sector number Secto.
u2(k) = [iA iB iC] là giá trị trích mẫu các dòng điện ba pha đầu ra xoay chiều iA, iB, iC.
u3(k) = [ivA ivB ivC] là giá trị trích mẫu các dòng điện ba pha đầu ra xoay chiều ivA, ivB, ivC .
u4(k) = [ve_HA ve_HB ve_HC ve_LA ve_LB ve_LC] là giá trị trích mẫu điện áp trung bình trên tụ cho mỗi nhánh trên, nhánh dưới trong mỗi pha.
u5(k) = [v_diffA v_diffA v_diffA] là các giá trị điện áp hiệu chỉnh cho mạch vòng dòng điện vòng đến từ đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện vòng.
Thuật toán duyệt qua mỗi giá trị “k” để tìm được giá trị kopt (optimal) tối ưu cho quá trình chuyển mạch van.
Với mỗi kminkkmax thuật toán mô phỏng toàn bộ quá trình điều chế trong một chu kỳ Ts bao gồm các bước:
+ Xác định các hệ số điều chế theo phương pháp SVM, bao gồm kA,B,C = [kA, tA, kB, tB, kC, tC], số mức điện áp trên mỗi pha kA, kB, kC và thời gian tương ứng tA, tB, tC.
+ Đối với mỗi nhánh pha xác định số SM đưa vào cho mỗi nhánh trên là kHx và nhánh dưới là kLx (x = A, B, C). Khi kHx = 0 hoặc kLx = 0, thuật toán sẽ tác động đến khâu điều chế và tắt tất cả các SM ở nhánh trên hoặc nhánh dưới trong mỗi pha, trường hợp này sẽ tương ứng với số mức điện áp đầu ra MMC ở cực âm hoặc cực
Chương 3: Phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC
Cập nhật: u1(k) = [d1 d2 d3 D1 D2 kg kh Secto]
u2(k) = [iA iB iC] u3(k) = [ivA ivB ivC] u4(k) = [ve_HA v
e_HB v e_HC v
e_LA v e_LB v
e_LC]
u5(k) = [v
_diffA v
_diffA v
_diffA] k
sim = k
Smin
Đúng Sai
k
sim <= k
Smax
Điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức MMC [kg kh ksim]
kA,B,C = [kA, tA, kB, tB, kC, tC]
Thuật toán xác định k*Hx, k*Lx theo công thức (3.52)
(x = A, B, C)
Đúng Sai
Đúng Sai
kLx, kHx = 0
kLx, kHx = N
Đúng t
Lx > t
Hx
Sai
t
1
= t
Hx
; k
Hx1
= k
Hx
; k
Lx1
= k
Lx
t
1
= t
Hx
; k
Hx1
= k
Hx
; k
Lx1
= k
t Lx 2 = t
Lx – t Hx; k
Hx1 = k Hx+1; k
Lx1 = k
Lx t
2 = t Lx – t
Hx; k Hx1 = k
Hx+1; k Lx1 = k
Lx
t3 = Ts/2 – (t1+t2); kHx1 = kHx+1; kLx1 = kLx+1 t3 = Ts/2 – (t1+t2); kHx1 = kHx+1; kLx1 = kLx+1
[ktHx, ktLx] = [kHx1, kLx1, t1, kHx2, kLx2, t2, kHx3, kLx3, t3] k =1
k = 4
k = k+1 k = k+1
Đúng Sai
k =3? k = 6? Sai
Đúng
Sai
Đúng Jvmin = J
v; k
opt = k
sim; k
ABCout = k
ABC
k
sim = k
sim+1
Hình 3.33 Lưu đồ thuật toán điều khiển dự báo xác định JVmin và kOpt
7 9
Chương 3: Phương pháp điều chế SVM cho BBĐ MMC
dương có giá trị lớn nhất. Khi kHx = N hoặc kLx = N, thuật toán sẽ tác động đến khâu điều chế và bật tất cả các SM ở nhánh trên hoặc nhánh dưới trong mỗi pha, tương ứng với số mức điện áp đầu ra MMC ở cực âm hoặc cực dương có giá trị nhỏ nhất. Khi giá trị của kHx, kLx thuộc khoảng (0;N), thuật toán sẽ tác động đến khâu điều chế và bật lần lượt các SM thuộc nhánh trên. Khi một SM ở nhánh trên được bật, thuật toán sẽ tắt một SM ở nhánh dưới tương ứng, việc chọn SM nào được bật ở nhánh trên và SM nào được tắt ở nhánh dưới sẽ phụ thuộc vào thuật toán tính toán các hệ số chèn kHx, kLx và thời gian sử dụng hệ số chèn tHx, tLx tương ứng.
+ Hiệu chỉnh điện áp cho mạch vòng dòng điện vòng.
+ Tính toán thời gian điều chế cho mỗi nhánh van trên và nhánh van dưới theo PWM để đưa ra được 6 khoảng thời gian từ t0 đến t7.
+ Trên cơ sở các khoảng thời gian từ t0 đến t7. Áp dụng thuật toán dự báo điện áp trung bình trên tụ điện.
+ Tính toán hàm mục tiêu JV. So sánh JV với JVmin, lưu lại các giá trị kopt và kA,B,C tương ứng.
Kết quả đưa ra là kopt được lựa chon cùng với các giá trị [kA, tA, kB, tB, kC, tC] các giá trị này sẽ được đưa vào khâu PWM để xác định xung điều khiển đưa vào các SM của BBĐ MMC.
Khi kết thúc chu kỳ điều chế ở thời điểm t7, thuật toán tiếp tục cập nhật các thông số và bắt đầu tính toán lựa chọn các hệ số ứng với kopt ở chu kỳ làm việc tiếp theo của MMC.