Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qz trong hệ thống pin năng lượng mặt trời

Luận văn này trình bày việc thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC cho cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ Quasi Z source inverter qZSI sử dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời Photovoltaic system PV So với nghịch lưu áp truyền thống giải pháp qZSI cho thấy hữu ích hơn nhờ vào khả năng nâng cao điện áp một chiều đầu vào và khắc phục được hiện tượng ngắn mạch xảy ra trong các khóa bán dẫn Bộ điều khiển PI thường được áp dụng cho qZSI Tuy nhiên nó có đặc tính động học chậm và chất lượng phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng điện phía trong Một nhược điểm khác của phương pháp này là sự tồn tại của đặc điểm pha không cực tiểu ở phía cấu trúc một chiều Điều này dẫn đến hiện tượng không ổn định cho toàn bộ hệ thống Bộ điều khiển dự báo theo mô hình với số trạng thái hữu hạn Finite control set model predictive control FCS MPC có các ưu điểm như cấu trúc đơn giản không có cấu trúc điều khiển nối tầng và khối điều chế và dễ dàng áp dụng với hệ thống phi tuyến và các ràng buộc Trong nghiên cứu này hàm mục tiêu của qZSI bao gồm dòng điện của tải của cuộn cảm và điện áp trên tụ điện Sau quá trình tối ưu hóa hàm mục tiêu trạng thái chuyển mạch tốt nhất được điều khiển đóng cắt các khóa bán dẫn Để xác nhận tính hiệu quả và khả thi của phương pháp đề xuất các phân tích được khảo sát bằng phần mềm Matlab Simulink với các điều kiện hoạt động khác nhau của hệ thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

PHAN THỊ THANH VÂN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Phan Thị Thanh Vân

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Tóm tắt luận văn

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

1.1 Cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời 4

1.2 Giới thiệu pin mặt trời 5

1.2.1 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 6

1.2.2 Cách ghép nối các tấm pin mặt trời 9

1.3 Các bộ biến đổi trong hệ thống pin năng lượng mặt trời 10

1.3.1 Bộ biến đổi DC/DC 10

1.3.2 Bộ biến đổi DC/AC 13

1.4 Phương pháp tìm điểm làm việc công suất cực đại (MPPT) 14

1.5 Kết luận 18

Chương 2 - NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ 19

2.1 Giới thiệu nghịch lưu 19

2.2 Cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ 21

2.3 Xây dựng mô hình toán học của nghịch lưu nguồn qZ 22

2.4 Giới thiệu phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ 25

2.5 Kết luận 26

Chương 3 - XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ 27

3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển dự báo 27

3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ 31

3.3 Kết luận 37

Chương 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 38

4.1 Mô hình hóa hệ thống 38

4.2 Mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả 38

4.2.1 Mô phỏng hệ thống trên Matlab/simulink 38

4.2.2 Đánh giá kết quả 39

4.3 Kết luận 51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) 56

PHỤ LỤC 57

Học viên: Phan Thị Thanh Vân Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: Khóa: 36 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Luận văn này trình bày việc thiết kế bộ điều khiển dự báo (MPC) cho cấu trúc

nghịch lưu nguồn qZ (Quasi Z source inverter - qZSI) sử dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời (Photovoltaic system - PV) So với nghịch lưu áp truyền thống, giải pháp qZSI cho thấy hữu ích hơn nhờ vào khả năng nâng cao điện áp một chiều đầu vào và khắc phục được hiện tượng ngắn mạch xảy ra trong các khóa bán dẫn Bộ điều khiển PI thường được áp dụng cho qZSI Tuy nhiên, nó có đặc tính động học chậm và chất lượng phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng điện phía trong Một nhược điểm khác của phương pháp này là sự tồn tại của đặc điểm pha không cực tiểu ở phía cấu trúc một chiều Điều này dẫn đến hiện tượng không ổn định cho toàn bộ hệ thống Bộ điều khiển dự báo theo mô hình với số trạng thái hữu hạn (Finite control set model predictive control - FCS-MPC) có các ưu điểm như cấu trúc đơn giản (không có cấu trúc điều khiển nối tầng và khối điều chế) và dễ dàng áp dụng với hệ thống phi tuyến và các ràng buộc Trong nghiên cứu này, hàm mục tiêu của qZSI bao gồm dòng điện của tải, của cuộn cảm và điện áp trên tụ điện Sau quá trình tối ưu hóa hàm mục tiêu, trạng thái chuyển mạch tốt nhất được điều khiển đóng cắt các khóa bán dẫn Để xác nhận tính hiệu quả và khả thi của phương pháp đề xuất, các phân tích được khảo sát bằng phần mềm Matlab/Simulink với các điều kiện hoạt động khác nhau của hệ thống

Từ khóa – Pin mặt trời; nghịch lưu nguồn qZ (qZSI); điều khiển dự báo theo mô hình (MPC);

điều khiển dự báo theo mô hình với số trạng thái hữu hạn (FCS-MPC); hàm mục tiêu

DESIGNING MODEL PREDICTIVE CONTROL OF A GRID CONNECTED

QUASI-Z-SOURCE INVERTER

Abstract – This thesis presents a model predictive controller (MPC) design for a connected photovoltaic system using a quasi-Z-source inverter (qZSI) The qZSI is recognized as an attractive solution compared with the conventional voltage source inverter due to its benefits: the capability to boot the DC voltage input and overcoming the drawback

grid-of the short-circuit effect in switching devices The PI controller has been extensively applied for qZSI However, it provides a low dynamic response and its performances depend on the quality of the internal current controller Another disadvantage of this method is the behavior

of non-minimum phase phenomenon in the DC side, leading to an instability of the whole system The finite control set model predictive control (FCS-MPC) presents advantages such

as its concept simplicity (without cascaded control loop structure and modulation block) and easy inclusion of nonlinearities and constraints In this research, the cost function for qZSI consists of load current, inductor current, and a capacitor voltage Then, its minimization is carried out to obtain the best switching state which is implemented to the inverters Simulation analyses were performed in a Matlab/Simulink environment with different operating conditions of the system to validate the effectiveness and feasibility of the proposed method

Key word – Photovoltaic, Quasi-Z-source inverter (qZSI), Model predictive control (MPC),

Finite control set-model predictive control (FCS-MPC), cost function

CÁC KÝ HIỆU:

v Điện áp tức thời (V)

i Dòng điện tức thời (A)

V Giá trị hiệu dụng của điện áp (V)

I Giá trị hiệu dụng của dòng điện (A)

P Công suất (W)

d Tỷ số điều chế “ngắn mạch” ở ZSI/qZSI

D Tỷ số chu kì ở chuyển đổi DC-DC

P pv Công suất nguồn PV (W)

P load Công suất tiêu thụ của tải (W)

 Tần số góc (radian)

N s Số cell PV nối tiếp

N p Số cell PV song song

P Công suất tác dụng (W)

Q Công suất phản kháng (var)

T Nhiệt độ (C)

T s Thời gian lấy mẫu của bộ điều khiển

T 0 Thời gian ở trạng thái “ngắn mạch”

Các kí hiệu trên:

* Giá trị tham chiếu hoặc bắt buộc

^ Giá trị cực đại hoặc đạt đỉnh

Các kí hiệu dưới:

in Giá trị đầu vào

o Giá trị đầu ra

a, b, c Các pha đầu ra của bộ nghịch lưu

ref Giá trị tham chiếu

pv Giá trị điện áp hoặc dòng của nguồn PV

C Điện dung

L Điện kháng

mpp Giá trị cực đại của điện áp hoặc dòng tại nguồn PV

min, max Giá trị cực tiểu, giá trị cực đại

pk Giá trị đỉnh

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:

AC Dòng điện xoay chiều (alternate current)

CSI Nghịch lưu nguồn dòng (current source inverter)

DC Dòng điện một chiều (direct current)

EMI Nhiễu điện từ (electromagnetic interference)

I&C Thuật thoán dẫn điện gia tăng (Incremental and conductance)

IGBT Transistor lưỡng cực (insulated gate bipolar transistor)

MPC Điều khiển dự báo theo mô hình (model prediction control)

MPP Điểm làm việc công suất cực đại (maximum power point)

MPPT Tìm điểm làm việc công suất cực đại (maximum power point

tracking)

PV Pin mặt trời (photovoltaic)

PWM Điều chế độ rộng xung (pulse width modulation)

qZSI Nghịch lưu nguồn qZ (quasi-Z-source inverter)

THD Tổng độ biến dạng sóng hài (total harmonic distortion) VSI Nghịch lưu nguồn áp (voltage source inverter)

ZSI Nghịch lưu nguồn Z (Z-source inverter)

Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 So sánh phần tử thụ động của bộ biến đổi có công suất

50kW ứng dụng cho Fuel cell

20

2.2 Bảng vectơ điện áp đầu ra ở mỗi trạng thái chuyển

mạch của qZSI

23 2.3 Bảng trạng thái chuyển mạch được tạo ra bởi qZSI 23 3.1 So sánh sức mạnh tính toán giữa 2 thuật toán FCS-MPC 38 4.1 Thông số cho mô phỏng nghịch lưu nguồn qZ với tải

RL có điện áp ngõ vào Vin thay đổi [24]

39

4.2 Thông số cho mô phỏng nghịch lưu nguồn qZ với tải

RL thay đổi [24]

43

4.3 Thông số cho mô phỏng nghịch lưu nguồn qZ của hệ

thống PV được kết nối lưới [24]

47

Số hiệu

1.4 Sơ đồ mạch ngoài của pin mặt trời khi hở mạch 7 1.5 Sơ đồ mạch ngoài của pin mặt trời khi ngắn mạch 7 1.6 Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời 8 1.7 Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc

1.8 Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc

1.10 Sơ đồ mắc song song các tấm pin mặt trời 10 1.11 Sơ đồ hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời kết nối

1.16 Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt

1.17 Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi

1.18 (a) Mô hình dãy bị bóng che (b) Đặc tính I – V (c) Đặc

2.3

Một số cấu trúc mới phát triển dựa trên qZSI; (a) diode

bổ trợ boost qZSI (b) nghịch lưu chuyển đổi ZSI (c)

nghịch lưu nguồn T-Z (d) nghịch lưu nguồn H-Z

21

mạch” (b) trạng thái “không ngắn mạch”

3.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển dự báo 27

3.5 Sơ đồ phương pháp điều khiển FCS-MPC cho qZSI 32

3.8 Lưu đồ thuật toán FCS-MPC được đề xuất cho qZSI 36 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống nghịch lưu nguồn qZSI trong

hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới 38 4.2 Kết quả mô phỏng phía DC của qZSI ở trường hợp 1 40 4.3 Kết quả mô phỏng phía AC của qZSI ở trường hợp 1 42 4.4 Phân tích Fourier của dòng điện tải với công suất đầu ra

4.5 Kết quả mô phỏng phía DC của qZSI ở trường hợp 2 44 4.6 Kết quả mô phỏng phía AC của qZSI ở trường hợp 2 46 4.7 Phân tích Fourier của dòng điện tải với công suất đầu ra

4.9 Phân tích Fourier của dòng điện tải với công suất đầu ra

4.10 Đặc tính của dòng điện trên cuộn cảm, điện áp trên tụ

từ dạng điện áp một chiều sang xoay chiều (DC/AC), được thực hiện ở bộ chuyển đổi nghịch lưu Do đó, lựa chọn cấu trúc mạch lực thiết bị biến đổi điện tử công suất và phương pháp điều khiển, đóng vai trò quan trọng đảm bảo việc khai thác hiệu quả hệ thống điện mặt trời

Nghịch lưu nguồn Z (Z-Source Inverter - ZSI) được giới thiệu vào năm 2003 bởi tác giả Fang Zheng Peng tại đại học Michigan (Hòa Kỳ), là thiết bị chỉ một tầng biến đổi điện tử công suất, cho phép điện áp đầu ra mong muốn khi điện áp sơ cấp đầu vào thay đổi, phù hợp với đặc điểm làm việc của hệ thống phát điện phân tán Nó cung cấp tăng điện áp cao hơn và loại bỏ được sự chồng chéo giữa các van chuyển đổi nghịch lưu và biến dạng dòng đầu ra do sự xuất hiện của thời gian chết Tuy nhiên có nhược điểm là dòng đầu vào không liên tục và điện áp đặt trên các tụ điện luôn cao

Nghịch lưu nguồn Quasi-Z (Quasi-Z-Source Inverter - qZSI) được gọi là bản cải tiến của ZSI Mang đến sự lựa chọn tốt hơn với dòng đầu vào liên tục và điện áp thấp hơn trên các tụ của nó khi vẫn duy trì khả năng giống như ZSI với cùng thành phần gốc Bởi vì cấu trúc này nên nó dễ dàng hơn trong việc thực hiện lưu trữ pin Có rất nhiều phương pháp để điều khiển nghịch lưu nguồn qZ như bộ điều khiển PI đã được sử dụng rộng rãi cho qZSI nhưng PI vẫn có một số hạn chế như tính phi tuyến của hệ thống Trong các phương pháp điều khiển hiện hành đối với hệ phi tuyến, phương pháp điều khiển dự báo (MPC - Model Prediction Control) được coi là một phương pháp điều khiển thay thế và mạnh mẽ cho các ứng dụng điện tử công suất Những kết quả nghiên cứu trước đây đã cho thấy MPC điều khiển hiệu quả và có độ tin cậy cao Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển dự báo trong

hệ thống pin năng lượng mặt trời là một giải pháp quan trọng và có ý nghĩa thực tiễn

Đây chính là bối cảnh và động lực để học viên chọn đề tài “Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ trong hệ thống pin năng lượng mặt trời” cho luận văn tốt nghiệp của mình

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận văn này là:

- Xây dựng cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống pin năng lượng mặt trời (Photovoltaic - PV)

- Xây dựng mô hình toán học của nghịch lưu nguồn qZ

- Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ trong hệ thống pin năng lượng mặt trời

- Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để kiểm chứng mô hình, phương pháp

và đánh giá kết quả

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: cấu trúc nghịch lưu nguồn qZSI

Phạm vi nghiên cứu: phương pháp điều khiển dự báo cho bộ nghịch lưu nguồn qZSI nhắm đến áp dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu và khảo sát các công nghệ cho các hệ thống pin năng lượng mặt trời trong thực tế

- Nghiên cứu các tài liệu về nghịch lưu nguồn qZ

- Nghiên cứu các tài liệu về các thuật toán điều khiển được sử dụng trong hệ thống

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mạch lực, mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Tất cả các công việc của đề tài được mô phỏng và kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu lĩnh vực điện năng lượng mặt trời có ý nghĩa hết sức quan trọng góp phần khai thác triệt để nguồn năng lượng tự nhiên to lớn khi các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt

Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu mang lại nhiều ý nghĩa trong việc thiết kế bộ nghịch lưu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo với giá thành thấp và tin cậy

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết thúc, nội dung chính của luận văn được trình bày trong 4 chương như sau:

- Chương 1: Tổng quan hệ thống pin năng lượng mặt trời Chương này giới thiệu tổng quan về cấu trúc của hệ thống pin năng lượng mặt trời và vai trò của các thành phần trong hệ thống

- Chương 2: Nghịch lưu nguồn qZ Chương này trình bày cấu trúc mạch lực và

mô hình toán học của nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống pin năng lượng mặt trời, giới thiệu các phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ hiện nay

- Chương 3: Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ Giới thiệu về các phương pháp điều khiển dự báo, đưa ra cấu trúc và nguyên

lý làm việc của phương pháp điều khiển dự báo FCS - MPC, xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ

- Chương 4: Mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả Trên cơ sở lý luận đã đề xuất ở chương 2 và chương 3, để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, chương này trình bày thiết kế mô hình hóa hệ thống, thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời

Hệ thống pin năng lượng mặt trời chuyển đổi năng lượng thu được từ ánh sáng mặt trời thành dạng năng lượng điện có thể sử dụng được Điều này đòi hỏi cần có một

bộ chuyển đổi công suất giữa hai giai đoạn như Hình 1.1 Giai đoạn chuyển đổi

DC-DC là nơi đầu ra điện áp pin mặt trời (PV) được điều chỉnh theo mức yêu cầu nhất định Sau đó, trước khi năng lượng được hòa vào lưới, tải cần có sự chuyển đổi công suất từ dạng điện áp một chiều sang xoay chiều (DC - AC), được thực hiện ở bộ chuyển đổi nghịch lưu Một kho tụ một chiều (DC bus) có vai trò đảm bảo sự cân bằng năng lượng giữa nguồn và tải; có thể có hoặc không có khâu lưu trữ năng lượng tại bus

DC này tùy thuộc vào tính chất của phụ tải Khâu lưu trữ năng lượng là nơi lưu giữ năng lượng tạm thời và sử dụng khi cần đến

Bộ điều khiển

1 Điều khiển bộ DC-DC

2 Điều khiển bộ DC-AC

3 Điều khiển bộ lưu trữ pin

MPPT

Bộ chuyển đổi DC-DC

Bộ lọc Đầu ra

Tải

Bộ lưu trữ pin

Tín hiệu PWM

Tín hiệu PWM

Bộ biến đổi nghịch lưu DC-AC

Hệ thống PV

Dòng điện

- Thứ hai, hệ thống có khả năng lưu trữ năng lượng tốt, có nghĩa là hệ thống có thể được sử dụng hoàn toàn không chỉ trong những lúc bức xạ mặt trời đủ để chuyển đổi năng lượng như ban ngày mà còn có thể hoạt động vào ban đêm hoặc khi mặt trời thấp, mưa gió, thời tiết xấu… khi không thể chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ hệ thống PV Việc sử dụng pin là thiết bị lưu trữ với thông

số nạp/xả theo yêu cầu hệ thống, cần phải có khả năng xử lý linh hoạt chế độ nạp/xả và có thể điều khiển cũng như quản lý lưu lượng trong hệ thống nghịch lưu Lưới điện có khả năng không những cung cấp điện cho lưới điện và tải từ

nguồn PV và pin mà còn cung cấp công suất lại tải hoặc nạp pin khi nguồn điện

từ PV bị hạn chế hoặc hoàn toàn không có sẵn

- Cuối cùng, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng công suất được cung cấp bởi

hệ thống chuyển đổi theo tiêu chuẩn kết nối và đảm bảo sự tiện ích nhất như về

hệ số công suất, dung lượng điều hòa…Tiêu chuẩn được xem xét đến ở đây được nêu trong “Nối lưới AS4447 của hệ thống năng lượng thông qua nghịch lưu” [3] và “tiêu chuẩn IEEE 1547 để kết nối các hệ phân tán với các hệ thống điện” [4]

Trong thực tế chúng ta đã gặp rất nhiều hệ thống điện mặt trời độc lập Công nghệ này thường được ứng dụng cho các khu vực không có lưới điện công nghiệp hoặc cho các tải tiêu thụ đặc biệt, công suất nhỏ Nhược điểm là phải dùng hệ thống lưu trữ bằng ắc quy Giải pháp này khá đắt và phải bảo dưỡng cũng như thay thế thường xuyên, vừa gây ô nhiễm môi trường Mặt khác bộ ắc quy cũng chỉ tích được một lượng điện năng có hạn, còn với các dàn pin mặt trời hàng chục hay hàng trăm

kW thì sử dụng ắc quy tích điện là một vấn đề khó khăn rất lớn, thậm chí là không thể

Đối với các ứng dụng quy mô lớn người ta sử dụng công nghệ điện mặt trời nối lưới Trong công nghệ này, điện từ máy phát là dàn pin mặt trời được biến đổi thành dòng xoay chiều có hiệu điện thế và tần số phù hợp nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter)

và được hòa vào mạng lưới điện công nghiệp Khi sử dụng điện người ta lại lấy điện từ lưới Mạng lưới điện có vai trò như một “ngân hàng”, hấp thụ điện năng lúc dàn pin mặt trời phát điện thừa vào lưới và cung cấp trở lại người tiêu dùng khi cần thiết Nhờ

đó mà việc sử dụng luôn ổn định và rất tiết kiệm điện

1.2 Giới thiệu pin mặt trời

Cấu tạo của pin mặt trời (pin năng lượng mặt trời hay còn gọi là pin quang điện,

ký hiệu là PV) là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong Các tế bào quang điện có khả năng nhận năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể bán dẫn tạo thành dòng điện Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn nhiên liệu

Hình 1.2: Cấu tạo của pin mặt trời Cấu tạo pin năng lượng mặt trời rất độc đáo với nhiều thành phần phức tạp, tuy nhiên hiện nay thiết bị này được làm chủ yếu từ các silicon dạng tinh thể với 3 loại pin phổ biến được sử dụng nhiều gồm:

Điện cực mặt trên Lớp chống phản quang Lớp bán dẫn loại n Lớp bán dẫn loại p Lớp đáy

Điện cực mặt dưới

- Pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể (Mono): được cắt trực tiếp từ các khối tinh thể silicon hình ống cho hiệu suất chuyển đổi cao nhất (lên đến 16%)

Do đó đây là loại pin năng lượng mặt trời đắt tiền nhất hiện nay

- Pin năng lượng mặt trời đa tinh thể (Poly): được làm từ silicon nung chảy và phủ thành lớp liền nhau không chia khối như đơn tinh thể Hiệu suất chuyển đổi của loại pin này thấp hơn pin đơn tinh thể, tuy nhiên mật độ phủ lại cao hơn tấm Mono trong cùng một diện tích nên nó có thể bù lại về sản lượng điện được sinh ra

- Pin năng lượng mặt trời dạng mỏng (Thin-film): được tạo từ những miếng phim rất mỏng từ chất liệu silicon nóng chảy có cấu trúc đa tinh thể, nó bỏ qua thao tác cắt thỏi silicon nên cho hiệu suất thấp nhất Đó cũng là lý do khiến loại pin này có giá cả mềm nhất so với hai loại pin Mono và Poly, nên

nó được sử dụng phổ biến bởi phù hợp với túi tiền của nhiều người

Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Chất liệu bán dẫn làm pin,

- Vị trí đặt các tấm panel mặt trời,

- Thời tiết khí hậu, mùa trong năm,

- Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều…

Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m²/1 giờ đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây) thì mỗi giờ mỗi kWp pin mặt trời sẽ cho ra gần 1kWh điện, trung bình mỗi ngày có từ 4-5 giờ như vậy Công suất của một hệ thống đạt tốt hay không còn phụ thuộc vào việc ghép nối các tấm pin mặt trời với nhau, hướng đặt tấm pin, các thiết bị liên quan như dây dẫn… Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời sử dụng trong hệ thống điện mặt trời:

- Hiệu suất: từ 16% – 20%,

- Công suất phổ biến: từ 20Wp đến 400Wp,

- Điện áp: 12VDC hoặc 24VDC hoặc 48 VDC,

- Số lượng cell trên mỗi tấm pin vào khoảng: 60, 72, 120 cells,

- Kích thước cell: 5 – 6 inchs,

- Loại cells: monocrystalline (đơn tinh thể ) và polycrystalline (đa tinh thể),

- Chất liệu của khung: nhôm,

- Tuổi thọ trung bình của tấm pin: từ 25 - 40 năm

1.2.1 Đặc tính làm việc của pin mặt trời:

Pin PV có mạch điện tương đương như một diode mắc song song với một nguồn điện quang sinh Ở cường độ ánh sáng ổn định, pin PV có một trạng thái làm việc nhất định, dòng điện quang sinh không thay đổi theo trạng thái làm việc Do đó, trong mạch điện tương đương có thể xem như là một nguồn dòng ổn định IՓ Trên thực tế, trong quá trình chế tạo pin PV, do tiếp xúc điện cực mặt trước và sau, cũng có thể do bản thân vật liệu có một điện trở suất nhất định Vì vậy trong mạch điện tương đương cần phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp Rs và một điện trở song song Rshvới tải Như vậy, mạch điện tương đương của pin PV được thể hiện như trong Hình 1.3 [33]

Hình 1.3: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng Vôn – Ampe của pin như sau:

Sh

S T

k R I v q

SC

R

R I V e

I I I

S

.1

01

- ISC là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có R s và R sh) (A/m2),

- I01 là dòng bão hòa (A/m2),

- q là điện tích của điện tử = 1,6.10-19 (C),

V=0

Hình 1.5: Sơ đồ mạch ngoài của pin mặt trời khi ngắn mạch

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch

lớn nhất V OC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:

Hình 1.7: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ

mặt trời Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính V - I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin

Hình 1.8: Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ của pin

1.2.2 Cách ghép nối các tấm pin mặt trời:

Giả sử các module pin mặt trời đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng ngắn mạch ISC , điện áp hở mạch V OC bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau Khi đó:

- Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn: Dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống khi mắc nối tiếp

Hình 1.9: Sơ đồ mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời

- Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn hơn: Dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm khi mắc song song

Hình 1.10: Sơ đồ mắc song song các tấm pin mặt trời

- Hệ thống kết nối kết hợp song song và nối tiếp: Sử dụng phương thức kết nối

hệ thống kết hợp song song và nối tiếp trong hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời, điều này sẽ làm tăng điện áp lẫn dòng điện được sinh ra Ví dụ: kết nối hệ thống 4 tấm pin năng lượng mặt trời có điện áp 12V và dòng điện 4A theo như Hình 1.11 sẽ sản sinh ra hệ thống có điện áp 24V và dòng điện 8A

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời kết nối kết hợp song song

điều khiển được Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khoá điện

tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng, và một đi-ốt dẫn dòng

Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại có cách ly và loại không cách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử Phổ biến nhất vẫn là mạch dạng cầu, nửa cầu Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về điện vì nhiều lý do an toàn Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Các loại

bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:

- Bộ giảm áp (buck): có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp

- Bộ tăng áp (boost): có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC

- Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost): vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp

- Việc chọn lựa loại DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV còn tuỳ thuộc vào yêu cầu của ắc quy và tải đối với điện áp ra của dãy panel mặt trời

Các loại bộ biến đổi DC/DC:

T

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Buck + Điện áp ra được xác định theo công thức (1.4):

+ Công thức trên cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều

khiển hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện

nạp ắc quy làm chuẩn Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp

điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở T on Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM

+ Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống pin mặt trời nhất vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời

- Mạch Boost:

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp Boost

+ Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được tính theo Công thức (1.5):

- Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost

+ Từ công thức (1.5): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Vì vậy

mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ

có thể giảm điện áp vào Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào

+ Khi khóa điện tử đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Đi-ốt phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian

+ Ta có công thức:

D

D V

 Khi D = 0.5 thì V in = V out

 Khi D < 0.5 thì Vin > Vout

 Khi D > 0.5 thì V in < V out

Nhận xét: Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi trên

đều bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong

hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng Để điều khiển tần số đóng mở của khóa K để hệ đạt được điểm làm việc tối ưu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPPT) sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau

1.3.2 Bộ biến đổi DC/AC

Bộ biến đổi DC/AC (hay còn gọi là bộ nghịch lưu): có nhiệm vụ nhận dòng điện 1 chiều từ pin mặt trời sau đó biến đổi từ dòng điện một chiều sang dòng điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều này có tần số phù hợp với hệ thống điện lưới của nhà nước và sẽ cung cấp điện trực tiếp cho các tải tiêu thụ điện hàng ngày

Bộ nghịch lưu được phân loại như sau:

- Theo dạng nguồn:

 Bộ nghịch lưu nguồn áp (áp nguồn DC không phụ thuộc vào tải),

 Bộ nghịch lưu nguồn dòng (dòng nguồn DC không thay đổi nhanh)

Hình 1.15: Mạch điện cơ bản của hệ thống nghịch lưu

Giả sử các van chuyển đổi được điểu khiển bằng cách chuyển đổi các biến a, a,

b, b , c, c và tại thời điểm a = b = c = 1, sau đó a b c 0và ngược lại Vì thế, ở trạng thái ON và OFF các van chuyển đổi có thể dùng để xác định được điện áp ra của nghịch lưu Mối quan hệ giữa vector của các biến chuyển đổi a b T

c và các vector

ca bc

cn bn

V được mô tả trong công thức (1.8):

a V

V V

V

dc

cn bn an

211

121

112

3 (1.8)

1.4 Phương pháp tìm điểm làm việc công suất cực đại (MPPT)

MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc

có công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời thông qua việc đóng mở khóa điện tử của bộ biến đổi DC/DC Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ thống pin mặt trời làm việc với lưới

MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi,

và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ MPPT được ghép nối với bộ biến đổi DC - DC và một bộ điều khiển

Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống Tuy nhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều ưu điểm hơn

bộ điều khiển tương tự Thứ nhất là, bộ điều khiển số có thể lập trình được vì vậy khả năng thực hiện các thuật toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn Mặt khác bộ điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính Vì vậy, bộ điều khiển số có trạng thái ổn định lâu hơn Không chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai của các bộ phận khác vì nó thực hiện thuật toán ở phần mềm, nơi mà các thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được Bộ điều khiển loại này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiều nhiệm vụ khác nhau Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì vậy nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ

Phương pháp điều khiển MPPT được mô tả như sau: Pin quang điện (PV) có đặc tính phi tuyến như trong Hình 1.16

Hình 1.16: Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt trời

Trên Hình 1.16 chúng ta thấy có một điểm gọi là điểm công suất cực đại maximum power point), là điểm mà khi hệ thống hoạt động tại điểm đó thì công suất

(MPP-ra của PV là lớn nhất Các yếu tố về thời tiết ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của PV Trong đó, nhiệt độ và cường độ bức xạ mặt trời là những yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc tính I-V dẫn tới sự thay đổi vị trí MPP của PV Giả sử tải là một điện trở, ta có đường đặc tính làm việc sau:

Hình 1.17: Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi cường độ bức xạ thay

đó các đường đặc tính I – V và P – V cũng sẽ thay đổi và có dạng như Hình 1.18

Hình 1.18: (a) Mô hình dãy bị bóng che, (b) Đặc tính I – V, (c) Đặc tính P – V

Hình 1.18 (c), có đến 3 đỉnh công suất, đỉnh GP (đỉnh có công suất lớn nhất) và

2 đỉnh local (đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất) Nhiệm vụ thuật toán là tìm

ra điểm GP, nhưng thuật toán thông thường có thể không tìm ra chính xác điểm này,

do đó cần có một thuật toán kết hợp để tìm ra điểm GP trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần

Những năm qua, thế giới đã phát triển và công bố những kỹ thuật khác nhau ở nhiều khía cạnh Một đánh giá được xem là hoàn chỉnh trình bày 19 thuật toán liên

quan đến MPPT khác nhau Chúng ta có thể được tìm thấy trong [34] Trong các thuật

toán này thì thuật toán tạo nhiễu loạn và quan sát “Perturb and Observe” (P&O) và thuật thoán dẫn điện gia tăng “incremental Conductance” (InCond) là phổ biến và dễ dàng thực hiện nhất nhưng nó vẫn còn có nhược điểm so với các kỹ thuật khác Các kỹ thuật khác dựa trên các nguyên tắc khác nhau là kiểm soát logic mờ (fuzzy logic control), mạng nơ ron (neural network), điện áp phân đoạn hoặc dòng ngắn mạch, quét

dòng (current sweep)

Nhìn chung các phương pháp trên quy về ba phương thức sau:

(i) Đại lượng điều khiển là điện áp ra pin mặt trời: Do mối quan hệ Ppv (vpv),

nên công suất Ppv thay đổi tương ứng với các giá trị điện áp vpv Nếu xác định được giá trị điện áp vpv tại công suất lớn nhất max (Ppv) và điện áp này giữ ổn định nhờ bộ điều khiển Ru, thì công suất sẽ được duy trì tại điểm làm việc này Đây là một chiến lược để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất phổ biến cho pin mặt trời hiện nay với đặc tính và sơ đồ khối điều khiển chỉ ra trong Hình 1.19

(a) (b)

Hình 1.19: (a) Đặc tính công suất P pv (v pv) (b) Sơ đồ khối điều khiển

(ii) Đại lượng điều khiển là dòng ra pin mặt trời: Do có mối quan hệ P pv (i pv)

nên công suất P pv thay đổi tương ứng với các giá trị dòng điện i pv Nếu xác định giá trị

lớn nhất tại công suất lớn nhất max (P pv) và giá trị dòng điện này giữ ổn định nhờ bộ

điều khiển R i, thì công suất sẽ được duy trì tại điểm làm việc này như Hình 1.20 Tuy

nhiên, phương pháp này có nhược điểm, do có độ dốc lớn đường đặc tính phía bên

phải nên chỉ với sự thay đổi nhỏ dòng điện i pv dẫn đến thay đổi mạnh về công suất, điểu sẽ gặp nhiều khó khăn khi tính toán với điện áp thay đổi Do đó chiến lược này ít

được sử dụng trong thực tế để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất

(a) (b)

Hình 1.20: (a) Đặc tính công suất P pv (i pv) (b) Sơ dồ khối điều khiển

(iii) Đại lượng điều khiển trực tiếp là hệ số điều chế của khâu DC-DC: Đây là

phương pháp điều khiển vòng hở, đơn giản Nhược điểm phương pháp này, điện áp

một chiều chung (bus DC) phải là hằng số Với đặc tính và sơ đồ khối chỉ ra trên Hình

1.21 Luận văn không sử dụng phương pháp này để xác định điểm làm việc lớn nhất

cho pin mặt trời

(a) (b)

Hình 1.21: (a) Đặc tính công xuất P pv (d), (b) Sơ đồ khối điểu khiển

Từ phân tích ở trên về các chiến lược thực hiện thuật toán MPPT, luận văn sẽ

sử dụng điện áp ra pin mặt trời là đại lượng điều khiển để xác định điểm làm việc có

công suất lớn nhất, dựa trên đặc tính P pv (v pv) Trong hệ thống PV được kết nối lưới, để theo dõi MPP của mảng PV, điện áp tụ của qZSI được điều khiển không đổi Điện áp đầu ra của một mảng PV giảm từ giá trị đặt của điện áp tham chiếu liên kết DC đến MPP bằng cách tăng tỉ lệ nhiệm vụ bắn xuyên Ở nhiệt độ không đổi, những thay đổi của bức xạ mặt trời sẽ dẫn đến sự thay đổi lớn trong dòng điện PV tại MPP Với một chút thay đổi về nhiệt độ, bộ điều khiển MPPT đảm bảo rằng điện áp liên kết DC có thể được duy trì trong môi trường ổn định Ngược lại, tại MPP, điện áp PV thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ Kết quả của dòng điện PV cuối cùng sẽ làm biến dạng điện áp cực đại liên kết DC biên độ, dẫn đến hệ thống không ổn định xảy ra Hình 1.22 cho thấy sơ đồ khối thuật toán quan sát và nhiễu loạn “Perturb and Observe” (P&O) cho cấu trúc liên kết chuyển đổi

Hình 1.22 Phương pháp MPPT của kỹ thuật “Perturb and Observe” (P&O) Trong Hình 1.22, tỷ lệ nhiệm vụ bắn xuyên qua của qZSI được tăng lên khi công suất của chu kỳ hiện tại lớn hơn công suất của qZSI, một chu kỳ chuyển mạch trước đó Chu kỳ chuyển đổi này có thể được đề cập đến việc MPPT mất bao nhiêu thời gian để phản ứng với những thay đổi về bức xạ hoặc nhiệt độ Ký hiệu “i” trong Hình 1.22 xác định số chu kỳ Trong chương này, thuật toán P & O được chọn do tính đơn giản về cấu trúc và dễ thực hiện Đây là thuật toán có độ chính xác cao, thực hiện tốt trong điều kiện môi trường có nhiều biến đổi, phù hợp cài đặt vào vi điều khiển Phương pháp điều khiển đo trực tiếp này đo sự thay đổi công suất của PV ở đầu ra của

bộ biến đổi và coi hệ số làm việc D như một biến điều khiển Nếu công suất ra của bộ biến đổi DC/DC tăng lên, hệ số làm việc D cũng sẽ tăng lên theo Ngược lại nếu công suất ra giảm đi thì D cũng sẽ giảm theo Khi công suất ra của bộ biến đổi đạt đến giá trị cực đại thì lúc này PV đang làm việc ở điểm MPP

CHƯƠNG 2 NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ

2.1 Giới thiệu nghịch lưu

Nghịch lưu được sử dụng trong các ứng dụng hiện nay phân làm hai loại là nghịch lưu nguồn áp (VSI) và nghịch lưu nguồn dòng (CSI) Trong đó, nghịch lưu nguồn áp phổ biến hơn và có đặc điểm: Đầu vào nghịch lưu phải có tụ điện dung lượng lớn, điện áp đầu ra nghịch lưu bị giới hạn bởi điện áp một chiều và không cho phép ngắn mạch đầu ra, do đó sự xuất hiện thời gian chết (deadtime) trong mỗi nhánh van mạch nghịch lưu là nguyên nhân gây nhiễu điện từ (EMI) trong hệ thống Nghịch lưu nguồn dòng sử dụng trong các ứng dụng có công suất lớn và có đặc điểm sau: Đầu vào nghịch lưu nguồn dòng phải có điện cảm giá trị lớn và cần có bộ điều khiển để duy trì dòng điện không đổi, điện áp ra nghịch lưu nguồn dòng lớn hơn điện áp đầu vào và không cho phép hở mạch Như vậy, hai cấu hình VSI và CSI chỉ có thể thực hiện được chức năng tăng áp hoặc giảm áp

Hình 2.1: Cấu trúc mạch lực của nghịch lưu nguồn Z

Để giải quyết các vấn đề của bộ nghịch lưu truyền thống, nghịch lưu nguồn Z (Z-source inverter) đã được đề xuất đầu tiên năm 2003 để hoàn thiện sự chuyển đổi công suất chỉ một giai đoạn với khả năng vừa tăng áp vừa giảm áp Nhóm thiết bị biến đổi nguồn Z, có mạch trở kháng đặt giữa nguồn sơ cấp và mạch van bán dẫn Mạch trở kháng là các phần tử thụ động như cuộn cảm (L1 và L2), tụ điện (C1 và C2) có giá trị bằng nhau và được nối theo hình chữ Z như Hình 2.1 Với đặc điểm cấu trúc mạch lực này, bộ biến đổi nguồn Z có thể hoạt động với nguồn sơ cấp dạng nguồn áp hoặc nguồn dòng, đầu ra bộ biến đổi có thể một chiều hoặc xoay chiều Như vậy, bộ biến đổi nguồn Z có thể ứng dụng được cho các bộ biến đổi kiểu DC/AC, AC/DC, DC/DC, AC/AC [7]

Luận văn này tập trung nghiên cứu về nghịch lưu ba pha nên ở đây chỉ đề cập đến sơ đồ mạch lực nghịch lưu ba pha nguồn Z, sử dụng van bán dẫn IGBT như ở Hình 2.2 Nghịch lưu nguồn Z (ZSI) cũng có hai chế độ tăng áp và giảm áp như trên VSI và CSI Nguyên lý làm việc của ZSI xuất hiện trạng thái “ngắn mạch” (trạng thái

“shoot through”) nhánh van nghịch lưu đây là trạng thái cấm trong VSI Trạng thái

“ngắn mạch” nhánh van nghịch lưu được điều khiển, cho phép tạo điện áp ra mong

muốn và có thể lớn hơn điện áp đầu vào mà không cần thêm một tầng biến đổi công suất Trong bộ nghịch lưu nguồn Z, trạng thái “ngắn mạch” được xuất hiện trong khoảng thời gian chuyển mạch trạng thái “không”, khi không có điện áp nào được áp dụng trên nghịch lưu Bằng cách này, chu kỳ chuyển đổi ban đầu không bị gián đoạn nhưng đồng thời điện áp trên nghịch lưu được tăng lên

Hình 2.2: Sơ đồ mạch lực nghịch lưu ba pha nguồn Z

Hệ thống điện phân tán có đặc điểm là các nguồn năng lượng bị biến đổi theo nhiều yếu tố, nên điện áp ra sẽ không ổn định và biến thiên trong dải rộng Trong khi

đó, yêu cầu điện áp cấp cho phụ tải hoặc nối với lưới điện cần phải tuân thủ sự ổn định theo giá trị mong muốn Do đó, ZSI mở ra triển vọng ứng dụng các hệ phát điện phân tán như: pin năng lượng mặt trời, tua bin sức gió, fuel cell…tích hợp trong lưới điện

Do cấu trúc mạch lực của ZSI chỉ có một phương án duy nhất là điều khiển 6 van bán dẫn của mạch nghich lưu, để đạt khả năng tăng – giảm áp mong muốn, điều này khác hẳn so với mạch lực có thêm một tầng biến đổi DC-DC độc lập Vì vậy, phương pháp điều chế độ rộng xung có vai trò quan trọng quyết định đặc điểm làm việc của ZSI và

đã nghiên cứu tương đối hoàn thiện cho ZSI Phương pháp điều chế độ rộng xung ZSI chia thành hai nhóm phương pháp chính:

Bảng 2.1: So sánh phần tử thụ động của bộ biến đổi có công suất 50kW ứng dụng cho

(*) Có thể quấn 2 cuộn cảm trên cùng một lõi để giảm kích thước

- Phương pháp sóng mang đại diện là: simple boost, maximum boost, contant boost [12,15] Đây là phương pháp sử dụng phổ biến cho thiết bị biến đổi công suất nguồn Z, nhược điểm phương pháp này là gắn liền kỹ thuật thực hiện tương tự và không linh hoạt khi tạo ra các mẫu xung cho phép thực hiện các khả năng “ ngắn mạch” của ZSI

- Phương pháp điều chế vector không gian (ĐCVTKG), thực chất là trường hợp riêng của phương pháp sóng mang Hiện nay, đây là phương pháp phù hợp để cài vào vi xử lý, giảm tỉ lệ sóng hài điện áp ra ngắn mạch nghịch lưu

so với phương pháp sóng mang và linh hoạt trong việc tạo ra các mẫu xung phù hợp cho các ứng dụng ZSI

Dựa trên đề xuất từ ZSI, một số cấu trúc liên kết như: nghịch lưu nguồn qZSI, nghịch lưu nguồn T-Z, nghịch lưu nguồn chuyển đổi Z, nghịch lưu nguồn Z-H và diode bổ trợ boost cho qZSI, chủ yếu với mục đích nâng cao khả năng tăng điện áp của

nó Hình 2.3 cho thấy các cấu trúc liên kết được phát triển dựa trên ZSI gốc Trong việc sử dụng cấu trúc làm việc cho phù hợp với ứng dụng cụ thể, không chỉ tập trung vào tăng cường điện áp đạt được mà còn là số lượng thành phần, thành phần điện áp/dòng điện cực đại và độ phức tạp của hoạt động

Hình 2.3: Một số cấu trúc mới phát triển dựa trên qZSI: (a) diode bổ trợ boost qZSI, (b) nghịch lưu chuyển đổi ZSI, (c) nghịch lưu nguồn T-Z, (d) nghịch lưu nguồn H-Z

2.2 Cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ

Trong tất cả các cấu trúc phát triển dựa trên ZSI, nghịch lưu nguồn qZ được trình bày ở Hình 2.4 dựa trên những hạn chế có sẵn của cấu trúc ZSI ban đầu (cụ thể là điện áp trên ZSI) nơi mà dòng điện đầu vào không liên tục trong suốt thời gian tăng (ngắn mạch) và cả hai tụ điện phải duy trì điện áp cao Những vấn đề này được cải thiện với qZSI, tạo ra dòng đầu vào liên tục tại các đầu vào cuộn cảm và điện áp thấp hơn trên với cùng tỉ lệ tăng Hơn nữa cấu trúc này có tụ C1 như là một DC-link kết nối chung giữa nghịch lưu và nguồn vào Xét về số thành phần cấu thành, nó có số thành phần ít nhất so với các cấu trúc liên kết khác Giữ nguyên hai cuộn cảm và hai tụ điện

như ZSI gốc Cấu trúc này được đưa ra thảo luận rộng rãi về ứng dụng trong hệ thống phân tán quang điện Điện áp và dòng ra từ bộ mô phỏng PV được kết nối với mạng nghịch lưu qZ trong đó bao gồm mạng LC đối xứng L1, L2, C1 và C2 cộng với một diode D

Hình 2.4: Nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống nghịch lưu PV

2.3 Xây dựng mô hình toán học của nghịch lưu nguồn qZ

Có hai trạng thái hoạt động trong bộ nghịch lưu nguồn điện áp thông thường (VSI): trạng thái hoạt động khi điện áp khác không tồn tại trên cầu và trạng thái

“không” khi tất cả các IGBT trên và dưới đều ở trạng thái ON hoặc OFF (S1S3S5/S4S6S2 = 000 hoặc 111) để tạo ra điều kiện điện áp ở trạng thái “không” trên

cầu

Trong qZSI có xuất hiện hai trạng thái chính, trạng thái “ngắn mạch” through) và “không ngắn mạch” (non-Shoot-through) Hai trạng thái này chỉ đúng khi dòng qua cuộn cảm liên tục (giá trị cuộn cảm đủ lớn để duy trì dòng điện) Khi giá trị dòng điện cảm nhỏ, dòng qua cuộn cảm có độ đập mạch lớn, thậm chí bị gián đoạn, điều này cấu trúc qZSI đã khắc phục được tốt hơn ở cấu trúc ZSI Khi ở cấu trúc ZSI

(Shoot-có thêm 3 trạng thái làm việc nữa

(a) (b) Hình 2.5: Mạch tương đương của qZSI khi: (a) trạng thái “ngắn mạch”,

(b) trạng thái “không ngắn mạch”

Việc kiểm soát qZSI chủ yếu phụ thuộc vào trạng thái chuyển mạch, cho dù đó

là trạng thái ngắn mạch hay trạng thái không ngắn mạch Ngoài sáu trạng thái tích cực

và hai trạng thái không cho nghịch lưu truyền thống, qZSI còn có bảy trạng thái có thể

i inv

gọi là trạng thái ngắn mạch như trong Bảng 2.2 Bảng này bao gồm các vectơ điện áp đầu ra có thể xảy ra ở mỗi trạng thái chuyển mạch của qZSI

Bảng 2.2: Bảng vectơ điện áp đầu ra ở mỗi trạng thái chuyển mạch của qZSI [24]

Trạng thái (Điện áp ngõ ra) S1 S3 S5 S2 S4 S6

qZSI gồm 8 trạng thái vector đã biết trong VSI (6 vector tích cực v 1 ÷ v 6 và 2

vector v 0 , v 7 – còn gọi là các vector chuẩn) và thêm trạng thái thứ 9 là trạng thái “ngắn mạch” Trạng thái “ngắn mạch” này có thể xuất hiện trong cùng một nhánh van, hai nhánh van hoặc cả ba nhánh van mạch nghịch lưu Để giảm độ phức tạp tính toán, các trạng thái dự phòng tạo ra cùng một vectơ điện áp đầu ra có thể được xem xét cho qZSI: 7 trạng thái không ngắn mạch và 1 trạng thái ngắn mạch Tóm tắt về trạng thái chuyển mạch được tạo bởi cấu trúc liên kết này được đưa ra dưới dạng Bảng 2.3

Bảng 2.3: Bảng trạng thái chuyển mạch được tạo ra bởi qZSI Trạng thái hoạt động Điện áp ngõ ra nghịch lưu S1 S3 S5 S4 S6 S2

3

2

dc V j

3

2

dc V j

biểu thị trong hệ thống mặt phẳng tọa độ tĩnh (αβ) thay vì hệ thống ba pha (abc) Do

đó, một biến trong hệ thống (abc) được chuyển thành một biến trong hệ thống (αβ) thông qua ma trận biến đổi Clarke K được xác định như trong công thức (2.1)

3 0

2

1 2

1 1 3

2

K (2.1)

Các vector chuẩn này phân chia thành 6 sector trên mặt phẳng tọa độ tĩnh (αβ)

giống như trong VSI ở Hình 2.6

Hình 2.6: Vector điện áp cho qZSI

Khoảng thời gian “ngắn mạch” được xác định là T 0, khoảng thời gian “không

ngắn mạch” được xác định là T 1 và thời gian chuyển đổi van nghịch lưu là T s, trong đó:

T s = T 0 + T 1 Tỉ suất “ngắn mạch” được xác định là d=T 0 /T s Khi qZSI ở trạng thái

“ngắn mạch” với thời gian T 0 được xác định từ chu kỳ chuyển đổi T s, sử dụng Kirchoff

có được các phương trình sau:

1 2

1 2

L C

C L

i dt

dv C

v dt

di L

1 1

1 1

L C

C L

i dt

dv C

v dt

di L

(2.3)

Khi qZSI làm việc ở trạng thái “không ngắn mạch” trong khoảng thời gian T 1

của chu kỳ chuyển đổi T s, có được các phương trình sau:

C in L

i i dt

dv C

v V dt

di L

1 1

1 1

1

1

(2.4)

Trong đó: V in là điện áp nguồn DC ngõ vào qZSI; i inv là dòng điện ngõ vào

nghịch lưu, được xác định bởi dòng điện tải và các trạng thái chuyển mạch của nghịch lưu như trong công thức (2.5):

21

2   (2.7)

in C in

in

d

V V

2 2

ac

V B M

V M

2.4 Giới thiệu phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ

Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện có cho qZSI sử dụng các bộ điều khiển tuyến tính thông thường và các kỹ thuật điều chế để tạo tín hiệu chuyển mạch cho bộ nghịch lưu Thông thường, cấu trúc điều khiển của qZSI bao gồm hai sơ đồ điều khiển cho phía AC và DC Trong đó, điện áp ở phía một chiều được điều khiển trực tiếp bởi điện áp DC-bus [34] hoặc gián tiếp bằng điện áp trên tụ điện [35] Về phía xoay chiều, cấu trúc mạch vòng dòng điện bên trong và mạch vòng điện áp phía ngoài được áp dụng để điều khiển điện áp hay dòng điện đầu ra Tuy nhiên, nó có đáp ứng động học chậm và hiệu năng phụ thuộc vào chất lượng của bộ điều khiển dòng điện bên trong Theo phương pháp này, mô hình không gian trạng thái trung bình hoặc tín hiệu nhỏ được sử dụng để thiết kế các bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) Điều này dẫn đến cần phải điều chỉnh hệ số của bộ điều khiển trong toàn bộ điều kiện hoạt động của hệ thống Một nhược điểm khác của phương pháp này là sự tồn tại của đặc điểm pha không cực tiểu ở phía cấu trúc một chiều, dẫn đến hiện tượng không ổn định cho toàn bộ hệ thống Để khắc phục vấn đề này, các kỹ thuật điều khiển phi tuyến đã được phát triển cho qZSI như mờ, chế độ trượt và mạng nơ ron Điều khiển trượt có ưu điểm giá trị thực bám nhanh giá trị đặt theo mặt trượt cho trước nhưng phương pháp này gặp khó khăn khi xác định mặt trượt và xuất hiện hiện tượng dao động trên quĩ đạo trượt

So với các bộ điều khiển PI thông thường, các phương pháp này cung cấp đáp ứng nhanh và độ ổn định của hệ thống được cải thiện Tuy nhiên, nhược điểm của các phương pháp này là sự gia tăng độ phức tạp trong thiết kế

Ngày nay, phương pháp điều khiển theo mô hình dự báo (MPC) được coi là một trong những phương pháp điều khiển thay thế và mạnh mẽ cho nghịch lưu nguồn qZ nhờ các ưu điểm:

- Tính phi tuyến của hệ thống, các ràng buộc và bù trễ có thể được tích hợp trực tiếp vào bộ điều khiển

- Không cần cấu trúc mạch vòng điều khiển phức tạp và khối điều chế

- Đáp ứng động học nhanh, sai lệch ít hơn

Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển dự báo trong hệ thống pin năng lượng mặt trời là 1 giải pháp quan trọng và có ý nghĩa thực tiễn

2.5 Kết luận

Trong chương này, nghiên cứu các cấu trúc liên kết hiện có được áp dụng trong nghịch lưu PV, có cái nhìn tổng quan về hệ thống nghịch lưu nguồn qZ Nêu ra được những ưu điểm và nhược điểm của các cấu trúc được thảo luận, từ đó cho ta cách nhìn tốt hơn và tại sao nên sử dụng qZSI cho hệ thống PV Cũng nêu ra các phương pháp điều khiển hiện nay cho vấn đề nghiên cứu Làm rõ được những ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều khiển này

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU

NGUỒN QZ

3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển dự báo

Điều khiển dự báo dựa trên mô hình (Model Predictive Control - MPC), hay còn thường được gọi ngắn gọn là điều khiển dự báo, ra đời vào cuối thập niên 70 và đầu thập niên 80 của thế kỷ trước, là một xu hướng điều khiển được ưa chuộng Trong hai thập kỷ trở lại đây, điều khiển dự báo đã có những bước phát triển rất đáng kể, đóng góp khá nhiều các phương pháp về mặt học thuật cũng như đẩy mạnh khả năng ứng dụng của MPC trong thực tế, điều đó được thể hiện trong các tài liệu [5], [6] với hơn 3000 ứng dụng vào điều khiển quá trình, điều khiển robot, điều khiển các hệ bay… Bản chất của điều khiển dự báo là sử dụng mô hình tường minh của đối tượng

để tính toán tối ưu các biến điều khiển thông qua các phương pháp tối ưu hóa Để thiết

kế bộ điều khiển dự báo cho một đối tượng cụ thể, cần thực hiện 3 công việc chính đó là:

- Xây dựng mô hình dự báo Khối dự báo nhằm xác định tín hiệu ra tương lai tính từ thời điểm hiện tại

- Xác định hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc Hàm mục tiêu được xây dựng từ chất lượng mong muốn mà hệ thống cần có

- Giải bài toán tối ưu Tối ưu hóa: Tìm nghiệm để hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ nhất

Hình 3.1: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển dự báo

Hình 3.1 biểu diễn cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển dự báo Hệ thống điều khiển dự báo làm việc theo nguyên lý: Bộ điều khiển dự báo dùng một mô hình để đoán trước đáp ứng tương lai của đối tượng điều khiển tại các thời điểm rời rạc trong một phạm vi dự báo nhất định Dựa vào đáp ứng dự báo này, một thuật toán tối

ưu hóa được sử dụng để tính toán chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai trong phạm vi điều khiển sao cho sai lệch giữa đáp ứng dự báo bởi mô hình và tín hiệu chuẩn cho trước là tối thiểu Phương pháp điều khiển dự báo là phương pháp tổng quát thiết kế bộ điều khiển trong miền thời gian có thể áp dụng cho hệ tuyến tính cũng như hệ phi tuyến, tuy nhiên trong thực tế việc áp dụng chiến lược điều khiển dự báo cho hệ phi tuyến gặp nhiều khó khăn

Các bước cơ bản khi xây dựng thuật toán điều khiển MPC là:

- Sử dụng một mô hình để dự báo giá trị đầu ra của quá trình ở các thời điểm trong tương lai

- Tính toán lần lượt các tín hiệu điều khiển bằng cách tối thiểu hóa một hàm mục tiêu

- Mỗi lần (tại thời điểm hiện tại) các tín hiệu điều khiển được dự báo thì chỉ có tín hiệu đầu tiên được đưa đến tác động vào quá trình

Có rất nhiều các thuật toán MPC, sự khác nhau giữa chúng là sử dụng các mô hình khác nhau để biểu diễn quá trình, nhiễu và hàm mục tiêu được tối ưu hóa Phương pháp điều khiển này được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Những kết quả

đã chỉ ra khả năng ứng dụng của MPC và khả năng đạt được những hệ thống điều khiển hiệu quả cao, có khả năng làm việc trong thời gian dài và được thể hiện qua các

ưu điểm sau:

- Có khả năng áp dụng cho nhiều lớp đối tượng, từ những quá trình động đơn giản đến quá trình phức tạp, hệ thống có thời gian trễ dài…

- Đối với các hệ đa biến cũng dễ dàng áp dụng

- Không cần cấu trúc mạch vòng điều khiển phức tạp và khối điều chế

- Đáp ứng động học nhanh, hiệu suất ổn định, sai lệch ít

- Có khả năng tự bù thời gian chết

- Tính phi tuyến của hệ thống, các ràng buộc và bù trễ có thể được tích hợp trực tiếp vào bộ điều khiển

MPC là phương pháp đơn giản và mạnh mẽ, trong đó không cần các kỹ thuật điều chế bổ sung hoặc các vòng điều khiển bên trong Ngoài ra, trong suốt MPC, các biến khác nhau có thể được kiểm soát đồng thời Bên cạnh đó, các ràng buộc hệ thống

và phi tuyến có thể dễ dàng chèn và thao tác Do đó, tất cả các biến này có thể được tối

ưu hóa với cùng một hàm mục tiêu Tất cả những lợi thế này dẫn đến cải thiện hiệu quả, hiệu suất và an toàn

Tuy nhiên thì MPC cũng có những hạn chế Một trong những hạn chế là: mặc

dù luật điều khiển thực hiện dễ dàng nhưng tính toán thì phức tạp hơn bộ điều khiển PID kinh điển Đối với các quá trình động có tham số không đổi thì bộ điều khiển được xác định trước một lần, nhưng trong điều khiển thích nghi thì tất cả các phép tính đều phải thực hiện tại mỗi thời điểm lấy mẫu Nếu có các điều kiện ràng buộc thì phức tạp hơn nên cần phải cân nhắc do số lượng tính toán nhiều Mặc dù vậy, với khả năng của các thiết bị tính ngày nay thì điều này không quan trọng nữa, đặc biệt là các máy tính điều khiển các quá trình công nghiệp Một nhược điểm nữa của phương pháp này

là phải xác định được mô hình của quá trình Khi xây dựng thuật toán điều khiển phải dựa trên những hiểu biết trước về mô hình, điều này lại là sự mâu thuẫn giữa quá trình thực và mô hình ứng dụng Trong thực tế, MPC đã chứng tỏ là một phương pháp điều khiển hiệu quả đối với nhiều hệ thống điều khiển trong công nghiệp

Chương này trình bày thiết kế bộ điều khiển dự báo (MPC) cho nghịch lưu nguồn qZ (qZSI) Đặc biệt, phương pháp điều khiển theo mô hình dự báo với số phần

tử hữu hạn (FCS-MPC) là một trong những kỹ thuật được áp dụng rộng rãi nhất cho qZSI nhờ vào thiết kế đơn giản (không có cấu trúc điều khiển nối tầng và khối điều chế) và dễ dàng thực thi Lợi ích chính của FCS-MPC là sự phi tuyến tính trong hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO), các ràng buộc và bù thời gian trễ có thể được tích hợp trực tiếp vào bộ điều khiển [23], [25], [27] Việc áp dụng các phương

pháp điều khiển cho bộ biến đổi qZSI gặp nhiều khó khăn khi đòi hỏi phải đạt được nhiều mục tiêu điều khiển như dòng điện ra xoay chiều có dạng sin, dòng điện vòng phải được hạn chế, điện áp tụ phải được cân bằng Các mục tiêu này đã được thực hiện bằng các phương pháp điều khiển tuyến tính cổ điển như PI, PWM để điều chế độ rộng xung, SVM để điều khiển điện áp cân bằng mục đích để điều khiển cho qZSI, các kết quả thu được còn nhiều hạn chế như tần số đóng cắt van lớn, tổng độ méo sóng hài THD cao… Chương này đề xuất phương pháp điều khiển FCS-MPC nhằm mục đích giảm quá trình tính toán phức tạp cho bộ biến đổi qZSI để đạt nhiều mục tiêu điều khiển cùng một lúc, đồng thời đáp ứng tốt các mục tiêu điều khiển của qZSI cùng một lúc như: điều khiển dòng điện đầu ra bám theo giá trị đặt của chúng, giữ cho điện áp tụ điện ở một vị trí cân bằng xung quanh VDC và hạn chế tối đa các dòng điện vòng Trong qZSI có một số hữu hạn các trạng thái chuyển mạch, phương pháp FCS-MPC sẽ tối ưu các trạng thái chuyển mạch để dự đoán các hành vi hệ thống và chọn những trạng thái chuyển mạch phù hợp nhất Phương pháp này đã làm số lượng tính toán sẽ giảm đáng kể Mặc dù quá trình tính toán bộ điều khiển MPC phức tạp hơn các bộ điều khiển truyền thống, tuy nhiên nó cho chất lượng điều khiển với độ chính xác cao và ổn định [13] Cách tiếp cận MPC cho qZSI trong luận văn này là thực hiện với FCS-MPC

để giảm số lượt tính toán của hàm mục tiêu

Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển của FCS-MPC [23]

Cấu trúc điều khiển dự báo FCS-MPC được thể hiện như trên Hình 3.2 Nguyên tắc hoạt động của FCS-MPC dựa trên việc dự đoán hoạt động của mô hình ở các chu

kỳ làm việc tiếp theo và tính toán trạng thái làm việc tối ưu thông qua hàm mục tiêu phụ thuộc vào đặc điểm của từng hệ thống [30] Xét hệ thống với biến cần điều khiển

là x(k) Dựa trên mô hình rời rạc của hệ thống, các giá trị hiện tại của các biến điều khiển x(k) được sử dụng để dự đoán các giá trị của biến trong tương lai ở chu kỳ tiếp theo là x p (k+1) cho tất cả các trạng thái chuyển đổi Tất cả các giá trị dự đoán x p (k+1)

sẽ được so sánh với giá trị đặt x ref (k+1) bằng hàm mục tiêu, hàm mục tiêu ứng với trạng thái chuyển mạch (S) tối ưu sẽ được chọn để đóng cắt các van của bộ biến đổi,

đồng thời làm trạng thái để dự toán tiếp cho chu kỳ sau

S(k)

Hình 3.3 Nguyên lý dự báo tín hiệu của MPC [23]

Phương thức dự báo tín hiệu của MPC được thể hiện như Hình 3.3 Mục đích

của phương pháp này là điều khiển tín hiệu x(t) sao cho bám gần với tín hiệu đặt x * (t) Trong đó t k là chu kỳ lấy mẫu đầu tiên, t k+1 và t k+2 là các chu kỳ dự đoán các trạng thái làm việc tiếp theo của tín hiệu điều khiển Giả sử MPC được áp dụng cho hệ thống với

n trạng thái chuyển đổi là x p , x p 2, x p và x p với giá trị đặt là x * không đổi Trong mỗi chu kỳ dự báo hàm mục tiêu sẽ xác định giá trị sai lệch giữa các trạng thái của biến điều khiển so với giá trị đặt, và giá trị sai lệch bé nhất sẽ được chọn làm tín hiệu điều

khiển cho hệ thống, ở Hình 3.3 tại thời điểm t k+1 tín hiệu x p (k+1) được chọn làm tín hiệu điều khiển, ở thời điểm t k+2 tín hiệu x p (k+2) được chọn làm tín hiệu điều khiển,

các tín hiệu này được chọn do hàm mục tiêu xác định có khoảng cách nhỏ nhất so với giá trị đặt Các chu kỳ tiếp theo quá trình được lặp đi lặp lại nhiều lần dựa trên thuật toán lập trình được định sẵn

Thuật toán điều khiển chung của FCS-MPC được thể hiện như Hình 3.4, bao gồm các bước thực hiện sau:

- Bước 1: Đo lường hoặc ước tính các biến được kiểm soát

- Bước 2: Đối với mọi trạng thái chuyển mạch của bộ chuyển đổi, dự đoán hành

vi của biến hệ thống trong khoảng thời gian lấy mẫu tiếp theo

- Bước 3: Đánh giá hàm mục tiêu cho từng dự đoán

- Bước 4: Chọn trạng thái chuyển mạch tối ưu là trạng thái mà ở đó hàm mục tiêu có giá trị bé nhất

- Bước 5: Áp dụng trạng thái chuyển mạch tối ưu