ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC

Sơ đồ thay thế một pha bộ biến đổi MMCMối quan hệ giữa dòng điện ở phía xoay chiều và các dòng điện nhánh trên vànhánh dưới mỗi pha của bộ biến đổi được biểu diễn như ở phương trình sau:

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP

====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hà Nội, 06/2018

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO

BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC

Trưởng bộ môn : PGS.TS Trần Trọng MinhGiáo viên hướng dẫn : TS Phạm Việt PhươngSinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Nhật

Giáo viên duyệt :

Hà Nội, 06/2018

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp với tên đề tài: “Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo cho bộ biến đổi đa mức MMC” do em tự thiết kế dưới sự hướng

dẫn của thầy giáo TS Phạm Việt Phương Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng vớithực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danhmục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếuphát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Nhật

DANH MỤC HÌNH VẼ i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 2

TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC 2

1.1 Giới thiệu bộ biến đổi đa mức MMC 2

1.2 Cấu hình cơ bản của bộ biến đổi đa mức MMC 3

1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC 4

1.4 Nhiệm vụ đề tài 10

1.4.1 Nhiệm vụ 10

1.4.2 Nội dung 10

CHƯƠNG 2 11

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 11

2.1 Giới thiệu chung về phương pháp điều khiển dự báo 11

2.2 Phương pháp điều khiển dự báo cho các bộ biến đổi công suất 12

2.3 Lịch sử hình thành và phát triển 13

2.4 Nguyên lý làm việc và nguyên tắc thực hiện MPC 13

2.5 Phân loại MPC 15

2.6 Mô tả về phương pháp FCS-MPC 16

2.7 Hàm mục tiêu trong phương pháp MPC 18

2.8 Mô hình toán học của hệ thống 19

CHƯƠNG 3 21

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU DỰ BÁO MPC CHO MMC 21

3.1 Thông số mạch lực bộ biến đổi đa mức MMC 21

3.1.1 Tính chọn thông số tụ điện và cuộn cảm nhánh 21

3.1.3 Tính giá trị cuộn cảm 23

3.2 Nguyên lý áp dụng FCS-MPC cho MMC 24

3.3 Thiết kế bộ điều khiển FCS-MPC cho bộ biến đổi MMC 24

3.4 Mô hình hóa bộ biến đổi đa mức MMC 25

3.4.1 Dòng điện ra phía xoay chiều 25

3.4.2 Dòng điện vòng 26

3.4.3 Điện áp tụ 27

3.5 Xác định hàm mục tiêu cho các biến điều khiển 27

CHƯƠNG 4 30

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 30

4.1 Mô phỏng mạch vòng hở cho bộ biến đổi MMC với N=4 30

4.2 Kết quả mô phỏng 32

KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC 3

Hình 1.2 Cấu trúc một SM 5

Hình 1.3 Trạng thái ON và trạng thái OFF của SM 5

Hình 1.4 Hình dạng điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC 10 mức 7

Hình 1.5 Sơ đồ thay thế một pha bộ biến đổi MMC 8

Hình 2.1 Sơ đồ điểu khiển của MPC 14

Hình 2.2 Phân loại MPC 15

Hình 2.3 Nguyên tắc hoạt động của FCS-MPC 17

Hình 3.1 Nguyên lý áp dụng FCS-MPC cho MMC 24

Hình 4.1 Mô hình tổng quát mô phỏng 31

Hình 4.2 Cấu tạo của một SM 31

Hình 4.3 Cấu trúc một nhánh 32

Hình 4.4 Cấu trúc khối MPC 32

Hình 4.5 Điện áp nhánh trên pha A 33

Hình 4.6 Điện áp nhánh dưới pha A 33

Hình 4.7 Điện áp ra xoay chiều pha A 34

Hình 4.8 Điện áp ra xoay chiều pha B 34

Hình 4.9 Điện áp ra xoay chiều pha C 35

Hình 4.10 Điện áp các tụ nhánh trên pha A 35

Hình 4.11 Điện áp các tụ nhánh dưới pha A 36

Hình 4.12 Dòng điện 3 pha đầu ra lúc ổn định 36

Hình 4.13 Dòng điện 3 pha đầu ra lúc ổn định trong khoảng 0s=>0.02s 37

Hình 4.14 Dòng điện 3 pha đầu ra lúc ổn định trong khoảng 0.09s=>0.12s 37

Hình 4.15 Chỉ số THD dòng điện đầu ra lúc ổn định 38 Hình 4.16 Dòng điện vòng 39

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1 Bảng trạng thái mô tả hoạt động của một SM 6

Bảng 4.1 Bảng thông số mô phỏng bộ biến đổi MMC với N=4 30

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

HVDC High Voltage Direct Current

MMC Modular Multilevel Converter

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors

MPC Model Predictive Control

SVM Support Vector Machine

PWM Pulse-Width Modulation

MIMO Multiple In, Multiple Out

FPGA Field Programmable Gate Array

DSP Digital Signalprocessor

FCS Finite Control Set

CCS Continuous Control Set

OSV Optinal Switching Vector

OSS Optinal Switching Sequence

GPC Generalized Predictive Control

EMPC Explicit Model Predictive Control

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây nhu cầu năng lượng ngày càng cao, trong quy môcông nghiệp nhu cầu sử dụng các thiết bị công suất lớn ngày càng cao Tuy vậy việcđiều khiển các thiết bị ở dải công suất lớn gặp rất nhiều khó khăn Bộ biến đổi đa mứcMMC ra đời với những tính năng vượt trội đã giải quyết hiệu quả vấn đề trên Nhậnthấy được tiềm năng của bộ biến đổi MMC, thầy giáo TS Phạm Việt Phương đã

hướng dẫn em thực hiện đề tài: “Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo cho bộ biến đổi đa mức MMC” Đồ án này, được trình bày với nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC

Chương 2: Phương pháp điều khiển dự báo

Chương 3: Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo cho bộ biến đổi MMC Chương 4: Mô phỏng hệ thống

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Việt Phương đã hướng dẫn chu đáo

em thực hiện đồ án này, em xin cảm ơn anh Trần Hùng Cường đã giúp đỡ em trongquá trình thực hiện đồ án Dù đã rất cố gắng nhưng đồ án không thể không có nhữngsai sót, do kiến thức còn hạn chế cũng như thời gian thực hiện, em rất mong nhận được

ý kiến của các thầy cô để đồ án được hoàn thiện hơn Em xin cảm ơn!

Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Nhật

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC

1.1 Giới thiệu bộ biến đổi đa mức MMC

Trong những năm gần đây, việc truyền tải điện cao áp là vấn đề cấp thiết củanhiều quốc gia trong đó có nước ta Nhiều quốc gia đã nghiên cứu đến hệ thống truyềntải điện cao áp một chiều HVDC bởi các ưu điểm vượt trội của nó so với truyền tảiđiện xoay chiều Một trong những thành phần quan trọng của hệ thống HVDC là các

bộ biến đổi nguồn áp Năm 2010, hệ thống HVDC PLUS của Siemens được sử dụngtrong thực tế Cùng lúc, ABB cũng nâng cấp hế thống HVDC Light Hai hệ thống nàyđều sử dụng công nghệ giống nhau cho các bộ biến đổi nguồn áp đó là bộ biến đổinghịch lưu đa mức MMC (Modular Multilevel Converter)

Bộ biến đổi MMC được giới thiệu lần đầu tiên từ năm 2000 bởi R Marquardt

và A Lesnicar, đây là bộ biến đổi với đặc tính khác biệt so với các bộ biến đổi đa mứckhác và có những tính năng vượi trội để áp dụng cho dải công suất lớn, điện áp caođược xem là giải pháp cho các ứng dụng công nghiệp công suất lớn, kết nối các hệthống điện phân tán công suất cao và rất phù hợp cho hệ thống truyền tải năng lượngđiện một chiều công suất lớn và khoảng cách xa

MMC có thể khắc phục được những nhược điểm của các bộ biến đổi đa cấpkhác như: mở rộng dải công suất, cấu hình đơn giản, dễ dàng mở rộng theo yêu cầu trị

số của điện áp lưới Bộ biến đổi MMC dựa trên những tiến bộ vuợt bậc của công nghệchế tạo các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị xử lý số cực mạnh nên có độ tincậy cao, tuổi thọ dài, kích thước đơn giản phù hợp với việc biến đổi các nguồn nănglượng MMC sử dụng các khóa bán dẫn hai chiều nên có thể tạo ra dòng điện, điện áp

ra phía xoay chiều hình sin có tần số phù hợp với điện áp lưới, có khả năng áp dụngcho mọi dải công suất, từ nhỏ đến lớn Vấn đề này làm cho MMC có tính liên kết các

hệ thống cao, phù hợp cới các hệ thống chuyển đổi năng lượng với công suất lớn, điện

áp cao như: HVDC, truyền động điện trung áp, hệ thống bù tĩnh STACOM

1.2 Cấu hình cơ bản của bộ biến đổi đa mức MMC

Cấu trúc bộ biến đổi MMC được thể hiện như hình 1.1 gồm có ba pha, mỗi phacủa bộ biến đổi được tạo thành từ hai nhánh gồm nhánh trên và nhánh dưới chứa sốlượng N Module thành phần SM (Sub-module) mắc nối tiếp nhau, được kết nối vớiđầu ra qua cuộn cảm để giảm dòng điện quá độ trong mạch

Hình 1.1 Cấu trúc bộ biến đổi MMC

Điện áp xoay chiều trên mỗi pha được lấy ở điểm giữa 2 cuộn kháng L o củamỗi nhánh Mục đích chính của việc sử dụng cuộn cảm trên mỗi nhánh là hạn chế

dòng AC khi ngắn mạch xảy ra ở phía DC Khi đó thành phần di/dt cao sẽ nguy hiểm

cho các thiết bị và có thể được điều khiển và giảm thiểu bằng các cuộn cảm này Cáccuộn cảm này rất hữu ích trong trong việc khắc phục quá điện áp, nó không gây ảnh

hưởng đáng kể vào các hoạt động bình thường của MMC vì các dòng nhánh nội bộđược chảy liên tục

Trong đề tài này, những tổn thất trong các SM và cuộn cảm nhánh đã được mô

hình hóa với một điện trở nhỏ r nối tiếp với các phần tử trong nhánh Điện áp một chiều đầu vào được cấp bởi một nguồn chung duy nhất U DC với cực tính như trên hình

vẽ Tổng điện áp của mỗi nhánh MMC bằng tổng điện áp trên mỗi SM, nghĩa là mỗi

SM sẽ chịu mức điện áp là U DC /N nếu có N là số SM trên mỗi nhánh Mức điện áp của

MMC phụ thuộc vào số lượng của các SM thành phần Điện áp xoay chiều trên các

pha là : u x (x = a,b,c) thay đổi từng bước trong phạm vi của U DC /2 đến - U DC /2 với mỗi

bước điện áp là U DC /N Vì cấu trúc của MMC thực hiện theo cách mắc nối tiếp một

loạt các van bán dẫn với nhau, do đó có thể tránh được sự phức tạp trong quá trìnhđiều khiển đồng bộ hóa các van Đồng thời lại có thể giảm tổn thất của bộ biến đổixuống mức rất thấp Điều này có được là do tần số đóng cắt thấp trong mỗi SM thànhphần và điện áp trên các van trong mỗi SM cũng ở mức thấp Mỗi SM thành phần sẽthực hiện việc đóng cắt ở các thời điểm khác nhau do đó bộ biến đổi có thể đạt đượchiệu suất cao cũng như làm giảm độ méo sóng hài Mỗi SM được kết nối bởi một tụđiện mắc song song với một IGBT Số lượng các SM của bộ biến đổi MMC phụ thuộcvào yêu cầu về cấp điện áp ở phía xoay chiều cũng như công suất trao đổi từ phía mộtchiều sang phía xoay chiều Về mặt lý thuyết, số lượng các SM có thể tăng lên với sốlượng không hạn chế nhằm đáp ứng với mọi yêu cầu về mức điện áp đầu ra ở phíaxoay chiều

1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MMC

Như đã phân tích ở mục 1.2 mỗi SM thành phần là bộ biến đổi dạng nửa cầu,cấu tạo bởi hai van bán dẫn có thể là MOSFET, IGBT (hình 1.2) và một tụ điện C

Hình 1.2 Cấu trúc một SMVới cấu trúc nửa cầu hình 1.2, các van S1, S2 được điều khiển ON, OFF quyếtđịnh đến trạng thái của SM là chèn vào hay bỏ qua, điều này được phân tích ở hình 1.3dưới đây:

Hình 1.3 Trạng thái ON và trạng thái OFF của SM

SM ở trạng thái ON (còn gọi là trạng thái chèn): S1 ON còn S2 OFF Điện áp 2

đầu SM (U SM ) bằng điện áp (U C) trên tụ điện Nếu dòng điện chạy qua là dương thì nó

sẽ chạy thông qua D1 và nạp điện cho tụ, còn dòng điện chay qua là âm thì tụ sẽ xảđiện qua S1 Lưu ý trong trường hợp này D2 đang bị phân cực ngược bởi điện áp trên

tụ do đó dòng điện âm trong nhánh không chạy qua D2

SM ở trạng thái OFF (còn gọi là trạng thái bỏ qua): S1 OFF còn S2 ON Trong

trường hợp này U SM = 0 và U C không thay đổi, tức là tụ không nạp cũng không xả Bởi

vì dòng dương sẽ chạy qua S2, còn dòng âm sẽ chạy qua D2 ( D2 không nối 2 đầu tụnên không bị phân cực ngược)

SM ở trạng thái khóa: S1 và S2 cùng OFF Trường hợp này nếu dòng dương sẽqua D1 nạp cho tụ còn dòng âm sẽ đi qua D2, tức là ở trạng thái khóa chỉ có thể nạp

tụ Điều này làm cho ta không điều khiển được điện áp đầu ra vì nó phụ thuộc vào

chiều dòng điện Như vậy, khi hoạt động thông thường trạng thái khóa sẽ không được

sử dụng trong MMC

Bảng 1.1 Bảng trạng thái mô tả hoạt động của một SM

của một SM

Chiều dòng điện

Trạng thái tụ

Từ quá trình bật tắt của các SM nên điện áp trên phía xoay chiều AC luôn dao

động trong các mức –U DC /2 đến +U DC /2 với mỗi bước điện áp là U DC /N Để dễ dàng

phân tích ta xem như mỗi nhánh của MMC đại diện cho một nguồn điện áp điều khiểnđược Điện áp xoay chiều tăng bằng cách tắt các SM ở nhánh trên đồng thời bật cùnglúc số SM ở nhánh dưới Tuy nhiên, ở mỗi thời điểm chỉ tăng hoặc giảm một bước để

có được dạng sóng điện áp bậc trơn tru Quá trình nạp hoặc xả của tụ điện phụ thuộcvào hướng dòng điện Ở đây ta mới chỉ xét đến số lượng các SM được chèn vào, sốlượng SM được bỏ qua mà chưa xét đến cách làm thế nào để xác định tại thời điểm đó

ta cần bao nhiêu SM được chèn vào, bao nhiêu SM bị bỏ qua cho từng nhánh, từngpha Vì vậy cần có phương pháp điều khiển phù hợp để xác định được số SM chèn vàohay bỏ qua

Nếu có một SM được chèn vào ở nhánh dưới, nhưng không có SM nào ở nhánh

trên bị bỏ qua, khi đó có N+1 các SM được chèn vào, khi đó điện áp trung bình sẽ là

U DC /(N+1), như vậy điện áp trung bình trên mỗi tụ được chèn vào đã bị thay đổi Để

tránh trường hợp này, bộ điều khiển sẽ tác động để có N các SM ở trên mỗi pha được

sử dụng để đạt được điện áp đầu ra mong muốn Nghĩa là tại một thời điểm chỉ có mộtnửa số lượng SM của pha được chèn vào, do đó tổng điện áp đặt lên tất cả các tụ (kể

cả được chèn vào hay bỏ qua) là 2U DC

Hình 1.4 Hình dạng điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC 10 mức

Hình 1.4 mô tả điện áp đầu ra u AC của một bộ MMC lý tưởng (không xét đếntổn hao) Giả định rằng điện áp được phân phối đều giữa các tụ của các SM và các tụ

đủ lớn để điện áp không bị dao động Trong một chu kỳ, có bốn trạng thái khác nhau:

Trạng thái A: điện áp đầu ra là lớn nhất, để đạt được trạng thái này, tất cả các

SM ở nhánh phía trên được bỏ qua do đó điện áp U DC /2 được nối trực tiếp tới đầu ra,

tất cả các SM ở nhánh phía dưới được chèn vào, tổng điện áp qua các module nhánh

dưới bằng U DC

Trạng thái B: điện áp ra giảm dần và bám theo đường sin Để đạt được điều

này, điện áp cần được chèn thêm vào giữa điện áp dương một chiều và điểm giữa điện

áp xoay chiều, như vậy các SM ở nhánh phía trên được chèn vào Để đảm bảo sốlượng SM chèn vào là không thay đổi thì một SM buộc phải được bỏ qua khi một SMkhác được chèn vào Do vậy mỗi khi có một SM được chèn vào ở nhánh phía trên thì

có một SM được bỏ qua ở nhánh dưới Sau khi một SM ở nhánh trên được chèn vào và

một module ở nhánh dưới được bỏ qua thì điện áp đầu ra đạt 4V (U DC /2 – U SM ) Càng nhiều module ở nhánh trên được chèn vào và module ở nhánh dưới bị bỏ qua thì điện

áp xoay chiều đầu ra càng giảm

Trạng thái C: Tất cả các SM ở nhánh phía trên được chèn vào và tất cả SM ở

nhánh dưới bị bỏ qua, điện áp đầu ra lúc này là - U DC /2

Trạng thái D: để tăng dần điện áp đầu ra từ giá trị nhỏ nhất, các module ở

nhánh dưới được chèn vào dần đồng thời các module ở nhánh trên được bỏ qua

Hình 1.5 Sơ đồ thay thế một pha bộ biến đổi MMC

Mối quan hệ giữa dòng điện ở phía xoay chiều và các dòng điện nhánh trên vànhánh dưới mỗi pha của bộ biến đổi được biểu diễn như ở phương trình sau:

i v i p  i n

(1.1)

Trong sơ đồ này, tồn tại một thành phần dòng điện i diff là dòng điện chạy vòng

từ phía một chiều qua nhánh trên và nhánh dưới ở mỗi pha của bộ biến đổi Áp dụngđịnh luật Kirchoff về dòng điện, thành phần dòng điện chạy vòng này như ở biểu thứcsau:

2

i p i n idiff  

(1.2)Nếu bỏ qua điện áp trên điện trở và cuộn kháng ở phía dòng xoay chiều của bộ

biến đổi thì thành phần điện áp xoay chiều u e được tính thông qua biểu thức sau:

1 (u u ) 2

ue  n  p

(1.3)

Thành phần điện áp u n và u p ở (1.3) được tính theo biểu thức sau:

lần lượt là tổng điện áp cùa các SM ở nhánh dưới và

nhánh trên được chèn vào; m n và m p là các hệ số chỉ số lượng các SM được chèn vào ởnhánh dưới và nhánh trên của mỗi pha và có giá trị trong khoảng từ không đến một

Nếu m n hoặc m p bằng một nghĩa là tất cả các SM ở nhánh trên hoặc nhánh dưới được

chèn vào, ngược lại nếu m n hoặc m p bằng không nghĩa là không có SM nào được chèn

vào Mối liên hệ giữa điện áp các nhánh và điện áp U dc đầu vào được biểu diễn ởphương trình sau:

U dc  u p  u n

(1.6)

Ưu điểm:

- Có thể áp dụng cho hệ thống công suất lớn điện áp cao

- Tính khả dụng cao, có cấu trúc module dựa trên sự kết nối nhiều SM đồng nhất,điện áp đặt lên các van bán dẫn được chia nhỏ, vì vậy có thể mở rộng cho bất

kỳ cấp điện áp nào bằng cách thêm các SM vào mỗi pha bộ biến đổi và dễ dàngtrong việc sửa chữa và vận hành, vì vậy độ tin cậy của bộ biến đổi thường caohơn so với các bộ chuyển đổi đa mức khác

- Các van trên một pha đóng cắt ở các thời điểm khác nhau trong chu kỳ tríchmẫu bởi chương trình điều khiển nên tần số chuyển mạch thấp và tạo ra tổng

độ méo sóng hài thấp

- Bộ biến đổi có thể chịu được các quá độ trong giới hạn cho phép khi có sóngquá độ lan truyền vào bộ biến đổi, chi phí giá thành thấp hơn so với bộ biến đổicùng cấp điện áp

- Đối với các ứng dụng nối lưới thì bộ biến đổi MMC có khả năng bù công suấtphản kháng, loại bỏ sóng hài, đồng thời cân bằng tải

- Hoạt động của hai phía một chiều và xoay chiều không cần bộ lọc đầu ra haymáy biến áp cách ly và thiết bị làm mát, do đó kích thước nhỏ gọn và giá thànhhợp lý hơn so với các bộ biến đổi cùng cấp điện áp

Nhược điểm:

- Tồn tại dòng điện lưu thông trong mạch là nguyên nhân gây tổn thất điện năng

và làm tăng giới hạn chịu đựng của các linh kiện bán dẫn

- Điều khiển phức tạp khi số mức điện áp tăng và số lượng linh kiện bán dẫn lớn

- Khi cấu trúc càng mở rộng thì số lượng van bán dẫn cũng sẽ tăng lên, chi phícủa bộ biến đổi cao

1.4 Nhiệm vụ đề tài

1.4.1 Nhiệm vụ

Đồ án này tập trung vào nghiên cứu cấu trúc nguyên lý làm việc của bộ biếnđổi đa mức MMC Tìm hiểu và áp dụng phương pháp điều khiển dự báo dòng điệncho bộ biến đổi MMC 3 pha Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulinkgồm có 8 SM trong mỗi pha của bộ biến đổi đa mức MMC

1.4.2 Nội dung

Đồ án này được trình bày trong 4 chương :

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi đa mức MMC

Chương 2: Phương pháp điều khiển dự báo

Chương 3: Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo cho bộ biến đổi MMC

Chương 4: Mô phỏng hệ thống

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO

2.1 Giới thiệu chung về phương pháp điều khiển dự báo

Điều khiển dự báo (Model Predictive Control) hay MPC là giải pháp tốt để ứngdụng vào hệ thống công nghiệp, điện tử công suất dựa trên mô hình dự đoán trướctrong một phạm vi nhất định Cho chất lượng điều khiển tốt tốc độ xử lí tín hiệu nhanh

MPC được sử dụng với mục đích cho phép điều khiển một cách tinh vi hơn các

hệ thống trong công nghiệp có chất lượng tốt để đáp ứng ngày càng cao sự phát triểncủa công nghệ trong đó có các bộ biến đổi đa mức công suất lớn điện áp cao

Bản chất MPC gồm nhiều các phương pháp điều khiển khác nhau có chung mộtđặc điểm, đó là sử dụng các mô hình toán học của hệ thống để dự đoán hành vi tươnglai Việc thực hiện được bộ điều khiển MPC yêu cầu những phức tạp về mặt toán học,đòi hỏi năng lực tính toán của máy tính phải lớn Trước đây, vấn đề này gặp nhiều khókhăn, tuy nhiên những năm gần đây với việc phát triển của các máy tính hiện có cũngnhư sự phát triển không ngừng của các phương pháp giải số dành riêng cho điều khiển

dự báo đã mang đến khả năng ứng dụng của MPC cho nhiều hệ thống Một số ưu,nhược điểm của MPC so với các bộ biến đổi khác

Ưu điểm:

- Phù hợp với hệ thống nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO)

- Có thể điều khiển nhiều quá trình cùng một lúc

- Có khả năng xử lí các điểu kiện rằng buộc, rất hiệu quả khi quỹ đạo đặt đã biếttrước

Nhược điểm :

- Luôn yêu cầu phức tạp về mặt toán học (yêu cầu phải mô hình hóa chính xácđối tượng điều khiển) vấn đề này rất khó với các hệ thống phức tạp

- Cần bộ vi xử lý có năng lực tính toán lớn

2.2 Phương pháp điều khiển dự báo cho các bộ biến đổi công suất

Trong những năm qua nhiều nghiên cứu đã trình bày về phương pháp điềukhiển dòng điện cho các bộ biến đổi điện tử công suất Trong đó, phương pháp điềukhiển dự báo MPC áp dụng cho các bộ biến đổi điện tử công đã cho chất lượng điềukhiển tốt, tác động nhanh Do đó, MPC là phương pháp điều khiển có thể thay thế chocác phương pháp điều khiển truyền thống MPC đã được nghiên cứu và là một giảipháp đầy hứa hẹn cho điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất do có nhiều ưuđiểm như: quá trình tác động của nó nhanh và chính xác dễ dàng đưa các thành phầnphi tuyến vào mô hình và có thể kết hợp các vòng điều khiển một cách linh hoạt đểđáp ứng các yêu cầu cần thiết của bộ biến đổi MPC có thể được áp dụng và thiết kế dễdàng trong các bộ biến đổi điện tử công suất vì các bộ biến đổi điện tử công suất là các

bộ biến đổi nhiều đầu vào, nhiều đầu ra Phương pháp MPC sử dụng mô hình toán họcrời rạc của hệ thống để dự đoán hành vi của hệ thống trong tương lai ở một thời gianlấy mẫu nhất định Tại mỗi thời điểm lấy mẫu, giá trị dự đoán đầu tiên là đầu ra của bộđiều khiển MPC sẽ được áp dụng để chuyển đổi Các tín hiệu dự báo tốt nhất được ápdụng quá trình tính toán này được lặp lại cho các chu kỳ sau Trong thực tế, nguyên tắchoạt động của MPC trong điện tử công suất là dự báo hành vi tương lai của bộ biến đổitrong một thời gian hữu hạn sau đó dựa trên hàm mục tiêu sẽ tối ưu các hành vi mongmuốn của hệ thống, để nâng cao hiệu quả hoạt động MPC trong các bộ biến đổi điện

tử công suất, bộ biến đổi MPC có thể kết hợp với các bộ điều khiển cổ điển

Đối với các bộ biến đổi điện tử công suất đa mức, số lượng van đóng cắt tănggấp nhiều lần tùy theo cấu trúc mỗi loại, đo đó việc tính toán, điều khiển cho hệ thống

là rất phức tạp Việc áp dụng MPC cho bộ biến đổi đa mức sẽ khai thác được tối đanhững ưu điểm của bộ điều khiển và bộ biến đổi, giảm khối lượng tính toán cho môhình và đơn giản hóa trong quá trình thiết kế bộ điều khiển so với các bộ biến đổikhac MPC có thể nâng cao chất lượng dạng sóng đầu ra và kiểm soát tốt sự ổn địnhcủa dòng điện và điện áp phía đầu ra bộ biến đổi Đối với các bộ chuyển đổi đa cấp với

số bậc lớn thì MPC đòi hỏi có bộ tính toán lớn nên kỹ thuật thực hiện khó khăn Ngoài

ra, để áp dụng hiệu quả phương pháp MPC cho bộ biến đổi điện tử công suất, cần phải

mô hình hóa chính xác đối tượng cần điều khiển

2.3 Lịch sử hình thành và phát triển

Sự phát triển liên tục của các linh kiện bán dẫn và khả năng ứng dụng của bộ vi

xử lý hiện đại và công nghệ xử lí tín hiệu, đã cho phép thực hiện các biện pháp điềukhiển tinh vi hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các bộ biến đổi điện tử côngsuất với hiệu suất cao và công suất lớn Điều khiển dự báo (MPC) là một trong nhữngphương pháp đáp ứng được điều kiện này MPC lần đầu tiên được giới thiệu vàonhững năm 1960 và được ứng dụng vào công nghiệp trong những năm 1970 Phươngpháp này có quá tình tính toán phức tạp hơn so với các bộ điều khiển khác bù lại nókhiến cho bộ điều khiển nhanh hơn với độ chính xác và ổn định cao hơn Vào nhữngnăm 1980, MPC lần đầu tiên được lên ý tưởng để ứng dụng vào điện tử công suất mặc

dù còn rất nhiều hạn chế vào thời điểm đó như hạn chế về kỹ thuật xử lý nên nó chỉđược ứng dụng cho các hệ thống tần số thấp tuy vậy với sự phát triển nhanh của các bộ

xử lý mạnh như DSP, FPGA thì việc ứng dụng MPC vào điện tử công suất đã thiếtthực hơn

Nhận xét: Hiện nay MPC đã được áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhau trong

đó có các bộ biến đổi đa mức

2.4 Nguyên lý làm việc và nguyên tắc thực hiện MPC

MPC tận dụng lợi thế của tính chất rời rạc của bộ điểu khiển để dự đoán hành vicủa hệ thống trong tương lai ở một thời gian lấy mẫu nhất định Tại mỗi thời điểm lấymẫu, giá trị dự đoán đầu tiên là đầu ra của bộ điều khiển MPC sẽ được áp dụng cho bộchuyển đổi Các tín hiệu dự báo tốt nhất được áp dụng quá trình tính toán này được lặplại cho các chu kỳ sau Trong thực tế, nguyên tắc hoạt động của MPC trong điện tửcông suất là dự báo hành vi tương lai của bộ biến đổi trong một thời gian hữu hạn sau

đó dựa trên hàm mục tiêu sẽ tối ưu các hành vi mong muốn của hệ thống, để nâng caohiệu quả hoạt động MPC trong các bộ biến đổi điện tử công suất, bộ biến đổi MPC cóthể kết hợp với các bộ điều khiển cổ điển Việc thực hiện MPC được thể hiện tại hình

2.1 Ban đầu mô hình hệ thống được rời rạc theo các biến điều khiển y (k), các biến điều

khiển ở đây có thể là dòng điện, điện áp hoặc vận tốc động cơ, đưa các biến đã lấy y (k)

vào mô hình dự báo để đưa ra các giá trị trong tương lai y (k+i) Tất cả các giá trị dự đoán

giảm thiểu hàm mục tiêu Cuối cùng các trạng thái chuyển đổi làm giảm hàm mục tiêu

u k sẽ được lựa chọn làm trạng thái tiếp theo và được áp dụng cho bộ đối tượng điềukhiển

Hình 2.1 Sơ đồ điểu khiển của MPC

Để thực hiện được phương pháp MPC trước tiên ta phải xây dựng mô hình đối

từ đó đưa ra các mô hình dự báo tín hiệu đầu ra trong tương lai Xây dựng hàm mụctiêu để tính tối ưu lần lượt các tín hiệu điều khiển và cuối cùng mỗi lần các tín hiệuđiều khiển dự báo chỉ có tín hiệu tối ưu được tác động vào quá trình nhờ các luật điềukhiển

2.5 Phân loại MPC

Quá trình phân loại các phương pháp điều khiển dự báo được thể hiện như hình 2.2

Hình 2.2 Phân loại MPCPhương pháp MPC ứng dụng trong điện tử công suất thường được chia làm hainhóm là:

- Điều khiển dự báo hữu hạn các trạng thái (Finite Control Set MPC) hay MPC đây là phương pháp điều khiển dự báo hữu hạn các trạng thái của môhình

FCS Điều khiển dự báo tín hiệu liên tục (Continuous Control Set MPC) hay CCSFCS MPC đây là phương pháp điều khiển dự báo tín hiệu một cách liên tục

CCS-Ở trong phương pháp FCS-MPC người ta cũng chia làm hai phương pháp cụthể hơn là :

- Điều khiển dự báo tối ưu đóng cắt (Optimal Switching Vector MPC)

- Điều khiển dự báo trình tự đóng cắt (Optimal Switching Sequence MPC)

Một nhóm khác của phương pháp MPC là CCS-MPC cũng được phân thành haiphương pháp là:

- Điều khiển dự báo tổng quát tín hiệu (Generalized Predictive Control)

Điểu khiển cụ thể tín hiệu điều khiển (Explicit MPC)

Điều khiển dự báo

(MPC)

Điều khiển hữu hạn các trạng thái (FCS-MPC)

Điều khiển

dự báo tín hiệu liên tục(CCS-MPC)

Điều khiển

dự báo tổng quát tín hiệu điểu khiển(GPC)

Điều khiển

dự báo cụ thể tín hiệu điều khiển(EMPC)

Dựa vào tính chất, bản chất của mô hình đối tượng ta có thể đưa ra nhận xét vềphương pháp FCS-MPC.

- FCS-MPC dễ thực hiện, cho kết quả tốt được sử dụng phổ biến

- FCS-MPC không cần kết hợp với quá trình điều chế như PWM

Qua những ưu điểm của phương pháp FCS-MPC, trong nghiên cứu này ta sẽtập trung tìm hiểu về phương pháp FCS-MPC áp dụng cho bộ biến đổi MMC

2.6 Mô tả về phương pháp FCS-MPC

FCS-MPC là trường hợp đặc biệt của điều khiển dự báo do phương pháp nàykhông cần kết hợp với điều chế nên thực hiện đơn giản Vì vậy phương pháp này dễdàng ứng dụng cho việc thực hiện kỹ thuật số Phương pháp này đáp ứng được các yêucầu của hệ thống đặc biệt là điều khiển điện tử công suất do các bộ điện tử công suất

có hữu hạn các biến cần điều khiển và có hữu hạn trạng thái đóng cắt Với phươngpháp này, số lượng tính toán sẽ giảm đáng kể, từ đó việc áp dụng các phương phápđiều khiển số sẽ trở nên dễ dàng hơn Một trong những lợi thế lớn của FCS-MPC làmột số mục tiêu điều khiển là các biến điều khiển được tích hợp vào một hàm mụctiêu, các biến này được thông qua một trọng số để đồng nhất về đơn vị tính toán.Phương pháp FCS-MPC lợi dụng tính chất rời rạc của bộ chuyển đổi bằng cách liên hệvới trạng thái chuyển đổi trực tiếp để giảm thiểu các sai lệch Khi trạng thái chuyển đổiđược lựa chọn từ các hàm mục tiêu thì không cần bộ điều khiển tuyến tính