Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần đa mức có tính đến sự cố van bán dẫn

Phương pháp điều khiển dự báo FCS – MPC cho nghịch lưu đa mức đang là xuhướng nhờ các ưu điểm: khái niệm trực quan, thiết kế đơn giản, điều khiển được đamục tiêu, không phân biệt về điều

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫncủa các Thầy hướng dẫn và các nhà khoa học Tài liệu tham khảo trong luận ánđược trích dẫn đầy đủ Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực vàchưa từng được tác giả khác công bố

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong bộ môn Tự động hóa Công nghiệp,

đã cho tôi môi trường làm việc chuyên nghiệp, năng động và có những ý kiến góp ýchân thành, sâu sắc trong suốt quá trình tôi học tập, làm việc, xây dựng thực nghiệmcũng như từng bước thực hiện luận án

Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo, Viện Điện Trường Đại học Báchkhoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về nhiều mặt để tôi hoàn thành luận án.Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em Nghiên cứu sinh của bộ môn Tự độnghóa Công nghiệp, những người luôn cùng tôi đồng hành, luôn động viên, giúp đỡlẫn nhau, cùng trao đổi chuyên môn, hỗ trợ tôi trong việc tìm kiếm tài liệu nghiêncứu trong học tập để tôi có kết quả như ngày hôm nay

Tôi xin chân thành cảm ơn nhóm nghiên cứu Điện tử công suất làm việc tạiphòng 203/C9 Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện, Đại học Bách Khoa

Hà Nội, những người luôn cùng Tôi đồng hành, luôn động viên, giúp đỡ lẫn nhau,cùng trao đổi chuyên môn, hỗ trợ trong nghiên cứu, triển khai thực nghiệm để tôi cókết quả như ngày hôm nay

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện củaBan giám hiệu trường Đại học Hùng Vương, Ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Côngnghệ và các đồng nghiệp tại khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học HùngVương đã giúp đỡ tạo điều kiện về mặt thời gian, công việc để Tôi học tập, nghiêncứu một cách thuận lợi

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình Tôi đã luôn quan tâm,động viên và giúp đỡ để Tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Tác giả luận án

Mai Văn Chung

ii

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, hệ thống truyền động trung áp ngày càng được sử dụng phổ biếntrong công nghiệp và giao thông vận tải Hệ thống này động cơ thường điều khiểntheo phương pháp vector và được cấp nguồn bởi nghịch lưu đa mức Qua cấu trúcđiều khiển này, nhận thấy rằng ngoài các bộ điều khiển momen, tốc độ và vị trí thìđiều khiển nghịch lưu đa mức cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chấtlượng truyền động điện Bởi vì bộ nghịch lưu đa mức giúp cho quá trình sử dụnglinh kiện bán dẫn với kích thước nhỏ hơn, dễ dàng trong quá trình thiết kế nhiệt củathiết bị, đưa ra dạng điện áp đầu ra có độ méo sóng hài (THD) thấp và tốc độ biến

thiên điện áp dv/dt thấp [1] Tuy nhiên nghịch lưu đa mức yêu cầu khối lượng, thời

gian tính toán lớn, phức tạp và mất nhiều thời gian xây dựng phần cứng và mềm.Bên cạnh đó, với việc tăng số mức, khả năng lỗi một hoặc nhiều van bán dẫn hoàntoàn có thể xảy ra [2] và chiếm 38% nguyên nhân xảy ra lỗi của nghịch lưu đa mức[3] Thông thường thiết bị bảo vệ sẽ tác động để ngắt bộ nghịch lưu đa mức ra khỏilưới điện nếu bị lỗi, dẫn đến động cơ dừng làm việc Việc dừng đột ngột động cơtrong thực tế đôi khi có thể gây ra sự cố nghiêm trọng, ví dụ như hiện tượng búanước trong hệ thống bơm cột áp cao Mặt khác, nếu tiếp tục làm việc trong điềukiện lỗi có thể dẫn đến điện áp đầu ra mất cân bằng gây nguy hiểm cho động cơ nếu

chạy liên tục trong một thời gian dài Do đó, việc thiết kế thuật toán điều chế vector không gian thực hiện một cách thống nhất áp dụng cho nghịch lưu với số mức mong muốn kể cả trong trường hợp lỗi van bán dẫn là rất quan trọng và cần phải giải quyết trong thực tế.

Phương pháp điều khiển dự báo (FCS – MPC) cho nghịch lưu đa mức đang là xuhướng nhờ các ưu điểm: khái niệm trực quan, thiết kế đơn giản, điều khiển được đamục tiêu, không phân biệt về điều chế và điều khiển, phù hợp với các đối tượng phituyến….Do đó MPC cho phép giải quyết triệt để vấn đề còn tồn tại của điều chế

vector không gian, như tối ưu tần số đóng cắt và triệt tiêu điện áp common modekhông thể thực hiện cùng một thời điểm Đồng thời để tăng độ tin cậy cho những đềxuất giải quyết trên trong việc điều khiển nghịch lưu đa mức có xét đến trường hợp

sự cố van bán dẫn, thì việc đưa các kết quả nghiên cứu này vào ứng dụng cụ thể nào

đó chẳng hạn như hệ truyền động trung áp, động cơ công suất lớn… là thực sự có ýnghĩa trong nghiên cứu lý thuyết cũng như thực tiễn Việc nghiên cứu này sẽ giúpcho các kỹ sư thiết kế, vận hành hệ truyền động trung áp động cơ được cấp nguồn

bởi nghịch lưu đa mức có xét đến trường hợp sự cố trở nên đơn giản hơn Đặc biệt

1

là xét đến trường hợp điển hình trong điều khiển nghịch lưu đa mức là triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu tần số đóng cắt được thực hiện đồng thời Đây

cũng là hướng nghiên cứu của đề tài nhằm mục đích góp phần nâng cao độ tin cậycho hệ truyền động này Các kết quả nghiên cứu sẽ được được minh chứng bằng

mô phỏng offline và thực nghiệm

Đối tượng nghiên cứu

Nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng cấp nguồn cho hệ truyền động khôngđồng bộ trung thế

Mục tiêu của đề tài

Luận án thực hiện nghiên cứu, lựa chọn cấu trúc nghịch lưu đa mức và đề xuấtphương pháp điều chế, điều khiển cho nghịch lưu đa mức có xét đến tình huống sự

cố van bán dẫn khi cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ với các mục tiêu

sau: tổng quát hóa phương pháp điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến tình huống sự cố van bán dẫn; phát hiện nhanh và chính xác vị trí cầu H bị lỗi để cấu trúc lại hệ thống; ứng dụng phương pháp điều khiển dự báo để giải quyết những vấn đề còn tồn tại trong điều chế vecto không gian như tối ưu tần

số đóng cắt và triệt tiêu điện áp common mode không thể thực hiện cùng một thời điểm; kiểm chứng qua ứng dụng cho hệ truyền động trung áp có xét đến trường hợp lỗi van bán dẫn của nghịch lưu đa mức.

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu thực tiễn: Để thấy được các bộ biến đổi làm việc trong thực tế,NCS và nhóm nghiên cứu đi thực tế tại Công ty nước Sông đà, Nhà máy giấy An Hòa,Nhà máy giấy Bãi bằng Qua đó, nghiên cứu sinh có cái nhìn rõ hơn về các bộ biến đổihoạt động trong thực tế: Công suất, kích thước, điều khiển, giám sát…qua đó hìnhthành ý tưởng của nghiên cứu

2

- Nghiên cứu trên lý thuyết:

+ Tổng hợp, phân tích, đánh giá các cấu trúc, phương pháp điều chế SVM chonghịch lưu đa mức Từ đó lựa chọn được cấu trúc nghịch lưu đa mức và đề xuấtphương pháp điều chế SVM cải tiến để giải quyết vấn đề nghiên cứu đặt ra

+ Nghiên cứu, thiết kế thuật toán phát hiện và xử lý lỗi van bán dẫn

+ Nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện đại để thiết kế bộ điều khiển cókhả năng đồng thời triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu đóng cắt cho nghịch lưu

đa mức

+ Thực hiện mô phỏng để có kết quả đánh giá sơ bộ

+ Thực hiện kiểm chứng tính đúng đắn lý thuyết bằng thực nghiệm

Ý nghĩa của đề tài:

Ý nghĩa khoa học:

Kết quả của nghiên cứu này giúp làm đơn giản hóa trong cách triển khai và dễdàng thực hiện tới mức mong muốn với thuật toán tổng quát hóa điều chế SVM chonghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến lỗi van bán dẫn (SVM cải tiến) Trongtrường hợp lỗi van bán dẫn, với thuật toán đề xuất mức giảm của điện áp là nhỏnhất, chất lượng điện áp, dòng điện được đảm bảo Bên cạnh đó, luận án đã đề xuấthàm mục tiêu của bộ điều khiển dự báo dòng điện được bổ sung khả năng triệt tiêuđiện áp common mode, tối ưu tần số chuyển mạch và làm việc được trong cảtrường hợp có lỗi van bán dẫn Đồng thời, luận án đề xuất thuật toán sử dụng 19vector điện áp liền kề với các phép tính song song được thực hiện trên FPGA giúpcho khối lượng tính toán giảm xuống, thời gian tính toán là nhỏ nhất của bộ điềukhiển dự báo dòng điện

Ý nghĩa thực tiễn:

Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng thông qua mô hình thực nghiệmchứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn Với đóng góp của luận án giúp cho việc ứngdụng của nghịch lưu đa mức trong thực tế trở nên đơn giản, an toàn và thỏa mãnnhiều yêu cầu khác nhau về chất lượng

Dự kiến kết quả đạt được

- Xây dựng thành công thuật toán điều chế SVM tổng quát cho nghịch lưu đamức cầu H nối tầng được thực hiện một cách đồng nhất, có thể mở rộng đến mứcmong muốn kể cả trường hợp có sự cố lỗi van bán dẫn

3

- Đề xuất bộ điều khiển dự báo dòng điện giải quyết được vấn đề đồng thời triệttiêu điện áp common mode và tối ưu đóng cắt; giảm khối lượng tính toán và cải thiệnđáp ứng động học cho hệ truyền động bằng thuật toán 19 vector liền kề trong một chu

kỳ trích mẫu

- Xây dựng mô hình thực nghiệm nghịch lưu 11 mức cấu trúc cầu H nối tầng để

có thể kiểm nghiệm và đánh giá các kết quả nghiên cứu lý thuyết

Bố cục luận án

Toàn bộ quyển luận án được chia thành bốn chương nội dung và phần kết luận,các nội dung cơ bản như sau:

Chương 1 trình bày tổng quan về cấu trúc của nghịch lưu đa mức, điều chế cho

nghịch lưu đa mức có xét đến tình huống lỗi van bán dẫn, các phương pháp điềukhiển mạch vòng dòng điện trong hệ truyền động không đồng bộ và phương phápphát hiện lỗi Qua phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã được công bố,luận án chỉ ra các vấn đề chưa được giải quyết triệt để Từ đó luận án tập trungnghiên cứu và đưa ra đề xuất phương hướng thực hiện các mục tiêu nghiên cứu củaluận án

Chương 2 trình bày phương pháp điều chế SVM tổng quát được xây dựng một

cách thống nhất với nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng đến mức mong muốn trong

cả trường hợp lỗi van bán dẫn mà vẫn đảm bảo chất lượng điện áp ra với độ sụtgiảm của điện áp là nhỏ nhất Bên cạnh đó, luận án trình bày đề xuất phương phápphát hiện lỗi và cấu hình lại nghịch lưu để hệ thống có thể tiếp tục làm việc khi xảy

ra lỗi Đồng thời thuật toán phát hiện và xử lý lỗi sẽ được kiếm chứng thông qua hệtruyền động không đồng bộ theo nguyên lý FOC

Chương 3 trình bày về ứng dụng điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lưu đa

mức cầu H nối tầng có khả năng đồng thời triệt tiêu điện áp common mode và tối

ưu tần số đóng cắt Tiếp theo luận án đề xuất phương pháp sử dụng 19 vector điện

áp liền kề cho hàm mục tiêu và các giải pháp để giảm khối lượng, thời gian tínhtoán của bộ điều khiển Bên cạnh đó phương pháp điều khiển MPC được xây dựngtrong trường hợp có lỗi của van bán dẫn, để hệ thống có thể tiếp tục làm việc vớimức độ sụt giảm điện áp là nhỏ nhất

Chương 4 trình bày các tính toán, thiết kế, quy trình thực nghiệm và các kết quả

thu được Từ kết quả này sẽ kiểm nghiệm được tính đúng đắn lý thuyết của thuậttoán đề xuất

Phần cuối của luận án là đưa ra các đóng góp mới và những kiến nghị nghiêncứu trong tương lai

4

Chương 1 Tổng quan nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng ứng dụng cho hệ truyền động không đồng bộ

Trong chương 1 sẽ trình bày tổng quan về cấu trúc, phương pháp điều chếnghịch lưu đa mức khi làm việc bình thường hoặc khi xảy ra lỗi van bán dẫn Bêncạnh đó, trong chương 1 liệt kê các phương pháp điều khiển dòng điện stator tuyếntính, phi tuyến và dự báo cho hệ truyền động không đồng bộ theo nguyên lý FOC

Từ đó luận án tập trung nghiên cứu và đưa ra phương hướng thực hiện các mụctiêu như phát hiện, xử lý lỗi, triệt tiêu đồng thời điện áp common mode và tối ưutần số đóng cắt của nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng

1.1 Nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng

Đối với hệ truyền động trung áp, nghịch lưu đa mức thường được lựa chọn nhờcác ưu điểm: dạng sóng đầu ra có độ méo sóng hài (THD) thấp hơn, giảm điện ápđặt lên các linh kiện bán dẫn công suất, tốc độ biến thiên điện áp dv/dt thấp hơn [1],[4] Nghịch lưu đa mức có cấu trúc cơ bản: nghịch lưu dùng điôt chốt điểm trungtính (NPC) [5]; nghịch lưu dùng hệ thống tụ bay (FC) [6], [7]; cầu H nối tầng(CHB) [8], [9], [10]; bộ biến đổi đa cấp module (MMC) [11]–[13] Dạng cấu trúc

của nghịch lưu đa mức thể hiện như Hình 1 1, so sánh thiết bị như Bảng 1 1.

Trong các cấu trúc của nghịch lưu đa mức, cấu trúc nghịch lưu đa mức cầu H nốitầng (CHB) có tính module hóa cao, linh hoạt trong sửa chữa và thay thế thiết bị do

đó giảm chi phí trong sản xuất và vận hành, không cần thêm các phần tử phụ trợnhư đi ốt, tụ điện, độ tin cậy cao [2], [14] Với cấu trúc module hóa, CHB có thể tạo

ra số mức điện áp rất lớn Với lợi thế này, có thể xây dựng được các BBĐ CHB làmviệc ở cấp điện áp từ trung thế (MV – từ trên 1 kV đến 60 kV), đến mức cao thế(HV – 110 kV đến 220 kV) Do đó, CHB - MLI được sử dụng rộng rãi hơn trongcông nghiệp cho các ứng dụng khác nhau Trong đó, nghịch lưu đa mức đặc biệtphù hợp với ứng dụng như:

- Nối lưới: Đối với hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới, thông thường

gồm nhiều tấm pin năng lượng điện mặt trời riêng lẻ và chiếm một khu vực có diện

tích lớn như Hình 1 2 Do cường độ bức xạ mặt trời có thể không đều do mây che

khuất, vật cản…sẽ làm công suất trên các tấm pin không đều Để nâng cao hiệu suất,thông thường sẽ chia nhỏ thành các nhóm PV để điều khiển sẽ tạo ra công suất là cânbằng và cao nhất có thể Cấu trúc bộ biến đổi CHB với đặc thù được cấp bởi cácnguồn DC cách ly riêng lẻ Do đó, Cấu trúc bộ biến đổi CHB đặc biệt phù hợp với ứngdụng năng lượng điện mặt trời nối lưới [15]–[17]

5

Bảng 1 1 So sánh số linh kiện trong một pha của các cấu trúc NLĐM

-(1/2)v dc

-Hình 1 1 Phân loại NLĐM (nguồn [18])

- Bộ biến đổi biến đổi lưới điện xoay chiều 3 pha cung cấp cho động cơ công suất lớn, điện áp cao: Với mục tiêu ứng dụng trong hệ thống công suất lớn, việc đảm

bảo dòng lấy vào từ lưới điện có dạng gần sin là rất quan trọng Nghịch lưu đa mứccầu H nối tầng với nhiều nguồn DC cách ly, vì vậy có thể sử dụng các sơ đồ máy biến

áp nhiều đầu ra để nâng cao chất lượng dòng đầu vào Điều này được thể hiện trên các

sơ đồ trong Hình 1 3, trong đó hình (a) là sơ đồ chỉnh lưu 12 xung, hình (b) là sơ đồ

chỉnh lưu 18 xung, hình (c) là sơ đồ chỉnh lưu 24 xung Các cách đấu dây trên các sơ

đồ Hình 1 3, Hình 1 4 chỉ đảm bảo dòng lấy vào từ lưới có dạng sin, còn điện áp trên

mỗi chỉnh lưu đầu ra vẫn có số xung như các chỉnh lưu

6

thông thường Do đó cấu trúc nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng rất phù hợp cho

việc cấp nguồn cho hệ truyền động ở dải công suất lớn, điện áp cao [19]

Trong luận án này, đối tượng nghiên cứu là nghịch lưu đa mức cấp nguồn cho hệ

truyền động không đồng bộ ở dải điện áp trung thế Từ những phân tích trên, luận

án lựa chọn cấu trúc nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng với định hướng nghiên cứu

tập trung vào vấn đề: đơn giản hóa điều chế SVM; duy trì hoạt động hoặc dừng chủ

động của hệ thống khi xảy ra lỗi hở mạch van, đưa ra một số đề xuất khi ứng dụng

điều khiển dự báo mô hình mạch vòng dòng điện cho hệ thống nghịch lưu đa mức

cầu H nối tầng – động cơ không đồng bộ

C

H- Bridge Cell

i a

A

dc

B ac

Cascaded H-Bridge Multilevel Converter H- Bridge Cell

Hình 1 2 Cấu trúc hệ PV dùng cấu trúc CHB (nguồn [17])

Tải A B C

N Z

Hình 1 4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống nghịch lưu ba pha 11 mức cầu H nối tầng.

1.2 Phương pháp điều khiển mạch vòng dòng điện

1.2.1 Tổng quan các phương pháp thiết kế mạch vòng dòng điện

Hiện nay, FOC vẫn được coi là phương pháp điều khiển tiêu chuẩn trong côngnghiệp [20] Theo nguyên lý điều khiển FOC với hai mạch vòng điều chỉnh, mạchvòng ngoài là tốc độ và từ thông, mạch vòng trong là dòng điện Do đó, phươngpháp đã tách được hai thành phần điều khiển từ thông và momen Mạch vòng dòngđiện có đặc điểm phi tuyến, xen kênh và đóng vai trò quan trọng về quá trình từ hóa

và điều khiển momen động cơ Nếu bộ điều khiển dòng điện đảm bảo được tiêu chíđáp ứng dòng điện stator nhanh, chính xác và tách kênh thì điều khiển tốc độ chođộng cơ trở nên đơn giản, đúng theo yêu cầu công nghệ Chính vì vậy, bộ điềukhiển dòng điện đảm bảo các tiêu chí yêu cầu bằng các phương pháp điều khiểntuyến tính, phí tuyến, điều khiển thông minh và dự báo Trong đó các phương phápđiều khiển tuyến tính như PI, deadbeat truyền thống, deabeat cải tiến và cácphương pháp điều khiển phi tuyến như tuyến như tính hóa chính xác, cuốn chiếu,

tựa phẳng, trượt…và điều khiển dự báo FCS-MPC Mỗi phương pháp điều khiển

có đặc điểm riêng được trình bày như sau:

* Các phương pháp điều khiển tuyến tính

Các phương pháp tuyến tính trong đó thường được sử dụng là bộ điều khiển PI

Bộ điều khiển này có ưu điểm thiết kế đơn giản và đáp ứng nhanh Tuy nhiên bộđiều khiển PI có những nhược điểm là chỉ đạt hiệu quả tốt nhất ở quanh điểm làmviệc cân bằng mà khi thiết kế lựa chọn do bản thân mô hình động cơ là phi tuyến.Như vậy khi hệ truyền động tại vùng làm việc rộng, chế độ động khắc nghiệt (tảithay đổi mạnh hoặc có dạng xung) thì chắc chắn đáp ứng động học và chất lượngtruyền động điện sẽ bị suy giảm [21]; Bộ điều khiển deadbeat truyền thống hay còngọi là bộ ĐK bù thì luôn ưu tiên hàng đầu tốc độ đáp ứng hữu hạn Bộ ĐK deadbeat

8

truyền thống có đặc điểm dẫn dắt biến ra theo một quỹ đạo thời gian do người thiết

kế xác định, sao cho giá trị thực đuổi kịp và bám giá trị đặt sau một lượng hữu hạn

N chu kỳ trích mẫu vẫn được áp dụng trong nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn [22],[23]; Bộ điều khiển deadbeat cải tiến dòng stator khắc phục nhược điểm nhạy vớithông số động cơ của bộ ĐK deadbeat truyền thống dòng stator thông qua ma trận L

và bộ điều khiển này đã tách kênh thành công các thành phần dòng điện được thể hiệnqua hàm truyền hở Gh(z) [24]; Tuy nhiên bộ điều khiển này phụ thuộc vào tham sốđộng cơ và vi xử lý khi triển khai thực nghiệm Bộ điều khiển tuyến tính ActiveDisturbance Rejection Control (ADRC) là bộ điều khiển ADRC kết hợp với bộ quansát ESO (Extended State Observer) để ước lượng nhiễu và sai số mô hình Mặc dù chỉ

có một mô hình với độ chính xác không cao, thì vẫn có thể thiết kế được một bộ điềukhiển có chất lượng tốt, mạnh mẽ chống lại các biến động cho đối tượng thực tế, do

đó gián tiếp giúp đơn giản hóa mô hình Bộ điều khiển tuyến tính ADRC khắc phụcđược nhược điểm của bộ điều khiển PID hay PI là khắc phục được hiện tượng bãohòa tích phân, tích cực loại bỏ nhiễu và bộ điều khiển ít phụ thuộc vào thông số động

cơ Vì vậy bộ điều khiển này hứa hẹn phát triển trong tương lai [25] và [22]

* Các phương pháp điều khiển phi tuyến

Các phương pháp điều khiển phi tuyến cho mạch dòng vòng điện phổ biến: Phươngpháp tuyến tính hóa chính xác (exact linearization) sử dụng phản hồi trạng thái đểchuyển hệ phương trình dòng điện phi tuyến sang quan hệ tuyến tính vào - ra, từ đó cóthể áp dụng các bộ điều chỉnh tuyến tính thông thường Phương pháp này phải đolường đầy đủ các trạng thái cần thiết, loại bỏ chính xác thành phần phi tuyến và thiết kế

bộ điều khiển riêng rẽ cho mức từ thông rotor Phương pháp điều khiển này đã táchkênh dòng stator thành công khi thực hiện chuyển hệ tọa độ, để đưa đối tượng dòngphi tuyến về tuyến tính Tuy nhiên phương pháp điều khiển này phụ thuộc vào phép đocác biến trạng thái, nếu phép đo không chính xác, sẽ có thể dẫn đến vấn đề mất bềnvững nghiêm trọng [26]; Phương pháp điều khiển tựa phẳng (flatness) cho phép tínhtoán đưa trực tiếp các tín hiệu đầu ra mong muốn này về làm giá trị đặt đầu vào, dẫntới một cấu trúc điều khiển mà giá trị cần điều khiển của hệ lại là đầu vào điều khiển,gọi là mô hình ngược Tuy nhiên bài toán thiết lập quỹ đạo cần xét đến giới hạn cácbiến điều khiển là rất cần thiết, do vậy bài toán thiết kế sẽ trở nên phức tạp nếu bậc môhình trạng thái cao, trong đó mô hình dòng điện cũng là một thử thách áp dụng điềukhiển tựa phẳng, vì mô hình dòng là bậc 2 [27]; Phương pháp điều khiển cuốn chiếu(backstepping), thiết kế điều khiển đảm bảo sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực theotiêu chuẩn Lyapunov, hệ kín ổn định toàn cục theo tiêu chuẩn Lyapunov, nên đáp ứngđộng học chậm Bên cạnh đó nếu hệ có bậc mô hình càng lớn thì việc thiết kế cuốnchiếu sẽ phức tạp, song ngày nay với sự phát triển của vi điều khiển, kỹ thuật điềukhiển số… thì vấn đề này được giải quyết [28]; Phương pháp điều khiển trượt là mộtphương pháp điều khiển phi tuyến đơn

9

giản Để thiết kế thành phần điều khiển trượt cần phải biết rõ các thông số của môhình đối tượng, cũng như các điều kiện chặn trên của các thành phần bất định của

mô hình Điều khiển trượt có dạng hàm dấu và có hiện tượng rung (chattering)trong hệ thống Đây là một hiệu ứng nguy hiểm và là nguyên nhân làm giảm tuổithọ nhiều thiết bị trong hệ thống Tuy nhiên những năm gần đây đã có nghiên cứugiải pháp chống rung, cũng đã thu được kết quả ứng dụng mang tính thực tế [29],[30]

Đối với đối tượng là điện tử công suất và truyền động điện, phương pháp dự báodòng điện (MPC) đã nổi lên là phương pháp điều khiển thay thế đầy tiềm năng chonghịch lưu đa mức nhờ các ưu điểm: trực quan khi tiếp cận, tương đối đơn giảntrong thiết kế và thực hiện, là bộ điều khiển đa biến MIMO nhiều đầu vào đầu ra, cókhả năng làm việc với hệ phi tuyến trên miền thời gian, đáp ứng động học nhanh,hàm mục tiêu giúp chiến lược điều khiển trở nên linh hoạt trong việc lựa chọn đốitượng điều khiển và bổ sung các ràng buộc Do đó, để đánh giá cụ thể phương phápđiều khiển dự báo dòng điện (MPC) sẽ được trình bày ở mục kế tiếp

và điều khiển cho các BBĐ đa mức luôn được quan tâm nghiên cứu trong nhiều nămqua, nhằm mục đích đạt hiệu quả truyền dẫn năng lượng điện tốt nhất, nâng cao độ tincậy và tăng cường chất lượng các thông số của BBĐ… Hiện nay, việc sử dụng điềukhiển bằng công nghệ số DSP, FPGA cho phép thực hiện các kỹ thuật điều khiển mới

và tinh vi hơn so với các phương pháp điều khiển tuyến tính cổ điển, tạo ra sự linh hoạtcần thiết của BBĐ trong các ứng dụng thực tế Các phương pháp điều chế cho BBĐ đa

mức như mô tả ở Hình 1.9 có thể chia thành hai nhóm lớn là thuật toán dựa trên điều

chế SVM và thuật toán dựa trên mức điện áp gồm: phương pháp PWM; phương phápNLM Các tiêu chí để lựa chọn các kỹ thuật điều chế thích hợp vào cấu trúc, đặc điểm

kỹ thuật khi thiết kế và khả năng ứng dụng của từng loại BBĐ Cả hai phương pháptrên đều được thực hiện trong miền thời gian Khi đánh giá về tổn thất, các phươngpháp điều chế có tần số thấp được sử dụng nhiều hơn trong ứng dụng công suất cao vì

có khả năng giảm tổn thất đóng cắt trong khi chất lượng điện áp đầu ra vẫn thỏa mãnyêu cầu, đạt hiệu quả cao hơn so với phương pháp có tần số cao Ngoài ra, các tiêu chí

để lựa chọn còn được thực hiện dựa trên việc thực hiện đơn giản quá trình chuyểnmạch được tối ưu, có thể phối hợp nhịp nhàng với các tiêu chí điều khiển khác Đốivới nghịch lưu đa mức cấu trúc

10

cấu trúc cầu H nối tầng, kỹ thuật điều chế phổ biến thường được sử dụng: PWM

dùng nhiều sóng mang và điều chế vector không gian (SVM)

Các dạng PWM nhiều sóng mang cơ bản áp dụng cho nghịch lưu đa mức là [32]:

- Kỹ thuật điều chế với các sóng mang dịch pha (Phase-shift Carrier PWM –

PSCPWM)

- Các PWM với sóng mang dịch mức, với các dạng khác nhau về sắp đặt pha

giữa các sóng mang với nhau như APOD, POD, PD

Điều chế với nhiều sóng mang dễ áp dụng và cũng có thể mang lại hiệu quả cao

về đảm bảo thành phần sóng hài Tuy nhiên do các dạng sóng mang là cố định nên

muốn thay đổi các chế độ của sơ đồ điều chế để đạt được những mục tiêu khác như

tăng khả năng sử dụng điện áp nguồn DC (đạt hệ số biên độ sóng cơ bản mong

muốn trên điện áp DC lớn hơn), giảm số lần đóng cắt của khóa bán dẫn bằng các sơ

đồ điều chế gián đoạn (Discontinuous PWM), chỉ có thể tác động lên sóng chủ đạo

[33] Các phương pháp cân bằng điện áp trên các tụ DC đối với PWM nhiều sóng

mang cũng đều phải tác động lên sóng chủ đạo nên rất phức tạp, trong nhiều trường

hợp là không khả thi Bên cạnh đó, với yêu cầu mỗi cầu H cần một sóng mang (11

mức cần 15 bộ tạo sóng mang) dẫn đến không khả thi với mức cao

Phương pháp điều chế vector không gian SVM có những ưu điểm ở khả năng linh

hoạt hơn nhiều so với PWM dựa trên sóng mang SVM có khả năng tạo ra quỹ đạo

vector mong muốn có dạng bất kỳ nhờ lựa chọn các trạng thái mạch nghịch lưu và các

thời gian phù hợp trong một chu kỳ điều chế Điều này rất cần thiết để đảm bảo đặc

tính động học của hệ thống vì thông thường bộ biến đổi nằm trong hệ thống các mạch

vòng điều chỉnh, lượng đặt cho khâu điều chế có thể có dạng khác xa so với hình sin,

khi đó tính toán các lượng offset cho PWM nhiều sóng mang trở nên là vấn đề lớn

Nhờ các trạng thái dư của mạch nghịch lưu trong việc tạo ra cùng một vector điện áp

chuẩn, cơ bản đã giải quyết các vấn đề về: tối ưu trạng thái chuyển mạch van bán dẫn

[34]–[37], cân bằng điện áp giữa các pha và giữa các tụ DC trên cùng một pha [38],

giảm thiểu ảnh hưởng của common mode [39], [40] Bên cạnh đó, phương pháp điều

chế SVM cũng cho phép tạo ra những mẫu xung để BBĐ có thể làm việc được trong cả

trường hợp lỗi van công suất và giảm được những ảnh hưởng tiêu cực do lỗi gây ra

[2], [41], tận dụng điện áp một chiều tốt hơn

Yêu cầu khối lượng tính toán cao được coi là nhược điểm chính của SVM, nhất

là khi số lượng vector điện áp chuẩn tăng lên nhanh theo số mức và được tính toán

Ví dụ nếu số mức là 5 thì số vector chuẩn là là 61 và trạng thái mạch nghịch lưu

là 125, khi số mức là 11 thì có 331 vector chuẩn và trạng thái mạch nghịch lưu là1331

Hình 1 5 Tổng quan về các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi đa mức (nguồn: [42])

Hình 1 6 Vector không gian điện áp của CHB - MLI 11 mức CHB

Hình 1 6 thể hiện vector điện áp không gian nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng Thông

thường, việc thực hiện các sơ đồ SVM cho các bộ nghịch lưu có mức điện áp

12

cao có độ phức tạp tính toán cao hoặc yêu cầu các bảng tra cứu Đặc biệt khi mởrộng mức cao hơn không tận dụng được việc xây dựng vector không gian, các tínhtoán của mức dưới, vì thế việc thiết kế điều chế mất nhiều thời gian với khối lượngtính toán lớn Do đó, cần đơn giản hóa điều chế SVM là vấn đề thực tiễn đặt ra Đã

có khá nhiều nghiên cứu về vấn đề đơn giản hóa điều chế SVM cho CHB - MLI.Một thuật toán SVM đã được đề xuất trong [43] để tính toán thời gian điều chế vàtrạng thái chuyển mạch dựa trên hệ tọa độ 600 Tuy nhiên, việc chuyển đổi giữa hệtọa độ 600 và hệ tọa độ gốc Cartesian trong [43] yêu cầu tính toán hàm lượng giácphức tạp với khối lượng tính toán lớn Phương pháp điều chế SVM dựa trên hai ánh

xạ đơn giản đã được trình bày trong [44], trong đó các phép tính lặp tốn thời gian đểxác định một tập các hình lục giác lồng nhau và sửa đổi trạng thái chuyển đổi đượcyêu cầu để tính toán vectơ còn lại và trạng thái chuyển đổi Thuật toán có các phéptính lặp, khối lượng tính toán tăng đáng kể khi số mức tăng làm cho thời gian tínhtoán tăng lên Do đó, phương pháp này không phù hợp để thực hiện theo thời gianthực cho các bộ nghịch lưu mức cao Nghiên cứu [45] đã trình bày một phươngpháp để nhanh chóng xác định các trạng thái của vector chuẩn phải sử dụng Tuynhiên, việc lập một bảng tra cứu các trạng thái của vector chuẩn sẽ trở nên khó khănhơn khi số mức tăng cao Hơn nữa, phương pháp xác định trạng thái chuyển đổi rấtkhó để khái quát hóa cho phương pháp điều chế Thuật toán SVM được đề xuấttrong [46] sử dụng hệ tọa độ 1200 để tính toán và xác định số mức của các pha mộtcách hợp lý Tuy nhiên, việc không sử dụng trạng thái mạch nghịch lưu dư củavector điện áp trong điều chế để tối ưu đóng cắt, cân bằng điện áp trên tụ, tối ưu

common mode là thiếu sót của thuật toán Vì vậy, nghiên cứu này sẽ đề xuất phương pháp để đơn giản hóa điều chế SVM bằng cách xây dựng thuật toán dưới dạng tổng quát hóa Với mong muốn của thuật toán tạo ra mạch tạo xung có thể tạo

ra các mẫu xung cho mức mong muốn trong điều kiện tối ưu đóng cắt van với yêucầu đầu vào là số mức

1.2.3 Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện

* Phương pháp điều khiển dự báo (MPC): phương pháp điều khiển dự báo với

nguyên lý cơ bản là dựa vào mô hình trạng thái, quá trình trễ, tối ưu hóa hàm mục tiêu

và cùng với lý thuyết điều khiển dự báo để tối ưu giá trị [47] MPC có ưu điểm là kháiniệm trực quan, thiết kế đơn giản và phù hợp với đối tượng phi tuyến [48]

MPC lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1960 và được ứng dụng nhiều trongcông nghiệp vào năm 1970 [49] Từ những năm 1980, MPC bắt đầu được ứng dụngtrong điện tử công suất, lúc này do hạn chế về kỹ thuật xử lý nên nó chỉ được ứngdụng cho các hệ thống tần số thấp [23], [50], [51] Về bản chất điều khiển dự báogồm nhiều các phương pháp điều khiển khác nhau có chung một đặc điểm, đó là sử

13

dụng các mô hình toán học của hệ thống để dự đoán hành vi tương lai [52] Việcthực hiện được bộ điều khiển MPC yêu cầu những phức tạp về mặt toán học, đòihỏi năng lực tính toán của bộ vi xử lý phải lớn Trong một thập kỉ trở lại đây, sựphát triển của các bộ vi xử lý với tốc độ cao như DSP, FPGA… đã đáp ứng đượcyêu cầu về độ tính toán lớn của MPC [53], [54] Vì vậy, việc áp dụng MPC cho điện

tử công suất và truyền động điện đã khả thi hơn trong thực tế [55]

Với đối tượng là các bộ biến đổi điện tử công suất, điều khiển dự báo được chialàm 2 loại [55]: Điều khiển Continuous control set- MPC (CCS- MPC): Tính toáncác giá trị điều khiển liên tục để đưa vào bộ điều chế độ rộng xung, từ đó thu đượcđiện áp đầu ra của bộ công suất Ưu điểm của phương pháp này là đưa ra tần sốchuyển mạch định trước, nhưng sẽ tạo ra sự phức tạp khi triển khai thuật toán; Điềukhiển Finite control set- MPC ( FCS- MPC): Dựa trên số lượng trạng thái đóng cắthữu hạn, bộ điều khiển đánh giá trực tiếp từng trạng thái chuyển mạch sao cho đảmbảo mục đích điều khiển mà hệ thống đề ra Cách tiếp cận này cho phép các sơ đồđiều khiển linh hoạt và đơn giản hơn, không cần bộ điều chế độ rộng xung do bộđiều khiển sẽ tính toán ra trạng thái chuyển mạch tối ưu và áp dụng trực tiếp lênmạch lực FCS – MPC có 2 phương pháp điều khiển dự báo đó là điều khiển dự báomomen (PTC) và điều khiển dự báo dòng điện PCC [56], [57] FCS-MPC được ứngdụng thành công trong điện tử công suất, bao gồm bộ biến đổi DC-DC, DC-AC,AC-DC, và AC-AC [58] Đối với hệ thống truyền động điện thì MPC đã được ứngdụng rộng rãi cho máy điện xoay chiều, trong đó là động cơ KĐB-RLS [59] haynhư động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu [60], hay như với động cơ nhiều pha[61], bên cạnh đó MPC có thể sử dụng ở cấu trúc điều khiển không cảm biến [62]

Do đó, FCS – MPC sẽ được lựa chọn để thực hiện trong nghiên cứu này

Việc loại bỏ khâu tổng hợp vector điện áp từ ba vector gần nhất giúp giảm đáng kểthời gian tính toán và độ phức tạp của thuật toán điều khiển, từ đó cải thiện đáp ứngđộng học của hệ thống Tuy nhiên, việc không có khâu điều chế dẫn tới không thựchiện được các mục tiêu khác của điện tử công suất như: Tối ưu common mode, tối ưuđóng cắt, cân bằng điện áp trên tụ,…Vì vậy, nhiệm vụ này phải được thực hiện tronghàm mục tiêu của bộ điều khiển dự báo dòng điện [55], [56] Điện áp commode gây ra

do việc đóng cắt tạo ra vector điện áp các pha có tần số là bội của tần số cơ bản U A 

U B  UC  0 điện áp này gây ra dòng rò trong động cơ Vấn đề

điều chế của bộ biến đổi giảm thiểu điện áp common mode cho nghịch lưu đa mức cấutrúc cầu H nối tầng được trình bày trong [63] Với việc lựa chọn các vector điện áp cócommon module nhỏ nhất để điều chế đã làm giảm CMV của nghịch lưu đa mức Tuynhiên việc điều chế và lựa chọn vector điện áp có CMV với bộ biến đổi có mức cao cònkhó khăn Bên cạnh đó, việc không linh động trong việc thay đổi CMV có thể gây raảnh hưởng đến chất lượng hệ truyền động Để khắc phục nhược

14

điểm này, phương pháp MPC cho phép tối ưu CMV trong hàm mục tiêu bên cạnhcác mục tiêu quan trọng của bộ điều khiển [64], [58] Với phương pháp này điện ápCMV là một đại lượng được điều khiển và được đại diện bởi một thành phần cótrọng số của hàm mục tiêu Việc thay đổi trọng số này sẽ làm cho điện áp CMVthay đổi một cách dễ dàng tuy thuộc yêu cầu của bộ điều khiển Tuy nhiên, cácnghiên cứu hiện có mới chỉ áp dụng cho các nghịch lưu nguồn áp 3 pha thôngthường

Bên cạnh đó, điều khiển MPC đòi hỏi chu kỳ trích mẫu phải đủ nhỏ khoảng

trong quá trình đóng cắt tăng lên Các nghiên cứu [65]–[67] đã thực hiện đưa tần sốđóng cắt là một đại lượng điều khiển và cũng được đại diện bằng một thành phần cótrọng số trong hàm mục tiêu điều khiển Việc thay đổi trọng số này đã làm thay đổi tần

số đóng cắt của bộ biến đổi Tuy nhiên khi tần số đóng cắt giảm cũng làm cho chấtlượng dòng điện, điện áp giảm xuống nên cần lựa chọn trọng số phù hợp mục tiêu điềukhiển và chất lượng của hệ truyền động

Một trong những hạn chế của phương pháp điều khiển MPC là yêu cầu khả năngtính toán lớn của bộ điều khiển Đặc biệt, khi hệ truyền động được cấp nguồn bởinghịch lưu đa mức thì số lượng vector điện áp tăng nhanh theo số mức Do đó, khốilượng tính toán của phương pháp sẽ tăng lên theo số tăng của vector điện áp Tuynhiên, khối lượng tính toán quá lớn có thể không thể thực hiện được do hạn chế tàinguyên của thiết bị điều khiển Bên cạnh đó, việc tính toán khối lượng quá lớn sẽlàm cho thời gian tính toán tăng lên, làm ảnh hưởng đến chất lượng bộ điều khiển

Đã có khá nhiều nghiên cứu về vấn đề giảm số lượng tính toán của phương phápđiều khiển MPC Ở [68] đề xuất phương pháp sử dụng 7 vector điện áp không gianliền kề Bằng việc cố định chỉ lựa chọn 1 trong 7 vector điện áp xung quanh vectorđiện áp ở chu kỳ trước Điều này đã đảm bảo là với bộ biến đổi có mức bất kỳ thì sốlượng tính toán là không đổi Ở [69], [70] lựa chọn 3 vector liền kề từ vector điện

áp dự báo Điều này cũng tạo ra số lượng tính toán cố định với bất kỳ mức nào của

bộ điều khiển Tuy nhiên, việc giảm các lựa chọn vector điện áp của hàm mục tiêu

sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng bộ điều khiển đặc biệt là quá trình quá độ, bêncạnh đó với hàm đa mục tiêu bao gồm sai lệch dòng điện stator, tối ưu commonmode, tối ưu đóng cắt các phương pháp đề xuất là khó khả thi và sẽ làm cho chấtlượng hệ truyền động giảm xuống Do đó, các phương pháp trên mới thử nghiệm

với hàm mục tiêu không có trọng số Phương pháp điều khiển dự báo dòng điện cho nghịch lưu đa mức không dùng khâu điều chế sẽ rất phù hợp cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng do giảm được khối tính toán tương đối phức tạp của khâu điều chế Tuy nhiên, phương pháp này cũng đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán phải nhanh là vấn đề của nghiên cứu đặt ra.

15

Qua các công trình nghiên cứu tại mục 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3 nhận thấy rằng, đối với cấu trúc biến tần đa mức cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ theo nguyên

lý FOC, có thể dùng bộ điều khiển dòng điện (tuyến tính, phi tuyến) cùng với khâu điều chế, hay như bộ điều khiển dự báo dòng điện thì đặt điện áp lên động cơ về biên độ và góc pha theo yêu cầu Tuy nhiên thấy rằng, với các công trình khoa học hiện có chưa đặt ra vấn đề đồng thời triệt tiêu điện áp common mode và tối ưu đóng cắt van bán dẫn Vì vậy, đây là một trong những mục tiêu nghiên cứu của luận án.

1.2.4 Phát hiện và xử lý lỗi của nghịch lưu đa mức khi xảy ra lỗi van công suất

Với việc tăng số mức, khả năng xảy ra lỗi một hoặc nhiều van bán dẫn hoàn toàn

có thể xảy ra [2] Thông thường thiết bị bảo vệ sẽ tác động để ngắt nghịch lưu rakhỏi lưới điện nếu bị lỗi, dẫn đến động cơ dừng làm việc Việc dừng đột ngột động

cơ trong thực tế đôi khi có thể gây ra sự cố nghiêm trọng, ví dụ như hiện tượng búanước trong hệ thống bơm cột áp cao Mặt khác, nếu tiếp tục làm việc trong điềukiện lỗi có thể dẫn đến điện áp đầu ra mất cân bằng gây nguy hiểm cho động cơ nếuchạy liên tục trong một thời gian dài Do đó, kỹ thuật xử lý trong điều kiện xảy ralỗi để duy trì hoạt động chủ động của nghịch lưu là rất quan trọng Để đạt đượcđiều đó, cần thực hiện hai việc: (1) phát hiện vị trí có lỗi; (2) cấu hình lại nghịch lưu

và thay đổi thuật toán điều chế

a Phát hiện lỗi của nghịch lưu đa mức

Đối với lỗi của nghịch lưu đa mức, 38% là do lỗi của van bán dẫn công suất gâynên [3] Lỗi của van bán dẫn công suất được chia làm 2 nhóm chính: hở mạch vàngắn mạch van bán dẫn [71] Việc phát hiện nhanh, chính xác vị trí của lỗi giúpgiảm ảnh hưởng của lỗi đến nghịch lưu và hệ truyền động Do đó, đã có nhiềuphương pháp đề xuất để phát hiện lỗi:

* Phương pháp phân tích phổ của dòng điện đầu ra [72] Phương pháp này dựatrên phân tích THD của dòng điện đầu ra Bằng việc dựa trên sai khác về giá trị THDcủa dòng điện trên các pha, sẽ tìm được cell công suất bị lỗi Với việc đo liên tục vềTHD của dòng điện đầu ra đòi hỏi mạch đo dòng phải chính xác cao, khả năng tínhtoán của phần cứng phải rất nhanh

* Phương pháp dựa vào sai lệch điện áp điều chế và điện áp ra thực tế của cell[73], [74] Bằng việc so sánh giữa sóng sin điều chế và sóng răng cưa, để xác địnhđược xung điều khiển cho các van bán dẫn, điện áp đầu ra theo điều chế của cell côngsuất Lỗi được xác định là khi có sai khác của 2 đại lượng này, sơ đồ khối thể hiện

như Hình 1 7, đây là phương án tương đối đơn giản, dễ thực hiện Tuy nhiên, nghiên

cứu mới chỉ ra phát hiện lỗi cho phương pháp dịch mức sóng mang Do đó,

việc phát triển thuật toán phát hiện lỗi cho phương pháp điều chế vector không gian(SVM) của nghịch lưu đa mức đặc biệt là khi số mức tăng cao là hướng nghiên cứucần thực hiện.

* Phương pháp dùng mạng neural phân loại THD của điện áp đầu ra từ đó pháthiện ra lỗi [75], [76] Tương tự như phương pháp trên phương pháp này cũng đòihỏi phần cứng xử lý mạnh và cơ cấu mạch đo có độ chính xác rất cao Bên cạnh đó,sử

Fault Cell

V dc

Cellx

For selected S j,i

n-Loads Fault detection

prediction observer

Hình 1 8 Sơ đồ khối phát hiện lỗi theo sai lệch dòng điện với dòng dự báo [77].

17

dụng mạng neural đòi hỏi phải có dữ liệu lớn, tuy nhiên khi có bất kỳ sự thay đổi vềcấu hình của cầu H (tăng hoặc giảm số mức) cần có bộ dữ liệu mới.

* Phương pháp dựa vào sai lệch dòng điện dự báo và dòng điện đo được từ đóphát hiện ra lỗi [77], [78] Việc dựa vào mô hình đối tượng, tác giả đã dự báo dòng

điện ở thời điểm i(k+1) Sự sai khác của tính hiệu dự báo i(k+1) và dòng điện đo được

ở i(k+1) sẽ so sánh bước thay đổi của dòng Lỗi của nghịch lưu được xác định khi sự

sai khác này lớn hơn giá trị ngưỡng đặt trước, sơ đồ khối thể hiện như Hình

2. 8 Với phương pháp này đã mang lại hiệu quả khi không phải dùng thêm các thiết

bị phụ trợ trong việc phát hiện lỗi Tuy nhiên, phương pháp này cũng đòi hỏi mạch đochính xác rất cao để có thể phát hiện lỗi chính xác Bên cạnh đó, phương pháp cũngđòi hỏi phải có mô hình chính xác cao, thời gian tính toán nhanh

Luận án này sẽ đề xuất một phương án chẩn đoán lỗi hở mạch van bán dẫn côngsuất dựa trên việc so sánh sự tương ứng giữa điện áp đầu ra cell công suất thực tế vàđiện áp đầu ra cell công suất theo tín hiệu điều khiển Khi có sự sai khác bất thườngxảy ra, cell công suất được xác định là có lỗi và bị loại bỏ bằng phần mềm và phầncứng trong thời gian nhỏ nhất có thể, dễ dàng thực hiện, mạch đo điện áp không yêucầu về độ chính xác quá cao Việc mô phỏng và thực nghiệm thuật toán đề xuất sẽchứng minh được tính đúng đắn thuật toán

b Xử lý lỗi

Sau khi đã phát hiện được lỗi, cell công suất bị lỗi sẽ được loại bỏ thông quathiết bị đóng cắt Sau đó, sẽ áp dụng thuật toán điều chế trong trường hợp bị lỗi Đã

có khá nhiều nghiên cứu về về việc khắc phục lỗi trong bộ nghịch lưu

Hình 1 9 Hình ảnh mô tả phương pháp “bypass cell” [47]

18

Hình 1 10 Hình ảnh mô tả phương pháp dịch điểm trung tính [79], [41]

* Phương pháp “bypass cell” chứa van bán dẫn bị lỗi được đề xuất ở tài liệu [80].Phương pháp này tương đối đơn giản, dễ thực hiện, tạo ra điện áp cân bằng giữa các pha.Bằng cách thực hiện “bypass cell” bị lỗi và các cell không bị lỗi ở các pha tương ứng đểđảm bảo dòng điện, điện áp các pha là cân bằng Do các cell không bị lỗi ở các pha tươngứng cũng sẽ bị loại bỏ dẫn đến điện áp đầu ra bị suy giảm lớn

Sơ đồ nguyên lý thể hiện như Hình 1 9.

19

c) d)

Hình 1 11 Ảnh hưởng của vector điện áp ra khi mạch nghịch lưu xảy ra lỗi

(a) Dạng vector điện áp ra khi cell HA1 bị lỗi (b) Dạng vector điện áp ra khi cell HB1 bị lỗi (c) Dạng vector điện áp ra khi cell HA1, HB1 bị lỗi (d) Dạng vector

điện áp ra khi cell HA1, HB1, HC1 bị lỗi.

* Để khắc phục nhược điểm của phương pháp “bypass cell”, phương pháp dịchđiểm trung tính đã được đề xuất ở tài liệu [79], [41] Với phương pháp này, chỉ celllỗi bị loại bỏ dẫn đến điện áp ra thường lớn hơn so với phương pháp “bypass cell” Sơ

đồ nguyên lý dịch điểm trung tính thể hiện như Hình 1 10.

* Kỹ thuật điều chế vector không gian để xử lý lỗi được đề xuất ở [81] Bằngviệc xác định vùng ảnh hưởng của không gian vector điện áp khi xảy ra lỗi của cell

công suất trên các pha như Hình 1 11, vector điện áp không bị lỗi là hình tròn, vector

điện áp lỗi thể hiện là hình tam giác Nghiên cứu đã chỉ ra được điện áp lớn nhất mànghịch lưu đa mức có thể tạo ra mà vẫn đảm bảo các điều kiện về cân bằng

điện áp, dòng điện Phương pháp này mang lại hiệu quả tương đương với phươngpháp dịch điểm trung tính Tuy nhiên, cả hai phương pháp trên đều khá phức tạp,

đặc biệt là khi số mức tăng cao Chính vì vậy, đa số các nghiên cứu chỉ xác định chonghịch lưu với số mức hữu hạn Đồng thời cách lựa chọn tổ hợp trạng thái đóng cắtlàm xuất hiện điện áp common - mode lớn, gây ảnh hưởng xấu khi vận hành lâu dài

Điện áp common mode (CMV) là hiệu điện thế giữa điểm trung tính của tải và bộbiến đổi CMV có những tác động xấu khi vận hành hệ thống, đặc biệt khi phụ tải làđộng cơ CMV là một trong các nguyên nhân chính làm giảm tuổi thọ của các loạiđộng cơ Đã có các phương án sử dụng bộ lọc tích cực hoặc thụ động làm giảmCMV [82], nhưng làm tăng kích thước và giá thành của hệ thống

Nhận thấy nhược điểm của các phương pháp đã được nghiên cứu, luận án đề xuất thuật toán phát hiện lỗi van bán dẫn và xử lý hệ thống khi có lỗi hở mạch van.

Trong đó, việc phát hiện lỗi dựa trên sự sai khác bất thường giữa điện áp thực tế và tín hiệu điều khiển cầu H đảm bảo nhanh, chính xác, đơn giản Việc xử lý lỗi của hệ thống khi có lỗi van bằng cách cấu hình lại hệ thống sau đó ứng dụng thuật toán tổng quát hóa điều chế SVM trong điều kiện tối ưu điện áp common mode để loại

bỏ vùng không gian điện áp lỗi gọi là thuật toán SVM cải tiến.

1.3 Định hướng nghiên cứu và dự kiến đóng góp của luận án

Với đối tượng nghiên cứu là nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng, luận ántập trung nghiên cứu về phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu

H nối tầng trong điều kiện bình thường và khi xảy ra lỗi van bán dẫn; phát hiện và

xử lý nghịch lưu khi xảy ra lỗi của van bán dẫn; thiết kế bộ điều kiện dự báo chonghịch lưu đa mức với các kết quả và dự kiến đóng góp cho luận án cụ thể như sau:

- Đề xuất thuật toán tổng quát hóa phương pháp điều chế vector không gian: đơngiản hóa điều chế; giảm thời gian tính toán, khối lượng tính toán khi xây dựngphương pháp điều chế; dễ dàng cho tính toán, thiết kế hệ thống sử dụng nghịch lưu đamức điều chế vector không gian

- Đề xuất thuật toán phát hiện lỗi và xử lý lỗi của nghịch lưu đa mức khi xảy ralỗi van bán dẫn: giảm ảnh hưởng của lỗi thông qua việc phát hiện nhanh, chính xáclỗi; duy trì hoạt động hoặc dừng chủ động của nghịch lưu bằng việc cấu hình lại vàthay đổi điều chế SVM để mức suy giảm điện áp là nhỏ nhất, chất lượng dòng điện,điện áp đảm bảo

- Đề xuất thuật toán sử dụng 19 vector liền kề với các phép tính song song trênFPGA: chỉ thực thực hiện 19 lượt tính toán với số mức bất kỳ của nghịch lưu; giảmthời gian tính toán do các phép tính được thực hiện song song (tương đương một lượttính toán) trong FCS – MPC

- Đề xuất hàm mục tiêu điều khiển với các chỉ tiêu: Tối ưu sai lệch dòng điện, triệt tiêu điện áp common mode, giảm tần số đóng cắt của van bán dẫn

- Xây dựng mô hình thực nghiệm của nghịch lưu 3 pha 11 mức cấu trúc cầu H nối tầng và tiến hành các thực nghiệm cần thiết

21

nguồn bởi nghịch lưu đa mức theo nguyên lý FOC Các kết quả nghiên cứu đượcchứng minh bởi mô phỏng Matlab/Simulink Vấn đề này sẽ được trình bày cụ thểtại chương 2.

- Ứng dụng điều khiển dự báo dòng điện có kết hợp ba thành phần trong hàmmục tiêu cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến sự cố van bán dẫn cấpnguồn cho hệ truyền động không đồng bộ theo nguyên lý FOC Các kết quả nghiêncứu được chứng minh bởi mô phỏng Matlab/Simulink Vấn đề này sẽ được thể hiệnchi tiết tại chương 3

- Kiểm chứng tính đúng đắn lý thuyết của chương 2 và chương 3 thông qua thực nghiệm Các kết quả thực nghiệm được trình bày tại chương 4

22

Chương 2 Điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng dựa trên điều chế vector không gian

Thiết kế phương pháp điều chế vector không gian (SVM) là khâu quan trọng của

hệ truyền động FOC – IM được cấp nguồn bởi nghịch lưu đa mức Khâu SVMcùng với nghịch lưu đa mức sẽ đặt điện áp lên cực động cơ theo yêu cầu của bộđiều khiển dòng điện Bên cạnh đó, đối với nghịch lưu đa mức khâu điều chế SVMcòn cần giải quyết nhiệm vụ tối ưu tần số đóng cắt van bán dẫn, tối ưu điện ápcommon mode…Đặc biệt với việc tăng số mức, khả năng xảy ra lỗi một hoặc nhiềuvan bán dẫn hoàn toàn có thể xảy ra Nên khâu điều chế này cũng cần được thiết kế

để có thể làm việc trong trường hợp có lỗi của van bán dẫn Vì vậy, chương 2 sẽtrình bày phương pháp thực hiện điều chế SVM một cách đồng nhất, cho nghịchlưu đa mức cầu H nối tầng đến mức mong muốn có xét đến tối ưu đóng cắt, tối ưuđiện áp common mode, lỗi van bán dẫn Ngoài ra, chương 2 cũng áp dụng thuậttoán SVM cho nghịch lưu đa mức khi có lỗi van bán dẫn cấp nguồn cho hệ truyềnđộng FOC - IM để kiểm chứng và đánh giá

2.1 Điều khiển nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng có xét đến lỗi van bán dẫn cấp nguồn cho hệ truyền động theo nguyên lý FOC

2.1.1 Cấu trúc của hệ truyền động

Cấu trúc điều khiển biến tần đa mức cầu H nối tầng có xét đến tình huống sự cốvan bán dẫn, cấp nguồn cho hệ truyền động không đồng bộ theo nguyên lý FOC thể

hiện như Hình 2 1.

Ta thấy rằng, với hệ truyền động điều khiển vector làm việc theo nguyên lý điềukhiển FOC, cấu trúc điều khiển được xây dựng theo kiểu phân tầng với mạch vòngngoài gồm các khối chính: khối DTT, khối dẫn từ thông, từ thông quyết định bởi tốc độđặt * , trong vùng tốc độ danh định [  N ,N ], từ thông không đổi Với giới hạnyêu cầu là điều khiển động cơ trong dải tốc độ danh định từ thông quy đổi được đặtbằng một giá trị không đổi nhằm tối ưu momen quay rd'  IsdN ; Khối điều khiển từthông R , đầu vào là sai lệch từ thông roto đặt và giá trị thực tính toán, có nhiệm vụ giữcho từ thông bám theo giá trị đặt; khối điều khiển tốc độ R , đầu vào là sai lệch của giátrị đặt vận tốc góc * và giá trị vận tốc đo được  , đầu ra là giá trị đặt i sq* Mạch

vòng trong là khối điều khiển dòng điện R i, khử đan kênh và áp đặt nhanh 2 dòng i sd và

i sq , đầu ra của bộ điều khiển là u sd ,u sq có nhiệm vụ điều khiển

23

từ thông rotor và momen quay Hai thành phần điện áp này thông qua khối chuyểntọa độ thành điện áp trên hệ trục tọa độ cố định u s ,u s Điện áp này được đặt lêncực của động cơ thông qua khâu điều chế vector không gian để tạo xung điều khiểncho nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng Khâu điều chế vector không gian sẽ

có nhiệm vụ tính toán thời gian đóng cắt các van bán dẫn của nghịch lưu đa mứccấu trúc cầu H nối tầng để tạo ra điện áp với biên độ, góc pha và tần số mà bộ điềukhiển đòi hỏi Như vậy, nguyên lý điều khiển FOC tạo ra một công cụ cho phépnhìn nhận các động cơ xoay chiều ba pha có bản chất vật lý tương đương với động

cơ một chiều kích từ độc lập, nhờ vậy kế thừa được các thành tựu của truyền độngđiện một chiều

Như vậy, theo nguyên lý điều khiển FOC của hệ truyền động không đồng bộ cấpnguồn bởi biến tần đa mức đã tách được hai thành phần tạo lượng đặt từ thông vàmomen Thông qua bộ điều khiển dòng điện, khâu điều chế vector không gian vànghịch lưu đa mức cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ và là những khâu quan trọng

để đảm bảo chất lượng của hệ truyền động Đối với bộ điều khiển dòng điện đã cónhiều phương pháp điều khiển đã được đề xuất: tuyến tính, phi tuyến…đáp ứng tốt yêucầu Do đó, trong chương này sẽ kế thừa phương pháp điều khiển đã có để tập trungvào vấn đề điều chế cho nghịch lưu đa mức trong trường hợp có sự cố van bán dẫn vàcác yêu cầu của nghịch lưu đa mức là tối ưu tần số chuyển mạch van bán dẫn, tối ưuđiện áp common mode Cấu trúc nghịch lưu đa mức, với việc sử dụng nhiều van bándẫn hơn để nâng cao số mức của điện áp đầu ra thì khả năng xảy ra lỗi một hoặc đồngthời nhiều van bán dẫn là hoàn toàn có thể xảy ra Do đó, để góp phần nâng cao độ tincậy cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng cần phải phát hiện cầu H khi lỗi xảy ra sau

đó tái cấu trúc lại và thực hiện điều chế lại với cấu trúc này Việc thiết kế khâu pháthiện lỗi cần đảm bảo nhanh, chính xác để giảm thiểu ảnh hưởng của lỗi đến hệ truyềnđộng Tuy thuộc vào phương pháp điều chế trong trường hợp lỗi mà việc tái cấu trúc

này là khác nhau đã trình bày ở Mục 1.2.4 Việc điều chế SVM với với nghịch lưu đa

mức đã được tái cấu trúc nhận thấy rằng, các nghiên cứu đã có khó khăn trong việckhái quát hóa, độ giảm điện áp lớn Do đó, nghiên cứu này sẽ trình bày phương phápđiều chế SVM cải tiến được thực hiện một cách thống nhất có thể thực hiện với nghịchlưu đến mức mong muốn kể cả khi lỗi van bán dẫn, đồng thời đảm bảo chất lượng điện

áp ra, với độ sụt giảm của điện áp là nhỏ nhất Bên cạnh đó, thuật toán SVM đề xuấtcũng sẽ được xây dựng để có thể áp dụng một trong hai yêu cầu tối ưu điện ápcommon mode, tối ưu tần số đóng cắt… là vấn đề rất quan trọng đặt ra từ đó góp phầnnâng cao độ tin cậy cho nghịch

24

α β

i sd i s β

α β

a b c

V out

Phát

lỗi

hiện lỗi

lỗi ce

S V M c ả i ti ế n

Hình 2 1 Cấu trúc điều khiển FOC cho IM cấp nguồn bởi nghịch lưu đa mức có xét đến tình huống sự cố hở mạch van bán dẫn

25

2.1.2 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Theo [83], ta có hệ phương trình mô tả động cơ KĐB trên hệ trục tọa độ  ,  :

Trong trường hợp xảy ra lỗi van bán dẫn:

Ta biết rằng, khi có lỗi để hệ thống tiếp tục làm việc cần: phát hiện lỗi, tái cấutrúc lại hệ thống, thực hiện điều chế với cấu trúc mới Đối với hệ truyền động, khixảy ra lỗi của van bán dẫn điện áp đầu ra của nghịch lưu đa mức sẽ thay đổi (giảm

26

xuống) Như vậy, để hệ truyền động tiếp tục làm việc an toàn hoặc dừng chủ độngcần phải thay đổi lại lượng đặt cho động cơ Căn cứ vào điều kiện năng lực quá tảikhông đổi và bỏ qua điện trở stator, ta có mối liên hệ sau:

Với U S , M , là điện áp, momen và tốc độ động cơ khi tần số nguồn cấp làfS

U ' S , M ',  ' là điện áp và momen và tốc độ động cơ khi tần số nguồn cấp là f

'S

Như vậy với điện áp tối đa mà nghịch lưu có thể điều chế ở (2.6) thì tốc độ tối đa

mà động cơ có thể đạt được đối với tải quạt gió ( M

2.2 Phương pháp phát hiện sự cố hở mạch van bán dẫn

Để tiếp tục vận hành nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng như Hình 2 2 khi có sự

cố hở mạch van, cần thực hiện: phát hiện ra vị trí có lỗi; loại bỏ cầu H hỏi hệ thống;

sử dụng phương pháp điều ch ế SVM cải tiến trong trường hợp lỗi Trong nội dungnày sẽ trình bày về phương pháp phát hiện nhanh cầu H bị lỗi

HA 2

HA 1

Phương pháp phát hiện lỗi đề xuất sẽ phát hiện vị trí có lỗi dựa trên sự bất thườngcủa điện áp đầu ra ở cầu H Điện áp đầu ra của cầu H được đo về, chuẩn hóa 27

rồi so sánh với tín hiệu điều khiển tương ứng của cầu đó Hai tín hiệu này sẽ đượcquan sát, khi có sai lệch bất thường vượt qua những điều kiện cho trước, cầu H bịcoi là có lỗi và cần loại bỏ khỏi hệ thống để duy trì tính ổn định.

Fault signal

yes

>CT1

Hình 2 3 Sơ đồ khối phương pháp phát hiện

Hình 2 3 thể hiện sơ đồ khối của phương pháp phát hiện lỗi hở mạch của

CHB-MLI Điện áp thực đầu ra V out_cell_i của cầu H thứ i được đo về để chuẩn hóa Tín hiệu

đầu ra sau chuẩn hóa V c_cellx được so sánh với tín hiệu điều khiển KH cellx (mức điện áptrên cầu theo như điều chế) của cầu H đó Khi theo dõi 2 tín hiệu, nếu có sự vượt qua

những điều kiện của 2 bộ đếm T1 và T2, fault signal được đặt bằng 1, cầu

H đó được coi là có lỗi và bị loại bỏ

+V dc

-V dc

1 0 1 0 1 0 -1

Hình 2 4 Mối quan hệ giữa tín hiệu KH cellx , V out_cellx ,trạng thái đóng

cắt van và V c_cellx của cầu H thứ x.

Hình 2 4 và Bảng 2 1 thể hiện mối quan hệ giữa tín hiệu điều khiển KH cellx,

điện áp đầu ra V out_cellx , tín hiệu đóng mở van và điện áp sau chuẩn hóa V c_cellx của

cầu H thứ x trong trường hợp bình thường (không có sự cố) Bên cạnh đó, sẽ có

nhiều cách phối hợp của cầu H đơn trên mỗi pha để tạo ra cùng một mức điện áp

Tuy nhiên, với phạm vi của luận án việc phối hợp mức này được thực hiện như

Bảng 3.1.

Điện áp đầu ra Vout_cellx của cầu H thứ x được đo về, đi qua comparator rồi so

sánh với một ngưỡng TH cho trước và chuẩn hóa thành tín hiệu Vc_cellx có giá trị

1,0,-1 tương ứng

Vout _ cellx  TH  Vc _ cellx  1

TH  Vout _ cellx  TH  Vc _ cellx  0

29