Đề xuất phương pháp điều khiển dự báo dòng điện cải tiến cho nghịch lưu đa mức cầu h nối tầng

TẠP CHÍ KHOA HỌTCẠVPÀCCHƠÍNKGHNOGAHHỆỌC VÀ CƠNG NGHỆ JOURNALMOaFi VSăCnIECNhuCnEgAvNàDPThEùCnHgNTiOếnLODGuYy
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG HUNG VUONG UNIVERSITY
Tập 30, Số 1 (2023): 90 - 100
Email: Vol. 30, No. 1 (2023): 90 - 100
Website: www.jst.hvu.edu.vn

ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO DÒNG ĐIỆN CẢI TIẾN
CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG

Mai Văn Chung1,2*, Phùng Tiến Duy1,2
1Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Hùng Vương, Phú Thọ
2Nhóm nghiên cứu Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Hùng Vương, Phú Thọ

Ngày nhận bài: 10/5/2022; Ngày chỉnh sửa: 03/6/2022; Ngày duyệt đăng: 06/7/2022

Tóm tắt

Phương pháp điều khiển FCS - MPC với nguyên tắc xét đến tất cả các vector điện áp, để tìm ra vector điện áp
tối ưu cho biến tần đa mức, trong một chu kỳ trích mẫu rất nhỏ là khó khả thi. Bên cạnh đó, với việc khơng
có khâu điều chế, việc tối ưu common-mode voltage, tối ưu đóng cắt, cân bằng điện áp trên tụ của biến tần đa
mức cần được thực hiện trong hàm mục tiêu. Để giải quyết vấn đề trên, bài báo đề xuất phương pháp lựa chọn
19 vector điện áp với bộ điều khiển dự báo dòng điện có trọng số để đảm bảo triệt tiêu điện áp common-mode
và tối ưu đóng cắt. Bằng việc sử dụng vector điện áp ở chu kỳ trước và 18 vector liền kề với nó để tìm ra vector
điện áp có sai lệch dịng điện nhỏ nhất thơng qua hàm mục tiêu. Như vậy, biến tần với mức bất kỳ, hàm mục
tiêu cũng sẽ thực hiện 19 lượt tính tốn trong một chu kỳ trích mẫu. Việc thực hiện tính tốn được thực hiện
trên kit FPGA cho phép thực hiện 19 phép tính của hàm mục tiêu song song, do đó thời gian thực hiện tính tốn
là nhỏ nhất. Tính đúng đắn của thuật tốn đề xuất được kiểm nghiệm bởi mơ phỏng trên phần mềm MATLAB-
Simulink áp dụng với bộ nghịch lưu cầu H nối tầng 11 mức.

Từ khóa: Điều khiển dự báo dòng điện (FCS - MPC), nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng, điện áp common-
mode (CMV), điều khiển dự báo giảm khối lượng tính tốn.

1. Đặt vấn đề trong công nghiệp [2]. Để tiếp tục cải thiện về
động học của phương pháp điều khiển FOC, các
Hiện nay, hệ thống truyền động trung áp ngày phương pháp mới về thiết kế bộ điều khiển dòng
càng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và điện đã được nghiên cứu: Phương pháp dùng
giao thông vận tải. Hệ thống này động cơ thường mạng nơ ron, điều khiển mờ, MPC đang được
điều khiển theo phương pháp vector và được cấp nghiên cứu và phát triển [3]. Trong đó, Phương
nguồn bởi nghịch lưu đa mức. Qua cấu trúc điều pháp MPC với một số ưu điểm như: Trực quan
khiển này, nhận thấy rằng ngoài các bộ điều khiển khi tiếp cận, là bộ điều khiển đa biến MIMO
momen, tốc độ và vị trí thì điều khiển nghịch lưu đa nhiều đầu vào đầu ra, có khả năng làm việc với
mức cũng đóng vai trị quan trọng trong việc đảm hệ phi tuyến trên miền thời gian, đáp ứng động
bảo chất lượng truyền động điện. Bởi vì bộ nghịch học nhanh, hàm mục tiêu giúp chiến lược điều
lưu đa mức giúp cho quá trình sử dụng linh kiện khiển trở nên linh hoạt trong việc lựa chọn đối
bán dẫn với kích thước nhỏ hơn, dễ dàng trong quá tượng điều khiển và bổ sung các ràng buộc. Do
trình thiết kế nhiệt của thiết bị, đưa ra dạng điện áp đó, phương pháp MPC đã nổi lên là phương pháp
đầu ra có độ méo sóng hài (THD) thấp và tốc độ điều khiển thay thế đầy tiềm năng trong điện tử
biến thiên điện áp dv/dt thấp [1]. công suất và truyền động điện [4, 5]. Việc loại
bỏ khâu điều chế độ rộng xung giúp giảm đáng
Trong các phương pháp điều khiển, FOC vẫn kể thời gian tính tốn, độ phức tạp của thuật toán
được coi là phương pháp điều khiển tiêu chuẩn

90 *Email:

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Tập 30, Số 1 (2023): 90-100

điều khiển từ đó cải thiện đáp ứng động học của vector liền kề từ vector điện áp dự báo. Điều này
hệ thống. Tuy nhiên, do khơng có khâu điều chế cũng tạo ra số lượng tính tốn cố định với bất kỳ
nên việc khơng thực hiện được các mục tiêu của mức nào của bộ điều khiển. Tuy nhiên, việc giảm
điện tử cơng suất đó là: Tối ưu common-mode, các lựa chọn vector điện áp của hàm mục tiêu sẽ
tối ưu đóng cắt, cân bằng điện áp... Do đó, việc làm ảnh hưởng đến chất lượng bộ điều khiển đặc

thực hiện nhiệm vụ này phải được thực hiện biệt là quá trình quá độ, bên cạnh đó với hàm đa
trong hàm mục tiêu [6, 7]. mục tiêu bao gồm sai lệch dòng điện stator, tối
ưu common-mode, tối ưu đóng cắt các phương
Một trong những hạn chế của phương pháp pháp đề xuất là khó khả thi và sẽ làm cho chất
điều khiển MPC là u cầu khả năng tính tốn lượng hệ truyền động giảm xuống. Do đó, các
lớn của bộ điều khiển. Đặc biệt, khi hệ truyền phương pháp trên mới thử nghiệm với hàm mục
động được cấp nguồn bởi biến tần đa mức thì số tiêu khơng có trọng số.
lượng vector điện áp tăng nhanh theo số mức.
Do đó, khối lượng tính tốn của phương pháp Vì vậy, trong nghiên cứu này tác giả sẽ đề
sẽ tăng lên theo số tăng của vector điện áp. Tuy xuất phương pháp FCS - MPC cải tiến cho động
nhiên, khối lượng tính tốn q lớn có thể khơng cơ IM cấp nguồn bởi CHB: tối ưu sai lệch dòng
thể thực hiện được do hạn chế tài nguyên của điện stator, tối ưu (triệt tiêu) điện áp common-
thiết bị điều khiển. Bên cạnh đó, việc tính tốn mode, giảm số lần tính tốn của hàm mục tiêu
khối lượng q lớn sẽ làm cho thời gian tính tốn (sử dụng 19 vector điện áp) mà không tăng thời
tăng lên, làm ảnh hưởng đến chất lượng bộ điều gian tính tốn so với những thuật tốn đã đề xuất;
khiển. Đã có khá nhiều nghiên cứu về vấn đề giảm tần số đóng cắt.
giảm số lượng tính tốn của phương pháp điều
khiển MPC. Ở đề xuất phương pháp sử dụng 7 2. Nội dung, phương pháp
vector điện áp không gian liền kề. Bằng việc cố nghiên cứu
định chỉ lựa chọn 1 trong 7 vector điện áp xung
quanh vector điện áp ở chu kỳ trước. Điều này đã 2.1. Thiết kế bộ điều khiển dự báo dịng điện
đảm bảo là với bộ biến đổi có mức bất kỳ thì số
lượng tính tốn là khơng đổi. Ở [9, 10] lựa chọn 3 Hệ phương trình mơ tả đầy đủ hệ thống điện
của động cơ KĐB trên hệ tọa độ stator:

­° disD § 1 1V · 1V / 1V / 1
° dt ă  á isD  \ rD  Z\ rE  usD
â VTs VTr ạ VTr V V Ls

° disE § 1 1 V · 1 V / 1 V / 1°

ă  á isE  Z\ rD  \ rE  usE
dt â VTs VTr ạ V V Tr V Ls (1)
®/
° d\ rD 1 1/
° dt isD  \ rD  Z\ rE/

° Tr Tr

° d\ / E 1 / 1/
r isE  Z\ rD  \ rE
°
¯ dt Tr Tr

Trong đó:

Lm: Hỗ cảm giữa rotor và stator Lr = Lm + Lσr: Điện cảm rotor
Lσs: Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
Lσr: Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor Ts = Ls : Hằng số thời gian stator
Ls = Lm + Lσs: Điện cảm stator
Rs

Tr = Lr : Hằng số thời gian rotor

Rr

V 1 L2m : Hệ số tiêu tán tổng

Ls Lr

91

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Mai Văn Chung và Phùng Tiến Duy

Tiến hành rời rạc hóa các phương trình (1) Thu được phương trình dự báo dịng điện
bằng cách lấy xấp xỉ tín hiệu: stator is và từ thông rotor ψr ở thời điểm k+1:

dx | x  k 1
 x k
(2) Hệ phương trình (3), (4) là mơ hình rời rạc
dt T của dòng điện stator, đây là phương trình dự báo
dòng điện stator của động cơ ở thời điểm t(k+1).

­ § T 1V · 1V / 1V / 1
°isD k 1
ă1  T á isD k
 T \ rD k
 T Z\ rE k
 T usD k 1

° â VTs VTr ạ V Tr V V Ls

đ Đ T 1V · 1V / 1V / 1 (3)
°isE k 1
ă1  T á isE k
 T Z\ rD k
 T \ rE k
 T usE k 1

¯ â VTs VTr ạ V V Tr V Ls

°­\ rD/ k 1
T § T· /
isD k
 ă1 á\ rD k
 ZT\ rE k
/
°
® Tr â Tr ạ (4)

°°\ r/E k 1
T § 1· / Từ đây ta có thể đưa ra hàm mục tiêu của bộ điều
isE k
 ZT\ rD k
 ă1 á\ rE k
/ khiển dự báo dịng điện như phương trình (5).
¯
Tr â Tr ạ

Nhỡn vo phng trỡnh d bỏo ta thấy rằng giá trị

dòng điện dự báo iab(k+1) phụ thuộc vào giá trị

dòng điện đo về và giá trị vector điện áp u(k+1).

g0 iD* >k @  iD >k 1@
 2 iE* >k @  iE >k 1@
2 (5)

Hàm mục tiêu (5) sẽ được thực hiện cho từng Hình 1. Minh họa vector chuẩn có mức trạng thái
vector điện áp có thể có của hệ thống (n3 vector có CMV=0 của nghịch lưu 5 mức cấu trúc cầu H

điện áp với n là số mức của bộ nghịch lưu).
Nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng có tổng cộng nối tầng
1.331 vector điện áp chuẩn. Do đó (5) sẽ được xác định theo phương trình (6). Như đã đề cập
thực hiện 1.331 lần trong mỗi chu kỳ trích mẫu. trong [1, 11, 12] điện áp này gây ra ảnh hưởng
Vector điện áp khiến cho hàm mục tiêu đạt cực xấu tới hoạt động của thiết bị. Do đó, vấn đề
tiểu thì sẽ được lựa chọn để đưa vào điều chế cho triệt tiêu điện áp common-mode là rất quan
bộ nghịch lưu. Sau đó, tùy theo cách chọn cầu H trọng, đặc biệt trong các các hệ thống điện áp
tham gia điều chế để quyết định trạng thái đóng cao và công suất lớn.
cắt của các van, sao cho vector điện áp đầu ra đạt
được như đã lựa chọn bên trên.

Từ những phân tích trên thấy rằng, với bộ điều
khiển dự báo dịng điện thơng thường và hàm mục
tiêu ở (5) chưa giải quyết được vấn đề đặt ra của
nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng là triệt tiêu điện áp
common-mode, tối ưu tần số đóng cắt. Bên cạnh đó,
khối lượng tính tốn q lớn khi thiết kế với nghịch
lưu mức cao sẽ làm cho thời gian tính tốn tăng lên
qua đó ảnh hưởng chất lượng bộ điều khiển.

2.2. Triệt tiêu điện áp common-mode

Điện áp common-mode được định nghĩa là
chênh lệch điện thế giữa điểm trung tính của
tải và điểm trung tính của bộ nghịch lưu, được

92