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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
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 MẶT TRỜI

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 8520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG
HÓA

Đà Nẵng – Năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Kim Ánh

Phản biện 1: TS. Giáp Quang Huy
Phản biện 2: TS. Nguyễn Khánh Quang

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa họp tại Trường Đại học Bách khoa vào
ngày 18 tháng 01 năm 2020.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, với tình hình dân số và khoa học kỹ thuật phát
triển không ngừng, nhu cầu về điện ngày càng tăng và trở thành yếu
tố không thể thiếu trong cuộc sống. Để đáp ứng nhu cầu dùng điện,
ngoài việc khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng
truyền thống như thủy điện và nhiệt điện thì việc khai thác và đưa
vào sử dụng các dạng năng lượng tái tạo (như năng lượng mặt trời,
gió,…) ngày càng nhận được sự quan tâm rất lớn trên toàn thế giới vì
những lợi ích như nguồn năng lượng sẵn có, vô tận và là nguồn năng
lượng sạch không gây hại cho môi trường. Trong đó, các bộ biến đổi
công suất từ dạng điện áp một chiều (DC) sang xoay chiều (AC)
đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, nhất là
trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV).
Trong những năm gần đây, bộ nghịch lưu nguồn Z (ZSI)
được xem như là giải pháp hữu ích nhờ các lợi ích như có khả năng
nâng cao điện áp một chiều đầu vào và khắc phục được nhược điểm
hiện tượng ngắn mạch xảy ra trong các khóa bán dẫn. Bằng cách cải
tiến cấu trúc ZSI, bộ nghịch lưu qZSI được dự kiến sẽ phù hợp cho
các ứng dụng hệ thống PV do khả năng đạt được dòng điện đầu vào
liên tục và giảm điện đặt trên tụ điện. 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 nay đối
với hệ phi tuyến, phương pháp điều khiển dự báo theo mô hình (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.


2
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. 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 các tài liệu về nghịch lưu nguồn qZ và 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.

3
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
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.

4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. Cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời
1.2. Giới thiệu pin mặt trời
1.2.1. Đặc tính làm việc của pin mặt trời
1.2.2. Cách ghép nối các tấm pin mặt trời
1.3. Các bộ biến đổi trong hệ thống pin năng lượng mặt trời
1.3.1. Bộ biến đổi DC/DC
1.3.2. Bộ biến đổi DC/AC
1.4. Phương pháp tìm điểm làm việc công suất cực đại (MPPT)
1.5. Kết luận


5
CHƯƠNG 2
NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ
2.1. Giới thiệu nghịch lưu
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 đã cải thiện được các hạn chế
của ZSI, 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. 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
Trong qZSI có xuất hiện hai trạng thái chính, trạng thái
“ngắn mạch” (Shoot-through) và “không ngắn mạch” (non-Shootthrough).


6

iinv

(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. qZSI gồm 8 trạng thái vector đã biết trong VSI (6
vector tích cực v1 ÷ v6 và 2 vector v0, v7 – 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 chuyển mạch được tạo bởi qZSI được đưa ra dưới
dạng Bảng 2.3.
Bảng 2.3: Bảng trạng thái chuyển mạch được tạo ra bởi qZSI
Trạng thái
Điện áp ngõ ra
S1 S3 S5 S4 S6 S2
hoạt động

nghịch lưu
v0  0

Trạng thái
“không
ngắn mạch”

2
v1  Vdc
3
1
v2  (1  j 3 )Vdc
3
1
v3  (1  j 3 )Vdc
3
2
v4   Vdc
3
1
v5  (1  j 3 )Vdc
3

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

0

0

0

0

1

1

1

0


7

Trạng thái
“ngắn mạch”

1
v6  (1  j 3 )Vdc
3

1

0

1

0

1

0

v7  0

1

1

1

1

1

1

Do qZSI hoạt động ở các trạng thái khác nhau, liên kết mô
hình sẽ được dẫn xuất riêng. Để đơn giản hóa mô hình hóa và để dễ
dàng tính toán, các biến có thể được biểu thị trong hệ thống mặt
phẳng tọa độ tĩnh (αβ) thay vì hệ thống ba pha (abc).
Khoảng thời gian “ngắn mạch” được xác định là T0, khoảng
thời gian “không ngắn mạch” được xác định là T1 và thời gian chuyển
đổi van nghịch lưu là Ts, trong đó: Ts = T0 + T1. Khi qZSI ở trạng thái
“ngắn mạch” với thời gian T0 được xác định từ chu kỳ chuyển đổi Ts,
sử dụng Kirchoff có được các phương trình sau:
 diL1
 vC1
 L1
dt
 dv
C1 C1  iL
1

dt

(2.3)

Khi qZSI làm việc ở trạng thái “không ngắn mạch” trong
khoảng thời gian T1 của chu kỳ chuyển đổi Ts, có được các phương
trình sau:
 diL1
L
 Vin  vC1

 1 dt
 dv
C1 C1  iL  iinv
1

dt


(2.4)

Dòng điện đầu vào của mạch nghịch lưu iinv được xác định
bởi dòng điện tải và trạng thái chuyển mạch của nghịch lưu như sau:
iinv  Saia  Sbib  Scic

(2.5)

2.4. Giới thiệu phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ
2.5. Kết luận


8

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
3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu
nguồn qZ
Phần này đề xuất giải thuật điều khiển dự báo Finite control
set Model Predictive Control (FCS-MPC) cho nghịch lưu nguồn qZ
của hệ thống pin năng lượng mặt trời. Mô hình động học của qZSI
được sử dụng để dự báo đáp ứng của dòng điện của tải, của cuộn cảm
và điện áp trên tụ điện trong hai trường hợp ngắn mạch (Shootthrough) và không ngắn mạch (non-Shoot-through) của bộ nghịch
lưu. Phương pháp điều khiển này được thể hiện rõ hơn thông qua sơ
đồ như trong Hình 3.5:
Tối ưu
Hàm mục tiêu

qZSI

Tải
RL

Mô hình
dự báo

Hình 3.5: Sơ đồ phương pháp điều khiển FCS-MPC cho qZSI
Điều khiển dự báo chủ yếu dựa trên việc đo điện áp trên tụ,
dòng điện trên cuộn cảm ở phía DC và dòng điện đầu ra ở phía AC
của qZSI. Các giá trị đo này được sử dụng để dự đoán các giá trị
tương lai của điện áp trên tụ C1, dòng điện trên cuộn cảm L1 và dòng
điện tải dựa vào mô hình dự báo. Mục tiêu điều khiển được thực hiện

9
dựa trên hàm mục tiêu (cost function). Sau đó, giá trị nhỏ nhất của
hàm mục tiêu được đưa ra điều khiển các khóa bán dẫn S1 đến S6
của qZSI. Vì vậy phương pháp này không cần đến khối điều chế.
Mô hình qZSI:
Các trạng thái chuyển mạch của qZSI có thể được xác định
bằng các tín hiệu cực cổng Sa, Sb và Sc như trong công thức (3.1),
(3.2), (3.3):
1 khi S1 on và S 4 off
Sa  
0 khi S1 off và S 4 on

(3.1)

1 khi S3 on và S6 off
Sb  
0 khi S3 off và S6 on

(3.2)

1 khi S5 on và S 2 off
Sc  
0 khi S5 off và S 2 on

(3.3)

Vector không gian điện áp ngõ ra của qZSI được xác định
như trong công thức (3.5):

2
vout  v an  a.vbn  a 2 .vcn
3




(3.5)

Mối quan hệ giữa vector điện áp tải vout và trạng thái chuyển
mạch S được xác định như trong công thức (3.7):

vout  S.Vdc

(3.7)
Ở trạng thái ngắn mạch:

vC1 (k  1)  vC1 (k ) 

iL1 (k  1)  iL1 (k ) 

TS
.iL (k )
C1 1

TS
.vC (k )
L1 1

Ở trạng thái không ngắn mạch:

(3.8)
(3.9)


10
TS
.(iL (k )  iinv (k ))
C1 1

(3.10)

TS
.(vin (k )  vC1 (k ))
L1

(3.11)

vC1 (k  1)  vC1 (k ) 

iL1 (k  1)  iL1 (k ) 

Mô hình tải nghịch lưu:
Điện áp ngõ ra của mạch nghịch lưu được xác định như trong
công thức (3.12):
vout  L

diout
 R.iout  e
dt

(3.12)

Dự đoán dòng điện tải:
Một dạng thời gian rời rạc của tải (3.12) với thời gian lấy
mẫu TS có thể được sử dụng để dự đoán giá trị tương lai của dòng
điện tải bằng cách sử dụng dòng điện đo được tại thời điểm lấy mẫu
thứ k. Xấp xỉ đạo hàm di/dt bởi Forward Euler:

T 
T
iout (k  1)  1  R . S .iout (k )  S .vout (k )  e(k ) 


L 
L


(3.15)

Mô hình động của tải có thể được biểu diễn trong khung
tham chiếu tĩnh (αβ) bởi phép biến đổi Clarke cho công thức (3.12):
diout _  1
(3.16)
 (vout _   Riout _   e )
dt
L
diout _ 
1
(3.17)

 (vout _   Ri out _   e )
dt
L
Trong đó: điện áp ngõ ra trong khung (αβ) được xác định bởi
điện áp đỉnh liên kết DC Vdc và trạng thái chuyển mạch của qZSI Sx:

1
vout _   Vdc 2S a  S b  S c 
3
3
vout _  
Vdc S b  S c 
3

(3.18)
(3.19)


11
Phương trình mô tả gián đoạn của dòng điện tải tại thời điểm
k+1 được suy ra từ phương trình liên tục ở công thức (3.16) và
(3.17), sau đó sử dụng phương pháp xấp xỉ Forward Euler:

T 
T
iout _  (k  1)  1  R . S .iout _  (k )  S .vout _  (k )  e (k )  (3.20)


L 
L



T 
T
iout _  (k  1)  1  R . S .iout _  (k )  S .vout _  (k )  e (k )  (3.21)


L 
L


Hàm mục tiêu:
Cấu trúc của hàm mục tiêu là quan trọng nhất của chiến lược
kiểm soát mô hình dự đoán. Hàm mục tiêu là một yếu tố quan trọng
để chọn vector điện áp tối ưu. Do đó, hàm mục tiêu nên có tất cả các
tham số được tối ưu hóa trong ràng buộc áp đặt. Dự đoán có thể đạt
được dựa trên việc tối thiểu hóa hàm mục tiêu được đề xuất. Điều
này dẫn đến việc xác định trạng thái chuyển mạch tối ưu có thể đảm
bảo sai số tối thiểu giữa giá trị tham chiếu và giá trị dự đoán. Hàm
mục tiêu đề xuất trong [37] có thể đáp ứng các yêu cầu của mô hình
trình bày trên được thể hiện như trong công thức (3.22):
*
*
*
*
g  iout
_   iout _  (k  1)  iout _   iout _  (k  1)  vC . vC1  vC1 (k  1)  iL . iL1  iL1 (k  1) (3.22)

Mục đích chính của phương pháp điều khiển dự báo hữu hạn
được đề xuất là theo dõi dòng điện tải tham chiếu. Thêm vào đó,

dòng điện dẫn và điện áp tụ được điều chỉnh theo giá trị tham chiếu.
Để đáp ứng các mục đích điều khiển này, hàm mục tiêu của chiến
lược điều khiển mô hình dự báo cho qZSI được biểu diễn đầy đủ như
trong công thức (3.22) và thuật toán điều khiển FCS – MPC đề xuất
tương ứng như trong hình 3.7.


12

Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán FCS-MPC cho qZSI [37]
Hiệu suất của FCS-MPC có thể được tăng cường bởi giảm số
lượng tính toán và đơn giản hóa hàm mục tiêu chính mà không ảnh
hưởng đến hiệu suất kiểm soát. Theo công thức (3.9) và (3.11), dòng
điện dẫn trong tương lai iL1(k+1) chỉ có hai giá trị trong tất cả tám
trạng thái chuyển mạch, không giống như các giá trị tương lai cho
điện áp tụ và dòng điện tải khác nhau với tất cả các trạng thái. Mặc
dù, có bảy trạng thái trong trường hợp "không ngắn mạch" nhưng
dòng điện dẫn trong tương lai có cùng giá trị trong thời gian đó. Vì
vậy, dòng điện dẫn là chìa khóa trong việc chọn trạng thái "ngắn
mạch" duy nhất cho qZSI. Hình 3.8 cho thấy chiến lược FCS-MPC
được đề xuất trong luận văn này cho qZSI.


13

Hình 3.8: Lưu đồ thuật toán FCS-MPC được đề xuất cho qZSI
Trước hết, thuật toán đề xuất bắt đầu bằng đo dòng điện dẫn,
điện áp tụ và dòng điện tải ba pha tại thời điểm lấy mẫu (k). Công
suất đầu ra mong muốn được sử dụng để tìm các giá trị tham chiếu
cho từng dòng điện tải và dòng điện dẫn. Các bước tiếp theo là tính

giá trị tương lai cho dòng điện dẫn ở trường hợp ngắn mạch và
trường hợp không ngắn mạch dựa trên công thức (3.9) và (3.11). Các
hàm mục tiêu phụ cho dòng điện dẫn trong trường hợp không ngắn
mạch (gL-ns) và trường hợp ngắn mạch (gL-s) được đánh giá:


14
g L _ s  iL _ ref  iL _ s (k  1)

(3.24)

g L _ ns  iL _ ref  iL _ ns (k  1)

(3.25)

Sau đó, nếu hàm mục tiêu phụ trong trường hợp ngắn mạch
là tối thiểu, trạng thái được tối ưu hóa sẽ là trạng thái ngắn mạch, và
do đó nó được áp dụng trực tiếp cho các khóa bán dẫn của nghịch lưu
mà không cần kiểm tra bảy trạng thái khác. Mặt khác, nếu trường hợp
không ngắn mạch cho hàm mục tiêu tối thiểu, thuật toán phải đi qua
vòng lặp để chọn các trạng thái được tối ưu hóa từ bảy trạng thái.
Chú ý rằng điện áp tụ trong tương lai tại trường hợp ngắn mạch sẽ
không được tính ở đây. Hàm mục tiêu chính bên trong vòng lặp chỉ
kết hợp từ dòng điện tải và điện áp tụ vì chúng có các giá trị khác
nhau với mỗi trạng thái chuyển mạch như trong công thức (3.26)
[32]:



 





2

2



2

*
*
*
g  iout
_   iout_  (k  1)  iout_   iout_  (k  1)  vC . vC1  vC1 (k  1) (3.26)

Biểu đồ tổng thể mô tả cho thuật toán FCS-MPC đề xuất ở
trên được thể hiện trong hình 3.8, trong khi biểu đồ được phác họa
trong hình 3.7 cho thuật toán trong [37], đây là chứng minh tính khả
thi của thuật toán đề xuất trong việc cải thiện sức mạnh tính toán để
thực thi mã chính của chương trình, Bảng 3.1 tóm tắt số lần lặp cho
mỗi phương trình trong hai thuật toán trên ba tầng giai đoạn lấy mẫu.
Bảng 3.1: So sánh sức mạnh tính toán giữa 2 thuật toán FCS-MPC
Công thức (3.15) (3.11) (3.10) (3.9) (3.8) (3.26) (3.22) Tổng cộng
Thuật toán
đề xuất
Thuật toán

trong [37]
3.3. Kết luận

7x2

1x3

7x2

1x3

0

8x3

7x3

7x3

1x3 1x3

7x2

-

48

-

8x3

96


15
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 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 [32-38]. Trong chương này, mô hình
động học của qZSI được sử dụng để dự báo đáp ứng của dòng điện
của tải, của cuộn cảm và điện áp trên tụ điện trong hai trường hợp
ngắn mạch (Shoot-through) và không ngắn mạch (non-Shootthrough) của bộ nghịch lưu. Sau đó, mục tiêu điều khiển của hệ thống
bao gồm bám dòng điện tải đầu ra, dòng điện trên cuộn cảm và điện
áp trên tụ điện đạt được thông qua một hàm mục tiêu xác định. Cuối
cùng, quá trình tối ưu hóa hàm mục tiêu được tiến hành để xác định
trạng thái chuyển mạch tốt nhất, đưa điều khiển đóng cắt các khóa
bán dẫn của bộ nghịch lưu. Thuật toán đề xuất giảm được khối lượng
tính toán giúp dễ cài đặt bộ điều khiển trên những bộ xử lý kỹ thuật
số thông dụng, giá thành thấp trong hệ thống thực tế. Tính năng quan
trọng này có được bằng cách sử dụng hàm mục tiêu phụ của dòng
điện dẫn trong việc chọn trường hợp ngắn mạch hoặc trường hợp
không ngắn mạch. Chọn trường hợp ngắn mạch từ đầu mà không đi
qua vòng lặp chính sẽ giảm khối lượng tính toán. Ngoài ra, hàm mục
tiêu của FCS-MPC được đề xuất được đơn giản hóa trong đó chỉ bao
gồm một hệ số trọng số cho điện áp tụ. Luận văn này cho thấy mô
hình điều khiển dự báo cho qZSI là một điều khiển đầy hứa hẹn với
độ tin cậy và tính linh hoạt cao.

16
CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1. Mô hình hóa hệ thống
Ở chương này, trình bày mô hình và thiết kế hệ thống nghịch
lưu nguồn qZSI trong hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới.

Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống nghịch lưu nguồn qZSI trong hệ
thống pin năng lượng mặt trời nối lưới.
4.2. Mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả
4.2.1. Mô phỏng hệ thống trên Matlab/simulink
4.2.2. Đánh giá kết quả
FCS-MPC được thiết kế và áp dụng cho qZSI. Mục tiêu
chính của bộ điều khiển FCS-MPC này là tăng điện áp liên kết DC
của qZSI và theo dõi dòng điện tải đầu ra tham chiếu trong các điều
kiện nhất định. Những điều kiện này là các ràng buộc của nghịch lưu
nguồn qZ như dòng điện dẫn, điện áp tụ điện phải được điều chỉnh.
Để thấy rõ chất lượng hoạt động của bộ điều khiển FCS-MPC cho
nghịch lưu nguồn qZ nối lưới, trong luận văn này sẽ thực hiện mô
phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab/Simulink. Mô phỏng trong


17
thời gian 0,3 giây. Tham số mô phỏng của hệ thống được mô tả trong
bảng 4.3.
Bảng 4.3: Thông số cho mô phỏng nghịch lưu nguồn qZ của hệ thống
PV được kết nối lưới. [24]
Thông số

Giá trị
1. Điện áp DC ngõ vào
Vin = 200 V
2. Cuộn cảm của qZSI
L1 = L2 = 10 mH
3. Tụ điện của qZSI
C1 = C2 = 1000 µF
4. Tần số lấy mẫu
10 kHz
5. Tải RL
R = 0.5 Ω ; L = 10 mH
6. Trọng số điều khiển điện áp tụ điện
C  10
7. Công suất ngõ ra

1kW  2kW

Công suất đầu ra tham chiếu của lưới điện thay đổi từ 1kW
đến 2kW tại thời điểm t = 0.2 giây, tương ứng với giá trị đỉnh của
dòng điện tải đầu ra thay đổi từ 3.7A đến 7.4A. Trong khi giá trị
tham chiếu của dòng điện của cuộn cảm thay đổi từ 5A đến 10A. Giá
trị tham chiếu của điện áp trên tụ điện được chọn gấp đôi giá trị điện
áp đầu ra để không ảnh hưởng đến dạng sóng điện áp đầu ra và tránh
sự tác động giữa phía AC và DC của bộ nghịch lưu qZSI. Trong luận
văn này, giá trị tham chiếu được đặt là 350V. Hình 4.8(a) biểu diễn
đáp ứng động học của dòng điện ba pha của tải. Kết quả mô phỏng
trong hình 4.8(b) chứng tỏ rằng phương pháp này đạt được độ chính
xác cao trong việc bám theo tín hiệu dòng điện tham chiếu và nhanh
chóng đạt đến giá trị xác lập sau khoảng 4,5 miligiây với độ vọt lố rất
nhỏ.

Ngoài ra, bằng cách sử dụng công cụ phân tích Fourier nhanh
(Powergui Fast Fourier Transform) của Simulink, phổ dòng điện tải
pha a ứng với công suất đầu ra P=1kW được trình bày trong hình 4.9.
Theo hình vẽ trên, tổng độ méo sóng hài (Total harmonic distortion-


18
THD) của dòng điện tải của phương pháp điều khiển đề xuất là
1.63% đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn IEEE 519-1992 về chất lượng
dòng điện với THD dưới 5%. Mặt khác, phương pháp điều khiển đề
xuất có khả năng bám điện áp trên tụ điện như trong hình 4.10(b).
Hình 4.11(a) biểu diễn dạng sóng điện kiểu xung của điện áp sau
mạch LC với giá trị đỉnh là 500V để thể hiện khả năng tăng điện áp
đầu vào Vin từ 200V lên đến 500V. Trong đó, trạng thái ngắn mạch
và không ngắn mạch của bộ nghịch lưu qZSI được thể hiện rõ trong
hình 4.11(b). Dòng điện trên cuộn cảm duy trì ở giá trị tham chiếu
như hình 4.10(b). Kết quả mô phỏng cho dạng sóng bậc của điện áp
dây đầu ra được minh họa trong hình 4.12, với giá trị đỉnh là 500V
tương ứng với điện áp sau mạch LC Vdc.

(a) Dòng điện tải ba pha

(b) Dòng điện tải pha a
Hình 4.8: Đáp ứng động học của dòng điện tải


19

Hình 4.9: Phân tích Fourier của dòng điện tải với công suất đầu ra
P=1kW

(a) Dòng điện trên cuộn cảm

(b) Điện áp trên tụ điện và điện áp đầu vào
Hình 4.10: Đặc tính của dòng điện trên cuộn cảm, điện áp trên tụ điện
và điện áp đầu vào


20

(a) Điện áp sau mạch boot LC vdc

(b) Phóng to điện áp vdc
Hình 4.11: Điện áp sau mạch LC

Hình 4.12: Điện áp dây đầu ra mạch nghịch lưu


21
4.3. Kết luận
Luận văn này đã áp dụng phương pháp điều khiển FCS-MPC
cho bộ biến đổi qZSI, để điều khiển giá trị dòng điện phía tải xoay
chiều của bộ biến đổi, phương pháp đã thực hiện điều khiển kết hợp
ba biến điều khiển cùng một lúc do đó quá trình thiết kế điều khiển
trở nên linh hoạt và hiệu quả hơn. Từ yêu cầu điều khiển, phương
pháp FCS-MPC được thực hiện cho qZSI đã giảm thiểu việc tính
toán các trạng thái đóng cắt của các van bán dẫn dựa trên mô hình
toán học, cuối cùng đã chọn lựa những trạng thái đóng cắt tối ưu từ
quá trình dự báo để phát xung điều khiển cho van bán dẫn. Phương
pháp FCS-MPC không có cấu trúc điều khiển nối tầng và khối điều

chế so với các phương pháp điều khiển truyền thống được sử dụng để
kiểm soát qZSI. Các kết quả thu nhận được thông qua phân tích lý
thuyết và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink cho thấy
phương pháp điều khiển này đáp ứng yêu cầu về chất lượng dòng
điện tải với THD thấp dưới 5%. So với các phương pháp điều khiển
khác cho qZSI được thể hiện trong tài liệu [24], [38] thì đây là
phương pháp có chỉ số THD nhỏ hơn, điều này chứng minh phương
pháp điều khiển FCS-MPC là phương pháp đơn giản và mạnh mẽ cho
bộ biến đổi qZSI.


22
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
Luận văn này trình bày phương pháp điều khiển FCS-MPC
cho bộ nghịch lưu qZSI có kết nối lưới điện. Đầu tiên, một mô hình
toán học được sử dụng để dự báo giá trị của dòng điện tải, điện áp
trên tụ điện và dòng điện của cuộn cảm. Sau đó, một hàm mục tiêu
được định nghĩa bao gồm sai lệch của những giá trị tham chiếu và giá
trị dự báo. Cuối cùng, quá trình tối ưu hóa hàm mục tiêu này được
diễn ra để tìm ra trạng thái khóa bán dẫn tốt nhất áp đặt cho bộ
nghịch lưu. Ngoài ra, với việc sử dụng hàm mục tiêu phụ cho dòng
điện trên cuộn cảm giúp giảm được khối lượng tính toán và sự phức
tạp của việc chọn lựa hệ số trọng số điều khiển. Kết quả mô phỏng,
phân tích bằng phần mềm Matlab xác nhận tính khả thi của cấu trúc
điều khiển đề xuất.
Kết quả nghiên cứu của luận văn chỉ dừng lại ở việc thiết kế
bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu qZSI trong hệ thống pin năng
lượng mặt trời nối lưới cũng như xem xét, đánh giá chất lượng của bộ
điều khiển FCS-MPC. Qua kết quả mô phỏng hệ thống cho thấy việc

sử dụng qZSI mang đến những đổi mới và khác biệt so với các
phương pháp điều khiển truyền thống, đồng thời cũng cho thấy việc
sử dụng qZSI đáp ứng tốt cho hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Những điểm mới trong luận văn nghiên cứu:
- Bộ điều khiển FCS - MPC có cấu trúc điều khiển đơn giản,
có khả năng bám theo tham chiếu tốt trong khi dễ dàng điều
chỉnh các ràng buộc phi tuyến, thời gian đáp ứng nhanh, sai
lệch nhỏ, độ ổn định của hệ thống cao.


23
- Phương pháp đề xuất giảm được khối lượng tính toán và
mức độ phức tạp trong việc chọn các trọng số điều khiển của
dòng điện cuộn cảm và điện áp trên tụ điện.
2. KIẾN NGHỊ
Tác giả mong muốn có điều kiện sẽ nghiên cứu phát triển, cải
thiện đề tài này theo các hướng sau:
- Áp dụng hệ thống cho các nguồn năng lượng tái tạo khác
như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, ...
- Xây dựng mô hình thực tế, thời gian thực cho hệ thống.
- Cải thiện chất lượng cho bộ điều khiển FCS-MPC.