Nghiên cứu giải thuật điều khiển dự báo điện áp và ứng dụng để thiết kế bộ phục hồi điện áp động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN NGỌC HẢI

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
ĐIỆN ÁP VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ
PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP ĐỘNG

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Đình Tuyên

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

TRẦN NGỌC HẢI

MSHV: 7140407

Ngày, tháng, năm sinh:

15/09/1991

Nơi sinh:

Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Điện

Mã số : 60520202

Phú Thọ

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên Cứu Giải Thuật Điều Khiển Dự Báo Điện Áp và Ứng Dụng Để
Thiết Kế Bộ Phục Hồi Điện Áp Động.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu giải thuật điều khiển dự báo điện áp. (20%)
2. Mô phỏng được giải thuật điều khiển dự báo điện áp cho bộ biến tần đa bậc T-NPC
bằng phần mềm. (20%)
3. Xây dựng mơ hình biến tần đa bậc T-NPC bằng phần cứng và sử dụng vi điều khiển
DSP TMS320F28335 để lập trình điều khiển điện áp ngõ ra của bộ biến tần này dựa
trên giải thuật điều khiển dự báo điện áp. (20%)
4. Nghiên cứu và mô phỏng bộ phục hồi điện áp động dựa trên giải thuật điều khiển dự
báo điện áp và biến tần đa bậc T-NPC. (30%)
5. Xậy dựng mơ hình phần cứng cho bộ phục hồi điện áp động dựa trên biến tần đa bậc
TNPC và giải thuật điều khiển dự báo điện áp. (10%)
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/01/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS. Nguyễn Đình Tuyên

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Xin gửi đến thầy Nguyễn Đình Tuyên lời cảm ơn và sự kính trọng sâu sắc. Cảm ơn
Thầy cung cấp những tài liệu, kiến thức cần thiết để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Thầy đã tạo điều kiện nghiên cứu, các cơ hội để Em có thể nâng cao kiến thức chuyên
ngành cũng như về cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu khoa học.
Xin chân thành cảm ơn Thầy Phan Quốc Dũng, trưởng bộ môn cung cấp điện đã
tạo điều kiện cho em được học tập và nghiên cứu tại Phịng Thí Nghiệm Nghiên Cứu
Điện Tử Công Suất (PERL) 115B1.
Cảm ơn các thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TPHCM, các thầy cô khoa ĐiệnĐiện tử đặc biệt là các thầy cô của bộ môn cung cấp điện đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt
kiến thức cho tôi trong suốt bốn năm rưỡi học tập tại trường.
Đồng thời cũng xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Bảo Anh, anh Nguyễn Duy
Tường, anh Lê Châu Duy, và các em Nguyễn Thế Tiên, , Nguyễn Chấn Việt, Lê An
Nhuận trong phịng nghiên cứu điện tử cơng suất 115B1 đã quan tâm, chia sẻ về mặt
kiến thức và cùng tơi học tập trong phịng thí nghiệm.
Cảm ơn Em Hiền Phạm, là người yêu và cũng là người luôn ở bên tôi để chia sẻ và
động viên mỗi khi tơi gặp khó khăn cả trong cuộc sống lẫn trong học tập suốt thời gian
qua. Tôi luôn nhớ những khoảng thời gian đi ăn uống hoặc dạo phố cùng Em trong
những ngày nghỉ hoặc những lúc bế tắc trong nghiên, những phút giây thư giãn này giúp
tơi tìm ra hướng giải quyết và những ý tưởng trong học tập.
Cuối cùng và cũng là quan trọng nhất đó là gia đình tôi. Cảm ơn Bố, Mẹ, chị Hiên,
chị Hồng anh Phát và anh Thiện là nguồn động lực, điểm tựa vững chắc giúp tơi có thể
vượt qua hạn chế của bản thân cũng như luôn đưa ra những lời khuyên giúp tơi vượt

gặp khó khăn trong học tập và tiếp tục theo đuổi mục tiêu của mình.
Tp HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2016

TRẦN NGỌC HẢI


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này giới thiệu một bộ điều khiển dự báo điện áp cho bộ nghịch lưu đa bậc
T-NPC và được ứng dụng để thiết kế bộ phục hồi điện áp động. Bộ phục hồi điện áp
động này có chức năng bảo vệ những loại tải nhạy cảm chống lại sự sụt áp. Điện áp cần
thiết để bù cho tải có được bằng cách so sánh điện áp lưới với điện áp định mức của tải.
Thuật toán PLL được sử dụng để bắt góc pha điện áp lưới. Bộ nghịch lưu ba bậc T-NPC
với bộ lọc LC ở ngõ ra sẽ được sử dụng để sinh ra điện áp xoay chiều, điện áp này sẽ
được bơm lên lưới và bù cho tải thông qua máy biến áp bơm. Một phương pháp mới
được đề nghị để điều khiển bộ nghịch lưu T-NPC nhằm sinh ra điện áp bù có chất lượng
cao dựa trên nền tảng của phương pháp điều khiển dự báo. Theo Phương pháp này, hệ
thống gồm bộ nghịch lưu T-NPC và bộ lọc LC sẽ được mơ hình hóa nhằm xác định
những phương trình có thể sử dụng để tính tốn giá trị tương lai của điện áp bù và điện
áp trên hai tụ dc-link trong chu kì lấy mẫu tiếp theo. Sau đó, trạng thái đóng ngắt nào
có sinh ra một vector điện áp có khả năng tối thiểu hóa sai số của cả điện áp bù và điện
áp trên hai tụ dc-link sẽ được chọn cho chu kì đóng ngắt tiếp theo của bộ nghịch lưu TNPC. Kết quả mô phỏng đã xác minh tính đúng đắn của thuật tốn đưa ra. Điện áp bù
chuẩn sine và đáp ứng nhanh với sự cố sụt áp. Điện áp tải được duy trì liên tục với độ
méo dạng ít hơn 2% là những kết quả đạt được từ mô phỏng.

TRẦN NGỌC HẢI


ABSTRACT
This Thesis introduces a predictive voltage controller for multilevel inverter used in
Dynamic Voltage Restorer, which is able to protect a sensitive load against grid voltage

sags dynamically. The compensated voltages are obtained by using Phase-Lock Loop to
detect the phase and the magnitude of the grid voltage then compare to the load reference
voltage. A T-Type NPC (T-NPC) inverter with output LC filter is used to generate the ac
voltage that will be injected to the load via injection transformer to compensate sag
voltages. A new method to generate very high quality compensated voltages based on
predictive controller will be presented. The model of the systems include T-NPC inverter
and LC filter are built to establish the equations that can be applied to calculate the future
values of the compensated voltage and the dc link voltage capacitor at the next sampling
time. After that, the optimal voltage vectors that minimize both the compensated voltage
and the dc link capacitor errors will be chosen for the next switching state of the T-NPC
inverter. Obtained simulation results verified the theoretical analysis. The compensated
voltage is almost sinusoidal and the load voltage is always constant with THD lower than
2% when facing voltage sags.

TRẦN NGỌC HẢI


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu trong luận văn này là hồn tồn do tơi làm
dưới sự hướng dẫn của Thầy Nguyễn Đình Tuyên và sự giúp đỡ của các anh em tại Phịng
Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện Tử Cơng Suất 115B1, hồn tồn khơng sao chép hay đánh
cắp của bất kì ai. Những số liệu cũng như kết quả ghi trong luận văn đều là trung thực. Các
tài liệu trích dẫn đều là thật và có nguồn gốc rõ ràng.
Nếu có bất kì sai phạm nào tơi xin một mình chịu hồn tồn trách nhiệm trước các hình
thức kỉ luật.
Tp, HCM ngày 20 tháng 06 năm 2016
Tác giả

Trần Ngọc Hải

TRẦN NGỌC HẢI


HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ..................................................................................... 3
1.1. Giới thiệu về bộ phục hồi điện áp động. ...................................................... 3
1.2. Giới thiệu về giải thuật điều khiển dự báo. .................................................. 5
1.3. Giới thiệu về bộ nghịch lưu ba bậc TNPC ................................................. 12
1.4. Tóm tắt luận văn ......................................................................................... 16
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐIỆN ÁP CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA
PHA HAI BẬC ....................................................................................................... 17
2.1. Mơ hình hóa bộ nghịch lưu ba pha hai bậc ................................................ 18
2.2. Mơ hình hóa bộ lọc LC............................................................................... 19
2.3. Giải thuật dự báo điện áp đề nghị ............................................................... 21
2.4. Kết quả mô phỏng. ..................................................................................... 22
2.4.1.

Mô phỏng với tần số lấy mẫu bằng 10 kHz. .................................... 23

2.4.2.

Mô phỏng với tần số lấy mẫu bằng 20 kHz. .................................... 24

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐIỆN ÁP CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA
PHA BA BẬC T-NPC ............................................................................................ 27

3.1. Mơ hình hóa bộ nghịch lưu ba bậc T-NPC ................................................ 28
3.2. Giải thuật đề nghị. ...................................................................................... 33
3.2.1

Giải thuật cân bằng tụ. ......................................................................... 33

3.2.2

Giải thuật giảm điệm áp Common Mode ............................................ 34

3.2.3

Giải thuật điều khiển dự báo cho bộ nghịch lưu T-NPC ..................... 36

3.3. Kết quả mơ phỏng ...................................................................................... 38
3.3.1.

Mơ phỏng với tải tuyến tính ............................................................. 40

3.3.2.

Mô phỏng với tải phi tuyến .............................................................. 43

3.4. Kết quả thực nghiệm. ................................................................................. 46
3.4.1.

Kết quả thực nghiệm với tải tuyến tính ............................................ 50

3.4.2.

Thực nghiệm với tải phi tuyến ......................................................... 52

CHƯƠNG 4: BỘ PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP ĐỘNG ................................................. 54
4.1. Phase-Lock loop ......................................................................................... 56
4.1.1.

Giới thiệu. ......................................................................................... 56
1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

4.1.2.

Chuẩn hóa PLL................................................................................. 58

4.1.3.

Mơ hình rời rạc hóa PLL sử dụng bộ điều khiển PI ......................... 60

4.1.4.

Kết quả mô phỏng PLL .................................................................... 62

4.2. Thiết kế bộ phục hồi điện áp động. ............................................................ 68
4.3. Kết quả mô phỏng bộ DVR ........................................................................ 70
4.4. Kết quả thực nghiệm bộ DVR. ................................................................... 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 82

2


HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU
1.1.

Giới thiệu về bộ phục hồi điện áp động.

Bộ phục hồi điện áp động (Dynamic Voltage Restorer - DVR) là một thiết bị
điện tử công suất, được sử dụng chủ yếu là để bảo vệ những loại tải nhạy cảm (Các
máy móc trong ngành y tế, CPU máy tính, máy chủ, bộ điều khiển của các loại biến
tần trong công nghiệp…) khỏi những sự cố trên lưới điện như sụt áp, q áp. Ngồi
ra, DVR cịn có khả năng giảm sóng hài cho điện áp AC.
Sụt áp là hiện tượng điện áp lưới bị giảm một cách đột ngột trong khoảng từ 10%
đến 99% biên độ hiệu dụng của điện áp lưới, quá trình này diễn ra trong khoảng thời
gian ngắn chỉ từ khoảng nửa chu kì của điện áp đến dưới 60 giây. Theo khảo sát của
cả hai hiệp hội là: Hiệp Hội Điện Công Nghiệp Canada (Canadian Electrical
Associate - CEA) và Viện Nghiên Cứu Năng Lượng Điện (Electric Power Research
Institude - EPRI) đều chỉ ra rằng sụt áp là hiện tượng thường xuyên xảy ra nhất trong
các loại sự cố trên lưới điện như: mất hẳn điện, mất điện ngắn hạn (từ 1 đến 5 phút),
mất pha điện áp, lệch tần số…) [1]. Nguyên nhân của sụt áp có thể là do ngắn mạch
đầu nguồn, dịng khởi động của động cơ q lớn, q trình đóng ngắt tụ bù trên lưới
điện hoặc dịng xung kích của máy biến áp… [2] [3] [4].

Do phạm vi ảnh hưởng và tần xuất xảy ra nhiều của sự cố sụt áp lên những tải
nhạy cảm, việc bù lại lượng điện áp lõm và tối thiểu hóa được những ảnh hưởng của
nó lên các loại tải nhạy cảm là thực sự cần thiết. Những phương pháp truyền thống
để đối phó với sự cố sụt áp hay mất điện trên lưới điện là dùng máy biến áp có nhiều
ngõ ra (tab-changing transformer) và bộ UPS (Uninterruptible Power Supplies) [5].
Tuy nhiên Tab-changing transformer rất to lớn, cồng kềnh, đắt tiền và không đủ
nhanh để loại bỏ được ảnh hưởng của sự cố sụt áp lên những tải nhạy cảm. Bên cạnh
đó, UPS mặc dù là thiết bị tiên tiến hơn tab-changing transformer tuy nhiên UPS
cũng là một thiết bị khá to lớn và đắt tiền. Ngồi ra, UPS chỉ có thể bù tồn bộ điện
áp cho tải chứ không lịnh động theo sự biến thiên của biên độ điện áp sụt được. Điều
3


HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

này làm cho công suất chọn lựa cho bộ UPS tối thiểu phải lớn hơn hoặc bằng công
suất của tải. đây là điều khá lãng phí là cũng trở thành nhược điểm lớn nhất của UPS
[6]. Ngoài hai thiết bị kể trên cịn có những thiết bị được sử dụng để bù lại lượng
điện áp bị sụt như: Bộ bù đồng bộ tĩnh (Static Synchronous Compensator STATCOM), bộ bù đồng bộ tĩnh phân phối (Distribution STATCOM - DSTATCOM), Unified Power-Quality Conditioner (UPQC) và bộ phục hồi điện áp
động (Dynamic Voltage Restorer - DVR). Trong những hệ thống kể trên thì DVR là
hệ thống hiệu quả hơn và là giải pháp trực tiếp cho việc phục hồi điện áp lưới cho tải
khi lưới điện tại phía nguồn bị sự cố [7] [8]. Khơng giống như UPS là phải bù tồn
bộ cơng suất của tải, DVR chỉ cần cung cấp đủ lượng điện áp bị sụt, nghĩa là công
suất của bộ DVR sẽ nhỏ hơn nhiều so với công suất thật sự của tải. Điều này làm cho
DVR nhỏ gọn hơn và giá thành rẻ hơn UPS.

Hình 1. 1. Cấu trúc của một bộ DVR

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

Cấu hình cơ bản của bộ DVR được cho trên hình 1.1 bao gồm: một bộ nghịch
lưu nguồn áp (VSI), một máy biến áp bơm áp được kết nối giữa điện áp lưới và tải,
và một nguồn DC để cấp cho VSI [9] [10]. Cuộn thứ cấp của máy biến áp sẽ được
kết nối nối tiếp với tải và lưới điện, nó sẽ bơm một lượng điện áp bù cho tải do lưới
bị sụt áp. Điện áp bù này được sinh ra bởi bộ nghịch lưu nguồn áp VSI. So với bộ
nghịch lưu hai bậc thông thường, việc sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp đa bậc như:
bộ nghịch lưu dung đi-ốt kẹp (NPC) [11], bộ nghịch lưu đa bậc dạng flying capacitor
[12] [13], hay bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascade [14] [15] cho đáp ứng điện áp ngõ
ra của bộ nghịch lưu chuẩn sine hơn, độ méo dạng thấp hơn đồng thời đáp ứng được
với điện áp DC cao hơn [16].
1.2.

Giới thiệu về giải thuật điều khiển dự báo.

Có nhiều kỹ thuật để điều khiển bộ nghịch lưu nguồn áp như là: kỹ thuật điều
chế sóng mang SinPWM hoặc SVPWM ( PWM based modulation techniques ) [16]
[17]. Kỹ thuật điều khiển trượt (Sliding mode) [18] [19]. Tuy nhiên những kỹ thuật
điều khiển đã nêu ở trên sinh ra điện áp nhấp nhô ở ngõ ra và làm cho chất lượng
điện áp kém. Điều khiển dự báo (Optimal Predictive Control) có thể tính tốn được
trong thời gian thực giá trị tương lai của điện áp và dòng điện của bộ nghịch lưu, sau
đó tối thiểu hóa sai số của các đại lượng này bằng một hàm giá trị (cost function) để

chọn được trạng thái đóng ngắt tốt nhất cho bộ nghịch lưu, nhằm sinh ra điện áp với
sai số, độ nhấp nhơ và THD nhỏ nhất, góp phần làm nâng cao chất lượng điện năng
của hệ thống [20] [21].
Điều khiển dự báo sau khi xuất hiện vào những năm 1970 đã gây ấn tượng mạnh
cho các nhà khoa học trong lĩnh vực điều khiển các bộ biến đổi công suất nhờ và khả
năng đáp ứng động rất nhanh của hệ thống này. Có một vài giải thuật điều khiển đã
được công bố dưới tên gọi điều khiển dự báo như trong [22]. Tiêu biểu nhất trong số
này phải kể đến giải thuật điều khiển deadbeat, giải thuật này đã được sử dụng khá
nhiều trong việc điều khiển dòng điện của các bộ nghịch lưu [23] [24], hay trong các

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN

Hình 1. 2 Phân loại các phương pháp điều khiển dự báo

bộ chỉnh lưu [25] và trong các bộ UPS [26]. Tuy nhiên khi tiến hành thực nghiệm
giải thuật này trên hệ thống số thì giải thuật deadbeat cần phải được cải tiến để giúp
chúng bền vững hơn. Gần đây, một vài cải tiến cho giải thuật điều khiển deadbeat
làm cho giải thuật này trở nên tối ưu hơn như sử dụng mạng neural [27], hoặc điều
khiển thích nghi [28], nhưng những giải thuật này rất phức tạp và cần nhiều thời gian
để nghiên cứu. Một giải thuật khác được sử dụng dựa trên mơ hình điều khiển dự
báo là giải thuật receding-horizon. Giải thuật này sử dụng mơ hình của hệ thống để
dự báo giá trị của các biến cho đến khi nó đạt đến độ chính xác mong muốn, một
hàm giá trị (cost function) sẽ được sủ dụng như là một tiêu chuẩn để lựa chọn cho sự
tối ưu của hành động tiếp theo [29] [30]. Một vài công trình đã cơng bố về việc mơ

hình hóa các bộ biến đổi cơng suất như [31] [32], những mơ hình này có thể được
dùng để ứng dụng trong việc phát triển giải thuật điều khiển dự báo tối ưu mới. Điều
6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

khiển dự báo là giải thuật điều khiển rất phức tạp. Để đơn giản hóa cho giải thuật dự
báo, những bộ biến đổi cơng suất cần phải được mơ hình hóa với một giới hạn số
trạng thái đóng ngắt và các trạng thái này sẽ được xem xét trong chỉ một chu kì lấy
mẫu. Do đó, tất cả các trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn có thể được tính
tốn trong một khoảng thời gian thực, sau đó trạng thái nào tối thiểu hóa hàm giá trị
sẽ được áp dụng cho chu kì lấy mẫu tiếp theo.
Phương pháp điều khiển dự báo được phân loại trên hình 1.2 và được chia thành
4 phương pháp: trong đó phương pháp hysteresis-based predictive control giữ cho
các biến điều khiển nằm trong phạm vi trễ [33], trong khi phương pháp trajectorybased predictive control [34] điều khiển các biến trong quỹ đạo được định sẵn.
Phương pháp deadbeat control [35] điều khiển sai số bằng khơng trong chu kì lấy
mẫu tiếp theo. Cuối cùng, phương pháp điều khiển linh hoạt hơn đó là model
predictive control được thể hiện bằng một hàm giá trị [36].
Sự khác biệt giữa các phương pháp điều khiển này là deadbeat control và MPC
with continuous control set cần phải có hệ số điều chế để tạo ra dạng điện áp mong
muốn. Điều này dẫn đến việc tần số đóng cắt là cố định. Các phương pháp điều khiển
còn lại tạo trực tiếp tín hiệu đóng cắt, khơng cần tỉ số điều chế và tần số đóng cắt là
thay đổi, khơng cố định.
Theo những trình bày ở trên, giải thuật dự báo đã được phát triển và ứng dụng
trong rộng rãi trong việc điều khiển các bộ biến đổi công suất, tuy nhiên đa phần các
ứng dụng này đa phần là để điều khiển dòng điện. Các ứng dụng trong điều khiển

điện áp chưa được nghiên cứu nhiều. Trong khi việc điều khiển được điện áp ngõ ra
của bộ nghịch lưu luôn đóng một vai trị rất quan trọng trong các ứng dụng như DVR
hay UPS. Trong luận văn này sẽ trình bày một phương pháp mới để điều khiển điện
áp ngõ ra của bộ nghịch lưu dựa trên nền tảng của điều khiển dự báo.
Một trong những ưu điểm của điều khiển dự báo là ý tưởng đơn giản. Phụ thuộc
vào dạng điều khiển mà thực nghiệm có thể đơn giản như ở phương pháp MPC with
7


HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

finite control set (MPC-FCS) với N=1 (bộ nghịch lưu 2 bậc) và phương pháp
deadbeat control.
Ý tưởng cơ bản cho giải thuật MPC được trình bày trong bảng dưới đây:
+ Sử dụng mơ hình để dự báo trạng thái tiếp theo.
+ Hàm giá trị thể hiện mục tiêu của hệ thống.
+ Giá trị nhỏ nhất của hàm giá trị thể hiện sự vận hành tối ưu của hệ thống.
Mơ hình được sử dụng để dự báo là mơ hình trong miền thời gian rời rạc
(discrete-time model). Mơ hình discrete-time có thể được biểu thị thơng qua mơ hình
khơng gian trạng thái (state-space model):
x(k  1)  Ax(k )  Bu (k )
y (k )  Cx(k )  Du (k )

(1.1)

Hàm giá trị thể hiện mục tiêu của hệ thống bao gồm giá trị đặt, trạng thái tương
lai và giá trị tương ứng với trạng thái tương lai đó

J  f ( x(k ), u(k ),..., u(k  N ))

(1.2)

Để có được mơ hình trong miền thời gian rời rạc ta phải sử dụng phương pháp
rời rạc hóa, sử dụng cơng thức Euler forward:
dx x(k  1)  x(k )

dt
Ts

(1.3)

Với Ts là thời gian lấy mẫu, tuy nhiên đối với những bộ cơng suất có bậc cao
hơn thì việc dùng cơng thức xấp xỉ Euler forward này không được tốt nên phải sử
dụng cơng thức rời rạc hóa có độ chính xác hơn.
Khi mơ hình là bộ biến đổi cơng suất, với khóa cơng suất có 2 trạng thái đóng
cắt là ON và OFF. Ta có số lượng trạng thái đóng cắt có thể là:
8


HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

N  xy

(1.4)

Với x là số trạng thái có thể trên 1 nhánh, y là số lượng nhánh (số pha) của bộ
biến đổi công suất.
Bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc với x=2 và y=3, số trạng thái là 8. Bộ nghịch lưu TNPC ba pha ba bậc ta có x=3, y=3 nên suy ra số trạng thái N=27 trạng thái. Tương
tự với bộ nghịch lưu 5 pha 2 bậc thì x=2, y=5 nên số trạng thái là 32. Mơ hình điều
khiển dự báo được trình bày trong hình 1.3.

Hình 1. 3. Mơ hình điều khiển dự báo MPC

Một trong những phương pháp dựa trên mơ hình MPC là điều khiển dự báo dòng
điện, điều khiển dòng trên tải bám theo giá trị dịng điện ta đặt trước. Ví dụ bên dưới
sẽ làm rõ nguyên lí hoạt động của điều khiển dự báo. Với bộ nghịch lưu ba pha 2 bậc
ta có 8 trạng thái hình 1.4, dạng sóng tuần hồn hình sin được biểu diễn dưới miền
phức là hình trịn, hình 1.5 dịng điện đặt 3 pha được phân tích thành 2 thành phần
iα, iβ nhờ biến đổi Clark, giá trị dòng tải i(k) và 8 trạng thái vector điện áp sẽ ước
lượng được giá trị i(k+1). Trên trục tung iα có thể thấy được vector V2 tạo ra giá trị
𝑝

dòng dự báo gần với giá trị đặt nhất. Trong hình 1.6, giá trị dịng dự báo 𝑖α (V0,7)
tương ứng nếu 2 vector V0 và V7 được chọn tại thời điểm tk. Giá trị dịng dự báo có
9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN

Hình 1. 4. Mơ hình vector điện áp trên miền phức

Hình 1. 5. Dạng vector của dòng điện tham chiếu và dòng dự báo

10


HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

sai số là nhỏ nhất với giá trị đặt là vector V2, V6 đối với iα và vector V2, V3 đối với iβ
vậy vector V2 sẽ được chọn. Để biểu diễn các giá trị sai số giữa giá trị đặt với giá trị
do 8 vector tạo ra, ta định nghĩa đó là một hàm giá trị. Việc chọn vector tối ưu được
biểu diễn trên hình 1.7, ứng với mỗi vector điện áp tạo ra giá trị dòng dự báo tương
ứng với giá trị của hàm giá trị, vector V2 cho hàm giá trị là nhỏ nhất 0.24 sẽ được
chọn và được sử dụng để đóng cắt.

Hình 1. 6. Dịng điện tham chiếu và dịng điện dự báo

Hình 1. 7. Giá trị của cost function ứng với mỗi điện áp ngõ ra của
11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

Theo những trình bày ở trên, giải thuật dự báo đã được phát triển và ứng dụng
trong rộng rãi trong việc điều khiển các bộ biến đổi công suất, tuy nhiên đa phần các
ứng dụng này đa phần là để điều khiển dòng điện. Các ứng dụng trong điều khiển

điện áp chưa được nghiên cứu nhiều. Trong khi việc điều khiển được điện áp ngõ ra
của bộ nghịch lưu ln đóng một vai trò rất quan trọng trong các ứng dụng như DVR
hay UPS. Trong luận văn này sẽ trình bày một phương pháp mới để điều khiển điện
áp ngõ ra của bộ nghịch lưu dựa trên nền tảng của điều khiển dự báo
1.3.

Giới thiệu về bộ nghịch lưu ba bậc TNPC

Gần đây, việc sử dụng bộ nghịch lưu ba bậc NPC (Neutral-Point Clamped) đang
ngày càng phổ biến ở các ứng dụng địi hỏi cơng suất lớn, điện áp cao trong cơng
nghiệp. [37] bất chấp một vài khó khăn gặp phải trong việc cân bằng điện áp giữa
hai tụ điện nguồn DC, việc giảm điện áp Common Mode và việc giảm tổn hao đóng
ngắt [38] [39].
Bộ nghịch lưu ba bậc NPC được chia thành ba loại với ba câu hình khác nhau là:
Conventional NPC [40] (hình 1.8), Active NPC (A-NPC)[41] (hình 1.9) và T-Type
NPC (T-NPC) [42] (hình 1.10). Trong đó T-NPC có nhiêu ưu điểm nổi trội hơn hai
loại cịn lại ở chỗ: Số khóa đóng ngắt ít nhất làm cho tổn hao đóng ngắt sẽ ít nhất,
kích thước nhỏ gọn và dễ dàng xây dựng và lắp đặt. Chính những ưu điểm này làm
cho T-NPC trở nên ưu việt và được ưu tiên lựa chọn đầu tiên trong các ứng dụng địi
hỏi cơng suất cao.
Trong phần này sẽ trình bày về cấu trúc và sự chuyển mạch trong bộ nghịch lưu
3 pha 3 bậc TNPC. Mỗi nhánh của bộ nghịch lưu gồm 4 khóa cơng suất, trong đó 2
khóa T1, T4 mắc nối tiếp với nguồn DC và 2 khóa còn lại T2, T3 mắc nối tiếp ngược
chiều nhau với 1 đầu nối vào điểm giữa hai khóa T1, T4 và 1 đầu nối vào điểm giữa
nguồn DC.
Bộ nghịch lưu T-NPC kết hợp các ưu điểm của bộ nghịch lưu 2 bậc như tổn
hao dẫn thấp, số lượng linh kiện nhỏ hơn so với bộ nghịch lưu 3 bậc NPC, kích thước
12

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

nhỏ hơn, nguyên lí hoạt động đơn giản và với ưu điểm của bộ nghịch lưu 3 bậc như
tổn hao đóng cắt thấp và chất lượng điện áp tốt hơn so với 2 bậc.

Hình 1. 8. Bộ nghịch lưu ba bậc Conventional NPC

Hình 1. 9. Bộ nghịch lưu ba bậc A-NPC
13


HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1. 10. Bộ nghịch lưu ba bậc T-NPC
Sự chuyển mạch của bộ nghịch lưu ba bậc T-NPC
Điện áp ngõ ra của mỗi pha có 3 giá trị: +Vdc/2 (Positive), 0 (Neutral) và Vdc/2 (Negative). Ta kí hiệu 3 trạng thái này là P, O và N.
Bảng 1. 1. Các trạng thái đóng ngắt của bộ T-NPC và điện áp tương ứng

State

Vout

S1

S2

S3

S4

P

+Vdc/2

ON

ON

OFF

OFF

0

0

OFF

ON

ON

OFF

N

-Vdc/2

OFF

OFF

ON

ON

 Chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dịng điện theo chiều dương
trong hình 1.11:
- Mạch đang ở trạng thái O khóa S2 và S3 ON, dịng điện chạy qua khóa S2 và diot
D3 (dịng khơng chạy qua diot D1 do bị phân cực ngược )
- Trong khoảng Deadtime, S1 và S3 OFF, S2 ON dòng vẫn chạy qua khóa S2 và
D3
- Khi mạch ở trạng thái P, S1 và S2 ON, S3 và S4 OFF, dòng chạy qua khóa T1 rồi
qua tải.
14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN

Hình 1. 11. Sự chuyển mạch từ O sang P (I >0)

 Chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dịng điện theo chiều âm trong
hình 1.12:
- Mạch đang ở trạng thái O khóa S2 và S3 ON, dịng điện chạy qua khóa S3 và diot
D2
- Trong khoảng Deadtime, S1 và S3 OFF, dòng chạy qua diot D1
- Khi mạch ở trạng thái P, S1 ON, S3 OFF, dòng chạy qua diot D1.

Hình 1. 12. Sự chuyển mạch từ O sang P (I<0)
15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.4.

HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN

Tóm tắt luận văn

Phần tiếp theo của luận văn này được trình bày theo bố cục sau:
Chương 2: Trình bày về giải thuật điều khiển dự báo điện áp xét trên cấu hình
bộ nghịch lưu ba pha hai bậc. Kết quả mô phỏng được xem xét trên hai tần số lấy
mẫu khác nhau là 10 kHz và 20 kHz để đánh giá chất lượng của giải thuật
Chương 3: Trình bày về giải thuật điều khiển dự báo điện áp cho bộ nghịch lưu
ba pha ba bậc T-NPC. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành trên hai lọa
tải là tải tuyến tính và tải phi tuyến để xác minh tính tối ưu của bộ điều khiển
Chương 4: trình bày về cách thức xây dựng một bộ DVR trong đó nhấn mạnh
vào việc làm thế nào để bắt được góc pha và biên độ của điện áp bằng giải thuật
Phase-Lock Loop. Bên cạnh đó, việc bơm điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu lên lưới

điện để bổ sung phần điện áp bị sụt cho tải dựa vào máy biến áp bơm cũng được trình
bày. Phần kết quả mơ phỏng và kết quả thực nghiệm sẽ xác nhận tính khả thi và tính
đúng đắn của thuật tốn đã đưa ra.

16


HVTH: TRẦN NGỌC HẢI
CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐIỆN ÁP CHO BỘ
NGHỊCH LƯU BA PHA HAI BẬC

Đặc điểm chính của phương pháp điều khiển dự báo là sử dụng mơ hình rời rạc
hóa của hệ thống cho việc dự báo các giá trị tương lai của những biến điều khiển. Do
tính chất đặc biệt này, việc mơ hình hóa hệ thống là điều rất qua trọng. Trong luận
văn này, có hai mơ hình cần được xem xét việc mơ hình hóa đó là mơ hình của bộ
nghịch lưu ba pha và mơ hình của bộ lọc thơng thấp LC
Hình 2.1 biểu diễn mơ hình của hệ thống sẽ được phân tích trong mục này, bao
gồm bộ nghịch lưu ba pha hai bậc với bộ lọc LC ở ngõ ra, tín hiệu sau khi qua bộ lọc
sẽ được cung cấp đến tải.

Hình 2. 1. Sơ đồ khối bộ nghịch lưu với bộ lọc LC ở ngõ ra

17


HVTH: TRẦN NGỌC HẢI

CBHD: NGUYỄN ĐÌNH TUN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.1.

Mơ hình hóa bộ nghịch lưu ba pha hai bậc

Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn (từ S1 đến S6) sẽ được xác định qua
theo quy tắc sau đây:
1 𝑛ế𝑢 𝑆1 𝑜𝑛 𝑣à 𝑆4 𝑜𝑓𝑓
}
0 𝑛ế𝑢 𝑆1 𝑜𝑓𝑓 𝑣à 𝑆4 𝑜𝑛

(2.1)

1 𝑛ế𝑢 𝑆2 𝑜𝑛 𝑣à 𝑆5 𝑜𝑓𝑓
}
0 𝑛ế𝑢 𝑆2 𝑜𝑓𝑓 𝑣à 𝑆5 𝑜𝑛

(2.2)

1 𝑛ế𝑢 𝑆3 𝑜𝑛 𝑣à 𝑆6 𝑜𝑓𝑓
}
0 𝑛ế𝑢 𝑆3 𝑜𝑓𝑓 𝑣à 𝑆6 𝑜𝑛

(2.3)

𝑆𝑎 = {

𝑆𝑏 = {

𝑆𝑐 = {

Và có thể được biểu diễn ở dạng vector như sau:
2

𝑆 = (𝑆𝑎 + 𝑎𝑆𝑏 + 𝑎2 𝑆𝑐 )
3

(2.4)

Với a = 𝑒 𝑗(2𝜋/3)
Vector điện áp ngõ ra của bộ inverter được xác định bởi công thức:
2

𝑣𝑖 = (𝑣𝑎𝑁 + 𝑎𝑣𝑏𝑁 + 𝑎2 𝑣𝑐𝑁 )
3

(2.5)

Với 𝑣𝑎𝑁 , 𝑣𝑏𝑁 , 𝑣𝑐𝑁 là điện áp trên các pha ngõ ra của bộ nghịch lưu so với điện
cực (-) của nguồn DC.
Từ (2.4) và (2.5) rút ra được mối liên hệ giữa vector điện áp ngõ ra của inverter
với vector trạng thái đóng ngắt S như sau:
𝑣𝑖 = 𝑆𝑉𝑑𝑐

(2.6)

Do đó ứng với tám trạng thái đóng ngắt khác nhau của 3 tín hiều đóng ngắt

𝑆𝑎 , 𝑆𝑏 𝑣à 𝑆𝑐 sẽ có tám trạng thái của vector điện áp ngõ ra cho bộ inverter như hình
2.2.

18