Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho bộ nghịch lưu đa mức NNPC ứng dụng cho hệ thống biến đổi trung áp (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VIẾT CƢỜNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO BỘ NGHỊCH
LƢU ĐA MỨC NNPC ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG
BIẾN ĐỔI TRUNG ÁP

C
C
R
UT.L

D

Chuyên ngành

Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 8520216

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học:

TS. NGƠ VĂN QUANG BÌNH

Phản biện 1: TS. GIÁP QUANG HUY
Phản biện 2: TS. HÀ XUÂN VINH

C
C
R
UT.L

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

D

2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu và Truyền thông tại Trường Đại học
Bách khoa - ĐHĐN
- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, các thiết bị ngành cơng nghiệp bắt đầu địi hỏi có
cơng suất cao hơn, như các bộ truyền động trong bơm, quạt, băng
chuyền và đặc biệt là trong hệ thống năng lượng tái tạo. Trong đó

hầu hết sử dụng các ứng dụng trung áp với dải điện áp phạm vi
2.27.2 kV và công suất 110 MW [1-4]. Với bộ nghịch lưu hai mức
trước đây tuy có nhiều sự phát triển nhưng chỉ phù hợp với các
truyền động công suất nhỏ. Hơn nữa dạng sóng điện áp đầu ra của bộ
nghịch lưu hai mức có thành phần hài bậc cao khá lớn. Ngày nay, các
bộ nghịch lưu đa mức đang được áp dụng rộng rãi cho hệ thống trung
áp công suất lớn do những ưu điểm so với bộ nghịch lưu 2 mức như
khả năng tăng cơng suất, độ méo sóng hài của đầu ra nhỏ, giảm tổn
thất trên các khóa và điện áp common-mode [1-5]. Trong đó các bộ
nghịch lưu đa mức được áp dụng phổ biến có cấu trúc dạng cầu H
nối tầng (cascaded H-bridge - CHB), dạng điôt kẹp (Neutral Point
Clamped - NPC) và dạng flying capacitor (FC). Tuy nhiên, các cấu
trúc này có một số nhược điểm làm hạn chế các ứng dụng của nó.
Gần đây, bộ nghịch lưu Nested Neutral Point Clamped (NNPC) bắt
đầu được chú trọng áp dụng cho dải điện áp 2.4-7.2 kV, đặc biệt đối
với hệ thống năng lượng tái tạo nhờ tận dụng ưu điểm kết hợp giữa
cấu trúc flying capacitor và neutral-point clamped như giảm số khóa
bán dẫn, điện áp đặt lên các khóa như nhau và khơng cần nhiều
nguồn một chiều cách ly, dẫn đến giảm kích thước và giá thành hệ
thống và đơn giản hơn trong việc điều khiển [5-6].
Một số phương pháp điều chế như điều chế độ rộng xung
(pulse width modulation - PWM) và điều chế vectơ không gian
(space vector modulation - SVM) đã được đề xuất cho việc đóng cắt
khóa bán dẫn và cân bằng điện áp trên các tụ điện của bộ nghịch lưu
NNPC [7-11]. Tuy nhiên, các phương pháp PWM tập trung chủ yếu
ở điều kiện hoạt động ở tần số cao của đầu ra và bị giới hạn của chỉ
số điều chế.

D

C
C
R
UT.L


2
CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC
1.1. Khái niệm
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn
điện một chiều sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp
cho tải xoay chiều. Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn
một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là
điện áp.
Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có vai trị như một khóa
dùng để đóng, ngắt dịng điện qua nó. Trong các ứng dụng với cơng
suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transitor BJT, MOSFET, IGBT làm
khóa và ở phạm vi cơng suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT …
Bộ nghịch lưu áp dựa theo các tiêu chí khác nhau có thể
phân loại như sau:
- Theo số pha điện áp đầu ra: một pha, ba pha.
- Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện
thế chuẩn trên mạch (phase to pole voltage): hai mức (two level), đa
mức (multilevel).
- Theo cấu trúc của bộ nghịch lưu: dạng nối tầng (cascade
inverter), dạng điôt kẹp (diode clamped inverter), dạng flying
capacitor …
- Theo phương pháp điều chế:

+ Phương pháp điều rộng.
+ Phương pháp điều biên.
+ Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang
(carrier-based pulse width modulation - CBPWM).
+ Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (switching
frequency optimal pulse width modulation - SFOPWM).

D

C
C
R
UT.L


3
+ Phương pháp điều chế vectơ không gian (space vector
modulation - SVM).
+ Phương pháp loại bỏ sóng hài (Selected Harmonic
Elimination - SHE).
Sự tiến bộ gần đây trong việc nâng cao tính năng dịng, áp
của các thiết bị chuyển mạch như IGBT, IGCT, GTO đã thúc đẩy
việc sử dụng các bộ nghịch lưu nguồn áp trong lĩnh vực công suất
lớn. Các bộ nghịch lưu với dòng điện lớn và điện áp cao ngày càng
ứng dụng rộng rãi trong các bộ truyền động trong bơm, quạt, băng
chuyền, trong truyền tải điện xoay chiều như bộ bù tĩnh (static var
compensator) và đặc biệt là trong hệ thống năng lượng tái tạo. Trong
đó hầu hết sử dụng các ứng dụng trung áp với dải điện áp phạm vi
2.2-7.2 kV và công suất 1-10 MW [1-5].
Cấu trúc chung của bộ nghịch lưu áp nhiều mức (đa mức)

bao gồm một dãy các khóa chuyển mạch cơng suất, điện áp trên các
tụ điện, trong đó điện áp đầu ra có dạng bậc thang được tổng hợp từ
một số mức điện áp từ nguồn áp của tụ điện [2]. Q trình chuyển
mạch của các khóa cho phép bổ sung điện áp từ các tụ điện để đạt
được mức điện áp cao ở đầu ra, trong khi điện áp đặt lên các khóa
bán dẫn được giảm xuống. Vì vậy, cấu trúc này cho phép làm việc
với công suất định mức lớn và chất lượng điện áp đầu ra tốt hơn so
với bộ nghịch lưu 2 mức thơng thường. Hình 1.1 biểu diễn sơ đồ
nguyên lý của một nhánh trong bộ nghịch lưu có nhiều mức điện áp
khác nhau, trong đó hoạt động của khóa bán dẫn được thể hiện bằng
một chuyển mạch nhiều vị trí lý tưởng.

D

C
C
R
UT.L


4

Hình 1.1: Một nhánh của bộ nghịch lưu với a) 2 mức, b) 3
mức và c) n mức [2].
1.2. Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lƣu áp đa mức
1.2.1. Bộ nghịch lưu điôt kẹp (diode clamped multilevel inverter)
1.2.2. Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor
1.2.3. Bộ nghịch lưu nhiều mức kiểu cầu H nối tầng (cascade Hbridge multilevel inverter)
1.3. Bộ nghịch lƣu cấu trúc NNPC
1.3.1 Cấu trúc:

Gần đây, một cấu trúc bộ nghịch lưu đa mức mới được đề
xuất cho các ứng dụng trung áp công suất lớn [5-6], được gọi là bộ
nghịch lưu cấu trúc NNPC. Cấu hình của bộ nghịch lưu 4 cấp điện áp
cấu trúc NNPC được trình bày trong hình 1.11. Bộ nghịch lưu có thể
hoạt động trong dải điện áp 2,4-7,2 kV mà không cần mắc nối tiếp
các khóa bán dẫn. Ngồi ra, cấu trúc này vẫn có bốn cấp độ ở điện áp
đầu ra và không giống như các bộ nghịch lưu đã đề cập ở trên, tất cả
các khóa bán dẫn có cùng điện áp đặt (bằng một phần ba điện áp một
chiều Vdc). So với các cấu trúc nghịch lưu bốn cấp thơng thường, nó
có số lượng các thành phần và độ phức tạp ít hơn như thể hiện trong

D

C
C
R
UT.L


5
bảng 1.6. So với cấu trúc bộ nghịch lưu 4L-NPC cần phải có tổng
cộng 39 thành phần, bao gồm 18 khóa bán dẫn, 18 điốt kẹp và ba tụ
điện, biến tần 4L-NNPC chỉ cần 30 thành phần, trong đó có 18 công
tắc, 6 điốt kẹp và 6 tụ điện. So với FC bốn cấp, nó có ít tụ điện hơn.
Ngồi ra, không giống như bộ nghịch lưu CHB, cấu trúc này khơng
cần có một máy biến áp dịch pha để tạo ra các nguồn một chiều cách
ly.
Cấu trúc bộ nghịch lưu NNPC là sự kết hợp giữa bộ nghịch
lưu cấu trúc FC gồm các thành phần phía ngồi Sa1, Sa2, Sa5, Sa6, Ca1
và Ca2 ở pha A và cấu trúc NPC gồm các thành phần bên trong Sa3,

Sa4, Da1, Da2, Sa2 và Sa5 trong cùng một pha. Các cấu trúc NPC bên
trong và FC bên ngoài được ghép vào thành một cấu trúc, do đó nó
được gọi là bộ nghịch lưu NNPC. Điện áp đặt lên mỗi khóa bán dẫn
trong bộ nghịch lưu là 2E/3, trong đó E là một nửa điện áp nguồn
một chiều Vdc, ngoại trừ điện áp đặt lên các tụ ở phía nguồn một
chiều C1 và C2 bằng E.
Khác với nghịch lưu NPC, điốt kẹp Da1 và Da2 ở pha A của
bộ nghịch lưu NNPC không nối với điểm giữa ảo Z của phía mạch
điện một chiều. Thay vào đó, chúng được nối với điểm giữa của hai
tụ điện Ca1 và Ca2. Ở đây chúng ta lưu ý rằng hoạt động của bộ
nghịch lưu đa mức NNPC không yêu cầu điểm giữa của mạch điện
một chiều Z được cung cấp bởi 2 tụ điện một chiều C1 và C2. Trong
thực tế một tụ điện một chiều điện áp cao nối trực tiếp với nguồn
điện cung cấp được sử dụng nhiều hơn. Tuy nhiên, để thuận tiện cho
việc phân tích về nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu NNPC,
điểm giữa của mạch điện một chiều Z được cung cấp như trong hình
1.11.

D

C
C
R
UT.L


6
CHƢƠNG 2

PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO

2.1 Tổng quan các phƣơng pháp điều khiển cho bộ nghịch lƣu
Sự phát triển của các phương pháp điều khiển cho các bộ
biến đổi công suất đang là chủ đề nghiên cứu hiện nay. Hình 2.1
trình bày một số phương pháp điều khiển phổ biến đang được áp
dụng và một số phương pháp điều khiển mới có nhiều triển vọng
phát triển trong tương lai [17,18]. Trong đó, phương pháp điều khiển
trễ (hysteresis control) và tuyến tính được ứng dụng rộng rãi trong
các ngành cơng nghiệp. Các phương pháp điều khiển nâng cao bao
gồm phương pháp điều khiển trượt (sliding mode control), điều khiển
hiện đại (intelligent control) và điều khiển dự đốn (predictive
control).

C
C
R
UT.L

D

Hình 2.1: Phân loại các phương pháp điều khiển cho các bộ biến đổi
công suất


7
2.1.1 Phương pháp điều khiển tuyến tính
2.1.2 Phương pháp điều khiển trễ
2.1.3 Phương pháp điều khiển trượt
2.1.4 Phương pháp điều khiển hiện đại
2.1.5 Phương pháp điều khiển dự đoán
2.2 Phƣơng pháp điều khiển theo mơ hình dự báo

2.2.1 Tổng quan
Điều khiển dựa theo mơ hình dự báo (Model Predictive Control MPC), hay còn thường được gọi ngắn gọn là điều khiển dự báo, ra
đời vào cuối thập niên 70 và đầu thập niên 80 của thế kỷ trước, là
một xu hướng điều khiển được ưa chuộng. Trong hai thập kỷ trở lại
đây, điều khiển dự báo đã có những bước phát triển rất đáng kể, đóng
góp khá nhiều các phương pháp về mặt học thuật cũng như đẩy mạnh
khả năng ứng dụng của MPC trong thực tế, điều đó được thể hiện
trong các tài liệu [17,18] với hơn 3000 ứng dụng vào điều khiển quá
trình, điều khiển robot, điều khiển các hệ bay… Bản chất của điều
khiển dự báo là sử dụng mơ hình tốn học của đối tượng để tính tốn
tối ưu các biến điều khiển thơng qua các phương pháp tối ưu hóa.

D

C
C
R
UT.L


8

C
C
R
UT.L

D

Hình 2.8: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển dự báo

Hình 2.8 biểu diễn cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều
khiển theo mơ hình dự báo. Hệ thống điều khiển dự báo làm việc
theo nguyên lý sau: Bộ điều khiển dự báo dùng một mô hình tốn
học để đốn trước đáp ứng tương lai của đối tượng điều khiển tại các
thời điểm rời rạc trong một phạm vi dự báo nhất định. Dựa vào đáp
ứng dự báo này, một thuật tốn tối ưu hóa được sử dụng để tính tốn
chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai trong phạm vi điều khiển sao cho
sai lệch giữa đáp ứng dự báo bởi mơ hình và tín hiệu chuẩn cho trước
là tối thiểu. Phương pháp điều khiển dự báo là phương pháp tổng
quát thiết kế bộ điều khiển trong miền thời gian có thể áp dụng cho
hệ tuyến tính cũng như hệ phi tuyến.


9
Bộ điều khiển MPC áp dụng cho các bộ biến đổi cơng suất
được chia thành hai nhóm chính: Bộ điều khiển dự báo với trạng thái
liên tục (Continuous Control Set MPC) và bộ điều khiển theo mơ
hình dự báo với số trạng thái hữu hạn (Finite Control Set MPC) [20].
Theo phương pháp CCS-MPC, các biến điều khiển là các tín hiệu
liên tục, trong đó bài tốn tối ưu được giải quyết trực tiếp bằng cách
sử dụng thuật toán quadratic program (QP) hay được tính tốn trước
bằng giải thuật explicit (hình 2.9). Bằng cách sử dụng phương pháp
này, chất lượng đầu ra của hệ thống tốt hơn so với phương pháp điều
khiển truyền thống. Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một vài điểm hạn chế
như là không dễ dàng áp dụng cho các hệ thống phi tuyến, mất nhiều
thời gian giải quyết bài toán tối ưu nhất là với trường hợp số trạng
thái khóa bán dẫn và phạm vi dự báo lớn. Vì vậy, phương pháp này
địi hỏi cấu hình phần cứng mạnh, khó phù hợp cho việc cài đặt thuật
tốn điều khiển trên các hệ thống xử lý tín hiệu phổ biến.

C
C
R
UT.L

D

Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển dự báo với trạng thái
liên tục


10
Ngược lại với phương pháp điều khiển CCS-MPC, phương
pháp điều khiển FCS-MPC giảm được sự phức tạp trong việc giải
quyết bài toán tối ưu bằng cách chỉ đánh giá hàm tối ưu trong số
trạng thái hữu hạn của khóa bán dẫn, từ đó chọn trạng thái tối ưu từ
giá trị nhỏ nhất của hàm mục tiêu [17-22]. FCS-MPC là một phương
pháp điều khiển được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng như
truyền động điện, bộ bù công suất phản kháng, truyền tải điện một
chiều và bộ lưu điện do những ưu điểm:


Tích hợp bản chất gián đoạn của các bộ biến đổi cơng
suất



Có đáp ứng động học nhanh và chất lượng cao ở trạng
thái xác lập



Dễ dàng áp dụng cho các hệ thống đa biến



Việc giải bài toán tối ưu đơn giản do số lượng trạng thái
của hệ thống là hữu hạn



Có thể áp dụng rộng rãi cho các cấu trúc biến đổi cơng

C
C
R
UT.L

D

suất và truyền động điện


Tính phi tuyến và các ràng buộc như tần số chuyển
mạch của khóa bán dẫn, điện áp common-mode … có
thể được tích hợp trực tiếp vào bộ điều khiển



Bù được thời gian tính tốn và thời gian chết của các

khóa bán dẫn



Cấu trúc đơn giản và dễ dàng trong việc thực thi bộ điều
khiển trong thực tế
Phương pháp điều khiển FCS-MPC thông thường được chia
thành 2 loại: vectơ chuyển mạch tối ưu (Optimal switching vector
MPC) và trình tự chuyển mạch tối ưu (Optimal switching sequence
OSS-MPC). Với phương pháp đầu tiên, trạng thái khóa bán dẫn tối


11
ưu được áp đặt trực tiếp lên bộ biến đổi công suất mà không cần bộ
điều biến, dẫn đến tần số chuyển đổi thay đổi. Tuy nhiên, tần số
chuyển đổi có thể được hạn chế bằng cách đưa vào một ràng buộc
hạn chế trong hàm mục tiêu của bộ điều khiển. Ngược lại, phương
pháp OSS-MPC xác định trình tự chuyển mạch tối ưu (trạng thái
chuyển mạch và thời gian đóng cắt tương ứng trong một chu kỳ) sẽ
được áp đặt cho bộ biến đổi công suất trong chu kỳ lấy mẫu tiếp
theo. Sau đó, trình tự chuyển mạch được thực hiện thông thường dựa
trên khối điều chế véc tơ không gian, do đó nó tạo ra một tần số
chuyển đổi cố định. Trong nội dung luận văn, phương pháp vectơ
chuyển mạch tối ưu được chọn lựa cho việc nghiên cứu và áp dụng
cho việc điều khiển bộ nghịch lưu 4L-NNPC.

C
C
R
UT.L

2.2.2 Phương pháp điều khiển theo mơ hình dự báo với số trạng
thái hữu hạn

D

a) Nguyên lý điều khiển


12
CHƢƠNG 3

ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO MƠ
HÌNH DỰ BÁO VỚI SỐ TRẠNG THÁI HỮU HẠN CHO
BỘ NGHỊCH LƢU NNPC
3.1 Mơ hình tốn học của bộ nghịch lưu NNPC
3.1.1 Trường hợp tải RL
P

Sa1

Ca1

Sa2

Sa3
A

Sb1

C
C
R
UT.L

Cb1

D

N

Sa5

Sa6

Cc1

Sb3

Sc2

Sc3
Rl

B

Sa4

Ca2

Sb2

ioa

Z

Vdc

Sc1

ioc

Sb4

Cb2

Sb5

Sb6

n

C

iob

Sc4

Cc2

Sc5

Sc6

Ll


13
Hình 3.1: Cấu trúc của bộ nghịch lưu 4L-NNPC
Cấu trúc của bộ nghịch lưu 4 mức kiểu NNPC (4L-NNPC)
được biểu diễn trên hình 3.1. Theo sự phân tích ở mục 1.3, chúng ta
có 63 = 216 trường hợp các khóa bán dẫn đóng cắt khác nhau tương
ứng 64 vectơ khơng gian đối với bộ nghịch lưu 4L-NNPC (hình 3.2).
Mỗi pha có 6 trạng thái chuyển mạch 3, 2A, 2B, 1A, 1B và 0 tương
ứng với 4 cấp điện áp đầu ra -Vdc/2, -Vdc/6, Vdc/6 và Vdc/2. Trong đó,
4 trạng thái 2A, 2B, 1A và 1B tác động khác nhau lên điện áp các tụ
điện tùy theo chiều của dòng điện tải. Từ đó, dẫn đến sự mất cân
bằng trên điện áp của các tụ điện. Trong mỗi nhánh của biến tần, ba
cặp khóa bán dẫn (Sa1, Sa6), (Sa2, Sa4) và (Sa3, Sa5) hoạt động theo
nguyên tắc bổ sung. Trạng thái đóng cắt của các khóa bán dẫn được
tổng quát hóa ở bảng 3.1.

C
C
R
UT.L

D

Hình

Giản

khơng gian vectơ của bộ nghịch lưu 4L-NNPC

3.2:
đồ


14
Bảng 3.1: Trạng thái khóa bán dẫn và điện áp pha tương ứng
của bộ nghịch lưu 4L-NNPC với
Trạng thái
khóa bán
dẫn

Trạng thái của từng khóa bán
dẫn

Điện áp
pha đầu
ra

Sx

Sx1

Sx2

Sx3

Sx4

Sx6

Lx

uxZ

3

On

On

On

Off Off Off

3

Vdc/2

2A

Off

On

On

Off Off

On

2

Vdc/6

2B

On

Off

On

On

Off Off

2

Vdc/6

1A

Off Off

On

On

Off

On

1

-Vdc/6

1B

On

Off Off

On

On

Off

1

-Vdc/6

Off Off Off

On

On

On

0

-Vdc/2

0

Sx5

Mức
điện áp
đầu ra

C
C
R
UT.L

Điện áp pha được định nghĩa là điện áp giữa đầu ra của mỗi
pha của bộ nghịch lưu và điểm giữa của nguồn một chiều. Với giả
thiết điện áp trên các tụ điện được cân bằng, mối quan hệ giữa điện
áp pha (ux) và mức điện áp đầu ra (Lx) được biểu diễn như sau:

D

trong đó Vdc là điện áp một chiều cung cấp. Lx là mức điện áp đầu ra
tương ứng với các trạng thái đóng cắt của khóa bán dẫn

,

.

Điện áp pha đầu ra của bộ nghịch lưu uxN giữa đầu ra (x) và
điểm âm nguồn điện một chiều cung cấp (N) có thể được mơ tả bằng
[21]:

Điện áp pha đầu ra của bộ nghịch lưu liên quan đến điểm
trung tính của tải (n) được xác định như sau:


15
trong đó uNn được tính như sau:

Mơ hình động học biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và
dòng điện tải của bộ nghịch lưu như sau:

trong đó uo = [uan, ubn, ucn]T là điện áp pha đầu ra của bộ nghịch lưu.
io = [ioa, iob, ioc]T là dòng điện tải. Rl, Ll là điện trở và điện cảm của
tải.
Từ phương trình (3.5), mơ hình của tải được biểu diễn dưới
dạng liên tục theo thời gian:

C
C
R
UT.L

D

Để cài đặt thuật toán điều khiển lên bộ vi xử lý của phần
cứng, mô hình của tải dưới dạng liên tục theo thời gian được chuyển
đổi thành dạng gián đoạn theo thời gian. Trong nội dung nghiên cứu,
phương pháp xấp xỉ gần đúng Euler bậc 1 được sử dụng cho phương
trình (3.6) như sau:
=
(3.7)
trong đó Ts là thời gian lấy mẫu của bộ điều khiển.
Bằng cách thay thế phương trình (3.7) vào phương trình
(3.6), mơ hình gián đoạn theo thời gian của dịng điện tải đầu ra có
thể viết lại như sau:


16
(1 -

)+

(3.8)
Mơ hình của các tụ điện dưới dạng liên tục theo thời gian có
thể được biểu diễn dưới dạng sau:

(3.9)
trong đó

biểu thị tụ điện với j = 1, 2, x = a, b, c.

là dòng điện

chạy qua tụ điện được xác định bằng trạng thái chuyển mạch của
khóa bán dẫn và dòng điện tải như:

C
C
R
UT.L

D

(3.10)
Áp dụng phép biến đổi tương tự, điện áp trên các tụ điện
dưới dạng gián đoạn theo thời gian tại thời điểm k + 1 được suy ra từ
phương trình (3.9):

(3.11)
Phương trình (3.8) cho thấy rằng dòng điện tải đầu ra dự báo
tại thời điểm k + 1 yêu cầu giá trị đo lường của dòng điện tải tại thời
điểm k và điện áp đầu ra dự báo của bộ nghịch lưu. Trong đó, điện
áp đầu ra dự báo được xác định dựa trên tổ hợp 216 trạng thái của
khóa bán dẫn và điện áp nguồn một chiều cung cấp. Tương tự, giá trị
dự báo của điện áp trên các tụ điện được xác định phụ thuộc vào


17
dịng điện tải và trạng thái của khóa chuyển mạch theo phương trình
(3.10) và (3.11).
3.2 Phƣơng pháp điều khiển dự báo cho bộ nghịch lƣu NNPC
3.2.1 Áp dụng phương pháp điều khiển dự báo dịng điện cho bộ
nghịch lưu NNPC

C
C
R
UT.L

D

Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển dự báo dòng điện cho bộ
nghịch lưu 4L-NNPC
Sơ đồ của phương pháp điều khiển dự báo dịng điện được
hiển thị trong hình 3.4. Phương pháp điều khiển đề xuất sử dụng mơ
hình gián đoạn theo thời gian để dự đoán các đáp ứng trong tương lai
của các biến điều khiển.
3.2.2 Áp dụng phương pháp điều khiển cơng suất trực tiếp dựa
theo mơ hình dự báo cho bộ nghịch lưu NNPC nối lưới điện


18
3.3 Mơ phỏng, phân tích và đánh giá hệ thống trên phần mềm
Matlab/Simulink
3.3.1 Điều khiển dự báo dòng điện cho bộ nghịch lưu với tải RL
a) Phân tích trạng thái ổn định:

Hình

C
C
R
UT.L

điện

D

3.8:
Dịng
tải 3

pha ở trạng thái xác lập

Hình
3.9: Dịng điện tải đầu ra và dòng điện tham chiếu


19

Hình 3.10:
Điện áp
trên các tụ điện ở trạng thái xác lập
b) Phân tích trạng thái q độ/chuyển tiếp:

C
C
R
UT.L

D

Hình 3.11: Dịng điện 3 pha tải đầu ra ứng với trạng thái chuyển tiếp

từ 500 đến 200 A


20

C
C
R
UT.L

Hình 3.12: Điện áp trên các tụ điện ứng với trạng thái chuyển tiếp
của dịng điện

D

Hình 3.13: Đáp ứng dịng điện pha của phương pháp điều khiển sử
dụng PI và SPVM [21]


21

Hình 3.14: Điện áp trên các tụ điện của phương pháp điều khiển sử
dụng PI và SPVM [21]
3.3.2 Điều khiển trực tiếp công suất cho bộ nghịch lưu nối lưới
điện dựa theo mơ hình dự báo
a) Phân tích trạng thái ổn định:
Bảng 3.3: Các thông số của hệ thống mô phỏng

C
C

R
UT.L

D

Thông số

Giá trị

Công suất định mức

4 MVA

Điện áp dây của lưới

4 kVA

Tần số lưới điện

50 Hz

Điện trở bộ lọc

42 mΩ

Điện cảm bộ lọc

3 mH

Điện áp một chiều cung cấp

7071 V

Tụ điện

2000 µF

Chu kỳ lấy mẫu của bộ điều khiển

100 µs


22

a) Đáp ứng dòng điện lưới 3 pha

C
C
R
UT.L

D

b) Điện áp pha và dòng điện pha A của lưới điện


23

c) Điện áp dây đầu ra của bộ nghịch lưu

C
C
R
UT.L

Hình 3.15: Kết quả mô phỏng ở trạng thái xác lập với

D

và

Hình 3.16: Phân tích Fourier nhanh của dịng điện pha