Điều khiển nghịch lưu 3-Pha 4-dây trong hệ thồng nguồn phân tán độc lập - Nguyễn Văn Liễn

Nguyễn Văn Liễn và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 129 - 136 129 ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU 3-PHA 4-DÂY TRONG HỆ THỒNG NGUỒN PHÂN TÁN ĐỘC LẬP Nguyễn Văn Liễn1*,Trần Minh Đức2, Ngô Đức Minh3 1Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2Trường Cao đẳng nghề Lilama2, 3Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên, TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu điều khiển nghịch lưu 3 pha 4 dây cho một hệ thống nguồn phân tán làm việc ở chế độ độc lập. Trong đó, kỹ thuật điều khiển được kết hợp giữa bộ điều khiển trượt để điều khiển vòng lặp dòng điện ở bên trong (DSMC) và bộ điều khiển bền vững để điều khiển điện áp được phát triển dưới hệ tọa độ tham chiếu tĩnh αβ0 (Clarke’s) sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian (MSVPWM) nhằm đạt mục đích ổn định giá trị điện áp với trạng thái sai lệch tĩnh giảm và tổng độ méo dạng sóng hài thấp dưới quy định cho phép, hàm truyền đáp ứng nhanh khi nhiễu tải thay đổi. Ngoài ra, bên cạnh việc phát triển và mô tả thuật toán, một thảo luận tiếp theo được đề xuất là nghiên cứu thiết kế bộ lọc L-C, nâng cao động học hàm truyền của vòng lặp kín dòng điện và điện áp trên miền tần số và mô phỏng hệ thống trong điều kiện tải khác nhau. Từ khóa: In3Leg, Tham chiếu tĩnh αβ0, DSMC, MSVPWM, bộ điều khiển RSC ĐẶT VẤN ĐỀ* Bộ nghịch lưu 3-pha 4-dây hoạt động trong hệ thống điện nguồn phân tán, bộ nghịch lưu giao tiếp với tải theo kiểu của hệ thống 4-dây. Nghịch lưu 4-dây có hai loại: loại 4-leg và loại 3-leg kết hợp với điểm giữa của nguồn một chiều (In3Leg). Trong bài báo này sử dụng loại thứ hai In3Leg với kỹ thuật điều khiển thực hiện trong tọa độ tham chiếu tĩnh αβ0 sử dụng phương pháp điều chế vector không gian. Trước khi hoạt động trong chế độ nối lưới, các In3Leg cần làm việc ở chế độ cách ly. Trước đây, các nghiên cứu trong lĩnh vực này chủ yếu sử dụng kỹ thuật điều khiển truyền thống: điều khiển PID, điều khiển bền vững, điều khiển trượt, điều khiển thông minh. Trong bài báo này, các tác giả sử dụng một kỹ thuật điều khiển mới kết hợp giữa điều khiển bền vững và điều khiển trượt. Ưu điểm của kỹ thuật điều khiển phức tạp và tiết kiệm được 2 chuyển mạch công suất. CẤU TRÚC HỆ THỐNG VÀ CÁC MÔ TẢ TOÁN HỌC Hệ thống In3Leg được lựa chọn có mô hình như hình 1: Trong sơ đồ cấu trúc của In3Leg, điểm giữa của bus DC được nối đất, ngõ ra của bộ * Tel: 0913 090406, Email: liennv@mail.hut.edu.vn nghịch lưu được kết nối qua bộ lọc L-C 3pha trước khi cung cấp cho tải. Hình 1. Bộ nghịch lưu In3Leg Mô tả hệ thống trong hệ tọa độ ABC Vector điện áp pha của In3Leg: Vpwm = [vpwmA, vpwmB, vpwmC ]T Vector dòng điện ngõ ra của In3Leg: Iinv = [ iinvA, iinvB, iinvC]T. Vector điện áp của In3Leg đặt lên tải : Vload = [vloadA,vloadB,vloaDC ]T Vector dòng tải 3-pha : Iload = [iloadA, iloadB, iloaDC ]T Bộ lọc có điện trở nối tiếp Rf, cuộn cảm Lf, và tụ điện Cf. Từ hình 1 viết được các phương trình: Nguyễn Văn Liễn và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 129 - 136 130 Chuyển hệ tọa độ Clarke’s Các mô tả trên trong hệ tọa độ ABC hoàn toàn có thể tham chiếu sang hệ tọa độ tĩnh αβ0 nhờ phép biến đổi tọa độ Clarke’s. Sơ đồ như hình 2. Hình 2. Tọa độ tham chiếu αβ0 tĩnh Trong đó fABC là vector xác định trong tọa độ ABC, fαβ0 là vector trong tọa độ αβ0. Và ma trận Tαβ0 được xác định như là ma trận của biến đổi ABC sang αβ0. Tương tự, (1) và (2) được viết lại như sau: Để không mất tính tổng quát, hệ thống được quy đổi về mạch tương đương như hình 3. Gọi: vload,eq: Điện áp tải tương đương iinv,eq: Dòng nghịch lưu iload,eq: Dòng tải tương đương vpwm: Ký hiệu điện áp nghịch lưu. Từ hình 3 viết được : Hình 3. Sơ đồ thay thế một pha của In3Leg Chuyển đổi từ hệ thống thực sang hệ đơn vị tương đối (pu) và không gian trạng thái Để thuận lợi cho xây dựng các thuật điều khiển, hệ thống có thể chuyển đổi sang hệ thống đơn vị tương đối (pu). Trong đó tất cả các biến và các tham số đã được chuẩn hóa: Srate : công suất biểu kiến Vrate: điện áp pha trung bình RMS Các giá trị cơ bản được suy ra: Tương ứng với các giá trị tính trong hệ đơn vị thực vload , iinv , iload , vpwm: Vload: điện áp trên tải; Iinv: dòng nghịch lưu; Vpwm: điện áp nghịch lưu PWM. Các giá trị đơn vị này có thể được mô tả như sau Nguyễn Văn Liễn và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 129 - 136 131 và các tham số của mạch cũng sẽ được đổi sang hệ đơn vị thực: Trong đó: là tần số góc cơ bản. Khi đó ta có mô hình tương đương như sau, hình 4 tương ứng với các mô tả (8), (9): Hình 4. Mô hình của In3Leg trong hệ pu Bước tiếp theo là mô tả hệ thống trong không gian trạng thái: Trong đó các biến trạng thái: , biến điều khiển ngõ vào u = vpwm, nhiễu ngõ vào d = iload và các ma trận XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN Cấu trúc điều khiển như hình 5, gồm 2 vòng nối tầng: Hình 5. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển - Mạch vòng điều khiển dòng điện phía trong là một bộ điều khiển trượt gián đoạn (DSMC). - Mạch vòng điều khiển điện áp phía ngoài bộ điều khiển bền vững có khâu điều chế vector không gian (MSVPWM) - Các giá trị: vref là điện áp tham chiếu của tải, là dòng nghịch lưu mong muốn, icmd dòng nghịch lưu thực tế, điện áp PWM yêu cầu, vpwm điện áp ngõ ra của bộ điều chế thực tế. Thiết kế bộ điều khiển trượt Từ phương trình (10) một bộ điều khiển trượt điều khiển được xây dựng theo các bước: Chọn chu kỳ lấy mẫu Ts. khi đó bộ điều khiển dòng cho In3Leg thiết kế được: Trong đó: Để dòng điện ngõ của bước tiếp theo y(k+1) bám theo dòng điện tham chiếu ngõ vào icmd(k), chế độ điều khiển trượt sẽ phân phối sự chọn lựa theo dạng: s(k)=CiX(k) + icmd(k) Độ bám sai lệch, như vậy khi đó ở chế độ mặt phẳng trượt, ngõ ra y(k) có khuynh hướng về giá trị mẫu icmd(k). Chế độ mặt phẳng trượt có thể đạt được nếu tín hiệu điều khiển ngõ ra u(k) được thiết kế: s(k+1) = CiAdX(k) + CBdu(k)+CEdd(k)- icmd(k) (12) Nguyễn Văn Liễn và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 129 - 136 132 Luật điều khiển thỏa mãn (12) được gọi là bộ điều khiển tương đương [1] và được cho bởi: ueq(k) = (CiBd)-1 [icmd(k) – CiAdX(k)-CiEdd(k)] (13) và = u(k). Thiết kế bộ điều khiển điện áp bền vững Bộ điều khiển bền vững (RSC) được sử dụng để ổn định vòng lặp bên ngoài [2]. Trong hệ thống điều khiển này ngõ vào tham chiếu là điện áp ngõ ra mong muốn có tín hiệu sin 50Hz, nhiễu là dòng tải. Trong thực tế, các thành phần chính mà có thể ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển là các sóng hài bậc thấp như bậc 3, bậc 5, bậc 7 các sóng hài bậc cao ít bị ảnh hưởng. Do đó, ta biết được đặc tính bám của tín hiệu hoặc là các tín hiệu được bơm vào, mà được điều chỉnh bởi số cặp cực Trong đó Bộ điểu khiển RSC là mô hình bộ điều khiển cơ bản. Để sử dụng bộ điều khiển RSC cần bốn điểu kiện sau cần thỏa mản [2] Đối tượng điều khiển là trạng thái tĩnh và có khả năng đo được Số chiều của bộ điều khiển lớn hơn hay bằng với số tín hiệu ngõ ra Điểm không của đối tượng điều khiển để loại trừ các điểm cực của tham chiếu ngõ vào và các tín hiệu nhiễu Các tín hiệu ngõ ra của hệ thống phải đo được Phương trình đối tượng điều khiển cho ở phương trình (10), và chu kỳ lấy mẩu Ts, chu kỳ lấy mẫu ngõ vào trễ, tín hiệu rời rạc của đối tượng điểu khiển là trong đó ; Do tồn tại u(k-1), phương trình (14) chuyển sang không gian trạng thái là: trong đó : Xp(k) = [X(k)T u(k-1)]T = [vload(k) iinv(k) u(k-1)]T , Đối tượng điều khiển của RSC là DSMC được mô tả: trong đó: ( ) 11 CACBCBAA didippp −∗ −= , ( ) 1−∗ = dipp BCBB Ngõ ra của đối tượng điều khiển chính là điện áp điều khiển tải. Vì vậy, ngõ vào và ngõ ra phải có cùng kích thước. Trong các hệ thống thực tế, các điện áp tải, các dòng nghịch lưu, và các dòng tải tất cả phải đo được. Vì vậy, nó có thể được khai báo cho tất cả bốn điều kiện của RSC được thỏa mãn Việc thiết kế RSC gồm hai phần: một bộ bù servo và một bộ bù tĩnh. Bộ bù servo có thể được thiết kế như sau. Nếu đặc tính bám hay là nhiễu các điểm cực , bộ bù sero là Trong đó             =             =             = 7 5 3 1 8 7 5 3 1 8 7 5 3 1 ,, s s s s s s s s B B B B B A A A A A η η η η η Nguyễn Văn Liễn và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 129 - 136 133 sai lệch : e = vref – vload.       =      − =      = 1 0 , 0 10 , 28 2 1 si ii i BA ωη η η trong đó: i =1,3,5 và 7 Hàm truyền của bộ bù servo được minh họa như sau Hình 6. Sơ đồ khối của bộ bù servo Từ hình 6 cho thấy bộ bù servo gồm có các bộ lọc cộng hưởng nối tiếp. Các đặc tính trên miền tần số gồm bốn bộ lọc cộng hưởng như hình 8 đến hình 10. Đặc tính cộng hưởng cho phép các tín hiệu có tần số đặc biệt đi qua. Vì tín hiệu ngõ vào đến bộ bù servo là điện áp ổn áp, điện áp ổn áp có khuynh hướng nhạy cảm với các tín hiệu sai lệch tĩnh ổn áp cùng với các tần số đặc biệt. Hình 7. Đồ thị bode của bộ bù servo cho sóng cơ bản Hình 8. Đồ thị bode của bộ bù servo cho sóng bậc 3 Hình 9. Đồ thị bode của bộ bù servo cho sóng bậc 7 Trường hợp này, bộ bù sevo cần được rời rạc tín hiệu hóa với cùng chu kỳ lấy mẫu Ts . Thời gian rời rạc hóa của bộ bù servo được tính: (18) trong đó: ssTA sd eA = , ∫ − = S SS T TA sd dBeB 0 8 )( ττ Sự tồn tại của bộ bù servo, đặc tính tĩnh của bộ bù được tạo ra nhằm tăng tính kết hợp. Từ phương trình (16) và phương trình bộ bù servo (18) có thể được viết lại Nguyễn Văn Liễn và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 129 - 136 134 )19(,ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆˆ)1(ˆ )(211 krefyEkdEkuBkXAkX +++=+ trong đó: Tín hiệu điều khiển ngõ vào u1(k) = icmd(k), nhiễu của tải d(k)=iload(k), tín hiệu tham chiếu yref(k) = vref(k), vector trạng thái là , và hệ số các ma trận là       =      =         =         − = sd pp sdpsd p B E E E B B ACB A A 0 ˆ , 0 ˆ , 0 ˆ , 0 ˆ 21 ** Nhiệm vụ của bộ bù tĩnh là làm tăng tính ổn định hệ thống. Trong phương trình (19). Để đạt được mục tiêu này, ta phải tối ưu hóa kỹ thuật điều khiển để đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Để thực hiện tối ưu bằng cách tuyến tính hóa thời gian rời rạc như sau trong đó: Q được xác định là ma trận dương đối xứng và là một số nhỏ để giảm trọng lượng của bộ điều khiển trong quá trình tối ưu. Để trạng thái phản hồi K cực tiểu ta giải phương trình đại số Riccati có một nghiệm dương duy nhất từ đó mô hình bộ điều khiển có dạng: và cấu trúc của RSC được thiết kế như hình 11 Hình 10. Sơ đồ cấu trúc của RSC Kỹ thuật điều chế vector không gian biến thể MSVPWM a) b) Hình 11: Vector không gian cơ bản PWM. a) các vector cơ bản. b) điều chế vector điện áp trong secto 1 Trong hệ thống DGleg với bus DC cách ly các vector 7 và vector 8 không dài hơn vector không ở điện áp pha. Điện áp ngõ ra được điều chế theo luật trong bảng 2 Bảng 2. Luật điều chế MSVPWM Sóng cơ bản điện áp ra của In3Leg như ở hình 12 Hình 12. Dạng sóng điện áp ngõ ra của các Vector cơ bản của In3Le Nguyễn Văn Liễn và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 129 - 136 135 Trạng thái đóng mở van như ở hình 13 Hình 13. Trạng thái tuần tự của vector không gian CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hình 14 cho kết quả mô phỏng so sánh giữa dạng điện áp pha của MSVPWM với SVPWM. Trong đó đường cong nét đứt là điện áp pha được tạo bởi SVPWM, trong khi đường cong nét liên tục được tạo bởi MSVPWM. Trong hệ thống điều khiển phản hồi, tín hiệu bộ bù v0 được tự động tạo ra bởi bộ điều khiển vòng lặp phản hồi, chứng tỏ MSVPWM đã cung cấp điều khiển cho mô hình In3Leg trong tọa độ tham chiếu αβ0, nó thực hiện tốt hơn ở tọa độ ABC Hình 14. So sánh giữa dạng điện áp pha của MSVPWM và SVPWM Hình 15, mô phỏng hoạt động của In3Leg đối với một mạng điện phân tán chịu tác động của các dạng tải khác nhau. Kết quả cho thấy điện áp trên tải luôn được giữ vững, động học đáp ứng cao – điện áp hầu như không có gian đọan quá độ. Hình 16: Các kết quả mô phỏng- cột 1: Tải không cân bằng; cột 2: Tải phi tuyến; cột 3: Đáp ứng bước của tải từ 0% đến 100%; cột 4: đáp ứng của hàm truyền, tải giảm từng bước từ 100% về 0%; KẾT LUẬN Kết qảu nghiên cứu đã đưa ra một kỹ thuật điều khiển mới cho bộ nghịch lưu 3-pha 4- dây của một DG độc lập (In3Leg). Kỹ thuật này là sự kết hợp của bộ điều khiển trượt (DSMC) và bộ điều khiển bền vững (RSC). Sự phát triển thuật toán điều khiển dựa vào mô hình tương đương của tọa độ αβ0. Bài toán đã sử dụng kỹ thuật điều chế vector không gian MSVPWM thực hiện để điều khiển trên toa độ αβ0. Kết quả mô phỏng đã so sánh ưu điểm hơn hẳng của In3Leg điều khiển trong hệ tọa độ αβ0 so với hệ ABC. Các phân tích lý thuyết đã được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng làm sáng tỏ sự ảnh hưởng của kỹ thuật điều khiển mới áp dụng cho In3Leg. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. V. Utkin, J. Guldner, and J. Shi, Sliding Mode Control in Electromechanical Systems. Philadelpha, PA, USA: Taylor & Francis Inc., 1999. [2]. E. J. Davison and B. Scherzinger, "Perfect control of the robust servomechanism problem," IEEE Trans. Automat. Contr., vol. AC-32, no. 8, pp. 689{702, Aug. 1987. [3]. M. Dai, M. N. Marwali, J.W. Jung, and A. Keyhani, “Power flow control of a single distributed generation unit with nonlinear local load,” in Proc. IEEE PES Power Syst. Conf. Expo Nguyễn Văn Liễn và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 129 - 136 136 (PSCE’04), New York, NY, Oct. 2004, vol. 1, pp. 398–403. [5]. J. S. Bay, Fundamentals of Linear State Space Systems. New York: WCB/McGraw-Hill, 1999. [6]. S. R. Bowes and Y. S. Lai, “The relationship between space-vector modulation and regular- sampled PWM,” IEEE Trans. Ind. Electron.,vol. 44, no. 5, pp. 670–679, Oct. 1997. [7]. A. Kwasinski, P. T. Krein, and P. L. Chapman, “Time domain comparison of pulse- width modulation schemes,” IEEE Power Electron. Lett., vol. 1, no. 3, pp. 64–68, Sep. 2003. SUMMARY CONTROLLER INVERTER 3-PHASE 4-WIRE IN DISTRIBUTED POWER SYSTEM INDEPENDENT Nguyen Van Lien1*, Tran Minh Duc2, Ngo Duc Minh3 1Hanoi University of Sciences and Technology, 2Lilama2 Technical and Technology College, 3College of Technology - TNU This paper researches a three-phase four-wire inverter for a distributed generation working in island mode. The control technique combines an inner sliding controller to control current loop inside (DSMC) and an steady controller to control voltage that develops under stationary αβ0 (Clarke’s) reference frame using space vector pulsewidth modulation (MSVPWM) to achieve steady voltage regulation with low steady state error and low total harmonic distortion and fast transient response under various load disturbances. Moreover, besides the development and description of the algorithms, a series of discussions, analysis and studies are performed on the proposed control technique, including the L-C filter design issue, frequency domain closed-current-loop and closed-voltage-loop responses, and time domain simulations under various load conditions. Keywords: In3Leg, Reference static αβ0, DSMC, MSVPWM, RSC controller ... Ngày nhận bài:28/2/2013, ngày phản biện: 14/3/2013, ngày duyệt đăng:26/3/2013 * Tel: 0913 090406, Email: liennv@mail.hut.edu.vn