BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- -- --- HOÀNG THÀNH NAM NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC RESEARCH ON MODEL PREDICTIVE CONTROL FOR MULTILEVEL CONVERTERS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình của tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán b ộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Cáckết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công b ố và sử dụng để bảo vệ trong bất cứ một luận án nào khác. Tác giả luận án Trần Duy Trinh HÀ NỘI-2018 17057205251821000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- -- --- HOÀNG THÀNH NAM NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC RESEARCH ON MODEL PREDICTIVE CONTROL FOR MULTILEVEL CONVERTERS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình của tôi.
Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán b ộ hướng dNGƯỜI ẫn khoa hHƯỚNG DẪN ọc và các đồ KHOA ng nghiệp đã HỌC được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Cáckết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công b ố và sử dụng để bảo vệ trong bất cứ một luận án nào khác. Tác giả luận án Trần Duy Trinh PGS. TRẦN TRỌNG MINH HÀ NỘI-2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận này là công trình của riêng tôi, do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.
Trần Trọng Minh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn trung thực. Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2018 Tác giả luận văn TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 Lý do chọn đề tài Điều khiển các bộ biến đổi đa mức như cầu H nối tầng đặt ra nhiều vấn đề do số lượng các module tăng nên nhiều theo số mức. Bằng các cấu trúc điều khiển thông thường thì các mạch vòng điều khiển sẽ rất phức tạp. Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC dựa trên tính toán tối ưu hàm mục tiêu (cost funcion) trong không gian hữu hạn các trạng thái làm việc có thể cho phép xây dựng nên một hệ thống điều khiển có cấu trúc đơn giản hơn, lược bỏ khâu điều chế PWM, có thể đưa đến những ứng dụng thực tế. 2 Đối tượng nghiên c ứu Nghiên cứu phương pháp điều khiển dự báo dựa trên không gian hữu hạn các trạng thái làm việc của sơ đồ nghịch lưu đa mức cấu trúc cầu H nối tầng.
Sau đó áp dụng thuật toán điều khiển này cho ứng dụng nghịch lưu nối lưới và điều khiển động cơ không đồng bộ. Trong khuân khổ cuốn luận văn này, tính đúng đắn của thuật toán điều khiển dự báo FCS-MPC sẽ được kiểm chứng thông qua mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. 3 Đóng góp khoa học trong luận văn Đưa ra thuật toán điều khiển dự báo FCS-MPC cho bộ biến đổi 7 mức cấu trúc cầu H nối tầng với số bước tính là hai bước, giúp bù thời gian trễ trong quá trình tính toán, đo lường, deadtime, v.v… khi triển khai thực nghiệm. Thuật toán lựa chọn tập hợp các vector liền kề giúp giảm đáng kể khối lượng tính toán khi tối ưu hóa hàm mục tiêu.
THESIS OVERVIEW 1 Problem statement Control multilevel converters such as cascaded H-Bridge multilevel converters pose many problems as the number of module increases. By the conventional control strategies, the control loops will be very complex. The finite control set model predictive control (FCS-MPC) control strategies is based on cost function optimization in the finite number of switch states. This could allow the control system to be simpler structure, the system does not need a modulator, can be led to practical applications.
2 Object of the study The FCS-MPC control strategy for three-phase CHB multilevel converter is studied in this thesis. It is applied in grid-connected CHB as DC-AC converter for isolated DC sources such as PV panels generating power to gird and an IM driver application. Within the framework of the thesis, the correctness of the MPC algorithm will be verified through Matlab-Simulink software. 3 My contributions Proposal FCS-MPC control strategy for three-phase CHB seven level, predictive horizon at two-steps compensate delay time.
The subset of adjacent vector state (SAVS) method is proposed to reduce computational when optimizing cost function. Acknowledgments Acknowledgments First of all, I would like to express sincere thanks to my supervisor: Assos. Tran Trong Minh for his constant encouragement and guidance. He has walked me through all the stages of the work of my Master of Science project.
The work in this thesis is based on research carried out at the Institute for Control Engineering and Automation (ICEA), Hanoi University of Science and Technology (HUST). I would like gratitude ICEA as well as the financial support provided by the National project number: KC.03/16-20, “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống khắc phục nhanh sự cố tăng/giảm điện áp ngắn hạn cho phụ tải” and: ĐTĐLCN.44/16, “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ truyền động servo xoay chiều ba pha”. 1 Contents Contents Acknowledgments. 2 List of figures.
4 List of tables. 5 List of abbreviations. 6 1 Overview FCS-MPC for CHB multilevel converter .1 Three-phase CHB multilevel converter .1 Structure of a three-phase CHB multile vel converter .2 Modeling of three-phase CHB multilevel converter .3 FCS-MPC control strategy .14 2 FCS-MPC for gird-connected three-phase CHB .1 FCS-MPC for grid-connected formulation .1 Discrete-time model predictive current co ntrol .2 Cost funcion o ptimization and vector state selection.3 Subset of adjacent vector state .2 Current reference generation .24 3 FCS-MPC based current control of an IM .1 Mathematic al model of an IM .2 FCS-MPC for IM formulation .1 The required signal estimation .2 Discrete-time model predictive current .3 Cost funcion o ptimization and vector state selection.31 2 Contents 4 Summary and future works. 33 Appendix A Simulation FCS-MPC for a gird-connected details .2 MPC algorithm function .36 Appendix B Simulation FCS-MPC for an IM details .2 MPC algorithm function .38 Appendix C List of publications.
40 3 List of figures List of figures Figure 1.1 H-Bridge switch state .2 Three-phase CHB seven level converter .3 SPWM multicarrier strategy .4 Space vector for three-phase CHB three level .6 Vector state in CHB seve n level converter.7 Classification of MPC strategies applied to po wer converter .8 FCS-MPC block diagram.1 Block diagram of FCS-MPC gird-connected .2 Vector state for CHB seve n level three-phase .3 Simulation results of the proposed FCS-MPC .4 FFT analysis output current (phase A) .1 Block diagram of FCS-MPC for IM.2 Simulation results of output current and voltage .3 Simulation results of the proposed FCS-MPC .4 FFT analysis output current (phase A) .1 Simulation o verview of FCS-MPC for a grid-connected .2 FCS-MPC controller in subsystem .1 Simulation o verview of FCS-MPC for an IM .2 FCS-MPC in subsystem .38 4 List of tables List of tables Table 1.1 Switch state H-Bridge converter.2 Level state CHB seven le vel converter .1 Simulation FCS-MPC for grid connected parameters .1 Simulation FCS-MPC for IM parameters.28 5 List of abbreviations List of abbreviations NPC Neutral diode clamped multilevel converters FC Flying capacitor multilevel converters MMC Modular multilevel converters CHB Cascaded H-Bridge multilevel conveters IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors DC Direct Current PS Phase-shift PD Phase disposition APOD Alternative phase opposite disposition POD Phase opposite disposition SVM Space vector modulation MPC Model predictive control FCS-MPC Finite control set model predictive control CCS-MPC Continuous control set model predictive control OSV-MPC Optimal switching vector model predictive control OSS-MPC Optimal switching sequence model predictive control IM Induction motor SAVS Subset of adjacent vector state RMS Root mean square FFT Fast Fourier transform THD Total harmonic distortion FOC Field oriented control 6 Chapter 1. Overview FCS-MPC for CHB multilevel converter Chapter 1 Overview FCS-MPC for CHB multilevel converter Multilevel converters include: Neutral diode clamped (NPC), flying capacitor (FC), modular multilevel converters ( MMC) and cascaded H-Bridge (CHB). However, technology of CHB is one of the well known, most advantageous and basic method. Control CHB multilevel converters will be complex when number of cells increase.
The FCS-MPC control strategy can be considered as a solution simply handles this problem.1 Three-phase CHB multilevel converter 1.1 Structure of a three-phase CHB multilevel converter The Figure 1.1 shows three switch state of H-Bridge (as named is cell), each cell make three level voltage: -1; 0 and 1. vdc vac vdc v ac vdc vac STATE = 1 STATE = -1 STATE = 0 Figure 1.1 H-Bridge switch state 7 Chapter 1. Overview FCS-MPC for CHB multilevel converter In CHB multilevel converter, number of cells are connected in series. Each cell has separate DC source which is obtained from fuel cells, batteries, capacitors, transformers,… Activity of m cells in each phase will make 2m+1 voltage level.2 is example of CHB three-phase seven level.
Three-phase CHB multilevel converter is simply like three single-phase converter connected in wye configuration. Z ZA ZB ZC S1 S3 A B C Vdc1 C1 vac1 S2 S4 Vdc2 C2 vac2 Vdc3 C3 vac3 N Figure 1.2 Three-phase CHB seven level converter Advantages: • It doesn’t need capacitors or diodes for clamping. • Entire IGBT switching in basic fundamental frequency (or near this frequency), so that reduce power lose switch. • The harmonics reduce because IGBT switching small frequency.
Overview FCS-MPC for CHB multilevel converter • The wave is quite sinusoidal in nature. Disadvantages: • CHB needs separate DC sources for each leg. • Controller will be complex if number of cells increase. Additional detail can be found in Appendix C [2], [3] and [4].
Sin-PWM (SPWM) multicarrier strategy In the SPWM, each phase uses single sinusoidal reference. For m cells need 2m triangular carriers. The carriers have the same frequency, the same peak to peak amplitude. Sinusoidal reference is compared with each carrier to determine the switching output voltages for the power converter.
1 1 Uc1 Uc2 -Uc1 -Uc2 U c1 U c2 0 0 -Uc1 -Uc2 -1 -1 a. PD carrier 1 1 Uc1 Uc1 Uc2 Uc2 0 0 -Uc1 -Uc1 -Uc2 -Uc2 -1 -1 c. POD carrier Figure 1.3 SPWM multicarrier strategy There are four strategies of multicarrier PWM.3 is showed multicarrier PWM strategy for single-phase CHB five level. It requests four triangle carriers and only one sinusoidal reference.
Overview FCS-MPC for CHB multilevel converter • Phase-shift (PS) carrier PWM strategy. Each carrier is phase-shift by 360°/4 =90° from it’s adjacent carrier. • Phase disposition (PD), all carriers are in phase 0°. • Alternative phase opposite disposition (APOD), all carriers are alternatively in phase opposition.
• Phase opposite disposition (POD), all the carriers above the zero reference are in phase among them. For single-phase converter, SPWM is still a good choice, but for three-phase converter different techniques have been developed to take the advantage of three- phase systems in reducing harmonics. The most popular technique is space vector modulation (SVM). Space vector modulation (SVM) SVM technique reduces the influence of common-mode voltages and this avoids the use of any triangular carriers.