Điều Khiển Dự Báo Với Tập Hữu Hạn Các Giá Trị Đầu Vào (FCS-MPC) Cho Nghịch Lưu Đa Mức Cầu H Nối Tầng

Nghiên cứu điều khiển dự báo với tập hữu hạn giá trị đầu vào FCS MPC cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

• Tác giả: Phó Bảo Bình
• Người hướng dẫn: TS Trần Trọng Minh
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều Khiển Dự Báo FCS-MPC Cho Nghịch Lưu Đa Mức Cầu H Nối Tầng
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: Khái quát vấn đề nghiên cứu
• 1.1. Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng (CHB)
• 1.2. Các phương pháp điều khiển cho NLĐM cấu trúc CHB
• 1.3. Điều khiển dự báo dựa trên mô hình MPC
• 1.4. Lý do MPC đặc biệt phù hợp với NLĐM cấu trúc CHB và hệ truyền động IM
• 1.5. Nguyên lý thực hiện FCS-MPC. Vấn đề của FCS-MPC
• 1.5.1. Sai lệch tĩnh
• 1.5.2. Ứng dụng mạng nơ-ron để xây dựng bộ điều khiển ANN-MPC nhằm thực nghiệm thuật toán multistep MPC
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. FCS-MPC VỚI MỤC ĐÍCH TRIỆT TIÊU SAI LỆCH TĨNH CHO NLĐM CẤU TRÚC CHB NỐI TẢI ĐỘNG CƠ IM
• 2.1. Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC
• 2.2. Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC kết hợp khâu tích phân
• 2.3. Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC cho mạch nghịch lưu đa mức CHB ứng dụng động cơ IM
• 2.4. Cấu trúc điều khiển dự báo FCS-MPC thông thường cho mạch nghịch lưu đa mức CHB nối tải động cơ IM
• 2.5. Nguyên lý hoạt động của NLĐM cấu trúc CHB
• 2.6. Mô hình trạng thái động cơ không đồng bộ (IM)
• 2.7. Cấu trúc điều khiển dự báo FCS-MPC kết hợp khâu tích phân cho mạch nghịch lưu đa mức CHB, ứng dụng động cơ IM
• 2.8. Kết quả mô phỏng kiểm chứng
• 2.8.1. Kiểm tra đáp ứng dòng điện
• 2.8.2. Kiểm tra đáp ứng CMV và tối ưu đóng cắt
• 2.8.3. Kiểm tra đáp ứng ở trạng thái quá độ của hệ thống
• 3. THUẬT TOÁN MULTISTEP MPC CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẤU TRÚC CHB NỐI TẢI ĐỘNG CƠ IM
• 3.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống NLĐM cấu trúc CHB nối tải động cơ IM, sử dụng thuật toán Multistep MPC
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện với phương pháp điều khiển multistep MPC
• 3.3. Mô hình hệ thống
• 3.4. Mô hình dự báo. Hàm mục tiêu. Thuật toán giải mã mặt cầu SDA
• 3.5. Nâng cao tốc độ tính toán Multistep MPC với phương pháp K-best SDA cho NLĐM cấu trúc CHB nối tải động cơ IM
• 3.5.1. Cấu trúc điều khiển
• 3.5.2. Thuật toán giải mã mặt cầu K-best SDA
• 3.5.3. Mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink
• 4. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Thực nghiệm kiểm chứng thuật toán multistep MPC với phương pháp K-best SDA cho biến tần đa mức cấu trúc CHB
• 4.2. Điều kiện thực nghiệm
• 4.3. Triển khai trên vi điều khiển FPGA
• 4.4. Kết quả thực nghiệm
• 4.5. Thực nghiệm kiểm chứng thuật toán Multistep MPC sử dụng ANN, áp dụng cho nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB
• 4.5.1. Phương pháp điều khiển ANN-MPC
• 4.5.2. Cấu trúc mạng nơ-ron ANN
• 4.5.3. Thực hiện phương pháp ANN-MPC
• 4.5.4. Mô phỏng kiểm chứng trên Matlab/Simulink
• 4.5.5. Mô hình thực nghiệm
• 4.5.6. Kết quả thu được trên mô hình thực nghiệm
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan FCS MPC Cho Nghịch Lưu Đa Mức Cầu H 55 ký tự

Hệ truyền động công suất cao, trung áp (MV) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Tuy nhiên, thiết kế bộ biến đổi phía động cơ và các yêu cầu hệ thống đặt ra nhiều thách thức, đặc biệt là giảm dv/dt, tối ưu đóng cắt, và giảm điện áp common-mode. Nghịch lưu đa mức (NLĐM) là giải pháp không thể thiếu cho các ứng dụng điện tử công suất trung và cao áp. Trong đó, Điều khiển dự báo mô hình (MPC) nổi lên như một kỹ thuật điều khiển đầy hứa hẹn, có khả năng xử lý nhiều biến, các ràng buộc và đạt được đáp ứng động học nhanh. FCS-MPC (MPC trên tập hữu hạn) đang trở nên phổ biến nhờ khả năng tận dụng lợi thế chuyển mạch của bộ biến đổi công suất mà không cần khâu điều chế. Hầu hết các nghiên cứu hiện nay giới hạn ở MPC một bước, nhưng MPC nhiều bước (Multistep MPC) hứa hẹn cải thiện hiệu suất hệ thống ở trạng thái ổn định. FCS-MPC có những hạn chế như sai lệch tĩnh và khối lượng tính toán lớn cần được khắc phục.

1.1. Ứng Dụng Nghịch Lưu Đa Mức trong Truyền Động MV

Truyền động MV đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, chiếm phần lớn phụ tải như máy nén khí, bơm, quạt, và băng tải. Việc giảm dv/dt và tối ưu đóng cắt trên van bán dẫn, cũng như giảm điện áp common-mode là yêu cầu thiết yếu. Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng (CHB) đáp ứng được các yêu cầu khắt khe này, trở thành lựa chọn ưu tiên trong các ứng dụng điện tử công suất trung và cao áp. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp cho NLĐM-CHB là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

1.2. Ưu Điểm Của Điều Khiển Dự Báo FCS MPC

Điều khiển dự báo mô hình (MPC) nói chung và FCS-MPC nói riêng có khả năng xử lý đa biến, các ràng buộc hệ thống và đạt được đáp ứng động học nhanh chóng. FCS-MPC có khả năng tận dụng lợi thế của việc chuyển mạch của bộ biến đổi công suất mà không cần thêm khâu điều chế.

II. Vấn Đề Sai Lệch Tĩnh Trong FCS MPC Giải Pháp 59 ký tự

Một trong những hạn chế của FCS-MPC là sự tồn tại của sai lệch tĩnh. Điều này có nghĩa là giá trị thực tế của biến điều khiển không hoàn toàn trùng khớp với giá trị đặt. Luận án này đề xuất phương pháp FCS-MPC kết hợp khâu tích phân để triệt tiêu sai lệch này. Phương pháp này giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của hệ thống điều khiển. Nghiên cứu cho thấy, việc tích hợp khâu tích phân vào thuật toán điều khiển FCS-MPC có thể giảm thiểu đáng kể sai lệch tĩnh, mang lại hiệu suất điều khiển tốt hơn, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Việc loại bỏ sai lệch tĩnh là yếu tố quan trọng để FCS-MPC trở thành một giải pháp điều khiển thực tế và cạnh tranh.

2.1. Ảnh Hưởng Của Sai Lệch Tĩnh Đến Hiệu Suất

Sai lệch tĩnh ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất và độ chính xác của hệ thống. Nó đặc biệt nghiêm trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Việc loại bỏ sai lệch tĩnh sẽ cải thiện đáng kể độ ổn định và hiệu suất tổng thể của hệ thống, đồng thời nâng cao độ tin cậy. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng FCS-MPC trong các hệ thống điều khiển phức tạp và đòi hỏi khắt khe.

2.2. Giải Pháp FCS MPC Tích Hợp Khâu Tích Phân

Để giải quyết vấn đề sai lệch tĩnh, luận án đề xuất phương pháp FCS-MPC kết hợp khâu tích phân. Việc tích hợp khâu tích phân vào hàm mục tiêu của MPC cho phép hệ thống tự động điều chỉnh để loại bỏ sai lệch tĩnh. Phương pháp này đã được chứng minh hiệu quả thông qua mô phỏng và thực nghiệm, mang lại kết quả điều khiển chính xác và ổn định hơn.

III. Giảm Tính Toán Multistep MPC Thuật Toán K best SDA 60 ký tự

Multistep MPC (MPC nhiều bước) cải thiện hiệu suất hệ thống ở trạng thái ổn định nhưng lại đòi hỏi khối lượng tính toán lớn. Luận án này giới thiệu thuật toán K-best SDA (Sphere Decoding Algorithm) để giảm tải tính toán cho Multistep MPC áp dụng cho Nghịch lưu đa mức Cầu H nối tầng. K-best SDA giúp tìm kiếm nghiệm tối ưu hiệu quả hơn, giảm thời gian tính toán và cho phép triển khai Multistep MPC trên các nền tảng phần cứng có giới hạn về tài nguyên tính toán như FPGA và DSP. Việc giảm khối lượng tính toán là yếu tố then chốt để Multistep MPC trở nên khả thi trong các ứng dụng thực tế.

3.1. Ưu Điểm Của Multistep MPC So Với Single Step

Trong khi Single-step MPC cho đáp ứng động học nhanh, Multistep MPC có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất hệ thống ở trạng thái ổn định. Việc tăng chiều dài khoảng dự báo cho phép MPC đưa ra các quyết định điều khiển tối ưu hơn, dẫn đến chất lượng điều khiển tốt hơn và giảm thiểu dao động. Tuy nhiên, việc tăng chiều dài khoảng dự báo cũng đồng nghĩa với việc tăng đáng kể khối lượng tính toán.

3.2. Thuật Toán K best SDA Giảm Khối Lượng Tính Toán

Thuật toán K-best SDA là một cải tiến của thuật toán giải mã mặt cầu SDA, giúp giảm đáng kể khối lượng tính toán cho Multistep MPC. K-best SDA tìm kiếm các nghiệm tiềm năng trong một không gian hẹp hơn, giảm số lượng phép tính cần thực hiện. Điều này cho phép triển khai Multistep MPC trên các nền tảng phần cứng có giới hạn về tài nguyên.

3.3. Triển Khai K best SDA Trên Nền Tảng FPGA

K-best SDA được thiết kế để dễ dàng triển khai trên các nền tảng phần cứng như FPGA. Việc tận dụng khả năng tính toán song song của FPGA giúp tăng tốc quá trình tìm kiếm nghiệm tối ưu, làm cho Multistep MPC trở nên khả thi trong các ứng dụng thời gian thực. Luận án đã chứng minh hiệu quả của K-best SDA thông qua các thử nghiệm trên FPGA.

IV. ANN MPC Giảm Phụ Thuộc Vào Mô Hình Hệ Thống 55 ký tự

Phương pháp FCS-MPC truyền thống phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của mô hình hệ thống. Luận án này đề xuất phương pháp ANN-MPC (Artificial Neural Network MPC) sử dụng mạng nơ-ron để giảm sự phụ thuộc này. ANN-MPC có khả năng học các đặc tính phi tuyến của hệ thống, cải thiện độ chính xác điều khiển ngay cả khi mô hình hệ thống không hoàn hảo. Việc kết hợp mạng nơ-ron và FCS-MPC mang lại một giải pháp điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt, phù hợp với các hệ thống phức tạp và thay đổi theo thời gian.

4.1. Ưu Điểm Của ANN Trong Điều Khiển

Mạng nơ-ron (ANN) có khả năng học và xấp xỉ các hàm phi tuyến phức tạp, giúp chúng trở thành công cụ hữu ích trong điều khiển. ANN có thể được sử dụng để xây dựng các bộ điều khiển thích nghi, có khả năng điều chỉnh theo sự thay đổi của hệ thống. Việc sử dụng ANN trong MPC giúp giảm sự phụ thuộc vào mô hình hệ thống và cải thiện độ chính xác điều khiển.

4.2. Cấu Trúc Của ANN MPC Đề Xuất

Trong ANN-MPC, mạng nơ-ron được sử dụng để dự đoán trạng thái của hệ thống trong tương lai. Đầu ra của mạng nơ-ron được sử dụng để tính toán hàm mục tiêu của MPC. Bằng cách kết hợp khả năng dự đoán của ANN và khả năng tối ưu hóa của MPC, ANN-MPC có thể đạt được hiệu suất điều khiển vượt trội.

4.3. Thực Nghiệm Với ANN MPC Kết Quả

Phương pháp ANN-MPC đã được kiểm chứng thông qua các thử nghiệm mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho thấy ANN-MPC có khả năng cải thiện độ chính xác điều khiển và giảm sự phụ thuộc vào mô hình hệ thống. ANN-MPC là một giải pháp điều khiển đầy hứa hẹn cho các hệ thống phức tạp và thay đổi theo thời gian.

V. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Nghiên Cứu 56 ký tự

Các thuật toán được đề xuất trong luận án đã được kiểm chứng bằng mô phỏng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm trên nền tảng FPGA. Kết quả cho thấy khả năng ứng dụng thực tế của các phương pháp này, đặc biệt trong việc cải thiện chất lượng điều khiển của Nghịch lưu đa mức Cầu H nối tầng cho động cơ IM. Các nghiên cứu thực nghiệm chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng FCS-MPC cải tiến vào các hệ thống thực tế, đảm bảo chất lượng điều khiển và độ tin cậy.

5.1. Mô Phỏng Trên Matlab Simulink Đánh Giá Hiệu Năng

Các mô phỏng trên Matlab/Simulink được sử dụng để đánh giá hiệu năng của các thuật toán được đề xuất trong luận án. Các kết quả mô phỏng cho thấy các thuật toán này có khả năng cải thiện độ chính xác điều khiển, giảm sai lệch tĩnh, và giảm khối lượng tính toán.

5.2. Thực Nghiệm Trên FPGA Kiểm Chứng Tính Khả Thi

Việc triển khai các thuật toán trên nền tảng FPGA giúp kiểm chứng tính khả thi của chúng trong các ứng dụng thời gian thực. Kết quả thực nghiệm cho thấy các thuật toán này có thể hoạt động hiệu quả trên FPGA, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về tốc độ xử lý.

5.3. So Sánh Với Các Phương Pháp Điều Khiển Khác

Luận án cũng so sánh hiệu năng của các thuật toán được đề xuất với các phương pháp điều khiển khác. Kết quả so sánh cho thấy các thuật toán này có nhiều ưu điểm vượt trội, đặc biệt trong việc cải thiện độ chính xác điều khiển và giảm khối lượng tính toán.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai 54 ký tự

Luận án đã thành công trong việc đề xuất và kiểm chứng các phương pháp cải tiến FCS-MPC cho Nghịch lưu đa mức Cầu H nối tầng, bao gồm triệt tiêu sai lệch tĩnh, giảm khối lượng tính toán bằng K-best SDA, và giảm sự phụ thuộc vào mô hình bằng ANN-MPC. Hướng phát triển tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán, mở rộng ứng dụng cho các loại tải khác, và nghiên cứu các phương pháp điều khiển kết hợp để đạt được hiệu suất cao nhất. Việc nghiên cứu chuyên sâu và ứng dụng hiệu quả các thuật toán điều khiển dự báo sẽ mở ra nhiều tiềm năng mới trong lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện.

6.1. Tóm Tắt Các Đóng Góp Của Luận Án

Luận án đã đóng góp vào việc cải tiến thuật toán FCS-MPC bằng cách đề xuất các phương pháp triệt tiêu sai lệch tĩnh, giảm khối lượng tính toán, và giảm sự phụ thuộc vào mô hình hệ thống. Các phương pháp này đã được kiểm chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm, chứng minh tính khả thi và hiệu quả.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa các thuật toán đã được đề xuất, mở rộng ứng dụng cho các loại tải khác, và nghiên cứu các phương pháp điều khiển kết hợp để đạt được hiệu suất cao nhất. Ngoài ra, việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển thích nghi có thể giúp hệ thống tự động điều chỉnh theo sự thay đổi của môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan Giới thiệu tổng quan về nghịch lưu đa mức nói chung và NLĐM cấu trúc CHB nói riêng, các phương pháp điều khiển cho BBĐ CHB và hệ truyền động động cơ IM, phương pháp điều khiển dự báo mô hình MPC. Chương này cũng trình bày phân loại, ưu nhược điểm của MPC; từ đó đề xuất hướng nghiên cứu chuyên sâu. FCS-MPC với mục đích triệt tiêu sai lệch tĩnh cho nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB nối tải động cơ IM Trình bày mô hình hóa quá trình điện từ động cơ IM trên hệ tọa độ Dβ và dq.

Bên cạnh đó đề xuất thuật toán single-step MPC nhằm xử lý vấn đề sai lệch tĩnh cũng như đưa ra sơ đồ cấu trúc điều khiển. Tính đúng đắn của thuật toán được đánh giá bằng kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink. Thuật toán multistep MPC cho nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB nối tải động cơ IM Đưa ra thuật toán giải mã mặt cầu SDA và K-best SDA nhằm giảm khối lượng tính toán, tức giảm áp lực lên vi điều khiển. Đánh giá ưu điểm của K-best SDA so với SDA và kiểm chứng một số đáp ứng của hệ thống khi sử dụng thuật toán multistep MPC thông qua các kết quả mô phỏng.

Chương 4: Xây dựng hệ thống thực nghiệm và kết quả Nội dung chương 4 là đánh giá tính hiệu quả của multistep MPC cùng với thuật toán K-best SDA thông qua việc thực hiện trên nền tảng FPGA. Tiếp đó là đề xuất phương pháp điều khiển ANN-MPC nhằm thay thế cho bộ điều khiển Multistep MPC mà vẫn đáp ứng được các chỉ tiêu điều khiển. Các kết quả mô phỏng và kiểm chứng thông qua mô hình thực nghiệm trên FPGA được phân tích và đưa ra các đánh giá. Kết luận và kiến nghị Trình bày tóm lược những kết quả đã đạt được của luận án; đồng thời chỉ ra những hạn chế và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.

Tổng quan Equation Chapter (Next) Section 1 1. Khái quát vấn đề nghiên cứu 1.1 Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng (CHB) Bộ biến đổi nghịch lưu đa mức MLI (Multilevel inverter) đã được nghiên cứu và phát triển trong hơn ba thập kỷ và được ứng dụng thành công trong công nghiệp, truyền tải điện áp cao và kết nối các nguồn năng lượng tái tạo [3]. Hơn thế nữa, các bộ biến đổi đa mức có nhiều ưu điểm hơn so với bộ biến đổi hai mức thông thường, nhất là chất lượng điện áp đầu ra. Do điện áp đầu ra có nhiều mức nên dv/dt trên mỗi khóa bán dẫn được giảm nhiều, giảm sóng hài điện áp và tổn hao đóng cắt [4].

Các bộ biến đổi đa mức là thành phần không thể thiếu đối với hầu hết các ứng dụng điện tử công suất trong dải điện áp trung và cao. Hiện tại, chúng được thương mại hóa, là nguồn cấp cho nhiều ứng dụng như: máy nén, máy bơm, quạt, máy nghiền, máy cán, băng tải, máy khởi động tua bin khí, máy trộn, bù công suất phản kháng, động cơ trong lĩnh vực hàng hải, truyền tải HVDC, chuyển đổi năng lượng gió. Nghịch lưu đa mức được phân thành ba cấu trúc chính là: cấu trúc diode kẹp điểm trung tính NPC [5], cấu trúc tụ điện thay đổi FC [6] và cấu trúc nối tầng. Cấu trúc nối tầng lại chia thành cấu trúc cầu H nối tầng CHB [7], và cấu trúc dạng module hóa MMC [8], [9].

Nếu phân loại theo số lượng nguồn DC, nghịch lưu đa mức phân thành 2 loại là sử dụng một nguồn DC và sử dụng nhiều nguồn DC cách ly.1 cho cái nhìn khái quát ở từng cấu trúc nghịch lưu đa mức. Với mục tiêu ứng dụng trong hệ thống truyền động có công suất lớn, việc đảm bảo dòng lấy vào từ lưới điện có dạng gần sin là rất quan trọng. Để đáp ứng yêu cầu đó, có thể: (1) tăng số mức điện áp của bộ biến đổi đa mức, (2) nối tiếp các van bán dẫn, (3) xếp chồng các cell hoặc submodule, (4) kết hợp các biện pháp trên. Đối với NLĐM cấu trúc NPC, khi số mức tăng cao, số lượng diode kẹp cũng nhiều hơn làm tăng độ phức tạp của mạch nguồn và giảm hiệu suất của bộ biến đổi.

Hơn nữa, số lượng lớn van bán dẫn gây tăng nhiễu điện từ (EMI), đặc biệt trong các ứng dụng công suất lớn và tần số chuyển mạch cao [10]. Trong khi đó, cấu trúc kiểu FC đòi hỏi một số lượng lớn các tụ điện để kẹp với các van bán dẫn. Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm. Khi số mức điện áp càng lớn thì sẽ làm cho độ phức tạp của hệ thống tăng lên, việc điều khiển sẽ gặp nhiều khó khăn chủ yếu do vấn đề cân bằng điện áp tụ [11].

4 Cấu trúc CHB vdc1 vac1 Nhiều nguồn DC cách ly vac vdc2 vac2 Cấu trúc MMC Nghịch lưu đa mức -Vdc -2Vdc Cấu trúc NPC + (1/2)vdc - + vdc vac (1/2)vdc - vc vdc Một nguồn DC Cấu trúc FC + (1/2)vdc vdc - vac + (1/2)vdc - Hình 1.1 Các kiểu cấu trúc nghịch lưu đa mức Trong luận án này, đối tượng nghiên cứu là nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB cấp cho tải trung thế. Với ứng dụng này, cấu trúc dạng nối tầng chiếm được ưu thế hơn. Bộ biến đổi cấu trúc MMC vốn khởi nguồn được phát triển cho hệ thống truyền tải HVDC [12]. Năm 2010, hệ thống HVDC PLUS đầu tiên của Siemens được đưa vào vận hành với công nghệ VSI đa mức dùng cấu trúc MMC.

Đồng thời, ABB đã cập nhật sản phẩm HVDC Light của hãng để sử dụng công nghệ gần như tương tự [13]. MMC là cấu trúc hiện đại nhất trong số các NLĐM, hiện nay là có triển vọng cho các ứng dụng công suất trung bình và cao, đặc biệt cho bộ biến đổi nguồn điện áp VSI. MMC có khả năng mở rộng các submodule (SM), làm giảm chi phí sản xuất của BBĐ; điện áp đầu ra có chất lượng cao với THD và dv/dt thấp [14]. Các submodule của bộ MMC không yêu cầu các nguồn DC cách ly, thay vào đó là hoạt động với nguồn một chiều duy nhất vd.

Tuy nhiên, nhược điểm của NLĐM cấu trúc MMC là yêu cầu số lượng tụ kẹp nhiều. Giá trị các tụ này tương đối cao, điện áp trên tụ phải được đo và điều khiển; điều này làm tăng độ phức tạp của mạch lực và sơ đồ điều 5 khiển. Bên cạnh đó, các gợn sóng điện áp trên tụ sẽ bị tăng quá mức khi động cơ hoạt động ở dải tốc độ thấp [15]. iDC SM + + SM1 SM1 SM1 S1 SM2 SM2 SM2 VHa S2 VC _ SMN SMN SMN Ro Ro Ro Lo Lo Lo iHA iHB iHC iA VDC vA iB iLA vB iC M iLB vC iLC Ro Ro Ro Lo Lo Lo + SMN+1 SMN+1 SMN+1 SMN+2 SMN+2 SMN+2 vLa _ SM2N SM2N SM2N _ Hình 1.2 NLĐM cấu trúc MMC cấp cho tải động cơ NLĐM kiểu cầu H nối tầng (CHB) có sơ đồ mạch lực đơn giản hơn, có số phần tử ít nhất khi cung cấp cùng số mức điện áp [3], [16] và là cấu trúc phổ biến cho biến tần cấp trung áp, công suất cao [17], [18].

Biến tần dựa trên cấu trúc CHB đã được sản xuất bởi các nhà cung cấp khác nhau và dưới các tên khác nhau như Siemens với “Robicon Perfect Harmony”, Emerson với “Megavert”, Delta Electronics với “MVD Series”, v. Như vậy, tính phổ biến của biến tần cấu trúc CHB đã được kiểm chứng bằng thực tế qua nhiều năm nghiên cứu và sản xuất thương mại. Cấu trúc CHB cũng sở hữu những ưu điểm mà bộ MMC có được như đã đề cập phần trên. Ngoài ra, BBĐ CHB có tính module hóa, có thể dễ dàng nâng mức công suất và điện áp lên cao bằng cách tăng số lượng cầu H.

NLĐM kiểu CHB có thể tạo ra dạng sóng điện áp gần sin từ một số nguồn DC nhưng đều phải đảm bảo yêu cầu các nguồn DC đó cách ly riêng biệt hoàn toàn với nhau. Số nguồn DC này thông thường nhận được từ chỉnh lưu diode nhiều xung. Mặc dù mặt hạn chế của cấu trúc CHB là tồn tại điện áp CMV giữa điểm trung tính của tải và điểm trung tính của nguồn, xử lý bài toán cân bằng điện áp tụ nhưng cấu trúc này vẫn rất phổ biến đối với ứng dụng điện áp trung, công suất lớn. Vì những phân tích trên, bộ nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng được chọn làm đối tượng nghiên cứu trong luận án này.3 là một ví dụ cho NLĐM cấu trúc CHB cấp cho tải động cơ.

6 A VDC1 B C Lưới điện ~ VDC2 M VDC5 N Máy biến áp Pha A Pha B Pha C Hình 1.3 NLĐM cấu trúc CHB cấp cho tải động cơ 1.2 Các phương pháp điều khiển cho NLĐM cấu trúc CHB Việc phát triển các phương pháp điều khiển hiện đại đang có xu hướng tốt đối với các ứng dụng phức tạp có thể có nhiều mục tiêu điều khiển, các ràng buộc hệ thống và có nhiều chức năng… [20]. Nhìn chung, các yêu cầu điều khiển thông thường tập trung vào tốc độ đáp ứng quá độ, tính ổn định của hệ thống vòng kín. Bên cạnh các yêu cầu tiêu chuẩn này, còn có các mục tiêu điều khiển khác dành riêng cho bộ biến đổi điện tử công suất và truyền động điện. Trong số đó có những vấn đề đặc biệt quan trọng làm chuyển xu hướng của công nghệ điều khiển: - Kiểm soát tính phi tuyến của các bộ biến đổi điện tử công suất và truyền động điện nhằm đạt hiệu suất hệ thống cao hơn - Đáp ứng quá độ nhanh - Độ đập mạch dòng điện, độ đập mạch moment động cơ thấp.

- Trong một số ứng dụng, việc giảm CMV có tầm quan trọng đặc biệt để tránh ảnh hưởng bất lợi [21]. - Yêu cầu của các ràng buộc hệ thống phụ thuộc vào các ứng dụng và cấu trúc của bộ biến đổi [7]: các vấn đề cộng hưởng trong bộ biến đổi cộng hưởng, cân bằng điện áp điểm trung tính trong bộ NPC, cân bằng điện áp tụ điện trong bộ FC và cân bằng công suất trong bộ CHB,. 7 Các phương pháp điều khiển NLĐM cấu trúc CHB Tuyến tính Phi tuyến Điều Điều khiển Điều khiển khiển PI, Hysteresis SMC AIC PR dự báo PID Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển thông dụng cho NLĐM cấu trúc CHB (nguồn [22]) Tổng quan sơ bộ về các phương pháp điều khiển thông dụng cho bộ biến đổi nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB trên Hình 1. Công nghệ vi xử lý và DSP phát triển là các yếu tố chính giúp hình thành các phương pháp điều khiển mới có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp điều khiển thông thường [23].