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 β 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 3 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].
5 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 6 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.
7 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,. 8 Các phương pháp điều khiển NLĐM cấu trúc CHB Tuyến tính Phi tuyến Điều Predictive Điều khiển khiển PI, Hysteresis SMC AIC PR control 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].