Mô Hình Hóa và Thiết Kế Điều Khiển Bộ Biến Đổi Điện Tử Công Suất

Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất bao gồm nhiều thành phần phối hợp. Đầu tiên là mạch lực, nơi diễn ra quá trình chuyển đổi năng lượng chính. Tiếp theo là mạch điều khiển, chịu trách nhiệm tạo ra các tín hiệu điều khiển đóng cắt cho van bán dẫn. Mạch cảm biến đo lường các thông số điện áp, dòng điện và tần số. Cuối cùng, bộ xử lý (DSP, Microcontroller) nhận thông tin từ cảm biến, tính toán và đưa ra lệnh điều khiển tối ưu. Cấu trúc này đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của bộ biến đổi.

Mục tiêu thiết kế điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất xoay quanh việc đảm bảo hiệu suất cao, ổn định và đáp ứng nhanh chóng. Cụ thể, cần duy trì điện áp đầu ra ổn định, giảm thiểu sóng hài, và tối ưu hóa hệ số công suất. Đồng thời, hệ thống phải có khả năng chống nhiễu và bảo vệ khỏi các sự cố như quá dòng, quá áp. Thiết kế phải đảm bảo đáp ứng nhanh với sự thay đổi của tải và nguồn, đồng thời đảm bảo hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau.

Mô hình trung bình cổ điển là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC. Phương pháp này dựa trên việc tính trung bình các biến trạng thái trong một chu kỳ chuyển mạch, bỏ qua các thành phần tần số cao. Điều này giúp giảm độ phức tạp của mô hình và cho phép phân tích hệ thống dễ dàng hơn. Mô hình trung bình đặc biệt hữu ích trong thiết kế các bộ điều khiển vòng kín.

Để thiết kế bộ điều khiển, cần tuyến tính hóa mô hình trung bình xung quanh một điểm làm việc. Mô hình tín hiệu nhỏ AC thu được cho phép phân tích đáp ứng tần số và thiết kế bộ điều khiển dựa trên các tiêu chí như dự trữ pha và dự trữ biên độ. Quá trình tuyến tính hóa bao gồm việc sử dụng khai triển Taylor và bỏ qua các thành phần bậc cao, đơn giản hóa mô hình để thiết kế điều khiển. Mô hình tín hiệu nhỏ AC cung cấp thông tin quan trọng về tính ổn định và hiệu suất của hệ thống điều khiển.

Sau khi xây dựng mô hình, cần mô phỏng để kiểm chứng tính chính xác và hiệu quả của mô hình. Các phần mềm như MATLAB Simulink, PLECS, PSIM thường được sử dụng để mô phỏng hoạt động của bộ biến đổi. Kết quả mô phỏng cho phép so sánh với kết quả thực nghiệm, từ đó điều chỉnh và hoàn thiện mô hình. Mô phỏng là bước quan trọng để đảm bảo rằng mô hình phản ánh đúng hành vi của hệ thống thực tế.

Điều khiển trực tiếp đầu ra là phương pháp đơn giản, trong đó bộ điều khiển trực tiếp tác động lên điện áp đầu ra. Bộ điều khiển, thường là PID controller, được thiết kế để duy trì điện áp đầu ra ở giá trị mong muốn. Phương pháp này dễ triển khai nhưng có thể không hiệu quả trong các hệ thống có nhiễu hoặc tải thay đổi nhanh. Việc điều chỉnh các tham số của PID controller đóng vai trò quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu.

Điều khiển gián tiếp sử dụng cấu trúc hai mạch vòng: một mạch vòng dòng điện bên trong và một mạch vòng điện áp bên ngoài. Mạch vòng dòng điện giúp cải thiện đáp ứng động và ổn định của hệ thống. Mạch vòng điện áp duy trì điện áp đầu ra ở giá trị mong muốn. Cấu trúc này phức tạp hơn nhưng mang lại hiệu suất và độ ổn định cao hơn so với điều khiển trực tiếp đầu ra. Việc thiết kế bộ điều khiển cho cả hai mạch vòng đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng.

Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng thông tin về tất cả các biến trạng thái của hệ thống để thiết kế bộ điều khiển. Phương pháp này cho phép áp đặt vị trí của các điểm cực của hệ thống vòng kín, từ đó kiểm soát đáp ứng động và độ ổn định. Điều khiển phản hồi trạng thái đòi hỏi mô hình hệ thống chính xác và phức tạp hơn so với điều khiển PID, nhưng có thể mang lại hiệu suất vượt trội trong các ứng dụng yêu cầu cao.

Thiết kế điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq bao gồm việc chuyển đổi các tín hiệu điện áp và dòng điện AC sang hệ tọa độ quay đồng bộ với tần số lưới. Điều này cho phép sử dụng các bộ điều khiển DC để điều khiển các thành phần điện áp và dòng điện. Các bộ điều khiển thường được sử dụng là PID controller, được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu về độ ổn định và đáp ứng nhanh chóng. Cấu trúc này phổ biến trong các ứng dụng chỉnh lưu tích cực.

Bộ điều chỉnh cộng hưởng (PR) là một loại bộ điều khiển được thiết kế để loại bỏ các thành phần hài trong hệ thống. Chúng hoạt động bằng cách cung cấp độ lợi lớn tại tần số cộng hưởng, giúp loại bỏ các thành phần không mong muốn. Bộ điều chỉnh PR thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển nghịch lưu và chỉnh lưu để cải thiện chất lượng điện năng và giảm sóng hài.

Thuật toán vòng khóa pha (PLL) được sử dụng để đồng bộ hóa tần số và pha của bộ biến đổi với lưới điện. PLL đảm bảo rằng bộ biến đổi hoạt động ở tần số và pha chính xác, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Có hai loại PLL phổ biến: PLL ba pha và PLL một pha, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. PLL là thành phần quan trọng trong các hệ thống điều khiển nối lưới.

Tuyến tính hóa bằng phản hồi là một phương pháp biến đổi hệ thống phi tuyến thành hệ thống tuyến tính thông qua phản hồi phi tuyến. Điều này cho phép sử dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính, đơn giản hóa quá trình thiết kế. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi mô hình hệ thống chính xác và có thể không hiệu quả trong các hệ thống có nhiễu hoặc tham số thay đổi.

Điều khiển tựa phẳng là một phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên khái niệm phẳng. Hệ thống được coi là phẳng nếu tất cả các biến trạng thái có thể được biểu diễn dưới dạng các hàm của một biến đầu ra và các đạo hàm của nó. Phương pháp này cho phép thiết kế bộ điều khiển một cách trực tiếp, mà không cần tuyến tính hóa hệ thống. Điều khiển tựa phẳng đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều khiển robot và điện tử công suất.

Điều khiển tựa thụ động là một phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên khái niệm thụ động. Hệ thống được coi là thụ động nếu năng lượng đầu vào luôn lớn hơn hoặc bằng năng lượng tiêu thụ. Phương pháp này đảm bảo tính ổn định của hệ thống và cho phép thiết kế các bộ điều khiển mạnh mẽ và chống nhiễu. Điều khiển tựa thụ động thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển robot và điện tử công suất, đặc biệt là trong các hệ thống có tính năng lượng tái tạo.

Hệ thống điều khiển kiểu rơ-le là một loại SVC đơn giản, trong đó bộ điều khiển chỉ có hai trạng thái: bật và tắt. Hệ thống chuyển đổi giữa hai trạng thái này dựa trên một ngưỡng được xác định trước. Điều khiển kiểu rơ-le dễ triển khai, nhưng có thể dẫn đến hiện tượng rung và độ chính xác thấp.

Chế độ trượt là một trạng thái trong hệ VSS, trong đó quỹ đạo trạng thái của hệ thống bị ràng buộc phải di chuyển trên một bề mặt được gọi là bề mặt trượt. Bề mặt trượt được thiết kế sao cho hệ thống ổn định và đạt được các mục tiêu điều khiển mong muốn. Điều khiển trượt mang lại độ ổn định và hiệu suất cao, nhưng đòi hỏi thiết kế cẩn thận để tránh rung.

Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC bao gồm việc lựa chọn một bề mặt trượt phù hợp và thiết kế luật điều khiển sao cho hệ thống bị ràng buộc phải trượt trên bề mặt này. Bề mặt trượt thường được thiết kế dựa trên các mục tiêu điều khiển như ổn định điện áp đầu ra và đáp ứng nhanh chóng. Thiết kế phải đảm bảo tính ổn định và tránh rung.