BỘ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH D-STATCOM
D-STATCOM là gì?
Lưới điện phân phối tại Việt Nam hiện đang phải đối mặt với nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng và thay đổi liên tục Điều này dẫn đến việc các nhà máy điện và hệ thống truyền tải gặp khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu điện năng hiện tại.
Thay vì chỉ lắp đặt máy biến áp để cải thiện điện áp và giảm tổn thất điện năng, có thể sử dụng các thiết bị nguồn điều khiển ở vị trí thích hợp Những thiết bị này được gọi là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternate Current Transmission System) Trong số đó, bộ bù đồng bộ tĩnh D-STATCOM (Distribution Static Synchronous Compensator) là một thiết bị điện tử công suất mới, giúp tăng cường độ tin cậy và chất lượng điện áp cho lưới điện phân phối.
D-STATCOM là một thiết bị biến đổi năng lượng, điều khiển điện áp tại điểm kết nối một cách chủ động để cải thiện chất lượng điện áp, trao đổi công suất phản kháng, công suất tác dụng bằng cách thay đổi góc pha và biên độ của bộ biến đổi này Hiệu suất của D-STATCOM phụ thuộc vào thuật toán điều khiển.
Cấu tạo và chức năng của D-STATCOM
Đồ án này nghiên cứu D-STATCOM, một thiết bị biến đổi nguồn áp có khả năng bù công suất phản kháng (CSPK) thay đổi được D-STATCOM được kết nối song song với lưới điện thông qua máy biến áp, nổi bật hơn các thiết bị FACTS khác nhờ vào khả năng cung cấp CSPK linh hoạt, hoạt động êm ái, tổn thất điện năng thấp và khả năng ổn định điện áp lưới hiệu quả.
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của D-STATCOM
D-STATCOM được cấu thành từ các bộ phận chính như bộ biến đổi nguồn áp (VSC), tụ điện DC, cuộn kháng hoặc máy biến áp ghép nối, cùng với một bộ điều khiển cho bộ biến đổi nguồn áp.
• Tụ DC: được giả thiết là các thiết bị lưu trữ điện một chiều lý tưởng (có điện áp 𝑉 𝑑𝑐 ổn định)
• Cuộn kháng hoặc máy biến áp: có tác dụng ngăn dòng tăng lên đột ngột và hấp thụ công suất
• BBĐ VSC: Bộ biến đổi nguồn điện áp đầu ra xoay chiều AC từ nguồn điện áp một chiều DC và là thứ qua trọng nhất trong D-STATCOM
• Bộ điều khiển: điều khiển đóng mở cho các van bán dẫn trong BBĐ VCS để tạo ra điện áp mong muốn
Chức năng chính của hệ thống là điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối bằng cách tự động hấp thụ hoặc phát ra công suất phản kháng cho lưới điện xoay chiều Quá trình chuyển đổi công suất phản kháng được thực hiện thông qua điện kháng của máy biến áp, với điện áp thứ cấp của máy biến áp cùng pha với điện áp lưới để bù công suất phản kháng.
• Đặt tại các nút của lưới điện để bù công suất phản kháng
• Đặt trong các nhà máy điện dùng sức gió nhằm ổn định điện áp lưới, điều chỉnh hằng số công suất, giảm nhấp nháy điện áp
Để giảm thiểu sóng hài trong công nghệ luyện kim, các thiết bị được lắp đặt tại các nhà máy luyện kim như lò hồ quang, lò cao tần và dây chuyền sản xuất tự động.
Đặt thiết bị tại các tòa nhà giúp giảm méo tín hiệu, nâng cao chất lượng điện năng và tăng cường độ tin cậy hoạt động của các thiết bị như máy tính, thang máy và các thiết bị điện tử khác.
Sơ đồ một pha tương đương, nguyên lý hoạt động của D-STATCOM
Hình 1.2: Sơ đồ mạch 1 pha tương đương của D-STATCOM
Sơ đồ mạch một pha tương đương của hệ thống D-STATCOM được thể hiện
BBĐ là nguồn áp chuyển đổi điện áp một chiều DC thành điện áp xoay chiều AC, kết nối với hệ thống điện Việc điều chỉnh điện áp đầu ra AC cho phép D-STATCOM trao đổi công suất phản kháng Khi điện áp lưới và điện áp bộ chuyển đổi cùng pha, nếu điện áp lưới nhỏ hơn, D-STATCOM sẽ cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống Ngược lại, khi điện áp lưới lớn hơn điện áp bộ chuyển đổi, D-STATCOM sẽ hấp thụ công suất phản kháng từ lưới điện.
D-STATCOM có khả năng trao đổi công suất tác dụng với hệ thống bằng cách thay đổi góc pha giữa điện áp đầu ra và điện áp lưới Tuy nhiên, việc điều chỉnh góc pha có thể gây ra nhiều vấn đề trong lưới điện Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi chỉ tập trung vào việc điều chỉnh độ lớn của điện áp D-STATCOM để trao đổi công suất phản kháng với lưới điện Đồ án này chỉ xem xét D-STATCOM trong chế độ trao đổi công suất phản kháng, do đó điện áp đầu ra của D-STATCOM và điện áp lưới sẽ cùng pha.
Chế độ hoạt động của D-STATCOM
Hình 1.3 minh họa các đại lượng vectơ trong trạng thái ổn định với tần số cơ bản, bao gồm chế độ điện dung và điện cảm, cũng như quá trình chuyển đổi giữa hai chế độ này Điện áp thanh cái U bus được xác định bằng tổng điện áp bộ chuyển đổi U VSC và điện áp trên biến áp U L, áp dụng cho cả hai chế độ điện dung và điện cảm.
Trong chế độ điện dung (capacitive) bù CSPK, dòng điện I dẫn trước 90° so với điện áp bộ chuyển đổi U VSC, với điều kiện |U VSC| > |U bus| Ngược lại, trong chế độ điện cảm (inductive) hấp thụ CSPK, dòng điện I chậm 90° so với điện áp bộ chuyển đổi U VSC, khi |U VSC| < |U bus|.
Hình 1.3: Các đại lượng vecto
Khi điều chỉnh góc pha từ 0 đến giá trị dương, công suất tác dụng sẽ được truyền từ bộ tụ điện DC đến điểm kết nối (PCC).
Khi điều chỉnh góc pha từ giá trị 0 đến một giá trị âm, công suất tác dụng được truyền từ điểm kết nối (PCC) vào tụ điện DC
Sự trao đổi công suất giữa D-STATCOM và hệ thống AC được thể hiện qua bảng 1.1
Bảng 1.1: Sự trao đổi công suất
Sự trao đổi công suất
D-STATCOM hoạt động ở chế độ nghịch lưu bằng cách điều khiển góc pha giữa điện áp bộ biến đổi và điện áp đường dây và biên độ độ lớn của điện áp để D- STATCOM phát hoặc hấp thu công suất mong muốn tại điểm kết nối
Công suất tác dụng và công suất phản kháng trao đổi giữa D-STATCOM và hệ thống:
U S là giá trị điện áp lưới
U VSC là giá trị điện áp bộ chuyển đổi
X L là điện kháng của máy biến áp
𝛿 là góc lệch giữa điện áp lưới và điện áp bộ chuyển đổi
Khi góc lệch pha giữa lưới điện và thiết bị bù bằng 0, việc bù công suất phản kháng chỉ cần điều chỉnh độ lớn điện áp đầu ra của bộ bù Tuy nhiên, trong thực tế, góc lệch pha không thể bằng 0 vì hệ thống cần một lượng nhỏ công suất tác dụng từ lưới để duy trì điện áp trên các tụ.
Tác dụng của bộ biến đổi nguồn áp trong D-STATCOM
Trong D-STATCOM, bộ biến đổi tĩnh là thành phần quan trọng nhất, sử dụng linh kiện điện tử công suất để chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều Có hai loại cấu trúc bộ biến đổi chính: bộ biến đổi nguồn áp (VSC) và bộ biến đổi nguồn dòng (CSC), với VSC được ưa chuộng hơn VSC hiện nay thường sử dụng van IGBT nhờ tần số đóng cắt cao, đáp ứng tốt yêu cầu điện áp cần thiết.
D-STATCOM yêu cầu mức năng lượng cao, vì vậy bộ nghịch lưu 2 mức không đủ khả năng đáp ứng Để giải quyết vấn đề này, công nghệ điện tử công suất đã phát triển bộ nghịch lưu đa mức, hoạt động bằng cách chia điện áp DC thành các điện áp lưu trữ trong tụ điện Việc sử dụng bộ biến đổi đa mức giúp giảm tỉ số biến đổi của máy biến áp, thậm chí cho phép kết nối trực tiếp mà không cần qua máy biến áp Điều này dẫn đến việc điện áp đầu ra chỉ cần được lọc bằng cuộn cảm nhỏ.
Cấu trúc đa mức bao gồm hai loại: bộ biến đổi nguyên khối và bộ biến đổi kiểu module Bộ biến đổi nguyên khối thường sử dụng diode kẹp và tụ bay, trong khi bộ biến đổi kiểu module thích hợp cho điện áp và công suất cao hơn Sử dụng bộ biến đổi kiểu module với cấu trúc nửa cầu MMC mang lại hiệu quả tối ưu Bài viết này sẽ phân tích các ưu nhược điểm của cấu trúc này khi áp dụng cho D-STATCOM.
• Dùng được với điện áp cao, công suất lớn
• Tính khả dụng cao do cấu trúc được kết hợp bởi nhiều độ biến đổi nhỏ hay còn gọi là Sub Module
• Tổn hao công suất nhỏ do tần số đóng mở thấp
• Thay vì cần một tụ điện dung lớn thì ta sẽ sử dụng nhiều tụ nhỏ, năng lượng sẽ được chia đều cho các tụ tế bào đó
• Kích thước nhỏ, giá thành rẻ hơn so với các bộ biến đổi khác cùng cấp điện áp
• Vẫn còn tồn tại dòng điện chảy vòng từ phía một chiều qua mỗi pha là nguyên nhân chính gây tổn thất năng lượng
• Khi cấu trúc càng mở rộng thì số lượng van và chi phí càng lớn, điều khiển sẽ ngày càng một khó
Tổng hợp nội dung đồ án
Đồ án này trình bày nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống bù đồng bộ tĩnh D-STATCOM trong lưới điện phân phối Nội dung được chia thành 4 chương, mỗi chương sẽ tóm tắt các khía cạnh quan trọng của quá trình nghiên cứu và thiết kế.
Chương 1: Giới thiệu về D-STATCOM
Chương này sẽ giới thiệu về bộ bù đồng bộ tĩnh D-STATCOM, bao gồm khái niệm, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của nó trong lưới phân phối Đồng thời, sẽ tiến hành phân tích, đánh giá và đề xuất nghiên cứu liên quan đến bộ biến đổi MMC.
Chương 2: Bộ nghịch lưu đa mức MMC
Trong Chương 2, chúng ta sẽ khám phá cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu đa mức MMC, như đã đề xuất trong Chương 1 Cuối cùng, các thông số mạch lực sẽ được tính toán khi áp dụng MMC và D-STATCOM, với mô phỏng được thực hiện trong Chương 4.
Chương 3: Thiết kế điều khiển cho D-STATCOM
Chương này giới thiệu khái niệm điều khiển dự báo MPC và quy trình thiết kế cho bộ điều khiển này Sau khi hoàn tất quy trình thiết kế, bộ điều khiển dự báo MPC sẽ được áp dụng cho hệ thống D-STATCOM Nội dung sẽ bao gồm thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC, thiết kế bộ điều khiển bù công suất phản kháng và thuật toán cân bằng năng lượng.
Chương 4: Mô phỏng hệ thống
Mô phỏng sẽ được thực hiện trong môi trường Matlab/Simulink để kiểm chứng kết quả từ Chương 2 và 3 Sau khi hoàn thành mô phỏng, chúng tôi sẽ tiến hành nhận xét và đánh giá tổng quan về những thành công cũng như những hạn chế trong quá trình thực hiện.
BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC MMC
Cấu trúc bộ biến đổi MMC
Bộ biến đổi MMC là một loại bộ biến đổi DC-AC, được cấu thành từ nhiều bộ biến đổi thành phần SM (Sub-Module) mắc nối tiếp, cho phép tạo ra các mức điện áp khác nhau Cấu trúc của bộ biến đổi MMC được minh họa trong Hình 2.1.
Hình 2.1: Mô hình bộ biến đổi đa mức MMC
Bộ biến đổi MMC bao gồm ba pha tương đương, với mỗi pha được cấu thành từ hai nhánh: nhánh trên và nhánh dưới Mỗi nhánh có số lượng là N, tạo nên cấu trúc linh hoạt và hiệu quả cho bộ biến đổi này.
Module tùy theo yêu cầu Vì vậy tổng số SM trên 1 pha là 2N Module Số lượng
Số lượng SM trong mỗi pha ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và mức điện áp đầu ra; càng nhiều SM thì điện áp đầu ra càng cao Tuy nhiên, việc điều khiển sẽ trở nên phức tạp hơn khi số lượng SM tăng Theo lý thuyết, số lượng SM là không giới hạn miễn đáp ứng yêu cầu điện áp đầu ra Mỗi nhánh có điện cảm L0 (hay Larm) để giảm dòng điện quá độ trong mạch Điện áp một chiều là nguồn chung cho cả ba nhánh, trong khi điện áp xoay chiều được lấy từ điểm nối chung của hai nhánh và giữa hai cuộn cảm của mỗi nhánh.
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các Sub-Module
Các SM bao gồm 2 van IGBT và 1 tụ điện, như thể hiện trong hình 2.2 Để tạo ra điện áp mong muốn tại các đầu MMC, bộ điều khiển phát tín hiệu đóng hoặc mở cho các van IGBT Điện áp ra của các SM sẽ bằng điện áp trên tụ V C hoặc bằng 0, tùy thuộc vào trạng thái đóng cắt của van Có hai trạng thái đóng cắt chính.
• S1 ở trạng thái ON và S2 ở trạng thái OFF
• S1 ở trạng thái OFF và S2 ở trạng thái ON
Hình 2.2: Cấu hình của một Sub-Module (SM)
Hình 2.3 minh họa trạng thái đóng cắt của các van S1 và S2, trong đó dòng điện được quy ước có chiều dương trong hình (a) và (b), còn chiều âm trong hình (c) và (d).
Bộ biến đổi MMC hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp của các
SM tạo ra điện áp xoay chiều cho từng pha của bộ biến đổi Mỗi SM có điện áp đầu ra liên quan đến hai trạng thái đối kháng: chèn vào (inserted) hoặc bỏ qua (bypass), tùy thuộc vào trạng thái đóng cắt của từng cặp van và chiều dòng điện trong mạch.
Hình 2.3: Trạng thái hoạt động của SM
Khi S1 ở trạng thái OFF và S2 ở trạng thái ON (Hình 2.3a), dòng điện được xác định theo chiều dương và sẽ đi qua S2 với U SM = 0 Trạng thái này được gọi là trạng thái SM bị “bỏ qua”.
TH2: S1 ON à S2 OFF (Hình 2.3b) và dòng điện được quy ước theo chiều dương Trong trường hợp này dòng điện sẽ đi qua D1 và tụ điện sẽ tích điện và
U SM = U DC /N Trạng thái này được gọi là trạng thái SM được “chèn vào”
TH3: S1 ON và S2 OFF (Hình 2.3c) và dòng điện được quy ước theo chiều âm Trạng thái này, tụ điện được xả và U SM = U DC /N Trạng thái này SM được
TH4: S1 OFF và S2 ON (Hình 2.3d) và dòng điện quy ước theo chiều âm
Trạng thái này, dòng điện đi qua D2 Các tụ điện sẽ được “ngắn mạch” và U SM =
0 Trạng thái này SM được “bỏ qua”
Ngoài các trạng thái chèn vào (Inserted) và trạng thái bỏ qua (Bypass) đã nêu ở trên thì còn các trạng thái đặc biệt:
Trạng thái CẤM xảy ra khi cả hai van S1 và S2 đều ở chế độ ON, điều này có thể dẫn đến hiện tượng ngắn mạch điện áp trên tụ trong hệ thống điều khiển các SM của MMC Để tránh tình trạng này, cần phải đảm bảo rằng trạng thái của S1 và S2 luôn luôn ở mức đối kháng, tức là một van phải ở trạng thái ON trong khi van kia ở trạng thái OFF.
Trạng thái KHÓA xảy ra khi cả hai van S1 và S2 đều ở chế độ OFF, dẫn đến việc kiểm soát điện áp đầu ra của từng SM trở nên khó khăn.
Bảng 2.1 thể hiện quan hệ giữa trạng thái van, điện áp, chiều dòng điện và trạng thái tụ của mỗi SM
Bảng 2.1: Trạng thái của Sub-Module (SM)
Trạng thái van Điện áp ra
Nguyên lý hoạt động của MMC
Cấu trúc như hình 2.1 cho phép việc chèn hoặc bỏ qua các SM ở mỗi nhánh, từ đó tạo ra điện áp đầu ra chính xác Quá trình nạp và xả của tụ điện phụ thuộc vào hướng dòng điện Để duy trì điện áp ổn định trên mỗi SM, tổng số SM kết nối trong mỗi nhánh pha cần phải không đổi Nếu có N SM kết nối trong một pha, điện áp trên mỗi SM sẽ được xác định dựa trên số lượng này.
Khi MMC hoạt động bình thường, các tụ điện được nạp đến giá trị yêu cầu bằng cách chèn một SM và bỏ qua 2N-1 SM Sau khi tụ của SM đó được nạp xong, bộ điều khiển sẽ bỏ qua và tiếp tục chèn SM tiếp theo Tuy nhiên, không thể nạp các tụ bằng điện áp nguồn cao do nguy cơ hỏng hóc, vì vậy cần sử dụng điện áp một chiều bên ngoài với mức thấp hơn Để cải thiện quá trình nạp, việc thêm điện trở vào mỗi nhánh là cần thiết.
Hình 2.4: Quá trình nạp tụ ở mỗi nhánh
Sau khi các tụ được nạp, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu để quyết định chèn vào hoặc bỏ qua các SM nhằm tạo ra điện áp AC Tuy nhiên, chỉ có N SM ở mỗi pha được mở tại mỗi thời điểm Bài viết này chỉ tập trung vào số lượng SM được chèn vào.
Để xác định chính xác số lượng SM cần chèn vào và số lượng SM bị bỏ qua cho từng nhánh và từng pha, cần áp dụng một phương pháp điều khiển phù hợp Việc này giúp tối ưu hóa quá trình và đảm bảo rằng không có SM nào bị bỏ sót mà không được xem xét.
Khi có một SM được chèn vào ở nhánh dưới mà không có SM nào bị bỏ qua ở nhánh trên, tổng số SM sẽ là N+1 Do đó, điện áp trung bình sẽ được tính là U DC /(N+1), dẫn đến sự thay đổi trong điện áp trung bình trên mỗi tụ được chèn vào.
Hình 2.5: Dạng điện áp xoay chiều đầu ra của bộ MMC
Hình 2.5 minh họa điện áp đầu ra U AC của một bộ MMC lý tưởng mà không tính đến tổn hao Giả định rằng điện áp được phân phối đều giữa các tụ của các SM và các tụ đủ lớn để điện áp không dao động Trong một chu kỳ, có bốn trạng thái khác nhau.
Trạng thái A đạt được khi điện áp đầu ra lớn nhất, trong đó tất cả các SM ở nhánh phía trên được bỏ qua, dẫn đến việc điện áp U DC/2 được nối trực tiếp tới đầu ra Đồng thời, tất cả các SM ở nhánh phía dưới được chèn vào, tạo ra tổng điện áp qua các module nhánh dưới bằng U DC.
Trạng thái B cho thấy điện áp ra giảm dần theo dạng sóng sin Để đạt được điều này, cần chèn thêm điện áp vào giữa điện áp dương một chiều và điểm giữa của điện áp xoay chiều, do đó các SM ở nhánh phía trên được chèn vào Việc duy trì số lượng SM chèn vào không thay đổi là rất quan trọng.
SM ở nhánh trên được chèn vào và một SM ở nhánh dưới được bỏ qua thì điện áp đầu ra đạt ((U DC /2) – U SM )
Trạng thái C: Tất cả các SM ở nhánh phía trên được chèn vào và tất cả SM ở nhánh dưới bị bỏ qua, điện áp đầu ra lúc này là - U DC /2
Trong trạng thái D, điện áp đầu ra được tăng dần từ mức thấp nhất, trong khi các module ở nhánh dưới được thêm vào từng bước, còn các module ở nhánh trên sẽ bị bỏ qua Để đảm bảo điện áp ra mịn màng nhất, nên chỉ điều chỉnh một bước điện áp tại mỗi thời điểm.
Tần số phát xung
Bộ biến đổi đa mức MMC có ưu điểm nổi bật với tần số đóng mở van thấp, giúp giảm nhiệt lượng tỏa ra và kéo dài tuổi thọ của van bán dẫn Tần số này cũng làm giảm lượng sóng hài của điện áp ra, góp phần cải thiện hiệu suất hoạt động Để hiểu rõ hơn về giá trị tần số phát xung, ta có thể xem xét bộ biến đổi MMC với N SM trong mỗi nhánh như hình 2.6.
Hình 2.6: Đồ thị phát xung cho nhánh trên của một pha
Điện áp đầu ra của hệ thống được biểu diễn dưới dạng hình bậc thang với biên độ mỗi bậc là U DC /N, tạo thành N+1 bậc, có giá trị từ 0 đến U DC Để xác định tần số đóng mở trung bình của các SM, cần tính tổng số lần phát xung của N SM, ký hiệu là K, trong một chu kỳ Biểu thức tính K được thể hiện rõ trong hình 2.6.
Có tổng N SM tham gia vào phương trình này, số lần phát xung trung bình của
1 SM bằng N Trong 1s có 50 chu kỳ điện áp, nên ta có công thức tổng quát cho tần số đóng mở van trung bình của SM là: 𝑓 𝑆𝑊 = 50𝑁(Hz).
Mô hình hóa MMC nối lưới
Yêu cầu điều khiển của MMC
Trước khi mô hình hóa, cần xem xét các vấn đề để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng bộ biến đổi MMC Nhiệm vụ chính của việc điều khiển MMC bao gồm kiểm soát các giá trị đầu ra như dòng điện và điện áp, cũng như các đại lượng bên trong như điện áp trên tụ của SM và dòng điện vòng trong các nhánh Điều khiển dòng điện đầu ra là nhiệm vụ quan trọng nhất trong bài toán điều khiển MMC, vì nó liên quan chặt chẽ đến việc điều khiển D-STATCOM Yêu cầu đặt ra là điều khiển dòng điện đầu ra phải bám sát giá trị tham chiếu đã tính toán với sai lệch nhỏ nhất.
Muốn điều khiển được dòng điện đầu ra theo yêu cầu chúng ta cần đóng cắt các SM một cách hợp lý
Cân bằng điện áp trên tụ điện
Cân bằng điện áp trong bộ biến đổi MMC bao gồm ba yếu tố chính: giữa các pha, giữa các nhánh van trong một pha, và giữa các tụ trong cùng một pha Việc cân bằng điện áp giữa các tụ SM là vấn đề quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của MMC, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn hệ thống Cân bằng điện áp giúp duy trì dao động điện áp trong tụ điện trong giới hạn an toàn, từ đó giảm thiểu tổn thất trong MMC Hơn nữa, việc này cũng đảm bảo rằng dạng của các giá trị đầu ra được ổn định trong tất cả các chu kỳ hoạt động.
Giảm thiểu dòng điện vòng
Khi MMC hoạt động, dòng điện vòng từ DC sang mỗi pha xuất hiện do quá trình nạp xả liên tục của tụ điện Sự nhấp nhô của điện áp tụ điện tạo ra dòng điện móc vòng chảy qua cả hai nhánh trong mỗi pha, dẫn đến méo dòng điện và nhanh hỏng van.
Sau khi đánh giá các vấn đề cần điều khiển và xác định các đối tượng cần điều khiển, chúng ta mô hình hóa cấu trúc MMC dựa trên các biến đã xác định Giả sử điện áp tụ điện của SM là cân bằng và số lượng SM là vô hạn trong nhánh, mỗi nhánh của bộ biến đổi có thể được tương đương với một tụ điện thay đổi mắc nối tiếp với một điện trở và điện cảm tương đương Do ba pha là giống nhau, mô hình toán học một pha được xây dựng để đơn giản hóa và được mô tả trong hình 2.7.
Hình 2.7: Mô hình một pha đơn giản của MMC
U DC : Điện áp nguồn một chiều
R L : Điện trở và điện cảm giữa lưới và bộ biến đổi
U e : Điện áp ở đầu ra bộ biến đổi
Tổng điện áp của tụ nhánh trên và nhánh dưới được ký hiệu là U p và U n Dòng điện chảy từ một chiều đến mỗi pha được biểu thị bằng i diff Dòng điện trong nhánh trên và nhánh dưới lần lượt được ký hiệu là i p và i n, trong khi dòng điện pha được ký hiệu là i.
R L : Điện trở và điện cảm mỗi nhánh
Theo [5][6][7] dòng điện nhánh trên và nhánh dưới được tính bởi (2.3) và (2.4) như sau:
Từ 2.3 và 2.4 ta được: p n i= −i i (2.5) diff
2 p n 3 dc i = i + −i i (2.6) Áp dụng luật Kirchhoff ta thu được phương trình sau: ar ar
U di di u L R i Ri L dt − − dt −
Ta lấy 2.7 trừ cho 2.8 ta có thể thu được biểu thức 2.8 như sau: ar ( ) ar 2
Kết hợp 2.5, 2.8 ta được: ar ar
+ (2.10) Để tính được biến thứ 2 là dòng điện vòng, ta cộng 2.7 và 2.8 với nhau: ar ar
Thay biểu thức (2.6) vào (2.11) và để đơn giản ta giả sử dòng một chiều là không đổi nên di dc 0 dt = , ta được phương trình như sau: ar ar
Mô hình toán học của điện áp tụ:
Hệ số điều chế của hai nhánh cần được duy trì ở mức 1, nghĩa là khi một sub-module được thêm vào nhánh này, thì một sub-module tương ứng sẽ bị loại bỏ trong nhánh kia Điện dung của một sub-module (SM) được ký hiệu là C_SM, trong khi điện dung của các tụ điện liên quan đến nó được tính theo công thức p_SM.
Khi dòng điện nhánh i p và i n chảy qua nhánh trên và nhánh dưới 1 pha thì tổng giá trị điện áp tụ được tính:
Thay biểu thức 2.3 và 2.4 vào biểu thứ 2.15 ta được:
(2.16) Đơn giản ta viết gọn như sau duci im dt C
Trong đó i = 1,2, , 2n là số SM được bật và im có thể bằng không nếu như
SM bị tắt, hoặc bằng i p nếu tất cả SM được bật nằm ở nhánh trên hoặc bằng i n nếu như tất cả SM được bật nằm ở nhánh dưới
Từ các phương trình 2.10, 2.12 và 2.16, chúng ta có thể xây dựng mô hình hóa cho bộ biến đổi MMC nối lưới, được thể hiện qua biểu thức (2.18).
Kết luận: Mô hình toán học của hệ thống được phát triển dựa trên ba biến điều khiển chính là dòng nhánh, dòng vòng và điện áp tụ điện, nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển của MMC Điều này sẽ tạo nền tảng cho việc xây dựng cấu trúc và thiết kế bộ điều khiển D-STATCOM trong chương 3.
Tính toán thông số bộ biến đổi MMC cho D-STATCOM
Thông số mạch lực bộ biến đổi MMC được tính toán dựa trên thông số bộ bù D-STATCOM với N = 10 SM mỗi nhánh, điện áp U DC = 10000 V, công suất S n =
Tổng số SM là: 10 2 3 = 60 (SM)
Số lượng van IGBT là: 60× 2 = 120(van)
Dòng điện từ nguồn cấp:
= = = (A) (2.19) Điện áp trên mỗi SM:
Giả sử trường hợp lý tưởng, công suất ba pha cân bằng thì dòng điện từ nguồn
DC chảy qua mỗi pha là:
Chọn hệ số an toàn là 1.5 thì điện áp ngược tối đa cho phép mỗi van IGBT là:
Từ các thông số tính toán trên ta chọn van IGBT BSM200GA1700DLC với thông số như sau: U CE 00 ,V I max 0A
Bộ biến đổi MMC là một loại bộ biến đổi kiểu Module, có ưu điểm nổi bật là không cần nguồn nuôi riêng cho mỗi SM, mà mỗi SM chỉ cần một tụ điện để lưu trữ năng lượng Năng lượng tối đa lưu trữ trong các tụ điện, ký hiệu là E Cmax, phụ thuộc vào công suất định mức của D-STATCOM S n và hệ số tỉ số năng lượng công suất EP, với EP có thể thay đổi trong khoảng từ 10J/kVA đến 50J/kVA.
Năng lượng tối đa được lưu trữ trong các tụ điện được liên kết với nguồn DC của MMC 3 pha 6 nhánh được tính như sau [8]:
CSM: điện dung mỗi SM
Carm: điện dung cả nhánh Tổng điện dung trên 1 nhánh: max
= = (2.25) Điện dung của mỗi SM được tính như sau:
Cuộn cảm L trong mỗi nhánh có vai trò ngăn chặn dòng tần số cao do sự khác biệt điện áp giữa nhánh trên và nhánh dưới, giúp làm phẳng dòng điện khi các van chuyển mạch hoạt động Giá trị của cuộn cảm phụ thuộc vào điện áp trên tụ của SM (U DC /N), kỹ thuật điều chế, tần số chuyển mạch và bộ điều khiển Điện dung được tính theo công thức cụ thể.
Trong đó: m a là hệ số điều chế
là tần số điện áp h là bậc sóng hài ảnh hưởng lớn nhất
Với m a = 1 thì điện áp hiệu dụng của D-STATCOM U ra được tính bởi công thức (2.28) [8]:
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO D-STATCOM
Giới thiệu chung về phương pháp điều khiển dự báo
Điều khiển dự báo Model Predictive Control (MPC) là một phương pháp điều khiển được giới thiệu vào những năm 1960, nổi bật với khả năng giải quyết các bài toán trong miền thời gian MPC không chỉ bao gồm điều khiển tối ưu và điều khiển với quỹ đạo tín hiệu đặt trước, mà còn có khả năng xử lý các quá trình có thời gian trễ Phương pháp này đã được nghiên cứu sâu và cho thấy tiềm năng lớn trong việc điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất nhờ vào tốc độ tác động nhanh, độ chính xác cao, và khả năng tích hợp các thành phần phi tuyến cùng các vòng điều khiển để đáp ứng yêu cầu điều khiển hiệu quả.
Bộ điều khiển dự báo là một hệ thống điều khiển không liên tục, sử dụng mô hình toán học để dự đoán phản ứng tương lai của đối tượng điều khiển trong khoảng thời gian nhất định (Horizon Dự đoán) Dựa vào các phản ứng này, thuật toán tối ưu sẽ xử lý tín hiệu trong khoảng điều khiển (Horizon Điều khiển) nhằm giảm thiểu sai lệch giữa tín hiệu đặt và phản ứng thực tế Chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai được tính toán dựa trên tiêu chuẩn tối ưu hóa, với mục tiêu giữ cho đầu ra bám sát quỹ đạo đặt Hàm mục tiêu đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các biến trong hệ thống, có thể điều khiển nhiều biến đồng thời, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động và chất lượng hệ thống.
Cấu trúc, cách thức hoạt động bộ điều khiển MPC Đồi tượng điều khiển
Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển của MPC
Hình 3.1 mô tả cấu trúc điều khiển của bộ điều khiển dự báo gồm 3 khối:
Khối mô hình dự báo đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tín hiệu tương lai dựa trên các tín hiệu hiện tại Để thực hiện nhiệm vụ này, cần xây dựng một mô hình toán học chính xác cho đối tượng điều khiển.
• Khối hàm mục tiêu: Khối này xác định các biến điều khiển bám theo tín hiệu mẫu đặt trước
• Khối tối ưu hóa: Khâu này dựa trên các thuật toán tối ưu tìm nghiệm giá trị điều khiển để hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ nhất
Thuật toán MPC được thực hiện theo các bước sau: k k+1 k+N-1 i
Khoảng dự báo hiện tại Khoảng dự báo tiếp theo
Mô hình hệ thống rời rạc theo biến điều khiển yêu cầu điều khiển u(k) và y(k), trong đó biến điều khiển có thể là dòng điện, điện áp hoặc vận tốc động cơ Các biến này có thể được tính toán thông qua mô hình hệ thống hoặc đo trực tiếp.
Mô hình dự báo sẽ cung cấp dự đoán về giá trị tương lai y(k+1) trong các chu kỳ tiếp theo, nằm trong khoảng dự báo N Các giá trị dự đoán của biến điều khiển y(k+1) sẽ được so sánh với giá trị đặt w(k) trong khối hàm tối ưu để xác định sai lệch giữa tín hiệu thực và tín hiệu đặt e(k+1) Sai lệch này sau đó sẽ được tối ưu hóa thông qua hàm mục tiêu nhằm đạt được trạng thái tối ưu cho biến Quá trình này sẽ tiếp tục lặp lại qua các chu kỳ.
Các bước xây dựng thuật toán điều khiển:
Bước1: Xây dựng mô hình để dự báo đầu ra của biến điều khiển trong tương lai
Bước 2: Xây dựng hàm mục tiêu, tính toán tối ưu lần lượt tín hiệu của biến điều khiển
Bước 3: Mỗi lần các tín hiệu điều khiển được dự báo thì chỉ có tín hiệu tối ưu được tác động vào quá trình nhờ luật điều khiển
Kết luận, ưu điểm và nhược điểm của MPC
MPC (Model Predictive Control) là phương pháp điều khiển tiên tiến, sử dụng các mô hình toán học để dự đoán hành vi tương lai của hệ thống Việc triển khai MPC yêu cầu khả năng tính toán cao và sự phức tạp về mặt toán học Trước đây, việc áp dụng MPC gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự phát triển của công nghệ và bộ xử lý mạnh mẽ, việc áp dụng MPC đã trở nên dễ dàng hơn trong những năm gần đây Các nguyên tắc hoạt động và ứng dụng của điều khiển dự báo đã được nghiên cứu và trình bày chi tiết trong tài liệu tham khảo [9].
• Phù hợp với hệ thống nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO)
• Có thể điều khiển nhiều quá trình cùng một lúc
• Có thể xử lí các điểu kiện rằng buộc, rất hiệu quả khi biết trước quỹ đạo
• Các thuật toán tối ưu là các thuật toán lặp lại đòi hỏi xử lý và tính toán rất nhiều
• Cần xây dựng chính xác mô hình tính toán, vấn đề này rất khó với các hệ thống phức tạp, phi tuyến
• Cần bộ vi xử lý có năng lực tính toán lớn.
Áp dụng bộ điều khiển dự báo MPC cho bộ biến đổi công suất
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp điều khiển dự báo MPC (Model Predictive Control) mang lại chất lượng điều khiển tốt và phản ứng nhanh cho các bộ biến đổi điện tử công suất MPC được xem là một giải pháp thay thế hiệu quả cho các phương pháp điều khiển truyền thống.
Khi làm việc với các bộ biến đổi đa mức có số lượng van lớn, việc tính toán và điều khiển trở nên phức tạp Việc áp dụng phương pháp điều khiển dự báo (MPC) giúp khai thác tối đa ưu điểm của bộ điều khiển và bộ biến đổi, đồng thời giảm khối lượng tính toán và đơn giản hóa quá trình thiết kế MPC không chỉ nâng cao chất lượng dạng sóng đầu ra mà còn kiểm soát tốt sự ổn định của dòng điện và điện áp đầu ra Tuy nhiên, để tối ưu hóa hiệu quả của MPC trong các bộ biến đổi điện tử công suất, cần kết hợp với các bộ điều khiển và phương pháp điều khiển khác.
Kết luận, Phương pháp điều khiển dự báo (MPC) mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp điều khiển truyền thống, đặc biệt cho các bộ biến đổi đa mức Tuy nhiên, để tối ưu hóa những ưu điểm này và giảm thiểu khó khăn về toán học cũng như mô hình hóa, việc xem xét kỹ lưỡng đối tượng điều khiển là rất cần thiết.
Phương pháp điều khiển dự báo cho bộ biến đổi công suất
Phương pháp MPC ứng dụng trong điện tử công suất được chia thành hai nhóm sau[10]:
• Điều khiển dự báo tín hiệu liên tục (Continuous Control Set MPC) hay CCS-MPC đây là phương pháp điều khiển dự báo tín hiệu một cách liên tục
Điều khiển dự báo hữu hạn các trạng thái (FCS-MPC) là phương pháp điều khiển tiên tiến, cho phép dự đoán và quản lý các trạng thái của mô hình một cách hiệu quả.
Do các trạng thái đóng cắt của van bộ biến đổi có giới hạn, khả năng dự báo sẽ chỉ nằm trong các trạng thái đó Vì vậy, phương pháp FCS-MPC là lựa chọn tối ưu, giúp giảm đáng kể số lượng tính toán và thời gian xử lý.
Mô hình dự báo FCS-MPC được xây dựng dựa trên mối quan hệ giữa các trạng thái đóng cắt, biến điều khiển và hàm mục tiêu Trong mỗi giai đoạn điều khiển, mô hình này tính toán giá trị biến điều khiển cho giai đoạn tiếp theo và ước tính giá trị của từng biến dự báo cùng trạng thái chuyển mạch, từ đó lựa chọn hàm mục tiêu tối ưu nhất cho giai đoạn tiếp theo Mặc dù khối lượng tính toán phức tạp hơn, sự phát triển của DSP và FPGA với ưu điểm mô hình hóa linh hoạt và hiện thực hóa hàm mục tiêu dễ dàng đang thu hút sự chú ý So với bộ điều khiển PI truyền thống, FCS-MPC có cấu trúc đơn giản hơn, không cần bộ điều chế và bộ lọc, đồng thời giảm thiểu nhấp nhô điện áp và sóng hài Để hiểu rõ hơn về FCS-MPC, xem hình 3.3 dưới đây.
Hàm mục tiêu tối ưu cho i=1, n
Bộ điều khiển FCS-MPC
Hình 3.3: Sơ đồ khối của FCS-MPC
Mô hình dự báo được xây dựng dựa trên biến điều khiển x và trạng thái chuyển mạch S Tại thời điểm t k, giá trị dự đoán tương lai x k+1 được xác định từ x k và trạng thái S k Các giá trị dự đoán x k+1 sẽ được so sánh với giá trị x ref trong khối hàm mục tiêu Cuối cùng, trạng thái chuyển mạch tối ưu sẽ được chọn làm trạng thái chuyển tiếp cho chu kỳ tiếp theo.
Trong trường hợp FCS-MPC, bộ biến đổi có ba trạng thái chuyển mạch (S1, S2, S3) với giá trị đặt không đổi trong một khoảng thời gian Hàm mục tiêu được xác định bằng cách tính toán sai lệch giữa các trạng thái của biến cần điều khiển và giá trị đặt Tín hiệu điều khiển cho hệ thống sẽ được chọn dựa trên giá trị sai lệch nhỏ nhất tại thời điểm chu kỳ làm việc tiếp theo.
Hình 3.4: Nguyên tắc hoạt động của FCS-MPC
Tại thời điểm k+1, tín hiệu x2(k+1) được chọn làm tín hiệu điều khiển vì có độ sai lệch nhỏ nhất so với giá trị đặt, dẫn đến việc lựa chọn trạng thái S3 cho bộ biến đổi Tương tự, tại thời điểm k+2, tín hiệu x1(k+2) sẽ được chọn làm tín hiệu điều khiển, và trạng thái S2 sẽ được lựa chọn Quyết định này dựa trên việc hàm mục tiêu của tín hiệu có giá trị nhỏ nhất so với tín hiệu đặt Các chu kỳ tiếp theo của quá trình sẽ diễn ra theo cách tương tự.
Khoảng thời gian giữa các chu kì xét là thời gian trích mẫu T s được tính:
Công thức mô hình dự báo tương lai được xác định dựa trên hàm thể hiện trạng thái đóng cắt và biến điều khiển.
Trong đó: x(k) là các biến điều khiển hiện tại x(k+1) là giá trị tương lai của x(k)
S i là trạng thái điều khiển ứng với x(k) và n là số trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi.
Chức năng và cách xác đinh hàm mục tiêu trong phương pháp MPC
Trong quá trình khảo sát mô hình hệ thống, việc xác định giá trị tối ưu cho từng đáp ứng là cần thiết, nhưng một hệ thống thường có nhiều đáp ứng khác nhau với yêu cầu tối ưu riêng Do đó, giá trị tốt nhất cho một đáp ứng có thể không phù hợp với đáp ứng khác Để tìm ra giá trị tối ưu cho tất cả các đáp ứng, khái niệm hàm mục tiêu (Desirability Function) được đưa ra, cùng với các điều kiện phi tuyến và ràng buộc nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống Hàm mục tiêu là yếu tố chính giúp phân biệt MPC với các phương pháp điều khiển khác, có chức năng tối ưu các biến điều khiển như dòng điện, điện áp và mô men, nhằm đạt được các giá trị đặt và giảm thiểu sai lệch Hàm mục tiêu là một hàm tổng hợp bao gồm nhiều hàm con khác nhau, thể hiện các yêu cầu của hệ thống.
Xét trường hợp chỉ có một biến được điều khiển thì hàm mục tiêu có thể được biểu diễn như sau:
Trong mô hình hệ thống rời rạc, giá trị đặt 𝑥 * (k+1) và giá trị dự đoán x(k+1) của biến điều khiển được tính toán để đánh giá sai lệch giữa hai giá trị này Tiêu chuẩn || || được sử dụng để xác định giá trị tuyệt đối của sai lệch 𝑥* và 𝑥 trong khoảng thời gian lấy mẫu quy định Biểu thức này có thể được diễn đạt theo ba cách khác nhau với các dạng giá trị khác nhau.
Công thức này thường áp dụng trong lĩnh vực điện tử công suất, giúp tăng độ nhạy của bộ điều khiển, từ đó cho phép phản ứng nhanh chóng với các thay đổi Tuy nhiên, sự phản ứng nhanh này cũng dẫn đến tổn hao, khiến các van phải đóng cắt nhiều hơn.
Khi sử dụng công thức 3.5 thì độ nhạy của bộ điều khiển sẽ bị giảm đi và kết quả có thể không bám theo dúng giá trị đặt
Giá trị tích phân sai lệch (3.6)
Khi áp dụng biểu thức (3.6), việc sử dụng tích phân cho phép xem xét toàn bộ dự đoán trong T s, không chỉ tại giá trị k+1, giúp giảm thiểu sai lệch và nâng cao độ chính xác Tuy nhiên, điều này cũng làm tăng độ phức tạp trong tính toán và thời gian xử lý.
Trong các ứng dụng bộ biến đổi điện tử công suất, thời gian trích mẫu nhanh chóng có ảnh hưởng tương tự đến ba hàm mục tiêu.
Xét trường hợp có nhiều hơn 1 biến cần điều khiển, hàm mục tiêu được xây dựng theo 2 cách khác nhau:
Khi tất cả các biến điều khiển có cùng tính chất hoặc đơn vị, chẳng hạn như thành phần dòng điện theo hệ tọa độ dq của động cơ không đồng bộ, hàm mục tiêu sẽ được xác định là tổng sai lệch giữa các giá trị dự báo và giá trị tham chiếu.
Khi các biến điều khiển có sự khác biệt về tính chất và đơn vị, trọng số 𝜆 sẽ được áp dụng để điều chỉnh đơn vị cho bộ điều khiển Trọng số 𝜆 là một hằng số dương, có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các biến điều khiển.
Cách xác định trọng số
Giá trị trọng số đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ ưu tiên của các đối tượng điều khiển Hiện tại, chưa có phương pháp tính toán cụ thể cho các giá trị này, mà chúng thường được xác định thông qua các nghiên cứu thực nghiệm.
Hàm mục tiêu không có kèm thêm ràng buộc hệ thống:
Nếu hàm mục tiêu chỉ có một biến điều khiển hoặc nhiều biến điều khiển cùng bản chất, thì không cần sử dụng trọng số Tuy nhiên, khi các biến điều khiển khác bản chất, đặc biệt từ góc độ điều khiển, việc sử dụng trọng số là cần thiết để đạt hiệu quả trong quá trình điều khiển.
Ví dụ về động cơ không đồng bộ, hàm mục tiêu được xây dựng từ từ thông và mô men có dạng như sau:
Khi hàm mục tiêu được viết ở dạng không có đơn vị (ví dụ biểu thức 3.10), giá trị của trong số sẽ là một hoặc gần một
Khi dùng biểu thức trị tuyệt đối sai lệch (biểu thức 3.11), việc dùng trọng số rõ ràng là cần thiết
Mặc dù không có quy tắc chung để tìm giá trị trọng số trong trường hợp này,
Phương pháp thử và lỗi đã được đề xuất cho các giá trị 0, 1, 10, 100 và 1000 Kết quả thu được sẽ được kiểm tra nhằm xác định giá trị trọng số tối ưu nhất.
Hàm mục tiêu có kèm các ràng buộc hệ thống:
Ràng buộc hệ thống là một tính năng nổi bật của MPC, với các ràng buộc này thường khác nhau về bản chất và được coi là ưu tiên điều khiển thứ hai, như tần số đóng cắt, tổn hao đóng cắt và nhấp nhô điện áp đầu ra Trọng số 𝜆 là cần thiết để thêm các ràng buộc này vào hàm mục tiêu, với giá trị khoảng từ 0 đến 1, vì biểu thức bám giá trị đặt có tầm quan trọng lớn trong điều khiển Giá trị trọng số có thể là bất kỳ giá trị dương nào, nhưng việc thêm các biến điều khiển vào hàm mục tiêu cũng ảnh hưởng đến biến điều khiển chính Do đó, tối ưu hóa là rất quan trọng cho các vấn đề liên quan đến biến điều khiển.
Xây dựng mô hình toán học rời rạc của hệ thống
Để dự đoán các biến điều khiển, trước tiên cần xây dựng mô hình liên tục và sau đó thực hiện rời rạc hóa mô hình này Một phương trình vi phân mẫu cho biến điều khiển x có thể được áp dụng trong quá trình này.
Trong bài viết này, x và u được xác định là các biến điều khiển và đầu vào Để thực hiện quá trình rời rạc hóa phương trình (3.12), chúng tôi áp dụng ba phương pháp rời rạc hóa Euler: phương pháp chuyển tiếp Euler, phương pháp Euler ngược và phương pháp Euler sửa đổi (trung điểm) Theo tài liệu [9], phương pháp chuyển tiếp Euler được cho là mang lại độ chính xác cao nhất Vì vậy, trong đồ án này, chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp chuyển tiếp Euler để rời rạc hóa các biến điều khiển trong phương pháp điều khiển dự báo Các phương pháp rời rạc hóa này sẽ đảm bảo độ chính xác chấp nhận được cho việc ứng dụng FCS-MPC đạt hiệu quả cao.
Trong đó T s là thời gian lấy mẫu, x(k+1) và x(k) là giá trị của các biến điều khiển trong thời gian lấy mẫu tiếp theo và ở trạng thái hiện tại
• Phương pháp chuyển tiếp Euler
Giá trị hiện tại của các biến đầu vào hệ thống được sử dụng để ước tính giá trị tương lai của các biến điều khiển:
Thu được bằng cách sử dụng sai phân xấp xỉ ngược:
• Phương pháp Euler trung điểm
Cấu trúc bộ điều khiển MPC cho D-STATCOM
Cấu trúc bộ điều khiển dự báo cho D-STATCOM
DỰ BÁO i diff *(k+1) i armj (k) U cij (k)
THUẬT TOÁN CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG D-STATCOM
Hình 3.5 Cấu trúc bộ điều khiển dự báo
Hình 3.5 trình bày cấu trúc bộ điều khiển cho D-STATCOM bù CSPK, bao gồm hai mạch vòng điều khiển Mạch vòng trong sử dụng thuật toán MPC để điều khiển dòng điện, trong khi mạch vòng ngoài đảm nhận vai trò điều chỉnh điện áp lưới.
MPC ở đây điều khiển dòng pha và dòng vòng như đã làm rõ ở Chương 2 Mạch vòng ngoài chính là tìm giá trị đặt cho mạch vòng trong
Việc đưa cân bằng điện áp tụ vào hàm mục tiêu giúp loại bỏ nhu cầu về khâu câu bằng điện áp tụ bên ngoài, nhưng lại làm tăng khối lượng tính toán của MPC Do đó, trong đồ án này, tôi sẽ áp dụng thuật toán cân bằng năng lượng bên ngoài để xác định SM nào trong cấu trúc MMC cần được chèn vào hoặc bỏ qua.
Để xây dựng hàm mục tiêu cho D-STATCOM, mô hình của MMC được khởi đầu với các biến rời rạc như dòng điện ra phía xoay chiều, dòng điện vòng và điện áp tụ Để dự đoán một bước của các biến điều khiển, phương pháp chuyển tiếp Euler được áp dụng vào các công thức 2.10 và 2.12.
Dòng điện xoay chiều ở chu kỳ lấy mẫu k+1:
Trong đó: ar ar ar ar
L + 2L L + 2L = arm i idiff(k +1)= C.idiff(k)+ D.[Udc- u (k)- unj pj(k)-2R3 dc(k)]
Trong đó: ar ar ar m m m
Vì có 2 biến điều khiển nên hàm mục tiêu sẽ có dạng như 3.8:
Để tối ưu hóa việc dự đoán các khả năng xảy ra sự cố của các SM, chúng ta sẽ xây dựng 3 bộ điều khiển riêng biệt cho 3 pha hoạt động song song, thay vì chỉ một bộ điều khiển cho cả 3 pha Phương pháp này sẽ giúp giảm thiểu khối lượng tính toán đáng kể Do đó, hàm mục tiêu sẽ được điều chỉnh tương ứng.
Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán MPC
Hình 3.6 minh họa lưu đồ thuật toán cho MPC, sử dụng hai biến điều khiển là dòng điện nhánh và dòng điện vòng Kết quả của thuật toán sẽ xác định số lượng SM được chèn vào một pha của MMC.
Thuật toán cân bằng năng lượng
Thuật toán cân bằng năng lượng là một yếu tố quan trọng trong việc duy trì điện áp của các tụ điện trong bộ nghịch lưu đa mức MMC Nó không chỉ giảm tần số đóng cắt trung bình của mỗi pha mà còn giúp phân phối năng lượng đều giữa các tụ SM, từ đó giảm biên độ dòng điện vòng mà không làm ảnh hưởng đến điện áp và dòng điện đầu ra của MMC Khi số lượng SM trên mỗi nhánh van của BBĐ MMC tăng lên, phương pháp cân bằng điện áp thông qua việc sắp xếp điện áp trên các tụ điện để lựa chọn SM "chèn vào" trở nên hiệu quả hơn Các phương pháp điều chế được thực hiện trong thời gian thực bao gồm hai phần: tạo ra các bước chuyển mạch và cân bằng điện áp tụ điện Để duy trì cân bằng điện áp, điện áp của các tụ SM được đo liên tục trong mỗi chu kỳ trích mẫu và gửi đến bộ vi xử lý, từ đó sắp xếp và chọn các giá trị phù hợp để phát tín hiệu điều khiển các van bán dẫn trên các SM.
Thuật toán cân bằng năng lượng
UCN Đo điện áp tụ Đo dòng điện nhánh
Tín hiệu đặt Tín hiệu đóng cắt van
Sơ đồ nguyên lý của thuật toán cân bằng năng lượng thể hiện các bước quan trọng như đọc giá trị n cần chèn từ MPC, đọc giá trị điện áp của tụ và đọc giá trị dòng điện tại nhánh n = 0 cho đến n = N.
Insert n SM có giá trị điện áp tụ cao nhất
Sắp xếp điện áp tụ theo giá trị tăng dần OFF cả N SM
Insert n SM có giá trị điện áp tụ thấp nhất Đúng Đúng Đúng Sai
Hình 3.8: Thuật toán cân bằng năng lượng
Giải thích lưu đồ thuật toán hình 3.8 như sau ( mỗi nhánh của MMC có 10 SM):
Khi n = 0 hoặc n = N trước khi sắp xếp, không cần quan tâm đến chiều dòng điện hay điện áp của các tụ, do đó có thể bỏ qua hoặc chèn cả N SM và chuyển sang chu kỳ tiếp theo.
Với các trường hợp còn lại của n, việc chọn ra n SM nào được chèn vào thuật toán sẽ lựa chọn tụ cần được chèn theo cách thức sau:
Sắp xếp giá trị điện áp tụ theo thứ tự tăng dần Sau đó, bỏ qua cả N SM như vậy phần sau chỉ cần chèn các SM cần thiết
Kiểm tra nếu chiều dòng điện nhánh là dương sẽ nạp điện cho tụ
Kiểm tra nếu chiều dòng điện nhánh là âm sẽ xả điện từ tụ
Thiết kế mạch vòng ngoài
Sau khi hoàn thiện thuật toán MPC, chúng ta đã xây dựng mạch vòng điều khiển dòng điện Để thiết kế mạch vòng ngoài, cần xác định hàm truyền của mạch vòng điều khiển bên trong Theo tài liệu [15],[16], hàm truyền của bộ biến đổi được coi là hàm truyền bậc nhất Trong đồ án này, MPC có vai trò điều khiển dòng điện theo giá trị đặt của bộ biến đổi, do đó, hàm truyền có thể được xem là hàm truyền bậc nhất.
Hằng số thời gian T eq của bộ điều khiển vòng trong đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển công suất của MMC Việc điều chỉnh công suất trong hệ tọa độ abc gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là khi cần điều chỉnh góc pha, điện áp hoặc dòng điện Để đơn giản hóa, ta coi điện áp 3 pha là cân bằng và thực hiện điều khiển P Q trên tọa độ dq Trong hệ tọa độ dq, công suất của bộ biến đổi được tính theo công thức nhất định.
Dòng điện i d, i q được tính như sau:
Điện áp lưới được chọn trùng với trục d, vì vậy U d = U abc và điện áp trục q bằng 0 Dấu trừ trong biểu thức Q hay nhiễu u q /u d sẽ được bù sau Bộ điều khiển sử dụng để điều chỉnh công suất là bộ điều khiển PI.
Do Q và P có đặc tính động học tương tự, bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng sẽ có cấu trúc và tham số chung Trong đồ án này, chúng ta sẽ xem xét bộ điều khiển CSPK cho D-STATCOM.
Hình 3.9: Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển công suất phản kháng
Ta có hàm truyền vòng hở cho mạch vòng điều chỉnh công suất như sau:
Bộ điều chỉnh PI được chỉnh định để đảm bảo độ dự trữ pha và tần số cắt đủ lớn, nên ta chọn:
Để đạt được băng thông mong muốn, vòng điều khiển bên trong sẽ phản ứng nhanh hơn so với vòng điều khiển bên ngoài Băng thông cho vòng điều khiển bên ngoài cần được lựa chọn sao cho biên độ nhỏ hơn tần số cắt của vòng điều chỉnh dòng điện Do đó, ta chọn băng thông c phù hợp.
Chúng ta đã xác định được các thông số cho mạch vòng điều khiển công suất phản kháng trong bộ biến đổi đa mức MMC Ứng dụng nối lưới đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc điều khiển của bộ nghịch lưu đa mức MMC Vấn đề chính là cần đồng bộ điện áp đầu ra của MMC với điện áp lưới, điều này đòi hỏi phải đồng bộ góc pha giữa hai nguồn điện áp khác nhau Kỹ thuật phổ biến để thực hiện điều này là kỹ thuật khóa pha PLL.
