Embed Size (px)
DESCRIPTION
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011Thiết kế bộ điều chỉnh cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện của nghịch lưu phía lưới trong điều kiện điện áp không cân bằngTrần Duy Trinh, Trần Trọng Minh Trường ĐHBK Hà Nội e-Mail: [email protected] [email protected] Tóm tắtTrong phần đầu của bài viết này trình bày lý thuyết cơ sở xây dựng bộ điều chỉnh cộng hưởng và một phương pháp thiết kế bộ điều khiển cộng hưởng PR cho mạch vòng dòng điện nghịch lưu phía lưới, tiếp
Citation preview
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
Thiết kế bộ điều chỉnh cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện của nghịch
lưu phía lưới trong điều kiện điện áp không cân bằng
Trần Duy Trinh, Trần Trọng Minh
Trường ĐHBK Hà Nội
e-Mail: [email protected] [email protected]
Tóm tắt Trong phần đầu của bài viết này trình bày lý thuyết cơ
sở xây dựng bộ điều chỉnh cộng hưởng và một
phương pháp thiết kế bộ điều khiển cộng hưởng PR
cho mạch vòng dòng điện nghịch lưu phía lưới, tiếp
theo là phân tích và xây dựng sơ đồ cấu trúc điều
chỉnh dòng trong điều kiện điện áp không cân bằng và
bù hài bậc cao với việc ứng dụng bộ điều khiển cộng
hưởng PR. Kết quả mô phỏng và kết luận của nghiên
cứu được đưa ra ở phần cuối bài viết.
Abstract
In the first part of this paper the theoretical basis for
building resonant controller will be presented, from
which a method of designing PR controllers for
current control loop of grid-connected SVI to be taken
out, it is followed by analysis and construction of the
block diagram of current controller in terms of
voltage unbalance and high-order harmonic
components by applying resonance controller PR.
Simulation results and the research conclusions are
given at the end of the article.
Ký hiệu G
dPRh hàm truyền đạt của bộ điều khiển có bù trễ;
GPIh hàm truyền đạt của bộ điều khiển PI thông
thường;
G+
PIh hàm truyền của GPIh được thực hiện trong
SRF chuổi thành phần thứ tự thuận;
G-PIh hàm truyền của GPIh được thực hiện trong
SRF chuổi thành phần thứ tự thuận;
GPRh hàm truyền của bộ điều khiển PR;
GL hàm truyền của tải;
G'L chuyển đổi GL sang SRF;
'h tham số bù trễ trong hàm truyền bộ điều
khiển cộng hưởng;
id, iq hình chiếu của vec tơ dòng điện idq lên trục
dq của hệ tọa độ SRF;
iα, iβ hình chiếu của vec tơ dòng điện iαβ lên trục
αβ của hệ tọa độ tĩnh;
iabc A dòng điện ba pha;
fs Hz tần số lấy mẫu;
o rad/s tần số đồng bộ của SRF;
1 rad/s tần số góc cơ bản;
ib rad/s tham số băng thông đầu;
fb rad/s tham số băng thông cuối;
kPh hệ số khuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển
GPih;
KPh hệ số khuếch đại tỷ lệ của GPRh;
KPT tổng của các hệ số khuếch đại của tất cả
bộ điều khiển PR
kIh hệ số tích phân của bộ điều khiển GPIh
KIh hệ số tích phân của bộ điều khiển cộng
hưởng.
Chữ viết tắt VSI
PWM
PI
PR
SRF
UPS
STATCOM
ES
voltage source inverte
pulse width modulation
proportional - integral
proportional-resonant
synchronous reference frame
uninterrumpible power supply
static synchronous compensator
bộ lưu trữ năng lượng
1. Phần mở đầu Ứng dụng các bộ nghịch lưu phía lưới VSI như bộ
chỉnh lưu tích cực cho các biến tần trong các hệ điều
khiển truyền động xoay chiều đã trở nên khá phổ biến
hiện nay. Bên cạnh đó hàng loạt bộ biến đổi phải nối
trực tiếp với lưới để đảm bảo yêu cầu chất lượng điện
năng như APFs, STATCOM, UPS, DVR,... cũng đều
xây dựng trên cơ sở VSI. Đối với bộ biến đổi nối lưới
mạch vòng dòng điện để đảm bảo khả năng điều
chỉnh và phản ứng chính xác, không bao giờ bị quá tải
có ý nghĩa cực kỳ quan trọng, ngoài những mạch
vòng chức năng khác.
H.1 Mô hình đại diện của bộ biến đổi liên kết
với lưới điện.
Do phải làm việc đồng bộ với lưới điện, mạch vòng
dòng điện thường dùng bộ điều chỉnh PI trong hệ tọa
độ đồng bộ, trong đó do phép chuyển hệ tọa độ các tín
hiệu trở nên một chiều, sai lệch tĩnh được triệt tiêu do
hệ số khuếch đại DC là vô cùng lớn. Những bộ điều
khác như Deadbeat, Hysteresis, Repetitive cũng được
nghiên cứu và tỏ ra có hiệu quả cao, tuy nhiên chỉ
trong những điều kiện nhất định và tham số của hệ
thống phải xác định chính xác. Đặc biệt khi lưới mất
cân bằng và nhiễu loạn sóng hài bậc cao thì chỉ còn
Grid
Tải
PCC ul i
g
il us ug
Rg Lg
ES
VSI Bộ lọc
RF LF i
F
DC-Line
MBA
420
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
bộ điều chỉnh PI là cho kết quả còn chấp nhận được
[2,3]. Sau đây sẽ chỉ ra rằng bộ điều chỉnh cộng
hưởng PR, có những khả năng tương đương với bộ PI
trong hệ tọa độ đồng bộ nhưng không cần những phép
chuyển tọa độ, có thể xây dựng modul hóa, là sự lựa
chọn tốt hơn cho mạch vòng dòng điện trong các bộ
biến đổi nối lưới, kể cả khi điện áp lưới mất cân bằng
và méo do sóng hài bậc cao.
2. Cơ sở xây dựng mô hình mạch vòng
dòng điện cho VSI 2.1 Hệ tọa độ tĩnh và hệ tọa độ đồng bộ
Một hệ thống dòng điện ba pha ia, ib, ic qua phép biến
đổi Clarke được chuyển về thành hai pha trên hệ tọa
vuông góc αβ, gọi là hệ tọa độ tĩnh như (1).
c
b
a
i
i
i
i
i.
2/32/30
2/12/11
3
2
(1)
Trong đó iα và iβ là thành phần của véc tơ iαβ=iα +jiβ
như biểu diễn trên hình H.2. Nếu ia, ib, ic là hình sin
thì iαβ là vec tơ quay với tốc độ góc o.
H.2. Mối quan hệ giữa tọa độ tham chiếu tĩnh
(trục αβ) và tọa độ quay (trục dq)
Phép biến đổi Park, như (2), lại chuyển ia, ib, ic thành
hai thành phần trên hệ tọa độ dq gắn với vec tơ iαβ.
c
b
a
q
d
i
i
i
i
i.
)3/2sin()3/2sin()sin(
)3/2cos()3/2cos()cos(
3
2
(2)
Ở đây: = ot là góc pha tức thời tại thời điểm t và
o là tần số đồng bộ. Thành phần id, iq là hình chiếu
của iαβ lên hai trục thẳng góc dq quay với tốc độ góc
o. Chuyển đổi giữa các hệ tọa độ tĩnh và đồng bộ
được thực hiện thông qua mối quan hệ (3).
)sin()cos( tjjtieii oodq
tj
dqo
(3)
)sin()cos( tjjtieii oodq
tj
dqo
Từ hình H.2 cho thấy phép biến đổi Park thực hiện
một dịch chuyển tần số -o trong các biến tọa độ tĩnh.
Dó đó các thành phần xoay chiều trên các trục αβ trở
thành một chiều trong hệ tọa độ đồng bộ, thuận lợi
cho việc thiết kế bộ điều chỉnh. Tuy nhiên phương
pháp mô tả trên hệ tọa độ đồng bộ dq đòi hỏi phải xác
định chính xác được o trong mọi điều kiện.
2.2 Cấu trúc cơ bản của mạch vòng dòng điện
trong bộ biến đổi nguồn áp VSI
Cấu trúc cơ bản của vòng điều khiển dòng bộ biến đổi
nguồn áp VSI mô tả trên hình H.3.
H.3 Cấu trúc cơ bản của vòng điều khiển dòng bộ
biến đổi nguồn áp VSI.
Mạch vòng dòng điện VSI biến thành nguồn dòng có
điều khiển, do đó bộ biến đổi sẽ không bị quá tải.
Ngoài ra việc điều khiển dòng điện sẽ mang lại những
lợi ích sau:
• Điều khiển tức thời dạng sóng dòng điện với độ
chính xác cao,
• Bảo vệ chống dòng điện đỉnh,
• Chống quá tải,
• Đáp ứng động rất tốt,
• Bù các ảnh hưởng của sự thay đổi tham số tải
(điện trở và điện cảm),
• Bù các ảnh hưởng của điện áp rơi trên thiết bị
bán dẫn và thời gian chết của bộ biến đổi,
• Bù các ảnh hưởng của điện áp kết nối phía một
chiều và sự thay đổi của điện áp phía xoay chiều.
2.3 Bộ điều chỉnh cộng hưởng PR
Bất kỳ bộ điều khiển dòng điện nào yêu cầu đạt được
sai lệch ở chế độ ổn định bằng không phải có độ
khuyết đại một chiều là vô hạn trong hệ tọa độ quay
[1]. Tuy nhiên với bộ điều khiển cộng hưởng trong hệ
tọa độ tĩnh, tương đương với một tham số tích phân
trong tọa độ đồng bộ, có thể đạt được sai lệch không
tại tần số cộng hưởng h1. Điều này được phân tích
dưới đây.
Từ hàm truyền đạt trong hệ tọa độ tĩnh của bộ điều
khiển PI như (4):
s
kksG Ih
PhPIh )( (4)
Hàm truyền bộ PI (4) nếu được thực hiện trong hệ tọa
độ đồng bộ cho chuỗi thành phần thứ tự thuận có thể
thu được bằng cách áp dụng một dịch chuyển tần số
với -h1 ở tất cả các tần số. Thay thế s bằng s-jh1
vào (4), ta có (5).
1
1)()(
jhs
kkjhsGsG Ih
PhPIhPIh
(5)
Trong đó 1 là tần số góc cơ bản của dòng điện.
Thực hiện tương tự với chuổi các thành phần thứ tự
nghịch bằng cách thay s s+jh1 vào biễu thức (4),
ta có (6).
1
1)()(
jhs
kkjhsGsG Ih
PhPIhPIh
(6)
Từ (5) và (6) ta có hàm truyền tổng hợp của bộ điều
chỉnh cộng hưởng như (7).
V*αβ Iabc
VSI
N LF UDC RF
I*
abc
EF Iabc
SVM
Current
Controller
d
q
id
iq
iαβ iβ
iα
o
α a
b
c
β
421
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
12221
1222
22
)()()(
hs
sKK
hs
skk
sGsGsG
hPh
IhPh
PIhPIhPRh
(7)
trong đó:
12221 )(2;2
hs
ssRvakKkK hIhIhPhPh
Trong đó Kph, KIh là hệ số tỷ lệ và hệ số tích phân của
bộ điều khiển PR.
Bộ điều chỉnh cộng hưởng GPRh(s) được tích hợp bởi
thành phần tỷ lệ P và thành phần công hưởng R1h(s)
nên còn được gọi là bộ điều khiển cộng hưởng PR.
Kết quả (7) rất quan trọng, nó cho thấy rằng thành
phần tích phân bộ điều khiển trong hệ tọa độ quay
tương đương trong hệ tọa độ tĩnh chính là một bộ lọc
cộng hưởng bậc hai có tần số cộng hưởng chính xác
bằng h1 và điều dáng chú ý là bộ lọc cộng hưởng
này có hệ số tắt dần bằng không. Vai trò của hệ số
tích phân K1h không thể thiếu là xác định khả năng
chọn lọc của bộ lọc. Như vậy bộ điều chỉnh cộng
hưởng có khả năng điều chỉnh sai lệch dòng điện ở
chế độ ổn định bằng không tại tần số hài bậc h.
Từ hàm truyền đạt (7) của bộ điều chỉnh GPRh(s) có
thể phân tích R1h(s) ra các thành phần đơn giản như
thể hiện trên hình H.4 .
H.4. Bộ điền khiển cộng hưởng PR
Một vấn đề cần thiết phải được đề cập đối với bộ điều
chỉnh này, đó là bù trễ hệ thống bao gồm trể tải, trể
tính toán và trể điều chế, việc này có thể thực hiện
bằng cách dịch vị trí nghiệm không (s = 0) có trong
(7) đi một góc 'h tại vùng lân cận của tần số đồng bộ.
Điều đó có nghĩa là 'h được thêm vào khi kết quả đầu
ra của bộ điều chỉnh trong tọa độ dq được chuyển trở
lại tọa độ tĩnh αβ. Khi đó hàm truyền bộ điều khiển có
bù trễ hệ thống được viết lại như (8).
2
1
22
'
1
' )sin()cos(.)(
hs
hsKKsG hh
IhPhPRhd
(8)
Trong đó: 2
1
22
'
1
'
1
)sin()cos(.)(
hs
hssR hh
hd
H.5. Bộ điều khiển cộng hưởng có bù trễ (G
dPRh(s)).
Để bù một số nguyên của các mẫu ns, nên chọn
'h=h1nsTs. Giá trị tối ưu nhất thường được lấy là hai
chu kỳ trích mẫu (ns=2). Khi đó bộ điều chỉnh có bù
trễ được thể hiện với hai thành phân tích phân như
hình H.5.
2.4 Tính toán các tham số bộ điều khiển cộng
hưởng PR
* Mô hình hệ thống điều khiển.
H.6. Mô hình điều khiển môt pha của
bộ nghịch lưu phía lưới.
Tải của bộ biến đổi có thể được mô hình hóa bởi hàm
truyền.
FFinv
FL
RsLsU
sIsG
1
)(
)()( (9)
Trong đó RF, LF là điện trở điện kháng tải.
Các chỉ dẫn sau đây được đưa ra để tính toán các
tham số bộ điều khiển PR trong trường hợp tải được
áp dụng theo mô hình ở hình H.6.
hàm truyền đạt vòng hở của bộ điều khiển được viết.
FF
hPhLPRhRsLhs
sKKsGsG
1)()()(
12221
(10)
hàm truyền vòng kín dòng điện.
)()(1
)()(
sGsG
sGsG
LPRh
LPRh
(11)
FPhFIhFPhF
PhIhPhPR
RKsLKsRKsL
KsKsK
si
sijG
2
1
2
1
2
1
23
2
1
2
* )()(
)(
)(
)()(
222
1
22222
1
222
1
22
)()())((
)()()(
FPhFIh
PhIh
PR
RKLK
KKjG
(12)
)).((
))((tan
)(tan)(
22
1
22
11
22
1
1
RK
KL
K
KjG
Ph
Ih
Ih
Ih
Ph
trong đó 1 là tần số cơ bản của dòng điện, h là bậc
của sóng điều hòa, ở đây lấy sóng cơ bản h=1. Xác
định hệ số tỷ lệ KPh thông qua tần số cắt fc, mà tại đó
độ khuếch đại là 0dB, nếu các số hạng cộng hưởng
không được xét (tức là KIh=0). Khi đó (12) trở thành.
22 )()()(
FPF
p
PR
RKL
KjG
(13)
Nếu một băng thông dự kiến đầu ib được đưa ra thì
hệ số KPh được xác định như sau:
22 2)( FibFFPh RLRK (14)
Một khi các số hạng cộng hưởng R1h được thêm vào
song song với KPT thì khi đó đáp ứng tổng thể chỉ
được thay đổi đáng kể trong vùng lân cận của mỗi tần
số cộng hưởng h1. Do đó băng thông và độ dự trữ
pha PMP gần như giống nhau với các tần số.
Hệ số tích phân KIh được xác định xung quanh tần số
công hưởng h1. Nếu băng thông dự kiến cuối fb
được quyết định thì hệ số KIh được xác định như sau:
Control_ PR
PWM
*
Fi +
hR1
Kp
FF RsL
1 1
Fi
input
output
s
1
s
1
KI
h
KPh
2
1
2h
)cos( 1
h
)sin( 1
1 hh
KIh
KPh
output input
s
1
s
1 2
1
2h
+
-
+
+
422
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
)..2).(2)(.()(
222
2
1
2
fbFPhfbFPF
fb
fb
Ih LKLKRK
(15)
Trong điều kiện độ dự trữ pha và tần số cắt fC được
giữ không đổi khi thay đổi hệ số KIh thì, nếu KIh được
tăng lên, đỉnh cộng hưởng trở nên thấp hơn (nhạy cảm
với nhiễu và các tần số không mong muốn nhiều hơn),
nhưng cho đáp ứng quá độ của các tần số h1 trở nên
nhanh hơn. Ngược lại KI càng thấp thì đỉnh cộng
hưởng trở nên cao hơn, và thời gian xác lập dài hơn.
Để đảm bảo sự ổn đinh thì tất cả bộ điều khiển cộng
hưởng nên được điều chỉnh ở tần số cộng hưởng thấp
hơn so với tần số cắt C. Ảnh hưởng của KIh đối với
sự ổn định thường là không đáng kể, do sự ảnh hưởng
nhỏ của nó trên toàn bộ đáp ứng tần số.
Sự ổn định của hệ thống chủ yếu là do KPT. Nó được
điều chỉnh để cung cấp một sự cân bằng thích hợp
giữa các phản ứng quá độ, tần số cộng hưởng tối đa.
Tóm lại bộ điều khiển cộng hưởng PR được thiết kế
trên miền tần số, trên cơ sở lựa chọn băng thông cho
hàm truyền hệ kín. thông thường băng thông được lựa
chọn trong khoảng 10 lần tần số cơ bản và một phần
mười lần tần số đóng cắt do vậy các bước để điều
chỉnh phổ biến nhất cho bộ điều khiển về cơ bản bao
gồm là bộ điều chỉnh KPT như một bộ điều khiển tỷ lệ
đơn giản, có nghĩa là căn cứ vào các tiêu chí dự trữ
pha, còn các bộ điều khiển cộng hưởng (các số hạng
R1h(s)) là chung để tần số cộng hưởng của chúng đủ
thấp hơn tần số cắt fc. trong nhiều trường hợp thực tế,
phương pháp này thực sự là đủ để đạt được kết quả ổn
định và đáp ứng nhanh.
2.5 Bộ điều chỉnh cộng hưởng PR trong hệ tọa độ
tĩnh αβ và tọa độ đồng bộ dq trong hệ thống 3 pha
Hình H.7.a,b mô tả cấu trúc bộ điều khiển cộng hưởng
PR được thực hiện trong hệ tọa độ tĩnh αβ và hệ tọa
độ quay dq.
H.a H.b
H.7. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển trên hệ tọa độ αβ
(H.a) và trên hệ tọa độ dq (H.b)
Từ sơ đồ cấu trúc hình H.a và H.b ta có hàm truyền
đạt vòng hở của bộ điều khiển cộng hưởng PR trên
hai hệ tọa độ tĩnh và đồng bộ [1].
Trên tọa độ tĩnh αβ
IhPh
IhPh
Khs
sK
Khs
sK
V
V
2
1
22
2
1
22
0
0 (15)
Trên tọa độ đồng bộ dq
s
KK
hs
sKK
hs
Khss
KK
hs
sK
V
V
Ih
IhPhIh
Ih
Ih
IhPh
2
1
222
1
22
1
2
1
22
1
2
1
22 (
16)
s
KK
hs
sKK
shs
s
Kshs
s
s
KK
hs
sK
V
V
IhIhPhIh
IhIh
IhPh
2
1
2212
1
22
12
1
222
1
22
1
1
(17)
Từ (15) và (17) xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển
trên hệ tọa độ αβ (H.a) và trên hệ tọa độ dq (H.b)
H.8. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển trên hệ tọa độ αβ (H.a) và trên hệ tọa độ dq (H.b).
2.6 Bộ điều chỉnh cộng hưởng làm việc với lưới
trong điều kiện điện áp không cân bằng.
Hệ thống ba pha trong trường hợp điện áp không cân
bằng, thì sóng điều hòa phổ biến nhất là chuỗi các
thành phần thứ tự thuận 6k+1 và chuổi các thành phần
thứ tự nghịch 6k-1, với kN. Để áp dụng các chuyển
đổi Park với o = 1 là tương ứng với một sự thay đổi
tần số +1 tại tất cả các tần số. Vì vậy, mỗi cặp sóng
điều hòa gồm chuỗi các thành phần thứ tự thuận 6k+1
và nghịch 6k-1 được kết hợp thành một sóng điều hòa
duy nhất của bậc 6k khi nó được hiển thị trong hệ tọa
độ đồng bộ. Theo cách này, cả hai sóng điều hòa có
*
i
*
i
i
v
v
i
i
v
v
*
i
22h
i
*
i
22h
s
1
s
1
s
1
s
1
s
1
s
1
s
1
s
1
s
1
Kp
s
1
IK
Kp
IK
Kp
IK
Kp
IK
*i
di*
Cont_PR i
*
i
*
i
Cont_PR
v
v
di
qi
d
q
dv
qv
*
di
i
Cont_PR
Cont_PR
v
dq/
/dq
423
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
thể được giám sát và điều khiển bởi một bộ điều chỉnh
cộng hưởng tại h=6k trong hệ tọa độ đồng bộ. Cũng
một cách khác để điều khiển độc lập hai chuỗi thứ tự
thuận và nghịch thực hiện bằng điều khiển tách kênh
cho hai chuỗi thuận ngược được sử dụng trên hệ tọa
động tĩnh αβ và tọa độ đồng bộ dq, tuy nhiên trong
bài viết này đưa ra hai chiến lược tách kênh điều
khiển độc lập cho hai chuỗi thứ tự thuận và nghịch
trên tọa độ dq, còn các chiến lược điều khiển trên tọa
độ αβ trong trường hợp này sẽ được trình bày ở bài
viết khác.
H.9.a H.9.b
H.9 Mô hình tách kênh điều chỉnh dòng cho hai chuổi thứ tự thuận, nghịch độc lập.
Hàm truyền hệ hở của bộ điều khiển PR điều chỉnh tại
sóng điều hòa h được thực hiện trong hệ tọa độ đồng
bộ như sau.
FFF
hPhLPRhLjRsLhs
sKKsGsG
112221
' 1)()()(
(18)
Ở hình H.9.a, đưa ra sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh
cộng hưởng với cặp chuỗi các thành phần thuận và
nghịch được điều chỉnh dựa trên sơ đồ tách kênh.
Một cấu trúc thứ hai được đưa ra ở hình H.9.b là
tương đương với sơ đồ hình H.9.a, nhưng ở đây các
nhánh bù tách kênh có thể lấy đi mà không thay đổi gì
từ hệ tọa độ quay sang hệ tọa độ tĩnh. Với cách này
khi có các tín hiệu đối nghịch thì chúng được triệt tiêu
lẫn nhau.
Hình H.10 là mô hình điều chỉnh dòng cho cả hai
chuỗi các thành phần thuận, nghịch. với các tham số
của mô hình được đưa ra.
• điện áp một chiều, UDC: 700(V)
• dòng điện pha đỉnh: 15(A)
• điện kháng pha, LF: 5 (mH)
• điện trở pha, RF: 10 ()
• tần số đóng cắt, fS 10 (kHz)
Các tham số của bộ điều khiển cộng hưởng Kp, KI
được xác định theo các chỉ dẫn ở trên với ib =700 và
fb= 1000.
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển cộng hưởng PR
với hai chuổi thành phần thuận nghịch được thể hiện
ở hình H.13.a,b,c
H.10 Mô hình tách kênh điều chỉnh dòng cho hai chuổi thứ tự thuận, nghịch độc lập.
với hai bộ điều khiển cộng hưởng G+
PR(s) và G-PR(s).
2.7 Bộ điều chỉnh cộng hưởng ứng dụng bù hài. Để xây dựng bộ điều chỉnh đa tần số cho việc điều
khiển hài lưới điện bằng cách thực hiện nối song song
các bộ điều khiển cộng hưởng tương ứng với các tần
số cần điều khiển, và khi đó bộ điều khiển đa tần số
có dạng.
hn
h
PRhC sGsG )()( (19)
Với nh là hài bậc cao nhất cần điều khiển.
Từ (7) ta thấy hệ số tỷ lệ kPh không phụ thuộc vào các
phép quay tọa độ mà chỉ có khâu tích phân trong Rh1
chịu tác động. Như vậy các hệ số kPh riêng lẻ của mỗi
bộ điều khiển GPRh(s) có thể được tính toán tương
u*αβ
Iabc
Idqp_ref
Idqn_ref
αβ dqn
αβ dqp
Bộ điều khiển
dq_GPR(s)
Iabc
VSI
N LF UDC RF abci acu
Chuổi các thành phần thứ tự nghịch
Chuổi các thành phần thứ tự thuận
SVM
dqn αβ
dqp αβ
αβ abc
Bộ điều khiển
dq_ GPR(s)
uabc
PLL
αβ
abc
tjhe 1
tjhe 1
tjh
e 1
tjhe 1
)(sGPRh
FLjh 1
FLjh 1
)(sGL
*
i
G- PR(s)_dq thứ tự ngược
G+ PR(s)_dq thứ tự thuận
)(sGPRh Tải
G+ PR(s)_dq thứ tự thuân
FLjh 1
)(sGPRh
tjhe 1
tjhe 1
tjhe 1
tjhe 1
tjhe 1
)(sGPRh
FLjh 1
)(sGL
*
i
G- PR(s)_thứ tự nghịch
tjhe 1
Tải
424
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
đương với một tham số KPT duy nhất do đó (19) được
viết lại như (20):
h
h h
n
h
hIhPT
n
h
n
h
IhPhC
sRKK
hs
sKKsG
)(
)(
1
2
1
22 (20)
trong đó: 2
1
221 )(;hs
ssRKK
hn
h
hPhPT
Để giám sát và điều khiển hài điều quan trọng
đó là phải phân tích và lựa chọn được các thành phần
hài. Các thành phần hài của tín hiệu nguồn có thể
được thể hiện trong tọa độ tĩnh hoặc đồng bộ bằng
cách sử dụng góc pha (phasors).
Trong trường hợp tọa độ đồng bộ mỗi thành
phần hài được chuyển đổi thành một thành phần một
chiều để điều khiển. Nếu có các hài khác chứa trong
tín hiệu đầu vào, đầu ra một chiều sẽ bị nhiễu bởi gợn
sóng có thể dễ dàng được lọc ra.
H.11. Nguyên lý lựa chọn hài trên tọa độ dq.
Trong trường hợp tọa độ tĩnh việc lựa chọn bù hài
cũng có thể đạt được bằng cách thực hiện điều chỉnh
tầng khâu cộng hưởng để cộng hưởng ở các tần số hài
bậc thấp mong muốn được bù.
H.12 Bộ điều chỉnh cộng hưởng GPR_1,3,5,7 (s) bù hài
bậc cao với h = 1,3,5,7.
Một ví dụ điển hình là bù các sóng điều hòa trong các
bộ lọc tích cực. Ở đây dòng điện đặt gồm có thành
phần cơ bản và các thành phần bậc 3, bậc 5, bâc 7 có
biên độ tương ứng là 50%; 30%; 10% sóng cơ bản.
Để thực hiện ở đây sử dụng bốn bộ lọc cộng hưởng
tương ứng với bốn thành phần hài cần điều chỉnh như
sơ đồ hình H.12.
hn
h
IhPTChs
sKKsG
7,5,3,12
1
22))(
(21)
Hình H.14.a,b,c là kết quả mô phỏng bộ điều chỉnh
cộng hưởng bù các sóng điều hòa bậc 1,3,5,7 với các
tham số của tải và bộ điều chỉnh như được xác định ở
trên.
2.8 Kết quả mô phỏng.
Trường hợp 1: Ứng dụng bộ điều chỉnh cộng hưởng
GPRh(s) để điều chỉnh dòng bộ nghịch lưu phía lưới
trong điều kiện điện áp không cân bằng cho hai chuổi
thứ tự thuận-nghịch được tách kênh điều khiển đọc
lập.
H.13.a
H.13.b
H.13.c
Dòng điện tải iabc trong trường hợp tải mất đối xứng
và điện áp không cân bằng xảy ra trong khoảng thời
gian từ 0.035s đến 0.08s, trong đó za zb zc . ib =
700; fb = 1000; KPh = 22,5025; KIh = 4,5054.104.
Hình H.13.a. Khi bộ điều điều chỉnh (GPRh(s)) chưa
hoạt động. Hình.13.b Dòng điện tải iabc được bù bởi
bộ điều chỉnh cộng hưởng (G+
PRh(s)) chỉ đối với chuỗi
thứ tự thuận. Hình H.13.c Dòng điện tải iabc được bù
bởi hai bộ điều chỉnh cộng hưởng (G+
PRh(s)) và (G-
PRh(s)) cho cả hai chuổi thứ tự thuận và thứ tự nghịch.
Qua kết quả cho thấy việc thực hiện hai bộ điều chỉnh
dòng điện (G+
PRh(s)) và (G-PRh(s)) cho bộ nghịch lưu
phía lưới với cả hai chuỗi thứ tự thuận và thứ tự
nghịch cho kết quả tốt hơn so với trường hợp chỉ bù
một chuỗi thư tự thuận, trong trường hợp tải mất đối
xứng và điện áp không cân bằng.
Trường hợp 2: Ứng dụng bộ điều khiển cộng hưởng
GPRh(s) để điều chỉnh dòng bộ biến đổi nguồn áp VSI
nối lưới trong bù sóng điều hòa bậc cao.
Hình.14.a. Đồ thị Bode vòng hở GPRh(s).GL(s) nhận
được với với bộ điều khiển cộng hưởng PR với sóng
cơ bản và bậc 3, bậc 5, bâc 7 có biên độ tương ứng là
50%; 30%; 10% sóng cơ bản trong đó các tham số: RF
iabc
Khoảng mất đối xứng
Khoảng mất đối xứng
iabc
iabc
Khoảng mất đối xứng
GPR_1,3,5,7
2
11
2 )( hs
s
2
13
2 )( hs
s
2
15
2 )( hs
s
2
17
2 )( hs
s
PTK
)(sGL
isref
i
s
q5
q7
β
d5
d7
51
71
-51
71
e-j7
e-j5
iα
iα
iβ
iβ
425
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
= 0.5; LF = 0.0015mH; fs =10kHz; h = 1,3,5,7; ib
= 700; fb = 1000; KPh = 22,5025 ; KIh = 4,5054.104
H.14.a
Hình.14.b Dòng điện đặt I*
abc và dòng tải 1 pha và 3
pha với sóng cơ bản và bậc 3, bậc 5, bâc 7 có biên độ
tương ứng là 50%; 30%; 10% sóng cơ bản khi bộ điều
chỉnh chưa tham gia hoạt động.
H.14.b
Hình H.14.c Dòng điện tải Iabc được điều khiển bám
theo giá trị đặt I*
abc bao gồm sóng cơ bản và sóng bậc
3, bậc 5, bâc 7 có biên độ tương ứng là 50%; 30%;
10% sóng cơ bản khi bộ điều chỉnh cộng hưởng
(GPRh(s)) được đưa vào hoạt động, trong đó za = zb =
zc . ib = 700; fb = 1000; KPh =22,5025 ; KIh =
4,5054.104
H.14.c
3. Kết luận Trong bài viết này đã đưa ra một phương pháp thiết
kế bộ điều khiển cộng hưởng PR được ứng dụng cho
các mạch vòng dòng điện của bộ nghịch lưu phía lưới.
Bộ điều khiển cộng hưởng đã khẳng định được những
ưu điểm của nó so với bộ điều khiển PI, đó là: có khả
năng cung cấp hệ số khuếch đại vô hạn trong vòng hở
ở tần số cộng hưởng h1 trên hệ tọa độ tĩnh αβ để có
thể loai bỏ các sai lệch ở chế độ ổn định đến bằng
không. Giảm thiểu việc tính toán và độ phức tạp trong
thực hiện, ít nhảy cảm với nhiễu, không bị sai lệch
đồng bộ. Có khả năng lựa chọn và điều chỉnh các tần
số cộng hưởng h1 riêng lẽ của chúng với tần số lưới
để giám sát chính xác tham số cơ bản và các tần số
hài bậc thấp để lựa chọn bù hài, đồng thời có khả
năng thực hiện phát các tham số đặt hài trong tọa độ
tĩnh cần thiết cho các bộ lọc tích cực. Hơn thế nữa khi
được ứng dụng cho mạch vòng dòng điện bộ nghịch
lưu phía lưới ba pha, trong điều kiện điện áp không
cân bằng, nó có khả năng rất đọc đáo để bù đồng thời
cho cả hai chuổi thành phần thứ tự thuận và nghịch,
với sai lệch tĩnh bằng không, chất lượng ở trạng thái
ổn định và đáp ứng quá độ tốt với ít hơn số bộ điều
khiển. không giống như bộ điều khiển PI trong tọa độ
quay cần thiết phải biến đổi tọa độ thành hai thành
phần thứ tự thuận và thứ tự ngược để điều khiển.
Từ những ưu điểm mà bộ điều khiển cộng hưởng
mang lại, nó có thể được ứng dụng cho các mạch
vòng điều chỉnh dòng điện cho các bộ nghịch lưu phía
lưới làm việc đáng tin cậy với việc thực hiện không
quá phức tạp.
Tài liệu tham khảo [1] Marian P. Kazmierkowski; R. Krishnan; Frede
Blaabjerg: Control in Power Electronics.
Copyright 2002, Elsevier Science
[2] Fei Wang; Mohamed C. Benhabib; Jorge L.
Duarte; Marcel A. M. Hendrix : Sequence-
Decoupled Resonant Controller for Three-
phase Grid-connected Inverters. Downloaded
on April 23,2010 at 13:31:41 UTC from IEEE
Xplore.
[3] Simone Buso; Paolo Mattavelli: Digital Control
in Power Electronics. Copyright © 2006 by
Morgan & Claypool.
[4] M. Bobrowska-Rafal, K. Rafal, G. Abad, and M.
Jasinski: Control of PWM rectifier under grid
voltage dips. Bull. Pol. Ac. Tech. 2009
[5] R. Teodorescu, F. Blaabjerg, M. Liserre and P.C.
Loh: Proportional resonant controllers and
filters for grid-connected voltage-source
converters. Downloaded on February 9, 2009
from IEEE Xplore.
Trần Trọng Minh sinh năm 1960, tại Việt Nam. Nhận
bằng M.S tại AIT-Thái Lan năm 1997, bằng Tiến sỹ
chuyên nghành Tự động hóa XNCN trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội (ĐHBKHN) năm 2008. Từ năm
1984, công tác tại bộ môn Tự động hóa XNCN – khoa
Điện –ĐHBKHN. Lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển
điện tử công suất, bộ
biến đổi công suất lớn, biến tần ma trận, ứng dụng
điện tử công suất trong lưới điện thông minh, bộ biến
đổi DC-DC hiệu suất cao, lọc tích cực…
Trần Duy Trinh. Sinh năm 1975. Tại
Việt Nam. công tác tại Trường Đại
Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh, Nghệ
An. Hiện nay là nghiên cứu sinh
khóa 2008 đến 2012, tại Bộ môn Tự
Động Hóa, Khoa Điện, Trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội. người
hướng dẫn là PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn và TS. Trần
Trọng Minh. Lĩnh vực và hướng đề tài nghiên cứu là
ứng dụng điện tử công suất để nâng cao chất lượng
điện năng trong lưới điện trung áp.
i*
a và ia
Iabc
Iabc
I*
abc
iabc và i*abc
Iabc
Iabc
I*
abc
i*
a
Iabc
Iabc
I*
abc
Iabc
Iabc
I*abc
iabc
Iabc
Iabc
I*abc
Iabc
Iabc
I*abc
ia
Ia
bc
Ia
bc
I*
ab
c
Ia
bc
Ia
bc
I*
ab
fund
3th
7th
5th
426
