Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - 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
KPT
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.
kIh KIh
Chữ viết tắt VSI PWM PI PR SRF UPS STATCOM ES
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.
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.
Ký hiệu GdPRh GPIh
hàm truyền đạt của bộ điều khiển có bù trễ; 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/stham 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;
VCCA-2011
tổng của các hệ số khuếch đại của tất cả bộ điều khiển PR hệ số tích phân của bộ điều khiển GPIh hệ số tích phân của bộ điều khiển cộng hưởng.
Grid
us Rg Lg
ug i PCC ul il g
Tải
MBA DC-Line
VSI
i ES
Bộ lọc RF LF
F
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
420
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - 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.
V*αβ
iαβ
iα
α a
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):
c 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. ia id 2 cos( ) cos( 2 / 3) cos( 2 / 3) i .ib q 3 sin( ) sin( 2 / 3) sin( 2 / 3) i c
(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). (3) i idqe jot idq cos(o t ) j sin( jo t )
GPIh ( s) k Ph
k Ih s
(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). k Ih (5) G PIh ( s) GPIh ( s jh1 ) k Ph s jh1 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). k Ih (6) G PIh ( s) GPIh ( s jh1 ) k Ph s jh1 Từ (5) và (6) ta có hàm truyền tổng hợp của bộ điều chỉnh cộng hưởng như (7).
idq i e jot idq cos(o t ) j sin( jo t )
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.
VCCA-2011
I*abc
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.
d o
id
N
H.3 Cấu trúc cơ bản của vòng điều khiển dòng bộ biến đổi nguồn áp VSI.
iq
Iabc Current Controller
β
iβ
EF
SVM
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). ia i 2 1 1 / 2 1 / 2 (1) .ib i 3 0 3 / 2 3 / 2 i c 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.
b
RF
VSI
2. Cơ sở xây dựng mô hình mạch vòng dòng điện cho VSI
q
LF Iabc
UDC
421
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 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.
G PRh ( s ) G PIh ( s ) G PIh ( s )
K Ph K 1h
(7)
s s h 2 2 1 s 2 s h 2 2 1
2k Ph 2k Ih
2
trong đó:
2.4 Tính toán các tham số bộ điều khiển cộng hưởng PR * Mô hình hệ thống điều khiển.
s K Ph 2k Ph ; K Ih 2k Ih va R1h ( s) 2 s h 2 2 1 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 G PRh(s) có thể phân tích R1h(s) ra các thành phần đơn giản như thể hiện trên hình H.4 .
Kp
i + iF
+ -
KIh
1 s
+ output +
GPR ( j )
1 s
h 212
h
h 12 2
1 s
1 s
cos( h1 ) h1 sin(h1 )
( K Ih )2 K 2 Ph (12 2 )2 ( K Ih LF (12 2 ))2 2 ( K Ph RF )2 (12 2 )2
2 (14) K Ph RF ( LFib )2 2RF 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:
output
H.5. Bộ điều khiển cộng hưởng có bù trễ (GdPRh(s)).
VCCA-2011
i( s) ( K Ph s 2 K Ih s K Ph12 ) i* (s) LF s3 ( K Ph RF )s 2 ( K Ih 12 LF )s K Ph12 12 RF
Nếu một băng thông dự kiến đầu ib được đưa ra thì hệ số KPh được xác định như sau:
KPh
1 sLF R F
(12) 2 2 K ( L ( ) K ) Ih 1 Ih G Ph ( j ) tan 1 tan 1 2 2 2 2 K Ih (1 ) ( K Ph R).(1 ) 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. Kp (13) G PR ( j ) 2 2 ( LF ) ( K P RF )
' ' Trong đó: R d 1h ( s) s. cos( h ) h1 sin( h ) 2 2 2 s h 1
KI
1
Control_ PR
GPR ( j )
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). s. cos( h' ) h1 sin( h' ) (8) G d PRh ( s) K Ph K Ih s 2 h 212
input
R1h
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. I ( s) 1 (9) GL ( s) F U inv ( s) sLF RF 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. s 1 (10) G PRh (s)G L (s) ( K Ph K 1h 2 ) 2 2 s h 1 sLF R F hàm truyền vòng kín dòng điện. GPRh ( s )GL ( s ) (11) 1 GPRh ( s )GL ( s )
KPh
input
PWM
* F
422
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 K Ih
( 2fb 12 )
fb
PR được thực hiện trong hệ tọa độ tĩnh αβ và hệ tọa độ quay dq.
.( ( RF K P )2 2.( LF fb )2 2.K Ph2 LF . fb ) (15)
i*
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.
i
i * i
*
Cont_PR Cont_PR
i i d* vd d v i d Cont_PR v iq vq Cont_PR dq / / dq q
v
i*d
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 s K Ph 2 K Ih 0 (15) s h 212 V V s K Ph 2 K Ih 0 2 2 s h 1 Trên tọa độ đồng bộ dq K Ih s 2 12 2 K Ih K Ph s 2 h 2 2 K Ih s s h V 1 1 ( V K Ih 1 s K K K 2 2 2 Ih Ph Ih s s 2 h 2 12 s h 1 16) s K s 1 K Ph 2 2 2 K Ih Ih 2 2 2 1 K Ih s h 1 s s h 1 s V (17) V s 1 s K Ih s 2 h 2 2 1 s K Ih K Ph s 2 h 2 2 K Ih s 1 1
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
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) Kp
i *
i
1 s
Kp
KI
h 2
1 s
v
*
i
i
1 s
2
KI
h 2
KI
i
1 s
1 s
2
v
i
i
*
KI
1 s
v
1 s
1 s
i *
1 s
v
1 s
Kp Kp
H.8. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển trên hệ tọa độ αβ (H.a) và trên hệ tọa độ dq (H.b). 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
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
VCCA-2011
423
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - 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 * i
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.
G+ PR(s)_dq thứ tự thuân
e jh1t e
e e
GPRh (s)
jh1t
e jh1t
Tải
G+ PR(s)_dq thứ tự thuận
* i
e jh1t
GL (s)
e jh1t
GPRh (s)
Tải GL (s)
jh1 LF
e jh1t
jh1t
GPRh (s)
e jh1t
e jh1t
GPRh (s)
G- PR(s)_dq thứ tự ngược
jh1 LF
jh1 LF
jh1t
jh1 LF
G- PR(s)_thứ tự nghịch
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 Hình H.10 là mô hình điều chỉnh dòng cho cả hai sóng điều hòa h được thực hiện trong hệ tọa độ đồng chuỗi các thành phần thuận, nghịch. với các tham số bộ như sau. của mô hình được đưa ra. s 1 • điện áp một chiều, UDC: 700(V) ' (18) G PRh (s)G L (s) ( K Ph K 1h 2 2 2 ) • dòng điện pha đỉnh: 15(A) s h 1 sLF RF j1 LF • điện kháng pha, LF: 5 (mH) Ở hình H.9.a, đưa ra sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh • điện trở pha, RF: 10 () cộng hưởng với cặp chuỗi các thành phần thuận và • tần số đóng cắt, fS 10 (kHz) nghịch được điều chỉnh dựa trên sơ đồ tách kênh. Các tham số của bộ điều khiển cộng hưởng Kp, KI Một cấu trúc thứ hai được đưa ra ở hình H.9.b là được xác định theo các chỉ dẫn ở trên với ib =700 và 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 fb= 1000. từ hệ tọa độ quay sang hệ tọa độ tĩnh. Với cách này Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển cộng hưởng PR khi có các tín hiệu đối nghịch thì chúng được triệt tiêu với hai chuổi thành phần thuận nghịch được thể hiện lẫn nhau. ở hình H.13.a,b,c LF
UDC
iabc
RF
u ac
N
VSI Iabc
Idqp_ref αβ dqp
Iabc abc
PLL
uabc abc
αβ
Bộ điều khiển dq_ GPR(s)
αβ
SVM
Chuổi các thành phần thứ tự thuận dqp αβ
u*αβ
αβ dqn
Idqn_ref
Bộ điều khiển dq_GPR(s)
dqn αβ
Chuổi các thành phần thứ tự nghịch
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.
VCCA-2011
nh
GC ( s) G PRh ( s)
(19)
h
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
424
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 đương với một tham số KPT duy nhất do đó (19) được viết lại như (20): nh nh s GC ( s ) K Ph K Ih 2 s h 212 (20) h h
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.
nh
K PT K Ih R1h ( s )
Khoảng mất đối xứng
h
trong đó: K PT
nh
s K Ph ; R1h ( s) 2 s h 212 h
iabc
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. -j5
e
d5 51 71
q5
iabc
-51
iα
β q7
H.13.a Khoảng mất đối xứng
iβ iα
d7
71
H.13.b
-j7
e
Khoảng mất đối xứng
iβ
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.
iabc
GPR_1,3,5,7
isref
K PT
G L (s)
s s 2 (h11 ) 2
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 z a 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 (GPRh(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
i s
s s 2 (h31 ) 2 s s 2 (h51 ) 2
s s 2 ( h7 1 ) 2
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.
GC ( s) K PT
nh
h 1, 3, 5, 7
K Ih
s ) s 2 h 212
(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.
VCCA-2011
425
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - 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 fund
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.
3th 5th 7th
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. i*a
Tài liệu tham khảo
ia
[1]
[2] iabc
[3]
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 Icơ bản khi bộ điều chỉnh cộngIa hưởng abc (GPRh(s)) được đưa vào hoạt động, trong đó bc z a = zb = zc . ib = 700; = 1000; K =22,5025 ; KIh = Ph Iabc fb 4,5054.104 Ia I*abc bc Iabc i*a và ia I* Iabc ab *
iabc và i
I
abc
[4]
[5]
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…
c
* abc
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 Iabcđược những ưu điểm của nó so với bộ điều khiển PI, đó là: có khả năng cung cấp hệ số khuếch đại vô hạnItrong vòng hở abc ở tần số cộng hưởng h1 trên hệ tọa độ tĩnh αβ để có Iabcbỏ các sai lệch ở chế độ ổn định thể loai I*abcđến bằng không. Giảm thiểu việc tính toán và độ phức tạp trong Iabc ít nhảy cảm với nhiễu, không bị sai lệch thực hiện, đồng bộ. CóI khả năng lựa chọn và điều chỉnh các tần abc * số cộng Ihưởng h1 riêng lẽ của chúng với tần số lưới abc để giám sátI chính xác tham số cơ bản và các tần số abc hài bậc thấp để lựa chọn bù hài, đồng thời có khả năng thực hiện I*abc phát các tham số đặt hài trong Ia tọa độ Iabc bc
VCCA-2011
Iabc
Ia
I*abc
bc
I*
Marian P. Kazmierkowski; R. Krishnan; Frede Blaabjerg: Control in Power Electronics. Copyright 2002, Elsevier Science Fei Wang; Mohamed C. Benhabib; Jorge L. Duarte; Marcel A. M. Hendrix : SequenceDecoupled Resonant Controller for Threephase Grid-connected Inverters. Downloaded on April 23,2010 at 13:31:41 UTC from IEEE Xplore. Simone Buso; Paolo Mattavelli: Digital Control in Power Electronics. Copyright © 2006 by Morgan & Claypool. M. Bobrowska-Rafal, K. Rafal, G. Abad, and M. Jasinski: Control of PWM rectifier under grid voltage dips. Bull. Pol. Ac. Tech. 2009 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 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.
426
