Điều khiển điện áp một chiều của bộ biến đổi nguồn áp sử dụng bộ điều khiển pi có khắc phục hiện tượng bão hòa tích phân

18 Vũ Hoàng Giang ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU CỦA BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ÁP SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI CÓ KHẮC PHỤC HIỆN TƯỢNG BÃO HÒA TÍCH PHÂN DC-LINK VOLTAGE CONTROL OF VOLTAGE SOURCE CONVERTER BY USING PI CONTROLLER WITH ANTI-WINDUP Vũ Hoàng Giang Trường Đại học Điện lực; giangvh@epu.edu.vn Tóm tắt - Máy điện trong nhiều hệ truyền động điện và hệ thống điện gió khác nhau thường được kết nối với lưới điện thông qua bộ biến đổi nguồn áp, được cấu tạo từ hai bộ biến đổi thành phần phía máy điện và phía lưới điện nối kề nhau (back-to-back) qua kết nối một chiều (dc-link). Trong đó điện áp một chiều được điều khiển thông qua bộ biến đổi phía lưới điện. Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu lựa chọn cấu trúc và thông số của bộ điều khiển kiểu tích phân - tỷ lệ có khắc phục hiện tượng bão hòa tích phân để điều khiển điện áp một chiều của bộ biến đổi nguồn áp. Quá trình phân tích, xây dựng sơ đồ điều khiển được thực hiện trong trường hợp bộ biến đổi được kết nối với lưới điện qua bộ lọc kiểu LCL. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy đáp ứng điện áp tốt xác nhận hoạt động của bộ điều khiển. Abstract - The electric machines of various electric drives and wind power systems are commonly connected to the main grid via a voltage source converter, which is combined by two back-to-back converters at the machine side and grid side with dc-link in the middle. The dc-link voltage is controlled via the grid side converter. The paper introduces the investigation results of the selection of structure and parameters of proportional integral (PI) regulator with anti-windup for the control of DC voltage of voltage source converter. The analysis and development of control diagram is implemented in the case that the converter is connected to the grid via a LCL filter. Simulation and experiment results provide excellent responses that confirm the performance of the proposed regulator. Từ khóa - điện áp một chiều; bộ điều khiển PI; khắc phục hiện tượng bão hòa tích phân; bộ lọc LCL; bộ biến đổi nguồn áp. Key words - DC-link voltage; PI regulator; anti-windup; LCL filter; Voltage source converter. 1. Đặt vấn đề Trong các hệ thống điện gió và hệ truyền động điện, máy điện không đồng bộ hoặc máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu thường được nối tới lưới điện thông qua bộ biến đổi phía máy điện (MSC) và bộ biến đổi phía lưới điện (GSC), chúng được kết nối theo cấu trúc kề nhau (back-to-back) nguồn áp. Các bộ truyền động kiểu nguồn áp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, có sơ đồ nguyên lý trên Hình 1a. Ngoài ra, bộ biến đổi được biết với cấu trúc back-to-back xuất hiện phổ biến trong các hệ thống phát điện gió như thể hiện trên Hình 1 b và c. Duy trì điện áp một chiều đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành và đảm bảo vùng điện áp làm việc an toàn cho các phần tử tại dc-link, đặc biệt là các tụ điện. Đặc điểm chung của các hệ thống trong Hình 1 là điện áp một chiều được điều khiển thông qua bộ biến đổi GSC. Trong các hệ thống điều khiển truyền thống, bộ điều khiển tích phân tỷ lệ được sử dụng để điều chỉnh điện áp ở vòng ngoài và đưa ra giá trị đặt cho vòng trong điều khiển dòng điện. Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển là có đáp ứng nhanh với độ nhảy vọt ban đầu (overshoot) nhỏ và hạn chế độ gợn sóng sinh ra trong đáp ứng điện áp và dòng điện. Trong các nghiên cứu đã qua, nhiều tác giả đã cố gắng giải quyết các vấn đề trên. Phương pháp điều khiển có dự báo được đề xuất bởi [1] để điều khiển điện áp dc-link, hạn chế quá áp dựa trên phân tích cân bằng năng lượng. Trong [2], phương pháp điều khiển điện áp dc-link dựa trên phản hồi công suất tức thời nhằm hạn chế dao động điện áp cho phép nâng cao ổn định của hệ thống. Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu điều khiển điện áp một chiều của bộ biến đổi nguồn áp nhằm thu được đáp ứng với độ nhảy vọt ban đầu nhỏ và thời gian hội tụ ngắn nhờ sự kết hợp nạp ban đầu cho tụ điện tại dc-link và lựa chọn về cấu trúc và thông số phù hợp của các bộ điều khiển. a) Bộ truyền động điện sử dụng máy điện không đồng bộ b) Cấu trúc hệ thống điện gió nguồn kép c) Cấu trúc hệ thống điện gió với bộ biến đổi toàn công suất Hình 1. Cấu trúc của các hệ thống sử dụng bộ biến đổi nguồn áp 2. Điều khiển bộ biến đổi phía lưới điện (GSC) Như đã đề cập ở trên, bộ biến đổi GSC được điều khiển trước để duy trì điện áp một chiều dc-link. Để phát triển hệ thống điều khiển, trước hết cần mô tả mô hình ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 19 của các phần tử liên quan bao gồm bộ biến đổi và bộ lọc thụ động đầu ra. Ngoài ra, cân bằng công suất tại dc-link cũng được xét đến trong quá trình tính toán thông số của bộ điều khiển. 2.1. Bộ lọc thụ động kiểu LCL Thông thường, để hạn chế sóng hài bậc cao, sinh ra do quá trình đóng cắt các van của bộ biến đổi, xâm nhập vào lưới điện, bộ lọc thụ động thường được trang bị ở giữa bộ biến đổi và lưới điện. Các bộ lọc thường gặp hiện nay kiểu L, LC hay LCL. Trong đó, bộ lọc LCL có khả năng hạn chế sóng hài tốt ngay cả khi L có giá trị bé. Bộ lọc LCL cũng thu hút nhiều sự chú ý hơn nhờ đặc điểm có giá thành cạnh tranh so với bộ lọc kiểu L. Tuy nhiên, nhược điểm khi sử dụng bộ lọc này là có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng và mất ổn định hệ thống. Trong thiết kế, tần số cắt của bộ lọc cần chọn trong vùng từ 10 lần tần số của lưới điện đến một nửa tần số đóng cắt của bộ biến đổi [3]. Hình 2. Sơ đồ bộ biến đổi nguồn áp nối lưới qua bộ lọc LCL Hình 3. Điều khiển bộ biến đổi phía lưới điện Sơ đồ điều khiển của bộ biến đổi GSC được thể hiện trên Hình 3, gồm hai vòng điều khiển: vòng trong điều khiển dòng điện qua bộ lọc và vòng ngoài điều khiển điện áp một chiều. Trong nghiên cứu này, điều khiển tựa điện áp lưới điện được lựa chọn do bộ biến đổi được nối với nguồn điện áp lưới ổn định. 2.2. Điều khiển dòng điện Ở bước thiết kế bộ điều khiển, bộ lọc có thể được thay thế bằng một cuộn cảm tương đương và bỏ qua tụ điện [4], [5]. Phương trình điện áp trên điện cảm tương đương được viết như sau:           +           +           =           fc fb fa fc fb fa fc fb fa gridc gridb grida v v v i i i dt d L i i i R v v v (1) trong đó R và L tương ứng là điện trở và điện cảm của cuộn cảm tương đương, R = rL1+rL2, L = L1+L2, với rL1, rL2, L1, L2 là thông số của bộ lọc LCL. Biến đổi phương trình (1) sang hệ hai trục đồng bộ (dq) định hướng theo véc tơ điện áp lưới [6], ta thu được biểu diễn sau:       +++= +−+= fqfdgrid fq ìqqgrid fdfqgrid fd ìddgrid vLi dt di LRiv vLi dt di LRiv (2) hay ( )          −        +−= ++       +−= fdgrid fq fqfq dgridfqgrid fd fdfd Li dt di LRiv vLi dt di LRiv (3) trong đó vqgrid = 0 do véc tơ điện áp lưới được định hướng dọc trục d (Hình 3b); các điện áp hồi tiếp thuận (feed- forward) được tính bằng [6].     −= += fdgridffq dgridfqgridffd Liv vLiv (4) Dựa vào phương trình (2), vòng điều khiển dòng điện được xây dựng như trên Hình 4. Hình 4. Sơ đồ vòng điều khiển dòng điện qua bộ lọc Trong Hình 4, để xây dựng vòng kín điều khiển dòng điện, bộ biến đổi được giả thiết là lý tưởng (bỏ qua thời gian 20 Vũ Hoàng Giang đóng cắt của các van khi các van này được đóng cắt với tần số cỡ kHz) và được mô tả bằng giá trị trung bình. Khi đó, bộ biến đổi được mô hình hóa bằng một hệ số GGSC =1 do quán tính của nó lớn hơn nhiều so với các phần tử còn lại trong vòng điều khiển. 2.3. Điều khiển điện áp dc-link Hình 5. Sơ đồ vòng điều khiển điện áp Với điều kiện bỏ qua tổn thất công suất do sóng hài bậc cao trong quá trình đóng cắt của các van điện tử công suất, trong bộ lọc và bộ biến đổi, cân bằng công suất qua bộ biến đổi GSC được biểu diễn như sau: Pf = Pgdc (5) trong đó: Pf là công suất tác dụng phía xoay chiều của GSC, Pf = vdgridifd+vqgridifq; Pgdc là công suất tác dụng phía một chiều của GSC, Pgdc=vdcigc. Hơn nữa do phương pháp điều khiển được lựa chọn định hướng điện áp lưới nên công suất tác dụng phía xoay chiều được đơn giản hóa và tính bằng: Pf = vdgridifd do vqgrid=0. Vì vậy, dòng điện đi ra GSC được tính bởi: igc = ifdvdgrid/vdc. Do đó tại dc-link ta có phương trình sau: rcfd dc dgrid dclink ii v v v dt d C −= (6) với Clink là là điện dung của tụ điện ở dc-link. Từ phương trình (6), điện áp một chiều có thể điều khiển thông qua dòng điện của bộ lọc ifd [6]. Sơ đồ khối của vòng điều khiển điện áp được xây dựng như trên Hình 5, trong đó irc đóng vai trò của một nhiễu loạn. 2.4. Cấu trúc của bộ điều khiển PI Bộ điều khiển kiểu PI được sử dụng để điều khiển điện áp một chiều có khắc phục hiện tượng bão hòa tích phân, trong đó khối bão hòa (limiter) được đặt thêm vào bộ điều khiển. Cấu trúc này được biết đến với tên gọi là cấu trúc tự động đặt lại [7], [8], được thể hiện trên Hình 6, với Kp và Ti là các thông số của bộ điều khiển; x và x* tương ứng là biến điều khiển và giá trị đặt của nó; yFF là đại lượng hồi tiếp thuận (feed-forward) của bộ điều khiển, được cho bởi phương trình (4) và uc đại lượng đầu ra của bộ điều khiển. Khối bão hòa sẽ giới hạn trực tiếp tín hiệu điều khiển. Do đó, cần có mô hình phù hợp của khối bão hòa, tránh trường hợp giới hạn quá mức tạo nên các hạn chế không cần thiết hoặc hạn chế không đủ dẫn đến hiện tượng bão hòa tích phân (windup). Hình 6. Cấu trúc của bộ PI có khắc phục hiện tượng bão hòa tích phân Dựa vào sơ đồ vòng điều khiển trong Hình 4, Hình 5 có thể tính toán được các thông số của bộ điều khiển PI cho dòng điện qua bộ lọc và điện áp một chiều. Kết quả tính toán được tổng hợp trong Bảng 1. Bảng 1. Thông số của bộ điều khiển Bộ điều khiển Kp Ti Điện áp 0,3 0,02 Dòng điện 4,8 0,002 3. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm Hoạt động của bộ điều khiển đã lựa chọn trong Mục 2 được kiểm chứng thông qua mô phỏng và thí nghiệm đối với bộ biến đổi nguồn áp. Các điều kiện thực hiện như sau: - Bộ biến đổi GSC 3 pha được cấu tạo từ các van IGBT có Diode nối đối song. Bộ biến đổi được nối với lưới điện thông qua bộ lọc thụ động kiểu LCL. Thông số của bộ lọc được cho trong phụ lục. - Lưới điện có điện áp dây danh định bằng 400V, tần số danh định bằng 50Hz. - Điện áp đặt của dc-link bằng 650V. Hình 7. Sơ đồ mô phỏng điều khiển điện áp dc-link Mô phỏng được phát triển theo sơ đồ khối như trên Hình 7. Trong đó, phần mạch từ dc-link về phía RSC và máy điện được thay thế bằng một điện trở Thevenin (Rth). Thí nghiệm được thực hiện với hệ máy điện một chiều – động cơ không đồng bộ có công suất 1,5kW, Hình 9b nối lưới thông qua hai bộ biến đổi giống nhau, Hình 9a. Khi bộ điều khiển chưa được kích hoạt, tụ điện tại dc-link được nạp đến giá trị điện áp ban đầu khoảng 580-600V tùy thuộc vào giá trị thực tế của Rth. Nhờ có quá trình nạp ban đầu và cấu trúc của bộ điều khiển có khắc phục hiện tượng Rth Lưới điện 400V, 50Hz Bộ lọc LCL GSC Clin if a,b,c Xung điều khiển Bộ điều khiển vgrid a,b,c ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 21 bão hòa tích phân nên điện áp dc-link được điều khiển với đáp ứng có độ nhảy vọt ban đầu rất bé khi đưa bộ điều khiển vào làm việc. Trên Hình 8, độ nhảy vọt ban đầu và thời gian xác lập của đáp ứng điện áp khi có khắc phục hiện tượng bão hòa tích phân (đường nét liền) nhỏ hơn đáng kể so với trường hợp không có (đường nét đứt). Đáp ứng điện áp trên Hình 8 (mô phỏng, đường nét liền) và Hình 10 (thí nghiệm) với độ nhảy vọt ban đầu tương ứng là 1,7% và 3,5% nhỏ hơn nhiều so với ngưỡng lớn nhất 25% của phương pháp Ziegler-Nichols. Thời gian ổn định của tín hiệu bằng khoảng 0,2s. Hình 8. Đáp ứng điều khiển điện áp dc-link (mô phỏng) (a) (b) Hình 9. Bộ biến đổi GSC (trái) và hệ máy điện một chiều nối đồng trục động cơ không đồng bộ Hình 10. Đáp ứng điều khiển điện áp dc-link (thí nghiệm) 4. Kết luận Quá trình phân tích và phát triển sơ đồ điều khiển điện áp một chiều của bộ biến đổi nguồn áp đã được giới thiệu trong bài báo. Bộ điều khiển tích phân - tỷ lệ có khắc phục hiện tượng bão hòa tích phân đã được lựa chọn để điều khiển điện áp một chiều và dòng điện qua bộ lọc. Kết quả mô phỏng trên máy tính và thí nghiệm cho đáp ứng tốt thể hiện cấu trúc bộ điều khiển đã lựa chọn phù hợp và có thể áp dụng để điều khiển điện áp một chiều trong các hệ thống có cấu trúc phần kết nối với lưới điện qua bộ biến đổi nguồn áp rất phổ biến hiện nay như hệ thống điện gió. 5. Phụ lục Bộ lọc thụ động kiểu LCL có thông số: L1 = 2,3mH; L2 = 0,9mH; C = 8,8F; rL1 = 0,2; rL2 = 0,2; TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F. He, Z. Zhao, L. Yuan and S. Lu, “A DC-link voltage control scheme for single-phase grid-connected PV inverters”, in IEEE Energy Conversion Congress and Exposition , 2011. [2] J. Yao, H. Li, Y. Liao and Z. Chen, “An improved control strategy of limiting the DC-link voltage fluctuation for a doubly fed induction wind generator”, IEEE transactions on power electronics, vol. 23, no. 3, pp. 1205-1213, 2008. [3] J. Lettl, J. Bauer and L. Linhart, “Comparison of Different Filter Types for Grid Connected Inverter”, in PIERS Proceedings, Marrakesh, Morocco, 2011. [4] M. Liserre, F. Blaabjerg and S. Hansen, “Design and Control of an LCL-Filter-Based Three-Phase Active Rectifier”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, pp. 1281-1291, 2005. [5] C. Wessels, J. Dannehl and F. W. Fuchs, “Active Damping of LCL- Filter Resonance based on Virtual Resistor for PWM Rectifiers Stability Analysis with Different Filter Parameters”, in IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2008, 2008. [6] R. Pena, J. Clare and G. Asher, “Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable- speed wind-energy generation”, in IEE Proceedings Electric Power Applications, 1996. [7] K. I. Astrom and T. Hagglund, PID controllers: Theory, Design, and Tuning, 2nd Edition ed., United States of America: Intrusment of Society of America, 1995. [8] A. Visioli, Practical Pid Control, Springer-Verlag London Limited, 2006. (BBT nhận bài: 04/04/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 15/11/2018)