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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 Vũ Hoàng Giang 18 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 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. 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 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 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]. 19 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:  vgrida  ifa  ifa   vfa  d        vgridb = R ifb  + L dt ifb  + vfb   vgridc ifc  ifc   vfc    (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 ...