Trang 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phó Bảo Bình ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO VỚI TẬP HỮU HẠN CÁC GIÁ TRỊ ĐẦU VÀO (FCS-MPC) CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023
Nội dung tài liệu
Trang 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phó Bảo Bình ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO VỚI TẬP HỮU HẠN CÁC GIÁ TRỊ ĐẦU VÀO (FCS-MPC) CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Trần Trọng Minh 2. PGS.TS Vũ Hoàng Phương Hà Nội, 2023
Trang 3
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của các thầy hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng 4 năm 2023 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án i
Trang 4
Lời cảm ơn Luận án này được hoàn thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của tôi tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Sau một thời gian học tập nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận án dưới sự hướng dẫn của các thầy: PGS.TS Trần Trọng Minh và PGS.TS Vũ Hoàng Phương, Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn tận tình của các thầy hướng dẫn, những người đã luôn chia sẻ, quan tâm cả trong công việc lẫn đời sống, tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thiện luận án này. Tôi trân trọng cảm ơn các thầy cô thuộc nhóm chuyên môn Điện tử công suất và Truyền động điện, các thầy cô phòng C9-102 đã cho tôi môi trường làm việc và học tập rất đầm ấm, chuyên nghiệp, năng động cùng với những góp ý chân thành, sâu sắc. TS Dương Minh Đức, TS Nguyễn Duy Đỉnh, TS Nguyễn Anh Tân là những người giúp tôi rất nhiều trong việc củng cố thêm kiến thức chuyên môn và hoàn thiện hơn nữa luận án của mình. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Tự động hóa, Trường Điện-Điện tử; Ban Giám hiệu, Phòng đào tạo - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về nhiều mặt trong công việc học tập tại đây. Tôi chân thành cảm ơn các anh chị em Nghiên cứu sinh của khoa Tự động hóa, Viện kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, những người luôn cùng tôi đồng hành, động viên, giúp đỡ và hỗ trợ tôi. Tôi sẽ luôn nhớ đến các nhóm sinh viên K61, K62, K63 thuộc PE-Lab học tập và nghiên cứu tại phòng C9-203 cùng với hai em Nguyễn Mạnh Tuấn và Đinh Huy Hùng (K61) thuộc APES-Lab. Họ là những người luôn cùng tôi đồng hành, động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều trong việc nghiên cứu, triển khai thực nghiệm. Sự quan tâm, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí và các đồng nghiệp tại bộ môn Điện kỹ thuật, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội là nguồn động lực rất lớn giúp tôi vững bước trên chặng đường học tập và nghiên cứu này. Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến những thành viên trong gia đình tôi, những người bạn thân thiết đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án. Hà Nội, tháng 4 năm 2023 Tác giả luận án Phó Bảo Bình ii
Trang 5
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................I LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................II MỤC LỤC....................................................................................................................III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT...............................................VI DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ....................................................................IX MỞ ĐẦU........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.........................................................................................5 1.1. Khái quát vấn đề nghiên cứu...........................................................................5 1.1.1 Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng (CHB)............................................5 1.1.2 Các phương pháp điều khiển cho NLĐM cấu trúc CHB .....................8 1.1.3 Điều khiển dự báo dựa trên mô hình MPC..........................................11 1.1.4 Lý do MPC đặc biệt phù hợp với NLĐM cấu trúc CHB và hệ truyền động IM ...............................................................................................14 1.1.5 Nguyên lý thực hiện FCS-MPC...........................................................15 1.2. Vấn đề của FCS-MPC...................................................................................16 1.2.1.Sai lệch tĩnh.........................................................................................17 1.2.2.Multistep MPC ....................................................................................17 1.3. Ứng dụng mạng nơ-ron để xây dựng bộ điều khiển ANN-MPC nhằm thực nghiệm thuật toán multistep MPC ................................................................20 Kết luận chương 1................................................................................................21 CHƯƠNG 2. FCS-MPC VỚI MỤC ĐÍCH TRIỆT TIÊU SAI LỆCH TĨNH CHO NLĐM CẤU TRÚC CHB NỐI TẢI ĐỘNG CƠ IM...........................................23 2.1. Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC..................................................23 2.2. Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC kết hợp khâu tích phân............25 2.3. Phương pháp điều khiển dự báo FCS-MPC cho mạch nghịch lưu đa mức CHB ứng dụng động cơ IM...........................................................................27 iii
Trang 6
2.3.1.Cấu trúc điều khiển dự báo FCS-MPC thông thường cho mạch nghịch lưu đa mức CHB nối tải động cơ IM...................................................27 2.3.2.Nguyên lý hoạt động của NLĐM cấu trúc CHB.................................28 2.3.3.Mô hình trạng thái động cơ không đồng bộ (IM)................................31 2.3.4.Cấu trúc điều khiển dự báo FCS-MPC kết hợp khâu tích phân cho mạch nghịch lưu đa mức CHB, ứng dụng động cơ IM.......................35 2.4. Kết quả mô phỏng kiểm chứng.....................................................................39 2.4.1.Kiểm tra đáp ứng dòng điện................................................................40 2.4.2.Kiểm tra đáp ứng CMV và tối ưu đóng cắt.........................................44 2.4.3.Kiểm tra đáp ứng ở trạng thái quá độ của hệ thống ............................45 CHƯƠNG 3.THUẬT TOÁN MULTISTEP MPC CHO NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẤU TRÚC CHB NỐI TẢI ĐỘNG CƠ IM ........................................................50 3.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống NLĐM cấu trúc CHB nối tải động cơ IM, sử dụng thuật toán Multistep MPC....................................................................50 3.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện với phương pháp điều khiển multistep MPC ..............................................................................................................51 3.2.1.Mô hình hệ thống.................................................................................51 3.2.2.Mô hình dự báo....................................................................................52 3.2.3.Hàm mục tiêu.......................................................................................53 3.2.4.Thuật toán giải mã mặt cầu SDA ........................................................54 3.3. Nâng cao tốc độ tính toán Multistep MPC với phương pháp K-best SDA cho NLĐM cấu trúc CHB nối tải động cơ IM.....................................................59 3.3.1.Cấu trúc điều khiển..............................................................................59 3.3.2.Thuật toán giải mã mặt cầu K-best SDA.............................................60 3.3.3.Mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink ...................65 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ..........76 4.1. Thực nghiệm kiểm chứng thuật toán multistep MPC với phương pháp K-best SDA cho biến tần đa mức cấu trúc CHB ......................................................76 4.1.1.Điều kiện thực nghiệm ........................................................................76 4.1.2.Triển khai trên vi điều khiển FPGA....................................................79 4.1.3.Kết quả thực nghiệm............................................................................81 4.2. Thực nghiệm kiểm chứng thuật toán Multistep MPC sử dụng ANN, áp dụng cho nghịch lưu đa mức cấu trúc CHB...........................................................84 4.2.1.Phương pháp điều khiển ANN-MPC...................................................84 iv
Trang 7
4.2.2.Cấu trúc mạng nơ-ron ANN................................................................86 4.2.3.Thực hiện phương pháp ANN-MPC ...................................................90 4.2.4.Mô phỏng kiểm chứng trên Matlab/Simulink .....................................95 4.2.5.Mô hình thực nghiệm ..........................................................................98 4.2.6.Kết quả thu được trên mô hình thực nghiệm.....................................101 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN..................106 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................107 PHỤ LỤC...................................................................................................................115 v
Trang 8
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Từ viết tắt Dạng đầy đủ bằng tiếng Anh Ý nghĩa BBĐ Bộ biến đổi NLĐM Nghịch lưu đa mức ĐTCS Điện tử công suất TĐĐ Truyền động điện MV Medium Voltage Trung áp PES Power Electronic System Hệ thống điện tử công suất MLI Multilevel Inverter Bộ nghịch lưu đa mức VSI Voltage Source Inverter Nghịch lưu nguồn áp Insulated Gate Bipolar Transistor lưỡng cực cổng cách IGBT Transistor ly CHB Cascaded H-Bridge Cầu H nối tầng NPC Neutral Point Converter BBĐ cấu trúc diode kẹp MMC Modular Multilevel Converters BBĐ dạng module hóa FC Flying Capacitor Tụ bay LV Low Voltage Điện áp thấp Flexible AC Transmission Hệ thống truyền tải xoay chiều FACTS System linh hoạt STATCOM Static Synchronous Compensator Thiết bị bù đồng bộ tĩnh HVDC High Voltage DC Dòng điện 1 chiều điện áp cao DC Direct Current Dòng điện một chiều Động cơ không đồng bộ ba pha IM Induction Motor rotor lồng sóc FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông AI Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo Điều khiển dự báo dựa theo mô MPC Model Predictive Control hình vi
Trang 9
Continuous Control Set CCS- MPC trên tập điều khiển liên CCS-MPC MPC tục MPC trên tập điều khiển hữu FCS-MPC Finite Control Set MPC hạn MIMO Multi Input, Multi Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra Điều khiển khoảng dự báo dịch RHC Receding Horizon Control trên miền thời gian OPP Optimized Pulse Patterns Các mẫu xung tối ưu ESA Exhaustive Search Algorithm Thuật toán tìm kiếm toàn diện SDA Sphere Decoding Algorithm Thuật toán giải mã mặt cầu DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SVM Space Vector Modulation Điều chế vector không gian DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp mômen Mảng cổng lập trình được dạng FPGA Field Programmable Gate Array trường DPC Direct Power Control Điều khiển trực tiếp công suất VOC Direct Voltage Control Điều khiển trực tiếp điện áp THD Total Harmonic Distortion Tổng méo sóng hài CMV Common-mode Voltage Điện áp common-mode ANN Artificial Neural Network Mạng nơ-ron nhân tạo vii
Trang 10
Danh mục các bảng Bảng 2.1 Bảng thể hiện tối ưu đóng cắt ...................................................................38 Bảng 2.2 Thông số mạch lực và bộ điều khiển ........................................................39 Bảng 2.3 Thông số động cơ......................................................................................40 Bảng 2.4 Kịch bản mô phỏng...................................................................................40 Bảng 2.5 Thay đổi đồng thời các tham số động cơ trong phạm vi 35% ..................42 Bảng 2.6 Số lần chuyển mức pha A ........................................................................45 Bảng 3.1 Quá trình thực hiện thuật toán...................................................................64 Bảng 3.2 Thông số động cơ......................................................................................65 Bảng 3.3 Thông số mạch lực và bộ điều khiển ........................................................66 Bảng 3.4 Kịch bản mô phỏng...................................................................................66 Bảng 3.5 So sánh số lượng nút kiểm tra...................................................................70 Bảng 4.1 Bảng thông số huấn luyện.........................................................................92 Bảng 4.2 Kích thước ma trận....................................................................................93 Bảng 4.3 Trạng thái và xung điều khiển van............................................................95 Bảng 4.4 Thông số mô phỏng ANN-MPC...............................................................95 Bảng 4.5 Bảng chỉ định dữ liệu huấn luyện .............................................................96 Bảng 4.6 Tài nguyên sử dụng FPGA......................................................................101 Bảng 4.7. Thông số thực nghiệm............................................................................102 viii
Trang 11
Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Các kiểu cấu trúc nghịch lưu đa mức..........................................................6 Hình 1.2 NLĐM cấu trúc MMC cấp cho tải động cơ ................................................7 Hình 1.3 NLĐM cấu trúc CHB cấp cho tải động cơ..................................................8 Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển thông dụng cho NLĐM cấu trúc CHB (nguồn [22])...........................................................................................................9 Hình 1.5 Phân loại Điều khiển dự báo (nguồn [26])................................................11 Hình 1.6 Ưu và nhược điểm của MPC (nguồn [23])................................................12 Hình 1.7 Sơ đồ khối điều khiển FCS-MPC..............................................................13 Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát phương pháp FCS-MPC..................15 Hình 1.9 Nguyên lý điều khiển khoảng dự báo dịch trên miền thời gian RHC (nguồn [47]).........................................................................................................16 Hình 1.10 ANN với chức năng là khối xấp xỉ..........................................................21 Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển thuật toán FCS-MPC tích hợp khâu tích phân ..............26 Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển động cơ IM sử dụng phương pháp FCS-MPC ..............28 Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực NLĐM cấu trúc CHB......................................................29 Hình 2.4 Cấu trúc 1 cầu H và bảng phối hợp đóng cắt ............................................29 Hình 2.5 Mặt phẳng vector không gian của nghịch lưu ba pha 11 mức cấu trúc CHB .................................................................................................................31 Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển động cơ IM sử dụng chiến lược điều khiển dự báo dòng điện tích hợp khâu tích phân...................................................................35 Hình 2.7 Minh họa điện áp common-mode..............................................................36 Hình 2.8 Mô tả cách thực hiện hàm mục tiêu...........................................................39 Hình 2.9 Kết quả mô phỏng trên trục d theo phương pháp FCS-MPC thông thường .................................................................................................................41 Hình 2.10 Kết quả mô phỏng trên trục d theo phương pháp FCS-MPC tích hợp khâu tích phân..................................................................................................41 Hình 2.11 Đáp ứng dòng điện và sai lệch dòng điện trên trục q với điều khiển dự báo thông thường ....................................................................................41 Hình 2.12 Đáp ứng dòng điện và sai lệch dòng điện trên trục q với điều khiển dự báo kết hợp khâu tích phân .....................................................................42 Hình 2.13 Đáp ứng dòng điện và sai lệch dòng điện trên trục d khi áp dụng FCS- MPC thông thường..................................................................................42 ix
Trang 12
Hình 2.14 Đáp ứng dòng điện và sai lệch dòng điện trên trục d khi áp dụng FCS- MPC kết hợp khâu tích phân...................................................................43 Hình 2.15 Các đáp ứng trên trục q khi dùng FCS-MPC thông thường....................43 Hình 2.16 Các đáp ứng trên trục q khi dùng FCS-MPC kết hợp khâu tích phân.....43 Hình 2.17 Đáp ứng điện áp common-mode .............................................................44 Hình 2.18 Đáp ứng tối ưu đóng cắt..........................................................................44 Hình 2.19 Kịch bản 1: tốc độ đặt thay đổi từ 0 đến nref tại thời điểm 0,5(s). a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, (tải quạt gió)........................................46 Hình 2.20 Kịch bản 2: Tốc độ đặt thay đổi từ 0 đến nref tại thời điểm 0,5(s). a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, (tải không đổi) ...............................47 Hình 2.21 Kịch bản 3: đảo chiều quay động cơ -nref đến +nref tại thời điểm 1,2(s). a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, ..............................................48 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển của hệ thống CHB-MLI nối tải động cơ IM, sử dụng phương pháp Multistep MPC..................................................................51 Hình 3.2 Các bước triển khai thuật toán giải mã mặt cầu SDA...............................54 Hình 3.3 Minh họa ý nghĩa của phép biến đổi .........................................................56 Hình 3.4 Minh họa biểu đồ thuật toán tìm kiếm nhánh và ràng buộc......................58 Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán tìm kiếm..........................................................................58 Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển động cơ IM dựa trên NLĐM cấu trúc CHB, sử dụng phương pháp Multistep MPC với thuật toán K-best SDA......................59 Hình 3.7 Tìm kiếm nút dùng SDA a) và K-best SDA bằng sơ đồ cây b) ................60 Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán K-best SDA..................................................................61 Hình 3.9 Cấu trúc đề xuất thực hiện K-best SDA trên FPGA..................................62 Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán sắp xếp Bitonic...........................................................63 Hình 3.11 Minh họa thuật toán Bitonic sắp xếp với mảng 8 phần tử.......................64 Hình 3.12 Điện áp common-mode khi thay đổi các trọng số...................................66 Hình 3.13 So sánh THD dòng điện giữa SDA và K-best SDA................................67 Hình 3.14 So sánh tần số đóng cắt trung bình giữa SDA và K-best SDA...............67 Hình 3.15 a) Sai lệch dòng điện trục d; b) Sai lệch dòng điện trục q.............68 Hình 3.16 Đáp ứng dòng điện với N=2: a) Trên trục d; b) Trên trục q...................69 Hình 3.17 Giá trị THD khi tăng số bước dự báo......................................................69 Hình 3.18 Kịch bản 1: tốc độ đặt thay đổi từ 0 đến nref tại thời điểm 0,5(s): a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, (tải quạt gió).......................................71 Hình 3.19 Kịch bản 2: tốc độ đặt thay đổi từ 0 đến nref tại thời điểm 0,5(s): a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, (tải không đổi)....................................72 x
Trang 13
Hình 3.20 Kịch bản 3: đảo chiều quay động cơ - nref đến - +nref tại thời điểm 1,2(s). a) nref ,n; b) Mload, M; c) isabc ; d) ref, ..............................................73 Hình 4.1 Mô hình hệ thống thực nghiệm ................................................................76 Hình 4.2 Sơ đồ mạch nguyên lý cầu H.....................................................................77 Hình 4.3 Hệ thống biến áp cấp nguồn......................................................................77 Hình 4.4 Mạch lực sau khi đã hoàn thiện.................................................................78 Hình 4.5 Mạch đo dòng sau khi đã hoàn thiện.........................................................78 Hình 4.6 Mạch đo điện áp sau khi đã hoàn thiện .....................................................79 Hình 4.7 Kit ZYBO Z7-20 của hãng Xilinx.............................................................79 Hình 4.8 Cấu trúc thực hiện thuật toán điều khiển trên FPGA ................................81 Hình 4.9 So sánh thời gian thực hiện giữa SDA và K-best SDA tại N=1................82 Hình 4.10 So sánh thời gian thực hiện giữa SDA và K-best SDA tại N=2..............82 Hình 4.11 Dạng dòng điện a) và điện áp b) trên tải khi chưa có cả 2 trọng số........83 Hình 4.12 Điện áp CMV trước a) và sau b) khi có trọng số ....................................83 Hình 4.13 Điện áp trên tải trước a) và sau b) khi có trọng số đóng cắt....................83 Hình 4.14 Cấu trúc điều khiển ANN-MPC..............................................................86 Hình 4.15 Kiến trúc mạng nơ-ron ............................................................................87 Hình 4.16 Mô tả thuật toán Gradient Decent ...........................................................89 Hình 4.17 Các vector điện áp tương ứng với bộ CHB 5 mức.................................91 Hình 4.18 Kiến trúc mạng trong giải thuật ANN-MPC ...........................................91 Hình 4.19 Quá trình thu thập dữ liệu và huấn luyện của bộ điều khiển ANN-MPC94 Hình 4.20 Điện áp tải 1 pha với bộ điều khiển ANN-MPC.....................................96 Hình 4.21 Điện áp tải 1 pha với bộ điều khiển MPC thông thường.........................96 Hình 4.22 Trạng thái đóng cắt ứng với bộ điều khiển ANN-MPC..........................97 Hình 4.23 Trạng thái đóng cắt ứng với bộ điều khiển MPC thông thường..............97 Hình 4.24 Điện áp tải 1 pha với bộ điều khiển ANN-MPC.....................................97 Hình 4.25 Trạng thái đóng cắt với bộ điều khiển ANN-MPC .................................98 Hình 4.26 Sơ đồ hệ thống CHB 3 pha 5 mức...........................................................98 Hình 4.27 Khối mạch lực 1 cell..............................................................................100 Hình 4.28 Mô hình tải 3 pha thuần trở và bộ lọc LC .............................................100 Hình 4.29 Hệ thống bàn thí nghiệm hoàn thiện .....................................................101 Hình 4.30 Cấu trúc thực hiện thuật toán trong FPGA............................................102 Hình 4.31 Điện áp 5 mức 3 pha..............................................................................103 xi
Hiển thị 13 trang đầu. Tải tài liệu để xem đầy đủ.
Bình luận (0)
Chưa có bình luận nào. Hãy là người đầu tiên!