Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN NLM VÀ PHƯƠNG PHÁ PCÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN NLM VÀ PHƯƠNG PHÁ PCÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Tải bản đầy đủ - 0trang

Chương 4: Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng



⎧ =−











1

2

1



2







=



+



+

=







(4.1)



Mạch điện tương đương của MMC được thể hiện như trên hình bên, từ đó ta

có điện áp ra được biểu diễn như sau:

= (



)+







(4.2)



Có thể dễ dàng nhận thấy sức điện động xoay chiều (EMF) của MMC được

viết như sau:

=



1

(

2



)







(4.3)



Tổng quát lại giá trị tham chiếu của suất điện động xoay chiều được biểu diễn:

=



2



cos(



)



(4.4)



Với m là hệ số điều chế, đối với phương pháp NLM cổ điển thì tại mỗi thời

điểm N sub-module sẽ dẫn trong mạch nên ta có phương trình:

=



+



(4.5)



Dùng phương pháp thế ta có:

=

=



2

2



[1 −



cos(



)]

(4.6)



[1 +



cos(



)]



Bỏ qua điện áp trên các sub-module chế độ bypass thì mối quan hệ giữa điện

áp trên tụ của mỗi sub-module (



) và điện áp như sau:



53



Chương 4: Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng



=N.



(4.7)



Hình 4.3 thể hiện cấu trúc tổng quát của phương pháp NLM cổ điển sử dụng

thuật toán cân bằng điện áp với tần số đóng cắt được giảm. Số lượng sub-module

của mỗi nhánh trên và nhánh dưới một pha đang dẫn tại một thời điểm được tính

bằng:

=

=



.



.



2

2



[1 −



cos(



)]



cos(



)]



(4.8)

[1 +



Số

Tín hiệu đặt Tính tốn

điệa áp



Làm tròn



Bộ chia



0.5



Cân bằng Phát xung

mức N

điện áp tụ



Hình 4.3: Cấu trúc mơ tả thuật tốn NLM cổ điển

Hàm làm tròn round0.5(x) nghĩa là giá trị thực x được làm tròn tới giá trị số

nguyên gần nhất tùy thuộc vào phần thập phân của x. Nếu phần thập phân của x lớn

hơn 0.5 thì x được làm tròn lên giá trị nguyên tiếp theo, trường hợp ngược lại thì x

được làm tròn xuống giá trị nguyên liền trước.



54



Chương 4: Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng



Hình 4.4: Nguyên lý hoạt động của cả phương pháp NLM cổ điển dùng cho

MMC

Để hiểu phương pháp NLM cổ điển, có hai trường hợp được phân tích (từ t1

đến t2, từ t2 đến t3 ở hình 4.4). Giả sử UL= M.



ở trường hợp thứ nhất từ t1 đến t2,



lúc này các giá trị tham chiếu của các điện áp nhánh trên và dưới cùng với suất điện

động xoay chiều tại thời điểm t = t1 như sau:

=(



+ 0.5)



=( −

=(



− 1)







(4.9)



− 0,5 + 0.5)



Trong trường hợp này, những điện áp bậc thang của các nhánh và suất điện

động xoay chiều được biểu diễn:



55



Chương 4: Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng



=

=( −

=(



)



(4.10)



− 0,5 )



Trong trường hợp thứ hai từ t2 đến t3. Điện áp tham chiếu của trên dưới mỗi

nhánh và suất điện động xoay chiều tại thời điểm t=t2 được viết theo công thức:

= [(



− 1) + 0.5]



= [( −

=(



) + 0.5)



(4.11)



− 0,5 − 0.5)



Trong trường hợp thứ hai này, điện áp dạng bậc thang của mỗi nhánh và suất

điện động xoay chiều được viết lại như sau:

= ( − 1)

= ( − + 1)

= ( − 0,5 − 1)



(4.12)



Trong đó:

M là số sub-module được chèn vào tại một thời điểm của nhánh dưới mỗi

pha.

N là số sub-module mỗi nhánh sử dụng.

So sánh



ở cả hai trường hợp với nhau ta có thể thấy độ cao mỗi mức



(bậc thang) của



là Vd. Bởi vì do làm tròn là 0.5Vdc nên số mức điện áp tối đa ở



suất điện động xoay chiều là bằng 1 + Udc/Ud = N+1. Sự sai lệch lớn nhất giữa





xuất hiện tại thời điểm chuyển bậc thang trên dạng điện áp qua so



sánh có thể thấy bằng 0.5Ud

4.1.2 Thuật toán NLM cải tiến

Theo những phân tích bên trên thì phương pháp NLM cổ điển tạo ra N+1 mức

điện áp ra. Vì vậy, đối với trường hợp điện áp thấp với một vài sub-modules, độ

56



Chương 4: Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng



méo sóng hài của điện áp ra có xu hướng lớn; để cải thiện chất lượng đầu ra,

phương pháp NLM cải tiến đã được đề xuất để thay thế các phương pháp khác với

số lượng mức điện áp đầu ra sẽ tăng lên thành (2N+1) mà vẫn giữ nguyên số lượng

sub-modules.

Ở hình 4.5 minh họa nguyên lý hoạt động của phương pháp NLM cải tiến.

Điểm đáng chú ý là tại thời điểm chuyển mức ở dạng điện áp







hoàn



toàn không giống nhau. Số mức điện áp của mỗi nhánh trên và dưới là N+1, trong

khi đó số mức điện áp ra lại là 2N+1. Tuy nhiên bề cao của mỗi bậc thang đã giảm

xuống còn 0.5Ud. Sự khác biệt nhỏ này dẫn tới sự tăng đáng kể các mức điện áp.



Hình 4.5: Nguyên lý hoạt động của phương pháp NLM cải tiến dùng cho

MMC với 10 sub-modules mỗi nhánh.

Để thay đổi những thời điểm chuyển bậc thang ở dạng điện áp nhánh trên và

nhánh dưới thì tại một thời điểm số lượng sub-module dẫn ở cả hai nhánh được thay

đổi so với thuật tốn NLM cổ điển theo cơng thức sau:

57



Chương 4: Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng











=



.



=



2



.



2



[1 −



)]



cos(



(4.13)

[1 +



cos(



)]



Cơng thức làm tròn round0.25(x) có nghĩa là một số thực x được làm tròn đến

số nguyên gần nhất tùy thuộc vào thành phần thập phân của x. Nếu pàn thập phân

của x lớn hơn 0.25 thì x được làm tròn đến số ngun liền sau, trường hợp còn lại

thì x sẽ được làm tròn xuống số ngun liền trước nó. Cấu trúc phương pháp

NLM cải tiến được minh họa trong hình 4.6 dưới đây.



Hình 4.6: Tổng quát cấu trúc của phương pháp NLM cải tiến

Sự khác nhau giữa phương pháp NLM cải tiến và phương pháp cổ điển là hàm

làm tròn. Hai trường hợp của phương pháp cải tiến được minh họa ở hình 4.5.

Trường hợp thứ nhất là tại khoảng thời gian từ t1 đến t2. Giả thiết vstep= MVd ở

trường hợp đầu tiên, giá trị tham chiếu của điện áp các nhánh và suất điện động

xoay chiều tại thời điểm t1 được biểu diễn:

=(

= [( −

=(



+ 0.25)

− 1) + 0.75]



(4.14)



− 0,5 + 0.5)



Theo hàm làm tròn cải tiến ta thấy dạng diện áp sóng bậc thang của các

nhánh và suất điện động xoay chiều ở trường hợp thứ nhất là:



58



Chương 4: Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng



=

=( −

=(



)



(4.15)



− 0,5 )



Trường hợp thứ hai từ t2 đến t3, giá trị tham chiếu của điện áp trên các nhánh

và suất điện động xoay chiều tại thời điểm t = t2 có thể đươc biểu diễn dưới dạng:

=(



− 1) + 0.75]



= [( −

=(



) + 0.25]



(4.16)



− 0,5 − 0.25)



Điện áp dạng sóng bậc thang trên mỗi nhánh và suất điện động xoay chiều

trong trường hợp thứ hai lúc này bằng:

= ( − 1)

= ( − + 1)

= ( − 0,5 − 0.5)



(4.17)



4.2 Lựa chọn thuật toán NLM cho MMC và thuật toán cân bằng điện áp

4.2.1 Lựa chọn thuật toán NLM cho MMC

Với bộ nghịch lưu MMC mỗi nhánh gồm 10 submodule, ta lựa chọn thuật

toán điều khiển là NLM cải tiến để tạo 21 mức điện áp ở đầu ra.

Lưu đồ thuật toán của phương pháp NLM cải biến thực hiện cho một nhánh

được biểu diễn trên hình 4.7



59



Chương 4: Thuật tốn điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng



Hình 4.7: Lưu đồ thuật tốn phương pháp NLM cải biến

4.2.2 Thuật toán cân bằng điện áp

Cân bằng điện áp giữa các tụ ở các Sub-modules là một vấn đề chính của bộ

biến đổi MMC. Thuật toán cân bằng năng lượng được thực hiện bằng cách phân

loại các mức điện áp trên các tụ, những sub-modules với những điện áp trên tụ thấp

nhất hoặc cao nhất sẽ được lựa chọn và kích hoạt theo hướng dòng điện chạy trong

mỗi nhánh. Tuy nhiên để đạt được sự cân bằng điện áp giữa các sub-modules trong

cùng một nhánh, thuật toán cân bằng điện áp kể trên cần phải được thực hiện trong

mỗi chu kỳ điều khiển. Vì vậy, nếu như tổng số lượng sub-modules ở trạng thái dẫn

trong một nhánh khơng thay đổi thì một số q trình chuyển mạch không cần thiết

sẽ vẫn được thực hiện. Điều này dẫn đến tần số chuyển mạch tương đối cao và tổn



60



Chương 4: Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng



thất chuyển mạch cao. Sự biến đổi điện áp trên tụ của sub-modules khiến cho bộ ba

pha có thể có những điện áp khác nhau. Kết quả là, điều này dẫn đến dòng điện lưu

thơng trong bộ ba pha. Dòng lưu thơng này chảy thơng qua sáu nhánh trên dưới và

làm méo dòng điện hình sin ở mỗi nhánh. Do đó, giá trị hiệu dụng của dòng điện

nhánh và tổn thất bộ biến đổi tăng.

Chính vì vậy thuật toán cân bằng điện áp “reduced switching frequency (RSF)

voltage - balancing algorithm” được đưa ra, nó làm giảm tần số đóng cắt trung bình

của thiết bị và đồng thời phân phối cân bằng năng lượng trong các tụ SM; vì thế có

thể giảm đáng kể biên độ của dòng lưu thơng mà khơng ảnh hưởng đến điện áp và

dòng điện đầu ra của MMC.

Theo thành quả của các nghiên cứu trong thời gian gần đây cân bằng điện áp tụ

có thể được tiến hành bằng hai phương pháp: thêm một phần tử cân bằng vào bộ

điều chế của mỗi SM và phương pháp bố trí chèn vào hoặc bỏ qua một cách hợp lý

các SM trong chu kỳ phóng nạp của tụ.

Phương pháp thêm một phần tử cân bằng vào bộ điều chế của mỗi SM thì có 1

số hạn chế như sau : Mỗi SM cần 1 cấu trúc diều khiển riêng biệt dẫn đến cấu trúc

mạch sẽ phức tạp xuất hiện thành phần sóng hài.

Phương pháp bố trí chèn vào hoặc bỏ qua một cách hợp lý các SM trong chu kỳ

phóng nạp của tụ : điện áp tụ được đo về nhiều lần trong một chu kỳ cơ bản và được

sắp xếp theo một thứ tự theo giá trị của điện áp tụ. Việc kiểm sốt SM nào chèn vào

hoặc bỏ dựa vào chiều dòng điện trong nhánh và giá trị điện áp tụ. Phương pháp này

có ứng dụng lớn khi số SM nhiều. Do đó để phát triển và nghiên cứu ta sẽ tìm hiểu

nghiên cứu phương pháp này.

Thuật toán cân bằng điện áp tụ được thực hiện trên mỗi nhánh theo lưu đồ như

hình 4.8.



61



Chương 4: Thuật tốn điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng



Hình 4.8: Lưu đồ thuật tốn cân bằng năng lượng.

Giải thích chi tiết lưu đồ thuật toán: Thực hiện xét với N = 0 hoặc N = 10 trước

khi sắp xếp vì cả 2 trường hợp này khơng cần quan tâm đến chiều dòng điện hay

điện áp các tụ là bao nhiêu do đó chỉ cần thực hiện OFF cả 10 SM hoặc ON cả 10

SM rồi thoát thuật toán để giảm thời gian thực thi thuật toán.



62



Chương 4: Thuật toán điều khiển NLM và phương pháp cân bằng năng lượng



Với các trường hợp còn lại của N, việc chọn ra N SM nào được chèn vào được

thực hiện khi thuật toán phát hiện ra sự thay đổi của N từ mức này sang mức khác

và thuật toán sẽ lựa chọn tụ cần được ON theo cách thức sau:

- Sắp xếp giá trị điện áp tụ theo thứ tự tăng dần và lưu vào một bảng. Sau đó,

OFF cả 10 SM như vậy phần lập trình phía sau chỉ cần ON các SM cần thiết.

- Kiểm tra nếu chiều dòng điện nhánh là dương sẽ nạp điện cho tụ. So sánh

điện áp trên các tụ khi chưa sắp xếp với giá trị thứ N trong bảng nếu nhỏ hơn hoặc

bằng thì SM tương ứng sẽ được ON.

- Kiểm tra nếu chiều dòng điện nhánh là âm sẽ xả điện từ tụ. So sánh điện áp

trên các tụ khi chưa sắp xếp với giá trị thứ 10 - N trong bảng nếu lớn hơn thì SM

tương ứng ON.

Kết luận

Trong chương này, tác giả trình bày những ưu điểm mà thuật toán điều khiển

NLM và NLM cải tiến mang lại, đó là đơn giản, dễ lập trình. Thuật tốn NLM cho

phép tính tốn số lượng Sub – module chèn vào cần thiết trong mỗi chu kỳ. Để xác

định thứ tự ưu tiên các Sub – module chèn vào sao cho giảm tối đa số lần q trình

đóng cắt van, tác giả đề xuất phương pháp cân bằng năng lượng – là phương pháp

so sánh mức điện áp đo được tại đầu ra của từng tụ điện của mỗi Sub – module.

Thông qua phép so sánh các giá trị, thuật tốn lập trình được thực hiện với mục đích

đưa năng lượng trên các tụ điện của các Sub – module về mức gần sấp sỉ như nhau.



63



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN NLM VÀ PHƯƠNG PHÁ PCÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×