BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ THỊ NGỌC VÂN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG
TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN TRONG CÔNG NGHIỆP
THEO NGUYÊN LÝ DỰA TRÊN VÉC TƠ ĐIỆN ÁP LƯỚI

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
9520216

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2024


Cơng trình được hồn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1.

PGS.TS. Nguyễn Huy Phương

2.

TS. Phạm Quang Đăng

Phản biện 1: GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn
Phản biện 2: PGS.TS. Đinh Anh Tuấn
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hải

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án
tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học
Bách khoa Hà Nội
Vào hồi 14 giờ, ngày 26 tháng 01 năm 2024

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
[1] Vu Hoang Phuong, Tran Trong Minh, Vu Thi Ngoc Van, Nguyen
Huy Phuong and Nguyen Quang Dich (2017), “A Linear Control
for Active Voltage Conditioner”, Page 185-190, The 3rd ASEAN
Smart Grid Congress & The 5th International Conference on
Sustainable Energy.
[2] Van Vu Thi Ngoc, Ngoc Nguyen Dinh, Thành Nam, Minh Tran
Trong, Dang Pham Quang and Phuong Nguyen Huy (2019), “Xây
dựng hệ thống thử nghiệm cho bộ Điều áp liên tục”, Hội nghịTriển lãm quốc tế lần thứ 5 về điều khiển và tự động hóa VCCA2019, Page 11.1-11.7, 6-7/9/2019, Cung Văn hóa Hữu nghị Hà
Nội, 91 Trần Hưng Đạo, Hoàn Kiếm, Hà Nội.
[3] Phuong Vu, Vu Thi Ngoc Van, Quan Nguyen, Nguyen Quang
Dich, Minh Tran (2020), “Design and Implementation of Active
Voltage Conditioner in Low-Voltage Distribution System”, J.
Electrical
Systems
16-4

(2020):
569-581,
(ISI-Q3).
[4] Vu Thi Ngoc Van, Nguyen Dinh Ngoc, Nguyen Huy Phương, Vu
Hoang Phuong, Nguyen Quang Dich, Tran Trong Minh (2021),
“Fully DSP-Based Control of an Active Voltage Conditioner”,
Journal of Science and Technology (JST): Smart Systems and
Devices (hust.edu.vn), Volume 31, Issue 1, May 2021, Page 116123, />[5] Vũ Thị Ngọc Vân, Vũ Hoàng Phương*, Phạm Quang Đăng,
Nguyễn Huy Phương, Nguyễn Quang Địch (2023), “Nghiên cứu
thuật toán phát hiện sự cố điện áp lưới trong hệ điều khiển bộ điều
áp liên tục”, Measurement, Control, and Automation, Vol 4 (2)
(2023), ISSN 1859-0551, .


Mở đầu
1. Sự cần thiết của đề tài
Chất lượng điện năng ảnh hưởng lớn đến hoạt động của các nhà máy và dây
chuyền sản xuất trong công nghiệp. Sự gián đoạn trong khoảng thời gian vơ cùng
ngắn cũng có thể gây ra những thiệt hại lớn đối với mỗi nhà máy. Thiệt hại ở mức
độ nhẹ có thể là tăng chi phí sản xuất do việc suy giảm chất lượng sản phẩm, tăng
lượng phế phẩm, tăng suất tiêu hao nguyên vật liệu và nhiên liệu, ở mức độ nặng
hơn có thể gây gián đoạn sản xuất do phải khởi động lại dây chuyền sản xuất
hoặc do sự cố đối với các thiết bị sản xuất. Vì vậy, việc đảm bảo chất lượng điện
áp cho các phụ tải trong các nhà máy cơng nghiệp ln là nhiệm vụ có tính ưu
tiên cao, nhất là với các phụ tải quan trọng.
Trước yêu cầu về chất lượng điện năng, trên thế giới nhiều phương án sản
xuất và truyền tải điện năng đã được xây dựng nhằm giảm thiểu các sự cố đối với
nguồn điện. Các nghiên cứu đã chỉ ra sự cố thăng giáng điện áp ngắn hạn có thời
gian kéo dài từ khoảng nửa chu kỳ điện áp lưới (0,01 giây) đến cỡ dưới 60 giây
có tần suất xảy ra lớn nhất trong các loại sự cố về nguồn điện. Hiện tượng lồi lõm

điện áp là dạng nhiễu loạn xuất hiện không biết trước và tồn tại trong thời gian
ngắn, bao gồm cả biến động về biên độ điện áp cũng như góc pha. Mặc dù, lõm
điện áp xảy ra trong một thời gian rất ngắn, một số phụ tải như các hệ thống điều
khiển, các loại biến tần điều khiển động cơ,... có thể bị dừng và trong trường hợp
các thiết bị này có vai trị quan trọng với hoạt động của dây chuyền sản xuất thì
khi nó bị dừng sẽ phải dừng toàn bộ dây chuyền và sự khởi động trở lại sẽ rất tốn
kém về cả kinh tế và thời gian. Nếu là hệ thống điều khiển hoặc xử lý số liệu có
thể dẫn tới gián đoạn hoặc mất thơng tin có thể gây ra những hậu quả nghiêm
trọng. Hiện tượng lồi, lõm điện áp có thể được hạn chế nếu nó được tính tới trong
q trình quy hoạch, thiết kế và vận hành hệ thống điện và điều này thường dẫn
tới chi phí lớn cho việc xây dựng hệ thống điện và chỉ có thể thực hiện được ở
những nước công nghiệp phát triển khi hệ thống điện đã ổn định và tiềm lực tài
chính mạnh. Với hệ thống điện còn đang liên tục mở rộng nhưng lại thiếu quy
hoạch và nguồn lực tài chính hạn hẹp như Việt Nam thì trong tương lai gần chưa
thể thực hiện được mà giải pháp khắc phục vẫn là bảo vệ có chọn lọc các phụ tải
nhạy cảm quan trọng.
Để bảo vệ các phụ tải nhạy cảm với hiện tượng lồi lõm điện áp lưới trong hầu
hết các ứng dụng công nghiệp thường là sử dụng bộ khôi phục điện áp động
(Dynamic Voltage Restorer–DVR) để thực hiện việc khôi phục điện áp cho các
phụ tải nhạy cảm quan trọng khi có sự lồi lõm điện áp ngắn hạn.
Việc bảo vệ các phụ tải quan trọng trước ảnh hưởng của lồi lõm điện áp lưới
có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo sản xuất, tiết kiệm chi phí và góp phần
nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm của các nhà máy công nghiệp tạo
nên nhu cầu lớn đối với thiết bị khôi phục điện áp động DVR và đặt ra tính cấp
thiết trong việc nâng cao chất lượng hoạt động cũng như giảm giá thành đối với
DVR.
2. Mục tiêu nghiên cứu

1



Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng cấu trúc mạch động lực nghịch
lưu ba pha bốn nhánh, mơ hình hóa và xây dựng cấu trúc điều khiển véc-tơ trên
hệ tọa độ d-q-0 tựa theo điện áp lưới cho bộ biến đổi phía tải DVR kiểu điều áp
tích cực (AVC) ứng dụng trong hệ thống cung cấp điện trong công nghiệp hoạt
động trong trường hợp nguồn điện và/hoặc tải không đối xứng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là:
- Xây dựng cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi phía tải AVC sử dụng nghịch
lưu 3 pha bốn nhánh van;
- Mô hình hóa bộ biến đổi phía tải AVC sử dụng nghịch lưu ba pha bốn nhánh
van trên hệ tọa độ d-q-0 tựa theo điện áp lưới;
- Xây dựng cấu trúc điều khiển véc-tơ trên hệ tọa độ d-q-0 tựa theo điện áp
lưới cho bộ biến đổi phía tải sử dụng nghịch lưu 3 pha bốn nhánh van có thể điều
khiển được cả thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không khi điện áp
lưới và/hoặc tải không đối xứng nhằm nâng cao chất lượng điều khiển.
Phạm vi nghiên cứu của luận án là bộ biến đổi phía tải của AVC với mạch
nghịch lưu 3 pha 4 nhánh van sử dụng điều chế véc-tơ không gian ba chiều và các
cấu trúc điều khiển véc-tơ trên hệ tọa độ d-q-0 bao gồm: cấu trúc điều khiển nối
tầng hai mạch vòng dòng điện và điện áp; cấu trúc điều khiển song song hai mạch
vòng dòng điện và điện áp, điều khiển cả thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch
và thứ tự không kết hợp với điều khiển tách kênh và điều khiển feetbackfeetforward. Điều kiện hoạt động của AVC trong nghiên cứu của luận án là điện
áp lưới với lõm điện áp còn 45%, lồi điện áp tới 115% và trong điều kiện tải
và/hoặc nguồn không đối xứng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp của nghiên cứu lý
thuyết với thực nghiệm trên mơ hình bao gồm cả mơ hình mơ phỏng và mơ hình
thí nghiệm. Theo đó, nghiên cứu lý thuyết mạch điện và lý thuyết điều khiển
nhằm mục tiêu mơ hình hóa AVC sử dụng nghịch lưu ba pha bốn nhánh van để từ
đó phát triển cấu trúc điều khiển phù hợp. Kết quả của nghiên cứu lý thuyết sẽ

được kiểm chứng và hiệu chỉnh bằng thực nghiệm trên mơ hình mơ phỏng và
cuối cùng là trên mơ hình thí nghiệm.
Cách tiếp cận sử dụng xun suốt q trình nghiên cứu là kết hợp cách tiếp
cận Phân tích/Tổng hợp cho q trình mơ hình hóa AVC với cách tiếp cận Hệ
thống/Cấu trúc cho quá trình xây dựng và phát triển cấu trúc điều khiển.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Luận án đề xuất và xây dựng cấu trúc mạch động lực kiểu cầu nghịch lưu ba
pha bốn nhánh van cùng với phương pháp điều khiển véc-tơ sử dụng cấu trúc
Feedback – Feedforward ứng dụng cho AVC hoạt động trong điều kiện nguồn và
tải không đối xứng.
Ý nghĩa thực tiễn:

2


Kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm cơ sở ứng dụng cho việc thiết kế
và chế tạo AVC hoạt động trong điều kiện điện áp và/hoặc tải không đối xứng.
AVC với cấu trúc cầu nghịch lưu ba pha bốn nhánh van và cấu trúc điều khiển đề
xuất hứa hẹn khả năng tiết kiệm được chi phí chế tạo và nâng cao chất lượng hoạt
động từ đó ứng dụng một cách hiệu quả để bảo vệ các phụ tải quan trọng trong
các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp.
6. Nội dung của luận án
Nội dung luận án được trình bày gồm các chương và phần kết luận như sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan về hiện tượng biến động điện áp ngắn hạn và
các giải pháp chống biến động điện áp ngắn hạn. Đề xuất cấu trúc AVC, bộ biến
đổi phía lưới, bộ biến đổi phía tải.
Chương 2: Trình bày về xây dựng mơ hình tốn học và điều khiển bộ biến đổi
phía tải AVC. Điều khiển bộ biến đổi AVC phía tải, trong đó nêu về mạch vòng
điều khiển dòng điện và thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp theo cấu trúc điều

khiển nối tầng. Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink và mô phỏng thời gian
thực và đánh giá kết quả.
Chương 3: Trình bày xây dựng mơ hình thí nghiệm với các kịch bản thử
nghiệm, lắp đặt hệ thống thử nghiệm, kết quả thử nghiệm trong phịng thí nghiệm
và đánh giá các kết quả thu được.
Chương 4: Trình bày nâng cao chất lượng điều khiển bằng cách đề xuất thiết
kế mạch vòng điện áp theo cấu trúc hai vòng điều khiển song song. Thiết kế bộ
điều khiển trong điều kiện không đối xứng. Mô phỏng kiểm chứng và đánh giá
kết quả thu được.
Phần kết luận: Nhận xét, đánh giá về kết quả đạt được của luận án. Chỉ ra các
hạn chế, khó khăn và đề xuất cho các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao
chất lượng của bộ thiết bị khôi phục điện áp động và ứng dụng thành cơng trong
thực tế.
7. Các đóng góp của luận án
Luận án có những đóng góp mới như như sau:
- Đề xuất cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi phía tải của AVC sử dụng nghịch
lưu ba pha bốn nhánh van, mơ hình hóa bộ biến đổi phía tải của AVC dùng
nghịch lưu ba pha bốn nhánh trên hệ tọa độ quay d-q-0.
- Xây dựng cấu trúc điều khiển véc-tơ trên hệ tọa độ d-q-0 có thể điều khiển
được cả thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không khi điện áp lưới
và/hoặc tải khơng đối xứng qua đó nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến
đổi phía tải của AVC. Phương pháp điều khiển feed-forward điện áp lưới cũng đã
được áp dụng để nâng cao tốc độ đáp ứng với biến động điện áp lưới.
Chương 1. Tổng quan về biến động điện áp và chống biến động điện áp
1.1
Khái quát vấn đề nghiên cứu
1.1.1 Giới thiệu chung về AVC
Bộ điều áp tích cực được thể hiện trên Hình 1.10 gồm hai thành phần chính là
bộ biến đổi phía lưới (bộ Shunt converter) và bộ biến đổi phía tải (bộ Series


3


converter). Ngồi ra cịn có bộ lọc, máy biến áp nối tiếp, tụ DC-Link và thiết bị
Bypass.
UG

Ub

~
Nguồn lưới
3-pha 50Hz

~

UOUT

~

Udc

Bộ biến đổi
phía lưới

TẢI

Bộ biến đổi
phía tải

Udk


Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc các thành phần chính của AVC

1.1.2 Bộ biến đổi phía lưới
Ua

LG

LI

+

Ub
Uc

UDC

-

CF
RD

LCL Fil ter

Hình 1.11 Cấu trúc mạch lực bộ chỉnh lưu tích cực sử dụng cho AVC

Bộ biến đổi phía lưới sử dụng cấu trúc chỉnh lưu tích cực có một số ưu điểm
sau:
- Điện áp một chiều điều chỉnh được trong một dải rộng kể cả khi nguồn điện
phía lưới thay đổi. Điều này rất ý nghĩa đối với AVC để đảm bảo đủ điện áp

nghịch lưu bù cho tải khi xuất hiện lõm/lồi điện áp lưới. Hệ số cơng suất có thể
điều chỉnh được (có thể gần bằng 1).
- Dịng điện phía lưới có dạng hình Sin với hệ số méo dạng sóng hài thấp
(THD < 5%) thỏa mãn tiêu chuẩn IEEE519.
- Năng lượng được trao đổi theo hai chiều qua bộ biến đổi.
- Sử dụng sơ đồ mạch lực này cho phép sử dụng nguồn năng lượng từ lưới
điện cung cấp bù lõm/lồi điện áp cho tải có lợi về cơng suất hơn khi so sánh với
cấu hình sử dụng nguồn năng lượng phía tải.
1.1.3 Điều khiển bộ biến đổi phía lưới của AVC
Đối với bộ biến đổi phía lưới cần phải đảm bảo điện áp một chiều ln ổn
định, dịng điện phía lưới có độ méo sóng hài THD thấp, nhỏ hơn 5%.
Có nhiều phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới của AVC trong đó có
thể chia làm hai nhóm là điều khiển thơng qua điều khiển dịng điện và điều
khiển trực tiếp cơng suất.
DC+
DCPLL

a-b-c

SVM

α-β

ULα*

ULβ*
α-β

α-β


d-q

d-q

Inq

Ind

ULq*

ULd*

Bộ điều k hiể n
dịng điện

Inq*
-

+
-

Tính hệ
số cơng suất
Sin φ

Ind*

PI
Sin φ*


+

+

PI
+
UDC *

Hình 1.12 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới sử dụng chỉnh lưu tích cực

1.1.4 Bộ biến đổi phía tải

4


Hình 1.16 Bộ biến đổi phía của AVC tải sử dụng nghịch lưu ba pha bốn nhánh van

1.1.5 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía tải
a.
Điều khiển trong hệ tọa độ a-b-c
NGUỒN

CLTC
+
S1

S3

S2


S4

+

Ud c

Cdc

-

-

H-B 1 Pha

Bộ điều chỉnh
điện áp (PR)
uc

is *

Bộ điều chỉnh
dịng điện (PR)

uabc

is

Sin
PWM


S1,2,3,4a

+
-

2:1

+

2:1

+
-

isb

S1,2,3,4b
H-B Pha B

+

S1,2,3,4c

is c

1,41

x
cosθ


θ

Tính tốn
lượng đặt
(RMS)

PLL
1 pha

2:1

+

}

}
is

VAVC_r ef_RM S

+

H-B Pha C

VAVC_ref

-

isa


Udc
H-B Pha A

VAVC_ref

}

7 00 V

-

uc

vnguon

TẢI

Hình 1.17 Cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ a-b-c cho bộ biến đổi phía tải

Việc xây dựng cấu trúc điều khiển cho BBĐ phía tải gồm những nhiệm vụ
chính sau:
Xây dựng phương pháp điều chế đơn cực cho mạch nghịch lưu cầu H.
Tổng hợp tham số cho các bộ điều khiển điện áp, dòng điện.
Xây dựng, tổng hợp tham số cho vịng khóa pha một pha.
Phương pháp điều khiển này có ưu điểm là điều khiển từng pha riêng rẽ nên
đảm bảo được hoạt động của AVC trong trường hợp lồi lõm điện áp không đối
xứng một cách dễ dàng.
Nhược điểm của bộ điều khiển cộng hưởng là có tham số phụ thuộc vào tần
số. Tuy nhiên, trong điều kiện lưới điện thực tế thì tần số ln ln biến thiên
trong khoảng sai lệch quy định và khi có sự cố thì cịn có thể vượt ra ngồi

khoảng này. Do vậy, khó đảm bảo chất lượng điều khiển. Để cải thiện ta có thể
sử dụng bộ điều khiển khuếch đại-cộng hưởng (PR) nhưng vẫn không loại bỏ hết
được ảnh hưởng này.
b.
Điều khiển trong hệ tọa độ d-q-0
Cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ d-q-0 cho phép điều khiển công suất tác
dụng và công suất phản kháng một cách chủ động, đảm bảo biến áp nối tiếp được
từ hóa hồn tồn từ phía sơ cấp và hạn chế tối đa ảnh hưởng trở kháng tới sự mất
đối xứng về góc pha điện áp khi tải khơng đối xứng.
Sơ đồ điều khiển trong hệ tọa độ d-q-0 với hai vòng điều khiển dòng điện và
điện áp nối tầng như trên hình 1.18.

5


Nguồn lưới

PLL

θ

Mạc h DC
trung g ian

uoutd *+

PI

-


uoutq*

+

PI

-

uout0*

+
-

PI

iou td*+

uid

Bộ
điều
uiq
khiển
dòng
điện ui0

-

iou tq*


+
-

iou t0

*

+

d-q-0
Nghịch
lưu

PWM
α-β-γ

-

io utd

Bộ điều khiển
điện áp

io utq
io ut0

uoutd
uoutq
uout0


iouta
d-q-0

α-β-γ
a-b-c

α-β-γ

ioutb
ioutc

uouta
d-q-0

α-β-γ
a-b-c

α-β-γ

uoutb
uoutc

Tải

Hình 1.18 Sơ đồ điều khiển trên hệ tọa độ d-q-0 bộ biến đổi phía tải của AVC

1.2

Đề xuất hướng nghiên cứu
Các bộ điều áp tích cực (AVC) với chỉnh lưu tích cực là một cải tiến của bộ

điều áp tích cực dùng chỉnh lưu diode cả về mạch lực và kỹ thuật điều khiển. Về
cấu tạo, các bộ điều áp tích cực dùng chỉnh lưu tích cực tương tự như bộ chống
sụt áp chỉ khác là bộ chỉnh lưu sử dụng chỉnh lưu tích cực với bộ biến đổi IGBT
cho phép truyền năng lượng theo cả hai chiều nên cho phép bảo vệ phụ tải với
biến thiên điện áp lưới theo cả chiều tăng và chiều giảm. Do vậy, có thể gọi nó là
bộ điều áp tích cực hồn tồn.
Bộ biến đổi phía tải của AVC có thể được xây dựng với các cấu trúc mạch lực
và điều khiển khác nhau. Mỗi cấu trúc điều khiển và mạch lực có những ưu và
nhược điểm nhất định. Với những ưu nhược điểm của các cấu trúc mạch lực và
phương pháp điều khiển đã phân tích cộng với mục tiêu nâng cao chất lượng
AVC trong điều kiện tải không đối xứng, đề tài luận án lựa chọn AVC với bộ
biến đổi phía lưới là chỉnh lưu tích cực và bộ biến đổi phía tải được đề xuất sử
dụng nghịch lưu ba pha bốn nhánh làm đối tượng nghiên cứu và đặt mục tiêu
nâng cao chất lượng hoạt động của AVC. Cụ thể là bộ biến đổi phía tải của AVC
với cấu trúc mạch lực đề xuất kiểu ba pha bốn nhánh cấp nguồn cho biến áp nối
tiếp có sơ cấp nối sao và cấu trúc điều khiển véc-tơ trên hệ tọa độ d-q-0 tựa theo
điện áp lưới.
Chương 2. Mơ hình tốn học và điều khiển bộ biến đổi phía tải AVC sử dụng
nghịch lưu ba pha bốn nhánh
2.1
Xây dựng mơ hình tốn học và điều khiển bộ biến đổi phía tải AVC
2.1.1 Cấu trúc của AVC sử dụng nghịch lưu 3 pha 4 dây và biến áp nối tiếp
sơ cấp đấu sao
Nguồn

Máy biến áp
Lf

V1a


Via
Vix

Vib

V1b

Vic

V1c

Ln
Bộ lọc L-C

VG
T
ả
i

Hình 2.1 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi phía tải sử dụng nghịch lưu ba pha bốn nhánh

Sơ đồ mạch lực của AVC sử dụng bộ biến đổi phía tải là nghịch lưu 3 pha 4
dây và biến áp nối tiếp sơ cấp đấu sao như trên Hình 2.1
2.1.2 Mơ hình máy biến áp nối tiếp trong AVC

6


R1


L1

I 2¶

I1

R 2¶

L 2¶

RM
Ztai¶
-U2¶

U1
LM

U͛
g

IM

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương máy biến áp

Phương trình điện áp sơ cấp ta có:

2.1.3 Mơ
'
2d


di1d
R  RM
1
LM di
LM
 1
i1d  i1q 
u1d 

i2' q
dt
L1  LM
L1  LM
L1  LM dt
L1  LM
di1q
dt



'
R1  RM
1
LM di2q
LM
i1q  i1d 
u1q 

i2' d
L1  LM

L1  LM
L1  LM dt
L1  LM

(2.11)

di10
R  RM
1
LM di20'
RM
 1
i10 
u10 

i20'
dt
L1  LM
L1  LM
L1  LM dt L1  LM

hình bộ lọc
đầu ra bộ
nghịch lưu
Phương trình điện áp thứ cấp:
(2.12)
Mơ hình biến áp trên hệ tọa độ d-q-0 như hình vẽ 2.3.
u1d

+


-

iMd

i1d +

-

+

i2d

+

RM

-

+

uMd

+

R¶2
ωLM
ωL1

ωL¶2


ωL1

ωL¶2

u¶2d

-

ωLM

i2q
u1q

+

R¶2
+

-

i1q

-

+

-

iMq


i20

RM

+

+

u2d

-

uMq +

+

-¶
u

u2q

2q

R¶2

u10 +

-


+

i10

iM0

RM

uM0

+

-

u20

u¶20

Hình 2.3 Mơ hình tốn học máy biến áp nối tiếp của AVC

7


RL

IL

Lf

RT


I1

LT

RC
Ui

Cf

Ztai¶

U¶2

U1

U͛
g

Ic

Hình 2.4 Sơ đồ mạch lọc đầu ra nghịch lưu của AVC

Phương trình mơ tả bộ lọc đầu ra:
(2.19)

2.1.4 Mơ hình tốn học tồn bộ mạch đầu ra của biến đổi phía tải
RL

IL


Lf

R1

I1

Cf
Ic

I1

I 2¶

R2 ¶

L 2¶

RM

RC
Ui

L1

U1
LM
IM

Ztai¶

-U2¶
U͛
g

Hình 2.5 Sơ đồ tương đương mạch đầu ra AVC qui đổi về sơ cấp máy biến áp

8


uid +

iLd +

-

iCd

uCd +

+

+

ugd

-

i1d +

u1d+


+

iMd

-

+

RM

1/KT

-

ωCf

ωL1

ωLf

ωCf

ωL1

-

ωL¶2
ωL¶2


1/KT

-

+

-

iCq

u1q +

+

iLq

-

-

uCq +

i1q +

-

iMq

+


RM

+

+

R¶2

-

+

uMq +

uoutq

+

i

uiq +

uoutd

-

ωLM

i2q


+

+

u2d

+
ωLM

+

ωLf

u¶2d

+

uMd

R¶2

-

i2d

-

u¶2q

u2q


+

ugq

i20
ui0 +

+

- iC0

+

iL0

-

uCq +

R¶2

1/KT

u10 +

+

-


i10

iM0

RM

uM0 +

-

+

u¶20

uout0

u20 +
ug0

Hình 2.6 Mơ hình tốn học mạch đầu ra AVC

2.2
Điều khiển bộ biến đổi phía tải của AVC
2.2.1 Thiết kế điều khiển theo cấu trúc điều khiển nối tầng
Sơ đồ cấu trúc điều khiển nối tầng (cascade) như Hình 2.7
uout*

Ru(s)

-


ug

iL*

-

Ri(s)

e

-Ts

Hi(s)

iL

Hu(s)/Hi(s)

u2

+

uout

Hình 2.7 Cấu trúc điều khiển nối tầng

Trong đó Ri(s) là bộ điều khiển dịng điện. Ru(s) là bộ điều khiển điện áp. Hu(s)
là hàm truyền điện áp đầu ra và Hi(s) là hàm truyền dòng điện.
a)

Thiết kế vòng điều khiển dòng điện
Tham số bộ điều chỉnh PI sẽ được tính tốn dựa trên mạch vịng điều khiển dịng
điện trên, mạch vịng điều khiển có xét đến trễ của hệ thống điều khiển bao gồm trễ
khâu điều chế véc-tơ khơng gian và trễ tính tốn bộ điều chỉnh dịng điện. Giá trị tính
tốn ra của bộ điều khiển tới khi tác động vào đối tượng điều khiển có độ trễ từ một
tới hai chu kỳ lấy mẫu (từ Ts tới 2Ts). Trung bình ta sẽ gần đúng bằng hằng số thời
gian 1,5Ts.
iL*

Hi(s)
Ri(s)

iL

GSVM(s)

Hình 2.8 Mạch vòng điều khiển dòng điện

b)

Thiết kế vòng điều khiển điện áp vòng ngồi
Sơ đồ vịng điều khiển điện áp như trên Hình 2.9 với Fi(s) là hàm truyền kín của
vịng điều khiển dòng điện. Một trong những điều kiện làm việc của cấu trúc điều
khiển nối tầng là tốc độ đáp ứng của vịng trong phải nhanh hơn vịng ngồi hay băng
thơng điều khiển vịng trong phải lớn hơn băng thơng điều khiển vịng ngồi thơng
thường là từ 5 tới 10 lần. Trong điều kiện như vậy, ta có thể coi Fi(s)≈1 và việc thiết
kế bộ điều khiển điện áp trở nên rất dễ dàng.


ug


uout*

Fi(s)

Hu(s)/Hi(s)

u2

uout

Ru(s)
Hình 2.9 Mơ tả tốn học mạch vịng điều chỉnh điện áp

Hàm truyền giữa điện áp đầu ra nghịch lưu và dòng điện:
s
1
U  s  H u (s)
uz
G ui  s  


.
I s
H i (s) 1  s
iz

(2.39)

Thực hiện tương tự cho bộ điều khiển PI ở mạch vịng dịng điện.

Kết quả mơ phỏng và đánh giá
Sau khi đã thiết kế cấu trúc điều khiển các bộ biển đổi ở các mục trên, tiến hành
mô phỏng trên Matlab để kiểm chứng.
2.3.1 Tham số mô phỏng
2.3


Bảng 2.1 Thông số các bộ điều chỉnh
của bộ biến đổi phía tải AVC
Bộ điều
khiển
Mạch
vịng điện
áp
Mạch
vịng điện
áp

Đại lượng

Giá trị

kpv
kiv

0.037
44.4132

kpc


38.7031

kic

11194.4

Bảng 2.2 Tham số mạch lực bộ điều áp tích
cực AVC thí nghiệm
Bộ điều áp liên tục

Giá
trị

Đơn
vị

Cơng suất

5

kVA

Tải

0.97

Ω

Tham số mạch lọc phía tải


Giá
trị

Đơn
vị

Điện cảm LI

98
Giá
trị
0.13

µF
Đơn
vị
mH

Điện cảm LG

0.9

mH

Tụ điện Cd

90

µF


Điện trở Rd

1

Ω

Tụ điện DC-link

Giá
trị
6600

Đơn
vị
µF

Điện áp Vdc

700

V

Tham số máy biến áp nối
tiếp
Tỷ số máy biến áp

Giá
trị
2:1


Đơn
vị
V

Cơng suất định mức

5

kVA

Điện trở phía sơ cấp

50

mΩ

Điện cảm phía sơ cấp

0.31

mH

Điện trở phía thứ cấp

25

mΩ

Điện cảm phía thứ cấp


0.22

mH

Điện trở từ hóa
Điện cảm từ hóa

10
30

kΩ
H

Tụ điện Cf
Tham số mạch lọc phía lưới

Tham số tụ DC-link


2.3.2 Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink
Tiến hành mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink trong thời gian 0.85s.
Điện áp lưới 380V tại các thời điểm sau xảy ra lồi/lõm điện áp:
Tại thời điểm 0.3s điện áp lưới lõm một pha còn 55%. Điện áp lưới trở về ổn định
380V tại thời điểm 0.4s.
Tại thời điểm 0.45s, điện áp lưới lõm hai pha còn 55%. Điện áp lưới trở về ổn
định 380V tại thời điểm 0.55s.
Tại thời điểm 0.6s, điện áp lưới xảy ra lõm ba pha còn 70%. Điện áp lưới trở về
380V tại thời diểm 0.7s.
Tại thời điểm 0.75s, điện áp lưới xảy ra lồi ba pha 110%.
Trình tự: bộ biến đổi phía lưới khởi động q trình nạp tụ. Sau 0.1s, bộ biến đổi

phía lưới chạy ở chế độ chỉnh diode. Đến 0.15s, bộ biến đổi phía lưới chạy ở chế độ
chỉnh lưu tích cực. Sau khi điện áp một chiều ổn định ở mức 700V, bộ biến đổi phía
tải khởi động tại thời điểm 0.25s.
Bypass

CLOSE
(dẫn dịng)

Series

STOP
(dừng)

OPEN
(khơng dẫn dòng)

RUN
(khởi động)

Chỉnh lưu diode

Shunt

Rst  0

Chỉnh lưu diode

Rst = 0

Điện

áp lưới

Điện áp định mức
380 V

Định
mức

Lõm 1 pha 55%

Lõm 2 pha 55%

Định
mức

Lõm 3 pha 70%

Định
mức

Lồi 3 pha 110%
t

0

0.1

0.15

0.2


0.25

0.3

0.4

0.4

0.45

0.55

0.5

0.65

0.6

0.75

0.7

0.8

0.85

Hình 2.10 Kịch bản mơ phỏng trên Matlab

Tiến hành phân tích q trình q độ tại các thời điểm xảy ra biến động điện áp

lưới. Phân tích tại hai thời điểm đầu và thời điểm cuối khi xảy ra lồi/lõm điện áp.
- Thời điểm đầu: điện áp lưới đang ở định mức sau đó xảy ra lỗi điện áp.
- Thời điểm cuối: điện áp lưới đang bị lỗi sau đó trở về bằng định mức.
40 0

2 00

20 0

40 0

1 00

0

20 0

0

- 20 0

0

-1 00

-40 0

-2 00

0 .2 6 0 .28 0.3 0 .32 0 .3 4 0 .3 6

V gri d( V)

-2 00

0 .2 6 0 .28 0.3 0 .32 0.34
V se ri es (V )

-40 0

0.3 6

0 .2 6 0 .2 8 0 .3 0 .32 0.34
V lo ad (V )

0.3 6

Hình 2.11 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 1 pha còn 55% tại thời điểm đầu
4 00

20 0

2 00

400

10 0

0

200


0

-20 0

0

- 10 0

-4 00

0.42

-2 00

- 20 0

0.4 4 0 .4 6 0 .48 0 .5
V g rid (V )

-40 0

0.4 2 0.4 4 0 .4 6 0.48 0.5
V ser i es(V )

0 .4 2 0 .44 0.46 0.4 8 0 .5
V loa d (V)

Hình 2.12 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 2 pha còn 55% tại thời điểm đầu
40 0


15 0

4 00

1 00
20 0

50

0

2 00

0

0

-5 0
-20 0

- 100

-40 0

-2 00

-1 50
0.5 6


0.5 8

0.6
Vg rid (V )

0 .6 2 0 .64

-4 00

0
.66

0 .5 6

0 .5 8
Vse ri

0 .6 0 .6 2 0 .64
e s(V )

0.66

0.56

0.58

0 .6 0.6 2 0 .64
Vl oa d( V)

0 .6 6


Hình 2.13 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 3 pha còn 70% tại thời điểm đầu
40 0

50

40 0

20 0

20 0

0

0

0

-2 00

- 20 0

- 40 0

- 50
0 . 72
0 .7 8

0 . 74


0 .7 6
0 .8

-4 00
0. 7 2
0. 7 8

V gr id (V )

0. 7 4
V ser i

0 . 76
0 .8

0 .7 2
0
. 78

es(V )

0

.7 4

0. 7 6
0. 8

V lo ad (V )


Hình 2.14 Dạng điện áp khi điện áp lưới lồi 110% tại thời điểm đầu

Từ Hình 2.11, Hình 2.12, Hình 2.13, Hình 2.14 có thể thấy khi có sự biến động
biến áp lưới từ các thời điểm 0.3s, 0.45s, 0.6s, 0.75s, bộ biến đổi phía tải sau khoảng
1 chu kỳ điện áp đã bù điện áp để điện áp trên tải ổn định ở giá trị định mức mỗi pha
220V.
37 6 (V )
400

200

200

100

4 00
2 00


0

0

- 200

0

-1 00

- 40 0

0 .3 6

0.38

0 .4

0 .4 2

- 200
0 .3 6

0.44

-20 0

0 .3 8

0.4

Vgrid (V )

0 .4 2

-4 00
0.3 6

0 .44

0 .3 8


Vseri es(V )

0 .4

0 .4 2

0.44

Vloa d(V)

Hình 2.15 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 1 pha còn 55% tại thời điểm cuối
40 0

15 0

38 0 ( V)

40 0

10 0

20 0

20 0

50
0

0


0

-5 0

-20 0

-20 0

-10 0
-40 0

0.52

0.54

0 .5 6
V g rid (V )

0 .58

-1 50

0.6

0.5 20
(V)

4 00

Hình 2.16 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 2 pha còn 55% tại thời điểm cuối

40 0

1 00

20 0

0
-5 0

-4 00
0 .66

0.68

0.7
0.72
V gr id( V)

0.74

-1 00
0 .6 6

377

40 0

50

0

-20 0

( V)

2 00
0
-20 0

0 .6 8

0 .7
V ser i

0 .72
es( V)

0 .74

- 40 0
0 .6 6

0.6 8

0 .7
0 .7 2
V loa d( V)

0 .74

Hình 2.17 Dạng điện áp khi điện áp lưới lõm 3 pha còn 70% tại thời điểm cuối


Từ Hình 2.15, Hình 2.16 và Hình 2.17, sau khi kết thúc trạng thái lỗi điện áp, điện
áp trên tải vẫn giữa được giá trị định mức mỗi pha là 220V. Tại thời điểm quá độ
0.4s, 0.55s, 0.7s, điện áp trên tải có vượt quá giá trị định mức nhưng trong thời gian
ngắn (sau 1 chu kỳ điện áp lưới). Cụ thể, khi kết thúc quá trình lõm 1 pha cịn 55%,
điện áp trên tải q độ có giá trị đỉnh là 376 (V). Đối với trường hợp lõm 2 pha còn
55% và lõm 3 pha còn 70%, giá trị đỉnh đó lần lượt là 380(V) và 377 (V).

Hình 2.18 Sai lệch giữa điện áp đặt và điện áp ra bộ Series của các pha

So sánh sai lệch giữa điện áp đặt và điện áp ra của bộ biến đổi phía tải của các
pha có thể thấy, giá trị gần như bằng không.
Đánh giá chất lượng điện áp đầu ra bộ biến đổi phía tải qua việc phân tích Fourier
điện áp trên tải. Các kết quả phân tích Fourie điện áp trên tải pha A tại thời điểm sau
khi xảy ra sự biến động điện áp lưới 1 chu kỳ (20ms), phân tích trong 4 chu kỳ, tính
đến sóng hài bậc 20 (1000Hz).

Hình 2.19 Kết quả phân tích Fourier điện áp pha A

Từ Hình 2.19, điện áp trên tải có tổng độ méo sóng hài thấp ln nhỏ hơn 5%,
đảm bảo tiêu chuẩn chuẩn IEEE 519.
2.3.3 Mô phỏng thời gian thực
a.
Cấu trúc hệ thống thời gian thực


Cấu trúc điều khiển các bộ biến đổi một lần nữa được kiểm chứng trên thiết bị
điều khiển thời gian thực của hãng Typhoon. Thiết bị này cho phép giả lập mơ hình
phần cứng với bước tính 1µs và thời gian trích mẫu PWM là 20ns. Thơng số của thiết
bị Typhoon HIL 402 như sau: 4 lõi vi xử lý FPGA; Cổng vào ra tương tự: 16 kênh,

phân dải 16 bit, dải ±10V; Cổng vào ra số: 32 kênh; Kết nối: USB 2.0, Ethernet;
Nguồn cấp 100 ÷ 250VAC, ≥ 60W. Ngoài ra, đi kèm với thiết bị Typhoon HIL 402 là
mạch “DSP interface”. Mạch “DSP interface” sử dụng vi điều khiển DSP
TMS320F2808 là vi điều khiển trung tâm. Mạch hỗ trợ các cổng vào ra tương tự và
vào ra số để kết nối với thiết bị Typhoon HIL402, hỗ trợ giao tiếp truyền thơng
UART để kết nối với máy tính.
Trong hệ thống này, thiết bị Typhoon có nhiệm vụ giả lập phần cứng với bước
tính 1µs cịn mạch “DSP interface” với DSP TMS320F2808 sẽ thực hiện cấu trúc
điều khiển. Hai phần giao tiếp nhau qua các cổng vào ra tương tự (AO, AI) và vào ra
số (DI, DO).
Cấu trúc điều khiển: phương pháp điều chế độ rộng xung, các bộ điều chỉnh điện
áp và dịng điện, thuật tốn vịng khóa pha…được cài đặt trên DSP TMS320F2808.
Thông qua mạch “DSP interface”, Card HIL402 cung cấp tới 16 cổng ra tương tự,
các cổng này được thiết lập để gửi các tín hiệu điện áp và dòng điện đến mạch ADC
của DSP TMS320F2808. Tín hiệu xung đưa ra từ kênh PWM của DSP
TMS320F2808 sẽ gửi đến cổng DI của Card HIL402 được cấu hình là các tín hiệu
điều khiển đóng/cắt van.

Hình 2.20 Sơ đồ mô phỏng trên Typhoon HIL 402

Hình 2.21 Sơ đồ mô phỏng trên Typhoon HIL 402


Hình 2.22 Mô hình mô phỏng thời gian thực trên thiết bị Typhoon HIL 402


Ngoài ra, sử dụng phần mềm “Typhoon HIL Control Center “của hãng cho
phép thay đổi người thiết kế có thể thiết lập tham số, lựa chọn các đặc tính hiển
thị dưới dạng đồ thị và thay đổi các điều kiện vận hành theo thời gian. Từ các
điểm đo trên mạch “DSP interface”, sử dụng Osiloscope Hameg –200MHz cho

phép đo được các đáp ứng điện áp trong quá trình quá độ. Tỷ lệ đo AC 1:1500, đo
DC là 1: 2000.
b.
Kết quả mô phỏng thời gian thực
Mô phỏng thời gian thực với kịch bản xảy ra 4 trường hợp như mô phỏng trên
Matlab.

c) Điện áp trên tải
a) Điện áp lưới
b) Điện áp bù
Hình 2.24 Kết quả HIL khi lưới điện lõm 1 pha còn 55

b) Điện áp bù
a) Điện áp lưới
c) Điện áp tải
Hình 2.25 Kết quả HIL khi lưới điện lõm 2 pha còn 55%

a) Điện áp lưới

b) Điện áp bù

c) Điện áp tải

Hình 2.26 Kết quả HIL khi lưới điện lõm 3 pha còn 70%

a) Điện áp lưới
b) Điện áp bù
c) Điện áp tải
Hình 2.27 Kết quả HIL khi lưới điện lồi 3 pha 110%


Hình 2.28 Kết quả HIL của điện áp trên tụ

Kết quả mô phỏng thời gian thực cũng được kiểm chứng với 4 như ở mục 2.3.1,
với các kết quả chỉ ra ở từ 2.24 đến Hình 2.29. Trong cả bốn trường hợp, điện áp trên
tải vẫn giữ được ở định mức 380V sau khi xác lập. Sau khi xảy ra quá độ, điện áp
trên tải nhanh chóng đạt về định mức trong khoảng thời gian chưa đầy 20 ms (1 chu
kỳ điện áp lưới. Cũng có thể thấy điện áp DC luôn được giữ ở mức 700V trong quá
trình hoạt động, tại các thời điểm quá độ điện áp DC có dao động trong khoảng 10V
những nhanh chóng ổn định lại sau 5ms.
Kết luận: Trong chương này mơ hình tốn học bộ biến đổi phía tải sử dụng
nghịch lưu ba pha bốn nhánh đã được xây dựng. Từ mơ hình tốn học cấu trúc điều
khiển hai mạch vịng dịng điện phía trong và điện áp phía ngồi đã được tính tốn


thiết kế. Kết quả mơ phỏng trên máy tính sử dụng phần mềm Matlab-Sim ulink và
Plecs cũng như kết quả mô phỏng thời gian thực trên thiết bị mô phỏng Typhoon HIL
đã cho thấy hoạt động và đáp ứng tốt của cấu trúc mạch lực với nghịch lưu ba pha
bốn nhánh và điều khiển véc-tơ với cấu trúc điều khiển nối tầng truyền thống đề xuất
cho bộ biến đổi phía tải của AVC. Kết quả mô phỏng thời gian thực trên Typhoon
HIL cho thấy cấu trúc điều khiển đề xuất có thể triển khai được trong thời gian thực
và cho tốc độ đáp ứng điều khiển tương tự kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink.
Hàm truyền điện áp và hàm truyền dịng điện có phương trình đặc tính tương tự
nhau nên việc sử dụng cấu trúc điều khiển kiểu hai vòng nối tầng truyền thống sẽ
buộc phải chấp nhận tốc độ đáp ứng của điều khiển điện áp chậm hơn so với khả
năng có thể đạt được để đáp ứng điều kiện hoạt động của điều khiển nối tầng. Đặc
điểm này chính là cơ sở của việc phát triển cấu trúc điều khiển khác để nâng cao tốc
độ đáp ứng của AVC sẽ được trình bày trong Chương 4.
Chương 3. Xây dựng mơ hình thí nghiệm
3.1
Kịch bản thử nghiệm

Hệ thống bộ AVC có nhiệm vụ khắc phục các sự cố lồi, lõm điện áp ngắn hạn. Vì
vậy, đánh giá được hoạt động của bộ AVC cần phải tạo ra các sự cố điện áp ngắn
hạn. Do thử nghiệm với quá trình xảy ra sự cố điện áp ngắn hạn trong thời gian dài
(10s), năng lượng tích lũy trên tụ điện khơng thể đáp ứng được nên khi thử nghiệm,
nguồn cấp bộ biến đổi phía lưới được tách riêng với nguồn cấp bộ biến đổi phía tải
AVC để đảm bảo có thể khảo sát trong thời gian dài. Sơ đồ thử nghiệm bộ AVC với
bộ biến đổi phía tải sử dụng nghịch lưu ba pha bốn nhánh như trên Hình 3.1.
Nguồn lưới
A1 B1 C1 N
Máy biến áp
U1a

Bộ lọc L-C

K2

Lf
A2

CC

Cdc

EMI

B2
C2
MCCB

Via

Vix

U1b

Vib
Vic

U1c

K1
Ln

GND 220V
220V

VG

Mạch IGBT Drive

dSpace DS1104

Mạch đo

A3 B3 C3 N
Tải

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm bộ AVC với bộ biến đổi phía tải sử dụng nghịch lưu cầu
ba pha bốn nhánh

Kịch bản tạo lồi, lõm điện áp:

- Kịch bản 1: Ngắn mạch phía nguồn thông qua điện trở, điện kháng để gây ra sự
sụt áp phía nguồn.
- Kịch bản 2: Phía nguồn cấp ra tải thông qua một biến áp tự ngẫu. Điều chỉnh
biến áp tự ngẫu để nguồn cấp cao 110% định mức để tạo sự số lồi điện áp.
- Kịch bản 3: Đóng động cơ khơng đồng bộ. Trong q trình khởi động động cơ
thì điện áp phía nguồn sẽ bị sụt áp.