Ứng dụng bộ điều khiển Dead-Beat nâng cao động học cho hệ điều khiển chỉnh lưu tích cực trên cơ sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H

Bùi Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 
205 
ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO HỆ 
ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU TÍCH CỰC TRÊN CƠ SỞ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC 
NỐI TẦNG CẦU CHỮ H 
Bùi Văn Huy*, Phạm Văn Minh, Quách Đức Cường 
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 
TÓM TẮT 
Hệ thống chỉnh lưu tích cực ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các mạng điện có sự tham ra 
của các nguồn năng lượng tái tạo. Cấu trúc của hệ chỉnh lưu tích cực được xây dựng trên cơ sở bộ 
nghịch lưu nguồn áp. Trong những hệ thống công suất lớn điện áp cao, bộ nghịch lưu nguồn áp 
truyền thống thường được thay thế bằng các bộ nghịch lưu đa bậc nguồn áp nhằm nâng cao chất 
lượng hệ thống. Bài báo này trình bày việc ứng dụng luật điều khiển Dead- Beat cho bộ điều khiển 
dòng điện của chỉnh lưu tích cực trên cơ sở bộ nghịch lưu cầu H nối tầng với phía một chiều cách 
ly, nhằm nâng cao tính động học cho hệ thống và thuận lợi hơn trong việc triển khai thuật toán 
điều khiển bằng vi điều hay DSP. Kết quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink cho thấy cấu trúc điều 
khiển này thỏa mãn các yêu cầu đặt ra với hệ chỉnh lưu tích cực, cho đáp ứng động học của hệ 
thống nhanh. 
Từ khóa: Chỉnh lưu tích cực, Dead-Beat, Năng lượng tái tạo; nghịch lưu đa bậc, Matlab-Simulink 
MỞ ĐẦU * 
Chỉnh lưu tích cực là bộ biến đổi AC-DC 
(chuyển đổi xoay chiều sang một chiều), xây 
dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu nguồn áp 
(Voltage Source Inverter – VSI), nối với lưới 
thông qua cuộn cảm L, nhờ đó đảm bảo dòng 
đầu vào hình sin và hệ số công suất điều 
chỉnh được đến bằng một, có khả năng trao 
đổi công suất hai chiều giữa lưới AC và phía 
tải DC [1]. Trong những ứng dụng công suất 
lớn, điện áp cao, VSI thông thường được thay 
thế bởi các nghịch lưu đa bậc. Điều này làm 
cho hệ thống phân nhỏ các bước nhảy điện áp 
ra phía xoay chiều, nhờ đó giảm được tốc độ 
tăng điện áp dU/dt trên tải, các van bán dẫn 
chỉ phải đóng cắt ở mức điện áp thấp, tần số 
đóng cắt của các tế bào mạch lực thấp trong 
khi vẫn đảm bảo tần số điện áp ra của quá 
trình điều chế cao. Kết quả là các hệ thống 
xây dựng trên nghịch lưu đa bậc sẽ giảm đáng 
kể tổn thất trong quá trình đóng cắt van, đảm 
bảo tốt chất lượng thành phần sóng hài của 
điện áp ra. 
Cấu trúc hệ thống chỉnh lưu tích cực một pha 
7 bậc nối tầng cho như hình 1, phía DC đóng 
vai trò là phụ tải. Nếu các tụ điện DC và phụ 
*
 Tel: 0977 642225, Email: buivanhuy@haui.edu.vn 
tải phía DC là như nhau thì có thể hi vọng 
điện áp trên mỗi khâu DC là bằng nhau. Nếu 
điện áp trên mỗi khâu DC không cân bằng 
chất lượng sóng hài của dòng xoay chiều sẽ 
giảm. Để giải quyết vấn đề này tài liệu [1] đã 
đề xuất thuật toán cân bằng điện áp trên tụ, 
bài báo này không đề cập vấn đề đó. Điểm 
đóng góp chính của bài báo này đề xuất việc 
thiết kế bộ điều khiển Dead –beat cho mạch 
vòng dòng điện nhằm mục đích nâng cao tính 
động học của hệ thống và chưa sử dụng đến 
thuật toán cân bằng điện áp trên tụ đã đề cập 
ở 1. Kết quả mô phỏng đã cho thấy chất 
lượng động học của hệ thống tốt hơn so với 
việc sử dụng bộ điều khiển PI. 
NỘI DUNG CHÍNH 
Thiết kế bộ điều khiển Deadbeat cho hệ 
chỉnh lưu tích cực 1 pha trên cơ sở nghịch 
lưu đa bậc nối tầng 
Thuật toán điều khiển dead - beat là phương 
pháp điều khiển kỹ thuật số đã được đề cập 
khá nhiều ở các tài liệu [2,3,4,5]. Khi áp dụng 
phương pháp này trong hệ thống điện tử công 
suất, phương pháp này sẽ dự đoán độ rộng 
xung đưa tới van ở chu kỳ tiếp theo dựa trên 
mô hình hệ thống và phản hồi của thông số 
cần điều khiển đo được ở chu kỳ hiện tại. 
Theo [3] khâu Dead-beat (DB) cho phép thực 
Bùi Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 
206 
hiện quá trình quá độ trong khoảng thời gian 
hữu hạn định trước làm triệt tiêu sai lệch điều 
chỉnh sau một lượng hữu hạn chu kỳ trích 
mẫu. Ta có thể thiết kế khâu Dead-beat theo 
đặc tính chủ đạo hay đặc tính nhiễu. Nguyên 
lý điều chỉnh dead-beat chỉ có thể thực hiện 
được trong các hệ thống điều khiển số. 
R,L
S1
S2
S3
S4
C
S1
S2
S3
S4
C
S1
S2
S3
S4
Cib
Us U
conv
Hình 1. Chỉnh lưu tích cực cầu H nối tầng 
Phần tiếp sau đây bài báo sẽ lần lượt xây 
dựng mô hình toán học cho bộ biến đổi và 
Thiết kế bộ điều khiển Deadbeat cho hệ chỉnh 
lưu tích cực 1 pha trên cơ sở nghịch lưu đa 
bậc nối tầng. 
Chỉnh lưu tích cực cầu H nối tầng như hình 1 
có sơ đồ tương đương như hình 2. 
Us Uconv
L
R
iL
Hình 2. Sơ đồ tương đương của mạch một pha 
Từ hình 2 ta có được phương trình (1). 
1L
L conv s
di R
i u u
dt L L
 (1) 
Bỏ qua điện trở thuần của cuộn cảm và rời rạc 
hóa công thức (1) với T là chu kỳ trích mẫu ta 
thực hiện phép xấp xỉ như (2). 
 
( 1) ( ) /
( 1) ( ) ( )
L
L L
L L conv s
di
i k i k T
dt
T
i k i k u u k
L
 (2) 
Khi đó ta có công thức tính giá trị đặt cho 
điện áp ngay đầu vào bộ biến đổi như (3). 
 ( 1) ( ) ( ) ( ) ( ) ( . ( ) ( ) ( 1))L L conv s conv s L L
T L T
i k i k u k u k u k u k i k i k
L T L
 (3) 
Từ (3) ta xây dựng sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện như hình 3 với Ri là bộ điều 
khiển dòng điện. 
T
L
-+( )convu k
( )su k
( )Li k
T
L
1z I 1z I 
L
T
+
( 1)su k 
-
* ( )Li k
iR
( 1)convu k 
( )y k
( )x k
T
L
Hình 3. Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện 
Phương trình đầu ra của bộ điều khiển dòng cho như (4). 
*
( ) ( ) ( )i L Ly k R i k i k 
 (4) 
Bùi Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 
207 
Mục tiêu đặt ra khi thiết kế bộ điều chỉnh dòng có động học cao sao cho giá trị thực đuổi kịp giá 
trị đặt trong hai chu kỳ trích mẫu thỏa mãn biểu thức (5). 
*2
( ) ( )LLi z z i z
 (5) 
Thay (5) vào (4) ta có (6). 
* 2( ) ( ) ( ) ( 1) ( ) i iL L Ly z R i z i z R z i z
 (6) 
Mặt khác nhìn vào cấu trúc điều khiển đã xây dựng như hình 3 ta có (7). 
( 1) ( ) ( 1) ( ) ( 1) ( 1)
 ( ) ( )
conv s conv s
conv s
L T T T
u k y k u k y k u k u k
T L L L
T
z u z u z
L
 (7) 
Kết hợp (7) với (3) ta có (8). 
( ) ( ) ( ) ( . ( ) ( ) ( )) ( )
( 1) ( )
conv s s L L s
L
T T T L T
y z z u z u z z u z i z zi z u z
L L L T L
 z z i z
 (8) 
Thay (8) vào (6) ta có (9). 
2 1
2 2
1
1 1
i
z z z
R
z z
 (9) 
Từ phương trình (9) ta có giá trị y(k) như (10). 
1
2
( )1
( ) ( ) ( 1) ( 2)
1 ( )
i
y zz
R y k x k x k y k
z x z
 (10) 
Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển dòng điện, ta có cấu trúc điều khiển các mạch vòng cho cả hệ 
thống như trên hình 4. Vòng điều khiển bên ngoài vẫn là vòng điều khiển điện áp tổng hợp theo 
thuật toán PI quen thuộc đã sử dụng trong [1], vòng điều khiển dòng điện Ri tổng hợp theo 
phương pháp dead-beat. Bộ PWM sẽ đóng vai trò phát xung điều khiển vào các van của từng cầu 
H (HB1,2,3). 
PI X PWM
Ud,av=(Udc1+Udc2+Udc3)/3
Ri
Udref
G_HB1
G_HB2
G_HB3
S1
S2
S3
Udc,2
S4
C
R
S1
S2
S3
Udc,1
S4
C
R
us
us/Usm iL
S1
S2
S3
Udc,3
S4
C
R
L
iL
Hình 4. Cấu trúc điều khiển hệ thống chỉnh lưu tích cực 
Bùi Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 
208 
Xây dựng sơ đồ mô phỏng 
Trên cơ sở thiết kế bộ điều khiển ở mục 2.1, ta xây dựng sơ đồ mô phỏng cho bộ điều khiển 
dòng điện như hình 5 và sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống như hình 6. 
Bảng 1. Thông số mô phỏng 
STT Thông số Giá trị 
1 Cuộn cảm L 4,5 mH 
2 Tụ điện, và điện trở trên mỗi phần DC Như hình 6 
3 Hệ số Kp của bộ điều khiển điện áp 0,002 
4 Hệ số Ki của bộ điều khiển điện áp 0,356 
5 Hệ số đo dòng 1/150 
6 Điện áp lưới phía xoay chiều 220V 
7 Giá trị đặt điện áp một chiều trên mỗi tụ 150V 
8 Tham số Kp mạch vòng dòng điện khi sử dụng PI 1.6965 
9 Tham số Ki mạch vòng dòng điện khi sử dụng PI 126.8201 
Hình 5. Cấu trúc mô phỏng của bộ điều khiển dòng điện kiểu deadbeat 
Hình 6. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống với bộ điều khiển dòng Dead-bead 
Bùi Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 
209 
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 
Sau khi chạy mô phỏng ta có kết quả mô 
phỏng dạng điện áp một chiều tổng trên các tụ 
cho như hình 7 cho thấy giá trị điện áp một 
chiều trên các tụ bám giá trị đặt trong thời 
gian rất ngắn cỡ 0.03s, nhanh hơn nhiều so 
với trường hợp sử dụng bộ điều khiển PI như 
ở hình 11. 
Hình 7. Kết quả mô phỏng dạng điện áp một chiều tổng trên các tụ và giá trị đặt theo thuật toán dead beat 
Hình 8. Dạng dòng điện bơm vào lưới của bộ chỉnh lưu tích cực 
Hình 9. Kết quả phân tích sóng hài dòng điện. 
Kết quả phân tích dạng dòng điện bơm vào 
lưới và phân tích dạng sóng hài dòng điện tại 
các thời điểm 0,1s và 0,2s như hình 8, hình 9 
cho thấy chất lượng sóng hài khá tốt, độ méo 
THD khoảng 5,9% là tốt hơn so với kết quả 
phân tích sóng hài nếu sử dụng thuật toán PI 
đã thể hiện ở hình 12. 
Kết quả mô phỏng trên hình 10 cho thấy dạng 
dòng bơm vào lưới và điện áp lưới đồng pha 
nhau. Điều này chứng tỏ hệ số công suất đạt 
tới 1. 
Bùi Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 
210 
Hình 10. Dạng dòng điện bơm vào lưới và dạng điện áp lưới trên cùng một trục tọa độ 
Hình 11. Kết quả mô phỏng dạng điện áp một chiều tổng trên các tụ và giá trị đặt theo thuật toán PI ở 
mạch vòng dòng điện 
Hình 12. Kết quả phân tích sóng hài dòng điện khi sử dụng thuật toán PI ở mạch vòng dòng điện 
KẾT LUẬN 
Thuật toán điều khiển dead beat được ứng 
dụng cho mạch vòng dòng điện cho chất 
lượng động học tốt hơn so với bộ điều khiển 
PI, giá trị tổng điện áp một chiều trên các tụ 
nhanh chóng hội tụ về giá trị đạt. Kết quả 
nghiên cứu này hoàn toàn có thể mở rộng cho 
các hệ thống phức tạp hơn chẳng hạn hệ 
thống có nhiều cầu H nối tầng hơn, hệ thống 
chỉnh lưu tích cực 3 pha. 
LỜI CẢM ƠN 
Nhóm tác giả cảm ơn sự hỗ trợ của Trường 
Đại học Công nghiệp Hà Nội và bộ môn Tự 
động hóa Công Nghiệp ĐH BKHN trong 
nghiên cứu. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Bùi Văn Huy,Trần Trọng Minh, Chiến lược cân 
bằng điện áp các khâu DC cho chỉnh lưu tích cực 
trên cơ sở nghịch lưu đa bậc nối tầng cầu chữ H, 
Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về Điều khiển và Tự 
động hoá - VCCA-2013 
2. Nguyễn Doãn Phước, “ Lý thuyết điều khiển 
tuyến tính”, Nxb ĐHBKHN 2016 
3. Nguyễn Phùng Quang, (2011), Điều khiển 
số(Digital Control Systems), Bài giảng dành cho 
học viên cao học ĐHBKHN. 
4. Mengchao Ma, Peng Li, Member, IEEE , Botao 
Li (2008), Study on Deadbeat Control Strategy for 
Bùi Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 185(09): 205 - 211 
211 
Gridconnected Distributed Generation System, 
DRPT2008 6-9 April 2008 Nanjing China 
5. Nguyễn Phùng Quang (2016), Điều chế vector 
truyền động điện xoay chiều 3 pha, Nxb ĐH Bách 
Khoa HN, trang 149-155. 
ABSTRACT 
DYNAMIC IMPROVEMENT OF CASCADED H-BRIDGE ACTIVE 
RECTIFIERS USING DEAD-BEAT TYPE CONTROLLER 
Bui Van Huy*, Pham Van Minh, Quach Duc Cuong 
Hanoi University of Industry 
Active rectifier systems (ARS) are widely used in power networks with renewable energy sources. 
The structure of the active rectifier system is based on a voltage inverter. In high-voltage high-
power systems, traditional voltage inverters are often replaced by multilevel inverters to improve 
system quality. The paper proposed a deadbeat current controller design for cascaded H-bridge 
(CHB) active rectifier with isolated DC sources to improve dynamic response of the ARS and to 
take advantage of implementation algorithms based on microprocessors or Digital Signal 
Processing (DSP) systems. Result, simulated by Matlab/Simulink, shows that this control structure 
satisfies established demands toward ARS and has fast dynamic response. 
Keywords: Active rectifier, Dead-Beat, Renewable energy sources, Multilevel inverter, Matlab-
Simulink 
Ngày nhận bài: 24/8/2018; Ngày phản biện: 29/8/2018; Ngày duyệt đăng: 31/8/2018 
*
 Tel: 0977 642225, Email: buivanhuy@haui.edu.vn