(Luận văn thạc sĩ) xác định thông số của bộ lọc hài thị động bằng giải thuật PSO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG NGỌC LÂM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CỦA BỘ LỌC HÀI THỤ ĐỘNG BẰNG GIẢI THUẬT PSO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 6 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG NGỌC LÂM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CỦA BỘ LỌC HÀI THỤ ĐỘNG BẰNG GIẢI THUẬT PSO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS TRƢƠNG VIỆT ANH TP Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2019 i ii iii iv v vi LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 (Ký tên ghi rõ họ tên) Đặng Ngọc Lâm vii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Trƣơng Việt Anh, ngƣời tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Điện- Điện Tử trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, cán phòng Đào Tạo giúp đỡ nhiều suốt q trình học tập q trình hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, động viên tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn Cuối xin chân thành cảm ơn cha mẹ ngƣời thân bên động viên tơi nhiều để tơi hồn thành khóa học Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 (Ký tên ghi rõ họ tên) Đặng Ngọc Lâm viii Hình 4.5 Mơ hình tải phi tuyến 4.2 Kết mơ trƣờng hợp khơng có PPF hệ thống điện Nhằm đánh giá hiệu giải pháp gắn lọc PPF, trƣờng hợp lọc đƣợc thực ghi nhận kết Dựa kết thu đƣợc ta xác định đƣợc nên có gắn lọc hay không Khi thực mô cấp nguồn cho tải phi tuyến nhƣ giới thiệu phần Các kết đƣợc ghi nhận nhƣ bên dƣới Hình 4.6 thể dạng sóng điện áp đầu phụ tải phi tuyến Qua dạng sóng thấy điện áp tải bị méo dạng lớn dƣới tác động dịng sóng hài bơm lên từ phụ tải Hình 4.6 Dạng sóng điện áp tải 57 Phân tích dạng sóng điện áp Hình 4.6, phổ tần số tín hiệu pha a đƣợc thể nhƣ Hình 4.7 Qua Hình 4.7 nhận thấy tần số cao nhất, sóng hài bậc 5, có biên độ lên đến gần 2000V Điều cho thấy độ nhiễu tín hiệu điện áp cao cần thiết phải gắn lọc để giảm thiểu nhiễu sóng hài Hình 4.7 Phân tích phổ tần số điện áp tải 58 Hình 4.8 Dạng sóng dịng điện tải Hình 4.8 thể dạng sóng dịng điện đầu phụ tải phi tuyến Qua dạng sóng thấy điện áp tải bị méo dạng lớn dƣới tác động dịng sóng hài bơm lên từ phụ tải Qua dạng sóng ta nhận thấy dịng điện qua nguồn khơng cịn có dạng hình sin mà méo dạng lớn Phân tích dạng sóng dịng điện Hình 4.8, phổ tần số tín hiệu pha a đƣợc thể nhƣ Hình 4.9 Qua Hình 4.9 nhận thấy tần số cao nhất, sóng hài bậc 5, có biên độ lên đến gần 100V Điều cho thấy độ nhiễu tín hiệu dòng điện cao cần thiết phải gắn lọc để giảm thiểu nhiễu sóng hài Hình 4.9 Phân tích phổ tần số dịng điện tải Dựa kết thu đƣợc, chi phí vận hành thơng số liên quan đƣợc thể thể cụ thể Bảng 4.1 Qua kết thể nhận thấy với thành phần dịng sóng hài lên đến 62.6% chi phí phạt sóng hài lớn Điều làm tiêu tốn khoảng ngân sách không nhỏ cho giải rắc rối công ty điện lực liên 59 quan đến chất lƣợng điện lƣới Nhƣ cần phải tiến hành lọc sóng hài cho hệ thống phụ tải phi tuyến Bảng 4.1 Kết tính tốn thơng số chi phí vận hành THD lƣới (%) 62.66 THD tải (%) 62.67 Chi phí cho THD ($/h) -369644.22 Chi phí tổn thất công suất tác dụng lọc ($/h) 1.41 Chi phí phạt hệ số cơng suất ($/h) Chi phí mua sắm lọc ($/h) Tổng lợi ích ($/h) 4.3 -369645.63 Thiết lập thông số mô cho chƣơng trình PSO Nhằm tìm tổ hợp tối ƣu thơng số lọc PPF, thuật toán PSO đƣợc sử dụng để tìm cá thể tối ƣu nhằm giảm sóng hài lƣới tiết kiệm Thơng số chƣơng trình PSO đƣợc xác định thực thi thuật toán đƣợc liệt kê nhƣ bảng Bảng 4.2 nhƣ bên dƣới Bảng 4.2 Thông số thực thi chƣơng PSO Thơng số Trọng số qn tính ω Hệ số gia tốc địa phƣơng C1 Hệ số gia tốc toàn cục C2 Số lần lặp tối đa Số lƣợng cá thể quần thể Tỉ số lai gh p/đột biến 60 PSO 0.2 0.7 1.5 50 10 - Hình 4.10 Giá trị hàm fitness nhỏ qua vịng lặp giải thuật Bảng 4.3 Thơng số lọc thu đƣợc sau thực thi giải thuật PSO Harmonic R (Ohm) 1.29 2.03 11 2.44 13 2.66 L (mH) 0.3151 0.1017 0.0343 0.0225 C (uF) 5.5487 1.5218 1.7736 1.415 Qua kết Hình 4.10, nhận thấy việc giảm sóng hài lƣới giúp cho lợi ích từ việc mắc lọc dƣơng Điều có nghĩa việc lắp lọc đem lại lợi nhuận mặt kinh tế cho ngƣời dùng Điều chứng tỏ thuật tốn xác định thơng số linh kiện RLC lọc PPF có hiệu lọc sóng hài tiết kiệm chi phí cho ngƣời mua lọc Kết xác định đƣợc giá trị lọc PPF đƣợc đƣa nhƣ Bảng 4.3 bên 4.4 Kết mơ có tham gia PPF sau chạy PSO Hình 4.11 thể dạng sóng điện áp đầu phụ tải phi tuyến Qua dạng sóng thấy điện áp tải bị méo dạng không đáng kể dƣới tác động dịng sóng hài bơm lên từ phụ tải 61 Hình 4.11 Dạng sóng điện áp tải Hình 4.12 Phân tích phổ tần số điện áp tải Phân tích dạng sóng điện áp Hình 4.11, phổ tần số tín hiệu pha a đƣợc thể nhƣ Hình 4.12 Qua Hình 4.12 nhận thấy tần số cao nhất, sóng hài bậc cao có biên độ b , không đáng kể Điều 62 cho thấy độ nhiễu tín hiệu điện áp thấp lọc phát huy tác dụng loại bỏ thành phần sóng hài sinh phụ tải phi tuyến Hình 4.13 thể dạng sóng dịng điện đầu lƣới điện Qua dạng sóng thấy dịng điện tải bị méo dạng không đáng kể dƣới tác động dịng sóng hài bơm lên từ phụ tải Sau trải qua q trình q độ, dạng sóng dịng điện có dạng hình sine Để đánh giá xác khả lọc sóng hài lọc PPF, dòng điện pha dòng điện nguồn lƣới đƣợc đem phân tích FFT nhằm xác định xác giá trị thành phần sóng hài bậc cao nhƣ thể Hình 4.14 Qua kết thu đƣợc thấy việc gắn lọc PPF đem lại kết tốt nguồn cung cấp dòng điện với dòng điện mà phụ tải phi tuyến cần Các thành phần dịng sóng hài dịng điện cấp cho nguồn gần Điều nói lên lọc vận hành tốt nhằm triệt sóng hài cho dƣới điện Hình 4.13 Dạng sóng dịng điện tải 63 Hình 4.14 Phân tích phổ tần số dịng điện tải Bảng 4.4 Kết tính tốn thơng số chi phí vận hành THD lưới (%) THD tải (%) Chi phí cho THD ($/h) Chi phí tổn thất cơng suất tác dụng lọc ($/h) Chi phí phạt hệ số cơng suất ($/h) Chi phí mua sắm lọc ($/h) Tổng lợi ích 4.65 62.67 18217.84 261.94 3.48 17952.42 Chi phí mua sắm thiết bị chi phí liên quan đƣợc liệt kê nhƣ Bảng 4.4 Kết thu đƣợc cho thấy việc lắp lọc PPF đem lại hiệu cho ngƣời sử dụng c ng nhƣ cho công ty điện lực Đối với khách hàng, việc giảm đƣợc chi phí phạt sóng hài đem lại lợi nhuận kinh tế nộp phạt Ngồi ra, việc sóng hài thấp c ng giúp giảm chi phí tổn thấp cơng suất đƣờng truyền Đối với cơng ty điện lực, việc giảm sóng hài từ đầu phụ tải giúp cho chất lƣợng điện đƣợc nâng lên sóng hài khơng cịn bơm lên lƣới 64 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Qua công việc thực đƣợc trình làm luận văn nhƣ đề cập phần trên, số kết luận đƣợc rút nhƣ sau: Luận văn tìm hiểu nghiên cứu chi tiết lọc sóng hài đƣợc đề xuất Qua tài liệu thu thập đƣợc, luận văn hệ thống lại cách phân loại lọc sóng hài từ thụ động đến tích cực, cách thức vận hành loại lọc khác Luận văn tìm hiểu thành cơng giải thuật tối ƣu hóa bầy đàn PSO cách thức vận hành phƣơng pháp tối ƣu Dựa vào phƣơng pháp tổng quan đƣợc nêu phƣơng pháp, luận văn hiệu chỉnh giải thuật sau cho dùng thuật toán PSO để giải toán tối ƣu thông số lọc thụ động Giải thuật sau thực thi cho kết khả quang giảm lƣợng dịng sóng hài từ 62% xuống dƣới 5% Luận văn thực thành cơng mơ hình hóa mô hệ thống điện cung cấp cho phụ tải phi tuyến Mơ hình có độ xác cao tận dụng hầu hết khối chức có sẵn phần mềm Matlab nhằm mô trạng thái lƣới điện xuất sóng hài tải phi tuyến Với mơ hình đƣợc xây dựng đƣợc sử dụng nghiên cứu lĩnh vực sóng hài hệ thống điện cho sinh viên đại học hay ngƣời tham gia nghiên cứu lĩnh vực Qua nghiên cứu này, chứng minh đƣợc lọc PPF đóng vai trị quang trọng nâng cao chất điện lƣới Việc sử dụng đại trà APF khơng có lợi mặt chi phí giúp cho lọc thụ động PPF đƣợc tin dùng ngày Việc xác định hợp lý giá trị lịnh kiện lọc đem lại hiệu cao lợi nhuận lớn trƣờng hợp sử dụng lọc tích cực APF 5.2 Kiến nghị hƣớng phát triển Trong q trình thực luận văn, ngồi việc làm đƣợc cịn có số vấn đề cần đƣợc phát triển thêm thời gian tới Cụ thể nhƣ sau: 65 Tiếp tục nghiên cứu giải thuật tối ƣu đề xuất gần nhằm nâng cao khả tiết kiệm chi phí đảm bảo yêu cầu chất lƣợng điện Liên kết với điện lực địa phƣơng triển khai dự án lắp đặt lọc nhằm đánh giá tính khả thi phƣơng pháp đƣợc đề xuất môi trƣờng thực tế với nhiều yếu tố ngẫu nhiên chƣa biết 66 TÀI LIỆU TRÍCH DẪN [1] Yaow-Ming Chen, “Passive filter design using genetic algorithms,” IEEE Trans Ind Electron., vol 50, no 1, pp 202–207, Feb 2003 [2] D R Kumar, K Anuradha, P Saraswathi, R Gokaraju, and M Ramamoorty, “New low cost passive filter configuration for mitigating bus voltage distortions in distribution systems,” in 2015 IEEE International Conference on Building Efficiency and Sustainable Technologies, 2015, vol 2016–Decem, no 1, pp 79– 84 [3] T.-F Wu, H.-C Hsieh, C.-W Hsu, and Y.-R Chang, “Three-Phase Three-Wire Active Power Filter With D Digital Control to Accommodate Filter-Inductance Variation,” IEEE J Emerg Sel Top Power Electron., vol 4, no 1, pp 44–53, Mar 2016 [4] R R Pereira, C H da Silva, L E B da Silva, G Lambert-Torres, and J O P Pinto, “New Strategies for Application of Adaptive Filters in Active Power Filters,” IEEE Trans Ind Appl., vol 47, no 3, pp 1136–1141, May 2011 [5] Y Deng, X Tong, and H Jia, “A Bidirectional Control Principle of Active Tuned Hybrid Power Filter Based on the Active Reactor Using Active Techniques,” IEEE Trans Ind Informatics, vol 11, no 1, pp 141–154, Feb 2015 [6] A F Zobaa, “Optimal multiobjective design of hybrid active power filters considering a distorted environment,” IEEE Trans Ind Electron., vol 61, no 1, pp 107–114, Jan 2014 [7] H Akagi, “New trends in active filters for power conditioning,” Ind Appl IEEE Trans., vol 32, no 6, pp 1312–1322, 1996 [8] R C Dugan, M F McGranaghan, S Santoso, and H W Beaty, Electrical Power Systems Quality 2004 67 [9] B Singh, K Al-Haddad, A Chandra, and C A Singh B, Al-Haddad K, “A Review of Active Filters for Power Quality Improvement,” IEEE Trans Ind Electron., vol 46, no 5, pp 960–971, 1999 [10] D A Gonzalez and J C Mccall, “Design of filters to reduce harmonic distortion in industrial power systems,” IEEE Trans Ind Appl., vol IA-23, no 3, pp 504– 511, 1987 [11] A Ludbrook, “Harmonic Filters for Notch Reduction,” IEEE Trans Ind Appl., vol 24, no 5, pp 947–954, 1988 [12] J C Das, “Passive Filters - Potentialities and Limitations,” IEEE Trans Ind Appl., vol 40, no 1, pp 232–241, 2004 [13] J K Phipps, “A transfer function apiproach to harmonic filter design,” Power [14] L S Czarnecki, “An overview of methods of harmonic suppression in distribution systems,” 2000 Power Eng Soc Summer Meet (Cat No.00CH37134), vol 2, no c, pp 800–805, 2000 [15] M P El-Habrouk M, Darwish M K, “Active Power Filters: A Review,” Proc IEE Electr Power Appl., vol 147, no 5, pp 403–413, 2000 [16] S S Khositkasame S and S Khositkasame ; S Sangwongwanich, “Design of harmonic current detector and stability analysis of a\nhybrid parallel active filter,” Proc Power Convers Conf., vol 3, pp 181–186, 1997 [17] W H Y Jou H L, “New Single-Phase Active Power Filter,” Proc IEE Electr Power Appl., vol 141, no 3, pp 129–134, 1994 [18] C Y Hsu and H Y Wu, “A new single-phase active power filter with reduced energy-storage capacity,” IEE Proc - Electr Power Appl., vol 143, no 1, pp 25–30, 1996 [19] S.-G Jeong and M.-H Woo, “DSP-based active power filter with predictive current control,” IEEE Trans Ind Electron., vol 44, no 3, pp 329–336, 1997 [20] S Buso, L Malesani, P Mattavelli, and R Veronese, “Design and fully digital 68 control of parallel active filters for thyristor rectifiers to comply with IEC-10003-2 standards,” IEEE Trans Ind Appl., vol 34, no 3, pp 508–517, 1998 [21] P Jintakosonwit, H Fujita, and H Akagi, “Control and performance of a fullydigital-controlled shunt active filter for installation on a power distribution system,” IEEE Trans Power Electron., vol 17, no 1, pp 132–140, 2002 [22] S Kim and P N Enjeti, “A new hybrid active power filter APF topology,” IEEE Trans Power Electron., vol 17, no 1, pp 48–54, 2002 [23] P Rathika and D Devaraj, “Fuzzy Logic – Based Approach for Adaptive Hysteresis Band and Dc Voltage Control in Shunt Active Filter,” vol 2, no 3, 2010 [24] C J Msigwa, B J Kundy, and B M M Mwinyiwiwa, “Control Algorithm for Shunt Active Power Filter using Synchronous Reference Frame Theory,” vol 3, no 10, pp 472–478, 2009 [25] F Method, A Luo, Z Shuai, W Zhu, R Fan, and C Tu, “Development of Hybrid Active Power Filter Based on the Adaptive Fuzzy Dividing,” vol 24, no 1, pp 424–432, 2009 [26] S R and H K A Hamadi, K Al-Haddad, “Comparison of Fuzzy logic and Proportional Integral ControlIer of Voltage Source ActiveFilter Compensating Current Harmonics and Power Factor,” IEEE Int Conf Ind Technol., pp 645– 650, 2001 [27] F K Soumia Kerrouche, “Three-phase Active Power Filter Based on Fuzzy logic controller,” Int J Sci Tech Autom Control Comput Eng IJ-STA, vol 3, no 1, pp 942–955, 2009 [28] C N Bhende, S Mishra, and S K Jain, “TS-fuzzy-controlled active power filter for load compensation,” IEEE Trans Power Deliv., vol 21, no 3, pp 1459– 1465, 2006 [29] E D, “Parallel Taboo Search Techniques for the Job Shop Scheduling Problem,” 69 ORSA Journal on Computing, vol 6, no pp 10, 1992 [30] M Dorigo, M Birattari, and T Stützle, “Ant Colony Optimization.” [31] J Contreras and F F Wu, “A kernel-oriented algorithm for transmission expansion planning,” IEEE Trans Power Syst., vol 15, no 4, pp 1434–1440, 2000 [32] R Storn and K Price, “Differential Evolution - A Simple and Efficient Heuristic for Global Optimization over Continuous Spaces,” J Glob Optim., vol 11, no 4, pp 341–359, 1997 [33] J Kennedy1 and R C Eberhart2, “A DISCRETE BINARY VERSION OF THE PARTICLE SWARM ALGORITHM.” [34] C Darwin b, “The Origin of Species by means of Natural Selection or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life,” On the Origin of Species pp 83–85, 1859 [35] S S Rachid Dehini, “Power Quality and Cost Improvement by Passive Power Filters Synthesis Using Ant Colony Algorithm,” J Theor Appl Inf Technol., vol 23, no 2, pp 70–79, 2011 [36] J C DAS, POWER SYSTEM HARMONICS AND PASSIVE FILTER DESIGNS John Wiley & Son, 2015 70 S K L 0 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG NGỌC LÂM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CỦA BỘ LỌC HÀI THỤ ĐỘNG BẰNG GIẢI THUẬT PSO NGÀNH: KỸ THUẬT... lọc nhiễu hệ thống điện bao gồm: chất sóng hài, nguồn sinh sóng hài, tác động sóng hài tình hình nghiên cứu lọc sóng hài ngồi nƣớc  Chƣơng 3: Thuật toán PSO ứng dụng việc xác định thơng số lọc. .. giá trị lọc đƣợc xác định theo thuật toán tối ƣu khác ứng dụng cụ thể Yaow-Ming Chen nghiên cứu [1] đề xuất phƣơng pháp xác định thông số lọc LC cho tải phi tuyến mạch chỉnh lƣu dựa giải thuật