Bài viết trình bày phương pháp điều khiển điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu áp (VSI) ba pha bốn dây trong điều kiện tải phi tuyến và không cân bằng. Với phương pháp đề xuất, giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) được áp dụng để tối ưu hóa thông số bộ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) thay vì sử dụng bộ điều điều khiển PI thông thường.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thực phẩm 18 (2) (2019) 132-143 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT PSO ĐỂ TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng*, Trần Hồn Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm TP.HCM *Email: luongvt@hufi.edu.vn Ngày nhận bài: 17/4/2019; Ngày chấp nhận đăng: 05/6/2019 TĨM TẮT Bài báo trình bày phương pháp điều khiển điện áp ngõ nghịch lưu áp (VSI) ba pha bốn dây điều kiện tải phi tuyến không cân Với phương pháp đề xuất, giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) áp dụng để tối ưu hóa thơng số điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) thay sử dụng điều điều khiển PI thông thường Các kết mô dùng phần mềm PSIM trường hợp khác kiểm chứng để chứng minh phương pháp đề xuất cho kết vận hành tốt so với trường hợp dùng điều khiển PI thơng thường Từ khóa: Bộ nghịch lưu áp, tải phi tuyến, hệ thống điện độc lập, giải thuật tối ưu hóa bầy đàn PSO MỞ ĐẦU Những năm gần đây, nhu cầu sử dụng nguồn AC cung cấp cho ứng dụng độc lập tăng cách nhanh chóng Đó ứng dụng ngồi lưới điện như: hệ thống quang điện độc lập, trạm vệ tinh mặt đất, hệ thống phát sóng… [1, 2] Một hệ thống cung cấp điện AC độc lập bao gồm: máy phát, chuyển đổi AC/DC (bộ chỉnh lưu), tăng áp DC/DC, chuyển đổi DC/AC (bộ nghịch lưu), phụ tải Trong trường hợp này, phụ tải dễ rơi vào tình trạng khơng cân tải ba pha khơng cân Để trì điện áp ngõ cân bằng, nghịch lưu áp ba pha phải tạo ba điện áp đầu độc lập tương ứng với dịng điện pha Do đó, cần phải tạo điểm trung tính phía nguồn kết nối với điểm trung tính phía tải [3] Để tạo điểm trung tính cho nguồn có cách Trong đó, nghịch lưu áp ba pha kết nối với biến áp ngõ đấu Δ/Υ, điểm trung tính lấy từ điểm kết nối hình [3, 4] Tuy nhiên, kết nối với máy biến áp làm cho hệ thống thêm cồng kềnh thêm nhiều chi phí nên phương pháp khơng sử dụng hệ thống di động Do đó, nghịch lưu áp bốn dây mà khơng có máy biến áp cách ly sử dụng phổ biến như: nghịch lưu bốn nhánh nghịch lưu chia tụ DC Bộ nghịch lưu thông thường bao gồm khóa linh kiện cơng suất, để điều khiển điện áp trung tính dẫn dịng trung tính nhánh chứa linh kiện công suất thêm vào Lợi sử dụng điện áp DC-link cao, nhiên việc thêm hai transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT) vào làm tăng chi phí việc điều khiển linh kiện cơng suất phức tạp Bộ nghịch lưu ba pha chia tụ DC bao gồm mạch chỉnh lưu ba pha kết nối với hai tụ mắc nối tiếp phía DC-link Đây sơ đồ mạch đơn giản dễ thực hiện, không cần kết nối với biến áp ngõ hay sử dụng thêm linh kiện công suất trường hợp trình bày Vì vậy, 132 Ứng dụng giải thuật PSO để tối ưu hóa thơng số điều khiển hệ thống nghịch lưu áp ba pha bốn dây chia tụ DC ưu tiên sử dụng phương pháp cịn lại Có nhiều nghiên cứu với mục tiêu ổn định điện áp ngõ nghịch lưu ba pha chia tụ DC trường hợp tải không cân Dưới ảnh hưởng tải không cân làm cho dịng điện tải pha khơng cân sinh dòng điện thứ tự nghịch thứ tự khơng chạy nghịch lưu tải Do đó, chúng làm cho điện áp tải ba pha bị cân Mặc khác, tải phi tuyến sinh họa tần dòng điện làm cho điện áp ngõ bị méo dạng [5, 6] Đối với cấp điện áp kV, độ méo hài tổng (THD) quy định nhỏ 8% theo tiêu chuẩn hạn chế họa tần IEEE-519 [7] Việc sử dụng điều khiển PI cho dòng điện điện áp áp dụng để điều chỉnh điện áp đầu hệ thống cung cấp điện AC độc lập Tuy nhiên, đáp ứng độ hệ thống ổn định bị suy giảm trì hỗn sai số tạo trình phân tách thành thành phần thứ tự thuận nghịch [8] Bài báo trình bày phương pháp điều khiển điện áp ngõ nghịch lưu áp ba pha bốn dây (chia tụ DC) cung cấp điện cho hệ thống độc lập Các thành phần dòng điện điện áp chuyển đổi sang hệ quy chiếu xoay dq0 Giải thuật PSO áp dụng để xác định thông số tối ưu điều khiển PI trường hợp tải phi tuyến cân không cân Các kết mô dùng phần mềm PSIM trường hợp kiểm chứng MÔ HÌNH BỘ CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY Trong sơ đồ mạch nghịch lưu áp ba pha bốn dây chia tụ DC (Hình 1), điểm tụ DC-link điểm trung tính tải kết nối với thơng qua dây trung tính Các lọc LC kết nối ngõ nghịch lưu dùng để loại bỏ thành phần sóng mang dạng sóng điều chế độ rộng xung Cuộn cảm Ln có nhiệm vụ lọc thành phần tần số cao từ tụ điện dòng tải phi tuyến Điện áp ngõ lọc LC cung cấp cho tải Các dòng điện điện áp nghịch lưu áp ba pha bốn dây hệ quy chiếu xoay dq0 cho phương trình [3, 4]: 1 id vd vld iq (1) Lf Lf iq 1 vq vlq id Lf Lf (2) i0 1 v0 v L f 3Ln L f 3Ln l (3) vld 1 id ild vlq Cf Cf (4) vlq 1 iq ilq vld Cf Cf (5) vl 1 i0 il Cf Cf (6) Trong vd, vq v0 điện áp ngõ nghịch lưu; vld, vlq vl0 điện áp tải pha; id, iq i0 dòng điện ngõ nghịch lưu; ild, ilq il0 dịng điện tải; ω tần số góc nguồn 133 Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng, Trần Hoàn id iq i0 vld vlq C f vl 1 L f 0 0 0 0 0 0 Cf 0 Lf 0 0 0 Lf id i 0 q L f 3Ln i0 v ld 0 vlq vl 0 0 Cf vd ild vq C f L f 3Ln v0 ilq C f il Cf S1 Lf S3 c Lf Cdc ia ib ic Va Vb Vdc Vc Cdc S4 S6 ila ilb ilc S2 b a (7) S5 b a in Cf c s Ln Hình Sơ đồ nghịch lưu cấp điện cho tải độc lập ide Lf L f iqe C f vqe vde Cf vcde ilde a) Mạch tương đương theo phương d iqe Lf L f ide C f vde vqe Cf vcqe ilqe b) Mạch tương đương theo phương q i0e L f 3Ln Cf v0e vce0 ile0 c) Mạch tương đương theo phương Hình Mạch tương đương nghịch lưu ba pha bốn dây 134 Ứng dụng giải thuật PSO để tối ưu hóa thơng số điều khiển hệ thống Mạch tương đương nghịch lưu ba pha bốn dây với lọc LC ngõ hệ tọa độ dq0 thể Hình ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CẤP ĐIỆN CHO TẢI ĐỘC LẬP DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI * l v Bộ điều khiển điện áp + k pv - kiv s + i ff + i Bộ điều khiển dòng điện + + k kp i s * *+ - i*fb v ff v v fb * il - Lf s vl Cf s + Hình Bộ điều khiển PI cho hệ thống Kỹ thuật điều khiển PI sử dụng báo bao gồm vòng lặp điều khiển điện áp ngồi vịng lặp điều khiển dịng điện bên thể Hình Hàm truyền hệ thống cho phương trình [3]: s kiv k p s kiv ki vl vl* L f C f s k p C f s kiv k p s kiv ki (8) Trong đó: ki C f k pv (k p ki ) k pv (k p ki ) Cdc1 + Lf a Vdc - ilb ib b Cdc ila ia s ilc ic c vlabc Cf in Ln v*a v*b v*c 3D SVPWM abc dq0 id abc v*d dq0 abc dq0 Bộ điều khiển dòng * v0 điện v*q iq i0 i*d + - abc dq0 + - i*q + Bộ điều khiển điện áp i* vld - abc dq0 vlq + vl0 - + - v*ld v*lq + v*l Hình Sơ đồ khối điều khiển toàn hệ thống Sơ đồ điều khiển toàn hệ thống trình bày Hình Các tín hiệu điện áp dòng điện lấy từ cảm biến sau chuyển từ hệ tọa độ abc sang dq0 để điều * khiển Điện áp tải vldq so sánh với tín hiệu điện áp ngõ mong muốn vldq sau * điều khiển điều khiển điện áp để tạo dòng điện idq Dòng điện ngõ 135 Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng, Trần Hoàn điều khiển điện áp tiếp tục so sánh với dòng điện ngõ chỉnh lưu idq qua * điều khiển dòng điện để tạo điện áp tham chiếu vdq Các giá trị điện áp tham chiếu sau chuyển đổi hệ tọa độ abc thông qua kỹ thuật điều chế độ rộng xung vector không gian 3D (3D-SVPWM) để điều khiển đóng ngắt IGBT [9] TỐI ƯU THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI DỰA VÀO GIẢI THUẬT PSO Tối ưu hóa theo nhóm bầy đàn kỹ thuật tối ưu hóa ngẫu nhiên dựa quần thể phát triển Kennedy J Eberhart R vào năm 1995, theo hành vi bầy chim hay đàn cá [10] Một số cơng trình nghiên cứu trình bày hiệu ứng dụng PSO việc điều khiển cải thiện vận hành công suất phản kháng, điều khiển điện áp điều khiển động [11-13] Quy trình tối ưu thơng số PI giải thuật tối ưu hóa bầy đàn thực Hình Phương pháp điều khiển sử dụng điều khiển PI cho dịng điện điện áp Mục đích áp dụng giải thuật PSO để tìm thơng số tối ưu cho điều khiển PI nhằm giảm sai số điện áp ngõ giá trị tham chiếu Như vậy, hàm thích nghi cho hệ thống sai số điện áp ngõ điện áp tham chiếu cho bởi: IAE e t dt (9) Giải thuật PSO Bước Khởi tạo cá thể có vị trí vận tốc ngẫu nhiên Bước Tính tốn hàm thích nghi Bước So sánh giá trị thích nghi với giá trị tốt trước (cập nhật gbest) Bước So sánh giá trị vừa tìm với giá trị pbest (cập nhật pbest) Bước Cập nhật tốc độ vị trí cá thể theo phương trình: vid vid c1 rand () ( pid vid ) c2 rand () ( pgd xid ) xid xid vid Bước Trở bước đạt giá trị tối ưu xid Hình Giải thuật PSO cho điều khiển PI tối ưu Trong mô phỏng, giá trị ban đầu chọn là: c1 = 2,0; c2 = 2,1; wmax = 1,2; wmin = 0,1; vòng lặp 2000 136 Ứng dụng giải thuật PSO để tối ưu hóa thơng số điều khiển hệ thống PI thông thường PI tối ưu PI tối ưu PI thơng thường Tần số góc (rad/s) Hình Biểu đồ Bode hệ thống ứng với điều khiển Hình thể biểu đồ Bode hàm truyền từ phương trình (8) ứng với điều khiển PI thông thường điều khiển PI tối ưu dùng PSO KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Hệ thống mô phần mềm PSIM, ngõ kết nối với tải trường hợp: phi tuyến cân phi tuyến không cân Thông số hệ thống cho Bảng Bảng Thông số hệ thống Thông số Giá trị Biên độ điện áp ngõ nghịch lưu 220 V Tần số 50 Hz Tải phi tuyến cân L = mH, C = 4,7 mF, Rdca = Rdcb = Rdcc = 50 Ω Tải phi tuyến không cân L = mH, C = 4,7 mF, Rdca = k Ω Rdcb = Rdcc = 50 Ω Điện áp DC (Vdc) 500 V Tụ DC (Cdc1 = Cdc2 = 2Cdc) 3,3 mF Cuộn cảm ngõ (Lf) mH Tụ điện ngõ (Cf) 100 µF Cuộn cảm trung tính (Ln) 0,5 mH Tần số chuyển mạch (fs) 10 kHz 5.1 Kết mô tải phi tuyến cân Trường hợp 1: Sử dụng điều khiển PI thông thường 137 Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng, Trần Hoàn Vla Vlb Vlc (V) (a) Ila Ilb Ilc (A) (b) In (A) (c) Vdc1 Vdc2 (V) (d) Thời gian (s) Hình Kết mô trường hợp tải phi tuyến cân sử dụng điều khiển PI thông thường (a) Điện áp tải (b) Dòng điện tải (c) Dịng điện trung tính (d) Điện áp DC C1 C2 Trường hợp 2: Sử dụng điều khiển PI tối ưu Vla Vlb Vlc (V) (a) Ila Ilb Ilc (A) (b) In (A) (c) Vdc1 Vdc2 (V) (d) Thời gian (s) Hình Kết mơ trường hợp tải phi tuyến cân sử dụng điều khiển PI tối ưu (a) Điện áp tải (b) Dịng điện tải (c) Dịng điện trung tính (d) Điện áp DC C1 C2 138 Ứng dụng giải thuật PSO để tối ưu hóa thơng số điều khiển hệ thống Ở trường hợp thể Hình 8, tải phi tuyến nên dòng điện tải bị méo dạng, điện áp tải giữ dạng hình sin Tuy nhiên, trường hợp dạng sóng điện áp ngõ chưa hồn tồn hình sin (Hình 7(a)), nhờ sử dụng giải thuật PSO để tối ưu thông số điều khiển PI, dạng sóng điện áp điều khiển tốt hơn, gần hồn tồn hình sin Thơng qua Bảng thấy méo hài tổng (THD) sử dụng điều khiển thông thường cao dùng điều khiển tối ưu Bảng Độ méo hài tổng điện áp tải trường hợp THD-pha A THD-pha B THD-pha C Trường hợp 4,35% 4,23% 4,39% Trường hợp 1,19% 1,18% 1,18% 5.2 Kết mô tải phi tuyến không cân Trường hợp 3: Sử dụng điều khiển PI thông thường Vla Vlb Vlc (V) (a) Ila Ilb Ilc (A) (b) In (A) (c) Vdc1 Vdc2 (V) (d) Thời gian (s) Hình Kết mơ trường hợp tải phi tuyến không cân sử dụng điều khiển PI thông thường (a) Điện áp tải (b) Dòng điện tải (c) Dòng điện trung tính (d) Điện áp DC C1 C2 139 Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng, Trần Hoàn Trường hợp 4: Sử dụng điều khiển PI tối ưu Vla Vlb Vlc (V) (a) Ila Ilb Ilc (A) (b) In (A) (c) Vdc1 Vdc2 (V) (d) Thời gian (s) Hình 10 Kết mơ trường hợp tải phi tuyến không cân sử dụng điều khiển PI tối ưu (a) Điện áp tải (b) Dịng điện tải (c) Dịng điện trung tính (d) Điện áp DC C1 C2 Trong trường hợp 4, tải khơng cân nên dịng điện tải pha có giá trị khác Điều làm ảnh hưởng nhiều đến điện áp tải Cụ thể, độ méo hài tổng trường hợp thể Bảng cho thấy điện áp tải bị méo dạng nhiều so với trường hợp (ở pha C) Tuy nhiên, sử dụng điều khiển tối ưu, điện áp tải có độ méo hài tổng mức thấp Điều chứng tỏ điện áp ngõ trường hợp điều khiển tốt Bảng Độ méo hài tổng điện áp tải trường hợp THD-pha A THD-pha B THD-pha C Trường hợp 1,54% 3,96% 5% Trường hợp 1,19% 1,19% 1,17% 5.3 Trường hợp tải thay đổi Trường hợp 5: Sử dụng điều khiển PI thông thường 140 Ứng dụng giải thuật PSO để tối ưu hóa thơng số điều khiển hệ thống Vla Vlb Vlc (V) (a) Ila Ilb Ilc (A) (b) In (A) (c) Vdc1 Vdc2 (V) (d) Thời gian (s) Hình 11 Kết mơ trường hợp tải phi tuyến thay đổi sử dụng điều khiển PI thông thường (a) Điện áp tải (b) Dòng điện tải (c) Dòng điện trung tính (d) Điện áp DC C1 C2 Trường hợp 6: Sử dụng điều khiển PI tối ưu Vla Vlb Vlc (V) (a) Ila Ilb Ilc (A) (b) In (A) (c) Vdc1 Vdc2 (V) (d) Thời gian (s) Hình 12 Kết mơ trường hợp tải phi tuyến thay đổi sử dụng điều khiển PI tối ưu (a) Điện áp tải (b) Dòng điện tải (c) Dịng điện trung tính (d) Điện áp DC C1 C2 141 Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng, Trần Hoàn Trong trường hợp này, giá trị điện trở chỉnh lưu tải thay đổi từ kΩ đến 50 Ω thời điểm 0,51 s Hình 11 thể kết trường hợp 5, qua thấy từ 0,5 s đến 0,51 s tải lớn dẫn đến dòng điện nhỏ nên điện áp tải khoảng thời gian khơng bị ảnh hưởng nhiều giữ dạng sin Tuy nhiên, tải thay đổi đến giá trị thấp làm cho dòng điện tải tăng, kể từ thời điểm 0,51 s điện áp tải xuất méo dạng Trong trường hợp 6, có thay đổi dịng điện tải điện áp tải điều khiển tốt giữ dạng sin Bảng thể độ méo hài tổng điện áp pha trường hợp chứng tỏ trường hợp điện áp tải điều khiển tốt so trường hợp Bảng Độ méo hài tổng điện áp tải trường hợp THD-pha A THD-pha B THD-pha C Trường hợp 4,09% 4,11% 4,11% Trường hợp 1,19% 1,19% 1,18% KẾT LUẬN Bài báo giới thiệu nghịch lưu ba pha bốn dây trình bày phương pháp điều khiển để giữ cho điện áp tải không bị ảnh hưởng sóng hài bậc cao từ tải phi tuyến cân khơng cân Bên cạnh đó, việc tối ưu hóa thơng số điều khiển PI qua giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) áp dụng Các kết mơ thấy việc sử dụng điều khiển tối ưu cho kết tốt với điều khiển thông thường TÀI LIỆU THAM KHẢO Jeung Y C., Lee D C - AC power supply system using vehicle engine-generator set with Battery, Proc of IPEMC (ECCE-Asia) (2012) 1724-1728 El-Barbari S., Hofmann W - Digital control of a four leg inverter for standalone photovoltaic systems with unbalanced load, in Proc of IEEE IECON (2000) 729-734 Tan Luong Van, L M T Huynh, T T Trang, D C Nguyen - Improved control strategy of three-phase four-wire inverters using sliding mode input-ouput feedback linearization under unbalanced and nonlinear load conditions, Lecture Notes in Electrical Engineering 371 (2015) 261-272 Marwali M N., Dai M and Keyhani A - Robust stability analysis of voltage and current control for distributed generation systems, IEEE Trans On Energy Convers 21 (2) (2006) 516-526 Jang J I., Lee D C - High Performance Control of Three-Phase PWM Converters under Nonideal Source Voltage, IEEE International Conference on Industrial Technology (2006) Thanh Hai Nguyen, Lee D C - Control strategy for three-phase grid connected converters under unbalanced and distorted grid voltages using composite observers, Journal of Power Electronics 13 (3) (2013) 469-478 519-2014 – IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in electric power systems, IEEE Standard 519-1992 (2014) Mohd A., Ortjohann E., Hamsic N., Sinsukthavorn W., Lingemann M., Schmelter A., Morton D - Control strategy and space vector modulation for three-leg four-wire 142 Ứng dụng giải thuật PSO để tối ưu hóa thơng số điều khiển hệ thống voltage source inverters under unbalanced load conditions, IET Power Electronics (3) (2010) 323-333 Villalva M G., E Ruppert E F -3-D space vector PWM for three-leg four-wire voltage source inverters, Power Electronics Specialists Conference (2004) 10 Kennedy J and Eberhart R - Particle swarm optimization, in Proceedings of ICNN’95 International Conference on Neural Networks (1995) 1942-1948 11 Liu C.H., Hsu Y.Y - Design of a Self-Tuning PI Controller for a STATCOM Usin g Particle Swarm Optimization, IEEE Transactionss on Industrial Electronics 57 (2) (2010) 702-715 12 Gaing Z.-L - A particle swarm optimization approach for optimum design of PID controller in AVR system”, IEEE Transactions on Energy Conversion 19 (2) (2004) 384-391 13 Mahmud Iwan Solihin, Lee Fook Tack and Moey Leap Kean - Tuning of PID controller using particle swarm optimization (PSO), Proceeding of the International Conference on Advanced Science, Engineering and Information Technology (2011) 458-461 ABSTRACT APPLICATION OF PSO ALGORITHMS TO OPTIMIZE CONTROLLER PARAMETERS FOR STANDALONE INVERTER SYSTEMS Nguyen Ngoc Minh Doan, Van Tan Luong*, Tran Hoan Ho Chi Minh City University of Food Industry *Email: luongvt@hufi.edu.vn This paper presents a method of controlling the output voltages of voltage source inverter (VSI) under the unbalanced and nonlinear load conditions With proposed method, the particle swarm optimization (PSO) algorithm is used to optimize the proportional-integral (PI) controller parameters, instead of using the conventional PI controller The simulation results using the PSIM software in the unbalanced and nonlinear load conditions are verified to prove that the proposed controller gives better performance, compared with conventional PI one Keywords: Voltage source inverter, nonlinear load, stand-alone power system, particle swarm optimization (PSO) 143 ... nghịch lưu ba pha bốn dây 134 Ứng dụng giải thuật PSO để tối ưu hóa thơng số điều khiển hệ thống Mạch tương đương nghịch lưu ba pha bốn dây với lọc LC ngõ hệ tọa độ dq0 thể Hình ĐIỀU KHIỂN HỆ.. .Ứng dụng giải thuật PSO để tối ưu hóa thông số điều khiển hệ thống nghịch lưu áp ba pha bốn dây chia tụ DC ưu tiên sử dụng phương pháp lại Có nhiều nghiên... kỹ thuật điều chế độ rộng xung vector không gian 3D (3D-SVPWM) để điều khiển đóng ngắt IGBT [9] TỐI ƯU THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI DỰA VÀO GIẢI THUẬT PSO Tối ưu hóa theo nhóm bầy đàn kỹ thuật tối