Bài viết này đề xuất một kỹ thuật điều chế với chu kỳ chuyển mạch thay đổi để giảm sóng hài cho nghịch lưu mà không làm tăng tổn hao chuyển mạch dùng giải thuật di truyền. Tính hiệu quả của kỹ thuật đề nghị được khẳng định bằng việc so sánh kết quả với các phương pháp tần số chuyển mạch thay đổi hiện nay
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016) 16 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh SỬ DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CHO NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI USING A GENETIC ALGORITHM TECHNIQUE TO REDUCE HARMONICS IN GRID-CONNECTED INVERTERS Trần Quang Thọ1, Trương Việt Anh1, Lê Minh Phương2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Ngày tịa soạn nhận 29/01/2016, ngày phản biện đánh giá 28/02/2016, ngày chấp nhận đăng 10/03/2016 TÓM TẮT Sự phổ biến nguồn điện phân tán (DG) sử dụng lượng tái tạo gió, mặt trời hệ thống điện ngày tăng Để hạn chế sóng hài DG này, tiêu chuẩn nối lưới ban hành ngày nghiêm ngặt nhằm ổn định hệ thống điện Việc tăng tần số chuyển mạch nghịch lưu nối lưới DG để giảm sóng hài phương pháp phổ biến làm tăng tổn hao chuyển mạch (THCM) Bài báo đề xuất kỹ thuật điều chế với chu kỳ chuyển mạch thay đổi để giảm sóng hài cho nghịch lưu mà không làm tăng tổn hao chuyển mạch dùng giải thuật di truyền Tính hiệu kỹ thuật đề nghị khẳng định việc so sánh kết với phương pháp tần số chuyển mạch thay đổi Từ khóa: nguồn điện phân tán (DG); khử hài lựa chọn (SHE); điều chế độ rộng xung sin (SPWM); tổn hao chuyển mạch; độ méo hài toàn phần (THD); giải thuật di truyền (GA) ABSTRACT The penetration of distributed generation (DG) using renewable energy sources - solar and wind power - into grid systems is rapidly increasing worldwide To limit harmonics of DGs, the increasingly stringent grid standards are imposed by utility companies to maintain grid stability Increasing the switching frequency of SPWM in inverters is a popular method used in practice for reducing total harmonic distortion (THD); however, this increases switching losses This paper proposes an SPWM technique with variable switching cycle for reducing the harmonics but without any increase in switching loss using a genetic algorithm technique To validate the performance of the proposed technique, the results generated by the proposed technique are compared to those of the existing variable switching frequency methods Keywords: distributed generation (DG); genetic algorithm (GA); selective harmonic elimination (SHE); sinusoidal pulse-width modulation (SPWM); switching loss; total demand distortion (TDD); total harmonic distortion (THD) GIỚI THIỆU Các DG sử dụng lượng tái tạo gió, mặt trời ngày nhiều tính bền vững thân thiện với môi trường tiềm vô lớn Nhưng nghịch lưu nối lưới DG lại phát sóng hài đáng kể vào hệ thống điện ảnh hưởng đến chất lượng điện hệ thống điện Nhu cầu giảm sóng hài nghịch lưu ngày tăng để thỏa mãn tiêu chuẩn nối lưới [1-3] ngày nghiêm ngặt Việc tăng điện cảm lọc để giảm sóng hài làm tăng kích thước chi phí thiết bị Việc tăng tần số chuyển mạch kỹ thuật SPWM [4-7] sử dụng phổ biến để giảm sóng hài Nhưng điều lại làm tăng THCM [8] gây tăng nhiệt độ linh kiện Kỹ thuật SPWM với tần số chuyển mạch thay đổi [9] để giảm THCM đòi hỏi phải có mơ hình nhiễu hài xác nghịch lưu Ngồi ra, tính tốn phức tạp làm cho đáp ứng động thiếu bền vững Hơn nữa, dãi tần số chuyển mạch cao (16-90 kHz) không phù hợp với linh kiện công suất thực tế nghịch lưu Kỹ thuật dựa vào độ Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 17 méo dạng nhu cầu (TDD) [10] để chọn nhiễu hài từ đỉnh-đỉnh chu kỳ tần số chuyển mạch Tuy nhiên, THCM chưa chuyển mạch (1) theo phương pháp [15] Dạng sóng hình với Lf điện cảm xem xét khơng có khả SHE Các nghịch lưu đa bậc [11-12] lọc Ts chu kỳ sóng mang, m số dùng để giảm sóng hài địi hỏi điều chế, w tần số góc Ts Vdc nhiều linh kiện, nguồn dc, làm tăng chi phí và= 1 − m sin (ωt ) m sin (ωt ) ∆I (1) Lf điều khiển phức tạp Kỹ thuật điều khiển bão hòa [13] phụ thuộc vào sai số cảm biến nên không bền vững Bài báo đề xuất kỹ thuật SPWM với tần số chuyển mạch thay đổi Mỗi chu kỳ sóng mang nửa chu kỳ (NCKCB) xác định giải thuật di truyền (GA) với hàm mục tiêu sóng hài ràng buộc THCM không tăng so với phương pháp tần số chuyển mạch cố định Sự can thiệp Hình Dịng điện ngõ với m=0.97 (a) sâu vào chu kỳ chuyển mạch làm tăng Dòng điện dịng thực; (b) Nhiễu hiệu SHE Việc giảm sóng hài mà khơng hài dịng điện làm tăng THCM giúp thỏa mãn tiêu chuẩn nối Khi đó, THD THCM tính lưới, giảm kích thước chi phí lọc sau: π NHIỄU HÀI DÒNG ĐIỆN ∆I p2 d (ωt ) ∫ π Cả THD THCM phụ thuộc vào ∆I (2) tần số chuyển mạch Trong kỹ thuật SPWM THD = I = I1 thông thường với tần số chuyển mạch cố định, π sin(ωt ) tần số chuyển mạch cao THD ∆Psw = C1 I1 ∫ d (ωt ) (3) π Ts giảm THCM tăng, ngược lại [14] Để kiểm tra kỹ thuật đề xuất, nghịch Trong đó: I1 DI hiệu dụng dòng lưu cầu H pha điều chế đơn cực sử nhiễu NCKCB tương dụng hình ứng Trong trường hợp tần số sóng mang cố định, THCM NCKCB tính (3) Idc với C1 số phụ thuộc vào điện áp dc S11 S21 Output current Fundamental current (pu) 0.5 -0.5 -1 0.01 (a) 0.02 0.01 (b) Time (s) 0.02 (pu) 0.2 -0.2 + - Lf Vdc S12 S22 Vi Iac Vac Bảng Tham số hệ thống thí nghiệm Cf RL Hình Nghịch lưu cầu H pha Tổn hao linh kiện bao gồm THCM, tổn hao dẫn tổn hao khác Giả sử tổn hao dẫn tổn hao khác không phụ thuộc tần số chuyển mạch, THCM phụ thuộc tuyến tính vào tần số chuyển mạch dòng điện tức thời chảy qua nghịch lưu chu kỳ chuyển mạch Dựa vào phương pháp xếp chồng, dòng điện ngõ nghịch lưu bao gồm dòng nhiễu hài dòng điện Giá trị hiệu dụng (rms) Parameter Symbol Value Inductance of filter Lf mH Resistance of Lf Rf 0.3 W DC voltage value Vdc 150 V Capacitor of filter Cf µF Fundamental frequency f 50 Hz Modulation index m 0.97 Load resistance RL 32 W Hằng số C1 tính cách dựa vào phương pháp [16] với sơ đồ hình Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016) 18 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh tham số bảng Kết thu C1=1.069x10-4 THCM 1.48212 W Khi tần số chuyển mạch kHz THD thu 6.14% có hài riêng lẻ cao 3% hình gây nhiễu âm Selected signal: cycles FFT window (in red): cycles Fitness = Mag (% of Fundamental) -5 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Time (s) 0.07 0.08 0.09 0.1 Fundamental (50Hz) = 4.356 , THD= 6.14% Mục tiêu phương pháp đề nghị cực tiểu THD dòng điện (5) cách thay đổi chu kỳ chuyển mạch NCKCB với ràng buộc ∆ Psw £1.48212 Vì hàm mục tiêu (6), ik dịng điện tức thời i1k dòng điện tức thời chảy qua nghịch lưu thời điểm lấy mẫu tk Frequency (Hz) 10 x 10 Hình Phổ hài dịng điện với Ts=200 ms t k =π ∑ (i k − i1k )2 (6) tk =0 3.2 Xác định chu kỳ chuyển mạch Giải thuật GA đề nghị sử dụng để xác định chu kỳ chuyển mạch sóng mang NCKCB Bởi GA cịn có khả SHE cách đưa vào hàm ràng buộc hàm mục tiêu thông qua hệ số phạt Đối với tần số chuyển mạch cố định kHz có 50 xung tam giác NCKCB với độ rộng 200 ms Trong phương pháp đề nghị, chu kỳ xung tam giác có độ rộng khác Số xung Np phải mã hóa hình Các sóng mang mã hóa Np biến với độ rộng x(n) n=1 đến Np PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 3.1 Hàm mục tiêu Dựa vào hình cho thấy nhiễu hài dịng điện thay đổi khơng đồng NCKCB tần số sóng mang cố định làm n = Np cho giá trị nhiễu hài hiệu dụng tăng cao đáng 1 1 ( n) = sum( x(= n)) ∑ x= kể chu kỳ Trong khoảng f 50 n =1 thời gian dịng điện tức thời cao (đỉnh hình (7) s 10000 µ s = 0.01 = sin) THD dịng điện thấp ngược lại Đây sở quan trọng để phân bố lại nhiễu Với x(n) ≥ xmin = f (8) max hài dòng điện cho đồng nhằm cực tiểu hiệu dụng THD dịng điện Trong fmax tần số chuyển mạch tối chu kỳ Như vậy, giá trị hiệu dụng đa cho phép linh kiện THD dòng điện nghịch lưu Vcarrier NCKCB giảm cách thay đổi tần số sóng mang cách thích hợp Tần số t(s) 0.01 sóng mang cần phải tăng khoảng x(1) x(2) x(3) x(Np) thời gian có nhiễu hài dịng điện cao để giảm THD dịng điện xuống giảm khoảng Hình Mã hóa chu kỳ sóng mang có nhiễu hài dòng điện thấp để giảm tổn hao Để đảm bảo hội tụ, giá trị ban chuyển mạch đầu khởi tạo biên nhỏ Dựa vào công thức (1) (2) cho thấy THD dịng điện tỉ lệ tuyến tính với DI đối 1000ms, biên lớn 1000ms so với với dòng điện hiệu dụng cho trước giá trị đầu, số cá thể ban đầu 3000 số hệ 100 Kết thu Ts_var sau: điểm “*” hình cách sử dụng công (4) cụ Optimization MATLAB nhiễu hài THD ~ ∆I Cho nên: dịng điện hình cho thấy THD giảm t =π 4.72% phổ trải phạm vi rộng nên (5) THD ~ ∆I 2pk t k ∑ không cần lọc nhiễu âm π t =0 k k Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 19 Bảng Thơng số nghịch lưu nối lưới Begin Parameter Symbol Inductance of filter Lf 4.7 mH Resistance of Lf Rf 0.3 W Np=45; Fmin=1e6; Yes Np>75 No Number_of_vars=Np; Set parameters for GA; No GA; Call Print X & Fmin; Fmin>Fitness No Inductance of grid source Resistance of Lg Lg 0.01 mH Rg 0.01 W DC voltage value Vdc 350 V Vac 220V C1 2.49433x10-4 Cf µF Grid source voltage Constant (350 VDC) yes End Fmin=Fitness; Mark X; Np=Np+1; Capacitor of filter Hình Lưu đồ giải thuật GA -4 Switching cycle Ts (s) P_ref sin x 10 Result Initial Trigonometric Function1 wt Product1 Product2 Vg_max Divide1 I_error cos Product4 Trigonometric Function2 Product3 |u| -1 Q_ref 10 20 30 40 Np (pulse) 50 60 Hình Kết Ts-var thu |u| sq1 I_error Vdc Vdc [Vgm] delta_I Control_signal S11 s11 Carrier S21 s21 Carrier W Modulation PR current controller (Kp=30&Ki=2000) Selected signal: cycles FFT window (in red): cycles I_error Ig sq gain2 controller Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển -5 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Time (s) 0.07 0.08 0.09 Fixed cycle 0.1 30 Voltage/10 (V) Current (A) 20 Fundamental (50Hz) = 4.338 , THD= 4.72% Grid voltage & current Mag (% of Fundamental) I_ref gain Value 10 -10 -20 Frequency (Hz) 10 -30 x 10 0.05 0.1 0.15 Hình Phổ hài dịng điện 0.25 0.3 0.35 0.4 (a) Fixed cycle 3500 Active power (W) Reactive power (Var) 3000 2500 Power NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI Hệ thống nghịch lưu nối lưới hình với tham số bảng Phương pháp TDD [10], phương pháp nhiễu số CR (Constant ripple) [17-18] khảo sát báo Hơn nữa, báo thực cải tiến phương pháp trải phổ cho điều chế vector không gian [19] áp dụng cho SPWM (MSANS) để có điều kiện cài đặt nhằm thuận tiện cho đánh giá tính hiệu 0.2 (a) 2000 1500 1000 500 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Time (s) 0.25 0.3 0.35 0.4 (b) Hình Đáp ứng dịng, áp cơng suất (a) Dịng áp; (b) Cơng suất Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016) 20 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Switching loss (W) Các kết mô hệ thống nghịch lưu nối lưới phương pháp khảo sát thể hình 9-18 bảng 15.35 9.22 7.68 10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 (a) 15 10 0.25 0.35 0.4 0.1 0.15 0.2 (b) Time (s) 0.25 0.3 0.35 Switching loss (W) Current THD (%) 0.2 0.25 (a) 4.12 TDD 8.67 8.45 8.28 0.1 Inst Aver 0.15 0.2 0.25 (a) 0.3 4.79 0.35 4.83 0.4 4.6 5.5 kHz 2.7 kHz 0.1 0.15 0.15 0.2 4.7 kHz 0.25 (b) Time (s) 0.3 0.35 0.4 0.2 0.25 Time (s) 0.3 0.35 0.4 Fundamental (50Hz) = 9.657 , THD= 4.83% 2.5 1.5 0.1 0.15 0.2 0.25 (b) Time (s) 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s) 0.5 1.5 2.5 Frequency (Hz) 3.5 4.5 0.4 8.25 8.29 Inst Aver 8.58 10 0.15 0.2 0.25 (a) 0.3 0.35 0 0.5 1.5 2.5 Frequency (Hz) 3.5 4.53 4.33 0.15 4.5 x 10 Proposed 20 8.23 8.55 8.2 Inst Aver 10 0.1 0.15 10 0.2 0.25 (a) 0.3 0.35 4.1 3.85 0.4 3.82 0.1 0.15 0.2 0.25 (b) Time (s) 0.3 0.35 0.4 0.2 0.25 (b) Time (s) 0.35 -10 0.1 0.15 0.2 0.25 Time (s) 0.3 0.35 0.4 Fundamental (50Hz) = 9.659 , THD= 4.10% 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1.5 2.5 Frequency (Hz) 3.5 4.5 x 10 (c) Phổ hài dịng điện 0.2