Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực (research and design the control scheme for active filters) TT

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – 2021 ii Công trình hồn thành tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Duy Cương Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TSKH Horst Puta Phản biện 1:……………………………………………… Phản biện 2:……………………………………………… Phản biện 3:…………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường Họp tại:……………………………………………………… Vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - ĐHTN Trung tâm học liệu - Đại học Thái Nguyên Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hệ thống truyền tải điện có nhiệm vụ cung cấp lượng cho phụ tải tiêu thụ điện năng, tùy theo tính chất hộ tiêu thụ điện nên đặc tính tải khác Các phụ tải công nghiệp bao gồm động điều khiển biến tần đóng cắt tần số cao, lị điện cao tần, động bão hòa; phụ tải thương mại tòa nhà cao tầng máy biến áp bão hòa, đèn LED, máy tính, hệ thống điện tốn lưu trữ liệu,… Tất loại thiết bị gọi chung thiết bị phi tuyến chúng nguyên nhân gây nên sóng hài lưới điện sinh vấn đề chất lượng hệ thống điện Để đánh giá mức độ ảnh hưởng sóng hài người ta dùng số THD, theo tiêu chuẩn IEEE Std 519, THD dòng điện hệ thống nên nhỏ 5% Như vậy, việc nghiên cứu điều khiển lọc tích cực để giảm sóng hài tải phi tuyến tạo vấn đề cấp thiết, nhằm nâng cao chất lượng điện cho lưới điện Chính vậy, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho lọc tích cực” góp phần giảm sóng hài nâng cao chất lượng điện Mục tiêu nhiệm vụ đề tài Mục tiểu tởng qt: Phân tích sóng hài gây tải phi tuyến nghiên cứu thiết điều khiển cho lọc tích tích cực hoạt động nhằm giảm sóng hài nâng cao chất lượng điện Để thực mục tiêu này, đề tài đặt nhiệm vụ sau: - Phân tích sóng hài gây tải phi tuyến với hệ thống truyền tải pha dây - Thực điều khiển kinh điển cho lọc tích cực đề xuất nâng cao chất lượng cho điều khiển - Thiết kế điều khiển cho lọc tích cực bọ diều khiển kinh điển dại Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án - Đối tượng nghiên cứu Mơ hình lọc tích cực song song để phát dịng điện bù lên lưới điện có phụ tải phi tuyến làm việc, nhằm đưa dòng điện lưới dạng hình sinh với độ méo THD[] cho phép - Phạm vi nghiên cứu + Nghiên cứu sở tốn học cho lọc tích cực, tính tốn tối ưu thơng số cho lọc tích cực; + Lựa chọn xây dựng chi tiết cấu trúc điều khiển cho cho lọc tích cực Thiết kế điều khiển nâng cao cho lọc tích cực phương pháp điều khiển đại Phương pháp nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề tài, luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tởng hợp kiến thức sở tốn học hệ thống truyền tải pha dây với tải phi tuyến Đánh giá nghiên cứu công bố báo, tạp chí, tài liệu tham khảo điều khiển cho lọc tích cực Nghiên cứu điều khiển đại ứng dụng điều khiển kinh điển đại cho lọc tích cực - Nghiên cứu thực nghiệm mô phỏng: + Sử dụng công cụ Matlab-Simulink để mô kiểm chứng nhận định lý thuyết thuật toán mà luận án đề xuất; + Kiểm chứng kết nghiên cứu thực nghiệm sát với điều kiện thực tế, tức tiến hành thí nghiệm để đánh giá chất lượng điều khiển (khi điều kiện cho phép) Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án - Luận án có đóng góp cụ thể sau: + Sử dụng thành công lý thuyết công suất tức thời p,q áp dụng vào tính tốn dịng điện đặt theo dịng điện điện áp đo, chuyển đởi sang hệ quy chiếu hai pha (α-β) ba pha (a,b,c), để tạo xung kích cho IGBT; + Thiết kế điều khiển băng trễ (HCC) thích nghi dựa vào chế chỉnh định mờ sở mơ hình tốn xây dựng theo lý thuyết cơng suất tức thời p,q; + Ứng dụng thành công giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithm) tối ưu hóa tham số cho điều lọc tích cực, có điều khiển PI -Ý nghĩa khoa học luận án: + Luận án sử dụng phương pháp điều khiển tiên tiến giải thuật tối ưu để nâng cao hiệu điều khiển kinh điển đại (HCC, PID) ứng dụng điều khiển lọc cơng suất tích cực; + Đóng góp phần nhỏ việc nghiên cứu điều khiển cho lọc tích cực giúp giảm sóng hài nâng cao chất lượng điện - Ý nghĩa thực tiễn luận án: + Luận án góp phần nâng cao chất lượng lọc sóng hài lọc tích cực, giảm tác hại sóng hài lưới điện, tăng t̉i thọ cho thiết bị, tăng độ xác cho thiết bị đo lường,…; - Kết nghiên cứu luận án tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành điều khiển tự động hóa, học viên cao học nghiên cứu sinh quan tâm nghiên cứu thiết kế điều khiển dự báo cho hệ phi tuyến; vấn đề trình thiết kế điều khiển cho lọc tích cực Bố cục luận án Nội dung luận án trình bày chương, phần mở đầu phần kết luận bố cục sau: Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương trình bày tởng quan sóng hài tác động sóng hài gây lưới điện; Bộ lọc cơng suất tích cực vấn đề trình thiết kế lọc cơng suất tích cực Thơng kê, phân tích giải pháp dược đề xuất nước quốc tế thiết kế lọc cơng suất tích cực Chương Cơ sở tốn học lọc cơng suất tích cực Chương đưa cấu trúc lọc cơng suất tích cực dạng song song hoạt động lọc Từ đó, tính tốn tham số lọc, ứng dụng lý thuyết công suất tức thời p,q để tính tốn dịng bù đặt đầu vào cho điều khiển lọc tích cực Chương Thiết kế điều khiển cho lọc cơng suất tích cực Trên sở tốn học nêu chương 2, chương xây dựng điều khiển cho lọc cơng suất tích cực Bao gồm: - Ứng dụng điều khiển Fuzzy chỉnh định tham số điều khiển dải trễ (HCC-Hysteresis current controller) giúp nâng cao chất lượng điều khiển giảm tần số đóng cắt IGBT; - Tối ưu hóa tham số cho lọc tích cự sử dụng điều khiển PI giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithm); Chương Kết mô Matlab/Simulink - Plecs Trên sở lý thuyết kết mô hoạt động điều khiển ứng dụng cho lọc cơng suất tích cực đề xuất, chứng minh chương 2, chương Trong chương này, luận án xây dựng mơ hình lọc cơng suất tích cực với tải phi tuyến biến đổi xoay chiều – xoay chiều pha kiểm chứng lại tính đắn lý thuyết đề xuất mô Matlab – Simulink CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sóng hài lưới điện giải pháp lọc sóng hài 1.1.1 Sóng hài lưới điện a Sóng hài Sóng hài sóng điều hịa bậc cao có tần số bội số tần số sóng Trong lưới điện sóng nguồn cấp sóng sin tần số 50Hz, sóng có tần số 150Hz, 250Hz sóng hài bậc 3, bậc Các sóng hài tính tốn cách độc lập kết hợp sóng hài khác để có dạng tởng qt Biên độ sóng hài thành phần quan tâm ảnh hưởng đến hệ thống Một tham số quan trọng để đánh giá tác động sóng hài hệ số méo dạng (Total Harmonic Distortion):  THD  X n 1 X1 n (1.5) Trên giới đưa số tiêu chuẩn IEEE 519-2014, IEC 1000-4-3 giới hạn thành phần sóng điều hịa bậc cao lưới, loại tải qui định THD < 5%, riêng tải kỹ thuật số THD < 3% b Nguyên nhân phát sinh sóng hài Nguyên nhân phát sinh sóng hài tải phi tuyến tải công nghiệp: Các thiết bị điện tử cơng suất, lị hồ quang, máy hàn, khởi động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn… Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất khí, tivi, máy photocopy, máy tính, lị vi sóng… c Tác hại sóng hài Sóng hài làm cho cáp bị nhiệt, phá hỏng cách điện Động bị nhiệt gây tiếng ồn dao động momen xoắn rotor dẫn tới cộng hưởng khí gây rung Tụ điện nhiệt phần lớn trường hợp dẫn tới phá huỷ chất điện môi Các thiết bị hiển thị sử dụng điện đèn chiếu sáng bị chập chờn, thiết bị bảo vệ ngắt điện, máy tính lỗi (data network) thiết bị đo cho kết sai 1.2 Bộ lọc cơng suất tích cực vấn đề thiết kế lọc công suất tích cực 1.2.1 Tổng quan lọc cơng suất tích cực Bộ lọc cơng suất tích cực (APF - Active Power filter) lọc sử dụng phân tử điện tử cơng suất để lọc sóng hài bậc cao hệ thống điện cách tạo nên sóng hài ngược pha với sóng hài phát sinh mạch Bộ lọc tích cực nhằm giảm sóng hài dịng điện bù cơng suất phản kháng Hình 1-1: Nguyên lý hoạt động lọc tích cực Trên hình 1.10 ta thấy tởng sóng hài nguồn Inguồn sóng hài lọc tích cực phát Ilọc khơng Tuy nhiên sóng ln thay đởi, lọc tích cực cần điều khiển theo tín hiệu dạng sóng nguồn dạng sóng tải phản ảnh qua phản hồi dịng điện Nhờ lọc tích cực chất lượng điện áp nâng lên tổn hao công suất lưới giảm 1.2.2 Các vấn đề thiết kế lọc tích cực a Cấu trúc lọc tích cực b Tính tốn xác định dịng bù sóng hài c Tính tốn thơng số nghịch lưu d Xây dựng cấu trúc điều khiển Bộ điều khiển đóng vai trị trung tâm lọc tích cực, thực điều khiển mạch cơng suất (IGBT, MOSFET ) để phát dịng bù sóng hài theo tính tốn dịng bù sóng hài cần thiết Bộ điều khiển thiết kế sở điều khiển PID, Fuzzy, Noron… Chất lượng lọc tích cực phụ thuộc vào việc thiết kế điều khiển Đề tài tập trung xây dựng điều khiển cho lọc tích cực, thực mô phỏng, kiểm chứng thực tế so sánh với kết cơng trình cơng bố 1.3 Các nghiên cứu nước, ngồi nước định hướng nghiên cứu đề tài 1.3.1 Các nghiên cứu nước Hiện Việt Nam thường sử dụng lọc thụ động cho để lọc sóng hài Việc nghiên cứu lọc tích cực để lọc sóng hài bù cơng suất phản kháng cịn mẻ chưa có nhiều cơng trình cơng bố 1.3.2 Các nghiên cứu nước ngồi Ở nước ngồi, có nhiều tác giả quan tâm đến vấn đề lọc sóng hài bù cơng suất phản kháng để tăng chất lượng điện Trong đưa phương pháp tính tốn dịng sóng hài cấu trúc điều khiển cho APF với điều khiển khác Trong phần tác giả tập trung phân tích báo đề cập xây dựng điều khiển cho lọc tích cực 1.4 Định hướng nghiên cứu luận án Trên sở phân tích kết cơng bố cơng trình, báo nước quốc tế luận án bước giải quết vấn đề sau: - Lựa chọn phương pháp lọc song hài xây dựng cấu trúc cho lọc tích cực song song; - Ứng dụng điều khiển đại nâng cao hiệu cho lọc cơng suất tích cực - Sử dụng giải thuật tối ưu (GA) để chỉnh đinh tham số cho lọc tích cực điều khiển kinh điển, 1.5 Kết luận chương Trong chương 1, trình bầy tởng quan sóng hài lưới điện, nguyên nhân tác hại sóng hài tiêu chuẩn đánh giá ảnh hưởng sóng hài lưới điện Trên sở giải pháp lọc sóng hài, luận án tập trung giải pháp lọc tích cực đưa định hướng cho thiết kế lọc tích cực Phân tích cơng trình cơng bố nước quốc tế thiết kế điều khiển cho lọc tích cực, sở đưa hướng nghiên cứu luận án CHƯƠNG CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA BỘ LỌC CƠNG SUẤT TÍCH CỰC 2.1 Cấu trúc lọc cơng suất tích cực kiểu song song Trong chương dưa ba cấu trúc lọc cơng suất tích cực: Bộ lọc song song (Shunt APF), Bộ lọc nối tiếp (Series APF), lọc kết hợp (Hybrid APF) Sau đánh giá so sánh, định hướng luận án sử dụng cấu trúc lọc song song (Shunt APF) SAPF (Shunt Active Power Filter) nghịch lưu nguồn áp ba pha sử dụng để ổn định hiệu suất hệ thống công suất việc tạo dòng điện tham chiếu cho mạch cầu IGBT nhằm làm giảm triệt tiêu sóng hài bậc cao bù cơng suất phản kháng Hình 2-1: Cấu trúc lọc cơng suất tích cực kiểu song song Trong đó: + iS dòng điện nguồn phát + iC dịng điện lọc tích cực + iL dòng điện tải iS  iC  iL Ta có: (2.1) Bộ lọc cơng suất tích cực kiểu song song (SAPF) làm giảm tởn hao lưới điện việc nâng cao hệ số công suất triệt tiêu thành phần sóng hài bậc cao, bên cạnh SAPF làm giảm sụt áp đường dây truyền tải mà không cần sử dụng máy biến áp tăng áp SAPF làm tăng khả truyền tải công suất định mức (công suất tác dụng) trạm biến thế, SAPF giảm thời gian hoạt động trường hợp tải [23] Theo hình 2.1 ta phân tích thành phần dịng điện tải i L thành tởng dịng dòng song điều hòa bậc cao: iS  iC  iL  iC  iF  iH (2.2) Trong đó: + iF dịng điện tần số + iH tởng dịng song điều hịa bậc cao Do để dòng điện nguồn sin: iS  iF thì: iC  iH   iC  iH (2.3) Như vậy, hoạt động lọc cơng suất tích cực đảm bảo phát dịng điện iC có vector dịng độ lớn vector dịng tởng song hài ngược pha Để thực chức này, lọc cơng suất tích cực cần đảm bảo thực vấn đề sau: - Trên sở tín hiệu dịng (iL), điện áp (V) đo từ tải hệ thống để tính tốn dịng bù tổng song hài ( i*C  iH ) - Bộ điều khiển dòng thực điều khiển vòng kín có phản hồi để thực điều khiển đóng/cắt IGBT phát dòng iC đưa lên lưới cho iC  i*C Nội dung thiết kế điều khiển phân tích chi tiết chương luận án 2.2 Tìm dịng điện tham chiếu dựa theo lý thuyết công suất phản kháng tức thời (p,q) Trên sở lý thuyết p,q, dịng điện tham chiếu tính theo dịng điện điện áp đo, chuyển đởi sang hệ quy chiếu (α,β) sử dụng phương pháp chuyển đởi Clarke, từ dịng chuyển đởi sử dụng để tạo xung kích IGBT sau q trình ước tính dịng ba pha tham chiếu sử dụng biến đổi ngược Clarke, chi tiết phương pháp thảo luận tài liệu [8] Trên Hình 2.2 thể sơ đồ khối khâu tính dịng điện tham chiếu dựa theo lý thuyết p-q Hình 2.2 ma trận chuyển đởi chi tiết khâu tính dịng điện tham chiếu, phần giải thích chi tiết phương trình tốn học phép biến đởi Hình 2-2: Sơ đồ cấu trúc khâu dòng điện tham chiếu dựa lý thuyết p-q Trong p q cơng suất thực cơng suất phản kháng tiêu thụ thành phần sóng hài Vòng chỉnh định điện áp DC dùng để thích nghi điện áp tụ điện mạch nghịch lưu theo giá trị điện áp xác định trước Sai lệch dòng điện mong muốn tụ điện giá trị biến thiên xét đến phần tính cơng suất sóng hài 2.2.1 Ứng dụng cơng suất tức thời tính tốn dịng bù sóng hài Lý thuyết cơng suất tức thời ứng dụng vào q trình tính tốn thiết kế lọc cơng suất tích cực cách hiệu sở ưu điểm sau: - Lý thuyết công suất tức thời áp dụng cho hệ pha 11 Hình 3-1: Cấu trúc tổng quát hệ thống lọc cơng suất tích cực ba pha kiểu song song Đầu tiên dịng điện cần bù tính tốn dựa theo điện áp dịng điện tải thơng qua khối tính tốn dịng điện tham chiếu (Reference compensation current calculator), tiếp đến điều khiển băng trễ (HCC) áp dụng cho mạch vòng điều khiển dòng điện (Current controller), tín hiệu đầu điều khiển khối tạo xung kích (Switching logic pulses) để kích dẫn cặp van IGBTs Biên độ dạng tín hiệu đầu nghịch lưu ba pha sử dụng IGBTs tự động chỉnh định thay đổi tần số đóng cắt IGBTs cho dịng điện bù mong muốn bám theo dòng bù tham chiếu 3.2 Bộ điều khiển băng trễ (Hysteresis current control -HCC) thiết kế dựa mơ hình tốn xây dựng theo lý thuyết cơng suất tức thời p-q Hình 3-2: Cấu trúc lọc cơng suất tích cực ba pha sử dụng điều khiển băng trễ (HCC) cho dòng điện 12 Bộ điều khiển băng trễ dòng điện (HCC) [10] phương pháp đơn giản sử dụng phổ biến với độ ởn định cao, đáp ứng nhanh thích ứng với điều kiện tải thay đổi, nhiên nhược điểm lớn phương pháp tần số đóng cắt IGBTs phụ thuộc vào tính chất tải Tần số đóng cắt IGBTs xác định sai lệch dòng điện tham chiếu dòng điện thực với ngưỡng cho phép (HB +) (HB-) Do dòng điện thực hiệu chỉnh cho bám dòng tham chiếu dải trễ cho trước (hysteresis band) Hàm sai lệch tính theo phương trình (3.12) ei  ir ,i  i f ,i (3.12) Trong đó: ei : sai lệch dịng pha i, r : ký hiệu cho dòng tham chiếu, f : ký hiệu cho dòng đầu lọc cơng suất tích cực, I : ký hiệu cho A, B, C nghĩa pha A, B, C Với đầu vào sai lệch dòng dòng đặt dòng đầu lọc cấu trúc điều khiển băng trễ (HCC) kết hợp với tạo xung kích mở IGBTs đưa Hình 3.4 Hình 3-3: Cấu trúc nguyên lý điều khiển băng trễ (HCC) Nguyên lý hoạt động đóng cắt thiết lập luật đây: Nếu sai số dịng điện thấp cận (HB-) trạng thái chuyển mạch mức cao (SSon) ei  HB   SSon  (3.13) Nếu sai số dòng điện lớn cận (HB ) trạng thái chuyển mạch mức thấp (SSoff) + ei  HB  SSoff  (3.14) Nếu sai lệch dòng điện nằm dải từ cận (HB -) đến cận (HB+), trạng thái chuyển mạch giữ nguyên trạng thái trước (SSremain) HB   ei  HB   SS remain  SS ( pre _ state) (3.15) 13 Hoạt động điều khiển băng trễ mơ tả q trình trao đởi lượng lọc tích cực tải hệ thống Hình 3.5 sau: Hình 3-4: Bộ điều khiển băng trễ PWM dòng điện Độ rộng băng băng điều khiển băng trễ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển Trên sở lý thuyết động rộng băng nhỏ sai số giá trị đặt giá trị điều khiển nhỏ Tuy nhiên thực tế độ rộng băng trễ mà phụ thuộc vào tần số đóng cắt nghịch lưu IGBT Mỗi IGBT có tần số đóng cắt cực đại theo nhà sản xuất, tần số đóng cắt lớn tởn hao cơng suất cao tuổi thọ thiết bị giảm 3.2.1 Bộ điều khiển băng trễ (HCC) thích nghi dựa vào chế chỉnh định mờ thiết kế dựa mơ hình tốn xây dựng theo lý thuyết công suất tức thời p-q Đối với điều khiển băng trễ (HCC), chất lượng bám dòng bù phụ thuộc vào dải trễ (HB+) (HB-) Nếu dải trễ HB (dải từ ngưỡng thấp tới ngưỡng cao) tăng, tần số đóng cắt IGBTs (f_s) giảm, nhiên THD tăng, ngược lại dải trễ nhỏ, THD giảm tần số đóng cắt IGBTs tăng cao.Do tác giả đề xuất điều khiển dịng dải trễ thích nghi sử dụng cấu chỉnh định mờ Ứng dụng điều khiển mờ điều chỉnh thích nghi giá trị băng trễ điều khiển băng trễ 14 Hình 3-5: Cấu trúc điều khiển HCC thích nghi sử dụng cấu chỉnh định mờ Sơ đồ cấu trúc điều khiển HCC thích nghi sử dụng điều khiển mờ để chỉnh định giá trị băng trễ Trên sơ đồ cấu trúc điều khiển giá trị băng trễ HB điều khiển băng trễ không đặt cố định mà thay đổi Giá trị HB điều khiển mờ chỉnh định sở tín hiệu sai lệch dịng đặt dịng phản hởi với vi phân giá trị sai lệch dịng Hình 3-6: Bộ điều khiển dòng điện dải trể dựa cấu chỉnh định mờ Trong trường hợp điều khiển mờ giúp tối giản sai số dòng điện cách thích nghi dải trễ với đầu vào sai số dịng điện tốc độ thay đởi sai số Nếu (3.21) Nếu (3.22) Trong sai số dịng điện; cận trên; cận dưới; giá trị nền; is giá trị tính tốn tự động điều khiển mờ 15 Mờ hóa ngõ vào đặc trưng biến ngơn ngữ là: NB – âm mạnh, NS – âm vừa, Z – Không, PS – dương vừa, PB – dương mạnh đầu vào (ei(t) , dei(t)/dt), đầu ( ) Các hàm liên thuộc lựa chọn hình bên µ ei NB -0.5 µdei(t)/dt NS Z PS -0.25 0.25 PB ei(t) 0.5 NB -5 NS Z PS -2.5 2.5 µ∆I NB -0.1 NS Z PS -0.05 0.05 PB dei(t)/dt PB 0.1 ∆I Hình 3-7: Hàm liên thuộc đầu vào đầu Số đầu vào số hàm liên thuộc ta có bảng luật hợp thành gồm 25 luật đưa bảng 3.2 Bảng 3-1 Luật mờ dei(t)/dt ei(t) NB NS Z PS PB NB NS Z PS PB NB NS NS NS Z NB NS NS Z PS NS NS Z Z PS NS Z PS PS PS Z PS PB PB PB Thiết ké lọc cơng suất tích cực sở điều khiển PI Cấu trúc lọc cơng suất tích cực điển Hình 3.11 Trong đó, sử dụng điều khiển PI Sách lược điều khiển lọc cơng suất tích cực gồm hai mạch vịng: mạch vịng ngồi dùng để xác định dịng điện đặt cần bù icref dựa dòng tải iL,dòng điện cần bù lượng đặt cho mạchvòng hay dòng điện mong muốn mà inverter phải tạo để đưa lên lưới nhằm mục đích bù sóng hài cơng suất phản kháng; mạch vịng có nhiệm vụ điều khiển tạo dịng bù iC cho bám dòng điện cần bù icref cách điều chỉnh nghịch lưu cầu ba pha toàn phần nguồn áp Giả thiết dòng điện qua tải phi tuyến bị méo sóng hài iL , lọc cơng suất tích cực đo dịng iL tính tốn để đưa lên lưới dòng điện bù iC cho dịng điện qua nguồn iS = iL + iC ln hình sin Có nghĩa nguồn hài tải sinh bù hết iC 3.3 16 Va,b,c NonLinear Load ifa,b,c La,b,c abc αβ Vαβ ifa,b,c T1,…,6 Logic Operators abc PI p αβ ira,b,c C Vdc PI VSI VSI p0 q LPF irα,β Vdc αβ ilαβ Calculator p,q Udk IGBT IGBT ila,b,c Va,b,c abc p p Calculator irα ,irβ p q V*dc Hình 3-8: Cấu trúc điều khiển lọc tích cực sử dụng điều khiển PI Bộ điều khiển PI cho điện áp Vđc có cấu trúc điều khiển Hình 3.12 V*dc p0 evdc KpC Vdc s KiC Hình 3-9: Cấu trúc điều khiển PI cho Vdc Công suất P0 để trì điện áp tụ điện (Vdc) khơng đởi tính tốn sau: 1  p0   K pC  KiC    evdc s  (3.24) Bộ điều khiển PI thực điều khiển dịng bù sóng hài dịng điện bù cho lọc cơng suất tích cực giới thiệu Hình 3.13 ei ira,b,c ifa,b,c Kp Ki Udk,i Logic Operators s T1 T2 T3 T4 T5 T6 TWC Hình 3-10: Bộ điều khiển PI điều khiển dịng bù sóng hài Tín hiệu điều khiển pha tính theo cơng thức sau: 1  U dk ,a  U dk ,b  U dk ,c   K p  Ki    ei s  (3.25) Bộ điều khiển PI thiết kế kết hợp với tín hiệu sóng mang tam giác (TWC) để thực thay đổi độ rộng xung đóng mở chuyển mạch IGBT Sóng mang hình tam giác có biên độ chuẩn hóa tần số 50 kHz, tín hiệu điều khiển đầu điều khiển dùng bù sóng hài 17 chuẩn hóa dải từ – Tín hiệu điều khiển pha kết hợp chuyển mạch logic xung để tạo xung đóng mở cho nghịch lưu IGBT minh họa Hình 3.14 TWC Udk,i Q T1 Q T4 T Hình 3-11: Tác động Uđk đến tín hiệu đón mở IGBT Như vậy, để thiết kế lọc tích cực sở điều khiển PI cần xây dựng mơ hình tốn học xác hệ thống Việc tính tốn tham số cho 02 điều khiển PI số tham số khác (Lf, Cdc, V*dc) phức tạp Sử dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa tham số lọc cơng suất tích cực ba pha kiểu song song Như trình bày trên, số tham số hệ thống SAPF cần tối ưu hóa để lưu trữ giá trị tối thiểu tổng méo hài Các tham số bao gồm cuộn cảm Lf, tụ điện liên kết DC Cdc, điện áp liên kết DC V*dc, KpC, KiC liên kết DC DC bù điện áp Kp, Ki điều khiển dòng PI Nguyên tắc làm việc GA để tối ưu hóa tham số SAPF [11] minh họa thông qua sơ đồ hiển thị Hình 3.16 theo trình tự bước sau: Bước 1: Khởi tạo tham số giải thuật di truyền kích thước quần thể (N), số hệ (G), xác suất lai tạo (Pc), xác suất đột biến (Pm) Khởi tạo ngẫu nhiên quần thể gồm N cá thể, cá thể biến cần tối ưu ( Lf, Cdc, V*dc, KpC, KiC, Kp, Ki) khoảng giá trị biến Lf = [0.7, 1.5] mH, Cdc =[0.5, 5] mF, V*dc = [600, 1200] V, KpC =[50, 1000], KiC =[50, 1000], Kp =[50, 1000], Ki =[50, 1000] Bước 2: Tính tốn giá trị thích nghi cá thể quần thể Ở đây, giá trị THD chọn làm hàm mục tiêu: (3.5) Bước 3: Kiểm tra điều kiện dừng giải thuật Điều kiện dừng THD nhỏ giá trị cho trước giải thuật đạt đến số hệ G Nếu điều kiện thỏa mãn dừng lại trả cá thể tốt với giá trị hàm mục tiêu, khơng tiếp tục thực bước 3.3.1 18 Bước 4: Thực phép toán GA chọn lọc, lai tạo, đột biến để tạo quần thể Sau đó, giải thuật lặp lại từ bước đạt đến điều kiện dừng Các tham số phù hợp cho giải thuật GA sau: - Số lượng hệ tối đa G= 40, kích thước quần thể N=40, cá thể biểu diễn số thực - Phép chọn lọc tiến hành theo phương pháp giải đấu - Lựa chọn phép đột biến đồng với xác suất Pm=0,08 - Lựa chọn phép lai tạo phân tán chéo với xác suất Pc=0,8 3.4 Kết luận chương Trên sở toán học nêu chương 2, chương xây dựng điều khiển cho lọc cơng suất tích cực Bao gồm: Xác định dịng điện đặt lý thuyết cơng suất tức thời p,q, ứng dụng kết để thiết kế điều khiển mạch vịng ngồi cho lọc cơng suất tích cực, giúp nâng cao chất lượng điều khiển giảm tần số đóng cắt IGBT giảm giá trị THD Thiết kế điều khiển đại (HCC thích nghie chỉnh định mờ) tối ưu tham số cho lọc tich cực điều khiển PI cho mạch vòng dòng điện (mạch vòng trong), góp phần nâng cao hiệu lọc cơng suất tích cực CHƯƠNG KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULINK 4.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống lọc cơng suất tích cực ba pha theo lý thuyết công suất tức thời p-q xây dựng MATLAB/SIMULINK Hình 4-1: Mơ hình lọc tích cực ba pha mắc song song dựa theo lý thuyết công suất tức thời p-q thực phần mềm Matlab/Simulink 19 Bảng 4-1 Các thông số hệ thống mô matlab Thông số hệ thống Nguồn Tải phi tuyến Shunt APF Diode bridge with Resistor ( 4.1.1 Kết mơ sử dụng lọc tích cực với phương pháp điều khiển Hysteresis current controller Hình 4-2: Dịng điện pha A ảnh hưởng nguồn sóng hài (chỉnh lưu cầu) khơng có lọc Phân tích THD dịng điện pha khơng có lọc tích cực tởng méo sóng hài hệ thống 29.97% Hình 4-3: Dạng sóng dịng điện THD dịng điện pha A khơng có lọc Như ta thấy khơng có bọ lọc tác động dòng pha A bị méo dạng khơng cịn Sin, phân tích phở cho thấy THD = 29,97% Mô với dải trễ HB = ± 0.5 Dòng hài bù nghịch lưu tạo với điều khiển HCC (HB = ± 0.5) Phân tích phở tín hiệu dịng pha A sử dụng lọc tích cực với điều khiển HCC (HB = ± 0.5) 20 Hình 4-4: Dạng sóng dịng điện THD dịng điện pha A có lọc dải trễ điều khiển HCC (+/- 0.5) Sau sử dụng lọc tích cực điều khiển HCC với dải trễ cố định ( ) THD 10.21% tần số đóng cắt ( ) vào khoảng 30 kHz Mơ với dải trễ HB = Phân tích phở tín hiệu dịng pha A sử dụng lọc tích cực với điều khiển HCC (HB = 0) Hình 4-5: Dạng sóng dịng điện THD dịng điện pha A có lọc dải trễ điều khiển HCC (0) Sau sử dụng lọc tích cực điều khiển HCC với dải trễ cố định (0) THD 1.93% tần số đóng cắt ( ) vào khoảng 500 kHz 4.1.2 Kết mô sử dụng lọc tích cực với phương pháp điều khiển Hysteresis current controller chỉnh định tham số mờ Dòng bù tạo sau điều khiển HCC chỉnh định tham số mờ Phân tích phỏ tín hiệu dịng điện pha A sử dụng điều khiển HCC với tham số chỉnh định điều khiển mờ 21 Hình 4-6: Dạng sóng dịng điện THD dịng điện pha A có lọc dải trễ điều khiển HCC thích nghi cấu chỉnh định mờ Chúng ta tởng hợp kết mô theo bảng sau đây: Bảng 4-2 So sánh kết lọc tích cực với điều khiển HCC HCC thích nghi THD tần số đóng cắt IGBT ( ) HB thích nghi HB = ( ) HB = mờ Kết mô chứng minh hệ thống lọc lọc tích cực kiểu mắc song song với dải trễ điều khiển HCC thích nghi cấu chỉnh định mờ cho kết THD hệ thống nhỏ (1.54%), tần số chấp nhận 60kHz 22 4.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống lọc công suất tích cực ba pha theo lý thuyết cơng suất tức thời p-q xây dựng MATLAB – SIMULINK Hình 4-7: Mơ hình lọc tích cực ba pha mắc song song dựa theo lý thuyết công suất tức thời pq thực phần mềm Matlab/Simulink Bảng 4-3 Các thông số hệ thống mô matlab Thông số hệ thống Nguồn Tải phi tuyến Shunt APF Diode bridge with Resistor ( 4.3 Kết mô đề xuất sử dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu tham số lọc tích cực với cấu trúc điều khiển tỷ lệ - tích phân 4.3.1 Số liệu đầu vào Hàm mục tiêu: Độ méo sóng hài THD theo đơn vị phần trăm (%) Kích thước quần thể = 40 Số lượng tham số lựa chọn chỉnh định = bao gồm (L f, Cdc, V*dc, KpC, KiC, Kp, Ki) Số lần gieo cho giải thuật di truyền GA=40 4.3.2 Kết Thông số sau chạy GA: Giá trị THD tốt = 0.0148 (1.48%) Các tham số tối ưu lọc tích cực SAPF: Lf =2.05mH; Cdc =4.9mF; V*dc =875; KpC =30; KiC = 40; Kp = 0.5; Ki =5 23 Hình 4-8: Dịng điện pha sau đưa lọc tích cực vào Hình 4-9: Phân tích FFT tín hiệu dòng điện 4.3.3 Nhận xét - Bộ điều khiển PI điều khiển kinh điển NCS muốn khai thác để hiểu phân tích hoạt động lọc tích cực cách rõ ràng Mơ lọc tích cực Matlab/Simulink từ thiết kế điều khiển nâng cao ứng dụng vào lọc tích cực - Đề xuất sử dụng giải thuật di truyền (GA) để tối ưu tham số lọc tích cực Thực mơ tìm tham số tối ưu cho lọc tích cực sử dụng điều khiển PI - Kết mô cho thấy hệ thống khơng sử dụng lọc tích cực giá trị THD = 29,97% sau sử dụng lọc tích cực thiết kế sở điều khiển HCC thích nghi mờ THD = 1,54% điều khiển PI với tham số tối ưu giải thuật di truyền (GA) THD = 1,48% 4.4 Kết luận chương Bộ điều khiển HCC thích nghi chỉnh định mờ áp dụng cho lọc công suất cho kết nghiên cứu tín hiệu dịng điện lưới có tác động lọc tích cực có dạng hình sin với tần số có THD 1,54% Giá trị THD nhỏ giá trị chuẩn cho phép (5%) Điều khiển lọc tích cực sử dụng điều khiển PI, điều khiển kinh điển Kết mô phương pháp để tham khảo thiết kế điều khiển nâng cao ứng dụng vào lọc tích cực 24 Luận án đề xuất sử dụng giải thuật di truyền (GA) để tối ưu tham số lọc tích cực điều khiển PI Kết mô cho thấy hệ thống khơng sử dụng lọc tích cực giá trị THD = 29,97% sau sử dụng lọc tích cực thiết kế sở điều khiển PI với tham số tối ưu giải thuật di truyền (GA) THD = 1,48% KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Các điều khiển luận án này, xây dựng cho lọc cơng suất tích cực trước hết dựa nên tảng điều khiển kinh điển (PI) để phân tích chi tiết vấn đề thiết kế lọc cơng suất tích cực Từ đó, làm sở ứng dụng điều khiển đại như: logic mờ, nơron giải thuật gen (GA) tối ưu để chỉnh đinh tham số cho lọc tích cực điều khiển kinh điển, nhằm nâng cao hiệu làm việc cho lọc cơng suất tích cực giảm số THD[%] Bằng nỗ lực thân, tác giả cố gắng để đạt số đóng góp bước đầu sau: Đã xây dựng sở toán học vững để làm thiết kế điều khiển phù hợp cho lọc tích cực đề xuất phương pháp công suất tức thời p,q để tính giá trị dịng điện đặt i, i, ia, ib, ic, phục vụ cho thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển băng trễ (HCC) thích nghi dựa vào chế chỉnh định mờ sở mơ hình tốn xây dựng theo lý thuyết công suất tức thời p,q; Ứng dụng giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithm) tối ưu hóa tham số cho lọc tích cực điều khiển PI điều khiển dự báo; Nhờ có GA mà điều khiển PI đạt tiêu THD = 1,48% tần số chuyển mạch lớn gây tổn hao công suất Các mục tiêu nghiên cứu luận án đặt đáp ứng đầy đủ, có nhiều triển vọng để áp dụng vào thực tiễn Kiến nghị Nội dung luận án có số đóng góp điều khiển lọc tích cực, để cập số vấn đề hẹp điều khiển lọc tích cực cho tải lĩnh vực cơng nghiệp nói chung Nghiên cứu điều khiển lọc tích cực cịn tiếp tục thu hút quan tâm nhà khoa học chuyên ngành NCS với vấn đề sau: Thiết kế lọc tích cực phù hợp cho tải phi tuyến không đối xứng gây nên THD [] lớn; Vừa lọc sóng hài vừa kết hợp bù cos cho lưới điện, 25 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ “Harmonic Elimination based on Fuzzy Logic in combination with Hysteresis Control Algorithm”, IEEE International Conference on Systems Science and Engineering 2017; “Design of Dynamic-Static Var Compensation based on Microcontroller for Improving Power Factor”, IEEE International Conference on Systems Science and Engineering 2017; Optimizing Parameters of The Shunt Active Power Filter Using Genetic Algorithm, The 9th International Conference, KSE 2017, Hue, Vietnam, October 19-21, 2017; "Design of shunt active power filter based on the classical PID controller for eleminating harmonics", , Tạp chí NCKH & Cơng nghệ quân sự, ISSN 1859 – 1043 - Số Đặc san 08 - 2018, 179-188 Phan Thanh Hiền, Nguyễn Hải Bình, Vũ Duy Hưng “Nghiên cứu ứng dụng giải thuật di truyền (GA) để tối ưu hóa tham số cho lọc cơng suất tích cực kiểu song song”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học thái nguyên, ISSN 1859 – 2171, 2734 – 9098, số 05/2021 ... nghiên cứu + Nghiên cứu sở tốn học cho lọc tích cực, tính tốn tối ưu thơng số cho lọc tích cực; + Lựa chọn xây dựng chi tiết cấu trúc điều khiển cho cho lọc tích cực Thiết kế điều khiển nâng cao cho. .. vịng điều khiển ngồi điều khiển lọc tích cực (2.34) (2.35) Kết nghiên cứu chương sở toán học cho phương pháp điều khiển lọc tích cực trình bày chương CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC CƠNG... vào cho điều khiển lọc tích cực Chương Thiết kế điều khiển cho lọc cơng suất tích cực Trên sở tốn học nêu chương 2, chương xây dựng điều khiển cho lọc cơng suất tích cực Bao gồm: - Ứng dụng điều