NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) để tối ưu hóa THAM số của bộ lọc CÔNG SUẤT TÍCH cực BA PHA KIỂU SONG SONG

Bộ lọc công suất tích cực kiểu song song (SAPF- Shunt Active Power Filter) thường được sử dụng để loại bỏ các thành phần sóng hài có hại cho mạng điện và thiết bị điện. Có hai nhóm thông số chính của SAPF nên được tối ưu hóa để có được hiệu suất tốt hơn và giảm tần số đóng cắt của IGBT. Nhóm đầu tiên là giá trị của tụ điện liên kết DC và cuộn cảm ghép nối. Nhóm thứ hai là các thông số của bộ điều khiển để kiểm soát tổn thất điện năng và dòng điện bù. Bài báo này trình bày giải pháp sử dụng Giải thuật di truyền (GA) để điều chỉnh các hệ số của bộ điều khiển PI và thu được các giá trị tối ưu của tụ điện và cuộn cảm của bộ lọc cùng một lúc. Phương pháp đề xuất được chứng minh thông qua mô phỏng trên Matlab/ Simulink. Kết quả, nhóm tác giả đã tìm được bộ tham số của bộ lọc công suất tích cực kiểu song song cho hệ số tổng méo sóng hài (THD- Total Harmonic Distortion) bằng 1,48% trong khi tần số chuyển mạch (fs) của IGBT chỉ là 50 kilohert. Do đó, các kết quả thu được góp phần ứng dụng vào các bộ lọc công suất tích cực nâng cao chất lượng điện năng.

TNU Journal of Science and Technology 226(11): 30 - 37 STUDY OF GENETIC ALGORITHM APPLICATION TO OPTIMIZE THE PARAMETER OF A THREE-PHASE SHUNT ACTIVE POWER FILTER Phan Thanh Hien1*, Nguyen Hai Binh2, Vu Duy Hung2 1TNU - University of Technology - University of Economics - Technology for Industries 2UNETI ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 22/3/2021 Shunt active power filter (SAPF) is a powerful electric device used to eliminate harmonic components which are harmful to the electric network and equipment There are two main parameter groups of the SAPF should be optimized in order to get the better performance, and reduce the switching frequency of the devices of the inverter The first group is the values of the DC link capacitor and coupling inductor The second one is the parameters of the ProportionalIntegral controllers for controlling the power losses, and threephase compensating currents This paper presents the solution using Genetic algorithm (GA) to tune the coefficients of the PI controllers and to obtain optimum values of the capacitor and inductor of the filter at the same time The proposed methodology is demonstrated via Matlab/Simulink environment such that the total harmonic distortion (THD) equals 1.48% while the switching frequency (fs) of the Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) bridge is only 50 kilohertz Therefore, the obtained results contribute to the application of active power filters to improve the quality of electricity Revised: 23/6/2021 Published: 25/6/2021 KEYWORDS Active power filter Genetic Algorithm Harmonic filters Harmonic distortion Total harmonic distortion NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) ĐỂ TỐI ƯU HÓA THAM SỐ CỦA BỘ LỌC CƠNG SUẤT TÍCH CỰC BA PHA KIỂU SONG SONG Phan Thanh Hiền1*, Nguyễn Hải Bình2, Vũ Duy Hưng2 1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Ngày nhận bài: 22/3/2021 Bộ lọc cơng suất tích cực kiểu song song (SAPF- Shunt Active Power Filter) thường sử dụng để loại bỏ thành phần sóng hài có hại cho mạng điện thiết bị điện Có hai nhóm thơng số SAPF nên tối ưu hóa để có hiệu suất tốt giảm tần số đóng cắt IGBT Nhóm giá trị tụ điện liên kết DC cuộn cảm ghép nối Nhóm thứ hai thơng số điều khiển để kiểm soát tổn thất điện dịng điện bù Bài báo trình bày giải pháp sử dụng Giải thuật di truyền (GA) để điều chỉnh hệ số điều khiển PI thu giá trị tối ưu tụ điện cuộn cảm lọc lúc Phương pháp đề xuất chứng minh thông qua mô Matlab/ Simulink Kết quả, nhóm tác giả tìm tham số lọc cơng suất tích cực kiểu song song cho hệ số tổng méo sóng hài (THD- Total Harmonic Distortion) 1,48% tần số chuyển mạch (fs) IGBT 50 kilohert Do đó, kết thu góp phần ứng dụng vào lọc cơng suất tích cực nâng cao chất lượng điện Ngày hoàn thiện: 23/6/2021 Ngày đăng: 25/6/2021 TỪ KHĨA Bộ lọc cơng suất tích cực Giải thuật di truyền Bộ lọc sóng hài Méo sóng hài Tổng méo hài DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4196 * Corresponding author Email: phanthanhhien@tnut.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 30 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 30 - 37 Đặt vấn đề Sóng hài sóng điều hịa bậc cao có tần số bội số tần số sóng [1] Trong lưới điện sóng nguồn cấp sóng sin tần số 50Hz, sóng có tần số 150Hz, 250Hz sóng hài bậc 3, bậc (hình 1) Sóng hài gây nhiễu, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện cần ý tới tổng dòng điện hài cao mức độ giới hạn cho phép Hình Sóng sóng hài Hình Cấu trúc lọc cơng suất tích cực kiểu song song SAPF (Shunt Active Power Filter) lọc cơng suất tích cực kiểu song song [2], 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, minh họa hình Trong đó: - iS dòng điện nguồn phát - iC dịng điện lọc tích cực - iL dịng điện tải Ta có: (1) iS = iC + iL Để thực chức lọc SAPF hoạt động nguồn ba pha tạo dịng điện thích hợp bơm lên đường dây Dịng điện triệt tiêu sóng điều hịa bậc cao sinh tải phi tuyến thành phần ngược pha với tổng sóng điều hịa dịng điện bậc cao Hiệu suất SAPF đánh giá thông qua số méo hài tổng (THD) hệ thống điện: I  THD = 100    h  (2) h =  I1  Cấu trúc chất lượng điều khiển dịng iC ảnh hưởng đến chất lượng lọc SAPF, có nhiều phương pháp điều khiển giới thiệu điều khiển dải trễ [3], deadbeat [4], fuzzy logic [5], kỹ thuật điều khiển mạng nơ-ron [6], v.v Tuy nhiên, điều khiển (PI) biết đến điều khiển thông dụng, đơn giản hiệu ứng dụng rộng rãi Bộ điều khiển PI bao gồm tham số tỷ lệ tích phân, điều khiển để đảm bảo giá trị iC = iC* dựa sai số tín hiệu tham chiếu so với tín hiệu phản hồi Ngồi ra, điều khiển PI khơng sử dụng để tạo dòng điện bù mà để ổn định điện áp tụ điện liên kết DC Để điều khiển dịng điện bù, tín hiệu dịng điện đặt cho điều khiển xác định từ lý thuyết cơng suất tức thời p-q [7], tín hiệu dòng điện phản hồi đo từ đầu nghịch lưu Như vậy, thấy chất lượng SAPF cịn phụ thuộc vào thơng số nghịch lưu, cuộn cảm ghép tụ điện liên kết DC Do đó, báo trình bày cách tối ưu hóa tham số điều khiển PI thông số cuộn cảm ghép tụ điện liên kết DC thuật toán di truyền (GA) Thuật toán di truyền số kỹ thuật tìm kiếm tham số để làm cho hệ thống có hiệu suất cao  http://jst.tnu.edu.vn 31 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 30 - 37 Cấu trúc lọc cơng suất tích cực kiểu song song, thiết kế sở điều khiển PI 2.1 Cấu trúc điều khiển lọc cơng suất tích cực sử dụng điều khiển PI Hình Cấu trúc điều khiển lọc tích cực sử dụng điều khiển PI Cấu trúc lọc cơng suất tích cực điển hình 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 dòng điện đặt cần bù icref dựa dòng tải il,dòng điện cần bù lượng đặt cho mạch vòng 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 tồn phần nguồn áp [8] Giả thiết dịng điện qua tải phi tuyến bị méo sóng hài il, lọc cơng suất tích cực đo dịng il tính tốn để đưa lên lưới dịng điện bù iC cho dòng điện qua nguồn iS = il + iC ln hình sin Có nghĩa nguồn hài tải sinh bù hết iC 2.2 Ứng dụng lý thuyết công suất tức thời tính tốn dịng bù sóng hài Một cách phổ biến để xác định dòng điện tham chiếu dựa lý thuyết (pq) [7] Akagi đề xuất Lý thuyết trước hết biến đổi điện áp nguồn dòng tải hệ thống từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ cách sử dụng phép biến đổi Clarke [9]    v0  2   v  =   v     0     i0  2   i  =   i       − 2 −    Va     Vb   Vc    3 −      i  la    − ilb    ilc    3 −   − (3) (4) Trong đó, ila, ilb, ilc dòng tải Va, Vb and Vc điện áp nguồn cấp đến Theo lý thuyết công suất tức thời p-q, công suất tác dụng công suất phản kháng tính hệ tọa độ αβ sau:  p   v v  i   q  =  −v v  i           http://jst.tnu.edu.vn 32 (5) Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 30 - 37 p0 = v0 i0 (6) Biểu diễn công suất tức thời dạng thành tổng thành phần chiều thành phần xoay chiều sau:  p  p + p q = q + q      (7) Trong đó: + p and q thành phần chiều công suất tác dụng công suất phản kháng, tạo từ thành phần dòng tải [7] + p and q thành phần xoay chiều công suất tác dụng công suất phản kháng, tạo từ thành phần sóng hài bậc cao dòng tải Giá trị dòng điện đặt cho nghịch lưu biểu diễn theo hệ tọa độ αβ tính (8): ir   = 2 ir   v + v v v   − p      −v v   −q  (8) Điện áp tụ điện không ổn định nên cần bổ sung công suất (p0) để đảm bảo điện áp tụ không đổi Do vậy, giá trị dịng điện tham chiếu tính theo công thức (9) ir   = 2 ir  v + v v v   p + p0     −v v   − q  (9) Chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ abc ta có (10):     ira      2  ir  −   irb  = 3 2  ir   i   1  rc  − −  2  Từ ta tính tốn dịng điện tham chiếu theo sơ đồ cấu trúc hình (10) PI V*dc Vdc p0 Va Vb Calculation Vα, Vβ (3) Vc Lowpass Filter Calculation p, q (5) ila ilb p Calculation irα, irβ (9) q Calculation iα, iβ (4) Calculation ira, irb, irc ( 10 ) q ilc Hình Sơ đồ tính tốn dịng điện tham chiếu 2.3 Bộ điều khiển PI SAPF Bộ điều khiển PI hình để ổn định điện áp tụ C V*dc p0 evdc KpC Vdc s KiC Hình Cấu trúc điều khiển PI ổn định điện áp tụ C http://jst.tnu.edu.vn 33 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 30 - 37 Phương trình hàm truyền điều khiển PI mô tả (11) H (s) = K pC + KiC  s (11) Điện áp liên kết DC so sánh với giá trị đặt để tính sai lệch điều khiển PI có chức tạo công suất bù tổn thất cần thiết (p0) VSI [10] Sau thêm vào cơng suất thực sóng hài (9) xác định dịng điện tham chiếu Đầu bù điện áp liên kết DC tính (12) 1  p0 =  K pC + KiC    evdc s  (12) Bộ điều khiển PI điều khiển dịng bù sóng hài Bộ điều khiển dòng điện khác với phương pháp phổ biến điều khiển dải trễ Bài báo giới thiệu điều khiển PI kết hợp với sóng mang sóng tam giác (TWC) toán tử logic để tạo xung chuyển mạch IGBT [11], để điều khiển dịng điện hình ei ira,b,c ifa,b,c Kp Ki Udk,i Logic Operators s T1 T2 T3 T4 T5 T6 TWC Hình Cấu trúc điều khiển PI điều khiển dòng bù sóng hài Giả thiết nguồn cấp cân pha tải đối xứng pha nên tham số (Kp, Ki) pha giống 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  (13) Hình Cấu trúc tổng quát giải thuật di truyền (GA) Sử dụng giải thuật di truyền (GA) để tối ưu hóa tham số lọc cơng suất tích cực ba pha kiểu song song 3.1 Tối ưu hóa tham số lọc cơng suất tích cực ba pha kiểu song song sử dụng GA http://jst.tnu.edu.vn 34 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 30 - 37 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 minh họa thông qua sơ đồ hiển thị hình 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: Fitness = THD (Lf, Cdc, V*, KpC, KiC, Kp, Ki) (14) 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 4; Bước 4: Thực phép toán GA chọn lọc, lai tạo, đột biến để tạo quần thể [12] Sau đó, giải thuật lặp lại từ bước đạt đến điều kiện dừng Hoạt động GA phụ thuộc vào việc lựa chọn số tham số kích thước quần thể N, số hệ G, phương pháp biểu diễn cá thể, phép toán chọn lọc, phép toán lai tạo với xác suất lai tạo Pc, phép toán đột biến xác suất đột biến Pm Trong trình cài đặt giải thuật di truyền để tối ưu hóa tham số lọc cơng suất tích cực ba pha kiểu song song, tác giả thử nghiệm thay đổi số tham số giải thuật theo phương pháp “thử sai” tìm 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 Hình 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 Cấu trúc mô lọc tích cực ba pha mắc song song dựa theo lý thuyết công suất tức thời p-q thực phần mềm Matlab/Simulink minh họa hình Thơng số mơ hình mơ mơ tả Bảng Bảng Tham số mạch mô Nguồn cấp Tải phi tuyến Vs =380 Chỉnh lưu cầu diot tải RL (Rload=60Ω, Lload=0.2mH) f=50Hz http://jst.tnu.edu.vn 35 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 30 - 37 3.2 Kết 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 mơ sau: - 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 (Lf, Cdc, V*dc, KpC, KiC, Kp, Ki) Số lần gieo cho giải thuật di truyền GA = 40 - 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 = Các kết mô minh họa hình 9, 10,11 12 Hình Dịng điện pha sau đưa lọc tích cực vào làm việc Hình 11 Đáp ứng điện áp tụ (Vdc) sau có điều khiển PI Hình 10 Phân tích FFT tín hiệu dịng điện Hình 12 Dịng bù sóng hài 3.3 Nhận xét - Bộ điều khiển PI điều khiển kinh điển Do vậy, sử dụng 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 không 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 Ứng dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa tham số cho lọc tích cực điều khiển PI mà nhờ điều khiển PI đạt tiêu THD = 1,48% Nghiên cứu điều khiển lọc tích cực tiếp tục thu hút quan tâm nhà khoa học chuyên ngành nghiên cứu sinh với vấn đề sau: Thiết kế lọc tích cực phù http://jst.tnu.edu.vn 36 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 30 - 37 hợp cho tải phi tuyến không đối xứng gây nên THD [] lớn; Vừa lọc sóng hài vừa kết hợp bù cos cho lưới điện, Lời cảm ơn Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên hỗ trợ mặt cho nghiên cứu để đạt kết tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] S R Durdhavale, and D D Ahire, “A Review of Harmonics Detection and Measurement in Power System,” Int J Comput Appl., vol 143, no 10, pp 975-8887, 2016 [2] L Asiminoaei, F Blaabjerg, S Hansen, and P Thøgersen, “Adaptive compensation of reactive power with shunt active power filters,” IEEE Trans Ind Appl., vol 44, no 3, pp 867-877, 2008, doi: 10.1109/TIA.2008.921366 [3] M H Antchev, M P Petkova, H M Antchev, V T Gourgoulitsov, and S S Valtchev, “Study of a single-phase series active power filter with hysteresis control,” Proceeding Int Conf Electr Power Qual Util EPQU, pp 138-143, 2011, doi: 10.1109/EPQU.2011.6128921 [4] J Mossoba, and P W Lehn, “A controller architecture for high bandwidth active power filters,” IEEE Trans Power Electron., vol 18, no II, pp 317-325, 2003, doi: 10.1109/TPEL.2002.807101 [5] N Gotherwal, S Ray, N Gupta, and D Saxena, “Performance comparison of PI and fuzzy controller for indirect current control based shunt active power filter,” 1st IEEE Int Conf Power Electron Intell Control Energy Syst ICPEICES 2016, 2017, doi: 10.1109/ICPEICES.2016.7853460 [6] M Qasim and V Khadkikar, “Application of artificial neural networks for shunt active power filter control,” IEEE Trans Ind Informatics, vol 10, no 3, pp 1765-1774, 2014, doi: 10.1109/TII.2014.2322580 [7] H Akagi, E H Watanabe, and M Aredes, Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning, Published 2007, doi:10.1002/0470118938 [8] J Fei, Advanced Design and Control of Active Power Filters, Nova Science Pub Inc; UK ed edition, (December 30, 2013) [9] A H Budhrani, K J Bhayani, and A R Pathak, “Design Parameters of Shunt Active Filter for Harmonics Current Mitigation,” PDEU Journal of Energy and Management (ISSN 2581-5849), vol 2, no 2, pp 59-65, April 2018 [10] S K Khadem, M Basu, and M F Conlon, “Harmonic power compensation capacity of shunt active power filter and its relationship with design parameters,” IET Power Electron., vol 7, no 2, pp 418430, 2014, doi: 10.1049/iet-pel.2013.0098 [11] 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, doi: 10.1109/63.988669 [12] D Grabowski, and M Maciazek, “Cost effective allocation and sizing of active power filters using genetic algorithms,” 12th Int Conf Environ Electr Eng EEEIC 2013, pp 467-472, 2013, doi: 10.1109/EEEIC.2013.6549561 http://jst.tnu.edu.vn 37 Email: jst@tnu.edu.vn ... giải thuật di truyền (GA) Sử dụng giải thuật di truyền (GA) để tối ưu hóa tham số lọc cơng suất tích cực ba pha kiểu song song 3.1 Tối ưu hóa tham số lọc cơng suất tích cực ba pha kiểu song song... 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 Ứng dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa tham số cho lọc tích cực điều khiển... 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