Phân tích điều khiển và thiết kế bộ điều khiển pi-mờ cho mạch lọc tích cực dạng hỗn hợp công suất lớn nhằm cải thiện chất lượng điện năng

Phân tích điều khiển và thiết kế bộ điều khiển pi-mờ cho mạch lọc tích cực dạng hỗn hợp công suất lớn nhằm cải thiện chất lượng điện năng

THIEN CHAT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Châu Minh Thuyên” - Châu Văn Bảo” TÓM TẮT

Bài bảo phân tích mô hình toán của mạch lọc tích cực dạng hỗn hợp công suất lớn

(High-capacity hybrid active power fìlter-HHAPF) Dựa trên các phân tích này, các phương pháp

điều khiển cho HHAPF được đưa ra Một bộ điều khiển PILmờ được thiết kế để điều khiển bộ nghịch lưu nguôn áp (VSI) nhằm phát ra dòng hài bù như mong muốn Các kết quả mô phỏng và

thực nghiệm đã chứng tỏ được rằng phương pháp điều khiển Pl-mo cho các kết quả tốt hơn phương

pháp điều khiển PI truyền thống trong việc giảm hài và khả năng đáp ứng động

CONTROL ANALYSIS AND DESIGN OF PI-FUZZY CONTROLLER FOR

HIGH-CAPACITY HYBRID ACTIVE POWER FILTER TO IMPROVE POWER QUALITY SUMMARY

This paper aims to analyze mathematical model of High-capacity Hybrid Active Power Filter (HHAPF) Based on this analysis, control methods for HHAPF are proposed A PI-fuzzy logic controller is designed to control voltage source inverter (VSI) The VSI in turn will generate desired compensation harmonic currents Experimental and Simulation results shown that the PI-fuzzy logic control method gives results which are better than conventional PI control method in reducing harmonics and dynamic response capability

1 DAT VAN DE mạch lọc tích cực Việc sử dụng mạch lọc thụ

động có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, giá

thành thấp [1]-[3] Tuy nhiên, nó cũng có nhiều

khuyết điểm như là dễ xảy ra cộng hưởng, mat

ổn định Từ đó khái niệm “active power filter

(APF) — mạch lọc tích cực” ra đời nhằm khắc

phục các nhược điểm của mạch lọc thụ động

[4]-[5] Tuy nhiên, APF cũng có khuyết điểm là

giá thành cao và chỉ sử dụng cho hệ thống công

suất thấp, khó ứng dụng cho các hệ thống điện áp

Hiện nay, việc sử dụng ngày càng nhiều các

thiết bị điện tử công suất như: các bộ chỉnh lưu

diode hoặc thyristor, các bộ truyền động điều

khiển tốc độ, là nguyên nhân làm giảm chất

lượng điện năng trong lưới Để giải quyết vấn

đề này, có nhiều phương pháp như: sử dụng các

mạch lọc thụ động LC truyền thống (passive

power filter-PPF), ding mach loc tich cực và

dùng dạng hỗn hợp giữa mạch lọc thụ động và

* Khoa Điện — Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM - NCS tai Hunam University - China

'* Khoa Điện — Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM

38

Tạp chí Đại học Công nghiệp

cao Một giải pháp khác đã được đưa ra đề giải

quyết vẫn đề hài là Hybrid Active Power Filter

(HAPEF) [6]-[9] HAPF là một tổ hợp của các

mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực, chính

vì sự tổ hợp này mà nó kế thừa được ưu điểm

của cả mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực

Dựa vào việc sử dụng APF như thế nào mà

HAPF cũng có rất nhiều dạng Thông thường,

có hai dạng là HAPF song song và HAPF nối

tiếp Bài báo này sử dụng một dạng HAPF song

song cải tiến gọi là High-capacity Hybrid Active

Power Eilter HHAPF) Mục đích của dạng này

nhằm giảm được công suất của APF và do đó có

thể ứng dụng được với mạng lưới có điện áp cao,

công suất lớn

Về các phương pháp điều khiển cho HAPF

thường sử dụng các phương pháp như điều

khiển hysteresis, so sánh, tiên đoán, trượt, PI,

tích phân tổng quát, điều chế vectơ không

gian, và phương pháp thường được sử dụng

nhất là phương pháp điều khiển hysteresis và

phương pháp điều khiển PI Phương pháp điều

khiển Hysteresis [10] có ưu điểm là đơn giản,

đáp ứng nhanh nhưng khuyết điểm là phụ thuộc

vào tần số chuyển mạch, việc khắc phục nhược

điểm này cũng được nhưng mạch điều khiển hơi

phức tạp Với phương pháp điều khiển PI truyền

Ze

Bộ chỉnh ru vs!

théng thi rat don giản, dễ thực hiện thực nghiệm

[11] Tuy nhiên, khuyết điểm của điều khiển PI

là các thông số Kp, Ki là cố định, nếu chọn một giá trị Kp quá lớn thì đáp ứng sẽ nhanh nhưng rất dễ mắt ổn định và ngược lại Hơn nữa, trong

lĩnh vực khử hài thì quá trình điều khiển là phi

tuyến Do đó, nếu chỉ sử dụng điều khiển PI truyền thống thì rất khó để đạt được kết quả tốt

Để giải quyết khuyết điểm này người ta thường

dùng điều khiển mờ, neural, hoặc dạng kết hợp

PI với mờ, neural, [12]-[16]

Một bộ điều khiển PI-mờ được đưa ra trong

bài báo này, nhiệm vụ của bộ điều khiển này là

nhằm điều khiển bộ nghịch lưu nguồn áp phát ra dòng bù mong muốn Kết quả mô phỏng chứng minh được rằng phương pháp điều khiển PI-mờ cho kết quả tốt hơn phương pháp điều khiển PI truyền thống

2 CÁU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIEC CUA HHAPF

Cấu trúc của HHAPF được biểu diễn ở hình

1 gồm các phần chính sau: nguồn, tải phi tuyến, các mạch loc thy d6ng (PPF), APF (APF bao gồm: bộ nghịch lưu nguồn áp VSI, biến áp, mạch lọc đầu ra của VSI và bộ chỉnh lưu không

điều khiển)

Tải phí uyển

REE THÍ fí

DEE fee

EHEN=: Ly “a Ale RSS

Hình 1 Cấu rúc của HHAPF:

39

Trong đó: _U; và Z„ là điện áp nguồn và trở

kháng của lưới

© và Lp là các điện dung và điện

cảm tạo nên các mạch lọc thụ động

€i¡ và L¡ là điện dung và điện cảm

cộng hưởng tại tần số cơ bản

Œ là điện dung được thêm vào

nhằm lọc hài và bù công suất phan

kháng

Máy biến áp có tỉ số n:1 nhằm bảo

vệ, cách ly giữa nguồn và VSI

Lạ, Cọ là mạch lọc đầu ra của VSI

Tải phi tuyến được xem như là nguồn phát

ra hài, trong khi đó bộ nghịch lưu nguồn áp VSI

có thể xem như một nguồn áp có khả năng điều

khiển được Các hài tần số cao đo tải phi tuyến

tạo ra phần lớn sẽ được loại bỏ bởi các mạch lọc

thụ động, còn lại các hài bậc thấp và một số hài

bậc cao sẽ được loại bỏ bởi APE APF phat ra

các hài để bù vào lưới nhằm triệt tiêu các hài đo

tải phi tuyến tạo ra Chính vì vậy mà hài trên

lưới được loại trừ Nhánh Cg-C¡-Lị được thêm

vào nhằm mục đích khử hài, bù công suất phản

kháng và giảm được công suất của APF Do đó

mnà mạch này ứng dụng được ở các lưới điện áp

cao, công suất lớn Quá trình điều khiển đóng

mở các IGBT của VSI được thực hiện bám theo

sự thay đổi của đòng hài tải Do vậy, việc tính

toán đúng các thông số và chọn phương pháp

điều khiển rất quan trọng

3 MÔ HÌNH TOÁN VÀ CÁC PHƯƠNG

PHAP DIEU KHIEN

Mach điện tương đương một pha của

HHAPF được biểu diễn ở hình 2

40

u.] ZL œ

8 OO 3

TẾ

Hình 2 Mạch điện tương đương một pha của

HHAPF

'Trở kháng của các mạch lọc thụ động

2; = Zppr

= (Ze, +21)! (Zep, + 2142) @®

— Zen * Zip Zen, + Zep) Zen + 2p) + Zep, + Zy2)

Xét riêng tác động của bộ nghịch lưu nguồn

áp, đặt U,=0, i,=0

Hình 3 Mạch điện tương ấương một pha khi

chỉ xét tác động của VSI Trong đó:

Z,=R,+L,s

a R,+Ls+ ¿

WW, Z,Z,

La WZ ,y[Z,(Z, + Z,)+Z,(2, +22 +2,)Ì+ 2 (2,2, + Z,Z, + Z:Z,)

(3)

Tạp chí Đại học Công nghiệp

Hàm truyền cua ifn đối với Uinv

Gug(3) = “WZy [Z,(Z,+2Z,)+Z,(Z,+Z,+Z,)|+Z,(Z,Z, +Z,Z, +Z,Z,) 4) Đặc tính tần số - biên độ của G„„(s) được biểu diễn như hình 4

Phase

(deg) ĩ

Hình 4 Đặc ứính biên độ - tần số của G„(s)

Từ đặc tính tần số - biên độ, ta có thể nhận thấy:

có một điểm cộng hưởng tại tần số 504rad/s

tương ứng góc pha thay đổi từ 90° đến -90°

Điều đó chứng tỏ rằng phần mạch từ đầu ra của

VSI đến lưới có khả năng gây ra cộng hưởng

Để giải quyết điều này, tại một thời điểm phải

xem xét điều khiển cả góc pha - biên độ và do

đó các phương pháp điều khiển VSI sẽ được

xem xét đến

Xét thành phan Ui:

im được điều khiển bởi VSI, VSI như một

nguồn áp điều khiển được Gọi G,(s) va Ginv(S)

là hàm truyền của bộ điều khiển và của bộ

nghịch lưu nguồn áp Có hai phương pháp điều

khiển cho Ưz„ là điều khiển dựa theo dòng hài của tải và điều khiển dựa theo dòng hài của

nguồn

+ Điều khiển dựa theo dòng hài của tải

fen

Hình 5 Sơ dé khối điều khiển dựa theo dong

hài tải G.(3).G„(9)4,„

_ 1+6.6)6, 006,6) 4z Đấu — — KG), 6 5

iny =

41

G, (s).G„„ (5)

Vớ KI6)~10.0)66.6)6„0)

+ Điều khiển dựa theo dòng hài của nguồn

Hình 6 Sơ dé khối điều khiển dựa theo dòng

hài nguồn Din = GAS)-Giny (Sign) = K (9) ig, (6)

Với K;(s)==G,(5)G„@)

Như vậy, ta có thể xem VSI như một nguồn áp

Kin 4,06%

Mạch điện tương đương một pha với ảnh

hưởng của nguồn hài được biểu diễn ở hình 7

có khả năng điều khiển U,„ = {

Trong đó: Z„„, là trở kháng nhánh cộng

hưởng tần số cơ bản

iapr: dòng điện đầu ra cla APF

> ^^

dụ ve

¬

Su "® T

fz le

Hình 7 Mạch điện trơng duong mét pha voi

ảnh hưởng của nguồn hài

Từ hình 7 ta có:

by = lan tl

h =ly +1 er,

1,2, tip Zs =U y

hom th Zein = 2a

42

+ VOI igy = Ki,, tt (7) ta tinh được:

= 24 Zon ~KZew Zain,

= (2.4 Lo \Zs +24) + 325, (8)

lu

Từ công thức (8) ta nhận thấy rằng: có thể loại

trừ được tác động của dòng hài tải nếu K đủ lớn

thi iz„ sẽ được loại trừ

+Với ¡„„=Ki„ từ (7) ta tính được::

(2; + Zcin)Z3¡ + (22 + Zein + Zs 4 Z4: + Zeän +Z4)* Z2 +2Z¡ + KZeun)

@)

Từ (9) ta nhận thấy rằng: có thể loại trừ được

tác động của dòng hài tải và điện áp hài nguồn

nếu K đủ lớn K là hệ số

thuộc vào phương pháp điều khiển được chọn

đụ =

ều khiển, nó phụ

Về nguyên lí điều khiển thì hai phương pháp điều khiển trên là tương tự nhau Bài báo này

chọn phương pháp điều khiển dựa theo dòng hài

của tải

4 THIẾT KE BQ DIEU KHIEN PI-MO CHO HHAPF

Phan điều khiển thường dùng bộ điều khiển

PI truyền thống Tuy nhiên nó thường không tốt

trong các điều khiển phi tuyến Bài báo này thiết

kế một bộ điều khiển PI-mờ nhằm thay thế bộ điều khiển PI truyền thống

Sơ đồ khối điều khiển của HHPAF dùng bộ điều khiển PI-mờ được biểu diễn ở hình 8.

Tạp chí Đại học Công nghiệp

Tun = Bộ điêu khiên PI

Bộ điều khiên

mờ

ute)

Hình 8 Sơ đô khối điều khiển của HHAPF dùng Pl-mờ

Các thông số Kp, K¡ ban đầu của bộ điều hợp lí theo sự thay đổi của tải

khiển PI được tính toán offline dựa vào phương

pháp Ziegler-Nichols và không thay đổi trong

quá trình điều khiển Bộ điều khiển mờ sẽ hiệu

chỉnh các giá trị AKp và AKi, do đó các thông số

Kp, Ky cia bộ điều khiển PI sẽ được điều chỉnh

Kronen = Kraut + AK,

Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ có thể

được biêu diễn như hình 9

Luat mo

Đầu vảo ' Khâu mở hcả > Cơ chế suy diễn Giải mờ » Đầu ra

*

Cơ sở dữ liệu

Hình 9 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ

Ở đây, các đầu vào của bộ điều khiển mờ là các biến mờ thì cần phải qua khâu mờ hóa,

e(k) va Ae(k): chúng được biểu diễn dưới dạng các hàm thuộc

như sau: đương lớn (DL), dương trung bình (DTB), dương nhỏ (DN), không (ZO), âm nhỏ

Ae(k)=e(k)-e(k-1) (AN), âm trung bình (ATB) và âm lớn (AL)

Giá trị của e(k) và Ae(k) thay đổi theo hệ _ Các hàm thuộc này được lưu trong cơ sở dữ liệu

thông thực Do đó, đê đưa các đầu vào này vào

AL AIB AN ZO 2N 2I8 0L AL AIB AN 2Ó 2N 218 UL

e(k)=-i,n -irh

8 4 2 elk) 09 2 4 8 4 2 Ae(k) 0 2 3

AL ATB AN ZO ON 3TB OL AL ATB AN ZO ON DTB 2L

\

3 2 1 3 1 2 3 08 -34 02 J3 02 04 08

Hình 10 Các hàm thuộc của các biến mờ vào - ra

4

Các luật mờ là cốt lỗi của bộ điều khiển mờ _ xác lập Các luật mờ có thé thu được như ở bảng

và thường được xác định theo kinh nghiệm I va bang II

Mục đích là đạt được giá trị cực tiểu ở chế độ

Bang L Các luật điều chỉnh mờ của AKp

ATB | DL | DL | DTB| DN | DN | ZO | ZO

e(k)

ZO DTB | DN | ZO | ZO | AN | AN | ATB

DN DN | DN | ZO | AN | AN | ATB | ATB DTB | ZO | ZO | AN | ATB | ATB | ATB | AL

DL ZO | AN | ATB| ATB | ATB | AL | AL Bang II Các luật điều chỉnh mờ của AK¡

AL | ATB| AN | ZO | DN | DTB| DL

AL ZO | ZO | ATB | ATB | ATB | ZO | ZO ATB | ZO | ZO | ATB | ATB | AN | ZO | ZO

AN ZO | ZO | AN | AN | ZO | ZO | ZO

ZO ZO | ZO | AN | ZO | DN | ZO | ZO

DN ZO | ZO | ZO | DN |} DN | ZO | ZO DTB | ZO | ZO | DN | DN | DTB| ZO | ZO

44

Tạp chí Đại học Công nghiệp

Ví dụ:

Nếu e) là AL và 4e() là AL thì 4K; phải

là DL và 4K; phải là ZO; hoặc

Nếu e() là DL và 4e() là AL thì 4K; phải

là ZO và 4K; phải là ZO; hoặc

Néu e(k) la ZO và Ae(k) 1a ZO thi AKp phải

la ZO va AK; phải là ZO; hoặc

Nếu

Các luật mờ này cho phép suy diễn giá trị

đầu ra Chọn luật hợp thành theo nguyên tắc

min-max Giải mờ theo phương pháp trọng tâm

Hàm thuộc cuối cùng thu được bằng cách tổ hợp

tất cả các hàm thuộc Giá trị này là trọng tâm

của các hàm thuộc và được tính bởi công thức

Sau:

Dui (eW,Ae())AK py:

Knew = K pod +

ya (e&),AeŒ&))

3 „(e(),Ae(Đ)AK„

Knew = Kod +=

Yuile(k),deck))

5 CAC KET QUA MO PHONG VA

THYC NGHIEM

5.1 Các kết quả mô phỏng

Các thông số mô phỏng:

Nguồn: 10kV-50Hz; R; = 0.5O, Ls = 0.2mH

Cz= 20.65uF; C¡ = 690uF; Lị = 14.75mH; Rị=

0.01680

Mạch lọc thụ động: Cpị = 49.75uF; Lp: =

1.77mH; Q = 50; Cp2= 44.76uF; Lp2 = 1.37mH;

Q=50

Cr= 19.65uF; C)= 690uF; Lị = 14.75mH; Ri =

0.01680

Bộ nghịch wu nguén dp: L, = 0.2mH, R, = 0.005Q, C.= 60uF, Vẹ = 600V

Vaguon, it, is, itn irs, error lan lugt là điện áp nguồn, đòng tải, dòng nguồn, dòng hài tải, dòng

bù vào hệ thống và sai số bù tương ứng

Hình 11 thể hiện đáp ứng động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PI truyền thống

Trước thời điểm 0.3s hệ thống chưa có PPE và

APF thi iz và ¡; là như nhau và có độ méo dạng

hài tổng THD=10.97%, hệ số công suất là 0.61

Khoảng thời gian từ 0.3s đến 0.6s các mạch lọc

PPF được đóng vào hệ thống: THD của i; tăng lên đến 14.2%, tuy nhiên hệ số công suất của nguồn tăng được tăng lên đến 0.96 từ 0.61

Khoảng thời gian từ 0.6s đến 1.2s các mạch lọc PPF và APF được đóng vào hệ thống: THD của

it 1a 10.97%, THD cua i, giam xuống còn 3.2%

từ 14.2%, sai số bù được giảm đến +20A trong 0.07s, hệ số công suất của nguồn là 0.96 Khoảng thời gian từ 1.2s đến 2s, tải thay đổi (THD của tải tăng lên đến 15.74% từ 10.97%), các mạch lọc PPF và APF vẫn ở trạng thái như trước đó: THD của i¡ là 15.74%, THD của i, tăng từ 3.2% lên 5,6%, sai số bù tăng lên đến +25A từ +20A

Hình 12 thể hiện đáp ứng động của hệ

thống khi sử dụng bộ điều khiển PI-mờ Trước thời điểm 0.3s hệ thông chưa có PPF và APF thi

iy và ¡s là như nhau và có độ méo dạng hài tổng

THD = 10.97%, hệ số công suất là 0.61 Khoảng

thời gian từ 0.3s đến 0.6s các mach loc PPF được đóng vào hệ thống: THD của ¡, tăng lên đến 14.2%, tuy nhiên hệ số công suất của nguồn tăng được tăng lên đến 0.96 từ 0.61 Khoảng thời gian từ 0.6s đến 1.2s các mạch lọc PPE và APF được đóng vào hệ thống: THD cia ¡¡ là

10.97%, THD của i, giảm xuống còn 1.7% từ 14.2%, sai số bù được giảm đến +7A trong

45

0.06s Khoảng thời gian từ 1.2s đến 2s, tải thay

đổi (THD của tải tăng lên đến 15.74% từ

10.95%), các mạch lọc PPF va APF van 6 trang

thái như trước d6: THD cia i, 14 15.74%, THD

của i, là 1.9%, sai số bù tăng lên đến +10A từ

+7A

Hình 13 thể hiện trạng thái xác lập của

HHAPE khi sử dụng bộ điều khiển PI truyền

thống: THD giảm xuống còn 5.6% từ 15,74% và

hệ số công suất tăng lên đến 0.94 từ 0.65

Hình 14 thể hiện trạng thái xác lập của

HHAPF khi sử dụng bộ điều khiển PI-mờ: THD giảm xuống còn 1.9% từ 15,74% và hệ số công suất tăng lên đến 0.96 từ 0.65

Bảng tóm tắt các kết qủa mô phỏng thể hiện ở

bang III va bang IV

Bang III: Các kết quả mô phỏng với phương pháp PI truyén thong

Chưa thay đổi tái Thay đổi tải

(THD tăng từ 10,9%

PPF

it 10.97% | 0.61 | 10.97% | 0.61 | 10.97% 0.61 15.74% 0.65

Bang IV: Các kết quả mô phỏng với phương pháp Pl-mờ

(THD tăng từ 10,9%

pháp THD |Coso| THD | Cosọ | THD Cosp THD Cosp

PIrmờ | chưa chưa | khi khi khi có khi có khi có khi có

PPF

it 10.97% | 0.61 | 10.97% | 0.61 | 10.97% 0.61 15.74% 0.65

ig 10.97% | 0.61 | 14.2% | 0.96 | 1.7% 0.96 1.9% 0.96

46

Tạp chí Đại học Công nghiệp

vane 2"

10006 it

500 09

600.00 Ễ T T T

600.00 + ~ ~

500.00

000 AA en oan

500 0

h

=

0.00 Hi

400.00 Li 0m 00 + 10 + 188 + 2m

‘Time (s)

Hinh 11 Cac két quả mô phỏng đáp ứng động với bộ diéu khién PI

Time (s)

Hình 12 Các kết quả mô phỏng đáp ứng động với bộ điều khiển PI-mờ:

47