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 Châu Minh Thuyên * – Châu Văn Bảo ** TÓM TẮT

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

Châu Minh Thuyên * – Châu Văn Bảo **

TÓM TẮT

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

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

điều khiển cho HHAPF được đưa ra Một bộ điều khiển PI-mờ được thiết kế để điều khiển bộ

nghịch lưu nguồn 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 PI-mờ 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 ĐẶT VẤN ĐỀ

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), dùng mạch lọc tích cực và

dùng dạng hỗn hợp giữa mạch lọc thụ động và

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, mất

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

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

** Khoa Điện – Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM

cao Một giải pháp khác đã được đưa ra để giải

quyết vấn đề hài là Hybrid Active Power Filter

(HAPF) [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 Filter (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

thống thì rất đơn 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 mất ổn định và nguợc 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 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HHAPF

Cấu trúc của HHAPF được biểu diễn ở hình

1 gồm các phần chính sau: nguồn, tải phi tuyến, các mạch lọc thụ động (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)

ZS

US

CF C1 L1

0

L

0

C

Tải phi tuyến

C

380V

AC

Bộ chỉnh

PPF CP

LP

Hình 1 Cấu trúc của HHAPF

Trong đó: Us và Zs là điện áp nguồn và trở

kháng của lưới

Cp và Lp là các điện dung và điện

cảm tạo nên các mạch lọc thụ động

C1 và L1 là điện dung và điện cảm

cộng hưởng tại tần số cơ bản

CF là điện dung được thêm vào

nhằm lọc hài và bù công suất phản

kháng

Máy biến áp có tỉ số n:1 nhằm bảo

vệ, cách ly giữa nguồn và VSI

L0, C0 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 do 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 APF APF phát ra

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

tải phi tuyến tạo ra Chính vì vậy mà hài trên

lưới được loại trừ Nhánh CF-C1-L1 được thêm

vào nhằm mục đích khử hài, bù công suất phản

kháng và giảm được công suất của APF Do đó

mà 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 dòng 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

PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Mạch điện tương đương một pha của

HHAPF được biểu diễn ở hình 2

Hình 2 Mạch điện tương đương một pha của

HHAPF

Trở kháng của các mạch lọc thụ động

3

PPF

=

=

(1)

Xét riêng tác động của bộ nghịch lưu nguồn

áp, đặt U s =0, i L =0

Hình 3. Mạch điện tương đương một pha khi

chỉ xét tác động của VSI

Trong đó:

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎩

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎨

⎧

+

=

=

+ + +

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+ +

=

+

=

s L R Z

s C Z

s C s L R s C n

s C s L R s C

n Z

s L R Z

L F

s s s

0 0 0 2

1 1 1 0 2

1 1 1 0 2

1

1

1

1 (2)

Tính được

.

3 3 2 2 1 3 2 1 2 1 3 0

s s

s L

inv Fh

Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z n

Z Z nU i

+ + +

+ + + +

(3)

Hàm truyền của i Fh đối với U inv

2

Fh out

Đặc tính tần số - biên độ của G out (s) được biểu diễn như hình 4

Hình 4 Đặc tính biên độ - tần số của G out (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 90o đến -90o

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 phần U inv:

i Fh được điều khiển bởi VSI, VSI như một

nguồn áp điều khiển được Gọi Gc(s) và Ginv(s)

là hàm truyền của bộ điều khiển và của bộ

nghịch lưu nguồn áp Có hai phương pháp điều

khiển cho U inv 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

Hình 5. Sơ đồ khối điều khiển dựa theo dòng

hài tải

Lh out

inv c

h inv c

s G s G s G

i s G s G

) ( ).

( ).

( 1

).

( ).

(

1

= +

−

Với

) ( )

( )

( 1

) ( )

( )

(

1

s G s G s G

s G s G s

K

out inv

c

inv c

+

−

+ Điều khiển dựa theo dòng hài của nguồn

Hình 6 Sơ đồ khối điều khiển dựa theo dòng

hài nguồn

sh sh

inv

c

inv G s G s i K s i

U = ( ) ( )(− )= 2( ) (6)

Với )K2(s)=−G c(s).G inv(s

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

có khả năng điều khiển

⎩

⎨

⎧

=

sh

Lh inv

i s K

i s K U

) (

) (

2 1

Mạch điện tương đương một pha với ảnh

hưởng của nguồn hài được biểu diễn ở hình 7

Trong đó:

1

L C

Z là trở kháng nhánh cộng hưởng tần số cơ bản

i apf : dòng điện đầu ra của APF

Z C 1 L 1

Z 2

Z 3

i Fh

Z sh

i Lh

i sh

U sh

i apf

i Ph i CFh

i 1

Hình 7 Mạch điện tương đương một pha với

ảnh hưởng của nguồn hài

Từ hình 7 ta có:

⎪

⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎪

⎨

⎧

= +

= +

+

=

+

=

+

=

3 1

1 1

2

3 1

Z i Z

i

Z

i

U Z

i

Z

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

Ph L C

CFh

sh Ph

sh

sh

CFh

Ph

Fh

CFh

apf

Fh

Lh

sh

(7)

+ Với i apf =Ki Lh từ (7) ta tính được:

sh sh

L C

Lh L C L

C sh

Z Z Z Z Z Z

i Z KZ Z

Z i

3 3

1 1 2

3 1 1 1

1 2

) )(

(

) (

+ + +

− +

Từ công thức (8) ta nhận thấy rằng: có thể loại trừ được tác động của dòng hài tải nếu K đủ lớn

thì ish sẽ được loại trừ

+ Với i apf =Ki sh từ (7) ta tính được::

) (

) (

) (

) (

1 1 2

3 3 1 1 2

3 1 1 2 3

1 1 2

L C sh L

C sh

sh L

C Lh

L C sh

KZ Z

Z Z Z Z

Z Z

U Z Z

Z i Z Z Z i

+ + +

+ +

+ +

+ +

=

(9)

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 điều khiển, nó phụ

thuộc vào phương pháp điều khiển được chọn

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 KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI-MỜ CHO HHAPF

Phần 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

Hình 8. Sơ đồ khối điều khiển của HHAPF dùng PI-mờ

Các thông số KP, KI ban đầu của bộ điều

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 ΔKP và ΔKI, do đó các thông số

KP, KI của bộ điều khiển PI sẽ được điều chỉnh

hợp lí theo sự thay đổi của tải

⎩

⎨

⎧

Δ +

=

Δ +

=

−

−

−

−

I old I new I

P old

P new P

K K

K

K K

K

(10)

Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ có thể được biểu diễn như hình 9

Hình 9. Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ

Ở đây, các đầu vào của bộ điều khiển mờ là

e(k) và Δe(k):

e(k)=-i Lh -i Fh

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

Giá trị của e(k) và Δe(k) thay đổi theo hệ

thống thực Do đó, để đưa các đầu vào này vào

các biến mờ thì cần phải qua khâu mờ hóa, chúng được biểu diễn dưới dạng các hàm thuộc như sau: dương lớn (DL), dương trung bình (DTB), dương nhỏ (DN), không (ZO), âm nhỏ (AN), âm trung bình (ATB) và âm lớn (AL) Các hàm thuộc này được lưu trong cơ sở dữ liệu

P K

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

Các luật mờ là cốt lỗi của bộ điều khiển mờ

và thường được xác định theo kinh nghiệm

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

xác lập Các luật mờ có thể thu được như ở bảng

I và bảng II

Bảng I. Các luật điều chỉnh mờ của ΔK P

e(k)

ATB DL DL DTB DN DN ZO ZO

AN DTB DTB DN DN ZO AN ATB

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

Bảng II Các luật điều chỉnh mờ của ΔK I

e(k)

AL ZO ZO ATB ATB ATB ZO ZO

ATB ZO ZO ATB ATB AN ZO ZO

DTB ZO ZO DN DN DTB ZO ZO

DL ZO ZO AN DTB DTB ZO ZO

Ví dụ:

Nếu e(k) là AL và Δe(k) là AL thì ΔK P phải

là DL và ΔK I phải là ZO; hoặc

Nếu e(k) là DL và Δe(k) là AL thì ΔK P phải

là ZO và ΔK I phải là ZO; hoặc

Nếu e(k) là ZO và Δe(k) là ZO thì ΔK P phải

là ZO và ΔK I 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:

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎨

⎧

Δ

Δ Δ +

=

Δ

Δ Δ +

=

∑

∑

∑

∑

=

=

−

−

=

=

−

−

n

i i

n

i

Ii i

old

I

new

I

n

i i

n

i

Pi i

old

P

new

P

k e k e

K k e k e K

K

k e k e

K k e k e K

K

1 1 1 1

) ( ), (

) ( ), (

) ( ), (

) ( ), (

μ μ μ μ

(11)

5 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ

THỰC NGHIỆM

5.1 Các kết quả mô phỏng

Các thông số mô phỏng:

Nguồn: 10kV-50Hz; Rs = 0.5Ω, Ls = 0.2mH

CF = 20.65uF; C1 = 690uF; L1 = 14.75mH; R1 =

0.0168Ω

Mạch lọc thụ động: CP1 = 49.75uF; LP1 =

1.77mH; Q = 50; CP2 = 44.76uF; LP2 = 1.37mH;

Q = 50

CF = 19.65uF; C1 = 690uF; L1 = 14.75mH; R1 =

0.0168Ω

Bộ nghịch lưu nguồn áp: Lo = 0.2mH，Ro = 0.005Ω, Co = 60uF, VC = 600V

V nguon , i L , i s , i Lh , i Fh , error lần lượt là điện áp

nguồn, dòng 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 PPF và APF thì iL và is 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 is 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

iL là 10.97%, THD của is giảm 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 iL là 15.74%, THD của is 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 thống chưa có PPF và APF thì

iL và is 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 is 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 iL là 10.97%, THD của is giảm xuống còn 1.7% từ 14.2%, sai số bù được giảm đến ±7A trong

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 và APF vẫn ở trạng

thái như trước đó: THD của iL là 15.74%, THD

của is là 1.9%, sai số bù tăng lên đến ±10A từ

±7A

Hình 13 thể hiện trạng thái xác lập của

HHAPF 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 bảng III và bảng IV

Bảng III: Các kết quả mô phỏng với phương pháp PI truyền thống

Phương

pháp

PI

(THD tăng từ 10,9%

lên 15,74%)

THD

chưa

bù

Cosφ chưa

bù

THD khi chỉ có PPF

Cosφ khi chỉ

có PPF

THD khi có APF+PPF

Cosφ khi có APF+PPF

THD khi có APF+PPF

Cosφ khi có APF+PPF

iL 10.97% 0.61 10.97% 0.61 10.97% 0.61 15.74% 0.65

is 10.97% 0.61 14.2% 0.96 3.2% 0.96 5.6% 0.94

Bảng IV: Các kết quả mô phỏng với phương pháp PI-mờ

Phương

pháp

PI+mờ

(THD tăng từ 10,9%

lên 15,74%)

THD

chưa

bù

Cosφ chưa

bù

THD khi chỉ có PPF

Cosφ khi chỉ

có PPF

THD khi có APF+PPF

Cosφ khi có APF+PPF

THD khi có APF+PPF

Cosφ khi có APF+PPF

iL 10.97% 0.61 10.97% 0.61 10.97% 0.61 15.74% 0.65

is 10.97% 0.61 14.2% 0.96 1.7% 0.96 1.9% 0.96

Hình 11 Các kết quả mô phỏng đáp ứng động với bộ điều khiển PI

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