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

Đểgiảm ảnh hưởng của sóng hài, người ta sử dụng bộ lọc tích cực, bộ lọc tích cực mắcphía trước một nhóm phụ tải có nhiệm vụ bù các sóng hài bậc cao và bù công suấtphản kháng thông qua mộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHAN THANH HIỀN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHAN THANH HIỀN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MÃ SỐ: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS NGUYỄN DUY CƯƠNG

2 GS.TSKH HORST PUTA

THÁI NGUYÊN – 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướngdẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học Các tài liệu tham khảo đãđược trích dẫn đầy đủ Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai công

bố trên bất cứ một công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 03 năm 2021

Tác giả

PHAN THANH HIỀN

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận án tôi đã nhận được rất nhiều sự ủng hộ về công tác

tổ chức và chuyên môn của Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ Thuật Công NghiệpThái Nguyên, Đại học Thái Nguyên; của Bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện

- Đại học Bách khoa Hà nội Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới hai cơ sở đào tạonày, đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoànthành luận án

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi cũng xin chân thành cảm ơn tập thểhướng dẫn là PGS.TS Nguyễn Duy Cương, GS.TSKH Horst Puta, những ngườiThầy đã dành nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và định hướng chuyênmôn cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Điện tử, Bộ môn Điện tử viễnthông trường Đại học kỹ thuật công nghiệp nơi tôi công tác đã tạo điều kiện thuậnlợi giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, những người bạn thân thiết

đã luôn giúp đỡ, động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn trong thời gian tôi học tập đểhoàn thành khóa học

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2021

Tác giả luận án

PHAN THANH HIỀN

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 11

1 Tính cấp thiết của đề tài 11

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 12

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 12

4 Phương pháp nghiên cứu 12

5 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 13

6 Bố cục của luận án 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 16

1.1 Sóng hài trong lưới điện và giải pháp lọc sóng hài 16

1.1.1 Sóng hài trong lưới điện 16

1.1.2 Giải pháp lọc sóng hài 22

1.2 Bộ lọc công suất tích cực và các vấn đề trong thiết kế bộ lọc công suất tích cực 22

1.2.1 Tổng quan về bộ lọc công suất tích cực 22

1.2.2 Các vấn đề trong thiết kế bộ lọc tích cực 23

a.Cấu trúc bộ lọc tích cực 23

b.Tính toán xác định dòng bù sóng hài 25

c.Tính toán thông số bộ nghịch lưu 28

1.3 Các nghiên cứu trong nước, ngoài nước và định hướng nghiên cứu của đề tài 29

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước 29

1.3.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài 30

1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án 30

1.5 Kết luận chương 1 31

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA BỘ LỌC CÔNG SUẤT TÍCH CỰC32 2.1 Cấu trúc bộ lọc công suất tích cực kiểu song song 32

2.2 Tìm dòng điện tham chiếu dựa theo lý thuyết công suất phản kháng tức thời (p,q) 34

2.2.1 Biến đổi Clarke (Clarke transformation) 35

2.2.2 Lý thuyết công suất tức thời 36

2.2.3 Ứng dụng công suất tức thời trong tính toán dòng bù sóng hài 41

2.3 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC CÔNG SUẤT TÍCH CỰC 45

3.1 Cấu trúc điều khiển của bộ lọc công suất tích cực 45

3.2 Bộ điều khiển dải trễ (Hysteresis current control -HCC) thiết kế dựa trên mô hình toán xây dựng theo lý thuyết công suất tức thời p-q 48

3.2.1 Bộ điều khiển dải trễ (HCC) thích nghi dựa vào cơ chế chỉnh định mờ thiết kế dựa trên mô hình toán xây dựng theo lý thuyết công suất tức thời p-q 51

3.3 Thiết ké bộ lọc công suất tích cực trên cơ sở bộ điều khiển PI 57

3.3.1 Mạch vòng phụ 58

3.3.2 Mạch vòng tính toán dòng điện đặt ia, ib, ic 58

3.3.3 Bộ điều khiển dòng điện bù cho bộ lọc công suất tích cực 59

3.3.4 Sử dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa tham số của bộ lọc công suất tích cực ba pha kiểu song song 61

3.4 Kết luận chương 3 64

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULINK 65

4.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống bộ lọc công suất tích cực ba pha theo lý thuyết công suất tức thời p-q xây dựng trên MATLAB/SIMULINK 65

4.1.1 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ lọc tích cực với phương pháp điều khiển Hysteresis current controller 66

4.1.2 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ lọc tích cực với phương pháp điều khiển Hysteresis current controller chỉnh định tham số bằng mờ 70

4.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống bộ lọc công suất tích cực ba pha theo lý thuyết công suất tức thời p-q xây dựng trên MATLAB – SIMULINK . 73

4.3 Kết quả mô phỏng của đề xuất sử dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu tham số bộ lọc tích cực với cấu trúc bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân 73

4.3.1 Số liệu đầu vào 73

4.3.2 Kết quả 74

4.3.3 Nhận xét 76

4.4 Kết luận chương 4 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

1 Kết luận: 77

2 Kiến nghị 77

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

HCC Hysteresis current controller Bộ điều khiển dải trễ

THD Total Harmonic Distortion Tổng méo sóng hài

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

VSI Voltage Source Inverter Nghịch lưu nguồn áp

LQG Linear Quadratic Gausian Điều khiển Gauss tuyến tính - bậc haiLQR Linear Quadratic Regulator Bộ điều khiển tuyến tính bậc hai

LTI Linear Time - Invariant Hệ thống tuyến tính bất biến theo

thời gianMIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MPC Model Prediction Control Điều khiển mô hình dự báo

PD Proportional–Derivative Điều khiển tỉ lệ - vi phân

PID Proportional–Integral–Derivative Điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân

ANFIS Adaptive Network-based Fuzzy Mạng thích nghi trên nền suy luận

SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3-1 Trạng thái đóng mở của IGBT thông qua quá trình phóng nạp tụ C 50Bảng 3-2 Luật mờ 57Bảng 4-1 Các thông số của hệ thống mô phỏng trên matlab 65Bảng 4-2 So sánh kết quả bộ lọc tích cực với bộ điều khiển HCC và HCC thíchnghi 72Bảng 4-3 Các thông số của hệ thống mô phỏng trên matlab 73

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Sóng cơ bản và các sóng hài 16

Hình 1-2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 18

Hình 1-3: Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 19

Hình 1-4: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 19

Hình 1-5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển 20

Hình 1-6: Dòng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha bằng 30o 20

Hình 1-7: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 30o 20 Hình 1-8: Dòng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha bằng 90o 21

Hình 1-9: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 90o 21 Hình 1-10: Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực 22

Hình 1-11: Sơ đồ khối tổng quát của bộ lọc tích cực 23

Hình 1-12: Phân loại bộ lọc tích cực theo cấu trúc 23

Hình 1-13: Cấu trúc Shunt APF 24

Hình 1-14: Cấu trúc bộ lọc Series APF 24

Hình 1-15: Cấu trúc bộ lọc kết hợp bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động 25

Hình 1-16: Thuật toán xác định dòng bù trong hệ d-q 27

Hình 1-17: Mô hình bộ lọc tích cực theo ly thuyết p-q 28

Hình 1-18: Bộ nghịch lưu 28

Hình 2-1: Cấu trúc cơ bản của bộ lọc công suất tích cực kiểu song song 32

Hình 2-2: Sơ đồ cấu trúc của khâu dòng điện tham chiếu dựa trên lý thuyết p-q 35

Hình 2-3: Chuyển đội hệ tọa độ abc sang α – β 35

Hình 2-4: Công suất tức thời của hệ 3 pha 37

Hình 2-5: Các thành phần công suất của lý thuyết p-q trong tọa độ a-b-c 41

Hình 2-6: Các thành phần bù công suất p , q , p0 và p 0 theo tọa độ a-b-c 42 Hình 2-7: Tổng quan về ma trận chuyển đổi cho quá trình tìm dòng điện tham chiếu theo lý thuyết p-q sử dụng biến đổi Clarke 43

Hình 3-1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống lọc công suất tích cực ba pha kiểu song

song 45

Hình 3-2: Cấu trúc xác định dòng điện đặt dựa theo lý thuyết công suất tức thời p-q 48

Hình 3-3: Cấu trúc bộ lọc công suất tích cực ba pha sử dụng bộ điều khiển dải trễ (HCC) cho dòng điện 48

Hình 3-4: Cấu trúc và nguyên lý của bộ điều khiển dải trễ (HCC) 48

Hình 3-5: Bộ điều khiển dải trễ PWM dòng điện 50

Hình 3-6: Một số dạng hàm liên thuộc cơ bản 52

Hình 3-7: Hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ T(tuổi) 53

Hình 3-8: Cấu trúc bộ điều khiển HCC thích nghi sử dụng cơ cấu chỉnh định mờ 55 Hình 3-9: Bộ điều khiển dòng điện dải trễ dựa trên cơ cấu chỉnh định mờ 56

Hình 3-10: Hàm liên thuộc giữa đầu vào và đầu ra 56

Hình 3-11: Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực sử dụng bộ điều khiển PI 57

Hình 3-12: Cấu trúc bộ điều khiển PI cho Vdc 58

Hình 3-13: Bộ điều khiển PI điều khiển dòng bù sóng hài 60

Hình 3-14: Tác động Uđk đến tín hiệu đóng mở IGBT 60

Hình 3-15: Cấu trúc tổng quát của giải thuật di truyền 62

Hình 4-1: Mô hình của bộ lọc tích cực ba pha mắc song song dựa theo lý thuyết công suất tức thời p-q thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink 65

Hình 4-2: Điện áp ba pha của hệ thống khi chưa có bộ lọc tác động 66

Hình 4-3: Dòng điện pha A ảnh hưởng bởi nguồn sóng hài (chỉnh lưu cầu) khi không có bộ lọc 66

Hình 4-4: Dạng sóng dòng điện và THD của dòng điện pha A khi không có bộ lọc 67

Hình 4-5: Dòng bù mà bộ lọc tích cực cần tạo ra 67

Hình 4-6: Dòng bù tạo ra bởi bộ lọc điều khiển bởi bộ điều khiển HCC với dải trễ (+/-0.5) 68 Hình 4-7: Dòng điện của pha A khi có tác động của bộ lọc với dải trễ của bộ HCC là (+/- 0.5) 68

Hình 4-8: Dạng sóng dòng điện và THD của dòng điện pha A khi có bộ lọc và dải

trễ của bộ điều khiển HCC là (+/- 0.5) 69

Hình 4-9: Dòng bù tạo ra bởi bộ lọc điều khiển bởi bộ điều khiển HCC với dải trễ (0) 69

Hình 4-10: Dòng điện của pha A khi có tác động của bộ lọc với dải trễ của bộ HCC là (0) 70

Hình 4-11: Dạng sóng dòng điện và THD của dòng điện pha A khi có bộ lọc và dải trễ của bộ điều khiển HCC là (0) 70

Hình 4-12: Dòng bù tạo ra bởi bộ lọc điều khiển bởi bộ điều khiển HCC với dải trễ được thích nghi bởi cơ cấu chỉnh định mờ 71

Hình 4-13: Dòng điện của pha A khi có tác động của bộ lọc với dải trễ của bộ HCC được thích nghi bằng cơ cấu chỉnh định mờ 71

Hình 4-14: Dạng sóng dòng điện và THD của dòng điện pha A khi có bộ lọc và dải trễ của bộ điều khiển HCC được thích nghi bởi cơ cấu chỉnh định mờ 72

Hình 4-15: Mô hình của bộ lọc tích cực ba pha mắc song song dựa theo lý thuyết công suất tức thời pq thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink 73

Hình 4-16: Kết quả chạy mô phỏng giải thuật di truyền GA 74

Hình 4-17: Dòng điện 3 pha sau khi đưa bộ lọc tích cực vào 74

Hình 4-18: Phân tích FFT tín hiệu dòng điện 75

Hình 4-19: Đáp ứng điện áp trên tụ (Vdc) sau khi có bộ điều khiển PI 75

Hình 4-20: Dòng bù sóng hài 75

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống truyền tải điện có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho các phụ tảitiêu thụ điện năng, tùy theo tính chất của hộ tiêu thụ điện nên đặc tính của tải cũngrất khác nhau Các phụ tải công nghiệp bao gồm động cơ được điều khiển bằng các

bộ biến tần đóng cắt tần số cao, lò điện cao tần, các động cơ bão hòa; các phụ tảithương mại trong các tòa nhà cao tầng, các máy biến áp bão hòa, các đèn LED, máytính, các hệ thống điện toán lưu trữ dữ liệu,… Tất cả những loại thiết bị này lànguyên nhân gây nên sóng hài trong lưới điện và có thể sinh ra các vấn đề về chấtlượng hệ thống điện Bởi vì, trong các tải loại này thường sử dụng bộ biến đổi điện

tử công suất có các thiristo, IGBT chuyển mạch làm thay đổi dạng sóng dòng điện,điện áp Tính phi tuyến của phụ tải tiêu thụ phát sinh sóng hài trên lưới điện Sónghài gây ra tổn hao không mong muốn, hiện tượng rung của các thiết bị điện, gây sai

số cho các thiết bị đo và làm nhiễu các thiết bị điện tử trong cho hệ thống điện, làmgiảm chất lượng điện năng của nguồn điện

Hiện nay với sự phát triển của công nghiệp và hiện đại hóa các tải phi tuyếnđược sử dụng rất nhiều trên lưới điện đã tạo ra lượng lớn sóng hài trên toàn hệthống điện Khống chế mức thải sóng hài trên lưới điện để hạn chế ảnh hưởng củachúng tới các thiết bị tiêu dùng khác và đảm bảo chất lượng điện năng là điều tấtyếu

Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng hài người ta dùng chỉ số THD, theotiêu chuẩn IEEE Std 519, THD của dòng điện trong hệ thống nên nhỏ hơn 5% Đểgiảm ảnh hưởng của sóng hài, người ta sử dụng bộ lọc tích cực, bộ lọc tích cực mắcphía trước một nhóm phụ tải có nhiệm vụ bù các sóng hài bậc cao và bù công suấtphản kháng thông qua một nghịch lưu nguồn áp để điều chỉnh dòng cấp bù lên lưới.Như vậy, việc nghiên cứu điều khiển các bộ lọc tích cực để giảm sóng hài do cáctải phi tuyến tạo ra là vấn đề cấp thiết, nhằm nâng cao chất lượng điện năng cho

lưới điện Chính vì vậy, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều

khiển cho bộ lọc tích cực” góp phần giảm sóng hài và nâng cao chất lượng điện

năng

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Mục tiêu tổng quát: Phân tích sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến và nghiêncứu thiết bộ điều khiển cho bộ lọc tích tích cực hoạt động nhằm giảm sóng hài nângcao chất lượng điện năng

Để thực hiện được mục tiêu này, đề tài đặt ra các nhiệm vụ chính sau:

- Phân tích sóng hài gây ra bởi tải phi tuyến với hệ thống truyền tải 3 pha 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

- Đối tượng nghiên cứu

Mô hình bộ lọc tích cực song song để phát dòng điện bù lên lưới điện có phụtải phi tuyến làm việc, nhằm đưa dòng điện lưới về dạng hình sinh với độ méoTHD [] cho phép

4 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu của đề tài, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứunhư sau:

- Nghiên cứu lý thuyết:

Phân tích, tổng hợp các kiến thức cơ sở toán học của hệ thống truyền tải 3 pha

4 dây với tải phi tuyến Đánh giá các nghiên cứu đã được công bố trên các bài báo,tạp chí, các tài liệu tham khảo về bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực Nghiên cứu bộđiều khiển hiện đại và ứng dụng bộ điều khiển kinh điển và hiện đại cho bộ lọc tíchcực

- Nghiên cứu về thực nghiệm bằng mô phỏng:

+ Sử dụng công cụ Matlab-Simulink để mô phỏng kiểm chứng các nhận định

lý thuyết và các thuật toán mà luận án đề xuất;

+ Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm sát với điều kiện củathực tế, tức là tiến hành thí nghiệm để đánh giá chất lượng bộ điều khiển (khi điều kiệncho phép)

5 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Luận án đã có các đóng góp cụ thể như sau:

+ Sử dụng thành công lý thuyết công suất tức thời p,q áp dụng vào tính toán

dòng điện đặt theo dòng điện và điện áp đo được trên tải, chuyển đổi sang hệ quy chiếu

hai pha (α-β) và ba pha (a,b,c), để tạo ra các xung kích cho IGBT;

+ Thiết kế được bộ điều khiển dải trễ (HCC) thích nghi dựa vào cơ chế chỉnh định mờ trên cơ sở mô hình toán xây dựng theo lý thuyết công suất tức thời p,q;

+ Ứng dụng thành công giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithm) tối ưu hóa các tham số cho bộ điều lọc tích cực, trong đó có cả bộ điều khiển PI.

-Ý nghĩa khoa học của luận án:

+ Luận án sử dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến và giải thuật tối ưu

để nâng cao hiệu quả của các bộ điều khiển kinh điển và hiện đại (HCC, PID) ứng dụngtrong bộ điều khiển bộ lọc công suất tích cực;

+ Đóng góp một phần nhỏ trong việc nghiên cứu bộ điều khiển cho bộ lọc tíchcực giúp giảm sóng hài và nâng cao chất lượng điện năng

- Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

+ Luận án góp phần nâng cao chất lượng lọc sóng hài của các bộ lọc tích cực,giảm tác hại sóng hài trên lưới điện, tăng tuổi thọ cho các thiết bị, tăng độ chính xác chocác thiết bị đo lường,…;

- Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành điềukhiển và tự động hóa, học viên cao học và các nghiên cứu sinh quan tâm nghiên

cứu về thiết kế bộ điều khiển cho hệ phi tuyến; các vấn đề trong quá trình thiết kế

bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực

6 Bố cục của luận án

Nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương, phần mở đầu và

phần kết luận được bố cục như sau:

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này trình bày tổng quan về sóng hài và các tác động sóng hài gây ratrên lưới điện; Bộ lọc công suất tích cực cùng các vấn đề trong quá trình thiết kế bộlọc công suất tích cực Thông kê, phân tích các giải pháp đã dược đề xuất trongnước và quốc tế về thiết kế bộ lọc công suất tích cực

Chương 2 Cơ sở toán học của bộ lọc công suất tích cực

Chương 2 đưa ra cấu trúc của bộ lọc công suất tích cực dạng song song vàhoạt động của bộ lọc Từ đó, tính toán các tham số của bộ lọc, ứng dụng lý thuyết

công suất tức thời p,q để tính toán dòng bù đặt đầu vào cho bộ điều khiển bộ lọc

tích cực

Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc công suất tích cực

Trên cơ sở toán học được nêu ở chương 2, chương này xây dựng các bộ điềukhiển cho bộ lọc công suất tích cực Bao gồm:

- Ứng dụng bộ điều khiển Fuzzy chỉnh định tham số bộ điều khiển dải trễ(HCC-Hysteresis current controller) giúp nâng cao chất lượng bộ điều khiển và giảm tần số đóng cắt IGBT;

- Tối ưu hóa các tham số cho bộ lọc tích cự sử dụng bộ điều khiển PI bằng giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithm);

Chương 4 Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink

Trên cơ sở lý thuyết và kết quả mô phỏng hoạt động bộ điều khiển ứng dụngcho bộ lọc công suất tích cực được đề xuất, chứng minh ở chương 2, chương 3.Trong chương này, luận án xây dựng mô hình bộ lọc công suất tích cực với tải phi

tuyến là bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều 3 pha và kiểm chứng lại tính đúng đắncủa lý thuyết đã đề xuất bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sóng hài trong lưới điện và giải pháp lọc sóng hài

1.1.1 Sóng hài trong lưới điện

 f t  là hàm tuần hoàn tần số f0 , tần số góc 0  2 f0 , chu kỳ T 

Trong đó:

- I1 là biên độ dòng điện cơ bản

- I n là biên độ dòng điện hài bậc n

V1 là biên độ điện áp cơ bản

V n là biên độ điện áp hài bậc n

Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn như IEEE 519-2014, IEC 1000-4-3 vềgiới hạn thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới, đối với mỗi loại tải qui địnhTHD < 5%, riêng đối với tải kỹ thuật số THD < 3%

b Nguyên nhân phát sinh sóng hài

Nguyên nhân phát sinh sóng hài do các tải phi tuyến như các tải côngnghiệp: Các thiết bị điện tử công suất, lò hồ quang, máy hàn, bộ khởi động điện tử,đóng mạch máy biến áp công suất lớn… Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chấtkhí, tivi, máy photocopy, máy tính, lò vi sóng…

Ta xét sóng hài gây ra bởi mốt số tải phi tuyến như:

- Chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển

Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho chỉnh lưu

Hình 1-3: Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển

Hình 1-4: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển

Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển có độméo rất lớn THD  35.01% Các thành phần sóng điều hòa này là do tính phi tuyếncủa bộ chỉnh lưu cầu gây ra Trong đó các thành phần sóng điều hòa bậc 5, 7, 11,

13 là chủ yếu

- Chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Hình 1-5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Trường hợp góc điều khiển alpha bằng 30o

Dòng điện pha A cuả nguồn gây ra bởi bộ chỉnh lưu 3 pha với góc điều khiển alphabằng 30o

Hình 1-6: Dòng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha

bằng 30 o

Hình 1-7: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 30 o

Trường hợp góc điều khiển alpha bằng 90o

Dòng điện pha A cuả nguồn gây ra bởi bộ chỉnh lưu 3 pha với góc điều khiển alphabằng 90o

Hình 1-8: Dòng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha

bằng 90 o

Hình 1-9: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 90 o

Ta thấy khi tăng góc điều khiển alpha thì dạng tín hiệu dòng của tải tăng độméo thể hiện ở hệ số méo dạng THD với góc điều khiển alpha bằng 30o là 34.42%

và góc điều khiển alpha bằng 90o thì THD = 122.52%

Sóng hài có thể làm cho cáp điện bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện Động cơcũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trênrotor dẫn tới sự cộng hưởng cơ khí và gây rung Tụ điện quá nhiệt và trong phầnlớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi Các thiết bị hiển thị sử

dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi và thiết bị đo cho kết quả sai.

1.2 Bộ lọc công suất tích cực và các vấn đề trong thiết kế bộ lọc công suất tích cực.

1.2.1 Tổng quan về bộ lọc công suất tích cực

Bộ lọc công suất tích cực (APF - Active Power filter) là bộ lọc sử dụng cácphân tử điện tử công suất để lọc các sóng hài bậc cao trên hệ thống điện bằng cáchtạo nên các sóng hài bằng và ngược pha với sóng hài phát sinh trong mạch Bộ lọctích cực nhằm giảm sóng hài dòng điện và bù công suất phản kháng

Hình 1-10: Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực

Trên hình 1.10 ta thấy tổng của sóng hài do nguồn Inguồn và sóng hài do bộ lọctích cực phát ra Ilọc bằng không Tuy nhiên các sóng này luôn thay đổi, do đó bộ lọc

tích cực cần được điều khiển theo tín hiệu dạng sóng nguồn và dạng sóng tải vàđược phản ảnh qua phản hồi dòng điện Nhờ bộ lọc tích cực chất lượng điện ápcũng được nâng lên và tổn hao công suất trong lưới sẽ giảm đi.

Sơ đồ khối tổng quát của bộ lọc tích cực:

Hình 1-11: Sơ đồ khối tổng quát của bộ lọc tích cực

Trong sơ đồ này tín hiệu dòng điện và điện áp tải thông qua thiết bị đo lườngđược đưa đến khối tính toán tín hiệu đặt để thực hiện tính toán dòng tổng sóng hài.Sau khi xác định được tổng sóng hài cần bù đưa ra tín hiệu đặt cho bộ điều khiển

Bộ điều khiển (Controller) điều khiển mạch công suất (Power Circuit) để phát dòng

bù sóng hài tức thời với vector dòng có cùng độ lớn nhưng ngược pha với sóng hàitổng

1.2.2 Các vấn đề trong thiết kế bộ lọc tích cực.

a Cấu trúc bộ lọc tích cực

Bộ lọc tích cực có thể cấu trúc theo các dạng như sau [84]:

Hình 1-12: Phân loại bộ lọc tích cực theo cấu trúc

Cấu trúc Shunt APF:

Hình 1-13: Cấu trúc Shunt APF

Đây là cấu trúc được sử dụng rộng dãi trong các ứng dụng bộ lọc tích cực Cấu trúc này bao gồm một nguồn VSI được kết nối trực tiếp vào hệ thống

Cấu trúc Series APF:

Hình 1-14: Cấu trúc bộ lọc Series APF

Series APF được kết nối với hệ thống thông qua biến áp cách ly Trong cấu trúcnày thì tín hiệu bù sóng hài được đưa vào thông qua biến áp (vf)

Cấu trúc Hybrid APF:

Các phương pháp tính toán sóng hài dựa trên miền tần số:

Phương pháp này dựa trên phân tích Furier Trong lớp phương pháp này có 3phương pháp chính là phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform), phươngpháp FFT (Fast Fourier Transform), phương pháp RDFT (Recursive DiscreteFourier Transform)

- Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform): là thuật toán biến đổi chocác tín hiệu rời rạc, kết quả của phép phân tích đưa ra cả biên độ và pha của thành phầnsóng điều hòa mong muốn theo công thức sau:

+ N là số mẫu trong một chu kỳ tần số cơ bản

+ x(n) là tín hiệu đầu vào (dòng hoặc áp) ở thời điểm n

+ Xh là vecto Fourier của sóng điều hòa bậc h của tín hiệu vào,biên độ của vecto X h , h là góc pha của vecto X h

- Phương pháp Fast Fourier Transform (FFT)

Các bước thực hiện phương pháp FFT:

+ Lấy mẫu dòng điện tải và tính toán biên độ và pha của từng thành phần sóng điều hòa (ứng với mỗi tần số khác nhau)

+ Số lượng mẫu trong một chu kỳ càng lớn thì giá trị fmax càng lớn

+ Tách thành phần dòng cơ bản từ dòng đầu vào Dễ dàng thực hiện việc

này bằng cách thiết lập tần số từ 0 đến 50 Hz sau đó thực hiện FFT-1(IFFT) để có tín hiệu trong miền thời gian bao gồm biên độ và pha củamỗi thành phần sóng điều hòa Việc tính toán này thực hiện trong mỗichu kỳ của dòng chính để đảm bảo rằng FFT tính toán hoàn tất trongmột chu kỳ để tránh méo do phổ tần số

+ Tổng hợp dòng bù từ các thành phần sóng điều hòa

Ưu điểm của phương pháp FFT là có thể tác động tới từng thành phần sóng điềuhòa theo ý muốn nhưng có khối lượng tính toán rất lớn.

Các phương pháp tính toán sóng hài dựa trên miền thời gian:

Phương pháp này có ưu điểm hơn là khối lượng tính toán ít hơn so với phươngpháp dựa trên miền tần số Theo lớp phương pháp này có một số phương pháp như:

phương pháp trên khung tọa độ dq, phương pháp dựa trên thuyết p-q…

- Phương pháp xác định dòng bù trong hệ dq: theo phương pháp này có thể xác

định toàn bộ dòng bù hoặc có thể lựa chọn từng thành phần sóng điều hòa cần bù

Thuật toán thể hiện phương pháp:

i

a i

b i

Hình 1-16: Thuật toán xác định dòng bù trong hệ d-q

Phép quay khung tọa độ dq quay với góc quay của tần số cơ bản Khi đó trongkhung tọa độ dq thành phần dòng với tần số cơ bản coi như thành phần dòng mộtchiều và thành phần sóng điều hòa như thành phần dòng xoay chiều Sau đó sửdụng bộ lọc thông cao tách ra thành phần xoay chiều, thành phần này chính làthành phần của các sóng điều hòa bậc cao

Sau khi tính được dòng bù cần thiết trong hệ dq ta cần chuyển sang hệ tọa độ chuẩn

abc Biến đổi từ abc sang dq như sau:

 i d  2  cos  cos    3  cos    3   i a 

  sin  sin     sin      i  c 

- Phương pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết p-q.

Thuyết p-q hay thuyết công suất tức thời được đưa ra bởi Akagi vào năm 1983

với mục đích là để điều khiển mạch lọc tích cực Mô hình bộ lọc tích cực theo lý

thuyết p-q:

Hình 1-17: Mô hình bộ lọc tích cực theo ly thuyết p-q

c Tính toán thông số bộ nghịch lưu

Bộc lọc công suất tích cực sử dụng bộ nghịch lưu để tạo ra tín hiệu có độ lớn bằng – ngược pha với tín hiệu tổng sóng hài trên lưới

Hai tham số cần tính toán trong bộ nghịch lưu:

 Công suất của bộ IGBT: Công suất của bộ nghịch lưu phụ thuộc vào công suất của dòng hài cần bù

 Giá trị của tụ C: Tụ điện C đóng vai trò điều tiết dòng sóng hài thông

qua quá trình phóng nạp tụ [65]

 Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển.

Bộ điều khiển đóng vai trò trung tâm trong bộ lọc tích cực, thực hiện điều khiểnmạch công suất (IGBT, MOSFET ) để phát dòng bù sóng hài theo đúng tính toándòng bù sóng hài cần thiết Bộ điều khiển này có thể được thiết kế trên cơ sở các bộđiều khiển PID, Fuzzy, Noron… Chất lượng của bộ lọc tích cực phụ thuộc chínhvào việc thiết kế bộ điều khiển này

Đề tài tập trung xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực, thực hiện môphỏng, kiểm chứng thực tế và so sánh với các kết quả của các công trình đã côngbố

1.3 Các nghiên cứu trong nước, ngoài nước và định hướng nghiên cứu của

đề tài.

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước.

Hiện tại ở Việt Nam thường sử dụng các bộ lọc thụ động để lọc sóng hài.Việc nghiên cứu bộ lọc tích cực để lọc sóng hài và bù công suất phản kháng cònkhá mới mẻ chưa có nhiều công trình được công bố

Bài báo [95] trình bày nghiên cứu về giảm sóng hài dòng điện của hệ thốngđiện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha tải R-L Trên cơ sở đó xây dựng cấu trúcđiều khiển và bộ điều khiển mờ để điều khiển AF thông qua giải pháp tách dòngđiện hài bằng bộ lọc thông dải Kết quả nghiên cứu đã được mô phỏng, kiểm chứngtrên phần mềm Matlab/Simulink

Bài báo trình bầy phương pháp xác định thành phần sóng hài của dòng điệntải phi tuyến theo thời gian thực bằng mạng nơ ron tuyến tính thích nghi (AdaptiveLinear/Adaline neural network) Mạng nơron Adaline được học online với thuậttoán Windrow-Hoff (W-H) cải tiến để đảm bảo quá trình học của mạng nhanh vàluôn hội tụ Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy mạng Adaline với thuật họcW-H cải tiến có thể xác định dòng điện hài chính xác trong một chu kỳ lấy mẫu củathiết bị đo số với tần số lấy mẫu lớn hơn 10kHz

Như vậy, ta thấy các công trình đang nghiên cứu chủ yếu tập trung xây dựngthuật toán nhận dạng sóng hài chưa thiết kế các bộ điều khiển APF có thể ứng dụngtrên thực tế

1.3.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài.

Ở nước ngoài, đã có rất nhiều tác giả quan tâm đến vấn đề lọc sóng hài và bùcông suất phản kháng để tăng chất lượng điện năng Trong đó đưa ra phương pháp tínhtoán dòng sóng hài và cấu trúc điều khiển cho bộ APF với các bộ điều khiển khác nhau.Trong phần này tác giả tập trung phân tích các bài báo đề cập xây dựng bộ điều khiểncho bộ lọc tích cực

 Các bài báo [9], [23], [34], [39], [55], [63], [82], [86], [91], [96] xây dựng bộđiều khiển dải trễ (HCC-Hysteresis current controller) để ứng dụng cho bộ lọc công suấttích cưc Đây là bộ điều khiển kinh điển, đơn giản giúp tính toán mô tả được cấu trúc bộlọc công suất tích cực Tính toán dòng bù sóng hài, thực hiện điều khiển bộ nghich lưuIGBT trên cơ sở bộ điều khiển HCC Các bài báo cũng chỉ ra chất lượng bộ điều khiểnHCC phụ thuộc vào độ lớn dải trễ Dải trễ càng nhỏ thì chất lượng bộ điều khiển tăng,tuy nhiên tần số đóng cắt IGBT tăng

 Các bài báo [6], [9], [76]–[78], [84], [87], [25]–[27], [34], [36], [53], [61],[71] xây dựng bộ lọc công suất tích cực trên với cấu trúc bộ điều khiển PI Bộ điều khiển

PI được thiết kế cho ổn định điện áp trên tụ C của bộ nghịch lưu IGBT và bộ điều khiểndòng bù sóng hài trên cơ sở tính toán dòng bù cần thiết bằng lý thuyết công suất tức thời

p-q Trên cơ sở phân tích của các bài báo đã công bố ta thấy chất lượng của bộ lọc công

suất tích cực thiết kế trên nền bộ điều khiển PI phụ thuộc nhiều vào bộ tham số bộ điềukhiển PI

 Các bài báo [1], [29], [83], [49], [51], [57], [67]–[71] thiết kế bộ điều khiểnMPC cho bộ lọc công suất tích cực Bộ điều khiển dự báo được thiết kế tính toán trêntính toán dòng bù sóng hài d-q

1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án

Trên cơ sở phân tích các kết quả đã được công bố trên các công trình, bài báo trong nước và quốc tế luận án sẽ từng bước giải quết các vấn đề sau:

- Lựa chọn phương pháp lọc sóng hài và xây dựng cấu trúc cho bộ lọc tíchcực song song;

- Ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại nâng cao hiệu quả cho bộ lọc công suất tích cực.

- Sử dụng giải thuật tối ưu (GA) để chỉnh đinh tham số cho bộ lọc tích cực

và bộ điều khiển kinh điển,

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương 1, đã trình bầy tổng quan về sóng hài trên lưới điện, nguyênnhân và tác hại của sóng hài cùng các tiêu chuẩn đánh giá ảnh hưởng sóng hàitrên lưới điện Trên cơ sở các giải pháp lọc sóng hài, luận án tập trung giải pháplọc tích cực và đưa ra các định hướng chính cho thiết kế bộ lọc tích cực

Phân tích các công trình công bố trong nước và quốc tế về thiết kế bộ điềukhiển cho bộ lọc tích cực, trên cơ sở đó đưa ra hướng nghiên cứu của luận án

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA BỘ LỌC CÔNG SUẤT TÍCH

CỰC

2.1 Cấu trúc bộ lọc công suất tích cực kiểu song song

Trong chương 1 đã dưa ra ba cấu trúc cơ bản của bộ lọc công suất tích cực:

Bộ lọc song song (Shunt APF), Bộ lọc nối tiếp (Series APF), bộ lọc kết hợp

(Hybrid APF) Sau khi đánh giá so sánh, định hướng trong luận án sẽ sử dụng cấu

trúc bộ lọc song song (Shunt APF)

SAPF (Shunt Active Power Filter) là một bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha

được sử dụng để ổn định hiệu suất của hệ thống công suất bằng việc tạo ra các dòng

điện tham chiếu cho mạch cầu IGBT nhằm làm giảm hoặc triệt tiêu các sóng hài

bậc cao và bù công suất phản kháng

Hình 2-1: Cấu trúc cơ bản của bộ lọc công suất tích cực kiểu song song

Trong đó: + i S là dòng điện của nguồn phát

+ i C là dòng điện của bộ lọc tích cực + i L là dòng điện tải.

Bộ lọc công suất tích cực kiểu song song (SAPF) có thể làm giảm tổn hao

lưới điện bằng việc nâng cao hệ số công suất và triệt tiêu các thành phần sóng hài

bậc cao, bên cạnh đó SAPF cũng làm giảm sụt áp trên đường dây truyền tải mà

không cần sử dụng các máy biến áp tăng áp SAPF sẽ làm tăng khả năng truyền tải

công suất định mức (công suất tác dụng) của các trạm biến thế, do vậy SAPF có thể

giảm thời gian hoạt động trong trường hợp quá tải [23]

Việc xác định vị trí đặt bộ lọc cần phải được tính toán theo một số nguyên

tắc như:

o Giảm thiểu tối đa thời gian truyền, khoảng cách lan truyền của sóng

điều hòa trên đường dây Điều này được thực hiện bằng việc đặt thiết bịlọc gần nguồn phát sinh sóng điều hòa

o Đặt thiết bị lọc giữa nguồn với các thiết bị nhạy cảm với sóng điều hòa

để hạn chế ảnh hưởng của sóng điều hòa tới thiết bị

o Để thực hiện chức năng này bộ lọc AF hoạt động như một bộ nguồn ba

pha tạo ra dòng điện thích hợp bơm lên đường dây Dòng điện này sẽ triệt tiêu các sóng

điều hòa bậc cao sinh ra bởi tải phi tuyến là thành phần ngược pha với tổng sóng điều

hòa dòng điện bậc cao

Theo hình 2.1 ta có thể phân tích thành phần dòng điện tải iL thành tổng của

dòng cơ bản và dòng sóng điều hòa bậc cao:

i S  i C  i L  i C  i F  i H

Trong đó: + i F là dòng điện tần số cơ bản

Do vậy để dòng điện nguồn sin: i S  i F thì:

i C  i H  0  i C  i H

(2.2)

(2.3)Như vậy, hoạt động của bộ lọc công suất tích cực đảm bảo phát được dòng

điện iC có vector dòng cùng độ lớn vector dòng tổng sóng hài nhưng ngược pha Để

thực hiện được chức năng này, bộ lọc công suất tích cực cần đảm bảo thực hiện 2

vấn đề sau:

- Trên cơ sở tín hiệu dòng (iL), điện áp (V) đo được từ tải trên hệ thống

- Bộ điều khiển dòng thực hiện điều khiển vòng kín có phản hồi đểthực hiện điều khiển đóng/cắt IGBT phát ra dòng iC đưa lên lưới sao

cho i Ci *C Nội dung thiết kế bộ điều khiển được phân tích chi tiết trong chương 3 luận án

Các phương pháp ước tính dòng điện đặt trên miền thời gian và trên miềntần số cũng đã được giới thiệu trong chương 1, trong đó phải kể đến các phươngpháp chính được thảo luận trong tài liệu tham khảo [24] và chúng được phân loạinhư sau:

- Miền tần số (sử dụng phương pháp biến đổi FFT);

Từ các công trình nghiên cứu đi trước chỉ ra rằng nhược điểm lớn của phươngpháp FFT là chất lượng đáp ứng thấp trong quá trình quá độ Các mẫu FFT phảiđược thực hiện trong một chu kỳ và bất cứ một quá độ nào ở dạng sóng của dòngđiện sẽ dẫn tới sai lệch ở đầu ra của dòng điện bù, để tránh gặp phải vấn đề đóSAPF cần phải được ngắt ra khỏi lưới trong quá trình quá độ Phương pháp trừ tínhiệu dòng điện hình sin cũng có chung nhược điểm như là phương pháp FFT [24]

Từ đó, luận án tập trung vào việc sử dụng phương pháp tìm dòng điện tham chiếu

theo lý thuyết công suất tức thời p,q.

2.2 Tìm dòng điện tham chiếu dựa theo lý thuyết công suất phản kháng tức

Trên Hình 2.2 thể hiện sơ đồ khối của khâu tính dòng điện tham chiếu dựa

theo lý thuyết p-q Hình 2.2 chỉ ra ma trận chuyển đổi chi tiết của khâu tính dòng

điện tham chiếu, phần này sẽ được giải thích chi tiết bằng các phương trình toánhọc và các phép biến đổi