Embed Size (px)
Citation preview
i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
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
ii
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
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
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Các tài liệu tham khảo đã
được 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
2
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 Nghiệp
Thái 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
tạo này, đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu và hoàn thành luận án.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi cũng xin chân thành cảm ơn tập thể
hướng dẫn là PGS.TS. Nguyễn Duy Cương, GS.TSKH. Horst Puta, những người
Thầy đã dành nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và định hướng chuyên
môn 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 viễn
thông trường Đại học kỹ thuật công nghiệp nơi tôi công tác đã tạo điều kiện thuận
lợi 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 để
hoàn thành khóa học.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2021
Tác giả luận án
PHAN THANH HIỀN
3
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
4
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
5
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
6
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt
APF
Active power filter
Bộ lọc công suất tích cực
GA
Genetic Algorithm
Giải thuật di truyền
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
LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp
VSI
Voltage Source Inverter Nghịch lưu nguồn áp
LQG Linear Quadratic Gausian Điều khiển Gauss tuyến tính - bậc hai
LQR Linear Quadratic Regulator Bộ điều khiển tuyến tính bậc hai
LTI Linear Time - Invariant Hệ thống tuyến tính bất biến theo
thời gian
MIMO 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
Inference System
Mạng thích nghi trên nền suy luận
mờ
PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung
rad radian Đơn vị đo góc
rpm revolutions per minute Vòng/phút
s second Giây
SISO Single Input Single Output
Một đầu vào một đầu ra
VDC Volts Direct Current Điện áp một chiều
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3-1 Trạng thái đóng mở của IGBT thông qua quá trình phóng nạp tụ C ....... 50
Bảng 3-2 Luật mờ .................................................................................................... 57
Bảng 4-1 Các thông số của hệ thống mô phỏng trên matlab .................................. 65
Bảng 4-2 So sánh kết quả bộ lọc tích cực với bộ điều khiển HCC và HCC thích
nghi .......................................................................................................................... 72
Bảng 4-3 Các thông số của hệ thống mô phỏng trên matlab ................................... 73
8
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 , 0p và 0p 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
9
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
10
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
11
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống truyền tải điện có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho các phụ tải
tiêu thụ điện năng, tùy theo tính chất của hộ tiêu thụ điện nên đặc tính của tải cũng
rất 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 tải
thương mại trong các tòa nhà cao tầng, các máy biến áp bão hòa, các đèn LED,
máy tính, các hệ thống điện toán lưu trữ dữ liệu,… Tất cả những loại thiết bị này là
nguyên nhân gây nên sóng hài trong lưới điện và có thể sinh ra các vấn đề về chất
lượng 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. Sóng
hài 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, làm
giảm chất lượng điện năng của nguồn điện.
Hiện nay với sự phát triển của công nghiệp và hiện đại hóa các tải phi tuyến
được sử dụng rất nhiều trên lưới điện đã tạo ra lượng lớn sóng hài trên toàn hệ
thống điện. Khống chế mức thải sóng hài trên lưới điện để hạn chế ảnh hưởng của
chúng tới các thiết bị tiêu dùng khác và đảm bảo chất lượng điện năng là điều tất
yếu.
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng hài người ta dùng chỉ số THD, theo
tiêu chuẩn IEEE Std 519, THD của dòng điện trong hệ thống nên nhỏ hơn 5%. Để
giảm ảnh hưởng của sóng hài, người ta sử dụng bộ lọc tích cực, bộ lọc tích cực mắc
phía trước một nhóm phụ tải có nhiệm vụ bù các sóng hài bậc cao và bù công suất
phản 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 các
tải 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
12
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 nghiên
cứu thiết bộ điều khiển cho bộ lọc tích tích cực hoạt động nhằm giảm sóng hài nâng
cao 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
dây.
- Thực hiện các bộ điều khiển kinh điển cho bộ lọc tích cực và đề xuất nâng
cao chất lượng cho các bộ điều khiển.
- Thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực bằng các bộ diều khiển kinh điển
và hiện đại
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 phụ
tải phi tuyến làm việc, nhằm đưa dòng điện lưới về dạng hình sinh với độ méo
THD [] cho phép.
- Phạm vi nghiên cứu
+ Nghiên cứu cơ sở toán học cho bộ lọc tích cực, tính toán tối ưu các thông số
cho bộ lọc tích cực;
+ Lựa chọn và xây dựng chi tiết cấu trúc điều khiển cho cho bộ lọc tích cực.
Thiết kế bộ điều khiển nâng cao cho bộ lọc tích cực bằng các phương pháp điều
khiển hiện đại.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu
như sau:
- Nghiên cứu ly thuyêt:
13
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 bộ
điều khiển hiện đại và ứng dụng bộ điều khiển kinh điển và hiện đại cho bộ lọc tích
cực.
- 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 của
thực tế, tức là tiến hành thí nghiệm để đánh giá chất lượng bộ điều khiển (khi điều
kiện cho 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
dụng trong bộ điều khiển bộ lọc công suất tích cực;
+ Đóng góp một phần nhỏ trong việc nghiên cứu bộ điều khiển cho bộ lọc tích
cực 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 cho các thiết bị đo lường,…;
14
- Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành điều
khiển 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 ra
trên lưới điện; Bộ lọc công suất tích cực cùng các vấn đề trong quá trình thiết kế bộ
lọc công suất tích cực. Thông kê, phân tích các giải pháp đã dược đề xuất trong
nước 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 và
hoạt 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
điều khiển 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 dụng
cho 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
15
tuyến là bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều 3 pha và kiểm chứng lại tính đúng đắn
của lý thuyết đã đề xuất bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink.
16
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
a. Sóng hài
Sóng hài là sóng điều hòa bậc cao có tần số là bội số của tần số sóng cơ bản.
Trong lưới điện sóng cơ bản của nguồn cấp là sóng sin tần số 50Hz, các sóng có tần
số 150Hz, 250Hz lần lượt là các sóng hài bậc 3, bậc 5. Sóng hài gây nhiễu, ảnh
hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng
điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép. Các thiết bị điện trên lưới điện không
hoạt động được với các sóng hài. Vì vậy sóng hài sẽ bị chuyển hóa sang dạng nhiệt
năng và gây tổn hao.
Hình 1-1: Sóng cơ bản và các sóng hài
Chuỗi Fourier được sử dụng rộng rãi trong tính toán sóng hài. Bất kỳ sóng
tuần hoàn nào cũng có thể biểu thị dưới dạng chuỗi Fourier như sau:
0 0 0
1
( ) ( cos( ) sin( ))n n
h
f t A A h t B h t
(1.1)
0 0
1
( sin( ))n h
h
A C h t
Trong đó:
17
f t là hàm tuần hoàn tần số 0f , tần số góc 0 02 f , chu kỳ 0 0
1 2T
f
.
1 0 1sinC t là thành phần cơ bản.
0sinh hC h t là các thành phần sóng hài bậc h với biên độ hC , tần số
0hf , góc pha h Các hệ số của chuỗi Fourier được tính như sau:
2
0
0 0
1 1
2
T x
A f t dt f t dxT
Trong đó: 0x t (1.2)
2
0
0 0
2 1cos cos
T x
hA f t h t dt f t hx dxT
(1.3)
2
0
0 0
2 1sin sin
T x
hB f t h t dt f t hx dxT
(1.4)
2 2
h h hC A B ; ar hh
h
Actg
B
Các sóng hài có thể được tính toán một cách độc lập hoặc kết hợp các sóng
hài khác nhau để có dạng tổng quát. Biên độ sóng hài là thành phần quan tâm chính
vì nó ảnh hưởng chính đến hệ thống.
Một tham số quan trọng để đánh giá tác động của sóng hài là hệ số méo
dạng (Total Harmonic Distortion):
2
1
1
n
n
X
THDX
(1.5)
Trong đó:
- 1X là biên độ thành phần cơ bản
- nX là biên độ thành phần sóng hài bậc n
Từ công thức (1.5), để đánh giá độ méo dòng điện và điện áp ta sử dụng hệ
số méo dạo dòng điện và hệ số méo dạng điện áp:
2
1
1
n
n
I
I
THDI
(1.6)
18
Trong đó:
- 1I là biên độ dòng điện cơ bản
- nI là biên độ dòng điện hài bậc n
2
1
1
n
n
V
V
THDV
(1.7)
Trong đó:
- 1V là biên độ điện áp cơ bản
- nV 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 về
giới hạn thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới, đối với mỗi loại tải qui định
THD < 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 công
nghiệp: 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 chất
khí, 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
Hình 1-2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển
19
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 độ
méo rất lớn 35.01%THD . Các thành phần sóng điều hòa này là do tính phi tuyến
của 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
20
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 alpha
bằng 30o
Hình 1-6: Dòng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha
bằng 30o
Hình 1-7: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 30o
21
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 alpha
bằng 90o
Hình 1-8: Dòng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha
bằng 90o
Hình 1-9: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 90o
Ta thấy khi tăng góc điều khiển alpha thì dạng tín hiệu dòng của tải tăng độ
méo 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%.
c. Tác hại sóng hài
Sóng hài có thể làm cho cáp điện bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện. Động cơ
cũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên
rotor dẫn tới sự cộng hưởng cơ khí và gây rung. Tụ điện quá nhiệt và trong phần
lớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi. Các thiết bị hiển thị sử
22
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.
1.1.2 Giải pháp lọc sóng hài
Việc loại bỏ sóng hài bằng các bộ lọc cộng hưởng LC chủ yếu theo các
phương pháp:
- Cuộn cảm nối tiếp
- Bộ lọc thụ động
- Bộ lọc thụ động mắc song song và nối tiếp
- Bộ lọc tích cực
- Máy biến áp Zigzag
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 các
phân tử điện tử công suất để lọc các sóng hài bậc cao trên hệ thống điện bằng cách
tạo nên các sóng hài bằng và ngược pha với sóng hài phát sinh trong mạch. Bộ lọc
tích cực nhằm giảm sóng hài dòng điện và bù công suất phản kháng.
Hình 1-10: Nguyên ly 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 lọc
tích cực phát ra Ilọc bằng không. Tuy nhiên các sóng này luôn thay đổi, do đó bộ lọc
23
tích cực cần được điều khiển theo tín hiệu dạng sóng nguồn và dạng sóng tải và
được phản ảnh qua phản hồi dòng điện. Nhờ bộ lọc tích cực chất lượng điện áp
cũng 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 lường
được 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 hài
tổng.
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:
24
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 trúc
này thì tín hiệu bù sóng hài được đưa vào thông qua biến áp (vf).
Cấu trúc Hybrid APF:
25
Hình 1-15: Cấu trúc bộ lọc kêt hợp bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động
Hybrid APF là sự kết hợp giữa bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động, kế thừa ưu
điềm của hai bộ lọc thụ động và tích cực. Hybrid APF tăng hiệu quả bộ lọc và tối
ưu chi phí trong thiết kế.
b. Tính toán xác định dòng bù sóng hài.
Một trong những bước để thiết kế bộ lọc tích cực là cần phải xác định dòng bù
hài chính xác và nhanh. Về thực chất dòng bù hài chính là đảo dòng hài trên tải. Có
rất nhiều phương pháp để xác định dòng hài trên tải như biến đổi Fourier nhanh
(FFT/Fast Fourier Transfrorm), lý thuyết công suất tức thời p – q, lý thuyết hệ qui
chiếu d – q đồng bộ, sử dụng các bộ lọc tương tự hoặc số thích hợp để tách các
thành phần hài.
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 3
phương pháp chính là phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform),
phương pháp FFT (Fast Fourier Transform), phương pháp RDFT (Recursive
Discrete Fourier Transform).
- Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform): là thuật toán biến đổi cho
các tín hiệu rời rạc, kết quả của phép phân tích đưa ra cả biên độ và pha của
thành phần sóng điều hòa mong muốn theo công thức sau:
26
1 1
0 0
2. . . 2. . .( ). os . ( ).sin
N N
n n
h n h nX x n c j x n
N N
(1.8)
Ta có thể viết dưới dạng sau:
2 2
arctan
h hr hi
h hr hi
hih
hr
X X jX
X X X
X
X
(1.9)
Trong đó:
+ 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, hX là
biên độ của vecto hX , h là góc pha của vecto hX
+ hrX là phần thực của vector hX
+ hiX là phần ảo của vector hX
Mỗi thành phần điều hòa xác định từ đó tổng hợp lại trong miền thời gian để
tạo tín hiệu bù cho bộ điều khiển.
- 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
của mỗi thành phần sóng điều hòa. Việc tính toán này thực hiện trong
mỗi chu kỳ của dòng chính để đảm bảo rằng FFT tính toán hoàn tất
trong một chu kỳ để tránh méo do phổ tần số.
+ Tổng hợp dòng bù từ các thành phần sóng điều hòa.
27
Ưu điểm của phương pháp FFT là có thể tác động tới từng thành phần sóng điều
hòa 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
phương pháp 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:
HPF
Filtering
PLL
abcib
ic
dq abc
dqia
*
d d di i i
*
q q qi i i
~di
~qi
aubu
cu
*
ai
*
ci
*
bi
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 trong khung tọa độ dq thành phần dòng với tần số cơ bản coi như thành phần
dòng một chiều và thành phần sóng điều hòa như thành phần dòng xoay chiều. Sau
đó sử dụng bộ lọc thông cao tách ra thành phần xoay chiều, thành phần này chính là
thành 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:
2 2os os os
3 32
3 2 2sin sin sin
3 3
a
d
b
q
c
ic c ci
ii
i
(1.10)
28
- 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 thuyêt 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.
C
IGBT
T1 T2 T3
T4 T5 T6
Hình 1-18: Bộ nghịch lưu.
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].
29
Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển.
Bộ điều khiển đóng vai trò trung tâm trong bộ lọc tích cực, thực hiện điều khiển
mạch công suất (IGBT, MOSFET...) để phát dòng bù sóng hài theo đúng tính toán
dòng bù sóng hài cần thiết. Bộ điều khiển này có thể được thiết kế trên cơ sở các bộ
điều khiển PID, Fuzzy, Noron… Chất lượng của bộ lọc tích cực phụ thuộc chính
vào việc thiết kế bộ điều khiển này.
Đề tài tập trung xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực, thực hiện mô
phỏng, kiểm chứng thực tế và so sánh với các kết quả của các công trình đã công
bố.
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 còn
khá 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 thống
điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha tải R-L. Trên cơ sở đó xây dựng cấu trúc
điều khiển và bộ điều khiển mờ để điều khiển AF thông qua giải pháp tách dòng
điện hài bằng bộ lọc thông dải. Kết quả nghiên cứu đã được mô phỏng, kiểm chứng
trên phần mềm Matlab/Simulink.
Bài báo trình bầy phương pháp xác định thành phần sóng hài của dòng điện
tải phi tuyến theo thời gian thực bằng mạng nơ ron tuyến tính thích nghi (Adaptive
Linear/Adaline neural network). Mạng nơron Adaline được học online với thuật
toán Windrow-Hoff (W-H) cải tiến để đảm bảo quá trình học của mạng nhanh và
luôn hội tụ. Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy mạng Adaline với thuật học
W-H cải tiến có thể xác định dòng điện hài chính xác trong một chu kỳ lấy mẫu của
thiết 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 dựng
thuật toán nhận dạng sóng hài chưa thiết kế các bộ điều khiển APF có thể ứng dụng
trên thực tế.
30
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 bù
công suất phản kháng để tăng chất lượng điện năng. Trong đó đưa ra phương pháp
tính toán 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 khiển cho bộ lọc tích cực.
Các bài báo [9], [23], [34], [39], [55], [63], [82], [86], [91], [96] xây dựng bộ
điều khiển dải trễ (HCC-Hysteresis current controller) để ứng dụng cho bộ
lọc công suất tích cưc. Đây là bộ điều khiển kinh điển, đơn giản giúp tính
toán mô tả được cấu trúc bộ lọc công suất tích cực. Tính toán dòng bù sóng
hài, thực hiện điều khiển bộ nghich lưu IGBT trên cơ sở bộ điều khiển HCC.
Các bài báo cũng chỉ ra chất lượng bộ điều khiển HCC 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 khiển dòng 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 điều khiển PI.
Các bài báo [1], [29], [83], [49], [51], [57], [67]–[71] thiết kế bộ điều khiển
MPC cho bộ lọc công suất tích cực. Bộ điều khiển dự báo được thiết kế tính
toán trên tính 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 tích
cực song song;
31
- 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, nguyên
nhân và tác hại của sóng hài cùng các tiêu chuẩn đánh giá ảnh hưởng sóng hài
trên lưới điện. Trên cơ sở các giải pháp lọc sóng hài, luận án tập trung giải pháp
lọc 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 điều
khiển cho bộ lọc tích cực, trên cơ sở đó đưa ra hướng nghiên cứu của luận án.
32
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: + iS là dòng điện của nguồn phát
+ iC là dòng điện của bộ lọc tích cực
+ iL là dòng điện tải.
Ta có: S C Li i i (2.1)
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
33
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 bị
lọc 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:
S C L C F Hi i i i i i (2.2)
Trong đó: + iF là dòng điện tần số cơ bản
+ iH là tổng các dòng sóng điều hòa bậc cao
Do vậy để dòng điện nguồn sin: S Fi i thì:
0C H C Hi i i i (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
để tính toán dòng bù tổng sóng hài ( *
C Hi i ).
34
- Bộ điều khiển dòng thực hiện điều khiển vòng kín có phản hồi để
thực hiện điều khiển đóng/cắt IGBT phát ra dòng iC đưa lên lưới sao
cho *
C Ci i . 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 miền
tần số cũng đã được giới thiệu trong chương 1, trong đó phải kể đến các phương
pháp chính được thảo luận trong tài liệu tham khảo [24] và chúng được phân loại
như sau:
- Miền tần số (sử dụng phương pháp biến đổi FFT);
- Miền thời gian.
Từ các công trình nghiên cứu đi trước chỉ ra rằng nhược điểm lớn của phương
pháp FFT là chất lượng đáp ứng thấp trong quá trình quá độ. Các mẫu FFT phải
được thực hiện trong một chu kỳ và bất cứ một quá độ nào ở dạng sóng của dòng
điện sẽ dẫn tới sai lệch ở đầu ra của dòng điện bù, để tránh gặp phải vấn đề đó
SAPF cần phải được ngắt ra khỏi lưới trong quá trình quá độ. Phương pháp trừ tín
hiệu 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
thời (p,q)
Trên cơ sở lý thuyết p,q, dòng điện tham chiếu được tính theo dòng điện và
điện áp đo, rồi chuyển đổi sang hệ quy chiếu (α,β) sử dụng phương pháp chuyển
đổi Clarke, từ đó dòng chuyển đổi được sử dụng để tạo ra các xung kích IGBT sau
quá trình ước tính dòng ba pha tham chiếu sử dụng biến đổi ngược Clarke, chi tiết
của phương pháp này được thảo luận trong tài liệu [8].
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 toán
học và các phép biến đổi.
35
Hình 2-2: Sơ đồ cấu trúc của khâu dòng điện tham chiêu dựa trên ly thuyêt p-q
Trong đó p và q là công suất thực và công suất phản kháng tiêu thụ bởi các
thành phần sóng hài. Vòng chỉnh định điện áp DC được dùng để thích nghi điện áp
trên tụ điện của mạch nghịch lưu theo một giá trị điện áp được xác định trước. Sai
lệch của dòng điện mong muốn trên tụ điện và giá trị biến thiên của nó được xét
đến trong phần tính công suất của sóng hài.
2.2.1 Biến đổi Clarke (Clarke transformation)
Phương pháp biến đổi Clarke được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu điện áp và
dòng điện đo được từ hệ quy chiếu (a, b, c) sang hệ quy chiếu (α,β) như trên hình
2.3. Phương pháp này giúp làm giảm khối lượng cần tính toán và cho phép tách bộ
điều khiển công suất thực và công suất phản kháng [26].
/iα
/iβ
i*b / / ib
/ ia
/ i*c / i*b
/ ic i*c /
i*a /
/ i*b
/ i*c
Hình 2-3: Chuyển đội hệ tọa độ abc sang α – β
36
Thuật ngữ công suất phản kháng tức thời được xác định là giá trị duy nhất
đối với các dạng sóng dòng điện và điện áp ba pha bao gồm cả các dạng sóng méo
sử dụng công suất tức thời trên phần trục ảo [2]. Bộ bù công suất phản kháng tức
thời có chức năng loại bỏ các dòng điện của thành phần sóng hài bậc cao.
Để xử lý các giá trị toán học tức thời của các dạng sóng dòng điện và điện áp
tức thời của mạch ba pha, ta biểu thị các đại lượng của chúng dưới dạng các vectơ
tức thời. Trong hệ quy chiếu abc, thì ba trục được cố định trên cùng một mặt
phẳng, pha được phân tách với nhau bởi góc 2π/3 như ở hình 2.3. Các vectơ tức
thời Vabc, Iabc được đặt tương ứng với các trục tọa độ abc. Nếu chúng ta giả sử hệ
thống là hệ ba pha cân bằng thì điện áp và dòng điện trên hệ tọa độ (α, β) được đưa
ra ở phương trình (2.3 – 2.4) như sau:
1/ 2 1/ 212
03 3 / 2 3 / 2
a
b
c
vv
vv
v
(2.3)
1/ 2 1/ 212
03 3 / 2 3 / 2
a
b
c
ii
ii
i
(2.4)
Công thức tính điện áp và dòng điện trên hệ abc từ hệ (α, β).
012
1/ 2 3 / 23
1/ 2 3 / 2
a
b
c
vv
vv
v
(2.5)
012
1/ 2 3 / 23
1/ 2 3 / 2
a
b
c
ii
ii
i
(2.6)
2.2.2 Lý thuyết công suất tức thời
Công suất tức thời [65] được tính toán trên cơ sở dòng điện và điện áp tức
thời, được áp dụng cho hệ 3 pha có trung tính hay không có trung tính. Công suất
tức thời không chỉ có giá trị trong trạng thái ổn định mà cả trạng thái quá độ. Lý
37
thuyết công suất tức thời linh hoạt và hiệu quả trong việc thiết kế bộ điều khiển cho
các bộ điều hòa công suất dựa trên các phần tử công suất.
Hình 2-4: Công suất tức thời của hệ 3 pha
Trong đó:
2 cos
22 cos
3
22 cos
3
a v
b v
c v
v t V t
v t V t
v t V t
và
2 cos
22 cos
3
22 cos
3
a I
b I
c I
i t I t
i t I t
i t I t
(2.7)
Sử dụng phép biến đổi trục tọa độ abc sang trục tọa độ (α, β).
3 cos
3 sin
v
v
v V t
v V t
và
3 cos
3 sin
I
I
i I t
i I t
(2.8)
Biểu diễn vector điện áp và dòng điện trên hệ tọa độ (α, β).
3
3 cos sin
3 v
v v
j t
e V t j te v jv
e Ve
(2.9)
Và
3
3 cos sin
3 I
I I
j t
i I t j ti i ji
i Ve
(2.10)
Ta có công suất biểu kiến tức thời:
*. .s e i v jv i ji v i v i j v i v i p jq (2.11)
Trong đó: p v i v i là công suất hiệu dụng tức thời
38
q v i v i là công suất phản kháng tức thời
Áp dụng công thức (2.8), ta có:
3 cosp VI với V I (2.12)
3 sinq VI với V I (2.13)
Trên cơ sở lý thuyết p-q của mạch 3 pha, ta phát triển tính toán với trường hợp tổng
quát với hàm điện áp và dòng điện là khai triển của một chuỗi Fourier:
1
2 sin , ,k kn n kn
n
v t V t k a b c
(2.14)
1
2 sin , ,k kn n kn
n
i t I t k a b c
(2.15)
Với n là bậc của sóng hài, n=1 là sóng hài cơ bản.
Biểu diễn (2.14) và (2.15) dạng vector:
1 1
, ,k kn kn kn
n n
V V V k a b c
(2.146
1 1
, ,k kn kn kn
n n
I V I k a b c
(2.17)
Phép biến đổi thành phần đối xứng áp dụng cho các sóng hài điện áp và
dòng điện sẽ là:
0
2
2
11 11
13
1
n an
n bn
n cn
V V
V V
V V
với 2 /31 120
jo e
(2.18)
Và
0
2
2
11 11
13
1
an n
bn n
cn n
V V
V V
V V
(2.19)
Các hàm sóng hài khác có thể triển khai tương đương theo công thức (2.19).
Do đó viết lại sóng hài theo thành phần đối xứng trong miền thời gian cho các biểu
thức của sóng hài bậc n trong hệ tọa độ abc.
39
0 0
0 0
0 0
2 sin 2 sin
2 sin
2 sin 2 sin 2 / 3
2 sin 2 / 3
2 sin 2 sin 2 / 3
2 sin 2 / 3
an n n n n n n
n n n
bn n n n n n n
n n n
cn n n n n n n
n n n
v t V t V t
V t
v t V t V t
V t
v t V t V t
V t
(2.20)
Tương tự biểu diễn dòng điện
0 0
0 0
0 0
2 sin 2 sin
2 sin
2 sin 2 sin 2 / 3
2 sin 2 / 3
2 sin 2 sin 2 / 3
2 sin 2 / 3
an n n n n n n
n n n
bn n n n n n n
n n n
cn n n n n n n
n n n
i t I t I t
I t
i t I t I t
I t
i t I t I t
I t
(2.21)
Áp dụng biến đổi trục tọa độ abc sang (α, β).
1 1
1 1
0 0 0
1
3 sin 3 sin
3 sin 3 sin
6 sin
n n n n n n
n n
n n n n n n
n n
n n n
n
v V t V t
v V t V t
v V t
(2.22)
1 1
1 1
0 0 0
1
3 sin 3 sin
3 sin 3 sin
6 sin
n n n n n n
n n
n n n n n n
n n
n n n
n
i I t I t
i I t I t
i I t
(2.23)
Tử (2.11), ta có:
0 0 00 0
0
0
p v i
p v v i
q v iv
(2.24)
Biểu diễn lý thuyết công suất tức thời dưới dạng biểu thức sau:
40
0 0 0
p p p
q q q
p p p
(2.25)
Thay thế v(2.22), (2.23) vào biểu thức (2.24) và biến đổi ta có:
0 0 0 0 0
1
3 cosn n n n
n
p V I
(2.26)
1 1
3 cos 3 cosn n n n n n n n
n n
p V I V I
(2.27)
1 1
3 sin 3 sinn n n n n n n n
n n
q V I V I
(2.28)
0 0 0 0 0
1 1
0 0 0 0
1 1
3 cos
3 cos
m n m n m n
m nm n
m n m n m n
m n
p V I t
V I t
(2.29)
1 1
1 1
1 1
1 1
3 cos
3 cos
3 cos
3 cos
m n m n m n
m nm n
m n m n m n
m nm n
m n m n m n
m nm n
m n m n m n
m nm n
p V I t
V I t
V I t
V I t
(2.30)
41
1 1
1 1
1 1
1 1
3 sin
3 sin
3 sin
3 sin
m n m n m n
m nm n
m n m n m n
m nm n
m n m n m n
m nm n
m n m n m n
m nm n
q V I t
V I t
V I t
V I t
(2.31)
Trong đó:
- 0p công suất tức thời của nguồn chuyển đến tải thông qua thành phần thứ tự 0
- 0p công suất tức thời thành phần xoay chiều, trao đổi giữ nguồn và tải thông
qua thành phần thứ tự 0. Công suất p0 chỉ tồn tại trên hệ thống 3 pha 4 dây.
- p là thành phần công suất trung bình tải tiêu thụ tại tần số 50Hz, tương ứng là
năng lượng mong muốn nguồn cung cấp cho tải.
- p là thành phần công suất tiêu thụ tại các sóng điều hòa bậc cao, được trao
đổi giữa nguồn và tải.
- q là thành phần công suất phản kháng trung bình tải tiêu thụ tại tần số 50Hz
- q là thành phần công suất phản kháng tại các sóng điều hòa bậc cao, được
trao đổi giữa nguồn và tải.
Hình 2-5: Các thành phần công suất của ly thuyêt p-q trong tọa độ a-b-c.
2.2.3 Ứng dụng công suất tức thời trong tính toán dòng bù sóng hài
Lý thuyết công suất tức thời được ứng dụng vào quá trình tính toán và thiết
kế bộ lọc công suất tích cực một cách hiệu quả trên cơ sở những ưu điểm sau:
42
- Lý thuyết công suất tức thời áp dụng cho hệ 3 pha
- Lý thuyết cho phép áp dụng với hệ thống 3 pha cân bằng và 3 pha không cân
bằng, hệ thống có hoặc không có sóng hài ở cả điện áp và dòng điện
- Tính toán tức thời nên cho phép tốc độ đáp ứng nhanh với hệ thống.
- Tính toán đơn giản trên cơ sở các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ.
Hình 2-6: Các thành phần bù công suất p , q , 0p và 0p theo tọa độ a-b-c
Như các biểu thức phân tích trên và biểu diễn trên hình 2.6 thì p là thành
phần duy nhất tải cần nhận, còn các thành phần khác sẽ được trao đổi thông qua bộ
lọc SAPF. 0p là thành phần được cung cấp từ nguồn đến tải, nó sẽ trao đổi với bộ
SAPF để truyền đến tải mà không phụ thuộc vào hoạt động của bộ SAPF.
Phân tích trên cho thấy bộ SAPF chỉ cần bù các thành phần p và 0p và các
thành phần này được trao đổi tức thời giữa bộ SAPF và tải. Thành phần công suất
phản kháng q được bù thông qua bộ SAPF mà không phụ thuộc vào dung lượng tụ
C. Như vậy công suất bộ lọc tích cực cần bù:
AF
AF
p p
q q
(2.32)
Và dòng cần bù:
*
2 2*
1c
c
v vi p
v v qv vi
(2.33)
43
Tuy nhiên do điện áp trên tụ là không ổn định, do đó để đảm bảo điện áp
trên tụ không đổi thì nguồn cần cung cấp một công suất losep để duy trì điện áp
trên tụ không đổi. Bởi vậy, công thức tính dòng bù cần thiết trong hệ αβ khi kết
hợp cả chức năng lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng:
*
2 2*
1c lose
c
v vi p p
v vv v qi
(2.34)
Từ công thức này, ta tính được dòng bù trong hệ tọa độ abc.
*
*
*
*
*
1 0
2 1 3
3 2 2
1 1
2 2
ca
c
cb
c
cc
ii
ii
i
(2.35)
Phép biến đổi ngược này nhằm tìm ra dòng ba pha đặt cho bộ nghịch lưu IGBTs, từ
đó có thể sử dụng bộ điều khiển dải trễ (hysteresis current control -HCC) kết hợp
bộ phát xung PWM để kích mở các cặp van IGBTs nhằm điều chỉnh dòng điện bù
do bộ nghịch lưu có thể tạo ra.
Các bước tính toán dòng bù sóng hài được thực hiện theo cấu trúc hình 2.7.
Hình 2-7: Tổng quan về ma trận chuyển đổi cho quá trình tìm dòng điện tham
chiêu theo ly thuyêt p-q sử dụng biên đổi Clarke.
44
2.3 Kết luận chương 2
Trên cơ sở đa dạng của cấu trúc bộ lọc công suất tích cực, chương 2 đã lựa
chọn cấu trúc của bộ lọc công suất tích cực dạng song song và phân tích hoạt động
của bộ lọc tích cực kiểu này. 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, có thể sử dụng cho
mạch vòng điều khiển ngoài bộ điều khiển bộ lọc tích cực như (2.34) và (2.35). Kết
quả nghiên cứu của chương 2 sẽ là cơ sở toán học cho các phương pháp điều khiển
bộ lọc tích cực sẽ được trình bày trong chương 3.
45
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC CÔNG
SUẤT TÍCH CỰC
3.1 Cấu trúc điều khiển của bộ lọc công suất tích cực
Cấu trúc điều khiển của bộ lọc công suất tích cực ba pha kiểu song song (SAPF)
được đưa ra theo hình 3.1.
Hình 3-1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống lọc công suất tích cực ba pha kiểu
song song
Đầu tiên dòng điện cần bù được tính toán dựa theo điện áp và dòng điện tải
thông qua khối tính toán dòng điện tham chiếu (Reference compensation current
calculator), tiếp đến bộ điều khiển dải trễ (HCC) được áp dụng cho mạch vòng điều
khiển dòng điện (Current controller), tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển là khối tạo
xung kích (Switching logic pulses) để kích dẫn các cặp van IGBTs. Biên độ và
dạng tín hiệu đầu ra của bộ nghịch lưu ba pha sử dụng IGBTs được tự động chỉnh
định bởi sự thay đổi tần số đóng cắt IGBTs sao cho dòng điện bù mong muốn bám
theo dòng bù tham chiếu. Phương pháp nhận diện dòng bù tham chiếu phổ biến
nhất được thực hiện dựa trên lý thuyết công suất tức thời p-q đề xuất bởi Akagi và
các đồng tác giả. Theo như lý thuyết p-q thì tín hiệu dòng điện và điện áp trên hệ
46
quy chiếu abc được chuyển đổi sang hệ quy chiếu αβ0 sử dụng phép biến đổi
Clarke [9].
Điện áp nguồn ba pha được tính toán theo phương trình (3.1).
0
1 1 1
2 2 2
2 1 11
3 22
3 30
2 2
a
b
c
v v
v v
v v
(3.1)
Dòng điện tải ba pha được tính toán theo phương trình (3.2).
0
1 1 1
2 2 2
2 1 11
3 22
3 30
2 2
a
b
c
i i
i i
i i
(3.2)
Trong đó ila, ilb, ilc là dòng tải và va, vb , vc là điện áp tải (bằng điện áp lưới, do tính
chất tải cân bằng). Dựa trên cơ sở lý thuyết công suất tức thời p-q thì công suất tiêu
thụ và công suất phản kháng được xác định bởi phương trình (3.3) và (3.4).
v v ip
iq v v
(3.3)
Công suất trên miền α-β có thể được tách thành giá trị công suất trung bình
và giá trị công suất biến thiên tương ứng với thành phần tần số cơ bản và các thành
phần sóng hài.
Công suất tải được tính theo công thức:
v v ip
iq v v
(3.4)
Công suất p, q có thể được tách ra 2 thành phần:
+ Thành phần một chiều p , q tương ứng với thành phần cơ bản của dòng
tải.
+ Thành phần điều hòa bậc cao p~ , q~
47
p p p (3.5)
q q q (3.6)
Khi đó, tổng công suất tức thời xác định bởi tải:
3_ phaP p q p p q q (3.7)
Trong đó:
+ p: Thành phần công suất tác dụng P3_pha
+ q: Thành phần công suất phản kháng P3_pha
Nguồn chỉ cung cấp thành phần công suất một chiều của tải và công suất tổn
hao của bộ nghịch lưu.
Mạch lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất xoay chiều
của p và công suất phản kháng q.
Khi đó ta có công suất cung cấp bởi mạch lọc:
AF
AF
p p
q q
(3.8)
Và dòng cần bù:
*
2 2*
1c
c
v vi p
v v qv vi
(3.9)
Tuy nhiên do điện áp trên tụ là không ổn định, do đó để đảm bảo điện áp trên tụ
không đổi thì nguồn cần cung cấp một công suất p0 để duy trì điện áp trên tụ
không đổi. Bởi vậy, công thức tính dòng bù cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả
chức năng lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng:
*
0
2 2*
1c
c
v vi p p
v vv v qi
(3.10)
Từ công thức này, ta tính được dòng bù trong hệ tọa độ abc.
*
*
*
*
*
1 0
2 1 3
3 2 2
1 1
2 2
ca
c
cb
c
cc
ii
ii
i
(3.11)
48
Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q.Tổng quan về cấu trúc xác định
dòng điện tham chiếu được thể hiện trên Hình 3.2.
Hình 3-2: Cấu trúc xác định dòng điện đặt dựa theo ly thuyêt
công suất tức thời p-q.
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
Hình 3.3: Cấu trúc bộ lọc công suất tích cực ba pha sử dụng bộ điều khiển
dải trễ (HCC) cho dòng điện
49
Bộ điều khiển dải trễ dòng điện (HCC) [10] là phương pháp đơn giản và được sử
dụng phổ biến nhất với độ ổn định cao, đáp ứng nhanh và thích ứng với điều kiện
tải thay đổi, tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là tần số đóng cắt
của IGBTs phụ thuộc vào tính chất của tải. Tần số đóng cắt IGBTs được xác định
bởi sai lệch giữa dòng điện tham chiếu và dòng điện thực với các ngưỡng cho phép
(HB+) và (HB-). Do vậy dòng điện thực sẽ được hiệu chỉnh sao cho bám dòng tham
chiếu trong một dải trễ cho trước (hysteresis band). Hàm sai lệch được tính theo
phương trình (3.12).
, ,i r i f ie i i (3.12)
Trong đó:
ie : là sai lệch dòng của pha i,
r : ký hiệu cho dòng tham chiếu,
f : ký hiệu cho dòng đầu ra của bộ lọc công suất tích cực,
I : ký hiệu cho A, B, C nghĩa là pha A, B, C.
Với đầu vào là sai lệch dòng giữa dòng đặt và dòng đầu ra của bộ lọc thì cấu trúc
của bộ điều khiển dải trễ (HCC) kết hợp với bộ tạo xung kích mở IGBTs được đưa
ra ở hình 3.4.
Hình 3.4: Cấu trúc và nguyên ly của bộ điều khiển dải trễ (HCC)
Nguyên lý hoạt động đóng cắt được thiết lập bởi luật dưới đây:
Nêu sai số dòng điện thấp hơn cận dưới (HB-) thì trạng thái chuyển mạch sẽ ở mức
cao (SSon).
50
1i one HB SS
(3.13)
Nêu sai số dòng điện lớn hơn cận trên (HB+) thì trạng thái chuyển mạch sẽ ở
mức thấp (SSoff).
0i offe HB SS (3.14)
Nêu sai lệch dòng điện nằm trong dải từ cận dưới (HB-) đên cận trên (HB+),
thì trạng thái chuyển mạch sẽ giữ nguyên như trạng thái trước đó (SSremain).
( _ )i remainHB e HB SS SS pre state
(3.15)
Hoạt động của bộ điều khiển dải trễ mô tả quá trình trao đổi năng lượng giữa bộ lọc
tích cực và tải hệ thống như trên hình 3.5 sau:
Hình 3-5: Bộ điều khiển dải trễ PWM dòng điện
Bảng 3-1 Trạng thái đóng mở của IGBT thông qua quá trình phóng nạp tụ C
0fki và 0fkdi
dt
T1 = Off và T4 = On
D1 = On và D4 = Off
Nạp tụ C1
0fki và 0fkdi
dt
T1 = On và T4 = Off
D1 = Off và D4 = Off
51
Phóng tụ C1
0fki và 0fkdi
dt
T1 = Off và T4 = Off
D1 = Off và D4 = On
Nạp tụ C2
0fki và 0fkdi
dt
T1 = Off và T4 = On
D1 = Off và D4 = Off
Phóng tụ C2
Độ rộng của dải trên và dải dưới trong bộ điều khiển dải trễ ảnh hưởng trực
tiếp đến chất lượng của bộ điều khiển. Trên cơ sở lý thuyết thì động rộng dải này
càng nhỏ thì sai số giữa giá trị đặt và giá trị điều khiển càng nhỏ. Tuy nhiên trên
thực tế độ rộng dải trễ này không thể bằng 0 mà phụ thuộc vào tần số đóng cắt của
bộ nghịch lưu IGBT. Mỗi bộ IGBT có tần số đóng cắt cực đại theo nhà sản xuất,
tần số đóng cắt càng lớn thì tổn hao công suất càng cao và tuổi thọ thiết bị giảm.
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
Đối với bộ điều khiển dải trễ (HCC), thì chất lượng bám của dòng bù phụ
thuộc vào dải trễ (HB+) và (HB-). Nếu dải trễ HB (dải từ ngưỡng thấp tới ngưỡng
cao) tăng, tần số đóng cắt IGBTs (f_s) giảm, tuy nhiên THD tăng, ngược lại nếu dải
trễ nhỏ, THD sẽ giảm nhưng tần số đóng cắt IGBTs tăng rất cao. Điều này có thể
dẫn tới hệ thống không có tính khả thi do cấu trúc mạch lực phụ thuộc vào đặc tính
của [21] IGBTs, nếu tần số đóng cắt của IGBTs hạn chế sẽ dẫn tới mạch nghịch lưu
không đáp ứng được. Do đó tác giả đề xuất bộ điều khiển dòng dải trễ thích nghi sử
dụng cơ cấu chỉnh định mờ.
3.2.1.1 Bộ điều khiển mờ
Logic mờ được phát triển từ lý thuyết tập mờ thực hiện lập luận một cách xấp
xỉ thay vì lập luận chính xác theo lôgic vị từ cổ điển. Lôgic mờ có thể được coi là
mặt ứng dụng của lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong thế giới thực cho các
bài toán phức tạp.
- Cơ sở toán học của logic mờ
52
+ Tập mờ
Tập mờ được coi là phần mở rộng của tập kinh điển. Nếu X là một không gian
nền (một tập nền) và những phần tử của nó được biểu thị bằng x, thì một tập mờ A
trong X được xác định bởi một cặp các giá trị:
, |
( ) 1
AA x x x X
x
AVí i 0
(3.16)
Trong đó A(x) được gọi là hàm liên thuộc của x trong A -viết tắt là MF
(Membership Function). Nó không còn là hàm hai giá trị như đối với tập kinh điển
nữa, mà là một hàm với một tập các giá trị hay còn gọi là một ánh xạ. Tức là, hàm
liên thuộc ánh xạ mỗi một phần tử của X tới một giá trị liên thuộc trong khoảng
[0,1].
0 20 40 60 80 1000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Do p
hu t
huoc
(a)MF hinh tam giac
0 20 40 60 80 1000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Do p
hu t
huoc
(b) MF hinh thang
0 20 40 60 80 1000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Do p
hu t
huoc
(c) MF Gaussian
0 20 40 60 80 1000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Do p
hu t
huoc
(d) MF Generalized Bell
Hình 3-6: Một số dạng hàm liên thuộc cơ bản
Các hàm liên thuộc được xây dựng từ những hàm cơ bản như: Kết nối hành vi,
hàm bậc nhất, hình thang, hình tam giác, hàm phân bố Gaussian, đường cong
xichma, đường cong đa thức bậc hai và bậc ba
- Các phép toán trên tập mờ
Tương tự như các tập kinh điển, những phép toán cơ bản trên tập mờ là phép
hợp, phép giao và phép phủ định cũng được định nghĩa thông qua hàm liên thuộc.
53
Phép giao
Điểm giao nhau của hai tập mờ A và B được xác định tổng quát bởi một ánh xạ
nhị phân T, tập hợp của hai hàm liên thuộc sẽ là như sau:
xxTx BABA , (3.17)
Phép hợp
Giống như điểm giao nhau mờ, phép toán kết hợp mờ được xác định khái quát
bằng một ánh xạ nhị phân S
xxSx BABA , (3.18)
Phép phủ định
Phủ định (Negation) là một trong các phép toán logic cơ bản. Để
suy rộng chúng ta cần tới toán tử N gọi là toán tử phủ định mờ.
- Luật nếu –thì mờ
Biên ngôn ngữ:
Hình 3-7: Hàm liên thuộc của biên ngôn ngữ T(tuổi)
Một biến ngôn ngữ được đặc trưng bởi tập năm yếu tố (x,T(x),X,G,M) trong đó
x là tên của biến; T(x) là tập hợp các thuật ngữ của x, nó là các giá trị ngôn ngữ hay
thuật ngữ ngôn ngữ; X là không gian nền; G là luật cú pháp tạo ra các thuật ngữ
trong T(x); và M là luật ngữ nghĩa liên kết mỗi giá trị ngôn ngữ A với nghĩa M(A)
của nó, M(A) xác định một tập mờ trên X.
Luật nêu-thì mờ
Một luật nếu-thì mờ (còn gọi là luật mờ, phép kéo theo mờ, hoặc câu điều kiện
mờ) thường có dạng: Nêu x là A thì y là B
54
Trong đó A,B là các giá trị ngôn ngữ được xác định bởi các tập mờ trong không
gian nền X và Y. Thông thường “x là A” được gọi là tiên đề hay giả thuyết, còn “y
là B” được gọi là kết quả hay kết luận. Các ví dụ của luật nếu-thì mờ rộng khắp
trong các diễn giải ngôn ngữ hàng ngày như:
- Nếu áp suất cao thì thể tích nhỏ
- Nếu đường trơn thì việc lái xe rất nguy hiểm
- Nếu quả cà chua màu đỏ thì nó chín
Luật nếu-thì mờ thường được viết tắt dưới dạng AB miêu tả quan hệ giữa hai
biến x và y, điều này cho thấy rằng luật nếu-thì mờ xác định một quan hệ hai ngôi R
trên không gian tích XxY.
- Suy diễn mờ
Suy diễn mờ, còn được gọi là suy diễn xấp xỉ là một giải thuật suy luận nhằm
thu được kết luận từ một tập các luật nêu-thì mờ được coi như chân lý. Luật cơ bản
của phép suy luận truyền thống với hai giá trị logic là modus ponens, từ luật này ta
có thể suy luận ra mệnh đề B từ mệnh đề A và phép kéo theo R A B . Có thể
minh hoạ luật modus ponens :
Giả thiết 1 (sự kiện) : x là A
Giả thiết 2 (luật) : Nêu x là A thì y là B
Suy diễn (kết luận) : y là B
Tuy nhiên, trong suy diễn của con người, luật modus ponens được sử dụng theo
cách thức xấp xỉ điều này được minh hoạ như sau:
Giả thiết 1 (sự kiện) : x là A’
Giả thiết 2 (luật) : Nêu x là A thì y là B
Suy diễn (kết luận) : y là B’
Trong đó A’ gần với A và B’ gần với B. Khi A, B, A’, B’ là các tập mờ trên các
không gian nền tương ứng thì giải thuật trên được gọi là suy luận xấp xỉ hay suy
diễn mờ. Ta có thể thành lập giải thuật suy diễn mờ như sau:
Gọi A, A’ và B là các tập mờ trên không gian X, X và Y. Giả thiết phép kéo theo
mờ A B được diễn giải như một quan hệ mờ trên không gian XxY thì tập mờ
B suy ra từ “x là A” và luật mờ “nêu x là A thì y là B” được xác định bởi:
55
)],()([)],(),(min[max)(''
' yxxyxxy RAxRAxB
(3.19)
Hay tương đương:
)(''' BAARAB (3.20)
3.2.1.2 Ứng dụng bộ điều khiển mờ điều chỉnh thích nghi giá trị dải trễ trong bộ
điều khiển dải trễ
Hình 3-8: Cấu trúc bộ điều khiển HCC thích nghi sử dụng cơ cấu chỉnh định mờ
Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển HCC thích nghi sử dụng bộ điều khiển mờ để
chỉnh định giá trị của dải trễ. Trên sơ đồ cấu trúc điều khiển này giá trị dải trễ HB
của bộ điều khiển dải trễ sẽ không được đặt cố định mà thay đổi. Giá trị của HB sẽ
được bộ điều khiển mờ chỉnh định trên cơ sở tín hiệu sai lệch dòng đặt và dòng
phản hổi cùng với vi phân của giá trị sai lệch dòng.
56
Hình 3-9: Bộ điều khiển dòng điện dải trễ dựa trên cơ cấu chỉnh định mờ
Trong trường hợp này thì bộ điều khiển mờ giúp tối giản sai số dòng điện
bằng cách thích nghi dải trễ với đầu vào là sai số dòng điện và tốc độ thay đổi của
sai số đó.
Nếu thì (3.21)
Nếu thì (3.22)
Trong đó thì sai số dòng điện; là cận trên; cận dưới; giá trị
nền; is giá trị được tính toán tự động bằng bộ điều khiển mờ.
Mờ hóa ngõ vào được đặc trưng bởi các biến ngôn ngữ như là: NB – âm
mạnh, NS – âm vừa, Z – Không, PS – dương vừa, PB – dương mạnh đối với đầu
vào (ei(t) , dei(t)/dt), và đầu ra ( ). Các hàm liên thuộc được lựa chọn như ở hình
bên dưới.
NB NS Z PS PB
0
1
-0.5 -0.25 0 0.50.25
µei
ei(t)
NB NS Z PS PB
0
1
-0.1 -0.05 0 0.10.05
µ∆I
NB NS Z PS PB
0
1
-5 -2.5 0 52.5dei(t)/dt
µdei(t)/dt
∆I
Hình 3-10: Hàm liên thuộc giữa đầu vào và đầu ra
Số đầu vào là 2 và số hàm liên thuộc là 5 do đó ta có bảng luật hợp thành gồm 25
luật được đưa ra ở bảng 3.2.
57
Bảng 3-2 Luật mờ
dei(t)/dt
ei(t) NB NS Z PS PB
NB NB NB NS NS Z
NS NS NS NS Z PS
Z NS NS Z PS PB
PS NS Z Z PS PB
PB Z PS PS PS PB
3.3 Thiết kế bộ lọc công suất tích cực trên cơ sở bộ điều khiển PI
Cấu trúc của bộ lọc công suất tích cực điển hình như trên hinh 3.11. Trong
đó, sử dụng bộ điều khiển PI. Sách lược điều khiển bộ lọc công suất tích cực gồm
hai mạch vòng: mạch vòng ngoài dùng để xác định dòng điện đặt cần bù icref dựa
trên dòng tải iL,dòng điện cần bù này là lượng đặt cho mạch vòng trong hay dòng
điện mong muốn mà bộ inverter phải tạo ra được để đưa lên lưới nhằm mục đích bù
sóng hài và công suất phản kháng; mạch vòng trong có nhiệm vụ điều khiển tạo ra
dòng bù iC sao cho bám được dòng điện cần bù icref bằng cách điều chỉnh nghịch
lưu cầu ba pha toàn phần nguồn áp.
VSI
IGBT
abc
αβ
abc
αβ
Vαβ ilαβ
ila,b,c Va,b,c
LPF
p qabc
αβ PIUdk
Calculator
p,q
Calculator
irα ,irβ PI
ira,b,c
q
p
p
ifa,b,c
ifa,b,c
La,b,c
irα,β
p0 p
V*dc
Vdc
T1,…,6
Va,b,c
C
Vdc VSI
IGBT
Logic
Operators
NonLinear
Load
-
Hình 3-11: Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực sử dụng bộ điều khiển PI
58
Giả thiết dòng điện qua tải phi tuyến bị méo do sóng hài iL , bộ lọc công suất
tích cực sẽ đo dòng iL và tính toán để đưa lên lưới dòng điện bù iC sao cho dòng
điện qua nguồn iS = iL + iC luôn là hình sin. Có nghĩa là các nguồn sóng hài của tải
sinh ra sẽ được bù hết bằng iC.
3.3.1 Mạch vòng phụ
Để thực hiện mạch vòng điều khiển ngoài, tức là tạo ra dòng điện cần bù, ta
cần thêm một mạch vòng phụ, mạch vòng này có nhiệm vụ xác định công suất tác
dụng tổn thất, nhằm phục vụ cho việc tính toán dòng điện cần bù. Công suất tổn
thất được xác định bằng bộ điều khiển PI nhằm duy trì một điện áp một chiều (DC)
trên tụ của bộ inverter bằng hằng số. Hàm truyền để xác định bộ điều khiển PI cho
mạch vòng phụ này có dạng:
ex
exex
( )1
KG s
T s (3.23)
Trong đó: ex 0 ex/ 2 ; 2 / cK R v T RC , R là điện trở của tụ điện có dung lượng
C, vco là điện áp danh định của tụ.
Bộ điều khiển PI cho điện áp Vđc có cấu trúc điều khiển như trên hình 3.12.
KpC
KiC
V*dc evdc
1
s
Vdc
p0
Hình 3-12: Cấu trúc bộ điều khiển PI cho Vdc
Công suất P0 để duy trì điện áp trên tụ điện (Vdc) không đổi được tính toán
như sau:
0
1pC iC vdcp K K e
s
(3.24)
3.3.2 Mạch vòng tính toán dòng điện đặt ia, ib, ic
Hiện nay, có một số phương pháp tập trung cải thiện hơn nữa đáp ứng của
mạch vòng tính toán dòng điện đặt ia, ib, ic như: lựa chọn mạch lọc LPF sao cho lọc
59
tốt hơn nữa các thành phần bậc cao chỉ còn lại duy nhất thành phần sóng cơ bản
[11]. Ngoài ra việc chỉnh định tốt hơn nữa tham số bộ điều khiển PI cũng được đề
cập đến trong các công trình [12], [13] bằng cách xác định chính xác các giá trị R,
vc0 và C của bộ lọc công suất tích cực, xét đến sự trôi thông số, cũng có thể cải
thiện bằng một số biện pháp điều khiển thích nghi. Ngoài ra, một số công trình còn
nghiên cứu sử dụng mạng Neural [8], [21], [22], mờ [77], [78] và wavelet để điều
khiển cho bộ lọc công suất tích cực. Mặt khác để nâng cao chất lượng mạch điều
khiển bộ lọc công suất tích cực, một số biện pháp cải tiến tham số bộ điều khiển PI
của mạch vòng phụ cũng đã được xem xét, ví dụ như sử dụng phương pháp tối ưu
PSO [28]. Khi xét đến điện áp nguồn không là lý tưởng (non-ideal mains voltage),
tài liệu trình này một kỹ thuật bù sử dụng hai bộ lọc thông thấp cho hai điện áp
nguồn trên hệ tọa độ dq .
3.3.3 Bộ điều khiển dòng điện bù cho bộ lọc công suất tích cực
Đối với mạch vòng dòng điện bù cho bộ lọc công suất tích cực hiện nay có
rất nhiều phương pháp để thiết kế bộ điều khiển như: điều khiển PI hay còn gọi là
điều khiển tần số cố định hoặc điều khiển dòng trễ [23], [24], [34], [63]; kỹ thuật
điều khiển SFX-ADF [4], [5]; kỹ thuật điều chế Delta hoặc Dead– Beat [9], [10].
Mạch vòng trong là mạch vòng được nhiều nhà chuyên môn tập trung nghiên cứu
và đưa ra nhiều giải pháp nhằm cải thiện đặc tính động học, bù hiệu quả và triệt để
sóng hài, giảm THD, cải thiện đặc tính quá độ, cải thiện đáp ứng đối với tính dao
động của lưới phi tuyến,… Hiện nay, việc ứng dụng các kỹ thuật hiện đại có khả
năng như mạng nơron [21] điều khiển mờ, tuy nhiên nếu áp dụng một mình cho
mạch vòng trong trong một chừng mực nhất định có thể cải thiện thêm về mặt động
học nhưng việc thực thi thực tiễn hoàn toàn khó khăn vì khó đáp ứng được về mặt
tốc độ xử lý và khối lượng tính toán, do vậy những phương pháp đó hiện tại mới
dừng ở mặt lý thuyết.
Bộ điều khiển PI thực hiện điều khiển dòng bù sóng hài dòng điện bù cho bộ
lọc công suất tích cực được giới thiệu như trên Hinh 3.13.
60
ira,b,c
ifa,b,c
ei
T1
T2
T3
T4T5
T6
1
sKi
Kp
TWC
Udk,i
Logic
Operators
Hình 3-13: Bộ điều khiển PI điều khiển dòng bù sóng hài
Tín hiệu điều khiển 3 pha được tính theo công thức sau:
, , ,
1dk a dk b dk c p i iU U U K K e
s
(3.25)
Bộ điều khiển PI thiết kế kết hợp với tín hiệu sóng mang tam giác (TWC) để
thực hiện thay đổi độ rộng xung đóng mở chuyển mạch trong IGBT.
Sóng mang hình tam giác có biên độ chuẩn hóa 1 và tần số 50 kHz, do đó tín
hiệu điều khiển tại đầu ra bộ điều khiển dùng bù sóng hài cũng được chuẩn hóa
trong dải từ 0 – 1. Tín hiệu điều khiển 3 pha sẽ kết hợp bộ chuyển mạch logic xung
để tạo ra 6 xung đóng mở cho bộ nghịch lưu IGBT như minh họa trên hình 3.14.
Udk,iTWC
T1
T4
T
Q
Q
Hình 3-14: Tác động Uđk đên tín hiệu đóng mở IGBT
Như vậy, để thiết kế bộ lọc tích cực trên cơ sở bộ điều khiển PI cần xây
dựng mô hình toán học chính xác của hệ thống. Việc tính toán các tham số cho 02
bộ điều khiển PI và một số tham số khác (Lf, Cdc, V*dc) là phức tạp.
Bộ điều khiển PI có những ưu điểm như đáp ứng nhanh, phù hợp với đặc
tính động học rất nhanh của mạch vòng trong, dễ dàng cài đặt và chỉnh định, thực
thi bằng mạch analog. Tuy nhiên, nhược điểm của bộ điều khiển PI là động học
61
không đầy đủ (inadequate) vì giới hạn dải tần của bộ điều khiển, do đó bộ lọc tích
cực công suất có thể không đáp ứng được yêu cầu khi tải có bậc phi tuyến cao [13].
Để cải thiện đặc tính động học và chất lượng của bộ lọc người ta có giải
pháp sử dụng bộ PI, sau đó bổ xung thêm các khâu feedforward để cải thiện thêm
đặc tính động học và chất lượng lọc sóng hài của bộ lọc tích cực công suất, trong
đó có sử dụng kỹ thuật bù dòng hài trên hệ tọa độ dq. Kỹ thuật này sử dụng hai
khâu feedforward song song với hai bộ điều khiển PI trên hai trục dq cho phép
giảm tính phức tạp khi thực hiện trên bộ vi xử lý thực [24]. Trong tài liệu [25] sử
dụng kỹ thuật ADP (adaptive dynamic programming) để thiết kế hai bộ điều khiển
feedforwad nhằm bù thêm đặc tính động học cho hai bộ điều khiển PI trên hệ dq,
kỹ thuật này sử dụng mạng nơron với hàm mục tiêu sao cho hai dòng id và iq và
bám theo một cách hiệu quả với dòng đặt, làm tăng tốc độ của bộ điều khiển PI dẫn
tới khả năng bù sóng hài cao hơn.
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
3.3.4.1. Cấu trúc tổng quát
Giải thuật di truyền [36] (GA) là một phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên toàn
cục mô phỏng các quá trình tiến hóa tự nhiên. Giải thuật bắt đầu một cách không có
tri thức về lời giải chính xác và hoàn toàn phụ thuộc vào phản ứng từ môi trường
bằng cách khai thác quá trình tiến hóa (tức là sinh sản, lai tạo và đột biến) để đi đến
giải pháp tốt nhất.
Một thuật toán di truyền thường được khởi tạo với một quần thể ngẫu nhiên
gồm từ 20-100 cá thể. Quần thể thường được đại diện bởi một chuỗi số thực hoặc
nhị phân được gọi là nhiễm sắc thể. Việc đánh giá hiệu quả của một nhiễm sắc thể
được đo bằng hàm mục tiêu, hàm mục tiêu gán cho mỗi nhiễm sắc thể một số tương
ứng được gọi là giá trị fitness. Theo cách này, fitness của mỗi nhiễm sắc thể được
tính và các thuật toán tìm kiếm các nhiễm sắc thể thích hợp nhất được áp dụng
(sinh sản, lai tạo và đột biến).
Sơ đồ tổng quát cho việc thực hiện giải thuật di truyền được mô tả trong
Hinh 3.15 như sau:
62
Hình 3-15: Cấu trúc tổng quát của giải thuật di truyền
- Bước 1: Khởi tạo ngẫu nhiên một quần thể ban đầu gồm N cá thể (nhiễm sắc
thể) trong không gian tìm kiếm (Các đáp án ban đầu của bài toán);
- Bước 2: Xác định giá trị hàm mục tiêu (fitness) cho mỗi cá thể trong quần
thể;
- Bước 3: Kiểm tra điều kiện hội tụ của giải thuật. Nếu điều kiện thỏa mãn thì
dừng lại và trả về cá thể tốt nhất cùng với giá trị hàm mục tiêu, nếu không
thì tiếp tục thực hiện bước 4
- Bước 4: Tạo ra quần thể mới bằng chọn lọc (selection) từ các cá thể hiện tại
có, lai ghép chéo (crossover), đồng thời tạo ra các đột biến (mutation) trong
quần thể mới theo một xác xuất lai ghép và xác suất đột biến nhất định; Các
cá thể trong quần thể mới sinh ra được thay thế cho các cá thể cho các quần
thể cũ; Sau bước này, giải thuật được lặp lại từ bước 2 cho đến khi điều kiện
hội tụ thỏa mãn.
Bắt đầu
Kết thúc
Khởi tạo
Hội tụ?
Hàm mục tiêu
Chọn lọc
Lai tạo
Đột biến
Y
N
63
Như vậy, bằng cách bắt đầu tại N điểm độc lập (kích thước quần thể) và tìm
kiếm song song, GA tránh được cực trị địa phương cũng như việc hội tụ tới các giải
pháp tối ưu phụ. Theo cách này, GA đã được chứng minh là có khả năng định vị
khu vực hiệu suất cao trong các không gian phức tạp mà không gặp phải những khó
khăn liên quan đến số chiều của không gian như các kỹ thuật gradient hoặc các
phương pháp dựa trên thông tin về đạo hàm.
3.3.4.2. Tối ưu hóa tham số của bộ lọc công suất tích cực ba pha kiểu song song sử
dụng GA
Như đã trình bày ở trên, một số tham số của hệ thống SAPF cần được tối ưu
hóa để lưu trữ giá trị tối thiểu của tổng méo hài. Các tham số này bao gồm cuộn
cảm Lf, tụ điện liên kết DC Cdc, điện áp liên kết DC V*dc, KpC, KiC của liên kết DC
DC bộ bù điện áp và Kp, Ki của bộ điều khiển dòng PI.
Nguyên tắc làm việc GA để tối ưu hóa các tham số của SAPF [11] được minh
họa thông qua sơ đồ được hiển thị trong Hình 3.16 theo trình tự các bước như sau:
Bước 1: Khởi tạo các tham số của giải thuật di truyền như kích thước quần thể (N),
số thế hệ (G), xác suất lai tạo (Pc), xác suất đột biến (Pm). Khởi tạo ngẫu nhiên một
quần thể gồm N cá thể, mỗi cá thể là một bộ 7 biến cần tối ưu ( Lf, Cdc, V*dc, KpC,
KiC, Kp, Ki). khoảng giá trị của các biến là 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 toán giá trị thích nghi của mỗi cá thể trong quần thể. Ở đây, giá trị
THD được chọn làm hàm mục tiêu:
(3.5)
Bước 3: Kiểm tra điều kiện dừng của giải thuật. Điều kiện dừng ở đây là khi THD
nhỏ hơn một giá trị cho trước hoặc giải thuật đạt đến số thế hệ G. Nếu điều kiện
thỏa mãn thì dừng lại và trả về cá thể tốt nhất cùng với giá trị hàm mục tiêu, nếu
không thì tiếp tục thực hiện bước 4
64
Bước 4: Thực hiện các phép toán của GA như chọn lọc, lai tạo, đột biến để tạo ra
quần thể mới. Sau đó, giải thuật được lặp lại từ bước 2 cho đến khi đạt đến điều
kiện dừng.
Hoạt động của GA phụ thuộc vào việc lựa chọn một số tham số như kích
thước quần thể N, số thế hệ G, phương pháp biểu diễn các cá thể, phép toán chọn
lọc, phép toán lai tạo cùng với xác suất lai tạo Pc, phép toán đột biến và xác suất
đột biến Pm. Trong quá trình cài đặt giải thuật di truyền để tối ưu hóa tham số của
bộ lọc công suất tích cực ba pha kiểu song song, luận án đã thử nghiệm thay đổi
một số tham số của giải thuật theo phương pháp “thử sai” và tìm ra các tham số phù
hợp cho giải thuật GA như sau:
- Số lượng thế hệ tối đa G= 40, kích thước quần thể là N=40, các cá thể được
biểu diễn bằng số thực.
- Phép chọn lọc được tiến hành theo phương pháp giải đấu
- Lựa chọn phép đột biến đồng nhất 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 3
Trên cơ sở toán học được nêu ở chương 2, chương 3 đã xây dựng được
các bộ điều khiển cho bộ lọc công suất tích cực. Bao gồm: Xác định dòng điện
đặt bằng lý thuyết công suất tức thời p,q, ứng dụng kết quả này để thiết kế các bộ
điều khiển mạch vòng ngoài cho bộ lọc công suất tích cực, giúp nâng cao chất
lượng bộ điều khiển và giảm tần số đóng cắt IGBT cũng như giảm giá trị THD.
Thiết kế bộ điều khiển hiện đại (HCC thích nghi chỉnh định mờ) và tối ưu tham số
cho bộ lọc tich cực cũng như bộ điều khiển PI cho mạch vòng dòng điện (mạch
vòng trong), góp phần nâng cao hiệu quả bộ lọc công suất tích cực. Từ kết quả của
chương 3, sẽ tiến hành đánh giá chất lượng và hiệu quả làm việc của bộ lọc công
suất tích cực thông qua mô phỏng Matlab – Simulink trong chương 4.
65
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULINK
-
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
Hình 4-1: Mô hình của bộ lọc tích cực ba pha mắc song song dựa theo ly thuyêt
công suất tức thời p-q thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink
Bảng 4-1 Các thông số của hệ thống mô phỏng trên matlab
Thông số của hệ thống
Nguồn Tải phi tuyến Shunt APF
Diode bridge with Resistor
(
66
4.1.1 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ lọc tích cực với phương pháp điều
khiển Hysteresis current controller
Hình 4-2: Điện áp ba pha của hệ thống khi chưa có bộ lọc tác động
Hình 4-3: Dòng điện pha A ảnh hưởng bởi nguồn sóng hài (chỉnh lưu cầu) khi
không có bộ lọc.
Phân tích THD dòng điện của pha khi không có bộ lọc tích cực thì tổng méo
sóng hài của hệ thống là 29.97%
67
Hình 4-4: Dạng sóng dòng điện và THD của dòng điện pha A khi không có bộ lọc
Như vậy ta có thể thấy được khi không có bọ lọc tác động dòng pha A bị
méo dạng không còn Sin, phân tích phổ cho thấy THD = 29,97%.
Tính toán dòng hài cần bù
Hình 4-5: Dòng bù mà bộ lọc tích cực cần tạo ra
Mô phỏng với dải trễ HB = ± 0.5.
Dòng hài bù do bộ nghịch lưu tạo ra với bộ điều khiển HCC (HB = ± 0.5)
68
Hình 4-6: Dòng bù tạo ra bởi bộ lọc điều khiển bởi bộ điều khiển HCC
với dải trễ (+/-0.5)
Dòng điện pha A sau khi sử dụng bộ lọc tích cực với bộ điều khiển HCC (HB = ±
0.5)
Hình 4-7: Dòng điện của pha A khi có tác động của bộ lọc với dải trễ của
bộ HCC là (+/- 0.5)
Phân tích phổ tín hiệu dòng pha A khi sử dụng bộ lọc tích cực với bộ điều khiển
HCC (HB = ± 0.5)
69
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)
Sau khi sử dụng bộ lọc tích cực được điều khiển bởi bộ HCC với dải trễ cố định
( ) thì THD là 10.21% và tần số đóng cắt ( ) vào khoảng 30 kHz.
Mô phỏng với dải trễ HB = 0
Hình 4-9: Dòng bù tạo ra bởi bộ lọc điều khiển bởi bộ điều khiển HCC
với dải trễ (0)
Dòng điện pha A sau khi sử dụng bộ lọc tích cực với bộ điều khiển HCC (HB = 0)
70
Hình 4-10: Dòng điện của pha A khi có tác động của bộ lọc với dải trễ
của bộ HCC là (0)
Phân tích phổ tín hiệu dòng pha A khi sử dụng bộ lọc tích cực với bộ điều khiển
HCC (HB = 0)
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)
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
Dòng bù được tạo ra sau bộ điều khiển HCC chỉnh định tham số bằng mờ.
71
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
Dòng điện pha A sau khi sử dụng bộ điều khiển HCC với tham số chỉnh định
bằng bộ điều khiển mờ.
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
Phân tích phỏ tín hiệu dòng điện pha A khi sử dụng bộ điều khiển HCC với
tham số chỉnh định bằng bộ điều khiển mờ.
72
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
Chúng ta có thể tổng hợp kết quả mô phỏng theo bảng sau đây:
Bảng 4-2 So sánh kêt quả bộ lọc tích cực với bộ điều khiển HCC và HCC thích
nghi
THD và tần số đóng cắt IGBT ( )
HB = ( ) HB = 0 HB thích nghi
bằng mờ
Kết quả mô phỏng chứng minh rằng khi hệ thống được lọc bởi bộ lọc tích cực
kiểu mắc song song với dải trễ của bộ điều khiển HCC được thích nghi bởi cơ cấu
chỉnh định mờ cho kết quả THD của hệ thống là nhỏ nhất (1.54%), và tần số có thể
chấp nhận được là 60kHz
73
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
Hình 4-15: Mô hình của bộ lọc tích cực ba pha mắc song song dựa theo ly thuyêt
công suất tức thời pq thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink
Bảng 4-3 Các thông số của hệ thống mô phỏng trên matlab
Thông số của hệ thống
Nguồn Tải phi tuyến Shunt APF
Diode bridge with Resistor
(
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
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 được lựa chọn chỉnh định = 7 bao gồm (Lf, Cdc, V*dc, KpC,
KiC, Kp, Ki).
74
Số lần gieo cho giải thuật di truyền GA=40.
4.3.2 Kết quả
Hình 4-16: Kêt quả chạy mô phỏng giải thuật di truyền GA
Thông số sau khi chạy GA:
Giá trị THD tốt nhất = 0.0148 (1.48%)
Các tham số tối ưu của bộ lọc tích cực SAPF: Lf =2.05mH; Cdc =4.9mF;
V*dc =875; KpC =30; KiC = 40; Kp = 0.5; Ki =5.
Hình 4-17: Dòng điện 3 pha sau khi đưa bộ lọc tích cực vào
75
Hình 4-18: Phân tích FFT tín hiệu dòng điện
Hình 4-19: Đáp ứng điện áp trên tụ (Vdc) sau khi có bộ điều khiển PI
Hình 4-20: Dòng bù sóng hài
76
4.3.3 Nhận xét
- Bộ điều khiển PI là bộ điều khiển kinh điển do vậy NCS muốn khai thác để
có thể hiểu và phân tích hoạt động của bộ lọc tích cực một cách rõ ràng. Mô phỏng
bộ lọc tích cực trên Matlab/Simulink từ đó có thể thiết kế các bộ điều khiển nâng
cao ứng dụng vào bộ lọc tích cực.
- Đề xuất sử dụng giải thuật di truyền (GA) để tối ưu các tham số bộ lọc tích
cực. Thực hiện mô phỏng tìm được bộ tham số tối ưu cho bộ lọc tích cực sử dụng
bộ điều khiển PI.
- Kết quả mô phỏng cho thấy khi hệ thống không sử dụng bộ lọc tích cực giá
trị THD = 29,97% và sau khi sử dụng bộ lọc tích cực thiết kế trên cơ sở bộ điều
khiển HCC thích nghi mờ THD = 1,54% và bộ điều khiển PI với tham số được tối
ưu bằng giải thuật di truyền (GA) thì THD = 1,48%.
4.4 Kết luận chương 4
Bộ điều khiển HCC thích nghi chỉnh định mờ áp dụng cho bộ lọc công suất
cho kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng tín hiệu dòng điện trên lưới khi có tác động của
bộ lọc tích cực đã có dạng hình sin với tần số cơ bản và có THD là 1,54%. Giá trị
THD này nhỏ hơn giá trị chuẩn cho phép (5%).
Điều khiển bộ lọc tích cực sử dụng bộ điều khiển PI, đây là bộ điều khiển
kinh điển. Kết quả mô phỏng của phương pháp này có thể để tham khảo thiết kế
các bộ điều khiển nâng cao ứng dụng vào bộ lọc tích cực.
Luận án đề xuất sử dụng giải thuật di truyền (GA) để tối ưu các tham số bộ
lọc tích cực và bộ điều khiển PI. Kết quả mô phỏng cho thấy khi hệ thống không sử
dụng bộ lọc tích cực giá trị THD = 29,97% và sau khi sử dụng bộ lọc tích cực thiết
kế trên cơ sở bộ điều khiển PI với tham số được tối ưu bằng giải thuật di truyền
(GA) thì THD = 1,48%.
77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận:
Khi thiết kế bộ lọc tích cực thì vấn đề điều khiển đóng vai trò trung tâm,
nhằm thực hiện điều khiển mạch công suất (IGBT, MOSFET,...) phát dòng bù sóng
hài theo đúng tính toán dòng bù sóng hài cần thiết. Các bộ điều khiển trong luận án
này, được xây dựng cho bộ lọc công suất tích cực trước hết dựa trên nên tảng các
bộ điều khiển kinh điển (PI) để phân tích chi tiết các vấn đề trong thiết kế bộ lọc
công suất tích cực. Từ đó, làm cơ sở ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại như: logic
mờ, nơron và các giải thuật gen (GA) tối ưu để chỉnh đinh tham số cho bộ lọc tích
cực và các bộ điều khiển kinh điển,... nhằm nâng cao hiệu quả làm việc cho bộ lọc
công suất tích cực và giảm chỉ số THD[%].
Bằng nỗ lực của bản thân, tác giả cũng đã hết sức cố gắng để đạt được một
số đóng góp mới bước đầu như sau:
1. Đã xây dựng được cơ sở toán học vững chắc để làm căn cứ thiết kế các bộ
điều khiển phù hợp cho bộ lọc tích cực như đề xuất phương pháp công suất tức thời
p,q để tính được giá trị dòng điện đặt i, i, ia, ib, ic, phục vụ cho thiết kế điều khiển.
2. 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;
3. Ứng dụng giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithm) tối ưu hóa các
tham số cho bộ lọc tích cực và bộ điều khiển PI và điều khiển dự báo; Nhờ có GA
mà bộ điều khiển PI đạt chỉ tiêu THD = 1,48% như tần số chuyển mạch rất lớn gây
tổn hao công suất.
Các mục tiêu nghiên cứu của luận án đặt ra đã được đáp ứng đầy đủ, có
nhiều triển vọng để áp dụng vào thực tiễn.
2. Kiến nghị
Nội dung luận án đã có một số đóng góp mới về điều khiển bộ lọc tích cực,
nhưng chỉ để cập được một số vấn đề còn rất hẹp về điều khiển bộ lọc tích cực cho
tải trong lĩnh vực công nghiệp nói chung. Nghiên cứu về điều khiển bộ lọc tích cực
còn tiếp tục thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học chuyên ngành và NCS với
78
các vấn đề sau: Thiết kế các bộ lọc tích cực phù hợp cho các tải phi tuyến không
đối xứng gây nên THD [] lớn; Vừa lọc sóng hài vừa kết hợp bù cos cho lưới
điện,...
79
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1. Phan Thanh Hien, Dang Van Huyen, Nguyen Duy Cuong, “Harmonic
Elimination based on Fuzzy Logic in combination with Hysteresis Control
Algorithm”, IEEE International Conference on Systems Science and
Engineering 2017;
2. Dang Van Huyen, Phan Thanh Hien, Nguyen Duy Cuong, “Design of
Dynamic-Static Var Compensation based on Microcontroller for Improving
Power Factor”, IEEE International Conference on Systems Science and
Engineering 2017;
3. Phan Thanh Hien, Dang Van Huyen, Nguyen Duy An,Nguyen Duy Cuong,
Optimizing Parameters of The Shunt Active Power Filter Using Genetic
Algorithm, The 9th International Conference, KSE 2017, Hue, Vietnam,
October 19-21, 2017;
4. Phan Thanh Hiền, Đặng Văn Huyên, Nguyễn Thị Tuyết Hoa, Nguyễn Duy
Cương "Design of shunt active power filter based on the classical PID
controller for eleminating harmonics", , Tạp chí NCKH & Công nghệ quân sự,
ISSN 1859 – 1043 - Số Đặc san 08 - 2018, 179-188.
5. 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 bộ lọc công suất tích cực
kiểu song song”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học thái nguyên, ISSN
1859 – 2171, 2734 – 9098, số 08/2021
80
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T. quang Tuan and P. X. Minh, “Điều khiển dự báo thích nghi trên cơ sở mô
hình mờ và thuật giải di truyền cho hệ phi tuyến bất định,” vol. 49, no. 2, pp.
37–44, 2011.
[2] A. M. Fahmy, A. K. Abdelsalam, and A. B. Kotb, “4-Leg Shunt Active
Power Filter With Hybrid Predictive Fuzzy-Logic Controller,” IEEE Int.
Symp. Ind. Electron., pp. 2132–2137, 2014, doi: 10.1109/ISIE.2014.6864947.
[3] S. Rahmani, A. Hamadi, K. Al-Haddad, and L. A. Dessaint, “A combination
of shunt hybrid power filter and thyristor-controlled reactor for power
quality,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 61, no. 5, pp. 2152–2164, 2014,
doi: 10.1109/TIE.2013.2272271.
[4] J. Mossoba and P. W. Lehn, “A controller architecture for high bandwidth
active power filters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 18, no. 1 II, pp.
317–325, 2003, doi: 10.1109/TPEL.2002.807101.
[5] Y. Tian and Q. Jiang, “A dual-current-loop control method based on system
current detection for LCL-filter-based Active Power Filters,” IECON Proc.
(Industrial Electron. Conf., no. 2012, pp. 8498–8503, 2013, doi:
10.1109/IECON.2013.6700559.
[6] Y. Qu and G. Chen, “A frequency adaptive strategy for composite current
controller of Shunt Active Power Filters,” IEEE Int. Symp. Ind. Electron., pp.
324–329, 2014, doi: 10.1109/ISIE.2014.6864633.
[7] G. Adam, A. G. Stan, and G. Livinţ, “A Matlab-Simulink approach to shunt
active power filters,” Proc. - 25th Eur. Conf. Model. Simulation, ECMS
2011, vol. 6, no. Cd, pp. 205–210, 2011.
[8] A. Sabo, N. I. Abdul Wahab, M. A. Mohd Radzi, and N. F. Mailah, “A
modified artificial neural network (ANN) algorithm to control shunt active
power filter (SAPF) for current harmonics reduction,” CEAT 2013 - 2013
IEEE Conf. Clean Energy Technol., pp. 348–352, 2013, doi:
10.1109/CEAT.2013.6775654.
[9] S. A. Koya and M. Alsumiri, “A modified fuzzy hysteresis controller for
81
shunt active power filter,” 3rd Renew. Energies, Power Syst. Green Incl.
Econ. REPS GIE 2018, pp. 1–5, 2018, doi:
10.1109/REPSGIE.2018.8488866.
[10] 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.
[11] H. Yi et al., “A source-current-detected shunt active power filter control
scheme based on vector resonant controller,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 50,
no. 3, pp. 1953–1965, 2014, doi: 10.1109/TIA.2013.2289956.
[12] J. Afonso, C. Couto, and J. Martins, “Active Filters with Control Based on
the p-q Theory,” IEEE Ind. Electron. Soc., vol. 47, pp. 5–10, 2000.
[13] M. Angulo, D. A. Ruiz-Caballero, J. Lago, M. L. Heldwein, and S. A. Mussa,
“Active power filter control strategy with implicit closed-loop current control
and resonant controller,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 60, no. 7, pp.
2721–2730, 2013, doi: 10.1109/TIE.2012.2196898.
[14] N. Bianchi and M. Dai Pre, “Active power filter control using neural network
technologies,” IEE Proceedings-Electric Power Appl., vol. 150, no. 2, pp.
139–145, 2003, doi: 10.1049/ip-epa.
[15] M. Qasim and V. Khadkikar, “ADALINE based control strategy for three-
phase three-wire UPQC system,” Proc. Int. Conf. Harmon. Qual. Power,
ICHQP, pp. 586–590, 2014, doi: 10.1109/ICHQP.2014.6842793.
[16] 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.
[17] J. Fei and Z. Wang, “Adaptive control of active power filter using RBF
neural network,” 2013 IEEE Int. Conf. Mechatronics Autom. IEEE ICMA
2013, pp. 767–772, 2013, doi: 10.1109/ICMA.2013.6618013.
[18] S. Haykin, Adaptive Filter Theory. .
[19] J. Fei, S. Hou, Y. Xue, and M. Hua, “Adaptive fuzzy backstepping control of
82
three-phase active power filter,” IEEE Int. Conf. Control Autom. ICCA, pp.
1001–1006, 2014, doi: 10.1109/ICCA.2014.6871057.
[20] S. Hou and J. Fei, “Adaptive fuzzy sliding control with fuzzy sliding term for
three-phase active power filter,” IEEE Int. Conf. Control Autom. ICCA, no.
2612012, pp. 1318–1323, 2013, doi: 10.1109/ICCA.2013.6564895.
[21] J. Fei, Z. Wang, X. LU, and L. DENG, “Adaptive RBF Neural Network
Control Based on Sliding Mode Controller for Active Power Filter,” pp.
3288–3293, 2013.
[22] J. Fei and Z. Wang, “Adaptive RBF neural network control for three-phase
active power filter,” Int. J. Adv. Robot. Syst., vol. 10, 2013, doi:
10.5772/56535.
[23] G. Adam, A. G. Stan, and G. Livint, “An adaptive hysteresis band current
control for three phase shunt active power filter U sing Fuzzy logic,” EPE
2012 - Proc. 2012 Int. Conf. Expo. Electr. Power Eng., vol. 1, no. Epe, pp.
324–329, 2012, doi: 10.1109/ICEPE.2012.6463910.
[24] M. Kale and E. Ozdemir, “An adaptive hysteresis band current controller for
shunt active power filter,” Electr. Power Syst. Res., vol. 73, no. 2, pp. 113–
119, 2005, doi: 10.1016/j.epsr.2004.06.006.
[25] Q. N. Trinh and H. H. Lee, “An enhanced current control strategy for three-
phase shunt active power filters with repetitive controllers,” 2013 Int. Conf.
Electr. Mach. Syst. ICEMS 2013, vol. 60, no. 12, pp. 1543–1548, 2013, doi:
10.1109/ICEMS.2013.6713278.
[26] R. K. Gupta, S. Jena, and B. Chitti Babu, “Analysis of PR controller for
eliminating double frequency oscillations in DC-link of 3-F shunt APF
during source disturbances,” 2013 Students Conf. Eng. Syst. SCES 2013, pp.
5–10, 2013, doi: 10.1109/SCES.2013.6547576.
[27] G. L. Luo, “APF DC voltage fuzzy control simulation study,” Proc. - 2012
Int. Conf. Comput. Meas. Control Sens. Network, C. 2012, pp. 163–166,
2012, doi: 10.1109/CMCSN.2012.42.
[28] M. Qasim and V. Khadkikar, “Application of artificial neural networks for
83
shunt active power filter control,” IEEE Trans. Ind. Informatics, vol. 10, no.
3, pp. 1765–1774, 2014, doi: 10.1109/TII.2014.2322580.
[29] M. J. Nekooei, “Application of Hybrid Fuzzy Logic Controller for
Controlling AFR Engine Application of Hybrid Fuzzy Logic Controller for
Controlling AFR Engine,” vol. 5, no. October, pp. 11–20, 2017.
[30] M. Qasim, P. Kanjiya, and V. Khadkikar, “Artificial-neural-network-based
phase-locking scheme for active power filters,” IEEE Trans. Ind. Electron.,
vol. 61, no. 8, pp. 3857–3866, 2014, doi: 10.1109/TIE.2013.2284132.
[31] N. Zhou, J. Wang, Q. Wang, N. Wei, and X. Lou, “Capacity calculation of
shunt active power filters for electric vehicle charging stations based on
harmonic parameter estimation and analytical modeling,” Energies, vol. 7,
no. 8, pp. 5425–5443, 2014, doi: 10.3390/en7085425.
[32] S. S. Patnaik and A. K. Panda, “Cascaded three-level inverter based shunt
active filter for power conditioning application,” 2013 Annu. IEEE India
Conf. INDICON 2013, 2013, doi: 10.1109/INDCON.2013.6726133.
[33] Z. Chen, M. Chen, and Z. Wang, “Closed-loop control modeling and
dynamic performance analysis of 400 Hz active filter,” Diangong Jishu
Xuebao/Transactions China Electrotech. Soc., vol. 29, no. 12, pp. 50–57,
2014, doi: 10.1109/ifeec.2013.6687482.
[34] R. J. Patel, J. C. Patel, and P. J. Patel, “Comparison of vector-based
hysteresis current control schemes for three-phase three wire shunt active
power filter,” India Int. Conf. Power Electron. IICPE, 2012, doi:
10.1109/IICPE.2012.6450417.
[35] M. Ucar and E. Ozdemir, “Control of a 3-phase 4-leg active power filter
under non-ideal mains voltage condition,” Electr. Power Syst. Res., vol. 78,
no. 1, pp. 58–73, 2008, doi: 10.1016/j.epsr.2006.12.008.
[36] M. H. Alham, M. A. M. Hassan, and E. E. D. A. El-Zahab, “Control of the
Shunt Active Power Filter using artificial intelligence techniques,” 2013 Int.
Conf. Control. Decis. Inf. Technol. CoDIT 2013, pp. 202–207, 2013, doi:
10.1109/CoDIT.2013.6689544.
84
[37] Y. P. Obulesu, “Control Strategy for Three Phase Shunt Active Power Filter
with Minimum Current Measurements,” Int. J. Electr. Comput. Eng., vol. 1,
no. 1, pp. 31–42, 2011, doi: 10.11591/ijece.v1i1.23.
[38] 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.
[39] Y. Kobayashi and H. Funato, “Current control method based on hysteresis
control suitable for single phase active filter with LC output filter,” 2008 13th
Int. Power Electron. Motion Control Conf. EPE-PEMC 2008, pp. 479–484,
2008, doi: 10.1109/EPEPEMC.2008.4635312.
[40] D. Wang, J. Zhao, W. Zhang, and Y. Zhou, “Design and analysis of hybrid
active power filter based on sliding mode control under variable network
frequency,” 2013 Int. Conf. Electr. Mach. Syst. ICEMS 2013, pp. 1571–1576,
2013, doi: 10.1109/ICEMS.2013.6713345.
[41] C. Lam and M. Wong, Design and Control of Hybrid Active Power Filters.
2014.
[42] D. Zujun and L. Baolian, “Design and research on active power filter in three
phase four wire system,” Proc. - 2013 4th Int. Conf. Digit. Manuf. Autom.
ICDMA 2013, pp. 441–444, 2013, doi: 10.1109/ICDMA.2013.103.
[43] S. Ravindra, V. C. V. Reddy, and S. Sivanagaraju, “Design of Shunt Active
Power Filter to eliminate the harmonic currents and to compensate the
reactive power under distorted and or imbalanced source voltages in steady
state,” Int. J. Eng. Trends Technol., vol. 2, no. 3, pp. 20–24, 2011.
[44] Q. Dai, X. Zou, H. Shi, and G. Wang, “Design of the APF for radar power
system based on multi-resolution control,” IET Conf. Publ., vol. 2013, no.
617 CP, 2013, doi: 10.1049/cp.2013.0238.
[45] A. H. Budhrani, K. J. Bhayani, and A. R. Pathak, “Design Parameters of
Shunt Active Filter for Harmonics Current Mitigation,” PDPU J. Energy
Manag., vol. 2, no. 2, pp. 59–65.
85
[46] V. K. Gonuguntala, A. Fröbel, and R. Vick, “Direct Model Predictive
Control Based Mitigation of Harmonics Using Active Power Filter,” vol. 1,
no. 16, pp. 432–437, 2018.
[47] F. Briz, P. Garcia, M. W. Degner, D. Diaz-Reigosa, and J. M. Guerrero,
“Dynamic behavior of current controllers for selective harmonic
compensation in three-phase active power filters,” IEEE Trans. Ind. Appl.,
vol. 49, no. 3, pp. 1411–1420, 2013, doi: 10.1109/TIA.2013.2253537.
[48] P. Dang, T. Ellinger, and J. Petzoldt, “Dynamic interaction analysis of APF
systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 61, no. 9, pp. 4467–4473, 2014,
doi: 10.1109/TIE.2013.2289896.
[49] S. Mollov, R. Babuška, J. Abonyi, and H. B. Verbruggen, “Effective
optimization for fuzzy model predictive control,” IEEE Trans. Fuzzy Syst.,
vol. 12, no. 5, pp. 661–675, 2004, doi: 10.1109/TFUZZ.2004.834812.
[50] T. Li and J. Fei, “Feedback linearization control of a shunt active power filter
using a fuzzy controller,” Int. J. Adv. Robot. Syst., vol. 10, 2013, doi:
10.5772/56787.
[51] H. S. Molina, J. D. Rojas, and L. M. Tamayo, “Finite set model predictive
control to a shunt multilevel active filter,” COMPEL - Int. J. Comput. Math.
Electr. Electron. Eng., vol. 34, no. 1, pp. 279–300, 2015, doi:
10.1108/COMPEL-03-2013-0087.
[52] Y. L. Huang, H. H. Lou, J. P. Gong, and T. F. Edgar, “Fuzzy model
predictive control,” IEEE Trans. Fuzzy Syst., vol. 8, no. 6, pp. 665–678,
2000, doi: 10.1109/91.890326.
[53] L. Jiang and L. Ping, “Fuzzy predictive control and its applications,” IFAC
Proc. Vol., vol. 32, no. 2, pp. 1010–1013, 1999, doi: 10.1016/s1474-
6670(17)56170-4.
[54] Y. Chu, S. Wang, and R. Crosier, “Grid active power filters using cascaded
multilevel inverters with direct asymmetric switching angle control for grid
support functions,” Conf. Proc. - IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. -
APEC, pp. 1332–1338, 2013, doi: 10.1109/APEC.2013.6520472.
86
[55] P. M. Shah, M. M. Lokhande, V. A. Shah, and C. P. Gor, “Hardware
implementation of single-phase Shunt Active Power Filter with hysteresis
current control loop for rectifier type load,” 2014 IEEE Int. Conf. Power
Electron. Drives Energy Syst. PEDES 2014, 2014, doi:
10.1109/PEDES.2014.7042030.
[56] M. Kale and E. Özdemir, “Harmonic and reactive power compensation with
shunt active power filter under non-ideal mains voltage,” Electr. Power Syst.
Res., vol. 74, no. 3, pp. 363–370, 2005, doi: 10.1016/j.epsr.2004.10.014.
[57] M. Adam, Y. Chen, and X. Deng, “Harmonic current compensation using
active power filter based on model predictive control technology,” J. Power
Electron., vol. 18, no. 6, pp. 1889–1900, 2018, doi:
10.6113/JPE.2018.18.6.1889.
[58] 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. 418–430, 2014, doi:
10.1049/iet-pel.2013.0098.
[59] M. Killian, B. Mayer, and M. Kozek, Hierachical fuzzy MPC concept for
building heating control, vol. 19, no. 3. IFAC, 2014.
[60] C. Lascu, L. Asiminoaei, I. Boldea, and F. Blaabjerg, “High performance
current controller for selective harmonic compensation in active power
filters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 5, pp. 1826–1835, 2007,
doi: 10.1109/TPEL.2007.904060.
[61] S. Ke, Y. Chen, S. Huang, and X. Huang, “Hoo Robust Control of APF
Considering the Parameter Perturbation of the Grid-connected Reactor,”
2013 4th IEEE PES Innov. Smart Grid Technol. Eur. (ISGT Eur. Oct. 6-9,
Copenhagen Hoo, 2013.
[62] M. Miloševic, “Hysteresis current control in three-phase voltage source
inverter,” pp. 1–15, 2003.
[63] M. H. Antchev, M. P. Petkova, and A. Kostov, “Hysteresis current control of
single-phase shunt active power filter using frequency limitation,” Proc.
87
IASTED Int. Conf. Energy Power Syst., pp. 228–232, 2007.
[64] G. W. Chang, R. C. Hong, and H. J. Su, “IEEE standard 1459-based
reference compensation current strategy for three-phase three-wire shunt
active power filter control,” Proc. Int. Conf. Harmon. Qual. Power, ICHQP,
pp. 551–555, 2014, doi: 10.1109/ICHQP.2014.6842756.
[65] A. Hirofumi, W. Edson Hirokazu, and A. Mauricio, INSTANTANEOUS
POWER THEORY AND APPLICATIONS TO POWER CONDITIONING.
WILEY-INYERSCIENCE.
[66] M. S. Hamad, M. I. Masoud, and B. W. Williams, “Medium-voltage 12-pulse
converter: Output voltage harmonic compensation using a series APF,” IEEE
Trans. Ind. Electron., vol. 61, no. 1, pp. 43–52, 2014, doi:
10.1109/TIE.2013.2248337.
[67] L. Tarisciotti et al., “Model Predictive Control for Shunt Active Filters with
Fixed Switching Frequency,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 53, no. 1, pp. 296–
304, 2017, doi: 10.1109/TIA.2016.2606364.
[68] A. K. Al-Othman, M. E. Al Sharidah, N. A. Ahmed, and B. N. Alajmi,
“Model predictive control for shunt active power filter in synchronous
reference frame,” J. Electr. Eng. Technol., vol. 11, no. 2, pp. 405–415, 2016,
doi: 10.5370/JEET.2016.11.2.405.
[69] R. G. Iturra, M. Cruse, K. Mutze, C. Dresel, I. Soleimani, and P. Thiemann,
“Model predictive control for shunt active power filter with harmonic power
recycling capability,” 2018 Int. Conf. Smart Energy Syst. Technol. SEST
2018 - Proc., 2018, doi: 10.1109/SEST.2018.8495890.
[70] S. Kumaresan and H. H. Sait, “Model Predictive Control of Shunt Active
Filter for Power Quality Improvement in Distribution systems,” Int. J.
Comput. Sci. Eng., vol. 6, no. 9, pp. 108–115, 2018, doi:
10.26438/ijcse/v6i9.108115.
[71] K. Rameshkumar, V. Indragandhi, K. Palanisamy, and T. Arunkumari,
“Model Predictive Current Control of Single Phase Shunt Active Power
Filter,” Energy Procedia, vol. 117, pp. 658–665, 2017, doi:
88
10.1016/j.egypro.2017.05.168.
[72] J. H. Lee and C. E. Garc, “Modeling and Identification,” pp. 93–108, 2002,
doi: 10.1142/9789812777911_0005.
[73] M. R. Amer, O. A. Mahgoub, and S. A. Zaid, “New hysteresis control
method for three phase shunt active power filter,” IMECS 2011 - Int.
MultiConference Eng. Comput. Sci. 2011, vol. 2, pp. 942–947, 2011.
[74] M. Qasim, P. Kanjiya, and V. Khadkikar, “Optimal current harmonic
extractor based on unified ADALINEs for shunt active power filters,” IEEE
Trans. Power Electron., vol. 29, no. 12, pp. 6383–6393, 2014, doi:
10.1109/TPEL.2014.2302539.
[75] F. Krim, “Parameters estimation of shunt active filter for power quality
improvement,” 2011 5th Int. Power Eng. Optim. Conf. PEOCO 2011 - Progr.
Abstr., no. June, pp. 306–311, 2011, doi: 10.1109/PEOCO.2011.5970393.
[76] 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.
[77] K. S. Rani and K. Porkumaran, “Performance evaluation of pi and fuzzy
controller based shunt active power filter,” Eur. J. Sci. Res., vol. 61, no. 3,
pp. 381–389, 2011.
[78] S. Mikkili and A. K. Panda, “PI and fuzzy logic controller based 3-phase 4-
wire shunt active filters for the mitigation of current harmonics with the id-iq
control strategy,” J. Power Electron., vol. 11, no. 6, pp. 914–921, 2011, doi:
10.6113/JPE.2011.11.6.914.
[79] M. S. Hamad, A. M. Fahmy, and M. Abdel-Geliel, “Power quality
improvement of a single-phase grid-connected PV system with fuzzy MPPT
controller,” IECON Proc. (Industrial Electron. Conf., pp. 1839–1844, 2013,
doi: 10.1109/IECON.2013.6699411.
[80] H. Abu-Rub, J. Guziński, Z. Krzeminski, and H. A. Toliyat, “Predictive
current control of voltage-source inverters,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol.
89
51, no. 3, pp. 585–593, 2004, doi: 10.1109/TIE.2004.825364.
[81] C. Xu, L. Chen, S. Cai, R. Qin, B. Pang, and L. Sui, “Research on reference
signal of shunt active power filter,” Proc. - 3rd Int. Conf. Instrum. Meas.
Comput. Commun. Control. IMCCC 2013, pp. 1041–1044, 2013, doi:
10.1109/IMCCC.2013.231.
[82] H. Vahedi, A. Sheikholeslami, and M. T. Bina, “Reverse direction of
hysteresis bandwidth calculation to fix the switching frequency employed in
active power filter,” World Appl. Sci. J., vol. 15, no. 7, pp. 1007–1011, 2011.
[83] Y. Wen, L. Chen, D. Duan, and J. Liu, “Robust Fuzzy MPC for Station-
keeping of A Multi-vectored Propeller Airship Based on Path Following
Method,” 2018 15th Int. Conf. Control. Autom. Robot. Vision, ICARCV 2018,
no. 1, pp. 889–894, 2018, doi: 10.1109/ICARCV.2018.8581311.
[84] P. K. Joshi and B. Shabbir S, “Simulation of Single Phase Shunt Active
Power Filter for Domestic Non-linear Loads,” pp. 43–48, 2013.
[85] J. Wang, M. Qin, and G. Yang, “Simulation of three-phase three-wire APF
with modified one-cycle control based on space vector,” 2012 IEEE Innov.
Smart Grid Technol. - Asia, ISGT Asia 2012, pp. 1–5, 2012, doi:
10.1109/ISGT-Asia.2012.6303273.
[86] 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.
[87] F. Ma, Z. Zhang, E. Wang, and B. Hu, “The design and research of generator
wave filter based on the APF and Zig-zag transformers,” Proc. 2013 IEEE
Int. Conf. Veh. Electron. Safety, ICVES 2013, pp. 234–237, 2013, doi:
10.1109/ICVES.2013.6619638.
[88] W. Yafang, G. Juping, C. Ruixiang, Q. Ling, and C. Juan, “The multi-
modular shunt APF based on direct current control and frequency doubling
carrier phase-shifted SPWM,” 2013 IEEE ECCE Asia Downunder - 5th IEEE
Annu. Int. Energy Convers. Congr. Exhib. IEEE ECCE Asia 2013, no. I, pp.
90
867–871, 2013, doi: 10.1109/ECCE-Asia.2013.6579206.
[89] L. Chen, J. Huo, W. Wang, and J. Chen, “The research of control method for
active power filter based on voltage space vector,” 2013 25th Chinese
Control Decis. Conf. CCDC 2013, pp. 2253–2258, 2013, doi:
10.1109/CCDC.2013.6561311.
[90] H. Huang, H. Xue, X. Liu, and H. Wang, “The study of Active Power Filter
using a universal harmonic detection method,” 2013 IEEE ECCE Asia
Downunder - 5th IEEE Annu. Int. Energy Convers. Congr. Exhib. IEEE
ECCE Asia 2013, pp. 591–595, 2013, doi: 10.1109/ECCE-
Asia.2013.6579158.
[91] S. Gautam and R. Gupta, “Three-level inverter based shunt active power
filter using generalized hysteresis current control method,” ICPCES 2010 -
Int. Conf. Power, Control Embed. Syst., pp. 1–6, 2010, doi:
10.1109/ICPCES.2010.5698634.
[92] Y. F. Wang and Y. W. Li, “Three-phase cascaded delayed signal cancellation
PLL for fast selective harmonic detection,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol.
60, no. 4, pp. 1452–1463, 2013, doi: 10.1109/TIE.2011.2162715.
[93] P. C. S. Furtado, M. C. B. P. Rodrigues, H. A. C. Braga, and P. G. Barbosa,
“Two-phase, three-Wire shunt active power filter using the single-phase P-Q
theory,” 2013 Brazilian Power Electron. Conf. COBEP 2013 - Proc., pp.
1245–1250, 2013, doi: 10.1109/COBEP.2013.6785275.
[94] P. M. Grady and M. Grady,
“Understanding_Power_System_Harmonics_Grady_April_2012(2),” no.
April, 2012.
[95] H. Phan Van and T. Huynh Ngoc, “Ứng dụng logic mờ điều khiển bộ lọc tích
cực cho việc giảm sóng hài dòng điện,” vol. 1, no. 42, pp. 21–26, 2011.
[96] H. Bellatreche, M. Bounekhla, and A. Tlemcani, “Using fuzzy logic and
hysteresis current control to reduce harmonics in three level NPC shunt
active power filter,” Proc. 2016 8th Int. Conf. Model. Identif. Control.
ICMIC 2016, pp. 5–9, 2017, doi: 10.1109/ICMIC.2016.7804286.
