Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha dưới tác động của tải phi tuyến

Số 30 (55) - Tháng 7/2017

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN

Mơ hình mơ phỏng bộ lọc tích cực 3 pha
dưới tác động của tải phi tuyến
Simulation model of three-phase active filter under the impact of nonlinear loads
ThS. Huỳnh Lê Minh Thiện, Trường Đại học Sài Gòn
Huynh Le Minh Thien, M.Sc., Saigon University
TS. Hồ Văn Cừu, Trường Đại học Sài Gòn
Ho Van Cuu, Ph.D., Saigon University
TS. Trần Thanh Vũ, Trường Đại học Sài Gòn
Tran Thanh Vu, Ph.D., Saigon University
ThS. Đỗ Đăng Trình, Trường Đại học Tây Đơ
Do Dang Trinh, M.Sc., Tay Do University
Tóm tắt
Trong bài báo này, một mơ hình đơn giản về Bộ lọc tích cực trong hệ thống có tải phi tuyến ba pha
được đề xuất. Sơ đồ điều khiển bộ lọc là điện áp đầu ra bộ nghịch lưu làm việc như là nguồn cung cấp
điện AC. Mơ hình phi tuyến của hệ thống bao gồm bộ lọc LC trong khung tham chiếu đồng bộ d-q-0.
Sau đó, các dòng phản hồi đầu vào-đầu ra được điều khiển bỡi khối điều khiển PI để tránh những tính
tốn phức tạp và đơn giản hóa thêm cấu trúc bộ điều khiển. Ngồi ra, một bộ lọc thấp qua và một bộ lọc
cao qua được sử dụng để loại bỏ sóng hài gây ra bởi tải phi tuyến để nâng cao chất lượng nguồn. Hiệu
quả của phương pháp điều khiển đã được chứng minh bằng các kết quả mơ phỏng.
Từ khóa: lọc nguồn tích cực, tải phi tuyến, bộ lọc nguồn tích cực mắc song song, bộ lọc tích cực 3 pha,
bộ điều khiển PI, tải khơng cân bằng.
Abstract
In this paper, a simple model of Active filter to regulate the three-phase nonlinear loads is proposed.
The control scheme is output line-to-neutral voltages of a split-capacitor inverter as an AC power
supplies. First, the nonlinear model of the system consisting of LC filter is obtained in the d-q-0
synchronous reference frame. Then, the input-output feedback currents are applied through the PI
approach, which avoids the complex calculations and simplifies the controller structure. Also, a lowpass filter and a high-pass filter are employed for the PI controller to eliminate the harmonic wave

caused by nonlinear loads to improve the source quality. The validity of the control method has been
verified by simulation results.
Keywords: active power filter, nonlinear load, SAPF (Shunt Active Power Filter), three-phase active
filter, PI controller, unbalanced load.

10


HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH

lượng nguồn. Tác giả và nhóm của tác giả
vẫn tiếp tục tìm kiếm phương pháp điều
khiển mới cho bộ lọc tích cực.
Trong những năm gần đây, các bộ lọc
tích cực (APF) dựa trên bộ chuyển đổi
PWM được phát triển rộng rãi và được coi
là một giải pháp khả thi. Tuy nhiên, hầu
hết chúng đều dựa trên các sóng hài cảm
ứng và các yêu cầu về điện áp xung không
tải tuyến tính [4-6] và đòi hỏi hệ thống
điều khiển phức tạp. Duke and Round đã
đề xuất một chương trình trong đó dòng
điện bù yêu cầu được xác định bằng cách
sử dụng một kỹ thuật Sinusoid tổng hợp
bằng cảm biến dòng. Nghiên cứu này
được phát triển thêm bằng cách chỉ dùng
cảm biến dòng [8], đơn giản và dễ thực thi
mô hình.
2. Mô hình hệ thống sử dụng bộ lọc
tích cực

Mô hình đơn giản được trình bày như
hình 1 mô tả hệ thống nguồn 3 pha tải phi
tuyến có sử dụng bộ lọc tích cực mắc song
song, bảng 1 mô tả các tín hiệu được ký
hiệu trong hình 1.

1. Giới thiệu
Việc sử dụng các tải phi tuyến như bộ
biến đổi tốc độ động cơ, máy hàn hồ quang
điện, và nguồn điện sử dụng chuyển mạch
điện tử gây ra một lượng lớn dòng điện hài
trong hệ thống phân phối điện. Những
dòng hài này làm méo dạng điện áp, tăng
tổn thất điện năng và làm nóng máy biến
áp, gây mất ổn định trong hoạt động của
thiết bị điện tử.
Để cải thiện chất lượng nguồn cho
mạng lưới phân phối, các bộ lọc thụ động
truyền thống như điện cảm (L), điện dung
điện cảm (LC) và điện cảm điện dung điện
cảm (LCL) đã được sử dụng để loại bỏ các
sóng hài dòng và nâng cao công suất tải hệ
số. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế,
các bộ lọc bậc hai thụ động này có nhiều
nhược điểm như vấn đề lão hóa và điều
chỉnh, cộng hưởng song song, và yêu cầu
phải thực hiện một bộ lọc riêng cho mỗi
tần số sóng hài cần được loại bỏ.
Để khắc phục những vấn đề này, các
bộ lọc tích cực đã được đề xuất trong [1, 2]

để nghiên cứu về khả năng cải thiện chất

Bảng 1. Mô tả tín hiệu
Tín hiệu

Mô tả

I_sa

Dòng điện của pha a

I_sb

Dòng điện của pha b

I_sc

Dòng điện của pha c

I_a

Dòng điện trên tải của pha a

I_b

Dòng điện trên tải của pha b

I_c

Dòng điện trên tải của pha c

I_afa

Dòng điện trên bộ lọc của pha a

I_afb

Dòng điện trên bộ lọc của pha b

I_afc

Dòng điện trên bộ lọc của pha c

11


MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN
3-Phase Active Filter
Nonlinear Load
A

Source
I_a
I_b

Active Filter

I_c

I_afa

I_afb
I_afc

I_a
I_b
I_c

Hình 1. Mô hình bộ lọc tích cực đơn giản
Trong đó   11200  e j (2 /3)
Ma trận biểu diễn điện áp thứ tự
nghịch được biểu diễn như công thức (6)

2.1. Mô hình khối nguồn
Hệ thống nguồn được mô tả bởi các
công thức toán học như (1) đới với nguồn
áp và (2) đối với nguồn dòng [1].


Vk (t )   2Vkn sin(nt  k n )

Van  1 1
1  V0 n 
  
 
2
  V n 
Vbn   1 
2 
 


Vcn  1    V n 

k  (a, b, c) (1)

n1



I k (t )   2 I kn sin(nt  k n )

k  (a, b, c) (2)

Triển khai ma trận điện áp trên ta được
chi tiết các phương trình như (7)

n1

Trong đó n là bậc hài.
Hai phương trình trên được viết lại
dạng biên độ và pha như (3) và (4), bao
gồm hài cơ bản (n=1) và hài bậc n [1].
.





n1

n1

.

V k  Vkn k n  V kn
.



 .

I k   I kn k n   I kn
n1

van (t )  2V0n sin(nt  0n )  2V n sin(nt   n ) 

 2V n sin(nt   n )

k  (a, b, c) (3)

vbn (t )  2V0n sin(nt  0n )  2V n sin(nt   n 

k  (a, b, c) (4)

 2V n sin(nt   n 

n1

Biểu diễn ma trận cho mỗi bậc hài của
3 pha a, b, c, áp thứ tự không, thứ tự thuận
và thứ tự nghịc [2].

V0 n 
1 1

 1
V

  n  3 1 
V n 
1  2



1  Van 



 2  Vbn 
  Vcn 

(6)

2
)
3

vcn (t )  2V0n sin(nt  0n )  2V n sin(nt   n 
 2V n sin(nt   n 

2
)

3

2
)
3

(7)
2
)
3

Tương tự như vậy, ta được dòng điện
như (8)

(5)

12


HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH
ian (t )  2 I 0 n sin(nt   0 n )  2 I  n sin(nt    n ) 

thụ thành phần phản kháng.
Dòng không đối xứng. Tiêu thụ bởi ba
dòng tải không bằng nhau trong cả ba pha.
Sóng hài. Được tạo ra bởi các tải
không tuyến tính, ví dụ: Một bộ chỉnh lưu
diode, với kết quả là dòng điện không hoàn
toàn sinusoidal.
2.3. Mô hình mạch lọc tích cực

Bộ điều khiển tổng quát trong đó thể
hiện các biến tham chiếu được tính toán
trên hệ quy chiếu d-q như hình 3[1].

2 I  n sin(nt    n )
ibn (t )  2 I 0 n sin(nt   0 n )  2 I  n sin(nt    n 
2 I  n sin(nt    n 

(8)

2
)
3

icn (t )  2 I 0 n sin(nt   0 n )  2 I  n sin(nt    n 
2 I  n sin(nt    n 

2
)
3

2
)
3

2
)
3

Với tải phi tuyến trong hệ thống năng

lượng điện, hệ thống nguồn sẽ tồn tại sóng
hài và giảm chất lượng điện, gây nguy hại
cho các thiết bị điện và điện tử có trong hệ
thống.
2.2. Mô hình tải
Một trong những mô hình phổ biến
của tải phi tuyến là tải chỉnh lưu bán dẫn
như hình 2.
Phase A

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý điều khiển
mạch lọc tích cực
Các tín hiệu ia, ib, ic là các dòng điện
tải ứng với 3 pha, va, vb, vc áp tải 3 pha
tương ứng. Chuyển đổi sang hệ tọa độ αβ
như công thức (9) và (10):

RL

Phase B

Phase C

LL

1
 v0 
 2
2
 

v

.
1
 
3
v  

 
 0

Hình 2. Tải phi tuyến
Tải không lý tưởng: Tải không thuần
trở gây ra hiện tượng tiêu thụ công suất
phản kháng phi tuyến; hoặc tải biến đổi về
thời gian hoặc pha nên có chứa nhiều thành
phần dòng điện họa tần; hoặc tải độ lớn
khác nhau ở mỗi pha sẽ tạo ra dòng điện
thứ tự nghịch.
Các vấn đề của tải không lý tưởng là
bất kỳ tải ba pha nào tiêu thụ năng lượng
khác với một tải điện ba pha đối xứng với
hệ số công suất là 1 (không có độ trễ pha
giữa điện áp và dòng điện) và tần số cơ bản
là không lý tưởng.
Dòng tải không lý tưởng có ít nhất một
trong các thành phần sau:
Dòng phản kháng. Tải có chứa các
thành phần điện cảm hoặc điện dung tiêu

1
1
3


2  va 
 1 .v 
2   b
 3  vc 
2 
1

2
2

2

(9)

Dòng điện ứng trên hệ trục αβ :
1
 i0 
 2
2
 
i   3 . 1
i 

 
 0

1
1
3


2  ia 
 1 .i 
2   b
 3  ic 
2 
1

2
2

2

(10)

Theo đó, công thức công suất được
tính bỡi công thức (11):

0
 p0  v0
  
 p   . 0 v
 q   0  v


0   i0 
 
v .i 
v  i 

(11)

Công thức (12) là dòng điện càn phải
có được trên bộ lọc [2]:
13


MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN

ic* 
1
*  2 2
ic  v  v

v v   p  pLoss  p 

v
.
q
  v  


Khâu giữ bậc 2 lọc thông thấp (15):
kc2
GLPF ( s)  2

(15)
s  2c s  c2

(12)

Chuyển lại hệ tọa độ thực theo hệ
phương trình (13) [2]:

Trong đó:

1 2 1
ica* 
0   i0 
  *  (13)
2
*
icb   3 .1 2  1 / 2 3 / 2 . ic 
1 2  1 / 2  3 / 2  i * 
icc* 
 

  c 

ks 2

k

Damping ratio





Trong công thức (16):
Gain

T, in second

Frequency of the pole

fp , in Hz

Mô tả tín hiệu trong sơ đồ khối điều
khiển hình 4:
Tín
hiệu

Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p))
V I_a
Vhold1
HPF

LPF

Dòng điện trên
tải pha a

k

Khâu tỉ lệ

V_h

Dạng tín hiệu
sóng hài

Vh

V I_fa
V af_a

V hold2

HPF

PI modify
controller

V_ma Tín hiệu để tạo
xung điều khiển
cho pha a

LPF

V

V ma
K

K

V ka

Mô tả

I_a

K

Ia

k

Time constant of the
controller

Trong đó:
Gain

Damping ratio

Modified PI (Proportional-integral)
controller:
1
1
GPI _ Modify ( s)  k (1  )(
) (16)
sT 1  sTp

(14)

s 2  2c s  c2

k

Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p))

Để sine hóa dòng điện nguồn, yêu cầu
các dòng điện ica*, ica*, ica* và dòng hồi tiếp
phải được xử lý bỡi khâu PI của bộ lọc tích
cực. Điện áp điều khiển được yêu cầu so
sánh với sóng tam giác tần số cao để tạo
xung điều khiển các khóa bán dẫn trong bộ
nghịch lưu.
3. Hệ thống điều khiển của SAPF
Hình 4 mô tả mạch điều khiển cho một
pha, trong đó HPF, LPF và bộ điều khiển
PI_Modify được mô tả chi tiết bỡi (14),
(15) và (16)
Khâu giữ bậc 2 lọc thông cao.

GHPF ( s) 

Gain

To the
converter s
pulse
controll
voltage for

phase a

V_ka

Xung điều khiển
pha a

I_afa

Dòng điện lọc
của pha a

i_afa

V carr

V_carr Sóng mang tần
số cao

Hình 4. Mạch nguyên lý điều khiển của
pha a
14

Ghi chú

Vout = k * Vin


HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH

Tương tự cho pha b và pha c.
4. Kết quả mô phỏng
Tín hiệu dòng điện tải qua 2 lần khâu giữ
bậc 2 thông cao cao và thông thấp, hình 5.

5. Kết luận
Kết quả dạng sóng sine đã được cải
thiện độ méo hài, hình 8, cùng với bảng kết
quả TDH.

Hình 5. Dạng sóng của I_La và V_hold2

Hình 8. Dạng sóng dòng điện nguồn
sau lọc
Bảng 2. Kết quả giảm méo hài THD
Fundamental Frequency 6.0000000e+001 Hz

I(i_sa)

5.4928609e-003

I(i_sb)

5.3634647e-003

I(i_sc)

5.3283370e-003

Với mô hình mô phỏng đơn giản đã

trình bày, khâu điều khiển PI_modify trong
bộ lọc tích cực đã làm tốt nhiệm vụ triệt
sóng hài do tải không lý tưởng gây ra, kết
quả làm giảm THD như đã trình bày trong
Bảng 2.

Hình 6. Sóng hài V_h
V_h là dòng điện sóng hài sau khi tín
hiệu I_La đi qua hai lần khâu giữ bậc hai
mạch lọc thông cao và lọc thông thấp, mô
tả trong phương trình (17).
i_La – v_hold2 = V_h
(17)

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Le Minh Thien Huynh, Thanh Vu Tran, Van
Cuu Ho, “Optimization Problem of
Compensated Current in Electrical Power
Systems Using General Three-Phase Active
Power Filter”, AETA, Dec 2015.
2. Tan Luong Van, Le Minh Thien Huynh,
Thanh Trang Tran and Duc Chi Nguyen,
“Improved Control Strategy of Three-Phase
Four-Wire Inverters using Sliding Mode
Input-Ouput Feedback Linearization under
Unbalanced and Nonlinear Load Conditions”,
AETA, Dec 2015.
3. N.V.Nho, M.J. Youn, “Carrier PWM
algorithm with optimized switching loss for
three-phase

four-leg
multilevel
inverters”, IEEE Letters, UK, vol.41, pp.43-

Hình 7. Tín hiệu sine của nguồn điện sau
khi có sử dụng bộ lọc tích cực.
15


MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN
44, vo.1, ISSN 0013-5194, Jan. 2005

Electronics, vol.58, no. 9, Sep. 2011.

4. Nguyễn Văn Nhờ, Myung- Bok Kim, GunWoo Moon, Myung- Joong Youn, “A Novel
Carrier Based PWM Method in Three-phase
Four-Wire Inverters”, IEEE 2004.

6. Alessandro Cavini, Fabio Ronchi, Andrea
Tilli, “Four - Wire Shunt Active Filters:
Optimized Design Methodology”, IEEE 2003.
7. H. Akagi, Y. Kanazawa, A. Nabae,
“Generalized Theory of the Instantaneous
Reactive Power in Three-Phase”, IPEC'83 Int. Power Electronics Conf., Tokyo, Japan,
1983, pp. 1375-1386.

5. N.V. Nho, N.X. Bac and H-H. Lee, "An
Optimized Discontinuous PWM Method to
Minimize Switching Loss for Multilevel
Inverters”, IEEE Transactions on Industrial

Ngày nhận bài: 02/6/2017

Biên tập xong: 15/7/2017

16

Duyệt đăng: 20/7/2017