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

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
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 cơng
bố trên bất cứ một cơng trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 03 năm 2021
Tác giả

PHAN THANH HIỀN


2

LỜI CẢM ƠN
Trong q trình làm luận án tơi 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 tơi trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và
hồn thành luận án.
Với lịng 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 chun
mơn cho tơi trong suốt q trình nghiên cứu để hồn thành luận án.

Tơi 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 q trình thực hiện nghiên cứu.
Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, những người bạn thân thiết
đã ln giúp đỡ, động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn trong thời gian tơi học tập để
hồn thành khóa học.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2021
Tác giả luận án

PHAN THANH HIỀN


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................
MỤC LỤC..........................................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................
MỞ ĐẦU........................................................................................................
1. Tính cấp thiết của đề tài .........................................................................................................
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài ...............................................................................................
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ....................................................................
4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................................
5. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ........................................
6. Bố cục của luận án..................................................................................................................
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 ....................................................................

1.1.2

Giải pháp lọc sóng hài .......................................................................

1.2 Bộ lọc cơng suất tích cực và các vấn đề trong thiết kế bộ lọc cơng suất tích cực. ...........
1.2.1

Tổng quan về bộ lọc cơng suất tích cực...........................................

1.2.2

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

a.Cấu trúc bộ lọc tích cực .......................................................................................................
b.Tính tốn xác định dịng bù sóng hài. ................................................................................
c.Tính tốn thơng số bộ nghịch lưu .......................................................................................
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. ..............................................................

1.3.2

Các nghiên cứu ở nước ngoài. ...........................................................

1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án .....................................................................................
1.5 Kết luận chương 1 ..................................................................................................................

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TỐN HỌC CỦA BỘ LỌC CƠNG SUẤT TÍCH CỰC32

2.1 Cấu trúc bộ lọc cơng suất tích cực kiểu song song............................................ 32


4

2.2

Tìm dịng điện tham chiếu dựa theo lý thuyết cơng suất phản kháng tức thời

2.2.1

Biến đổi Clarke (Clarke transformation) ...............................................

2.2.2

Lý thuyết công suất tức thời ...................................................................

2.2.3

Ứng dụng công suất tức thời trong tính tốn dịng bù sóng hài ...........

2.3

Kết luận chương 2 .........................................................................................................

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC CƠNG SUẤT

TÍCH CỰC........................................................................................................
3.1

Cấu trúc điều khiển của bộ lọc cơng suất tích cực .....................................................

3.2

Bộ điều khiển dải trễ (Hysteresis current control -HCC) thiết kế dựa trên m

xây dựng theo lý thuyết công suất tức thời p-q ...........................................................................
3.2.1

Bộ điều khiển dải trễ (HCC) thích nghi dựa vào cơ chế chỉnh

trên mơ hình tốn xây dựng theo lý thuyết cơng suất tức thời p-q ............................................
3.3

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

3.3.1

Mạch vịng phụ........................................................................................

3.3.2

Mạch vịng tính tốn dịng điện đặt ia, ib, ic............................................

3.3.3

Bộ điều khiển dịng điện bù cho bộ lọc cơng suất tích cực...................

3.3.4

Sử dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa tham số của bộ lọ

pha kiểu song song .........................................................................................................................
3.4. Kết luận chương 3 ...................................................................................................................
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULINK ..... 65
4.1

Sơ đồ tổng quan hệ thống bộ lọc cơng suất tích cực ba pha theo lý thuyết cô

thời p-q xây dựng trên MATLAB/SIMULINK .........................................................................
4.1.1

Kết quả mơ phỏng khi sử dụng bộ lọc tích cực với phương pháp

current controller ............................................................................................................................
4.1.2

Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ lọc tích cực với phương pháp

current controller chỉnh định tham số bằng mờ ..........................................................................
4.2

Sơ đồ tổng quan hệ thống bộ lọc cơng suất tích cực ba pha theo lý thuyết cô

thời p-q xây dựng trên MATLAB – SIMULINK ....................................................................
4.3

Kết quả mô phỏng của đề xuất sử dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu tha

tích cực với cấu trúc bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân....................................................................


5

4.3.1

Số liệu đầu vào ...................................................................................

4.3.2

Kết quả ...............................................................................................

4.3.3

Nhận xét .............................................................................................

4.4 Kết luận chương 4 ..................................................................................................................
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................
1. Kết luận: ......................................................................................................................................
2. Kiến nghị .....................................................................................................................................
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................


6

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tiếng
APF

Active power filt

GA

Genetic Algorithm

HCC

Hysteresis curren

THD

Total Harmonic D

DFT

Discrete Fourier T

FFT

Fast Fourier Tran

LPF

Low Pass Filter

VSI

Voltage Source In

LQG

Linear Quadratic

LQR

Linear Quadratic

LTI

Linear Time - Inv

MIMO

Multiple Input M

MPC

Model Prediction

PD

Proportional–Der

PID

Proportional–Inte

ANFIS
PWM

Adaptive Networ

Inference System

Pulse Width Mod

rad

radian

rpm

revolutions per m

s

second

SISO

Single Input Sing

VDC

Volts Direct Curr



7

DANH MỤC CÁC B
Bảng 3-1 Trạng thái đóng mở của IGBT thơng qua q trình phóng nạp tụ C .......
Bảng 3-2 Luật mờ ....................................................................................................
Bảng 4-1

Các thông số của hệ th

Bảng 4-2

So sánh kết quả bộ lọc

nghi ..........................................................................................................................
Bảng 4-3

Các thông số của hệ th


8

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Sóng cơ bản và các sóng hài ...................................................................
Hình 1-2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha khơng điều khiển ..........................................
Hình 1-3: Dịng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển .........
Hình 1-4: Phổ của dịng điện chỉnh lưu cầu 3 pha khơng điều khiển ......................

Hình 1-5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển ................................................
Hình 1-6: Dịng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha
o

bằng 30 ...................................................................................................................
o

Hình 1-7: Phổ của dịng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 30 . 20

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

bằng 90 ...................................................................................................................
o

Hình 1-9: Phổ của dịng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 90 . 21

Hình 1-10: Ngun lý hoạt động của bộ lọc tích cực ..............................................
Hình 1-11: Sơ đồ khối tổng quát của bộ lọc tích cực ..............................................
Hình 1-12: Phân loại bộ lọc tích cực theo cấu trúc .................................................
Hình 1-13: Cấu trúc Shunt APF ..............................................................................
Hình 1-14: Cấu trúc bộ lọc Series APF ...................................................................
Hình 1-15: Cấu trúc bộ lọc kết hợp bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động ..................
Hình 1-16: Thuật tốn xác định dịng bù trong hệ d-q ............................................
Hình 1-17: Mơ hình bộ lọc tích cực theo ly thuyết p-q ...........................................
Hình 1-18: Bộ nghịch lưu. .......................................................................................
Hình 2-1: Cấu trúc cơ bản của bộ lọc cơng suất tích cực kiểu song song ...............
Hình 2-2: Sơ đồ cấu trúc của khâu dòng điện tham chiếu dựa trên lý thuyết p-q ...
Hình 2-3: Chuyển đội hệ tọa độ abc sang α – β.......................................................
Hình 2-4: Cơng suất tức thời của hệ 3 pha ..............................................................

Hình 2-5: Các thành phần công suất của lý thuyết p-q trong tọa độ a-b-c. .............
Hình 2-6: Các thành phần bù cơng suất p , q , p0 và
Hình 2-7: Tổng quan về ma trận chuyển đổi cho q trình tìm dịng điện tham chiếu

theo lý thuyết p-q sử dụng biến đổi Clarke. ............................................................


9

Hình 3-1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống lọc cơng suất tích cực ba pha kiểu song
song ..........................................................................................................................
Hình 3-2: Cấu trúc xác định dòng điện đặt dựa theo lý thuyết cơng suất tức thời pq. ..............................................................................................................................
Hình 3-3: Cấu trúc bộ lọc cơng suất tích cực ba pha sử dụng bộ điều khiển dải trễ
(HCC) cho dịng điện ...............................................................................................
Hình 3-4: Cấu trúc và nguyên lý của bộ điều khiển dải trễ (HCC) ........................
Hình 3-5: Bộ điều khiển dải trễ PWM dịng điện ....................................................
Hình 3-6: Một số dạng hàm liên thuộc cơ bản ........................................................
Hình 3-7: Hàm liên thuộc của biến ngơn ngữ T(tuổi) .............................................
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 ............
Hình 3-10: Hàm liên thuộc giữa đầu vào và đầu ra .................................................
Hình 3-11: Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực sử dụng bộ điều khiển PI..............
Hình 3-12: Cấu trúc bộ điều khiển PI cho Vdc .........................................................
Hình 3-13: Bộ điều khiển PI điều khiển dịng bù sóng hài .....................................
Hình 3-14: Tác động Uđk đến tín hiệu đóng mở IGBT ............................................
Hình 3-15: Cấu trúc tổng qt của giải thuật di truyền ...........................................
Hình 4-1: Mơ 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 .........................
Hình 4-2: Điện áp ba pha của hệ thống khi chưa có bộ lọc tác động .....................

Hình 4-3: Dịng điện pha A ảnh hưởng bởi nguồn sóng hài (chỉnh lưu cầu) khi
khơng có bộ lọc. .......................................................................................................
Hình 4-4: Dạng sóng dịng điện và THD của dịng điện pha A khi khơng có bộ lọc
.................................................................................................................................
Hình 4-5: Dịng bù mà bộ lọc tích cực cần tạo ra ...................................................
Hình 4-6: Dịng bù tạo ra bởi bộ lọc điều khiển bởi bộ điều khiển HCC với dải trễ (+/0.5) ..................................................................................................................... 68 Hình
4-7: Dịng điện của pha A khi có tác động của bộ lọc với dải trễ của bộ HCC

là (+/- 0.5) ................................................................................................................


10

Hình 4-8: Dạng sóng dịng điện và THD của dịng điện pha A khi có bộ lọc và dải
trễ của bộ điều khiển HCC là (+/- 0.5) ....................................................................
Hình 4-9: Dịng bù tạo ra bởi bộ lọc điều khiển bởi bộ điều khiển HCC với dải trễ
(0) ............................................................................................................................. 69

Hình 4-10: Dịng điện của pha A khi có tác động của bộ lọc với dải trễ của bộ HCC
là (0) ........................................................................................................................
Hình 4-11: Dạng sóng dịng điện và THD của dịng điện pha A khi có bộ lọc và dải
trễ của bộ điều khiển HCC là (0) .............................................................................
Hình 4-12: Dịng 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 ..............................................................
Hình 4-13: Dịng 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 ..................................................
Hình 4-14: Dạng sóng dịng điện và THD của dịng điện pha A khi có bộ lọc và dải
trễ của bộ điều khiển HCC được thích nghi bởi cơ cấu chỉnh định mờ ..................
Hình 4-15: Mơ 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 ..........................

Hình 4-16: Kết quả chạy mơ phỏng giải thuật di truyền GA .................................
Hình 4-17: Dịng điện 3 pha sau khi đưa bộ lọc tích cực vào .................................
Hình 4-18: Phân tích FFT tín hiệu dịng điện ..........................................................
Hình 4-19: Đáp ứng điện áp trên tụ (Vdc) sau khi có bộ điều khiển PI ...................
Hình 4-20: Dịng bù sóng hài ..................................................................................


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 tốn 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 cơng suất có các thiristo, IGBT chuyển mạch làm thay đổi dạng sóng dịng 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 tồn 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 qt: 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
Mơ hình bộ lọc tích cực song song để phát dòng điện bù lên lưới điện có phụ

tải phi tuyến làm việc, nhằm đưa dịng 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 tốn tối ưu các thơng 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 lý thuyết:

13

Phân tích, tổng hợp các kiến thức cơ sở tốn học của hệ thống truyền tải 3 pha
4 dây với tải phi tuyến. Đánh giá các nghiên cứu đã được cơng 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 mơ 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 cơng lý thuyết công suất tức thời p,q áp dụng vào tính tốn

dịng điện đặt theo dịng 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 mơ hình tốn 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 cơng 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 cơng suất tích cực cùng các vấn đề trong q trình thiết kế bộ
lọc cơng suất tích cực. Thơng 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 tốn học của bộ lọc cơng suất tích cực
Chương 2 đưa ra cấu trúc của bộ lọc cơng suất tích cực dạng song song và
hoạt động của bộ lọc. Từ đó, tính tốn các tham số của bộ lọc, ứng dụng lý thuyết
công suất tức thời p,q để tính tốn dịng bù đặt đầu vào cho bộ điều khiển bộ lọc
tích cực
Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc cơng suất tích cực
Trên cơ sở toán học được nêu ở chương 2, chương này xây dựng các bộ điều
khiển cho bộ lọc cơng 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 cơng suất tích cực được đề xuất, chứng minh ở chương 2, chương 3.
Trong chương này, luận án xây dựng mơ hình bộ lọc cơng 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 hịa 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 khơng
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 tốn sóng hài. Bất kỳ sóng
tuần hồn nào cũng có thể biểu thị dưới dạng chuỗi Fourier như sau:


f

(t )  A0  ( An cos( h0 t )  Bn sin( h0t))
h1




A0  (Cn sin( h0 t  h ))

h1

Trong đó:

(1.1)


17



1

f t  là hàm tuần hoàn tần số f0 , tần số góc 0  2 f0 , chu kỳ T  C1

f

sin 0 t 1  là thành phần cơ bản.

0

 là các thành phần sóng hài bậc h với biên độ




.
2


C , tần số
h

Các hệ số của chuỗi Fourier được tính như sau:

A0 

1T
T

Ah

Bh 



 f

(1.2)



(1.3)

T



f t cos h t dt 

2

(1.4)

0

T
Ch 

t dt 



0

f

t sin h0t dt  1 2x f t sin hx dx


0

2

 Bh

Các sóng hài có thể được tính tốn 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):




THD 

- Trong đó:
-

X1 là biên độ thành phần cơ bản
X n là biên độ thành phần sóng hài bậc n

X n2


Từ cơng thức (1.5), để đánh giá độ méo dịng điện và điện áp ta sử dụng hệ
số méo dạo dòng điện và hệ số méo dạng điện áp:

THD 
I

n 1


18

Trong đó:
- I1 là biên độ dịng điện cơ bản
-

In là biên độ dịng điện hài bậc n

(1.7)
THD
V

Trong đó:
-

V1 là biên độ điện áp cơ bản

-

Vn 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 hịa 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 cơng suất, lị hồ quang, máy hàn, bộ khởi động điện tử,
đóng mạch máy biến áp cơng suất lớn… Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất
khí, tivi, máy photocopy, máy tính, lị 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 khơng điều khiển


19

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

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

Hình 1-4: Phổ của dịng điện chỉnh lưu cầu 3 pha khơng điều khiển
Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển có độ
méo rất lớn THD  35.01% . Các thành phần sóng điều hịa này là do tính phi tuyến

của bộ chỉnh lưu cầu gây ra. Trong đó các thành phần sóng điều hịa 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
o

Trường hợp góc điều khiển alpha bằng 30
Dịng điện pha A cuả nguồn gây ra bởi bộ chỉnh lưu 3 pha với góc điều khiển alpha
o

bằng 30

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

o

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

o