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

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – 2021


ii

Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Duy Cương

Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TSKH. Horst Puta

Phản biện 1:………………………………………………....
Phản biện 2:………………………………………………....
Phản biện 3:……………………………………………........

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường
Họp tại:………………………………………………………

Vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:
Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - ĐHTN
Trung tâm học liệu - Đại học Thái Nguyên
Thư viện Quốc gia


1

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 là 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 được gọi
chung là thiết bị phi tuyến vì chúng là nguyên nhân gây nên sóng hài
trong lưới điện và có thể sinh ra các vấn đề về chất lượng hệ thống điện.
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%.
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 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 tiểu tởng 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 bọ diều khiển
kinh điển và hiện dại
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 dịng 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


2

+ 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 thút:
Phân tích, tởng 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 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 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 tốn dịng điện đặt theo dịng điện và điện áp đo, chuyển đởi 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 băng 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.

3

- 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,…;
- 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 dự báo 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 tởng 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 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 - Plecs
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 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.


4

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.
Các sóng hài có thể được tính tốn một cách độc lập hoặc kết hợp
các sóng hài khác nhau để có dạng tởng qt. 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 

X
n 1

X1

2
n

(1.5)
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….
c. Tác hại sóng hài
Sóng hài có thể làm cho cáp 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 mơi. Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu sáng có
thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi (data
network) và thiết bị đo cho kết quả sai.

1.2 Bộ lọc công suất tích cực và các vấn đề trong thiết kế bộ lọc
cơng suất tích cực.
1.2.1 Tổng quan về bộ lọc cơng suất tích cực
Bộ lọc cơng suất tích cực (APF - Active Power filter) là bộ lọc sử
dụng các phân tử điện tử cơng suất để lọc các sóng hài bậc cao trên hệ


5

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 dịng điện
và bù cơng suất phản kháng.

Hình 1-1: Ngun lý hoạt động của bộ lọc tích cực
Trên hình 1.10 ta thấy tởng của sóng hài do nguồn Inguồn và sóng hài
do bộ lọc tích cực phát ra Ilọc bằng khơng. Tuy nhiên các sóng này ln
thay đởi, do đó bộ lọc tích cực cần được điều khiển theo tín hiệu dạng
sóng nguồn và dạng sóng tải và được phản ảnh qua phản hồi dịng điện.
Nhờ bộ lọc tích cực chất lượng điện áp cũng được nâng lên và tổn hao
công suất trong lưới sẽ giảm đi.
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
d. Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển.
Bộ điều khiển đóng vai trị trung tâm trong bộ lọc tích cực, thực hiện
điều khiển mạch cơng suất (IGBT, MOSFET...) để phát dịng bù sóng
hài theo đúng tính tốn dịng 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
mơ phỏng, kiểm chứng thực tế và so sánh với các kết quả của các cơng
trình đã cơng bố.
1.3 Các nghiên cứu trong nước, ngồi 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 cho để
lọc sóng hài. Việc nghiên cứu bộ lọc tích cực để lọc sóng hài và bù công


6

suất phản kháng cịn khá mới mẻ chưa có nhiều cơng trình được cơng
bố.
1.3.2 Các nghiên cứu ở nước ngồi.
Ở nước ngồi, đã có rất nhiều tác giả quan tâm đến vấn đề lọc sóng
hài và bù cơng suất phản kháng để tăng chất lượng điện năng. Trong đó
đưa ra phương pháp tính tốn dịng 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.
1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án
Trên cơ sở phân tích các kết quả đã được cơng bố trên các cơng
trình, bài báo trong nước và quốc tế luận án sẽ từng bước giải quết các
vấn đề sau:
- Lựa chọn phương pháp lọc song hài và xây dựng cấu trúc cho bộ lọc
tích cực song song;
- Ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại nâng cao hiệu quả cho bộ lọc
cơng 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 tởng 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 cơng trình cơng 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.
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TỐN HỌC CỦA BỘ LỌC CƠNG SUẤT
TÍCH CỰC
2.1 Cấu trúc bộ lọc cơng suất tích cực kiểu song song
Trong chương 1 đã dưa ra ba cấu trúc cơ bản của bộ lọc cơng 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


7

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 cơng suất phản kháng.

Hình 2-1: Cấu trúc cơ bản của bộ lọc cơng suất tích cực kiểu song
song
Trong đó: + iS là dịng điện của nguồn phát

+ iC là dịng điện của bộ lọc tích cực
+ iL là dịng điện tải.
iS  iC  iL
Ta có:
(2.1)
Bộ lọc cơng suất tích cực kiểu song song (SAPF) có thể làm giảm
tổn hao lưới điện bằng việc nâng cao hệ số cơng suất và triệt tiêu các
thành phần sóng hài bậc cao, bên cạnh đó SAPF cũng làm giảm sụt áp
trên đường dây truyền tải mà không cần sử dụng các máy biến áp tăng
áp. SAPF sẽ làm tăng khả năng truyền tải công suất định mức (công suất
tác dụng) của các trạm biến thế, do vậy SAPF có thể giảm thời gian hoạt
động trong trường hợp quá tải [23].
Theo hình 2.1 ta có thể phân tích thành phần dịng điện tải i L thành
tởng của dịng cơ bản và dòng song điều hòa bậc cao:
iS  iC  iL  iC  iF  iH
(2.2)
Trong đó: + iF là dịng điện tần số cơ bản
+ iH là tởng các dòng song điều hòa bậc cao
Do vậy để dòng điện nguồn sin: iS  iF thì:
iC  iH  0  iC  iH
(2.3)
Như vậy, hoạt động của bộ lọc cơng suất tích cực đảm bảo phát
được dịng điện iC có vector dịng cùng độ lớn vector dịng tởng song hài
nhưng ngược pha. Để thực hiện được chức năng này, bộ lọc cơng 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 tốn dịng bù tởng song hài ( i*C  iH ).


8

- 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
iC  i*C . Nội dung thiết kế bộ điều khiển được phân tích chi tiết trong
chương 3 luận án.
2.2 Tìm dịng 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 dịng
điện và điện áp đo, rồi chuyển đổi sang hệ quy chiếu (α,β) sử dụng
phương pháp chuyển đởi Clarke, từ đó dịng chuyển đởi được sử dụng để
tạo ra các xung kích IGBT sau quá trình ước tính dịng 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 dịng điện tham
chiếu dựa theo lý thuyết p-q. Hình 2.2 chỉ ra ma trận chuyển đởi chi tiết
của khâu tính dịng điện tham chiếu, phần này sẽ được giải thích chi tiết
bằng các phương trình tốn học và các phép biến đởi.

Hình 2-2: Sơ đồ cấu trúc của khâu dòng điện tham chiếu dựa trên lý
thút p-q
Trong đó p và q là cơng suất thực và công suất phản kháng tiêu thụ
bởi các thành phần sóng hài. Vịng 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 cơng suất của
sóng hài.
2.2.1 Ứng dụng cơng suất tức thời trong tính tốn dịng bù sóng hài
Lý thuyết cơng suất tức thời được ứng dụng vào q trình tính tốn
và thiết kế bộ lọc cơng suất tích cực một cách hiệu quả trên cơ sở những
ưu điểm sau:

- Lý thuyết công suất tức thời áp dụng cho hệ 3 pha


9

- Lý thuyết cho phép áp dụng với hệ thống 3 pha cân bằng và 3 pha
không cân bằng, hệ thống có hoặc khơng có sóng hài ở cả điện áp và
dịng điện
- Tính tốn tức thời nên cho phép tốc độ đáp ứng nhanh với hệ thống.
- Tính tốn đơn giản trên cơ sở các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ.

Hình 2-3: Các thành phần bù cơng suất

p , q , p0

và

p0 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. p0 là thành phần được cung cấp từ nguồn
đến tải, nó sẽ trao đởi 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 p0
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 cơng suất bộ lọc tích

cực cần bù:
 p   p 
(2.32)

 
AF

 qAF 

 q 

Và dòng cần bù:
ic* 
1  v v    p 
*  2
 
2 
ic  v  v  v  v    q 

(2.33)

Tuy nhiên do điện áp trên tụ là khơng ởn định, do đó để đảm bảo
điện áp trên tụ khơng đởi thì nguồn cần cung cấp một cơng suất plose
để duy trì điện áp trên tụ khơng đởi. Bởi vậy, cơng thức tính dòng bù
cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng lọc sóng điều hịa và bù
cơng suất phản kháng:
ic* 
1 v v    p  plose 
*  2



2 

ic  v  v v  v    q

Từ cơng thức này, ta tính được dòng bù trong hệ tọa độ abc.

(2.34)


10

1
i 

*
2 1

icb  
3 2
i * 
 1
 cc 

 2
*
ca


0 

 *
3  ic 
 
2  ic* 
1
 
2

(2.35)

Phép biến đởi ngược này nhằm tìm ra dịng ba pha đặt cho bộ nghịch lưu
IGBTs, từ đó có thể sử dụng bộ điều khiển băng 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.

Hình 2-4: 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.
2.3 Kết luận chương 2
Trên cơ sở đa dạng của cấu trúc bộ lọc cơng suất tích cực, chương
2 đã lựa chọn cấu trúc của bộ lọc cơng suất tích cực dạng song song và
phân tích hoạt động của bộ lọc tích cực kiểu này. 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, có thể sử dụng cho mạch vịng điều khiển
ngồi bộ điều khiển bộ lọc tích cực như (2.34) và (2.35). Kết quả nghiên
cứu của chương 2 sẽ là cơ sở tốn học cho các phương pháp điều khiển
bộ lọc tích cực sẽ được trình bày trong chương 3.
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
Cấu trúc điều khiển của bộ lọc cơng suất tích cực ba pha kiểu song song
(SAPF) được đưa ra theo Hình 3.1.


11

Hình 3-1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống lọc cơng suất tích cực ba
pha kiểu song song
Đầu tiên dịng điện cần bù được tính tốn dựa theo điện áp và dịng
điện tải thơng qua khối tính tốn dịng điện tham chiếu (Reference
compensation current calculator), tiếp đến bộ điều khiển băng trễ (HCC)
được áp dụng cho mạch vòng điều khiển dịng 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 dịng điện bù mong muốn
bám theo dòng bù tham chiếu.
3.2 Bộ điều khiển băng trễ (Hysteresis current control -HCC) thiết
kế dựa trên mơ hình tốn xây dựng theo lý thuyết cơng suất tức
thời p-q

Hình 3-2: Cấu trúc bộ lọc cơng suất tích cực ba pha sử dụng bộ điều
khiển băng trễ (HCC) cho dòng điện


12

Bộ điều khiển băng trễ dòng điện (HCC) [10] là phương pháp đơn
giản và được sử dụng phổ biến nhất với độ ởn 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
dịng 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).
ei  ir ,i  i f ,i
(3.12)
Trong đó:
ei : là sai lệch dịng của pha i,
r : ký hiệu cho dòng tham chiếu,
f : ký hiệu cho dịng đầu ra của bộ lọc cơng 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 băng trễ (HCC) kết hợp với bộ tạo xung kích
mở IGBTs được đưa ra ở Hình 3.4.

Hình 3-3: Cấu trúc và nguyên lý của bộ điều khiển băng trễ (HCC)
Nguyên lý hoạt động đóng cắt được thiết lập bởi luật dưới đây:
Nếu sai số dịng điện thấp hơn cận dưới (HB-) thì trạng thái chuyển
mạch sẽ ở mức cao (SSon).
ei  HB   SSon  1

(3.13)
Nếu sai số dòng điện lớn hơn cận trên (HB ) thì trạng thái chuyển
mạch sẽ ở mức thấp (SSoff).
+

ei  HB  SSoff  0

(3.14)
Nếu sai lệch dòng điện nằm trong dải từ cận dưới (HB -) đến cận
trên (HB+), thì trạng thái chuyển mạch sẽ giữ nguyên như trạng thái
trước đó (SSremain).
HB   ei  HB   SS remain  SS ( pre _ state)

(3.15)


13

Hoạt động của bộ điều khiển băng trễ mô tả q trình trao đởi năng
lượng giữa bộ lọc tích cực và tải hệ thống như trên Hình 3.5 sau:

Hình 3-4: Bộ điều khiển băng trễ PWM dòng điện
Độ rộng của băng trên và băng dưới trong bộ điều khiển băng trễ
ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của bộ điều khiển. Trên cơ sở lý
thuyết thì động rộng băng này càng nhỏ thì sai số giữa giá trị đặt và giá
trị điều khiển càng nhỏ. Tuy nhiên trên thực tế độ rộng băng 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 băng trễ (HCC) thích nghi dựa vào cơ chế chỉnh
định mờ thiết kế dựa trên mô hình tốn xây dựng theo lý thuyết
cơng suất tức thời p-q
Đối với bộ điều khiển băng 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.Do đó tác giả đề xuất bộ điều khiển dịng
dải trễ thích nghi sử dụng cơ cấu chỉnh định mờ. Ứng dụng bộ điều
khiển mờ điều chỉnh thích nghi giá trị băng trễ trong bộ điều khiển băng
trễ


14

Hình 3-5: 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 băng trễ. Trên sơ đồ cấu trúc điều
khiển này giá trị băng trễ HB của bộ điều khiển băng 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 dịng đặt và dịng phản hởi cùng với vi
phân của giá trị sai lệch dịng.

Hình 3-6: Bộ điều khiển dòng điện dải trể dựa trên cơ cấu chỉnh định
mờ
Trong trường hợp này thì bộ điều khiển mờ giúp tối giản sai số dịng
điện bằng cách thích nghi dải trễ với đầu vào là sai số dòng điện và tốc
độ thay đởi 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 tốn tự động bằng bộ điều khiển mờ.


15

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.
µ ei
1

0

NB

-0.5

µdei(t)/dt
NS

Z

PS

-0.25

0

0.25

PB

1

ei(t)

0.5

0

NB

-5

NS

Z

PS

-2.5

0

2.5

µ∆I

1

NB

0

-0.1

NS

Z

PS

-0.05

0

0.05

PB

5

dei(t)/dt

PB

0.1

∆I

Hình 3-7: 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.
Bảng 3-1 Luật mờ
dei(t)/dt
ei(t)
NB
NS
Z
PS
PB

NB

NS

Z

PS

PB

NB
NS
NS
NS
Z

NB
NS
NS
Z
PS

NS
NS
Z
Z
PS

NS
Z
PS
PS
PS

Z
PS
PB
PB
PB

Thiết ké bộ lọc công suất tích cực trên cơ sở bộ điều khiển PI
Cấu trúc của bộ lọc cơng suất tích cực điển hình như trên Hình
3.11. Trong đó, sử dụng bộ điều khiển PI. Sách lược điều khiển bộ lọc
cơng suất tích cực gồm hai mạch vịng: mạch vịng ngồi dùng để xác
định dịng điện đặt cần bù icref dựa trên dòng tải iL,dòng điện cần bù này
là lượng đặt cho mạchvòng trong hay dòng điện mong muốn mà bộ

inverter phải tạo ra được để đưa lên lưới nhằm mục đích bù sóng hài và
cơng suất phản kháng; mạch vịng 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 tồn phần nguồn áp.
Giả thiết dịng điện qua tải phi tuyến bị méo do sóng hài iL , bộ lọc
cơng suất tích cực sẽ đo dịng iL và tính tốn để đưa lên lưới dịng điện
bù iC sao cho dòng điện qua nguồn iS = iL + iC ln là hình sin. Có nghĩa
là các nguồn hài của tải sinh ra sẽ được bù hết bằng iC.
3.3


16
Va,b,c

NonLinear
Load
ifa,b,c
La,b,c

abc
αβ

Vαβ

ifa,b,c
T1,…,6

Logic
Operators

abc

PI

p

αβ

ira,b,c

C
Vdc

PI

VSI
VSI

p0

q
LPF

irα,β
Vdc

αβ

ilαβ
Calculator

p,q

Udk

IGBT

IGBT

ila,b,c

Va,b,c
abc

p
p

Calculator
irα ,irβ

p
q

V*dc

Hình 3-8: Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực sử dụng bộ điều khiển PI
Bộ điều khiển PI cho điện áp Vđc có cấu trúc điều khiển như trên
Hình 3.12.
V*dc

p0

evdc

KpC

Vdc

1
s

KiC

Hình 3-9: Cấu trúc bộ điều khiển PI cho Vdc
Cơng suất P0 để duy trì điện áp trên tụ điện (Vdc) khơng đởi được
tính tốn như sau:
1

p0   K pC  KiC    evdc
s


(3.24)
Bộ điều khiển PI thực hiện điều khiển dịng bù sóng hài dịng điện
bù cho bộ lọc cơng suất tích cực được giới thiệu như trên Hình 3.13.
ei

ira,b,c
ifa,b,c

Kp

Ki

Udk,i
Logic
Operators

1
s

T1
T2
T3
T4
T5
T6

TWC

Hình 3-10: Bộ điều khiển PI điều khiển dịng bù sóng hài
Tín hiệu điều khiển 3 pha được tính theo cơng thức sau:
1

U dk ,a  U dk ,b  U dk ,c   K p  Ki    ei
s


(3.25)
Bộ điều khiển PI thiết kế kết hợp với tín hiệu sóng mang tam giác
(TWC) để thực hiện thay đởi 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


17

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.
TWC

Udk,i

Q

T1

Q

T4

T

Hình 3-11: Tác động Uđk đến tín hiệu đón mở IGBT
Như vậy, để thiết kế bộ lọc tích cực trên cơ sở bộ điều khiển PI cần
xây dựng mơ hình tốn học chính xác của hệ thống. Việc tính tốn các
tham số cho 02 bộ điều khiển PI và một số tham số khác (Lf, Cdc, V*dc)
là phức tạp.
Sử dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa tham số của

bộ lọc cơng suất tích cực ba pha kiểu song song
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 thơng 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 tốn 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 khơng thì tiếp tục thực hiện bước 4
3.3.1


18

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.

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 dịng 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 ngồi cho bộ lọc cơng
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 nghie 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 vịng
trong), góp phần nâng cao hiệu quả bộ lọc cơng suất tích cực.
CHƯƠNG 4

KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB –
SIMULINK
4.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống bộ lọc công suất tích cực ba pha theo
lý thuyết cơng suất tức thời p-q xây dựng trên
MATLAB/SIMULINK

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


19

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 (
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: Dịng điện pha A ảnh hưởng bởi nguồn sóng hài (chỉnh lưu
cầu) khi khơng có bộ lọc.
Phân tích THD dịng điện của pha khi khơng có bộ lọc tích cực thì
tởng méo sóng hài của hệ thống là 29.97%

Hình 4-3: Dạng sóng dịng điện và THD của dịng điện pha A khi khơng
có bộ lọc
Như vậy ta có thể thấy được khi khơng có bọ lọc tác động dịng
pha A bị méo dạng khơng cịn Sin, phân tích phở cho thấy THD =
29,97%.
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) . Phân tích phở tín hiệu dịng pha A khi sử dụng bộ lọc tích cực với
bộ điều khiển HCC (HB = ± 0.5)

20

Hình 4-4: 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)
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.
Mơ phỏng với dải trễ HB = 0
Phân tích phở tín hiệu dịng pha A khi sử dụng bộ lọc tích cực với bộ
điều khiển HCC (HB = 0)

Hình 4-5: 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)
Sau khi sử dụng bộ lọc tích cực được điều khiển bởi bộ HCC với dải trễ
cố định (0) thì THD là 1.93% và tần số đóng cắt (
) vào khoảng 500
kHz
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.
Phân tích phỏ tín hiệu dịng điện pha A khi sử dụng bộ điều khiển
HCC với tham số chỉnh định bằng bộ điều khiển mờ.


21

Hình 4-6: 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
Chúng ta có thể tởng hợp kết quả mơ phỏng theo bảng sau đây:
Bảng 4-2 So sánh kết quả bộ lọc tích cực với bộ điều khiển HCC và
HCC thích nghi
THD và tần số đóng cắt IGBT ( )
HB thích nghi
HB = ( )
HB = 0
bằng mờ

Kết quả mơ 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


22

4.2

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

Hình 4-7: 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

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 (L f, Cdc,
V*dc, KpC, KiC, Kp, Ki).
Số lần gieo cho giải thuật di truyền GA=40.
4.3.2
Kết quả
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.


23

Hình 4-8: Dịng điện 3 pha sau khi đưa bộ lọc tích cực vào

Hình 4-9: Phân tích FFT tín hiệu dòng điện
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. Mơ 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 mơ 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 khơng 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
cơng suất cho kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng tín hiệu dịng 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.