Điều khiển mờ lai áp dụng cho biến tần một pha nối lưới

Lại Khắc Lãi<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 113(13): 147 - 152<br /> <br /> ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ÁP DỤNG CHO BIẾN TẦN MỘT PHA NỐI LƯỚI<br /> Lại Khắc Lãi*<br /> Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo đề xuất một bộ điều khiển dòng điện sử dụng lôgic mờ cho biến tần kết nối với lưới điện.<br /> Trong bộ điều khiển PI để điều khiển biến tần nối lưới, độ khuếch đại của bộ khâu P được thay đổi<br /> với sự trợ giúp của các thuật toán logic mờ để có được đáp ứng quá độ nhanh bất chấp các biến<br /> đổi đầu vào và nhiễu phụ tải. Đầu vào của bộ điều khiển logic mờ là sai lệch dòng điện đo được và<br /> giá trị đặt trong trong hệ tọa độ quay. Hiệu quả của các chiến lược điều khiển đề xuất đã được xác<br /> nhận qua kết quả mô phỏng với phần mềm Psim - Matlab và được so sánh với các bộ điều khiển PI<br /> thông thường.<br /> Từ khóa: Điều khiển dòng điện. Logic mờ, Nối lưới, Bộ điều khiển PI, Psim-Matlab.<br /> <br /> GIỚI THIỆU<br /> Biến tần nối lưới là một loại đặc biệt của biến<br /> tần có thể chuyển đổi điện một chiều thành<br /> điện xoay chiều và nối nó vào lưới điện hiện<br /> hành. Các bộ biến tần nối lưới cần có một số<br /> tính năng như điều khiển độc lập công suất<br /> tác dụng và công suất phản kháng với dòng<br /> năng lượng hai hướng, điều khiển hệ số công<br /> suất với điện áp/dòng điện ra hình sin chất<br /> lượng cao. Ngoài ra, nó có thể hỗ trợ bảo vệ<br /> các thiết bị điện trong trường hợp xảy ra lỗi<br /> lưới . Cấu trúc chung của biến tần nguồn áp 1<br /> pha kết nối lưới được chỉ ra trên hình 1.<br /> Trong đó, bộ chuyển đổi DC-AC là ngịch lưu<br /> cầu một pha đầy đủ sử dụng 4 MOFET hoặc 4<br /> GJB. Đầu vào biến tần là nguồn áp một chiều<br /> (pin mặt trời, acqui hoặc là đầu ra của bộ<br /> chỉnh lưu). Đầu ra của biến tần được kết nối<br /> với lưới điện thông qua bộ lọc thông thấp (lọc<br /> <br /> LC hoặc LCL hoặc bộ lọc L trong trường hợp<br /> đơn giản) để đưa năng lượng vào lưới. Khi<br /> đầu ra biến tần cắt khỏi lưới, nó sẽ cung cấp<br /> năng lượng cho tải cục bộ. Do vậy bộ điều<br /> khiển biến tần được chia thành chế độ làm<br /> việc độc lập và chế độ nối lưới.<br /> Để điều khiển biến tần trong cả chế độ làm<br /> việc độc lập cũng như chế độ nối lưới, các giá<br /> trị điện áp và dòng điện của biến tần được<br /> chuyển thành các giá trị tương ứng trong hệ<br /> tọa độ quay thông qua phép biến đổi Park<br /> thuận. Điện áp ra của bộ điều chỉnh là các giá<br /> trị Ud và Uq, chúng được đưa tới chuyển đổi<br /> ngược Park ngược. Đầu ra của chuyển đổi<br /> Park ngược là các giá trị Uα và Uβ được đưa<br /> tới bộ điều chế rộng xung hình sin (SPWM).<br /> Đầu ra của khối SPWM là tín hiệu điều khiển<br /> các khóa chuyển đổi của biến tần.<br /> Lưới<br /> <br /> AC<br /> Ubus<br /> <br /> ∼<br /> <br /> DC<br /> Ug<br /> <br /> Uα<br /> Điều khiển<br /> điện áp<br /> <br /> PLL<br /> <br /> Tải<br /> <br /> SPWM<br /> <br /> ϑ<br /> <br /> Uβ<br /> Điều khiển<br /> dòng điện<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ khối điều khiển biến tần một pha nối lưới*<br /> *<br /> <br /> Tel: 0913507464; Email: laikhaclai@gmail.com<br /> <br /> 147<br /> <br /> Lại Khắc Lãi<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Chế độ làm việc độc lập: Ở chế độ làm việc<br /> độc lập, biến tần cần phải liên tục cung cấp<br /> điện áp phù hợp với điện áp lưới điện cho tải<br /> cục bộ. Để thực hiện điều này, ta sử dụng<br /> vòng khóa pha (PLL) để phát hiện tần số và<br /> góc pha của điểm kết nối chung điện áp.<br /> Thành phần Ugd của điện áp lưới được căn<br /> chỉnh theo véc tơ điện áp đầu ra của biến tần.<br /> Góc pha của biến tần được xác định bằng<br /> cách tích phân của tổng tần số bù và tần số<br /> điện áp lưới.<br /> Mặt khác, bộ điều khiển điện áp được áp<br /> dụng để đồng bộ hóa điện áp đầu ra của biến<br /> tần với biên độ điện áp lưới. Quá trình điều<br /> khiển được mô tả trong hình 1.<br /> Thực tế các thành phần điện áp p và q của<br /> biến tần (Ud-inv và Uq-inv) được so sánh với<br /> điện áp đặt (Ud-ref và Uq-ref) . Các thành phần<br /> điện áp đầu ra là các giá trị điện áp đặt (Uα,<br /> Uβ) tương ứng với biên độ của điện áp lưới.<br /> Chế độ nối lưới: Trong chế độ nối lưới, dộ<br /> điều khiển dòng điện được sử dụng để điều<br /> khiển việc truyền công suất tác dụng và công<br /> suất phản kháng vào lưới điện quốc gia.<br /> Trong chế độ này điện áp ra cùng biên độ và<br /> cùng pha với điện áp lưới, do vậy quá trình<br /> điều khiển công suất có thể xem như điều<br /> khiển dòng điện. Bài báo đề xuất phương<br /> pháp sử dụng bộ điều khiển mờ lai (FLC-PI)<br /> cho bộ điều khiển dòng điện biến tần một pha<br /> trong chế độ nối lưới trên trên hệ qui chiếu<br /> đồng bộ (hệ qui chiếu dq).<br /> <br /> 113(13): 147 - 152<br /> <br /> Bộ chuyển đổi DC/AC của hệ thống biến tần<br /> cần phải bơm dòng điện tác dụng vào lưới, đó<br /> là dòng điện thuần sin cùng pha với điện áp<br /> lưới. Để thỏa mãn điều kiện này sai số xác lập<br /> giữa dòng điện mong muốn và dòng điện thực<br /> tế cần phải xấp xỉ bằng không tại tần số lưới.<br /> Trong nhiều năm qua, đã có nhiều sơ đồ điều<br /> khiển cho biến tần nối lưới được đề xuất. Sơ<br /> đồ điều khiển kinh điển của biến tần nối lưới<br /> thường dựa trên phản hồi điện áp lưới trong<br /> hệ tọa độ xoay và thêm vào một vài bộ điều<br /> khiển PI [1].<br /> Trong trường hợp bộ điều khiển PI, việc thực<br /> hiện điều khiển phụ thuộc vào PI hệ số<br /> khuếch đại. Hơn nữa, bộ điều khiển PI với hệ<br /> số PI hằng không thể đảm bảo độ quá điều<br /> chỉnh mong muốn và thời gian quá độ cho tất<br /> cả các tải. Đặc biệt, trong trường hợp nhiều<br /> bộ điều khiển PI hoạt động không hoàn toàn<br /> độc lập với nhau trong một hệ thống điều<br /> khiển. Trong các hệ thống biến tần nối lưới<br /> thường có nhiều hơn hai bộ điều khiển PI và<br /> chúng có yêu cầu độ tác động nhanh [2]. Do<br /> vậy, cần thiết điều chỉnh giá trị hệ số khuếch<br /> đại của PI trong quá trình quá độ để đạt được<br /> hiệu quả tốt hơn. Một trong những phương<br /> pháp mạnh được áp dụng để điều chỉnh tăng<br /> hệ số khuếch đại của PI là sử dụng bộ điều<br /> khiển logic mờ (FLC).<br /> Lưới<br /> <br /> AC<br /> Vbus<br /> <br /> ∼<br /> <br /> DC<br /> <br /> I*q<br /> -<br /> <br /> Vg<br /> <br /> Vα<br /> <br /> I*d<br /> -<br /> <br /> Ig<br /> <br /> PI1<br /> <br /> α,β<br /> <br /> PI2<br /> <br /> d<br /> <br /> PLL<br /> <br /> ϑ<br /> <br /> ,<br /> <br /> Id<br /> Iq<br /> <br /> Iα<br /> <br /> d,q<br /> α,β<br /> <br /> Iβ<br /> <br /> 90<br /> <br /> 0<br /> <br /> ϑ<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ điều khiển dòng điện biến tần một pha nối lưới<br /> <br /> 148<br /> <br /> Lại Khắc Lãi<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Do sự đơn giản và tính linh hoạt của logic mờ<br /> nên chúng đã được áp dụng cho các hệ thống<br /> phi tuyến, các hệ thống điều khiển thông<br /> minh, và các ứng dụng phức tạp khác. Trong<br /> lĩnh vực hệ thống điện, FLC có thể được sử<br /> dụng để điều khiển các hệ thống năng lượng<br /> gió hoặc điều khiển kết nối lưới các hệ thống<br /> quang điện [5-8].<br /> FLC áp dụng cho hệ thống biến tần nối lưới 3<br /> pha được phân tích chi tiết trong [3]. Bài báo<br /> này đề xuất một ứng dụng của FLC để bù hệ<br /> số khuếch đại tỉ lệ của bộ điều khiển PI điều<br /> khiển dòng điện biến tần nối lưới điện quốc<br /> gia. hệ số khuếch đại tỉ lệ của PI được điều<br /> chỉnh tùy thuộc vào yêu cầu của dòng điện ra<br /> trong hệ tọa độ quay. Do đó, không chỉ các<br /> điều kiện khác nhau của điện áp lưới và dòng<br /> điện được thích nghi mà còn nâng cao độ tin<br /> cậy của bộ điều khiển. Phương pháp điều<br /> khiển đề xuất được phân tích thông qua các<br /> mô phỏng với sự trợ giúp của phần mềm<br /> Psim, và Matlab simulink. Sau đó so sánh với<br /> bộ điều khiển kinh điển PI để thấy rõ ưu việt<br /> và hiệu quả của phương pháp đề xuất.<br /> BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN D-Q<br /> Một trong các giải pháp được ứng dụng phổ<br /> biến hiện nay là xây dựng bộ điều khiển trong<br /> hệ tọa độ quay đồng bộ với tần số lưới (hệ tọa<br /> độ d-q). Bộ điều khiển trong hệ tọa độ d-q<br /> cho phép hệ số khuếch đại lớn tại tần số lưới<br /> và có tính khử nhiễu cao. Do đó nó làm tăng<br /> hiệu quả điều khiển và có thể hủy bỏ dòng<br /> điện phản kháng đưa vào lưới điện.<br /> Đối với hệ thống biến tần ba pha, việc áp<br /> dụng hệ qui chiếu đồng bộ (d-q) khá dễ dàng,<br /> vì điện áp cũng như dòng điện của hệ thống<br /> này được biểu diễn bởi một véc tơ quay với<br /> tốc độ bằng tốc độ góc của điện áp lưới. đối<br /> với hệ thống một pha, do điện áp cũng như<br /> dòng điện chỉ có một thành phần duy nhất. Vì<br /> vậy để áp dụng điều khiển trong hệ qui chiếu<br /> đồng bộ ta cần tạo ra một thành phần điện áp<br /> ảo hoặc dòng điện ảo vuông pha với trạng thái<br /> điện áp hoặc dòng điện của hệ thống.<br /> Giả thiết điện áp lưới và dòng điện lưới là:<br /> <br /> 113(13): 147 - 152<br /> <br /> uα (t) = Ucos (ωt+ϕu ) và iα (t ) = Icos (ω t+ϕi )<br /> Trong đó ω là tần số góc lưới, φu, φi là góc<br /> pha đầu của điện áp và dòng điện.<br /> Thành phần dòng điện ảo trực giao với dòng<br /> điện lưới (iα) là iβ (t ) = Isin (ω t+ϕi ) . Áp<br /> dụng chuyển đổi Park ta dễ dàng tính được Id<br /> và Iq trong hệ qui chiếu quay đồng bộ với<br /> điện áp lưới.<br /> <br />  I d   cosϑ (t) sin ϑ (t)   Iα <br /> I  = <br />  <br />  q   − sin ϑ (t) cosϑ (t)   I β <br /> <br /> (1)<br /> <br /> Trong đó góc ϑ (t ) = ω t + ϕv thu được nhờ<br /> vòng khóa pha PLL.<br /> Từ (1) ta có:<br /> <br /> id = iα cosϑ (t ) + iβ sin ϑ (t )<br /> <br /> iq = -iα sin ϑ (t ) + i β cosϑ (t )<br /> <br /> (2)<br /> <br /> Thay iα (t ) = Icos ( ω t+ϕi ) và<br /> <br /> iβ (t ) = Isin (ω t+ϕi )<br /> <br /> vào<br /> <br /> (2)<br /> <br /> ta<br /> <br /> được:<br /> <br /> id = Icos (ωt+ϕi ) cosϑ(t) + I sin (ωt+ϕi ) sinϑ(t)<br /> <br /> iq = -Icos (ωt+ϕi ) sinϑ(t) + I sin (ωt+ϕi ) cosϑ(t)<br /> id (t ) = Icos (ϕv -ϕ1 ) = Icosϕ<br /> (3)<br /> <br /> i q (t) = -Isin (ϕv -ϕ1 ) = − I sin ϕ<br /> <br /> Trong đó id tương ứng với biên độ của dòng<br /> điện lưới tác dụng, cùng pha với điện áp lưới<br /> và -iq tương ứng với biên độ dòng điện lưới<br /> phản kháng, vuông góc với điện áp lưới; cosφ<br /> là hệ số công suất.<br /> Sơ đồ bộ điều khiển dòng điện d-q được chỉ<br /> ra trên hình 2. Trong đó biến phụ thuộc Uα<br /> trong trong chuyển đổi Park ngược được sử<br /> dụng để điều khiển bộ biến đổi DC/AC để có<br /> được dòng điện lưới mong muốn. Chuyển đổi<br /> Park ngược có đầu vào là dòng điện Id và<br /> dòng Iq. Điểm đặt của vòng điều khiển dòng<br /> điện phản kháng thường thiết lập bằng 0. bởi<br /> vì trong điều kiện lý tưởng ta chỉ cần cung<br /> cấp dòng điện tác dụng.<br /> 149<br /> <br /> Lại Khắc Lãi<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO BÙ<br /> ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CHO PI<br /> Có 2 bộ FLC để điều chỉnh hệ số khuếch đại<br /> tỉ lệ của PI1 và PI2. Để tránh trùng lặp, bài báo<br /> này chỉ trình bày chi tiết bộ điều chỉnh thứ<br /> nhất. Cấu trúc của chúng được biểu diễn ở<br /> phần đóng khung trên hình 2, gồm 2 khối: Bộ<br /> điều khiển PI kinh điển có hệ số khuếch đại tỉ<br /> lệ (Kp) không đổi và bộ điều khiển mờ. Ta<br /> gọi khối này là FLC-PI1. FLC trong khối có<br /> nhiệm vụ làm tăng hệ số Kp ở giai đoạn đầu<br /> nhằm giảm thời gian quá độ của hệ thống.<br /> <br /> 113(13): 147 - 152<br /> <br /> Các kết quả mô phỏng được chỉ ra trên hình 5<br /> và hình 7. Trong đó hình 6 là đáp ứng khi sử<br /> dụng bộ điều khiển PI, hình 7 là đáp ứng khi<br /> có thêm bộ điều khiển mờ.<br /> <br /> O1<br /> in1<br /> Id<br /> <br /> O2<br /> Add<br /> <br /> PI1<br /> <br /> FLC-PI<br /> Iq<br /> <br /> O3<br /> y<br /> <br /> in2<br /> <br /> Hình 4. Hàm liên thuộc đầu vào của FLC<br /> <br /> O4<br /> Add2<br /> <br /> Lai1c single-phase inverter<br /> Fuzzy-PI2<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ khối của cấu trúc điều khiển d-q<br /> <br /> Bộ điều khiển mờ có đầu vào là sai lệch e,<br /> đầu ra là lượng tăng ∆k, hàm liên thuộc đầu<br /> vào và đầu ra có 9 tập mờ như hình 4 và hình<br /> 5. Luật điều khiển có dạng tổng quát:<br /> Ri : if e is mfi then ∆k is mfi<br /> Sử dụng luật hợp thành Max-Min, giải mờ<br /> bằng phương pháp cận phải .<br /> KẾT QUẢ MÔ PHỎNG<br /> Để kiểm tra đặc tính động của phương pháp<br /> đề xuất, ta tiến hành mô phỏng trên phần<br /> mềm Psim và Matlab-Simulink. Mô hình mô<br /> phỏng như hình 3, bao gồm chuyển đổi<br /> DC/AC, điện áp lưới và tải thuần trở 1 pha.<br /> Các thông số của hệ thống mô phỏng là:<br /> - Điện áp 1 chiều 400V<br /> - Tải thuần trở 1 pha: R = 10Ω<br /> - Điện cảm lọc: L = 10mH<br /> - Điện dung lọc: C = 500µF<br /> - Điện áp lưới: 220V<br /> - Tần số lưới: 50Hz<br /> - Thời gian chạy mô phỏng: 0,2s<br /> <br /> 150<br /> <br /> Hình 5. Hàm liên thuộc đầu ra của FLC<br /> Uinv<br /> <br /> Ugrid<br /> <br /> Hình 6. Đáp ứng hệ thống khi sử dụng PI<br /> <br /> Lại Khắc Lãi<br /> <br /> Uinv<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Ugrid<br /> <br /> Hình 7. Đáp ứng hệ thống khi sử dụng FLC-PI<br /> <br /> Từ các kết quả mô phỏng ta thấy rằng khi<br /> không có bộ điều chỉnh FLC thì thời gian để<br /> điện áp bộ biến tần hòa đồng bộ với điện áp<br /> lưới khoảng 0,07s, trong khi đó nếu sử dụng<br /> FLC-PI thời gian này chỉ còn khoảng 0,03s,<br /> giảm hơn 50% so với sử dụng PI<br /> KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này đã giới thiệu một sơ đồ<br /> điều khiển nâng cao của biến tần một pha nối<br /> lưới. Để cải thiện đặc tính động của hệ thống<br /> biến tần nối lưới, hệ số của PI được điều<br /> chỉnh theo đầu vào và sự biến thiên tải với<br /> thuật toán lôgic mờ. Kết quả mô phỏng đã<br /> chứng minh hiệu quả của phương pháp đề<br /> xuất bằng cách so sánh với phương pháp<br /> truyền thống. Đồng thời cho thấy ưu điểm<br /> riêng của FLC-PI như thời gian quá độ ngắn,<br /> sai số xác lập bằng không trong, khả năng<br /> kháng nhiễu tốt.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1].Balaguer, I.J.; Qin Lei; Shuitao Yang; Supatti,<br /> U.; Fang Zheng Peng; Control for Grid-Connected<br /> and Intentional Islanding Operations of<br /> Distributed<br /> Power<br /> Generation.<br /> Industrial<br /> Electronics, IEEE Transactions on , vol.58, no.1,<br /> pp.147-157, (2011).<br /> <br /> 113(13): 147 - 152<br /> <br /> [2].Zhilei Yao; Lan Xiao; Yangguang Yan:<br /> Seamless Transfer of Single-Phase GridInteractive Inverters Between Grid-Connected and<br /> Stand-Alone Modes. Power Electronics, IEEE<br /> Transactions on , vol.25, no.6, pp.1597-1603, (<br /> 2010).<br /> [3].Mann, G.K.I.; Hu, B.-G.; Gosine, R.G.:<br /> Analysis and performance evaluation of linear-like<br /> fuzzy PI and PID controllers. Fuzzy Systems,<br /> Proceedings of the Sixth IEEE International<br /> Conference on , vol.1, no., pp.383-390 vol.1, (<br /> 1997).<br /> [4]. Petrov, M.; Ganchev, I.; Taneva, A. : Fuzzy<br /> PID control of nonlinear plants. Intelligent<br /> Systems, 2002. Proceedings. 2002 First<br /> International IEEE Symposium, vol.1, no., pp. 3035 vol.1,( 2002).<br /> [5].Quoc-Nam Trinh and Hong-Hee Lee, Fuzzy<br /> Logic Controller for Maximum Power Tracking in<br /> PMSG-Based Wind Power Systems. Lecture<br /> Notes in Computer Science, Vol 6216, Advanced<br /> Intelligent Computing Theories and Applications<br /> With Aspects of Artificial Intelligence, pp. 543553, (2010).<br /> [6].Zheng Fei; Fei Shumin; Zhou Xingpeng:<br /> Design and simulation of fuzzy sliding-mode<br /> robust controller for grid-connected photovoltaic<br /> system. Intelligent Control and Automation<br /> (WCICA), 2010 8th World Congress on , vol., no.,<br /> pp.2527-2532 (2010).<br /> [7].Premrudeepreechacharn, S.; Poapornsawan, T.:<br /> Fuzzy logic control of predictive current control<br /> for grid-connected single phase inverter,<br /> Photovoltaic Specialists Conference, 2000.<br /> Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE ,<br /> vol., no., pp.1715-1718, (2000).<br /> [8].Yiwang Wang; Fengwen Cao: Implementation<br /> of a Novel Fuzzy Controller for Grid-Connected<br /> Photovoltaic System. Power and Energy<br /> Engineering Conference, 2009. APPEEC 2009.<br /> Asia-Pacific , vol., no., pp.1-4, ( 2009).<br /> Miranda, U.A.; L. G. B. & Aredes M. A DQ<br /> synchronous reference frame current control for<br /> single-phase converters, in proc. Of Power<br /> Electronics Specialists Conference. PESC'05.<br /> IEEE 36, , pp. 1377-1381 (2009).<br /> <br /> 151<br /> <br />