38
PHÂN TÍCH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI-MỜ CHO
MẠCH LỌC TÍCH CỰC DẠNG HỖN HỢP CÔNG SUẤT LỚN NHẰM CẢI
THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
Châu Minh Thuyên* – Châu Văn Bảo**
TÓM TẮT
Bài báo phân tích mô hình toán của mạch lọc tích cực dạng hỗn hợp công suất lớn
(High-capacity hybrid active power filter-HHAPF). Dựa trên các phân tích này, các phương pháp
điều khiển cho HHAPF được đưa ra. Một bộ điều khiển PI-mờ được thiết kế để điều khiển bộ
nghịch lưu nguồn áp (VSI) nhằm phát ra dòng hài bù như mong muốn. Các kết quả mô phỏng và
thực nghiệm đã chứng tỏ được rằng phương pháp điều khiển PI-mờ cho các kết quả tốt hơn phương
pháp điều khiển PI truyền thống trong việc giảm hài và khả năng đáp ứng động.
CONTROL ANALYSIS AND DESIGN OF PI-FUZZY CONTROLLER FOR
HIGH-CAPACITY HYBRID ACTIVE POWER FILTER TO IMPROVE POWER QUALITY
SUMMARY
This paper aims to analyze mathematical model of High-capacity Hybrid Active Power Filter
(HHAPF). Based on this analysis, control methods for HHAPF are proposed. A PI-fuzzy logic
controller is designed to control voltage source inverter (VSI). The VSI in turn will generate desired
compensation harmonic currents. Experimental and Simulation results shown that the PI-fuzzy logic
control method gives results which are better than conventional PI control method in reducing
harmonics and dynamic response capability.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, việc sử dụng ngày càng nhiều các
thiết bị điện tử công suất như: các bộ chỉnh lưu
diode hoặc thyristor, các bộ truyền động điều
khiển tốc độ,… là nguyên nhân làm giảm chất
lượng điện năng trong lưới. Để giải quyết vấn
đề này, có nhiều phương pháp như: sử dụng các
mạch lọc thụ động LC truyền thống (passive
power filter-PPF), dùng mạch lọc tích cực và
dùng dạng hỗn hợp giữa mạch lọc thụ động và
mạch lọc tích cực. Việc sử dụng mạch lọc thụ
động có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, giá
thành thấp [1]-[3]. Tuy nhiên, nó cũng có nhiều
khuyết điểm như là dễ xảy ra cộng hưởng, mất
ổn định. Từ đó khái niệm “active power filter
(APF) – mạch lọc tích cực” ra đời nhằm khắc
phục các nhược điểm của mạch lọc thụ động
[4]-[5]. Tuy nhiên, APF cũng có khuyết điểm là
giá thành cao và chỉ sử dụng cho hệ thống công
suất thấp, khó ứng dụng cho các hệ thống điện áp
* Khoa Điện – Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM - NCS tại Hunam University - China
** Khoa Điện – Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM
Tạp chí Đại học Công nghiệp
39
cao. Một giải pháp khác đã được đưa ra để giải
quyết vấn đề hài là Hybrid Active Power Filter
(HAPF) [6]-[9]. HAPF là một tổ hợp của các
mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực, chính
vì sự tổ hợp này mà nó kế thừa được ưu điểm
của cả mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực.
Dựa vào việc sử dụng APF như thế nào mà
HAPF cũng có rất nhiều dạng. Thông thường,
có hai dạng là HAPF song song và HAPF nối
tiếp. Bài báo này sử dụng một dạng HAPF song
song cải tiến gọi là High-capacity Hybrid Active
Power Filter (HHAPF). Mục đích của dạng này
nhằm giảm được công suất của APF và do đó có
thể ứng dụng được với mạng lưới có điện áp cao,
công suất lớn.
Về các phương pháp điều khiển cho HAPF
thường sử dụng các phương pháp như điều
khiển hysteresis, so sánh, tiên đoán, trượt, PI,
tích phân tổng quát, điều chế vectơ không
gian,… và phương pháp thường được sử dụng
nhất là phương pháp điều khiển hysteresis và
phương pháp điều khiển PI. Phương pháp điều
khiển Hysteresis [10] có ưu điểm là đơn giản,
đáp ứng nhanh nhưng khuyết điểm là phụ thuộc
vào tần số chuyển mạch, việc khắc phục nhược
điểm này cũng được nhưng mạch điều khiển hơi
phức tạp. Với phương pháp điều khiển PI truyền
thống thì rất đơn giản, dễ thực hiện thực nghiệm
[11]. Tuy nhiên, khuyết điểm của điều khiển PI
là các thông số Kp, Ki là cố định, nếu chọn một
giá trị Kp quá lớn thì đáp ứng sẽ nhanh nhưng
rất dễ mất ổn định và nguợc lại. Hơn nữa, trong
lĩnh vực khử hài thì quá trình điều khiển là phi
tuyến. Do đó, nếu chỉ sử dụng điều khiển PI
truyền thống thì rất khó để đạt được kết quả tốt.
Để giải quyết khuyết điểm này người ta thường
dùng điều khiển mờ, neural, hoặc dạng kết hợp
PI với mờ, neural, … [12]-[16].
Một bộ điều khiển PI-mờ được đưa ra trong
bài báo này, nhiệm vụ của bộ điều khiển này là
nhằm điều khiển bộ nghịch lưu nguồn áp phát ra
dòng bù mong muốn. Kết quả mô phỏng chứng
minh được rằng phương pháp điều khiển PI-mờ
cho kết quả tốt hơn phương pháp điều khiển PI
truyền thống.
2. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM
VIỆC CỦA HHAPF
Cấu trúc của HHAPF được biểu diễn ở hình
1 gồm các phần chính sau: nguồn, tải phi tuyến,
các mạch lọc thụ động (PPF), APF (APF bao
gồm: bộ nghịch lưu nguồn áp VSI, biến áp,
mạch lọc đầu ra của VSI và bộ chỉnh lưu không
điều khiển).
Z
S
US
CF
C1
L1
0
L
0
C
Tải phi tuyến
C
380V
AC
Bộ chỉnh
lưuVSI
PPF
CP
LP
Hình 1. Cấu trúc của HHAPF.
Phân tích điều khiển và thiết kế…
40
Trong đó: Us và Zs là điện áp nguồn và trở
kháng của lưới.
C
p và Lp là các điện dung và điện
cảm tạo nên các mạch lọc thụ động.
C
1 và L1 là điện dung và điện cảm
cộng hưởng tại tần số cơ bản.
C
F là điện dung được thêm vào
nhằm lọc hài và bù công suất phản
kháng.
Máy biến áp có tỉ số n:1 nhằm bảo
vệ, cách ly giữa nguồn và VSI.
L
0, C0 là mạch lọc đầu ra của VSI.
Tải phi tuyến được xem như là nguồn phát
ra hài, trong khi đó bộ nghịch lưu nguồn áp VSI
có thể xem như một nguồn áp có khả năng điều
khiển được. Các hài tần số cao do tải phi tuyến
tạo ra phần lớn sẽ được loại bỏ bởi các mạch lọc
thụ động, còn lại các hài bậc thấp và một số hài
bậc cao sẽ được loại bỏ bởi APF. APF phát ra
các hài để bù vào lưới nhằm triệt tiêu các hài do
tải phi tuyến tạo ra. Chính vì vậy mà hài trên
lưới được loại trừ. Nhánh CF-C1-L1 được thêm
vào nhằm mục đích khử hài, bù công suất phản
kháng và giảm được công suất của APF. Do đó
mà mạch này ứng dụng được ở các lưới điện áp
cao, công suất lớn. Quá trình điều khiển đóng
mở các IGBT của VSI được thực hiện bám theo
sự thay đổi của dòng hài tải. Do vậy, việc tính
toán đúng các thông số và chọn phương pháp
điều khiển rất quan trọng.
3. MÔ HÌNH TOÁN VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU KHIỂN
Mạch điện tương đương một pha của
HHAPF được biểu diễn ở hình 2.
Hình 2. Mạch điện tương đương một pha của
HHAPF
Trở kháng của các mạch lọc thụ động
11 2 2
112 2
11 2 2
3
()//( )
()( )
()( )
PP P P
PPP P
PP P P
PPF
CL C L
CLC L
CL C L
ZZ
ZZ ZZ
ZZZZ
ZZ ZZ
=
=+ +
++
=++ +
(1)
Xét riêng tác động của bộ nghịch lưu nguồn
áp, đặt Us=0, iL=0.
Hình 3. Mạch điện tương đương một pha khi
chỉ xét tác động của VSI
Trong đó:
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+=
=
+++
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛++
=
+=
sLRZ
sC
Z
sC
sLR
sC
n
sC
sLR
sC
n
Z
sLRZ
L
F
sss
000
2
1
11
0
2
1
11
0
2
1
1
1
1
(2)
Tính được
()( )
[]
)(
..
332213212130
2
31
sssL
inv
Fh ZZZZZZZZZZZZZZZn
ZZnU
i+++++++
=
(3)
Tạp chí Đại học Công nghiệp
41
Hàm truyền của iFh đối với Uinv.
() ()( )
13
2
0312 123 12 233
..
()
Fh
out
inv Ls ss
inZZ
GsUnZ Z Z Z Z Z Z Z Z ZZ ZZ ZZ
== ++ ++ + + +
⎡⎤
⎣⎦
(4)
Đặc tính tần số - biên độ của Gout(s) được biểu diễn như hình 4.
Hình 4. Đặc tính biên độ - tần số của Gout(s)
Từ đặc tính tần số - biên độ, ta có thể nhận thấy:
có một điểm cộng hưởng tại tần số 504rad/s
tương ứng góc pha thay đổi từ 90o đến -90o.
Điều đó chứng tỏ rằng phần mạch từ đầu ra của
VSI đến lưới có khả năng gây ra cộng hưởng.
Để giải quyết điều này, tại một thời điểm phải
xem xét điều khiển cả góc pha - biên độ và do
đó các phương pháp điều khiển VSI sẽ được
xem xét đến.
Xét thành phần Uinv:
i
Fh được điều khiển bởi VSI, VSI như một
nguồn áp điều khiển được. Gọi Gc(s) và Ginv(s)
là hàm truyền của bộ điều khiển và của bộ
nghịch lưu nguồn áp. Có hai phương pháp điều
khiển cho Uinv là điều khiển dựa theo dòng hài
của tải và điều khiển dựa theo dòng hài của
nguồn.
+ Điều khiển dựa theo dòng hài của tải
Hình 5. Sơ đồ khối điều khiển dựa theo dòng
hài tải
Lh
outinvc
h
Linvc
inv isK
sGsGsG
isGsG
U).(
)().().(1
).().(
1
=
+
−= (5)
Phân tích điều khiển và thiết kế…
42
Với )().().(1
)().(
)(
1sGsGsG
sGsG
sK
outinvc
invc
+
−=
+ Điều khiển dựa theo dòng hài của nguồn
Hình 6. Sơ đồ khối điều khiển dựa theo dòng
hài nguồn
shshinvcinv isKisGsGU ).())(().( 2
=−= (6)
Với )().()(
2sGsGsK invc
−=
Như vậy, ta có thể xem VSI như một nguồn áp
có khả năng điều khiển ⎩
⎨
⎧
=
sh
Lh
inv isK
isK
U)(
)(
2
1
Mạch điện tương đương một pha với ảnh
hưởng của nguồn hài được biểu diễn ở hình 7.
Trong đó: 11LC
Z là trở kháng nhánh cộng
hưởng tần số cơ bản.
iapf : dòng điện đầu ra của APF
ZC1L1
Z2
Z3
iFh
Zsh
iLh
ish
Ush
iapf
iPh
iCFh
i1
Hình 7. Mạch điện tương đương một pha với
ảnh hưởng của nguồn hài
Từ hình 7 ta có:
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
=+
=+
+=
+=
+=
31112
3
1
ZiZiZi
UZiZi
iii
iii
iii
PhLCCFh
shPhshsh
CFhPhFh
CFhapf
FhLhsh
(7)
+ Với Lhapf Kii
=
từ (7) ta tính được:
shshLC
LhLCLC
sh ZZZZZZ
iZKZZZ
i
33112
311112
))((
)(
+++
−
+
= (8)
Từ công thức (8) ta nhận thấy rằng: có thể loại
trừ được tác động của dòng hài tải nếu K đủ lớn
thì ish sẽ được loại trừ.
+ Với shapf Kii
=
từ (7) ta tính được::
)()(
)()(
11233112
31123112
LCshLCsh
shLCLhLC
sh KZZZZZZZZ
UZZZiZZZ
i+++++
+
++
+
=
(9)
Từ (9) ta nhận thấy rằng: có thể loại trừ được
tác động của dòng hài tải và điện áp hài nguồn
nếu K đủ lớn. K là hệ số điều khiển, nó phụ
thuộc vào phương pháp điều khiển được chọn.
Về nguyên lí điều khiển thì hai phương pháp
điều khiển trên là tương tự nhau. Bài báo này
chọn phương pháp điều khiển dựa theo dòng hài
của tải.
4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI-MỜ
CHO HHAPF
Phần điều khiển thường dùng bộ điều khiển
PI truyền thống. Tuy nhiên nó thường không tốt
trong các điều khiển phi tuyến. Bài báo này thiết
kế một bộ điều khiển PI-mờ nhằm thay thế bộ
điều khiển PI truyền thống.
Sơ đồ khối điều khiển của HHPAF dùng bộ
điều khiển PI-mờ được biểu diễn ở hình 8.