Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:92

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm 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 hiểu rõ hơn về đề tài, mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết luận án!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực

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 Tôi xin cam đoan đây là công 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 công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 03 năm 2021 Tác giả PHAN THANH HIỀN
2 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận án tôi 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 tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Với lòng 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 chuyên môn cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tôi 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 quá trình thực hiện nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, những người bạn thân thiết đã luôn giúp đỡ, động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn trong thời gian tôi học tập để hoàn thành khóa học. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2021 Tác giả luận án PHAN THANH HIỀN
3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... 2 MỤC LỤC .......................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 7 DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 8 MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 11 1. Tính cấp thiết của đề tài .........................................................................................................11 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài ...............................................................................................12 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án....................................................................12 4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................................12 5. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án........................................13 6. Bố cục của luận án..................................................................................................................14 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................. 16 1.1 Sóng hài trong lưới điện và giải pháp lọc sóng hài .............................................................16 1.1.1 Sóng hài trong lưới điện ......................................................................................................16 1.1.2 Giải pháp lọc sóng hài .........................................................................................................22 1.2 Bộ lọc công suất tích cực và các vấn đề trong thiết kế bộ lọc công suất tích cực. ...........22 1.2.1 Tổng quan về bộ lọc công suất tích cực.............................................................................22 1.2.2 Các vấn đề trong thiết kế bộ lọc tích cực. ..........................................................................23 a. Cấu trúc bộ lọc tích cực .......................................................................................................23 b. Tính toán xác định dòng bù sóng hài. ................................................................................25 c. Tính toán thông số bộ nghịch lưu.......................................................................................28 1.3 Các nghiên cứu trong nước, ngoài nước và định hướng nghiên cứu của đề tài. ..............29 1.3.1 Các nghiên cứu trong nước. ................................................................................................29 1.3.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài. ............................................................................................30 1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án.....................................................................................30 1.5 Kết luận chương 1 ..................................................................................................................31 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA BỘ LỌC CÔNG SUẤT TÍCH CỰC32 2.1 Cấu trúc bộ lọc công suất tích cực kiểu song song..............................................................32
4 2.2 Tìm dòng điện tham chiếu dựa theo lý thuyết công suất phản kháng tức thời (p,q) .......34 2.2.1 Biến đổi Clarke (Clarke transformation) ...........................................................................35 2.2.2 Lý thuyết công suất tức thời................................................................................................36 2.2.3 Ứng dụng công suất tức thời trong tính toán dòng bù sóng hài ......................................41 2.3 Kết luận chương 2 ..................................................................................................................44 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC CÔNG SUẤT TÍCH CỰC ........................................................................................................ 45 3.1 Cấu trúc điều khiển của bộ lọc công suất tích cực ..............................................................45 3.2 Bộ điều khiển dải trễ (Hysteresis current control -HCC) thiết kế dựa trên mô hình toán xây dựng theo lý thuyết công suất tức thời p-q ...........................................................................48 3.2.1 Bộ điều khiển dải trễ (HCC) thích nghi dựa vào cơ chế chỉnh định mờ thiết kế dựa trên mô hình toán xây dựng theo lý thuyết công suất tức thời p-q ............................................51 3.3 Thiết ké bộ lọc công suất tích cực trên cơ sở bộ điều khiển PI ..........................................57 3.3.1 Mạch vòng phụ.....................................................................................................................58 3.3.2 Mạch vòng tính toán dòng điện đặt ia, ib, ic........................................................................58 3.3.3 Bộ điều khiển dòng điện bù cho bộ lọc công suất tích cực..............................................59 3.3.4 Sử dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa tham số của bộ lọc công suất tích cực ba pha kiểu song song .........................................................................................................................61 3.4. Kết luận chương 3...................................................................................................................64 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULINK ..... 65 4.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống bộ lọc công suất tích cực ba pha theo lý thuyết công suất tức thời p-q xây dựng trên MATLAB/SIMULINK .........................................................................65 4.1.1 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ lọc tích cực với phương pháp điều khiển Hysteresis current controller ............................................................................................................................66 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 ..........................................................................70 4.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống bộ lọc công suất tích cực ba pha theo lý thuyết công suất tức thời p-q xây dựng trên MATLAB – SIMULINK ....................................................................73 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....................................................................73
5 4.3.1 Số liệu đầu vào .....................................................................................................................73 4.3.2 Kết quả ..................................................................................................................................74 4.3.3 Nhận xét ................................................................................................................................76 4.4 Kết luận chương 4 ..................................................................................................................76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 77 1. Kết luận: ......................................................................................................................................77 2. Kiến nghị.....................................................................................................................................77 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 80
6 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt APF Active power filter Bộ lọc công suất tích cực GA Genetic Algorithm Giải thuật di truyền HCC Hysteresis current controller Bộ điều khiển dải trễ THD Total Harmonic Distortion Tổng méo sóng hài DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp VSI Voltage Source Inverter Nghịch lưu nguồn áp LQG Linear Quadratic Gausian Điều khiển Gauss tuyến tính - bậc hai LQR Linear Quadratic Regulator Bộ điều khiển tuyến tính bậc hai Hệ thống tuyến tính bất biến theo LTI Linear Time - Invariant thời gian MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MPC Model Prediction Control Điều khiển mô hình dự báo PD Proportional–Derivative Điều khiển tỉ lệ - vi phân PID Proportional–Integral–Derivative Điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân Adaptive Network-based Fuzzy Mạng thích nghi trên nền suy luận ANFIS Inference System mờ PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung rad radian Đơn vị đo góc rpm revolutions per minute Vòng/phút s second Giây SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra VDC Volts Direct Current Điện áp một chiều
7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3-1 Trạng thái đóng mở của IGBT thông qua quá trình phóng nạp tụ C ....... 50 Bảng 3-2 Luật mờ .................................................................................................... 57 Bảng 4-1 Các thông số của hệ thống mô phỏng trên matlab .................................. 65 Bảng 4-2 So sánh kết quả bộ lọc tích cực với bộ điều khiển HCC và HCC thích nghi .......................................................................................................................... 72 Bảng 4-3 Các thông số của hệ thống mô phỏng trên matlab ................................... 73
8 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Sóng cơ bản và các sóng hài ................................................................... 16 Hình 1-2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển .......................................... 18 Hình 1-3: Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển ......... 19 Hình 1-4: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển ...................... 19 Hình 1-5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển ................................................ 20 Hình 1-6: Dòng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha bằng 30o ................................................................................................................... 20 Hình 1-7: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 30o . 20 Hình 1-8: Dòng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha bằng 90o ................................................................................................................... 21 Hình 1-9: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 90o . 21 Hình 1-10: Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực .............................................. 22 Hình 1-11: Sơ đồ khối tổng quát của bộ lọc tích cực .............................................. 23 Hình 1-12: Phân loại bộ lọc tích cực theo cấu trúc ................................................. 23 Hình 1-13: Cấu trúc Shunt APF .............................................................................. 24 Hình 1-14: Cấu trúc bộ lọc Series APF ................................................................... 24 Hình 1-15: Cấu trúc bộ lọc kết hợp bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động .................. 25 Hình 1-16: Thuật toán xác định dòng bù trong hệ d-q ............................................ 27 Hình 1-17: Mô hình bộ lọc tích cực theo ly thuyết p-q ........................................... 28 Hình 1-18: Bộ nghịch lưu. ....................................................................................... 28 Hình 2-1: Cấu trúc cơ bản của bộ lọc công suất tích cực kiểu song song ............... 32 Hình 2-2: Sơ đồ cấu trúc của khâu dòng điện tham chiếu dựa trên lý thuyết p-q ... 35 Hình 2-3: Chuyển đội hệ tọa độ abc sang α – β....................................................... 35 Hình 2-4: Công suất tức thời của hệ 3 pha .............................................................. 37 Hình 2-5: Các thành phần công suất của lý thuyết p-q trong tọa độ a-b-c. ............. 41 Hình 2-6: Các thành phần bù công suất p , q , p0 và p0 theo tọa độ a-b-c ............. 42 Hình 2-7: Tổng quan về ma trận chuyển đổi cho quá trình tìm dòng điện tham chiếu theo lý thuyết p-q sử dụng biến đổi Clarke. ............................................................ 43
9 Hình 3-1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống lọc công suất tích cực ba pha kiểu song song .......................................................................................................................... 45 Hình 3-2: Cấu trúc xác định dòng điện đặt dựa theo lý thuyết công suất tức thời p- q. .............................................................................................................................. 48 Hình 3-3: Cấu trúc bộ lọc công suất tích cực ba pha sử dụng bộ điều khiển dải trễ (HCC) cho dòng điện ............................................................................................... 48 Hình 3-4: Cấu trúc và nguyên lý của bộ điều khiển dải trễ (HCC) ........................ 48 Hình 3-5: Bộ điều khiển dải trễ PWM dòng điện .................................................... 50 Hình 3-6: Một số dạng hàm liên thuộc cơ bản ........................................................ 52 Hình 3-7: Hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ T(tuổi) ............................................. 53 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 ............ 56 Hình 3-10: Hàm liên thuộc giữa đầu vào và đầu ra ................................................. 56 Hình 3-11: Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực sử dụng bộ điều khiển PI.............. 57 Hình 3-12: Cấu trúc bộ điều khiển PI cho Vdc ......................................................... 58 Hình 3-13: Bộ điều khiển PI điều khiển dòng bù sóng hài ..................................... 60 Hình 3-14: Tác động Uđk đến tín hiệu đóng mở IGBT ............................................ 60 Hình 3-15: Cấu trúc tổng quát của giải thuật di truyền ........................................... 62 Hình 4-1: Mô 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 ......................... 65 Hình 4-2: Điện áp ba pha của hệ thống khi chưa có bộ lọc tác động ..................... 66 Hình 4-3: Dòng điện pha A ảnh hưởng bởi nguồn sóng hài (chỉnh lưu cầu) khi không có bộ lọc. ....................................................................................................... 66 Hình 4-4: Dạng sóng dòng điện và THD của dòng điện pha A khi không có bộ lọc ................................................................................................................................. 67 Hình 4-5: Dòng bù mà bộ lọc tích cực cần tạo ra ................................................... 67 Hình 4-6: Dòng bù tạo ra bởi bộ lọc điều khiển bởi bộ điều khiển HCC với dải trễ (+/-0.5) ..................................................................................................................... 68 Hình 4-7: Dòng điện của pha A khi có tác động của bộ lọc với dải trễ của bộ HCC là (+/- 0.5) ................................................................................................................ 68
10 Hình 4-8: Dạng sóng dòng điện và THD của dòng điện pha A khi có bộ lọc và dải trễ của bộ điều khiển HCC là (+/- 0.5) .................................................................... 69 Hình 4-9: Dòng bù tạo ra bởi bộ lọc điều khiển bởi bộ điều khiển HCC với dải trễ (0) ............................................................................................................................. 69 Hình 4-10: Dòng điện của pha A khi có tác động của bộ lọc với dải trễ của bộ HCC là (0) ........................................................................................................................ 70 Hình 4-11: Dạng sóng dòng điện và THD của dòng điện pha A khi có bộ lọc và dải trễ của bộ điều khiển HCC là (0) ............................................................................. 70 Hình 4-12: Dòng 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 .............................................................. 71 Hình 4-13: Dòng 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 .................................................. 71 Hình 4-14: Dạng sóng dòng điện và THD của dòng điện pha A khi có bộ lọc và dải trễ của bộ điều khiển HCC được thích nghi bởi cơ cấu chỉnh định mờ .................. 72 Hình 4-15: Mô 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 .......................... 73 Hình 4-16: Kết quả chạy mô phỏng giải thuật di truyền GA ................................. 74 Hình 4-17: Dòng điện 3 pha sau khi đưa bộ lọc tích cực vào ................................. 74 Hình 4-18: Phân tích FFT tín hiệu dòng điện .......................................................... 75 Hình 4-19: Đáp ứng điện áp trên tụ (Vdc) sau khi có bộ điều khiển PI ................... 75 Hình 4-20: Dòng bù sóng hài .................................................................................. 75
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 toán 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 công suất có các thiristo, IGBT chuyển mạch làm thay đổi dạng sóng dòng 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 toàn 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 quát: 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 Mô hình bộ lọc tích cực song song để phát dòng điện bù lên lưới điện có phụ tải phi tuyến làm việc, nhằm đưa dòng 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 toán tối ưu các thông 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 toán học của hệ thống truyền tải 3 pha 4 dây với tải phi tuyến. Đánh giá các nghiên cứu đã được công 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 toán dòng điện đặt theo dòng 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 mô hình toán 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 công 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 công suất tích cực cùng các vấn đề trong quá trình thiết kế bộ lọc công suất tích cực. Thông 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 toán học của bộ lọc công suất tích cực Chương 2 đưa ra cấu trúc của bộ lọc công suất tích cực dạng song song và hoạt động của bộ lọc. Từ đó, tính toán các tham số của bộ lọc, ứng dụng lý thuyết công suất tức thời p,q để tính toán dòng bù đặt đầu vào cho bộ điều khiển bộ lọc tích cực Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc công 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 Trên cơ sở lý thuyết và kết quả mô phỏng hoạt động bộ điều khiển ứng dụng cho bộ lọc công suất tích cực được đề xuất, chứng minh ở chương 2, chương 3. Trong chương này, luận án xây dựng mô hình bộ lọc công 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 hòa 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 không 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 toán sóng hài. Bất kỳ sóng tuần hoàn nào cũng có thể biểu thị dưới dạng chuỗi Fourier như sau:  f (t )  A0   ( An cos(h0t )  Bn sin(h0t )) h 1 (1.1)   A0   (Cnsin(h0t  h )) h 1 Trong đó:
17 1 2  f  t  là hàm tuần hoàn tần số f 0 , tần số góc 0  2 f 0 , chu kỳ T   . f 0 0 C1 sin 0t  1  là thành phần cơ bản.  Ch sin  h0t  h  là các thành phần sóng hài bậc h với biên độ Ch , tần số hf0 , góc pha  h Các hệ số của chuỗi Fourier được tính như sau: T 2x 1 1 A0   f  t dt   f t dx Trong đó: x  0t T0 2 0 (1.2) T 2x 2 1 Ah   f  t  cos  h0t dt   f t  cos  hx  dx T0  0 (1.3) T 2x 2 1 Bh   f  t  sin  h0t dt   f t  sin  hx  dx T0  0 (1.4) A  Ch  Ah 2  Bh 2 ;  h  arctg  h   Bh  Các sóng hài có thể được tính toán 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):  X n 1 2 n THD  X1 (1.5) Trong đó: - X 1 là biên độ thành phần cơ bản - X n là biên độ thành phần sóng hài bậc n Từ công thức (1.5), để đánh giá độ méo dòng điện và điện áp ta sử dụng hệ số méo dạo dòng điện và hệ số méo dạng điện áp:  I n 1 2 n THDI  I1 (1.6)
18 Trong đó: - I1 là biên độ dòng điện cơ bản - I n là biên độ dòng điện hài bậc n  V n 1 n 2 THDV  V1 (1.7) 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 hòa 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 công suất, lò hồ quang, máy hàn, bộ khởi động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn… Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất khí, tivi, máy photocopy, máy tính, lò 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 không điều khiển