Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phát triển giải pháp điều khiển thích nghi cho bộ lọc tích cực ba pha

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:225

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Phát triển giải pháp điều khiển thích nghi cho bộ lọc tích cực ba pha" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển trong bộ lọc nguồn tích cực; Hệ thống điện ba pha dưới tác động của tải và bộ lọc nguồn tích cực; Cải tiến hiệu năng của APF sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PI; Phát triển giải pháp điều khiển thích nghi cho bộ lọc tích cực ba pha.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phát triển giải pháp điều khiển thích nghi cho bộ lọc tích cực ba pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HUỲNH LÊ MINH THIỆN PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HUỲNH LÊ MINH THIỆN PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: GVC.TS. HỒ VĂN CỪU TS. TRẦN THANH VŨ TP. HỒ CHÍ MINH – 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: “Phát triển giải pháp điều khiển thích nghi cho bộ lọc tích cực ba pha” là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các kết quả và các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đều đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2022 Nghiên cứu sinh Huỳnh Lê Minh Thiện
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn GVC.TS. Hồ Văn Cừu, Trưởng khoa Điện tử viễn thông, Trường Đại học Sài Gòn, đã tận tâm hướng dẫn tôi, động viên tôi kiên trì trui rèn trên con đường học thuật, khoa học, thầy đã làm gương cho tôi về phong cách và tinh thần làm việc để trở thành con người khoa học. Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Trần Thanh Vũ, Trưởng Bộ môn Điện Công nghiệp, khoa Điện-ĐTVT Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, người đã thực sự cho tôi cơ hội được nhìn rõ hơn vấn đề của chuyên môn nói chung và bài toán của luận án nói riêng, nhờ đó mà chông gai trên con đường nghiên cứu trở thành động lực trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu này. Tôi thực sự trân trọng giá trị khoa học mà môi trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo ra, nơi có bề dày lịch sử trong đào tạo khoa học kỹ thuật và con người, nơi đã bồi đắp cho tôi chuẩn mực khoa học và sự tự do trong sáng tạo khoa học. Tôi xin cảm ơn gia đình tôi đã tạo điều kiện, đã thấu hiểu cho tôi trong thời gian làm nghiên cứu khoa học. Xin gởi đến quý thầy cô, quý đồng nghiệp hiện đang công tác ở các trường Đại học trong nước và quốc tế lời tri ân chân thành cho sự góp sức quý báu, để công việc nghiên cứu của tôi được nhiều phần thuận lợi. Sự đóng góp của các nhà khoa học để luận án được tiếp tục hoàn thiện, cũng như giúp cho tôi được ngày càng trưởng thành trên con đường nghiên cứu, đã là một khao khát bên cạnh mong muốn luận án của mình được hoàn thành. Xin trân trọng cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2022 Nghiên cứu sinh Huỳnh Lê Minh Thiện
iii TÓM TẮT Hiện nay, việc điều khiển các bộ Biến tần nguồn áp (VSI) trở nên hiệu quả hơn bao giờ hết nhờ sự phát triển công nghệ bán dẫn, như là sử dụng các thiết bị bán dẫn tốc độ chuyển mạch cao và bộ vi xử lý tần số hằng trăm Mhz, cho phép hệ thống hoạt động một cách thông minh nhờ áp dụng được các thuật toán điều khiển hiện đại phức tạp. Từ đó, việc ứng dụng các bộ chuyển đổi này để thiết kế Bộ lọc nguồn tích cực (Active Power Filter – APF) là ứng dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực điều khiển chất lượng điện năng. Không nằm ngoài chức năng chính của các bộ VSI, luận án này tập trung nghiên cứu hai vấn đề là bù công suất (PFC) và lọc nguồn tích cực (APF). Song song với việc trình bày lý thuyết điều khiển là mô phỏng và xác thực kết quả bằng thực nghiệm được thực hiện trên hệ thống lọc nguồn điện tích cực ba pha với cấu trúc lõi là bộ biến đổi công suất VSI. Các phần nghiên cứu chính bao gồm: ① đề xuất cấu hình bộ lọc nguồn tích cực; ② trên cấu hình đó xây dựng mô hình giải tích, giải thuật điều khiển; ③ xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm; ④ ghi nhận, so sánh, nhận xét các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm; ⑤ thực hiện báo cáo khoa học dưới dạng công trình nghiên cứu khoa học, bài báo và báo cáo luận án. Dựa trên giải tích của hệ thống, tác giả đã sử dụng các giải pháp tính toán mềm, các phương pháp điều khiển cũng như các kỹ thuật điều khiển tiên tiến như: tuyến tính hóa phi tuyến, thích nghi mờ, thích nghi phi tuyến, cùng một vài mô hình điều khiển kinh điển khác để hỗ trợ so sánh kết quả. Hai giải pháp thích nghi chính được đề xuất để thay thế cho các giải pháp các tham số cố định nhằm thích ứng với sự biến động không mong muốn trên hệ thống đã được đề xuất trong luận án, một là sử dụng bộ điều khiển thích nghi mờ PI và hai là giải thuật bù dòng điện dự đoán. Kết quả hướng đến việc đảm bảo độ ổn định của điện áp một chiều trên tụ liên kết, xử lý lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong quá trình nối lưới bộ APF, cải thiện đáp ứng động cho hệ thống khi tải phi tuyến và hoặc nguồn điện biến động, trong khi vẫn giữ vững các tiêu chí chất lượng như điện tổng méo hài THD < 6% và hệ số công suất PFC > 95%. Mô phỏng và thực nghiệm đã minh chứng cho khả năng cải thiện hệ số công suất, bù sóng hài hiệu quả và đáp ứng nhanh với các tác động không mong muốn xảy ra cho hệ thống, đảm bảo mục tiêu đã được đặt ra của luận án. Từ khóa: Điều khiển chất lượng điện năng, chất lượng điện, bộ lọc nguồn tích cực, kỹ thuật điều khiển thích nghi, điều khiển dự báo, bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp.
iv ABSTRACT The control of Voltage Source Inverter (VSI) becomes more effective than ever due to using semiconductor switching devices and high-frequency microprocessors. Using these converters to design an Active Power Filter is the most popular application in the field of power quality control. Not outside the main function of the converter, this thesis studies two principal problems, which are improving Power Factor Correction (PFC) and eliminating high order harmonics, called Active Power Filter (APF). Besides listing control theories, measuring the results of the Shunt active power filter system model was present to prove the validity of the proposed algorithm. The main research sections include: ① active source filter configuration recommendations; ② on that configuration build analytical model, control algorithm; ③ building simulation models and experimental models; ④ record, compare and comment on simulation results and experimental results; ⑤ perform scientific reports such as scientific research topic, articles, and thesis. Based on the analysis of the system, the author has used some advanced control techniques such as soft computing solutions, nonlinear linearization, fuzzy adaptation, nonlinear adaptation, and a few other classic control models to aid in comparing results. Two main adaptive solutions are proposed to replace the solutions of fixed parameters in order to adapt to unexpected fluctuations in the proposed scheme in the thesis, the first is using an adaptive Fuzzy-PI controller, and the second is the predictive current compensation algorithm. The results are aimed at ensuring the stability of the DC voltage, handling the phase difference between the current and the voltage during the APF connecting to the grid, and improving the dynamic response of the system under nonlinear loads, and/or the grid unwanted change, while maintaining quality criteria such as total harmonic distortion THD < 6% and PFC power factor > 95%. Simulations and experiments have demonstrated the ability to improve power factors, effectively compensate for harmonics and respond quickly to unwanted effects on the system, ensuring the aim of the thesis. Keywords: Power quality control (PQC), power quality, active power filter (APF), adaptive control engineering, model predictive control (MPC), three-phase voltage source inverter (VSI).
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………………..ii TÓM TẮT ……………………………………………………………………….iii ABSTRACT ……………………………………………………………………….iv MỤC LỤC ………………………………………………………………………..v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................xiv DANH MỤC NHỮNG KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN ...........................xvi MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………..1 1. Lý do chọn đề tài………………………………………………………………..1 2. Tính cấp thiết của đề tài ...…………………………………………………….. 2 3. Mục tiêu nghiên cứu…………………………………………………………… 3 4. Phương pháp nghiên cứu ……………………………………………………… 4 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ………………………………….. 4 6. Nội dung nghiên cứu ………………………………………………………….. 5 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài …………………………………… 5 8. Bố cục của luận án: …….………………………………………………………6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRONG BỘ LỌC NGUỒN TÍCH CỰC .......................................................................................................7 1.1 Bộ lọc nguồn tích cực ........................................................................................7 1.2 Giải tích mạch lọc tích cực ba pha mắc song song dựa trên lý thuyết công suất tức thời .......................................................................................................................11 1.2.1 Trường hợp 1: Điện áp nguồn ba pha cân bằng ........................................18 1.2.2 Trường hợp 2: Điện áp nguồn ba pha bị méo dạng và không cân bằng ...19 1.3 Các giải pháp điều khiển thích nghi ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển chất lượng điện ..................................................................................................................23 1.3.1 Các công trình nghiên cứu về APF tiêu biểu ứng dụng các kỹ thuật điều khiển trong miền thời gian và miền tần số ............................................................ 24 1.3.2 Điều khiển thích nghi áp dụng trong kỹ thuật điều khiển APF ................28 1.4 Hiệu quả năng lượng điện và chất lượng điện .................................................41 1.4.1 Chất lượng điện .........................................................................................41
vi 1.4.2 Hiệu quả năng lượng điện .........................................................................43 1.4.3 Các chỉ dẫn thương mại ............................................................................44 1.5 Đề xuất chức năng nhiệm vụ trong việc xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm .......................................................................................................47 1.6 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 48 CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỆN BA PHA DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI VÀ BỘ LỌC NGUỒN TÍCH CỰC ............................................................................................ 49 2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng ..........................................................................49 2.1.1 Khối nguồn ................................................................................................ 51 2.1.2 Mô hình tải ................................................................................................ 51 2.1.3 Mô hình khối lọc tích cực .........................................................................54 2.2 Điểu khiển mạch lọc tích cực ba pha ............................................................... 57 2.2.1 Chuyển đổi các tín hiệu điều khiển ...........................................................57 2.2.2 Mô hình nghịch lưu ba pha .......................................................................59 2.2.3 Các vấn đề cơ bản về điều chế và điều khiển đối với bộ VSI...................60 2.3 Kết quả mô phỏng hệ thống .............................................................................70 2.3.1 Chế độ không tải .......................................................................................70 2.3.2 Chế độ tải R_L ..........................................................................................73 2.4 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 80 CHƯƠNG 3 CẢI TIẾN HIỆU NĂNG CỦA APF SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY-PI ………………………………………………………………………81 3.1 Thiết kế cải tiến điều khiển APF sử dụng điều khiển trượt Sling Mode .........81 3.1.1 Giải tích hệ thống APF ..............................................................................84 3.1.2 Mô hình điều khiển trượt phản hồi............................................................ 84 3.1.3 Kết quả mô phỏng sử dụng điều khiển trượt .............................................89 3.2 Cải tiến hiệu năng của APF sử dụng bộ điều khiển Fuzzy – PI ......................95 3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-PID ............................................................ 95 3.2.2 Cải tiến ổn định điện áp tụ của bộ VSI ...................................................107 3.2.3 Kết quả mô phỏng ổn định điện áp tụ .....................................................110 3.2.4 Kết quả đo thực nghiệm. .........................................................................117 3.3 APF trong vai trò nâng cao chất lượng điện ..................................................122 3.3.1 Cải tiến giải thuật điều khiển cho VSI sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PI 124 3.3.2 Kết quả mô phỏng với giải thuật đã nghiên cứu .....................................126
vii 3.3.3 Kết quả thực nghiệm ...............................................................................128 3.4 Kết luận chương 3 ..........................................................................................130 CHƯƠNG 4 GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA ……………………………………………………………………..131 4.1 Cải tiến đáp ứng nối lưới trong quá trình APF hoạt động .............................131 4.1.1 Xây dựng mô hình và giải thuật nối lưới ................................................131 4.1.2 Duy trì thông số chất lượng trong quá trình APF kết nối với lưới điện..136 4.1.3 Kết quả thực nghiệm nối lưới..................................................................139 4.2 Phát triển giải pháp điều khiển thích nghi cho bộ lọc tích cực ba pha ..........141 4.2.1 Đề xuất phương pháp điều khiển bù sóng hài sử dụng mô hình điều khiển bù dòng điện dự đoán ..........................................................................................141 4.2.2 Kết quả mô phỏng ...................................................................................151 4.2.3 Kết quả thực nghiệm ...............................................................................152 4.2.4 Kết luận chương 4 ...................................................................................155 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................157 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................160 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................163 PHỤ LỤC ………………………………..…………………………………………168 I. THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ………………………………………..168 1.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm bù sóng hài cho hệ thống điện 3 pha sử dụng mạch lọc tích cực ………………………….……………………………………………….168 1.1.1 Đề xuất cấu trúc hệ thống ………………………….……………………..........168 1.1.2 Xác định thông số của hệ thống ...………………….…………………….........170 1.2. Mô hình thực nghiệm …………………………………………………………..172 1.2.1 Sơ đồ kết nối tín hiệu các khối chức năng …….……………………….……...172 1.2.2 Cấu hình chức năng cho vi điều khiển …..…….……………………….………173 1.2.3 Mô hình thực nghiệm …………………....…….……………………….……...174 II. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ………………………………………………..180
viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các dạng mạch lọc tích cực ..............................................................................7 Hình 1.2 Lưới điện ba pha sử dụng bộ lọc nguồn tích cực. ............................................9 Hình 1.3 Dòng điện nguồn, dòng điện tải và dòng bù của hệ thống điện .......................9 Hình 1.4 Sơ đồ khối nguyên lý bộ lọc nguồn tích cực. .................................................10 Hình 1.5 Sơ đồ khối cấu hình cơ bản bộ lọc tích cực trong hệ thống điện ba pha. .......12 Hình 1.6 Mô hình truyền tải sử dụng bộ lọc nguồn tích cực .........................................13 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý phương pháp p-q .................................................................14 Hình 1.8 Hệ trục a-b-c và α-β ........................................................................................14 Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ thống APF .........................................................................24 Hình 1.10 Các kỹ thuật tính toán dòng điện tham chiếu ...............................................24 Hình 1.11 Phương pháp điều khiển dùng lý thuyết công suất tức thời .........................25 Hình 1.12 Đồ thị hình thành các thành phần công suất tức thời ...................................26 Hình 1.13 Đồ thị bù thành phần trung bình q của công suất ảo ....................................26 Hình 1.14 Đồ thị công suất bù cho p ...........................................................................27 Hình 1.15 Đồ thị công suất sau khi lọc được hài bậc cao .............................................27 Hình 1.16 Đồ thị bù đạt PF=1 .......................................................................................27 Hình 1.17 Mô hình phi tuyến trong sơ đồ MBPC dùng mô hình nội tại và phản hồi để bổ chính yếu tốt nhiễu sai và sai số mô hình hóa ..........................................................29 Hình 1.18 Phương pháp tìm kiếm dạng cây dùng trong điều khiển dự báo ..................31 Hình 1.19 Thiết lập ứng dụng bộ điều khiển dự báo mờ dùng cấu trúc IMC ...............32 Hình 1.20 Sơ đồ khối của tính dòng tham chiếu kỹ thuật thích nghi ............................ 34 Hình 1.21 Bộ điều khiển thích nghi dựa trên khâu điều khiển PI. ................................ 35 Hình 1.22 Sơ đồ khối của hệ thống xử lý mờ ................................................................ 36 Hình 1.23 Sơ đồ khối của hệ thống xử lý mờ ................................................................ 36 Hình 1.24 Suy diễn mờ theo phương pháp MAX-MIN ................................................38 Hình 1.25 Giải mờ dùng phương pháp điểm trọng tâm ................................................39 Hình 1.26 Tập mờ loại 2 ................................................................................................ 39 Hình 1.27 Thành phần cơ bản và các thành phần hài bậc cao.......................................41 Hình 1.28 Tam giác công suất .......................................................................................43 Hình 2.1 Sơ đồ khối nguyên lý của mô hình mô phỏng ................................................49 Hình 2.2 Mô hình khối mô phỏng hệ thống lọc tích cực 3 pha .....................................50 Hình 2.3 Nguồn sine dạng vector biểu diễn trong hệ trục αβ: ......................................51 Hình 2.4 Mô hình toán tải R_L .....................................................................................52 Hình 2.5 Mô hình mô phỏng của tải ba pha R_L ..........................................................52 Hình 2.6 Mô hình tải không lý tưởng ............................................................................53 Hình 2.7 Mô hình tải R_L của pha a .............................................................................53 Hình 2.8 Dòng điện của khối tải không lý tưởng. .........................................................54 Hình 2.9 Mô hình mô phỏng khối bộ lọc tích cực.........................................................54 Hình 2.10 Mô phỏng khối điều khiển PI .......................................................................55 Hình 2.11 Khối tạo dòng tham chiếu id* , iq* ....................................................................55
ix Hình 2.12 Khối điều khiển dòng. ..................................................................................56 Hình 2.13 Chuyển đổi dạng vector sang dạng ba pha sine............................................57 Hình 2.14 Chuyển từ hệ trục (abc) sang hệ trục (αβ). ...................................................58 Hình 2.15 Mối quan hệ giữa khung tham chiếu tĩnh và khung tham chiếu quay. ........59 Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu ba pha nguồn áp ..............................................59 Hình 2.17 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu 3 pha ......................................................60 Hình 2.18 Các trạng thái đóng ngắt của bộ chuyển đổi ba pha. ....................................60 Hình 2.19 Sơ đồ các vector chuyển mạch trong hình lục giác ......................................62 Hình 2.20 Vị trí vector u7 , u0 trong mặt phẳng tọa độ αβ ..............................................62 Hình 2.21 Dạng đồ thị vector của công thức .................................................................63 Hình 2.22 Giản đồ trạng thái của nửa đầu chu kỳ lấy mẫu. ..........................................64 Hình 2.23 Giản đồ trạng thái của nửa sau chu kỳ lấy mẫu. ...........................................64 Hình 2.24 Điều khiển dòng lấy mẫu cho bộ VSI ba pha. ..............................................67 Hình 2.25 Nguyên lý mô phỏng khối điều khiển dòng lấy mẫu (SCC) ........................67 Hình 2.26 Các vector trạng thái trên hệ trục d-q. ..........................................................68 Hình 2.27 Khoảng biến thiên dòng điện trên trục d và trục q. ......................................68 Hình 2.28 Cách chọn vector đúng. ................................................................................68 Hình 2.29 Nguyên lý điều khiển dòng trực tiếp (DCC) để tạo sa, sb, và sc. ..................69 Hình 2.30 Dạng sóng nguồn ba pha chuyển đổi từ biểu diễn vector. ...........................70 Hình 2.31 Tín hiệu mô phỏng chế độ không tải và không có điện áp U dc* ....................71 Hình 2.32 Tín hiệu mô phỏng chế độ không tải α-β và d-q, không có áp U dc* . .............71 Hình 2.33 Dạng sóng các tín hiệu trường hợp có U dc* . ..................................................72 Hình 2.34 Dạng sóng các tín hiệu α-β và d-q trường hợp có U dc* . .................................72 Hình 2.35 Tín hiệu dòng điện pha a - điều chế SCC.....................................................74 Hình 2.36 Tín hiệu pha a - điều chế DCC. ....................................................................74 Hình 2.37 Điều chế SCC – Tín hiệu tải thuần trở. ........................................................75 Hình 2.38 Điều chế DCC – Tín hiệu tải thuần trở.........................................................75 Hình 2.39 Tín hiệu dòng điện pha a và pha c tải không đối xứng - điều chế SCC. ......76 Hình 2.40 Tín hiệu điện áp pha a và pha c tải không đối xứng - điều chế SCC. ..........76 Hình 2.41 Tín hiệu dòng điện pha a và pha c tải không đối xứng – điều chế DCC. ....77 Hình 2.42 Tín hiệu điện áp pha a và pha c tải không đối xứng – điều chế DCC. .........77 Hình 2.43 Hiệu quả điều chế trường hợp tải không đối xứng. ......................................78 Hình 2.44 Điều chế SCC – Tín hiệu tải phi tuyến. ........................................................78 Hình 2.45 Điều chế DCC – Tín hiệu tải phi tuyến. .......................................................79 Hình 2.46 Hiệu quả điều chế trường hợp tải phi tuyến. ................................................79 Hình 3.1 Mô hình APF ba pha điều khiển trượt ............................................................ 82 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý với giải thuật điều khiển trượt .............................................89 Hình 3.3 Đáp ứng động đối với tải phi tuyến của bộ điều khiển trượt ..........................91 Hình 3.4 THD của đáp ứng động đối với tải phi tuyến của bộ điều khiển trượt ...........91 Hình 3.5 THD của đáp ứng động đối với tải phi tuyến không cân bằng của bộ điều khiển trượt .....................................................................................................................92
x Hình 3.6 THD của đáp ứng động đối với tải phi tuyến không cân bằng của bộ điều khiển trượt .....................................................................................................................92 Hình 3.7 Vọt lố và thời gian xác lập của đáp ứng động đối với tải phi tuyến của bộ điều khiển trượt..............................................................................................................93 Hình 3.8 Vọt lố và thời gian xác lập của đáp ứng động đối với tải phi tuyến không cân bằng của bộ điều khiển trượt .........................................................................................93 Hình 3.9 So sánh độ méo hài trên cùng loại tải giữa PI và SM ....................................93 Hình 3.10 Lưu đồ giải thuật điều khiển/ tìm kiếm nhanh .............................................95 Hình 3.11 Mô hình điều khiển thích ứng ......................................................................96 Hình 3.12 Sơ đồ điều khiển dùng thuật toán PID..........................................................97 Hình 3.13 Sơ đồ điều khiển dùng thuật toán PID - mờ .................................................97 Hình 3.14 Tập mờ cho hai biến vào ET và DET ...........................................................98 Hình 3.15 Tập mờ cho biến Kp .....................................................................................99 Hình 3.16 Tập mờ cho biến KI ......................................................................................99 Hình 3.17 Tập mờ cho biến KD .....................................................................................99 Hình 3.18 Biểu diễn luật chỉnh định KP trong không gian ..........................................101 Hình 3.19 Tìm kiếm KP trong không gian ...................................................................101 Hình 3.20 Biểu diễn luật chỉnh định KD trong không gian .........................................101 Hình 3.21 Tìm kiếm KD trong không gian ..................................................................102 Hình 3.22 Biểu diễn luật chỉnh định KI trong không gian ..........................................102 Hình 3.23 Tìm kiếm KI trong không gian ...................................................................102 Hình 3.24 Bộ điều khiển Fuzzy PID sử dụng bảng tra cứu .........................................103 Hình 3.25 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển bằng Matlab và Simulink .........................105 Hình 3.26 Đáp ứng ngõ ra của các bộ điều khiển mờ PI .............................................105 Hình 3.27 Đáp ứng với ngõ vào sine ...........................................................................106 Hình 3.28 Sai số ngõ vào sóng sine .............................................................................106 Hình 3.29 Sai số với ngõ vào xung vuông ..................................................................106 Hình 3.30 Sai số ngõ vào sóng vuông .........................................................................107 Hình 3.31 Giải thuật tính dòng bù ...............................................................................108 Hình 3.32 Nguyên lý điều khiển điện áp tụ .................................................................109 Hình 3.33 Sơ đồ mô phỏng điều khiển áp tụ DC ........................................................110 Hình 3.34 Tín hiệu dòng điện [A] pha c và pha a, điện áp DC [V] tải không đối xứng - kỹ thuật điều khiển PI. .................................................................................................112 Hình 3.35 THD trường hợp điều khiển PI ...................................................................112 Hình 3.36 Tín hiệu dòng điện [A] pha c và pha a, điện áp DC [V] tải không đối xứng - kỹ thuật điều khiển Fuzzy-PI. ......................................................................................113 Hình 3.37 THD trường hợp điều khiển Fuzzy-PI........................................................113 Hình 3.38 So sánh điện áp DC trên tụ, trường hợp tải không đối xứng. .....................114 Hình 3.39 Dạng sóng Udc sử dụng khâu điều khiển PI ................................................114 Hình 3.40 Tín hiệu dòng điện pha a và điện áp tụ dc dùng khâu điều khiển PI. ........115 Hình 3.41 Dạng sóng Udc điều khiển Fuzzy-PI ...........................................................115 Hình 3.42 Dạng sóng Udc và pha a điều khiển Fuzzy-PI ...........................................116
xi Hình 3.43 So sánh độ hội tụ điện áp Udc gữa hai kỹ thuật điều khiển.........................116 Hình 3.44 Sơ đồ kết nối hệ thống lọc nguồn tích cực ba pha – tầng 1 ........................117 Hình 3.45 Sơ đồ kết nối hệ thống lọc nguồn tích cực ba pha – tầng 2 ........................117 Hình 3.46 Hệ thống lọc nguồn tích cực ba pha ...........................................................118 Hình 3.47 HMI điều khiển – hiển thị thông tin ...........................................................118 Hình 3.48 Biểu diễn điện áp tụ DC của bộ VSI theo dòng tải biến thiên giảm dần ....120 Hình 3.49 Biểu diễn điện áp tụ DC của bộ VSI dòng tải biến thiên tăng dần .............120 Hình 3.50 Điện áp tụ DC của bộ VSI theo dòng tải biến thiên ngẫu nhiên ................121 Hình 3.51 Biểu diễn điện áp tụ DC của bộ VSI theo điện áp tham chiếu giảm ..........121 Hình 3.52 Biểu diễn điện áp tụ DC của bộ VSI theo điện áp tham chiếu tăng ...........121 Hình 3.53 Pha của dòng điện (ia) và điện áp (van) .......................................................123 Hình 3.54 Dạng tín hiệu điện áp trên tụ điện liên kết Cdc ...........................................123 Hình 3.55 Méo hài dòng điện pha a trên lưới điện hệ thống.......................................124 Hình 3.56 Giải thuật điều khiển APF nâng cao chất lượng điện hệ thống ..................124 Hình 3.57 Lưu đồ giải thuật xử lý chất lượng hệ thống điện dùng thuật toán APF ....125 Hình 3.58 Pha của dòng điện và điện áp khi áp dụng giải thuật điều khiển APF .......126 Hình 3.59 Chỉ số méo hài của dòng điện pha a (ia) và điện áp pha a (van) .................126 Hình 3.60 Cải tiến đáp ứng điện áp tụ liên kết Cdc: đáp ứng Vdc phẳng hơn. ............127 Với giải thuật điều khiển được đề xuất, điện áp DC đầu ra Vdc ổn định hơn so với hệ thống điều khiển truyền thống ở Hình 3.61 và gần như không có gợn sóng như được thể hiện trong Hình 3.61 ở biên độ 400 [V] của Điện áp tụ Vdc..................................127 Hình 3.62 Cải tiến đáp ứng điện áp tụ liên kết Cdc: giảm đáng kể dợn sóng điện áp..127 Hình 3.63 Pha của dòng điện (ia) và điện áp khi áp (van) ............................................129 Hình 3.64 Đáp ứng điện áp tụ điện liên kết Cdc1 và Cdc2 .............................................129 Hình 3.65 Dạng sóng dòng điện tải ba pha .................................................................130 Hình 4.1 Cấu hình của hệ thống lọc tích cực kết nối lưới ba pha. ..............................132 Hình 4.2 Sơ đồ Pha trong chế độ điều khiển dòng. .....................................................132 Hình 4.3 Sơ đồ khối của vòng điều khiển nối lưới của APF .......................................133 Hình 4.4 Kết quả mô phỏng cho quá trình truyền từ lưới nối sang chế độ không nối lưới: chuyển chế độ hoạt động của APF......................................................................136 Hình 4.5 Kết quả mô phỏng cho việc chuyển giao từ nối lưới với chế độ không nối lưới: hoạt động PLL.....................................................................................................136 Hình 4.6 Kết quả mô phỏng quá trình chuyển từ chế độ không nối lưới đến chế độ nối lưới với thuật toán được đề xuất: hoạt động chuyển chế độ của bộ APF. ...................137 Hình 4.7 Kết quả mô phỏng cho quá trình chuyển từ chế độ không nối lưới đến chế độ nối lưới với thuật toán được đề xuất: hoạt động của PLL ...........................................138 Hình 4.8 Kết quả mô phỏng cho quá trình chuyển từ chế độ không nối lưới đến chế độ nối lưới với thuật toán được đề xuất. ...........................................................................138 Hình 4.9 Kết quả mô phỏng cho quá trình đóng cắt nối lưới APF với thuật toán được đề xuất..........................................................................................................................139 Hình 4.10 Biểu diễn điện áp ngõ ra của bộ VSI và điện áp lưới .................................140 Hình 4.11 Biểu diễn điện áp ngõ ra của bộ VSI và điện áp lưới: đồng pha ................140
xii Hình 4.12 Mô hình phân tích tín hiệu áp dụng giải thuật bù dòng điện dự đoán ........141 Hình 4.13 Cấu trúc rời rạc của mô hình điều khiển bù dòng điện dự đoán ................142 Hình 4.14 Nguyên tắc suy diễn của bộ điều khiển dù dòng điện dự đoán ..................143 Hình 4.15 Cấu trúc rời rạc của bộ điều khiển dù dòng điện dự đoán ..........................143 Hình 4.16 Diễn giải cấu trúc rời rạc của giải thuật điều khiển bù dòng điện dự đoán 146 Hình 4.17 Tìm điểm Mi cực tiểu ..................................................................................148 Hình 4.18 Cấu trúc điều khiển dòng với bộ điều khiển bù dòng dự đoán...................150 Hình 4.19 Kết quả mô phỏng chưa sử dụng giải pháp bù dòng điện dự đoán ............151 Hình 4.20 Phân tích phổ chưa sử dụng giải thuật bù dòng điện dự đoán ....................151 Hình 4.21 Kết quả mô phỏng sử dụng giải pháp bù dòng điện dự đoán .....................152 Hình 4.22 Phân tích phổ sử dụng giải thuật bù dòng điện dự đoán ............................152 Hình 4.23 Dòng điện lọc (iFa) và dòng điện tải (iLa) của pha a. ..................................153 Hình 4.24 Dòng điện lọc (2-iFa) và dòng nguồn nguồn (1-iga) ở trạng thái ổn định ...153 Hình 4.25 Đáp ứng dòng điện khi ngắt kết nối bộ lọc khỏi lưới: iFa và iga .................154 Hình 4.26 Đáp ứng dòng điện khi không có tác động của bộ lọc tích cực .................154 Hình 4.27 Đáp ứng dòng điện khi có tác động của bộ lọc tích cực ............................154 Hình 4.28 Điện áp tụ trong quá trình hệ thống hoạt động ...........................................155 Hình 4.29 Dòng điện và điện áp khi tải thay đổi tải trong khoảng [3kW, 4,5kW] .....155
xiii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thống kê cấu trúc bộ lọc và chức năng ứng dụng ...........................................8 Bảng 1.2 Quan hệ dòng điện trên hệ thống ...................................................................12 Bảng 1.3 Quan hệ phi tuyến giữa y và x .......................................................................38 Bảng 1.4 Ảnh hưởng của điện áp ba pha không cân bằng lên động cơ chạy ở tải định mức. ............................................................................................................................... 45 Bảng 1.5 Hướng dẫn về độ méo dạng sóng hài cho hệ thống điện ............................... 46 Bảng 1.6 Giới hạn hài dòng điện cho các hệ thống phân phối (120V-69kV) ...............46 Bảng 1.7 Các đặc tính kĩ thuật về điện áp ngõ ra của bộ UPS ......................................46 Bảng 1.8 Các giới hạn độ méo dạng hài điện áp ...........................................................47 Bảng 2.1. Mô tả tín hiệu ................................................................................................ 50 Bảng 2.2. Phương pháp điều khiển dòng.......................................................................56 Bảng 2.3. Bảng xác định quỹ đạo của vector không gian .............................................65 Bảng 2.4. Các trường hợp điều khiển dòng lấy mẫu. ....................................................66 Bảng 2.5. Thông số mô phỏng.......................................................................................70 Bảng 2.6. Các trường hợp của tải R_L. .........................................................................73 Bảng 2.7. Cài đặt thông số tải đối xứng R_L. ............................................................... 73 Bảng 2.8. Cài đặt thông số tải đối xứng thuần trở. ........................................................75 Bảng 2.9. Cài đặt thông số tải R_L không đối xứng. ....................................................76 Bảng 2.10. Thiết đặt tải phi tuyến. ................................................................................78 Bảng 3.1 Thông số mô phỏng của bộ VSI và LCL .......................................................90 Bảng 3.2 Thông số điều khiển .......................................................................................90 Bảng 3.3 Chỉ số THD ứng với loại tải và bộ điều khiển ...............................................91 Bảng 3.4 Giới hạn điện áp tham chiếu điều khiển ........................................................96 Bảng 3.5 Luật chỉnh định KP .......................................................................................100 Bảng 3.6 Luật chỉnh định Kd .......................................................................................100 Bảng 3.7 Luật chỉnh định KI........................................................................................100 Bảng 3.8 Các chỉ tiêu chất lượng của PID cổ điển, Fuzzy-PID và Fuzzy – PID Lookup Table ............................................................................................................................105 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của việc tăng các thông số độ lợi của bộ diều khiển PI ............109 Bảng 3.10 Thông số mô phỏng....................................................................................110 Bảng 3.11 Luật chỉnh định KP .....................................................................................111 Bảng 3.12 Luật chỉnh định KI......................................................................................111 Bảng 3.13. Cài đặt thông số tải R_L không đối xứng. ................................................112 Bảng 3.14 Thiết đặt tải phi tuyến ................................................................................114 Bảng 3.15 Bảng thông số linh kiện, phụ kiện phần cứng ............................................118 Bảng 3.16 So sánh kết quả ..........................................................................................128 Bảng 3.17 Thông số mô hình thực nghiệm .................................................................128
xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh AANN Adaptive Artificial Neural Network ANN Artificial Neural Network ANSI American National Standard Institute APF Active Power Filter B&B Branch-and-Bound CSI Current Source Inverter DCC Direct Current Control DP Dynamic Programming DPWM Discontinuous Pulse Width Modulation FFT Fast Fourier transform GAs Genetic Algorithms IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IMC Internal Model Control LPF Low-pass filter MBPC Model Based Predictive Control NMPC Nonlinear Model Predictive Control NPC Neutral Point Clamped PCC Point of Common Coupling PF Power Factor PFC Power Factor Correction PLD Programable Logic Devices PWM Pulse Width Modulation RDFT Recursive discrete Fourier transform RL Reinforcement Learning RLSA Recursive Least-Squares Algorithms SAPF Shunt Active Power Filter SCC Sample Current Control SFR Synchronous Reference Frame Theory SHE PWM The Selective Harmonic Eliminated PWM SM Sliding Mode SPWM Space Vector Pulse Width Modulation
xv SQP Sequential Quadratic Programming SRFT Synchronous Rotating Reference Frame Transformation SRT Stationary Reference Frame Transformation STFT short-time Fourier transform SVM Space Vector Modulation TDD Total Distortion Demand THD Total Harmonic Distortion TI Texas Instrument UPQC Unified Power Quality Condition VSC Voltage Source Converter VSI Voltage Source Inverter Viết tắt Tiếng Việt CSPK Công Suất Phản Kháng LCL Mạch lọc thụ động cấu trúc Cuộn cảm – Tụ điện – Cuộn cảm THDi Tổng méo hài dòng điện THDv Tổng méo hài điện áp THDi_SCC Tổng méo hài dòng điện lấy theo mẫu phương pháp điều khiển dòng lấy mẫu THDi_DCC Tổng méo hài dòng điện lấy theo mẫu phương pháp điều khiển dòng trực tiếp
xvi DANH MỤC NHỮNG KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Mô tả ig Dòng điện lưới γ Chỉ số pha của lưới điện 3 pha γ = a, b, c igγ Dòng điện lưới thứ γ, γ = a, b, c iF Dòng điện bù từ APF iFγ Dòng điện bù từ APF thứ γ, γ = a, b, c iL Dòng điện tải iLj Dòng điện tải thứ γ, γ = a, b, c Udc Điện áp tụ liên kết Udc* Điện áp tham chiếu của tụ liên kết θ Góc ngõ ra của bộ PLL θg Góc điện áp lưới ζ Hệ số dò sụt điện áp nguồn điện lưới ς Độ mất cân bằng điện áp ω Tần số góc cơ bản p Công suất tác dụng p Công suất tác dụng xoay chiều pL Công suất tác dụng tải yêu cầu qL Công suất phản kháng tải yêu cầu pL Công suất tác dụng một chiều của tải qL Công suất phản kháng một chiều của tải pAF Công suất tác dụng được cung cấp bởi APF qAF Công suất phản kháng được cung cấp bởi APF p Thành phần công suất tác dụng DC mà APF lấy từ nguồn α Trục α hệ tọa độ α-β β Trục β hệ tọa độ α-β φ Pha ban đầu φu Pha ban đầu của điện áp φi Pha ban đầu của dòng điện ΔIgd Biến động của dòng điện lưới trên trục d ΔIgq Biến động của dòng điện lưới trên trục q ΔVgd Biến động của điện áp lưới trên trục d ΔVgq Biến động của điện áp lưới trên trục q Vdmv Ngõ ra của bộ điều khiển điện áp trên trục d Vqmv Điện áp ngõ ra của bộ điều khiển điện áp trên trục q Vqmc Điện áp ngõ ra của bộ điều khiển dòng điện trên trục q Vdmc Điện áp ngõ ra của bộ điều khiển dòng điện trên trục d Vdm Vdmv + Vdmc tổng điện áp trục d Vqm Vqmv + Vqmc tổng điện áp trục q Vgd Điện áp lưới quy đổi trên trục d
xvii Vgq Điện áp lưới quy đổi trên trục q Vgd* Điện áp lưới tham chiếu trên trục d Vgq* Điện áp lưới tham chiếu trên trục q igq Dòng điện lưới quy đổi trên trục q igq* Dòng điện lưới tham chiếu trên trục q igd Dòng điện lưới quy đổi trên trục d igd* Dòng điện lưới tham chiếu trên trục d Evd Vgd* - Vgd, biến động điện áp lưới trên trục d Evq Vgq* - Vgq, biến động điện áp lưới trên trục q Eid igd* - igd, biến động điện áp lưới trên trục d Eiq igq* - igq, biến động điện áp lưới trên trục q
1 MỞ ĐẦU Định hướng nghiên cứu là một việc làm đòi hỏi xem xét nhiều khía cạnh, không chỉ mang tính thời sự mà còn là căn cứ trên hướng nghiên cứu của Thầy hướng dẫn và năng lực của nghiên cứu sinh. Định hướng nghiên cứu về điều khiển chất lượng điện năng là của cả nghiên cứu sinh và Thầy hướng dẫn. Thời gian đã qua bao gồm nhiều lần những cột mốc đáng nhớ và những kết quả mà tập thể hướng dẫn, các đồng nghiệp và tác giả đã nỗ lực vượt qua, dù còn nợ lại đó sự hoàn hảo. 1. Lý do chọn đề tài Điều khiển thích nghi là phương pháp điều khiển được sử dụng bởi một bộ điều khiển phải thích ứng với một hệ thống điều khiển với các thông số thay đổi, hoặc có điều kiện đầu không chắc chắn. Điều khiển thích nghi khác với điều khiển khác ở chỗ nó không cần một thông tin tiên nghiệm về các giới hạn trên các thông số không chắc chắn hoặc thời gian biến đổi; những kỹ thuật điều khiển thường phải bảo đảm rằng nếu những thay đổi thì những thay đổi này phải nằm trong giới hạn cho trước, sẽ không cần phải thay đổi luật điều khiển, trong khi điều khiển thích nghi lại liên quan tới việc thay đổi luật điều khiển của chính nó. Điều khiển bộ lọc tích cực để phát huy tối đa chức năng của nó đã được Akagi phát minh vào năm 1983 và phát triển liên tục đến nay. Đặc điểm của việc lọc sóng hài trên lưới điện là điều khiển bộ lọc tích cực dưới các tác dụng của tải phi tuyến và hoặc nguồn điện ba pha không cân bằng, các đặc điểm của tải phi tuyến và nguồn không cân bằng trong hệ thống năng lượng điện thường phát sinh không có quy luật nên đòi hỏi quá trình điều khiển phải mang tính thích ứng cao. Các phát sinh không mong muốn do tải phi tuyến gây ra ngày càng nhiều, làm giảm chất lượng điện theo tiêu chuẩn IEC (International Electrotechnical Commission), làm giảm các chỉ số chất lượng của hệ thống điện, sự biến đổi liên tục của các tải không lý tưởng ảnh hưởng xấu đến hiệu quả sử dụng thiết bị điện và giảm hiệu quả cung cấp năng lượng điện. Một trong các phương án hiệu quả để xử lý vấn đề này là sử dụng bộ lọc tích cực (Active Power Filter – APF) cho hệ thống điện 3 pha. Lọc sóng hài trên lưới điện ba pha sử dụng bộ lọc nguồn tích cực (APF) đã là một giải pháp ưu tiên hiện nay được thay thế cho các bộ lọc thụ động cũ. Các phương pháp điều khiển APF cũng đã được phát triển qua nhiều giai đoạn, trong thời kỳ này, với sự