Xây dựng giải pháp điều khiển thích nghi hội tụ nhanh để thiết kế bộ lọc tích cực 3 pha

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 7 (32) - Thaùng 9/2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Xây dựng giải pháp điều khiển thích nghi hội tụ nhanh<br /> để thiết kế bộ lọc tích cực 3 pha<br /> <br /> Solution to creating filter to control fast stability of electric power system<br /> <br /> ThS. Huỳnh Lê Minh Thiện,<br /> Trường Đại học Sài Gòn<br /> TS. Hồ Văn Cừu,<br /> Trường Đại học Sài Gòn<br /> TS. Trần Thanh Vũ,<br /> Trường Đại học Giao thông vận tải TP.HCM<br /> <br /> M.Sc. Huynh Le Minh Thien,<br /> Sai Gon University<br /> Ph.D. Ho Van Cuu,<br /> Sai Gon University<br /> Ph.D. Tran Thanh Vu,<br /> The University of Transport of Ho Chi Minh City<br /> <br /> <br /> Tóm tắt<br /> Điều khiển bộ lọc tích cực nhằm đảm bảo ổn định nguồn năng lượng điện được sử dụng trong công<br /> nghiệp, trong các khu dân cư và đặc biệt là trong các sân bay dân dụng cũng như quân sự, là một trong<br /> những vấn đề cấp thiết của ngành công nghiệp sản xuất năng lượng điện. Mục đích chính của việc điều<br /> khiển bộ lọc là tạo ra sự ổn định nhanh cho hệ thống năng lượng điện trong trường hợp tải đột ngột tăng<br /> hoặc giảm cần phải có sự hộ trợ của bộ nguồn dự phòng, bài viết chủ yếu phân tích các giải pháp điều<br /> khiển bộ lọc để có thể đáp ứng nhanh nhất sự ổn định nguồn điện nhằm tránh các sự cố gây ra do tác<br /> động của hệ thống điện năng.<br /> Từ khóa: FFT, RDFT, APF, bộ lọc nguồn tích cực, ANN, nghịch lưu đa bậc, sóng hài, PWM, hội tụ<br /> nhanh, chất lượng nguồn điện dự phòng...<br /> Abstract<br /> Active filter control is used to ensure stable sources of electrical energy in industry, in the residential<br /> area and especially in the civil airports, is one of the urgent problem in producing electrical energy. The<br /> main purpose of the APF’s controls is to create filters for fast stability of electric power system in case<br /> of a sudden load increase or decrease needs for redundant power supplies supporting, the article mainly<br /> analyzes filter control solution that can meet rapidly power stabilization to avoid the trouble caused by<br /> the impact of the power system.<br /> Keywords: FFT, RDFT, APF, active power filter, ANN, multi-level inverter, harmonics, PWM, fast<br /> convergence, the quality of power backup system…<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 11<br />  1. Giới thiệu<br /> ăm , Akagi phát triển l thuyết<br /> toán về công suất tức thời, đ m ra cuộc<br /> cách mạng trong nghiên cứu và phát triển<br /> l nh vực điều khiển nguồn điện trên toàn<br /> thế gi i, trong đó việc điều khiển mạch lọc<br /> tích cực để tối ưu hệ thống nguồn điện là<br /> một trong những hư ng nghiên cứu m i<br /> nhằm tối ưu việc sử dụng năng lượng điện,<br /> tuy nhiên, trong thực tế nguồn năng lượng<br /> điện cung cấp từ mạng lư i điện luôn bị<br /> mất ổn định, mất cân bằng pha, m o hài, để<br /> thiết kế tối ưu các bộ nguồn th việc ứng<br /> dụng l thuyết công suất tức thời để nghiên<br /> cứu xây dựng giải thuật hội tụ nhanh cho<br /> các bộ lọc tích cực dựa trên nền các bộ<br /> nghịch lưu đa bậc pha là vấn đề trọng nh . S đồ nguyên l của bộ điều khiển<br /> tâm cấp thiết và khả thi. mạch lọc tích cực m c shunt<br /> V vậy, trong bài báo này, chúng tôi<br /> tr nh bày một hư ng nghiên cứu và xây Các k thuật tạo tham chiếu truyền<br /> dựng giải pháp điều khiển thích nghi hội tụ thống có thể được phân loại gồm phư ng<br /> nhanh để điều khiển tối ưu bộ lọc tích cực pháp tiếp cận trong miền thời gian, phư ng<br /> 3 pha, nhằm đáp ứng yêu cầu đa dạng của pháp miền tần số và gần đây là phư ng<br /> người sử dụng năng lượng điện và của thị pháp d ng bộ lọc thích nghi và tính toán<br /> trường công nghiệp. mềm. H nh mô tả phân loại chung của<br /> 2. Bộ nguồn tích cực APF những k thuật quan trọng có trong hệ<br /> Vấn đề tải không cân bằng, tải khản tham chiếu.<br /> kháng làm cho nguồn điện đối mặt v i<br /> nguy c sóng hài lan truyền trên hệ thống.<br /> Sóng hài làm tăng tổn hao trong hệ thống,<br /> làm xáo trộn và gây bất ổn định trong<br /> mạng truyền thông, điện áp, dòng điện nên<br /> cần thiết phải nghiên cứu và phát triển bộ<br /> lọc nguồn tích cực APF Active Po er<br /> Filter để cải thiện chất lượng điện năng.<br /> APF m c shunt được sử dụng để loại b<br /> sóng hài bằng cách b sóng hài điện áp<br /> dòng điện.<br /> Có vấn đề cần được xem x t đối v i<br /> mạch lọc tích cực m c shunt Shunt Active<br /> Po er Filter – SAPF . Tính dòng b .<br /> Lựa chọn cấu tr c bộ chuyển đổi nguồn<br /> ph hợp v i nhu cầu sử dụng . Điều chế<br /> xung. S đồ nguyên l của bộ điều khiển nh 2. Phân loại k thuật hệ tham chiếu<br /> sử dụng bộ điều chế xung nghịch lưu áp<br /> như h nh.<br /> <br /> 12<br />  Bài viết này tr nh bày bộ lọc ứng dụng chiếu là ph hợp v i b sóng hài trong điều<br /> k thuật tạo tham chiếu theo phư ng pháp kiện nguồn sine nhưng nhược điểm là yêu<br /> miền thời gian. cầu nhiều bộ chuyển đổi dòng áp cũng như<br /> tr b .<br />  thu t t th chi u th h ng<br /> h i n th i gi n<br /> - thu t -q: Cho t i nay, hầu hết<br /> các bộ APF được thiết kế dựa vào công<br /> suất phản kháng để tính dòng b sóng hài<br /> tham chiếu, mô tả như h nh , ưu thế của<br /> phư ng pháp này là ổn định trạng thái và<br /> d thiết kế nhưng nhược điểm là cần có<br /> nhiều bộ chuyển đổi và không hiệu quả cao<br /> trong việc b sóng hài, b âm và dòng thứ<br /> tự , nhược điểm này đ được kh c phục<br /> một phần bằng phư ng pháp công suất<br /> phản kháng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H nh . S đồ khối k thuật hệ tham chiếu<br /> d-q<br /> <br /> Tóm tắt: Phư ng pháp miền thời gian<br /> có các ưu điểm là ch c ch n và d thực<br /> hiện, không bị ảnh hư ng b i nhi u băng<br /> rộng và m o truyền d n nhưng có nhược<br /> điểm về tr b , cần nhiều bộ chuyển đổi<br /> dòng áp và khó thực hiện b trong trường<br /> hợp áp nguồn bị m o dạng.<br />  hi t ộ i u hi n thích nghi ch<br /> nh . S đồ khối k thuật hệ tham chiếu ự t n thu t -q:<br /> p-q tức thời L thuyết p-q gồm ph p biến đổi đại<br /> số từ điện áp dòng điện hệ trục a-b-c<br /> - thu t hung th chi u ồng sang hệ trục - -0:<br /> ộ Đây là hệ quy chiếu t nh, được xác<br /> định b i góc v i trục - , tất cả các  1 1 1 <br /> thành phần c bản được thể hiện như thành  2 2 2  v<br />  v0    a<br /> phần một chiều trên hệ d-q và những sóng   2 1 1   (1a)<br /> hài khác s xuất hiện như dợn sóng. Sử  v   3  1 <br /> 2<br />    vb <br /> 2<br /> dụng bộ lọc thông thấp LPF để tách thành v     vc <br />    3 3<br /> phần c bản iQ , h nh là mạch nguyên l ,  0 <br /> 2 2 <br /> thành phần này d ng để tính toán dòng b<br /> nếu được yêu cầu. u điểm của hệ tham<br /> <br /> 13<br />   1 1 1   1 <br />  2 2 2  i  1 0 <br />  i0    a  2   ic*0 <br />   2 1 1   ica <br /> *<br /> <br /> i   3  1    ib  (1b) * 2 1 1 3  * <br /> i<br />       ic (8)<br /> 2  * <br /> 2 2<br /> i     ic  cb<br /> 3<br />    3 3 icc <br /> * 2 2 ic <br />      <br />  0<br /> 2 2  1 1 3<br />    <br />  2 2 2 <br /> Công suất thứ tự tức thời<br /> p0 = v0.i0 (2) *<br /> icn  (ica<br /> *<br />  icb<br /> *<br />  icc* ) (9)<br /> Công suất thực tức thời<br /> p = v .i + v .i (3) H nh mô tả s đồ nguyên l điều<br /> khiển bộ SAPF<br /> Công suất ảo tức thời<br /> hững tính toán này được áp dụng vào<br /> q = v .i - v .i (4) các trường hợp điều khiển bộ lọc tích cực<br /> Thành phần công suất p và q quan hệ m c shunt đối v i nguồn cấp tức thời liên<br /> giống như dòng và áp trên hệ - , và có thể tục, làm cho dòng pha tr nên sine h n,<br /> viết chung v i nhau cân bằng và đồng pha v i điện áp, tư ng<br /> đư ng tải thuần tr . òng trung tính bằng<br />  p   v v  i  ero ngay cả hài bậc cũng được b<br />  q    v v   i  (5) Tổng công suất tức thời cung cấp<br />       p3s (t) = Va . isa + Vb . isb + Vc . isc (10)<br /> Trong trường hợp nguồn không sine,<br /> Và do đó, ch ng ta d dàng có<br /> p0 giá trị công suất thứ tự tức thời không cân bằng, th điểm khác biệt là dòng<br /> cung cấp s bao gồm sóng hài, nhưng trong<br /> p0 giá trị nghịch đảo của p0<br /> thực tế sự m o dạng này không đáng kể.<br /> p giá trị công suất tức thời Cách điều khiển nguồn dòng sine phải được<br /> p giá trị nghịch đảo của p sử dụng khi áp bị m o dạng hoặc không cân<br /> q công suất ảo tức thời bằng và mong muốn dòng được sine.<br /> q = 3*V*I1 *sinφ1<br /> Để tính dòng b tham chiếu điều khiển<br /> b trên hệ - , ta biến đổi công thức và<br /> công suất cần b p - p và q thu được<br /> <br /> ic*  1 v v   p  p0 <br /> *  2 2 v v    (6)<br /> ic  v  v     q <br /> hi dòng thứ tự phải được b , dòng<br /> b tham chiếu trục cũng chính là i0:<br /> ic*0  i0* (7)<br /> Để có được dòng b tham chiếu trên<br /> hệ a-b-c, ta áp dụng công thức , sau khi nh . guyên l điều khiển mạch lọc<br /> biến đổi ta được<br /> <br /> 14<br />  Ngu n ộ ngh ch u c: cách, ví dụ sử dụng s đồ chuyển đổi pha.<br /> H nh 7 và h nh là mạch nguyên l và<br /> mạch kích của bộ lọc tích cực pha bậc<br /> cấu h nh diode kẹp, có tải RLC giả định.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Mạch kích của bộ lọc tíc cực<br /> nh 6. S đồ nguyên l nghịch lưu<br /> 3 pha bậc cấu h nh diode kẹp h nh<br /> pha bậc diode kẹp.<br /> ết quả phân tích nhánh của s<br /> Thiết bị nghịch lưu đa bậc là một thiết<br /> đồ nguyên l nghịch lưu pha bậc diode<br /> bị điện tử công suất tạo ra điện áp AC từ<br /> kẹp, như h nh 9.<br /> nhiều bậc điện áp C. ghịch lưu đa bậc<br /> được sử dụng các thiết bị công suất cao<br /> b i nó có thể tạo ra điện áp cao và công<br /> suất ng ra cao bằng cách sử dụng các<br /> đóng ng t bán d n mà không sử dụng biến<br /> áp và mạch cân bằng điện áp t nh. hi số<br /> bậc ng ra tăng, th hài của điện áp và dòng<br /> điện ng ra cũng như nhi u điện tử giảm.<br /> guyên l của nghịch lưu đa bậc là sử<br /> dụng nhiều đóng ng t bán d n công suất<br /> v i điện áp nguồn C thấp h n để thực<br /> hiện chuyển đổi công suất bằng cách tổng<br /> hợp một dạng sóng điện áp bậc thang, để<br /> có được một dạng sóng ng ra ít m o dạng,<br /> gần như sine, tín hiệu kích phải được tạo ra<br /> để điều khiển tần số đóng ng c của các van<br /> bán d n công suất. Tín hiệu kích của bộ nh . Một nhánh nghịch lưu áp<br /> nhịch lưu đa bậc được tạo ra theo nhiều pha bậc<br /> <br /> <br /> 15<br />  uy t c đối nghịch<br /> S +S ’= S +S ’= .<br /> Ba trạng thái áp nghịch lưu pha<br /> <br />  Vd ; S11  S 21  1<br /> V<br /> <br /> u10   d ; S 21  0, S11  1<br /> 2<br />  0; S11  S 21  0<br /> <br /> Do u10 có thể đạt được giá trị là ,<br /> Vd<br /> và Vd nên gọi là nghịch lưu bậc.<br /> 2<br /> Giản đồ k thuật CP M nghịch lưu nh 9. ích các van đóng ng t một nhánh<br /> bậc, h nh trong nhánh s đồ CP M bậc<br /> <br /> Ch để kích S ,S ’ ta so sánh 3. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển APF<br /> <br /> 1; udk1  c1<br /> C1 v i uđk ; S11  <br /> 0; udk1  c1<br /> <br /> Tư ng tự, để kích S ,S ’ ta so sánh<br /> <br /> 1; udk1  c 2<br /> C v i uđk ; S 21  <br /> 0; udk1  c2<br /> <br /> Điều khiển tuyến tính<br /> <br /> Vd<br /> Ta có uđk < 1 => u10  udk1 nh . ạng sóng nghịch lưu tại tải sau<br /> 2<br /> điều khiển của bộ CP M pha bậc<br /> <br /> Vd Trong h nh , c và c được gọi là<br /> và uđk 2 => u10  udk1 sóng mang tam giác, tần số d ng trong mô<br /> 2<br /> ph ng này là kH VcarrA, VcarrB và<br /> p nghịch lưu trung b nh thay đổi t lệ VcarrC được gọi là sóng sine tham chiếu<br /> thuận v i áp điều khiển. M rộng cho bộ h hoặc h Vab là dạng sóng bậc<br /> nghịch lưu áp n bậc PC, n . Ta có áp trên tải RLC giữa pha A và pha B<br /> nghịch lưu trung b nh trên một nhánh pha I(RLC_Loada), I(RLC_Loadb) và<br /> I RLC_Loadc là dòng điện qua tải trên các<br /> Vd pha A, B và C. T số điều chế trong trường<br /> u10  udk1 hợp này là m= . .<br /> n 1 H nh là cấu tr c của hệ thống d ng<br /> bộ lọc APF pha bậc m c song song để<br /> <br /> 16<br /> cải thiện chất lượng điện cho nguồn sine 3 nguồn điện dựa theo ng buộc về tham số<br /> pha 50hz công suất 6.6kV với tải điều chất lượng c a bộ nguồn đ y l b i to n s<br /> khiển tốc độ động cơ với bộ điều khiển tốc d ng hiệu quả t i nguyên n ng lượng điện<br /> độ dùng bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc. t ong môi t ư ng nguồn điện c tải bi n<br /> động ph c tạp tuy nhiên c n ti p t c<br /> nghiên c u ph n mềm M Matlab v<br /> ng d ng ca d M 3 0 335 để mô<br /> phỏng nh ng mạch điện t sông suất để<br /> t m a k t quả mới v ho n thiện thực<br /> nghiệm v đ nh gi k t quả nghiên c u.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> A. Tài liệu tham khảo tiếng Việt<br /> 1. guy n V n h 00 ,<br /> xb ĐHQG.<br /> 2. guy n V n h Đới V n Môn n Quốc<br /> Ho n Qu ch hanh Hải 0<br /> <br /> ,<br /> Trư ng ĐH ch hoa .H M.<br /> 3. V u n am (2012),<br /> -<br /> ư ng ĐH .HCM.<br /> Hình 11. Mạch nguyên lý mô phỏng bộ lọc B. Tài liệu tham khảo tiếng Anh<br /> tích cực 3 pha điều khiển bằng<br /> DSP F283335 4. Park Ki Won, R&D Center, POSCON, (2001),<br /> A review of Active Power Filter.<br /> 4. Tổng kết và bàn luận 5. IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices<br /> thuật điều khiển dùng bộ lọc thích and Requirements for Harmonic Control in<br /> nghi để điều khiển bộ m c shunt Electical Power Systems, IEEE Industry<br /> l m sine h a d ng tải hội t Applications Society / Power Engineering<br /> Society.<br /> nhanh v g n như không tạo s ng h i điện<br /> p nhưng ất nhạy cảm với sự thay đ i t n 6. Oleg Vodyakho, and Chris C. Mi, (2009),<br /> số nguồn. hi t bị nghịch lưu đa bậc được Three-Level Inverter-Based Shunt Active<br /> Power Filter in Three-Phase Three-Wire and<br /> s d ng c c thi t bị công suất cao b i n<br /> Four-Wire Systems.<br /> c thể tạo a điện p cao v công suất ng<br /> a cao bằng c ch s d ng c c đ ng ng t 7. Huibin Zhang, Stephen Jon Finney, Ahmed<br /> b n d n m không s d ng bi n p v Massoud and Barry Wayne Williams, (2008),<br /> An SVM Algorithm to Balance the Capacitor<br /> mạch c n bằng điện p t nh. hi số bậc Voltages of the Three-Level NPC Active<br /> ng a t ng th h i c a điện p v d ng Power Filter.<br /> điện ng a c ng như nhi u điện t giảm.<br /> 8. Hirofumi Akagi, Fellow, IEEE and Takaaki<br /> t quả nghiên c u k thuật điều<br /> Hatada, (2009), Voltage Balancing Control<br /> khiển thích nghi hội t nhanh để thi t k bộ for a Three-Level Diode-Clamped Converter<br /> lọc tích cực 3 pha dựa t ên nguyên lý in a Medium-Voltage Transformerless Hybrid<br /> nghịch lưu 3 bậc p d ng v o hệ thống Active Filter.<br /> <br /> 17<br /> 9. O. Vodyakho, T. Kim, (2008) Shunt active current controller for selective harmonic<br /> filter based on three-level inverter for three- compensation in active po er filters”, IEEE<br /> phase four-wire systems. Trans. Power Electron., vol. 22, no. 5, pp.<br /> 1826–1835.<br /> 10. C. Lascu, L. Asiminoaei, I. Boldea, and F.<br /> Blaabjerg, Sep. 7 , “High performance<br /> <br /> <br /> Ngày nhận bài: 18/5/2015 Biên tập xong: 15/9/2015 Duyệt đăng /2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 18<br />