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

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