Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha dưới tác động của tải phi tuyến

Trong bài báo này, một mô hình đơn giản về Bộ lọc tích cực trong hệ thống có tải phi tuyến ba pha

được đề xuất. Sơ đồ điều khiển bộ lọc là điện áp đầu ra bộ nghịch lưu làm việc như là nguồn cung cấp

điện AC. Mô hình phi tuyến của hệ thống bao gồm bộ lọc LC trong khung tham chiếu đồng bộ d-q-0.

Sau đó, các dòng phản hồi đầu vào-đầu ra được điều khiển bỡi khối điều khiển PI để tránh những tính

toán phức tạp và đơn giản hóa thêm cấu trúc bộ điều khiển. Ngoài ra, một bộ lọc thấp qua và một bộ lọc

cao qua được sử dụng để loại bỏ sóng hài gây ra bởi tải phi tuyến để nâng cao chất lượng nguồn. Hiệu

quả của phương pháp điều khiển đã được chứng minh bằng các kết quả mô phỏng

pdf 7 trang dienloan 19380
Bạn đang xem tài liệu "Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha dưới tác động của tải phi tuyến", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha dưới tác động của tải phi tuyến

Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha dưới tác động của tải phi tuyến
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 30 (55) - Thaùng 7/2017 
10 
Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha 
dưới tác động của tải phi tuyến 
Simulation model of three-phase active filter under the impact of nonlinear loads 
ThS. Huỳnh Lê Minh Thiện, Trường Đại học Sài Gòn 
Huynh Le Minh Thien, M.Sc., Saigon University 
TS. Hồ Văn Cừu, Trường Đại học Sài Gòn 
Ho Van Cuu, Ph.D., Saigon University 
TS. Trần Thanh Vũ, Trường Đại học Sài Gòn 
Tran Thanh Vu, Ph.D., Saigon University 
ThS. Đỗ Đăng Trình, Trường Đại học Tây Đô 
Do Dang Trinh, M.Sc., Tay Do University 
Tóm tắt 
Trong bài báo này, một mô hình đơn giản về Bộ lọc tích cực trong hệ thống có tải phi tuyến ba pha 
được đề xuất. Sơ đồ điều khiển bộ lọc là điện áp đầu ra bộ nghịch lưu làm việc như là nguồn cung cấp 
điện AC. Mô hình phi tuyến của hệ thống bao gồm bộ lọc LC trong khung tham chiếu đồng bộ d-q-0. 
Sau đó, các dòng phản hồi đầu vào-đầu ra được điều khiển bỡi khối điều khiển PI để tránh những tính 
toán phức tạp và đơn giản hóa thêm cấu trúc bộ điều khiển. Ngoài ra, một bộ lọc thấp qua và một bộ lọc 
cao qua được sử dụng để loại bỏ sóng hài gây ra bởi tải phi tuyến để nâng cao chất lượng nguồn. Hiệu 
quả của phương pháp điều khiển đã được chứng minh bằng các kết quả mô phỏng. 
Từ khóa: lọc nguồn tích cực, tải phi tuyến, bộ lọc nguồn tích cực mắc song song, bộ lọc tích cực 3 pha, 
bộ điều khiển PI, tải không cân bằng. 
Abstract 
In this paper, a simple model of Active filter to regulate the three-phase nonlinear loads is proposed. 
The control scheme is output line-to-neutral voltages of a split-capacitor inverter as an AC power 
supplies. First, the nonlinear model of the system consisting of LC filter is obtained in the d-q-0 
synchronous reference frame. Then, the input-output feedback currents are applied through the PI 
approach, which avoids the complex calculations and simplifies the controller structure. Also, a low-
pass filter and a high-pass filter are employed for the PI controller to eliminate the harmonic wave 
caused by nonlinear loads to improve the source quality. The validity of the control method has been 
verified by simulation results. 
Keywords: active power filter, nonlinear load, SAPF (Shunt Active Power Filter), three-phase active 
filter, PI controller, unbalanced load. 
HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH 
11 
1. Giới thiệu 
Việc sử dụng các tải phi tuyến như bộ 
biến đổi tốc độ động cơ, máy hàn hồ quang 
điện, và nguồn điện sử dụng chuyển mạch 
điện tử gây ra một lượng lớn dòng điện hài 
trong hệ thống phân phối điện. Những 
dòng hài này làm méo dạng điện áp, tăng 
tổn thất điện năng và làm nóng máy biến 
áp, gây mất ổn định trong hoạt động của 
thiết bị điện tử. 
Để cải thiện chất lượng nguồn cho 
mạng lưới phân phối, các bộ lọc thụ động 
truyền thống như điện cảm (L), điện dung 
điện cảm (LC) và điện cảm điện dung điện 
cảm (LCL) đã được sử dụng để loại bỏ các 
sóng hài dòng và nâng cao công suất tải hệ 
số. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, 
các bộ lọc bậc hai thụ động này có nhiều 
nhược điểm như vấn đề lão hóa và điều 
chỉnh, cộng hưởng song song, và yêu cầu 
phải thực hiện một bộ lọc riêng cho mỗi 
tần số sóng hài cần được loại bỏ. 
Để khắc phục những vấn đề này, các 
bộ lọc tích cực đã được đề xuất trong [1, 2] 
để nghiên cứu về khả năng cải thiện chất 
lượng nguồn. Tác giả và nhóm của tác giả 
vẫn tiếp tục tìm kiếm phương pháp điều 
khiển mới cho bộ lọc tích cực. 
Trong những năm gần đây, các bộ lọc 
tích cực (APF) dựa trên bộ chuyển đổi 
PWM được phát triển rộng rãi và được coi 
là một giải pháp khả thi. Tuy nhiên, hầu 
hết chúng đều dựa trên các sóng hài cảm 
ứng và các yêu cầu về điện áp xung không 
tải tuyến tính [4-6] và đòi hỏi hệ thống 
điều khiển phức tạp. Duke and Round đã 
đề xuất một chương trình trong đó dòng 
điện bù yêu cầu được xác định bằng cách 
sử dụng một kỹ thuật Sinusoid tổng hợp 
bằng cảm biến dòng. Nghiên cứu này 
được phát triển thêm bằng cách chỉ dùng 
cảm biến dòng [8], đơn giản và dễ thực thi 
mô hình. 
2. Mô hình hệ thống sử dụng bộ lọc 
tích cực 
Mô hình đơn giản được trình bày như 
hình 1 mô tả hệ thống nguồn 3 pha tải phi 
tuyến có sử dụng bộ lọc tích cực mắc song 
song, bảng 1 mô tả các tín hiệu được ký 
hiệu trong hình 1. 
Bảng 1. Mô tả tín hiệu 
Tín hiệu Mô tả 
I_sa Dòng điện của pha a 
I_sb Dòng điện của pha b 
I_sc Dòng điện của pha c 
I_a Dòng điện trên tải của pha a 
I_b Dòng điện trên tải của pha b 
I_c Dòng điện trên tải của pha c 
I_afa Dòng điện trên bộ lọc của pha a 
I_afb Dòng điện trên bộ lọc của pha b 
I_afc Dòng điện trên bộ lọc của pha c 
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN 
12 
A
I_a
I_b
I_c
3-Phase Active Filter
Nonlinear Load
Active Filter
Source
I_afa
I_afb
I_afc
I_a
I_b
I_c
Hình 1. Mô hình bộ lọc tích cực đơn giản 
2.1. Mô hình khối nguồn 
Hệ thống nguồn được mô tả bởi các 
công thức toán học như (1) đới với nguồn 
áp và (2) đối với nguồn dòng [1]. 

1
)sin(2)(
n
nknknk
tVtV 
),,( cbak (1) 

1
)sin(2)(
n
nknknk
tItI 
),,( cbak (2) 
Trong đó n là bậc hài. 
Hai phương trình trên được viết lại 
dạng biên độ và pha như (3) và (4), bao 
gồm hài cơ bản (n=1) và hài bậc n [1]. 
 
  
1 1
..
n n
knnkknk
VVV 
),,( cbak (3) 
 
  
1 1
..
n n
knnkknk
III 
),,( cbak (4) 
Biểu diễn ma trận cho mỗi bậc hài của 
3 pha a, b, c, áp thứ tự không, thứ tự thuận 
và thứ tự nghịc [2]. 
0
2
2
1 1 1
1
1
3
1
n an
n bn
n cn
V V
V V
V V
 (5) 
Trong đó 0 (2 /3)1 120 je  
Ma trận biểu diễn điện áp thứ tự 
nghịch được biểu diễn như công thức (6) 
0
2
2
1 1 1
1
1
an n
bn n
cn n
V V
V V
V V
 (6) 
Triển khai ma trận điện áp trên ta được 
chi tiết các phương trình như (7) 
0 0( ) 2 sin( ) 2 sin( )an n n n n n nv t V t V t    
2 sin( )n n nV t  
0 0
2
( ) 2 sin( ) 2 sin( )
3
bn n n n n n nv t V t V t
    
2
2 sin( )
3
n n nV t
  (7) 
0 0
2
( ) 2 sin( ) 2 sin( )
3
cn n n n n n nv t V t V t
    
2
2 sin( )
3
n n nV t
  
Tương tự như vậy, ta được dòng điện 
như (8) 
HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH 
13 
0 0
0 0
0 0
( ) 2 sin( ) 2 sin( )
2 sin( )
2
( ) 2 sin( ) 2 sin( )
3
2
2 sin( )
3
2
( ) 2 sin( ) 2 sin( )
3
2
2 sin( )
3
an n n n n n n
n n n
bn n n n n n n
n n n
cn n n n n n n
n n n
i t I t I t
I t
i t I t I t
I t
i t I t I t
I t
   
 
   
 
   
 
 (8) 
Với tải phi tuyến trong hệ thống năng 
lượng điện, hệ thống nguồn sẽ tồn tại sóng 
hài và giảm chất lượng điện, gây nguy hại 
cho các thiết bị điện và điện tử có trong hệ 
thống. 
2.2. Mô hình tải 
Một trong những mô hình phổ biến 
của tải phi tuyến là tải chỉnh lưu bán dẫn 
như hình 2. 
LR
LL
Phase A
Phase B
Phase C
Hình 2. Tải phi tuyến 
Tải không lý tưởng: Tải không thuần 
trở gây ra hiện tượng tiêu thụ công suất 
phản kháng phi tuyến; hoặc tải biến đổi về 
thời gian hoặc pha nên có chứa nhiều thành 
phần dòng điện họa tần; hoặc tải độ lớn 
khác nhau ở mỗi pha sẽ tạo ra dòng điện 
thứ tự nghịch. 
Các vấn đề của tải không lý tưởng là 
bất kỳ tải ba pha nào tiêu thụ năng lượng 
khác với một tải điện ba pha đối xứng với 
hệ số công suất là 1 (không có độ trễ pha 
giữa điện áp và dòng điện) và tần số cơ bản 
là không lý tưởng. 
Dòng tải không lý tưởng có ít nhất một 
trong các thành phần sau: 
Dòng phản kháng. Tải có chứa các 
thành phần điện cảm hoặc điện dung tiêu 
thụ thành phần phản kháng. 
Dòng không đối xứng. Tiêu thụ bởi ba 
dòng tải không bằng nhau trong cả ba pha. 
Sóng hài. Được tạo ra bởi các tải 
không tuyến tính, ví dụ: Một bộ chỉnh lưu 
diode, với kết quả là dòng điện không hoàn 
toàn sinusoidal. 
2.3. Mô hình mạch lọc tích cực 
Bộ điều khiển tổng quát trong đó thể 
hiện các biến tham chiếu được tính toán 
trên hệ quy chiếu d-q như hình 3[1]. 
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý điều khiển 
mạch lọc tích cực 
Các tín hiệu ia, ib, ic là các dòng điện 
tải ứng với 3 pha, va, vb, vc áp tải 3 pha 
tương ứng. Chuyển đổi sang hệ tọa độ αβ 
như công thức (9) và (10): 
c
b
a
v
v
v
v
v
v
..
2
3
2
30
2
1
2
11
2
1
2
1
2
1
3
2
0

 (9) 
 Dòng điện ứng trên hệ trục αβ : 
c
b
a
i
i
i
i
i
i
..
2
3
2
30
2
1
2
11
2
1
2
1
2
1
3
2
0

 (10) 
Theo đó, công thức công suất được 
tính bỡi công thức (11): 

 
 
i
i
i
vv
vv
v
q
p
p 000
0
0
00
..
(11) 
Công thức (12) là dòng điện càn phải 
có được trên bộ lọc [2]: 
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN 
14 
*
* 2 2
1
.
c Loss
c
v vi p p p
v vi v v q
  
  
(12) 
Chuyển lại hệ tọa độ thực theo hệ 
phương trình (13) [2]: 
*
*
0
*
*
*
.
2/3
2/3
0
2/1
2/1
1
21
21
21
.
3
2

c
c
cc
cb
ca
i
i
i
i
i
i
 (13) 
Để sine hóa dòng điện nguồn, yêu cầu 
các dòng điện ica
*
, ica
*
, ica
*
 và dòng hồi tiếp 
phải được xử lý bỡi khâu PI của bộ lọc tích 
cực. Điện áp điều khiển được yêu cầu so 
sánh với sóng tam giác tần số cao để tạo 
xung điều khiển các khóa bán dẫn trong bộ 
nghịch lưu. 
3. Hệ thống điều khiển của SAPF 
Hình 4 mô tả mạch điều khiển cho một 
pha, trong đó HPF, LPF và bộ điều khiển 
PI_Modify được mô tả chi tiết bỡi (14), 
(15) và (16) 
Khâu giữ bậc 2 lọc thông cao. 
2
2 2
( )
2
HPF
c c
ks
G s
s s 
 (14) 
Trong đó: 
Gain k 
Damping ratio  
Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p)) 
Ia
V I_fa
V I_a
V hold2
V h
Vaf_a
V ka
Vma
V carr
V
K
K
K
Vhold1
HPF LPF
PI modify
controller
To the 
converter s 
pulse 
controll 
voltage for 
phase a
i_afa
HPF LPF
Hình 4. Mạch nguyên lý điều khiển của 
pha a 
Khâu giữ bậc 2 lọc thông thấp (15): 
2
2 2
( )
2
c
LPF
c c
k
G s
s s

 
 (15) 
Trong đó: 
Gain k 
Damping ratio  
Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p)) 
Modified PI (Proportional-integral) 
controller: 
_
1 1
( ) (1 )( )
1
PI Modify
p
G s k
sT sT
 (16) 
Trong công thức (16): 
Gain k 
Time constant of the 
controller 
T, in second 
Frequency of the pole fp , in Hz 
Mô tả tín hiệu trong sơ đồ khối điều 
khiển hình 4: 
Tín 
hiệu 
Mô tả Ghi chú 
I_a Dòng điện trên 
tải pha a 
k Khâu tỉ lệ Vout = k * Vin 
V_h Dạng tín hiệu 
sóng hài 
V_ma Tín hiệu để tạo 
xung điều khiển 
cho pha a 
V_ka Xung điều khiển 
pha a 
I_afa Dòng điện lọc 
của pha a 
V_carr Sóng mang tần 
số cao 
HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH 
15 
Tương tự cho pha b và pha c. 
4. Kết quả mô phỏng 
Tín hiệu dòng điện tải qua 2 lần khâu giữ 
bậc 2 thông cao cao và thông thấp, hình 5. 
Hình 5. Dạng sóng của I_La và V_hold2 
Hình 6. Sóng hài V_h 
V_h là dòng điện sóng hài sau khi tín 
hiệu I_La đi qua hai lần khâu giữ bậc hai 
mạch lọc thông cao và lọc thông thấp, mô 
tả trong phương trình (17). 
 i_La – v_hold2 = V_h (17) 
Hình 7. Tín hiệu sine của nguồn điện sau 
khi có sử dụng bộ lọc tích cực. 
5. Kết luận 
Kết quả dạng sóng sine đã được cải 
thiện độ méo hài, hình 8, cùng với bảng kết 
quả TDH. 
Hình 8. Dạng sóng dòng điện nguồn 
sau lọc 
Bảng 2. Kết quả giảm méo hài THD 
Fundamental Frequency 6.0000000e+001 Hz 
I(i_sa) 5.4928609e-003 
I(i_sb) 5.3634647e-003 
I(i_sc) 5.3283370e-003 
Với mô hình mô phỏng đơn giản đã 
trình bày, khâu điều khiển PI_modify trong 
bộ lọc tích cực đã làm tốt nhiệm vụ triệt 
sóng hài do tải không lý tưởng gây ra, kết 
quả làm giảm THD như đã trình bày trong 
Bảng 2. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Le Minh Thien Huynh, Thanh Vu Tran, Van 
Cuu Ho, “Optimization Problem of 
Compensated Current in Electrical Power 
Systems Using General Three-Phase Active 
Power Filter”, AETA, Dec 2015. 
2. Tan Luong Van, Le Minh Thien Huynh, 
Thanh Trang Tran and Duc Chi Nguyen, 
“Improved Control Strategy of Three-Phase 
Four-Wire Inverters using Sliding Mode 
Input-Ouput Feedback Linearization under 
Unbalanced and Nonlinear Load Conditions”, 
 AETA, Dec 2015. 
3. N.V.Nho, M.J. Youn, “Carrier PWM 
algorithm with optimized switching loss for 
three-phase four-leg multilevel 
inverters”, IEEE Letters, UK, vol.41, pp.43-
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN 
16 
44, vo.1, ISSN 0013-5194, Jan. 2005 
4. Nguyễn Văn Nhờ, Myung- Bok Kim, Gun- 
Woo Moon, Myung- Joong Youn, “A Novel 
Carrier Based PWM Method in Three-phase 
Four-Wire Inverters”, IEEE 2004. 
5. N.V. Nho, N.X. Bac and H-H. Lee, "An 
Optimized Discontinuous PWM Method to 
Minimize Switching Loss for Multilevel 
Inverters”, IEEE Transactions on Industrial 
Electronics, vol.58, no. 9, Sep. 2011. 
6. Alessandro Cavini, Fabio Ronchi, Andrea 
Tilli, “Four - Wire Shunt Active Filters: 
Optimized Design Methodology”, IEEE 2003. 
7. H. Akagi, Y. Kanazawa, A. Nabae, 
“Generalized Theory of the Instantaneous 
Reactive Power in Three-Phase”, IPEC'83 - 
Int. Power Electronics Conf., Tokyo, Japan, 
1983, pp. 1375-1386. 
Ngày nhận bài: 02/6/2017 Biên tập xong: 15/7/2017 Duyệt đăng: 20/7/2017 

File đính kèm:

  • pdfmo_hinh_mo_phong_bo_loc_tich_cuc_3_pha_duoi_tac_dong_cua_tai.pdf