HCMUTE: Xây dựng giải thuật điều khiển dòng bằng phương pháp tối ưu bầy đàn PSO

Hcmute nghiên cứu giải thuật bộ điều khiển dòng sử dụng phương pháp tối ưu bầy đàn PSO, mang lại hiệu quả cao trong điều khiển tự động.

• Tác giả: ThS. Trần Quang Thọ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Điện Điện Tử
• Đề tài: Giải Thuật Điều Khiển Dòng Bằng Phương Pháp Tối Ưu Bầy Đàn (PSO)
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 3 PHA
• 1.1. Mô hình dàn pin mặt trời
• 1.2. Điều chỉnh điện áp một chiều DC
• 1.3. Vòng khóa pha PLL
• 2. CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ZIEGLER-NICHOLS
• 2.1. Nguyên lý điều khiển dòng PI
• 2.2. Xác định các tham số bằng phương pháp Ziegler-Nichols
• 2.3. Kết quả mô phỏng
• 2.4. Nhận xét kết quả
• 3. CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG BẰNG GA VÀ PSO
• 3.1. Phương pháp GA
• 3.2. Giải thuật GA
• 3.3. Kết quả mô phỏng
• 3.4. Nhận xét kết quả (GA)
• 3.5. Phương pháp PSO
• 3.6. Giải thuật PSO
• 3.7. Kết quả mô phỏng theo PSO
• 3.8. Nhận xét (PSO)
• 4. CHƯƠNG 4: NHẬN XÉT – KẾT LUẬN
• 4.1. Tóm tắt kết quả
• 4.2. Nhận xét chung
• 4.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Giải thuật điều khiển dòng tối ưu bằng phương pháp PSO tại HCMUTE

Bài báo này trình bày nghiên cứu về giải thuật điều khiển dòng điện tối ưu trong hệ thống nghịch lưu nối lưới, cụ thể là ứng dụng thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông TP.HCM (HCMUTE). Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa tham số của bộ điều khiển dòng điện nhằm nâng cao chất lượng điện năng, giảm thiểu sóng hài và cải thiện đáp ứng động. Luận văn HCMUTE này đề xuất một phương pháp mới dựa trên thuật toán PSO, so sánh với các phương pháp truyền thống như Ziegler-Nichols và GA (Genetic Algorithm) để chứng minh hiệu quả của giải thuật PSO trong ứng dụng thực tế. Nghiên cứu được thực hiện thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, sử dụng mô hình hệ thống nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha. Kết quả mô phỏng cho thấy PSO có khả năng dò tìm tham số nhanh chóng và hiệu quả hơn, dẫn đến chất lượng điện năng tốt hơn.

1.1. Giải thuật điều khiển dòng điện và tối ưu hóa PSO

Phần này tập trung vào mô tả chi tiết giải thuật điều khiển dòng điện được sử dụng trong nghiên cứu. Giải thuật PSO, một thuật toán tối ưu hóa dựa trên bầy đàn, được lựa chọn để tối ưu hóa tham số của bộ điều khiển. Thuật toán PSO mô phỏng hành vi tìm kiếm thức ăn của bầy đàn chim, mỗi hạt (particle) đại diện cho một giải pháp tiềm năng. Các hạt di chuyển trong không gian tìm kiếm, cập nhật vị trí và vận tốc dựa trên kinh nghiệm cá nhân và kinh nghiệm toàn cục của bầy đàn. Thuật toán PSO được ứng dụng để tìm kiếm tập hợp tham số tối ưu của bộ điều khiển dòng điện, giúp giảm thiểu hàm mục tiêu (ví dụ: hàm lỗi, sóng hài). Các tham số PSO như hệ số gia tốc cá nhân và toàn cục được điều chỉnh để đạt hiệu quả tối ưu. Ứng dụng PSO trong điều khiển cho thấy hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Mô phỏng PSO và thực nghiệm PSO được thực hiện để đánh giá hiệu quả của phương pháp này. So sánh thuật toán PSO với các phương pháp khác như Ziegler-Nichols và GA cũng được thực hiện để chứng minh ưu điểm của PSO.

1.2. Mô hình hóa hệ thống nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha tại HCMUTE

Nghiên cứu sử dụng mô hình hóa hệ thống nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha để đánh giá hiệu quả của giải thuật điều khiển dòng tối ưu dựa trên PSO. Mô hình được xây dựng trên phần mềm Matlab/Simulink, bao gồm các thành phần chính như dàn pin mặt trời, bộ nghịch lưu, bộ lọc LCL, và bộ điều khiển dòng điện. Mô hình hóa hệ thống điện chính xác là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả mô phỏng. Phân phối điện trong mô hình được mô tả một cách chi tiết, bao gồm cả các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng như sóng hài. Quản lý năng lượng và tiết kiệm năng lượng cũng được xem xét trong quá trình mô hình hóa. Điện năng được tạo ra từ nguồn năng lượng mặt trời, sau đó được chuyển đổi và đưa vào lưới điện. Điện từ công suất được tính toán và phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Điện tử công suất đóng vai trò quan trọng trong quá trình biến đổi năng lượng. Nghiên cứu sinh HCMUTE đã thực hiện các bước mô phỏng để đánh giá hiệu quả của hệ thống.

1.3. Kết quả và đánh giá của giải thuật tối ưu

Phần này trình bày kết quả mô phỏng của giải thuật điều khiển dòng tối ưu sử dụng PSO. Kết quả được so sánh với các phương pháp khác như Ziegler-Nichols và GA dựa trên các chỉ tiêu đánh giá như thời gian đáp ứng, độ vượt, và hàm lượng sóng hài. Kết quả mô phỏng cho thấy PSO đạt được hiệu quả cao hơn, thời gian đáp ứng nhanh hơn và giảm thiểu sóng hài hiệu quả hơn so với các phương pháp khác. Phân tích ảnh hưởng PSO đến chất lượng điện năng được trình bày rõ ràng. Cải tiến thuật toán PSO cũng được đề xuất dựa trên kết quả phân tích. Ánh xạ PSO trong không gian tìm kiếm được minh họa bằng đồ thị. Khả năng hội tụ của PSO cũng được đánh giá và phân tích. Ứng dụng của PSO trong lĩnh vực điều khiển hệ thống điện được thảo luận. Báo cáo khoa học HCMUTE này đóng góp vào việc phát triển các giải thuật tối ưu cho hệ thống điện thông minh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời ngày càng tăng do sự suy giảm nguồn năng lượng hóa thạch và tác động tiêu cực đến môi trường. Việt Nam có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời rất lớn với cường độ bức xạ trung bình trên 2000 kWh/m²/năm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng công nghệ pin mặt trời nối lưới 3 pha. Tuy nhiên, việc hòa lưới các nguồn năng lượng tái tạo này gây ra những thách thức về chất lượng điện năng, đặc biệt là sóng hài và đáp ứng động của hệ thống nghịch lưu. Bộ điều khiển dòng điện trong nghịch lưu đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng điện năng và hiệu suất hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình hệ thống nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha sử dụng bộ điều khiển dòng điện, đồng thời phát triển và so sánh các giải thuật xác định tham số bộ điều khiển PI bằng phương pháp Ziegler-Nichols, giải thuật di truyền (GA) và tối ưu bầy đàn (PSO) trên phần mềm Matlab/Simulink. Nghiên cứu tập trung vào tối ưu đáp ứng động công suất và giảm thiểu sóng hài dòng điện bơm vào lưới, nhằm nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả vận hành.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn từ tháng 3/2013 đến tháng 10/2014 tại Khoa Điện Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ điều khiển nghịch lưu nối lưới, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực điện tử công suất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha: Mô phỏng hệ thống sử dụng dàn pin mặt trời công suất khoảng 17,34 kWp, với mô hình tế bào quang điện dựa trên nguồn dòng Iph song song với diode và điện trở Rs, phản ánh chính xác đặc tính điện của pin mặt trời theo cường độ bức xạ và nhiệt độ.

• Bộ điều khiển dòng điện PI (Proportional-Integral): Được sử dụng phổ biến trong điều khiển nghịch lưu do tính đơn giản và hiệu quả. Hàm truyền của bộ điều khiển PI được xác định qua các hệ số Kp (tỉ lệ) và Ki (tích phân), ảnh hưởng trực tiếp đến đáp ứng động và chất lượng điện năng.

• Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển: Bao gồm phương pháp truyền thống Ziegler-Nichols, giải thuật di truyền (GA) dựa trên lý thuyết tiến hóa, và giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO) dựa trên tri thức tập thể và tương tác giữa các cá thể trong quần thể.

• Khái niệm chính: Điện áp một chiều DC, vòng khóa pha PLL (Phase Lock Loop) để đồng bộ điện áp lưới, sóng hài dòng điện (THD - Total Harmonic Distortion), đáp ứng động công suất, sai số xác lập và độ vọt lố dòng điện.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Matlab/Simulink, sử dụng thông số thực tế của pin mặt trời hãng RedSun và các linh kiện điện tử công suất tiêu chuẩn.

• Phương pháp phân tích: So sánh hiệu quả các giải thuật xác định tham số bộ điều khiển PI qua các tiêu chí kỹ thuật như đáp ứng động, sai số xác lập, độ vọt lố, và sóng hài dòng điện bơm vào lưới. Các mô phỏng được thực hiện với các kịch bản thay đổi cường độ bức xạ và công suất phản kháng Q.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 3/2013 đến tháng 10/2014, bao gồm xây dựng mô hình, phát triển giải thuật, mô phỏng và đánh giá kết quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng đại diện cho hệ thống nghịch lưu nối lưới 3 pha với dàn pin mặt trời công suất thực tế, đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng trong thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của phương pháp Ziegler-Nichols:

   • Tham số Kp và Ki lần lượt là 45 và 16,7.
   • Đáp ứng dòng điện và công suất có độ trễ khoảng 0,1 giây do bộ dò MPPT.
   • Sai số xác lập lớn khoảng 5,4%.
   • Sóng hài dòng điện (THD) trong một số trường hợp vượt tiêu chuẩn nối lưới (trên 5%), đặc biệt khi công suất nhỏ, cần bù công suất phản kháng Q để giảm THD xuống còn khoảng 3,14%.

2. Kết quả sử dụng giải thuật di truyền (GA):

   • Tham số Kp = 786,2, Ki = 178,3, với sai số xác lập dưới 1%.
   • Đáp ứng công suất nhanh hơn, độ vọt lố dòng điện dưới 5%.
   • THD dòng điện giảm đáng kể, đạt dưới 1% trong các khoảng thời gian mô phỏng, không cần bù Q.
   • Quá trình tối ưu mất nhiều vòng lặp và thời gian hơn so với PSO.

3. Kết quả sử dụng giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO):

   • Tham số Kp = 1375,7, Ki = 890, với sai số xác lập dưới 1%.
   • Chỉ cần 15 vòng lặp để hội tụ, nhanh hơn GA.
   • Đáp ứng công suất và dòng điện nhanh, độ vọt lố dưới 5%.
   • THD dòng điện luôn thấp hơn các phương pháp khác, dao động trong khoảng 0,12% đến 0,45%, đảm bảo chất lượng điện năng tốt nhất.
   • Khả năng phát và thu công suất phản kháng Q rất nhanh và ổn định.

4. So sánh tổng quan:

   • PSO cho kết quả tối ưu nhất về cả tốc độ hội tụ, chất lượng đáp ứng và giảm sóng hài.
   • GA cũng cải thiện đáng kể so với phương pháp truyền thống Ziegler-Nichols nhưng chậm hơn PSO.
   • Ziegler-Nichols có ưu điểm đơn giản nhưng hạn chế về độ chính xác và chất lượng điện năng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt hiệu quả giữa các phương pháp là do PSO tận dụng tri thức tập thể và khả năng khám phá không gian tìm kiếm rộng lớn, giúp tìm ra tham số tối ưu nhanh chóng mà không cần biết chính xác các thông số hệ thống. GA cũng có khả năng tương tự nhưng quá trình lai ghép và đột biến phức tạp hơn, dẫn đến thời gian hội tụ dài hơn.

Phương pháp truyền thống Ziegler-Nichols phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm và thông số hệ thống, dễ bị rơi vào cực trị địa phương, dẫn đến sai số lớn và sóng hài cao, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Việc bù công suất phản kháng Q để giảm THD trong phương pháp này làm tăng tổn hao thiết bị, giảm hiệu suất.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng công suất P và Q, sóng hài dòng điện theo thời gian, và đồ thị hội tụ sai số của các giải thuật, giúp minh họa rõ ràng ưu nhược điểm từng phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng giải thuật PSO trong thiết kế bộ điều khiển dòng điện nghịch lưu nối lưới

   • Triển khai sử dụng PSO để xác định tham số bộ điều khiển PI nhằm nâng cao chất lượng điện năng và giảm thiểu sóng hài.
   • Thời gian thực hiện tối ưu nhanh, phù hợp cho các hệ thống năng lượng tái tạo có biến động lớn.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng và công cụ hỗ trợ thiết kế

   • Xây dựng công cụ trên Matlab/Simulink tích hợp giải thuật PSO để hỗ trợ kỹ sư trong việc thiết kế và tinh chỉnh bộ điều khiển.
   • Cập nhật thường xuyên để phù hợp với các loại nghịch lưu đa bậc và các hệ thống phức tạp hơn.

3. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng thực tế

   • Thử nghiệm và triển khai trên phần cứng thực tế để đánh giá hiệu quả trong điều kiện vận hành thực tế.
   • Nghiên cứu bổ sung các tính năng như điều chỉnh thích nghi tần số chuyển mạch, giảm điện áp common mode, và tính năng anti-islanding nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu suất.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ

   • Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về giải thuật PSO và ứng dụng trong điều khiển điện tử công suất cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên.
   • Chuyển giao kết quả nghiên cứu cho các nhà sản xuất thiết bị trong nước nhằm giảm nhập khẩu, làm chủ công nghệ và giảm chi phí sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực điện tử công suất và năng lượng tái tạo

   • Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để phát triển các nghiên cứu sâu hơn về điều khiển nghịch lưu và tối ưu hóa hệ thống.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị nghịch lưu nối lưới

   • Áp dụng giải thuật PSO để cải tiến bộ điều khiển, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất vận hành.

3. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành điện – điện tử

   • Học tập phương pháp mô phỏng, phân tích và tối ưu bộ điều khiển trong hệ thống năng lượng tái tạo, nâng cao kỹ năng nghiên cứu khoa học.

4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng

   • Tham khảo để hiểu rõ hơn về công nghệ điều khiển nghịch lưu, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo hiệu quả và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần tối ưu tham số bộ điều khiển trong nghịch lưu nối lưới?
   Việc tối ưu tham số giúp bộ điều khiển đáp ứng nhanh, ổn định, giảm sóng hài dòng điện, nâng cao chất lượng điện năng và hiệu suất hệ thống, tránh tổn hao và hư hỏng thiết bị.

2. Phương pháp PSO có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   PSO hội tụ nhanh, không cần biết chính xác tham số hệ thống, dễ triển khai và cho kết quả tối ưu hơn so với phương pháp truyền thống và giải thuật di truyền GA.

3. Giải thuật GA và PSO có thể áp dụng cho các hệ thống khác ngoài nghịch lưu nối lưới không?
   Có, cả GA và PSO là các phương pháp tối ưu tổng quát, có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực như điều khiển động cơ, tối ưu hóa hệ thống điện, và các bài toán kỹ thuật khác.

4. Làm thế nào để giảm sóng hài dòng điện trong hệ thống nghịch lưu?
   Ngoài việc tối ưu bộ điều khiển, có thể sử dụng bộ lọc LCL, điều chỉnh công suất phản kháng Q, và áp dụng các kỹ thuật điều chế PWM phù hợp để giảm sóng hài.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng trực tiếp vào thực tế không?
   Có, mô hình và giải thuật được xây dựng dựa trên thông số thực tế, có thể triển khai thử nghiệm trên phần cứng và áp dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo nối lưới thực tế.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình hệ thống nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha trên Matlab/Simulink, làm cơ sở cho nghiên cứu và ứng dụng thực tế.
• Phát triển và so sánh ba phương pháp xác định tham số bộ điều khiển dòng điện: Ziegler-Nichols, GA và PSO, trong đó PSO cho kết quả tối ưu nhất về tốc độ hội tụ, sai số và chất lượng điện năng.
• Giải thuật PSO chỉ cần 15 vòng lặp để đạt tham số tối ưu, giảm thiểu sóng hài dòng điện và đáp ứng động công suất nhanh, phù hợp cho các hệ thống năng lượng tái tạo biến động.
• Kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học và ứng dụng cao, có thể chuyển giao cho các nhà sản xuất thiết bị và làm tài liệu đào tạo chuyên ngành.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu về điều chỉnh thích nghi tần số chuyển mạch, giảm điện áp common mode, tính năng anti-islanding và thử nghiệm trên phần cứng thực tế trong các bước tiếp theo.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư áp dụng giải thuật PSO trong thiết kế bộ điều khiển nghịch lưu, đồng thời triển khai thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả và hoàn thiện công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 8 Dòng quang đi ện Iph phụ thuộc vào cường độ bức xạ G và nhiệt độ Tc. Dòng điện mỗi cell Ic được xác định theo (1.3):  q V  IR s   I c  I ph  I s  e nKTc  1 (1.3)     Trong đó: Is là dòng bão hòa ngược, K là hằng số Boltzmann Hình 1. Thông số tấm pin 85W của hãng RedSun Đặc tuyến của dàn pin ở hình 1.9 gồm có 6 nhánh mắc song song, mỗi nhánh gồm 34 tấm pin RS-P618-85W của hãng REDSUN mắc nối tiếp cho tổng công suất khoảng 17,34kWp (phụ lục 1 và 2). Thông số của tấm pin 85W được thể hiện trên hình 1.

Trần Quang Thọ Luan van Chương 1 9 V-A 30 G=1 25 G=0. Đặc tuyến V-A của dàn pin thay đổi theo bức xạ Đặc tuyến ở hình 1.8 cho thấy 3 trường hợp cường độ bức xạ khác nhau. Trường hợp G=1 cho cường độ bức xạ lớn nhất tương ứng 1000W/m2. 4 V-P x 10 2 Maximum power point 1.

Đặc tuyến V-W của dàn pin thay đổi theo bức xạ Đặc tuyến ở hình 1.9 cho thấy điểm công suất cực đại ở 3 trường hợp cường độ bức xạ khác nhau có các điện áp khác nhau. Trần Quang Thọ Luan van Chương 1 10 Begin P&O Algorithm Measure: Vs(t), Is(t) P(t)= Vs(t)* Is(t) No yes P(t) > P(t-1) No No Vs(t) > Vs(t-1) Vs(t) > Vs(t-1) yes yes VM=Vs(t-1)- V VM=Vs(t-1)+ V VM=Vs(t-1)- V VM=Vs(t-1)+ V Update: Vs(t-1) = Vs(t) P(t-1) = P(t) Hình 1. Giải thuật P&O Giải thuật P&O ở hình 1.10 là giải thuật dùng để dò điểm có công suất cực đại Pmax của dàn pin mặt trời. Tương ứng với điểm có công suất cực đại này là điện áp VMPPT trong giải thuật P&O gọi là điện áp Vref thể hiện ở hình 1.

V_sol Vnew From3 Pnew Pout I_sol Inew Goto1 From4 do_mppt Pold Vref Vref 1 Vold Goto2 z Unit Delay F2 Unit Delay1 1 z Hình 1. Khối dò điện áp Vref Đoạn code trong F2 trình bày ở phụ lục 3.2 Điều chỉnh điện áp một chiều DC: Dòng điện Id_ref phụ thuộc vào điện áp Vmppt của pin mặt trời và điện áp một chiều Vdc của bộ nghịch lưu được điều chỉnh theo điện áp Vmppt theo biểu thức (1. Dòng đi ện Id_ref này sẽ quyết định công suất bơm vào lưới 3 pha được thể hiện cụ thể ở chương 2.  I d _ ref  I dp   K p _ dc   K i _ dc   Vmppt  Vdc  (1.

Trần Quang Thọ Luan van Chương 1 11 Pout u(1)*2/3/320 dl Vref From4 Fcn 1 Id_ref 0.005s+1 From5 Transfer Fcn2 6 Goto2 V_sol Gain 1 0.0005 s From6 Gain1 Integrator Hình 1. Khối điều chỉnh điện áp Vdc 1.3 Vòng khóa pha PLL Vabc 1/311 Vabc (pu) wt wt From1 Goto8 Gain 3-phase PLL Hình 1. Khối vòng khóa pha PLL Vai trò của vòng khóa pha là để xác định biên độ, tần số và góc pha tương ứng tại từng thời điểm của điện áp nguồn lưới. Khi có sự cố nào đó xảy ra trên hệ thống làm mất cân bằng điện áp pha và gây ra thành phần nhiễu hài bậc 2 truyền vào các bộ điều khiển làm cho thiết bị tác động sai.

Nhiệm vụ của PLL là phải cung cấp tín hiệu điện áp đồng bộ sạch đến khối biến đổi sang dq. Trong biến đổi hệ tọa độ 3 pha abc sang hệ tọa độ đồng bộ dq và ngược lại cần phải biết góc pha tương ứng. Trần Quang Thọ Luan van Chương 2 12 CHƯƠNG 2. XÁC ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ZIEGLER-NICHOLS 2.

Giới thiệu: Nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng mới trên thế giới như năng lượng mặt trời, gió,… ngày càng trở nên phổ biến vì tính bền vững và thân thiện với môi trường trong khi tiềm năng vô cùng lớn [2]. Để chuyển nguồn năng lượng mặt trời một chiều sang nguồn xoay chiều 3 pha để nối lưới cần phải có các bộ nghịch lưu 3 pha (DG) đã được nghiên cứu nhiều [3]. Tuy nhiên, các nguồn điện phân tán này khi nối lưới lại là một trong các nguyên nhân làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống điện [4]-[5]. Trong bộ nghịch lưu nối lưới, bộ điều khiển dòng điện có vai trò quyết định đáng kể đến chất lượng điện năng của bộ nghịch lưu [6].

Việc xác định các tham số bộ điều khiển dòng điện PI truyền thống trong các hệ thống nghịch lưu pin mặt trời nối lưới, thường dùng kỹ thuật Ziegler-Nichols và di truyền GA như [7] có hạn chế về thời gian tìm kiếm, đáp ứng công suất chậm và sóng hài cao vượt giới hạn cho phép [8]. Công bố [9] sử dụng giản đồ bode để xác định tham số và đề nghị dùng tụ lọc nối tam giác không hạn chế được sóng hài bậc thấp. Ở trong nước hiện nay, tình trạng bắt đầu khan hiếm năng lượng cũng trở nên rất nghiêm trọng, nên năng lượng tái tạo có thể là một lựa chọn phù hợp. Có rất ít nghiên cứu về lĩnh vực này trong khi nhu cầu rất lớn trong tương lai là một thách thức lớn đối với Việt Nam.

Một vài dự án nhỏ thường nhập khẩu thiết bị từ nước ngoài làm tăng nhập siêu và sự phụ thuộc công nghệ. Công bố của [10] có hạn chế là dùng cho 1 pha, trong khi kỹ thuật điều khiển của [11] thì không phân tích đầy đủ ảnh hưởng của các tham số điều khiển. Năng lượng tái tạo như gió, mặt trời… là loại năng lượng mới đang phát triển rất mạnh. Việc phát điện từ hệ thống năng lượng tái tạo hòa vào lưới 3 pha đang trở nên phổ biến trên thế giới.

Trong tương lai gần ở nước ta, nhu cầu sử dụng các thiết bị nghịch lưu nối lưới 3 pha sẽ tăng cao trong khi chưa được nghiên cứu nhiều. Việc nghiên cứu lĩnh vực này giúp chúng ta làm chủ công nghệ và có sản phẩm với giá thành thấp có ý nghĩa r ất lớn. Trần Quang Thọ Luan van Chương 2 13 Trong các bộ nghịch lưu nối lưới, để tối ưu công suất phát lên lưới cần có bộ điều chỉnh dòng điện hợp lý bơm vào lưới với tính năng kỹ thuật để thỏa mãn tiêu chuẩn nối lưới như đáp ứng động nhanh và nhiễu hài dòng đi ện thấp… Việc xác định tham số bộ điều khiển dòng điện trong các hệ thống nghịch lưu nối lưới 3 pha bằng các phương pháp truyền thống thường tốn nhiều thời gian và công sức trong khi kết quả chưa phải là tốt nhất. Đề tài này đề xuất phương pháp tối ưu bầy đàn PSO để xác định tham số bộ điều khiển dòng trong nghịch lưu nối lưới 3 pha với những tính năng ưu việt.

Hiện nay có rất nhiều phương pháp điều khiển dòng điện trong nghịch lưu nói chung và nghịch lưu nối lưới nói riêng và được phân thành 2 nhóm [12] như hình 2. Nhóm phương pháp đóng/ngắt cho đáp ứng động nhanh nhưng lại đòi hỏi tần số chuyển mạch cao và khó kiểm soát nên ảnh hưởng đến tổn hao và làm giảm hiệu suất của thiết bị. Ở nhóm phương pháp thứ 2, điều khiển phi tuyến đòi h ỏi dung lượng bộ nhớ cao và cấu hình phần cứng đắt tiền, còn điều khiển tuyến tính có nhiều thuận lợi hơn. Trong khi đó, điều khiển dự báo khó kiểm soát tần số chuyển mạch, nên phương pháp PI là phương pháp được sử dụng phổ biến vì tính đơn giản và hiệu quả của chúng [13]-[18].

Các phương pháp điều khiển dòng điện trong nghịch lưu T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Luan van Chương 2 14 Vì vậy, trong khuôn khổ chương này trình bày phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển PI bằng phương pháp truyền thống Ziegler-Nichols. Kết quả đánh giá dựa trên các tiêu chí kỹ thuật cơ bản:  Đáp ứng động  Sai số xác lập  Độ vọt lố  Sóng hài dòng điện bơm vào lưới 2. Nguyên lý đi ều khiển dòng PI Theo sơ đồ nguyên lý hệ thống nghịch lưu nối lưới được thể hiện trên hình 2.

Cấu trúc bộ điều khiển ngõ vào là bộ dò công suất cực đại MPPT với chức năng trích xuất công suất cực đại từ pin mặt trời hoặc gió,…Trong thực tế, chức năng bảo vệ ngõ vào cũng đư ợc tích hợp trong bộ điều khiển này. Nguyên lý hệ thống nghịch lưu nối lưới Bộ điều khiển phía lưới có các nhiệm vụ: Điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phát hoặc thu trên lưới thông qua dòng điện đặt Id_ref và Iq_ref. Trần Quang Thọ Luan van Chương 2 15 Điều khiển điện áp liên kết phía DC Đảm bảo điện năng bơm vào lưới đạt chất lượng cao. Đồng bộ điện áp phát ra với tín hiệu của lưới điện.

Trong khuôn khổ đề tài này, bộ điều khiển dòng điện PI được xem xét vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tín hiệu điều khiển đối với ngõ vào của bộ điều chế. Các kỹ thuật điều chế trong nghịch lưu 3 pha Có nhiều kỹ thuật điều chế được sử dụng như hình 2. Tuy nhiên, trong đề tài này sử dụng kỹ thuật điều chế điện áp PWM (điều chế đối xứng) vì tính đơn giản và hiệu quả của nó [12]. Dựa vào sơ đồ nguyên lý ở hình 2.2 ta có thể thấy quan hệ giữa điện áp và dòng điện 3 pha trong hệ thống như sau: dia Via  Ria  L  Vga  VGN (2.1) dt di Vib  Rib  L b  Vgb  VGN (2.2) dt di Vic  Ric  L c  Vgc  VGN (2.

Trần Quang Thọ Luan van Chương 2 16 Trong đó: Vi là điện áp pha ngõ ra của nghịch lưu, Vg là điện áp pha của lưới điện và i là dòng điện bơm vào lưới. VGN là điện áp lệch giữa trung tính nguồn DC và lưới. Trong hệ thống 3 pha cân bằng thì VGN =0. Khi chuyển sang hệ tọa độ đồng bộ dq thì quan hệ giữa điện áp và dòng điện được thể hiện như hình 2.

Quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong hệ tọa độ đồng bộ dq Các đại lượng 3 pha trong hệ tọa độ abc được chuyển sang hệ tọa đồng bộ dq như sau: Va  Vd  2  sin  sin   2 / 3 sin   2 / 3   V    cos  2 / 3 cos  2 / 3   Vb (2.4)  q  3 cos Vc  Điện áp khi đó sẽ được viết lại như sau: did  Vid  Rid  L  Liq  Vgd  dt   diq (2.5) Viq  Riq  L  Lid  Vgq  dt  Và dòng điện bơm vào lưới được xác định theo công suất như (2.