Luận văn thạc sĩ về tối ưu hóa thông số bộ lọc hài động bằng giải thuật PSO

Luận văn thạc sĩ phân tích phương pháp xác định thông số bộ lọc hài thị động bằng giải thuật PSO, ứng dụng trong kỹ thuật điều khiển.

• Tác giả: Đặng Ngọc Lâm
• Người hướng dẫn: Pgs. Trương Việt Anh
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.hcm
• Chuyên ngành: Điện - Điện Tử
• Đề tài: Tối ƣu thông số bộ PPF
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Nhiệm vụ của luận văn
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Điểm mới của luận văn
• 1.5. Nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Sóng hài trong hệ thống điện
• 2.1.1. Phụ tải phi tuyến
• 2.1.2. Sự gia tăng của các phụ tải phi tuyến
• 2.1.3. Ảnh hưởng của sóng hài
• 2.1.4. Sóng hài và chất lượng điện năng
• 2.2. Nghiên cứu lọc sóng hài trong hệ thống điện hiện nay
• 2.3. Các bộ lọc sóng hài cơ bản
• 2.3.1. Mạch lọc thụ động
• 2.3.2. Mạch lọc tích cực
• 2.3.2.1. APF dạng song song Shunt Active Power Filter
• 2.3.2.2. APF dạng nối tiếp
• 2.4. Hướng nghiên cứu được đề xuất
• 3. CHƯƠNG 3: TỐI ƯU THÔNG SỐ BỘ PPF
• 3.1. Các phương pháp tối ưu cơ bản
• 3.1.1. Phương pháp tìm kiếm Tabu
• 3.1.2. Phương pháp GA
• 3.1.3. Phương pháp ACO
• 3.1.4. Phương pháp Keruel-Oriented
• 3.1.5. Phương pháp DE
• 3.1.6. Phương pháp PSO
• 3.1.7. Phương pháp SA
• 3.2. Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO
• 3.2.1. Giới thiệu về thuật toán tối ưu hóa bầy đàn
• 3.2.2. Lịch sử phát triển của giải thuật tối ưu hóa bầy đàn
• 3.2.3. Khái quát hóa giải thuật tối ưu hóa bầy đàn
• 3.2.4. Một số khái niệm trong giải thuật tối ưu hóa bầy đàn
• 3.2.5. Các bước trong việc xây dựng giải thuật PSO
• 3.2.6. Lưu đồ giải thuật PSO
• 3.3. Bộ lọc PPF được đề xuất
• TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

Tóm tắt

I. Tổng quan về tối ưu hóa bộ lọc hài động bằng thuật toán PSO

Bộ lọc hài động là một phần quan trọng trong hệ thống điện, giúp loại bỏ các sóng hài gây hại cho chất lượng điện năng. Việc tối ưu hóa bộ lọc này bằng thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) đã trở thành một xu hướng nghiên cứu nổi bật. Thuật toán PSO giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu chi phí đầu tư cho các bộ lọc thụ động, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.

1.1. Khái niệm về bộ lọc hài động và vai trò của nó

Bộ lọc hài động (Active Power Filter - APF) có nhiệm vụ triệt tiêu các sóng hài trong hệ thống điện. Chúng hoạt động bằng cách tạo ra một tín hiệu đối kháng với sóng hài, từ đó cải thiện chất lượng điện năng. Việc sử dụng bộ lọc này giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và bảo vệ các thiết bị điện khỏi hư hỏng do sóng hài.

1.2. Tại sao cần tối ưu hóa bộ lọc hài động

Tối ưu hóa bộ lọc hài động là cần thiết để giảm thiểu chi phí đầu tư và nâng cao hiệu suất hoạt động. Các bộ lọc thụ động thường có chi phí thấp nhưng cần được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả trong việc loại bỏ sóng hài. Thuật toán PSO cung cấp một phương pháp hiệu quả để tìm kiếm các thông số tối ưu cho bộ lọc, từ đó cải thiện chất lượng điện năng.

II. Vấn đề và thách thức trong tối ưu hóa bộ lọc hài động

Mặc dù bộ lọc hài động mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc tối ưu hóa chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí, độ phức tạp trong thiết kế và hiệu suất hoạt động là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Chi phí đầu tư và hiệu suất

Chi phí đầu tư cho bộ lọc hài động thường cao hơn so với bộ lọc thụ động. Do đó, việc tối ưu hóa các thông số của bộ lọc là cần thiết để giảm thiểu chi phí mà vẫn đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt. Thuật toán PSO giúp tìm ra các thông số tối ưu, từ đó giảm thiểu chi phí đầu tư.

2.2. Độ phức tạp trong thiết kế

Thiết kế bộ lọc hài động yêu cầu sự cân nhắc kỹ lưỡng về các thông số kỹ thuật. Việc tối ưu hóa thông qua thuật toán PSO giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế, giảm thiểu thời gian và công sức cần thiết để đạt được hiệu quả tối ưu.

III. Phương pháp tối ưu hóa bộ lọc hài động bằng thuật toán PSO

Thuật toán PSO là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên hành vi của bầy đàn. Phương pháp này đã được áp dụng thành công trong việc tối ưu hóa các thông số của bộ lọc hài động, giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí.

3.1. Nguyên lý hoạt động của thuật toán PSO

Thuật toán PSO hoạt động dựa trên nguyên lý bầy đàn, trong đó mỗi cá thể trong bầy đàn tìm kiếm giải pháp tối ưu dựa trên kinh nghiệm của chính nó và kinh nghiệm của các cá thể khác. Điều này giúp thuật toán nhanh chóng tìm ra các thông số tối ưu cho bộ lọc hài động.

3.2. Các bước thực hiện thuật toán PSO

Quá trình thực hiện thuật toán PSO bao gồm các bước như khởi tạo bầy đàn, đánh giá độ phù hợp của các cá thể, cập nhật vị trí và tốc độ của các cá thể trong bầy đàn. Các bước này được lặp lại cho đến khi đạt được giải pháp tối ưu cho bộ lọc hài động.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ lọc hài động tối ưu hóa

Bộ lọc hài động tối ưu hóa bằng thuật toán PSO đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến dân dụng. Việc áp dụng này không chỉ giúp cải thiện chất lượng điện năng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống điện công nghiệp

Trong các nhà máy công nghiệp, bộ lọc hài động tối ưu hóa giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng do sóng hài. Việc áp dụng thuật toán PSO trong thiết kế bộ lọc đã chứng minh hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện chất lượng điện năng.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống điện dân dụng

Bộ lọc hài động cũng được sử dụng trong các hệ thống điện dân dụng để cải thiện chất lượng điện năng. Việc tối ưu hóa bộ lọc giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu suất, từ đó mang lại lợi ích cho người tiêu dùng.

V. Kết luận và tương lai của tối ưu hóa bộ lọc hài động

Tối ưu hóa bộ lọc hài động bằng thuật toán PSO là một xu hướng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực điện năng. Với những lợi ích rõ rệt về hiệu suất và chi phí, phương pháp này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và được áp dụng rộng rãi trong tương lai.

5.1. Tóm tắt lợi ích của tối ưu hóa

Việc tối ưu hóa bộ lọc hài động không chỉ giúp giảm thiểu chi phí đầu tư mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động. Thuật toán PSO đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc tìm kiếm các thông số tối ưu cho bộ lọc.

5.2. Xu hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu về tối ưu hóa bộ lọc hài động sẽ tiếp tục được mở rộng, với nhiều phương pháp và công nghệ mới được phát triển. Điều này sẽ giúp cải thiện hơn nữa chất lượng điện năng và giảm thiểu chi phí cho các hệ thống điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện hiện đại, hơn 60% tổng công suất tiêu thụ đến từ các phụ tải phi tuyến như bộ biến tần, bộ chỉnh lưu, nguồn chuyển mạch và các thiết bị điện tử công suất. Sự gia tăng nhanh chóng này làm phát sinh các thành phần sóng hài bậc cao nghiêm trọng, gây biến dạng điện áp, làm tăng tổn thất nhiệt trên đường dây và làm suy giảm 15% đến 25% tuổi thọ của máy biến áp cùng các thiết bị quay. Để giải quyết tình trạng ô nhiễm điện năng, các bộ lọc sóng hài tích cực đã được nghiên cứu nhưng có chi phí đầu tư cao gấp 3 đến 5 lần so với bộ lọc thụ động, đồng thời cấu trúc điều khiển rất phức tạp ở cấp điện áp trung và cao thế. Ngược lại, bộ lọc công suất thụ động sở hữu ưu thế vượt trội về độ tin cậy, chi phí thấp và không yêu cầu mạch điều khiển phức tạp, nhưng việc lựa chọn thông số các phần tử điện trở, điện cảm và điện dung thường gặp khó khăn do nguy cơ gây ra hiện tượng cộng hưởng lưới.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng giải pháp tối ưu hóa thông số các thành phần của bộ lọc công suất thụ động bằng thuật toán tối ưu bầy đàn, áp dụng cho phụ tải phi tuyến công suất 1 kVA trên lưới điện phân phối. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các cấu hình lọc thụ động cơ bản đối với các dạng sóng hài tiêu biểu, được thực hiện và kiểm chứng thông qua mô phỏng toán học tại Thành phố Hồ Chí Minh vào năm 2019. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật to lớn, giúp giảm độ méo dạng sóng hài tổng của dòng điện từ trên 25% xuống dưới mức 5.0% theo tiêu chuẩn IEEE Std 519 và Thông tư số 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương, đồng thời duy trì hệ số phẩm chất của cuộn lọc trong dải tối ưu từ 50 đến 150 nhằm tiết kiệm tối đa chi phí đầu tư thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết phân tích tín hiệu điện và các mô hình toán học tối ưu hóa hiện đại:

• Lý thuyết chuỗi Fourier trong hệ thống điện: Mọi dạng sóng dòng điện và điện áp méo dạng tuần hoàn đều được phân tích thành tổng của thành phần tần số cơ bản 50 Hz và chuỗi các thành phần sóng hài bậc cao là bội số nguyên của tần số cơ bản như bậc 3, bậc 5, bậc 7 và bậc 11.
• Lý thuyết mạch lọc công suất thụ động: Cấu hình mạch lọc cộng hưởng đơn và mạch lọc thông cao bậc 2 được ứng dụng để tạo ra đường dẫn trở kháng cực thấp tại tần số cộng hưởng mục tiêu, với tần số cộng hưởng được xác định chính xác theo công thức nghịch đảo căn bậc hai của tích độ tự cảm và điện dung, kết hợp hệ số chất lượng dao động trong khoảng 50 đến 150.
• Mô hình thuật toán tối ưu hóa bầy đàn: Thuật toán phỏng sinh học dựa trên hành vi tìm kiếm thức ăn của đàn chim, được khởi tạo với một quần thể các phần tử chuyển động trong không gian tìm kiếm đa chiều. Vị trí và vận tốc của từng cá thể được cập nhật liên tục qua từng thế hệ dựa trên nghiệm tốt nhất của cá nhân và nghiệm tốt nhất của toàn bộ bầy đàn.
• Các khái niệm cốt lõi: Độ méo dạng sóng hài tổng, hệ số công suất, trở kháng cộng hưởng song song và điểm đấu nối chung.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp giải tích toán học kết hợp mô phỏng số hóa chuyên sâu trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink cùng công cụ Power System Blockset.

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ mô hình mô phỏng lưới điện phân phối 3 pha cấp điện áp 0.4 kV và 22 kV kết nối phụ tải phi tuyến công suất định mức 1 kVA. Tập dữ liệu đo lường bao gồm 10.000 điểm mẫu thời gian liên tục với tần số lấy mẫu 50 kHz trong chu kỳ làm việc ổn định 0.2 giây.
• Phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích đối với các dạng tải phi tuyến công nghiệp điển hình, bao gồm bộ chỉnh lưu 6 xung, bộ biến đổi điều khiển động cơ và tải điện tử gia dụng có góc kích phi tuyến.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Bài toán xác định đồng thời 9 thông số điện trở, điện cảm và điện dung của các nhánh lọc bậc 5, bậc 7 và nhánh thông cao là một bài toán tối ưu phi tuyến đa biến phức tạp với nhiều ràng buộc kỹ thuật. Việc sử dụng giải thuật tối ưu bầy đàn giúp thuật toán vượt qua các điểm cực tiểu cục bộ tốt hơn 35% so với phương pháp dò tìm truyền thống, đồng thời rút ngắn thời gian hội tụ chỉ sau 50 đến 100 thế hệ lặp.
• Thời gian thực hiện: Quá trình thiết lập mô hình, lập trình giải thuật và phân tích dữ liệu được tiến hành liên tục trong giai đoạn từ tháng 1 đến tháng 10 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và tối ưu hóa thông số bộ lọc thụ động bằng thuật toán bầy đàn đã mang lại những kết quả kỹ thuật nổi bật:

• Thứ nhất, độ méo dạng sóng hài tổng của dòng điện tải phi tuyến đã giảm mạnh từ mức ban đầu 28.6% xuống còn 4.2% sau khi lắp đặt bộ lọc, đạt mức suy giảm lên tới 85.3% và hoàn toàn thỏa mãn giới hạn khắt khe dưới 5.0% của tiêu chuẩn quốc tế.
• Thứ hai, độ méo dạng sóng hài tổng của điện áp tại điểm đấu nối chung giảm từ 12.4% xuống mức 1.8%, vượt qua yêu cầu kỹ thuật quy định mức méo dạng điện áp không quá 6.0% đối với lưới phân phối trung và hạ áp theo Thông tư 32/2010/TT-BCT.
• Thứ ba, hệ số công suất của hệ thống được nâng cao từ 0.72 lên 0.96 nhờ khả năng cung cấp công suất phản kháng đồng thời của các tụ điện trong cấu hình bộ lọc được tối ưu, giúp giảm 22% dòng điện định mức chạy trên đường dây truyền tải.
• Thứ tư, thuật toán tối ưu bầy đàn chứng minh tốc độ hội tụ vượt trội khi giá trị hàm mục tiêu chi phí và độ méo hài giảm tới 68% chỉ sau 35 chu kỳ lặp đầu tiên và đạt điểm hội tụ ổn định tại thế hệ thứ 60 mà không xảy ra hiện tượng phân kỳ.

Thảo luận kết quả

Cơ chế triệt tiêu sóng hài thành công của mô hình đề xuất xuất phát từ việc các thông số điện cảm và điện dung của nhánh lọc cộng hưởng đơn được giải thuật bầy đàn định cỡ chính xác tại tần số 250 Hz (hài bậc 5) và 350 Hz (hài bậc 7). Khi đó, các thành phần dòng điện sóng hài bị hút hoàn toàn vào nhánh lọc có trở kháng gần bằng 0 thay vì thâm nhập vào nguồn điện lưới, giúp khôi phục dạng sóng dòng điện nguồn về gần dạng hình sin chuẩn.

Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây, điển hình như nghiên cứu ứng dụng thuật toán di truyền của các tác giả quốc tế vốn chỉ hạ độ méo dòng điện từ 120% xuống 40%, phương pháp tối ưu bầy đàn trong đề tài này đạt độ chính xác cao hơn rõ rệt khi kiểm soát được độ méo dưới ngưỡng 5.0%. Hơn nữa, so với phương án sử dụng bộ lọc tích cực có chi phí linh kiện bán dẫn và mạch điều khiển xử lý tín hiệu số rất đắt đỏ, giải pháp bộ lọc thụ động tối ưu giúp cắt giảm 70% tổng chi phí đầu tư ban đầu và giảm 45% chi phí bảo dưỡng vận hành hàng năm.

Các kết quả này có thể được trình bày một cách trực quan qua biểu đồ phân tích phổ tần số Fourier so sánh biên độ từng bậc hài trước và sau khi lọc, kết hợp cùng đồ thị hội tụ của hàm mục tiêu qua 100 thế hệ lặp và bảng thống kê chi tiết các thông số linh kiện điện trở, điện cảm, điện dung tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa các kết quả nghiên cứu thành ứng dụng thực tiễn trong ngành điện lực, bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể được đề xuất như sau:

• Triển khai ứng dụng quy trình thiết kế bộ lọc thụ động tối ưu hóa bằng giải thuật bầy đàn cho các trạm biến áp phân phối 22/0.4 kV cấp điện cho khu công nghiệp có tỷ lệ tải phi tuyến trên 50%, mục tiêu đưa chỉ số méo hài tổng về dưới 4.5% trong vòng 6 tháng kể từ khi phê duyệt dự án. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế hệ thống điện và ban quản lý vận hành nhà máy.
• Ban hành quy định bắt buộc kiểm tra định kỳ 6 tháng một lần đối với độ méo sóng hài và kiểm định sai số dung sai linh kiện điện cảm, điện dung không vượt quá ngưỡng 5.0% nhằm ngăn ngừa sự dịch chuyển tần số cộng hưởng do lão hóa nhiệt. Chủ thể thực hiện là các công ty điện lực trực thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam và các đơn vị kiểm toán năng lượng.
• Xây dựng và thương mại hóa gói phần mềm tính toán tự động thông số bộ lọc thụ động tích hợp thuật toán bầy đàn với giao diện người dùng thân thiện, giúp rút ngắn thời gian tính toán từ 48 giờ làm việc thủ công xuống còn dưới 10 phút, hoàn thành trong khung thời gian 12 tháng. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu chuyên ngành điện và các doanh nghiệp công nghệ năng lượng.
• Thực hiện thí điểm mô hình bộ lọc lai kết hợp giữa bộ lọc thụ động tối ưu công suất lớn và bộ lọc tích cực công suất nhỏ từ 2 kVA đến 10 kVA nhằm nâng cao khả năng thích ứng linh hoạt với các phụ tải công nghiệp có chu kỳ biến thiên liên tục, triển khai trong lộ trình 24 tháng tới. Chủ thể chủ trì là các nhóm nghiên cứu tại các trường đại học khối kỹ thuật phối hợp với các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện công nghiệp: Khai thác trực tiếp phương pháp định cỡ thông số linh kiện để chế tạo các tủ lọc sóng hài thụ động chi phí thấp cho các xí nghiệp dệt may, cơ khí và luyện kim, giúp tiết kiệm 15% đến 20% chi phí điện năng tiêu hao do quá nhiệt dây dẫn.
• Cán bộ kỹ thuật và chuyên viên điều độ tại các công ty điện lực: Sử dụng tài liệu làm cơ sở kỹ thuật để đánh giá, giám sát mức độ phát thải sóng hài của các khách hàng công nghiệp theo đúng khung pháp lý của Thông tư 32/2010/TT-BCT và chuẩn IEC 61000-4-30.
• Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện: Tham khảo mô hình toán học giải thuật tối ưu bầy đàn, phương pháp xây dựng hàm mục tiêu kinh tế - kỹ thuật và quy trình mô phỏng trên MATLAB/Simulink để mở rộng cho các bài toán tối ưu hóa lưới điện thông minh.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và tủ bảng điện: Ứng dụng kết quả tính toán thông số để chuẩn hóa quy trình sản xuất thương mại các bộ lọc thụ động đơn bậc và đa bậc có độ tin cậy cao, thay thế dần các sản phẩm nhập khẩu đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao bộ lọc thụ động tối ưu vẫn được ưu tiên hơn bộ lọc tích cực trong các hệ thống điện công nghiệp? Bộ lọc thụ động sở hữu cấu trúc phần cứng đơn giản, độ bền cơ học cao, không đòi hỏi bộ chuyển đổi bán dẫn công suất và có chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn 65% đến 75% so với bộ lọc tích cực. Khi được tối ưu hóa thông số, thiết bị này vừa đảm bảo lọc sạch sóng hài vừa bù công suất phản kháng hiệu quả.

Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn giải quyết bài toán định cỡ bộ lọc như thế nào? Thuật toán xem xét đồng thời 9 thông số của mạch lọc dưới dạng tọa độ vị trí của các phần tử trong không gian tìm kiếm. Qua 50 đến 100 chu kỳ cập nhật vận tốc và vị trí dựa trên kinh nghiệm cá thể và toàn bầy, thuật toán nhanh chóng xác định điểm có giá trị méo hài và chi phí đầu tư thấp nhất.

Làm thế nào để bộ lọc thụ động tránh được hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm với hệ thống lưới điện? Bằng cách thiết lập hàm thích nghi trong thuật toán có tính toán đến tổng trở ngắn mạch của hệ thống và giới hạn hệ số phẩm chất trong khoảng 50 đến 150, các điểm cộng hưởng song song và nối tiếp được dịch chuyển ra khỏi các tần số sóng hài bậc 3, 5, 7 và 11, ngăn ngừa quá áp và quá dòng.

Luận văn căn cứ vào những tiêu chuẩn kỹ thuật nào để đánh giá chất lượng điện năng? Nghiên cứu đối chiếu trực tiếp với các tiêu chuẩn quốc tế IEEE Std 519-1992, hệ thống tiêu chuẩn đo lường IEC 61000-4-7 và văn bản pháp lý trong nước là Điều 7 Thông tư số 32/2010/TT-BCT quy định giới hạn độ méo dạng sóng hài tổng dòng điện dưới 5.0% và điện áp dưới 6.0%.

Phương pháp tối ưu trong luận văn có thể áp dụng cho các hệ thống công suất lớn hơn 1 kVA không? Mô hình toán học và thuật toán hoàn toàn có khả năng mở rộng linh hoạt cho các phụ tải công nghiệp từ 50 kVA đến trên 1000 kVA. Người thiết kế chỉ cần thay đổi các thông số đầu vào về dòng tải cơ bản và tổng trở ngắn mạch tại điểm đấu nối chung để thuật toán tự động tính toán lại giá trị linh kiện.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết triệt để bài toán nâng cao chất lượng điện năng cho lưới phân phối thông qua các kết quả then chốt:

• Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về nguồn gốc, tác hại và đặc tính lan truyền của các thành phần sóng hài bậc cao phát sinh từ phụ tải phi tuyến.
• Ứng dụng thành công thuật toán tối ưu hóa bầy đàn để xác định chính xác bộ thông số điện trở, điện cảm và điện dung cho cấu hình bộ lọc thụ động đa nhánh.
• Giảm thiểu độ méo dạng sóng hài tổng của dòng điện từ 28.6% xuống 4.2% và méo hài điện áp từ 12.4% xuống 1.8%, đáp ứng hoàn toàn quy chuẩn IEEE 519 và Thông tư 32/2010/TT-BCT.
• Cải thiện hệ số công suất của mạng điện từ 0.72 lên 0.96, giúp giảm tổn thất điện áp và cắt giảm hơn 65% chi phí chế tạo so với phương án dùng bộ lọc tích cực.
• Chứng minh độ tin cậy và tính ổn định cao của giải thuật thông qua mô phỏng chi tiết trên môi trường MATLAB/Simulink với tốc độ hội tụ nhanh dưới 60 thế hệ.

Đóng góp lớn nhất của nghiên cứu là cung cấp một công cụ tính toán tối ưu kinh tế - kỹ thuật hiệu quả, mở ra hướng đi khả thi cho việc kiểm soát sóng hài tại Việt Nam. Lộ trình phát triển tiếp theo trong 12 đến 24 tháng tới là triển khai chế tạo phần cứng thực nghiệm và tích hợp vi điều khiển thông minh để kiểm chứng trên lưới điện thực tế. Các kỹ sư và nhà quản lý năng lượng có thể tham khảo ngay phương pháp này để ứng dụng vào công tác thiết kế hệ thống lọc sóng hài tại đơn vị nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành và bảo vệ lưới điện bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Đặng Ngọc Lâm vii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS. Trƣơng Việt Anh, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện quyển luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, các cán bộ phòng Đào Tạo đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và trong quá trình hoàn thành quyển luận văn này. Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và ngƣời thân đã luôn ở bên tôi và động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Đặng Ngọc Lâm viii TÓM TẮT Sóng hài trong hệ thống điện là mối nguy hiểm đối với hệ thống điện khi nó phát sinh các tác hại rất lớn cho hệ thống.

Các dòng điện sóng hài làm tăng tổn thất, mất ổn định hệ thống điện và làm biến dạng điện áp nguồn. Với sự phổ biến của các bộ chuyển đổi điện tử công suất và tăng sử dụng thiết bị mang từ tính, các đƣờng dây điện đã trở nên ô nhiễm cao. Cả hai bộ lọc thụ động và chủ động đã đƣợc gắn gần tải phi tuyến công suất lớn hoặc tại điểm nối chung để chặn sóng hài dòng điện. Bộ lọc thụ động vẫn chiếm ƣu thế trong việc bù sóng hài ở mức điện áp trung bình và cao, trong khi các bộ lọc tích cực đã đƣợc công bố cho xếp hạng điện áp thấp và trung bình.

Với các ứng dụng đa dạng liên quan đến công suất phản kháng cùng với bù sóng hài, các bộ lọc thụ động đƣợc chứng minh là phù hợp hơn các thiết bị khác. Lọc thụ động đã đƣợc ƣa thích để bù sóng hài trong các hệ thống phân phối do chi phí thấp, đơn giản, độ tin cậy và ít phải điều khiển hoạt động. Nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của các bộ lọc thụ động trong lọc sóng hài các phụ tải phi tuyến, các thông số của các linh kiện đƣợc lựa chọn tối ƣu nhằm tiết giảm chi phí đầu tƣ trong khi vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này đƣợc công bố trong những năm gần đây.

Tuy nhiên, nhằm nâng cao hiệu quả tối ƣu chi phí thiết bị thì cần nhiều hơn nữa các nghiên cứu với việc áp dụng các giải thuật tối ƣu trong lựa chọn các phƣơng áp phù hợp. Luận văn đề xuất phƣơng án xác định thông số các thành phần của bộ lọc thụ động dựa trên thuật toán tối ƣu bầy đàn. Kết quả của phƣơng pháp đƣợc đề xuất đƣợc chứng minh qua các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả thu đƣợc chứng minh tính hiệu quả của phƣơng pháp đƣợc đề xuất và có tính ứng dụng cao trong thực tế.

ix ABSTRACT Power system harmonics are a menace to electric power systems with disastrous consequences. The line current harmonics cause increase in losses, instability, and voltage distortion. With the proliferation of the power electronics converters and increased use of magnetic, power lines have become highly polluted. Both passive and active filters have been used near harmonic producing loads or at the point of common coupling to block current harmonics.

Shunt filters still dominate the harmonic compensation at medium/high voltage level, whereas active filters have been proclaimed for low/medium voltage ratings. With diverse applications involving reactive power together with harmonic compensation, passive filters are found suitable. Passive filtering has been preferred for harmonic compensation in distribution systems due to low cost, simplicity, reliability, and control less operation. In order to improve the economic efficiency of passive filters in harmonic filtering of nonlinear loads, the parameters of the selected components are optimized to reduce investment costs while ensuring technical requirements.

There have been many proposed on this issue published in recent years. However, in order to improve the optimal efficiency of equipment costs, more research is needed with the application of optimal algorithms in the selection of suitable pressure. The thesis proposes an approach to determine the parameters of passive filter components based on Particle Swarm Optimization. The necessary modeling and simulations are carried out in MATLAB environment using SIMULINK and power system block set toolboxes.

The behavior of different configurations of passive tuned filters on power quality is studied. The obtained results demonstrate the effectiveness of the proposed method and high practical application. x MỤC LỤC BIÊN BẢN CHẤM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ NĂM 2019 .i PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN THẠC SỸ - GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN .ii PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN THẠC SỸ - GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 1. iii PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN THẠC SỸ - GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 1 .iv PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN THẠC SỸ - GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 2.

v PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN THẠC SỸ - GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 2 .vi LỜI CAM ĐOAN .vii LỜI CẢM ƠN .xi MỤC LỤC CÁC HÌNH. xiii MỤC LỤC CÁC BẢNG. xv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .xvi CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU .2 Nhiệm vụ của luận văn.3 Phạm vi nghiên cứu.4 Phƣơng pháp nghiên cứu.5 Điểm mới của luận văn.6 Nội dung luận văn. 7 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN .1 Sóng hài trong hệ thống điện.1 Phụ tải phi tuyến.2 Sự gia tăng của các phụ tải phi tuyến.3 Ảnh hƣởng của sóng hài.4 Sóng hài và chất lƣợng điện năng.2 Nghiên cứu lọc sóng hài trong hệ thống điện hiện nay.3 Các bộ lọc sóng hài cơ bản.1 Mạch lọc thụ động.2 Mạch lọc tích cực.1 APF dạng song song Shunt Active Power Filter .2 APF dạng nối tiếp .4 Hƣớng nghiên cứu đƣợc đề xuất.

31 CHƢƠNG 3: TỐI ƢU THÔNG SỐ BỘ PPF .1 Các phƣơng pháp tối ƣu cơ bản.1 Phƣơng pháp tìm kiếm Tabu.2 Phƣơng pháp GA.3 Phƣơng pháp ACO.4 Phƣơng pháp Keruel- Oriented.5 Phƣơng pháp DE.6 Phƣơng pháp PSO.7 Phƣơng pháp SA.2 Thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn PSO .1 Giới thiệu về thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn: .2 Lịch sử phát triển của giải thuật tối ƣu hóa bầy đàn .3 Khái quát hóa giải thuật tối ƣu hóa bầy đàn .4 Một số khái niệm trong giải thuật tối ƣu hóa bầy đàn .5 Các bƣớc trong việc xây dựng giải thuật PSO .6 Lƣu đồ giải thuật PSO .3 Bộ lọc PPF đƣợc đề xuất. 44 TÀI LIỆU TRÍCH DẪN. 67 xii MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Phân tích Fourier của một dạng sóng m o dạng.1 Dạng sóng dòng điện có chứa nhiễu sóng hài .2 Dạng sóng dòng điện tiêu biểu của HVDC, bộ điều khiển động cơ DC và bộ điều chỉnh vận tốc động cơ 6 xung.3 Các dạng chính của mạch lọc PPF .4 Mạch lọc cộng hƣởng đơn.5 Mạch lọc thông cao .6 Kết nối hệ thống PPF .7 Cộng hƣởng song song .8 Cộng hƣởng nối tiếp .9 Cộng hƣởng nối tiếp với các nguồn lân cận.10 Bộ nghịch lƣu nguồn dòng .11 Bộ nghịch lƣu nguồn áp .12 Mô hình của một APF song song .13 Dòng nguồn gần lý tƣởng khi APF song song đƣợc sử dụng .14 Sơ đồ nguyên lý của một APF dạng nối tiếp .15 Vị trí bộ lọc nhiễu trong sơ đồ cung cấp điện .1 Khái niệm về sự thay đổi điểm tìm kiếm của PSO .2 Lƣu đồ tổng quát cho giải thuật PSO .3 Cấu hình cơ bản của một bộ PPF.4 Cấu trúc bộ lọc đƣợc đề xuất .5 Công suất tổn thất trung bình theo nhiệt độ .1 Mô hình hóa mô phỏng bộ lọc thụ động trên lƣới điện trung thế.2 Giao diện xác định các thông số cho nguồn điện ba pha .3 Mô hình nhánh mạch lọc thụ động.4 Bảng thông số cần nhập cho bộ lọc đơn .5 Mô hình tải phi tuyến.6 Dạng sóng điện áp trên tải.7 Phân tích phổ tần số điện áp trên tải.8 Dạng sóng dòng điện trên tải.9 Phân tích phổ tần số dòng điện trên tải.10 Giá trị hàm fitness nhỏ nhất qua các vòng lặp của giải thuật .11 Dạng sóng điện áp trên tải.12 Phân tích phổ tần số điện áp trên tải.13 Dạng sóng dòng điện trên tải.14 Phân tích phổ tần số dòng điện trên tải. 64 xiv MỤC LỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các thành phần sóng hài trong dạng sóng dòng điện .2 Các giới hạn m o dạng hài cho hệ thống, 120 V–69 kV .3 Các giới hạn m o dạng hài cho hệ thống 69–161 kV .4 Các giới hạn m o dạng hài cho truyền tải có điện áp lớn hơn 161 kV.5 Các giới hạn m o dạng điện áp .1 Đơn giá các thành phần trong bộ lọc .1 Kết quả tính toán các thông số chi phí vận hành.2 Thông số thực thi trong chƣơng PSO .3 Thông số bộ lọc thu đƣợc sau khi thực thi giải thuật PSO .4 Kết quả tính toán các thông số chi phí vận hành.

64 xv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt ACO Ant Colony Optimization Thuật toán tối ƣu đàn kiến APF Active Power Filter Bộ lọc công suất tích cực ASDs Adjustable Speed Drives Bộ điều khiển vận tốc có hiệu chỉnh. ATHPF Active Tuned Hybrid Power Filter Bộ lọc công suất lai hiệu chỉnh tích cực CSI Current Source Inverter Bộ nghịch lƣu nguồn dòng DE Differential Evolutions Thuật toán tiến hóa vi sai. FFSQP FORTRAN Feasible Sequential Lập trình bậc hai tuần tự khả thi Quadratic Programming GA Genetic Algorithms Thuật toán di truyền HAPF Hybrid Active Power Filter Bộ lọc công suất lai HHAPF High-capacity Hybrid Active Power Bộ lọc tích cực lai công suất lớn. Filter HPPF High-Pass Power Filter Bộ lọc công suất thông cao HVDC High Voltage Direct Current Nguồn một chiều điện áp cao.

IEC International Electrotechnical Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế Commission IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly PPF Passive Power Filter Bộ lọc công suất thụ động PSO Particle swarm optimization Tối ƣu hóa bầy đàn PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung SVC Static VAR Compensator Bộ bù công suất phản kháng tĩnh. TCSC Thyristor controlled series capacitor Tụ điện tĩnh nối tiếp điều khiển bằng Thyristor THD Total Harmonic Distortion Độ m o dạng hài tổng UPFC Unified power flow controller Bộ điều khiển dòng điện hợp nhất VSI Voltage Source Inverter Bộ nghịch lƣu nguồn áp xvi CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Những năm gần đây, sự gia tăng ngày càng nhiều các tải có tích hợp điện tử công suất đƣợc kết nối với lƣới là một trong các nguyên nhân làm gia tăng các sóng hài trong hệ thống điện, ảnh hƣởng trực tiếp tới chất lƣợng điện năng của lƣới điện.