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 
11 
Xây dựng giải pháp điều khiển thích nghi hội tụ nhanh 
để thiết kế bộ lọc tích cực 3 pha 
Solution to creating filter to control fast stability of electric power system 
ThS. Huỳnh Lê Minh Thiện, 
Trường Đại học Sài Gòn 
TS. Hồ Văn Cừu, 
 Trường Đại học Sài Gòn 
TS. Trần Thanh Vũ, 
 Trường Đại học Giao thông vận tải TP.HCM 
M.Sc. Huynh Le Minh Thien, 
Sai Gon University 
Ph.D. Ho Van Cuu, 
Sai Gon University 
Ph.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