Điều khiển mờ lai áp dụng cho biến tần một pha nối lưới - Lại Khắc Lãi

Lại Khắc Lãi Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 147 - 152 147 ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ÁP DỤNG CHO BIẾN TẦN MỘT PHA NỐI LƯỚI Lại Khắc Lãi* Đại học Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo đề xuất một bộ điều khiển dòng điện sử dụng lôgic mờ cho biến tần kết nối với lưới điện. Trong bộ điều khiển PI để điều khiển biến tần nối lưới, độ khuếch đại của bộ khâu P được thay đổi với sự trợ giúp của các thuật toán logic mờ để có được đáp ứng quá độ nhanh bất chấp các biến đổi đầu vào và nhiễu phụ tải. Đầu vào của bộ điều khiển logic mờ là sai lệch dòng điện đo được và giá trị đặt trong trong hệ tọa độ quay. Hiệu quả của các chiến lược điều khiển đề xuất đã được xác nhận qua kết quả mô phỏng với phần mềm Psim - Matlab và được so sánh với các bộ điều khiển PI thông thường. Từ khóa: Điều khiển dòng điện. Logic mờ, Nối lưới, Bộ điều khiển PI, Psim-Matlab. GIỚI THIỆU Biến tần nối lưới là một loại đặc biệt của biến tần có thể chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều và nối nó vào lưới điện hiện hành. Các bộ biến tần nối lưới cần có một số tính năng như điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng với dòng năng lượng hai hướng, điều khiển hệ số công suất với điện áp/dòng điện ra hình sin chất lượng cao. Ngoài ra, nó có thể hỗ trợ bảo vệ các thiết bị điện trong trường hợp xảy ra lỗi lưới . Cấu trúc chung của biến tần nguồn áp 1 pha kết nối lưới được chỉ ra trên hình 1. Trong đó, bộ chuyển đổi DC-AC là ngịch lưu cầu một pha đầy đủ sử dụng 4 MOFET hoặc 4 GJB. Đầu vào biến tần là nguồn áp một chiều (pin mặt trời, acqui hoặc là đầu ra của bộ chỉnh lưu). Đầu ra của biến tần được kết nối với lưới điện thông qua bộ lọc thông thấp (lọc LC hoặc LCL hoặc bộ lọc L trong trường hợp đơn giản) để đưa năng lượng vào lưới. Khi đầu ra biến tần cắt khỏi lưới, nó sẽ cung cấp năng lượng cho tải cục bộ. Do vậy bộ điều khiển biến tần được chia thành chế độ làm việc độc lập và chế độ nối lưới. Để điều khiển biến tần trong cả chế độ làm việc độc lập cũng như chế độ nối lưới, các giá trị điện áp và dòng điện của biến tần được chuyển thành các giá trị tương ứng trong hệ tọa độ quay thông qua phép biến đổi Park thuận. Điện áp ra của bộ điều chỉnh là các giá trị Ud và Uq, chúng được đưa tới chuyển đổi ngược Park ngược. Đầu ra của chuyển đổi Park ngược là các giá trị Uα và Uβ được đưa tới bộ điều chế rộng xung hình sin (SPWM). Đầu ra của khối SPWM là tín hiệu điều khiển các khóa chuyển đổi của biến tần. Hình 1. Sơ đồ khối điều khiển biến tần một pha nối lưới* * Tel: 0913507464; Email: laikhaclai@gmail.com Ug Ubus Lưới AC DC ∼ SPWM ϑ Điều khiển điện áp Điều khiển dòng điện PLL Uα Uβ Tải Lại Khắc Lãi Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 147 - 152 148 Chế độ làm việc độc lập: Ở chế độ làm việc độc lập, biến tần cần phải liên tục cung cấp điện áp phù hợp với điện áp lưới điện cho tải cục bộ. Để thực hiện điều này, ta sử dụng vòng khóa pha (PLL) để phát hiện tần số và góc pha của điểm kết nối chung điện áp. Thành phần Ugd của điện áp lưới được căn chỉnh theo véc tơ điện áp đầu ra của biến tần. Góc pha của biến tần được xác định bằng cách tích phân của tổng tần số bù và tần số điện áp lưới. Mặt khác, bộ điều khiển điện áp được áp dụng để đồng bộ hóa điện áp đầu ra của biến tần với biên độ điện áp lưới. Quá trình điều khiển được mô tả trong hình 1. Thực tế các thành phần điện áp p và q của biến tần (Ud-inv và Uq-inv) được so sánh với điện áp đặt (Ud-ref và Uq-ref) . Các thành phần điện áp đầu ra là các giá trị điện áp đặt (Uα, Uβ) tương ứng với biên độ của điện áp lưới. Chế độ nối lưới: Trong chế độ nối lưới, dộ điều khiển dòng điện được sử dụng để điều khiển việc truyền công suất tác dụng và công suất phản kháng vào lưới điện quốc gia. Trong chế độ này điện áp ra cùng biên độ và cùng pha với điện áp lưới, do vậy quá trình điều khiển công suất có thể xem như điều khiển dòng điện. Bài báo đề xuất phương pháp sử dụng bộ điều khiển mờ lai (FLC-PI) cho bộ điều khiển dòng điện biến tần một pha trong chế độ nối lưới trên trên hệ qui chiếu đồng bộ (hệ qui chiếu dq). Bộ chuyển đổi DC/AC của hệ thống biến tần cần phải bơm dòng điện tác dụng vào lưới, đó là dòng điện thuần sin cùng pha với điện áp lưới. Để thỏa mãn điều kiện này sai số xác lập giữa dòng điện mong muốn và dòng điện thực tế cần phải xấp xỉ bằng không tại tần số lưới. Trong nhiều năm qua, đã có nhiều sơ đồ điều khiển cho biến tần nối lưới được đề xuất. Sơ đồ điều khiển kinh điển của biến tần nối lưới thường dựa trên phản hồi điện áp lưới trong hệ tọa độ xoay và thêm vào một vài bộ điều khiển PI [1]. Trong trường hợp bộ điều khiển PI, việc thực hiện điều khiển phụ thuộc vào PI hệ số khuếch đại. Hơn nữa, bộ điều khiển PI với hệ số PI hằng không thể đảm bảo độ quá điều chỉnh mong muốn và thời gian quá độ cho tất cả các tải. Đặc biệt, trong trường hợp nhiều bộ điều khiển PI hoạt động không hoàn toàn độc lập với nhau trong một hệ thống điều khiển. Trong các hệ thống biến tần nối lưới thường có nhiều hơn hai bộ điều khiển PI và chúng có yêu cầu độ tác động nhanh [2]. Do vậy, cần thiết điều chỉnh giá trị hệ số khuếch đại của PI trong quá trình quá độ để đạt được hiệu quả tốt hơn. Một trong những phương pháp mạnh được áp dụng để điều chỉnh tăng hệ số khuếch đại của PI là sử dụng bộ điều khiển logic mờ (FLC). Hình 2. Sơ đồ điều khiển dòng điện biến tần một pha nối lưới ϑ Ig Vg Vbus I*d I*q Id Iq Iα Iβ Vα Lưới d,q α,β 900 AC DC ∼ α,β d , PI2 PI1 PLL ϑ - - Lại Khắc Lãi Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 147 - 152 149 Do sự đơn giản và tính linh hoạt của logic mờ nên chúng đã được áp dụng cho các hệ thống phi tuyến, các hệ thống điều khiển thông minh, và các ứng dụng phức tạp khác. Trong lĩnh vực hệ thống điện, FLC có thể được sử dụng để điều khiển các hệ thống năng lượng gió hoặc điều khiển kết nối lưới các hệ thống quang điện [5-8]. FLC áp dụng cho hệ thống biến tần nối lưới 3 pha được phân tích chi tiết trong [3]. Bài báo này đề xuất một ứng dụng của FLC để bù hệ số khuếch đại tỉ lệ của bộ điều khiển PI điều khiển dòng điện biến tần nối lưới điện quốc gia. hệ số khuếch đại tỉ lệ của PI được điều chỉnh tùy thuộc vào yêu cầu của dòng điện ra trong hệ tọa độ quay. Do đó, không chỉ các điều kiện khác nhau của điện áp lưới và dòng điện được thích nghi mà còn nâng cao độ tin cậy của bộ điều khiển. Phương pháp điều khiển đề xuất được phân tích thông qua các mô phỏng với sự trợ giúp của phần mềm Psim, và Matlab simulink. Sau đó so sánh với bộ điều khiển kinh điển PI để thấy rõ ưu việt và hiệu quả của phương pháp đề xuất. BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN D-Q Một trong các giải pháp được ứng dụng phổ biến hiện nay là xây dựng bộ điều khiển trong hệ tọa độ quay đồng bộ với tần số lưới (hệ tọa độ d-q). Bộ điều khiển trong hệ tọa độ d-q cho phép hệ số khuếch đại lớn tại tần số lưới và có tính khử nhiễu cao. Do đó nó làm tăng hiệu quả điều khiển và có thể hủy bỏ dòng điện phản kháng đưa vào lưới điện. Đối với hệ thống biến tần ba pha, việc áp dụng hệ qui chiếu đồng bộ (d-q) khá dễ dàng, vì điện áp cũng như dòng điện của hệ thống này được biểu diễn bởi một véc tơ quay với tốc độ bằng tốc độ góc của điện áp lưới. đối với hệ thống một pha, do điện áp cũng như dòng điện chỉ có một thành phần duy nhất. Vì vậy để áp dụng điều khiển trong hệ qui chiếu đồng bộ ta cần tạo ra một thành phần điện áp ảo hoặc dòng điện ảo vuông pha với trạng thái điện áp hoặc dòng điện của hệ thống. Giả thiết điện áp lưới và dòng điện lưới là: ( )u( ) cos t+u t Uα ω ϕ= và ( )i( ) Icos t+i tα ω ϕ= Trong đó ω là tần số góc lưới, φu, φi là góc pha đầu của điện áp và dòng điện. Thành phần dòng điện ảo trực giao với dòng điện lưới (iα) là ( )i( ) Isin t+i tβ ω ϕ= . Áp dụng chuyển đổi Park ta dễ dàng tính được Id và Iq trong hệ qui chiếu quay đồng bộ với điện áp lưới. d q os (t) sin (t) I Isin (t) os (t) I Ic c α β ϑ ϑ ϑ ϑ      =     −     (1) Trong đó góc ( ) vt tϑ ω ϕ= + thu được nhờ vòng khóa pha PLL. Từ (1) ta có: d q = i cos ( ) sin ( ) = - sin ( ) i cos ( ) i t i t i i t t α β α β ϑ ϑ ϑ ϑ +  + (2) Thay ( )i( ) Icos t+i tα ω ϕ= và ( )i( ) Isin t+i tβ ω ϕ= vào (2) ta được: ( ) ( ) ( ) ( ) d i i q i i = os t+ cos ( ) sin t+ sin ( ) = - os t+ sin ( ) sin t+ cos ( ) i Ic t I t i Ic t I t ω ϕ ϑ ω ϕ ϑ ω ϕ ϑ ω ϕ ϑ +  + ( ) ( ) 1 q 1 ( ) Icos - os i (t) = -Isin - sin d v v i t Ic I ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ = =  = − (3) Trong đó id tương ứng với biên độ của dòng điện lưới tác dụng, cùng pha với điện áp lưới và -iq tương ứng với biên độ dòng điện lưới phản kháng, vuông góc với điện áp lưới; cosφ là hệ số công suất. Sơ đồ bộ điều khiển dòng điện d-q được chỉ ra trên hình 2. Trong đó biến phụ thuộc Uα trong trong chuyển đổi Park ngược được sử dụng để điều khiển bộ biến đổi DC/AC để có được dòng điện lưới mong muốn. Chuyển đổi Park ngược có đầu vào là dòng điện Id và dòng Iq. Điểm đặt của vòng điều khiển dòng điện phản kháng thường thiết lập bằng 0. bởi vì trong điều kiện lý tưởng ta chỉ cần cung cấp dòng điện tác dụng. Lại Khắc Lãi Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 147 - 152 150 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO BÙ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CHO PI Có 2 bộ FLC để điều chỉnh hệ số khuếch đại tỉ lệ của PI1 và PI2. Để tránh trùng lặp, bài báo này chỉ trình bày chi tiết bộ điều chỉnh thứ nhất. Cấu trúc của chúng được biểu diễn ở phần đóng khung trên hình 2, gồm 2 khối: Bộ điều khiển PI kinh điển có hệ số khuếch đại tỉ lệ (Kp) không đổi và bộ điều khiển mờ. Ta gọi khối này là FLC-PI1. FLC trong khối có nhiệm vụ làm tăng hệ số Kp ở giai đoạn đầu nhằm giảm thời gian quá độ của hệ thống. y PI1 in1 in2 O1 O2 O3 O4 Lai1c single-phase inverter Fuzzy-PI2 Id Iq Add2 Add Hình 3. Sơ đồ khối của cấu trúc điều khiển d-q Bộ điều khiển mờ có đầu vào là sai lệch e, đầu ra là lượng tăng ∆k, hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra có 9 tập mờ như hình 4 và hình 5. Luật điều khiển có dạng tổng quát: Ri : if e is mfi then ∆k is mfi Sử dụng luật hợp thành Max-Min, giải mờ bằng phương pháp cận phải . KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để kiểm tra đặc tính động của phương pháp đề xuất, ta tiến hành mô phỏng trên phần mềm Psim và Matlab-Simulink. Mô hình mô phỏng như hình 3, bao gồm chuyển đổi DC/AC, điện áp lưới và tải thuần trở 1 pha. Các thông số của hệ thống mô phỏng là: - Điện áp 1 chiều 400V - Tải thuần trở 1 pha: R = 10Ω - Điện cảm lọc: L = 10mH - Điện dung lọc: C = 500µF - Điện áp lưới: 220V - Tần số lưới: 50Hz - Thời gian chạy mô phỏng: 0,2s Các kết quả mô phỏng được chỉ ra trên hình 5 và hình 7. Trong đó hình 6 là đáp ứng khi sử dụng bộ điều khiển PI, hình 7 là đáp ứng khi có thêm bộ điều khiển mờ. Hình 4. Hàm liên thuộc đầu vào của FLC Hình 5. Hàm liên thuộc đầu ra của FLC Hình 6. Đáp ứng hệ thống khi sử dụng PI FLC-PI Uinv Ugrid Lại Khắc Lãi Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 147 - 152 151 Hình 7. Đáp ứng hệ thống khi sử dụng FLC-PI Từ các kết quả mô phỏng ta thấy rằng khi không có bộ điều chỉnh FLC thì thời gian để điện áp bộ biến tần hòa đồng bộ với điện áp lưới khoảng 0,07s, trong khi đó nếu sử dụng FLC-PI thời gian này chỉ còn khoảng 0,03s, giảm hơn 50% so với sử dụng PI KẾT LUẬN Trong bài báo này đã giới thiệu một sơ đồ điều khiển nâng cao của biến tần một pha nối lưới. Để cải thiện đặc tính động của hệ thống biến tần nối lưới, hệ số của PI được điều chỉnh theo đầu vào và sự biến thiên tải với thuật toán lôgic mờ. Kết quả mô phỏng đã chứng minh hiệu quả của phương pháp đề xuất bằng cách so sánh với phương pháp truyền thống. Đồng thời cho thấy ưu điểm riêng của FLC-PI như thời gian quá độ ngắn, sai số xác lập bằng không trong, khả năng kháng nhiễu tốt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Balaguer, I.J.; Qin Lei; Shuitao Yang; Supatti, U.; Fang Zheng Peng; Control for Grid-Connected and Intentional Islanding Operations of Distributed Power Generation. Industrial Electronics, IEEE Transactions on , vol.58, no.1, pp.147-157, (2011). [2].Zhilei Yao; Lan Xiao; Yangguang Yan: Seamless Transfer of Single-Phase Grid- Interactive Inverters Between Grid-Connected and Stand-Alone Modes. Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.25, no.6, pp.1597-1603, ( 2010). [3].Mann, G.K.I.; Hu, B.-G.; Gosine, R.G.: Analysis and performance evaluation of linear-like fuzzy PI and PID controllers. Fuzzy Systems, Proceedings of the Sixth IEEE International Conference on , vol.1, no., pp.383-390 vol.1, ( 1997). [4]. Petrov, M.; Ganchev, I.; Taneva, A. : Fuzzy PID control of nonlinear plants. Intelligent Systems, 2002. Proceedings. 2002 First International IEEE Symposium, vol.1, no., pp. 30- 35 vol.1,( 2002). [5].Quoc-Nam Trinh and Hong-Hee Lee, Fuzzy Logic Controller for Maximum Power Tracking in PMSG-Based Wind Power Systems. Lecture Notes in Computer Science, Vol 6216, Advanced Intelligent Computing Theories and Applications With Aspects of Artificial Intelligence, pp. 543- 553, (2010). [6].Zheng Fei; Fei Shumin; Zhou Xingpeng: Design and simulation of fuzzy sliding-mode robust controller for grid-connected photovoltaic system. Intelligent Control and Automation (WCICA), 2010 8th World Congress on , vol., no., pp.2527-2532 (2010). [7].Premrudeepreechacharn, S.; Poapornsawan, T.: Fuzzy logic control of predictive current control for grid-connected single phase inverter, Photovoltaic Specialists Conference, 2000. Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE , vol., no., pp.1715-1718, (2000). [8].Yiwang Wang; Fengwen Cao: Implementation of a Novel Fuzzy Controller for Grid-Connected Photovoltaic System. Power and Energy Engineering Conference, 2009. APPEEC 2009. Asia-Pacific , vol., no., pp.1-4, ( 2009). Miranda, U.A.; L. G. B. & Aredes M. A DQ synchronous reference frame current control for single-phase converters, in proc. Of Power Electronics Specialists Conference. PESC'05. IEEE 36, , pp. 1377-1381 (2009). Uinv Ugrid Lại Khắc Lãi Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 147 - 152 152 SUMMARY FUZZY LOGIC CONTROLLER FOR GRID-CONNECTED SINGLE PHASE INVERTER Lai Khac Lai* Thai Nguyen University In this paper, a current controller for grid-connected inverter is proposed by using a fuzzy logic control algorithm. In PI controller to control the grid-connected inverter, the gains of PI controller are changed with the aid of the fuzzy logic algorithm in order to get the fast transient performance despite of the input variations and load disturbances. The inputs of fuzzy logic controller are the error between the measured currents and the reference values in rotating reference frame. The effectiveness of proposed controller strategy has been verified by simulation with PSIM - MATLAB software and compared with that of the conventional PI controller. Keywords: Current controller, Fuzzy logic, Grid connected, PI contrroller, Psim-Matlab. Ngày nhận bài: 07/9/2013; Ngày phản biện: 09/11/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013 Phản biện khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà – Đại học Thái Nguyên * Tel: 0913507464; Email: laikhaclai@gmail.com