Sử dụng giải thuật di truyền để giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới

Active power (W)
Reactive power (Var)
(b) 
Hình 9. Đáp ứng của dòng, áp và công suất. 
(a) Dòng và áp; (b) Công suất
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh20
Các kết quả mô phỏng của hệ thống 
nghịch lưu nối lưới của các phương pháp khảo 
sát thể hiện trong hình 9-18 và bảng 3.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
10
20
 Fixed switching frequency 5 kHz 
 S
w
itc
h
in
g
 lo
ss
 (
W
)
(a)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
5
10
15
(b) 
Time (s)
C
u
rr
e
n
t 
T
H
D
 (
%
)
Inst
Aver
15.35
7.68 9.22
2.55 5.33 4.32
Hình 10. Tần số chuyển mạch cố định
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
10
20
 TDD
 S
w
itc
h
in
g
 lo
ss
 (
W
)
(a)
Inst
Aver
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
5
10
 C
u
rr
e
n
t 
T
H
D
 (
%
)
(b) 
Time (s)
4.79 4.83 4.6
8.28 8.678.45
2.7 kHz 5.5 kHz 4.7 kHz
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
-10
0
10
Selected signal: 20.5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
Time (s)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 104
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 9.657 , THD= 4.83%
M
ag
 (%
 o
f F
un
da
m
en
ta
l)
(c) Phổ hài dòng điện khi 0.2<t<0.3s
Hình 11. Phương pháp TDD
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
10
20
Constant ripple 
 S
w
itc
h
in
g
 lo
ss
 (
W
)
(a)
Inst
Aver
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
5
10
 C
u
rr
e
n
t 
T
H
D
 (
%
)
(b) 
Time (s)
8.25 8.588.29
4.33 4.53 4.28
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
-10
0
10
Selected signal: 20.5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
Time (s)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 104
0
0.5
1
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 9.658 , THD= 4.53%
M
ag
 (%
 o
f F
un
da
m
en
ta
l)
(c) Phổ hài dòng điện khi 0.2<t<0.3s
Hình 12. Phương pháp CR
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40
10
20
 MSANS
 S
w
itc
h
in
g
 lo
ss
 (
W
)
(a)
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
4
5
 C
u
rr
e
n
t 
T
H
D
 (
%
)
(b) 
Time (s)
Inst
Aver8.458.29 8.67
4.12 4.41 4.12
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
-10
0
10
Selected signal: 20 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
Time (s)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 104
0
0.5
1
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 9.658 , THD= 4.41%
M
ag
 (%
 o
f F
un
da
m
en
ta
l)
(c) Phổ dòng điện khi 0.2<t<0.3s
Hình 13. Phương pháp trải phổ cải tiến 
MSANS
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40
10
20
Proposed
 S
w
itc
h
in
g
 lo
ss
 (
W
)
(a)
Inst
Aver
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40
5
10
 C
u
rr
e
n
t 
T
H
D
 (
%
)
(b) 
Time (s)
3.85
8.23 8.2
8.55
4.1 3.82
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
-10
0
10
Selected signal: 20.5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
Time (s)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 104
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 9.659 , THD= 4.10%
M
ag
 (%
 o
f F
un
da
m
en
ta
l)
(c) Phổ hài dòng điện khi 0.2<t<0.3s
Hình 14. Phương pháp đề nghị
0.19 0.192 0.194 0.196 0.198 0.20
1
2
3
4
5
6
7x 10
-4
C
y
c
le
 (
s
)
Time (s)
Switching cycle
TDD
Constant ripple
MSANS
Proposed
Hình 15. Chu kỳ chuyển mạch khi Q=0
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 21
0.19 0.192 0.194 0.0196 0.198 0.20
5
10
15
 S
w
itc
h
in
g
 lo
ss
 (
W
)
Time (s)
TDD
Constant ripple
MSANS
Proposed
Average loss
Hình 16. Tổn hao chuyển mạch khi Q=0
0.39 0.392 0.394 0.396 0.398 0.40
1
2
3
4
5
6
7x 10
-4
C
yc
le
 (
s)
Time (s)
Switching cycle
TDD
Constant ripple
MSANS
Proposed
Hình 17. Chu kỳ chuyển mạch khi Q≠0
0.39 0.392 0.394 0.396 0.398 0.40
5
10
15
20
 S
w
itc
h
in
g
 lo
ss
 (
W
)
Time (s)
TDD
Constant ripple
MSANS
Proposed
Average loss
Hình 18. Tổn hao chuyển mạch khi Q≠0
5. NHẬN XÉT
Kết quả mô phỏng được khảo sát trong 
3 trường hợp tương ứng với 3 khoảng thời 
gian. Trong khoảng thời gian thứ nhất: 0-0.2 
s, công suất tác dụng bơm vào lưới được cài 
đặt bằng 3 kW và công suất phản kháng Q=0. 
Khi đó, với phương pháp tần số chuyển mạch 
cố định 5 kHz như hình 10 cho THD rất thấp 
bằng 2.55% nhưng THCM lại rất cao bằng 
15.35 W.
Bảng 3. Tóm tắt tổn hao chuyển mạch và sóng hài của các phương pháp khảo sát.
Switching 
cycle
t < 0.2 s 0.2 s < t < 0.3 s 0.3 s < t
Switching
loss (W)
THD
(%)
Rate
(%)
Switching
loss (W)
THD
(%)
Rate
(%)
Switching
loss (W)
THD
(%)
Rate
(%)
Constant 15.35 2.55 46.7 7.68 5.33 -10.4 9.22 4.32 6
TDD 8.28 4.79 0 8.45 4.83 0 8.67 4.6 0
Constant 
ripple
8.29 4.33 9.6 8.25 4.53 6 8.58 4.28 7
MSANS 8.28 4.12 14 8.45 4.41 8.7 8.67 4.12 10.4
Proposed 8.23 3.85 19.6 8.20 4.10 15 8.55 3.82 17
Để giảm THCM xuống 8.28 W ở hình 
11(a), phương pháp TDD đề nghị giảm tần số 
chuyển mạch cố định còn 2.7 kHz. Điều này 
làm cho THD tăng lên 4.79% nhưng vẫn nhỏ 
hơn giới hạn cho phép (5%). Trong khi đó, với 
phương pháp CR và MSANS cũng có THCM 
tương đương với phương pháp TDD lại cho 
THD bằng 4.33% và 4.12% ở hình 12(b) và 
13(b) tương ứng. Nhưng kết quả ở hình 14(b) 
của phương pháp đề xuất mới cho THD thấp 
nhất bằng 3.85%.
Trong khoảng thời gian thứ hai: 0.2-0.3 
s, công suất tác dụng bơm vào lưới được cài 
đặt giảm bằng 1.5 kW (đặc trưng cho nắng 
hoặc gió yếu) và công suất phản kháng Q=0. 
Với phương pháp tần số chuyển mạch cố định 
thì THCM giảm còn 7.68W nhưng THD bằng 
5.33% vượt quá giới hạn cho phép. Để giảm 
THD xuống còn 4.83%, phương pháp TDD 
tăng tần số chuyển mạch lên 5.5 kHz và làm 
tăng THCM lên 8.45 W. Để có THCM tương 
đương với phương pháp TDD, phương pháp 
CR và MSANS thu được THD bằng 4.53% và 
4.41% tương ứng. Trong khi phương pháp đề 
nghị lại cho THD thấp nhất bằng 4.1%. Tuy 
nhiên, phổ hài dòng điện ở hình 11(c) cho thấy 
biên độ các hài riêng lẻ rất cao. Chính điều 
này có thể gây ra nhiễu âm trong các thiết bị 
thông tin và quân sự nên cần phải có bộ lọc 
phụ. Hơn nữa, phổ hài ở hình 12(c) và 13(c) 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh22
cho thấy biên độ hài riêng lẻ thấp hơn so với 
TDD. Nhưng phổ hài dòng điện ở hình 14(c) 
của phương pháp đề nghị được trải trong một 
phạm vi rộng làm cho biên độ các hài riêng lẻ 
thấp nhất và không gây nhiễu âm nên không 
cần các bộ lọc phụ.
Trong khoảng thời gian thứ ba: 0.3-0.4 
s, công suất kháng 1 kVar được bơm vào lưới 
và công suất tác dụng vẫn giữ nguyên 1.5 kW. 
Khi đó, với phương pháp tần số chuyển mạch 
cố định có THD giảm xuống còn 4.32% nhưng 
lại làm tăng THCM lên 9.22 W. Phương pháp 
TDD đề nghị giảm tần số chuyển mạch xuống 
còn 4.7 kHz để giảm THCM còn 8.67 W, điều 
này làm tăng THD lên 4.6%. Để có THCM 
tương đương với phương pháp TDD, phương 
pháp CR và MSANS cho THD bằng 4.28% 
và 4.12% tương ứng. Nhưng phương pháp đề 
nghị lại thu được THD thấp nhất bằng 3.83%. 
Bảng 3 cũng cho thấy tỉ lệ phần trăm giảm 
sóng hài của phương pháp đề nghị cao nhất 
bằng 19.6, 15, và 17 trong 3 khoảng thời gian 
tương ứng so với phương pháp TDD.
- Trong trường hợp cosj=1, chu kỳ chuyển 
mạch tại zero của dòng điện trong kỹ 
thuật đề nghị ở hình 15 thấp nhất so với 
các phương pháp khác nên giảm nhiễu 
hài đáng kể trong khi THCM tức thời ở 
hình 16 tăng không đáng kể. Ngược lại, 
tại lân cận đỉnh của dòng điện, chu kỳ 
chuyển mạch của kỹ thuật đề nghị cao 
nhất so với các phương pháp khác nên 
THCM tức thời giảm đáng kể trong khi 
nhiễu hài tăng không đáng kể. Kết quả 
là cùng một THCM trung bình nhưng 
sóng hài dòng điện của phương pháp đề 
nghị là thấp nhất.
- Hơn nữa, chính sự phân bố lại chu kỳ 
chuyển mạch của phương pháp đề nghị 
cũng làm cho THCM tức thời phân bố 
đồng đều hơn so với các phương pháp 
khác nên sốc nhiệt cũng ít hơn so với 
các phương pháp khác. Điều này giúp 
tăng tuổi thọ của linh kiện công suất. 
Bởi vì, tổn hao tức thời đặc trưng cho 
sốc nhiệt chứ không phải tổn hao trung 
bình và sốc nhiệt càng thấp thì tuổi thọ 
của linh kiện bán dẫn công suất càng 
tăng.
- Sự phân bố không đối xứng của chu 
kỳ chuyển mạch tại lân cận đỉnh dòng 
điện trong kỹ thuật đề nghị so với các 
phương pháp khác là một sự khác biệt 
quan trọng. Lý giải cho sự bất đối xứng 
này là do sự phi tuyến đáng kể của tín 
hiệu điều chế trong khi chu kỳ của sóng 
tam giác là khá lớn.
- Đối với trường hợp hệ số công suất 
cosj<1, chu kỳ chuyển mạch của phương 
pháp đề nghị giảm nhỏ đáng kể tại lân 
cận zero của dòng điện ở hình 17 giúp 
cho nhiễu hài dòng điện giảm nhỏ đáng 
kể so với các phương pháp khác. Ở hình 
18 cho thấy THCM tức thời của phương 
pháp TDD là tốt nhất và của phương 
pháp đề nghị là tốt thứ nhì. Nhưng 
phương pháp đề nghị vẫn cho kết quả 
sóng hài là thấp nhất.
- Sự khác nhau của Ts trong mỗi NCKCB 
làm cho THD theo (1), (2) và tổn hao 
chuyển mạch theo (3) sẽ khác nhau như 
bảng 3. Sự phân bố hợp lý nhất của chu 
kỳ chuyển mạch của phương pháp đề 
xuất đã tác động đến hiệu quả tối ưu 
hàm mục tiêu THD hiệu dụng trong mỗi 
NCKCB.
6. KẾT LUẬN
Việc giảm sóng hài dòng điện là một 
trong những nhiệm vụ tương đối khó khăn 
để thỏa mãn tiêu chuẩn nối lưới ngày càng 
nghiêm ngặt đối với người thiết kế nghịch lưu 
nối lưới. Việc chọn được chu kỳ chuyển mạch 
tối ưu thật sự là một thách thức bởi sự cân 
bằng giữa THCM và sóng hài dòng điện. 
Kết quả khảo sát cho thấy rằng kỹ thuật 
SPWM với chu kỳ chuyển mạch thay đổi của 
phương pháp đề nghị dựa vào GA cho kết quả 
giảm sóng hài dòng điện đáng kể so với các 
phương pháp đã công bố gần đây. 
Sự xuất sắc của kỹ thuật đề nghị là không 
những giảm THD mà còn có khả năng khử hài 
lựa chọn và trải phổ hài trong một phạm vi 
rộng. Điều này giúp cho các hài riêng lẻ có 
biên độ giảm đáng kể và không gây nhiễu âm 
nên phù hợp cho các ứng dụng trong thiết bị 
thông tin và quân sự.
Các trường hợp phát điện vào lưới với 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 23
cosj=1 và cosj<1 trong cùng một điều kiện cài 
đặt với những thông số giống với thực tế nhất 
cũng đã được xem xét một cách định lượng. 
Việc giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới 
cũng góp phần làm giảm kích thước bộ lọc, 
giá thành thiết bị, và cải thiện chất lượng điện 
năng của hệ thống điện. Từ đó, tạo điều kiện 
cho việc chế tạo và làm chủ công nghệ với 
giá thành thấp. Việc chuyển mạch với tần số 
thấp tại đỉnh của dòng điện cũng góp phần 
làm tăng tuổi thọ của linh kiện công suất. Để 
đáp ứng yêu cầu tải thay đổi trong điều kiện 
thực tế, các số liệu của chu kỳ chuyển mạch 
được chuẩn bị offline sẵn với các mức tải khác 
nhau bằng cách sử dụng phương pháp tra bảng 
trong Matlab. Hơn nữa, với cách tiếp cận của 
kỹ thuật đề nghị cũng có thể mở rộng ứng 
dụng cho các bộ biến đổi công suất 3 pha và 
các kỹ thuật PWM khác.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems, IEEE 
Standard 929, 2000.
[2] IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, 
IEEE Application Guide for IEEE Standard 1547™, 2009.
[3] A. Woyte, K. De Brabandere, D.V. Dommelen, R. Belmans, and J. Nijs, “International 
harmonization of grid connection guidelines: adequate requirements for the prevention of 
unintentional islanding,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 11, 
pp. 407-424, 2003.
[4] T. G. Habetler and R. G. Harley, “Power electronic converter and system control,” in 
Proc. IEEE., Jun-2001, pp. 913-925.
[5] Y. Sozer and D. A. Torrey, “Modeling and Control of Utility Interactive Inverters,” IEEE 
Trans. on Power Electronics, vol. 24, no. 11, pp. 2475-2483, 2009.
[6] L. Wu, Z. Zhao, and J. Liu, “A Single-Stage Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic 
System with Modified MPPT Method and Reactive Power Compensation,” IEEE Trans. 
on Energy Conversion, vol. 22, no. 4, pp. 881-886, 2007.
[7] Z. Chen, J. M. Guerrero, and F. Blaabjerg, “A Review of the State of the Art of Power 
Electronics for Wind Turbines,” IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 24, no. 8, pp. 
1859-1875, 2009.
[8] J. H. Lee and B. H. Cho, “Large time-scale electro-thermal simulation for loss and 
thermal management of power MOSFET,” in Proc. IEEE Power Electron Spec. Conf., 
2003, pp. 112–117.
[9] X. Mao, R. Ayyanar, Krishnamurthy, and K. Harish, “Optimal Variable Switching 
Frequency Scheme for Reducing Switching Loss in Single-Phase Inverters Based on 
Time-Domain Ripple Analysis,” IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 24, no. 4, pp. 
991-1001, 2009.
[10] Bo Cao and Liuchen Chang, “A Variable Switching Frequency Algorithm to Improve the 
Total Efficiency of Single-Phase Grid-Connected Inverters,” in Pro. IEEE APEC., 2013, 
pp. 2310-2315.
 [11] A. Moeini, H. Iman-Eini, and M. Bakhshizadeh “Selective harmonic mitigation-pulse-
width modulation technique with variable DC-link voltages in single and three-phase 
cascaded H-bridge inverters,” IET Power Electron, vol.7, no. 4, pp. 924–932, 2014.
[12] I. Colak, E. Kabalci, and R. Bayindir, “Review of multilevel voltage source inverter 
topologies and control schemes,” Energy Conversion and Management, vol. 52, no. 2, 
pp. 1114–1128, 2011.
[13] C. Xiaoju., Z. Hang, and Zhao Jianrong, “A new Improvement Strategy based on hysteresis 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh24
space vector control of Grid-connected inverter,” in Proc. The International Conference 
on Advanced Power System Automation and Protection., 2011, pp. 1613-1617.
[14] R. Seyezhai, B. L. Mathur, “Performance Evaluation of Inverted Sine PWM Technique 
for an Asymmetric Cascaded Multilevel Inverter,” Journal of Theoretical and Applied 
Information Technology, pp. 91-98, 2009.
[15] Tran Quang Tho, Truong Viet Anh, and Le Minh Phuong, “PWM technique with variable 
carrier wave frequency to reduce switching loss in grid-connected PV inverter,” Proc. 
The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 
2014, pp.404-411.
[16] Tran Quang Tho, Le Thanh Lam, and Truong Viet Anh, “Reduction of switching loss 
in grid-connected inverters using a variable switching cycle,” International journal of 
Electrical Engineering & Technology (IJEET), vol. 6, no. 8, 2015, pp. 63-76.
[17] J. Holtz, “Pulse width modulation—a survey,” IEEE Trans. Ind. Electron., 1992, vol. 39, 
no. 5, pp. 410–420.
[18] F. Zare and A. Nami, “A new random current control technique for a single-phase inverter 
with bipolar and unipolar modulations,” in Proc. IEEE PCC 2007, pp. 149–156.
[19] A. C. Binojkumar and G. Narayanan, “Variable Switching Frequency PWM Technique 
for Induction Motor Drive to Spread Acoustic Noise Spectrum with Reduced Current 
Ripple,” in Proc. IEEE PEDES 2014, pp. 1-6.