Thạc Sĩ Cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt vii
Danh mục các bảng biểu xi
Danh mục các hình vẽ và đồ thị xii
Mở đầu 1
Chương 1. Tổng quan 5
1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu 5
1.2 Các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng 9
MĐKĐBNK
1.2.1 Điều khiển turbine 10
1.2.2 Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch 12
1.2.3 Điều khiển véc tơ 13
1.3 Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng 13
MĐKĐBNK
1.4 Tổng quan các vấn đề đã được giải quyết, các vấn đề tồn tại và 15
phương pháp điều khiển
1.4.1 Các vấn đề đã được giải quyết 15
1.4.2 Các vấn đề còn tồn tại 15
1.4.3 Giải pháp điều khiển 16
Chương 2. Phương pháp điều khiển tựa theo thụ động 17
2.1 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động 17
2.2 Hệ Euler - Lagrange 18




iv
2.3 Phương trình Euler-Lagrange 19
2.4 Các đặc tính của hệ EL 21
2.4.1 Đặc điểm thụ động của hệ EL 21
2.4.2 Khả năng phân tích hệ EL thành các hệ thụ động con 23
2.4.3 Đặc điểm bảo toàn hệ EL khi nối các hệ con với nhau 25
2.4.4 Đặc điểm thụ động của hệ kín 26
2.4.5 Một số giả thiết và định nghĩa khác 27
2.5 Đặc tính ổn định của hệ EL 28
2.5.1 Hệ suy giảm toàn phần 28
2.5.2 Hệ suy giảm riêng 29
2.6 Kết luận chương 2 29
Chương 3. Mô hình hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió 30
3.1 Mô hình toán học phía máy phát và phía lưới 30
3.1.1 Biểu diễn vectơ không gian các đại lượng 3 pha 30
3.1.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát 31
3.1.3 Các biến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phía 36
máy phát
3.1.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới 38
3.1.5 Mô hình gián đoạn phía lưới 41
3.1.6 Các biến điều khiển phía lưới 41
3.2 Khả năng ứng dụng phương pháp passivity - based cho máy phát 44
không đồng bộ 3 pha nguồn kép
3.2.1 Phương trình EL của động học máy phát 44
3.2.2 Đặc điểm thụ động của máy phát 46
3.3 Kết luận chương 3 47




v
Chương 4. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió theo 49
phương pháp passivity - based
4.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển phía máy phát 49
4.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor tựa theo hệ thụ động EL 55
4.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần ird 55
4.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần irq 56
4.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp tựa theo hệ thụ động EL 58
và Hamilton để khử sai lệch tĩnh
4.3.1 Hệ Hamilton 58
4.3.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp 59
4.4 Khắc phục ảnh hưởng vùng giới hạn điện áp và bộ xử lý tín hiệu số 63
đến chất lượng điều khiển
4.4.1 Khắc phục vùng giới hạn điện áp 63
4.4.2 Khắc phục hiện tượng trễ trong bộ xử lý tín hiệu số 66
4.5 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng có kể đến các yếu tố ảnh hưởng 66
4.6 So sánh bộ điều khiển PBC với bộ điều khiển tuyến tính 68
4.7 Các bộ điều chỉnh số cho các mạch vòng điều khiển ngoài 69
4.8 Tính toán giá trị thực và giá trị đặt 70
4.9 Hoà đồng bộ máy phát lên lưới 71
4.10 Giải pháp điều khiển khi lỗi lưới 74
4.11 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía lưới 77
4.12 Kết luận chương 4 78
Chương 5. Kết quả mô phỏng 80
5.1 Kết quả mô phỏng Offline 80
5.1.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió 80
5.1.2 Chất lượng của hệ thống điều khiển 83
90
5.1.3 So sánh tính bền vững của hệ thống giữa hai phương pháp




vi
điều khiển PBC và điều khiển tuyến tính
5.2 Kết quả mô phỏng thời gian thực (Hardware - in - the - loop) 93
5.2.1 Giới thiệu về Board điều khiển R&D DS1104 của hãng 93
dSPACE
5.2.2 Thiết lập mô trường làm việc mô phỏng thời gian thực 93
5.2.3 Xây dựng cấu trúc mô phỏng thời gian thực 94
5.2.4 Tổng hợp các kết quả mô phỏng 96
5.3 Kết luận chương 5 100
Kết luận và kiến nghị 101
Danh mục các công trình đã công bố của luận án 103
Tài liệu tham khảo 104


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nhu cầu phát điện chạy sức gió ở Việt Nam ngày càng trở nên có
tính thực tiễn cao, bởi nguồn tài nguyên than phục vụ cho các nhà máy nhiệt điện
ngày càng cạn kiệt, thuỷ điện cũng gần khai thác hết công suất của nguồn nước trên
các con sông Việt Nam. Ngoài ra nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang ở giai đoạn
nghiên cứu và mới chỉ dừng lại ở công suất nhỏ, trong khi đó sức gió ở Việt Nam
chưa được khai thác nhiều.
Trong tương lai gần hệ thống lưới điện sẽ xuất hiện các chủ lưới (các công ty
tư nhân, liên doanh trong và ngoài nước) tham gia cung cấp điện năng cho toàn hệ
thống. Vì vậy, việc bám lưới khi xảy các sự cố thông thường là một đòi hỏi cấp thiết
cho hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió.
Các phương pháp điều khiển tuyến tính chưa giải quyết được một cách triệt
để ở chế độ vận hành phi tuyến với các yêu cầu chất lượng, bám lưới của máy phát
điện chạy sức gió.
Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng làm máy phát
trong các hệ thống phát điện chạy sức gió, nhờ khả năng điều khiển dòng năng
lượng gián tiếp từ phía rotor thay vì trực tiếp trên stator. Khi đó thiết bị điều khiển
đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép hạ
giá thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác. Điều này rất hấp dẫn về mặt
kinh tế, nhất là khi công suất các máy ngày càng tăng, mặc dù về mặt phương pháp
điều khiển có phần phức tạp. Trên thế giới có khá nhiều công trình nghiên cứu song
chủ yếu theo các phương pháp điều khiển kinh điển. Ở nước ta, hiện nay chỉ có ở
Trung tâm Công nghệ cao - ĐHBK Hà Nội đã có những công trình nghiên cứu về
hướng này từ khá lâu. Vì vậy, việc thực hiện việc nghiên cứu tại đây sẽ đảm bảo
cho sự thành công của luận án.
Việc tổng hợp các thuật toán điều khiển phi tuyến hứa hẹn cải thiện chất
lượng điều khiển máy phát để phát triển và khai thác triệt để nguồn năng lượng sạch
(sức gió) ở Việt Nam. Chính vì vậy tác giả chọn đề tài "Cải thiện chất lượng điều
khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức
gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến" trong luận án, tác giả đi nghiên cứu




2
thuật toán điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity - Based) để giải quyết
các vấn đề trên.
Mục đích nghiên cứu
Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn
kép (MPKĐBNK) trong hệ thống máy phát điện sức gió bằng phương pháp điều
khiển phi tuyến tựa theo thụ động (passivity - based), để cải thiện chất lượng điều
khiển hệ thống so với phương pháp điều khiển véc tơ dòng tuyến tính.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Máy điện không đồng bộ nguồn kép: Thực chất là máy điện không đồng bộ
ba pha có rotor dây quấn (MĐKĐBNK). Hiện tại MĐKĐBNK ít được sử dụng với
vai trò động cơ trong các hệ truyền động. Nhưng ý nghĩa của MĐKĐBNK trong vai
trò máy phát chạy sức gió ngày càng tăng.
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng MĐKĐBNK. Đây là loại máy điện hứa hẹn hiệu quả kinh tế cao nhất trong
các hệ thống như vậy.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án hạn chế trong việc khảo sát đặc điểm thụ
động của MĐKĐBNK để từ đó tổng hợp cấu trúc điều khiển tựa theo thụ động
(Passivity - based Controll, PBC) điều khiển véc tơ dòng rotor, thích hợp với chế độ
vận hành phi tuyến hơn so với cấu trúc điều khiển tuyến tính kinh điển.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển phi tuyến
passivity - based.
- Kiểm chứng bằng mô phỏng Offline trên cơ sở sử dụng phần mềm Matlab -
Simulink - Plecs.
- Kiểm tra kết quả bằng mô phỏng thời gian thực.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học của đề tài là chứng minh khả năng sử dụng phương pháp
thiết kế điều khiển phi tuyến trên cơ sở đặc điểm thụ động của đối tượng điều khiển
là MĐKĐBNK. Luận án đã giải quyết thành công cả về lý thuyết lẫn mô phỏng
Offline và mô phỏng thời gian thực.




3
- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là giúp đáp ứng yêu cầu của quản trị lưới điện
là hệ thống phát điện chạy sức gió không được phép tự cắt ra khỏi lưới khi xảy ra
lỗi sập (đối xứng) lưới một phần. Việc tự cắt ra khỏi lưới có thể gia tăng nguy cơ
gây mất ổn định, dẫn đến rã lưới. Đây là một yêu cầu khắc nghiệt mà các cấu trúc
điều khiển tuyến tính đã bộc lộ nhược điểm khó đáp ứng trọn vẹn. Đồng thời
MĐKĐBNK có stator nối trực tiếp với lưới nên khó điều khiển ở các chế độ vận
hành phi tuyến như vậy.
Những đóng góp của luận án
- Luận án là công trình khoa học đầu tiên áp dụng phương pháp thiết kế điều
khiển phi tuyến passivity - based cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy
điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép.
- Luận án đã chỉ ra đặc điểm thụ động của MĐKĐBNK là cơ sở để áp dụng
thành công phương pháp thiết kế cấu trúc điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động
cho véc tơ dòng rotor.
- Luận án đã chỉ ra ưu thế của cấu trúc điều khiển PBC so với cấu trúc điều
khiển tuyến tính deadbeat trong chế độ vận hành phi tuyến xảy ra khi lưới sập (đối
xứng) một phần dẫn đến điện áp đầu vào của nghịch lưu phía lưới sụt giảm.
Bố cục của luận án
Luận án được chia làm 5 chương:
Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ thống máy phát điện sức gió, đưa ra
một cách khái quát về hệ thống năng lượng sử dụng sức gió cũng như đề cập đến
đối tượng cần nghiên cứu là MĐKĐBNK. Đưa ra các vấn đề mà các phương pháp
điều khiển tuyến tính đã giải quyết cũng như tồn đọng cần nghiên cứu giải quyết
bằng phương pháp điều khiển phi tuyến mới tựa theo thụ động (passivity - based)
nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống so với phương pháp điều khiển tuyến
tính.
Chương 2 Trình bày khái quát về phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến
trên cơ sở tựa theo đặc điểm thụ động (passivity - based) của đối tượng điều khiển.
Chương 3 Giới thiệu mô hình hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng
MĐKĐBNK, mô hình toán phía máy phát và phía lưới, cấu trúc điều khiển tổng
quát toàn hệ thống cũng như nghiên cứu bản chất phi tuyến của MĐKĐBNK. Từ




4
mô hình mô tả máy phát, đi đánh giá khả năng áp dụng phương pháp điều khiển phi
tuyến passivity - based cho MĐKĐBNK.
Chương 4 Trình bày việc xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát
điện sức gió theo phương pháp passivity - based. Ngoài ra cũng đề cập đến các vấn
đề khác nhằm nâng cao chất lượng điều khiển như vấn đề điện áp ra khỏi vùng giới
hạn, vấn đề trễ trong bộ vi xử lý tín hiệu số, và các bộ điều khiển vòng ngoài v.v .
đánh giá so sánh cấu trúc điều khiển phi tuyến passivity - based và cấu trúc điều
khiển tuyến tính.
Chương 5 Kiểm chứng chất lượng bộ điều chỉnh bằng mô phỏng Offline trên
Matlab - Simulink - Plecs cũng như mô phỏng thời gian thực trên thiết bị thực
nghiệm tại Trung tâm Công nghệ cao - Đại học Bách Khoa Hà Nội. Qua kết quả mô
phỏng Offline và mô phỏng thời gian thực khẳng định tính đúng đắn của thuật toán
điều khiển mới.
Kết luận và một số vấn đề cần nghiên cứu tiếp.