(LUẬN văn THẠC sĩ) cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID​

Nội dung của luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1: Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị bộ ng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ÔN NHẬT MAI SƠN

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU

KHIỂN PID

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu của luận văn

Nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng gió) bằng việc cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió nhằm khai thác được nguồn năng lượng gió đưa vào phục vụ sản xuất và đời sống góp phần giảm tiêu hao năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Bên cạnh đó việc sử dụng năng lượng gió như là một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống đáp ứng nhu cầu năng lượng cho sản xuất

và sinh hoạt hiện nay là một kế sách có ý nghĩa quan trọng về mặt kinh tế, an ninh năng lượng và phát triển văn hoá giáo dục… Vì vậy mục tiêu của đề tài nghiên cứu cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió nhằm khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo này

2 Mục tiêu của nghiên cứu

- Xây dựng mô tả toán học của hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị bộ nguồn kép

- Thiết kế bộ điều khiển PID

- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

- Mô phỏng đánh giá chất lượng điều khiển của bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID so với bộ điều khiển PID

3 Nội dung của luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió

sử dụng máy phát điện dị bộ nguồn kép

Chương 2: Điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển PID

Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển

mờ chỉnh định tham số PID

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC

GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP

1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu

Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các turbine gió trong việc cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm” gồm nhiều turbine gió nối mạng với nhau Các “Wind farm” có thể được xây dựng trên đất liền như hình 1.1, hoặc xây dựng trên các vùng biển “Offshore” như hình 1.2 Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên đến hàng chục MW Nhằm đáp ứng cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép (MĐKĐBNK), luận văn tập trung vào nội dung thiết kế cấu trúc điều khiển mờ MĐKĐBNK

Hiện nay nhiều nước trên thế giới sử dụng các hệ thống máy phát (MP) điện sức gió với 2 kiểu turbine: Turbine trục đứng và trục ngang, mỗi loại đều có những

ưu nhược điểm nhất định chẳng hạn như kiểu turbine trục đứng có mômen xoắn lớn nên không phù hợp đặt ở trên cao, vì vậy chỉ đặt ở những vị trí thấp và có tốc độ gió nhỏ dẫn đến thường có công suất vừa và nhỏ Với turbine kiểu trục ngang sẽ khắc phục được nhược điểm trên của turbine trục đứng nhưng nhược điểm là chi phí xây dựng lắp đặt cao Chính vì vậy tuỳ vào điều kiện thực tế mà người ta lựa chọn kiểu turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp

Hình 1.1: Một Wind farm trên đất liền gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau

Hình 1.2: Một Wind farm trên biển gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau

Cho đến thời điểm hiện tại đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống máy phát điện sức gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát sự phát triển các loại máy phát điện sức gió như hình 1.3

Hình 1.3: Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn

Máy phát xoay chiều 1

pha

Máy phát xoay chiều 3

pha

Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (hình

1.4)

Máy phát không đồng bộ

Máy phát không đồng

bộ 3 pha rotor lồng sóc (hình 1.4)

Máy phát không đồng

bộ 3 pha nguồn kép (hình 1.5)

Hệ thống Phát điện sức gió

Máy phát xoay chiều Máy phát một chiều

Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc như hình 1.4

Hình 1.4: Máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu hoặc không đồng bộ 3 pha rotor

lồng sóc

Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép như hình 1.5

Hình 1.5: Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép

Hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép (MĐKĐBNK) đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu vì có những đặc điểm sau:

- Từ hình 1.5 cho thấy thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor nên chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện như vậy sẽ hạ được giá thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác [19]

- Có ý nghĩa về mặt khoa học vì nó khó điều khiển

- Ngoài ra MĐKĐBNK có thể hoạt động với dải tốc độ trong phạm vi khá

vốn hay thay đổi trong phạm vi rộng Tuy nhiên cần lưu ý khi hệ thống làm việc không được để MĐKĐBNK chạy ở tốc độ đồng bộ bằng cách điều khiển cánh turbine làm lệch tốc độ đồng bộ (vì nếu làm việc ở chế độ đồng bộ các đại lượng dòng, áp trong rotor lúc đó trở thành đại lượng một chiều sẽ gây nguy hiểm phá hỏng thiết bị) Các chế độ vận hành của MĐKĐBNK được mô tả trên sơ đồ hình 1.6 [8, 19]

Với ý nghĩa về mặt khoa học và kinh tế, kỹ thuật như trên, hiện nay đã có nhiều nghiên cứu đưa ra các phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến, được thể hiện như sơ đồ hình 1.7

Hình 1.6: Phạm vi hoạt động MĐKĐBNK và dòng chảy năng lượng ở chế độ máy phát

a) Phạm vi hoạt động

b) Dòng năng lượng MP ở chế độ dưới đồng bộ

b) Dòng năng lượng MP ở chế độ trên đồng bộ

Rotor

Rotor

Trên đồng bộ Chế độ máy phát 0>s>- 

Trên đồng bộ Chế độ động cơ 0>s>- 

Dưới đồng bộ Chế độ động cơ 1>s>0

Dưới đồng bộ Chế độ máy phát 1>s>0

m a)

Lưới điện Lưới điện

-1

Hình 1.7: Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK

Từ hình 1.7, cho thấy phương pháp điều khiển mờ, là mục tiêu áp dụng để điều khiển MĐKĐBNK trong hệ thống máy phát điện sức gió Vì vậy việc lựa chọn phương pháp điều khiển này cho thấy đây là một trong những phương pháp khả dĩ

có thể áp dụng cho đối tượng nghiên cứu MĐKĐBNK nhằm tăng khả năng áp dụng vào thực tiễn

1.2 Các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK

Cấu trúc điều khiển đầy đủ của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK, gồm có 3 thành phần chính sau đây:

- Điều khiển turbine

- Điều khiển phía lưới và phía máy phát

- Điều khiển cắt máy phát khỏi lưới sử dụng crowbar (hình 1.8) hoặc stator switch (hình 1.9) nhằm bảo vệ máy phát khi có sự cố lưới

Các phương pháp điều khiển MĐKĐBNK

Phương pháp điều khiển phi tuyến

Tựa phẳng (Platness -based)

Tựa theo thụ động (Passivity - based)

Mờ (Fuzzy)

Hình 1.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar

Hình 1.9: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch

1.2.1 Điều khiển turbine

Công suất của turbine gió

Công suất của turbine gió được tính theo công thức [16, 17, 18]:

2 3

1P2

Trong đó:

được xác định theo (1.2):

tb( t ) cg tb

gm( t )

R v



0,593 và còn được gọi là giới hạn Betz

Các công thức (1.1), (1.2), và (1.3) cho thấy công suất turbine gió phụ thuộc vào cấu trúc khí động học của turbine gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay của turbine Chính vì vậy với một góc pitch cố định và ở một tốc độ gió cho trước thì công suất của một turbine gió còn phụ thuộc vào tốc độ quay của nó nữa

Phương pháp điều khiển

Nhiệm vụ của điều khiển turbine là điều khiển tốc độ turbine để duy trì công suất được biến đổi từ năng lượng gió thành công suất cơ trên trục của turbine là cực

hơn tốc độ gió lớn nhất cho phép Ứng với tốc độ gió mà ở đó công suất của máy phát

đã đạt đỉnh thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn công suất turbine Ở tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ nhỏ nhất cho phép hoặc lớn hơn tốc độ lớn nhất cho phép của

turbine thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ khí để giữ cho turbine không quay Muốn vậy thì tốc độ trục cơ của turbine gió (được nối với trục rotor của MĐKĐBNK thông qua một hộp số) phải được thể hiện ở công thức (1.1), (1.2), và (1.3) Đây cũng chính là vấn đề được nhiều người quan tâm [14, 16]

Dưới đây là mối quan hệ giữa công suất của turbine với tốc độ góc quay của

nó ứng với các tốc độ gió khác nhau, thể hiện trên hình 1.10

Hình 1.10: Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều khiển turbine

Trên hình 1.10 với đường đặc tính công suất tối ưu của turbine được thể hiện bằng nét đậm và được diễn giải như sau [18]:

- Khi tốc độ gió nằm trong khoảng từ tốc độ nhỏ nhất cho phép và tăng cho đến khi công suất của máy phát đạt giá trị lớn nhất cho phép thì tốc độ quay của

từ năng lượng gió ứng với mỗi tốc độ gió là lớn nhất Vùng làm việc như vậy gọi là vùng công suất tối ưu

- Khi công suất của máy phát đã đạt đến giới hạn lớn nhất cho phép mà tốc

độ gió vẫn tiếp tục tăng thì có thể điều chỉnh tốc độ quay của turbine ứng với từng

pitch để giữ cho công suất cơ trên trục của turbine là hằng số Vùng làm việc như vậy còn được gọi là vùng công suất không đổi

tiếp tục tăng thì bắt buộc phải cắt máy phát để bảo vệ turbine và các bộ biến đổi công suất

Cần lưu ý việc điều chỉnh tốc độ quay của turbine có thể thực hiện trực tiếp bằng cách thay đổi góc pitch của cánh gió, thay đổi hướng nhận gió của các cánh gió hoặc thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc điều chỉnh công suất đầu ra của máy phát

1.2.2 Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch

Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến đổi công suất khi xuất hiện dòng cân bằng lớn khi xảy ra lỗi lưới (ngắn mạch lưới)

Với hệ thống sử dụng crowbar, khi xảy lỗi lưới, nếu dòng cân bằng lớn quá mức cho phép của bộ biến đổi, lúc này điều khiển crowbar sẽ kích hoạt, làm ngắn mạch rotor, rẽ dòng ngắn mạch qua crowbar để bảo vệ bộ biến đổi, khi đó máy phát

bị mất điều khiển Khi biên độ dòng quá độ giảm đến mức an toàn, “crowbar” ngừng tham gia, lúc này mới có thể phục hồi điều khiển được máy phát

Với hệ thống sử dụng stator switch, khi lỗi lưới, nếu dòng quá độ rotor vượt quá mức cho phép của bộ biến đổi, bộ chuyển mạch điện tử công suất thyristor phía stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lưới, tuy nhiên vẫn duy trì điều khiển phía rotor để điều khiển hòa đồng bộ máy phát trở lại lưới khi biên độ dòng quá độ giảm đến mức

an toàn của bộ biến đổi, và việc phát công suất tác dụng, phản kháng lên lưới được khôi phục trở lại

Trong cả hai phương án Crowbar và Stator switch hệ thống điều khiển MP đều bị vô hiệu hoá và MP được bảo vệ chống quá dòng Bản chất của cả hai phương

án là máy phát được cắt ra khỏi lưới, nên không phải là nội dung nghiên cứu của luận văn này

1.2.3 Điều khiển phía lưới và phía máy phát

Bao gồm hai thành phần: Điều khiển nghịch lưu phía máy phát và điều khiển nghịch lưu phía lưới

Mục tiêu của điều khiển NLPL là duy trì trị số điện áp một chiều trung gian không đổi bảo đảm cân bằng trong quá trình trao đổi điện năng giữa rotor của MP với lưới Đồng thời bảo đảm công suất phản kháng Q đạt giá trị cần thiết, gián tiếp

Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công suất tác dụng (thông qua

cách độc lập với nhau, thông qua điều khiển các thành phần dòng điện rotor, với việc áp dụng kỹ thuật điều khiển véc tơ

Với mục đích của luận văn là cải thiện chất lượng hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển phù hợp cho bộ điều khiển nghịch lưu phía máy phát, nên luận văn tập trung vào những vấn

đề liên quan đến điều khiển NLMP

1.3 Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió

Ta có sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ba pha nguồn kép [8]:

Hình 1.11: Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng

MĐKĐBMK Trong đó:

3~

HS - Hộp số

DSP - Thiết bị điều khiển số Hình vẽ 1.11 mô tả sơ đồ cấu trúc của một hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBNK, theo đó cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới điện 3 pha (lưới điện quốc gia), còn cuộn dây rotor được nối với hệ thống biến tần (biến tần sử dụng van bán dẫn) có khả năng điều khiển dòng năng lượng đi theo 2 chiều

Hệ thống biến tần bao gồm hai phần: Phần nghịch lưu phía lưới (NLPL) và phần nghịch lưu phía máy phát (NLMP) Hai phần này được nối với nhau qua mạch một chiều trung gian Trong đó phần NLMP có nhiệm vụ điều chỉnh và cách ly công

vào lưới điện, cũng như tách máy phát ra khỏi lưới khi cần thiết Phần NLPL trên thực tế cũng như ở các đề tài trước đã nghiên cứu đều khẳng định NLPL không chỉ

là chỉnh lưu thông thường: Lấy năng lượng từ lưới về, mà nó còn có khả năng thực hiện hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại phía lưới Vì vậy, cấu trúc mạch điện tử công suất, phần NLPL hoàn toàn giống như phần NLMP, hơn nữa

sao cho không phụ thuộc vào độ lớn cũng như chiều của dòng năng lượng chảy qua

vai trò bù công suất phản kháng NLPL và NLMP được điều khiển đóng cắt dựa trên nguyên lý điều chế véctơ không gian (ĐCVTKG) [8]

1.3.1 Mô hình điều khiển nghịch lưu phía máy phát

1.3.1.1 Biểu diễn vectơ không gian các đại lượng 3 pha

Giả thiết máy điện làm việc ở chế độ bình thường là đối xứng Lúc này xét trên mặt phẳng cắt ngang của máy điện, véc tơ không gian dòng điện stator của MĐKĐBNK được định nghĩa bằng biểu thức sau [8, 9, 10, 15]:

Trong đó i su , i sv , i sw là các dòng điện hình sin, cùng biên độ, cùng tần số

Đối với các đại lượng khác của mạch stator như điện áp, từ thông cũng vậy

ta đều có thể xây dựng các véc tơ không gian tương ứng giống như đối với dòng điện stator ở trên

Với loại máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép thì véc tơ không gian dòng điện rotor được định nghĩa:

120 240

23

Bây giờ trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy điện), xây dựng hệ

Hình 1.12: Biểu diễn các véc tơ dòng, áp, từ thông stator trên hệ trục toạ độ ,  và d, q

Các thành phần của véc tơ dòng stator trên trục toạ độ ,β là i s và i sβ và trên

trên các hệ toạ độ và các dòng điện pha stator như sau:

1

23

Các công thức ở trên cũng đúng với các đại lượng khác

1.3.1.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát

Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát trong hệ thống máy phát điện chạy sức gió là mô hình trạng thái liên tục của máy phát sử dụng MĐKĐBNK Cơ sở để xây dựng mô hình trạng thái liên tục MĐKĐBNK là các phương trình điện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor [ 8, 9, 10]:

Sau khi chuyển các biểu thức trên sang biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq suy ra

hệ phương trình:

( )( )( )( )

Do stator của MĐKĐBNK được nối mạch với lưới nên tần số mạch stator

stator có thể được viết lại gần đúng:

d dt

Phương trình (1.15) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp

stator (rất thuận lợi cho việc mô hình hoá)

Mặt khác, vì ta sử dụng biến dòng điện rotor làm biến điều khiển trạng thái của đối tượng MĐKĐBNK Vì vậy ta kết hợp các phương trình trên và suy ra được biểu thức (1.16):

'

' s

Triển khai (1.16) dưới dạng các thành phần trên hệ trục toạ độ dq sẽ được mô

hình toàn bộ MĐKĐBNK như sau:

u L

Mặt khác hệ phương trình (1.14) có thể được viết dưới dạng mô hình trạng

0 1 0

Các ma trận của mô hình (1.18) cũng có thể được viết dưới dạng các ma trận con như sau:

B B

B B B

(1.20) Trong đó:

1

0 1 0

u u

u u

' s

mô hình từ thông stator Ở chế độ làm việc bình thường do MĐKĐBNK được nối với nguồn có công suất vô cùng lớn dẫn đến điện áp stator luôn ổn định và tần số

các khâu điều chỉnh tuyến tính [8, 11] thấy rõ điều này, các đại lượng nhiễu đó ở chế độ làm việc bình thường được khử ảnh hưởng bằng khâu bù đơn giản

Hệ phương trình mô tả mô hình dòng rotor của MĐKĐBNK như sau:

sd sq

0 0

a a

tuyến Hơn nữa trong điều kiện lỗi lưới, điện áp stator thay đổi và có sự dao động

của từ thông stator dẫn đến bộc lộ tính phi tuyến cấu trúc của mô hình dòng rotor MĐKĐBNK

1.3.2 Các biến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phía máy phát

độ lớn của công suất tác dụng (phát ra ở chế độ máy phát và lấy từ lưới vào ở chế

độ động cơ) Việc điều chỉnh công suất tác dụng phải tiến hành độc lập với công

suất phản kháng Q đã đặt trước cho thiết bị Để giải quyết vấn đề này ta phải tìm

kháng Q để tìm cách áp đặt giá trị mong muốn

Các công thức (1.12) và (1.13) cho phép ta tính được mô men điện của MĐKĐBNK Vì máy điện chịu sự tác động điều chỉnh từ phía rotor nên công thức tính có chứa dòng rotor sẽ là hữu ích Từ (1.12) và (1.13) ta rút ra được công thức tính mô men:

Xét trên hệ trục toạ độ tựa hướng véc tơ điện áp lưới (THĐAL) khi đó ta còn

Ta viết lại hệ phương trình (1.12) thành:

'

m s

m

L

i i L L

i i L

m

sd rd s

L

Điều này được thể hiện trên đồ thị hình 1.13:

Từ việc phân tích mô hình toán học phía máy phát sử dụng MĐKĐBNK với các biến điều khiển vòng trong là các bộ điều khiển dòng phía máy phát Cùng với vòng ngoài là các bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng thông

điều khiển phía máy phát như hình 1.14

Hình 1.13: Đồ thị véc tơ dòng, áp, từ thông của MĐKĐBNK

Hình 1.14: Cấu trúc điều khiển nghịch lưu phía máy phát sử dụng MĐKĐBNK

r S t

Hình 1.15: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát phía máy phát và phía lưới hệ thống phát

điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK

UD C

Từ mô hình hệ thống phía máy phát, để có thể hoà được máy phát lên lưới, ta

sử dụng cấu trúc điều khiển phía lưới theo tài liệu [8] và được cấu trúc điều khiển

hệ thống máy phát điện sức gió nối lưới như hình 1.15

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Tổng quan về hệ thống máy phát điện sức gió với việc sử dụng một số loại máy điện thông dụng hiện nay cũng như các phương pháp điều khiển có thể áp dụng

để điều khiển

- Xây dựng cấu trúc điều khiển dòng điện phía máy phát trong hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép làm tiền đề đi đến nghiên cứu các bộ điều khiển dòng phía máy phát ở các chương tiếp theo

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

2.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển PID

Như ở chương 1 ta đã xây dựng được cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép và được thể hiện trên hình 1.8 Trong đó phạm vi nghiên cứu của luận văn tập chung vào nghiên cứu bộ điều khiển

sử dụng là bộ điều khiển PID Ta có cấu trúc điều khiển phía máy phát như hình 2.1

r S t

Hình 2.2: Cấu trúc điều khiển toàn hệ thống bằng bộ điều khiển PID

UD C

2.2 Thiết kế bộ điều khiển dòng phía máy phát bằng bộ điều khiển PID

2.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển được gọi là PID do được viết tắt từ 3 thành phần cơ bản trong

bộ điều khiển : khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D)

Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I)

Có khả năng phản ứng nhanh nhạy và sáng tạo (D)

Bộ điều khiển PID được ứng dụng rất rộng rãi đối với các đối tượng SISO theo nguyên lý phản hồi (feedback) như hình vẽ:

Bộ điều khiển PID được mô tả:

Hình 2.3: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID)

1 1 K s K

s U s W dt

t de T dt t e T

1 t e

K

t

I P

DK D

I P

có các phương pháp thường gặp:

Phương pháp thực nghiệm dựa trên hàm h(t)

Phương pháp thiết kế trên miền tần số

Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng

2.2.1.1 Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)

a Phương pháp Ziegler – Nichols

j n

1 j

i m

1 i

dt s

T n

m

sT1

sT1K

esA

sB)s(

1 1 K s

Nội dung pương pháp:

- Tiến hành thực nghiệm với hệ thống điều khiển:

40% Vì vậy phương pháp này dùng để tìm tham số ban đầu cho bộ PID, sau đó dùng các phương pháp khác để chỉnh định (phương pháp dùng hệ mờ FLC để chỉnh định)

Ngoài ra phương pháp này có hạn chế là chỉ áp dụng được cho những đối tượng có được chế độ biên giới ổn định khi hiệu chỉnh bằng hệ số khuếch đại trong

hệ kín

b Phương pháp Chien – Hrones – Reswick

Phương pháp này gần giống với

phương pháp Ziegder – Nichols 1 song nó sử

dụng trực tiếp hàm h(t) mà không xem nó gần

đúng với khâu quán tính có trễ và thêm giả

thiết đối tượng ổn định, h(t) dạng chữ s và

Ts1

Ks

W



Các bước của phương pháp:

- Xây dựng đường thực nghiệm h(t)

- Tra bảng để xác định các tham số cho bộ điều khiển [3]

c Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn

Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng không có độ quá điều chỉnh, ổn định và động học hình chữ s (đối tượng 2.3) Với:

3T

1 j

m

1 i

' i t

phương pháp thời gian tổng Kunh để chọn luật điều khiển PID nhờ tra bảng [5]

Đặc biệt phương pháp này rất thích hợp cho đối tượng:

dt dt

Ts1

K)

s(W

; K 2

1

dt p

; K

1

dt p

2.2.1.2 Thiết kế điều khiển ở miền tần số

a Nguyên tắc thiết kế

Một hệ thống điều khiển được mô tả:

Bài toán đặt ra điều khiển sao cho tín hiệu ra phải bám được tín hiệu vào u(t) Nếu một cách lý tưởng thì hàm truyền hệ kín:

sW.sW1

sW.sWs

W

dt dk

dt dk

Vậy ta cần phải xác định cấu trúc và tham số bộ điều khiển với

sao cho đáp ứng được trong 1 dải tần số thấp có độ rộng càng lớn càng tốt (nghĩa là

b Phương pháp tối ưu modul

Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng (2.3)

 

s T 1

K s

1 j

m

1 i

' i t

T

= 1(t); ta chọn luật điều khiển PI, theo tài liệu [3] ta có:

T K

dt P

T

K s

1

dt dt

K)

s(W)

s(W)s(W

I

0 dt

dk h

sT1KsW

I

I P

T

dt I

+ Bù 2 hằng số thời gian lớn nhất của đối tượng:

Xét đối tượng có :

K W

2 1

dt dt

K)

s(W)

s(W)s(W

I

0 dt

dk h

s T 1 s T 1 K s

T

1 s T T s T K s T s T

1 1 K s

W

I

B A

P I

2 D I I P D

I P

D I B A

T T T

T T T T

T K

dt

I

c Phương pháp tối ưu đối xứng

Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng thuộc lớp II

K s





ta chọn luật điều khiển PI (Theo lý thuyết điều khiển tự động)

sT

sT1KsW

I

I P

W

I

I 0

Tham số cần thiết kế là KP và TI : Theo tài liệu Lý thuyết điều khiển tuyến

a T K

T K

W

1

dt dt

sT1sT1KsW

I

B A

P dk

D I B A

T T T

T T T T

Theo tài liệu Lý thuyết điều khiển tuyến tính ta tính được các tham số điều khiển:

aT T T

T K

' P B

I

' P

a T K

T K

dt

' P

Bước 1 : Xác định hàm truyền của hệ thống với phản hồi qua hệ số điện trở

Bước4 : Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID qua mô phỏng

2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển dòng PID

2.2.2.1 Cơ sở để áp dụng thiết kế bộ điều khiển dòng PID

Từ mô hình toán học của máy phát điện dị bộ nguồn kép và nguyên lý cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống cho thấy chất lượng điều khiển của hệ thống thực chất là tập trung vào điều khiển dòng điện phía rotor của máy phát Vì vậy để đi đến việc thiết kế bộ điều khiển dòng rotor bằng bộ điều khiển PID kinh điển, ta phân

Ở đây có thể xem động học của máy phát gồm động học phần điện và động

: vị trị góc cơ học của rotor; z p d

ứng, R ma trận điện trở, thể hiện sự tiêu thụ năng lượng điện Tuy nhiên trong

Hai công thức trên được đưa ra với các giả thiết: bỏ qua ảnh hưởng điện

dung của các cuộn dây, trục của rotor là cứng và đặc tính từ kháng của máy phát là

phân bố đều Với giả thiết này thì hàm thế năng của máy phát sẽ bằng không

Như vậy hệ EL đối với động học phần điện như sau:

L

d dt