Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép

Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có xu hướng sử dụngmáy điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuốc bin làm máy phát điện để giảmgiá thành do các bộ biến đổi được đ

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay ở Việt nam nói riêng và thế giới nói chung nhu cầu về năng lượngđiện ngày một tăng cao trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượngtruyền thống như thuỷ điện, nhiệt điện là các dạng năng lượng đang ngày càng cạnkiệt và gây mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường Nguồn điện năng khai thác từcác nhà máy điện nguyên tử có chi phí lớn và cũng tiềm ẩn nguy cơ gây mất an toàn.Bởi vậy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo như năng lượng gió,năng lượng mặt trời là một xu hướng đang được phát triển mạnh trên thế giới Tuynhiên nguồn năng lượng mặt trời cũng đang trong giai đoạn phát triển và mới chỉ đượcthực hiện với công suất nhỏ Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió đangngày càng được quan tâm phát triển ở nhiều quốc gia trên toàn cầu

Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có xu hướng sử dụngmáy điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuốc bin làm máy phát điện để giảmgiá thành do các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor chỉ phải làm việc với khoảng 1/3công suất tổng của hệ thống máy phát Đồng thời, do khả năng có thể làm việc trongmột khoảng thay đổi tốc độ rộng, các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điệnkhông đồng bộ nguồn kép có hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn so với việc sửdụng các máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hay đồng bộ kích thích v ĩnh cửu với

bộ biến đổi đặt ở phía stator

Các hệ thống cung cấp và truyền tải điện càng ngày càng có yêu cầu khắt khehơn về chất lượng nguồn điện Vì vậy, các thiết bị phát điện đấu nối với lưới, trong đó

có các hệ thống máy phát điện sức gió vốn ngày càng chiếm tỷ trọng đáng kể trongtổng dung lượng điện năng của nhiều quốc gia, cũng ph ải đảm bảo các yêu cầu chấtlượng đề ra Mặt khác khi các hệ thống này tập hợp thành cả "vườn" sức gió thì vấn đềtrụ lưới với mục tiêu tránh rã lư ới là một đòi hỏi hết sức cấp thiết Đặc biệt, khi hệthống phân phối bị sự cố sập lưới thì các hệ thống máy phát này không được phép cắtkhỏi lưới một cách không có kiểm soát vì có thể làm cho lỗi lưới càng trầm trọng thêm

và việc khôi phục lưới sau sự cố cũng sẽ trở lên khó khăn hơn Khi vận hành các hệthống phát điện sức gió phải đảm bảo yêu cầu có thể duy trì tình trạng làm việc songsong với lưới khi xảy ra sự cố sập lưới và tái lập lại trạng thái làm việc bình thường

càng sớm càng tốt sau khi sự cố lỗi lưới được loại bỏ Không những thế, hệ thống điềukhiển phía lưới trong các hệ thống máy phát sức gió hiện đại còn yêu cầu phải có khảnăng hỗ trợ lưới trong suốt quá trình lỗi lưới, kể cả lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới khôngđối xứng.

Hiện nay đã có một số các công trình nghiên cứu về khả năng trụ lưới trong hệthống phát điện chạy sức gió Tuy nhiên, việc điều khiển trụ lưới khi xảy ra lỗi lướikhông đối xứng còn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ Đồng thời vấn đề kết hợphạn chế ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến, với tải phi tuyến ở đâyđược hiểu là những tải gây ra méo dạng điện áp cũng chưa đư ợc quan tâm một cáchtriệt để

Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa

quan tâm giải quyết triệt để như đã kể trên

Mục đích nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng sách lược điều khiển trụ lưới của hệ thốngphát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng caokhả năng trụ lưới của hệ thống

Các nội dung chính của luận án

· Nghiên cứu đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới cho nghịch lưu (hoặc bộ biếnđổi) phía máy phát Khi có lỗi lưới, bộ biến đổi phía máy phát được điều khiển bảođảm quá trình vận hành đồng bộ, không cần cắt máy phát ra khỏi lưới phân phối

· Nghiên cứu áp dụng phương pháp công suất tức thời và bộ lọc đa biến để xácđịnh các thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp và dòng điện phục vụ cho việcđiều khiển trụ lưới đối xứng và không đối xứng

· Đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển đối xứng để nâng cao khả năng trụlưới không đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận vàngược của một hệ thống ba pha không có dây trung tính với các tiêu chí khác nhau chotừng thành phần Với phương pháp này th ì các tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng phíalưới được tổng hợp từ các thành phần thứ tự thuận và ngược của dòng l ưới trên các trụctọa độ quay tương ứng

· Đề xuất một cấu trúc điều khiển cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sửdụng máy phát điện nguồn kép Ở chế độ xác lập (không có lỗi lưới), bộ điều khiểnphía lưới đóng vai trò một bộ lọc tích cực để làm cho dòng điện lưới có dạng hình sinhơn khi làm việc với các tải phi tuyến và làm việc như một bộ bù công suất phản kháng

để hỗ trợ lưới Khi lỗi lưới, kể cả lỗi lưới không đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợpđối xứng được đưa vào làm việc để hỗ trợ điện áp lưới và làm cân bằng dòng đi ệntrong các pha

· Lựa chọn sử dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theothụ động (passivity–based) để điều khiển bộ biến đổi phía máy phát của hệ thống máyphát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép

· Kiểm chứng các thuật toán điều khiển thông qua các mô phỏng trong môi trườngMatlab-Simulink-Plecs

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

· Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát máy phát sức gió sử dụng máy phát

không đồng bộ nguồn kép

· Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc áp dụng phương pháp thiết kế phituyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động

· Phạm vi nghiên cứu chính của luận án là tìm ra sách l ược điều khiển trụ lưới cho

bộ điều khiển phía máy phát và tích hợp chức năng lọc tích cực và bộ điều khiển phíalưới với hệ thống ba pha ba dây có hoặc không có dây trung tính

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

· Ý nghĩa khoa học chính của luận án là đã xây dựng nền tảng lý thuyết cho sáchlược trụ lưới khi xuất hiện lỗi lưới đối xứng hay không đối xứng mà luận án đề xuất

· Hai ý ngh ĩa thực tiễn chính là không chỉ mô phỏng thành công mà còn chỉ ra tínhkhả thi của sách lược điều khiển trụ lưới và tích hợp chức năng lọc tích cực vào bộ điềukhiển nghịch lưu phía lưới

Những đóng góp của luận án

· Xây dựng và mô phỏng thành công sách lược điều khiển trụ lưới không đối xứngtrên cơ sở phân tích các thành phần thứ tự thuận và ngược của hệ thống ba pha không

có dây trung tính Luận án giải quyết vấn đề điều khiển trụ lưới một cách triệt để hơn

so với các phương pháp điều khiển trụ lưới hiện tại

· Đã ch ứng minh khả năng tích hợp chức năng lọc tích cực vào hệ thống điềukhiển máy phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép để cải thiện chấtlượng điện năng khi làm việc với các tải phi tuyến.

Cấu trúc luận án

Phần đầu của chương 1 tr ình bày khái quát về hệ thống máy phát sức gió và cácđặc điểm cơ bản của các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay trong đó nhấnmạnh vào hệ thống tuốc bin sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép, sơ lược vềcác phương pháp điều khiển máy phát nguồn kép và giới thiệu phương pháp điều khiểnpassivity-based Phần tiếp theo của chương 1 trình bày về một số vấn đề đặt ra trongvận hành lưới điện kể cả ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến Phầncuối của chương đề cập chi tiết hơn đến ảnh hưởng của lỗi lưới và yêu cầu trụ lưới của

hệ thống phát điện sức gió, các biện pháp khắc phụ lỗi lưới hiện nay đã đư ợc nghiêncứu và những vấn đề còn bỏ ngỏ hoặc chưa được quan tâm triệt để (kể cả đối với hệthống 3 pha 4 dây) Từ đó giới thiệu sơ bộ về phương pháp điều khiển tổng hợp đốixứng cho hệ thống 3 pha 3 dây Chi tiết của phương pháp điều khiển tổng hợp đối xứngđược trình bày chi tiết trong chương 3

Chương 2 được dành để trình bày việc mô hình hóa các thành phần, cấu trúc vàcác thuật toán điều khiển cơ bản nhất được sử dụng trong một hệ thống máy phát điệnsức gió Cụ thể, phần đầu của chương 2 là các bước xây dựng mô hình máy điện khôngđồng bộ nguồn kép và mô hình trạng thái của lưới trên hệ trục tọa độ tựa theo vectorđiện áp lưới dq Trên cơ sở các mô hình toán đã có đ ể xây dựng cấu trúc điều khiểnphía máy phát từ đó thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp

passivity-based Tiếp đó là sơ lược về việc hòa đ ồng bộ, các điều kiện đảm bảo hòađồng bộ với lưới, khái quát về việc duy trì hoặc ngắt máy phát trong một số điều kiện

cụ thể Phần cuối của chương 2 trình bày v ề việc xây dựng cấu trúc điều khiển phíalưới từ đó thiết kế bộ điều khiển phía lưới dựa trên phương pháp tuyến tính dead-beat

Chương 3 tr ình bày các nội dung chính của luận án Phần đầu của chương 3 giớithiệu khái quát về động học máy phát nguồn kép khi sập lưới Tác hại của việc sập lướiđối với hệ thống truyền tải cũng như bản thân hệ thống phát điện sức gió Phần tiếptheo trình bày phương pháp kinh điển sử dụng hệ thống điện trở tiêu tán nhằm bảo vệ

bộ biến đổi phía rotor trong khi vẫn đảm bảo điều kiện hòa đồng bộ với lưới Các đónggóp của đề tài nghiên cứu thể hiện ở phần điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi có cáctrạng thái lỗi lưới khác nhau Trước tiên là lỗi lưới đối xứng, kể cả sự suy giảm và méo

dạng điện áp lưới gây ra bởi các tải phi tuyến có công suất lớn trong các lưới yếu Từ

đó, một bộ lọc tích cực được đề xuất để cải thiện chất lượng điện năng Phần cuối cùngcủa chương đề cập một cách chi tiết sách lược nâng cao khả năng trụ lưới không đốixứng Đây c ũng chính là nội dung nghiên cứu chính của đề tài Phần cuối của chương 3

đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sửdụng máy phát điện nguồn kép Theo đó, trong quá trình làm việc bình thường thì bộđiều khiển phía lưới đóng vai trò một bộ lọc tích cực để làm cho dòng đi ện lưới códạng hình sin hơn khi làm vi ệc với các tải phi tuyến Khi có lỗi lưới, kể cả lỗi lướikhông đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp đối xứng sẽ được đưa vào làm việc để hỗtrợ điện áp lưới và làm cân bằng dòng điện trong các pha

Chương 4 trình bày các sơ đ ồ mô phỏng, các kết quả nghiên cứu về việc hòađồng bộ, các đặc tính điều khiển và bảo vệ bộ biến đổi phía máy phát trong chế độ làmviệc bình thư ờng cũng như khi xảy ra lỗi lưới, khảo sát khả năng hỗ trợ lưới và khảnăng suy giảm sóng hài khi sử dụng chức năng lọc tích cực Trọng tâm của chương 4dành cho các kết quả nghiên cứu về điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi sập lưới đốixứng và không đối xứng Các kết quả này được đề cập trong hai trường hợp Trườnghợp thứ nhất là khi máy phát nguồn kép làm việc trong chế độ bình thường và không

áp dụng biện pháp điều khiển trụ lưới Từ các kết quả nghiên cứu này có thể đánh giáđược mức độ ảnh hưởng của việc lỗi lưới đối với các thành phần khác nhau trong hệthống điều khiển khi không áp dụng sách lược điều khiển trụ lưới Trường hợp thứ hai

là khi áp dụng sách lược trụ lưới trong quá trình xảy ra lỗi lưới Từ các kết quả nghiêncứu này có thể đánh giá được hiệu quả của sách lược điều khiển trụ lưới bằng việc sosánh với các kết quả mô phỏng trong trường hợp không có các biện pháp xử lý lỗi lưới

Phần cuối cùng là một số kết luận và kiến nghị

Chương 1 Tổng quan 1.1 Khái quát về năng lượng gió

Năng lượng gió đã nhận được quan tâm nhiều hơn trên thế giới kể từ nhữngnăm 1970 khi giá dầu mỏ trên thế giới ngày càng tăng cao Đặc biệt, sự phát triển nănglượng gió đã có sự bùng nổ trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu về sử dụng nănglượng sạch, năng lượng tái tạo Các số liệu thống kê được công bố bởi Hội đồng nănglượng gió toàn cầu trong tháng 5 năm 2008 đã cho bi ết dung lượng của các hệ thốngmáy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94.000 MW [39].Chỉ tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung l ợưng của các hệ thống phát điện chạysức gió đã tăng trưởng 18% trong năm 2007 và đ ã đạt đến 56.535 MW [35] Trong khidung lượng đó ở Mỹ đã tăng t ừ khoảng 1.800 MW ở thời điểm năm 1990 tới hơn16.800 MW ở cuối năm 2007 [12, 26]

Các hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng các máy điện gắn với các

tuốc-bin làm máy phát điện được thể hiện trên hình 1.1

Hệ thống phát điện sức gió

Máy phát một

chiều

Máy phát xoay chiều 1 pha

Máy phát xoay chiều

Máy phát xoay chiều 3 pha

Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Máy phát không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Máy phát không đồng bộ

Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép

Hình1.1: Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió

Các máy điện xoay chiều được sử dụng trong các hệ thống máy phát sức gió cóthể là loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy phát không đồng bộ rotor lồng

sóc và máy phát không đồng bộ ba pha rotor dây quấn Ngày nay, các hệ thống

tuốc-bin gió hiện đại thường sử dụng các máy điện không đồng bộ ba pha rotor dâyquấn với các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor Các máy phát như vậy còn được gọi làcác máy phát không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK) Bên cạnh khả năng làm việcvới dải biến thiên tốc độ lớn xung quanh tốc độ đồng bộ thì một ưu điểm quan trọngcủa các MPKĐBNK là ở chỗ các bộ biến đổi chỉ cần đảm bảo khả năng làm việc vớikhoảng 30% công suất tổng của máy phát [25, 28, 42, 46] Điều này cho phép giảmđược dung lượng của các bộ biến đổi và giá thành của hệ thống [25, 28, 29, 32, 42, 84] Chính vì vậy, các MPKĐBNK ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống máyphát điện sức gió mặc dù khó điều khiển hơn so với loại máy phát đồng bộ kích thíchvĩnh cửu và máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc

Đặc tính của MPKĐBNK trong các chế độ làm việc khác nhau và dòng chảynăng lượng tương ứng được minh họa trên hình 1.2

Dưới đồng bộ Chế độ động cơ 1>s>0

Lưới điện

Rotor Stator

1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển

Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng gió được vẽ trênhình 1.3 Trong đó các cuộn dây stator của MPKĐBNK được nối trực tiếp với lưới Cáccuộn dây rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phía rotor được gọi là bộ biến đổiphía rotor, một ở phía lưới được gọi là bộ biến đổi phía lưới Hai bộ biến đổi liên hệ vớinhau thông qua mạch một chiều trung gian

AC DC

Bộ điều khiển phía máy phát

DC

Bộ điều khiển phía lưới

Điều khiển turbine

Hình 1.3: Hệ thống máy phát sức gió [45]

Hệ thống điều khiển trên hình 1.3 gồm có hai phần chính: phần điều khiển tuốcbin và phần điều khiển máy phát nguồn kép [20] Phần điều khiển tuốc bin cung cấpcác giá trị đặt của công suất tác dụng hay mômen điện từ T e* cho phần điều khiển máyphát nguồn kép Giá trị đặt này được tính toán dựa trên tốc độ gió đo được và một bảngtra nhằm ra quyết định lựa chọn công suất đầu ra tối ưu tương ứng với tốc độ quay củatuốc bin Một tín hiệu đặt khác là góc điều chỉnh pitch p được đưa trực tiếp tới bộphận điều chỉnh góc pitch của các cánh gió để điều khiển tốc độ tuốc bin Trong khi đó,mục tiêu của phần điều khiển máy phát nguồn kép là giữ cho các công suất tác dụng và

công suất phản kháng của máy phát ở các giá trị mong muốn.

1.2.1 Công suất của tuốc bin gió

Công suất của tuốc bin gió được tính theo công thức sau [29, 48, 65, 66]:

P tb = 12

Trong đó,tb là mật độ không khí ( kg/m3 ), R cg bán kính của cánh gió ( m ),

v gm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió ( m/s ), C tb là hệ số

phụ thuộc vào cấu trúc hình học của tuốc bin gió và được cho bởi

Lưu ý rằng theo các tài liệu nghiên cứu thì giá trị cực đại của C tb là 0.593 và

còn được gọi là giới hạn Betz [19, 41, 59, 66]

Các công thức (1.1), (1.2) và (1.3) cho thấy là công suất của tuốc bin gió phụthuộc vào cấu trúc của tuốc bin gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay của tuốcbin Vì vậy, với một góc pitch cố định và ở một mức độ gió cho trước thì công suất củamột tuốc bin gió còn phụ thuộc tốc độ quay của nó nữa

1.2.2 Điều khiển tuốc bin gió

Như đã trình bày trong mục 1.2.1, để duy trì công suất được biến đổi từ nănglượng gió thành công suất cơ trên trục của tuốc bin là cực đại thì cần phải đảm bảo giá

trị của hệ số C tb là tối ưu ứng với từng tốc độ gió trong dải tốc độ gió cho phép Việcđiều chỉnh sao cho tốc độ tuốc bin đạt được giá trị cho phép phát ra công suất đỉnh

được thực hiện thông qua việc điều khiển góc pitch Ở tốc độ gió nằm ngoài dải tốc độcho phép của tuốc bin thì thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơkhí để giữ cho tuốc bin không quay Muốn như vậy thì tốc độ trục cơ của tuốc bin gió(được kết nối với trục rotor của MPKĐBNK thông qua một hộp số) phải được điều

khiển bám theo đường đặc tính tối ưu cho phép khai thác công suất tối đa ứng vớitừng tốc độ gió như đã đư ợc thể hiện ở các công thức (1.1), (1.2), (1.3) và hình 1.4.Đây cũng chính là một chủ đề đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu khá rộng rãi [16,

19, 23, 48, 62, 80]

Hình 1.4: Các vùng làm việc của một tuốc bin gió (nét đậm: đặc tính công suất

tối ưu của hệ thống)

Hình 1.4 là một ví dụ về mối quan hệ giữa công suất của một tuốc bin với tốc độgóc quay của nó ứng với các tốc độ gió khác nhau Đường đặc tính công suất tối ưu củatuốc bin được thể hiện bằng nét đậm và được mô tả như sau [66]:

· Khi tốc độ gió nằm trong khoảng từ tốc độ nhỏ nhất cho phép và tăng cho đến khicông suất của máy phát đạt giá trị lớn nhất cho phép thì tốc độ quay của tuốc bin gió

được điều chỉnh sao cho C tb đạt được giá trị tối ưu để công suất biến đổi từ năng

lượng gió ứng với mỗi tốc độ gió là lớn nhất Vùng làm việc như vậy còn được gọi làvùng tối ưu công suất

· Khi công suất của máy phát đ ã đạt đến giới hạn lớn nhất cho phép mà tốc độ gióvẫn tiếp tục tăng th ì có thể điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin ứng với từng tốc độ gió

sao cho C tb đạt được giá trị nhỏ hơn giá trị tối ưu hoặc điều chỉnh góc pitch để giữcho công suất cơ trên trục của tuốc bin là hằng số Vùng làm việc như vậy còn đư ợcgọi là vùng công suất không đổi

· Khi việc điều chỉnh hệ số C tb và góc pitch đ ã ở mức tới hạn mà tốc độ gió vẫntiếp tục tăng thì bu ộc phải cắt máy phát để bảo vệ tuốc bin và các bộ biến đổi côngsuất.

Cần chú ý rằng việc điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin có thể thực hiện trựctiếp bằng cách thay đổi góc pitch của cánh gió, thay đổi hướng nhận gió của các cánhgió hoặc thực hiện gián tiếp thông qua việc điều chỉnh công suất đầu ra của máy phát

1.2.3 Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép

Các thiết kế điều khiển MPKĐBNK kinh điển với các bộ điều khiển kiểu PIđược trình bày trong [18, 44, 65, 67, 69, 75] Đặc điểm chung của các phương pháp này

là có thêm một thành phần bù kiểu feed-forward ở đầu ra của các bộ điều khiển nhằmloại bỏ các ảnh hưởng của lực phản điện động của máy Chi tiết của vấn đề này đượctrình bày trong [84] Tuy nhiên, tính năng của các bộ bù feed-forward phụ thuộc vào độchính xác của các tham số của MPKĐBNK nên thường không có được đặc tính làmviệc lý tư ởng trong thực tế do các tham số MPKĐBNK có thể bị biến đổi trong quátrình làm việc Một phương pháp điều khiển MPKĐBNK kinh điển khác là điều khiểndead-beat được trình bày trong [49, 72] Tuy nhiên, phương pháp này dựa trên việc giảthiết tần số rotor là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu T, dẫn đến mô hình giánđoạn của MPKĐBNK là mô h ình tuyến tính hệ số hàm cho phép thiết kế bộ điều khiểntuyến tính Để tránh việc sử dụng các bộ bù feed-forward và để đảm bảo chất lượng của

hệ thống điều khiển trong một khoảng làm việc rộng của tốc độ rotor, các phương phápđiều khiển phi tuyến đã được đề nghị áp dụng cho điều khiển MPKĐBNK Vấn đề này

đã được trình bày trong các tài liệu [1, 5, 49, 57, 73, 74]

Như đã trình bày ở trên, mặc dù hệ thống điều khiển hoàn chỉnh của một tuốcbin gió phải gồm cả phần điều khiển tuốc bin và phần điều khiển MPKĐBNK, tuynhiên đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu phần điều khiển MPKĐBNK Hiện nay đã cónhiều phương pháp điều khiển MPKĐBNK được nghiên cứu như phương pháp tựatheo điều khiển cuốn chiếu (backstepping based) [5], phương pháp tuyến tính hóachính xác (exact linearzation) [73, 74], phương pháp tựa theo thụ động (passivity based)

và phương pháp tựa phẳng (flatness based) [1] Luận án này sử dụng phương pháp thiết

kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động để điều khiển bộ biến đổi phía máyphát (hình 1.5) Giá trị đặt tối ưu cho phần điều khiển MPKĐBNK gồm mômen điện từ

T e* và công suất phản kháng Q g* được cung cấp từ phần điều khiển tuốc bin và phầnđiều độ của lưới Chi tiết của phương pháp này sẽ được trình bày trong ch ương 2

Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK

Cuốn chiếu

(backstepping)

[5]

Tuyến tính hóa chính xác (exact linearization) [73, 74]]

Tựa phẳng (flatness based) [1]

Tựa theo thụ động (passivity based)

1.3 Yêu cầu điều khiển trụ lưới

1.3.1 Các sự cố và các yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng vận hành của lưới

Đối với yêu cầu đảm bảo chất lượng của một hệ thống truyền tải và cung cấpđiện thì vấn đề sóng hài và dao động điện áp ngày càng nhận được sự quan tâm của cácnhà cung cấp cũng như của các hộ tiêu thụ điện

Sự phát triển nhanh chóng của các ngành sản xuất công nghiệp trong đó sửdụng rộng rãi các thiết bị điện tử công suất lớn như các bộ biến đổi xoay chiều - mộtchiều, các bộ biến tần, các loại lò điện cùng với các hệ thống điều khiển từ đơn giảnđến phức tạp để tạo ra một hệ thống truyền động điện linh hoạt, đáp ứng được các yêucầu điều khiển khác nhau và thích ứng cho nhiều loại phụ tải Tuy nhiên, việc sử dụngcác thiết bị này cũng tạo ra những thách thức ngày càng to lớn đối với yêu cầu đảm bảochất lượng của nguồn điện cung cấp Các thiết bị này tạo nên những những phụ tải phituyến và gây ra các thành phần sóng hài trên lưới Những sóng hài này làm cho điện áplưới bị méo dạng và gây ảnh hưởng không tốt cho những phụ tải được nối với nó [30,

50, 51, 52, 81] Hiện nay, để khắc phục vấn đề này người ta có thể sử dụng các bộ lọctích cực thay vì sử dụng các bộ lọc thụ động vốn cồng kềnh và khó đáp ứng cho cácdạng sóng hài khác nhau Các ưu điểm cơ bản của bộ lọc tích cực là khả năng bù một

số sóng hài quan trọng mà không làm ảnh hưởng đến đặc tính của lưới, đồng thời thíchứng với sự thay đổi của lưới và tải.

Trong luận án này tập trung nghiên cứu khắc phục sự cố sập lưới trong hệ thốnglưới phân phối và ảnh hưởng của sóng hài và dao động điện áp trong hệ thống phátđiện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao chất lượngcủa hệ thống

1.3.2 Yêu cầu trụ lưới

Các hệ thống máy phát sức gió với MPKĐBNK có nhược điểm là rất nhạy đốivới các nhiễu loạn lưới, đặc biệt là khi lỗi lưới Một trong các giải pháp để bảo vệ hệthống khi xảy ra sập lưới là cắt máy phát ra khỏi lưới Trong trường hợp này, hệ thốngkhông có khả năng khôi phục lại ngay lập tức tình trạng làm việc như lúc trước khi xảy

ra sự cố (phải hòa đồng bộ lại) Mặt khác, việc cắt các máy phát ra khỏi lưới có thể cònlàm tồi tệ hơn tình trạng sập lưới do việc cắt máy phát có thể gây nên quá trình cânbằng dẫn đến mất ổn định và hậu quả có thể là rã l ưới

Khi tổng dung lượng của các hệ thống máy phát sức gió trên thế giới ngày cànggia tăng một cách đáng kể thì chỉ được phép cắt các máy phát điện sức gió ra khỏi lướikhi thỏa mãn một số yêu cầu cụ thể [34, 89]

Khi hệ thống phân phối bị sự cố sập lưới sẽ làm gia tăng mạnh dòng điện cânbằng trong các cuộn dây của MPKĐBNK Do liên hệ giữa từ trường stator và rotor,dòng điện lớn này sẽ tác động vào mạch rotor và bộ biến đổi có thể dẫn đến việc pháhỏng bộ biến đổi nếu không có các biện pháp bảo vệ bộ biến đổi Một nghiên cứu trong[13] đã chỉ ra rằng khi MPKĐBNK chịu tác động của nhiễu điện áp lưới sẽ gây ra daođộng của từ thông trong máy Khi các nhiễu loạn đó xuất hiện bộ biến đổi sẽ gia tăngđiện áp rotor để khống chế dòng điện của nó Khi điện áp yêu cầu vượt quá khả nănggiới hạn của bộ biến đổi thì việc điều khiển dòng sẽ không còn tác dụng [53, 61] Vìvậy, hệ thống điều khiển cần duy trì làm việc và giảm dao động càng nhiều càng tốttrong suốt thời gian có lỗi lưới Mặt khác, hệ thống cần phải được tái lập ổn định càngsớm càng tốt khi hết lỗi lưới [82] Không những thế, các hệ thống điều khiển trong các

hệ thống máy phát sức gió hiện tại còn yêu cầu phải có khả năng hỗ trợ lưới trong suốtquá trình lỗi lưới, kể cả lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới không đối xứng

1.3.3 Các phương pháp điều khiển trụ lưới

Các giải pháp hiện tại:

Giải pháp kinh điển được trình bày trong các tài liệu [15, 58, 61, 68, 77] thường

sử dụng một hệ thống các điện trở tiêu tán có điều khiển với các thyristor được dùng đểđóng cắt mạch (được gọi là crowbar) Khi điện áp một chiều trung gian tăng cao hoặckhi điện áp lưới giảm xuống đến một mức nào đó thì hệ thống này tác động Bộ biếnđổi phía máy phát sẽ ngừng làm việc và các dây quấn rotor của máy phát được nối kínmạch qua hệ thống điện trở tiêu tán này Như vậy, trong quá trình lỗi lưới MPKĐBNKđược sử dụng như một động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, góp phần tiêu thụ nănglượng gió trên hệ thống điện trở Bản chất của giải pháp này là ngắt chế độ máy phát

Hiện nay, vấn đề khắc phục lỗi lưới không đối xứng trong thực tế vận hành đã

và đang nhận được sự quan tâm, nghiên cứu rộng rãi do lỗi lưới không đối xứng có thểxảy ra thường xuyên hơn cả lỗi lưới đối xứng Điện áp không đối xứng còn xuất hiệntrong các lưới điện yếu ngay cả trong trạng thái làm việc bình thường Trong một sốtrường hợp, các nhiễu loạn trên lưới hoặc tải không đối xứng cũng làm cho điện áp lướikhông còn đối xứng nữa [91] Điều này có thể dẫn tới mất ổn định của hệ thống, ảnhhưởng đến chức năng làm việc của một số thiết bị điện và có thể làm cho hệ thống bảo

vệ mất cân bằng dòng điện tác động [56]

Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi sập lưới cũng như khilàm việc với tải không cân bằng đã đư ợc đề cập trong nhiều công trình nghiên cứu.Trong tài liệu [11], bộ điều khiển dòng của bộ biến đổi phía lưới được thực hiện trêntrục tọa độ ứng với thành phần thứ tự thuận Trong khi đó, thành phần thứ tự ngược củađiện áp lưới được đưa thêm vào trong thành phần điện áp đầu ra của bộ điều khiểndòng Cách thức thực hiện bộ điều khiển như đ ã trình bày còn được gọi là phương pháp

sử dụng bộ điều khiển feedforward thành phần điện áp thứ tự ngược Đồng thời, nghiêncứu này còn đưa ra phương pháp sử dụng hai bộ điều khiển dòng được thực hiện trên

cả hai hệ trục tọa độ tương ứng với các thành phần thứ tự thuận và ngược và được gọi

là bộ điều khiển vector dòng đối ngẫu Phương pháp này cũng được đề cập đến trongnhiều tài liệu nghiên cứu khác, chẳng hạn như trong [6, 21, 64] Các biện pháp khắcphục lỗi lưới không đối xứng sử dụng bộ biến đổi với 4 nhánh van trong hệ thống bapha 4 dây cũng được đề cập trong các tài liệu [7, 38] Bộ điều khiển dòng loại này chophép điều khiển riêng rẽ các thành phần dòng điện thứ tự thuận, ngược và zero dẫn đếnviệc có thể loại bỏ được các nhiễu loạn của điện áp do tải không cân bằng gây ra Tuy

nhiên, phương pháp này không áp dụng được cho các hệ thống ba pha không có dâytrung tính Một phương pháp khác được cho là có khả năng bù dòng tải phi tuyến vàkhông cân bằng sử dụng bộ lọc tích cực cho điều khiển dòng sin được trình bày trongtài liệu [8].

Những vấn đề còn tồn tại:

Các phương pháp trụ lưới như đ ã kể trên còn một số nhược điểm như sau:

· Không điều khiển đưa công suất tác dụng về không và không điều khiển côngsuất phản kháng bám điện áp lưới trong suốt quá trình lỗi lưới

· Chưa giải quyết triệt để các vấn đề điều khiển bộ biến đổi phía lưới để bù lỗi lướikhi lưới bị sự cố không đối xứng

· Vai trò của bộ biến đổi phía máy phát và phía lưới trong quá trình làm việc bìnhthường với tải không đối xứng cũng chưa được nghiên cứu một cách hoàn thiện

Vấn đề cần tiếp tục giải quyết:

Nghiên cứu vấn đề trụ lưới khi xảy ra lỗi lưới không đối xứng hoặc khi hệ thốnglưới có nhiều loại tải có các thành phần sóng hài cao

Trong luận án này tác giả nghiên cứu phương pháp nâng cao khả năng trụ lướikhông đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận và ngượcvới các tiêu chí khác nhau cho từng thành phần Với phương pháp này th ì các tín hiệuđặt của bộ điều khiển dòng phía lưới được tổng hợp từ các thành phần thứ tự thuận vàngược của dòng lưới trên các trục tọa độ quay tương ứng Một bộ điều khiển dòng nh ưvậy còn đư ợc gọi là bộ điều khiển tổng hợp đối xứng (THĐX) và sẽ được trình bàytrong chương 3

Hình 1.6 thể hiện một cách vắn tắt các sách lược điều khiển trụ lưới đã đượctrình bày trong một số tài liệu nghiên cứu, kể cả phương pháp sử dụng bộ điều khiểnTHĐX được đề xuất ở trên Các giải pháp theo nhánh (1) của sơ đồ có bản chất là ngắtchế độ máy phát, còn theo nhánh (2) sẽ cho phép thực hiện các giải pháp trụ lưới khácnhau

Sách lược trụ lưới (1)

Lỗi lưới đối xứng

(2)

Lỗi lưới không đối xứng

Sử dụng BNQDA

(crowbar)

[15, 58, 61, 68, 77]

Điều khiển feedforward điện

áp thứ tự ngược [11]

Điều khiển vector dòng đối ngẫu [6, 21, 64]]

Điều khiển bộ biến đổi 4 nhánh van [7, 38]

Sử dụng bộ lọc tích cực điều khiển dòng sin [8]

Điều khiển tổng hợp đối xứng

Hình 1.6: Các sách lược trụ lưới

Kết luận chương 1

Chương 1 đ ã giải quyết được các vấn đề sau:

· Tổng quan về các hệ thống biến đổi năng lượng gió

· Đưa ra đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điệnkhông đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển

· Khái quát các yêu cầu điều khiển trụ lưới nói chung và điều khiển trụ lưới của hệthống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép

· Trình bày và đánh giá các phương pháp điều khiển trụ lưới đã có từ đó đề xuấtsách lược điều khiển trụ lưới nhằm nâng cao chất lượng hệ thống phát điện chạy bằngsức gió



trong đó 0 = s s s 0T , s = sa sbabc sc Chú ý rằng s 0 là

 12

2.1 Phép biến đổi hệ tọa độ

Để giảm độ phức tạp của các phương trình vi phân mô t ả động học của

MPKĐBNK và lưới thì các đại lượng ba pha như d òng điện, điện áp, từ thông thườngđược mô tả bởi các biến trên một hệ trục tọa độ hai pha mới Hệ trục tọa độ mới này cóthể là một hệ trục tọa độ cố định hoặc một hệ trục tọa độ quay [63, 86] Công cụ để

chuyển đổi các đại lượng từ một hệ trục tọa độ cố định sang một hệ trục tọa độ quay vàngược lại là các phép biến đổi Clarke và Park [14, 85]

Trong các hệ thống truyền động điện hiện đại, tất cả các đại lượng ba pha có thểđược biến đổi sang một hệ trục tọa độ quay và thường được gọi là hệ trục tọa độ quay

dq hai pha Khi đó các tính toán được thực hiện với biên độ và góc pha của chúng trêncác hệ trục tọa độ dq này

Đặt s là ký hiệu đặc trưng cho các đại lượng ba pha Giá trị tức thời của từng

pha, được ký hiệu là sa , sb , and sc thỏa mãn ph ương tr ình sau:

2 0 0 3

trong đó sa (t ) sb (t ) sc (t ) = 0 và chỉ số dưới "s" biểu thị các đại lượng

trong hệ thống cuộn dây cố định

Bây giờ ta thiết lập một hệ trục tọa độ mới, ký hiệu là , trong đó trục

thành phần zero được thêm vào để ma trận Tsf có thể nghịch đảo được

Ma trận biến đổi được cho bởi [85]

Tsf =



0

 1

 2

123212

1

2



Hình 2.1: Biến đổi các hệ trục tọa độ

Trong trường hợp tổng quát, nếu là một hệ tọa độ cố định trong mặt

phẳng phức và dq là một hệ tọa độ mới với góc quay f (xem hình 2.1) thì

Hình 2.1 biểu diễn các đại lượng ba pha trên hệ trục tọa độ cố định (trái)

và sự biến đổi giữa các hệ trục và dq (phải)

2.2 Mô hình máyđi ện không đồng bộ nguồn kép

Như đã thảo luận ở trên, với điều khiển dòng của MPKĐBNK sử dụng kỹ thuậtđiều khiển vector thì cần phải biến đổi các biến sang một hệ tọa độ quay dq Hệ tọa độnày có thể tựa theo vector từ thông stator [44, 65, 67, 70] hoặc với vector điện áp lưới[31, 49, 69, 72] Do MPKĐBNK làm việc song song với lưới nên cần phải có chức

năng hòa đ ồng bộ Vì vậy, việc chọn một hệ trục tọa độ dq với trục d trùng với

vector điện áp lưới có thể đem lại một số thuận lợi nhất định [43] Hệ tọa độ như vậy sẽđộc lập với các tham số của máy điện và độ chính xác của khâu đo tốc độ quay [69].Chính vì các lý do trên, hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới được lựa chọn để phát triển

mô hình cũng như phát triển các thuật toán điều khiển máy điện không đồng bộ nguồnkép sau này

Trong đó, u s và u r là các điện áp stator và rotor, i s và i r là các dòng điện

stator và rotor, R s and R r là các điện trở stator và rotor, Ψ s và Ψ r là các từ thông

stator và rotor Chỉ số s phía trên các đại lượng này mô tả đại lượng đó trên hệ tọa độ

 , cố định với stator Chỉ số r phía trên các đại lượng này nhằm mô tả đại lượng đótrên hệ tọa độ cố định với rotor

Các từ thông stator và rotor được xác định bởi

với L m là hỗ cảm giữa hai cuộn dây stator và rotor và L s , L r là các điện cảm

của stator và rotor

Nếu biểu diễn điện cảm tản phía stator và rotor là Ls và Lr thì các điện cảm

của stator và rotor được tính như sau

Viết lại các phương trình (2.8) và (2.9) cho các thành phần d và q của các

dòng điện rotor và từ thông stator dẫn đến [34]

x r = A r ( )x r B su s B ru r

y r = Cr x r

(2.14)(2.15)

i rq sd sq , T u sq , T u rq ,

a  1

L r

0 0 0





a  1 

 0

0

(2.17)

 1 0 0 0

2.3 Mô hình phía lư ới

Mạch điện rút gọn của lưới có thể được biểu diễn trên hình 2.2a Bộ biến đổi

phía lưới thường nối với lưới thông qua một bộ lọc gồm điện kháng L c , tụ C f và

điện trở R f Điện trở của cuộn kháng L c được biểu thị bởi R c

Mạch điện tương đương của lưới được biểu diễn trên hình 2.2b

Các phương trình cơ bản sau tương ứng với mạch điện tương đương của lưới

Trong đó, u c và i c là các điện áp và dòng điện của bộ biến đổi phía lưới, u n

và i n là điện áp và dòng lưới, i f là dòng chảy qua nhánh song song của R f và L f

của bộ lọc

Hình 2.2: Mạch điện phía lưới (a) và mô hình phía l ưới (b)([74])

Áp dụng các phép biến đổi (2.1) và (2.2) cho các phương tr ình (2.19) và (2.20)

ta được các phương tr ình sau với các biến trên hệ trục tọa độ dq :

Thay phương tr ình (2.22) vào phương tr ình (2.21) vớin =s ta có

di nd

dt

di

nq dt

, Cn = 0 1







2.4 Điều khiển phía máy phát

2.4.1 Cấu trúc điều khiển

Bộ điều khiển phía máy phát có nhiệm vụ điều chỉnh công suất tác dụng (có

thể thông qua điều chỉnh mômen điện T e ) và công suất phản kháng Q g (hoặc hệ số

công suất cosϕ )

vào r rt bao gồm mômen điện từ T e* và công suất phản kháng Q g* , r rt =T e* Q g*

i rq (xem các công thức (2.31) và (2.32) dưới đây)

Trong các hệ thống điều khiển máy điện, các bộ điều khiển dòng đóng vai tròrất quan trọng vì chúng cung cấp vector điện áp cần thiết cho mạch điện tử công suất.Hơn nữa, chất lượng của toàn bộ hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào chấtlượng của các bộ điều khiển dòng Vì vậy, các hệ thống điều khiển máy điện thường

bao gồm một mạch vòng trong với một bộ điều khiển vector dòng i r và mạch vòngngoài với các biến điều khiển khác

Hình 2.3: Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát [79]

Cấu trúc điều khiển phía rotor của MPKĐBNK trên hình 2.3 được thực hiệnnhư đã trình bày ở trên Trong đó có hai mạch vòng Mạch vòng trong với bộ điều

khiển K rc được gọi là mạch vòng điều khiển dòng điện Mục tiêu của việc thiết kế bộ

điều khiển dòng K rc là để đạt được tính năng đáp ứng nhanh, bám theo tín hiệu đặt và

bảo đảm tách kênh Mạch vòng đi ều khiển ngoài với bộ điều khiển K rt được gọi làmạch vòng điều khiển mômen được thiết kế để bám theo các giá trị tối ưu của tín hiệu

T

Trên hình 2.3, G r là mô hình của đối tượng, y g =T e Q gT là biến đầu ra

điều khiển được suy ra từ i r =i rd T

bởi khối E rt Trên cơ sở các giá trị đo đạc thực tế của tốc độ gió và các đặc tính của

tuốc bin, các giá trị tối ưu của mômen sẽ được tính toán và đưa ra giá trị đặt r rt chophần điều khiển điện tử công suất

Mômen điện từ của MPKĐBNK trong hệ trục tọa độ dq tựa theo điện áp

Mặt khác, việc điều chỉnh công suất phản kháng Q g cũng có thể được thực

hiện bằng cách điều chỉnh hệ số công suấtϕ g Hệ số này có thể được tính như sau:

qua các thành phần dòng điện rotor i rd và i rq

Chi tiết hệ thống điều khiển kinh điển phía rotor được trình bày trên hình 2.4

u rd

u rq e j r PWM

AC DC DC-link

u DC

i rd

i rq e− j r

2 3

công suất phản kháng

u sd

u sq

 s

Tính góc pha và điện áp stator

Lưới

Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển kinh điển phía máy phát [79]

u rdPBC = u∗rd− D( ).i rd

i rd = i rd− ird∗ là sai lệch dòng điện rotor thành phần theo trục d giữa giá trị đặt

2.4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển phía máy phát

Về mặt bản chất thì mô hình toán của MPKĐBNK là phi tuyến, trong đó các

biến được điều khiển bao gồm dòng điện rotor, từ thông stator và tốc độ góc của rotor.Hơn nữa, khi áp dụng nguyên lý điều khiển vector thì các thành phần dòng điện rotorlại có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau Vì vậy, để đảm bảo chất lượng điều khiển tốtthì bộ biến đổi phía máy phát cần phải được áp dụng một phương pháp điều khiển thíchhợp Đây cũng chính là một trong những vấn đề được nghiên cứu rộng rãi trong nhữngnăm vừa qua Hầu hết các nghiên cứu này đều dựa trên cơ sở tuyến tính hóa mô hìnhcủa MPKĐBNK và phân ly các thành phần dòng bằng cách sử dụng các khâu bù chéo.Gần đây đã có m ột số công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp điều khiển phi

tuyến đã góp phần nâng cao hơn chất lượng điều khiển của bộ biến đổi phía máy phát

Trong khuôn khổ của luận án, việc thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa

trên phương pháp Passivity based (PBC) Chi tiết về phương pháp này được trình bàytrong [2]

Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i rd trên miền liên tục

Để đặt bài toán điều chỉnh thành phần i rd , ta đặt biến u rdPBC là biến điều khiển

và với giá trị mong muốn là i rd∗ được lấy từ bộ điều chỉnh mô men thông qua khâu

tính toán giá trị đặt (TTGTĐ)

Bộ điều chỉnh PBC được xây dựng theo nguyên tắc như đã đư ợc trình bày ở

trên Ở đây ta cần phải tác động vào tín hiệu điều khiển một tín hiệu dòng D( ) i rd

gọi là tín hiệu suy giảm, trong đó D( ) là hệ số suy giảm

Tín hiệu điều khiển có dạng :

~

(2.33)Trong đó:

urd∗ là điện áp rotor thành phần theo trục d mong muốn của máy phát.

~

và giá trị lấy từ bộ điều khiển mô men

Và:

i rq = i rq− irq∗ là sai lệch dòng điện rotor thành phần theo trục q giữa giá trị đặt

Với hệ số suy giảm D( ) được chọn sao cho hàm trữ năng lượng của biến điều khiểnvẫn giữ được đặc điểm thụ động

Vậy bộ điều khiển thành phần i rd có thể viết dưới dạng:

Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i rq trên miền liên tục

Để đặt bài toán điều chỉnh thành phần i rq , ta đặt biến u rqPBC là biến điều khiển

và với giá trị mong muốn là i rq∗ được lấy từ bộ điều chỉnh mô men thông qua khâu

TTGTĐ

Tương tự như thành phần i rd ta cần phải tác động vào tín hiệu điều khiển một

tín hiệu dòng suy giảm D( ) i rq với hệ số suy giảm là D( )

Tín hiệu điều khiển có dạng:

rq

~

(2.37)Trong đó:

u rq∗ là điện áp rotor thành phần theo trục q mong muốn của máy phát,

~

và giá trị lấy từ bộ điều khiển mô men

Và:

u PBC

rq

1 − 



   1 − 

Từ các bộ điều chỉnh dòng tựa trên thụ động ta thấy nó đã đ ảm bảo tách kênhnhờ bù tương tác chéo bởi hai thành phần r i rd và r i rq

Số hoá bộ điều chỉnh i rd

Bộ điều chỉnh thực sẽ được thực hiện trên một hệ thống xử lý tín hiệu số (DSP)

Vì vậy, để có thể áp dụng được trong thực tiễn cần mô phỏng hệ thống dưới dạng số.Gián đoạn hoá bộ điều chỉnh (2.36) dưới dạng sai phân lùi biểu thức (2.36) ta được:

2.4.3 Hòađ ồng bộ với lưới

Bản thân quá trình hòa đồng bộ còn ẩn chứa những vấn đề cần được quan tâmmột cách chi tiết hơn, chẳng hạn như vấn đề hòa đồng bộ lại sau khi lỗi lưới hay khi tốc

độ gió nằm ngoài vùng làm việc của hệ thống máy phát sức gió Tuy nhiên, trong

khuôn khổ của nghiên cứu này, luận án chỉ đề cập vấn đề hòa đồng bộ MPKĐBNK vớilưới để khảo sát các đáp ứng của hệ thống khi máy phát được giữ làm việc song songvới lưới

Bộ điều khiển dòng điện thực hiện quá trình hòa đồng bộ, cần phải thỏa mãn cácđiều kiện hệ thống điện áp phía sator máy phát so với hệ thống điện áp lưới:

Trong đó l là góc quay của vector không gian điện áp lưới, là góc quay

của rotor (góc điện)

Để thấy được việc xác định r theo (2.42) là thỏa mãn điều kiện cùng tần số, taxuất phát từ

số gócrs đúng bằng tần số góc lưới l , nghĩa là cùng tần số với điện áp lưới Như

vậy với việc đưa góc chuyển đổi r vào biến tần thì sẽ đảm bảo điều kiện tần số điện

áp đầu ra máy phát và điện áp lưới có cùng tần số

- Để điều kiện trùng pha được đảm bảo, ta thực hiện thông qua điều khiển các

thành phần dòng điện rotor i rd và i rq , có giá trị thích hợp Ta phải điều khiển sao cho

i rd = 0 (P=0) và i rq≠ 0 ( Q≠ 0 , chỉ thay đổi góc pha)

- Xác định mối quan hệ giữa trị số biên độ điện áp lưới ( u lm ) , điện áp đầu ra

máy phát ( u sm ) và giá trị i rq Xuất phát từ phương tr ình vector điện áp stato:

2.5 Điều khiển phía lưới

2.5.1 Cấu trúc điều khiển

Hệ thống điều khiển phía lưới nhằm mục đích duy trì điện áp một chiều trunggian và công suất phản kháng ở các giá trị mong muốn Để thực hiện nhiệm vụ này,

cấu trúc điều khiển phía lưới được thiết kế như hình 2.5

Hình 2.5: Sơ đồ khối điều khiển phía lưới

Cấu trúc điều khiển phía lưới cũng tương tự như cấu trúc điều khiển phía stator

và cũng bao gồm hai mạch vòng Mạch vòng trong với bộ điều khiển K nc được gọi là

mạch vòng điều khiển dòng phía l ưới Mục tiêu của bộ điều khiển dòng phía l ưới K nc

là đạt được đáp ứng bám nhanh theo các dòng đi ện lưới đặt trước Mạch vòng ngoàivới hai bộ điều khiển dòng công suất Trong đó bộ điều khiển K np được sử dụng để

điều khiển điện áp một chiều trung gian, bộ điều khiển K nq được sử dụng để điều

khiển công suất phản kháng giữa lưới và bộ biến đổi thông qua hệ số công suấtϕ n*

được ước lượng bởi khối E np Trên hình 2.5, G n biểu diễn mô hình l ưới, các biến đầu

ra điều khiển gồm có điện áp một chiều trung gian u dc và dòng lư ới i nT =i nd i nq

Trong đó i nd và i nq là các thành phần của dòng điện lưới trên hệ trục tọa độ tựa theo

điện áp lưới (hay điện áp stator u s )

Điện áp một chiều trung gian có thể được tính như sau:

u dc = u dc 0 1

với u dc 0 là điện áp giá trị ban đầu của u dc , C dc là giá trị điện dung của mạch

một chiều, i rq là thành phần q của dòng điện rotor

Góc phaϕ n của hệ số công suất cosϕ n có thể được tính như sau:

ϕ n = arcsin i nq

i nd2 inq2

Phương trình (2.51) và (2.52) chỉ ra rằng điện áp một chiều trung gian có thể

được điều khiển thông qua thành phần d của dòng điện lưới i nd Trên một hệ thống

điều khiển u n =u nd u nq được đưa đến khối PWM qua một khối biến đổi hệ trục

u DC

thực tế, điện áp một chiều trung gian cần phải được giữ ở một giá trị cố định không phụ

thuộc vào sự biến đổi của dòng điện rotor i rd Hệ số công suất cosϕ n có thể được điềukhiển thông qua thành phần q của dòng điện lưới i nq

Chi tiết của phần điều khiển phía lưới được vẽ trên hình 2.6 Các đầu ra của bộ

ϕn

Tính góc pha lưới Lọc

Biến áp

Lưới

Hình 2.6: Cấu trúc điều khiển phía lưới [90]

2.5.2 Thiết kế hệ thống điều khiển

Qua mô hình trạng thái hệ thống lưới ta nhận thấy đại lượng điều khiển là điện

áp ra của khâu nghịch lưu phía lưới và vector trạng thái là hai thành phần dòng đi ện

i nd và i nq Vì vậy khâu điều chỉnh vòng trong sẽ là khâu điều chỉnh dòng phía l ưới

Hơn nữa ta nhận thấy trong mô hình này có e n đại lượng nhiễu đầu vào gây rabởi điện áp lưới Tuy nhiên lượng nhiễu này là nhiễu cố định nên ta có thể khử nó bằngkhâu bù nhiễu thích hợp trong khâu điều chỉnh dòng

Các biến điều khiển phía lưới

Như ta đã biết nhiệm vụ của hệ thống điều khiển phía lưới là lấy năng lượng từlưới để cung cấp cho mạch một chiều ở chế độ dưới đồng bộ hoặc hoàn trả năng lượng

từ mạch một chiều lên lưới ở chế độ đồng bộ Trong hai quá trình đó, điện áp một chiều

trung gian u DC phải được giữ ổn định (không đổi)

Biểu diễn dòng điện phía lưới trên hệ tọa độ dq như h ình 2.6

i DC = C du DC

Từ (2.58) và (2.59) ta thấy khi thay đổi i nd sẽ thay đổi được u DC

Từ (2.57) ta cũng có th ể thấy được i nq có tác dụng điều khiển công suất vô

Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía l ưới

Do yêu cầu của phía lưới chủ yếu điều khiển ổn định điện áp một chiều U DC

cung cấp cho mạch một chiều trung gian Vì vậy trong nội dung luận án cũng ch ọnphương pháp thiết kế tuyến tính đơn giản đó là phương pháp tuyến tính deadbeat thôngthường

Một bộ điều khiển kiểu deadbeat là một bộ điều khiển phản hồi kinh điển có khả

năng đưa các biến trạng thái của một hệ điều khiển rời rạc tuyến tính với n trạng thái

về gốc tọa độ trong không gian trạng thái với số bước không lớn hơn n [33, 36].

Trong trường hợp số bước tính lớn hơn n thì các bộ điều khiển được thiết kế với kỹ

thuật tương tự như trên c òn được gọi là các bộ điều khiển có đáp ứng hữu hạn [49, 72,74]

Các bộ điều khiển kiểu deadbeat đã được sử dụng trong nhiều hệ truyền độngđiện để điều khiển các động cơ không đồng bộ [17, 24, 27, 40, 55, 74, 78] hay các máyđiện không đồng bộ nguồn kép [49, 72, 74]

Gọi i*n , i n là các giá trị đặt và giá trị thực của dòng lư ới thì một bộ điều

khiển K dbnc được xem là có đáp ứng deadbeat nếu nó có khả năng áp đặt giá trị thựcđầu ra của mạch vòng đi ều khiển bám theo giá trị đặt chỉ sau một chu kỳ trích mẫu[74], nghĩa là:

Cấu trúc của bộ biến đổi phía lưới với bộ điều khiển deadbeat và khâu bù điện

áp lưới được thể hiện trên hình 2.8

G db ( z) = z−2I− z−1A n z−2B cK dbnc

−

1 B cK dbnc (2.69)Cân bằng các phương tr ình (2.68) và (2.69) ta thu được

K dbnc = B−1I− z−1A c 1−1z −2 (2.70)

Kết luận chương 2

Chương 2 đ ã giải quyết được các vấn đề sau:

· Đưa ra mô h ình toán học máy phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK và mô h ìnhtoán học phía lưới trên hệ trục tọa độ quay dq

· Thiết kế hệ thống điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp

Passivity-Based

· Thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới dựa trên phương pháp tuyến tính

Deadbeat