Nâng cao chất lượng điều khiển hòa đồng bộ hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển backstepping

BÙI THÁI SƠN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HOÀ ĐỒNG BỘ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING LUẬN VĂN THẠC SỸ:

Trang 1

BÙI THÁI SƠN

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HOÀ ĐỒNG BỘ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

BACKSTEPPING

LUẬN VĂN THẠC SỸ: Kỹthuậtđiềukhiểnvàtựđộnghóa

THÁI NGUYÊN –NĂM 2014

Trang 2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI GIỚI THIỆU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài được đặt ra trên cơ sở các vấn đề thực tế hiện nay là:

- Xu hướng phát triển mạnh việc sử dụng nguồn năng lượng sạch trên thế giới và trong nước hiện nay

- Nhu cầu tăng cao về năng lượng điện trong nước hiện nay

- Do yêu cầu về chất lượng điện năng của hệ thống năng lượng điện hiện nay ngày càng cao, đòi hỏi các hệ thống máy phát điện sức gió phải bám lưới khi lỗi lưới Trong khi các tuốc bin gió hiện nay khi lỗi lưới với mức sụt điện

áp lớn buộc phải cắt hệ thống ra khỏi lưới để bảo vệ bộ biến đổi khỏi quá dòng lớn

- Các giải pháp điều khiển hiện nay đã cố gắng duy trì máy phát bám lưới bằng cách hạn chế độ lớn sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor hoặc các nguyên nhân sinh ra nó Tuy nhiên đều là các giải pháp điều khiển tuyến tính và chưa hoàn toàn phù hợp với bản chất phi tuyến của hệ thống nghịch lưu trong hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) Vì vậy để nâng cao chất lượng

hệ thống PĐSG trong mạng hệ thống năng lượng điện, tác giả chọn đề

tài:“Nâng cao chất lượng điều khiển hoà đồng bộ hệ thống phát điện sức gió

sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển Backstepping”

2 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Trang 3

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển Backstepping

- Mô phỏng Off-Line trên cơ sở sử dụng phần mềm matlab/simulink/plecs

- Thực nghiệm trên cơ sở thiết bị thí nghiệm

6 Ý nghĩa của đề tài

- Đã thực hiện việc điều khiển hoà đồng bộ hệ thống nghịch lưu phía lưới vào lưới trên cơ sở bộ điều khiển phi tuyến và việc tính chọn các giá trị đặt

- Đã thực hiện điều khiển hệ thống nghịch lưu công suất tác dụng và phản kháng lên lưới ở chế độ bình thường

- Đã giải quyết được vấn đề nghịch lưu bám lưới khi lỗi lưới đối xứng tới 50% điện áp lưới, và chứng minh qua thực nghiệm khả năng cấp dòng tới điểm ngắn mạch để kích hoạt thiết bị bảo vệ hệ thống năng lượng tác động, đồng thời điều khiển được dòng cung cấp công suất vô công lên lưới để hỗ trợ lưới về mặt điện áp

7 Những điểm mới trong luận văn

- Đã áp dụng thành công phương pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật Backstepping để điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới

Trang 4

- Với việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Backstepping, luận văn ngoài giải quyết các vấn đề mà các phương pháp tuyến tính đã đề cập như dao động điện áp và tần số lưới, đây là điểm mới và đóng góp mới của luận văn nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống khi các thông số lưới biến động Kết quả nghiên cứu của luận văn đã chứng minh được chất lượng điều khiển hệ thống nghịch lưu trong hệ thống PĐSG khi các thông số lưới biến động tốt hơn so với phương pháp điều khiển tuyến tính thông thường

- Đã góp phần làm sáng tỏ được bản chất của phương pháp Backstepping trên cơ sở của lý thuyết ổn định Lyapunov khi áp dụng cho hệ thống PĐSG sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đó là: bản chất của phương pháp

là kết hợp của phương pháp điều khiển Backstepping (bản chất là chuyển hệ tọa độ trạng thái) mô hình đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng trên cơ sở lý thuyết ổn định Lyapunov, đồng thời đưa ra biện pháp để nâng cao chất lượng tĩnh và động của hệ thống

Trang 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

1.1 GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồm chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỷ 14 được dùng phổ biến từ thế kỷ 17, thịnh vượng nhất vào thế kỷ 18 đặc biệt ở Hà Lan với hàng ngàn chiếc Từ thế

kỷ 19 đến nửa đầu thế kỷ 20 với sự xuất hiện và phát triển của máy hơi nước

và các loại động cơ đốt trong, các cối xay gió hầu như bị lãng quên Nhưng từ vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn dần các nguồn nhiên liệu khai thác được từ lòng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hóa thạch nêu trên Việc nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại được nhiếu nước trên thế giới kể cả các nước có nền công nghiệp năng lượng phát triển rất mạnh như Nga, Mỹ, Pháp, CHLB Đức, Hà Lan, Anh, Đan Mạch, Thụy Điển…đặc biệt quan tâm Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều nghành khoa học tiên tiến như thủy khí động lực học, tự động điều khiển, cơ học kết cấu, truyền động thủy lực, vật liệu mới…việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng Từ các cối xay gió với các cánh gió đơn giản hiệu suất sử dụng năng lượng thấp chỉ khoảng 20%, đến nay các động cơ gió phát điện với cánh quạt có biên dạng khí động học ngày một hoàn thiện hơn

có thể đạt được hiệu suất sử dụng năng lượng cao tới 42% Nhiều phương pháp và hệ thống tự động điều khiển hiện đại đã được sử dụng để tự động ổn định số vòng quay của động cơ gió Những động cơ gió phát điện lớn còn dùng cả hệ thống tự động điện thủy lực và máy tính điện tử điều khiển Nhiều

Trang 6

vật liệu mới đã được sử dụng để chế tạo cánh như hợp kim nhôm, polime cốt sợi thủy tinh với độ bền cao trong mọi điều kiện thời tiết và chịu được sức gió của bão Tại những nơi có gió tốt, người ta ghép nhiều động cơ gió với nhau tạo thành “rừng máy phát điện gió” Người ta đã có thể chế tạo những động

cơ gió phát điện rất lớn đường kính tới 80m, công suất tới 3000 kW Tuy nhiên đối với mỗi nước quy mô phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió còn phụ thuộc vào vị trí địa lý, đặc điểm tiềm năng gió và trình độ công nghiệp

Gió là một dạng của năng lượng mặt trời Gió được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và

do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích như: đi thuyền, thả diều và phát điện Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát

ra năng lượng cơ hoặc điện Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành năng lượng cơ Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc

cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng điện

Trong số các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng gió có thể đại diện cho cơ hội tăng trưởng mạnh nhất tại Việt Nam Các cuộc khảo sát cho thấy rằng khoảng 85% đất đai Việt Nam có độ cao và tốc độ gió trung bình phù hợp để phát ra năng lượng gió Các chuyên gia Ngân hàng Thế giới đã kết luận Việt Nam có khả năng tạo ra 513.360 MW hàng năm từ năng lượng gió – gấp 10 lần tổng công suất phát điện quốc gia dự kiến cho năm 2020

Trang 7

Hình 1.1: Ưu đãi đầu tư cho các dự án năng lượng mặt trời và gió tại Việt Nam

Đặc biệt các tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận ở ven biển được xem là

có tiềm năng lớn nhất cho năng lượng gió tại những vùng đất lớn khô cằn và không phải là đất nông nghiệp màu mỡ Hiện nay, có hơn 20 dự án điện gió tại Việt Nam, chủ yếu ở Bình Thuận (12 dự án trên đất liền và huyện đảo Phú Quý), Ninh Thuận, Bình Định, Phú Yên và huyện đảo Côn Đảo của tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu, nơi lượng gió cũng như tốc độ gió trung bình cao nhất so với phần còn lại của đất nước

* Tổng quan về năng lƣợng gió (phong điện)

Các máy phát điện sử dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ điện sử dụng sức gió (phong điện)

Số thứ

Công suất (MW)

Trang 8

Trang 9

Tới nay đa số vẫn là các máy phát điện tuabin gió trục ngang, gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một tuabin 3 cánh đón gió Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại

Các máy phát điện tuabin gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng Loại này có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản

Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với công suất rất khác nhau, từ 1kW tới hàng chục ngàn kW Các trạm phát điện này có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc- quy và bộ đổi điện Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắc quy Khi không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và

tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h) Tốc độ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện

Trang 10

Hình 1.2: Hình ảnh bên trong MPĐ sức gió

Trang 11

* Những ƣu điểm của phong điện

Ưu điểm dễ thấy nhất của phong điện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm

và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.Các trạm phong điện có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện.Trước đây, khi công nghệ phong điện còn ít được ứng dụng, việc xây dựng một trạm phong điện rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ được áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết Ngày nay phong điện đã trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm phong điện hiện nay chỉ bằng 1/4 so với năm 1986 Phong điện đã trở thành một trong những giải pháp năng lượng quan trọng ở nhiều nước, và cũng rất phù hợp với điều kiện Việt Nam

* Các trạm phong điện có thể đặt ở đâu?

Trạm phong điện có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú Các trạm phong điện đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ Giải bờ biển Việt Nam trên 3000 km

có thể tạo ra công suất hàng tỷ kW phong điện Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện Trường hợp này không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm phong điện, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi không dùng hết điện Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố

Trang 12

bất ngờ bị mất điện.Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm phong điện Nếu tận dụng không gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm phong điện thì sẽ giảm tới mức thấp nhất diện tích đất xây dựng và chi phí làm đường dây điện.Điện khí hóa ngành đường sắt là xu hướng tất yếu của các nước công nghiệp Chỉ cần đặt với khoảng cách 10 km một trạm 4800kW dọc các tuyến đường sắt đã có đủ điện năng cho tất cả các đoàn tàu ở Việt nam hiện nay Các vùng phong điện lớn đặt gần tuyến đường sắt cũng rất thuận tiện trong việc vận chuyển và dựng lắp Các đầu máy diesel và than đá tiêu thụ lượng nhiên liệu rất lớn và gây ô nhiễm môi trường sẽ được thay thế bằng đầu máy điện trong tương lai.Đặt một trạm phong điện bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới điện quốc gia sẽ tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm phong điện Việc bảo quản một trạm phong điện cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều Nhà máy nước ngọt đặt cạnh những trạm phong điện là

mô hình tối ưu để giải quyết việc cung cấp nước ngọt cho vùng đồng bằng sông Cửu Long, tiết kiệm nhiên liệu và đường dây điện Một trạm phong điện

4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong rừng sâu hoặc một ngọn hải đăng xa đất liền Một trạm 10 kW đủ cho một đồn biên phòng trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa Một trạm 40 kW có thể đủ cho một

xã vùng cao, một đoàn thăm dò địa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây chưa thể vươn tới được Một nông trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng trạm phong điện hàng trăm hoặc hàng ngàn

kW, vừa phục vụ đời sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm Không phải nơi nào đặt trạm phong điện cũng có hiệu quả như nhau Để có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều gió Các vùng đất nhô ra biển và các thung lũng sông thường là những nơi có lượng gió lớn Một vách núi cao có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể lại tạo ra một nguồn gió mạnh thường xuyên, rất có lợi cho việc khai thác phong

Trang 13

điện Khi chọn địa điểm đặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân đân địa phương, nhưng chỉ là căn

cứ sơ bộ Lượng gió mỗi nơi còn thay đổi theo từng địa hình cụ thể và từng thời gian Tại nơi dự định dựng trạm phong điện cần đặt các thiết bị đo gió và ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ đó tính ra sản lượng điện có thể khai thác, tuơng ứng với từng thiết bị phong điện Việc này càng quan trọng hơn khi xây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng phong điện tập trung.Gió là dạng năng lượng vô hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao nên khi đầu tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy Rào cản chủ yếu đối với việc phát triển phong điện ở Việt nam chính là sự thiếu thông tin về năng lượng gió Tới nay đã có một số công ty nước ngoài đến Việt nam tìm cách khai thác phong điện, nhưng vì chưa đủ những số liệu cần thiết nên cũng chưa

có sự đầu tư nào đáng kể vào thị trường này Một hãng Đức đã xây dựng tại

Ấn độ hàng ngàn trạm phong điện, có cơ sở thường trực giám sát hoạt động các trạm qua hệ thống vệ tinh viễn thông, xử lý kỹ thuật ngay khi cần thiết, và hoàn toàn hài lòng về kết quả đã thu được ở Ấn độ Hãng này cũng đã đến Việt Nam tìm thị trường nhưng chưa quyết định đầu tư, vì chưa có đủ cứ liệu

để xây dựng trên quy mô lớn, còn với quy mô nhỏ thì lợi tức không đủ bù lại chi phí cho một cơ sở kỹ thuật thường trực Một công ty khác chuẩn bị xây dựng 12 trạm phong điện với công suất 3000 kW trên huyện đảo Lý Sơn đã khẳng định công nghệ phong điện rất phù hợp với Việt Nam!

* Tính kinh tế của phong điện

Chi phí để xây dựng một trạm phong điện gồm:

Chi phí cho máy phát điện và các cánh đón gió chiếm phần chủ yếu Có nhiều hãng sản xuất các thiết bị này, nhưng với giá bán và chất lượng kỹ thuật rất khác nhau

Trang 14

Chi phí cho bộ ổn áp và hòa mạng, tự động đưa dòng điện về điện áp và tần suất với mạng điện quốc gia

Chi phí cho ắc-quy, bộ nạp và thiết bị đổi điện từ ắc-quy trở lại điện xoay chiều Các bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt động độc lập Chi phí cho phần tháp hoặc trụ đỡ tùy thuộc chiều cao trụ, trọng lượng thiết bị và các điều kiện địa chất công trình Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam để giảm chi phí Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao thì chi phí này hầu như không đáng kể

Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và công việc lắp đặt trạm

ở Việt Nam rẻ hơn rất nhiều so với các nước khác, đặc biệt nếu xây dựng

ở vùng ven biển, ven sông hoặc dọc theo các tuyến đường sắt

1.2 KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

1.2.1 Khái quát về các loại hệ thống năng lƣợng gió

Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc

độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi

Loại tuốc bin gió thông thường nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió

Softstarter

Transformer

Capacitor bank

Trang 15

Hình 1.3: Tuốc bin gió với tốc độ cố định

Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục được nhược điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc

độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất để tạo

ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ thay đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định

Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có

bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép (MDBNK)

Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính toán với công suất định mức của toàn tuốc bin Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc là đồng bộ

Transformer Power electronic

converter

≈

=

Hình 1.4: Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới

Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lượng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió với công suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuốc bin Vì vậy các hãng chế tạo tuốc bin gió có

xu hướng sử dụng máy dị bộ nguồn kép làm máy phát trong các hệ thống tuốc bin gió công suất lớn để giảm công suất của bộ biến đổi và do đó giảm giá thành, vì bộ biến đổi được nối vào mạch rotor của máy phát, công suất của nó thường chỉ bằng

Trang 16

cỡ 1/3 tổng công suất toàn hệ thống, các thiết bị đi kèm như bộ lọc biến đổi cũng rẻ hơn vì cũng được thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của toàn hệ thống Do

đó đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy dị bộ nguồn kép

Transformer

Power electronic converter

≈

=

Hình 1.5: Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK

Nhược điểm chính của tuốc bin gió với tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK là vấn đề lỗi lưới Lỗi lưới trong hệ thống năng lượng, thậm chí ở xa so với vị trí đặt tuốc bin sẽ gây ra sụt điện áp lưới, dẫn tới từ thông quá độ dao động, làm cảm ứng trong mạch rotor sức phản điện động có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra, sẽ gây mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn, có thể phá hỏng bộ biến đổi

1.2.2 Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn

Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ta phải tạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từ gió Việc kích từ đó hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hoà lưới), hoặc nhờ

ắc quy để tạo kích từ, hoặc nhờ tụ điện với điều kiện có từ thông dư trong máy điện không đồng bộ

Trang 17

Hình 1.6: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh

cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu đơn giản

Hình 1.7: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu thụ

nhờ nghịch lưu phía máy phát

Ở các hệ thống phát điện turbine gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC) có ưu thế hơn về mặt tạo từ thông kích từ nhờ

hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor của máy, vì vậy chỉ cần quay máy phát

là đầu ra máy phát đã xuất hiện điện áp, đây là một trong những ưu điểm của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐĐB – KTVC Hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC có thể sử dụng bộ chỉnh lưu đơn giản phía máy phát như hình 1.6, hoặc sử dụng bộ nghịch lưu phía máy phát (NLMF) như hình 1.7

Ở các hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) dùng MĐĐB-KTVC với công suất

cỡ lớn (>50 kW) thường được thiết kế vận hành ở chế độ hoà lưới, đồng thời năng lượng do tuốc bin lấy từ nguồn gió có thể điều khiển chủ động được, nhờ hệ thống

Trang 18

điều khiển góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độ quay, do đó ta có thể chọn một trong hai phương án, chọn phương án nào còn phụ thuộc vào khả năng đầu tư Trong phạm vi đề tài, để có thể điều khiển tối ưu hiệu suất của máy phát, ta tập trung nghiên cứu hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB-KTVC dùng bộ nghịch lưu phía máy phát như hình 1.7

Sơ đồ cấu trúc điều khiển điển hình của một hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu như hình 1.8 trong đó sử dụng bộ nghịch lưu có điều khiển phía máy phát (NLMF) để có thể thực hiện thuật toán điều khiển tối ưu hiệu suất của máy phát

Hình 1.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh

cửu(ĐB-KTVC)

Khối điều khiển góc cánh có nhiệm vụ điều chỉnh góc cánh của tuốc bin gió thông qua điều chỉnh góc quay của động cơ đồng bộ nhằm duy trì tốc độ máy phát ứng với công suất cực đại lấy từ gió

Khối điều khiển phía máy phát điều khiển bộ nghịch lưu phía máy phát (NLMF) nhằm tối ưu hiệu suất máy phát và giữ điện áp một chiều trung gian có giá trị không đổi

Điều khiển phía lưới

Điều khiển

góc cánh

MPPTL MPPTP

Grid

Trang 19

Khối điều khiển phía lưới thực hiện điều khiển nghịch lưư phía lưới (NLPL) nhằm điều khiển phát công suất phản kháng lên lưới và phát công suất tác dụng cực đại lên lưới

Trang 20

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING 2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KINH ĐIỂN

Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để điều khiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn như điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp

2.1.1 Bộ điều khiển PID

PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích - vi phân Derivative) Bộ điều khiển PID điều khiển đối tượng SISO theo nguyên tắc sai lệch:

(Proportional-Integral-Hình 2.1: Sơ đồ bộ điều khiển PID

Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn (vai trò của khâu P)

Hình 2.2: Vai trò của khâu D

Nếu e(t) chưa bằng không thì thông qua thành phần tích phân, PID vẫn

Đối tượng

(-)

PID e(t)

Trang 21

tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của khâu I)

Nếu e(t) thay đổi lớn thì thông qua thành phần vi phân, phản ứng thích hợp x(t) càng nhanh (vai trò của khâu D)

Bộ điều khiển PID được mô tả bởi hàm truyền đạt sau:

2.1.2 Bộ điều khiển PID số

Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp hiện nay được xây dựng trên nền máy tính số, vì thế thuật toán PID cũng cần được biểu diễn dưới dạng phù hợp cho việc lập trình cài đặt Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ

ra điều khiển theo một khoảng thời gian xác định (không liên tục) - thời gian lấy mẫu T Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc

độ thay đổi sai số Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn định hơn

Cấu trúc cơ sở của hệ thống điều khiển số:

Hình 2.3: Bộ điều khiển PID số

Trang 22

Trong đó:

- Khâu DAC: có thể không tồn tại một cách tường minh, mà ẩn dưới dạng thiết bị có chức năng DA Tín hiệu số được xử lý từ máy tính hoặc từ hệ VXL cần phải chuyển sang tín hiệu tương tự để điều khiển khâu chấp hành Vì vậy cần có bộ biến đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự gọi tắt là DAC

- Khâu ADC: thường sử dụng khi đo đạc giá trị thực của đại lượng ra (ví dụ: đo dòng), biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu gián đoạn

Việc biến đổi từ tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc gọi là quá trình cắt mẫu, thông thường khoảng thời gian cắt mẫu là không đổi Giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp nhau, bộ cắt mẫu không nhận một thông tin nào cả Phần tử lưu giữ sẽ chuyển đổi tín hiệu đã được lấy mẫu thành tín hiệu gần liên tục, tiệm cận với tín hiệu trước, khi nó được lấy mẫu Phần tử lưu giữ ở đây đơn giản nhất là phần tử chuyển đổi tín hiệu mẫu thành tín hiệu có dạng bậc thang và không đổi giữa hai thời điểm lấy mẫu gọi là phần tử lưu giữ bậc không

- Bộ điều khiển: sử dụng vi xử lý (microprocessor: µP),vi điều khiển (microcontroller: µC) hoặc vi xử lý tín hiệu (digital signal processor: DSP)

- Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là:

(2.2)

- T là chu kỳ trích mẫu tín hiệu:

Trong hệ thống điều khiển số tồn tại hai loại tín hiệu: Tín hiệu liên tục

và tín hiệu rời rạc, trong khi đó tín hiệu đưa vào đối tượng điều khiển và tín hiệu đo lường là tín hiệu liên tục Để đưa tín hiệu đó vào máy tính số ta

Trang 23

phải biến đổi tín hiệu từ liên tục sang rời rạc Trong thực tế khâu điều khiển

và đối tượng điều khiển là tương tự vì vậy tín hiệu rời rạc lại được khôi phục lại thành liên tục Nếu tín hiệu liên tục được giữ không đổi trong suốt thời gian giữa hai lần lấy mẫu, gọi là quá trình lưu giữ bậc không

Trong quá trình lấy mẫu tín hiệu ta phải quan tâm đến chu kỳ lấy mẫu T Việc chọn T như thế nào cho thích hợp là rất quan trọng trong hệ thống điều khiển số Nếu chọn T lớn quá có thể làm cho hệ thống điều khiển mất ổn định

vì thiếu thông tin Nếu chọn T nhỏ quá thì có thể đẫn tới lượng thông tin bị thừa và phần cứng có thể không đáp ứng được (phụ thuộc vào độ phân giải của thiết bị ADC) và có thể làm cho hệ thống tác động chậm

2.1.3 Một số hạn chế của bộ điều khiển PID

- Khi hệ thống bị tác động bởi nhiễu, nhiễu sẽ được đưa đến đầu vào thông qua mạch phản hồi và tổng hợp cùng với tín hiệu mẫu do vậy tín hiệu điều khiển cũng sẽ bao gồm nhiễu Đây là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống và độ chính xác điều khiển

- Biên độ sai lệch giữa tín hiệu mẫu và tín hiệu ra là lớn và luôn tồn tại trong suốt quá trình điều khiển Sai lệch này có xu hướng tăng khi thông số của đối tượng thay đổi

- Bộ điều khiển PID được thiết kế trên cơ sở mô hình tuyến tính hoá với những thông số chính xác của đối tượng trong khi thực tế đối tượng là phi tuyến và thông số là không chính xác

Tuy nhiên, nếu hệ thống làm việc trong môi trường ít bị ảnh hưởng của nhiễu, thông số của đối tượng chỉ thay đổi nhỏ trong quá trình làm việc và yêu cầu về độ chính xác cũng như ổn định không cao thì PID vẫn

là một giải pháp hiệu quả

Trang 24

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BACKSTEPPING

Hiện nay về phương diện lý thuyết có nhiều phương pháp thiết kế phi tuyến, như phương pháp tuyến tính hoá chính xác, phương pháp tựa phẳng, điều khiển mờ, mạng nơ ron Trong luận văn này áp dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên

cơ sở hàm Lyapunov và phương pháp Backstepping

2.2.1 Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov

Trước khi đưa ra thuật toán thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov, một số khái niệm sẽ được sử dụng trong phần này, đó là: điểm cân bằng của hệ thống; ổn định Lyapunov; hàm Lyapunov; hàm điều khiển Lyapunov

Điểm cân bằng: điểm cân bằng x e của hệ thống là nghiệm của phương trình:

dt ) khi không có sự tác động từ bên ngoài (u 0)

Điểm cân bằng mà trong luận văn sẽ áp dụng chính là các giá trị đặt của bộ điều khiển mà ta sẽ thiết kế Vì các khái niệm về ổn định Lyapunov được phát biểu cho điểm cân bằng tại gốc toạ độ 0 , nên từ các điểm cân bằng x e 0 của hệ , để chuyển về điểm cân bằng tại gốc toạ độ, ta thực hiện thế biến:

dt tại điểm gốc tọa độ  0x

Ổn định Lyapunov: một hệ thống với mô hình không kích thích:

Trang 25

với một điểm cân bằng là gốc tọa độ 0, được gọi là :

Ổn định Lyapunov tại điểm cân bằng 0 nếu sau một tác động tức thời đánh

bật ra khỏi điểm cân bằng 0 và đưa tới một điểm trạng thái x0 nào đó thì hệ có khả năng tự quay về lân cận 0 Biểu diễn khái niệm này dưới dạng toán học thì: "Hệ được gọi là ổn định Lyapunov tại điểm cân bằng 0 nếu với 0 bất kỳ bao giờ

cũng tồn tại phụ thuộc sao cho nghiệm x(t) của (3.2) với điều kiện đầu x(0)=x0

thỏa mãn: x0 x t( ) , t 0"

Ổn định tiệm cận Lyapunov tại điểm cân bằng 0 nếu sau một tác động tức thời đánh bật ra khỏi điểm cân bằng 0 và đưa tới một điểm trạng thái x0 nào đó thì

hệ có khả năng tự quay về 0 Cũng biểu diễn khái niệm trên dưới dạng toán học thì:

"Hệ được gọi là ổn định tiệm cận tại điểm cân bằng 0 nếu với 0 bất kỳ bao giờ

cũng tồn tại phụ thuộc sao cho nghiệm x(t) của (3.2) với điều kiện đầu x(0)=x0

thỏa mãn: lim ( ) 0

t x t "

Hình 3.1 minh họa khái niệm ổn định và ổn định tiệm cận tại gốc 0 của hệ phi

tuyến Ở hệ ổn định, nếu cho trước một lân cận của 0, tức là tập Ω các điểm x

trong không gian trạng thái thỏa mãn x t( ) với là một số thực dương tùy ý nhưng cho trước, thì phải tồn tại một lân cận cũng của 0 sao cho mọi đường quỹ

đạo trạng thái tại thời điểm t=0 đi qua một điểm x0 thuộc lân cận thì kể từ thời

điểm đó sẽ nằm hoàn toàn trong lân cận Vì x0=x(0) nên để có được x(0) , lân

cận phải nằm trong lân cận Mở rộng hơn, nếu quá trình tự do x(t) không những

về được lân cận gốc 0 mà tiến tiệm cận về 0, thì đó người ta nói hệ là ổn định tiệm cận tại 0

Từ các định nghĩa ở trên, để chỉ ra một dạng ổn định nào đó, ta phải xác định

được x(t) là lời giải của (3.2) Song hiện chưa có một phương pháp tổng quát nào để cho ta tìm được nghiệm x(t) hệ phương trình vi phân phi tuyến (3.2)

A.M.Lyapunov, nhà toán học và kỹ sư người Nga, đã đưa ra một phương pháp kiểm tra được tính ổn định (ổn định tiệm cận) của hệ (3.2) mà không cần phải tìm nghiệm

x(t) của nó Phương pháp này sử dụng một hàm vô hướng V(x) xác định dương,

Trang 26

nghĩa là V(0)=0;V( )x 0,x 0 Nếu chỉ ra được V(x) là một hàm giảm liên tục, thì

hệ thống tự nó phải chuyển tới trạng thái (điểm) cân bằng

Hình 2.4: Minh họa khái niệm ổn định Lyapunov

Điều kiện cho hệ ổn định:

Theo [3], hệ phi tuyến cân bằng tại gốc tọa độ và khi không bị kích thích, được mô

sẽ ổn định Lyapunov tại 0 với miền ổn định Ω nếu:

Trong Ω tồn tại một hàm xác định dương V(x,t) Đạo hàm của nó tính theo mô hình (2.5) có giá trị không dương trong

Ω, tức là: dV V V f x t( , ) 0

sẽ ổn định tiệm cận Lyapunov tại 0 với miền ổn định Ω nếu:

Trong Ω tồn tại một hàm xác định dương V(x,t)

Đạo hàm của nó tính theo mô hình (2.5) có giá trị âm trong Ω với 0

Trang 27

Ổn định tiệm cận toàn cục: với hệ ổn định ổn định tiệm cận, lân cận gốc Ω

chứa tất cả (hoặc phần lớn) các điểm trạng thái đầu x0 mà từ đó hệ tự quay về được gốc, được gọi là miền ổn định Nếu một hệ phi tuyến ổn định tiệm cận tại gốc 0 với miền ổn định Ω là toàn bộ không gian trạng thái thì nó được gọi là ổn định tiệm cận

toàn cục (GAS)

Thuật toán thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov

Bây giờ chúng ta thêm vào đầu vào điều khiển và xét hệ thống:

( , )

Nhiệm vụ của bài toán điều khiển được đặt ra trong luận văn này là thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái u ( )x để cho trạng thái mong muốn của hệ kín ( , ( ))

x f x x là một điểm cân bằng ổn định tiệm cận toàn cục

Từ các phân tích về ổn định Lyapunov ở trên, để đạt được mục đích đặt ra ở trên, ta cần thực hiên các bước sau:

Trang 28

Một hàm xác định dương, khả vi V(x) thỏa mãn điều kiện trên được gọi là

hàm điều khiển Lyapunov (CLF) Như vậy bất cứ một hàm xác định dương, trơn nào cũng có thể là hàm CLF của hệ (3.4) nếu như tồn tại ít nhất một quan hệ ( )

Từ hàm điều khiển Lyapunov, ta dễ dàng xác định được bộ điều khiển ổn định đối tượng theo hai bước của thuật toán đã nêu Vấn đề còn lại là làm thế nào để

có được một hàm điều khiển Lyapunov Đây là một bài toán nan giải, cản trở sự

ứng dụng của phương pháp thiết kế Lyapunov Một trong những phương pháp tìm

hàm điều khiển Lyapunov được áp dụng cho một lớp đối tượng dạng cascade (dạng đối tượng có nhiều mô hình con nối cấp) gọi là phương pháp cuốn chiếu (backstepping) Hàm điều khiển Lyapunov sẽ được xây dựng xuất phát từ các mô hình con bên trong theo kiểu cuốn chiếu

2.2.2 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở Backstepping

Để nêu bật lên được ý tưởng chính của phương pháp Backstepping, theo [21]

ta xét một ví dụ cụ thể đơn giản sau:

Xét hệ thống được mô tả như (2.7)

3 cos

Trang 29

Hình 2.5: Sơ đồ khối cho hệ (2.7)

Nếu coi la tín hiệu điều khiển cho phần trong đóng khung ở trên (chính là 2.7a), trước hết ta đi tìm hàm điều khiển một phần của hệ

Với mục đích làm triệt tiêu thành phần phi tuyến cos(x) trong phương trình (2.7a), ta chọn :

1 os(x)

c x c (c1 là một hằng số dương) (2.8) thế vào phương trình, thu được : 3

không sử dụng được cho hệ (2.7) vì tín hiệu phản hồi về lại là một biến trạng thái (chứ không phải là đầu vào của hệ (2.7) đã cho) Vấn đề tiếp theo là phải chuyển

được đầu vào hồi tiếp thành u

Xem hàm tìm được chỉ là giá trị mong muốn của Ta gọi giá trị đó là:

d c x c x x Để biểu diễn sự khác biệt giữa và giá trị mong muốn của

nó, ta định nghĩa một đại lượng z là biến sai lệch:

Trang 30

Bây giờ, được gọi là điều khiển ảo (virtual control) và giá trị mong muốn của nó là (x) có chức năng ổn định (stabilizing function) biến z, là sai lệch điều khiển (error variable)

Bây giờ thêm bớt vào vế phải của phương trình x cùng một lượng (x) thu được:

Biểu diễn việc vừa thực hiện bằng sơ đồ khối như sau:

Hình 2.6: Thêm vào và bớt đi thành phần mong muốn của

Phần trong khung thể hiện phần phi tuyến đã được ổn định nhờ phản hồi trạng thái (x) Ta tiếp tục đưa thành phần (x) "lùi" (backstep) qua khâu tích phân được:

Trong hệ tọa độ mới (x,z), hệ thống được mô tả như sau:

3 1

Trang 31

Bây giờ ta xây dựng hàm điều khiển Lyapunov Va(x, ) cho (2.7) Cách đơn giản

nhất là thêm vào V(x) thành phần bậc 2 của biến sai số z như sau:

Hình 2.7: Backstep qua khâu tích phân

Lấy vi phân của Va(x, ) kết hợp với (1.13), ta được:

Trang 32

Ta thấy Va là hàm xác định dương và đạo hàm của nó Va 0 khi x 0, nênđiểm

cân bằng (0,0) của hệ trên hệ tọa độ (x,z) là ổn định tiệm cận toàn cục, do đó điểm cân bằng (0,-1) trên hệ tọa độ (x, ) cũng thảo mãn điều đó, và chúng ta đã đạt được

mục tiêu của việc thiết kế bộ điều khiển

Hình 2.8: Hệ (2.7) sau khi đưa bộ điều khiển tổng hợp theo phương pháp Backstepping

Từ ví dụ cụ thể ở trên, ta đi đến phương pháp backstepping dạng tổng quát như sau:

Bộ điều khiển (2.15)

Trang 33

Xét hàm xác định dương, trơn:

2 1

hệ thống

2.3 Kết luận

Trang 34

Chương 2 đã tìm hiểu về phương pháp điều khiển phi tuyến Backstepping, Phân tích ưu điểm của phương pháp và đề ra phương pháp thiết kế bộ điều khiển theo thuật toán Backstepping

Trang 35

CHƯƠNG 3

MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HÕA ĐỒNG BỘ 3.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỐI TƯỢNG

3.1.1 Hệ thống nghịch lưu 3 pha

3.1.1.1 Phương án nghịch lưu 3 pha kinh điển

Giải pháp nghịch lưu ba pha kinh điển được minh hoạ ở hình 3.1 Điện áp xoay chiều ba pha được tạo nên bằng phương pháp điều chế vector điện áp (Voltage Vector Modulation) Ưu nhược điểm của giải pháp này:

*/Ưu điểm: dễ thực hiện, tiết kiệm van IGBT (6 chiếc) Dễ thực hiện bù hệ

số công suất cos

*/ Nhược điểm: Rất dễ trôi dạt trung tính (điểm M trong hình 3.1) khi phụ

tải không đối xứng Khó tận dụng được công suất tối đa vì mô đun tối đa của véc tơ điện áp đặt lên phía sơ cấp của biến thế chỉ là 2UDC/3

Hình 3.1: Giải pháp nghịch lưu 3 pha kinh điển: điện áp 3 pha được tạo nên bằng phương

pháp điều chế vector

Trang 36

Do nhược điểm nêu trên đề tài đã tiếp tục thử nghiệm với phương án ghép 3 nghịch lưu 1 pha dưới đây

3.1.1.2 Phương án nghịch lưu 3 pha ghép từ nghịch lưu 1 pha

Trước khi giới thiệu cụ thể về phương pháp điều khiển nghịch lưu, có thể khẳng định ngay rằng: Phương án mới đã thực sự cho phép luôn luôn đảm bảo tính cân đối giữa 3 pha mà không phụ thuộc vào tải Hơn thế nữa - như phần trình bày dưới đây sẽ chỉ rõ hơn - giải pháp này còn cho phép tận dụng tối đa công suất của nguồn DC vì mô đun của véc tơ điện áp lúc này chính bằng UDC

Hình 3.2: Giải pháp ghép 3 nghịch lưu 1 pha: điện áp 3 pha được tạo nên bằng cách ghép

3 điện áp lệch pha nhau 120 o

Then chốt trong kỹ thuật điều khiển nghịch lưu 3 pha theo phương án như hình trên là khả năng điều khiển điều chế từng cầu nghịch lưu đơn (1 pha) để tạo lên điện áp hình sin đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp Biến áp 3 pha thực chất có thể coi

là 3 biến áp 1 pha, với 3 cuộn sơ cấp được nuôi bởi 3 điện áp hình sin lệch pha nhau

120o Vì lý do ấy, tại đây ta chỉ quan tâm tới kỹ thuật điều chế cho 1 nghịch lưu đơn

Trang 37

Có 2 phương pháp điều chế bề rộng xung (Pulse Width Modulation) để tạo điện áp hình sin (còn gọi là kỹ thuật biến đổi DC-AC) cho cầu nghịch lưu 1 pha:

*/ Phương pháp điều chế 2 cực (Bipolar Voltage Switching): Hai cặp van

V1/V4 và V2/V3 được điều khiển bởi 2 tín hiệu có trạng thái lô gíc phủ định nhau Cách điều khiển này dẫn đến: Trong mọi chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải (ở đây

là cuộn sơ cấp của biến thế) luôn nhận điện áp ngược dấu UDC hoặc –UDC (do đó có tên 2 cực) Nếu thực hiện bằng kỹ thuật Analog, có thể tạo 2 tín hiệu lô gíc bằng cách so sánh tín hiệu điều khiển uc với chuỗi xung răng cưa u như hình 3.3

- U DC

+ U DC

Hình 3.3: Phương pháp điều chế 2 cực: sơ cấp biến áp luôn nhận U DC hoặc –U DC

Sóng cơ bản của điện áp điều chế utrafo có biên độ nằm trong phạm vi từ 0 ÷

UDC, cho phép tận dụng tốt giải biên độ điện áp do máy phát cung cấp vốn có giá trị nhỏ khi gió yếu

*/ Phương pháp điều chế đơn cực (Unipolal Voltage Switching): nếu phương pháp 2 cực chỉ dùng 1 tín hiệu điều khiển uc để điều khiển 2 cặp van V1/V4 và

V2/V3, thì phương pháp đơn cực lại dùng 2 tín hiệu ngược giống nhau uc và – uc chỉ

để điều khiển cặp van phía trên V1/V2 Còn 2 van phía dưới được điều khiển hoàn

Trang 38

toàn phụ thuộc 2 van đó: V3 nhận trạng thái lô gíc phủ nhận của V1, còn V4 nhận trạng thái lô gíc phủ định của V2 Dễ dàng nhận thấy : trong phạm vi nửa chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải (cuộn sơ cấp của biến thế) chỉ nhận điện áp 1 dấu (do đó có tên đơn cực) Ví dụ : xét nửa chu kỳ dương ở hình 3.4 ta sẽ thấy, cuộn dây biến áp nhận điện áp UDC (V1 dẫn, V2 không dẫn V4 dẫn) hoặc 0 (V1, V2 cùng dẫn 2 cực cuộn dây sơ cấp biến áp cùng nối với thế năng +)

+ U

- U DC

+ U DC

Hình 3.4: Phương pháp điều chế đơn cực: Tuỳ theo nửa chu kỳ, sơ cấp biến áp chỉ nhận 1

trong 2 giá trị ±U DC hoặc 0

Trang 39

Tương tự kỹ thuật hai cực, sóng cơ bản của điện áp điều chế utrafo cũng có biên độ nằng trong phạm vi 0 ÷ DDC, cho phép tận dụng tốt giải biên độ điện áp do máy phát cung cấp, vốn có giá trị nhỏ khi gió yếu

Hai phương pháp điều chế PWM nói trên chủ yếu được thực hiện bằng linh kiện Analog Để hiểu rõ hơn bản chất, đồng thời tạo điều kiện thực hiện thuận lợi bằng kỹ thuật Digital (sử dụng F2812), luận văn đã đưa ra cách nhận thức vấn đề dưới dạng véc tơ và đề xuất hai phương pháp điều chế véc tơ điện áp 1 pha dưới đây

* Phương pháp điều chế véc tơ điện áp hai cực (Bipolar vector Modulation): Phương pháp này có xuất phát điểm là phương pháp điều chế hai cực, ta hãy theo dõi hình 3.5 dưới đây:

T pulse

- UDC

+ UDC

T-Hình 3.5: Phương pháp điều chế vector điện áp hai cực: Bipolar vector Modulation

Để tiện theo dõi, Trong hình 3.5 ta đã thay các van bán dẫn bởi các tiếp điểm

cơ Dễ dàng thấy rằng: Trong một chu kỳ xung Tpulse, bằng cách luân phiên hai cặp van ta đã đặt lên cuộn dây sơ cấp một trong 2 giá trị điện áp +UDC (trong khoảng thời gian T+) hoặc –UDC (trong khoảng thời gian T-)

Trang 40

Việc chỉ có khả năng đặt lên cuộn dây 2 điện áp ngược dấu nhau cũng giống như việc ta chỉ có khả năng sử dụng 2 vector điện áp trái chiều nhau u+ và u-

Hình 3.6: Điều chế điện áp chỉ bằng 2 vector u + và u

-Ta định nghĩa một hệ toạ độ cố định αβ có trục thực trùng với chiều của điện

áp đặt lên cuộn dây biến thế Trên hệ toạ độ mới, ta dễ dàng thấy rằng điện áp đặt lên biến thế chính là hình chiếu uTα của một vector điện áp uT (quay tròn quanh gốc toạ độ với vận tốc góc ω=2πf) xuống trục α Nếu coi uTα là module của một vector

uTα (có chiều như trong hình 3.5) là vector được thực hiện bởi trạng thái logic của

u+ trong khoảng thời gian rút ngắn tương ứng Trong khoảng thời gian còn lại ta thực hiện vector điện áp có giá trị module bằng 0:

0

1 1

Hình 3.6 và công thức trên chỉ ra rất rõ ràng: Ta đã quy việc thực hiện uTα về

việc thực hiện 2 vector u+ (đã suy giảm với hệ số

Pulse T

T ) và u- (đã suy giảm với hệ

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	3,96 MB

Nâng cao chất lượng điều khiển hòa đồng bộ hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển backstepping

Phƣơng pháp thực hiện

Giới thiệu công cụ mô phỏng Plecs