nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp điều khiển tựa theo thụ động (passivity- based) để điều khiển máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép

Trong khuôn khổ đề tài này, tôi đưa ra các thuật toán thiết kế bộ điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động Passivity - Based nhằm thấy được tính khả thi của việc áp dụng phương pháp này để

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO THỤ ĐỘNG (Passivity

- Based) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA NGUỒN KÉP

Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Học Viên: TRƯƠNG VĂN BIỂN

Người HD Khoa học : PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

THÁI NGUYÊN - 2010

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

***

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

TỰA THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN

MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA NGUỒN KÉP

Học Viên: Trương Văn Biển

Lớp: TĐH – K11

Ngày giao đề tài:

Ngày hoàn thành đề tài:

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình là do tôi tự làm và nghiên cứu, trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

Trương Văn Biển

MỤC LỤC Trang

Chương 1 Tổng quan về các phương pháp điều khiển phi tuyến

và áp dụng cho máy phát điện sức gió

7

1.1.4 Phương pháp điều khiển dựa trên thụ động (Passivity

Based Control)

10

1.2 Tổng quan và mô hình hệ thống của máy phát điện sức gió 12

2.1 Mô hình toán học, cấu trúc điều khiển phía máy phát và

phía lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió

20

2.1.1 Khái quát về hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử

dụng máy điện dị bộ nguồn kép

20

Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống bằng phương

pháp điều khiển phi tuyến Passivity – Based

28

3.2 Áp dụng phương pháp Passivity – Bases để thiết kế hệ

thống điều khiển phía máy phát

43

3.2.1 Áp dụng phương pháp Passivity – Based thiết kế bộ điều

chỉnh dòng

44

3.2.4 Chuyển bộ điều khiển dòng PBC phía máy phát sang dạng

số

56

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống điều

MỞ ĐẦU

Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 nguồn năng lượng cung cấp cho loài người cần phải xem xét: nguồn năng lượng hóa thạch như than đá , dầu mỏ đang cạn dần, đồng thời ô nhiễm môi trường do đốt nhiên liệu hóa thạch càng trở nên trầm trọng Năng lượng sạch đang được quan tâm nhiều và là sự lựa chọn cho ngành năng lượng thay thế trong tương lai Nguồn năng lượng sạch đang được quan tâm là năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều…Năng lượng sạch góp phần rất lớn vào việc cải tạo cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trường Với nhiều ưu việt như sạch, không gây ô nhiễm môi trường , có tiềm năng lớn , vô tận ở quy mô toàn cầu , năng lượng sạch đã khẳng định vị trí của mình trên thị trường năng lượng thế giới Trong những năm qua, trên thế giới, đặc biệt là những quốc gia có tiềm lực khoa học công nghệ, có nền công nghiệp phát triển , có tài nguyên năng lượng thiên nhiên phong phú, có tầm nhìn chiến lược đã đầu tư mạnh mẽ cho việc khai thác sử dụng các nguồn sạch nhằm bổ sung , thay thế dần các nguồn năng lượng hoá thạch và phục vụ thiết thực cho phát triển kinh tế - xã hội từng nước Là một nước nông nghiệp, có khí hậu nhiệt đới gió mùa , có bờ biển dài trên 3260km và hàng trăm đảo lớn nhỏ ven bờ , đón gió trực tiếp từ biển Đông thổi vào đây là những điều kiện thuận lợi để khai thác tốt các nguồn năng lượng gió Các hệ thống biến đổi năng lượng gió này sẽ thay thế các hệ thống cung cấp năng lượng

từ lưới điện quốc gia ở các vùng nông thôn biệt lập , nơi mà việc phát triển lưới điện không khả thi về mặt kinh tế Để đánh giá về nguồn năng lượng gió nà y ta thấy: Năng lượng gió được xem như nguồn năng lượng dễ khai thác với chi phí

Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu các phương pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào việc khai thác nguồn năng lượng sạch này nhằm phát triển lĩnh vực năng lượng gió ở nước ta mạnh hơn nữa

Trong thời gian qua đã có một số công trình nghiên cứu tổng hợp kỹ thuật, thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió nhằm khai thác tốt nguồn năng lượng gió vô cùng quý giá này Trong khuôn khổ đề tài này, tôi đưa ra các thuật toán thiết kế bộ điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động Passivity - Based nhằm thấy được tính khả thi của việc áp dụng phương pháp này để cải thiện chất lượng của hệ thống điều khiển Sau đó được kiểm tra tính đúng đắn của các thuật toán trên hệ thống máy phát điện nguồn kép bằng mô phỏng Matlab-Simulink.- Plecs

Nội dung của đề tài được chia làm 4 chương:

- Chương 1 Tổng quan về các phương pháp điều khiển phi tuyến và áp dụng cho máy phát điện sức gió

- Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển

- Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống bằng phương pháp điều khiển phi tuyến Passivity – Based

- Chương 4: Mô phỏng và đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống điều khiển

Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận

tình của thầy hướng đẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân tác giả cũng cố

gắng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và các công trình đã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi được các thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh

giá quí báu của các thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới sự sự hướng dẫn tận tình và chu đáo

của thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển cùng các thầy, cô giáo khác đã

giúp đỡ về chuyên môn cũng như tài liệu của các thầy, các cô đã làm cho em có được một luận văn hoàn chỉnh và sâu sắc

Em xin chân thành cảm ơn Khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để em hoàn thành khóa học

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 7 năm 2010

Trương Văn Biển

Chữ viết tắt

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.2 Turbine gió với tốc độ ổn định

1.3 Turbine gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stato

1.4 Turbine gió với tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK

1.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phi tuyến

2.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử

dụng máy điện dị bộ nguồn kép

2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát

2.3 Biểu diễn véc tơ dòng điện phía lưới

2.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía phía lưới

2.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lưới

hệ thống PĐSG sử dụng MDKBNK

3.1 Phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động con

3.2 Nối theo kiểu phản hồi của hai hệ EL

3.3 Hệ thống điều khiển máy phát (MDKBNK) trong hệ thống PĐSG sử

dụng bộ điều chỉnh Passivity – Based

3.4 Phân tích MDBNK thành động học phần điện và phần cơ

3.5 Hình 3.5 Sơ đồ tổng quát mạch điện phía lưới

3.6 Hình 3.6 Biểu diễn véc tơ dòng điện phía lưới

3.7 Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển phía lưới

3.8 Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển gián đoạn phía lưới

3.9 Hình 3.9 Hệ thống điều khiển phía lưới và phía máy phát (MDKBNK)

trong hệ thống PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based

4.2 Hình 4.2 Đáp ứng dòng rôto theo các thành phần dq

4.3 Hình 4.3 Đáp ứng mô men (công suất tác dụng)

4.4 Hình 4.4 Đáp ứng điện áp 3 pha Stato so với điện áp lưới tính từ bắt

đầu khởi động máy phát đến 0,3 giây

4.5 Hình 4.5 a, Tần số góc mạch stato và tần số góc mạch điện lưới; b,

Góc Theta stato và lưới; c, Tần số góc mạch điện rôto máy phát

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN

VÀ ÁP DỤNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN:

Có thể nói rằng, hiện nay lý thuyết điều khiển tuyến tính đã phát triển ở mức gần như hoàn thiện Do đó việc tổng hợp bộ điều khiển cho một đối tượng tuyến tính đã có đủ công cụ lý thuyết để thực hiện, công việc còn lại chỉ là chọn một phương pháp điều khiển phù hợp cho từng đối tượng cần điều khiển cụ thể mà thôi Khi mà lý thuyết điều khiển phi tuyến chưa phát triển thì việc tổng hợp một

bộ điều khiển phi tuyến là rất khó khăn Do đó, cách giải quyết trong đa số các trường hợp đối tượng phi tuyến là qua các bước, đầu tiên mô hình của đối tượng phi tuyến sẽ được tuyến tính hoá, sau đó mô hình xấp xỉ tuyến tính đó sẽ được sử dụng để quyết định luật điều khiển bằng lý thuyết điều khiển tuyến tính Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, đặc biệt khi yêu cầu về tối ưu trong hệ thống được đặt ra thì việc sử dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính để thiết kế một bộ điều khiển cho đối tượng phi tuyến là rất khó Bởi vì nếu sử dụng mô hình xấp xỉ tuyến tính của đối tượng thì có nghĩa là ta đã phá vỡ đi cấu trúc vật lý của đối tượng Vì vậy, xuất phát từ các nhu cầu thực tế, việc phát triển một hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến là hết sức cần thiết và thiết thực Nhiều năm trở lại đây đã có nhiều tác giả xây dựng một cách có hệ thống các công cụ và lý thuyết

để giải quyết các bài toán điều khiển áp dụng cho các đối tượng phi tuyến Tuy nhiên, không giống như hệ tuyến tính, các hệ phi tuyến rất phức tạp và đa dạng, nên việc xây dựng một hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cho mọi hệ phi

tuyến có thể ứng dụng một cách thiết thực trong thực tế thì cần phải phân loại ra thành các hệ phi tuyến riêng biệt có những tính chất nhất định, đặc trưng cơ bản cho lớp các đối tượng thuộc một hệ phi tuyến cụ thể, để rồi từ đó đi xây dựng một hệ thống lý thuyết có khả năng ứng dụng cho hệ thống phi tuyến đó Để có thể phát triển lý thuyết điều khiển phi tuyến một cách thực dụng, thì đầu tiên ta phải xem xét những đối tượng có ý nghĩa thực tế mà cấu trúc vật lý của nó phải được tính đến từ đầu trong quá trình thiết kế

Các phương pháp điều khiển phi tuyến trong hệ thống tự động hóa đã được hình thành, phát triển và đạt được nhiều kết quả rất quan trọng Đặt nền móng ban đầu phải nói đến các phương pháp điều khiển phi tuyến kinh điển như phân tích mặt phẳng pha, tính ổn định tuyệt đối, cân bằng điều hòa, điều khiển trượt… Sau đến là các phương pháp điều khiển tuyến tính hóa xấp xỉ, phân tích hệ thống nhờ đa tạp trung tâm, điều khiển tuyến tính hình thức, kỹ thuật Gain scheduling… và sau này do công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển tốt, giải quyết được bài toán về tốc độ xử lý và thời gian tính toán Do kỹ thuật máy tính, kỹ thuật vi xử lý phát triển vượt bậc, con người có khả năng tính được nhiều các phép tính phức tạp và nhanh hơn gấp hàng triệu lần so với trước kia thi các phương pháp điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh ra đời như điều khiển cuốn chiếu (Backstepping), điều khiển thích nghi, điều khiển Mờ, điều khiển thụ đông (Passitivy-based)… Đây là mảng lý thuyết điều khiển mới và được ứng dụng trong những năm gần đây được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển thông minh có thể kể đến là các thuyết điều khiển logic mờ (fuzzy logic theory), lý thuyết mạng Nơron( thần kinh), thuật toán di truyền, vector không gian… Sau đây chúng ta có thể phân tích khái quán một số phương pháp điều khiển

1.1.1 Phương pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha

Phương pháp này dựa trên các thông tin cần thiết của hệ thống từ mô hình hoặc sơ đồ khối như là “điểm cân bằng hoặc điểm dừng của hệ thống”, “tính ổn định và xác định miền ổn định tương ứng của hệ” và khả năng tồn tại dao động

để phân tích hệ thống từ đó rút ra những những kết luận cơ bản về tính chất động học của hệ thống Bằng việc phân tích các đường quỹ đạo trạng thái khép kín để rút ra kết luận về chất lượng phi tuyến Phương pháp này tưởng như đơn giản, song việc phân tích chất lượng động học của hệ thống trên cơ sở phân tích dạng các đường quỹ đạo trạng thái Do đó nó sẽ có hạn chế là chỉ áp dụng được cho những hệ thống có tối đa là hai biên trạng thái vì chúng ta chỉ có thể xây dựng được đồ thị đường cong trong mặt phẳng một cách tương đối chính xác Cụ thể cách phân tích, đánh giá và xây dựng phương pháp điều khiển đươc [1] thể hiện rất rõ

1.1.2 Kỹ thuật Gain scheduling

Kỹ thuật gain scheduling là một dạng đặc biệt của phản hồi phi tuyến Tuy nó chưa có một định nghĩa chặt chẽ nào hoàn hảo về thuật ngữ gain scheduling nhưng ta có thể hiểu đó là một bộ điều chỉnh tuyến tính mà các tham số của nó được thay đổi như là một hàm của các điểm làm việc theo một cách đã được lập trình trước Toàn bộ kỹ thuật Gain scheduling đã đươc [1] (Tr.390) trình bầy trong nhiều trường hợp, các động học của quá trình thay đổi theo các điều kiện của quá trình đó, các tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi bằng cách quan sát các điều kiện làm việc của quá trình đó Toàn bộ kỹ thuật Gain scheduling được thể hiện bằng sơ đồ khối sau:

Hình 1.1 Kỹ thuật Gain scheduling

1.1.3 Điều khiển tuyến tính hóa chính xác

Bộ điều khiển được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa hứa hẹn mang lại chất lượng cao trong các phương pháp điều khiển phi tuyến Điều khiên hệ phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính tuyến tính hóa là dựa trên cơ sở “hình học vi phân” Theo phương pháp này ta phải thiết kế bổ điều khiển phản hồi trạng thái thông qua phép đổi trục tọa độ thích hợp để đưa đối tượng phi tuyến về dạng tuyến tính trong toàn bộ không gian trạng thái mới (trong hệ tọa độ mới) Ở phương pháp này ta phải xác định được giá trị của các biến trạng thái cần phản hồi có thể đo trực tiếp nhờ các thiết bị cảm biến hoặc có thể đo gián tiếp thông qua bộ quan sát trạng thái, quan sát trong một khoảng thời gian đủ lớn Phương pháp này có triển vọng rất lớn song cung không phải la không có nhược điểm Nhược điểm ở đây là phải xác định được chính xác giá trị của các biến trạng thái của đối tượng (thông thường đo trức tiếp bằng các sensor) để phản hồi về bộ điều khiển, nhưng trong thực tế không phải lúc nào các biến trạng thái có thể đo trực tiếp được mà phải thông qua bộ quan sát trạng thái Điều này làm khó khăn trong quá trình thiết kề bộ điều khiển, do thông qua bộ quan sat sẽ có sai số trong quá

trình tính toán, do vậy khi thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp này sẽ rất khó khăn trong quá trình tính toán trong việc tính toán thiết kế bộ quan sát trạng thái

1.1.4 Phương pháp điều khiển dựa trên thụ động (Passivity Based Control)

Điều khiển dựa trên thụ động (Passivity Based Control) là thuật điều khiển

mà nguyên lý của nó dựa trên đặc điểm thụ động của hệ với mục tiêu làm cho hệ kín cũng là một hệ thụ động với hàm lưu giữ năng lượng mong muốn Nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động được xem như là mở rộng của kỹ thuật chọn hàm

năng lượng (Energy shaping) và kỹ thuật phun tín hiệu suy giảm (Damping

injection) Kỹ thuật chọn hàm năng lượng là quá trình thay đổi thế năng của hệ thống để sao cho hàm thế năng mới là nhỏ nhất và duy nhất tại trạng thái cân bằng Tiếp theo là quá trình phun tín hiệu suy giảm, đó là giai đoạn làm thay đổi năng lượng tiêu thụ (dissipation energy) để đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ thống

Khi mở rộng kỹ thuật trên cho nguyên lý điều khiển thụ động thì có thể hiểu một cách đơn giản như sau: Giai đoạn chọn hàm năng lượng là quá trình thiết lập một quan hệ thụ động giữa đầu vào và đầu ra cần điều khiển để đạt được hàm lưu giữ năng lượng mong muốn Hàm này bao gồm động năng ban đầu và thế năng mong muốn của hệ thống Còn phun tín hiệu suy giảm là quá trình củng cố thêm đặc điểm thụ động đối với đầu ra (Output strictly pasivity) Và ngoài sự kế thừa các kỹ thuật trên thì để xây dựng một nguyên lý điều khiển PCB hoàn chỉnh thì cần phải bổ xung thêm những nhận thức rất quan trọng sau và có thể xem như

đó là các nguyên tắc trong quá trình xây dựng bộ điều kiển dựa trên thụ động

 Khi trạng thái của hệ thống không có khả năng đo thì tín hiệu suy giảm phải được “phun” vào hệ thông qua việc mở rộng động học của hệ thống

điều khiển robot thường gọi là hệ hụt cơ cấu chấp hành, thì thế năng của

hệ thống không được bỏ qua, mà nó sẽ đóng một vai trò quyết định trong việc xây dựng bộ điều khiển dựa trên thụ động Và nếu như cần phải thay đổi động năng, thì đầu tiên, bộ điều khiển được xây dựng ở dạng không tường minh (chưa có quan hệ tường minh giữa tín hiệu điều khiền và tín hiệu ra của hệ cần điều khiển) và sau đó qua bước “đảo” động học của hệ thống để đạt được dạng tường minh

 Vì trong hầu hết các trường hợp, động năng có tham gia vào việc xây dựng bộ điều khiển, nên nó cũng phải được thay đổi (shaped) Như đã nói

ở trên, nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động là gán cho hệ kín một hàm lưu giữ năng lượng mong muốn (desired storage function) Tuy nhiên hàm này không đơn thuần là tổng động năng và thế năng mới của hệ thống mà

ở đây hàm này sẽ được chọn từ việc phân tích động học sai số (error dynamic) của hệ kín thông qua việc chọn hệ số phù hợp đối với lực (workless force) của hệ thống để có được quan hệ tuyến tính đối với tín hiệu sai lệch

Tất nhiên nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động không chỉ gói gọn vào mấy phát biểu trên, mà đó chỉ là những phát biểu có tính chất tổng quan Nguyên lý này sẽ được trình bày một cách cụ thể và có hệ thống trong các công việc sau của luận văn, đặc biệt khi áp dụng cho một đối tượng cụ thể là máy phát điện sức gió dùng động cơ dị bộ (động cơ không đồng bộ Roto dây quấn)

1.2 TỔNG QUAN VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

1.2.1 Tổng quan về máy phát điện sức gió

Ngày nay nhu cầu về điện năng ở nước ta nói riêng cũng như trên toàn cầu nói chung ngày càng tăng Do kinh tế phát triển nhanh chóng và cạnh tranh gay gắt, trước tình trạng các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các nguồn năng lượng mới được các nước quan tâm rộng rãi Tỷ suất tăng trưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng điện năm 2000-2009 là: năng lượng gió: 32%; năng lượng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%; năng lượng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1% Như vậy tỷ suất tăng trưởng của năng lượng mới cao hơn nhiều so với năng lượng truyền thống Trong đó điện gió có tốc độ tăng trưởng cao nhất Do đó máy phát điện chạy sức gió ngày càng trở lên

có tính thực tiễn cao, bởi nguồn năng lượng sạch này rất lớn chưa được khai thác hết và là tự nhiện không ảnh hưởng tới môi trường của con người trong quá trình

sử dụng

Trong những năm gân đây các máy phát điện lợi dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác Sau thảm họa Chernobyl (Ukraine 1986), cuộc đấu tranh đòi hủy bỏ các nhà máy điện nguyên tử tại Đức diễn ra ngày càng mãnh liệt nên điện bằng sức gió phát triển rất mạnh, sản lượng đã vượt xa sản lượng thủy điện và trở thành nguồn năng lượng đáng kể trên cường quốc công nghiệp này

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

gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước

Các trạm điện bằng sức gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện

Trạm điện bằng sức gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú Các trạm điện bằng sức gió 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 Dải bờ biển Việt Nam trên 3.620km và hàng trăm đảo lớn nhỏ ven bờ có thể tạo ra công suất hàng tỉ kW điện bằng sức gió

Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm điện bằng sức gió 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 điện bằng sức gió 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 lớn hơn khi thành phố bất ngờ bị mất điện

Điện khí hóa ngành đường sắt là xu hướng tất yếu của các nước công nghiệp Chỉ cần đặt với khoảng cách 10km một trạm 4.800kW dọc các tuyến đường sắt đã có đủ điện năng cho tất cả các đoàn tàu ở Việt Nam hiện nay 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 điện bằng sức gió 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 điện bằng sức gió Việc bảo quản một trạm điện bằng sức gió cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều

Nhà máy nước ngọt đặt dưới chân những trạm điện bằng sức gió 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

Một trạm 40kW 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 điện bằng sức gió 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

Tất nhiên, 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 Nhưng chắc chắn chi phí đầu tư cho điện bằng sức gió thấp hơn so với thủy điện Toàn

bộ chi phí cho một trạm điện bằng sức gió 4.800kW khoảng 3.000.000 euro

Với 500 trạm điện bằng sức gió loại 4.800kW sẽ có công suất 2,4 triệu

kW, bằng công suất Nhà máy thủy điện Sơn La, tổng chi phí sẽ là: 500 x 3.000.000 = 1,50 tỉ euro = 1,875 tỉ USD, chi phí này nhỏ hơn 2,4 tỉ USD là dự toán xây dựng Nhà máy thủy điện Sơn La

Với những phân tích lợi ích trên, ta thấy việc cần phát triển về qui mô cũng như khoa học kỹ thuật để áp dụng vào hệ thống phát điện sử dụng sức gió, nhằm mục tiêu xây dựng một ngành khoa học tiên tiến cho chế tạo hệ thống máy phát điện sức gió hoàn thiện

Trong thời gian qua đã có một số đề tài , công trình nghiên cứu tổng hợp

kỹ thuật, thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển má y phát điện sức gió

và đã mang lại những kết quả nhất định

Đề tài này nghiên cứu hệ thống điều khiển máy phát điện không đồng bộ

ba pha nguồn kép và áp dụng vào hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió, đề tài này cùng với một số công trình nghiên cứu khác về điều khiển hệ thống máy phát điện chạy sức gió nhằm tạo ra các kỹ thuật điều khiển mới , công nghệ hiện đại để ứng dụng rộng rãi vào quá trình chế tạo , vận hành, điều khiển và quản lý các hệ thống thiết bị máy phát điện sức gió khiến cho việc phát điện bằng sức gió

có được trình độ kỹ thuật hoàn hảo, có quy mô phát triển hợp lý và có triển vọng thương mại hóa cao , có hiệu quả kinh tế thiết thực , có thể sử dụng, khái thác được triệt nguồn năng lượng sạch này để mang lại lợi ích kinh tế cho xã hội Cho đến nay trong máy phát điện sức gió có hai loại turbine gió chính được sử dụng, đó là: Turbine gió tốc độ cố định và turbine gió tốc dộ thay đổi

Loại turbine gió thông thường là turbine 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

Loại Turbine gió có tốc độ thay đổi có hai phương pháp điều khiển để thu được nguồn năng lượng lớn nhất:

- Loại thứ nhất người ta dùng phương pháp thay đổi góc cánh turbine, điều chỉnh diện tích bề mặt hứng gió của cánh turbine để ổn định tốc độ Với máy phát điện sức gió công suất nhỏ, việc thay đổi góc cánh thường hay dùng phương pháp ly tâm của khối lượng quay [14],[15] Phương pháp nay ta thấy khi tốc độ gió thay đổi sẽ làm tốc độ quay của turbine thay đổi, lực ly tâm của vật quay cũng thay đổi Nếu gió lớn, vận tốc gió tăng, lực ly tâm tăng lên, tác dụng lên cơ cấu xoay cánh turbine làm giảm diện tích bề mặt hứng gió, dẫn đến hạn chế mức

độ tăng tốc độ quay của turbine Khi gió dịu đi, vận tốc gió giảm xuống, cánh turbine tự xoay dần về vị trí ban đầu, để duy trì tốc độ quay của turbine trong phạm vi cho phép Với máy phát điện sức gió công suất lớn, thường dùng kết cấu cơ khí như hệ thống cam để điều chỉnh góc cánh [15] Kết cấu máy sử dụng lực ly tâm và hệ thống cam để thay đổi góc cánh turbine như vậy tương đối đơn giản, nhưng có nhược điểm là điều khiển đồng thời các cánh của turbine, và do

là các kết cấu cơ khí nên đáp ứng chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, khoảng biến thiên tốc độ quay của turbine quá lớn để giải quyết [5] đã đề xuất phương pháp dùng động cơ điện để thay đổi góc cánh nhằm điều khiển và ổn định tốc độ của của turbine gió trục đứng

- Phương pháp thứ hai ngươi ta sử dung bộ biến đổi nối trực tiếp giữa Stato

và lưới, tuốc bin gió loại này sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha roto dây quấn hay còn gọi là máy phát điện dị bộ nguồn kép (MDKBDQ) Máy phát ở đây cũng có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc đồng bộ như hình vẽ:

Nhưng do xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lượng sạch tái tạo từ gió là điều rất cần thiết và hiện nay trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió với công suất trên 7MW, và nếu sử dụng loại tuốc bin trên sẽ có giá thành rất cao, do bộ biến đổi có công suất bằng công suất toàn tuốc bin Vì vậy các hãng chế tạo đang có xu hướng sử dụng máy MDBNK làm máy phát trong các hệ thống tuốc bin gió công suất lớn nhằm giảm giá thành, vì bộ biến đổi được nối vào giữa mạch rotor của máy phát và lưới như hình vẽ:

Hình 1.3 Turbine gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stato

và lưới

1.2.2 Các phương pháp điều khiển phía máy phát

Cho tới thời điểm này, thực tế các phương pháp điều khiển tuyến tính và backsteping đã nghiên cứu [3], [4], [15] thì đều có sơ đồ cấu trúc điều khiển được chỉ ra như Hình 1.5:

Trong kỹ thuật điều khiển phi tuyến dùng để điều khiển máy phát điện sức gió, ta có các phương pháp thiết kế như phương pháp tuyến tính, backsteping và phương pháp Passivity - Based

Trong đề tài này đưa ra phương pháp điều khiển đó là phương pháp Passivity – Based với sơ đồ cấu trúc điều khiển giống như hai phương pháp tuyến tính và backsteping (hình 1.5) và sẽ có phát triển thêm (chương 3)

3~

r S t

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

2.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC, CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHÍA MÁY PHÁT VÀ PHÍA LƯỚI CỦA HỆ HỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ

2.1.1 Khái quát về hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện dị

Trong đó:

NLPL - Nghịch lưu phía lưới NLPMP - Nghịch lưu phía máy phát MĐC - Máy đóng cắt

DFIM - Máy phát không đồng bộ nguồn kép

IE - Máy khắc mã vạch (Ecorder) MBA - Máy biến áp

Hình vẽ trên mô tả sơ đồ cấu trúc của một hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép (MDKBNK) Hệ thống sử dụng máy điện MDKBNK có cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới điện 3 pha, còn cuộn dây phía 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 (NLPMP) Hai phần này được nối với nhau qua mạch 1 chiều trung gian Trong đó phần NLPMP có nhiều vụ điều chỉnh, cách ly công suất

công suất vô công Q đồng thời nó cũng đảm nhận cả việc hoà đồng bộ máy phát 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 1 chiều trung gian trở lại phía lưới

Vì vậy, cấu trúc mạch điện tử công suất, phần NLPL hoàn toàn giống như phần

NLPMP, hơn nữa phần NLPL còn có nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp mạch

phía lưới và qua đó có thể giữ vai trò bù công suất vô công Các van bán dẫn của NLPL và NLPMP (Biến tần) được điều khiển góc mở theo nguyên lý điều chế vectơ không gian (ĐCVTKG)

2.2.1 Mô hình toán học phía máy phát và phía lưới

2.2.1.1 Mô hình và các biến điều khiển phía máy phát

Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát thực chất là mô hình trạng thái liên tục đối tượng MDKBNK Cơ sở để xây dựng mô hình trạng thái liên tục MDKBNK là các phương trình điện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor [3], [11], [12]:

Phương trình điện áp stator: R s d

Phương trình mô men: 3 ( ) 3 ( )

Các chỉ số “f” trong các biểu thức trên là để chỉ hệ tạo độ quay dq Vì ta

điều khiển máy phát dựa trên cơ ở phương pháp tựa theo điện áp lưới (tức là trên

hệ toạ độ quay dq) nên để đơn giản ta quy ước bỏ chỉ số “f” và ta hiểu là trên toạ

độ dq

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

chính là tần số của lưới và điện áp rơi trên điện trở R s của mạch stator có thể bỏ

qua được so với điện áp rơi trên L m và điện cảm tản Ls Khi đó phương trình điện áp stator có thể được viết lại gần đúng:

Mặt khác, thiết bị điều khiển được đặt ở phía rotor và ta sẽ sử dụng biến dòng điện rotor để làm biến điều khiển trạng thái của đối tượng MDBNK Vì vậy

ta phải tìm cách thông qua các phương trình (2.3cd) để khử dòng srator i s và từ

thông rotor r , nhưng giữ lại dòng rotor i r và từ thông stator s rồi thay vào các phương trình (2.3ab) rồi biến đổi ta được:

Viết lại (2.3) dưới dạng các thành phần trên hệ trục toạ độ dq ta được mô

m

u L

Từ phương trình trên ta có Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát như sau:

r S t

2.2.1.2 Mô hình và các biến điều khiển phía lưới

Như ta đã biết nhiệm vụ của hệ thống điều khiển phía lưới là lấy năng lượng

từ lưới 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 uDC phải được giữ ổn định (không đổi) [2], [7]

Biểu diễn dòng điện phía lưới trên hệ toạ độ dq như Hình 2.2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 33

Từ (2.12); (2.13) ta thấy khi thay đổi i Nd sẽ thay đổi được uDC

Từ (2.11) ta cũng có thể thấy được i Nq có tác dụng sản sinh ra công suất vô công

Từ phương trình và lập luận trên ta cũng có Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía lưới như sau:

Từ các phân tích trên ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lưới như Hình 2.5:

3~

Từ định nghĩa trên ta thấy hệ thụ động có liên quan mật thiết đến bản chất vật lý của hệ thống, đặc biệt là đặc tính ổn định Và có thể thấy ngay rằng, theo quan điểm ổn định vào - ra thì hệ thụ động là hệ ổn định, bởi vì năng lượng nội tại của hệ không thể lớn hơn năng lương do nguồn ngoài cung cấp

Vậy Hệ Euler-Lagrange thụ động là hệ mà động học của chúng được mô tả bởi các phương trình Euler-Lagrange (EL) và bản thân hệ thống không tự sinh ra năng lượng Như vậy, từ nay trở về sau khi nhắc đến hệ Euler-Lagrange ta hiểu ngay rằng đó là hệ có bản chất thụ động

Trước khi đi vào chi tiết các đặc điểm của hệ Euler-Lagrange và những phát biểu về mặt toán học các đặc điểm đó thì dưới đây sẽ đưa ra một cách vắn tắt những tính chất cơ bản của hệ EL sau:

 Hệ EL xác định một quan hệ thụ động (quan hệ vào-ra) qua hàm lưu giữ tổng năng lượng của hệ thống

 Dưới những giả thiết hợp lý, thì có thể phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động được nối theo kiểu phản hồi âm

Tất cả những tính chất trên sẽ là cơ sở để xây dựng một nguyên lý điều khiển,

gọi là điều khiển dựa trên thụ động

3.1.2 Nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động (PBC)

Điều khiển dựa trên thụ động (Passivity Based Control) là thuật điều khiển

mà nguyên lý của nó dựa trên đặc điểm thụ động của hệ với mục tiêu làm cho hệ kín cũng là một hệ thụ động với hàm lưu giữ năng lượng mong muốn Nguyên lý

PBC được xem như là mở rộng của kỹ thuật chọn hàm năng lượng (Energy shaping) và kỹ thuật phun tín hiệu suy giảm (Damping injection) Kỹ thuật chọn

hàm năng lượng là quá trình thay đổi thế năng của hệ thống để sao cho hàm thế

năng mới là nhỏ nhất và duy nhất tại trạng thái cân bằng Tiếp theo là quá trình

phun tín hiệu duy giảm, đó là giai đoạn làm thay đổi năng lượng tiêu thụ

(dissipation energy) để đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ thống

Khi mở rộng kỹ thuật trên cho nguyên lý PBC thì có thể hiểu một cách đơn

giản như sau: Giai đoạn chọn hàm năng lượng là quá trình thiết lập một quan hệ

thụ động giữa đầu vào và đầu ra cần điều khiển để đạt được hàm lưu giữ năng lượng mong muốn Hàm này bao gồm động năng ban đầu và thế năng mong

muốn của hệ thống Còn phun tín hiệu suy giảm là quá trình củng cố thêm đặc

điểm thụ động đối với đầu ra (Output strictly pasivity) Và ngoài sự kế thừa các

kỹ thuật trên thì để xây dựng một nguyên lý điều khiển PBC hoàn chỉnh thì cần

phải bổ xung thêm những nhận thức rất quan trọng sau và có thể xem như đó là các nguyên tắc trong quá trình xây dựng bộ điều kiển PBC sau này:

* Khi trạng thái của hệ thống không có khả năng đo thì tín hiệu suy giảm phải được “phun” vào hệ thông qua việc mở rộng động học của hệ thống

* Đối với hệ thống thiếu tác động điều khiển (underactuated system), trong điều khiển robot thường gọi là hệ hụt cơ cấu chấp hành, thì thế năng của hệ thống không được bỏ qua, mà nó sẽ đóng một vai trò quyết định trong việc xây dựng bộ điều khiển PBC Và nếu như cần phải thay đổi động năng, thì đầu tiên,

bộ điều khiển được xây dựng ở dạng không tường minh (chưa có quan hệ tường minh giữa tín hiệu điều khiền và tín hiệu ra của hệ cần điều khiển) và sau đó qua bước “đảo” động học của hệ thống để đạt được dạng tường minh

* Vì trong hầu hết các trường hợp, động năng có tham gia vào việc xây dựng bộ điều khiển, nên nó cũng phải được thay đổi (shaped) Như đã nói ở trên, nguyên lý điều khiển PBC là gán cho hệ kín một hàm lưu giữ năng lượng mong muốn (desired storage function) Tuy nhiên hàm này không đơn thuần là tổng động năng và thế năng mới của hệ thống mà ở đây hàm này sẽ được chọn từ việc phân tích động học sai số (error dynamic) của hệ kín thông qua việc chọn hệ số phù hợp đối với lực (workless force) của hệ thống để có được quan hệ tuyến tính đối với tín hiệu sai lệch

Tất nhiên nguyên lý PBC không chỉ gói gọn vào mấy phát biểu trên, mà

đó chỉ là những phát biểu có tính chất tổng quan Nguyên lý này sẽ được trình bày một cách cụ thể và có hệ thống trong các công việc sau của luận văn

3.1.3 Phương trình Euler-Lagrange

Đầu tiên phương trình EL được sử dụng chủ yếu để mô tả động học của các

hệ thống cơ Về sau này nó cũng được sử dụng để mô tả các hệ vật lý, ví dụ như

hệ cơ - điện Ưu điểm khi sử dụng phương trình EL để mô tả động học của hệ thống là các công thức của chúng độc lập với hệ tọa độ được sử dụng Phương trình EL có thể được xác định bằng cách sử dụng các định luật về lực-gọi là luật D’Alembert’s, ví dụ như ta có thể sử dụng định luật Newton hai đối với hệ thống

cơ và luật Kirchhoff đối với hệ điện hoặc có thể sử dụng phương pháp biến phân

Ta biết rằng, một hệ thống có thể xem như gồm các hệ thống con nối với nhau theo một cấu trúc nhất định và các hệ thống con này sẽ tác động qua lại lẫn nhau thông qua việc trao đổi năng lượng giữa chúng Như vậy một cách suy nghĩ rất tự nhiên là, ta hoàn toàn có thể mô tả hệ thống bằng các đặc tính năng lượng Xuất phát từ ý tưởng này mà việc mô tả toán học của một hệ có thể bắt đầu từ việc định nghĩa một hàm năng lượng với các biến trạng thái tổng quát (các biến trạng thái này có thể được định nghĩa như là một hệ toạ độ tổng quát x (t)) và một hàm, được gọi là hàm Lagrangran được xác định là hiệu giữa động năng và thế năng Sau đó sử dụng các phương pháp phân tích động học để dẫn ra các phương trình mô tả hệ thống, ví dụ, có thể sử dụng luật Hamilton

Trong khuôn khổ luận văn này không trình bày các dẫn giải để có được phương trình EL, mà chỉ đưa ra các mô tả tổng quát về phương trình EL

Xét một hệ động học có n bậc tự do, động học của hệ có thể được mô tả bởi phương trình EL sau:

Trong đó x = (x 1 ,x 2 , ,x n)T là vector trạng thái của hệ thống (hệ tọa độ tổng

quát), Q là vector lực tác động lên hệ thống, với Q  Rn và L x x( , ) được gọi là

* Tác động do sự tiêu thụ năng lƣợng nội tại của hệ, tác động này đƣợc đặc

trƣng bởi hàm tiêu thụ (dissipation function) có dạng sau  ( )