TỔNG QUAN hệ THỐNG máy PHÁT điện sức GIÓ

Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn Hình 1.4 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới năng lượng sạch tái tạo từ gió

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 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,

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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

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 lượng 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)

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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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

Hình 1.2 Hình ảnh bên trong MPĐ sức gió

* Những ưu 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 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 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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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 + 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 LƯỢNG GIÓ VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

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

Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc độ cố định

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

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 Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn

Hình 1.4 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp

giữa stator và lưới

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 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

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

1.3 CÁC CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MDBNK

Hiện nay, có hai cấu trúc hệ thống PĐSG dùng MDBNK được sử dụng: hệ thống sử dụng crowbar (hình 1.6) và hệ thống sử dụng stator switch (hình 1.7)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.6 Hệ thống PĐSG dựa trên MDBNK sử dụng crowbar

Hệ thống gồm có các điều khiển thành phần sau: điều khiển tuốc bin, điều khiển vector, điều khiển crowbar hoặc stator switch

1.3.1 Điều khiển tuốc bin

Nhiệm vụ của điều khiển tuốc bin là điều chỉnh tốc độ tuốc bin (sử dụng động cơ servo để điều khiển góc cánh) và cung cấp giá trị đặt của mô men (hoặc công suất tác dụng) cho mức điều khiển vector theo chiến lược điều khiển như sau (hình 1.8):

- Khi tốc độ gió nhỏ hơn giới hạn thấp của nó (khoảng 4 m/s), tốc độ của máy phát được giữ ở tốc độ thấp, dưới đồng bộ 30% (1050 v/ph), công suất cực đại nhận được từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió

Hình 1.7 Hệ thống PĐSG dựa trên MDBNK sử dụng stator switch

- Khi tốc độ gió lớn hơn giới hạn thấp 4m/s và nhỏ hơn 8m/s, tốc độ máy phát được duy trì trong phạm vi lớn hơn 1050 v/ph (dưới tốc độ đồng bộ 30 %) và nhỏ hơn hoặc bằng 1950 v/ph (trên tốc độ đồng bộ 30%), công suất cực đại lấy từ gió bằng cách điều chỉnh đồng thời tốc độ rotor tuốc bin và góc của cánh gió

- Khi tốc độ gió lớn hơn 8m/s và nhỏ hơn tốc độ gió định mức, 12m/s, tốc độ máy phát khi đó được duy trì ở giá trị định mức (1950 v/ph – trên tốc độ đồng bộ 30%), công suất cực đại lấy từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió

- Khi tốc độ gió cao hơn tốc độ định mức (12m/s), tốc độ máy phát được giữ

ở giá trị định mức 1950 v/ph, công suất đặt của máy phát bằng công suất định mức của

nó, nghĩa là công suất lấy từ gió được giữ bằng công suất định mức thông qua việc điều chỉnh góc của cánh gió

- Khi tốc độ gió quá thấp, năng lượng quá nhỏ hoặc khi tốc độ gió quá cao (trên 25m/s), thì hệ thống bảo vệ sẽ cắt máy phát ra khỏi lưới

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.8 Các đường cong sử dụng trong chiến lược điều khiển tuốc bin

1.3.2 Điều khiển crowbar hoặc stator switch

Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến đổi công suất đối với hiện tượng quá dòng lớn khi xảy ra lỗi lưới (ngắn mạch lưới)

Với hệ thống sử dụng crowbar, khi xảy ra lỗi lưới, nếu dòng rotor lớn quá mức cho phép của bộ biến đổi, lúc này điều khiển crowbar sẽ được kích hoạt, làm ngắn mạch rotor, rẽ mạch dòng ngắn mạch qua crowbar để bảo vệ bộ biến đổi, khi đó máy phát bị mất điều khiển Khi biên độ dòng quá độ đã giảm dưới mức an toàn, “crow bar” ngừng tham gia, lúc này mới có thể điều khiển được máy phát

Với hệ thống sử dụng stator switch, khi lỗi lưới, nếu dòng quá độ rotor vượt quá mức cho phép của bộ biến đổi, bộ chuyển mạch điện tử công suất thyristor phía stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lưới, tuy nhiên vẫn duy trì điều khiển phía rotor để điều khiển tái hoà đồng bộ máy phát vào lưới khi biên độ dòng quá độ giảm dưới mức an toàn của bộ biến đổi, và việc phát công suất hữu công, vô công lên lưới được khôi phục trở lại

1.3.3 Điều khiển vector

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

• Điều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL)

Mục tiêu của điều khiển NLPL là duy trì trị số điện áp một chiều trung gian không đổi theo giá trị đặt của nó phù hợp với bộ biến đổi nghịch lưu phía máy phát (NLMP), và điều khiển hướng, trị số công suất vô công lên lưới.

• Điều khiển nghịch lưu phía máy phát(NLMP)

Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công suất tác dụng (thông qua mô men),

và công suất phản kháng lên lưới một cách độc lập với nhau, thông qua điều khiển các thành phần dòng điện rotor, với việc áp dụng kỹ thuật điều khiển vector

Với mục đích của luận án là nâng cao chất lượng hệ thống PĐSG sử dụng MDBNK thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển nghịch lưu phía máy phát, nên phần này sẽ phân tích cụ thể chi tiết nhiệm vụ, yêu cầu của điều khiển NLMP

1.4 NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU PHÍA MÁY PHÁT

Ở chế độ làm việc bình thường, thực hiện bám lưới với tần số và điện áp lưới không đổi; thực hiện điều chỉnh phân ly công suất tác dụng (thông qua mô men) và công suất phản kháng lên lưới

Ở chế độ sự cố (ngắn mạch gây sụt điện áp lưới), thực hiện bám lưới; cung cấp công suất tác dụng lớn nhất có thể lên lưới ngay sau khi lỗi lưới để cấp dòng ngắn mạch vào vị trí bị ngắn mạch để kích hoạt các thiết bị bảo vệ hệ thống năng lượng tác động; điều chỉnh công suất phản kháng lên lưới để hỗ trợ lưới phục hồi điện áp, đồng thời tạo điều kiện để hệ thống trở về chế độ bình thường ngay sau khi lỗi lưới (vì mức điện áp lưới lúc này đã được nâng lên)

Ở chế độ sự cố, một vấn đề có thể xảy ra (nhất là khi sập lưới với mức độ lớn) với bộ điều khiển nghịch lưu phía lưới là vấn đề mất điều khiển dòng khi lỗi lưới Nguyên nhân là khi lỗi lưới, từ thông stator xuất hiện thành phần quá độ dao động, làm cảm ứng trong mạch rotor điện áp quá độ có trị số lớn (sức phản điện động) , và nếu lớn hơn điện áp cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra được thì sẽ gây mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn Hậu quả là hệ thống phải kích hoạt hệ thống bảo vệ bộ biến đổi thông qua việc điều khiển crowbar hoặc stator switch Máy phát bị mất điều khiển hoặc phải ngắt máy phát ra khỏi lưới,không thực hiện được nhiệm vụ đặt ra khi lỗi lưới và có nguy cơ làm tan rã hệ thống lưới điện kiểu “wind farm”

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Các yếu tố ảnh hưởng tới sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor bao gồm: Mức độ dao động của điện áp lưới khi lỗi lưới; Mức độ dao động của từ thông stator quá độ, mức độ dao động này phụ thuộc vào mức độ dao động điện áp lưới và mức độ sụt điện áp lưới khi lỗi lưới; Mức độ dao động, thay đổi của tốc độ máy phát

và tần số góc mạch rotor khi lỗi lưới

Từ các phân tích về nhiệm vụ và vấn đề mà bộ điều khiển phía máy phát gặp phải (mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn), để nâng cao được chất lượng hệ thống PĐSG sử dụng MDBNK, vấn đề đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát là phải khống chế được độ lớn của sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor nhỏ hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi ngay sau khi lỗi lưới cũng như khi lỗi lưới được loại

bỏ, để tránh hiện tượng mất điều khiển dòng và quá dòng lớn, hạn chế tới mức tối đa

sự tham gia của hệ thống crowbar hoặc stator switch

Xuất phát từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới điện áp quá độ cảm ứng trong mạch rotor, để nâng cao được chất lượng hệ thống, các yêu cầu cụ thể được đặt

ra với bộ điều khiển phía máy phát như sau:

- Điều khiển phân ly (tách kênh) công suất hữu công (thông qua mô men) và công suất vô công (thông qua hệ số công suất cosϕ) phát lên lưới thông qua MDBNK

- Ổn định đối với dao động của điện áp lưới

- Ổn định đối với dao động của từ thông khi lỗi lưới

- Ổn định đối với dao động, thay đổi của tốc độ máy phát và tần số góc mạch rotor ở chế độ bình thường và lỗi lưới

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ

DỤNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO DÂY QUẤN

2.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MDBNK

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MDBNK

Hình 2.1 mô tả sơ đồ cấu trúc một hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MDBNK Hệ thống trên bao gồm một MDBNK có cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới điện ba pha Cuộn dây phía rotor được nối với hệ thống biến tần (dùng van bán dẫn) có khả năng điều khiển dòng năng lượng đi theo hai chiều Hệ thống biến tần bao gồm hai cụm: cụm nghịch lưu phía lưới (NLPL) và cụm nghịch lưu phía máy phát (NLMP) Hai cụm được nối với nhau thông qua mạch điện một chiều trung gian Cụm NLMP có nhiệm vụ điều chỉnh và cách ly công suất hữu công và công suất vô công thông qua hai đại lượng m G (mômen của máy phát) và công suất vô công Q đồng thời đảm nhận việc hòa đồng bộ với lưới cũng như điều chỉnh tách máy phát ra khỏi lưới

khi cần thiết Cụm NLPL trên thực tế không chỉ có nhiệm vụ chỉnh lưu theo nghĩa

thông thường: lấy năng lượng từ lưới về, cụm còn có khả năng thực hiện nhiệm vụ hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại lưới Vì vậy, về cấu trúc mạch điện tử công suất, cụm NLPL hoàn toàn giống như cụm NLMP Cụm NLPL có nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp mạch một chiều trung gian u DC sao cho không phụ thuộc vào độ lớn cũng như chiều của dòng năng lượng chảy qua rotor, đồng thời điều chỉnh cosϕ phía lưới và qua đó có thể giữ vai trò bù công suất vô công Các van

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

bán dẫn của thiết bị NLMP và NLPL được điều khiển đóng mở theo nguyên lý điều chế vector không gian (ĐCVTKG)

2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC PHÍA MÁY PHÁT VÀ PHÍA LƯỚI

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha

Theo lý thuyết điều khiển vector, trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang ) của máy điện, vector không gian dòng điện stator của MDBNK được định nghĩa như sau:

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

ta đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng tương tự như đối với dòng điện stator kể trên

Với MDBNK, trên rotor cũng có cuộn dây ba pha r, s, t trong đó chảy ba dòng

điện i rr, i rs, i rt tần số góc ωr, vector không gian dòn điện rotor cũng được định nghĩa

Vector i t r( ) là vector không gian quay với tốc độ góc ωr so với rotor, vì rotor

quay với tốc độ ω so với stator, nên i t r( ) cũng quay với tốc độ ωs = +ω ωr so với

stator

Đối với các đại lượng khác của mạch rotor, như điện áp rotor, từ thông rotor ta đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng tương tự như đối với dòng điện rotor kể trên

Hình 2.2 Biểu diễn các vector dòng stator, điện áp stator, từ thông stator trên hệ trục

toạ độ αβ và d,q

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

hệ toạ độ cố định αβcó trục α trùng với trục cuộn dây pha u, và một hệ toạ độ quay

d,q có trục thực d trùng với véc tơ điện áp lưới u s (u N), nghĩa là hệ toạ độ d,q này quay với tốc độ ωs =2π f s so với stator (hình 2.2) Các thành phần của vector dòng stator

trên 2 trục tọa độ αβ là i sα, i sβ và trên hai trục toạ độ d,q là i sd, i sq, ta có mối liên hệ giữa các thành phần của dòng điện stator trên các hệ trục toạ độ và các dòng điện pha stator như sau:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát, thực chất là mô hình trạng thái liên tục đối tượng MDBNK Cơ sở để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của MDBNK là các phương trình điện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor

Phương trình điện áp stator:

s s s s s

r

S m

s

L L

L

L L

L

σ σ

Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt cơ học nên các giá trị điện cảm là bất biến đối với mọi hệ tọa độ quan sát Do đó, (2.9) được dùng một cách tổng quát, không cần có các chỉ số phía trên bên phải Khi sử dụng trên hệ tọa độ

quay với vận tốc góc ωs so với hệ toạ độ cố định ta thu được hệ phương trình sau:

f s f

s

f r f

ω ψψ

Do stator của MDBNK được nối mạch với lưới nên tần số mạch stator chính là tần số lưới, điện áp rơi trên điện trở R s có thể bỏ qua được so với tổng điện áp rơi trên

hỗ cảm stator L m và điện cảm tản Lσs Phương trình (2.7) có thể viết lại gần đúng như sau:

s s s

s

d u dt

ψ

≈ hoặc u s ≈ jω ψs s (2.13)

Phương trình (2.13) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp stator một góc chừng 900, hoặc diễn đạt cách khác: vector từ thông stator luôn đứng vuông góc với vector điện áp stator, rất thuận lợi cho việc mô hình hóa

Mặt khác, thiết bị điều khiển được đặt ở phía rotor và ta có cơ hội để sử dụng dòng rotor làm biến điều khiển trạng thái của đối tượng MDBNK Vì vậy ta sẽ tìm cách thông qua 2 phương trình từ thông (2.11c,d) khử dòng stator i s và từ thông rotor

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ở trên đã nhận xét: vector từ thông stator luôn đứng vuông góc với vector điện

áp stator Trong tương quan cố định đó, việc hướng của vector nào được chọn làm hướng tựa cho hệ thống điều chỉnh không có ý nghĩa quyết định nữa Nếu tựa:

• theo hướng từ thông stator ta có: u sd =0,ψsq =0

• theo hướng điện áp stator ta có: u sq =0,ψsd =0

Khi tựa theo hướng của điện áp lưới ta cần chú ý rằng điện áp rất có thể bị méo dạng (ví dụ: Do nhiễu của các thiết bị điện tử công suất đang hoạt động, do nhiễu của sấm chớp trên khí quyển) gây khó khăn cho việc đo góc pha của điện áp

Vì vậy, phải chú ý thực hiện chống nhiễu tốt cho phép đo góc pha

Hệ phương trình (2.15) cũng có thể được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái như sau:

A Bs s Br r

dx

dt = + + (2.16)Trong đó:

u = u u  là vector biến vào phía rotor

Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía stator Bs, và ma trận vào phía rotor Br

có công thức như sau:

0 1 0

B

1

0 1 0

m

m s

m

m

L

L L

L

σ σ

σ σ

σσ

Mô hình trạng thái của MDBNK được thể hiện ở hình 2.3

Hình 2.3 Mô hình trạng thái của MDBNK

Các ma trận của mô hình (2.33) cũng có thể được viết dưới dạng các ma trận con như sau:

s s s

O

r r

=    (2.18a,b,c)Trong đó:

11

1 1 1A

10

s

s

T T

s

1A

1

s

s

T T

ωω

10

m s

m

L

L

σσ

σσ

10

m s

m

L L

10

r r

r

L L

σσ

ma trận con như hình 2.4

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trong đó r rd

rq

i i i

 

=  

rd r rq

u u u

 

=  

sd s sq

u u u

 

=  

/ / /

sd s

sq

ψψψ

Hình 2.4 Mô hình trạng thái của MDBNK thể hiện bằng ma trận con

ir chỉ giữ vai trò như một đại lượng nhiễu với modul cố định, với góc pha cho trước và

đo được và vì vậy có thể triệt tiêu dề dàng nhờ một khâu bù nhiễu thông thường

1 1

di

i ai b e cu du dt

i i i

 

=  

rd r rq

u u u

 

=  

sd s sq

u u u

 

=  

/ / /

sd s

sq

ψψψ

=  

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

0A

0

a a

−

Hình 2.6 Đặc điểm phi tuyến của mô hình dòng rotor của MDBNK trên hệ tọa độ dq

Mô hình trạng thái (2.22) và hình 2.6 thể hiện rất rõ tính phi tuyến của MDBNK Như chúng ta đã biết, đối tượng MDBNK có điện áp rotor là một đại lượng vector đặc trưng bởi module u r , góc pha ban đầu ϑ0 và vận tốc góc ωr (tần số f r)

Có thể tạm thời bỏ qua không xét tới góc pha ϑ0 Trên hệ tọa độ dq tựa hướng điện áp

lưới, các thành phần u rd, u rq là hai đại lượng một chiều, không chứa ωr Như vậy đầu

vào của mô hình dòng rotor, là vector điện áp rotor, ngoài hai thành phần u rd , u rq thể hiện module u r còn phải có ωr Do đó ωr là đại lượng vào thứ 3 Qua đó ta thấy mô

hình trạng thái (2.22) có chứa tích của vector trạng thái i rvới biến đầu vào ωr thông

qua ma trận N Do vậy N được gọi là ma trận tương tác phi tuyến Hơn nữa trong điều

kiện lỗi lưới, có sự dao động thay đổi của từ thông stator, điện áp stator (điện áp lưới), tốc độ máy phát và tần số góc mạch rotor càng làm bộc lộ tính phi tuyến mạnh của mô hình dòng rotor MDBNK

2.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và vô công phía máy phát

Với MDBNK, độ lớn của mô men điện m G do máy sinh ra đặc trưng cho độ lớn của công suất hữu công (phát ra ở chế độ máy phát và lấy từ lưới vào ở chế độ động cơ) Việc điều chỉnh công suất hữu công phải tiến hành độc lập với công suất vô

công Q đã đặt trước cho thiết bị Để giải quyết, ta phải tìm các đại lượng có thể điều

chỉnh trực tiếp ảnh hưởng tới m G và công suất vô công Q để tìm cách áp đặt giá trị

mong muốn

Các công thức (2.9) và (2.10) cho phép ta tính mômen điện của MDBNK Vì máy chịu sự tác động điều chỉnh từ phía rotor nên một công thức tính có chứa dòng rotor sẽ là hữu ích Từ (2.9), (2.10) ta rút ra công thức sau cho mômen:

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

có ψ =sd 0 Công thức tính mômen sẽ có dạng sau:

ψ là một đại lượng chỉ phụ thuộc vào điện áp

lưới như đã được chỉ ra trong phương trình (2.13) Chính vì vậy, i rd giữ vai trò là đại lượng quyết định tạo ra mômen và từ phía rotor ta có thể dùng i rd để điều chỉnh mômen MDBNK một cách rất thuận lợi

Theo [29], ta có công suất biểu kiến của máy phát:

*

3 s s 3( sd sd sq sq) 3( sq sd sd sq)

S = +P jQ= u i = u i +u i + j u i −u i (2.25)Trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới, u sq =0, do đó (2.25) trở thành:

3 sd sd 3 sd sq

S = +P jQ= u i − j u i (2.26)

Từ (2.26), ta có: P=3u i sd sd (2.27) ; Q= −3u i sd sq (2.28)

Ta đã biết rằng ψs gần như không đổi và chỉ phụ thuộc điện áp lưới Trên tinh

thần nhận xét đó, ta viết lại hệ phương trình (2.9) như sau, trong đó các phương trình trong hệ được viết dưới dạng thành phần trên hệ tọa độ THĐAL:

L

i i L

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Từ (2.32) ta rút ra nhận xét: dòng i rq chính là đại lượng tạo công suất vô công

Q Như vậy, nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng i rq, đầu ra của

khâu điều chỉnh công suất vô công Q có thể được sử dụng để cung cấp giá trị chủ đạo

sq i

rq i

rq i

rd i

/ s

ψ

ϕ

r

i

Hình 2.7 Đồ thị vector dòng, áp, từ thông của MDBNK

2.2.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới

Hình 2.8 mô tả sơ đồ nguyên lý phía lưới điện sau khi đã tách ra từ mô hình tổng thể toàn hệ thống:

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý phía lưới

Mạch điện phía lưới bao gồm 1 bộ biến đổi, khâu lọc RC lọc xung điện áp bị băm, cuộn cảm lọc dòng, máy biến thế và máy đóng ngắt Khi máy phát hoạt động ở chế độ trên đồng bộ, bộ biến đổi đóng vai trò khâu NL, chuyển năng lượng từ mạch một chiều trung gian lên lưới Khi máy phát hoạt động ở chế độ dưới đồng bộ, bộ biến đổi đóng vai trò khâu CL, chuyển năng lượng từ lưới sang mạch một chiều trung gian

Để phân tích tìm ra các biến điều khiển phía lưới, trước hết ta bước vào xây dựng và phân tích mô hình toán học của hệ thống phía lưới điện trên hệ tọa độ THĐAL

Hình 2.9 mô tả sơ đồ tổng quát mạch điện phía lưới Cuộn cảm lọc dòng có

cảm kháng L D , điện trở cuộn dây là R D , khâu lọc RC bao gồm điện trở R F và tụ điện có

điện dung C F Hình 2.10 là sơ đồ thay thế trong đó điện áp lưới được thay bởi nguồn

áp e N cùng với điện cảm của lưới L N Biến áp được thay thế tương đương (gần đúng)

bởi điện cảm tiêu tán L ơT Dễ dàng nhận thấy rằng tổng điện áp rơi trên biến áp và điện cảm lưới rất nhỏ so với điện áp rơi trên khâu lọc RC nên ta có thể bỏ qua chúng và thu được sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới (hình 2.11)

Hình 2.9 Sơ đồ tổng quát mạch điện phía lưới

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2.11 Sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới

Viết (2.34) dưới dạng thành phần trên hai trục tọa độ dq THĐAL ta có hệ

phương trình trạng thái mô tả hệ thống phía lưới:

1A

1

N D

N D

T T

ωω

10

D

D

L L

  là vector đầu vào

Qua mô hình trạng thái hệ thống phía lưới, ta thấy, đại lượng điều khiển là điện áp ra của khâu CL và vector trạng thái là hai thành phần dòng điện i Nd,i Nq Vì vậy, khâu điều chỉnh vòng trong sẽ là khâu điều chỉnh dòng

Trong mô hình này, e N là đại lượng nhiễu đầu vào gây ra bởi điện áp lưới Tuy nhiên ta có thể nhận thấy rằng, đại lượng nhiễu này là nhiễu cố định Vì vậy nó có thể được triệt tiêu ảnh hưởng nhờ khâu bù nhiễu tích hợp trong khâu điều chỉnh dòng

2.2.5 Mô hình gián đoạn phía lưới

Từ mô hình trạng thái liên tục thu được ở mục trên ta có nhận xét:

B là ma trận hằng, tần số góc của lưới ωN hầu như là cố định nên ma trận A sẽ

thỏa mãn giả thiết là hằng trong một chu kỳ trích mẫu T Khi đó ta có thể tìm được

( )

N

u t được vi xử lý tính toán và xuất ra cùng một giá trị và vì vậy u t N( ) (và do đó u t( )

) cũng là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu Khi đó (2.37) được viết lại như sau:

k = +∫ e −τ dτ = +∫ e dτ τ (2.39a,b)

Hình 2.12 Mô hình gián đoạn phía lưới

Sau khi khai triển (2.39a,b) thành chuỗi và cắt đuôi sau phần tử tuyến tính ta thu được mô hình dòng gián đoạn phía lưới như sau:

1

N D N

N

D

T

T T

T T

T

ωω

0

D N

D

T L T L

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Khâu điều chỉnh dòng phía lưới sẽ được thiết kế dựa trên mô hình trạng thái gián đoạn (2.40) Mô hình (2.40) cũng được thể hiện một cách trực quan trên hình 2.12

2.2.6 Các biến điều khiển phía lưới

Như chúng 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 năng lượng từ mạch một chiều lên lưới ở chế độ trên đồng bộ Trong cả hai quá trình đó,

điện áp một chiều trung gian u DC phải được giữ ổn định không đổi

Hình 2.13 Biểu diễn véc tơ không gian dòng điện phía lưới trên hệ toạ độ dq

Quan sát dòng i N ở đầu ra phía lưới của CL trên hệ tọa độ THĐAL, ta có:

Từ (2.47) ta cũng rút ra nhận xét, thành phần i Nq có tác dụng sản sinh công suất vô công.

Từ các phân tích ở trên, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và lưới như hình 2.14

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lưới của hệ thống

CHƯƠNG 3

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ

DỤNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO DÂY QUẤN

3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

Một hệ thống mà bộ điều khiển có khả năng tự thay đổi thông số hay cấu trúc của bộ điều khiển, hoặc cả về thông số lẫn cấu trúc của bộ điều khiển dựa trên chu trình làm việc định trước hoặc cả thông số, cấu trúc của đối tượng được quan sát thực

tế trong quá trình làm việc được gọi là hệ thống điều khiển thích nghi Đó là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thông số của quá trình được điều khiển không biết trước hoặc thay đổi theo thời gian

Hệ thống điều chỉnh theo yêu cầu nào đó thì với các đại lượng vào, phải cho được các đại lượng ra mong muốn Nhưng do nhiều yếu tố ảnh hưởng như nhiễu, các đại lượng vào quá lớn hay không biết trước, do đó để đạt được theo yêu cầu, thống phải được tự động thích nghi bù sai số Cơ cấu thích nghi tạo ra tín hiệu thích nghi bằng tín hiệu từ khâu so sánh Các chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu đặt trước IP*, cho vào khâu so sánh với những giá trị đã được đo lường và tính toán theo các thông số thực trạng của hệ thống điều chỉnh (các tín hiệu của đại lượng vào, đại lượng ra, các nhiễu)

Hệ thống đó được mô tả trong hình 3.1 dưới đây gồm 2 vòng:

- Vòng hồi tiếp thông thường

- Vòng hồi tiếp điều khiển thích nghi

* Cấu trúc của hệ thống thích nghi gồm ba khâu cơ bản:

- Đo lường theo tiêu chuẩn IP nào đó

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- Khâu so sánh

- Cơ cấu thích nghi

Các tiêu chuẩn IP có thể là: Các chỉ số tĩnh, các chỉ số động, các chỉ số của các thông số, hàm của các biến thông số và các tín hiệu vào

Cơ cấu thích nghi có thể là:

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

3.2.1 Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (MRAS)

Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu ( Model reference adaptive system – MRAS) có sử dụng bộ điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi ( Model reference adapt control - MRAC ), nguyên lý cơ bản của hệ được thể hiện bằng sơ đồ tổng quát như sau:

Hình 3.2- Cấu trúc chung của bộ điều chỉnh thích nghi có mô hình theo dõi

Nguyên tắc làm việc của bộ ĐKTN MRAC được tóm tắt như sau: Để hệ kín, bao gồm đối tượng điều khiển và bộ điều khiển, luôn có được chất lượng mong muốn ứng với hàm truyền đạt mẫu mong muốn thì bộ điều khiển cần phải được thiết kế và

hiệu chỉnh thường xuyên sao cho tín hiệu đầu ra y(t) của hệ kín luôn như đầu ra ym(t) cuả mô hình tham chiếu Mục tiêu là:

y m m (3.1)Như vậy vấn đề còn lại của bài toán là thiết kế cơ cấu thay đổi tham số bộ điều khiển để luôn có được sai số e(t) ≈ 0 và điều này phải không được phụ thuộc vào sự thay đổi bên trong đối tượng

Để thực hiện hiệu chỉnh tham số p cho bộ điều khiển với cấu trúc xác định, cho trước, điển hình là mô hình điều chỉnh theo luật MIT và phương pháp hiệu chỉnh theo hàm mục tiêu xác định dương đặt trước

3.2.2 Luật hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển MIT (Masachusetts Institube Technology )

Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu đầu tiên được đưa ra để giải quyết vấn đề: các đặc điểm của một mô hình tham chiếu yêu cầu ngõ ra là quá trình lí tưởng cần có đáp ứng đối với tín hiệu điều khiển như thế nào Trong trường hợp này, mô hình tham chiếu mang tính song song hơn là nối tiếp Bộ điều khiển xem như có hai vòng: vòng phía trong gọi là vòng hồi tiếp thông thường có quá trình và bộ điều khiển Các thông số của bộ điều khiển được chỉnh định bởi vòng ngoài sao cho sai số e giữa ngõ

ra y và ngõ ra mô hình ym là nhỏ nhất Vì vậy vòng ngoài còn được gọi là vòng chỉnh định Vấn đề là xác định cơ cấu chỉnh định cho hệ thống ổn định, nghĩa là sai số bằng không Điều này không thể thực hiện được Cơ cấu chỉnh định với thông số sau được gọi là luật MIT, được sử dụng cho hệ MRAS đầu tiên:

e dt

Nội dung phương pháp hiệu chỉnh này là thay đổi vecto thông số p sao cho đảm bảo mục tiêu (3.2) Tức là cần có:

dt

t de

e (3.3)

Và để đạt được (3.3) ta chỉ cần thay đổi p sao cho:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

T

p

e e dt

p d

p d

t phụ thuộc theo độ lớn của γ

Luật MIT sẽ đạt hiệu quả cao nếu ta chọn độ thích nghi γ nhỏ Tuy nhiên giới hạn này còn tùy thuộc vào biên độ tín hiệu chuẩn cũng như là độ lợi của hệ thống Trong một số trường hợp, luật MIT có thể làm mất tính ổn định của hệ thống Do đó khi sử dụng luật hiệu chỉnh ta cũng cần phải quan tâm đến tính ổn định của hệ thống

3.2.3 Hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển mờ cực tiểu hóa hàm mục tiêu hợp thức (xác định dương)

Phương pháp hiệu chỉnh này nhờ cực tiểu hóa hàm mục tiêu xác định dương V(e) của các vecto sai lệch e

xác định âm theo e Theo lý thuyết Lyapunov, điều kiên này cũng đảm bảo để e(t) →0

3.2.4 Hệ thích nghi sử dụng bộ điều khiển tự chỉnh định (STR)

Một bộ điều khiển tổng hợp, nếu trong quá trình làm việc có khả năng tự xác định lại mô hình toán học mô tả đối tượng để từ đó tự chỉnh định lại bản thân nó cho phù hợp với sự thay đổi của đối tượng là bộ ĐKTN tự chỉnh ( Self turning regulator ) viết tắt là STR Bộ ĐKTN tự chỉnh đơn giản nhất là bộ ĐKTN tự chỉnh tham số, tức là

nó không tự thay đổi cấu trúc bộ điều khiển mà chỉ xác định lại các tham số đối tượng

để từ đó tự chỉnh định lại các tham số điều khiển của chính mình cho phù hợp

Hình 3.3 - Cấu trúc chung của bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh.

Một hướng giải quyết bài toán khác khi sử dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp như được đề cập đến trong [9], mô hình này sử dụng

cơ cấu nhận dạng tham số đối tượng kết hợp thuật toán xác định tham số điều khiển thành bộ quan sát trực tiếp tham số đối tượng đề cập cho bộ điều khiển

Sơ đồ trên hình 3.3 có thể được viết lại như sau:

Hình 3.4- Cấu trúc ĐKTN tự chỉnh trực tiếp

3.2.5 Điều khiển mờ thích nghi

Kỹ thuật điều khiển mờ đã được phát triển thêm tính thích nghi để tạo nên một

hệ thống điều khiển trong đó thông số cà cấu trúc của bộ điều khiển thay đổi trong quá trình vận hành, nhằm giữ vững chất lượng điều khiển của hệ thống khi có sự hiện diện của các yếu tố bất định cũng như thay đổi thông số trong hệ thống

Bộ điều khiển mờ thích nghi có 2 phương pháp và cấu trúc cơ bản:

+ Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi trực tiếp được tổng quát trên sơ đồ hình 3.5

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

+ Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi gián tiếp

Hình 3.5 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

Điều khiển thích nghi trực tiếp là luật điều khiển được nhận dạng và ước lượng trực tiếp Điều khiển thích nghi gián tiếp là sử dụng bộ nhận dạng để rút ra đặc tính động học của đối tượng sau đó thông tin này dùng để tính toán tham số bộ điều khiển Nghĩa là bộ điều khiển được chỉnh định thích nghi tham số và cấu trúc sau khi đã nhận dạng đối tượng

3.2.6 Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch

Đây là phương pháp điều khiển dựa trên cơ sở tuyến tính hóa lân cận quỹ đạo chuyển động tĩnh cho hệ phương trình vi phân mô tả động lực học Tín hiệu được tính từ khối phản hồi có luật điều khiển thích nghi có thể là gián tiếp hoặc trực tiếp để các sai số điều khiển tiệm cận về 0 Ưu điểm của phương pháp là đơn giản hóa thiết

kế nhờ việc tuyến tính hoá Tuy nhiên, nó chưa khảo sát hệ khi điều khiển bám quỹ đạo Đồng thời phương pháp này quan tâm nhiều đến sự tương tác giữa các chuyển động mà chưa chú ý đến sự biến thiên thông số động học của hệ

Ngoài ra còn có phương pháp điều khiển thích nghi phản hồi phi tuyến và phương pháp điều khiển thích nghi Backstepping Đây là hai phương pháp sẽ được áp dụng để thiết kế bộ điều chỉnh dòng phía máy phát cho hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ roto dây quấn và sẽ được trình bày cụ thể chi tiết ở phần tiếp theo của luận văn

3.3 ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MPKĐB – RDQ

3.3.1 Cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lưới hệ thống MPĐSG sử dụng MĐBNK

3.3.1.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lưới của hệ thống