TÓM tắt LUẬN văn THẠC sĩ kỹ THUẬTNÂNG 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 TUYẾN TÍNH hóa CHÍNH xác

BÙI THÁI SƠNNÂNG 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 TUYẾN TÍNH HÓA... Vì vậy tác giả chọn đề tài

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 TUYẾN TÍNH HÓA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI

NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: TS CAO XUÂN TUYỂN

Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Vỵ

Phản biện 2: TS Trần Xuân Minh

Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI

NGUYÊN

Vào hồi 7 giờ 30, ngày 18 tháng 08 năm 2014

-Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

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

Vì vậy tác giả chọn đề tài: " Nâng cao chât lượng điều khiển hòa đồng bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp tuyến tính hóa chính xác"

2 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu-bộ nghịch lưu hòa lưới

3 Mục đích nghiên cứu

Nâng cao chất lượng hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên cơ sở tổng hợp bộ điều khiển nghịch lưu phía lưới theo phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác

4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển nghịch lưu hòa đồng bộ phía lưới theo phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác để nâng cao chất lượng hòa đồng bộ

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác

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

- Thực nghiệm trên cơ sở mô hình thí nghiệm tự làm

6 Ý nghĩa của đề tài

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

7 Những điểm mới trong luận văn

- Đã áp dụng thành công phương pháp điều khiển phi tuyến tuyến tính hóa chính xác để điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

1.1 GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Gió là một dạng của năng lượng mặt trời Gió được sinh ra là do nguyên nhânmặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đềutrên bề mặt trái đất Trong số các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng gió có thểđại diện cho cơ hội tăng trưởng mạnh nhất tại Việt Nam Các cuộc khảo sát cho thấyrằng 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 khảnăng tạo ra 513.360 MW hàng năm từ năng lượng gió – gấp 10 lần tổng công suất phátđiện 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

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

1.2.1 Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió

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

Transformer

Capacitor bank

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu của luận văn

Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ta phảitạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từ gió Việc kích từ đó hoặc thựchiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hoà lưới), hoặc nhờ ắc quy đểtạo kích từ, hoặc nhờ tụ điện với điều kiện có từ thông dư trong máy điện không đồng

bộ

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.

Chương 2 TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BẰNG

TUYẾN TÍNH HÓA CHÍNH XÁC 2.1 Đặt vấn đề

Hệ tuyến tính với đặc điểm cơ bản là luôn thỏa mãn nguyên lý xếp chồng nên ta cóthể áp dụng nguyên lý xếp chồng để dễ dàng tách các thành phần đặc trưng riêng chotừng chế độ làm việc của hệ thống để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt chẽ

và chính xác

2.2 TTHCX HỆ PHI TUYẾN MIMO

Phương pháp TTHCX đã được trình bày kỹ trong tài liệu [5] Ở luận văn này,

chúng ta chỉ tổng kết lại trường hợp TTHCX quan hệ vào-ra cho hệ phi tuyến MIMO,

là hệ ứng với đối tượng MĐKĐBNK, đối tượng áp dụng phương pháp TTHCX củaluận văn

2.2.1 Vector bậc tương đối tối thiểu của hệ phi tuyến MIMO

Khi tiến hành TTHCX hệ MIMO, một khái niệm quan trọng cần quan tâm là vector

bậc tương đối tối thiểu của hệ Vector bậc tương đối tối thiểu (r 1 , r 2 , , r m) tại điểm

trạng thái x của đối tượng phi tuyến MIMO có mô hình trạng thái (2.1) là m số tự nhiên r j với j = 1, 2, , m trong lân cận x nếu thỏa mãn đồng thời cả hai điều kiện sau:

Đối tượng

(-)

PID e(t)

là không suy biến

2.2.2 TTHCX quan hệ vào-ra đối tượng phi tuyến MIMO

Mục đích của ta là tìm bộ điều khiển phản hồi trạng thái (PHTT) sao cho

hệ kín trở thành tuyến tính trong toàn bộ không gian trạng thái mới

Trước tiên ta phải kiểm tra điều kiện tồn tại phép TTHCX Nếu hệ phi tuyến

MIMO (2.1) có vector bậc tương đối tối thiểu là (r 1 , r 2 , , r m) thì nó phải thỏa mãn:

r 1 + r 2 + + r m = n (2.4)

2.2.3 Kết luận

Với phương pháp TTHCX, ta có thể thiết kế bộ điều khiển PHTT thông qua phép

đổi trục tọa độ zm x  thích hợp để đưa đối tượng phi tuyến về dạng tuyến tínhtrong toàn bộ không gian trạng thái trên hệ tọa độ mới Đặc biệt đối với hệ MIMO,phương pháp này không những thực hiện tuyến tính hóa được đối tượng mà còn cókhả năng đưa mô hình trạng thái đối tượng về dạng đã tách kênh Cấu trúc điều khiển

tận dụng tính chất này được đặt tên là cấu trúc tách kênh trực tiếp (TKTT).

2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KINH ĐIỂN

2.3.1 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID điều khiển đối tượng SISO theo nguyên tắc sai lệch:

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 tròcủa khâu P)

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

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

Hình 2 2 : Vai trò của khâu D.

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:

2.3.2 Bộ điều khiển PID số

Cấu trúc cơ sở của hệ thống điều khiển số:

Hình 2 3 : Bộ điều khiển PID số.

2.3.3 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 quamạch phản hồi và tổng hợp cùng với tín hiệu mẫu do vậy tín hiệu điều khiển cũng sẽbao gồm nhiễu Đây là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến tính ổn định của

hệ thống và độ chính xác điều khiển

2.4 ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ CHÍNH XÁC

2.4.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển

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 Tuyến tính hóa chính xác

2.4.2 Tại sao phải sử dụng phương pháp tuyến tính hoá chính xác.

Theo nhiều tài liệu đã viết, ĐCKĐB là một đối tượng phi tuyến mạnh, tính phituyến của nó được thể hiện trong sự phi tuyến cả về cấu trúc lẫn phi tuyến về tham số(Đối tượng phi tuyến là đối tượng không thoả mãn nguyên lý xếp chồng) Tính phi

tuyến về tham số của ĐCKĐB thể hiện ở tham số điện cảm L còn tích số s i Nd,s i Nq

có mặt trong mô hình dòng trên hệ toạ độ dq (sẽ được đề cập đến ở chương 3) cho ta

thấy tính phi tuyến về cấu trúc

2.4.3 Tìm hiểu phương pháp tuyến tính hoá chính xác

Nội dung của phương pháp tuyến tính hoá chính xác (TTHCX) là thiết kế bộđiều khiển phản hồi trạng thái (ĐKPHTT) cho đối tượng phi tuyến (ĐTPT) sao cho hệkín trở thành tuyến tính Khác với việc tuyến tính hoá xấp xỉ trong lân cận điểm làmviệc, bộ điều khiển tuyến tính hoá chính xác đảm bảo tính chất tuyến tính cho hệ thốngtrong toàn bộ không gian trạng thái

2.4.4 Ưu điểm của phương pháp tuyến tính hoá chính xác

Như vậy với phương pháp tuyến tính hoá chính xác đã mở ra cho ta một triểnvọng tốt đẹp hứa hẹn một cấu trúc ĐK thích hợp hơn với bản chất cấu trúc phi tuyến

của động cơ đó là Cấu trúc tách kênh trực tiếp, với cấu trúc này ta có thể khắc phục

được các nhược điểm còn tồn tại của các phương pháp kinh điển

Chương 3

MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HÒA 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

*/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.

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

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

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

3.1.2 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới

DSP 3~

Hình 3 3 : Mô hình trạng thái liên tục phía lưới

3.1.3 Mô hình gián đoạn phía lưới

Hình 3 4 : Mô hình gián đoạn phía lưới

3.1.4 Các biến điều khiển phía lưới

Như chúng ta đã biết, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển phía lưới là lấy nănglượng từ lưới để cung cấp cho mạch một chiều ở chế độ dưới đồng bộ hoặc hoàn nănglượng 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

3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG

3.2.1 Điều kiện hoà đồng bộ hệ thống nghịch lưu lên lưới điện

 Điều kiện 1: Điều kiện về tần số: Tần số của nguồn 3 pha ở đầu ra của hệ

thống nghịch lưu phải bằng tần số lưới

 Điều kiện 2: Điều kiện về điện áp: Điện áp của nguồn 3 pha ở đầu ra của hệ

thống nghịch lưu phải bằng điện áp lưới

 Điều kiện 3: Điều kiện về pha: Thứ tự pha và góc pha ở đầu ra của hệ thống

nghịch lưu phải bằng trùng với thứ tự pha và góc pha của lưới điện

 Điều kiện 4: Điều kiện lưới điện 3 pha đối xứng: Lưới điện 3 pha đối khi 3

pha có biên độ điện áp, tần số trùng nhau và lệch pha nhau đều bằng 1200 giữacác pha

3.2.2 Cấu trúc điều khiển vô hướng hoà đồng bộ hệ thống nghịch lưu lên lưới điện

3.2.2.1 Hệ thống 1 pha

* Sơ đồ khối:

Hình 3 6 : Sơ đồ điều khiển vô hướng hoà đồng bộ hệ thống nghịch

lưu lên lưới 1 pha 3.2.2.2 Hệ thống 3 pha.

* Sơ đồ khối :

Hình 3 7 : Sơ đồ điều khiển vô hướnghoà đồng bộ hệ thống nghịch

lưu lên lưới 3 pha.

3.2.3 Cấu trúc điều khiển vector

* Sơ đồ khối:

PID (-)

* Nd

- Tổng hợp bộ điều chỉnh trên miền liên tục:

Bước 1: Thực hiện tuyến tính hóa thành phần đạo hàm dòng i Nd bằng biểu thức:

Nd

di w

Cấu trúc bộ điều khiển PID với tín hiệu đầu vào là dòng đặt i Nd * và tín hiệu phản

hồi là dòng thực i Nd như (hình 3.24):

Hình 3 26 : Cấu trúc bộ điều khiển PID thành phần i Nd

Bộ điều khiển PID có dạng:

Các tham số của bộ điều khiển PID được thiết kế bằng mô hình tuyếntính ta tính chọn được:

theo thành phần i Nd như sau:

- Sơ đồ khối bộ điều chỉnh dòng thành phần i Nd tuyến tính hóa chính xác:

Hình 3 97 : Sơ đồ khối điều chỉnh thành phần i Nd

PID (-)

* Nq

i

Nq i

W2

b) Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i Nq

- Tổng hợp bộ điều chỉnh trên miền liên tục:

Bước 1: Thực hiện tuyến tính hóa thành phần đạo hàm dòng i Nd bằng biểu thức:

Nq

di w

Cấu trúc bộ điều khiển PID với tín hiệu đầu vào là dòng đặt i Nq * và tín hiệu phản

hồi là dòng thực i Nq như (hình 3.24):

Hình 3 108 : Cấu trúc bộ điều khiển PID thành phần i Nq

Bộ điều khiển PID có dạng:

Với: z 2 = i Nq – i Nq * gọi là sai lệch tín hiệu dòng điện thành phần q.

Các tham số của bộ điều khiển PID được thiết kế bằng mô hình tuyếntính ta tính chọn được:

theo thành phần i Nq như sau:

- Sơ đồ khối bộ điều chỉnh dòng thành phần i Nq tuyến tính hóa chính xác:

Hình 3 29 : Sơ đồ khối điều chỉnh thành phần i Nq

- Sơ đồ khối bộ điều chỉnh dòng tuyến tính hóa chính xác của các bộ điều chỉnh (3.29) và (3.35):

Hình 3 30 : Sơ đồ khối điều chỉnh dòng theo phương pháp TTHCX

Chương 4 KIỂM CHỨNG QUA MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 4.1 MÔ PHỎNG

4.1.1 Tổng quan

4.1.1.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng Plecs

4.1.1.2 Các tham số dùng cho mô phỏng

 Tham số phía lưới điện:

Điện cảm cuộn lọc: L d = 0,0002 HĐiện trở cuộn lọc: R d = 0,01 ΩĐiện dung tụ điện bộ lọc RC: C f = 400 μFFĐiện trở của bộ lọc RC: R f = 0,2 Ω

4.1.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống nghịch lưu hoà lưới trên Matlab/ Simulink /Plecs

Hình 4 1 : Sơ đồ mô phỏng hệ thống nghịch lưu hoà lưới

Hình 4 2 : Khối điều khiển dòng theo phương pháp TTHCX

4.1.3 Kết quả mô phỏng

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -1000

Hình 4 3 : Đáp ứng điện áp 3 pha lưới và đầu ra nghịch lưu

- Kết quả mô phỏng khi thực hiện hoà đồng bộ tại 0.05s:

4.1.4 Nhận xét kết quả

Từ kết quả mô phỏng trên các (hình 4.8) đến (Hình 4.11) cho thấy bộ điều khiển tuyến tính hoá chính xác đã đảm bảo chất lượng điều khiển đặt ra đó là khi chưa hoà đồng bộ dòng điện thực bám dòng điện đặt để điều khiển điện áp đầu ra nghịch lưu bám theo theo điện áp lưới (đảm bảo các điều kiện hoà đồng bộ) Khi ta thực hiện hoà đồng bộ tại thời điểm 0,05s thì điện áp đầu ra nghịch lưu đã bám hoàn toàn theo điện áp lưới Vậy với kết quả mô phỏng ở trên đã khẳng định tính đúng đắn của thuật toán điều khiển tuyến tính hoá chính xác

4.2 THÍ NGHIỆM

4.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm

4.2.1.1 Sơ đồ cấu trúc

Hình 4 4 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm

b Mạch thực tế

Hình 4 5 : Mạch phát xung

Hình 4 6 : Mạch điều khiển nghịch lưu và hoà đồng bộ

4.2.2 Kết quả thí nghiệm

4.2.2.1 Kết quả mô phỏng trên Proteus

a) Dùng vi điều khiển ATMEGA 32

*/ Mạch phát xung :

Hình 4 7 : Mạch phát xung (coi như tín hiệu đo được từ lưới điện)

*/ Mạch vi điều khiển

Hình 4 8 : Mạch điều khiển nghịch lưu hoà đồng bộ (chưa bám lưới)

Hình 4 9: Mạch điều khiển nghịch lưu hoà đồng bộ (đã hoà đồng bộ bám

lưới)

4.2.2.2 Kết quả thí nghiệm thực tế

Hình 4 10 : Toàn cảnh mô hình vi điều khiển đang chạy kiểm chứng qua máy hiện

sóng (Osilosope) tại phòng thí nghiệm

4.3 KẾT LUẬN VÀ MỘT SỐ ĐỀ XUẤT

4.3.1 Kết luận:

Luận văn đã áp dụng thành công về lý thuyết điều khiển phi tuyến vào đối tượng MĐKĐBNK Đây là một phương pháp điều khiển hoàn toàn mới chưa từng được thực hiện trước đó cho đối tượng này Việc áp dụng phương pháp TTHCX đã giúp tách

kênh trực tiếp hai biến trạng thái i Nd , i Nq Điều này giúp ta cách ly được quá trình điều khiển công suất hữu công và công suất vô công một cách triệt để

4.3.2 Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo

1 Nghiên cứu tính ổn định của các hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán phi tuyến tuyến tính hóa chính xác

2 Nghiên cứu thử nghiệm bộ điều khiển sử dụng thuật toán thích nghi

Backstepping trên các đối tượng phi tuyến khác

3 Nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh thiết bị nghịch lưu hòa lưới sử dụng thuật toán phi tuyến tuyến tính hóa chính xác, trên cơ sở bộ xử lý số DSP