Tóm tắt luận văn 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 thích nghi

NGUYỄN NGỌC QUÂN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HOÀ ĐỒNG BỘ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI Chuyên ngành: Kỹ

NGUYỄN NGỌC QUÂN

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá

MÃ SỐ: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: TS CAO XUÂN TUYỂN

Phản biện 1: TS Đỗ Trung Hải

Phản biện 2: TS Lại Khắc Lãi

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 8 giờ 30, ngày 18 tháng 08 năm 2014

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 Thích Nghi"

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 thích nghi

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 thích nghi 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 thích nghi

- 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 thích nghi 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 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 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

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

Gearbox IG

Soft starter

converter

≈

=

Hình 1 3 : Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới

1.2.2 Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn

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

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

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

Gear

Chương 2 GIỚI THIỆU VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH

NGHI BACKSTEPING 2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KINH ĐIỂN

2.1.1 Bộ điều khiển PID

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

(Proportional-Integral-Hình 2 1: Sơ đồ bộ điều khiển PID Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn (vai trò của khâu P)

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)

2.1.2 Bộ điều khiển PID số

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

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

Đối tượng (-)

PID e(t)

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

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

- Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là:

(2.2)

- T là chu kỳ trích mẫu tín hiệu:

Trong quá trình lấy mẫu tín hiệu ta phải quan tâm đến chu kỳ lấy mẫu

T Việc chọn T như thế nào cho thích hợp là rất quan trọng trong hệ thống điều khiển số Nếu chọn T lớn quá có thể làm cho hệ thống điều khiển mất ổn định vì thiếu thông tin Nếu chọn T nhỏ quá thì có thể đẫn tới lượng thông tin

bị thừa và phần cứng có thể không đáp ứng được (phụ thuộc vào độ phân giải của thiết bị ADC) và có thể làm cho hệ thống tác động chậm

2.1.3 Một số hạn chế của bộ điều khiển PID

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

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

2.2.1 Tổng quan về điều khiển thích nghi

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 dưới đây gồm 2 vòng:

Hình 2 2: Mô tả hệ thống điều khiển thích nghi

2.2.2 Các phương pháp điều khiển thích nghi

2.2.2.1 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:

Vòng hồi tiếp thông

thường

Vòng hồi tiếp điều khiển thích nghi

Hình 2 3: Cấu trúc chung của bộ điều chỉnh thích nghi có mô hình theo dõi

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

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

(2.4) Trong phương trình này e là sai số của mô hình e = y – ym Các thành phần của vec to ∂e/∂θ là đạo hàm của độ nhạy sai số đối với thông số chỉnh định θ Thông số γ xác định tốc độ thích nghi Luật MIT có thể được giải thích như sau, giả sử rằng các thông số θ thay đổi chậm hơn nhiều so với các biến khác trong hệ thống Để bình thường sai số là lớn nhất, cần thay đổi các thông số theo hướng gradient âm của bình phương sai số e2

Nội dung phương pháp hiệu chỉnh này là thay đổi vecto thông số p sao cho đảm bảo mục tiêu (2.4) Tức là cần có:

(2.5)

Và để đạt được (2.5) ta chỉ cần thay đổi sao cho:

hoặc có thể viết : Trong đó γ là hằng số dương tùy ý và được coi là hệ số khuếch đại thích nghi, tốc độ để phụ thuộc theo độ lớn của γ

2.2.2.3 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 vector sai lệch e và Và chỉ cần

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

2.2.2.4 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

 0



dt

t de e

p d

Hình 2 4: 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 2 5: Cấu trúc ĐKTN tự chỉnh trực tiếp

2.2.2.5 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)

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

Hình 2 6: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

2.2.2.6 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

Chương 3

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

3.1.1 Hệ thống nghịch lưu 3 pha

3.1.1.1 Phương án nghịch lưu 3 pha kinh điển

*/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 2U DC /3

Hình 3 1 : Giải pháp nghịch lưu 3 pha kinh điển: điện áp 3 pha được tạo nên bằng phương pháp

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

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

3.1.3 Mô hình gián đoạn 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 3 5 : Biểu diễn véc tơ không gian dòng điện phía lưới trên hệ toạ độ dq

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 120 0

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:

Hình 3 8 : Sơ đồ điều khiển nghịch lưu hoà lưới bằng phương pháp điều khiển vector

3.2.4 Áp dụng phương pháp thích nghi Backstepping trong thiết kế điều khiển dòng điện

Khắc phục sai lệch tĩnh: Do bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản chưa có thành phần tích phân, nên để khử sai lệch tĩnh, ta đưa thành phần tích phân vào trên cơ sở kỹ thuật Backstepping

Sau khi đã đưa được thành phần tích phân vào trong bộ điều khiển Backstepping cơ bản, ta đi tổng hợp bộ điều khiển thích nghi Backstepping

3.2.4.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản

a) Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i Nd trên miền liên tục

Chọn i Nd là biến điều khiển, giá trị mong muốn của nó iNd * Gọi sai lệch

giữa iNd và giá trị đặt iNd *

Do đó:

* 1

b) Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i Nq trên miền liên tục

Chọn i Nq là biến điều khiển, giá trị mong muốn của nó iNq * Gọi sai lệch

giữa i Nq và giá trị đặt iNq * là : z2 = i Nq – i Nq

Với Kq là hằng số dương

Từ các bộ điều chỉnh dòng backstepping cơ bản (3.3) và (3.6), ta có sơ

đồ khối bộ điều chỉnh như hình 3.24

Hình 3 9 : Sơ đồ bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản

3.2.4.2 Tính ổn định của hệ có bộ điều chỉnh dòng Backstepping

Với các khâu điều chỉnh (3.25) và (3.28), thay chúng vào các phương trình (3.24) và (3.27), ta được các phương trình mô tả mô hình phía lưới trên

không gian các biến trạng thái mới z 1 và z2 như sau :

d q

d q