Áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ roto day quấn

Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc ñộ thay ñổi là hệ thống ñiện phức tạp, vì cần có bộ biến ñổi ñiện tử công suất ñể tạo ra khả năng hoạt ñộng với tốc ñộ thay ñổi, và do ñó chi phi cho

Trang 1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ MINH THẢO

Áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử

dụng máy điện không đồng bộ roto dây quấn

Người hướng dẫn: Cao Xuân Tuyển

2012

Trang 2

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ðIỆN SỨC GIÓ

1.1 GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Từ lâu con người ñã biết sử dụng năng lượng gió ñể tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao ñộng nặng nhọc, ñiển hình là các thuyền buồm chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỷ 14 ñược dùng phổ biến từ thế kỷ 17, thịnh vượng nhất vào thế kỷ 18 ñặc biệt ở Hà Lan với hàng ngàn chiếc Từ thế kỷ 19 ñến nửa ñầu thế kỷ 20 với sự xuất hiện và phát triển của máy hơi nước và các loại ñộng cơ ñốt trong, các cối xay gió hầu như bị lãng quên Nhưng từ vài chục năm gần ñây với nguy cơ cạn dần các nguồn nhiên liệu khai thác ñược từ lòng ñất và vấn ñề ô nhiễm môi trường do việc ñốt 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 ñó có năng lượng gió lại ñược nhiếu nước trên thế giới kể cả các nước có nền công nghiệp năng lượng phát triển rất mạnh như Nga, Mỹ, Pháp, CHLB ðức, Hà Lan, Anh, ðan Mạch, Thụy ðiển…ñặc biệt quan tâm Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều nghành khoa học tiên tiến như thủy khí ñộng lực học, tự ñộng ñiều khiển, cơ học kết cấu, truyền ñộng thủy lực, vật liệu mới…việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió ñã ñạt ñược 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 ñơn giản hiệu suất sử dụng năng lượng thấp chỉ khoảng 20%, ñến nay các ñộng cơ gió phát ñiện với cánh quạt có biên dạng khí ñộng học ngày một hoàn thiện hơn có thể ñạt ñược hiệu suất sử dụng năng lượng cao tới 42% Nhiều phương pháp và hệ thống tự ñộng ñiều khiển hiện ñại ñã ñược sử dụng ñể

tự ñộng ổn ñịnh số vòng quay của ñộng cơ gió Những ñộng cơ gió phát ñiện lớn còn dùng cả hệ thống tự ñộng ñiện thủy lực và máy tính ñiện tử ñiều khiển Nhiều vật liệu mới ñã ñược sử dụng ñể chế tạo cánh như hợp kim nhôm, polime cốt sợi thủy tinh với

ñộ bền cao trong mọi ñiều kiện thời tiết và chịu ñược sức gió của bão Tại những nơi

có gió tốt, người ta ghép nhiều ñộng cơ gió với nhau tạo thành “rừng máy phát ñiện gió” Người ta ñã có thể chế tạo những ñộng cơ gió phát ñiện rất lớn ñường kính tới 80m, công suất tới 3000 kW Tuy nhiên ñối với mỗi nước quy mô phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió còn phụ thuộc vào vị trí ñịa lý, ñặc ñiểm tiềm năng gió và trình ñộ công nghiệp

Gió là một dạng của năng lượng mặt trời Gió ñược sinh ra là do nguyên nhân mặt trời ñốt nóng khí quyển, do trái ñất xoay quanh mặt trời và do sự không ñồng ñều trên bề mặt trái ñất Luồng gió thay ñổi tuỳ thuộc vào ñịa hình trái ñất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển ñộng năng lượng cho nhiều mục ñích

Trang 3

như: ñi thuyền, thả diều và phát ñiện Năng lượng gió ñược mô tả như một quá trình,

nó ñược sử dụng ñể phát ra năng lượng cơ hoặc ñiện Tuabin gió sẽ chuyển ñổi từ ñộng 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 ñổi từ năng lượng cơ thành năng lượng ñiện

Trong số các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng gió có thể ñại diện cho

cơ hội tăng trưởng mạnh nhất tại Việt Nam Các cuộc khảo sát cho thấy rằng khoảng 85% ñất ñai Việt Nam có ñộ cao và tốc ñộ gió trung bình phù hợp ñể phát ra năng lượng gió Các chuyên gia Ngân hàng Thế giới ñã 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 ñiện quốc gia dự kiến cho năm 2020

Hình 1.1 Ưu ñãi ñầu tư cho các dự án năng lượng mặt trời và gió tại Việt Nam

ðặc biệt các tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận ở ven biển ñược xem là có tiềm năng lớn nhất cho năng lượng gió tại những vùng ñất lớn khô cằn và không phải là ñất nông nghiệp màu mỡ Hiện nay, có hơn 20 dự án ñiện gió tại Việt Nam, chủ yếu ở Bình Thuận (12 dự án trên ñất liền và huyện ñảo Phú Quý), Ninh Thuận, Bình ðịnh, Phú Yên và huyện ñảo Côn ðảo của tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu, nơi lượng gió cũng như tốc ñộ gió trung bình cao nhất so với phần còn lại của ñất nước

* Tổng quan về năng lượng gió (phong ñiện)

Các máy phát ñiện sử dụng sức gió ñã ñược sử dụng nhiều ở các nước châu

Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác Nước ðức ñang dẫn ñầu thế giới về công nghệ ñiện sử dụng sức gió (phong ñiện)

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

Trang 4

Số thứ tự Quốc gia Công suất (MW)

Nguồn: World Wind Energy Association, thời ñiểm: Cuối 2007 và dịch từ Wikipedia ðức

Bảng 1: Thống kê sử dụng năng lượng gió trên thế giới

Trang 5

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

Các máy phát ñiện tuabin gió trục ñứng gồm một máy phát ñiện có trục quay thẳng ñứng, rotor nằm ngoài ñược nối với các cánh ñón gió ñặt thẳng ñứng Loại này có thể hoạt ñộng bình ñẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo ñơn giản, các bộ phận ñều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp

dễ dàng, ñộ bền cao, duy tu bảo dưỡng ñơn giản

Hiện có các loại máy phát ñiện dùng sức gió với công suất rất khác nhau, từ 1kW tới hàng chục ngàn kW Các trạm phát ñiện này có thể hoạt ñộng ñộc lập hoặc cũng có thể nối với mạng ñiện quốc gia Các trạm ñộc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc- quy và bộ ñổi ñiện Khi dùng không hết, ñiện ñược tích trữ vào ắc quy Khi không có gió sẽ sử dụng ñiện phát ra từ ắc-quy Các trạm nối với mạng ñiện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy Các trạm phát ñiện dùng sức gió có thể phát ñiện khi tốc ñộ gió

từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát ñiện khi tốc ñộ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h) Tốc ñộ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát ñiện

Hình 1.2 Hình ảnh bên trong MPð sức gió

* Những ưu ñiểm của phong ñiện

Ưu ñiểm dễ thấy nhất của phong ñiện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây

ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt ñiện, dễ chọn ñịa ñiểm và tiết kiệm ñất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy ñiện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những ñiều kiện ñặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.Các trạm phong ñiện có thể ñặt gần nơi tiêu thụ ñiện, như vậy sẽ tránh ñược chi phí cho việc xây dựng ñường dây tải ñiện.Trước ñây, khi công nghệ phong ñiện còn ít ñược ứng dụng, việc

Trang 6

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, cơng nghệ lắp ráp đã hồn thiện nên chi phí cho việc hồn 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

Trạm phong điện cĩ 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 cĩ giĩ 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 cĩ thể tạo ra cơng suất hàng tỷ kW phong điện Những mỏm núi, những đồi hoang khơng sử dụng được cho cơng nghiệp, nơng nghiệp cũng cĩ thể đặt được trạm phong điện Trường hợp này khơng cần làm trụ

đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng Trên mái nhà cao tầng cũng cĩ thể đặt trạm phong điện, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi khơng dùng hết điện Trạm điện này càng cĩ ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ

bị mất điện.Ngay tại các khu chế xuất cũng cĩ thể đặt các trạm phong điện Nếu tận dụng khơng 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.ðiện khí hĩa ngành đường sắt là xu hướng tất yếu của các nước cơng nghiệp Chỉ cần đặt với khoảng cách 10 km một trạm 4800kW dọc các tuyến đường sắt đã cĩ đủ điện năng cho tất cả các đồn 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 ơ nhiễm mơi trường sẽ được thay thế bằng đầu máy điện trong tương lai.ðặt 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 mơ hình tối ưu để giải quyết việc cung cấp nước ngọt cho vùng đồng bằng sơng Cửu Long, tiết kiệm nhiên liệu và đường dây điện Một trạm phong điện 4 kW cĩ 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 phịng trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa Một trạm 40 kW cĩ thể đủ cho một xã vùng cao, một đồn thăm dị địa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây chưa thể vươn tới được Một nơng trường cà phê hay cao su trên cao nguyên cĩ thể xây dựng

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

Trang 7

trạm phong ñiện hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ ñời sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm Không phải nơi nào ñặt trạm phong ñiện cũng có hiệu quả như nhau ðể có sản lượng ñiện cao cần tìm ñến những nơi có nhiều gió Các vùng ñất 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 ñiện Khi chọn ñịa ñiểm ñặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân ñân ñịa phương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ Lượng gió mỗi nơi còn thay ñổi theo từng ñịa hình cụ thể và từng thời gian Tại nơi dự ñịnh dựng trạm phong ñiện cần ñặt các thiết bị ño gió và ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ ñó tính ra sản lượng ñiện có thể khai thác, tuơng ứng với từng thiết bị phong ñiện Việc này càng quan trọng hơn khi xây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng phong ñiện tập trung.Gió là dạng năng lượng vô hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao nên khi ñầu

tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê ñủ tin cậy Rào cản chủ yếu ñối với việc phát triển phong ñiện ở Việt nam chính là sự thiếu thông tin về năng lượng gió Tới nay ñã có một số công ty nước ngoài ñến Việt nam tìm cách khai thác phong ñiện, nhưng vì chưa ñủ những số liệu cần thiết nên cũng chưa có sự ñầu tư nào ñáng kể vào thị trường này Một hãng ðức ñã xây dựng tại Ấn ñộ hàng ngàn trạm phong ñiện, có

cơ sở thường trực giám sát hoạt ñộng 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 ñã thu ñược ở Ấn ñộ Hãng này cũng ñã ñến Việt Nam tìm thị trường nhưng chưa quyết ñịnh ñầu tư, vì chưa

có ñủ cứ liệu ñể xây dựng trên quy mô lớn, còn với quy mô nhỏ thì lợi tức không ñủ

bù lại chi phí cho một cơ sở kỹ thuật thường trực Một công ty khác chuẩn bị xây dựng

12 trạm phong ñiện với công suất 3000 kW trên huyện ñảo Lý Sơn ñã khẳng ñịnh công nghệ phong ñiện rất phù hợp với Việt Nam!

Trang 8

* Tính kinh tế của phong ñiện

Chi phí ñể xây dựng một trạm phong ñiện gồm:

+ Chi phí cho máy phát ñiện và các cánh ñón 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 ñộng ñưa dòng ñiện về ñiện áp và tần suất với mạng ñiện quốc gia

+ Chi phí cho ắc-quy, bộ nạp và thiết bị ñổi ñiện từ ắc-quy trở lại ñiện xoay chiều Các

bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt ñộng ñộc lập

+ Chi phí cho phần tháp hoặc trụ ñỡ tùy thuộc chiều cao trụ, trọng lượng thiết bị và các ñiều kiện ñịa chất công trình Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam ñể giảm chi phí Với các trạm phong ñiện ñặt trên nóc nhà cao thì chi phí này hầu như không ñáng kể + Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và công việc lắp ñặt trạm ở Việt Nam

rẻ hơn rất nhiều so với các nước khác, ñặc biệt nếu xây dựng ở vùng ven biển, ven sông hoặc dọc theo các tuyến ñường sắt

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

Cho ñến nay có hai loại tuốc bin gió chính ñược sử dụng, ñó là: tuốc bin gió tốc ñộ cố ñịnh và tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi

Loại tuốc bin gió thông thường nhất là tuốc bin gió với tốc ñộ cố ñịnh (Fixed speed wind turbine), trong ñó máy phát không ñồng bộ ñược nối trực tiếp với lưới Tuy nhiên hệ thống này có nhược ñiểm chính là do tốc ñộ cố ñịnh nên không thể thu ñược năng lượng cực ñại từ gió

Softstarter

Transformer

Capacitor bank

Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc ñộ cố ñịnh

Trang 9

Loại tuốc bin gió tốc ñộ thay ñổi (variable-speed wind turbine) khắc phục ñược nhược ñiểm trên của tuốc bin gió với tốc ñộ cố ñịnh, ñó là nhờ thay ñổi ñược tốc

ñộ nên có thể thu ñược năng lượng cực ñại từ gió Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc

ñộ thay ñổi là hệ thống ñiện phức tạp, vì cần có bộ biến ñổi ñiện tử công suất ñể tạo ra khả năng hoạt ñộng với tốc ñộ thay ñổi, và do ñó chi phi cho tuốc bin gió tốc ñộ thay ñổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc ñộ cố ñịnh

Tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi

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

Loại tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi có bộ biến ñổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến ñổi ñược tính toán với công suất ñịnh mức của toàn tuốc bin Máy phát ở ñây có thể là loại không ñồng bộ rotor lồng sóc hoặc là ñồng bộ Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn

Hình 1.4 Tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi có bộ biến ñổi nối trực tiếp

giữa stator và lưới

năng lượng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta ñã chế tạo các loại tuốc bin gió với công suất lớn ñến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc ñộ thay ñổi có bộ biến ñổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, ñắt tiền do bộ biến ñổi 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 ñể giảm công suất của bộ biến ñổi và do ñó giảm giá thành, vì bộ biến ñổi ñược 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 ñi kèm như bộ lọc biến ñổi cũng rẻ hơn vì cũng ñược thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của toàn hệ thống Do ñó ñối

Trang 10

tượng nghiên cứu của ñề tài là hệ thống phát ñiện sức gió sử dụng máy dị bộ nguồn kép

Hình 1.5 Tuốc bin gió tốc ñộ thay ñổi sử dụng MDBNK

Nhược ñiểm chính của tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi sử dụng MDBNK là vấn ñề lỗi lưới Lỗi lưới trong hệ thống năng lượng, thậm chí ở xa so với vị trí ñặt tuốc bin sẽ gây ra sụt ñiện áp lưới, dẫn tới từ thông quá ñộ dao ñộng, làm cảm ứng trong mạch rotor sức phản ñiện ñộng có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực ñại của bộ biến ñổi

có thể tạo ra, sẽ gây mất ñiều khiển dòng và gây quá dòng lớn, có thể phá hỏng bộ biến ñổi

1.3 CÁC CẤU TRÚC ðIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÁT ðIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MDBNK

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

Trang 11

Grid

P g , Q g Stator breaker

Lever II (Wind turbine control strategy)

Crowbar

Crowbar control

W m

V w

Tem* Vbus* Qs* Q f *

β*

Hình 1.6 Hệ thống PðSG dựa trên MDBNK sử dụng crowbar

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

1.3.1 ðiều khiển tuốc bin

Nhiệm vụ của ñiều khiển tuốc bin là ñiều chỉnh tốc ñộ tuốc bin (sử dụng ñộng cơ servo ñể ñiều khiển góc cánh) và cung cấp giá trị ñặt của mô men (hoặc công suất tác dụng) cho mức ñiều khiển vector theo chiến lược ñiều khiển như sau (hình 1.8):

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

Trang 12

Lever II (Wind turbine control strategy)

Stator switch control

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

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

- Khi tốc ñộ gió lớn hơn 8m/s và nhỏ hơn tốc ñộ gió ñịnh mức, 12m/s, tốc ñộ máy phát khi ñó ñược duy trì ở giá trị ñịnh mức (1950 v/ph – trên tốc ñộ ñồng bộ 30%), công suất cực ñại lấy từ gió bằng cách ñiều chỉnh góc của cánh gió

- Khi tốc ñộ gió cao hơn tốc ñộ ñịnh mức (12m/s), tốc ñộ máy phát ñược giữ

ở giá trị ñịnh mức 1950 v/ph, công suất ñặt của máy phát bằng công suất ñịnh mức của

nó, nghĩa là công suất lấy từ gió ñược giữ bằng công suất ñịnh mức thông qua việc ñiều chỉnh góc của cánh gió

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

Trang 13

Hình 1.8 Các ñường cong sử dụng trong chiến lược ñiều khiển tuốc bin

1.3.2 ðiều khiển crowbar hoặc stator switch

Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến ñổi công suất ñối 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 ñổi, lúc này ñiều khiển crowbar sẽ ñược kích hoạt, làm ngắn mạch rotor, rẽ mạch dòng ngắn mạch qua crowbar ñể bảo vệ bộ biến ñổi, khi ñó máy phát bị mất ñiều khiển Khi biên ñộ dòng quá ñộ ñã giảm dưới mức an toàn, “crow bar” ngừng tham gia, lúc này mới có thể ñiều khiển ñược máy phát

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

1.3.3 ðiều khiển vector

Bao gồm hai ñiều khiển thành phần: ðiều khiển nghịch lưu phía máy phát và ñiều khiển nghịch lưu phía lưới

• ðiều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL)

Trang 14

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

• ðiều khiển nghịch lưu phía máy phát(NLMP)

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

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

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

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

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

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

Ở chế ñộ sự cố, một vấn ñề có thể xảy ra (nhất là khi sập lưới với mức ñộ lớn) với bộ ñiều khiển nghịch lưu phía lưới là vấn ñề mất ñiều khiển dòng khi lỗi lưới Nguyên nhân là khi lỗi lưới, từ thông stator xuất hiện thành phần quá ñộ dao ñộng, làm cảm ứng trong mạch rotor ñiện áp quá ñộ có trị số lớn (sức phản ñiện ñộng) , và nếu lớn hơn ñiện áp cực ñại của bộ biến ñổi có thể tạo ra ñược thì sẽ gây mất ñiều khiển dòng và gây quá dòng lớn Hậu quả là hệ thống phải kích hoạt hệ thống bảo vệ bộ biến ñổi thông qua việc ñiều khiển crowbar hoặc stator switch Máy phát bị mất ñiều khiển

Trang 15

hoặc phải ngắt máy phát ra khỏi lưới,không thực hiện ñược nhiệm vụ ñặt ra khi lỗi lưới và có nguy cơ làm tan rã hệ thống lưới ñiện kiểu “wind farm”

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

và tần số góc mạch rotor khi lỗi lưới

Từ các phân tích về nhiệm vụ và vấn ñề mà bộ ñiều khiển phía máy phát gặp phải (mất ñiều khiển dòng và gây quá dòng lớn), ñể nâng cao ñược chất lượng hệ thống PðSG sử dụng MDBNK, vấn ñề ñặt ra với bộ ñiều khiển phía máy phát là phải khống chế ñược ñộ lớn của sức phản ñiện ñộng cảm ứng trong mạch rotor nhỏ hơn khả năng cực ñại của bộ biến ñổi ngay sau khi lỗi lưới cũng như khi lỗi lưới ñược loại

bỏ, ñể tránh hiện tượng mất ñiều khiển dòng và quá dòng lớn, hạn chế tới mức tối ña

sự tham gia của hệ thống crowbar hoặc stator switch

Xuất phát từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới ñiện áp quá ñộ cảm ứng trong mạch rotor, ñể nâng cao ñược chất lượng hệ thống, các yêu cầu cụ thể ñược ñặt

ra với bộ ñiều khiển phía máy phát như sau:

- ðiều 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 ñịnh ñối với dao ñộng của ñiện áp lưới

- Ổn ñịnh ñối với dao ñộng của từ thông khi lỗi lưới

- Ổn ñịnh ñối với dao ñộng, thay ñổi của tốc ñộ máy phát và tần số góc mạch rotor ở chế ñộ bình thường và lỗi lưới

Trang 16

CHƯƠNG 2

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

DỤNG MÁY ðIỆN KHÔNG ðỒNG BỘ ROTO DÂY QUẤN 2.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ðIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MDBNK

Hình 2.1 Sơ ñồ cấu trúc hệ thống phát ñiện chạy sức gió sử dụng MDBNK

Hình 2.1 mô tả sơ ñồ cấu trúc một hệ thống phát ñiện chạy sức gió sử dụng MDBNK Hệ thống trên bao gồm một MDBNK có cuộn dây stator ñược nối trực tiếp với lưới ñiện ba pha Cuộn dây phía rotor ñược nối với hệ thống biến tần (dùng van bán dẫn) có khả năng ñiều khiển dòng năng lượng ñi 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 ñược nối với nhau thông qua mạch ñiện một chiều trung gian Cụm NLMP có nhiệm vụ ñiều chỉnh và cách ly công suất hữu công và công suất vô công

ñảm nhận việc hòa ñồng bộ với lưới cũng như ñiều 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 ñiện tử công suất, cụm NLPL hoàn toàn giống như cụm NLMP Cụm NLPL có

phụ thuộc vào ñộ lớn cũng như chiều của dòng năng lượng chảy qua rotor, ñồng thời

Trang 17

ñiều chỉnh cosϕ phía lưới và qua ñó có thể giữ vai trò bù công suất vô công Các van bán dẫn của thiết bị NLMP và NLPL ñược ñiều khiển ñóng mở theo nguyên lý ñiều chế vector không gian (ðCVTKG)

2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC PHÍA MÁY PHÁT VÀ PHÍA LƯỚI

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các ñại lượng 3 pha

Theo lý thuyết ñiều khiển vector, trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang ) của máy ñiện, vector không gian dòng ñiện stator của MDBNK ñược ñịnh nghĩa như sau:

ðối với các ñại lượng khác của mạch stator, như ñiện áp stator, từ thông stator

ta ñều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng tương tự như ñối với dòng ñiện stator kể trên

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

ñiện i rr, i rs, i rt tần số góc ωr, vector không gian dòn ñiện rotor cũng ñược ñịnh nghĩa như sau:

ðối với các ñại lượng khác của mạch rotor, như ñiện áp rotor, từ thông rotor ta ñều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng tương tự như ñối với dòng ñiện rotor kể trên

Trang 18

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

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

d,q có trục thực d trùng với véc tơ ñiện áp lưới u s (u N), nghĩa là hệ toạ ñộ d,q này quay với tốc ñộ ωs = 2π f s so với stator (hình 2.2) Các thành phần của vector dòng stator trên 2 trục tọa ñộ αβ là i sα, i sβ và trên hai trục toạ ñộ d,q là i sd, i sq, ta có mối liên hệ giữa các thành phần của dòng ñiện stator trên các hệ trục toạ ñộ và các dòng ñiện pha stator như sau:

1 ( 2 )3

Trang 19

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát

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

Phương trình ñiện 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 ñối xứng về mặt cơ học nên các giá trị ñiện cảm là bất biến ñối với mọi hệ tọa ñộ quan sát Do ñó, (2.9) ñược dùng một cách tổng quát, không cần có các chỉ số phía trên bên phải Khi sử dụng trên hệ tọa ñộ

cụ thể ta sẽ ñiền thêm chỉ số

Phương trình mômen: m G = 32z p(ψs×i s)= −32z p(ψr×i r) (2.10)

Sau khi chuyển (2.7), (2.8), (2.9) sang biểu diễn trên hệ tọa ñộ dq là hệ toạ ñộ

quay với vận tốc góc ωs so với hệ toạ ñộ cố ñịnh ta thu ñược hệ phương trình sau:

f s f

s

f r f

r

f f f

s r

f f f

ω ψψ

Trang 20

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

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

s s s s

d u dt

ψ

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

Mặt khác, thiết bị ñiều khiển ñược ñặt ở phía rotor và ta có cơ hội ñể sử dụng dòng rotor làm biến ñiều khiển trạng thái của ñối 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

Trang 21

Ở trên ñã nhận xét: vector từ thông stator luôn ñứng vuông góc với vector ñiện

áp stator Trong tương quan cố ñịnh ñó, việc hướng của vector nào ñược chọn làm hướng tựa cho hệ thống ñiều chỉnh không có ý nghĩa quyết ñịnh nữa Nếu tựa:

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

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

Khi tựa theo hướng của ñiện áp lưới ta cần chú ý rằng ñiện áp rất có thể bị méo dạng (ví dụ: Do nhiễu của các thiết bị ñiện tử công suất ñang hoạt ñộng, do nhiễu của sấm chớp trên khí quyển) gây khó khăn cho việc ño góc pha của ñiện áp Vì vậy, phải chú ý thực hiện chống nhiễu tốt cho phép ño góc pha

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

A Bs s Br r

dx

dt = + + (2.16) Trong ñó:

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:

Trang 22

1 0

B

1 0

m

m s

σ σ

Hình 2.3 Mô hình trạng thái của MDBNK

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

s s s

 

=  

 ; B 1

B O

r r

 

=  

  (2.18a,b,c) Trong ñó:

11

1 1 1 A

σω

s s

s

1 A

1

s s

T

ωω

m s

m

L

σσ

m s

r r

r

L

σσ

ma trận con như hình 2.4

Trang 23

r rq

i i i

 

=  

 ; rd

r rq

u u u

 

=  

 ; sd

s sq

u u u

 

=  

 ;

/ / /

sd s sq

ψψψ

ψ

/ s

d ψ dt

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

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

Trang 24

A 11

ur

di dt

Khi ñó mô hình dòng rotor ñược viết dưới dạng:

r rd rq sd sq rq sq

di

dt di

i i i

 

=  

 ; rd

r rq

u u u

 

=  

 ; sd

s sq

u u u

 

=  

 ;

/ / /

sd s sq

ψψψ

Trang 25

0 A

0

a a

Hình 2.6 ðặc ñiểm phi tuyến của mô hình dòng rotor của MDBNK trên hệ tọa ñộ dq

Mô hình trạng thái (2.22) và hình 2.6 thể hiện rất rõ tính phi tuyến của MDBNK Như chúng ta ñã biết, ñối tượng MDBNK có ñiện áp rotor là một ñại lượng vector ñặc trưng bởi module u r , góc pha ban ñầu 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 ñộ dq tựa hướng ñiện áp

lưới, các thành phần u rd, u rq là hai ñại lượng một chiều, không chứa ωr Như vậy ñầu vào của mô hình dòng rotor, là vector ñiện áp rotor, ngoài hai thành phần u rd, u rq thể hiện module u r còn phải có ωr Do ñó ωr là ñại lượng vào thứ 3 Qua ñó ta thấy mô hình trạng thái (2.22) có chứa tích của vector trạng thái i rvới biến ñầu vào ωr thông

qua ma trận N Do vậy N ñược gọi là ma trận tương tác phi tuyến Hơn nữa trong ñiều

kiện lỗi lưới, có sự dao ñộng thay ñổi của từ thông stator, ñiện áp stator (ñiện áp lưới), tốc ñộ 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 ñiều khiển công suất hữu công và vô công phía máy phát

lớn của công suất hữu công (phát ra ở chế ñộ máy phát và lấy từ lưới vào ở chế ñộ ñộng cơ) Việc ñiều chỉnh công suất hữu công phải tiến hành ñộc lập với công suất vô

công Q ñã ñặt trước cho thiết bị ðể giải quyết, ta phải tìm các ñại lượng có thể ñiều

Trang 26

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

mong muốn

Các công thức (2.9) và (2.10) cho phép ta tính mômen ñiện của MDBNK Vì máy chịu sự tác ñộng ñiều 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 ñộ tựa hướng véc tơ ñiện áp lưới (THðAL), khi ñó ta còn

có ψsd = 0 Công thức tính mômen sẽ có dạng sau:

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 ñộ tựa theo ñiện áp lưới, u sq = 0, do ñó (2.25) trở thành:

S=P+ jQ= 3u i sd sd − j u i3 sd sq (2.26)

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

Ta ñã biết rằng ψs gần như không ñổi và chỉ phụ thuộc ñiện áp lưới Trên tinh thần nhận xét ñó, ta viết lại hệ phương trình (2.9) như sau, trong ñó các phương trình trong hệ ñược viết dưới dạng thành phần trên hệ tọa ñộ THðAL:

sq sq rq s m

L

i i L L

i i L

sq sq rq s

L

L L

Trang 27

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

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

khâu ñiều chỉnh công suất vô công Q có thể ñược sử dụng ñể cung cấp giá trị chủ ñạo

sq i

rq i

rd i

/ s

ψ

ϕ

r

i

Hình 2.7 ðồ 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 ñồ nguyên lý phía lưới ñiện sau khi ñã tách ra từ mô hình tổng thể toàn hệ thống:

DSP3~

Hình 2.8 Sơ ñồ nguyên lý phía lưới

Mạch ñiện phía lưới bao gồm 1 bộ biến ñổi, khâu lọc RC lọc xung ñiện áp bị băm, cuộn cảm lọc dòng, máy biến thế và máy ñóng ngắt Khi máy phát hoạt ñộng ở chế ñộ trên ñồng bộ, bộ biến ñổi ñóng vai trò khâu NL, chuyển năng lượng từ mạch một chiều trung gian lên lưới Khi máy phát hoạt ñộng ở chế ñộ dưới ñồng bộ, bộ biến ñổi ñóng vai trò khâu CL, chuyển năng lượng từ lưới sang mạch một chiều trung gian

ðể phân tích tìm ra các biến ñiều khiển phía lưới, trước hết ta bước vào xây dựng và phân tích mô hình toán học của hệ thống phía lưới ñiện trên hệ tọa ñộ THðAL

Trang 28

Hình 2.9 mô tả sơ ñồ tổng quát mạch ñiện phía lưới Cuộn cảm lọc dòng có

cảm kháng L D , ñiện trở cuộn dây là R D , khâu lọc RC bao gồm ñiện trở R F và tụ ñiện có ñiện dung CF Hình 2.10 là sơ ñồ thay thế trong ñó ñiện áp lưới ñược thay bởi nguồn

áp e N cùng với ñiện cảm của lưới L N Biến áp ñược thay thế tương ñương (gần ñúng)

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

UDC

3~

L−íi

®iÖn 3~

Trang 29

CL

UDC3~

Hình 2.11 Sơ ñồ tối giản mạch ñiện phía lưới

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

phương trình trạng thái mô tả hệ thống phía lưới:

1 A

1

N D

T

ωω

1 0

D D

i x i

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

Trong mô hình này, e N là ñại lượng nhiễu ñầu vào gây ra bởi ñiện áp lưới Tuy nhiên ta có thể nhận thấy rằng, ñại lượng nhiễu này là nhiễu cố ñịnh Vì vậy nó có thể ñược triệt tiêu ảnh hưởng nhờ khâu bù nhiễu tích hợp trong khâu ñiều chỉnh dòng

2.2.5 Mô hình gián ñoạn phía lưới

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

Trang 30

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

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

Hình 2.12 Mô hình gián ñoạn phía lưới

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

1

N D N

N

D

T

T T

T

ωω

0

D N

D

T L T L

Trang 31

Theo [8], khi chu kỳ trích mẫu của khâu ñiều chỉnh ñủ nhỏ (dưới 400µs), việc cắt ñuôi sau phần tử tuyến tính ñối với ΦN và HN là ñủ chính xác

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

2.2.6 Các biến ñiều khiển phía lưới

Như chúng ta ñã biết, nhiệm vụ của hệ thống ñiều khiển phía lưới là lấy năng lượng từ lưới ñể cung cấp cho mạch một chiều ở chế ñộ dưới ñồng bộ hoặc hoàn năng lượng từ mạch một chiều lên lưới ở chế ñộ trên ñồng bộ Trong cả hai quá trình ñó, ñiện áp một chiều trung gian uDC phải ñược giữ ổn ñịnh không ñổi

d jq

Hình 2.13 Biểu diễn véc tơ không gian dòng ñiện phía lưới trên hệ toạ ñộ dq

N Nd Nq

i =i + ji (2.43) Công suất biểu kiến của bộ biến ñổi phía lưới:

*

N N N Nd Nd Nq Nq Nq Nd Nd Nq

S =P + jQ = u i = u i +u i + j u i −u i (2.44) Trên hệ tọa ñộ tựa theo ñiện áp lưới, u Nq = 0, do ñó (2.44) trở thành:

Trang 32

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

Trang 33

Hình 2.14 Sơ ñồ cấu trúc ñiều khiển phía máy phát và phía lưới của hệ thống

i

* Nq

3 2

i

* rq

Kh©u §CD

Trang 34

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 ựiều khiển có khả năng tự thay ựổi thông số hay cấu trúc của bộ ựiều khiển, hoặc cả về thông số lẫn cấu trúc của bộ ựiều khiển dựa trên chu trình làm việc ựịnh trước hoặc cả thông số, cấu trúc của ựối tượng ựược quan sát thực

tế trong quá trình làm việc ựược gọi là hệ thống ựiều khiển thắch nghi đó là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự ựộng chỉnh ựịnh các bộ ựiều chỉnh trong mạch ựiều khiển nhằm thực hiện hay duy trì một mức ựộ nhất ựịnh chất lượng của hệ khi thông số của quá trình ựược ựiều khiển không biết trước hoặc thay ựổi theo thời gian

Hệ thống ựiều chỉnh theo yêu cầu nào ựó thì với các ựại lượng vào, phải cho ựược các ựại lượng ra mong muốn Nhưng do nhiều yếu tố ảnh hưởng như nhiễu, các ựại lượng vào quá lớn hay không biết trước, do ựó ựể ựạt ựược theo yêu cầu, thống phải ựược tự ựộng thắch nghi bù sai số Cơ cấu thắch nghi tạo ra tắn hiệu thắch nghi bằng tắn hiệu từ khâu so sánh Các chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu ựặt trước IP*, cho vào khâu so sánh với những giá trị ựã ựược ựo lường và tắnh toán theo các thông số thực trạng của hệ thống ựiều chỉnh (các tắn hiệu của ựại lượng vào, ựại lượng ra, các nhiễu)

Hệ thống ựó ựược mô tả trong hình 3.1 dưới ựây gồm 2 vòng:

- Vòng hồi tiếp thông thường

- Vòng hồi tiếp ựiều khiển thắch nghi

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

Trang 35

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

- ðo lường theo tiêu chuẩn IP nào ñó

- Khâu so sánh

- Cơ cấu thích nghi

Các tiêu chuẩn IP có thể là: Các chỉ số tĩnh, các chỉ số ñộng, 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:

Hệ thống cần ñiều khiển sẽ ñược ñiều khiển thích nghi ổn ñịnh theo thông số

nào ñó, cho dù tín hiệu vào là không biết trước hay là quá lớn

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU 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 ñiều khiển thích nghi có mô hình theo dõi ( Model reference adapt control - MRAC ), nguyên lý cơ bản của hệ ñược thể hiện bằng sơ ñồ tổng quát như sau:

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

Trang 36

Nguyên tắc làm việc của bộ ðKTN MRAC ñược tóm tắt như sau: ðể hệ kín, bao gồm ñối tượng ñiều khiển và bộ ñiều khiển, luôn có ñược chất lượng mong muốn ứng với hàm truyền ñạt mẫu mong muốn thì bộ ñiều khiển cần phải ñược thiết kế và hiệu chỉnh thường xuyên sao cho tín hiệu ñầu ra y(t) của hệ kín luôn như ñầu ra ym(t) cuả mô hình tham chiếu Mục tiêu là:

( )t = y( )t ⇔e( )t = y( )t −y ( )t ≈ 0

Như vậy vấn ñề còn lại của bài toán là thiết kế cơ cấu thay ñổi tham số bộ ñiều khiển ñể luôn có ñược sai số e(t) ≈ 0 và ñiều này phải không ñược phụ thuộc vào sự thay ñổi bên trong ñối tượng

ðể thực hiện hiệu chỉnh tham số p cho bộ ñiều khiển với cấu trúc xác ñịnh, cho trước, ñiển hình là mô hình ñiều chỉnh theo luật MIT và phương pháp hiệu chỉnh theo hàm mục tiêu xác ñịnh dương ñặt trước

3.2.2 Luật hiệu chỉnh tham số bộ ñiều khiển MIT (Masachusetts Institube

Technology )

Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu ñầu tiên ñược ñưa ra ñể giải quyết vấn ñề: các ñặc ñiểm của một mô hình tham chiếu yêu cầu ngõ ra là quá trình lí tưởng cần có ñáp ứng ñối với tín hiệu ñiều khiển như thế nào Trong trường hợp này, mô hình tham chiếu mang tính song song hơn là nối tiếp Bộ ñiều khiển xem như có hai vòng: vòng phía trong gọi là vòng hồi tiếp thông thường có quá trình và bộ ñiều khiển Các thông số của bộ ñiều khiển ñược chỉnh ñịnh 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 ñược gọi là vòng chỉnh ñịnh Vấn ñề là xác ñịnh cơ cấu chỉnh ñịnh cho hệ thống ổn ñịnh, nghĩa là sai số bằng không ðiều này không thể thực hiện ñược Cơ cấu chỉnh ñịnh với thông số sau ñược gọi là luật MIT, ñược sử dụng cho hệ MRAS ñầu tiên:

.

e dt

θγθ

∂

= −

∂ (3.2)

của vec to ∂e/∂θ là ñạo hàm của ñộ nhạy sai số ñối với thông số chỉnh ñịnh θ Thông số

γ xác ñịnh tốc ñộ thích nghi Luật MIT có thể ñược giải thích như sau, giả sử rằng các thông số θ thay ñổi chậm hơn nhiều so với các biến khác trong hệ thống ðể bình thường sai số là lớn nhất, cần thay ñổi các thông số theo hướng gradient âm của bình phương sai số e2

ñảm bảo mục tiêu (3.2) Tức là cần có:

Trang 37

( )〈0

dt

t de

p d

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

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

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

xác ñịnh âm theo e Theo lý thuyết Lyapunov, ñiều kiên này cũng ñảm bảo ñể e(t) →0

3.2.4 Hệ thích nghi sử dụng bộ ñiều khiển tự chỉnh ñịnh (STR)

Một bộ ñiều khiển tổng hợp, nếu trong quá trình làm việc có khả năng tự xác ñịnh lại mô hình toán học mô tả ñối tượng ñể từ ñó tự chỉnh ñịnh lại bản thân nó cho phù hợp với sự thay ñổi của ñối tượng là bộ ðKTN tự chỉnh ( Self turning regulator ) viết tắt là STR Bộ ðKTN tự chỉnh ñơn giản nhất là bộ ðKTN tự chỉnh tham số, tức là

nó không tự thay ñổi cấu trúc bộ ñiều khiển mà chỉ xác ñịnh lại các tham số ñối tượng

ñể từ ñó tự chỉnh ñịnh lại các tham số ñiều khiển của chính mình cho phù hợp

Trang 38

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

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

cơ cấu nhận dạng tham số ñối tượng kết hợp thuật toán xác ñịnh tham số ñiều khiển thành bộ quan sát trực tiếp tham số ñối tượng ñề cập cho bộ ñiều khiển

Sơ ñồ trên hình 3.3 có thể ñược viết lại như sau:

Hình 3.4- Cấu trúc ðKTN tự chỉnh trực tiếp

3.2.5 ðiều khiển mờ thích nghi

Kỹ thuật ñiều khiển mờ ñã ñược phát triển thêm tính thích nghi ñể tạo nên một

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

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

+ Bộ ñiều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi trực tiếp ñược tổng quát

Trang 39

trên sơ ñồ hình 3.5

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

Hình 3.5 Phương pháp ñiều khiển thích nghi trực tiếp

ðiều khiển thích nghi trực tiếp là luật ñiều khiển ñược nhận dạng và ước lượng trực tiếp ðiều khiển thích nghi gián tiếp là sử dụng bộ nhận dạng ñể rút ra ñặc tính ñộng học của ñối tượng sau ñó thông tin này dùng ñể tính toán tham số bộ ñiều khiển Nghĩa là bộ ñiều khiển ñược chỉnh ñịnh thích nghi tham số và cấu trúc sau khi ñã nhận dạng ñối tượng

3.2.6 Phương pháp ñiều khiển thích nghi theo sai lệch

ðây là phương pháp ñiều khiển dựa trên cơ sở tuyến tính hóa lân cận quỹ ñạo chuyển ñộng tĩnh cho hệ phương trình vi phân mô tả ñộng lực học Tín hiệu ñược tính từ khối phản hồi có luật ñiều khiển thích nghi có thể là gián tiếp hoặc trực tiếp ñể các sai số ñiều khiển tiệm cận về 0 Ưu ñiểm của phương pháp là ñơn giản hóa thiết

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

Ngoài ra còn có phương pháp ñiều khiển thích nghi phản hồi phi tuyến và phương pháp ñiều khiển thích nghi Backstepping ðây là hai phương pháp sẽ ñược áp dụng ñể thiết kế bộ ñiều chỉnh dòng phía máy phát cho hệ thống phát ñiện sức gió sử dụng máy ñiện không ñồng bộ roto dây quấn và sẽ ñược trình bày cụ thể chi tiết ở phần

Trang 40

3.3 ỨNG DỤNG ðIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ðỂ ðIỀU KHIỂN MPKðB – RDQ

3.3.1 Cấu trúc ñiều khiển phía máy phát và phía lưới hệ thống MPðSG sử dụng MðBNK

3.3.1.1 Sơ ñồ cấu trúc ñiều khiển phía máy phát và phía lưới của hệ thống

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	1,36 MB