Việc điều khiển hoà đồng bộ máy phát điện lên lưới là một trong những vấn đề quan trọng của hệ thống máy phát điện sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép (MDBNK). Bài báo này đƣa ra một phương pháp điều khiển mới để điều khiển máy phát và tự động quá trình hoà đồng bộ máy phát vào lƣới điện, đó là phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động (Passivity – Based).
Trang 1HOÀ ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN LÊN LƯỚI BẰNG PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN PASSIVITY – BASED
Đặng Danh Hoằng
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
TÓM TẮT
Việc điều khiển hoà đồng bộ máy phát điện lên lưới là một trong những vấn đề quan trọng của hệ thống máy phát điện sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép (MDBNK) Bài báo này đưa ra một phương pháp điều khiển mới để điều khiển máy phát và tự động quá trình hoà đồng bộ máy phát vào lưới điện, đó là phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động (Passivity – Based)
Từ khoá: Hoà đồng bộ máy phát điện
Hệ thống máy phát điện sử dụng máy điện dị bộ
nguồn kép, đang được nghiên cứu mạnh mẽ
trên toàn thế giới Hiện nay trên thế giới cũng
như ở nước ta chưa có một công trình khoa học
nào nghiên cứu phương pháp điều khiển phi
tuyến dựa trên thụ động (Passivity – Based) áp
dụng cho đối tượng này Vì vậy bài báo này đưa
ra phương pháp điều khiển Passivity – Based để
điều khiển máy phát điện dị bộ nguồn kép,
trong đó tập trung vào vấn đề tự động hoà đồng
bộ máy phát lên lưới thay vì sử dụng phương
pháp đèn hoà đồng bộ trước đây
CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NLPL: Nghịch lưu phía lưới
NLPMP: Nghịch lưu phía máy phát
MĐC: Máy đóng cắt
IE: Thiết bị đo tốc độ bằng khắc vạch
xung
*
Tel: 0974.155.446
MP: Máy phát (sử dụng MDBNK)
Từ sơ đồ cấu trúc hình 1, ta thấy hệ thống gồm 2 phần điều khiển cơ bản:
+ Điều khiển phía lưới + Điều khiển phía máy phát Hai phần điều khiển đều điều khiển bộ biến đổi công suất (nghịch lưu) và hai cụm nghịch lưu này được nối với nhau bởi mạch một chiều trung gian Ở đây ta chỉ quan tâm đến cụm NLPMP, nó có 2 nhiệm vụ điều chỉnh
và cách ly công suất hữu công và vô công gián tiếp thông qua 2 đại lượng mô men mG
và Q đồng thời có nhiệm vụ thực hiện hoà đồng bộ cũng như điều chỉnh tách máy phát
ra khỏi lưới khi cần thiết
TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN DÕNG ĐIỆN RÔTO THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PASSIVITY – BASED
Để điều khiển máy phát, cũng như thực hiện hoà đồng bộ máy phát điện lên lưới ta sử dụng sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát như hình 2 Ở đây tác giả sử dụng phương pháp Passivity – Based (dựa trên thụ động) để thiết kế bộ điều khiển dòng điện rotor cho máy phát điện dị bộ nguồn kép
Như trong [1], [3] hệ phương trình mô tả mô hình dòng rotor của MDBNK sau khi được tách ra trên hệ trục toạ độ dq như sau:
C
3~
3
~
=
Thiết bị điều khiển
(DSP)
IE
MĐ
u
N
MP
U D
C
ir
is
n
iN
Hình 1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống máy phát
điện sử dụng MDBNK
=
3
~
Trang 271
1 1 1
1 1 1
rd
rd
rq
di
di
(1)
m G *
3~
j r
e-jr
3
2
e-jN
3
2
GTT
PLL
IE
u rd
u rq
u ra
u rb
tr
ts
tt
i sdq u sdq ’* sd
q
r u* sdq r
i r
i rβ
i rd
i rq
i rr
i rs
i su
i sv
i s
i sβ
i sd
i sq
u Nu
u Nv
u Nd = us
N
N
r
m G
Q
r
m G
Q *
Q
-Khâu ĐCMM
Khâu ĐCQ
u DC
Từ mạch một chiều trung gian
r S t
MP
n
MĐN
Lưới
ĐCDMP
i * rd
i * rq
Hình 2 Hệ thống điều khiển máy phát (MDBNK) trong hệ thống phát điện sức gió sử
dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based
GTĐ
s
i * rd
i * rq
’* sd
’* sq
u* sd
u* sq
Trang 3Để đặt bài toán điều chỉnh các thành phần
của ir, ta đặt biến ir là biến điều khiển và với
giá trị mong muốn là i*r được lấy từ bộ điều
chỉnh mô men mG và công suất Q thông qua
khâu tính toán giá trị đặt (GTĐ)
Bộ điều chỉnh dựa trên thụ động (viết tắt:
PBC) được xây dựng theo nguyên tắc là cần
phải tác động vào tín hiệu điều khiển một tín
hiệu dạng D().ir - gọi là tín hiệu suy giảm,
và D() gọi là hệ số suy giảm
Tín hiệu điều khiển của bộ điều chỉnh dòng
máy phát được xác định:
*
*
( ).
( ).
rd rd
rq rq
PBC
rd PBC
rq
khiển PBC tạo ra (theo các thành phần d và q)
u*rd; u*rq là điện áp rotor mong muốn
của máy phát (theo các thành phần d và q)
được xác định theo (1)
*
*
giữa giá trị đặt và giá trị thực lấy từ máy phát
(theo các thành phần d và q)
Với D() là hệ số suy giảm được chọn sao
cho hàm trữ năng lượng của biến điều khiển
vẫn giữ được đặc điểm thụ động
Bộ điều khiển dòng điện thực hiện quá trình
hoà đồng bộ, cần phải thoả mãn các điều kiện
hệ thống điện áp đầu ra máy phát so với hệ
thống điện áp lưới:
+ Cùng tần số
+ Cùng góc pha
+ Cùng trị số
Muốn vậy trong quá trình điều khiển ta cần
phải xác định các giá trị sau để thoả mãn các
điều kiện đặt ra ở trên:
- Xác định góc chuyển đổi r đưa vào biến tần
để đảm bảo điều kiện điện áp cùng tần số:
r = l - (3)
Với: l - góc quay của véc tơ không gian điện
áp lưới, - góc quay của rotor (góc điện)
Để thấy được việc xác định r theo (3) là thoả
mãn điều kiện cùng tần số, ta xuất phát từ:
d
Từ (4) rõ ràng thấy từ trường quay do dòng điện rotor sinh ra sẽ quay với tốc độ r so với rotor, mà rotor quay với tốc độ so với stato,
do đó từ trường quay rotor sẽ có tốc độ:
rs = r + (5)
So sánh (4) và (5) thì từ trường rotor sẽ cảm ứng vào stato điện áp có tần số góc rs đúng bằng tần số góc lưới l, nghĩa là cùng tần số với điện áp lưới Như vậy với việc đưa góc chuyển đổi r vào biến tần thì sẽ đảm bảo điều kiện tần số điện áp đầu ra máy phát và điện áp lưới có cùng tần số
- Để điều kiện trùng pha được đảm bảo, ta thực hiện thông qua điều khiển các thành
phần dòng điện rotor i rd và i rq, có giá trị thích hợp Theo [1], [5], ta phải điều khiển sao cho
ird = 0 và irq < 0
- Xác định mối quan hệ giữa trị số biên độ điện áp lưới (ulm), điện áp đầu ra máy phát (usm) và giá trị irq Xuất phát từ phương trình véc tơ điện áp stato:
u
i
s
d j dt
L
(6)
Từ (6) suy ra usjs m r L i
Và ở đây ta chuyển sang hệ trục toạ độ dq tựa theo điện áp lưới, ta có:
sd s m rq
sq s m rd rd
u L i 0( i 0 )
Từ (7), dễ dàng có:
u sm = u sd = - s.L m i rq (8)
Để điện áp máy phát và điện áp lưới có cùng
trị số (u sm = u lm), theo (8) ta có ngay:
lm rq
s m
u i
L
* Để tự động hoà đồng bộ ta chỉ cần kiểm tra
tín hiệu i rd và i rq nếu đảm bảo i rd = 0 và i rq = const < 0, thì sau một vài chu kỳ (do ta đặt thiết bị đo lường và điều khiển) hệ thống sẽ tự động hoà đồng bộ máy phát lên lưới điện
SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB – SIMULINK – PLECS
Trang 473
Mô phỏng hệ thống máy phát điện
không đồng bộ nguồn kép với bảng số liệu:
Pđm = 7.5
KW
Uđmr = 366
V
Rr = 0.66
Uđms =
230/400(/)
nđm =1950 V/p
Ls = 0.033H
fđm = 50 Hz Rs =0.5035
zp = 2 Iđmr = 6,7 A Lm = 0,0805H
0.05Kgm2
Cosđm = 0.85
Iđms = 32,4/17,8A(/)
KẾT LUẬN
- Kết quả mô phỏng ta thấy bộ điều chỉnh đã điều khiển được các dòng điện thành phần ird
và irq đảm bảo ird = 0 và irq < 0, sau 0,12s (hình 4) và ta thấy điện áp pha của lưới và máy phát trùng nhau sau 0,12s (hình 5) Đồng thời đến 0,2s thì hoà đồng bộ lên lưới (hình 6)
và ta thấy chúng vẫn trùng nhau Như vậy với kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển đã giải quyết được các vấn đề bài báo đặt ra
- Bài báo mở ra một phương pháp thiết kế phi tuyến mới để điều khiển quá trình làm việc của máy phát điện dị bộ nguồn kép, trong đó
có hoà đồng bộ lên lưới
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
Hình 3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống
Hình 6 Đáp ứng điện áp pha máy phát và điện
áp pha lưới khi hoà đồng bộ lên lưới ở 0,2s
Dang Danh Hoang
Thai Nguyen University of Technology
u_grid
1000 uDC_ref
uDC
n
mG
i_stator i_rotor
cosphi
cos phi
Sync
0
RSw itch
Q
Q_ref
f(u)
Q -> cos
OmegaR
sinphi_ref uDC_ref uDC ugrid omg_grid iN_dq theta pulses
cos phi
Grid Side Controller
mM_ref
Q_ref
is_dq
omegaS
P's_dq
ir_dq
omegaR
thetaR
omega
uDC
pulses
mG
cos phi
i*r
Generator Side
Controller
-K-Fault1 Fault
pulses1
pulses2
Sync
voltage dip
RSwitch
mL
Omega_roto
Ugrid_dq omegaS theta_grid us_dq is_dq ir_dq iN_dq P's_dq omega omegaR thetaR uDC DFIM Model
125.6 Constant
Hình 4 Đáp ứng dòng điện ird và irq
theo giá trị đặt
ird
i*rd
irq
i*rq
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
Hình 5 Đáp ứng điện áp pha máy phát và
điện áp pha lưới
Trang 5TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Cao Xuân Tuyển (2008): “Tổng hợp các thuật
toán phi tuyến trên cơ sở phương pháp
Backstepping để điều khiển máy phát điện dị bộ
nguồn kép trong hệ thống máy phát điện sức gió”,
Luận án Tiến sỹ kỹ thuật
[2] Levent U.gödere, Marwan A Simaan, Charles
W Brice (1997): “Passivity – Based Control of
Saturated Induction Motors”, IEEE
[3] Ng.Ph.Quang (2004): “Matlab Simulink
dành cho kỹ sư điều khiển tự động” Nxb Khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội
[4] Ng.Ph.Quang, Andreas Dittrich: “Truyền động
điện thông minh” Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội, 2002
[5] Ng.Ph.Quang (1996), “Điều khiển tự động
truyền động điện xoay chiều ba pha” Nxb Giáo
dục, Hà Nội, 1996
[6] N.D.Phước, P.X.Minh, H.T.Trung (2003): Lý
thuyết điều khiển phi tuyến Nxb Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội
[7] R.Ortega, A.Loria, P.J.Nicklasson,
H.Sira-Ramírez (1998): “Passivity-based Control of
Euler Lagrange Systems: Mechanical, Electrical and Electromechanical Applications”
Springer-Verlay, London-Berlin-Heidelberg
SYNCHRONIZE ELECTRIC GENERATORS TO A POWER GRID BY
PASSIVITY - BASED CONTROL METHODOLOGY
Dang Danh Hoang 2
Thai Nguyen University of Tecnology
SUMMARY
Synchronizing electric generators to a power grid is one of the most critical issues of the power systems using double-fed induction machines (DFIM) In this paper, a new controlling approach which control and synchronize electric generators to the grid automatically is represented This methodology is called the passitivity-based non-linear control
Key word: Synchronize electric generators
2
Tel:0974.155.446