Luận văn Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Điều Khiển Bền Vững Cho Mạch Vòng

Trong nhiều hệ thống máy phát điện sức gió các máy điện không đồng bộ nguồn kép MPĐKĐBNK được sử dụng làm máy phát điện do có ưu điểm là phần điều khiển được đặt ở phía rotor vốn có công

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN ĐOÀN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG

CHO MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - Năm 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN ĐOÀN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG

CHO MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MÃ SỐ: 8.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Thị Mai Hương

Thái Nguyên – Năm 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Đoàn

Sinh ngày18 tháng 02 năm 1970

Học viên lớp cao học khoá 21 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Công Nghệ và Nông lâm Đông Bắc, xã Minh Sơn, huyện Hữu lũng, tỉnh Lạng Sơn

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển bền vững

cho mạch vòng dòng điện của hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió” do cô

giáo TS Nguyễn Thị Mai Hương hướng dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài

liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Thái Nguyên, ngày 17 tháng 9 năm 2020

Học viên

Nguyễn Văn Đoàn

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình

giúp đỡ của cô giáo TS Nguyễn Thị Mai Hương, Luận văn với đề tài “Nghiên cứu

thiết kế bộ điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện của hệ thống điều khiển máy điện phát sức gió” đã được hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Cô giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thị Mai Hương đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác

giả hoàn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 17 tháng 9 năm 2020

Nguyễn Văn Đoàn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 11

1.1 Khái quát về năng lượng gió 11

1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển 13

1.3 Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng Máy phát không đồng bộ nguồn kép 15

Kết luận chương 1 19

2.1 Ma trận xác định dương 20

2.1.1 Bất đẳng thức ma trận tuyến tính 20

2.1.2 Chuẩn 𝑯∞ 20

2.2 Phương trình và bất phương trình đại số Riccati 21

2.2.1 Bổ đề chặn biên 21

2.2.2 Bổ đề bù Schur 22

2.2.3 Biến đổi phân thức tuyến tính 22

2.3 Tính chuẩn 𝑯∞ 23

2.4 Bài toán điều khiển 𝑯∞ 26

2.5 Thiết kế bộ điều khiển 𝑯∞ cho các hệ thống tuyến tính 27

2.5.1 Bổ đề thực bị chặn 27

2.5.2 Chất lượng 𝑯∞ 28

2.5.3 Điều khiển cận tối ưu 𝑯∞ 30

2.5.4 Tổng hợp bộ điều khiển 𝑯∞ 31

2.5.5 Phương pháp độ nhạy hỗn hợp 𝑯∞ 32

Kết luận chương 2 34

CHƯƠNG 3 THİẾT KẾ BỘ ĐİỀU KHİỂN BỀN VỮNG CHO MẠCH VÒNG DÒNG ĐİỆN CỦA MÁY PHÁT ĐİỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 34

3.1 Mô hình toán học của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK) 34

3.2 Thiết kế bộ điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện rotor 35

3.2.1 Biểu diễn LFT với các tham số biến thiên 𝝎𝒎 và 𝝎𝒔 36

3.2.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển 43

3.2.3 Lựa chọn các hàm Weight 45

Kết luận chương 3 46

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 47

Kết luận chương 4 59

KẾT LUẬN VÀ KİẾN NGHỊ 60

1 Kết luận 60

2 Kiến nghị 60

CÁC THAM SỐ CỦA DFIM 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió 11

Hình 1.2: Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và dòng chảy năng lượng tương ứng……….12

Hình 1.3: Hệ thống máy phát sức gió 13

Hình 1.4: Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK 14

Hình 1.5: Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát 18

Hình 2.1: Biểu diễn LFT trên (a) và dưới (b) 23

Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống tương tác 29

Hình 2.3: Hệ thống tương tác với các hàm trọng lượng 30

Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển phản hồi tổng quát 32

Hình 2.5: Điều khiển 𝐻∞ độ nhạy hỗn hợp 33

Hình 2.6: Điều khiển 𝐻∞ độ nhạy hỗn hợp với các hàm trọng lượng 34

Hình 3.1: Biểu diên LFT của hệ 43

Hình 3.2: Cấu trúc của hệ kín trong thiết kế 𝐻∞ 43

Hình 3.3: Cấu trúc điều khiển kín của mạch vòng dòng điện 45

Hình 4.1 cho thấy đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển với bộ điều khiển dòng 𝐻∞ 48

Hình 4.2: cho thấy đáp ứng trong miền thời gian của bộ điều khiển dòng 𝐻∞ 50

Hình 4.3: cho thấy đáp ứng tần số của hệ thống khi 𝜔𝑚 = 𝜔𝑠 = 110%𝜔𝑛 52

Hình 4.4: Đáp ứng miền thời gian của bộ điều khiển dòng 𝐻∞ 54

Hình 4.5: Đáp ứng tần số của hệ thống 56

Hình 4.6: Đáp ứng miền thời gian của bộ điều khiển dòng 𝐻∞ 58

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, trong các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo thì năng lượng gió là một lựa chọn có nhiều ưu điểm và ngày càng được khai thác một cách rộng rãi trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Trong nhiều hệ thống máy phát điện sức gió các máy điện không đồng bộ nguồn kép (MPĐKĐBNK) được sử dụng làm máy phát điện do có ưu điểm là phần điều khiển được đặt ở phía rotor vốn

có công suất chỉ bằng khoảng 1/3 so với công suất phát Vì vậy, kích thước và giá thành của hệ thống điều khiển thường nhỏ hơn so với các hệ thống sử dụng các loại máy phát điện khác Do mô hình của các MPĐKĐBNK là phi tuyến và là hệ có nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) nên việc điều khiển chúng khá phức tạp Trong một số tài liệu, các thành phần tương tác chéo trong mô hình MPĐKĐBNK bao gồm cả tốc

độ góc cơ được loại bỏ nhờ sử dụng các bộ bù chéo Để tuyến tính hóa mô hình máy phát điện, tốc độ góc cơ đo được của máy phát có thể được coi là hằng số trong một chu kỳ lấy mẫu và các bộ điều khiển sẽ được tính toán dựa trên các thông số có sẵn của MPĐKĐBNK trong mỗi chu kỳ lấy mẫu đó

Việc tuyến tính hóa bằng cách coi tốc độ góc của máy phát trong một chu kỳ lấy mẫu và các thông số khác của máy phát là hằng như trên dẫn đến việc làm cho

mô hình của máy phát trở lên rất nhạy cảm với sự thay đổi của các tham số hệ thống, đặc biệt là sự thay đổi nhanh tương đối của tốc độ góc so với tốc độ xử lý của một hệ thống có đáp ứng chậm Bên cạnh đó, trong nhiều công trình nghiên cứu, các tác giả thường coi tần số góc của điện áp lưới cũng là một hằng số không đổi Tuy nhiên, trong thực tế tần số góc của điện áp lưới cũng là một tham số thay đổi tùy theo chất lượng của hệ thống cung cấp điện Vì vậy, nếu coi cả tốc độ góc cơ của máy phát và tần số góc của lưới là các tham số biến đổi theo thời gian thì mô hình của máy phát trở thành một hệ không dừng và có các bất định tham số

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng

điện của hệ thống điều khiển máy điện phát sức gió” nhằm mục tiêu áp dụng các

thuật toán điều khiển hệ thống đa biến tuyến tính, không sử dụng các bộ bù và có thể đảm bảo sự làm việc ổn định của hệ thống ngay cả khi tốc độ góc cơ của máy phát và tần số góc của điện áp lưới thay đổi Như vậy, hệ thống thiết kế sẽ đảm bảo chất lượng điều khiển ổn định trong toàn bộ dải biến thiên của các tham số nói trên của máy phát

và không nhạy với sự thay đổi của nhiễu điện áp lưới đến toàn bộ hệ thống

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các máy phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép với tốc độ góc và tần số góc của điện áp lưới thay đổi trong phạm vi biết trước

Phạm vi nghiên cứu

* Nghiên cứu lý thuyết điều khiển bền vững trong không gian trạng thái

* Nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển bền vững đa biến có khả năng kháng nhiễu đầu vào

* Áp dụng kết quả nghiên cứu cho một đối tượng cụ thể là máy phát điện không đồng

bộ nguồn kép

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

* Tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện thuật toán điều khiển cho các hệ thống có tham

số biến đổi

* Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển bền vững cho các hệ thống

có nhiều đầu vào, nhiều đầu ra và đánh giá các tương tác của các kênh liên kết chéo cũng như tính nhạy cảm với các nhiễu đầu vào

* Kiểm nghiệm thuật toán điều khiển thông qua tính toán trên phần mềm Matlab và

mô phỏng trong môi trường Simulink

Phương pháp nghiên cứu

* Nghiên cứu lý thuyết cơ bản, mô hình hóa hệ thống, áp dụng các lý thuyết đã phát triển để thiết kế các bộ điều khiển và đánh giá chất lượng ổn định của

toàn hệ thống

* Sử dụng các công cụ toán học và phần mềm Matlab để thử nghiệm các thuật toán,

mô phỏng hệ thống Đánh giá, so sánh các kết quả lý thuyết, kết quả mô phỏng

Bố cục của luận văn:

Chương I: Tổng quan

Chương II: Tổng hợp bộ điều khiển bền vững

Chương III: Thiết kế bộ điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

Chương IV: Mô phỏng hệ thống

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Khái quát về năng lượng gió

Năng lượng gió đã nhận được quan tâm nhiều hơn trên thế giới kể từ những năm

1970 khi giá dầu mỏ trên thế giới ngày càng tăng cao Đặc biệt, sự phát triển năng lượng gió đã có sự bùng nổ trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu về sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo Các số liệu thống kê được công bố bởi Hội đồng năng lượng gió toàn cầu trong tháng 5 năm 2008 đã cho biết dung lượng của các hệ thống máy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94.000 MW Chỉ tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung lượng của các hệ thống phát điện chạy sức gió đã tăng trưởng 18% trong năm 2007 và đã đạt đến 56.535 MW Trong khi dung lượng đó ở Mỹ

đã tăng từ khoảng 1.800 MW ở thời điểm năm 1990 tới hơn 16.800 MW ở cuối năm

Máy phát một

chiều

Máy phát xoay chiều

Máy phát xoay chiều 1 pha

Máy phát xoay chiều 3 pha

Máy phát không đồng bộ

Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép

Máy phát không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Hệ thống phát điện sức gió

Hình1.2: Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và dòng chảy năng lượng tương ứng (a) các chế độ vận hành, (b) dòng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dòng

chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ

Các máy điện xoay chiều được sử dụng trong các hệ thống máy phát sức gió có thể

là loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc và máy phát không đồng bộ ba pha rotor dây quấn Ngày nay, các hệ thống tuốc-bin gió hiện đại thường sử dụng các máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn với các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor Các máy phát như vậy còn được gọi là các máy phát không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK) Bên cạnh khả năng làm việc với dải biến thiên tốc độ lớn xung quanh tốc độ đồng bộ thì một ưu điểm quan trọng của các MPKĐBNK

Rotor

Rotor

S -1 n

n s 0

1 0

0 > s > - ¥

Dưới đồng bộ Chế độ động cơ

là ở chỗ các bộ biến đổi chỉ cần đảm bảo khả năng làm việc với khoảng 30% công suất tổng của máy phát Điều này cho phép giảm được dung lượng của các bộ biến đổi và giá thành của hệ thống Chính vì vậy, các MPKĐBNK ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống máy phát điện sức gió mặc dù khó điều khiển hơn so với loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu và máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc

Đặc tính của MPKĐBNK trong các chế độ làm việc khác nhau và dòng chảy năng lượng tương ứng được minh họa trên hình 1.2

1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển

Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng gió được vẽ trên hình 1.3 Trong đó các cuộn dây stator của MPKĐBNK được nối trực tiếp với lưới Các cuộn dây rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phía rotor được gọi là bộ biến đổi phía rotor, một ở phía lưới được gọi là bộ biến đổi phía lưới Hai bộ biến đổi liên hệ với nhau thông qua mạch một chiều trung gian

Bộ điều khiển phía lưới

?Điện áp Một chiều trung gian

Quản lý

Hệ thống Điều khiển

góc pitch

ĐK turbine

Gió

MPK?BNK

bin và phần điều khiển máy phát nguồn kép Phần điều khiển tuốc bin cung cấp các giá

e

nguồn kép Giá trị đặt này được tính toán dựa trên tốc độ gió đo được và một bảng tra nhằm ra quyết định lựa chọn công suất đầu ra tối ưu tương ứng với tốc độ quay của tuốc bin Một tín hiệu đặt khác là góc điều chỉnh pitch p được đưa trực tiếp tới bộ phận điều chỉnh góc pitch của các cánh gió để điều khiển tốc độ tuốc bin Trong khi đó, mục tiêu của phần điều khiển máy phát nguồn kép là giữ cho các công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát ở các giá trị mong muốn

Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép

Hình 1.4: Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK

Các thiết kế điều khiển MPKĐBNK kinh điển với các bộ điều khiển kiểu PI được trình bày trong Đặc điểm chung của các phương pháp này là có thêm một thành phần

bù kiểu feed-forward ở đầu ra của các bộ điều khiển nhằm loại bỏ các ảnh hưởng của lực phản điện động của máy Chi tiết của vấn đề này được trình bày trong Tuy nhiên, tính năng của các bộ bù feed-forward phụ thuộc vào độ chính xác của các tham số của MPKĐBNK nên thường không có được đặc tính làm việc lý tưởng trong thực tế do các tham số MPKĐBNK có thể bị biến đổi trong quá trình làm việc Một phương pháp điều khiển MPKĐBNK kinh điển khác là điều khiển dead-beat được trình bày trong Tuy

Cuốn chiếu

(backstepping)

[5]

Tựa phẳng (flatness based) [1]

Tựa theo thụ động (passivity based)

Tuyến tính hóa chính xác (exact linearization) [73, 74]]

Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK

nhiên, phương pháp này dựa trên việc giả thiết tần số rotor là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu T, dẫn đến mô hình gián đoạn của MPKĐBNK là mô hình tuyến tính

hệ số hàm cho phép thiết kế bộ điều khiển tuyến tính Để tránh việc sử dụng các bộ bù feed-forward và để đảm bảo chất lượng của hệ thống điều khiển trong một khoảng làm việc rộng của tốc độ rotor, các phương pháp điều khiển phi tuyến đã được đề nghị áp dụng cho điều khiển MPKĐBNK Vấn đề này đã được trình bày trong các tài liệu

Như đã trình bày ở trên, mặc dù hệ thống điều khiển hoàn chỉnh của một tuốc bin gió phải gồm cả phần điều khiển tuốc bin và phần điều khiển MPKĐBNK, tuy nhiên đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu phần điều khiển MPKĐBNK Hiện nay đã có nhiều phương pháp điều khiển MPKĐBNK được thể hiện trên hình 1.4

1.3 Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng Máy phát không đồng bộ nguồn kép

Mô hình máy điện không đồng bộ nguồn kép

Với điều khiển dòng của MPKĐBNK sử dụng kỹ thuật điều khiển vector thì cần phải biến đổi các biến sang một hệ tọa độ quay dq Hệ tọa độ này có thể tựa theo vector

từ thông stator hoặc với vector điện áp lưới Do MPKĐBNK làm việc song song với lưới

trục d trùng với vector điện áp lưới có thể đem lại một số thuận lợi nhất định Hệ tọa

độ như vậy sẽ độc lập với các tham số của máy điện và độ chính xác của khâu đo tốc độ quay Chính vì các lý do trên, hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới được lựa chọn để phát triển mô hình cũng như phát triển các thuật toán điều khiển máy điện không đồng bộ nguồn kép sau này

Các phương trình điện áp của stator và rotor có thể được viết như sau:

dt

d R

s s

s s s

s s

Ψ i

u =  (1.1)

dt

d R

r r

r r r

r r

Ψ i

u =  (1.2) Trong đó, us và ur là các điện áp stator và rotor, is và ir là các dòng điện stator và rotor, R s and R r là các điện trở stator và rotor, Ψs và Ψr là các từ thông stator và rotor Chỉ số s phía trên các đại lượng này mô tả đại lượng đó trên hệ tọa độ

, cố định với stator Chỉ số r phía trên các đại lượng này nhằm mô tả đại lượng đó trên hệ tọa độ cố định với rotor

Các từ thông stator và rotor được xác định bởi

m s r r r

m r s s s

L L

L L

i i Ψ

i i Ψ

Nếu biểu diễn điện cảm tản phía stator và rotor là Ls và Lr thì các điện cảm của stator và rotor được tính như sau

r m r

s m s

L L L

L L L

Áp dụng các phép biến đổi hệ trục tọa độ (1.1) và (1.2) cho các phương trình (1.3)

và (1.4) ta được các phương trình sau trong hệ tọa độ dq

r r r r r r

s s s s s s

j dt

d R

j dt

d R

Ψ

Ψ i u

Ψ

Ψ i u

m s s

s m r s r s

m r s

m s r r

r

L

L j L

R L L L

L

L L

L R R L dt

d

Ψ u

m s s s

s s

L

L R L

R dt

d

Ψ i

Ψ u

Trong đó,

r s

m L L

L2

1

= 

Viết lại các phương trình (1.6) và (1.7) cho các thành phần d và q của các dòng điện rotor và từ thông stator dẫn đến:

sd s m rq m s rd s r

rd

T L

a i i

T

a T

m rq

s r rd s m

rq

L

a i T

a T

a i dt

u L

a u L

a T

L

sd sq s sd s rd s

m sd

u T

i T

L dt

m sq

u T

i T

L dt

s m

s s s

m

s m m s

r s

m s

m s

s r

r

T T

L

T T

L

T L

a L

a T

a T a

L

a T L

a T

a T a

10

10

11

=)

1 0

0 0

0 1

1 0

0

0

1 0

=

=

r m

r m

r s u

L

a L

a L

a L

a

B B

=

r

C (1.16)

Mô hình phía lưới

Mạch điện rút gọn của lưới có thể được biểu diễn trên hình 1.5 Bộ biến đổi phía lưới thường nối với lưới thông qua một bộ lọc gồm điện cảm L c, tụ C f và điện trở

f

R Điện trở của cuộn kháng L c được biểu thị bởi R c

Mô hình không gian trạng thái của lưới có thể được biểu diễn như sau:

n n c c n n

n A x B u B u

x =   (1.17)

n n

n C x

y = (1.18)

nq nd

n = i i

cq cd

c = u u

nq nd

n = u u

nq nd

Hình 1.5: Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát

Điều khiển phía máy phát

Cấu trúc điều khiển

Bộ điều khiển phía máy phát có nhiệm vụ điều chỉnh công suất tác dụng (có thể

PI

Tính mômen và công suất phản kháng

PWM

Bộ điều khiển phía Rotor

Tính góc pha và điện áp stator

-suất cos)

Trong các hệ thống điều khiển máy điện, các bộ điều khiển dòng đóng vai trò rất quan trọng vì chúng cung cấp vector điện áp cần thiết cho mạch điện tử công suất Hơn nữa, chất lượng của toàn bộ hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của các bộ điều khiển dòng Vì vậy, các hệ thống điều khiển máy điện thường bao gồm một

biến điều khiển khác

Kết luận chương 1

Chương 1 đã giải quyết được các vấn đề sau:

• Tổng quan về các hệ thống biến đổi năng lượng gió

• Đưa ra đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển

Vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu áp dụng các thuật toán điều khiển hệ thống đa biến tuyến tính, không sử dụng các bộ bù và có thể đảm bảo sự làm việc ổn định của

hệ thống ngay cả khi tham số của máy phát thay đổi Luận văn đề xuất nghiên cứu lý thuyết điều khiển bền vững trong không gian, kỹ thuật gain schduling cho các hệ thống có tham số biến đổi tuyến tính, phụ thuộc affine và có thể đo được trong thời gian thực, từ đó áp dụng kết quả nghiên cứu cho máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP BỘ ĐİỀU KHİỂN BỀN VỮNG

Chương này được dành để trình bày các vấn đề liên quan việc tổng hợp bộ

liệu

Ký hiệu ℒ2 là một không gian các tín hiệu có thể lấy tích phân bình quân

phương xác định trong khoảng [0, ∞) Một ma trận 𝐴 được gọi là đối xứng nếu nó

Một hàm truyền 𝑀(𝑠) của biểu diễn không gian trạng thái (𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷) được ký

hiệu như sau:

trong đó 𝑥 = (𝑥1, , 𝑥𝑛) biểu thị một vector các biến quyết định và 𝐹𝑖 ∈ 𝕊𝑛, 𝑖 =

0,1, , 𝑛 Bất đẳng thức ([EQ:MLIDEF]) là 𝐹(𝑥) một ma trận xác định âm, nghĩa

là

𝑣𝑇𝐹(𝑥)𝑣 ≺ 0 ∀𝑣 ∈ ℝ𝑛, 𝑣 ≠ 0 (2.2)

lồi (convex) Cả bài toán xác định tính khả thi của (2.1) hay tối ưu hóa một hàm tuyến

tính với các ràng buộc trên được gọi là bài toán LMI có thể được giải theo các đa thức

bằng các phần mềm thương mại

Cần nhấn mạnh rằng các chương trình giải LMI đặc trưng cho phép thực hiện

một hữu hạn các LMI

𝐹1(𝑥) ≺ 0, … , 𝐹𝑁(𝑥) ≺ 0 được mô tả bởi các ánh xạ đối xứng giá trị affine 𝐹1(𝑥), … , 𝐹𝑁(𝑥)

2.1.2 Chuẩn 𝑯∞

Xét một hệ vào-ra tuyến tính 𝛴 được mô tả bởi

𝑧 = 𝐶𝑥 + 𝐷𝑤 (2.3)

và ma trận hàm truyền của nó được cho bởi

Nếu 𝐴 là ổn định và nếu ta chọn điều kiện đầu 𝑥(0) là zero thì 𝛴 định nghĩa

𝜔∈ℝ

𝜎(𝐺(𝑗𝜔)) trong đó 𝜎(𝑀) biểu thị cho giá trị suy biến lớn nhất của ma trận phức 𝑀

2.2 Phương trình và bất phương trình đại số Riccati

Cho các ma trận đối xứng 𝑅 và 𝑄 , xét bất phương trình đại số Riccati

(Algebraic Riccati Inequality - ARI) chặt

phương trình đại số Riccati (Algebraic Riccati Equation - ARE) tương ứng

Chú ý là 𝑋 được giả thiết là ma trận đối xứng thực hoặc mà trận phức

2.2.1 Bổ đề chặn biên

Bồ đề chặn biên (bounded real lemma - BRL) (2.1) cho biết điều kiện cho một

2 Với mọi 𝜔 ∈ ℝ, det(𝑗𝜔𝐼 − 𝐴) ≠ 0, 𝐺(𝑗𝜔)∗𝐺(𝑗𝜔) ≤ 𝛾2𝐼 ⇒ 𝜎(𝐺(𝑗𝜔)) =∥

Transformation - LFT) Biến đổi LFT cũng được mở rộng cho các ma trận

(𝛿1, , 𝛿𝑚)𝑇 ∈ ℝ𝑚 ánh xạ một vector 𝜉 vào vector 𝜂 = 𝐺(𝛿)𝜉 (hình 2.2) Một

𝑀21 𝑀22] sao

gọi là biểu diễn LFT trên của 𝐹(𝛿) nếu tồn tại các vector 𝑤 và 𝑧 sao cho

[𝑧𝜂] = [𝑃𝑃11 𝑃12

21 𝑃22] [

𝑤

𝜉 ] ;  𝑤 = 𝛥(𝛿)𝑧 (2.5) với định nghĩa

ℱ𝑢 =𝛥 𝑀22+ 𝑀21𝛥(𝛿)(𝐼 − 𝑀11𝛥(𝛿))−1𝑀12 (2.6)

Tương tự, biểu diễn LFT dưới của 𝐹(𝛿) được định nghĩa như sau

[𝜂𝑧] = [𝑃𝑃11 𝑃12

21 𝑃22] [

𝜉

𝑤] ;  𝑤 = 𝛥(𝛿)𝑧 (2.7) với

ℱ𝑙 =𝛥 𝑀11+ 𝑀121𝛥(𝛿)(𝐼 − 𝑀22𝛥(𝛿))−1𝑀21 (2.8)

Trong thiết kế các bộ điều khiển bền vững và/hoặc phân tích ổn định bền vững

điều khiển Các thành phần bất định này có thể là các tham số bất biến theo thời gian, các tham số biến đổi theo thời gian, hay các thành phần động học

Đây là bài toán tối ưu hóa và thông thường thì cách này là không thích hợp để tính

< 1 (2.10)

∈ ℝ (2.12) Thật vậy, ∥ 𝑀(𝑗𝜔) ∥< 1 dẫn đến giá trị riêng lớn nhất của (𝑀(𝑗𝜔)∗𝑀(𝑗𝜔) nhỏ

det(𝐺(𝑗𝜔)) = 0 khi và chỉ khi 𝑗𝜔 là giá trị riêng của 𝐻 Điều đó nói lên rằng (2.12)

𝐻 không có các giá trị riêng trên trục ảo

Định lý 2.1 ∥ 𝑀(𝑗𝜔) ∥∞< 1 khi và chỉ khi ( 𝐴 𝐵𝐵𝑇

riêng trên trục ảo

Kết quả này có lợi ích gì? Nó cho phép đưa việc kiểm tra ∥ 𝑀(𝑗𝜔) ∥∞< 𝛾 vốn liên quan đến việc tính chuẩn của một số vô hạn các tần số về việc kiểm chứng ma

có một giá trị riêng trên trục ảo hay không Vấn đề này có thể được thực hiện thông

qua thuật toán chia đôi (Bisection)

2.4 Bài toán điều khiển 𝑯∞

Xét một đối tượng tổng quát

(𝐴, 𝐵2) ổn định được và (𝐴, 𝐶2) phát hiện được

Bộ điều khiển là một hệ LTI

𝐶𝐾 𝐷𝐾] 𝑦

Mục tiêu của bài toán điều khiển 𝐻∞ là cực tiểu chuẩn 𝐻∞ của ma trận hàm truyền

𝑤 → 𝑧 bằng cách sử dụng một bộ điều khiển Ta có hệ kín được điều khiển là

Bài toán đặt ra là cực tiểu

đối với tất cả 𝐾 làm ổn định 𝑃 (nghĩa là làm cho 𝒜 ổn định)

Thông thường chúng ta có thể định lại giá trị chặn bởi 1 bằng cách sử dụng các hàm

1

𝛾𝑃11

1

√𝛾𝑃121

làm cho các không gian trạng thái trở thành

𝜆(𝒜) ⊂ ℂ− và ∥ 𝒞(𝑠𝐼 − 𝒜)−1ℬ + 𝐷 ∥∞< 1 (2.18)

tồn tại một bộ điều khiển 𝐾 thỏa mãn điều kiện (2.17) hoặc (2.18) thì ta cần phải tìm

một giải thuật xây dựng một bộ điều khiển đó

2.5 Thiết kế bộ điều khiển 𝑯∞ cho các hệ thống tuyến tính

2.5.1 Bổ đề thực bị chặn

định) và sự hợp lệ của bất đẳng thức

∥ 𝐺 ∥

∞< 𝛾 (2.19) như là một LMI với ma trận 𝑃 và 𝛾

Biểu thức trên tương đương với

(𝑢𝑥)𝑇(𝐴𝑇𝑃 + 𝑃𝐴 + 𝐶𝑇𝐶 𝑃𝐵 + 𝐶𝑇𝐷

𝑥

𝑢) < 0 Vậy, chuẩn 𝐻∞ của 𝐺(𝑠) là ∥ 𝐺(𝑠) ∥∞< 𝛾 với 𝛾 là một số dương nếu ta có thể tìm được

≺ 0 (2.22) Kết quả này được biết đến với tên gọi là bổ đề thực bị chặn (the bounded real lemma)

Áp dụng định lý bù Schur (2.22), LMI trên tương đương với

𝐾/𝛾 theo dạng như sau:

2.5.2 Chất lượng 𝑯∞

thi các nhiễu suy rộng, 𝑧 là biến được điều khiển,, 𝑢 là đầu vào điều khiển, 𝑦 là đầu ra đo được và 𝑃 là một hệ tuyến tính bất biến được mô tả bởi

𝑥̇ = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑝𝑤 + 𝐵𝑢

Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống tương tác

Mục tiêu trong điều khiển 𝐻∞ là tìm một bộ điều khiển tuyến tính bất biến, ổn

∥ℱ𝑙(𝑃, 𝐾)∥∞ (2.27)

Cực tiểu hóa của (2.27) sẽ làm phẳng các đáp ứng hệ kín trong miền tần số Vì vậy, để đạt được các dạng mong muốn của các hàm truyền hệ kín được đánh giá bởi các yêu cầu về băng thông của hệ người ta sử dụng các hàm trọng số (weighting

𝐻∞ của

∥∥ℱ𝑙(𝑃̃, 𝐾)∥∥∞ (2.28) trong đó ℱ𝑙(𝑃̃, 𝐾) = 𝑊𝑧ℱ𝑙(𝑃, 𝐾)𝑊𝑤 là hàm truyền kín từ 𝑤̃ → 𝑧̃ trên hình 2.3, 𝑊𝑧

các thuộc tính mong muốn

Hình 2.3: Hệ thống tương tác với các hàm trọng lượng

Từ mô hình mô tả trên hình 2.4 ta có

2.5.3 Điều khiển cận tối ưu 𝑯∞

các phương pháp mô tả trong có thể cho phép loại bỏ các tham số của bộ điều khiển trong các điều kiện nói trên và dẫn đến các ràng buộc lồi trên các ma trận 𝑋 và 𝑌 như sau:

𝑉𝑇 ∗) (2.36) trong đó 𝒜 được xác định trong (2.33) Từ đó dẫn đến bài toán bất đẳng thức ma trận tuyến tính cho thiết kế 𝐻∞ như sau: