Nâng cao chất lượng điều khiển hòa 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

1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN NGỌC QUÂN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HOÀ ĐỒNG BỘ HỆ THỐN

Trang 1

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

Thái Nguyên, 2014

Trang 2

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

- Nhu cầu tăng cao về năng lượng điện trong nước hiện nay

- Do yêu cầu về chất lượng điện năng của hệ thống năng lượng điện hiện nay ngày càng cao, đòi hỏi các hệ thống máy phát điện sức gió phải bám lưới khi lỗi lưới Trong khi các tuốc bin gió hiện nay khi lỗi lưới với mức sụt điện áp lớn buộc phải cắt hệ thống ra khỏi lưới để bảo vệ bộ biến đổi khỏi quá dòng lớn

- Các giải pháp điều khiển hiện nay đã cố gắng duy trì máy phát bám lưới bằng cách hạn chế độ lớn sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor hoặc các nguyên nhân sinh ra nó Tuy nhiên đều là các giải pháp điều khiển tuyến tính và chưa hoàn toàn phù hợp với bản chất phi tuyến của hệ thống nghịch lưu trong hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) Vì vậy để nâng cao chất lượng hệ thống PĐSG trong mạng hệ

thống năng lượng điện, tác giả chọn đề tài: “ 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”

2 Đối tƣợng 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 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

Trang 3

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 Backsteping 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 Backsteping

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

- Đã thực hiện điều khiển hệ thống nghịch lưu công suất tác dụng và phản kháng lên lưới ở chế độ bình thường

7 Những điểm mới trong luận văn

- Đã áp dụng thành công phương pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật thích nghi Backstepping để điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới

- Với việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến thích nghi Backstepping, luận văn ngoài giải quyết các vấn đề mà các phương pháp tuyến tính đã đề cập như dao động điện áp lưới, đây là điểm mới và đóng góp mới của luậnvăn nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống khi lỗi lưới ngắn mạch ba pha Kết quả nghiên cứu của luận văn đã chứng minh được chất lượng điều khiển hệ thống nghịchlưu trong hệ thống PĐSG khi lỗi lưới ngắn mạch ba pha đối xứng tốt hơn so với phương pháp điều khiển tuyến tính thông thường

- Đã góp phần làm sáng tỏ được bản chất của phương pháp thích nghi Backstepping trên cơ sở của lý thuyết ổn định Lyapunov khi áp dụng cho hệ thống PĐSG sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đó là: bản chất của phương

Trang 4

pháp là kết hợp của phương pháp điều khiển thích nghi Backstepping (bản chất là chuyển hệ tọa độ trạng thái) mô hình đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng trên cơ sở lý thuyết ổn định Lyapunov, đồng thời đưa ra biện pháp để nâng cao chất lượng tĩnh và động của hệ thống

Trang 5

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

1.1 GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồm chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỷ 14 được dùng phổ biến từ thế kỷ 17, thịnh vượng nhất vào thế kỷ 18 đặc biệt ở Hà Lan với hàng ngàn chiếc Từ thế kỷ 19 đến nửa đầu thế kỷ 20 với sự xuất hiện và phát triển của máy hơi nước và các loại động cơ đốt trong, các cối xay gió hầu như bị lãng quên Nhưng từ vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn dần các nguồn nhiên liệu khai thác được từ lòng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt 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 đó có năng lượng gió lại được nhiều nước trên thế giới kể cả các nước

có nền công nghiệp năng lượng phát triển rất mạnh như Nga, Mỹ, Pháp, CHLB Đức, Hà Lan, Anh, Đan Mạch, Thụy Điển…đặc biệt quan tâm Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều nghành khoa học tiên tiến như thủy khí động lực học,

tự động điều khiển, cơ học kết cấu, truyền động thủy lực, vật liệu mới…việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió đã đạt được 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 đơn giản hiệu suất

sử dụng năng lượng thấp chỉ khoảng 20%, đến nay các động cơ gió phát điện với cánh quạt có biên dạng khí động học ngày một hoàn thiện hơn có thể đạt được hiệu suất sử dụng năng lượng cao tới 42% Nhiều phương pháp và hệ thống tự động điều khiển hiện đại đã được sử dụng để tự động ổn định số vòng quay của động cơ gió Những động cơ gió phát điện lớn còn dùng cả hệ thống tự động điện thủy lực và máy tính điện tử điều khiển Nhiều vật liệu mới đã được sử dụng để chế tạo cánh như hợp kim nhôm, polime cốt sợi thủy tinh với độ bền cao trong mọi điều kiện thời tiết và chịu được sức gió của bão Tại những nơi có gió tốt, người ta ghép nhiều động cơ gió với nhau tạo thành “rừng máy phát điện gió” Người ta đã có thể chế tạo những động cơ gió phát điện rất lớn đường kính tới 80m, công suất tới 3000

Trang 6

kW Tuy nhiên đối với mỗi nước quy mô phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió còn phụ thuộc vào vị trí địa lý, đặc điểm tiềm năng gió và trình độ công nghiệp

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 Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích như: đi thuyền, thả diều và phát điện Năng lượng gió được mô

tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc điện Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động 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 đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng điện

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

Đặc biệt các tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận ở ven biển được xem là có tiềm năng lớn nhất cho năng lượng gió tại những vùng đất lớn khô cằn và không phải là

Trang 7

đất nông nghiệp màu mỡ Hiện nay, có hơn 20 dự án điện gió tại Việt Nam, chủ yếu

ở Bình Thuận (12 dự án trên đất liền và huyện đảo Phú Quý), Ninh Thuận, Bình Định, Phú Yên và huyện đảo Côn Đảo của tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu, nơi lượng gió cũng như tốc độ gió trung bình cao nhất so với phần còn lại của đất nước

* Tổng quan về máy phát điện sử dụng năng lƣợng gió (phong điện)

Các máy phát điện sử dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu

Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác Nước Đức đang dẫn đầu thế giới

về công nghệ điện sử dụng sức gió (phong điện)

Bảng 1.1: Thống kê sử dụng năng lượng gió trên thế giới

Trang 8

"Nguồn: World Wind Energy Association, thời điểm: Cuối 2007 và dịch từ Wikipedia Đức"

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

Các máy phát điện tuabin gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng Loại này có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản

Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với công suất rất khác nhau, từ 1kW tới hàng chục ngàn kW Các trạm phát điện này có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc- quy và bộ đổi điện Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắc quy Khi không

có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s

Trang 9

(90 km/h) Tốc độ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện

Hình 1 2: Hình ảnh bên trong MPĐ sức gió

* Những ƣu điểm của phong điện

Ưu điểm dễ thấy nhất của phong điện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây

ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.Các trạm phong điện có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện.Trước đây, khi công nghệ phong điện còn ít được ứng dụng, việc 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, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn 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

Trang 10

* Các trạm phong điện có thể đặt ở đâu?

Trạm phong điện có 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 có gió 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 có thể tạo ra công suất hàng tỷ

kW phong điện Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện Trường hợp này không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng Trên mái nhà cao tầng cũng

có thể đặt trạm phong điện, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi không dùng hết điện Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị mất điện.Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm phong điện Nếu tận dụng không 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.Điện khí hóa ngành đường sắt là xu hướng tất yếu của các nước công nghiệp Chỉ cần đặt với khoảng cách 10 km một trạm 4800kW dọc các tuyến đường sắt đã có đủ điện năng cho tất cả các đoàn 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

ô nhiễm môi trường sẽ được thay thế bằng đầu máy điện trong tương lai.Đặt 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 mô hình tối ưu để giải quyết việc cung cấp nước ngọt cho vùng đồng bằng sông Cửu Long, tiết kiệm nhiên liệu và đường dây điện Một trạm phong điện

4 kW có 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 phòng trên núi cao, hoặc một đơn

vị hải quân nơi đảo xa Một trạm 40 kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đoàn

Trang 11

thăm dò địa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây chưa thể vươn tới được Một nông trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng trạm phong điện hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm Không phải nơi nào đặt trạm phong điện cũng có hiệu quả như nhau Để có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều gió Các vùng đất nhô ra biển và các thung lũng 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 điện Khi chọn địa điểm đặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân đân địa phương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ Lượng gió mỗi nơi còn thay đổi theo từng địa hình cụ thể và từng thời gian Tại nơi

dự định dựng trạm phong điện cần đặt các thiết bị đo gió và ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ đó tính ra sản lượng điện có thể khai thác, tuơng ứng với từng thiết bị phong điện Việc này càng quan trọng hơn khi xây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng phong điện tập trung.Gió là dạng năng lượng vô hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao nên khi đầu tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy Rào cản chủ yếu đối với việc phát triển phong điện ở Việt nam chính là sự thiếu thông tin về năng lượng gió Tới nay đã có một số công ty nước ngoài đến Việt nam tìm cách khai thác phong điện, nhưng vì chưa đủ những số liệu cần thiết nên cũng chưa có sự đầu tư nào đáng kể vào thị trường này Một hãng Đức đã xây dựng tại Ấn độ hàng ngàn trạm phong điện, có cơ sở thường trực giám sát hoạt động 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 đã thu được ở Ấn độ Hãng này cũng đã đến Việt Nam tìm thị trường nhưng chưa quyết định đầu tư, vì chưa có đủ cứ liệu để xây dựng trên quy mô lớn, còn với quy mô nhỏ thì lợi tức không đủ bù lại chi phí cho một cơ sở kỹ thuật thường trực Một công ty khác chuẩn bị xây dựng 12 trạm phong điện với công suất 3000 kW trên huyện đảo Lý Sơn đã khẳng định công nghệ phong điện rất phù hợp với Việt Nam!

* Tính kinh tế của phong điện

Trang 12

Chi phí để xây dựng một trạm phong điện gồm:

Chi phí cho máy phát điện và các cánh đón 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 động đưa dòng điện về điện áp và tần suất với mạng điện quốc gia

Chi phí cho ắc-quy, bộ nạp và thiết bị đổi điện từ ắc-quy trở lại điện xoay chiều Các bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt động độc lập

Chi phí cho phần tháp hoặc trụ đỡ tùy thuộc chiều cao trụ, trọng lượng thiết bị

và các điều kiện địa chất công trình Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam để giảm chi phí Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao thì chi phí này hầu như không đáng kể

Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và công việc lắp đặt trạm ở Việt Nam rẻ hơn rất nhiều so với các nước khác, đặc biệt nếu xây dựng ở vùng ven biển, ven sông hoặc dọc theo các tuyến đường sắt

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

1.2.1 Khái quát về các loại hệ thống năng lƣợng gió

Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi

Loại tuốc bin gió thông thường nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió

Trang 13

Softstarter

Transformer

Capacitor bank

Hình 1 3: Tuốc bin gió với tốc độ cố định

Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục được nhược điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió Bất lợi của các tuốc bin gió

có tốc độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất

để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ thay đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định

Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng máy điện

dị bộ nguồn kép (MDBNK)

Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính toán với công suất định mức của toàn tuốc bin Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc là đồng bộ

Transformer Power electronic

Trang 14

Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồnnăng lượng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió với công suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa statorvà lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi 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 để giảm công suất của bộ biến đổi và do đó giảm giá thành, vì bộ biến đổi được 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 đi kèm như bộ lọc biến đổi cũng rẻ hơn vì cũng được thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của toàn hệ thống

Transformer

Power electronic converter

≈

=

Hình 1 5: Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK

Nhược điểm chính của tuốc bin gió với tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK là vấn

đề lỗi lưới Lỗi lưới trong hệ thống năng lượng, thậm chí ở xa so với vị trí đặt tuốc bin sẽ gây ra sụt điện áp lưới, dẫn tới từ thông quá độ dao động, làm cảm ứng trong mạch rotor sức phản điện động có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra, sẽ gây mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn, có thể phá hỏng bộ biến đổi

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

Trang 15

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 6: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm

vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu đơn giản

Hình 1 7: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu

thụ nhờ nghịch lưu phía máy phát

Ở các hệ thống phát điện turbine gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC) có ưu thế hơn về mặt tạo từ thông kích từ nhờ

hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor của máy, vì vậy chỉ cần quay máy phát

là đầu ra máy phát đã xuất hiện điện áp, đây là một trong những ưu điểm của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐĐB – KTVC Hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC có thể sử dụng bộ chỉnh đơn giản phía máy phát như hình 1.6, hoặc sử dụng bộ nghịch lưu phía máy phát (NLMF) như hình 1.7

Trang 16

Ở các hệ thống phát điện sức gió(PĐSG) dùng MĐĐB-KTVC với công suất

cỡ lớn (>50 kW) thường được thiết kế vận hành ở chế độ hoà lưới, đồng thời năng lượng do tuốc bin lấy từ nguồn gió có thể điều khiển chủ động được, nhờ hệ thống điều khiển góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độ quay, do đó ta có thể chọn một trong hai phương án, chọn phương án nào còn phụ thuộc vào khả năng đầu tư Trong phạm vi đề tài, để có thể điều khiển tối ưu hiệu suất của máy phát, ta tập trung nghiên cứu hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB-KTVC dùng bộ nghịch lưu phía máy phát như hình 1.7

Ở các hệ thống phát điện sức gió(PĐSG) dùng MĐĐB-KTVC với công suất

cỡ lớn (>50 kW) thường được thiết kế vận hành ở chế độ hoà lưới, đồng thời năng lượng do tuốc bin lấy từ nguồn gió có thể điều khiển chủ động được, nhờ hệ thống điều khiển góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độ quay, do đó ta có thể chọn một trong hai phương án, chọn phương án nào còn phụ thuộc vào khả năng đầu tư Trong phạm vi đề tài, để có thể điều khiển tối ưu hiệu suất của máy phát, ta tập trung nghiên cứu hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB-KTVC

Sơ đồ cấu trúc điều khiển điển hình của một hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu như hình 1.7 trong đó sử dụng bộ nghịch lưu có điều khiển phía máy phát (NLMF) để có thể thực hiện thuật toán điều khiển tối ưu hiệu suất của máy phát

Trang 17

Hình 1 8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm

vĩnh cửu(ĐB-KTVC)

Khối điều khiển góc cánh có nhiệm vụ điều chỉnh góc cánh của tuốc bin gió thông qua điều chỉnh góc quay của động cơ đồng bộ nhằm duy trì tốc độ máy phát ứng với công suất cực đại lấy từ gió

Khối điều khiển phía máy phát điều khiển bộ nghịch lưu phía máy phát (NLMF) nhằm tối ưu hiệu suất máy phát và giữ điện áp một chiều trung gian có giá trị không đổi

Khối điều khiển phía lưới thực hiện điều khiển nghịch lưư phía lưới (NLPL) nhằm điều khiển phát công suất phản kháng lên lưới và phát công suất tác dụng cực đại lên lưới

Trang 18

Chương2 GIỚI THIỆU VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

BACKSTEPING 2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KINH ĐIỂN

Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để điều khiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn như điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp

2.1.1Bộ điều khiển PID

PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích - vi phân (Proportional-Integral-Derivative)

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

Hình 2 1: Sơ đồ bộ điều khiển PID

Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn (vai 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)

Hình 2 2: Vai trò của khâu D

Đối tượng

(-)

PID e(t)

Trang 19

Nếu e(t) thay đổi lớn thì thông qua thành phần vi phân, phản ứng thích

hợp x(t) càng nhanh ( vai trò của khâu D)

Bộ điều khiển PID được mô tả bởi hàm truyền đạt sau:

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

Cấu trúc cơ sở của hệ thống điều khiển số:

Hình 2 3: Bộ điều khiển PID số

Trong đó:

Trang 20

- Khâu DAC: có thể không tồn tại một cách tường minh, mà ẩn dưới dạng thiết bị có chức năng DA Tín hiệu số được xử lý từ máy tính hoặc từ hệ VXL cần phải chuyển sang tín hiệu tương tự để điều khiển khâu chấp hành Vì vậy cần có bộ biến đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự gọi tắt là DAC

- Khâu ADC:thường sử dụng khi đo đạc giá trị thực của đại lượng ra (vídụ: đo dòng), biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu gián đoạn

Việc biến đổi từ tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc gọi là quá trình cắt mẫu, thông thường khoảng thời gian cắt mẫu là không đổi Giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp nhau, bộ cắt mẫu không nhận một thông tin nào cả Phần tử lưu giữ sẽ chuyển đổi tín hiệu đã được lấy mẫu thành tín hiệu gần liên tục, tiệm cận với tín hiệu trước, khi nó được lấy mẫu Phần tử lưu giữ ở đây đơn giản nhất là phần tử chuyển đổi tín hiệu mẫu thành tín hiệu có dạng bậc thang và không đổi giữa hai thời điểm lấy mẫu gọi là phần tử lưu giữ bậc không

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

- Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là:

Trang 21

quá trình lưu giữ bậckhông

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

Biên độ sai lệch giữa tín hiệu mẫu và tín hiệu ra là lớn và luôn tồn tại trong suốt quá trình điều khiển Sai lệch này có xu hướng tăng khi thông số của đối tượng thay đổi

Bộ điều khiển PID được thiết kế trên cơ sở mô hình tuyến tính hoá với những thông số chính xác của đối tượng trong khi thực tế đối tượng là phi tuyến và thông số là không chính xác

Tuy nhiên, nếu hệ thống làm việc trong môi trường ít bị ảnh hưởng của nhiễu, thông số của đối tượng chỉ thay đổi nhỏ trong quá trình làm việc và yêu cầu về độ chính xác cũng như ổn định không cao thì PID vẫn là một giải

pháp hiệu quả

2.2PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

2.2.1 Tổng quan về điều khiển thích nghi

Một hệ thống mà bộ điều khiển có khả năng tự thay đổi thông số hay cấu trúc của bộ điều khiển, hoặc cả về thông số lẫn cấu trúc của bộ điều khiển dựa trên chu trình làm việc định trước hoặc cả thông số, cấu trúc của đối tượng được quan sát

Trang 22

thực tế trong quá trình làm việc được gọi là hệ thống điều khiển thích nghi Đó là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thông số của quá trình được điều khiển không biết trước hoặc thay đổi theo thời gian

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 4: Mô tả hệ thống điều khiển thích nghi

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

- Đo lường theo tiêu chuẩn IP nào đó

Trang 23

- Cơ cấu thích nghi

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

2.2.2Các 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:

Trang 24

Hình 2 5: Cấu trúc chung của bộ điều chỉnh thích nghi có mô hình theo dõi

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

(2.3) 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)

Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu đầu tiên được đưa ra để giải quyết vấn đề: các đặc điểm của một mô hình tham chiếu yêu cầu ngõ ra là quá trình lí tưởng cần có đáp ứng đối với tín hiệu điều khiển như thế nào Trong trường hợp này, mô hình tham chiếu mang tính song song hơn là nối tiếp Bộ điều khiển xem như có hai vòng: vòng phía trong gọi là vòng hồi tiếp thông thường có quá trình và

bộ điều khiển Các thông số của bộ điều khiển được chỉnh định 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 được gọi là vòng chỉnh định Vấn đề là xác định cơ cấu chỉnh định cho hệ thống ổn định, nghĩa là sai số bằng không Điều này không thể thực hiện được Cơ cấu chỉnh định với thông số sau được gọi là luật MIT, được sử dụng cho hệ MRAS đầu tiên:

(2.4)

0

t y t y t e t y t

.

e dt

Trang 25

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

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

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

p

e e dt

p d

sgn

0 lim

t

0 ,

e

Trang 26

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

Hình 2 6: 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:

dt e dV

Trang 27

Hình 2 7: 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 8: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

Trang 28

Điều khiển thích nghi trực tiếp là luật điều khiển được nhận dạng và ước lượng trực tiếp Điều khiển thích nghi gián tiếp là sử dụng bộ nhận dạng để rút ra đặc tính động học của đối tượng sau đó thông tin này dùng để tính toán tham số bộ điều khiển Nghĩa là bộ điều khiển được chỉnh định thích nghi tham số và cấu trúc sau khi đã nhận dạng đối tượng

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

Trang 29

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

Giải pháp nghịch lưu ba pha kinh điển được minh hoạ ở hình 3.1 Điện áp xoay chiều ba pha được tạo nên bằng phương pháp điều chế vector điện áp (Voltage Vector Modulation) Ưu nhược điểm của giải pháp này :

*/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 vector điện áp đặt lên phía sơ cấp của biến thế chỉ là 2UDC/3

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

phương pháp điều chế vector

Trang 30

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

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

Trước khi giới thiệu cụ thể về phương pháp điều khiển nghịch lưu, có thể khẳng định ngay rằng: Phương án mới đã thực sự cho phép luôn luôn đảm bảo tính cân đối giữa 3 pha mà không phụ thuộc vào tải Hơn thế nữa – như phần trình bày dưới đây sẽ chỉ rõ hơn – giải pháp này còn cho phép tận dụng tối đa công suất của nguồn DC vì mô đun của vector điện áp lúc này chính bằng UDC

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

Then chốt trong kỹ thuật điều khiển nghịch lưu 3 pha theo phương án như hình trên là khả năng điều khiển điều chế từng cầu nghịch lưu đơn (1pha) để tạo nên điện áp hình sin đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp Biến áp 3 pha thực chất có thể coi

là 3 biến áp 1 pha, với 3 cuộn sơ cấp được nuôi bởi 3 điện áp hình sin lệch pha nhau

120o Vì lý do ấy, tại đây ta chỉ quan tâm tới kỹ thuật điều chế cho 1 nghịch lưu đơn

Trang 31

Có 2 phương pháp điều chế bề rộng xung (Pulse Width Modulation) để tạo điện áp hình sin (còn gọi là kỹ thuật biến đổi DC-AC) cho cầu nghịch lưu 1 pha:

*/ Phương pháp điều chế 2 cực (Bipolar Voltage Switching): Hai cặp van

V1/V4 và V2/V3 được điều khiển bởi 2 tín hiệu có trạng thái logic phủ định nhau Cách điều khiển này dẫn đến: trong mọi chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải (ở đây

là cuộn sơ cấp của biến thế) luôn nhận điện áp ngược dấu UDC hoặc –UDC (do đó có tên 2 cực) Nếu thực hiện bằng kỹ thuật Analog, có thể tạo 2 tín hiệu logic bằng cách so sánh tín hiệu điều khiển uc với chuỗi xung răng cưa u như hình 3.3

Hình 3 3: Phương pháp điều chế 2 cực: sơ cấp biến áp luôn nhận U DC hoặc –U DC

Sóng cơ bản của điện áp điều chế utrafo có biên độ nằm trong phạm vi từ 0 ÷

UDC, cho phép tận dụng tốt giải biên độ điện áp do máy phát cung cấp vốn có giá trị nhỏ khi gió yếu

*/ Phương pháp điều chế đơn cực (Unipolal Voltage Switching): Nếu phương pháp 2 cực chỉ dùng 1 tín hiệu điều khiển uc để điều khiển 2 cặp van V1/V4

và V2/V3, thì phương pháp đơn cực lại dùng 2 tín hiệu ngược giống nhau uc và – uc

- U DC

+ U DC

Trang 32

chỉ để điều khiển cặp van phía trên V1/V2 Còn 2 van phía dưới được điều khiển hoàn toàn phụ thuộc 2 van đó: V3 nhận trạng thái logic phủ nhận của V1, còn V4nhận trạng thái logic phủ định của V2 Dễ dàng nhận thấy : Trong phạm vi nửa chu

kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải (cuộn sơ cấp của biến thế) chỉ nhận điện áp 1dấu (do

đó có tên đơn cực) Ví dụ : xét nửa chu kỳ dương ở hình 3.4 ta sẽ thấy, cuộn dây biến áp nhận điện áp UDC (V1 dẫn, V2 không dẫn V4 dẫn) hoặc 0 (V1, V2 cùng dẫn 2 cực cuộn dây sơ cấp biến áp cùng nối với thế năng +)

+ U

- U DC

+ U DC

Trang 33

Hình 3 4: Phương pháp điều chế đơn cực: Tuỳ theo nửa chu kỳ, sơ cấp biến áp chỉ nhận 1

trong 2 giá trị ±U DC hoặc 0

Tương tự kỹ thuật hai cực, sóng cơ bản của điện áp điều chế utrafo cũng có biên độ nằng trong phạm vi 0 ÷ DDC, cho phép tận dụng tốt giải biên độ điện áp do máy phát cung cấp, vốn có giá trị nhỏ khi gió yếu

Hai phương pháp điều chế PWM nói trên chủ yếu được thực hiện bằng linh kiện Analog Để hiểu rõ hơn bản chất, đồng thời tạo điều kiện thực hiện thuận lợi bằng kỹ thuật Digital (sử dụng F2812), luận văn đã đưa ra cách nhận thức vấn đề dưới dạng vector và đề xuất hai phương pháp điều chế vector điện áp 1 pha dưới đây

* Phương pháp điều chế vector điện áp hai cực (Bipolar vector Modulation): Phương pháp này có xuất phát điểm là phương pháp điều chế hai cực, ta hãy theo dõi hình 3.5 dưới đây:

Hình 3 5: Phương pháp điều chế vector điện áp hai cực: Bipolar vector Modulation

Để tiện theo dõi, Trong hình 3.5 ta đã thay các van bán dẫn bởi các tiếp điểm

cơ Dễ dàng thấy rằng: Trong một chu kỳ xung Tpulse, bằng cách luân phiên hai cặp

T pulse

- UDC+ UDC

Trang 34

T-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

van ta đã đặt lên cuộn dây sơ cấp một trong 2 giá trị điện áp +UDC (trong khoảng thời gian T+) hoặc –UDC (trong khoảng thời gian T-)

Việc chỉ có khả năng đặt lên cuộn dây 2 điện áp ngược dấu nhau cũng giống như việc ta chỉ có khả năng sử dụng 2 vector điện áp trái chiều nhau u+ và u-

Hình 3 6: Điều chế điện áp chỉ bằng 2 vector u + và u

-Ta định nghĩa một hệ toạ độ cố định αβ có trục thực trùng với chiều của điện

áp đặt lên cuộn dây biến thế Trên hệ toạ độ mới, ta dễ dàng thấy rằng điện áp đặt lên biến thế chính là hình chiếu uTα của một vector điện áp uT (quay tròn quanh gốc toạ độ với vận tốc góc ω=2πf) xuống trục α Nếu coi uTα là module của một vector

uTα (có chiều như trong hình 3.5) là vector được thực hiện bởi trạng thái logic của

u+ trong khoảng thời gian rút ngắn tương ứng Trong khoảng thời gian còn lại ta thực hiện vector điện áp có giá trị module bằng 0:

0

1 1

Trang 35

Hình 3.6 và công thức trên chỉ ra rất rõ ràng: Ta đã quy việc thực hiện uTα về

việc thực hiện 2 vector u+ (đã suy giảm với hệ số

Tuy nhiên, hình 3.6 chỉ minh hoạ việc thực hiện vector uT với modul tối đa

thực tế ta phải sử dụng quan hệ (3.2) thực hiện một vector uT có modul bất kỳ như hình 3.7 Chỉ bằng các phép tính hình học – lượng giác phổ thông ta dễ dàng tính được:

Trang 36

Hình 3 8: Nghịch lưu đơn có thể tạo được 4 trạng thái logic, ứng với 4 vector điện áp chuẩn: u 1 (logic 10: hình a), u 2 (logic 01: hình b) u o , u 3 (logic 00, 11) là 2 vector có modul

bằng 0 (hình c,d)

* Phương pháp điều chế vector điện áp đơn cực (Unipolar Vector Modulation): Nếu định nghĩa trạng thái của hai điểm A, B (2 cực của cuộn dây sơ cấp biến thế) là 1 khi chúng được nối với thế năng dương, là 0 khi chúng được nối với thế năng âm của mạch DC Khi ấy phải một nghịch lưu đơn với 2 nhánh van có thể tạo được 22=4 trạng thái logic với các dạng sơ đồ mạch minh hoạ ở hình 3.8

Khác với phương pháp 2 cực luân phiên sử dụng 2 điện áp khác dấu trong cùng một nửa chu kỳ (hình 3.5b), phương pháp đơn cực chỉ sử dụng điện áp dương (logic 10) và điện áp 0 (logic 11) cho nửa chu kỳ dương, cúng như điện áp âm (logic 01) và điện áp 0 (logic 00) cho nửa chu kỳ âm hình 3.9

Trang 37

Hình 3 9: Khác với phương pháp điều chế vector 2 cực, phương pháp đơn cực sử dụng cả

2 trạng thái logic 00 và 11

Có thể nhận thấy rõ hơn cách chuyển mạch các van qua hình ảnh phóng to ở hình

Hình 3 10:Cả hai trạng thái logic 00 và 11 đều tham gia vào điều chế 2 nửa chu kỳ

Các trạng thái logic ở hình 3.8 ứng với các vector điện áp chuẩn u1 (trạng

thai 10) u2 (trạng thai 01) và u0,3 (trạng thai 00,11) biểu diễn ở hình 3.11 Gọi thời

gian duy trì của vector u1 là T1, của u2 là T2, và của u0,3 là T0,3, qua biểu đồ vector ở hình ta có công thức tính cho 2 góc ¼ Q1 và Q4

C Pul e

pulse T

Trang 38

Công thức (3.5) có hiệu lực đối với nửa chu kỳ dương Đối với nửa chu kỳ âm, tức

là đối với 2 góc ¼ Q2, Q3 ta sử dụng các công thức tính sau đây:

Hình 3 11:Biểu đồ vector của kỹ thuật điều chế vector đơn cực : Nghịch lưu đơn cực sử

dụng 2 vector có modul bằng không là u 0 , u 3 (logic 00, 11)

Cả 2 phương pháp điều khiển nghịch lưu nêu trên có một số điểm khác biệt cần được nêu lên như sau :

* Do tận dụng được 2 vector chuẩn có modul bằng không là u 0,3, biên độ hài bậc cao của phương pháp điều chế đơn cực bé hơn so với phương pháp 2 cực Đây

là lợi thế cần được triệt để tận dụng để giảm bớt kích cỡ, giảm giá thành cũng như giảm phát nhiệt của kháng lọc điện áp ra

* So với phương pháp 2 cực, phương pháp đơn cực cần gấp đôi số tín hiệu PWM Điều này rất có ý nghĩa khi chọn MicroControler

Trang 39

Hình 3 12: Tín hiệu điều khiển van nghịch lưu a) Theo phương pháp điều chế 2; b) theo phương pháp điều chế đơn cực

Dễ dàng thấy rằng : Do việc điều khiển đòi hỏi 2 van thuộc đường chéo cầu nghịch lưu phải mở giống nhau, nhưng bảo đảm tính phủ định giữa 2 cặp van

V1/V4 và V2/V3, ta chỉ cần 1 tín hiệu điều chế duy nhất khi dùng phương pháp 2 cực Khi sử dụng phương pháp đơn cực ta lại không cần điều khiển phủ định giữa 2 cặp van V1/V4 và V2/V3, vì 2 van trên V1 và V2, hoặc 2 van dưới V3 và V4, có thể đồng thời dẫn dòng Nhưng do trạng thái dẫn giữa van trên/ dưới của cùng một nhánh cầu nghịch lưu phải phủ định lẫn nhau, ta cần hai tín hiệu điều chế như hình 3.13b

Phương pháp điều chế vector điện áp cho pháp thực hiện điều chỉnh ổn định điện áp ra một cách dễ ràng

Trang 40

Hình 3 13: Điều chỉnh ổn định điện áp ra : a) Cấu trúc vòng điều chỉnh; b) Cấu trúc bộ điều chỉnh số (DigitalControler);m *

:Hệ số điều chế cần thực hiện, m r :Hệ số điều chế thực

Một khâu quan trọng có ý nghĩa quyết định tới không chỉ chất lượng điện áp

ra, mà còn tới cả khả năng giảm phát nhiệt của biến thế xuất : Đó là bộ lọc đầu ra với 2 phần tử Lf và Cf Đây cũng là một trong nhưng khâu khó thực hiện do thiếu khả năng chế tạo cuộn cảm có giá trị chính xác như thiết kế đòi hỏi tại Việt Nam

Trong các thiết bị thuộc thế hệ tiếp theo cần phải tìm cách :

* Làm chủ công nghệ chế tạo LF

* Sử dụng biến thế chỉ với vai trò cách ly thế năng, không nên dùng với vai trò tăng áp, để giảm điện áp sụt giảm trên kháng lọc và trên biến thế khi nặng tải

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	4,22 MB