(LUẬN văn THẠC sĩ) cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID​

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ÔN NHẬT MAI SƠN CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐỖ TRUNG HẢI TS ĐẶNG DANH HOẰNG PHÒNG ĐÀO TẠO TS ĐẶNG DANH HOẰNG THÁI NGUYÊN 2017 download by : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Nghiên cứu sử dụng nguồn lượng tái tạo (năng lượng gió) việc cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió nhằm khai thác nguồn lượng gió đưa vào phục vụ sản xuất đời sống góp phần giảm tiêu hao lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Bên cạnh việc sử dụng lượng gió nguồn lượng chỗ để thay cho dạng lượng truyền thống đáp ứng nhu cầu lượng cho sản xuất sinh hoạt kế sách có ý nghĩa quan trọng mặt kinh tế, an ninh lượng phát triển văn hố giáo dục… Vì mục tiêu đề tài nghiên cứu cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió nhằm khai thác hiệu nguồn lượng tái tạo Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mơ tả tốn học hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị nguồn kép - Thiết kế điều khiển PID - Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID - Mô đánh giá chất lượng điều khiển điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID so với điều khiển PID Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị nguồn kép Chương 2: Điều khiển hệ thống điều khiển PID Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết luận kiến nghị download by : skknchat@gmail.com Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP 1.1 Khái quát hệ thống lượng gió đối tượng nghiên cứu Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp turbine gió việc cung cấp điện quốc gia giới, hình thành “Wind farm” gồm nhiều turbine gió nối mạng với Các “Wind farm” xây dựng đất liền hình 1.1, xây dựng vùng biển “Offshore” hình 1.2 Tổng cơng suất mà “Wind farm” tạo lên đến hàng chục MW Nhằm đáp ứng cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện khơng đồng pha nguồn kép (MĐKĐBNK), luận văn tập trung vào nội dung thiết kế cấu trúc điều khiển mờ MĐKĐBNK Hiện nhiều nước giới sử dụng hệ thống máy phát (MP) điện sức gió với kiểu turbine: Turbine trục đứng trục ngang, loại có ưu nhược điểm định chẳng hạn kiểu turbine trục đứng có mơmen xoắn lớn nên khơng phù hợp đặt cao, đặt vị trí thấp có tốc độ gió nhỏ dẫn đến thường có cơng suất vừa nhỏ Với turbine kiểu trục ngang khắc phục nhược điểm turbine trục đứng nhược điểm chi phí xây dựng lắp đặt cao Chính tuỳ vào điều kiện thực tế mà người ta lựa chọn kiểu turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp Hình 1.1: Một Wind farm đất liền gồm nhiều máy phát nối mạng với download by : skknchat@gmail.com Hình 1.2: Một Wind farm biển gồm nhiều máy phát nối mạng với Cho đến thời điểm có nhiều cơng trình khoa học nghiên cứu hệ thống máy phát điện sức gió với cấu trúc đa dạng, khái quát phát triển loại máy phát điện sức gió hình 1.3 Hệ thống Phát điện sức gió Máy phát chiều Máy phát xoay chiều Máy phát xoay chiều pha Máy phát đồng kích thích vĩnh cửu (hình 1.4) Máy phát khơng đồng pha rotor lồng sóc (hình 1.4) Máy phát xoay chiều pha Máy phát không đồng Máy phát không đồng pha nguồn kép (hình 1.5) Hình 1.3: Các cấu trúc hệ thống phát điện sức gió thực tiễn download by : skknchat@gmail.com Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng pha kích thích vĩnh cửu khơng đồng pha rotor lồng sóc hình 1.4 ≈ Hộp số = MF ≈ = Hình 1.4: Máy phát đồng pha kích thích vĩnh cửu khơng đồng pha rotor lồng sóc Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng pha nguồn kép hình 1.5 Hộp số MF ≈ = = ≈ Hình 1.5: Máy phát không đồng pha nguồn kép Hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng pha nguồn kép (MĐKĐBNK) nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu có đặc điểm sau: - Từ hình 1.5 cho thấy thiết bị điều khiển đặt phía rotor nên cần thiết kế 1/3 cơng suất tồn máy điện hạ giá thành 1/3 so với loại máy điện khác [19] - Có ý nghĩa mặt khoa học khó điều khiển - Ngồi MĐKĐBNK hoạt động với dải tốc độ phạm vi rộng cỡ  30% tốc độ đồng bộ, cho phép tận dụng tốt nguồn lượng gió download by : skknchat@gmail.com vốn hay thay đổi phạm vi rộng Tuy nhiên cần lưu ý hệ thống làm việc không để MĐKĐBNK chạy tốc độ đồng cách điều khiển cánh turbine làm lệch tốc độ đồng (vì làm việc chế độ đồng đại lượng dịng, áp rotor lúc trở thành đại lượng chiều gây nguy hiểm phá hỏng thiết bị) Các chế độ vận hành MĐKĐBNK mơ tả sơ đồ hình 1.6 [8, 19] Với ý nghĩa mặt khoa học kinh tế, kỹ thuật trên, có nhiều nghiên cứu đưa phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK với phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến, thể sơ đồ hình 1.7 Trên đồng Chế độ máy phát 0>s>- -1 n ns Trên đồng Chế độ động 0>s>- Dưới đồng Chế độ máy phát 1>s>0 Dưới đồng Chế độ động 1>s>0 m a) Lưới điện Lưới điện S Rotor Rotor Stator Stator b) c) a) Phạm vi hoạt động b) Dòng lượng MP chế độ đồng b) Dòng lượng MP chế độ đồng Hình 1.6: Phạm vi hoạt động MĐKĐBNK dòng chảy lượng chế độ máy phát download by : skknchat@gmail.com Các phương pháp điều khiển MĐKĐBNK Phương pháp điều khiển tuyến tính Cuốn chiếu (Backstepping based) Phương pháp điều khiển phi tuyến Tuyến tính hố xác (Exact linearization) Tựa phẳng (Platness based) Tựa theo thụ động (Passivity based) Mờ (Fuzzy) Hình 1.7: Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK Từ hình 1.7, cho thấy phương pháp điều khiển mờ, mục tiêu áp dụng để điều khiển MĐKĐBNK hệ thống máy phát điện sức gió Vì việc lựa chọn phương pháp điều khiển cho thấy phương pháp áp dụng cho đối tượng nghiên cứu MĐKĐBNK nhằm tăng khả áp dụng vào thực tiễn 1.2 Các thành phần điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK Cấu trúc điều khiển đầy đủ hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK, gồm có thành phần sau đây: - Điều khiển turbine - Điều khiển phía lưới phía máy phát - Điều khiển cắt máy phát khỏi lưới sử dụng crowbar (hình 1.8) stator switch (hình 1.9) nhằm bảo vệ máy phát có cố lưới download by : skknchat@gmail.com Tem Máy cắt Ps, Qs Pg, Qg Lưới Tt Pf, Qf lọc ≈ = ≈ = lọc Crowbar Cấp Điều khiển Crowbar (Phuơng pháp điều khiển véc tơ cho NLPL NLMP) Tem* Vbus* Qf* Qs* Wm  * Cấp (Điều khiển turbine) VW Hình 1.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar Tem Pg, Qg Ps, Qs Stator switch Tt Pf, Qf lọc ≈ = ≈ = Cấp Điều khiển Stator switch (Phuơng pháp điều khiển véc tơ cho NLPL NLMP) Tem* * lọc Vbus* Qs* Qf* Wm Cấp (Điều khiển turbine) VW Hình 1.9: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch download by : skknchat@gmail.com Lưới 1.2.1 Điều khiển turbine Cơng suất turbine gió Cơng suất turbine gió tính theo cơng thức [16, 17, 18]: Ptb  tb Rcg2 vgm Ctb (1.1) Trong đó: tb mật độ khơng khí (kg/m3), Rcg bán kính cánh gió (m), vgm tốc độ gió khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (m/s), Ctb hệ số phụ thuộc vào cấu trúc khí động học turbine gió xác định theo (1.2): Ctb  f (  p ,tb ) (1.2) với p góc xoay cánh gió so với mặt cắt ngang qua trung tâm cánh gió gọi góc pitch, tb hệ số phụ thuộc vào tốc độ góc quay turbine tb tốc độ gió vgm: tb  tb( t ) Rcg vgm( t ) (1.3) Cũng lưu ý, theo tài liệu nghiên cứu [14, 18] giá trị cực đại Ctb 0,593 gọi giới hạn Betz Các công thức (1.1), (1.2), (1.3) cho thấy công suất turbine gió phụ thuộc vào cấu trúc khí động học turbine gió, góc pitch, tốc độ gió tốc độ góc quay turbine Chính với góc pitch cố định tốc độ gió cho trước cơng suất turbine gió cịn phụ thuộc vào tốc độ quay Phương pháp điều khiển Nhiệm vụ điều khiển turbine điều khiển tốc độ turbine để trì cơng suất biến đổi từ lượng gió thành cơng suất trục turbine cực đại cần phải đảm bảo giá trị hệ số Ctb tối ưu ứng với tốc độ gió nhỏ tốc độ gió lớn cho phép Ứng với tốc độ gió mà cơng suất máy phát đạt đỉnh cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn cơng suất turbine Ở tốc độ gió nhỏ tốc độ nhỏ cho phép lớn tốc độ lớn cho phép download by : skknchat@gmail.com 10 turbine cần phải cắt máy phát khỏi lưới sử dụng phanh khí để giữ cho turbine khơng quay Muốn tốc độ trục turbine gió (được nối với trục rotor MĐKĐBNK thông qua hộp số) phải thể công thức (1.1), (1.2), (1.3) Đây vấn đề nhiều người quan tâm [14, 16] Dưới mối quan hệ công suất turbine với tốc độ góc quay ứng với tốc độ gió khác nhau, thể hình 1.10 Vùng cơng suất khơng đổi Cơng suất turbine (%) 100% Vùng công suất tối ưu VW = 20 m/s VW = 18 m/s 50% VW = 16 m/s VW = 14 m/s VW = 12 m/s VW = 10 m/s VW = m/s 10 25 15 20 Tốc độ quay turbine (v/ph) 30 35 Hình 1.10: Các đường cong sử dụng giải pháp điều khiển turbine Trên hình 1.10 với đường đặc tính công suất tối ưu turbine thể nét đậm diễn giải sau [18]: - Khi tốc độ gió nằm khoảng từ tốc độ nhỏ cho phép tăng công suất máy phát đạt giá trị lớn cho phép tốc độ quay turbine gió điều chỉnh cho Ctb đạt giá trị tối ưu để cơng suất biến đổi từ lượng gió ứng với tốc độ gió lớn Vùng làm việc gọi vùng công suất tối ưu - Khi công suất máy phát đạt đến giới hạn lớn cho phép mà tốc độ gió tiếp tục tăng điều chỉnh tốc độ quay turbine ứng với tốc độ gió cho Ctb đạt giá trị nhỏ giá trị tối ưu điều chỉnh góc pitch để giữ cho công suất trục turbine số Vùng làm việc gọi vùng công suất không đổi - Khi điều chỉnh hệ số Ctb góc pitch mức tới hạn mà tốc độ gió tiếp tục tăng bắt buộc phải cắt máy phát để bảo vệ turbine biến đổi công suất download by : skknchat@gmail.com 56 Ta sử dụng mơ hình sau để giải tốn điều khiển có xét tới trạng thái động đối tượng et  - Đối tượng Bộ điều khiển mờ I Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) 3.1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi Bộ điều khiển mờ thích nghi có phương pháp cấu trúc bản: + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi trực tiếp tổng quát sơ đồ hình 3.11 + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi gián tiếp tổng quát sơ đồ hình 3.12 x - Bộ chỉnh định mờ Nhận dạng tham số Bộ điều khiển Đối tượng y Hình 3.11: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp Nhận dạng tham số Bộ chỉnh định mờ x - Bộ điều khiển Đối tượng Hình 3.12: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp download by : skknchat@gmail.com y 57 3.1.2.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID có cấu trúc hình 3.13 Bộ điều khiển mờ KP x - KI KD Bộ điều khiển PID Đối tượng y Hình 3.13: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Từ nguyên lý điều khiển điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID cho thấy dễ dàng xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ thống máy phát điện sức gió tương tự chương 2, ta thay điều khiển PID điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Như từ hình 1.15, ta cấu trúc điều khiển toàn hệ thống với RI điều khiển mờ chỉnh đinh tham số điều khiển PID hình 3.14: download by : skknchat@gmail.com 58 u v w Luới Khâu ĐC uDC UDC * i*Nd - UDC Khâu ĐCD uN d uNq ejr uNβ i*Nq Q * N QN uN - Khâu ĐCQ ĐCVTKG  N iN iNd iNq Tính Q MĐN CL tu tv tw uN e iNu iNv -jr iNβ uNd u v w UD MĐC C Khâu ĐCMM mG * mG i*rd - urd tr ts tt Mờ cđ jr urq e urb PID TSP i*rq Q ura * Q  isdq - Khâu ĐCQ s usd ’*sd r u*sd q q q  ir e-jr irβ * i rd i*rq ’*sq u*sd u*sq 3~ MP NL irr irs IE n GTT is isd ’*sd t q Q r S ĐCVTKG ir ird r mG r r isu  isq e-jN isβ GTĐ N N uNu PLL uNd = isv uNv us Hình 3.14: Cấu trúc điều khiển tồn hệ thống với điều khiển dịng mờ chỉnh định tham số PID phía máy phát điện sức gió download by : skknchat@gmail.com 59 3.2 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID [4] 3.2.1 Phương pháp thiết kế Bộ điều khiển PID kinh điển thiết kế dựa phương pháp biết phương pháp tổng hợp hệ thống Ziegler Nichols, phương pháp Offerein, phương pháp Reinisch … Bộ điều khiển sở cho việc tổng hợp hệ thích nghi sau Khác với phương pháp dùng công tắc chọn điều khiển phù hợp hệ lai, thông số điều khiển thích nghi hiệu chỉnh trơn Một điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu u(t) có mơ hình tốn học sau:  t det  ut   K P et    et dt  TD TI dt   K Hoặc G PID s   K P  I  K D s s K K đó: TI  P TD  D KI KP (2.13) (2.14) Bộ chỉnh định mờ de e, dt Thiết bị chỉnh định … x - Bộ điều khiển PID Đối tượng Hình 3.15 Phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID Bộ chỉnh định mờ e e Bộ chỉnh định mờ Bộ chỉnh định mờ KP KD  Hình 3.16 Bên điều chỉnh mờ download by : skknchat@gmail.com y 60 Các tham số KP, TD, TI hay KP, KI, KD điều khiển PID chỉnh định sở phân tích tín hiệu chủ đạo tín hiệu hệ thống, xác sai lệch e(t) đạo hàm de sai lệch Có nhiều phương pháp chỉnh định dt tham số cho điều khiển PID chỉnh định qua phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, song phương án đơn giản dễ áp dụng phương pháp chỉnh định mờ Zhao, Tomizuka Isaka (hình 2.1) Với giả thiết tham số KP, KD bị chặn, tức là:    max max K P  K K D  K P ,KP D ,KD  Zhao, Tomizuka Isaka chuẩn hóa tham số sau: K P  K K D  K P D k D  max k P  max KP  KP K D  K D để có  kP, kD  det  đầu kP, dt Như chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), TI k 2P kD  Trong đó:    kI  TD k D   A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 -emax emax C1 C2 C3 C4 e, e Hình 3.17: Tập mờ e e’  Hình 3.18: Tập mờ   B1 B2 KP; KD Hình 3.19 Tập mờ Kp KD download by : skknchat@gmail.com 61 Ở ta thiết kế thành ba điều khiển mờ để chỉnh định tham số, sau tích hợp thành chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), det  đầu dt KP, KD  Với tập mờ đầu vào (hình 2.7), tập mờ đầu cho biến KP, KD (hình 2.9) tập mờ đầu  (hình 2.8) Triển khai mệnh đề hợp thành theo nguyên tắc Max-prod giải mờ phương pháp độ cao Các luật chỉnh định: * Luật chỉnh định Kp: e e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 A2 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 A3 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 A0 B1 B1 B1 B2 B1 B1 B1 A4 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 A5 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 A6 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 * Luật chỉnh định KD: e e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 A2 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B1 A3 B2 B2 B2 B1 B2 B2 B2 A0 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 A4 B2 B2 B2 B1 B2 B2 B2 A5 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B2 A6 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 * Luật chỉnh định : e e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 C1 C1 C1 C1 C1 C1 C1 A2 C2 C2 C1 C1 C1 C2 C2 A3 C3 C2 C2 C1 C2 C2 C3 A0 C4 C3 C2 C2 C2 C3 C4 A4 C3 C2 C2 C1 C2 C2 C3 A5 C2 C2 C1 C1 C1 C2 C2 A6 C1 C1 C1 C1 C1 C1 C1 download by : skknchat@gmail.com 62 3.2.2 Nhận xét - Phương pháp thiết kế đơn giản dễ dàng thay đổi luật mờ - Dùng để nâng cao chất lượng điều khiển PID kinh điển 3.3 Đánh giá chất lượng mô Matlab/Simulink 3.3.1 Sơ đồ mô Sơ đồ mô hệ thống sử dụng điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Udc omega_n Tr u_dc 950 n_ref [n] n Unetz mL omega_n indq_ist Tabc u_netz Tm Ustator indq_ist undq_ist undq_ist theta_n theta_n udc_ist udc_ist IF u_stator Turbine Source IStator Sine Wave K5 Enc Inetz i_stator DC Check enc i_netz Sy nch irdq_ist Bo dieu khien phia luoi Cac tin hieu dieu kien i_rotor Irotor To Workspace I_phu Inv I_kurzschluss usdq_ist k_5 I_chinh Signal y Rec isdq_ist Ti I_haupt theta_s Clock Bo dieu khien MF theta_r Mo hinh MF t Sy nchout Fehler Signal Builder To Workspace1 K5 omega_s Sy nch ird* IF Tabc omega_m irq* udc_ist Chuan_hoa theta_n undq_ist theta_r omega_n irdq_ist isdq_ist ird* usdq_ist theta_s omega_s irq*1 omega_m Hình 3.20: Sơ đồ mơ tồn hệ thống với điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID V x(k) x y(k-1) Verstaecker 1 z x(k-1) y y(k) z Product3 Product Product1 y(k) z D Verstaecker1 IF Out1 In1 Out2 Out3 Bo dk Mo Hình 3.21: Khối điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Trong điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID có cấu trúc mơ phỏng: download by : skknchat@gmail.com 63 Hình 3.22: Sơ đồ mơ cấu trúc điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 3.3.2 Kết mô so sánh điều khiển mờ chỉnh định tham số PID với điều khiển PID a) Khi máy phát làm việc tốc độ định mức (950v/ph) - Kiểm tra việc thực hoà đồng máy phát lên lưới Dap ung dong rotor qua trinh thuc hien hoa dong bo Dap ung dong rotor qua trinh thuc hien hoa dong bo 1 0 ird* irq* ird irq -1 -2 irdq (A) irdq (A) -2 -3 -4 -3 -4 -5 -5 -6 -6 -7 -7 -8 -8 0.05 0.1 0.15 t(s) 0.2 0.25 0.3 ird* irq* ird irq -1 0.05 0.1 0.15 t (s) 0.2 0.25 Hình 3.23a: Đáp ứng dịng điện rotor máy phát với điều khiển PID Hình 3.23b: Đáp ứng dịng điện rotor máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID Hình 3.24a: Đáp ứng điện áp pha stator máy phát với điều khiển PID Hình 3.24b: Đáp ứng điện áp pha stator máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID download by : skknchat@gmail.com 0.3 64 Sai lech giua dien ap stator may phat va luoi Sai lech giua diwn ap stator may phat luoi 3 2 Sai lech Sai lech 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 -4 -4 0.26 0.28 0.3 t(s) 0.32 0.34 0.26 0.36 Hình 3.25a: Sai lệch điện áp pha stator máy phát lưới với điều khiển PID 0.28 0.3 t (s) 0.32 0.34 0.36 Hình 3.25b: Sai lệch điện áp pha stator máy phát lưới với điều khiển mờ chỉnh định PID Nhận xét: Kết mô cho thấy điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID cải thiện chất lượng điều khiển so với điều khiển PID đáp ứng dòng rotor tốt (hình 3.23ab), thời gian để điện áp pha lưới máy phát trùng ngắn (Hình 3.24ab) sai lệch lớn 1% (hình 3.25a), với điều khiển PID 1,1% (hình 3.25b) - Kiểm tra chất lượng hệ thống điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió (sau hoà đồng bộ) Dap ung mo men cua may phat Dap ung momen cua may phat m* m 0 -1 -1 -2 -2 m (Nm) momen (Nm) -3 -4 -5 -5 0.2 0.4 0.6 0.8 t(s) 1.2 1.4 1.6 1.8 -6 Hình 3.26a: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển PID 1200 1000 1000 Q (Var) 1200 800 600 400 400 200 200 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 1.6 1.8 Hình 3.27a: Đáp ứng cơng suất Q máy phát với điều khiển PID Q Q* 800 600 0.4 0.8 1600 1400 0.2 0.6 Dap ung cpng suat phan khang cua may phat 1400 0.4 1800 Q Q* 1600 0.2 Hình 3.26b: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID Dap ung cong suat phan khang 1800 Q (Var) -3 -4 -6 m* m 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.26b: Đáp ứng công suất Q máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID download by : skknchat@gmail.com 65 Dap ung dong rotor may phat Dap ung dong dien rotor cua may phat 4 ird* irq* ird irq 2 1 irdq (A) irdq (A) ird* irq* ird3 irq -1 -1 -2 -2 -3 -3 -4 -4 -5 0.4 0.6 0.8 1.2 t (s) 1.4 1.6 1.8 -5 0.4 0.6 0.8 1.2 t (s) 1.4 1.6 1.8 Hình 3.28b: Đáp ứng dịng rotor máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID Hình 3.28a: Đáp ứng dòng rotor máy phát với điều khiển PID b) Khi máy phát làm việc (sau hòa vào lưới điện) tốc độ đồng (1050v/ph) Dong dien rotor cua may phat Dap ung dong rotor may phat 3 ird* irq* ird irq 2 irdq (A) 0 -1 -1 -2 -2 -3 0.4 0.6 0.8 1.2 t (s) 1.4 1.6 1.8 -3 0.4 Hình 3.29a: Đáp ứng dòng rotor máy phát với điều khiển PID 0.6 0.8 Dap ung mo men cua may phat -2 -2 m (Nm) -1 -3 -4 -5 -5 0.3 0.4 0.5 t (s) 0.6 0.7 1.8 -3 -4 0.2 1.6 m* m -1 0.1 1.4 Dap ung mo men cua may phat 0 1.2 t (s) m* m -6 Hình 3.29b: Đáp ứng dịng rotor máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID m (Nm) irq (A) ird* irq* ird irq 0.8 Hình 3.30a: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển PID 0.9 -6 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 t (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 3.30b: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID download by : skknchat@gmail.com 66 Dap ung cong suat phan khang cua may phat Dap ung cong suat phan khang cua may phat 1600 1600 Q Q* 1400 1000 1000 Q (Var) 1200 Q (Var) 1200 800 600 800 600 400 400 200 Q Q* 1400 200 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 0 0.2 Hình 3.31a: Đáp ứng Q máy phát với điều khiển PID 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.31b: Đáp ứng Q máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID c) Khi máy phát làm việc (sau hòa vào lưới điện) tốc độ đồng (850v/ph) Dap ung dong rotor cua may phat Dap ung dong rotor cua may phat 3 ird* irq* ird irq 2 irdq (A) 0 -1 -1 -2 -2 -3 0.4 0.6 0.8 1.2 t (s) 1.4 1.6 1.8 -3 0.4 0.6 Hình 3.32a: Đáp ứng dòng rotor máy phát với điều khiển PID 0.8 Dap ung mo men cua may phat 1.2 t (s) 1.4 1.6 1.8 Dap ung momen cua may phat m* m Hình 3.32b: Đáp ứng dòng rotor máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID 1 m* m -1 -1 -2 -2 -3 m (Nm) m (Nm) irdq (A) ird* irq* ird irq -4 -3 -4 -5 -5 -6 -6 -7 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.33a: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển PID -7 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.33b: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID download by : skknchat@gmail.com 67 Dap ung cong suat phan khang cua may phat Dap ung cong suat phan khang cua may phat 1800 1800 Q Q* 1400 1400 1200 1200 1000 1000 800 800 600 600 400 400 200 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.34a: Đáp ứng Q máy phát với điều khiển PID Nhận xét: Q Q* 1600 Q (Var) Q (Var) 1600 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.34b: Đáp ứng Q máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID Từ kết mô dịng điện, mơ men (cơng suất tác dụng P) công suất phản kháng Q chế độ làm việc đồng bộ, đồng định mức từ hình 3.26ab đến hình 3.36ab cho thấy chất lượng điều khiển điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID cải thiện, điều khẳng định tính đắn thuật toán đặt 3.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Tổng quan vấn đề hệ logic mờ điều khiển mờ - Đưa phương pháp thiết kế điều khiển chỉnh định tham số điều khiển PID để thiết kế điều khiển cho đối tượng - Mô hệ thống - Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID so với điều khiển PID download by : skknchat@gmail.com 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng ba pha nguồn kép Nhiệm vụ cụ thể Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện dị nguồn kép điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hồn thành chương sau: Chương 1: Xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị nguồn kép Chương 2: Điều khiển hệ thống điều khiển PID Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết luận văn đạt là: Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID, tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mô Matlab-Simulink-Plecs Qua đánh giá cho thấy tính đắn thuật toán áp dụng để điều khiển hệ thống Ngoài với phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID qua mô cho thấy chất lượng cải thiện so với điều khiển PID Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản xuất download by : skknchat@gmail.com 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Lê Chi, Nguyễn Quang Tuấn, Nguyễn Phùng Quang (2005), "Cấu trúc tách kênh trực tiếp điều khiển hệ thống máy phát điện không đồng nguồn kép", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (6), tr 28 - 35 [2] Lại Khắc Lãi, Nguyễn Văn Huỳnh (2009), "Một phương pháp điều khiển tốc độ turbin gió trục đứng", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Thái Nguyên, (11) tr 45-49 [3] Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Doãn Phước  Phan Xuân Minh (2002), Lý thuyết điều khiển mờ in lần thứ có sửa chữa bổ sung , Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [5] Nguyễn Doãn Phước (2005), "Khảo sát mối liên quan khái niệm tên thuộc lý thuyết điều khiển tuyến tính phi tuyến", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (6), tr 56 - 60 [6] Nguyễn Doãn Phước, Nguyễn Tiến Hiếu (2005), "Tổng quan phương pháp điều khiển tựa theo thụ động số kết nghiên cứu mở rộng", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (12), tr 10 - 21 [7] Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội [8] Nguyễn Phùng Quang (1998), "Máy điện dị nguồn kép dùng làm máy phát hệ thống phát điện sức gió: Các thuật tốn điều chỉnh bảo đảm phân ly mô men hệ số công suất", Tuyển tập VICA 3, tr 413-437 [9] Nguyễn Phùng Quang (1996) Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha NXB Giáo dục, Hà Nội [10] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002), Truyền động điện thông minh, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội Tiếng Anh [11] Allmeling J H., Hammer W P, Plecs - Piece - wise linear Electrical circuit simulation for simulink download by : skknchat@gmail.com 70 [12] ANDREAS PETERSSON, “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines”, THESIS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY, Division of Electric Power Engineering Department of Energy and Environment, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Găoteborg, Sweden 2005 [13] Bao Jie., and Lee Peter L 2008), Process Control The Passive Systems Approach [14] Bianchi F F., De Battista H., and Mantz R J (2006), Wind Turbine Control Systems: Principles, modelling and Gain Scheduling Design Springer, July 2006 [15] Boukhezzar H and Siguerdidjane H (2009), "Nonlinear control with wind estimation of a dfig variable speed wind turbine for power capture optimization", Energy Conversion and Management, 50, pp 885-892 [16] Koutroulis E., and Kalaitzakis K (2006), "Design of maximum power tracking system for wind-energy-conversion application" IEEE transactions on Industrial Electronics, 43, pp 486-494 [17] Ostolaza J X., Tapia A G., and Saenz J R (2005), "Modeling and control of a wind turbine driven double fed induction generator", IEEE Transactions on energy conversion, , June 2005, 18, pp 194–204 [18] Patel M R (1999), Wind and Solar Power Systems CRC Press, 1999 [19] Nguyen Phung Quang, Dittrich A (2008), Vector Control of Three - Phase AC Machines - System Development in the Practice, Springer Heidelberg Berlin download by : skknchat@gmail.com ... máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị nguồn kép Chương 2: Điều khiển hệ thống điều khiển PID Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết... học hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị nguồn kép - Thiết kế điều khiển PID - Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID - Mô đánh giá chất lượng điều khiển điều khiển. .. trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát khơng đồng pha nguồn kép hình 1.5 Hộp số MF ≈ = = ≈ Hình 1.5: Máy phát không đồng pha nguồn kép Hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện