Thiết kế bộ điều khiển trượt cho tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Bài viết Thiết kế bộ điều khiển trượt cho tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đề xuất giải thuật điều khiển trượt (SMC) cho SWECS. Bộ điều khiển trượt này được thiết kế và kiểm chứng hiệu quả thông qua mô phỏng hệ thống SWECS trên Matlab và Simulink.

Nguyễn Minh Hịa, Huỳnh Minh Tồn 34 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO TUABIN GIÓ ĐỘC LẬP SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU DESIGN OF SLIDING MODE CONTROLLER FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR-BASED STANDALONE WIND TURBINES Nguyễn Minh Hịa1, Huỳnh Minh Tồn2 Trường Đại học Trà Vinh; hoatvu@tvu.edu.vn Trường Cao đẳng Nghề Tiền Giang; hmtoan2012@gmail.com Tóm tắt - Một mục tiêu điều khiển quan trọng cho hệ thống chuyển đổi lượng gió độc lập (SWECS) tối ưu hóa q trình chuyển đổi lượng từ gió Mục tiêu thường thực thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại (MPPT) Tuy nhiên, thuật toán đơn giản hiệu đáp ứng yêu cầu điều khiển phức tạp Ngồi ra, giải thuật điều khiển vi tích phân (PID) sử dụng để chuyển đổi tối đa lượng gió Tuy nhiên, điều khiển PID hoạt động hiệu áp dụng vào hệ thống chuyển đổi lượng gió có chất phi tuyến cao thay đổi theo thời gian, thường hoạt động điều kiện tốc độ gió ln thay đổi cách ngẫu nhiên Để khắc phục hạn chế giải thuật điều khiển MPPT PID, báo đề xuất giải thuật điều khiển trượt (SMC) cho SWECS Bộ điều khiển trượt thiết kế kiểm chứng hiệu thông qua mô hệ thống SWECS Matlab Simulink Abstract - One of the most important control objectives for Standalone Wind Energy Conversion Systems (SWECS) is to optimize the power conversion from wind This goal is normally achieved by Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms However, such algorithms are simple and ineffective in response to additional complex control requirements Alternatively, the Proportional Integral Derivative (PID) technique can be applied for the optimal power conversion of SWECS However, the PID control normally provides low performance for highly nonlinear, timevarying nature of SWECS and stochastic change of wind To overcome the MPPT and PID control performance limitations, this paper presents a sliding mode control (SMC) design for standalone SWECS The proposed sliding mode controller has been designed and validated by computer simulations in Matlab and Simulink Từ khóa - điều khiển trượt; lượng gió; hệ thống chuyển đổi lượng gió độc lập; chuyển đổi lượng tối ưu; máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu Key words - sliding mode control; wind energy; standalone wind energy conversion systems; optimal power conversion; permanent magnet synchronous generator Đặt vấn đề Năng lượng gió nguồn lượng tái tạo quan trọng Do tính chất vơ tận nó, lượng gió gần trở thành trọng tâm cho việc nghiên cứu phát triển thương mại Hiện nay, lượng gió đóng góp đáng kể cho nguồn điện giới [1, 2, 3] Mặc dù điện cung cấp qua mạng lưới điện trung tâm khu vực xa xôi, nơi lưới điện truyền tới Những nơi phải đối mặt với tình trạng thiếu điện Một giải pháp bền vững đầy hứa hẹn sử dụng hệ thống chuyển đổi gió độc lập hay cịn gọi tuabin gió độc lập kết nối với tải cục Thiết kế điều khiển cho tuabin gió độc lập thu hút nhiều nghiên cứu nhà khoa học giới, nghiên cứu hướng đến tối ưu hóa cơng suất chuyển đổi từ gió sang điện Một nghiên cứu phổ biến sử dụng thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại (MPPT) cho tuabin gió [4, 5] Bài báo [4] nghiên cứu so sánh chiến lược tối đa hóa lượng chuyển đổi hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) Bài báo dùng thuật toán MPPT cách thay đổi tốc độ máy phát để bám điểm công suất cực đại Tuy nhiên, đáp ứng hệ thống tương đối chậm Ngồi ra, nghiên cứu bám điểm cơng suất cực đại hệ thống chuyển đổi lượng gió dựa chế độ trượt sử dụng máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) trình bày báo [5], kết nghiên cứu cho thấy, điều khiển MPPT hoạt động với vận tốc gió ổn định thay đổi ngẫu nhiên Tuy nhiên, nghiên cứu sử dụng thuật toán MPPT áp dụng cho hệ thống đơn giản, không đáp ứng yêu cầu điều khiển phức tạp Để đáp ứng nhu cầu điều khiển ngày cao tuabin gió, phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa nghiên cứu đề xuất cơng trình [6] Tuy nhiên, kết nghiên cứu cho thấy hệ thống điều khiển nhạy cảm với sai số mơ hình hóa hệ thống Do đó, phương pháp hồi tiếp tuyến hóa khơng cho chất lượng điều khiển tốt có nhiễu sai số mơ hình Bên cạnh đó, phương pháp điều khiển thích nghi cho tuabin gió đề xuất báo [7, 8, 9] Các điều khiển thích nghi cho chất lượng điều khiển tốt thơng số hệ thống thay đổi có sai số mơ hình Tuy nhiên, giải thuật điều khiển thích nghi có tốc độ hội tụ phụ thuộc vào số lượng biến trạng thái Số lượng biến trạng thái nhiều tốc độ hội tụ chậm, làm ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển hệ thống, nên khó áp dụng với hệ thống có số lượng biến trạng thái lớn Ngoài ra, phương pháp điều khiển trượt cho tuabin gió nghiên cứu áp dụng báo [6, 10, 11] Điển hình báo [6] nghiên cứu thiết kế điều khiển trượt cho hệ thống SWECS sử dụng DFIG Tuy nhiên, hệ thống SWECS đề xuất báo [6] đơn giản điều khiển trượt tạo tượng dao động (chattering) hệ thống Tiếp theo, Wang cộng báo số [10] nghiên cứu điều khiển khuếch đại H ∞ để tối đa hóa cơng suất chuyển đổi lượng hệ thống lượng gió độc lập sử dụng máy phát điện PMSG Bài báo [11] đề xuất phương pháp kiểm soát chế độ điều khiển trượt cho tuabin gió có tốc độ thay đổi Phương pháp thiết kế dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov kiểm chứng mơ Kết mơ cho thấy, tuabin gió sử dụng máy phát điện ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển DFIG hoạt động với hiệu suất chuyển đổi lượng tối ưu phạm vi thay đổi tốc độ gió hẹp Đã có nhiều tác giả nước nghiên cứu kỹ thuật điều khiển trượt, nghiên cứu điều khiển trượt cho tuabin gió sử dụng PMSG Điển nghiên cứu mơ hình tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu nối lưới [12], kết nghiên cứu cho thấy, mơ hình đáp ứng điều kiện hịa máy phát điện với lưới điện Ngồi ra, cịn có nghiên cứu ứng dụng thuật tốn trượt thích nghi điều khiển DFIG máy điện gió có cơng suất lớn 13 Bài báo thiết kế điều khiển nhằm đảm bảo nối lưới ổn định cho máy phát điện gió có tốc độ thay đổi Các kết mô cho thấy hệ thống đáp ứng tiêu chất lượng điện Mặc dù nhiều cải tiến thực nhằm nâng cao công suất chuyển đổi tuabin gió điều khiển từ đến phức tạp, báo trình bày nghiên cứu tối ưu cơng suất chuyển đổi tuabin gió độc lập sử dụng PMSG Bài báo đề xuất phương pháp điều khiển trượt cho tuabin gió sử dụng PMSG Để chứng minh tính ưu việt phương pháp điều khiển trượt báo này, kết mô điều khiển trượt so sánh với điều khiển PID truyền thống Kết nghiên cứu khảo sát 2.1 Mơ hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu Mơ hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu thể Hình 35 lệ thuận với hệ số mô-men xoắn tính sau: CP(λ) = λCQ(λ) Hệ số cơng suất đạt cực đại giá trị tỷ số tốc độ rìa tối ưu λ*, minh họa Hình Do đó, chuyển đổi lượng cực đại đạt hệ thống tuabin vận hành tỉ số tốc độ rìa tối ưu Hình Hệ số cơng suất so với tỉ số tốc độ rìa Bộ truyền động truyền tải xác định sau: g  Tg  Tr  iJ h Jh Trong đó, Jh mơ-men qn tính máy phát điện, η i hiệu suất tỷ số hộp số, Tr mô-men xoắn tuabin, Tg mô-men điện từ máy phát điện Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu nối với tải điện trở tương đương thể Hình Phương trình dịng áp hệ tọa độ d, q xác định sau: p(Lq  Ll ) did R  Rl (5)  S i  i  Ld  Ll d Ld  Ll q g dt diq   RS  R l i  p(Lq  Ll ) i   pm  (6) Lq  Ll q Lq  Ll d g Lq  Ll g dt Tg  p m iq Hình Mơ hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu Công thức khí động học mơ tả sức gió chuyển đổi thành mô-men xoắn tuabin sau: Tr  R 3V CQ () (1) Trong đó, Tr mô-men xoắn tuabin, ρ mật độ khơng khí, R bán kính cánh quạt gió, V tốc độ gió, CQ(λ) hệ số mơ-men xoắn, hàm tỉ số tốc độ rìa λ (Tip Speed Ratio) xác định sau: R (2)  r V (4) (7) Trong đó, id iq thành phần d q dòng điện stator; Ld Lq thành phần d q điện cảm stator; Rs điện trở stator; Rl điện trở tải tương đương coi tín hiệu điều khiển; Ll điện cảm tải tương đương; p số cặp cực; Φm từ thông; ωg tốc độ máy phát; Tg mô-men điện từ máy phát điện Mơ hình phi tuyến hồn chỉnh tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu có cách kết hợp phương trình (1), (3) (4) - (7) 2.2 Sơ lược điều khiển trượt Xét đối tượng phi tuyến bậc n mô tả phương trình trạng thái: x  f (x)  g(x)u (8) y  h(x) (9) Trong đó, ωr tốc độ quay tuabin Hệ số mô-men xoắn CQ(λ) (1) hàm phi tuyến cao xấp xỉ hàm đa thức bậc sáu λ sau: Trong đó: x   x1 x x n   R n véc-tơ trạng thái hệ thống; u  R tín hiệu vào; y  R tín hiệu ra; CQ ()  a   a 5  a   a 33  a   a1  a (3) f (x)  R n ; g(x)  R n véc-tơ hàm trơn mô tả động Công suất chuyển đổi lượng gió đạt cực đại hệ số cơng suất chuyển đổi CP(λ) đạt cực đại Hệ số tỷ học hệ thống; h(x)  R hàm trơn mô tả quan hệ biến trạng thái tín hiệu T Nguyễn Minh Hịa, Huỳnh Minh Tồn 36 Bài tốn đặt điều khiển tín hiệu y(t) bám theo tín hiệu đặt yd(t) Nếu đối tượng có bậc tương đối n, cách lấy đạo hàm phương trình (9) n lần, biểu diễn quan hệ vào đối tượng dạng: Trong đó: (12) Lấy đạo hàm Tr ta có: Tr  Lk  h(x) f x f (x)  k1e (13) Lk h(x) f x g(x) (n 2)   k n2 e  k n1e (s)  s(n1)  k1s(n  2)   k n2s  k n1 (n) (n 1)   k n2 e    a(x)  yd  k1e   b(x)   k n1e  Ksign()   T2  Cr V (17) (18) (19) Thế biến vào phương trình (4), (5), (6) ta được: p(Lq  Ll ) RS u x1  x x3  x1 Ld  Ll Ld  Ll Ld  Ll p(Lq  Ll )  x1x  p  Tr  m x iJ h Jh (21) (22) Lấy đạo hàm đầu ta được: p  y x  T  m x iJ h r Jh (23) (24) (31) (32) (33) d d  r R  d  Rig      dt dt  V  dt  V   x V  Vx d d  Rix      Ri  dt dt  V  V2     (34) Thế phương trình (33), (34) vào phương trình (32) ta  x V  Vx  được: T2  Cr V RiCQ  3    V    T2  Cr RiCQ x 3V  Vx   T V Tg V  T2  Cr RiCQ  r   Vx  (35)  iJ h  Jh   Thế phương trình (31), (35) vào phương trình (30) ta được:  T V Tg V  (36) Tr  2Cr VVCQ ()  Cr RiCQ  r   Vx  iJ J  h  h Thế phương trình (36) vào phương trình (25) ta được: p m (Ld  Ll ) p m R S x1x  x2 J h (Lq  Ll ) J h (L q  L l )  p 2m  x3  2C r VVCQ ( ) J h (L q  L l ) iJ h   T V Tg V  pm  r C r RiCQ    Vx   x2u  iJ h  iJ h J J (L h h q  Ll )   (37) Với: a(x)  Biến đầu ra: y  x  ωg d d d CQ ()  Cr V CQ (  ) dt d dt d Mà : C r V C ()  C r V C Q () d Q y RS pm x2  x3 Lq  Ll Lq  Ll u x2 Lq  Ll x3  (20) (30) d (V )CQ ()  2Cr VVCQ () dt (15) Trong K>0, K lớn σ →0 nhanh 2.3 Thiết kế điều khiển trượt Từ phương trình tốn (4), (5), (6) mơ hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu, ta đặt biến trạng thái, đầu vào đầu sau: Các biến trạng thái đầu vào: x1  id ; x  iq ; x3  ωg ; u  R l Ta đặt Tr  T1  T2 T1  Cr (16) (28) dTr d d  Cr (V )CQ ()  Cr V CQ () (29) dt dt dt (14) ∆(s) đa thức Hurwitz; vị trí nghiệm ∆(s) =0 định đặc tính độ e(t) →0 σ = gọi mặt trượt Biểu thức mặt trượt: Lq  Ll (27) b(x)  Lg Lnf 1 h(x)  Chọn k1 cho: x2   R 2 Thế (27) vào (26), ta Tr  C r V CQ ( ) Sai số e(t) = yd(t) - y(t) x1   đặt Cr  (26) (11) f u Ta có : Tr  R V CQ () a(x)  Lnf h(x) Lg Lk h(x)  Đặt   e (25) (10) f (n 1) p  T  m x2 iJ h r Jh y(n)  a(x)  b(x)u Lk h(x)  Với: y  x3  p m (Ld  Ll ) p m R s p 2 m x1x  x2  x3 J h (Lq  Ll ) J h (Lq  Ll ) J h (Lq  Ll ) (38)  T V Tg V     Cr RiCQ  r   Vx   2Cr VVCQ ()  iJ h  iJ h iJ h J h   b(x)  pm x2 J h (Lq  Ll ) (39) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển Biểu thức mặt trượt   e  k1e với e = yd - y (40) Đa thức đặc trưng mặt trượt: s + k1 = (41) Với k1 số dương chọn có giá trị lớn Biểu thức điều khiển trượt:  (42) u a(x)  yd  k1e  Ksign() b(x)  K số dương chọn có giá trị nhỏ 2.4 Kết mô Để kiểm chứng hiệu điều khiển SMC, báo sử dụng Matlab Simulink để mô hệ thống SWES với điều khiển SMC Ngoài ra, điều khiển SMC so sánh với điều khiển PID truyền thống Sơ đồ điều khiển SMC PID minh họa Hình Hình Hình Mơ tốc độ gió ngẫu nhiên 2.4.2 Mơ hệ thống với thơng số khơng thay đổi Hình Tốc độ quay tham chiếu tuabin Hình Sơ đồ điều khiển dùng SMC Hình Sơ đồ điều khiển dùng PID 2.4.1 Xây dựng mơ hình phần mềm Matlab Simulink Mơ hình tuabin gió độc lập sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu điều khiển trượt thực mô phần mềm Matlab Simulink Mơ hình sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu có cơng suất KW Các thơng số mơ sau: ρ = 1,25 kg/m3; R = 2,5 m; i = 7; η = 1; Jh = 0,0552 kg.m2; Ld = Lq = 0,04156 H; p = 3; Rs= 3,3 Ω;  m = 0,4382 Wb; a0 = 0,0061; a1 =0,0013; a2 =0,0081; a3 =-9,7477x10-4; a4 = -6,5416x10-5; a5 = 1,3027×10-5; a6 = -4,54x10-7; λ* = Tín hiệu điều khiển đặt