Xây dựng bộ điều khiển trượt cho hệ tuabin điện gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Bài viết Xây dựng bộ điều khiển trượt cho hệ tuabin điện gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển trượt cho hệ máy phát điện tuabin gió khi tính đến nhiễu loạn gió. Các kết quả được khảo sát đánh giá bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink cho thấy bộ điều khiển này đảm bảo được các yêu cầu chất lượng nguồn phát khi nối lưới, tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng cho tuabin gió.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 dustry  XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ TUABIN ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BUILDING A SLIDING MODE CONTROLLER FOR WIND GENERATOR TUABIN SYSTEM CONSIDERING DIFFERENT COMPONENTS Nguyễn Ngọc Tuấn1, Trần Văn Tuyên1, Đào Sỹ Luật2, Trần Xn Tình3,* DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.35 TĨM TẮT Bài báo trình bày kết tổng hợp điều khiển trượt cho hệ máy phát điện tuabin gió tính đến nhiễu loạn gió Các kết khảo sát đánh giá mô phần mềm Matlab-Simulink cho thấy điều khiển đảm bảo yêu cầu chất lượng nguồn phát nối lưới, tối ưu hóa q trình chuyển đổi lượng cho tuabin gió Điện áp Stator Phanh Máy phát Hộp số Pitch drive Lưới điện 50Hz Chuyển đổi Chuyển đổi nối lưới nối rotor Từ khóa: Tuabin gió, điều khiển trượt, nối lưới Điện áp Rotor ABSTRACT This paper presents the results of synthesizing the sliding mode controller for wind turbine generator system when taking into account wind disturbance The survey results evaluated by simulation on Matlab-Simulink software show that this controller ensures the power quality requirements when connecting to the grid, optimizing the energy conversion process for wind turbines Keywords: Wind Turbine, sliding mode control, grid connection r Ir ud uq Tr Hình Mơ hình máy phát điện gió 2.1 Mơ hình tuabin gió Cơng suất gió tác động vào cánh quạt: Học viện Kỹ thuật Quân Trường Đại học Đồng Nai Học viện Phịng khơng Khơng qn * Email: tinhpk79@gmail.com Ngày nhận bài: 20/8/2022 Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/10/2022 Ngày chấp nhận đăng: 27/10/2022 ρSV Sinh mô men xoắn làm quay tuabin: ĐẶT VẤN ĐỀ Pr  Pw  ρπR V C Q ( λ, β ) Công suất chuyển đổi: Tr  (2) Pr  ωr Tr Năng lượng gió hướng nghiên cứu nhà khoa học quan tâm [1-6] Đây nguồn lượng tái tạo quan trọng có mặt khắp nơi trái đất; cung cấp điện độc lập cho khu vực xa xôi hải đảo, biên giới Máy phát điện gió cung cấp lượng công suất đáng kể bên cạnh máy phát nhiệt điện thủy điện [6] Trong máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu hãng sản xuất turbine gió sử dụng rộng rãi nhờ ưu thế: có độ tin cậy cao, tỉ lệ sản sinh lượng đơn vị trọng lượng lớn, hệ số công suất lớn [2, 5] MƠ HÌNH CƠ HỆ Xét mơ hình hệ thống điện tổng quát hình [5] Website: https://jst-haui.vn (1) ρπR2 V Cp ( λ, β ) (3) Trong đó: CQ(λ, β) hệ số mơ men CP(λ, β) hệ số công suất chuyển đổi Cả mô men xoắn công suất chuyển đổi hàm tỉ số vận tốc rìa λ góc chúc ngóc β Tỉ số vận tốc rìa λ tỉ số vận tốc đỉnh rìa cánh quạt tuabin gió vận tốc gió, tính sau: λ ωrR V (4) Trong đó, ωr vận tốc góc rotor; R bán kính cánh; V vận tốc gió Vol 58 - No (Oct 2022) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 39 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 s d   x1  x1*   ; s q   x  x *2       2.2 Mơ hình máy phát đồng Phương trình điện áp stato: s    x  x *3      u  R i  dψd  p ω ψ s sd  sd dt r q  dψq p   ωr ψd usq  R s isq  dt  (5) thái Trong đó: Vs , is , ψ điện áp, dòng điện từ thông stato hai mặt phẳng d, q; Rs điện trở cuộn dây stato; p số đôi cực; ωr tốc độ quay rotor Từ thông stato:   ψd  L d isd  m  ψ  L q isq    q (6) Để đảm bảo hệ thống ổn định mặt trượt phải thỏa mãn: sd s d  ; sq s q  ; s s   Theo (10) có:  sd  R x  p x x  u  Lx *   s d 1  L   Từ (5) (6) có:  u  R i  L disd  p ω L i s sd d  sd dt r q sq (7)  disq p   ωr (L disd  m ) usq  Rs isq  L q dt  Có thể coi L = Ld = Lq (7) viết lại sau: di  sd Rs i  p ω i  u  dt L sd r sq L d (8) di  sq Rs p  i   ω  ω i  u  L sq L m r r sd L q  dt Kết hợp với phương trình tốc độ quay rotor có: di  sd Rs i  p ω i  u  dt L sd r sq L d di  sq Rs i   ω  p ω i  u (9)   dt L sq L m r r sd L q dω T Ki Bω  r  r  t q  r  dt J J J  (12) Trong đó, ud.eq thành phần giữ cho biến trạng thái lại mặt trượt; ud.N thành phần tín hiệu làm cho biến trạng thái X tiến mặt trượt pˆ ˆ * ud.eq  Rˆs x1  Lx x  Lx 2 (13) ud N  ud sgn(sd ) (14) Theo (11) có: sd   * p   x  x x   u   R x   L s  2  L d.N L   Như để hệ ổn định thì: ud0  R s x1  L p x x  Lx 1* 2 Tương tự với trục q: uq.eq  Rˆs x  p ˆ ˆ * Lx  ˆm  x3  Lx 2 uq.N uq0 sgn(sq ) p m Đặt biến trạng thái: Trong đó: K t  (11) Luật điều khiển theo trục d có dạng: ud  ud.eq  ud.N Trong đó: m từ thơng tự cảm (15) (16) Với X   x1 x x   ird irq ωr      Có phương trình trạng thái:  Rr p x   x1  x2x3  ud L L  x  Rr x   x  p x x  u 2  L L m 13 L q  T K B x  r  t x2  x3 J J J  XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT Chọn mặt phẳng trượt: T Trong đó: x1* , x *2 , x *3 giá trị tham chiếu biến trạng uq0  Rs x2  T p Lx2  m  x3 Lx 1* Để điều khiển tốc độ quay, tiến hành thành lập luật điều khiển cho giá trị dòng tham chiếu i*q i*q  i*q.eq  i*q.N (10) 40 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 58 - Số (10/2022) (17) Trong đó: i*q.eq  ˆ ˆ  ˆJx *  T  Bx 3  K t  r i*q.N  iq0 sgn(sωr ) (18) (19) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Với iq   T  B  Jx *3   K t  r Dòng điện tham chiều i*q đầu vào cho điều khiển dịng iq MƠ PHỎNG Hình Cường độ dịng điện máy phát ia Hình Điện áp máy phát Hình Mơ hình mơ hệ thống phát điện gió Một máy phát điện gió 4KW kết nối với hệ thống phân phối 25kV xuất điện cho lưới 120kV thông qua trung chuyển 30km, 25kV Turbine gió sử dụng máy phát điện đồng Cuộn dây stato nối trực tiếp với lưới 50Hz Bộ điều khiển trượt cho phép khai thác lượng tối đa từ gió tốc độ gió thấp cách tối ưu hóa tốc độ turbine, đồng thời giảm thiểu ứng suất học lên turbine gió giật Trong mơ phỏng, tốc độ gió thay đổi từ 12m/s đến 24m/s Thông số máy phát sau: Rs = 0,023Ω; Rr = 0,016Ω; Ls = 0,18H; Lr = 0,16H; p = 3; công suất P = 14kW; tần số f = 50Hz Tiến hành mô cho trường hợp sau: Trường hợp : Tốc độ gió từ 12m/s giảm xuống m/s thời điểm 0,4 giây Khi tốc độ gió giảm, tốc độ turbine giảm theo làm cho công suất máy phát giảm 41%, lúc góc nghiêng trục turbine thay đổi để ổn định cơng suất phát Cường độ dịng điện, điện áp cơng suất máy phát nhanh chóng ổn định trở lại sau có phản ứng với việc giảm tốc độ gió, thời gian q độ nhỏ 0.4 giây Hình Tốc độ gió thay đổi Website: https://jst-haui.vn Hình Cơng suất máy phát Trường hợp : Tốc độ gió tăng từ 12m/s lên 24m/s thời điểm 0,4 giây, kết hợp với nhiễu động gió ngẫu nhiên 0,5m/s Khi có nhiễu động gió, điện áp máy phát có dao động Tuy nhiên công suất máy phát không dao động, điện áp nối lưới có biên độ tần số ổn định Hình Tốc độ gió có nhiễu Vol 58 - No (Oct 2022) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 41 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thống đảm bảo độ ổn định điện áp dòng điện nối lưới Khi thay đổi tốc độ gió, cơng suất phát tăng nhanh chóng ổn định KẾT LUẬN Hình Cường độ dịng điện máy phát ia Hình Điện áp máy phát Hình 10 Cơng suất máy phát Bài báo trình bày kết tổng hợp BĐK trượt cho hệ máy phát điện turbine gió Phần trình bày việc xây dựng mơ hình hệ, tìm luật điều khiển, xây dựng mơ hình mơ phỏng, kiểm nghiệm phần mềm Matlab-Simulink Qua mô cho thấy tốc độ gió thay đổi, cơng suất điện áp phát giữ ổn định, đảm bảo yêu cầu nối lưới So với kết công bố trước [2, 5] cho thấy BĐK nâng cao chất lượng hệ phát điện turbine gió thơng qua tiêu chí đánh giá, là: tính bền vững với nhiễu loạn gió, đảm bảo khả ổn định tần số, điện áp, dòng điện nối lưới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ahmed G Abo-Khalil, Saeed Alyami, Khairy Sayed, Ayman Alhejji, 2019 Dynamic Modeling of Wind Turbines Based on EstimatedWind Speed under Turbulent Conditions Energies, 12, 1907; doi:10.3390/en12101907 [2] Nada Zine Laabidine, Afrae Errarhout, Chakib El Bakkali, Karim Mohammed, Badre Bossoufi, 2021 Sliding mode control design of wind power generation system based on permanent magnet synchronous generator International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS)Vol 12, No 1, pp 393~403 [3] Yan Zhang, Zhengfan Liu, Zhong Yang, Haifei Si, 2016 Robust Control of Wind Turbines by Using Singular Perturbation Method and Linear Parameter Varying Model Journal of Control Science and Engineering, Article ID 2830736 [4] M A Chowdhury, N Hosseinzadeh, W Shen, 2011 Effects of wind speed variations and machine inertia constants on variable speed wind turbine dynamics Journal of Electrical Engineering [5] Jacob Hostettler, Xin Wang, 2020 Sliding mode control of a permanent magnet synchronous generator for variable speed wind energy conversion systems Systems Science & Control Engineering [6] N V Zubova, V D Rudykh, 2019 Optimization of power output for a wind turbine using methods of artificial intelligence International Scientific and Technical Conference Energy Systems AUTHORS INFORMATION Nguyen Ngoc Tuan1, Tran Van Tuyen1, Dao Sy Luat2, Tran Xuan Tinh3 Military Technology Academy Dong Nai University Air Defense-Air Force Academy Hình 11 Điện áp nối lưới Nhận xét: Từ kết mô thấy điều khiển trượt cho chất lượng điều khiển tốt Trong điều kiện turbine gió chịu ảnh hưởng yếu tố phi tuyến hệ 42 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 58 - Số (10/2022) Website: https://jst-haui.vn ...  r Dịng điện tham chiều i*q đầu vào cho điều khiển dịng iq MƠ PHỎNG Hình Cường độ dịng điện máy phát ia Hình Điện áp máy phát Hình Mơ hình mơ hệ thống phát điện gió Một máy phát điện gió 4KW... BĐK trượt cho hệ máy phát điện turbine gió Phần trình bày việc xây dựng mơ hình hệ, tìm luật điều khiển, xây dựng mơ hình mơ phỏng, kiểm nghiệm phần mềm Matlab-Simulink Qua mô cho thấy tốc độ gió. .. với hệ thống phân phối 25kV xuất điện cho lưới 120kV thông qua trung chuyển 30km, 25kV Turbine gió sử dụng máy phát điện đồng Cuộn dây stato nối trực tiếp với lưới 50Hz Bộ điều khiển trượt cho