cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến

i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Ngoài các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng Offline, thời gian thực được thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang là trung thực. Tác giả Đặng Danh Hoằng ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm công nghệ cao Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận án của mình. Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo GS. TSKH. Nguy ễn Phùng Quang - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác giả hoàn thành bản luận án này. Qua đây tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong ban giám hiệu trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện và có những khích lệ, động viên kịp thời để tác giả hoàn thành bản luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS. Nguy ễn Như Hiển - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để tác giả thực hiện thành công bản luận án này. iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt vii Danh mục các bảng biểu xi Danh mục các hình vẽ và đồ thị xii Mở đầu 1 Chương 1. Tổng quan 5 1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu 5 1.2 Các thành phần điều khiển của hệ thố ng phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK 9 1.2.1 Điều khiển turbine 10 1.2.2 Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch 12 1.2.3 Điều khiển véc tơ 13 1.3 Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBNK 13 1.4 Tổng quan các vấn đề đã được giải quyết, các vấn đề tồn tại và phương pháp điều khiển 15 1.4.1 Các vấn đề đã được giải quyết 15 1.4.2 Các vấn đề còn tồn tại 15 1.4.3 Giải pháp điều khiển 16 Chương 2. Phương pháp điều khiển tựa theo thụ động 17 2.1 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động 17 2.2 Hệ Euler - Lagrange 18 iv 2.3 Phương trình Euler-Lagrange 19 2.4 Các đặc tính của hệ EL 21 2.4.1 Đặc điểm thụ động của hệ EL 21 2.4.2 Khả năng phân tích hệ EL thành các hệ thụ động con 23 2.4.3 Đặc điểm bảo toàn hệ EL khi nối các hệ con với nhau 25 2.4.4 Đặc điểm thụ động của hệ kín 26 2.4.5 Một số giả thiết và định nghĩa khác 27 2.5 Đặc tính ổn định của hệ EL 28 2.5.1 Hệ suy giảm toàn phần 28 2.5.2 Hệ suy giảm riêng 29 2.6 Kết luận chương 2 29 Chương 3. Mô hình hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió 30 3.1 Mô hình toán học phía máy phát và phía lưới 30 3.1.1 Biểu diễn vectơ không gian các đại lượng 3 pha 30 3.1.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát 31 3.1.3 Các biến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phía máy phát 36 3.1.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới 38 3.1.5 Mô hình gián đoạn phía lưới 41 3.1.6 Các biến điều khiển phía lưới 41 3.2 Khả nă ng ứng dụng phương pháp passivity - based cho máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép 44 3.2.1 Phương trình EL của động học máy phát 44 3.2.2 Đặc điểm thụ động của máy phát 46 3.3 Kết luận chương 3 47 v Chương 4. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió theo phương pháp passivity - based 49 4.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển phía máy phát 49 4.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor tựa theo hệ thụ động EL 55 4.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i rd 55 4.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i rq 56 4.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp tựa theo hệ thụ động EL và Hamilton để khử sai lệch tĩnh 58 4.3.1 Hệ Hamilton 58 4.3.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp 59 4.4 Khắc phục ảnh hưởng vùng giới hạn điện áp và bộ xử lý tín hiệu số đến chất lượng điều khiển 63 4.4.1 Khắc phục vùng gi ới hạn điện áp 63 4.4.2 Khắc phục hiện tượng trễ trong bộ xử lý tín hiệu số 66 4.5 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng có kể đến các yếu tố ảnh hưởng 66 4.6 So sánh bộ điều khiển PBC với bộ điều khiển tuyến tính 68 4.7 Các bộ điều chỉnh số cho các mạch vòng điều khiển ngoài 69 4.8 Tính toán giá trị thực và giá trị đặt 70 4.9 Hoà đồng bộ máy phát lên lưới 71 4.10 Giải pháp điều khiển khi lỗi lưới 74 4.11 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía lưới 77 4.12 Kết luận chương 4 78 Chương 5. Kết quả mô phỏng 80 5.1 Kết quả mô phỏng Offline 80 5.1.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió 80 5.1.2 Chất lượng của hệ thống điều khiển 83 5.1.3 So sánh tính bền vững của h ệ thống giữa hai phương pháp 90 vi điều khiển PBC và điều khiển tuyến tính 5.2 Kết quả mô phỏng thời gian thực (Hardware - in - the - loop) 93 5.2.1 Giới thiệu về Board điều khiển R&D DS1104 của hãng dSPACE 93 5.2.2 Thiết lập mô trường làm việc mô phỏng thời gian thực 93 5.2.3 Xây dựng cấu trúc mô phỏng thời gian thực 94 5.2.4 Tổng hợp các kết quả mô phỏng 96 5.3 Kết luận chương 5 100 Kết luận và kiến nghị 101 Danh mục các công trình đã công bố của luận án 103 Tài liệu tham khảo 104 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 f s Tần số mạch điện stator 2 f r Tần số mạch điện rotor 3 i N , i s , i r Véctơ dòng điện phía lưới, stator, rotor máy phát 4 i rd , i rq , i sd , i sq Các thành phần dòng điện rotor, stator trong hệ toạ độ dq 5 i Nd , i Nq Các thành phần dòng lưới trong hệ toạ độ dq 6 i s α , i s β Các thành phần dòng stator trong hệ toạ độ αβ 7 u N , u s , u r Véctơ điện áp phía lưới, stator, rotor máy phát 8 u rd , u rq , u sd , u sq Các thành phần điện áp rotor, stator trong hệ toạ độ dq 9 u r PBC Điện áp điều khiển rotor đầu ra của bộ điều chỉnh PBC 10 u rd PBC , u rq PBC Các thành phần điện áp rotor đầu ra của bộ điều chỉnh tựa theo thụ động trong hệ toạ độ dq 11 u Nd , u Nq Các thành phần điện áp lưới trong hệ toạ độ dq 12 J Mô men quán tính 13 L m Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor 14 L s =L m +L σ s Điện cảm stator 15 L r =L m +L σ r Điện cảm rotor 16 L σ s Điện cảm tản phía stator 17 L σ r Điện cảm tản phía rotor 18 m G Mô men điện từ máy phát 19 m W Mô men máy phát (do sức gió tạo ra) viii 20 R s , R r Điện trở stator, rotor 21 s s s L T R = Hằng số thời gian stator 22 r r r L T R = Hằng số thời gian rotor 23 2 1 . m rs L LL σ =− Hệ số tản tổng 24 ψ s , ψ r Véc tơ từ thông stator, rotor 25 ψ sd , ψ sq Các thành phần từ thông stator trong hệ toạ độ dq 26 ψ rd , ψ rq Các thành phần từ thông rotor trong hệ toạ độ dq 27 ω Vận tốc góc cơ học của rotor 28 ω N , ω s , ω r Vận tốc góc của mạch lưới, stator, rotor 29 z p Số đôi cực từ 30 u DC Điện áp một chiều trung gian 31 ϑ Góc rotor 32 ϑ N , ϑ s , ϑ r Góc mạch điện lưới, stator, rotor 33 A Ma trận hệ thống 34 B Ma trận cấu trúc hệ thống 35 V Ma trận quán tính 36 L L Ma trận quán tính điện từ 37 C Ma trận điều kiện 38 D Ma trận suy giảm 39 R Ma trận điện trở 40 L Hàm Lagrange 41 L e , L m Hàm Lagrange phần điện, cơ 42 Q Lực tác động lên hệ thống 43 Q e , Q m Lực tác động đầu vào phần điện, cơ 44 P Hàm thế năng ix 45 P e , P m Hàm thế năng phần điện, cơ 46 D( ω ) Hệ số suy giảm 47 H Hàm tổng năng lượng 48 H e , H m Hàm năng lượng điện, cơ 49 K Hàm động năng 50 F Hàm tiêu thụ Rayleigh 51 F e , F m Hàm tiêu thụ phần điện, cơ 52 Q n Tác động do nhiễu 53 H(x) Hàm Hamilton 54 g(x) Hàm gia tốc trọng trường Các chữ viết tắt STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 55 MĐKĐBNK Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép 56 DSP Digital signal processor - Xử lý tín hiệu số 57 NLPL Nghịch lưu phía lưới 58 NLMP Nghịch lưu phía máy phát 59 MĐN Máy đóng ngắt 60 HS Hộp số 61 IE Máy khắc mã vạch xung 62 MBA Máy biến áp 63 MP Máy phát 64 ĐCVTKG Điều chế véc tơ không gian 65 THĐAL Tựa hướng điện áp lưới 66 PLL Vòng khoá pha 67 PBC Passivity - Based Control x 68 EL Euler - Lagrange 69 P BC I R Bộ điều chỉnh dòng rotor theo phương pháp PBC 70 ĐCu DC Bộ điều chỉnh điện áp một chiều trung gian 71 ĐCϕ Bộ điều chỉnh góc ϕ (cosϕ hoặc sinϕ) 72 ĐCMM Bộ điều chỉnh mô men 73 ĐCD Bộ điều chỉnh dòng 74 ĐCDMP Bộ điều chỉnh dòng máy phát 75 TSP Khâu tính giá trị đặt 76 GTT Khâu tính toán giá trị thực 77 ĐLĐK Đại lượng điều khiển 78 PĐSG Phát điện sức gió 79 ADC Bộ chuyển đổi tương tự số 80 GAS Ổn định toàn cục [...]... toán điều khiển phi tuyến hứa hẹn cải thiện chất lượng điều khiển máy phát để phát triển và khai thác triệt để nguồn năng lượng sạch (sức gió) ở Việt Nam Chính vì vậy tác giả chọn đề tài "Cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến" trong luận án, tác giả đi nghiên cứu 2 thuật toán điều khiển phi tuyến. .. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép (MPKĐBNK) trong hệ thống máy phát điện sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (passivity - based), để cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống so với phương pháp điều khiển véc tơ dòng tuyến tính Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Máy điện không đồng bộ nguồn kép: Thực chất là máy điện không đồng bộ ba pha... sự phát triển các loại máy phát điện sức gió hiện nay như hình 1.2 Hệ thống Phát điện sức gió Máy phát một chiều Máy phát xoay chiều Máy phát xoay chiều 1 pha Máy phát xoay chiều 3 pha Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (hình 1.3) Máy phát không đồng bộ Máy phát không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc (hình 1.3) Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép (hình 1.4) Hình 1.2: Các cấu trúc của hệ thống phát điện. .. để điều khiển MĐKĐBNK trong hệ thống máy phát điện sức gió Vì vậy việc lựa chọn phương pháp điều khiển này hứa hẹn những kết quả mong đợi cũng như nhằm đa dạng hoá các phương pháp điều khiển hệ thống, tăng khả năng lựa chọn phương pháp điều khiển áp dụng vào thực tiễn 1.2 Các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK Cấu trúc điều khiển đầy đủ của hệ thống phát điện sức gió. .. không đồng 6 bộ 3 pha rotor lồng sóc Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép 7 Phạm vi hoạt động của MĐKĐBNK và dòng chảy năng lượng 8 ở chế độ MP 1.6 Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK 8 1.7 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar 9 1.8 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch 10 1.9 Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều khiển turbine 11 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện. .. hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc như hình 1.3 Hộp số MF ≈ = = ≈ Hình 1.3: Máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu hoặc không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc 7 Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép như hình 1.4 Hộp... lưới của hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK bằng phương pháp điều khiển tuyến tính khi xảy ra lỗi lưới (đối xứng) sập một phần điện áp chưa cao 1.4.3 Giải pháp điều khiển Từ những tồn tại của phương pháp điều khiển tuyến tính đã được phân tích ở trên, giải pháp được đề xuất là sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng... thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển phù hợp cho bộ điều khiển nghịch lưu phía máy phát, nên luận án tập trung vào những vấn đề liên quan đến điều khiển NLMP 1.3 Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBNK Ta có sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ba pha nguồn kép [11, 51]: 14 MBA uN NLPL Bộ lọc NLMP uDC 3~ us MĐN... hành phi tuyến với các yêu cầu chất lượng, bám lưới của máy phát điện chạy sức gió Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng làm máy phát trong các hệ thống phát điện chạy sức gió, nhờ khả năng điều khiển dòng năng lượng gián tiếp từ phía rotor thay vì trực tiếp trên stator Khi đó thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép hạ giá thành... quan về hệ thống máy phát điện sức gió, đưa ra một cách khái quát về hệ thống năng lượng sử dụng sức gió cũng như đề cập đến đối tượng cần nghiên cứu là MĐKĐBNK Đưa ra các vấn đề mà các phương pháp điều khiển tuyến tính đã giải quyết cũng như tồn đọng cần nghiên cứu giải quyết bằng phương pháp điều khiển phi tuyến mới tựa theo thụ động (passivity - based) nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống . đề tài " ;Cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyế n" trong luận án, tác giả. (MPKĐBNK) trong hệ thống máy phát điện sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (passivity - based), để cải thiện chất lượng điều khi ển hệ thống so với phương pháp điều khiển. lưới của máy phát điện chạy sức gió. Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng làm máy phát trong các hệ thống phát điện chạy sức gió, nhờ khả năng điề u khiển dòng năng lượng gián