TỔNG QUAN
Khái quát về năng lượng gió
Năng lượng gió đã nhận được quan tâm nhiều hơn trên thế giới kể từ những năm 1970 khi giá dầu mỏ trên thế giới ngày càng tăng cao Đặc biệt, sự phát triển năng lượng gió đã có sự bùng nổ trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu về sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo Các số liệu thống kê được công bố bởi Hội đồng năng lượng gió toàn cầu trong tháng 5 năm 2008 đã cho biết dung lượng của các hệ thống máy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94.000 MW Chỉ tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung lượng của các hệ thống phát điện chạy sức gió đã tăng trưởng 18% trong năm 2007 và đã đạt đến 56.535 MW Trong khi dung lượng đó ở Mỹ đã tăng từ khoảng 1.800 MW ở thời điểm năm 1990 tới hơn 16.800 MW ở cuối năm 2007.
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng các máy điện gắn với các tuốc-bin làm máy phát điện được thể hiện trên hình 1.1.
Hệ thống phát điện sức gió
Máy phát một chiều Máy phát xoay chiều
Máy phát xoay chiều 1 pha
Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Máy phát không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc
Máy phát xoay chiều 3 pha
Máy phát không đồng bộ
Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép
Hình 1.1: Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió
Trên đồng bộ Trên đồng bộ
Chế độ máy phát Chế độ động cơ
Dưới đồng bộ Dưới đồng bộ
Chế độ máy phát Chế độ động cơ
Hình1.2: Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và dòng chảy năng lượng tương ứng. (a) các chế độ vận hành, (b) dòng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dòng chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ.
Các máy điện xoay chiều được sử dụng trong các hệ thống máy phát sức gió có thể là loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc và máy phát không đồng bộ ba pha rotor dây quấn Ngày nay, các hệ thống tuốc-bin gió hiện đại thường sử dụng các máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn với các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor Các máy phát như vậy còn được gọi là các máy phát không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK) Bên cạnh khả năng làm việc với dải biến thiên tốc độ lớn xung quanh tốc độ đồng bộ thì một ưu điểm quan trọng của các MPKĐBNK
12 là ở chỗ các bộ biến đổi chỉ cần đảm bảo khả năng làm việc với khoảng 30% công suất tổng của máy phát Điều này cho phép giảm được dung lượng của các bộ biến đổi và giá thành của hệ thống Chính vì vậy, các MPKĐBNK ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống máy phát điện sức gió mặc dù khó điều khiển hơn so với loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu và máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc. Đặc tính của MPKĐBNK trong các chế độ làm việc khác nhau và dòng chảy năng lượng tương ứng được minh họa trên hình 1.2.
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển
và các phương pháp điều khiển
Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng gió được vẽ trên hình 1.3 Trong đó các cuộn dây stator của MPKĐBNK được nối trực tiếp với lưới. Các cuộn dây rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phía rotor được gọi là bộ biến đổi phía rotor, một ở phía lưới được gọi là bộ biến đổi phía lưới Hai bộ biến đổi liên hệ với nhau thông qua mạch một chiều trung gian.
?Điện áp Một chiều trung gian
Bộ điều khiển Bộ điều khiển phía máy phát phía lưới
T e ¤ Điều khiển góc pitch ĐK turbine cos' ¤ n u ¤ dc
Hình 1.3: Hệ thống máy phát sức gió
Hệ thống điều khiển trên hình 1.3 gồm có hai phần chính: phần điều khiển tuốc
13 bin và phần điều khiển máy phát nguồn kép Phần điều khiển tuốc bin cung cấp các giá trị đặt của công suất tác dụng hay mômen điện từ T e * cho phần điều khiển máy phát nguồn kép Giá trị đặt này được tính toán dựa trên tốc độ gió đo được và một bảng tra nhằm ra quyết định lựa chọn công suất đầu ra tối ưu tương ứng với tốc độ quay của tuốc bin Một tín hiệu đặt khác là góc điều chỉnh pitch p được đưa trực tiếp tới bộ phận điều chỉnh góc pitch của các cánh gió để điều khiển tốc độ tuốc bin. Trong khi đó, mục tiêu của phần điều khiển máy phát nguồn kép là giữ cho các công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát ở các giá trị mong muốn. Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép
Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK
Phương pháp điều khiển tuyến tính
Phương pháp điều khiển phi tuyến
Tuyến tính hóa chính xác (exact linearization)
Tựa theo thụ (passivity based) động
Hình 1.4: Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK
Các thiết kế điều khiển MPKĐBNK kinh điển với các bộ điều khiển kiểu PI được trình bày trong Đặc điểm chung của các phương pháp này là có thêm một thành phần bù kiểu feed-forward ở đầu ra của các bộ điều khiển nhằm loại bỏ các ảnh hưởng của lực phản điện động của máy Chi tiết của vấn đề này được trình bày trong Tuy nhiên, tính năng của các bộ bù feed-forward phụ thuộc vào độ chính xác của các tham số của MPKĐBNK nên thường không có được đặc tính làm việc lý tưởng trong thực tế do các tham số MPKĐBNK có thể bị biến đổi trong quá trình làm việc Một phương pháp điều khiển MPKĐBNK kinh điển khác là điều khiển dead-beat được trình bày trong Tuy
14 nhiên, phương pháp này dựa trên việc giả thiết tần số rotor là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu T, dẫn đến mô hình gián đoạn của MPKĐBNK là mô hình tuyến tính hệ số hàm cho phép thiết kế bộ điều khiển tuyến tính Để tránh việc sử dụng các bộ bù feed-forward và để đảm bảo chất lượng của hệ thống điều khiển trong một khoảng làm việc rộng của tốc độ rotor, các phương pháp điều khiển phi tuyến đã được đề nghị áp dụng cho điều khiển MPKĐBNK Vấn đề này đã được trình bày trong các tài liệu
Như đã trình bày ở trên, mặc dù hệ thống điều khiển hoàn chỉnh của một tuốc bin gió phải gồm cả phần điều khiển tuốc bin và phần điều khiển MPKĐBNK, tuy nhiên đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu phần điều khiển MPKĐBNK Hiện nay đã có nhiều phương pháp điều khiển MPKĐBNK được thể hiện trên hình 1.4
1.3 Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng Máy phát không đồng bộ nguồn kép
Mô hình máy điện không đồng bộ nguồn kép
Với điều khiển dòng của MPKĐBNK sử dụng kỹ thuật điều khiển vector thì cần phải biến đổi các biến sang một hệ tọa độ quay dq Hệ tọa độ này có thể tựa theo vector từ thông stator hoặc với vector điện áp lưới Do MPKĐBNK làm việc song song với lưới nên cần phải có chức năng hòa đồng bộ Vì vậy, việc chọn một hệ trục tọa độ dq với trục d trùng với vector điện áp lưới có thể đem lại một số thuận lợi nhất định Hệ tọa độ như vậy sẽ độc lập với các tham số của máy điện và độ chính xác của khâu đo tốc độ quay Chính vì các lý do trên, hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới được lựa chọn để phát triển mô hình cũng như phát triển các thuật toán điều khiển máy điện không đồng bộ nguồn kép sau này.
Các phương trình điện áp của stator và rotor có thể được viết như sau: u s = R i s d Ψ s s (1.1) s s s dt u r = R i r d Ψ r r (1.2) r r r dt
Trong đó, u s và u r là các điện áp stator và rotor, i s và i r là các dòng điện stator và rotor, R s andR r là các điện trở stator và rotor, Ψ s và Ψ r là các từ thông stator và rotor Chỉ số s phía trên các đại lượng này mô tả đại lượng đó trên hệ tọa độ
, cố định với stator Chỉ số r phía trên các đại lượng này nhằm mô tả đại lượng đó trên hệ tọa độ cố định với rotor.
Các từ thông stator và rotor được xác định bởi Ψ s = i s L s i r L m (1.3) Ψ r = i r L r i s L m với L m là hỗ cảm giữa hai cuộn dây stator và rotor và của stator và rotor.
Nếu biểu diễn điện cảm tản phía stator và rotor là
L s của stator và rotor được tính như sau
L s , L r là các điện cảm và L r thì các điện cảm
L r = L m L r Áp dụng các phép biến đổi hệ trục tọa độ (1.1) và (1.2) cho các phương trình (1.3) và (1.4) ta được các phương trình sau trong hệ tọa độ dq u = R i d Ψ s j Ψ s s s dt s s u = R i d Ψ r j Ψ r r r dt r r với s là tốc độ góc của stator và
r = s m là tốc độ góc mạch điện rotor và m là tốc độ góc cơ của rotor.
L 2 m là hệ số tản toàn phần.
Viết lại các phương trình (1.6) và (1.7) cho các thành phần d và q của các dòng điện rotor và từ thông stator dẫn đến: di rd a a m a a
= ( m s )i rd i rq sd sq u sq u rq (1.9) dt T r L m L m T s L
T r s L m d sd = L m i 1 u (1.10) sd dt T s rd T s sd ssq d sq L 1 u (1.11)
Dạng ngắn gọn của các phương trình (1.8), (1.9), (1.10) và (1.11) kết hợp với phương trình đầu ra được biểu diễn như sau: x r = A r ( m )x r B s u s B r u r (1.12) y r = C r x r (1.13) với x r T = i rd i rq
T = u sd u sq ,u r T = u rd u rq , y r T = i r T i rd i rq
Mạch điện rút gọn của lưới có thể được biểu diễn trên hình 1.5 Bộ biến đổi phía lưới thường nối với lưới thông qua một bộ lọc gồm điện cảm L c , tụ C f và điện trở
R f Điện trở của cuộn kháng L c được biểu thị bởi R c
Mô hình không gian trạng thái của lưới có thể được biểu diễn như sau: x n = A n x n B c u c B n u n (1.17) y n = C n x n (1.18) với x n = i nd i nq T , u c =
T * i * u rd DC e PI rd Bộ điều e j r
Tính e j s 3 mômen và s công suất u phản sd kháng u sq
Tính góc pha và điện áp stator
Hình 1.5: Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát. Điều khiển phía máy phát
Bộ điều khiển phía máy phát có nhiệm vụ điều chỉnh công suất tác dụng (có thể thông qua điều chỉnh mômen điện T e ) và công suất phản kháng Q g (hoặc hệ số công
Trong các hệ thống điều khiển máy điện, các bộ điều khiển dòng đóng vai trò rất quan trọng vì chúng cung cấp vector điện áp cần thiết cho mạch điện tử công suất Hơn nữa, chất lượng của toàn bộ hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của các bộ điều khiển dòng Vì vậy, các hệ thống điều khiển máy điện thường bao gồm một mạch vòng trong với một bộ điều khiển vector dòng i r và mạch vòng ngoài với các biến điều khiển khác.
Chương 1 đã giải quyết được các vấn đề sau:
•Tổng quan về các hệ thống biến đổi năng lượng gió
•Đưa ra đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển.
Vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu áp dụng các thuật toán điều khiển hệ thống đa biến tuyến tính, không sử dụng các bộ bù và có thể đảm bảo sự làm việc ổn định của hệ thống ngay cả khi tham số của máy phát thay đổi Luận văn đề xuất nghiên cứu lý thuyết điều khiển bền vững trong không gian, kỹ thuật gain schduling cho các hệ thống có tham số biến đổi tuyến tính, phụ thuộc affine và có thể đo được trong thời gian thực, từ đó áp dụng kết quả nghiên cứu cho máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.
CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP BỘ ĐİỀU KHİỂN BỀN VỮNG
Chương này được dành để trình bày các vấn đề liên quan việc tổng hợp bộ điều khiển bền vững ∞ Nội dung chính của chương được trình bày dựa trên các tài liệu.
Ma trận xác định dương
Một ma trận vuông ∈ ℝ × được gọi là xác định dương nếu:
Ma trận xác định dương được ký hiệu là ≻ 0, ma trận xác định bán dương là ≽ 0, ma trận xác định âm là ≺ 0, ma trận xác định bán âm là ≼ 0.
2.1.1 Bất đẳng thức ma trận tuyến tính
Ký hiệu ℒ 2 là một không gian các tín hiệu có thể lấy tích phân bình quân phương xác định trong khoảng [0, ∞) Một ma trận được gọi là đối xứng nếu nó thỏa mãn = Một tập tất cả ma trận đối xứng × được ký hiệu bởi Một hàm truyền ( ) của biểu diễn không gian trạng thái ( , , , ) được ký hiệu như sau:
Một bất đẳng thức ma trận tuyến tính (Linear Matrix Inequality - LMI) có dạng:
≺ 0 (2.1) trong đó = ( 1 , , ) biểu thị một vector các biến quyết định và ∈ , = 0,1, , Bất đẳng thức ([EQ:MLIDEF]) là ( ) một ma trận xác định âm, nghĩa là( ) ≺0 ∀ ∈ℝ , ≠0 (
Quan sát rằng là một hàm affine, kéo theo tập ∈ ℝ thỏa mãn (2.1) là lồi (convex).
Cả bài toán xác định tính khả thi của (2.1) hay tối ưu hóa một hàm tuyến tính với các ràng buộc trên được gọi là bài toán LMI có thể được giải theo các đa thức bằng các phần mềm thương mại.
Cần nhấn mạnh rằng các chương trình giải LMI đặc trưng cho phép thực hiện một hữu hạn các LMI
1 ( ) ≺ 0, … , ( ) ≺ 0 được mô tả bởi các ánh xạ đối xứng giá trị affine 1 ( ), … , ( ).
Xét một hệ vào-ra tuyến tính được mô tả bởi
= + và ma trận hàm truyền của nó được cho bởi
Nếu là ổn định và nếu ta chọn điều kiện đầu (0) là zero thì định nghĩa một ánh xạ tuyến tính → trên ℒ 2 với năng lượng hữu hạn được định nghĩa như sau sup ∥ ∥ 2
Chú ý rằng năng lượng của cũng chính là chuẩn ∞ của ma trận hàm truyền tương ứng cho bởi
∈ℝ trong đó ( ) biểu thị cho giá trị suy biến lớn nhất của ma trận phức
Phương trình và bất phương trình đại số Riccati
Cho các ma trận đối xứng và , xét bất phương trình đại số Riccati (Algebraic Riccati Inequality - ARI) chặt
+ + +
