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 c 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 mô 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 c 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 c 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 khơng đồng pha nguồn kép (hình 1.5) Hình 1.3: Các cấu trúc hệ thống phát điện sức gió thực tiễn c 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 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 khơng 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 c luan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pidluan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pid 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 mô 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 S Lưới điện 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 dịng chảy lượng chế độ máy phát luan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pidluan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pid c luan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pidluan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pid 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 luan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pidluan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pid c luan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pidluan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pid 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) Vbus* Tem* 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 luan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pidluan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pid c Lưới luan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pidluan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pid 1.2.1 Điều khiển turbine Công suất turbine gió Cơng suất turbine gió tính theo công 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 cơng 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 công 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 luan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pidluan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pid c luan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pidluan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pid 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 cơng 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 cơng 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 công 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 luan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pidluan.van.thac.si.cai.thien.chat.luong.dieu.khien.he.thong.may.phat.dien.suc.gio.su.dung.may.dien.di.bo.nguon.kep.bang.bo.dieu.khien.mo.chinh.dinh.tham.so.bo.dieu.khien.pid c