điều khiển trên cơ sở hỗn loạn máy phát không đồng bộ nguồn kép của hệ thống phát điện sức gió

Máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG trong hệ thống phong điện có đặc điểm nổi bật là stator được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỒ NHƯ VĂN

ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HỖN LOẠN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP

CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang

2 PGS.TS Nguyễn Thanh Hải

Hà Nội - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang và PGS.TS Nguyễn Thanh Hải Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày 26 tháng 8 năm 2024

Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh

GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang PGS.TS Nguyễn Thanh Hải Cồ Như Văn

LỜI CẢM ƠN

Trải qua một thời gian dài, với rất nhiều khó khăn và thử thách về mặt chuyên môn, về kinh nghiệm nghiên cứu và về kinh nghiệm sống, nghiên cứu sinh cũng đã hoàn thành bản luận án của mình Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ, hỗ trợ vô cùng lớn lao của các Thầy trong tập thể hướng dẫn, của các đơn vị chuyên môn ở đơn vị đào tạo cũng như tại đơn vị công tác, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, các anh chị cùng học nghiên cứu sinh, các bạn sinh viên và của gia đình

Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn tận tình của

thầy GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang và thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Hải là những

người đã có những định hướng sâu sắc, đã dìu dắt, chia sẻ, quan tâm và tạo mọi điều kiện, giúp đỡ kịp thời để tác giả không chỉ hoàn thành luận án mà còn trưởng thành lên trong tư tưởng và thái độ trước các vấn đề chuyên môn và nghiên cứu khoa học

Tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy thuộc Viện Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa và bộ môn Tự động hóa đã cho nghiên cứu sinh rất nhiều những góp ý trong các buổi báo cáo chuyên môn định kỳ của Viện

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các Viện, Phòng, Ban của Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án Tác giả xin cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Điện - Điện tử và Trưởng bộ môn Điều khiển học – Trường Đại học Giao thông vận tải đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh đi học Tác giả xin trân trọng cảm ơn GS TS Lê Hùng Lân cùng các thầy/cô thuộc bộ môn Điều khiển học đã hỗ trợ và tạo điều kiện để nghiên cứu sinh sắp xếp được thời gian, vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa nghiên cứu luận án

Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bố mẹ hai bên, vợ và các con đã hết lòng ủng hộ, ở bên cạnh để nghiên cứu sinh hoàn thành nội dung nghiên cứu này

Hà Nội, ngày 26 tháng 8 năm 2024

Tác giả luận án

Cồ Như Văn

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

3.Mục tiêu nghiên cứu 2

4.Phương pháp nghiên cứu 2

5.Những đóng góp mới của luận án 3

6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

7.Bố cục và nội dung của luận án 3

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 5

1.1 Khái quát về hệ thống DFIG 5

1.1.1 Cấu trúc máy phát DFIG 6

1.1.2 Biểu diễn các đại lượng ba pha dưới dạng vector 10

1.2 Các vấn đề điều khiển 11

1.2.1 Điều khiển nghịch lưu phía máy phát 11

1.2.1.1 Mô hình trạng thái liên tục và gián đoạn phía máy phát 11

1.2.1.2 Các biến điều khiển và cấu trúc điều khiển phía máy phát 15

1.2.2 Điều khiển nghịch lưu phía lưới 16

1.2.2.1 Mô hình trạng thái liên tục và gián đoạn phía lưới 16

1.2.2.2 Các biến điều khiển và cấu trúc điều khiển phía lưới 18

1.2.3 Các phương pháp điều khiển 20

1.3 Kết luận chương 1 20

Chương 2 KHÁI QUÁT VỀ HỖN LOẠN VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN 22

2.1 Khái quát về hiện tượng hỗn loạn 22

2.2 Các đặc điểm và nhận dạng hiện tượng hỗn loạn 24

3.2.1 Mô hình hoá bộ điều khiển phía máy phát 45

3.2.2 Mô hình hoá bộ điều khiển phía lưới 50

3.2.3 Mô hình hoá hệ thống DFIG có xét đến thành phần hỗn loạn 53

4.1.2 Xây dựng bộ quan sát dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng 61

4.1.2.1 Thuật toán của bộ lọc Kalman mở rộng 61

4.1.2.2 Bộ lọc Kalman mở rộng – phương pháp 1 (EKF-M1): 64

4.1.2.3 Bộ lọc Kalman mở rộng – Phương pháp 2 (EKF-M2) 67

4.1.3 Nhận dạng hiện tượng hỗn loạn 69

4.2 Điều khiển triệt tiêu hiện tượng hỗn loạn 71

4.2.1 Mục tiêu và phương pháp điều khiển 71

4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển để triệt tiêu hỗn loạn 73

4.2.2.1 Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái 73

4.2.2.2 Phương pháp điều khiển phản hồi trễ 76

4.3 Kết luận chương 4 84

Chương 5 MÔ PHỎNG OFFLINE VÀ MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC 86

5.1 Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink 86

5.1.1 Hệ thống hoạt động ở điều kiện bình thường 90

5.1.2 Hoạt động của hệ thống khi rơi vào trạng thái làm việc hỗn loạn 965.1.3 Điều khiển triệt tiêu hiện tượng hỗn loạn 101

5.2 Kết quả mô phỏng thời gian thực 103

5.2.1 Mô phỏng thời gian thực và thiết bị HIL 402 103

5.2.2 Triển khai trên Typhool 105

5.2.3 Kết quả thực hiện 106

5.3 Kết luận chương 5 110

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

độ dq 8 , Các thành phần dòng stator trong hệ tọa độ αβ 9 , Vectơ điện áp stator, rotor

10 , , , Các thành phần điện áp rotor, stator trong hệ tọa độ

dq 11 , Vectơ từ thông stator, rotor 12 , Các thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ dq 13 , Các thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ dq 14 J Mô men quán tính

15 Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor 16 = + s Điện cảm stator

17 = + s Điện cảm rotor 18 s Điện cảm tản phía stator 19 s Điện cảm tản phía rotor 20 , Điện trở stator, rotor

21 = 1 −

. Hệ số tản tổng 22

= Hằng số thời gian stator

23

= Hằng số thời gian rotor

24 TL, mG Momen tải, Momen điện từ

26 ^ Đại lượng tính được, quan sát được

28 , Vận tốc mạch của stator, rotor

30 Tần số mạch điện stator 31 Tần số mạch điện rotor 32 Ps, Qs Công suất tích cực và công suất phản khảng phía

stator 33 Pr, Qr Công suất tích cực và công suất phản khảng phía rotor 34 Pg, Qg Công suất tích cực và công suất phản khảng phía lưới 35 U Điện áp lưới

37 np Số đôi cực 38 TL Mô men xoắn 39 J Mô men quán tính 40 B Hệ số giảm chấn

2 Danh mục các chữ viết tắt

STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng anh Ý nghĩa tiếng việt

1 DFIG Doubly Fed Induction

Generator

Máy phát không đồng bộ nguồn kép

2 GWEC Global Wind Energy

Council

Hội năng lượng toàn cầu

3 EER Emerging Energy

Research

Nghiên cứu năng lượng mới

4 NREAP National Renewable

Energy Action Plans

Kế hoạch hành động năng lượng tái tạo quốc gia

5 MPPT Maximum Power Point

7 PLL Phase Locked Loop Vòng khoá pha

8 PID Proportional Integral

Derivative

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

9 RSC Rotor Side Converter Bộ biến đổi phía rotor

10 GSC Grid Side Converter Bộ biến đổi phía lưới

11 PMSM Pemanent Magnet

Synchronous Motor

Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

12 EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng

13 HIL Hardware In the Loop

simulation

Mô phỏng hệ có thiết bị phần cứng

14 DFC Delay Feedback

Controller

Bộ điều khiển phản hồi trễ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Giá trị riêng của hệ khi tăng tham số KPω 35

Bảng 3.2: Tăng giá trị mô men xoắn cơ học đầu vào dẫn đến hỗn loạn 36

Bảng 4.1: Các tham số chính của máy phát DFIG 74

Bảng 4.2: Kết quả tính số mũ Lyapunov khi xảy ra hỗn loạn 75

Bảng 5.1: Các tham số của hệ thống được lấy từ [74] và [118]: 89

Bảng 5.2: Các tham số của bộ điều khiển 89

Bảng 5.3: Thông số kĩ thuật các cổng vào ra của Typhoon 402 104

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tốc độ phát triển hệ thống phát điện sức gió [2] 5

Hình 1.2 Mô hình hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG [8] 7

Hình 1.3 Cấu trúc tổng quan của DFIG trong hệ thống phát điện sức gió [11] 8

Hình 1.4 Dòng năng lượng ở tốc độ không đồng bộ và trên đồng bộ [7] 9

Hình 1.5 Biểu diễn các véc tơ dòng, áp, từ thông stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq [11][12] 10

Hình 1.6 a) Mô hình trạng thái theo (1.8), b) theo ma trận con ở (1.11) [11] 13

Hình 1.7 Mô hình trạng thái gián đoạn của DFIG: a) trong hệ quy chiếu tựa theo điện áp lưới; b) mô hình xử lý dòng điện rotor [11] 14

Hình 1.8 Đồ thị biểu diễn các véc tơ dòng, áp, từ thông stator của máy điện KĐBNK trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới 15

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển hía máy phát [16] 16

Hình 1.10 Sơ đồ thay thế mạch điện phía lưới [11] 16

Hình 1.11 Biểu diễn vector dòng điện phía lưới 18

Hình 1.12 Cấu trúc điều khiển phía lưới [16] 19

Hình 2.1 Trạng thái của hệ thống theo miền thời gian với các tham số: (a) σ = 10, ρ = 8/3, ꞵ = 10; (b) σ = 10, ρ = 8/3, ꞵ = 28 23

Hình 2.2 Quỹ đạo pha của hệ thống với các tham số σ = 10, ρ = 8/3, ꞵ = 28 24

Hình 2.3 Đáp ứng thời gian của: a) Tín hiệu tuần hoàn; b) Tín hiệu hỗn loạn 25

Hình 2.4 Biểu đồ pha của hệ điều hòa (a); hệ hỗn loạn (b) 26

Hình 2.5 Biểu đồ phân nhánh [23] 27

Hình 2.6 Lát cắt Poincaré - Các vòng kết nối hiển thị các giao điểm với mặt phẳng đã chọn [25] 28

Hình 2.7 Quỹ đạo chuyển động hỗn loạn [25] 28

Hình 2.8 Phổ Fourier phương trình Duffing [25] 29

Hình 2.9 Phổ liên tục của tín hiệu hỗn loạn 29

Hình 2.10 Sự phân kỳ của quỹ đạo [26] 29

Hình 3.1 Dạng sóng pha A của dòng điện rotor ira [59] 36

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn sự hỗn loạn của vận tốc góc và dòng điện theo thời gian

37

Hình 3.3 Mặt phẳng pha của isq và ở trạng thái DFIG xảy ra sự cố 37

Hình 3.4 Không gian biểu diễn: (a) Hệ tiến tới ổn định khi k=1.5; (b) Hệ đã xảy ra hỗn loạn khi k = 30 [72] 38

Hình 3.5 Điện áp liên kết và dòng điện của bộ biến đổi phía lưới khi xảy ra hỗn loạn [57] 38

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn sự hỗn loạn của dòng điện ird theo thời gian [73] 39

Hình 3.7 Mặt phẳng pha của ird và r và không gian pha giữa ird, irq, r ở trạng thái làm việc hỗn loạn [73] 39

Hình 3.8 Quỹ đạo khi xảy ra hỗn loạn: (a) Mặt phẳng pha của ird và ; (b) Không gian pha giữa ird, irq và ω ở trạng thái làm việc hỗn loạn 40

Hình 3.9 Sự biến thiên của số mũ Lyapunov theo thời gian khi hệ thống rơi vào trạng thái hỗn loạn 40

Hình 3.10 Biểu đồ thời gian của x1 với 1=25, 2=10, 1=0.001, 2=0.0001 41

Hình 3.11 Hệ thống làm việc hỗn loạn khi lỗi xuất hiện: (a) Biểu đồ theo miền thời gian của ; (b) Hiện tượng hỗn loạn bị triệt tiêu tại 0.4s 41

Hình 3.12 (a) Biểu đồ miền thời gian của ird; irq; ω và (b) số mũ Lyapunov theo thời gian khi hệ thống làm việc ở điều kiện bình thường 42

Hình 3.13 Đồ thị theo miền thời gian của ird; irq; ω 43

Hình 3.14 Đồ thị theo miền thời gian của irq 43

Hình 3.15 Không gian pha của ird ; irq ; ω 43

Hình 3.16 Kết quả tính số mũ Lyapunov khi xuất hiện thành phần hỗn loạn 44

Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển phía rotor của DFIG 47

Hình 3.18 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển phía lưới 51

Hình 3.19 Cấu trúc hệ thống bị tác động bởi các thành phần chưa xác định 55

Hình 3.20 Phương pháp đánh giá lỗi máy phát điện sức gió dựa trên dư thừa [86] 57 Hình 4.1 Cấu trúc bộ điều khiển phía máy phát và bộ quan sát biến trạng thái cùng với đầu vào chưa xác định 60

Hình 4.2 Thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng 64

Hình 4.3 Khâu lọc Kalman và khâu quan sát nhiễu [94] 65

Hình 4.4 Mô hình quan sát trạng thái và đầu vào chưa biết dựa trên EKF-M1 65

Hình 4.5 Mô hình bộ quan sát EKF 69

Hình 4.6 Quỹ đạo của hệ thống tương ứng với giá trị của các số mũ Lyapunov 70

Hình 4.7 Thuật toán tính số mũ Lyapunov 70

Hình 4.8 Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát và điều khiển hỗn loạn 72

Hình 4.9 Biểu đồ theo miền thời gian của vận tốc góc ω và dòng điện ird với các tham số k1=920000, k2=1; k3=0 75

Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển phản hồi trễ [116] 76

Hình 4.11 Miền giới hạn của U0( , )K  78

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn các hàm f1, f2, và f3 80

Hình 4.13 Đường miền tạo bởi các tập B1(K,τ), B2(K,τ) và B3(K,τ) 80

Hình 4.14 Miền của U(K,τ) 80

Hình 4.15 Miền xác định bởi tương ứng với 3 điều kiện giữa ˆ và K 81

Hình 4.16 Biểu đồ không gian pha giữa x1, x2 và x3 khi hệ thống xảy ra hiện tượng hỗn loạn 82

Hình 4.17 Dòng điện ird theo miền thời gian với các tham số: (a) K = 5, τ = 0.02; (b) K = 5, τ = 0.35 83

Hình 4.18 Dòng điện ird theo miền thời gian với các tham số: (a) K = 15, τ = 0.02; (b) K = 15, τ = 0.1 83

Hình 4.19 Không gian pha của ird, irq và ω theo miền thời gian với các tham số K = 15, τ = 0.1 (kết quả hiển thị mặc định) 84

Hình 4.20 Không gian pha của ird, irq và ω theo miền thời gian với các tham số K = 15, τ = 0.1 (kết quả hiển thị khi xoay hệ trục toạ độ) 84

Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống trên Simulink 87

Hình 5.2 Bộ điều khiển phía máy phát 87

Hình 5.3 Bộ điều khiển phía lưới 88

Hình 5.4 Bộ quan sát dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng 88

Hình 5.5 Mô men và dòng điện ird - giá trị đặt và giá trị thực 90

Hình 5.6 Điện áp liên kết một chiều - giá trị đặt và thực 90

Hình 5.7 Điện áp thành phần Vrd, Vrq và dòng điện phía rotor 90

Hình 5.8 Dòng điện stator 91

Hình 5.9 Công suất phía stator, phía rotor và công suất cơ, công suất tác dụng 91

Hình 5.10 Vận tốc góc – giá trị thực và giá trị quan sát áp dụng EKF-M1 91

Hình 5.11 Dòng điện ird – giá trị thực và giá trị quan sát áp dụng EKF-M1 92

Hình 5.12 Dòng điện irq – giá trị thực và giá trị quan sát áp dụng EKF-M1 92

Hình 5.13 Ước lượng thành phần chưa xác định z1 và z2 áp dụng EKF-M1 93

Hình 5.14 Dòng điện ird – giá trị thực và giá trị quan sát áp dụng EKF-M2 93

Hình 5.15 Dòng điện irq – giá trị thực và giá trị quan sát áp dụng EKF-M2 94

Hình 5.16 Vận tốc góc – giá trị thực và giá trị quan sát áp dụng EKF-M2 94

Hình 5.17 Ước lượng thành phần chưa xác định z1 áp dụng EKF-M2 95

Hình 5.18 Ước lượng thành phần chưa xác định z2 áp dụng EKF-M2 95

Hình 5.19 Kết quả tính số mũ Lyapunov ở trạng thái hoạt động bình thường 96

Hình 5.20 Vận tốc góc – giá trị thực và giá trị quan sát 97

Hình 5.21 Mô men và dòng điện ird – giá trị thực và giá trị đặt 97

Hình 5.22 Dòng điện ird – giá trị thực và giá trị quan sát 97

Hình 5.23 Giá trị ước lượng z1 98

Hình 5.24 Giá trị ước lượng z2 98

Hình 5.25 Giá trị ước lượng z1 – khi Rs thay đổi 99

Hình 5.26 Giá trị ước lượng z2 – khi Rs thay đổi 99

Hình 5.27 Giá trị ước lượng z1 – khi Vs thay đổi 99

Hình 5.28 Giá trị ước lượng z2 – khi Vs thay đổi 99

Hình 5.29 Đầu vào chưa xác định z1 - Giá trị thực và giá trị quan sát 100

Hình 5.30 Đầu vào chưa xác định z2 - Giá trị thực và giá tị quan sát 100

Hình 5.31 Kết quả tính số mũ Lyapunov khi hệ thống xảy ra hiện tượng hỗn loạn

101

Hình 5.32 Giá trị mô men theo miền thời gian 102

Hình 5.33 Dòng điện ird theo miền thời gian 102

Hình 5.34 Thiết bị Typhoon HIL 402 104

Hình 5.35 Các giao tiếp vào/ra trên card C2000 104

Hình 5.36 Giao tiếp giữa card C2000 và thiết bị Typhool 105

Hình 5.37 Mô hình thử nghiệm 105

Hình 5.38 Thiết kế phần điện tử công suất của hệ thống DFIG trên HIL 402 106

Hình 5.39 Mô men – Giá trị đặt và giá trị thực theo miền thời gian 107

Hình 5.40 Công suất phản kháng – Giá trị đặt và giá trị thực theo miền thời gian 107

Hình 5.41 Điện áp Vbus - Giá trị đặt và giá trị thực theo miền thời gian 107

Hình 5.42 Dòng điện rotor – pha A và tốc độ rotor theo miền thời gian 107

Hình 5.43 Dòng điện ird và irq theo miền thời gian 107

Hình 5.44 Điện áp Vbus - Giá trị đặt và giá trị thực theo miền thời gian 108

Hình 5.45 Dòng điện phía lưới – pha A theo miền thời gian 108

Hình 5.46 Dòng điện ird – Giá trị đặt và giá trị thực theo miền thời gian 108

Hình 5.47 Mô men điện theo miền thời gian 109

Hình 5.48 Mô men điện theo miền thời gian khi hỗn loạn 109

Hình 5.49 Điện áp Vbus - Giá trị đặt và giá trị thực theo miền thời gian khi hỗn loạn 109

Hình 5.50 Dòng điện ird – Giá trị đặt và giá trị thực theo miền thời gian khi hỗn loạn 110

Hình 5.51 Dòng điện phía lưới – pha A theo miền thời gian khi hỗn loạn 110

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nguồn cung cấp năng lượng hiện nay chủ yếu phụ thuộc vào thuỷ điện và các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt tự nhiên, than đá Nguồn năng lượng hoá thạch đang ngày càng cạn kiệt, do biến đổi khí hậu mà nguồn năng lượng từ thuỷ điện cũng không còn là thế mạnh Đồng thời, do nguồn dự trữ uranium của trái đất hạn chế cho hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân, nên năng lượng hạt nhân không thể là giải pháp thay thế lâu dài cho nguồn năng lượng thuỷ điện và hoá thạch Đồng thời, rủi ro do sử dụng năng lượng hạt nhân cho thấy các nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp thay thế tốt hơn để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng

Phát triển các nguồn năng lượng tái tạo là cách duy nhất để đáp ứng nhu cầu năng lượng của trái đất mà không ảnh hưởng đến điều kiện khí hậu Do vậy mà việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện đã tăng lên rất nhiều kể từ thập kỷ qua Trong số các nguồn năng lượng tái tạo sẵn có, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng và hứa hẹn nhất trên toàn thế giới Năng lượng gió là nguồn năng lượng vô tận và không gây ô nhiễm Việt Nam với lợi thế bờ biển dọc khắp đất nước, nên việc khai thác nguồn năng lượng điện gió trong thời gian qua đã phát triển rất mạnh mẽ

Máy điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống phong điện có đặc điểm nổi bật là stator được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được Chính vì thiết bị điều khiển nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển nhỏ hơn khá nhiều so với công suất máy phát, điều này rất hấp dẫn về mặt kinh tế, đặc biệt khi công suất của máy phát lớn Do những lợi ích lớn của DFIG mà nó đang trở thành cấu trúc chiếm phần lớn trong hệ thống phát điện sức gió Tuy nhiên, DFIG có cấu trúc phức tạp cả về phần cơ lẫn phần điện, với điều kiện hoạt động liên tục ở môi trường khắc nghiệt, hệ thống dễ gặp phải những rủi ro không mong muốn, vì thế mà đã có khá nhiều nghiên cứu về các phương pháp điều khiển DFIG được công bố nhằm hoàn thiện hệ thống Mặc dù vậy, trong thực tiễn công nghiệp, độ tin cậy là vô cùng quan trọng, nhiệm vụ hoàn thiện hơn nữa các phương pháp điều khiển để tăng độ tin cậy cho hệ thống là rất cần thiết

Đối với phần đa hệ thống truyền động thì sự hỗn loạn là hiện tượng không mong muốn, các dao động hỗn loạn xuất hiện không tuần hoàn, ngẫu nhiên, đột ngột hoặc không liên tục, dẫn đến sự mệt mỏi cơ học tăng thêm đối với các dao động không đều, khả năng hấp thụ năng lượng không đối lưu trong chế độ hỗn loạn có thể dẫn đến các thông số của hệ thống vượt quá mức an toàn, khiến chất lượng làm việc của hệ thống kém, thậm trí là bị phá hủy Hiện tượng hỗn loạn là nguồn gốc gây ra lỗi hệ thống truyền động điện, như vậy việc phát hiện hệ thống bị hỗn loạn chính là

hiện lỗi kịp thời hoặc lý tưởng là phát hiện trong giai đoạn đầu phát triển của sự cố sẽ tránh được những thiệt hại có thể gây ra đối với hệ thống, cho phép bảo trì kịp thời thay vì theo kế hoạch, từ đó không chỉ tăng độ tin cậy và chất lượng của hệ thống mà còn góp phần giảm chi phí vận hành và bảo trì, đồng thời tăng hiệu quả của hệ thống Như vậy, khả năng kiểm soát sự hỗn loạn, tức là điều khiển để ngăn chặn hoặc triệt tiêu hỗn loạn khi nó xảy ra có tầm quan trọng rất lớn trong thực tế Với yêu cầu điều khiển đặt ra trong mảng truyền động mong muốn độ chính xác của đáp ứng, tính làm việc ổn định thì việc áp dụng lý thuyết hỗn loạn vào đối tượng điều khiển với mục tiêu tăng độ tin cậy là rất khả thi Do đó mà ngày càng có nhiều nghiên cứu được công bố về hiện tượng hỗn loạn cho máy điện nói chung và đã đem lại những kết quả đáng nghi nhận Tuy nhiên, nghiên cứu về hiện tượng hỗn loạn cho máy phát điện sức gió sử dụng DFIG với số lượng công bố còn khá khiêm tốn Đồng thời, các nghiên cứu đó chưa phản ánh hết được những nguy cơ tiềm ẩn về hiện tượng hỗn loạn xảy ra đối với DFIG, vì thế mà việc nghiên cứu để phát hiện ra những nguy cơ khác khiến DFIG rơi vào hỗn loạn và có giải pháp đánh giá một cách bao quát về hiện tượng hỗn loạn đối với DFIG là điều vô cùng quan trọng

Từ những yêu cầu trên, được sự định hướng và dẫn dắt bởi GS.TSKH Nguyễn

Phùng Quang và PGS.TS Nguyễn Thanh Hải, tác giả lựa chọn đề tài: “Điều khiển trên cơ sở hỗn loạn máy phát không đồng bộ nguồn kép của hệ thống phát điện sức gió” với mong muốn góp phần giải quyết vấn đề nêu trên

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của luận án: máy điện không đồng bộ nguồn kép - Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu phát hiện hành vi hỗn loạn xuất hiện trong hệ thống DFIG và điều khiển triệt tiêu hiện tượng hỗn loạn khi xảy ra

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu một số nguyên nhân khiến DFIG rơi vào hiện tượng hỗn loạn - Mô hình hoá hệ thống DFIG có xét đến thành phần hỗn loạn

- Xây dựng bộ quan sát để từ đó nhận dạng hiện tượng hỗn loạn trong hệ thống DFIG

- Điều khiển triệt tiêu hiện tượng hỗn loạn khi xuất hiện trong hệ thống DFIG

4 Phương pháp nghiên cứu

- Khái quát về hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG và hiện tượng hỗn loạn - Nghiên cứu đặc điểm hỗn loạn của DFIG, từ đó thực hiện mô hình hoá hệ thống có xét đến thành phần hỗn loạn

- Phương pháp nhận dạng và điều khiển hỗn loạn

- Kiểm chứng trên cơ sở mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink và mô phỏng thời gian thực trên thiết bị Typhool HIL 402 và card C2000

5 Những đóng góp mới của luận án

Luận án đề xuất những đóng góp mới của luận án như sau: - Luận án chỉ ra được nguy cơ xuất hiện trạng thái hỗn loạn trong hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG, tiềm ẩn nguy cơ xảy ra sự cố hỏng hóc làm suy giảm độ tin cậy toàn hệ

- Luận án đề xuất mô hình hệ thống DFIG phù hợp để xét gộp toàn phần (toàn bộ hệ thống, không xét riêng từng chi tiết, từng linh kiện) hỗn loạn

- Luận án đề xuất xây dựng 02 bộ quan sát dựa trên nguyên lý lọc Kalman mở rộng để ước lượng trạng thái và thành phần bất định của hệ thống phi tuyến DFIG

- Luận án đề xuất xây dựng 02 phương pháp điều khiển triệt tiêu hỗn loạn (góp phần nâng cao độ tin cậy toàn hệ), dựa trên phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái và bộ điều khiển phản hồi trễ

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: + Luận án phân tích và thực hiện một số nguyên nhân khiến DFIG xảy ra hiện tượng hỗn loạn Từ đó đề xuất phương pháp xét gộp thông qua việc mô hình hoá hệ thống có xét đến hiện tượng hỗn loạn, các biến trong mô hình được lấy từ bộ quan sát Đồng thời, xây dựng bộ điều khiển để triệt tiêu hiện tượng hỗn loạn khi nó xuất hiện trong hệ thống

+ Việc thực hiện thành công trên hệ thống DFIG với phương pháp xét gộp, từ đó có thể vận dụng phương pháp này để thực hiện cho các đối tượng khác tương tự - Ý nghĩa thực tiễn: với kết quả từ nghiên cứu của luận án, có thể góp phần vào việc bổ sung, hoàn thiện phương pháp điều khiển trên cơ sở hỗn loạn cho hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép Từ đó mở ra một tiềm năng áp dụng cài đặt thuật toán điều khiển vào các thiết bị thương mại, nhằm nâng cao chất lượng và độ tin cậy cho hệ thống

7 Bố cục và nội dung của luận án

Luận án bao gồm 5 chương và phần kết luận chung, có nội dung chính như sau: Chương 1: Khái quát về hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và phương pháp điều khiển Chương này sẽ trình bày về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các vấn đề điều khiển đối với hệ thống máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

Chương 2: Khái quát về hỗn loạn và ứng dụng trong điều khiển: Chương này sẽ trình bày về hiện tượng hỗn loạn, các tính chất, đặc điểm và các phương pháp để nhận dạng hiện tượng hỗn loạn

Chương 3: Đặc điểm hỗn loạn của DFIG và mô hình hoá hệ thống DFIG có xét đến thành phần hỗn loạn, trong chương này sẽ trình bày một số nguyên nhân khiến DFIG rơi vào hiện tượng hỗn loạn; thực hiện mô hình hoá hệ thống DFIG với đầy đủ bộ điều khiển phía máy phát và bộ điều khiển phía lưới, từ đó tiến hành mô hình hoá hệ thống DFIG có xét đến thành phần hỗn loạn

Chương 4: Nhận dạng hỗn loạn và điều khiển triệt tiêu hiện tượng hỗn loạn Từ mô hình hoá hệ thống có xét đến thành phần hỗn loạn, chương này sẽ thiết kế bộ quan sát, từ đó có thể nhận dạng được hiện tượng hỗn loạn Đồng thời thiết kế bộ điều khiển để triệt tiêu hỗn loạn khi xuất hiện trong hệ thống

Chương 5: Mô phỏng offline và mô phỏng thời gian thực Để đánh giá sự đúng đắn cũng như chất lượng của các thuật toán đã thực hiện ở các nội dung trước, chương này sẽ thực hiện mô phỏng offline trên phần mềm Matlab/Simulink và mô phỏng online dựa trên card điều khiển C2000 và thiết bị typhool HIL 402

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP VÀ

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

1.1 Khái quát về hệ thống DFIG

Năng lượng tái tạo đang được đón nhận trên toàn cầu như một giải pháp thay thế khả thi cho các máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch thông thường Điều này nhằm đáp ứng trực tiếp thách thức về việc cạn kiệt nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch và tác động của nó đối với ô nhiễm môi trường Sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống năng lượng gió là một phản ứng trực tiếp đối với nhu cầu ngày càng tăng về các nguồn năng lượng thay thế [1] Dữ liệu thu được từ hội năng lượng gió toàn cầu (GWEC) [2] cho thấy sự gia tăng công suất gió toàn cầu đã lắp đặt khoảng 651 GW vào cuối năm 2019 được thể hiện như trong hình 1.1 Điều này cho thấy công suất gió toàn cầu tăng 10% so với năm 2018 Dự kiến, công suất gió lắp đặt sẽ tăng theo cấp số nhân trong vài năm tới do nhu cầu liên tục về nguồn năng lượng thay thế

Hình 1.1 Tốc độ phát triển hệ thống phát điện sức gió [2]

Wind Turbine (WT) đã phát triển qua nhiều năm, từ các thiết kế đơn giản đến

thống năng lượng gió vào các yếu tố khí hậu và môi trường, cần phải kết hợp các hệ thống điều khiển để đảm bảo hoạt động hiệu quả của các WT và sử dụng hiệu quả năng lượng gió để có thể tạo ra công suất tối đa [3] Các hệ thống điều khiển được tích hợp vào các WT để nâng cao khả năng của các WT nhằm thích ứng với sự biến đổi của gió trong việc sản xuất năng lượng theo cách thức hiệu quả và đáng tin cậy về chi phí

Mục tiêu chính của các cấu trúc điều khiển WT là cung cấp sự ổn định cho việc hoà lưới điện, giảm thiểu tải cơ học tĩnh và động, tối đa hóa sản lượng điện và cung cấp điện liên tục cho lưới điện [4] Để đạt được các mục tiêu điều khiển nói trên, điều quan trọng là phải điều khiển tối ưu mô men xoắn máy phát WT và góc bước Việc điều khiển mô men xoắn của máy phát điện cho phép thay đổi tốc độ của rotor tuabin bằng cách áp dụng các chiến lược MPPT để đạt được mức khai thác tối đa năng lượng gió nhiều nhất có thể Với sự thay đổi của tốc độ gió, mô men xoắn rotor tăng hoặc giảm, do đó mô men xoắn của máy phát phải là bộ giảm chấn để tuabin quay ở tốc độ tối ưu trong khi việc điều khiển góc bước đạt được sản xuất công suất trơn tru bằng cách kiểm soát mô men xoắn đầu vào của gió

Sự tiến bộ trong hệ thống điện tử công suất cũng đã góp phần vào những cải tiến khác nhau trong việc điều khiển hệ thống WT, đặc biệt là khi xem xét chất lượng của hệ thống WT Để hòa lưới ổn định và vận hành tốc độ thay đổi của bất kỳ hệ thống năng lượng gió nào, vai trò của các bộ biến đổi công suất của WT là rất quan trọng

1.1.1 Cấu trúc máy phát DFIG

Mô hình toán học của DFIG được xây dựng trong hệ trục tọa độ tham chiếu dq thích hợp, định hướng theo vectơ điện áp lưới để cho sự phân lập giữa điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng bên phía stator máy phát Với kỹ thuật định hướng hệ trục tọa độ tham chiếu này, cho thấy có thể điều khiển tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng hoàn toàn độc lập với điều khiển các chế độ vận hành công suất thực Do stator DFIG được nối trực tiếp với lưới điện và điện áp stator được cố định theo điện áp lưới, nên mục tiêu điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng bên phía stator DFIG máy phát được qui về mục tiêu điều khiển độc lập hai thành phần trục d và q của vectơ dòng điện stator trong chế độ vận hành bình thường

Với điều khiển dòng của máy phát không đồng bộ nguồn kép 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 tựa theo vector từ thông stator hoặc theo vector điện áp lưới Do máy phát không đồng bộ nguồn kép làm việc song song với lưới nên cần phải có chức năng hòa đồng bộ Vì vậy, việc chọn hệ trục tọa độ dq với trục d trùng với vector điện áp lưới có thể đem lại một số thuận lợi nhất định Chính vì các lý do trên, hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới được lựa chọn để phát triển trên mô hình cũng như phát triển các thuật toán điều khiển máy điện không đồng bộ nguồn kép sau này

Sự thâm nhập của năng lượng gió đang gia tăng nhanh chóng trong ngành sản xuất năng lượng ngày nay Đặc biệt, DFIG đã trở thành một lựa chọn rất phổ biến trong các trang trại gió, do có một số ưu điểm như: chi phí đầu tư thấp, có thể vận hành với tốc độ gió thay đổi, điều khiển linh hoạt, … Máy điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện có đặc điểm nổi bật là stator được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được (cấu trúc hệ thống được thể hiện chi tiết trên hình 1.2) Chính vì thiết bị điều khiển nằm ở rotor nên công suất của thiết bị điều khiển nhỏ hơn nhiều so với công suất máy phát (trong dải tốc độ giới hạn thì công suất của bộ biến đổi chỉ bằng 30% công suất phát lên lưới [5-7]), điều này rất hấp dẫn về mặt kinh tế, đặc biệt đối với công suất của máy phát lớn Ngoài ra, hệ thống có khả năng hoạt động với hệ số trượt trong một phạm vi khá rộng (±33% so với tốc độ đồng bộ) [8][9] Nhờ vào tính ưu việt của hệ thống máy phát điện sử dụng DFIG mà ngày nay được ứng dụng rất rộng rãi trong các hệ thống phát điện, đặc biệt là trong các hệ thống phát điện với tốc độ thay đổi như hệ thống phát điện sức gió Hiện tại cấu trúc phát điện sử dụng DFIG chiếm gần 50% thị trường phát điện sức gió [10], với dải công suất từ 1.5MW đến 3MW, gồm 93 model của các hãng sản xuất khác nhau trên thế giới [8]

Hình 1.2 Mô hình hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG [8]

Hệ thống điều khiển công suất bao gồm hai cụm, được mô tả như hình 1.3: Cụm nghịch lưu phía lưới và cụm nghịch lưu phía máy phát, hai cụm được nối với nhau thông qua mạch điện một chiều trung gian Cụm điều khiển nghịch lưu phía máy phát

có nhiệm vụ là điều khiển công suất tác dụng P (thông qua mô men) và công suất phản kháng Q (thông qua hệ số công suất cosφ) phát lên lưới độc lập với nhau, thông

qua điều khiển các thành phần dòng điện rotor Đồng thời đảm nhận việc hoà đồng bộ với lưới cũng như điều khiển tách máy phát ra khỏi lưới khi cần thiết Cụm điều khiển nghịch lưu phía lưới dùng để duy trì trị số điện áp một chiều trung gian không đổi theo giá trị đặt của nó, bảo đảm cân bằng trong quá trình trao đổi điện năng giữa

rotor của máy phát với lưới, đồng thời bảo đảm công suất phản kháng Q đạt giá trị cần thiết, gián tiếp qua hệ số công suất cosφ Cụm điều khiển nghịch lưu phía lưới

không chỉ có nhiệm vụ chỉnh lưu lấy năng lượng từ lưới về, cụm còn có khả năng thực hiện nhiệm vụ hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại lưới Vì vậy, về cấu trúc mạch điện tử công suất, cụm điều khiển nghịch lưu phía lưới hoàn toàn giống như cụm điều khiển nghịch lưu phía máy phát

Hình 1.3 Cấu trúc tổng quan của DFIG trong hệ thống phát điện sức gió [11]

Hệ thống có khả năng hoạt động với hệ số trượt trong một phạm vi khá rộng, cho phép tận dụng tốt nguồn năng lượng được lai bởi máy chính, đó là làm việc ở hai chế độ trên hoặc dưới đồng bộ Ở hai chế độ, máy đều cung cấp năng lượng lên lưới ở phía stator; ở phía rotor, máy lấy năng lượng từ lưới ở chế độ dưới đồng bộ và hoàn năng lượng trở lại lưới ở chế độ trên đồng bộ, điều này được thể hiện rõ trên hình 1.4

Hình 1.4 Dòng năng lượng ở tốc độ không đồng bộ và trên đồng bộ [7]

Nhờ khả năng cấp nguồn từ rotor, DFIG có thể thực hiện được cả bốn chế độ vận hành: Chế độ máy phát (trên tốc độ đồng bộ, dưới tốc độ đồng bộ), chế độ động cơ (trên và dưới tốc độ đồng bộ) Việc DFIG hoạt động trên hay dưới tốc độ đồng bộ hoàn toàn độc lập với tốc độ quay cơ học, chỉ phụ thuộc vào dấu của mô men Khi

vận hành ở trên đồng bộ (hệ số trượt s < 0) rotor quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng

bộ s, máy phát sẽ phát năng lượng theo cả hai phía: rotor và stator Khi vận hành

dưới chế độ đồng bộ (hệ số trượt s > 0) rotor quay với tốc độ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ,

máy phát sẽ phát năng lượng lên lưới thông qua phía stator và phía rotor lấy năng

lượng từ lưới (lý thuyết ωr = ±30% ωs) Như vậy, khi hệ thống biến đổi năng lượng gió cho phép vận hành trong phạm vi thay đổi tốc độ ±30% quanh tốc độ đồng bộ,

ứng với hệ số trượt thay đổi trong phạm vi s = ±0.3, thì công suất định mức của bộ

biến đổi công suất chỉ cần được thiết kế bằng 20% − 30% so công suất định mức của

Tốc độ đồng bộ Phạm vi hoạt động động

Phạm vi hoạt động tĩnh

Năng lượng tối ưu

Tốc độ Rotor n/nN

Tốc độ dưới đồng bộ n/nN < 1

Tốc độ trên đồng bộ n/nN > 1

Có bốn chế độ hoạt động của máy điện không đồng bộ nguồn kép tương ứng với 4 vùng: I, II, III, IV Tốc độ của rotor DFIG sẽ quyết định máy điện đang vận hành ở vùng tốc độ trên đồng bộ (II, IV) hay dưới đồng bộ (I, III), điều này thực hiện được là nhờ bộ biến đổi công suất nghịch lưu có thể cho dòng năng lượng đi theo hai chiều Dấu của mô men điện DFIG sẽ quyết định máy điện đang vận hành ở chế độ máy phát (III, IV) hay động cơ (I, II) Độ lớn của mô men điện DFIG cũng tương đương với công suất hữu công của máy điện (nhận từ lưới hay phát lên lưới) Do đó mô men điện DFIG là đại lượng cần được điều khiển trong quá trình vận hành ở chế độ máy

phát Hệ số công suất cosφ cũng là đại lượng cần được điều khiển, do đó máy phát có

thể hoạt động như một máy bù công suất phản kháng, hay một máy phát công suất phản kháng

1.1.2 Biểu diễn các đại lượng ba pha dưới dạng vector

Trong mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy điện), xây dựng hệ trục toạ độ cố định α, β có trục α trùng với trục cuộn dây pha u, và hệ trục toạ độ dq có trục thực d trùng với véc tơ điện áp lưới us (uN), nghĩa là hệ trục toạ độ dq này quay quanh gốc

toạ độ với tốc độ ωs

Hình 1.5 Biểu diễn các véc tơ dòng, áp, từ thông stator trên hệ tọa độ cố định

αβ và hệ tọa độ quay dq [11][12] Các thành phần của véc tơ dòng stator trên trục toạ độ αβ là isα và isβ và trên trục

toạ độ dq là isd và isq từ đó ta liên hệ giữa các thành phần của dòng điện stator trên các hệ toạ độ và các dòng điện pha stator như sau:

1

23













+ Hệ tọa độ dq: i sfisd  jisq

(Chỉ số: s – hệ stator cố định, f – hệ tọa độ từ thông)

1.2 Các vấn đề điều khiển 1.2.1 Điều khiển nghịch lưu phía máy phát

1.2.1.1 Mô hình trạng thái liên tục và gián đoạn phía máy phát

 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát Hệ phương trình điện của DFIG được mô tả bởi hệ phương trình sau đây [11]

  



Trong hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới thì usq = 0; ψsd = 0 (hệ tọa độ tựa theo từ

thông stator thì usd = 0; ψsq = 0) Các mục tiêu điều khiển chính nêu trên luôn là điều khiển tách rời các thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng Điều này gợi ý nên chọn hệ quy chiếu định hướng điện áp stator - và điện áp lưới tương ứng để thiết kế điều khiển

Việc thực hiện định hướng điện áp lưới yêu cầu thu nhận chính xác góc pha của sóng cơ bản điện áp lưới, xem xét các biến dạng mạnh do nhiễu nguồn điện của bộ chuyển đổi hoặc sóng hài lưới Thông thường điều này được thực hiện bằng một vòng lặp bị khóa pha (PLL) Khi tựa theo hướng của điện áp lưới ta cần chú ý rằng điện áp rất có thể bị méo dạng (do nhiễu của các thiết bị điện tử công suất đang hoạt động, do nhiễu của sấm chớp trên khí quyển, …) gây khó khăn cho việc đo góc pha của điện áp Vì vậy, phải chú ý thực hiện chống nhiễu tốt cho phép đo góc pha

Tóm tắt hệ phương trình (1.7) ta thu được mô hình không gian trạng thái cho DFIG trong hệ quy chiếu định hướng điện áp lưới:

xAxB uB u

ddtd

rdrq

ii ; ur

    

rdrq

uu ; us

    

sdsq

uu ;

//

/



     

sds

Hình 1.6 a) Mô hình trạng thái theo (1.8), b) theo ma trận con ở (1.11) [11]

Mô hình trạng thái sử dụng ma trận con ở hình 1.6b cho ta thấy rõ ràng là điện áp

ur không có ảnh hưởng trực tiếp, mà chỉ có thể ảnh hưởng gián tiếp tới từ thông stator

ѱs, thông qua dòng rotor ir Điện áp stator us (đồng thời là điện áp lưới uN sau khi hòa

đồng bộ) có ảnh hưởng trực tiếp, mang ý nghĩa quyết định tới ѱs, ảnh hưởng của us

tới ir chỉ giữ vai trò như một đại lượng nhiễu với module cố định, với góc pha cho trước/đo được và vì vậy có thể bị triệt tiêu dễ dàng nhờ một khâu bù nhiễu thông thường

 Mô hình trạng thái gián đoạn phía máy phát Nhờ phép tích phân lặp mô hình (1.8) trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu, ta thu được mô hình gián đoạn của máy phát Mô hình đó sẽ là xuất phát điểm để thiết kế các khâu điều chỉnh sau này

rr













12

1

0

Ma trận chuyển đổi trạng thái  , các ma trận đầu vào Hs phía stator, Hr phía rotor có công thức sau:

(1.13) Mô hình gián đoạn (1.12) của máy phát sử dụng ma trận con (1.13) được thể hiện trong hình 1.7a Tách nửa trên ra thể hiện riêng trong hình 1.7b, ta thu được mô hình dòng rotor, xuất phát điểm để thiết kế khâu điều chỉnh dòng sau này

Từ hình 1.7b ta thấy rất rõ rằng hai đại lượng us và ѱs - vì máy phát được ghép với lưới điện ba pha ổn định – chỉ giữ vai trò hai đại lượng nhiễu biến thiên rất chậm và do đó có thể bị khử ảnh hưởng bằng một khâu bù xuôi đơn giản

Hình 1.7 Mô hình trạng thái gián đoạn của DFIG: a) trong hệ quy chiếu tựa

theo điện áp lưới; b) mô hình xử lý dòng điện rotor [11]

Hình 1.6a được tạo ra bằng cách tách phương trình (1.12) như sau:

1.2.1.2 Các biến điều khiển và cấu trúc điều khiển phía máy phát

Bộ điều khiển phía máy phát thực hiện nhiệm vụ chính là điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng thông qua điện áp thành phần trên rotor, được thể hiện thông qua các biểu thức sau:

Trên hệ toạ độ tựa theo điện áp lưới, hệ số công suất (φ là góc xen giữa hai vector

dòng is và điện áp us) được định nghĩa như sau:

Phương trình (1.17) được mô tả trực giác thông qua hình 1.8

Hình 1.8 Đồ thị biểu diễn các véc tơ dòng, áp, từ thông stator của máy điện

KĐBNK trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới Từ phương trình (1.15) và (1.16), dòng điện isd hoàn toàn xác định bởi dòng tạo mô

men ird, và isq phụ thuộc vào irq, hay nói cách khác, dòng irq là biến điều khiển công

suất vô công Q Như vây, nếu thành công trong việc áp đặt nhanh, chính xác và không tương tác thành phần ird và irq thì ta hoàn toàn có thể điều khiển chính xác được P và

Từ các phương trình ở trên, hai vòng điều khiển phía bên trong là bộ điều khiển dòng

điện ird và irq , và 2 vòng điều khiển phía ngoài là công suất tác dụng P hay mG và

công suất phản kháng Q, theo [13]-[16], sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát như

hình 1.9

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển hía máy phát [16]

1.2.2 Điều khiển nghịch lưu phía lưới

1.2.2.1 Mô hình trạng thái liên tục và gián đoạn phía lưới

Đầu ra của bộ nghịch lưu phía lưới thường được kết nối với nguồn thông qua cảm

kháng LD, lọc RF và điện dung CF (hình 1.10)

Hình 1.10 Sơ đồ thay thế mạch điện phía lưới [11]

Ở trạng thái xác lập, ta thu được phương trình lọc như sau:

1

sF

Rj C

Trong hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới:

eN eNd  jeNq; eNq 0 (1.19) Phương trình (1.18) có thể được viết dưới dạng thành phần như sau [13]:

10

Nhờ phương trình (1.20) ta có thể tính chính xác giá trị của các thành phần dòng iFd

và iFq ở chế độ xác lập Ở chế độ xác lập, các thành phần dòng kể trên cùng với điện áp lưới là không đổi, vì vậy đối với mạch vòng điều chỉnh dòng phía lưới chúng cũng chỉ giữ vai trò của các đại lượng nhiễu cố định Tương tự khâu điều chỉnh dòng rotor, các đại lượng nhiễu phía lưới cũng có thể bị triệt tiêu ảnh hưởng nhờ khâu bù nhiễu hoặc nhờ thành phần tích phân tiềm ẩn trong thuật toán điều chỉnh dòng

Từ hình 1.10 ta có thể xây dựng các phương trình điện áp và dòng điện phía lưới như sau:

Sau khi chuyển phương trình (1.21) sang hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới, đồng thời

thay thế dòng iN trong phương trình thứ nhất bởi iN thuộc phương trình thứ 2 ta thu được phương trình điện áp mới:



; x   

NdNq

ii ; u

Như vậy, đại lượng điều khiển là điện áp ra của khâu nghịch lưu phía lưới và véc tơ

trạng thái là hai thành phần dòng điện iNd và iNq Vì vậy khâu điều chỉnh vòng trong sẽ là khâu điều chỉnh dòng phía lưới

Ta thấy ma trận B là ma trận hằng, tần số góc ωN gần như cố định nên ma trận A sẽ

thỏa mãn giả thiết là hằng trong một chu kỳ trích mẫu T Sử dụng phương pháp lấy tích phân đối với (1.23) ta được mô hình không gian trạng thái gián đoạn phía lưới như sau:

s

D

T

TT

TT

D

TL

TL

1.2.2.2 Các biến điều khiển và cấu trúc điều khiển phía lưới

Nhiệm vụ của bộ biến đổi phía lưới là hoàn trả năng lượng từ tụ điện một chiều lên lưới ở chế độ trên đồng bộ hoặc lấy năng lượng từ lưới để cung cấp cho tụ điện này

ở chế độ dưới đồng bộ Ở cả hai chế độ thì điện áp uDC đều cần giữ ổn định, đồng thời

bảo đảm công suất phản kháng Q đạt giá trị cần thiết

Dòng điện phía lưới trên hệ toạ độ dq được biểu diễn như hình 1.11 sau:

Hình 1.11 Biểu diễn vector dòng điện phía lưới

Dòng điện iN ở đầu ra phía lưới của bộ nghịch lưu trên hệ toạ độ tựa theo điện áp lưới như sau:

Công suất biểu kiến của bộ biến đổi phía lưới như (1.28)

NNd Nd

 32

DCNNd NdDC DCDC

du

Tương tự như bộ điều khiển phía máy phát, từ phương trình (1.31) và (1.32) ta có thể

thấy dòng iNd chính là thành phần điều khiển điện áp uDC, và iNq là thành phần điều

khiển công suất phản kháng QN Theo [13-16], cấu trúc điều khiển của bộ biến đổi phía lưới được thiết kế như hình 1.12:

Hình 1.12 Cấu trúc điều khiển phía lưới [16]

1.2.3 Các phương pháp điều khiển

Năng lượng gió đóng một vai trò quan trọng và có thể được coi là nguồn năng lượng tái tạo được triển khai nhiều nhất, tuy nhiên mức độ sản lượng và hiệu quả chi phí của hệ thống WT liên quan đến ứng dụng gió phụ thuộc rất nhiều vào việc điều khiển nó Do vậy mà hiện nay đã có khá nhiều nghiên cứu được công bố nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và hoạt động hiệu quả của hệ thống DFIG, có thể thống kê cụ thể như sau:

- Phương pháp điều khiển cuốn chiếu – Backstepping - Phương pháp tuyến tính hoá chính xác

- Điều khiển tựa phẳng - Điều khiển tựa theo thụ động - Điều khiển chế độ trượt - Điều khiển tối tưu - Điều khiển bền vững - Điều khiển thích nghi - Điều khiển dự báo - Điều khiển mờ - Mạng nơ ron - Trí tuệ nhân tạo - Phương pháp điều khiển lai:

+ Mờ và PID + Mạng nơ ron và PID + Mạng nơ ron và mờ + Thuật toán mờ và di truyền + Điều khiển mờ và thích nghi + Điều khiển chế độ trượt và mờ + Điều khiển cuốn chiếu và thích nghi + Điều khiển chế độ thích nghi và mờ và trượt + Điều khiển mờ và mạng nơ ron và chế độ trượt …

Các nghiên cứu trên đã giúp cải thiện chất lượng của hệ thống phát điện sức gió một cách đáng kể, do mục tiêu chính của luận án là phát hiện hỗn loạn và điều khiển triệt tiêu hỗn loạn nên phần này sẽ không đi vào phân tích cụ thể các vấn đề điều khiển kể trên

1.3 Kết luận chương 1

Như vậy chương 1 đã nêu khái quát về đối tượng chính của luận án là máy phát điện sức gió sử dụng DFIG cùng với các cấu trúc và các phương pháp điều khiển, đây sẽ là cơ sở để triển khai thiết kế mở rộng cấu trúc điều khiển cũng như các thuật toán sẽ được thực hiện ở các nội dung tiếp sau Qua đó có thể thấy rằng hệ thống DFIG

với thiết bị nhỏ gọn và giá thành thấp nên đã được sử dụng phổ cập Tuy nhiên kỹ thuật điều khiển rotor của máy điện không đồng bộ nguồn kép rất khó khăn, cấu trúc hệ thống phức tạp và khó điều khiển Ngoài ra, các tham số của DFIG có thể thay đổi theo nhiệt độ, tuổi thọ, môi trường, các điều kiện phụ tải và có những giá trị thông số của hệ thống trôi theo thời gian, dẫn đến việc kiểm soát gặp khó khăn Các nhà nghiên cứu cũng đã rất lỗ lực để hoàn thiện hơn nữa cấu trúc cũng như các thuật toán điều khiển cho DFIG Mặc dù vậy, trong quá trình vận hành thực tế, sự cố vẫn thường xuyên xảy ra với các mức độ khác nhau, điều đó đã gây thiệt hại đáng kể về kinh phí và ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện năng Trong đó có khá nhiều sự cố mà trước đây không xác định được nguyên nhân, dẫn đến sự cố vẫn tái diễn Khi lý thuyết hỗn loạn được nghiên cứu ứng dụng thì một số sự cố lớn trong hệ thống điện đã được xác định là đến từ hiện tượng hỗn loạn gây ra, từ đó nhiệm vụ đặt ra là cần ngăn chặn hoặc triệt tiêu được hiện tượng này (không cho nó xuất hiện hoặc nếu xuất hiện thì cần sớm dập tắt nó) Như vậy vai trò của việc nghiên cứu hỗn loạn trong các hệ thống điện nói chung và trong hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG nói riêng có ý nghĩa quan trọng nhằm nâng cao chất lượng và tăng độ tin cậy cho hệ thống là rất khả thi, nội dung này sẽ được làm rõ ở các chương tiếp theo của luận án

Chương 2 KHÁI QUÁT VỀ HỖN LOẠN VÀ ỨNG DỤNG

TRONG ĐIỀU KHIỂN

Khái niệm về sự hỗn loạn (chaos) được tích hợp sâu vào tất cả các lĩnh vực khoa học, văn hóa và các hoạt động khác của con người Hỗn loạn là một hiện tượng xảy ra trong tự nhiên, từ lớn như vũ trụ đến nhỏ như một hạt Các khái niệm về chaos đã thâm nhập vào hầu như tất cả các ngành của khoa học và kỹ thuật Trong lĩnh vực truyền động điện, kỹ thuật điện và điện tử, nghiên cứu gần đây đã đề cập đến một phạm vi rộng, bao gồm phân tích sự hỗn loạn, sự ổn định của sự hỗn loạn, sự kích thích của sự hỗn loạn và ứng dụng của sự hỗn loạn Có rất nhiều cuốn sách đề cập đến lĩnh vực chaos, tập trung vào phân tích lý thuyết về các hệ thống hỗn loạn và công thức toán học của các hành vi hỗn loạn Kể từ lần đầu tiên được giới thiệu bởi nhà toán học người Pháp có tên là Jules Henri Poincaré vào những năm 1890, sự hỗn loạn đã được phát hiện trong nhiều lĩnh vực Mặc dù trước đây nó được coi là một vấn đề khoa học, nhưng sự hỗn loạn ngày càng được nhiều các nhà nghiên cứu quan tâm và đưa chaos vào ứng dụng thực tiễn

Hỗn loạn có lợi trong một số lĩnh vực (làm tăng tốc độ phản ứng hóa học, tăng tốc độ trộn, …), nhưng trong hệ thống truyền động điện thì hầu như nó mang lại những kết quả không mong muốn, có thể tự duy trì trạng thái, ảnh hưởng xấu đến chất lượng của hệ thống, thậm trí làm hệ thống bị phá hủy Đây là hiện tượng chỉ xảy ra với hệ phi tuyến, nhạy cảm với điều kiện ban đầu, không tuần hoàn nhưng tuân theo quy luật nhất định không giống với nhiễu [17] Cho đến những thập niên cuối thế kỷ 20, lý thuyết hỗn loạn mới bắt đầu được đưa vào tìm hiểu sâu trong các hệ thống truyền động Bởi những biến đầu vào và đầu ra của hệ truyền động biến thiên theo thời gian; vì vậy mà đa phần trong các phép tính toán tại thời điểm tức thời, để đơn giản bài toán điều khiển thì phải chấp nhận các giả thuyết lý tưởng biến đầu vào, tham số hệ truyền động là hằng Song lại biến chúng là “nhiễu” gây ra hỗn loạn đối với hệ thống trong một lúc nào đó và là nguyên nhân tiềm ẩn rủi ro tác động xấu đến hệ thống

2.1 Khái quát về hiện tượng hỗn loạn

Trạng thái thứ nhất của chuyển động là trạng thái dừng (stationary state) và nói riêng là trạng thái cân bằng, thường được hình thành do sự hao tán năng lượng bởi ma sát Trạng thái thứ hai của chuyển động là trạng thái dao động, có thể tuần hoàn hoặc á tuần hoàn (quasi- periodic), như chuyển động đều đặn của mặt trăng và các hành tinh xung quanh mặt trời Vào khoảng thời gian những năm 60 của thế kỷ XX, nhiều nhà khoa học đã phát hiện ra rằng còn có một trạng thái thứ ba của chuyển động, mà ngày nay ta gọi là hỗn loạn (chaos)

Sự tiến triển không bình thường và không thể dự đoán trước được của hệ phi tuyến được gán cho cái tên là “Chaos” (hỗn loạn) Đặc điểm chủ yếu của chaos là

không lặp lại trạng thái quá khứ (kể cả sự gần đúng) Mặc cho sự tiến triển không bình thường, các hệ động lực chaos lại tuân theo các phương trình tất định, là những phương trình nhận được từ định luật thứ hai của Niutơn Poăng-ca-re (Henri Poincaré) (1954-1912), nhà toán học xuất chứng và nhà thiên văn học người Pháp, là người đầu tiên đã nhận ra hiện tượng này Ông mô tả chúng như sau: “… Từ những sự khác nhau rất nhỏ của điều kiện ban đầu, có thể tạo nên sự khác biệt rất lớn về sau Một lỗi nhỏ ban đầu sẽ gây ra một lỗi khổng lồ sau đó Việc dự toán trước là không thể được và chúng ta có những hiện tượng bất ngờ”

Một hệ động lực có chuyển động chaos cần có những điều kiện [18][19]: 1- Hệ có ít nhất ba biến động lực độc lập; 2- Phương trình chuyển động phải có những số hạng phi tuyến Sau này ta sẽ thấy rằng, không gian pha phải có số chiều không ít hơn ba để đảm bảo sự tồn tại của những quỹ đạo phân kỳ, bị giam hãm trong một miền hữu hạn của không gian các biến động lực và đảm bảo tính duy nhất của quỹ đạo Điều này được thể hiện rõ trong hệ phương trình Lorenz sau đây [18]:





dx

yxdt

dy

dtdx

xyzdt

Ở điều kiện bình thường, hệ thống ổn định (hình 2.1a) Khi các tham số σ, ρ, ꞵ

của hệ thống thay đổi đến một giá trị nhất định thì hiện tượng hỗn loạn xuất hiện (hình 2.1b và hình 2.2)

(a) (b) Hình 2.1 Trạng thái của hệ thống theo miền thời gian với các tham số: (a) σ = 10,

Hình 2.2 Quỹ đạo pha của hệ thống với các tham số σ = 10, ρ = 8/3, ꞵ = 28

Hình 2.2 cho thấy quỹ đạo xuất phát từ gốc tọa độ (điểm khởi đầu tại x = 0, z = 0) vòng qua bên phải rồi lao vào tâm của một điểm xoắn ốc bên trái, sau đó quỹ đạo quay trở về phía bên phải, thực hiện xoắn ốc một thời gian rồi lại quay về phía bên trái thực hiện xoắn ốc, quá trình này cứ tiếp diễn mãi mãi và quỹ đạo không khi nào tự cắt mình (trong không gian ba chiều)

2.2 Các đặc điểm và nhận dạng hiện tượng hỗn loạn

Chaos có một số đặc điểm nhận dạng điển hình như: chaos được xác định như một trạng thái yên định giới nội, nhưng không phải là nghiệm cân bằng, tuần hoàn hoặc á tuần hoàn Miền hút (attractor) của nghiệm chaos trong không gian trạng thái không phải là một vật thể hình học giản đơn như một số hữu hạn các điểm, một đường cong khép kín hoặc một hình xuyến, mà có cấu trúc hình học phức tạp, được gọi là tập hút chaos hay tập hút lạ (strange attractor), có thứ nguyên phân hình (fractal dimension) Phổ của các tín hiệu chaos có đặc tính của một dải rộng liên tục, chứ không gồm một số gai nhọn như phổ của các tập hút tuần hoàn hay á tuần hoàn

2.2.1 Các đặc điểm chính của hiện tượng hỗn loạn

Tương tự như nhiều thuật ngữ trong khoa học, không có khái niệm tiêu chuẩn nào về sự hỗn loạn [20] Tuy nhiên, sự hỗn loạn có một số đặc điểm điển hình [17][18][21]: - Tính phi tuyến tính: Sự hỗn loạn không thể xảy ra trong hệ thống tuyến tính Tính phi tuyến là điều kiện cần, nhưng không phải là điều kiện bắt buộc để xảy ra sự hỗn loạn Về cơ bản, tất cả các hệ thống thực tế đều có mức độ phi tuyến tính nhất định

- Tính xác định: Sự hỗn loạn phải tuân theo một hoặc nhiều phương trình xác