SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP GẦN ĐÚNG THẾ KẾT HỢP (CPA), ĐỂ TÍNH MẬT ĐỘ TRẠNG THÁI CỦA BÁN DẪN TỪ PHA LOÃNG Ga1-xMnxAs
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3 (43) / N¨m 2007 115 ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN DN BỘ NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG THÍCH NGHI BỀN VỮNG TRÊN CƠ SỞ KỸ THUẬT BACKSTEPPING Cao Xuân Tuyển (Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp – ĐH Thái Nguyên) - Nguyễn Phùng Quang (Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) 1.Giới thiệu hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) sử dụng máy dị bộ nguồn kép(DFIM) Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thốngPĐSG sử dụng DFIM Hình 1.1 mô tả khái quát cấu trúc một hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng DFIM. Hệ thống trên bao gồm một DFIM có cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới điện ba pha. Cuộn dây phía rotor được nối với hệ thống biến tần (dùng van bán dẫn) có khả năng điều khiển dòng năng lượng đi theo hai chiều. Các van bán dẫn được điều khiển đóng mở theo nguyên lý điều chế vector không gian (ĐCVTKG) do bộ sử lý tín hiệu số DSP đảm nhiệm. 2. Các hiện tượng xảy ra khi lỗi lưới ngắn mạch ba pha Khi sập lưới đối xứng từ giá trị U 1 xuống U 2 , xuất hiện thành phần từ thông quá độ dao động, thành phần này cảm ứng ra điện áp rotor quá độ có biên độ tỉ lệ với hiệu số (U 1 -U 2 ) và (1-s), mà hệ số trượt s nhỏ nên biên độ điện áp rotor quá độ sẽ có giá trị lớn có thể bộ biến đổi bị mất điều khiển và xuất hiện quá dòng mạch rotor lớn. Khi sập lưới do dòng rotor, từ thông stator dao động làm mô men điện của máy phát dao động theo. Do mô men cơ trên trục máy phát thay đổi chậm hơn, nên tốc độ rotor và do đó tần số góc mạch rotor r ω cũng dao động khi sập lưới, dẫn tới hệ số trượt s thay đổi và điện áp cảm ứng trong mạch rotor dao Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3 (43) / Năm 2007 116 ng theo, nu biờn dao ng ca in ỏp rotor quỏ ln vt quỏ kh nng ca b bin i, s gõy nờn hin tng dũng rotor b mt iu khin trong thi gian ngn v xut hin hin tng quỏ dũng ln. Trong ch sp li, nu do nh hng ca quỏ li nh úng ct ti, m in ỏp li li dao ng na thỡ theo phõn tớch trờn, khi ú ngoi biờn in ỏp li thay i, t thụng stator cng dao ng theo lm cm ng trong mch rotor in ỏp cng dao ng cú biờn ln hn bỡnh thng, v nu biờn ln vt quỏ kh nng ca b bin i, s xy ra hin tng mt iu khin dũng rotor v hin tng quỏ dũng in ln mch rotor. T cỏc phõn tớch v nhn xột trờn, nõng cao cht lng iu khin, b iu khin cn thit phi xột ti cỏc yu t dao ng thay i nh ó cp n trờn. S dao ng ca tn s gúc mch rotor, ca t thụng stator, ca in ỏp stator v ca tc mỏy phỏt c k n thụng qua cỏc thnh phn nhiu dao ng phi tuyn tng ng sqsdsqsdr uu ~ , ~ , ~ , ~ , ~ , ~ c cng thờm vo cỏc giỏ tr ch xỏc lp tng ng nh sau: sqsqsqsdsdsdsqsqsqsdsdsdrrr uuuuuu ~ ; ~ ; ~ ; ~ ; ~ ; ~ +=+= + = + = +=+= (2.1) Trong ú : - sqsdsqsdr uu , , , , , : L cỏc giỏ tr thc a vo b iu khin. - sqsdsqsdr uu ~ , ~ , ~ , ~ , ~ , ~ : L cỏc nhiu dao ng phi tuyn. - sqsdsqsdr uu ,,,,, : L cỏc giỏ tr ch xỏc lp. k ti cỏc dao ng phi tuyn k trờn, ta ỏp dng phng phỏp Adaptive backstepping trờn c s n nh Lyapunov thit k b iu khin bn vng vi s c sp li. 3. Tng hp b iu khin adaptive backstepping cho thnh phn i rd Theo [2], ta cú : 1 = rd rd r rq sd sq sd cu w ai i e b du + + + (3.1) Thay cỏc giỏ tr thc (2.1) vo, ta cú: sdsdrqrsqsq sqsdsqsdrqrrd rd pird udeibb bdubeiai dt di zkdtzkcu ~ ~~~~~ ~ * 1111 + + + + ++ + ++= (3.2) Chn hm iu khin Lyapunov l 2 1 1 1 2 z = , ta cú: ] ~ ~~~~~~ [ 111111 + + + += sdsdrqrsqsqsqpi udeibbbzkdtzkz (3.3) Rừ rng, ta thy (3.3) khụng tho món iu kin 1 0 < , v do ú b iu khin khụng n nh. Bõy gi ta chn hm iu khin Lyapunov mi cú k n cỏc thnh phn dao ng phi tuyn nh sau: 51 2 41 2 31 2 21 2 11 2 01 2 1 * 1 2 ) ~ ( 2 ) ~ ( 2 ) ~ ( 2 ) ~~ ( 2 ) ~ ( 2 ) ~ ( sdsd rqrsqsqsq u i + ++ + + += (3.4) T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3 (43) / N¨m 2007 117 Trong đó: 01 γ , 11 γ , 21 γ , 31 γ , 41 γ , 51 γ - là các hằng số dương. Đạo hàm (3.4), ta được: dt udu dt d dt idi dt d dt d dt d sdsdsdsd rqrrqr sqsqsqsqsqsq ) ~ () ~ () ~ () ~ ( ) ~ () ~ ( ) ~~ () ~~ () ~ () ~ () ~ () ~ ( 514131 211101 1 * 1 γ ψ γ ψ ω γ ω ψω γ ψωψω γ ψωψω γ ψω νν + ′′ ++ + ′′ + ′′ + ′′ += ɺɺ (3.5) Thay (3.3) vào (3.5), ta được: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ] ~ )[ ~ ( 1 ] ~ )[ ~ ( 1 ] ~ )[ ~ ( 1 ] ~~ )[ ~~ ( 1 ] ~ )[ ~ ( 1 ] ~ )[ ~ ( 1 151 51 141 41 131 31 121 21 111 11 101 01 2 11 2 11 * 1 dzu dt d uez dt d zi dt d ibz dt d bz dt d bz dt d zkdtzk sdsdsdsd rqrrqrsqsq sqsqsqsqpi γ γ γψψ γ γωω γ γψωψω γ γ ψωψω γ γψωψω γ ν ++− ′′ + +−++ ′′ ++ + ′′ ++ ′′ +−−= ∫ ɺ (3.6) Để * 1 0 ν < ɺ , thì: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 151141131 121111101 ~ ; ~ ; ~ ; ~~ ; ~ ; ~ dzu dt d ez dt d zi dt d bz dt d bz dt d bz dt d sdsdrqr sqsqsq γγψγω γψωγψωγψω −== ′ = −= ′ −= ′ −= ′ (3.7) Từ (3.7), ta có: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ∫∫∫ ∫∫∫ −== ′ = −= ′ −= ′ −= ′ dtdzudtezdtzi dtbzdtbzdtbz sdsdrqr sqsqsq 151141131 121111101 ~ ; ~ ; ~ ; ~~ ; ~ ; ~ γγψγω γψωγψωγψω (3.8) Thay (3.8) vào (3.2), ta đượ c b ộ đ i ề u khi ể n thành ph ầ n i rd b ề n v ữ ng nh ư sau: dtzddtzedtzdtzbdtzb dtzbdubeiai dt di zkdtzkcu sdsqsdrqrrd rd pird ∫∫∫∫∫ ∫∫ −−−−− −−+ ′ + ′ −−++−−= 1 2 511 2 411311 2 211 2 11 1 2 01 * 1111 γγγγγ γψωψω (3.9) 4. Tổng hợp bộ điều khiển ‘adaptive backstepping’ cho thành phần i rq T ổ ng h ợ p t ươ ng t ự nh ư b ộ đ i ề u khi ể n “adaptive backstepping” cho thành ph ầ n i rd , ta đượ c b ộ đ i ề u khi ể n thành ph ầ n i rq b ề n v ữ ng v ớ i s ự c ố s ậ p l ướ i nh ư sau: dtzddtzedtzdtzbdtzb dtzbdubeiai dt di zkdtzkcu sqsdsqrdrrq rq pirq ∫∫∫∫∫ ∫∫ −−−−− −−+ ′ − ′ −+++−−= 2 2 522 2 322422 2 222 2 12 2 2 02 * 2222 γγγγγ γψωψω (4.1) 5. Kết quả thí nghiệm Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3 (43) / Năm 2007 118 5.1 Thớ nghim riờng vi b iu khin dũng, sp 50% in ỏp li, kộo di 8 chu k, ird=1,5A; irq=-2,7A; n=1350 vũng/phỳt. Qua kt quả thớ nghim hỡnh 5.1, rừ rng ta thy rng khi sp li 50% thỡ tn s gúc mch rotor thay i v dao ng, tuy nhiờn vi b iu chnh dũng thớch nghi bn vng ó thit k, thỡ cỏc giỏ tr thc ca cỏc thnh phn dũng rotor vn bỏm tt theo giỏ tr t ca chỳng. 5.2 Sp li ton h thng 50%, kộo di 8 chu k, tc di tc ng b 30% (n=1050 v/ph), khi sp li M* nhy t -10Nm v 0 Nm, Q*=700(khụng thay i). -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 UNpha omegar -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -6 -4 -2 0 2 4 6 ird ird* irq irq* Hỡnh 5.1 in ỏp li v tn s gúc mch rotor mỏy phỏt khi sp 50% in ỏp li Hỡnh 5.2 ỏp ng dũng rotor mỏy phỏt khi thớ nghim riờng vi b iu chnh dũng -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 P Q Q* -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 M M* Hỡnh 5.3 Cụng sut tỏc dng v cụng sut phn khỏng ca mỏy phỏt Hỡnh 5.4 Mụ men ca mỏy phỏt Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3 (43) / Năm 2007 119 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 ird ird* Khi sp li ton h thng 50%, vi b iu khin dũng thớch nghi bn vng ó thit k, mỏy phỏt ó thc hin bỏm li v thc hin iu chnh gim cụng sut tỏc dng v khụng, duy trỡ phỏt cụng sut phn khỏng lờn li h tr li v in ỏp, trỏnh nguy c tan ró h thng li in. Cỏc kt qu thc nghim cho thy, cỏc giỏ tr thc ca mụ men, cụng sut v dũng in ó bỏm tt theo giỏ tr t ca chỳng, iu ú khng nh cht lng ca b iu chnh dũng ó thit k. Cỏc nhn xột cng tng t khi thớ nghim tc trờn ng b. 6. Kt lun Kt qu thớ nghim ó chng t vi b iu chnh dũng thớch nghi bn vng c thit k tng hp trờn c s k thut Backstepping, vi vic cp ti cỏc hin tng dao ng phi tuyn khi li li ó gii quyt tt c cỏc vn t ra, ú l: Khi sp li, mỏy phỏt ó thc hin c vn bỏm li, cung cp cụng sut vụ cụng h tr li tr vng qua giai on s c, ng thi b iu khin ó lm vic tt tc trờn v di ng b TểM TT Vi yờu cu ngy cng cao v cht lng in nng, nờn qui nh cỏc mỏy phỏt in chy sc giú kt ni vi li in, nht l li in kiu wind farm phi cú kh nng bỏm li khi cú s c li li, ng thi phi cung cp dũng cụng sut vụ cụng lờn li h tr li v in ỏp, trỏnh gõy tan ró ton h thng li in. Vi b iu khin dũng thớch nghi bn vng c thit k tng hp trờn c s k thut Backstepping ó gii quyt c cỏc yờu cu t ra trờn khi sp li n 50%. Kt qu ó c kim nghim trờn h thng thớ nghim thc Vin K thut in, i hc Dresden, Cng hũa liờn bang c. -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 irq irq* Hỡnh 5.5 ỏp ng thnh phn dũng rotor ird ca mỏy phỏt Hỡnh 5.6 ỏp ng thnh phn dũng rotor irq ca mỏy phỏt Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3 (43) / Năm 2007 120 SUMMARY THE CONTROL OF DOUBLY-FED INDUCTION GENERATOR IN WIND POWER PLANT WITH THE BACKSTEPPING TECHNIQUE BASED ROBUST ADAPTIVE CURRENT CONTROLLER With the increasing requirements of quality of electrical network, now Grid codes determine that wind turbine connected to the network, especially for wind farm, must have to be disconnect to the grid during three phase voltage dips, and must have to be able to support the voltage of the grid during and immediately following the grid fault by supplying reactive power to the network, that remains the stability of the network . The control of DFIM with Backstepping technique based robust adaptive current controller, has solved the above problem when the voltage sags to the 50% . The results have been verified on experiment system based on the dSpace Multi Processors ALPHA-COMBO system at Institute of Electrical Technique, TU Dresden, Germany. TI LIU THAM KHO [1]. Cao Xuõn Tuyn; Nguyn Phựng Quang (2005), Cỏc thut toỏn phi tuyn trờn c s k thut Backstepping iu khin mỏy in d b ngun kộp trong h thng phỏt in chy sc giú. The 6 th Vietnam Conference on Automation (6 th VICA), Proc., pp.545 550. [2]. Cao Xuõn Tuyn; Nguyn Phựng Quang (2007), Vn kh sai lch tnh v cỏc kt qu thc nghim v ỏp dng cỏc thut toỏn phi tuyn trờn c s k thut Backstepping iu khin mỏy in d b ngun kộp trong h thng phỏt in chy sc giú, Tp chớ Khoa hc v Cụng ngh cỏc trng i hc k thut (s 59), H ni. [3]. Quang, Ng.Ph.(1998), Mỏy in d b ngun kộp dựng lm mỏy phỏt trong h thng phỏt in chy sc giú: Cỏc thut toỏn iu chnh bo m phõn ly gia mụmen v h s cụng sut. The 3 rd Vietnam Conference on Automation (3 rd VICA), Proc., pp. 413 437. [4]. Krstớc, M.; Kanellakopoulos, I.; Kokotovớc, P.(1995), Nonlinear and Adaptive Control Design. John Wiley & Sons. [5]. Kokotovic, P.; Arcak, M.(2000), Constructive Nonlinear Control: A Historical Perspective. Center for Control Engineering and Computation, Universty of California. . xuống U 2 , xuất hiện thành phần từ thông quá độ dao động, thành phần này cảm ứng ra điện áp rotor quá độ có biên độ tỉ lệ với hiệu số (U 1 -U 2 ) và. nối với hệ thống biến tần (dùng van bán dẫn) có khả năng điều khiển dòng năng lượng đi theo hai chiều. Các van bán dẫn được điều khiển đóng mở theo nguyên