TÓM tắt LUẬN văn THẠC sĩ kỹ THUẬTNÂNG CAO CHẤT LƯỢNG điều KHIỂN HOÀ ĐỒNG bộ hệ THỐNG PHÁT điện sức GIÓ sử DỤNG máy điện ĐỒNG bộ NAM CHÂM VĨNH cửu BẰNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH hóa CHÍNH xác

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI THÁI SƠN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỒ ĐỒNG BỘ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hoá MÃ SỐ: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: TS CAO XUÂN TUYỂN Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Vỵ Phản biện 2: TS Trần Xuân Minh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 30, ngày 18 tháng 08 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên -Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp LỜI GIỚI THIỆU Tính cấp thiết đề tài Đề tài đặt sở vấn đề thực tế là: - Xu hướng phát triển mạnh việc sử dụng nguồn lượng giới nước Vì tác giả chọn đề tài: " Nâng cao chât lượng điều khiển hòa đồng hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng nam châm vĩnh cửu phương pháp tuyến tính hóa xác" Đối tượng nghiên cứu Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng nam châm vĩnh cửu-bộ nghịch lưu hịa lưới Mục đích nghiên cứu Nâng cao chất lượng hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện đồng nam châm vĩnh cửu sở tổng hợp điều khiển nghịch lưu phía lưới theo phương pháp điều khiển tuyến tính hóa xác Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài thiết kế điều khiển nghịch lưu hịa đồng phía lưới theo phương pháp điều khiển tuyến tính hóa xác để nâng cao chất lượng hòa đồng Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu lý luận phương pháp điều khiển tuyến tính hóa xác - Mô Off Line sở sử dụng phần mềm Matlab/simulink/plecs - Thực nghiệm sở mơ hình thí nghiệm tự làm Ý nghĩa đề tài - Đã thực việc điều khiển hòa đồng hệ thống nghịch lưu phía lưới vào lưới sở điều khiển phi tuyến tính chọn giá trị đặt Những điểm luận văn - Đã áp dụng thành công phương pháp điều khiển phi tuyến tuyến tính hóa xác để điều khiển nghịch lưu phía lưới Chương TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 GIĨ VÀ NĂNG LƯỢNG GIĨ Gió dạng lượng mặt trời Gió sinh ngun nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, trái đất xoay quanh mặt trời không đồng bề mặt trái đất Trong số nguồn lượng thay thế, lượng gió đại diện cho hội tăng trưởng mạnh Việt Nam Các khảo sát cho thấy khoảng 85% đất đai Việt Nam có độ cao tốc độ gió trung bình phù hợp để phát lượng gió Các chuyên gia Ngân hàng Thế giới kết luận Việt Nam có khả tạo 513.360 MW hàng năm từ lượng gió – gấp 10 lần tổng công suất phát điện quốc gia dự kiến cho năm 2020 Hình : Ưu đãi đầu tư cho dự án lượng mặt trời gió Việt Nam 1.2 KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 1.2.1 Khái quát loại hệ thống lượng gió Cho đến có hai loại tuốc bin gió sử dụng, là: tuốc bin gió tốc Hình : Tuốc bin gió với tốc độ cố định Hình : Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có biến đổi nối trực tiếp stator lưới 1.2.2 Đối tượng nghiên cứu luận văn Ở hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện khơng đồng ta phải tạo từ thơng kích từ trước khai thác lượng từ gió Việc kích từ thực nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hồ lưới), nhờ ắc quy để tạo kích từ, nhờ tụ điện với điều kiện có từ thơng dư máy điện khơng đồng SG ~ = = ~ CL NLPL Gear Box Grid Hình : Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát chỉnh lưu đơn giản SG ~ = = ~ NLMF NLPL Gear Box Grid Hình : Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát chỉnh lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ nghịch lưu phía máy phát Chương TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BẰNG TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC 2.1 Đặt vấn đề Hệ tuyến tính với đặc điểm ln thỏa mãn nguyên lý xếp chồng nên ta áp dụng nguyên lý xếp chồng để dễ dàng tách thành phần đặc trưng riêng cho chế độ làm việc hệ thống để nghiên cứu với công cụ tốn học chặt chẽ xác 2.2 TTHCX HỆ PHI TUYẾN MIMO Phương pháp TTHCX trình bày kỹ tài liệu [5] Ở luận văn này, tổng kết lại trường hợp TTHCX quan hệ vào-ra cho hệ phi tuyến MIMO, hệ ứng với đối tượng MĐKĐBNK, đối tượng áp dụng phương pháp TTHCX luận văn 2.2.1 Vector bậc tương đối tối thiểu hệ phi tuyến MIMO Khi tiến hành TTHCX hệ MIMO, khái niệm quan trọng cần quan tâm vector bậc tương đối tối thiểu hệ Vector bậc tương đối tối thiểu (r1, r2, , rm) điểm trạng thái x đối tượng phi tuyến MIMO có mơ hình trạng thái (2.1) m số tự nhiên rj với j = 1, 2, , m lân cận x thỏa mãn đồng thời hai điều kiện sau: • Lhi Lkf g j ( x) = • Ma trận k ≤ rj – 2, ∀i = 1, 2, , m (2.2)  Lh1 Lr1 −1 g1 ( x ) Lh2 Lr1 −1 g1 ( x ) f f  r2 −1 r2 −1  L L g ( x) Lh2 L f g ( x ) L( x) =  h1 f M M  rm −1 rm −1  Lh L f g m ( x) Lh L f g m ( x )  Lhm Lr1f −1 g1 ( x)   L Lhm Lrf2 −1 g ( x)   O M  rm −1 L Lhm L f g m ( x)   L (2.3) không suy biến 2.2.2 TTHCX quan hệ vào-ra đối tượng phi tuyến MIMO Mục đích ta tìm điều khiển phản hồi trạng thái (PHTT) cho hệ kín trở thành tuyến tính tồn khơng gian trạng thái Trước tiên ta phải kiểm tra điều kiện tồn phép TTHCX Nếu hệ phi tuyến MIMO (2.1) có vector bậc tương đối tối thiểu (r1, r2, , rm) phải thỏa mãn: r1 + r2 + + rm = n (2.4) 2.2.3 Kết luận Với phương pháp TTHCX, ta thiết kế điều khiển PHTT thơng qua phép z = m( x) đổi trục tọa độ thích hợp để đưa đối tượng phi tuyến dạng tuyến tính tồn khơng gian trạng thái hệ tọa độ Đặc biệt hệ MIMO, phương pháp khơng thực tuyến tính hóa đối tượng mà cịn có khả đưa mơ hình trạng thái đối tượng dạng tách kênh Cấu trúc điều khiển tận dụng tính chất đặt tên cấu trúc tách kênh trực tiếp (TKTT) 2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KINH ĐIỂN 2.3.1 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID điều khiển đối tượng SISO theo nguyên tắc sai lệch: Đối tượng (-) PID e(t) x(t) u(t) y(t) Hình : Sơ đồ điều khiển PID Nếu e(t) lớn thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) lớn (vai trò khâu P) Nếu e(t) chưa khơng thơng qua thành phần tích phân, PID tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trị khâu I) Hình : Vai trị khâu D Nếu e(t) thay đổi lớn thơng qua thành phần vi phân, phản ứng thích hợp x(t) nhanh ( vai trị khâu D) Bộ điều khiển PID mô tả hàm truyền đạt sau: WPID (p)=k m (1+ +TD p) Ti p (2.16) Km hệ số khuyếch đại Ti số tích phân TD số vi phân 2.3.2 Bộ điều khiển PID số Cấu trúc sở hệ thống điều khiển số: 10 Hình : Bộ điều khiển PID số 2.3.3 Một số hạn chế điều khiển PID - Khi hệ thống bị tác động nhiễu, nhiễu đưa đến đầu vào thông qua mạch phản hồi tổng hợp với tín hiệu mẫu tín hiệu điều khiển bao gồm nhiễu Đây nguyên nhân ảnh hưởng đến tính ổn định hệ thống độ xác điều khiển 2.4 ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HỐ CHÍNH XÁC 2.4.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển Hiện phương diện lý thuyết có nhiều phương pháp thiết kế phi tuyến, phương pháp tuyến tính hố xác, phương pháp tựa phẳng, điều khiển mờ, mạng nơ ron Trong luận văn áp dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa sở hàm Lyapunov phương pháp Tuyến tính hóa xác 2.4.2 Tại phải sử dụng phương pháp tuyến tính hố xác Theo nhiều tài liệu viết, ĐCKĐB đối tượng phi tuyến mạnh, tính phi tuyến thể phi tuyến cấu trúc lẫn phi tuyến tham số (Đối tượng phi tuyến đối tượng không thoả mãn nguyên lý xếp chồng) Tính phi ωs iNd ωs iNq tuyến tham số ĐCKĐB thể tham số điện cảm L cịn tích số , có mặt mơ hình dịng hệ toạ độ dq (sẽ đề cập đến chương 3) cho ta thấy tính phi tuyến cấu trúc 12 Chương MƠ TẢ TỐN HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HÒA ĐỒNG BỘ 3.1 MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỐI TƯỢNG 3.1.1 Hệ thống nghịch lưu pha 3.1.1.1 Phương án nghịch lưu pha kinh điển */Ưu điểm: dễ thực hiện, tiết kiệm van IGBT (6 chiếc) Dễ thực bù hệ số công suất cosϕ */ Nhược điểm: Rất dễ trôi dạt trung tính (điểm M hình 3.1) phụ tải khơng đối xứng Khó tận dụng cơng suất tối đa mơ đun tối đa véc tơ điện áp đặt lên phía sơ cấp biến 2UDC/3 Hình : Giải pháp nghịch lưu pha kinh điển: điện áp pha tạo nên phương pháp điều chế vector Do nhược điểm nêu đề tài tiếp tục thử nghiệm với phương án ghép nghịch lưu pha 3.1.1.2 Phương án nghịch lưu pha ghép từ nghịch lưu pha 13 Hình : Giải pháp ghép nghịch lưu pha: điện áp pha tạo nên cách ghép điện áp lệch pha 120o 3.1.2 Mơ hình trạng thái liên tục phía lưới CL Biến áp Filter Lưới điện 3~ RD LD 3~ 3~ DSP Hình : Mơ hình trạng thái liên tục phía lưới 3.1.3 Mơ hình gián đoạn phía lưới Hình : Mơ hình gián đoạn phía lưới UDC 14 3.1.4 Các biến điều khiển phía lưới Như biết, nhiệm vụ hệ thống điều khiển phía lưới lấy lượng từ lưới để cung cấp cho mạch chiều chế độ đồng hoàn lượng từ mạch chiều lên lưới chế độ đồng Trong hai trình đó, điện áp chiều trung gian uDC phải giữ ổn định khơng đổi Hình : Biểu diễn véc tơ khơng gian dịng điện phía lưới hệ toạ độ dq 3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG 3.2.1 Điều kiện hoà đồng hệ thống nghịch lưu lên lưới điện • Điều kiện 1: Điều kiện tần số: Tần số nguồn pha đầu hệ thống nghịch lưu phải tần số lưới • Điều kiện 2: Điều kiện điện áp: Điện áp nguồn pha đầu hệ thống nghịch lưu phải điện áp lưới • Điều kiện 3: Điều kiện pha: Thứ tự pha góc pha đầu hệ thống nghịch lưu phải trùng với thứ tự pha góc pha lưới điện • Điều kiện 4: Điều kiện lưới điện pha đối xứng: Lưới điện pha đối pha có biên độ điện áp, tần số trùng lệch pha 120 pha 3.2.2 Cấu trúc điều khiển vơ hướng hồ đồng hệ thống nghịch lưu lên lưới điện 3.2.2.1 Hệ thống pha * Sơ đồ khối: 15 Hình : Sơ đồ điều khiển vơ hướng hồ đồng hệ thống nghịch lưu lên lưới pha 3.2.2.2 Hệ thống pha * Sơ đồ khối : Hình : Sơ đồ điều khiển vơ hướnghồ đồng hệ thống nghịch lưu lên lưới pha 3.2.3 Cấu trúc điều khiển vector * Sơ đồ khối: 16 Hình : Sơ đồ điều khiển nghịch lưu hoà lưới phương pháp điều khiển vector 3.2.4 Áp dụng phương pháp tuyến tính hóa xác thiết kế điều khiển dòng điện */ Tổng hợp điều chỉnh dịng tuyến tính hóa xác a) Tổng hợp điều chỉnh thành phần iNd - Tổng hợp điều chỉnh miền liên tục: Bước 1: Thực tuyến tính hóa thành phần đạo hàm dịng iNd biểu thức: diNd = w1 dt (3.24) Cấu trúc điều khiển PID với tín hiệu đầu vào dịng đặt iNd* tín hiệu phản hồi dịng thực iNd (hình 3.24): PID (-) * i Nd iNd W1 Hình 26 : Cấu trúc điều khiển PID thành phần iNd Bộ điều khiển PID có dạng: w1 = − K P1 z1 − K I ∫ z1dt − K D1 Với: dz1 dt (3.25) z1 = iNd – iNd* gọi sai lệch tín hiệu dịng điện thành phần d Các tham số điều khiển PID thiết kế mô hình tuyến tính ta tính chọn được: KP1 = 0,7 KI1 = 0.5 17 KD1 = 10 Bước 2: Thiết kế điều khiển dòng thành phần iNd với biến điều khiển uNd: Từ biểu thức (3.9a), ta có: diNd 1 = - iNd + ω N iNq + (u Nd - eNd ) dt TD LD (3.26) Từ (3.24) (3.26) suy ra: w1 = - 1 iNd + ω N iNq + (u Nd - eNd ) TD LD (3.27) Với biểu thức (3.27), ta có điều khiển tuyến tính hóa xác theo thành phần iNd sau: 1 u Nd = w1 + iNd − ω N iNq + eNd LD TD LD (3.28) - Số hóa điều chỉnh dịng tuyến tính hóa xác: 1 u Nd (k)= w1 (k) + iNd (k) − ω N (k)iNq (k) + eNd (k) LD TD LD (3.29) - Sơ đồ khối điều chỉnh dòng thành phần iNd tuyến tính hóa xác: Hình : Sơ đồ khối điều chỉnh thành phần iNd b) Tổng hợp điều chỉnh thành phần iNq 18 - Tổng hợp điều chỉnh miền liên tục: Bước 1: Thực tuyến tính hóa thành phần đạo hàm dòng iNd biểu thức: diNq dt = w2 (3.30) Cấu trúc điều khiển PID với tín hiệu đầu vào dịng đặt iNq* tín hiệu phản hồi dịng thực iNq (hình 3.24): PID (-) * i Nq iNq W2 Hình : Cấu trúc điều khiển PID thành phần iNq Bộ điều khiển PID có dạng: w2 = − K P z2 − K I ∫ z2 dt − K D Với: dz2 dt (3.31) z2 = iNq – iNq* gọi sai lệch tín hiệu dịng điện thành phần q Các tham số điều khiển PID thiết kế mơ hình tuyến tính ta tính chọn được: KP2 = 0.7 KI2 = 0.5 KD2 = 10 Bước 2: Thiết kế điều khiển dòng thành phần iNq với biến điều khiển uNq: Từ biểu thức (3.9b), ta có: 19 diNq dt =- 1 iNq − ω N iNq + (u Nq - eNq ) TD LD (3.32) Từ (3.30) (3.32) suy ra: w1 = - 1 iNd − ω N iNq + (u Nd - eNd ) TD LD (3.33) Với biểu thức (3.33), ta có điều khiển tuyến tính hóa xác theo thành phần iNq sau: 1 u Nq = w2 + iNq + ω N iNd + eNq LD TD LD (3.34) - Số hóa điều chỉnh dịng tuyến tính hóa xác: 1 u Nq (k)= w2 (k) + iNq (k) + ω N (k)iNd (k) + eNq (k) LD TD LD (3.35) - Sơ đồ khối điều chỉnh dịng thành phần iNq tuyến tính hóa xác: Hình 29 : Sơ đồ khối điều chỉnh thành phần iNq - Sơ đồ khối điều chỉnh dòng tuyến tính hóa xác điều chỉnh (3.29) (3.35): 20 Hình 30 : Sơ đồ khối điều chỉnh dòng theo phương pháp TTHCX Chương KIỂM CHỨNG QUA MƠ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 4.1 MƠ PHỎNG 4.1.1 Tổng quan 4.1.1.1 Giới thiệu cơng cụ mô Plecs 4.1.1.2 Các tham số dùng cho mô  Tham số phía lưới điện: Điện cảm cuộn lọc: Ld = 0,0002 H Điện trở cuộn lọc: Rd = 0,01 Ω Điện dung tụ điện lọc RC: Cf = 400 μF Điện trở lọc RC: Rf = 0,2 Ω 4.1.2 Sơ đồ mô hệ thống nghịch lưu hoà lưới Matlab/ Simulink /Plecs 21 Hình : Sơ đồ mơ hệ thống nghịch lưu hồ lưới Hình : Khối điều khiển dịng theo phương pháp TTHCX 4.1.3 Kết mô 22 D p u g d n a p a lu i v d u n h a n ie p h o a a g ich lu u 0 0 u p a ,N (V h L L ) 0 0 -2 0 -4 0 -6 0 -8 0 -1 0 0 0 0 0 0 t(s) 0 0 0 0 Hình : Đáp ứng điện áp pha lưới đầu nghịch lưu - Kết mô thực hoà đồng 0.05s: 4.1.4 Nhận xét kết Từ kết mô (hình 4.8) đến (Hình 4.11) cho thấy điều khiển tuyến tính hố xác đảm bảo chất lượng điều khiển đặt chưa hồ đồng dòng điện thực bám dòng điện đặt để điều khiển điện áp đầu nghịch lưu bám theo theo điện áp lưới (đảm bảo điều kiện hoà đồng bộ) Khi ta thực hoà đồng thời điểm 0,05s điện áp đầu nghịch lưu bám hoàn toàn theo điện áp lưới Vậy với kết mơ khẳng định tính đắn thuật tốn điều khiển tuyến tính hố xác 4.2 THÍ NGHIỆM 4.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm 4.2.1.1 Sơ đồ cấu trúc 23 Hình : Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm b Mạch thực tế Hình : Mạch phát xung 24 Hình : Mạch điều khiển nghịch lưu hồ đồng 4.2.2 Kết thí nghiệm 4.2.2.1 Kết mô Proteus a) Dùng vi điều khiển ATMEGA 32 */ Mạch phát xung : 25 Hình : Mạch phát xung (coi tín hiệu đo từ lưới điện) */ Mạch vi điều khiển Hình : Mạch điều khiển nghịch lưu hoà đồng (chưa bám lưới) 26 Hình : Mạch điều khiển nghịch lưu hoà đồng (đã hoà đồng bám lưới)