Ứng dụng điều khiển trượt thích nghi trong điều khiển kích từ máy phát đồng bộ ba pha thủy điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN ĐỨC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI TRONG ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ BA PHA THUỶ ĐIỆN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Phản biện 1: TS NGUYỄN LÊ HÒA Phản biện 2: TS GIÁP QUANG HUY Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Điện nguồn lượng thiếu phục vụ nhu cầu sản xuất sinh hoạt người Có nhiều tiêu chí để đánh giá chất lượng điện năng, số tiêu quan trọng hàng đầu như: điện áp, tần số, độ tin cậy cung cấp điện,… Hệ thống kích từ phận thiếu tổ máy phát điện đồng pha nhà máy thuỷ điện Do yêu cầu cung cấp điện chất lượng điện ngày cao, nên việc nghiên cứu, xem xét lựa chọn phương pháp điều khiển cho hệ thống kích từ vấn đề quan trọng Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng quát: Nắm bắt phương pháp điều khiển hệ thống kích từ tĩnh nguồn áp NMTĐ, góp phần làm chủ dây chuyền thiết bị công nghệ, phục vụ tốt công tác vận hành nhà máy Mục tiêu cụ thể: Xây dựng điều khiển trượt thích nghi cho hệ thống kích từ tĩnh nguồn áp nhà máy thuỷ điện; đánh giá ưu điểm nhược điểm điều khiển xây dựng với phương pháp điều khiển khác sử dụng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu hệ thống kích từ tổ máy phát điện NMTĐ, có xét đến tổ máy phát điện Nhà máy thủy điện Srêpôk Công ty Thủy điện Buôn Kuốp quản lý vận hành (công suất 2×110MW), thuộc địa bàn xã Tân Hoà, huyện Buôn Đôn, tỉnh Đắk Lắk Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô kiểm chứng Bố cục đề tài Luận văn chia thành chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống kích từ Chương 2: Mô hình hóa phần tử hệ thống kích từ Chương 3: Lý thuyết điều khiển trượt thích nghi áp dụng điều khiển hệ thống kích từ Chương 4: Tính toán điều khiển trượt thích nghi, mô đánh giá kết Tổng quan tài liệu nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG Chất lượng điện yếu tố liên quan đến tiêu chuẩn kỹ thuật độ tin cậy lưới điện Lưới điện Việt Nam bao gồm yếu tố đưới đây: 1.2.1 Tần số 1.2.2 Điện áp 1.2.3 Cân pha 1.2.4 Các số độ tin cậy cung cấp điện 1.2.5 Các yếu tố khác 1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KÍCH TỪ 1.2.1 Giới thiệu chung Hệ thống kích từ phận có chức tạo dòng điện chiều đưa vào cuộn dây rotor máy phát điện để tạo từ trường phần cảm, chuyển động quay quét cuộn dây phần ứng stator để tạo điện cho máy phát điện 1.2.2 Yêu cầu hệ thống kích từ Yêu cầu tính hệ thống kích từ xem xét dựa máy phát hệ thống điện a Về máy phát điện Cung cấp điều chỉnh tự động dòng điện kích từ để trì điện áp đầu cực máy phát cách tức thời có thay đổi phụ tải Có khả đáp ứng với nhiễu loạn thoáng qua cách ấn định dòng kích từ phù hợp với khả tức thời ngắn hạn máy phát b Về hệ thống điện Đóng góp có hiệu việc điều khiển điện áp tăng cường ổn định hệ thống 1.2.3 Các phần tử hệ thống kích từ Sơ đồ khối chức hệ thống kích từ Hình 1.1 Bộ giới hạn mạch bảo vệ Tranducer điện áp bù tải Giá trị đặt Bộ điều chỉnh Bộ tạo dòng kích từ Máy phát điện Bộ ổn định công suất hệ thống Hình 1.1 Sơ đồ khối chức hệ thống kích từ Đến hệ thống điện 1.2.4 Các loại hệ thống kích từ: Trải qua trình phát triển, có loại hệ thống kích từ sau: a Hệ thống kích từ DC b Hệ thống kích từ AC c Hệ thống kích từ tĩnh 1.3 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1.3.1 Các nghiên cứu nƣớc a Sự ảnh hưởng hệ thống kích từ có PSS đến ổn định hệ thống điện b Ứng dụng lý thuyết RH∞ để nâng cao chất lượng PSS hệ thống kích từ 1.3.2 Các nghiên cứu nƣớc a Bộ điều khiển mờ (FLC - Fuzzy Logic Controller) b Bộ điều khiển PID theo mô hình nội (IMC-PID) c Bộ điều khiển di truyền kết hợp PID 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG CHƢƠNG MÔ HÌNH HOÁ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG KÍCH TỪ 2.1 MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2.1.1 Giới thiệu chung máy phát điện a Cấu tạo Máy phát điện gồm phần: phần tĩnh stator phần quay rotor b Đặc điểm phân loại Dựa vào cấu tạo rotor, máy phát điện đồng phân thành loại máy phát đồng cực ẩn máy phát đồng cực lồi Đối với máy phát thủy điện, có tốc độ chậm nên hầu hết rotor loại cực lồi c Nguyên lý làm việc Khi rotor quay, từ trường rotor quét qua dây quấn phần ứng stator cảm ứng dây quấn stator suất điện động (sđđ) xoay chiều hình sin Nếu rotor có số đôi cực từ p, quay với tốc độ n sđđ cảm ứng dây quấn stator có tần số là: f pn (2.1) 60 Trị số hiệu dụng sức điện động cảm ứng dây quấn stator: Et fNs f (2.3) 2.1.2 Các phƣơng trình điện áp viết hệ tọa độ abc Thông thường máy phát đồng mô tả cuộn dây stator gắn với cuộn dây damper đặt hệ tọa độ vuông góc dq (cuộn D,Q) cuộn kích từ (cuộn f) đặt trục d Hình 2.1 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí cuộn dây stator rotor máy điện đồng Phương trình ma trận điện áp/dòng điện máy phát điện đồng bộ: I ABCfDQ RABCfDQ LABCfDQ er d VABCfDQ ABCfDQ dt LABCfDQ d er I ABCfDQ dt er d I ABCfDQ dt (2.13) với: T VABCfDQ VA , VB , VC , Vf ,0,0 ; d er dt r (2.14) T ABCfDQ , A , B r , C , f r r , D Q (2.15) T I ABCfDQ r r r I A , I B , IC , I f , I D , IQ (2.16) 2.1.3 Các phƣơng trình điện áp viết hệ tọa độ dq Hình 2.2 Mô hình d-q máy phát điện đồng Mục đích mô hình dq triệt tiêu ảnh hưởng thành phần điện cảm vị trí rotor Để làm điều cần có hệ tọa độ gắn với trục rotor cho máy phát đồng Hình 2.2 Phương trình điện áp phía stator chuyển sang tọa độ d-q: d d dt d q I d Rs Vd I q Rs Vq r q (2.28) r dt d Hệ phương trình phần rotor: I f Rf d Vf f dt d D dt d Q iD RD iQ RQ (2.29) dt Thành phần phương trình (zero) xác định sau: I Rs V0 I0 IA Lsl IB di0 dt d dt IC Sử dụng mô hình điện cảm Hình 2.3 Hình 2.3 Điện cảm mô hình d-q (2.30) Quan hệ từ thông dòng điện: d Lsl I d Ldm I d ID q Lsl I q Lqm I q IQ f L fl I q Ldm I d ID D LDl I D Ldm I d ID Q LQl I Q Lqm I q IQ If If (2.33) If giá trị dòng điện, điện cảm, điện trở qui đổi từ rotor sang stator xác định sau: với: If I rf K f ID I Dr K D IQ I Qr K Q (2.34) 3K 2f L fl Lrfl LDl LrDl KD LQl LrQl KQ2 Rf R rf K 2f RD RDr K D2 RQ RQr K Q2 Vf V fr Kf (2.35) (2.36) (2.37) 11 + TD: số thời gian tự tản dọc trục cuộn dây damper 2.2 MÔ HÌNH BỘ TẠO DÒNG KÍCH TỪ Xét chỉnh lưu bao gồm khối phát xung điều khiển Hình 2.6 α Udk Phát xung Chỉnh lưu (Mạch động lực) Ud Hình 2.6 Mô hình chỉnh lưu thyristor Phương trình hàm truyền: Gcl (s) e sTcl KCL Tcl s (2.70) 2.3 MÔ HÌNH BỘ ĐO LƢỜNG PHẢN HỒI Mô hình khối đo lường phản hồi Hình 2.7 M i1 u1 r1 u2 L Hình 2.7 Mô hình đo lường phản hồi Phương trình hàm truyền đo lường: G ph ( s ) U ( s) U1 ( s ) 2.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG K ph sTph (2.75) 12 CHƢƠNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI VÀ ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KÍCH TỪ 3.1 ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT (SMC) 3.1.1 Khái niệm điều khiển trƣợt SMC phương pháp điều khiển bền vững hiệu hệ thống phi tuyến bất định SMC phương pháp điều khiển cưỡng (hay áp đặt) đặc tính hệ thống đặc tính trình định sẵn (mặt trượt) Mọi biến đổi đặc tính trình hệ thống không gian điều khiển quan sát ghi nhận điều khiển tính toán thông số để thực đưa chuyển động đặc tính hệ thống lại đặc tính trượt 3.1.2 Điều kiện trƣợt Q(s) ss (3.1) 3.1.3 Vấn đề xây dựng mặt trƣợt 3.1.4 Ổn định điều khiển trƣợt 3.1 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MẶT TRƢỢT (SMAC) Xét hệ mode trượt SISO dạng: (3.39) s e ce Thay (3.29) vào (3.1) với giả thiết mặt trượt biến đổi liên tục: s(e ce ce) s(e ce) sce (3.41) Nếu độ dốc c không đổi tồn phần đầu vế trái (3.32) Như để hệ ổn định tiệm cận : s(e ce) (3.42) Phương pháp biến đổi mặt trượt dùng mặt trượt s(x) có độ dốc biến đổi theo sai lệch Để thực trình trượt, với cấu trúc bậc nhất: 13 s ( x) x cx (3.43) Thì điều kiện ràng buộc là: - x phải biến trạng thái hệ - c>0 hệ SISO phải chứa phần tử dương đường chéo hệ MIMO Nếu đặt hệ thống dạng mô tả tổng quát bậc không hạn chế, ta xây dựng mặt trượt bậc hai dạng: s ( x) x x cx Lúc vectơ tham số điều khiển (3.44) c Nếu vectơ điều khiển cho biến trạng thái x ổn định tiệm cận hạn chế lớp biên tượng rung suy giảm 3.2 ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI Đối tượng hệ thống kích từ nhà máy thuỷ điện, luận văn giả thuyết nhiễu tác động vào đối tượng ta không quan sát Do vậy, ảnh hưởng nhiễu thể qua sai lệch e tín hiệu đặt tín hiệu đầu Cấu trúc điều khiển trượt thích nghi Hình 3.5 Thích nghi mặt trượt V y0 Bộ điều khiển SMC u Bộ tạo dòng kích từ Máy phát Hình 3.5 Cấu hình điều khiển trượt thích nghi 3.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG V y 14 CHƢƠNG TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI, MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI 4.1.1 Tính toán thông số mô hình a Thông số máy phát Theo mô hình máy phát trình bày Chương 2, bỏ qua điện cảm tản dây quấn trục d, lfDl=0 Thay vào phương trình (2.63) (2.64) ta có: Td" ldm lsl ; s ldm lsl l fl b rf Td' ldmlsl l fl lDl b rD ldml fl l fl lsl ldmlsl ldm l fl ; s b rf Td' l fl ldm (4.1) ; s (4.2) (4.3) Td"0 lDl b rD l fl ldm ;s (4.4) Tq" lQl b rQ ldmlsl ; s lqm lsl (4.5) lqm ; s (4.6) lQl b rQ Tq"0 TD ld' lDl ; s b rD (4.7) Td' Td' (4.8) ld 15 ld" ld' Td" Td"0 (4.9) Sử dụng bảng thông số tổ máy phát điện NMTĐ Srêpôk Xét hệ đơn vị tương đối, ta tính toán thông số sau: l fl lDl rD TD Xd ' d l X ' d 0.909 pu 0.36 pu ld" X d" 0.26 pu lsl X sl 0.23 pu ldm ld lsl (4.20) 0.909 0.23 0.679 pu Td' ld ' Td ld' 0.909 2.161 5.456525 [s] 0.36 " d0 ld' " Td ld" 0.36 0.068 0.094154 [s] 0.26 T rf ld (4.21) 0.679 0.1718 0.00049 [pu ] (5.456525 2.161) 50 2.161 50 0.00049 0.1718 0.160783 [pu ] 0.094154 0.083056 0.068 0.13 0.039 [pu ] 0.068 0.094154 0.039 0.083056 0.004126 [pu ] 0.94154 (2 50) 0.094154 (0.094154 0.083056 0.068 0.13) (0.068 0.094154)(0.039 0.083056) 0.030085 [s] (4.22) b Thông số tạo dòng kích từ Vì điện áp điều khiển thông thường khoảng 10V nên từ (2.78): 240 KCL 24 (4.23) 10 Đối với chỉnh lưu cầu pha m=6 f=50Hz nên từ (2.72): 16 0.0033 [s] (4.24) 6.50 c Thông số đo lường phản hồi Đối với thiết bị đo lường, thông thường có đáp ứng với thời gian trễ bé Trong đơn vị tương đối, công thức (2.79) ta chọn: Tcl K ph 1, Tph 0.001 [s ] (4.25) 4.1.2 Tổng hợp hàm truyền hệ thống kích từ: Để thiết kế điều khiển ta sử dụng mô hình tổng hợp xây dựng Chương Hình 4.1 Vref + ∑ Bộ ĐK Vt - Hình 4.1 Sơ đồ hàm truyền hệ thống kích từ máy phát Hàm truyền vòng lặp kín mô tả đối tượng chưa có điều khiển: Gc (s) Gk ( s) K CL (TD s 1)(Tph s 1) K CL K ph (TD s 1) (Tcl s 1)(Td' s 1)(Td"0 s 1)(Tph s 1) b1s a1s a2 s a3 b2 s b3 s b4 s b5 (4.27) (4.33) = 0.000722s 0.746032s 24 0.0000017125s 0.0034614s 0.51962s 6.277044s 25 Vì hệ số a1 bé so với a2 a3; b1, b2 bé so với b3, b4 b5 nên bỏ qua Do (4.33) viết lại sau: Gk ( s ) a2 s a3 b3 s b4 s b5 0.746032s 24 = 0.51962 s 6.277044 s 25 (4.34) 17 Từ sơ đồ hàm truyền hệ thống kích từ mô tả Hình 4.1 điều khiển trượt mô tả Chương Nếu xem D nhiễu ảnh hưởng phụ tải đến điện áp ngõ máy phát, ta có sơ đồ hàm truyền điều khiển trượt hệ thống kích từ máy phát Hình D Vref + ∑ SMAC u - Bộ tạo dòng KT Máy phát + Vg ∑ 4.2 Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống kích từ sử dụng điều khiển trượt thích nghi 4.1.3 Tính toán u điều khiển điều khiển trƣợt Mối quan hệ tín hiệu đầu tín hiệu điều khiển sau: a 2s a3 y (4.35) b3 s b4 s b5 u Chọn mặt trượt bậc điều kiện hút mặt trượt ta có phương trình tín hiệu điều khiển u sau: u b3e b4 e b5 y0 b5e a2u (4.43) a3 Gk ( s) Xây dựng luật thích nghi mặt trượt theo sai lệch e, theo [2] ta chọn hàm hệ số mặt trượt (t ) e(t ) , mặt trượt có dạng phi tuyến, sai lệch giảm độ dốc mặt trượt giảm theo, biên độ rung giảm Như điện áp đầu điều khiển trượt thích nghi (độ dốc mặt trượt thích nghi theo sai lệch e có dạng sau: u b3 K sgn( S ) b5 y0 b5e b4 b3 e(t ) e a2u a3 (4.53) 18 4.1.4 Tính toán điều khiển PID Để đánh giá so sánh đáp ứng điều khiển trượt với điều khiển PID ta xây dựng điều khiển PID cho đối tượng có hàm truyền đạt: 0.746032s 24 y (4.54) 0.51962s 6.277044s 25 u Để tối ưu hóa thông số PID ta sử dụng chức Tuning Gk (s) khối PID Controller Matlab Simulink, sau tunning ta có hệ số: KP = 0.0658, KI = 0.0218, KD = -0.0474 (4.55) 4.2 MÔ PHỎNG 4.2.1 Khi chƣa thích nghi mặt trƣợt (SMC) Sơ đồ mô điều khiển SMC PID Hình 4.3 Hình 4.3 Sơ đồ mô điều khiển SMC PID Thay đổi tham số K λ ta có kết mô Hình 4.4 19 a) Quá trình độ xác lập khởi động tải 5% b) Quá trình xác lập khởi động 20 c) Quá trình xác lập tải 5% Hình 4.4 Đáp ứng ngõ PID SMC thay đổi tham số SMC Bảng tổng hợp đáp ứng ngõ Bảng 4.2 Bảng 4.2 Bảng tổng hợp đáp ứng ngõ PID SMC thay đổi thông số điều khiển trượt Khởi động Bộ điều khiển PID SMC λ Độ Thời Độ Sai số Thời Sai số gian xác gian điều xác lập xác điều lập xác chỉnh (pu) lập chỉnh (pu) lập (s) (pu) (s) (pu) K - Giảm tải 5% - 21 0.073 0.0000 4.50 0.05 50 50 0.0025 0.62 0.0025 0.33 100 50 0.0013 1.28 0.0013 0.55 150 50 0.0010 1.98 0.0010 0.55 50 100 0.0035 0.36 0.0035 0.15 50 150 0.0040 0.24 0.0040 0.12 21 4.2.2 Khi thích nghi mặt trƣợt (SMAC) Sơ đồ mô Hình 4.5 Hình 4.5 Sơ đồ mô điều khiển SMC SMAC Chọn hàm hệ số mặt trượt (t ) e(t ) exp(e) Chọn K=100, λ= λ0= 100 ta có đáp ứng điều khiển trượt trượt thích nghi theo λ Hình 4.6 a) Quá trình độ xác lập khởi động tải 10% 22 b) Quá trình xác lập khởi động c) Quá trình xác lập tải Hình 4.6 Đáp ứng điều khiển SMC SMAC 4.3 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Sử dụng MATLAB SIMULINK mô ta có kết đáp ứng điều khiển PID SMAC Bảng 4.3 23 Bảng 4.3 So sánh đáp ứng điều khiển PID SMAC Chỉ số Khởi động Tải -5% Tải -10% Tải +10% PID SMAC PID SMAC PID SMAC PID SMAC Sai số XL (pu) 0.001 0.001 0.001 0.001 Thời gian XL (s) 22 0.7 20 0.1 20 0.08 20 0.04 Độ đc 0.072 (pu) 0.003 0.004 0.003 0.007 0.003 0.003 Tích phân 1.663 SLXL 0.217 1.667 0.217 1.68 0.217 1.68 0.217 Tích phân 2.034 SLQĐ 0.043 2.164 0.044 2.553 0.046 2.554 0.045 Từ Bảng 4.3 ta thấy: số điều khiển SMAC trường hợp khởi động mang tải nhỏ bơn điều khiển SMC Tóm lại, chất lượng điều khiển SMAC tốt điều khiển SMC chất lượng điều khiển SMC tốt điều khiển PID 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Những mặt đạt đƣợc: Về tổng quan luận văn hoàn thành việc xây dựng mô hình hoá mô tả đối tượng AVR hệ thống kích từ Xây dựng điều khiển trượt thích nghi để điều khiển điện áp trường hợp tổ máy phát điện cấp cho tải độc lập Kết đáp ứng tốc độ đầu sử dụng điều khiển SMAC tốt so với điều khiển PID Bộ điều khiển SMAC thích nghi tốt có thay đổi tham số mô hình Hạn chế đề tài: Mặc dù có nhiều cố gắng nghiên cứu tìm hiểu hạn chế mặt thời gian kiến thức học thuật, đề tài thiếu sót cần khắc phục bổ sung sau: - Phần mô hình máy phát sử dụng mô hình lý tưởng để tính toán thiết kế điều khiển Chưa xây dựng hệ phương trình phi tuyến mô tả đối tượng để từ thiết kế điều khiển; - Đề tài chưa xây dựng PSS để hoàn chỉnh chức hệ thống kích từ; - Đề tài chưa xây dựng mô hình, mô cho trường hợp nhiều tổ máy phát nối lưới KIẾN NGHỊ Với hạn chế nêu tác giả mong muốn có điều kiện nghiên cứu phát triển, hoàn thiện đề tài theo hướng sau: - Xây dựng hệ phương trình phi tuyến mô tả đối tượng có xét đến trường hợp nối lưới, thiết kế điều khiển dựa hệ phương trình phi tuyến; - Bổ sung điều khiển PSS hệ thống kích từ ... tín hiệu đầu Cấu trúc điều khiển trượt thích nghi Hình 3.5 Thích nghi mặt trượt V y0 Bộ điều khiển SMC u Bộ tạo dòng kích từ Máy phát Hình 3.5 Cấu hình điều khiển trượt thích nghi 3.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG... thống kích từ Xây dựng điều khiển trượt thích nghi để điều khiển điện áp trường hợp tổ máy phát điện cấp cho tải độc lập Kết đáp ứng tốc độ đầu sử dụng điều khiển SMAC tốt so với điều khiển PID Bộ. .. thống kích từ máy phát Hình D Vref + ∑ SMAC u - Bộ tạo dòng KT Máy phát + Vg ∑ 4.2 Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống kích từ sử dụng điều khiển trượt thích nghi 4.1.3 Tính toán u điều khiển điều khiển