NGHIÊN cứu THUẬT TOÁN điều KHIỂN máy PHÁT điện GIÓ DFIG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ ĐOÀN THANH AN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN- 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ ĐOÀN THANH AN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ ĐOÀN THANH AN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Lê Đoàn Thanh An Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06-05-1982 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Quê quán: Tp Hồ Chí Minh Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: số 40 đường khu phố phường Linh Xuân quận Thủ Đức thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại riêng: 091951007 E-mail:ledoanthanhan@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2000 đến 2005 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, TP HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Công việc đảm nhiệm Nơi công tác Năm 2005 đến 2008 Công ty TNHH Chăn Nuôi C.P Nhân viên kỹ thuật Việt Nam Năm 2008 đến Trường CĐ Nghề Việt Nam Giáo viên Singapore i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, tính toán kết mô nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 Người cam đoan Lê Đoàn Thanh An ii LỜI CẢM ƠN Kết thành công gắn liền với dạy dỗ Thầy Cô, ủng hộ động viên từ gia đình, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong thời gian từ bắt đầu học đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ quý Thầy Cô, gia đình, đồng nghiệp bạn bè Với lòng biết ơn chân thành sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, đặc biệt quan tâm giúp đỡ Thầy hướng dẫn TS Trương Đình Nhơn với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em thực đề tài nghiên cứu Nếu lời hướng dẫn, dạy bảo Thầy em nghĩ đề tài nghiên cứu em khó hoàn thiện Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Thầy Bước đầu vào tìm hiểu lĩnh vực nghiên cứu khoa học, kiến thức em nhiều hạn chế nhiều bỡ ngỡ Do vậy, không tránh khỏi thiếu sót điều chắn, em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu Thầy hướng dẫn quý Thầy Cô bạn học lớp để kiến thức em ngày hoàn thiện TP HCM, tháng 10 năm 2016 Học viên thực Lê Đoàn Thanh An iii TÓM TẮT Sản xuất điện đóng vai trò quan trọng lĩnh vực xã hội công nghiệp hóa Việc phát lượng ngày tăng lên để đáp ứng cho phát triển ngành công nghiệp tải tiêu thụ hộ gia đình Ngoài sản xuất điện từ lượng không tái tạo có sử dụng nguồn lượng tái tạo để sản xuất điện hòa vào lưới điện có Hiện máy phát điện nguồn kép (DFIG) sử dụng ghép nối với tua bin gió sử dụng tính ưu điểm Khi sử dụng hệ thống phát điện lượng tái tạo tích hợp vào hệ thống điện, yêu cầu khả ôn định hệ thống phát điện Để hệ thống DFIG hoạt động ổn định cố xảy ra, ta thường sử dụng phối hợp nhiều biện pháp bảo vệ can thiệp vào giải thuật điều khiển nhiều khâu hệ thống máy phát DFIG điều khiển PI, điều khiển mờ (Fuzzy control), điều khiển kiểu nơ ron (Neural) Đã có nhiều phương pháp tối ưu hóa ổn định hệ thống DFIG dựa việc điều chỉnh thông số hệ thống, phương pháp sử dụng phổ biến thực tế sử dụng ổn định PI để trì ổn định cho hệ thống Trong phạm vi luận văn tiến hành áp dụng thuật toán điều khiển hệ thống nơ ron mờ thích nghi (ANFIS) vào khối điều khiển biến đổi phía lưới (GSC) để trì giá trị điện áp DC khối điều khiển DFIG iv ABSTRACT Energy production plays a very important role in society and industrialization The demand of energy in industries and civils is increasing day by day Besides producing electricity from fossil fuels also use renewable energy sources to produce electricity intergrating to present system Doubly fed induction generator (DFIG) is used by many advantages When integrating renewable generator systems into the electricity system, one of the basic requirements is the stability of DFIG system To maintain DFIG system stable when incident faults occurred, it is common to use a combination of methods to intervene in the control algorithm in the various stages of DFIG generator system as PI controller, fuzzy controller (fuzzy control), controls the type of neuron (Neural) There have been many methods to optimize the stability of the system based on the adjustment DFIG parameters in the system, the common basic method is the use of the PI controller algorithm In the thesis, the author will use the system control algorithm called Adaptive Neural Fuzzy Inference System (ANFIS) applying to the grid side controller (GSC) to maintain the value of the DC link voltage in DFIG controllers v MỤC LỤC Trang tựa TRANG LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH CÁC BẢNG xi DANH SÁCH CÁC HÌNH xii Chương1: .er nối lưới (Ω) Điện áp chiều trung gian converter (H) Điện dung trung gian converter (H) Tỷ số điều chế tần số Tỷ số điều chế biên độ Quy phía stator Quy phía rotor Giá trị tham chiếu (giá trị đặt) Các đại lượng stator Các đại lượng rotor Các đại lượng turbine Các đại lượng quy chiếu trục d q hệ quy chiếu dq Các đại lượng quy chiếu trục α β hệ quy chiếu αβ Các đại lượng pha a; pha b; pha c tương ứng x DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng TRANG Bảng 1.1 Tổng sản lượng quốc gia thể lượng tiêu thụ điện Hà Lan 11 Bảng 3.1 So sánh mạng nơ ron logic mờ 39 xi DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình TRANG Hình 1.1 Tổng sản lượng quốc gia thể lượng tiêu thụ điện Hà Lan Hình 1.2 Cối xay gió cổ đảo Anh Hình 1.3 Cối xay gió cổ đảo Anh Hình 1.4 Nông trường gió hệ thống lượng tái tạo công ty Hamish Hill Hình 1.5 Biểu đồ sản suất lượng giới Hình 1.6 Kích cỡ công suất định mức máy phát điện gió thị trường 10 Hình 2.1 Chuyển đổi lượng gió thành lượng điện 16 Hình 2.2 Tua bin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng IG 17 Hình 2.3 Tua bin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng IG 18 Hình 2.4 Tua bin gió điều khiển tốc độ với máy phát không đồng SG 18 Hình 2.5 Tua bin gió điều khiển tốc độ với máy phát nguồn kép DFIG 18 Hình 2.6 Hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG 20 Hình 2.7 Hướng công suất DFIG tương ứng tốc độ đồng ω0 bên 20 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý DFIG chuẩn 21 Hình 2.9 Các thành phần máy phát điện gió 23 Hình 2.10 Các loại cột tua bin gió 23 Hình 2.11 Tua bin gió 24 Hình 2.12 Hộp số tua bin gió nhỏ 24 Hình 2.13 Mặt cắt máy điện 25 Hình 3.1 Quan hệ hệ thống ba pha abc hệ tọa độ αβ 29 Hình 3.2 Quan hệ hệ thống ba pha αβ hệ tọa độ dq 29 Hình 3.3 Mạch tương đương máy điện DFIG quy đổi phía stator 30 Hình 3.4 Mạch tương đương máy điện DFIG hệ quy chiếu quay 31 Hình 3.5 Hệ thống khảo sát máy phát nút 33 Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ trục d,q máy phát hệ thống 34 Hình 3.7 Các khối chức Điều khiển mờ 34 Hình 3.8 Mô hình nơ ron đơn giản 36 Hình 3.9 Mạng nơ ron lớp 36 Hình 3.10 Cấu trúc huấn luyện mạng nơ ron 37 Hình 3.11 GSC ổn định điện áp DC 39 Hình 3.12 GSC điều khiển công suất phản kháng 40 Hình 3.13 Khâu điểu chỉnh giá trị điện áp DC dùng điều khiển FLC 40 Hình 3.14 Các hàm liên thuộc 41 Hình 3.15 Sơ đồ khối ổn định sử dụng FLC với ngõ vào sai số tích phân sai số 41 Hình 3.16: sơ đồ điều khiển khối GSC 41 Hình 4.1 Hệ thống khảo sát máy phát nút sau thêm máy phát DFIG 43 Hình 4.2 Mô hình máy phát DFIG dạng khối phần mềm MATLAB 44 Hình 4.3 Sơ đồ khối GSC sử dụng thuật điều khiển PI 46 xii Hình 4.4 Hình dạng hàm liên thuộc 47 Hình 4.5 Sơ đồ khối GSC sử dụng thuật điều khiển ANFIS 47 Hình 4.6 Lưu đồ khởi tạo điều khiển ANFIS 49 Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển ANFIS 49 Hình 4.8 Kết mô thay đổi công suất đầu vào máy phát SG1 51 Hình 4.9 Kết mô ngắn mạch đường dây 5-8 53 Hình 4.10 Tốc độ gió thay đổi 54 Hình 4.11 Kết mô tốc độ gió thay đổi 58 xiii Chương1: TỔNG QUAN 1.1.Đặt vấn đề Sản xuất điện đóng vai trò quan trọng lĩnh vực xã hội công nghiệp hóa Việc phát lượng ngày tăng lên để đáp ứng cho phát triển ngành công nghiệp tải tiêu thụ hộ gia đình Thông thường, điện sản xuất nhà máy điện truyền tải đến hộ nhỏ lẻ khu công nghiệp thông qua mạng lưới truyền tải phân phối Nhìn chung, điện sản xuất cách chuyển hóa nguồn lượng tự nhiên thành lượng điện truyền vào lưới điện Các nguồn lượng tự nhiên chia làm hai dạng chính, là: • Nguồn lượng không tái sinh than đá, dầu nhiên liệu, khí đốt tự nhiên, lượng hạt nhân… • Nguồn lượng tái sinh lượng gió, khí hidro, lượng mặt trời, lượng sinh khối, địa nhiệt, lượng từ đại dương… Về lâu dài, nhu cầu phát điện đáp ứng sử dụng nguồn lượng không tái tạo trữ lượng có hạn bị khai thác cạn kiệt dần nhu cầu sửa dụng điện ngày tăng quy mô toàn cầu Ngoài sản xuất điện từ lượng không tái tạo có nhược điểm làm ô nhiễm môi trường, tăng hiệu ứng nhà kính, giá thành sản xuất ngày tăng cao giá nhiên liệu Một giải pháp tốt khắc phục vấn đề mà đáp ứng nhu cầu lượng tích hợp sử dụng nguồn lượng tái tạo để sản xuất điện hòa vào lưới điện có Nguồn lượng tái tạo sử dụng phổ biến hệ thống máy phát điện gió với máy phát điện nguồn kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) truyền động tua bin gió hệ thống cánh đồng gió (wind farm) Khi sử dụng hệ thống phát điện lượng tái tạo tích hợp vào hệ thống điện, yêu cầu khả ôn định hệ thống phát điện.Để hệ thống DFIG hoạt động ổn định cố xảy ra, ta thường sử dụng phối hợp nhiều biện pháp bảo vệ can thiệp vào giải thuật điều khiển nhiều khâu hệ thống máy phát DFIG điều khiển PI, điều khiển mờ (Fuzzy control), điều khiển kiểu nơ ron (Neural) Mỗi giải thuật có ưu điểm ứng dụng riêng nó: điều khiển PI tối ưu cho hệ tuyến tính, điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm người thiết kế, điều khiển kiểu nơ ron có khả “học” từ liệu có Trong năm gần nghiên cứu xây dựng giải thuật kết hợp ưu điểm giải thuật trước giải thuật Hệ thống nơ ron mờ thích nghi (ANFIS – Adaptive Neural Fuzzy Inference System) để ổn mạch chuyển đối phía lưới (Grid Side Converter: GSC) 1.2 Tình hình phát triển lượng Năng lượng liệu vào cốt yếu đo lường phát triển kinh tế xã hội Tốc độ tiêu thụ lượng Quốc gia thường phản chiếu mức thành công kinh tế mà đạt Kinh tế xã hội tốt đánh giá số phát triển người HDI “Human Development Index” Chỉ số HDI cao có lượng tiêu thụ lượng đầu người vùng từ 4000 đến 9000kg dầu năm [1] Hình 1.1 ví dụ tăng trưởng kinh tế quốc gia Hà Lan, khảo sát đo lường tổng thu nhập quốc gia (GNP) lượng tiêu thụ điện đến năm 2010 [2] Hình 1.1: Đường (chấm chấm) tổng sản lượng quốc gia GNP đường (nét liền) thể lượng tiêu thụ điện Hà Lan Dân số toàn cầu tăng ngày, tăng trưởng dân số quốc gia phát triển nhanh quốc gia công nghiệp Kết dẫn đến nhu cầu lượng tăng theo Trong suốt 10 năm qua, lượng sơ cấp dùng quốc gia công nghiệp tăng 1,5% năm thay đổi tương ứng quốc gia phát triển 3,2% năm [2] Nhu cầu lượng toàn cầu gặp nhiều thay đổi nguồn khai thác Năng lượng hóa thạch (than, dầu khí thiên nhiên) đáp ứng khoảng 80% cho nhu cầu, lượng hạt nhân xấp xỉ 7%, 13% cung cấp từ lượng tái tạo Ở tại, lượng (gió, mặt trời v.v ) chiếm 2,2% [3] Vì tiếp tục kịch tại, phải dựa vào nguồn lượng hóa thạch để đáp ứng chủ yếu cho nhu cầu Tuy nhiên lượng hóa thạch có hạn chúng bị cạn kiệt thời gian tới Điều làm phải có kế hoạch khám phá nguồn lượng thay Ngoài ra, môi trường đề tài mà giới quan tâm, vấn đề ô nhiễm môi trường hiệu ứng nhà kính khí thải CO2 nhà máy, khu công nghiệp đến mức báo động Theo đại đa số cho rằng, để giảm mức xạ ô nhiễm môi trường phải 10% lượng cung cấp cho đến từ nguồn lượng 1.2.1 Lịch sử phát triển lượng gió Nỗ lực người việc khai thác lượng gió có từ thời cổ đại, họ sử dụng thuyền tàu di chuyển sức gió Sau đó, lượng gió phục vụ người làm hoạt động cối xay hạt bơm nước Trong suốt biến đổi từ dụng cụ thô sơ nặng nề đến máy phức tạp hiệu quả, kỹ thuật trải qua nhiều thời kỳ phát triển Đã có tranh luận khái niệm nguồn gốc việc sử dụng gió cho Một vài người tin khái niệm bắt nguồn từ người Babylon cổ đại Vương triều Hammurabi người Babylon có kế hoạch sử dụng lượng gió cho công trình hệ thống tưới tiêu đầy tham vọng suốt kỷ XVII trước Công Nguyên [4] Một số khác lại cho nơi khai sinh cối xay gió Ấn Độ Trong thời đại Arthasastra, tác phẩm cổ điển tiếng Phạn viết Kautiliya suốt kỷ thứ IV trước Công Nguyên, nguồn tham khảo dựa việc nâng mặt nước hệ thống vận hành gió [5] Tuy nhiên, ghi chép chứng minh khái niệm biến đổi thành thiết bị Bản thiết kế người Ba Tư sử dụng cối xay gió để xay hạt tìm thấy khoảng vào năm 200 trước Công Nguyên Đó máy trục dọc có hứng gió làm từ bó lau sậy hay gỗ Những hứng gió gắn vào cần trung tâm sử dụng chống ngang Kích thước hứng gió định vật liệu sử dụng, thường dài 5m cao 9m Hình 1.2: Cối xay gió cổ đảo Anh (nguồn: http://wikipedia.org) Vào kỷ XIII, cối xay hạt sử dụng hầu hết Âu Châu Người Pháp thu nhập kỹ thuật vào năm 1105 sau Công Nguyên Anh vào năm 1191 trước Công Nguyên Ngược lại với mẫu thiết kế trục dọc người Ba Tư, cối xay Châu Âu lại có trục ngang Người Hà Lan, với nhà thiết kế trứ danh Jan Adriaenszoon, người tiên phong việc thiết kế loại cối xay Chúng tạo nên phát triển lĩnh vực thiết kế phát minh vài loại cối xay Ngoài việc xay hạt, cối xay gió dùng để tháo nước vùng đầm lầy Hà Lan Những cối xay gió du nhập vào Mỹ vào khoảng năm 1700, nhờ vào thực dân Hà Lan Loại mô theo cối xay gió bơm nước, cho ứng dụng thành công lượng gió Tua bin gió nhiều cánh (được gọi theo người Mỹ) xuất lịch sử lượng gió vào khoảng năm 1800 Rotor tương đối nhỏ, có đường kính khoảng từ đến vài mét, sử dụng thiết kế Ứng dụng chủ yếu để bơm nước từ vài mét mặt đất để phục vụ cho nông nghiệp Những máy bơm nước này, với cánh quạt kim loại thiết kế máy tốt hoạt động tốt Khoảng triệu sử dụng riêng Mỹ, vào khoảng năm 1850 1930 Hình 1.3: Cối xay gió cổ đảo Anh (nguồn: http://wikipedia.org) Kỷ nguyên máy phát điện dùng sức gió bắt đầu vào cận năm 1900 Tua bin gió đại thiết kế đặc biệt cho máy phát điện xây dựng người Đan Mạch năm 1890 Nó cung cấp điện cho vùng nông thôn Lần đầu tiên, hộp truyền động gia tốc giới thiệu mẫu thiết kế Hệ thống hoạt động 20 năm với công suất định mức 12 kW Nhiều phương pháp hệ thống ứng dụng thiết kế kỹ thuật tua bin suốt giai đoạn Với kết cấu vững thấp cánh quạt thiết kế theo động lực học, hệ thống hoạt động cách ấn tượng Năm 1910, vài trăm loại máy kiểu cung cấp điện cho làng Đan Mạch Vào khoảng năm 1925, máy phát điện sức gió có mặt thị trường Mỹ Nhà máy lượng gió thực nghiệm sau xây dựng nước khác Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Đức Anh Một phát triển đáng ý hệ thống lớn tua bin 1250 kW thiết kế Palmer C Putman Tua bin đưa vào sử dụng vào năm 1941 Grandpa’s Knob gần Rutland, Vermont [6] Roto 53m thiết lập cột cao 34m Máy đạt vận tốc ổn định cách thay đổi góc xoay (pitch) cánh quạt hoạt động 1100 tiếng đồng hồ suốt năm tiếp theo, đến cánh quạt bị hỏng vào năm 1945 Công trình nhận xét thành công chứng minh tính khả thi kỹ thuật máy phát điện sức gió công suất lớn Một vài mẫu thiết kế tua bin gió thực nghiệm giai đoạn Darrieus G.J.M, kỹ sư người Pháp, dồn sức vào mẫu thiết kế tua bin Darrieus năm 1920, cấp sáng chế Mỹ năm 1931 [7] Nghiên cứu tập trung nguyên lý hoạt động tua bin gió xuất năm 1950 Ví dụ roto nhẹ có tốc độ cố định phát triển Đức vào năm 1968 Chúng có cánh làm sợi thủy tinh gắn cột rỗng cố định dây cáp chằng Loại lớn có đường kính 15m công suất 100kW Trong năm sau đó, nguồn sơ cấp để sản xuất điện khai thác từ nhiên liệu hóa thạch trở nên rẻ tin cậy Trong đó, nguồn lượng gió khai thác từ gió tốn 12 đến 30 cent/kWh năm 1940, với sản lượng tương tự khai thác từ nguồn nhiên liệu khác tốn đến cent/kWh vào năm 1970 Chi phí cho điện khai thác từ nhiên liệu hóa thạch giảm xuống thấp cent/kWh năm 1970 Nhiên liệu hóa thạch có nhiều nơi với giá rẻ thời ... giải thuật điều khiển nhiều khâu hệ thống máy phát DFIG điều khiển PI, điều khiển mờ (Fuzzy control), điều khiển kiểu nơ ron (Neural) Mỗi giải thuật có ưu điểm ứng dụng riêng nó: điều khiển. .. TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ ĐOÀN THANH AN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa... TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ ĐOÀN THANH AN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 TP Hồ Chí Minh,