Tổng hợp các thuật toán phi tuyến trên cơ sở phương pháp backstepping để điều khiển máy dị bộ nguồn kép trong hệ thống máy phát điện sức gió

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Cao Xuân Tuyển TỔNG HỢP CÁC THUẬT TOÁN PHI TUYẾN TRÊN CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ Chun ngành: Tự động hố Mã số: 62.52.60.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Hà nội - 2008 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tác giả Ngồi tài liệu tham khảo trích dẫn, số liệu kết mô phỏng, thực nghiệm thực hướng dẫn PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang trung thực Tác giả Cao Xuân Tuyển LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo , Cô giáo mơn Tự Động Hố, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô, Anh, Chị trung tâm sau đại học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện khích lệ để tác giả hồn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang - Trung tâm công nghệ cao - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình hướng dẫn khích lệ tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy ban Giám Hiệu trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Thầy cô khoa Điện, trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun khích lệ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin cảm ơn Thầy giáo, anh chị em Phịng thí nghiệm trọng điểm tự động hóa, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện tốt sở vật chất để tác giả thực thành công luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn GS Peter Buechner - Viện kỹ thuật điện, trường đại học kỹ thuật Dresden, cộng hoà liên bang Đức, tạo điều kiện hệ thống thí nghiệm để tác giả thực thành cơng luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Phùng Ngọc Lân – Trung tâm công nghệ cao, đại học Bách khoa Hà Nội, tận tình giúp đỡ tác giả thời gian thực thí nghiệm cộng hoà liên bang Đức MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix LỜI GIỚI THIỆU CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Khái quát loại hệ thống lượng gió đối tượng nghiên cứu luận án 1.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng MDBNK 1.3 Nhiệm vụ yêu cầu điều khiển nghịch lưu phía máy phát 10 1.4 Tổng quan phương pháp điều khiển phía máy phát, vấn đề 11 giải quyết, vấn đề tồn cần tiếp tục nghiên cứu CHƯƠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC, CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 15 PHÍA MÁY PHÁT VÀ PHÍA LƯỚI CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ 2.1 Khái quát hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MDBNK 15 2.2 Mơ hình tốn học phía máy phát phía lưới 16 2.2.1 Biểu diễn vector không gian đại lượng pha 16 2.2.2 Mơ hình trạng thái liên tục phía máy phát 18 2.2.3 Các biến điều khiển cơng suất hữu cơng vơ cơng phía máy phát 25 2.2.4 Mơ hình trạng thái liên tục phía lưới 27 2.2.5 Mơ hình gián đoạn phía lưới 30 2.2.6 Các biến điều khiển phía lưới 31 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING VÀ ÁP DỤNG 34 TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÍA MÁY PHÁT 3.1 Phương pháp Backstepping 34 3.1.1 Thiết kế điều khiển sở hàm điều khiển Lyapunov 34 3.1.2 Phương pháp thiết kế điều khiển sở Backstepping 38 3.2 Áp dụng phương pháp Backstepping thiết kế điều khiển phía máy 44 phát 3.2.1 Tổng hợp điều chỉnh dịng Backstepping phía máy phát 45 3.2.1.1 Tổng hợp điều chỉnh thành phần ird miền liên tục 45 3.2.1.2 Tổng hợp điều chỉnh thành phần irq miền liên tục 46 3.2.1.3 Tính ổn định hệ có điều chỉnh dịng Backstepping 48 3.2.1.4 Thiết kế khâu tính tốn giá trị thực giá trị đặt 48 3.2.1.5 Số hoá điều chỉnh dịng Backstepping phía máy phát 49 3.2.2 Khắc phục sai lệch tĩnh 3.2.2.1 Bản chất điều chỉnh dịng Backstepping quan điểm 51 51 tuyến tính hóa xác tách kênh trực tiếp 3.2.2.2 Đưa thành phần tích phân vào thuật tốn backstepping để 56 khử sai lệch tĩnh 3.2.3 Tổng hợp điều chỉnh bền vững thích nghi Backstepping phía máy 62 phát 3.2.3.1 Phương trình điện áp rotor tổng quát 63 3.2.3.2 Các tượng xảy ngắn mạch ba pha xa (điện áp lưới bị 64 sụt phần) 3.2.3.3 Tổng hợp điều khiển ‘adaptive backstepping’ cho thành phần 68 3.2.3.4 Tổng hợp điều khiển ‘adaptive backstepping’ cho thành phần 70 ird irq 3.3 Xác định tham số điều khiển 3.3.1 Xác định hệ số k1, k2 điều chỉnh dòng 73 73 3.3.2 Xác định hệ số ki1, ki2 thành phần khử sai lệch tĩnh 74 3.3.3 Xác định hệ số thành phần Adaptive kể tới nhiễu dao 75 động 3.4 Vấn đề trễ thực DSP biện pháp khắc phục 75 3.5 Vấn đề xử lý điện áp vào vùng giới hạn 76 3.5.1 Hiệu chỉnh ngược sai lệch điều chỉnh thành phần urd 77 3.5.2 Hiệu chỉnh ngược sai lệch điều chỉnh thành phần urq 79 3.6 Kết luận điều khiển 81 3.7 Các điều chỉnh số cho mạch vòng điều chỉnh mô men công 83 suất vô công CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 85 4.1 Tổng hợp điều chỉnh dịng phía lưới 85 4.2 Điều khiển hồ đồng 89 4.2.1 Xác định góc chuyển đổi để đảm bảo điều kiện tần số 89 4.2.2 Đảm bảo điều kiện trùng pha 90 4.2.3 Đảm bảo điều kiện trị số điện áp 91 4.3 Hệ thống mơ 92 4.4 Hệ thống thí nghiệm 93 4.5 Kết thí nghiệm mơ 95 4.5.1 Chất lượng hệ thống điều chỉnh 4.5.2 Tính bền vững ngắn mạch hệ thống với phương pháp 95 106 backstepping 4.5.3 Tính bền vững ngắn mạch hệ thống với phương pháp tuyến 111 tính deadbeat thơng thường KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC 121 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: fs tần số mạch điện stator ir , is , i N vector dòng rotor, dịng stator, dịng phía lưới ird , irq , isd , isq thành phần dòng rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq iNd , iNq thành phần dịng phía lưới thuộc hệ tọa độ dq J mơmen qn tính ur , us , uN vector điện áp rotor, điện áp stator, điện áp lưới urd , urq , usd , usq thành phần điện áp rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq u Nd , u Nq thành phần điện áp lưới thuộc hệ tọa độ dq Lm hỗ cảm stator rotor L= Lm + Lσ s s điện cảm stator L= Lm + Lσ r r điện cảm rotor Lσ s điện cảm tản phía stator Lσ r điện cảm tản phía rotor mG mômen máy phát Rr , Rs điện trở rotor stator Tr = Lr Rr số thời gian rotor Ts = Ls Rs số thời gian stator L2m σ = 1− Lr Ls hệ số tản tổng ψ r ,ψ s vector từ thông rotor, stator ψ sd ,ψ sq thành phần từ thông stator thuộc hệ tọa độ dq ω tốc độ góc học rotor ωr ,ωs ,ω N tốc độ góc mạch điện rotor, stator, lưới điện ϑ ,ϑr ,ϑs ,ϑN góc rotor, góc pha mạch điện rotor, stator, lưới điện Chữ viết tắt CTĐTT Chuyển tọa độ trạng thái DSP Digital signal processor - vi xử lý tín hiệu ĐLĐK Đại lượng điều khiển HSCS Hệ số công suất MDBNK Máy điện dị nguồn kép MIMO Multi input – multi output THĐAL Tựa hướng vector điện áp lưới VĐK Vi điều khiển NLPL Nghịch lưu phía lưới NLMP Nghịch lưu phía máy phát clf Hàm điều khiển Lyapunov ĐCVTKG Điều chế vector khơng gian TTHCX Tuyến tính hố xác ADC Bộ chuyển đổi tương tự số PWM Điều chế độ rộng xung CL Chỉnh lưu ĐKPHTT Điều khiển phản hồi trạng thái TSP Tính tốn giá trị đặt PĐSG Phát điện sức gió PLL Phase Locked Loop DAC Bộ chuyển đổi số tương tự MHTT Mơ hình tính tốn ĐC Điều chỉnh DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Nội dung Trang 5.1 Tham số máy phát 121 5.2 Tham số phía lưới điện 122 5.3 Thơng số MDBNK thí nghiệm 135 5.4 Thơng số máy điện dị ba pha 135 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 1.1 Tuốc bin gió với tốc độ cố định 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có biến đổi nối trực tiếp stator lưới 1.3 Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK 1.4 Hệ thống PĐSG dựa MDBNK sử dụng crowbar 1.5 Hệ thống PĐSG dựa MDBNK sử dụng stator switch 1.6 Các đường cong sử dụng chiến lược điều khiển tuốc bin 1.7 Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát hệ thống 12 PĐSG sử dụng MDBNK 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng 15 MDBNK 2.2 Biểu diễn vector dòng stator, điện áp stator, từ thông stator 17 hệ trục toạ độ αβ d,q 2.3 Mơ hình trạng thái MDBNK 21 2.4 Mơ hình trạng thái MDBNK thể ma trận 23 2.5 Mơ hình dịng rotor 23 2.6 Đặc điểm phi tuyến mơ hình dịng rotor MDBNK 24 hệ tọa độ dq 2.7 Đồ thị vector dịng, áp, từ thơng MDBNK 27 2.8 Sơ đồ nguyên lý phía lưới 27 2.9 Sơ đồ tổng quát mạch điện phía lưới 28 2.10 Sơ đồ thay 28 2.11 Sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới 29 2.12 Mơ hình gián đoạn phía lưới 30 2.13 Biểu diễn véc tơ khơng gian dịng điện phía lưới hệ toạ độ 31 dq 138 RSwitch Ld Rd A u A A lines to phases1 Vm3 V vab ua Vm4 V vbc uc ub pulses2 pulses1 Cf ugrid_uvw pulses2 voltage dip pulses1 b a c voltage dip r v s w t uDC Grid Back to back Converter Rf iN_abc uDC is_uvw A ir_rst A A A A Vm2 V Vm1 V A Tm lines to phases f(u) m ASM vab ua us_uvw ub Sync mL Fcn f(u) Fcn1 vbc uc omega theta mG Hình 5.4 Sơ đồ PLECS mơ hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MDBNK Sơ đồ PLECS mô hệ thống biến tần Biến tần gồm cụm NL CL liên lạc mạch chiều trung gian (hình 8.5) Mỗi cụm xây dựng PLECS hình 8.6 Xung mở van bán dẫn biến tần điều chế phương pháp ĐCVTKG Các xung khối “Grid Side Controller” “Generator Side Controller” cung cấp pulses2 pulses1 r u C Converter1 V Converter2 v s w t uDC Hình 5.5 Sơ đồ PLECS mô hệ thống biến tần (“Back to back converter”) 139 Sơ đồ PLECS nghịch lưu nguồn áp/chỉnh lưu pulses + g(u) g(u) g(u) g(u): u>0 g(u): u>0 g(u): u>0 g(u) g(u) g(u) g(u): u