Nghiên cứu đặc tính phẳng của máy phát không đồng bộ nguồn kép và đề xuất cấu trúc điều khiển trên cơ sở nguyên lý hệ phẳng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CAO CHÍNH HIỆP NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHẲNG CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ NGUYÊN LÝ HỆ PHẲNG Chuyên ngành : Điều khiển tự động LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG Hà Nội – Năm 2011 Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 Lời nói đầu Ngày nay, máy điện không đồng nguồn kép ngày ứng dụng rộng rãi ứng dụng máy phát điện sử dụng lượng gió Ưu điểm máy phát không đồng nguồn kép ứng dụng cơng suất chỉnh lưu cho mạch rotor nhỏ so với công suất máy phát Thêm nữa, máy phát không đồng nguồn kép vận hành dải tốc độ tương đối rộng, thích hợp với ứng dụng máy phát điện sử dụng sức gió Hiện tại, với tiến khoa học kỹ thuật, nhiều cấu trúc điều khiển tuyến tính cho máy phát đưa đạt đến mức gần hoàn hảo tính chất lượng Mặc dù việc nghiên cứu cấu trúc điều khiển phù hợp với chất phi tuyến máy phát hứa hẹn đem lại phẩm chất cho hệ thống, góp phần chế ngự tốt trạng thái vận hành phi tuyến Bên cạnh đó, chất phi tuyến mình, máy phát khơng đồng nguồn kép đối tượng lý thú để học viên áp dụng, thử nghiệm lý thuyết học Trong thời gian qua, em tiến hành thực luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu đặc tính phẳng máy phát khơng đồng nguồn kép đề xuất cấu trúc điều khiển sở nguyên lý hệ phẳng” Trong luận văn, em bước chứng minh đặc tính phẳng, xây dựng cấu trúc điều khiển máy phát, đồng thời việc mô kiểm chứng thực Plecs Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo GS TSKH Nguyễn Phùng Quang hướng dẫn, động viên em hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn thầy cô mơn ĐKTĐ giúp đỡ em q trình làm luận văn Hà Nội, 3/2011 Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 Học viên: Cao Chính Hiệp Mục lục MỤC LỤC Các ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình ảnh Chương 1: Khái quát hệ phẳng 1.1 Định nghĩa hệ phẳng: 1.2 Tính chất hệ phẳng: 1.3 Ý nghĩa hệ phẳng: 10 1.4 Một vài ví dụ hệ phẳng: 14 Chương 2: Hệ thống phát điện dùng máy phát không đồng nguồn kép (DFIM) 22 2.1 Cấu trúc hệ thống máy phát không đồng nguồn kép (DFIM): 23 2.2 Biểu diễn đại lượng ba pha dạng vector: 25 2.3 Hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới: 27 2.4 Mơ hình liên tục DFIM hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới : 31 Chương 3: Tính chất phẳng DFIM đề xuất cấu trúc điều khiển tựa phẳng cho DFIM 43 3.1 Tính chất phẳng DFIM: 43 3.1.1 Mơ hình trạng thái đầy đủ: 43 3.1.2 Mô hình dịng điện: 50 3.2 Cấu trúc điều khiển tựa phẳng cho đối tượng DFIM: 54 3.2.1 Xây dựng quỹ đạo phẳng cho đầu phẳng: 54 3.2.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển: 56 3.2.2.1 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện rotor: 61 3.2.2.2 Mạch vịng điều chỉnh cơng suất: 65 3.2.3 Phân tích tính chất tách kênh cấu trúc điêu khiển tựa phẳng với đối tượng DFIM: 67 3.3 Hiện tượng sụt điện áp lưới 70 Chương 4: Kết mô 75 4.1 Sơ đồ mô phỏng: 76 4.2 Kết mô phỏng: 85 Kết luận 97 Tài liệu tham khảo 98 Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 Các ký hiệu, chữ viết tắt Các ký hiệu, chữ viết tắt isu , isv , isw Dòng pha stator is , ir Vector dòng Stator, Rotor isd , isq Thành phần dòng điện stator trục d , q ird , irq Thành phần dòng điện rotor trục d , q uN Vector điện áp lưới us Vector điện áp stator ur Vector điện áp rotor usd , usq Thành phần điện áp stator trục d , q urd , urq Thành phần điện áp rotor trục d , q ψs , ψr Từ thông Stator, Rotor ψ sd ,ψ sq Thành phần từ thông Stator trục d , q ψ rd ,ψ rq Thành phần từ thông Rotor trục d , q ωr Vận tốc góc mạch điện Rotor ωs Vận tốc góc mạch điện Stator ω Vận tốc góc DFIM ϑs Góc pha mạch stator ϑr Góc pha mạch rotor Rs , Rr Điện trở Stator, Rotor Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 Các ký hiệu, chữ viết tắt Ls , Lr Điện cảm Stator, Rotor Lm Hỗ cảm Ts , Tr Hằng số thời gian Stator, Rotor σ Hệ số từ tản tồn phần zp Số đơi cực J Momen quán tính mG Momen điện máy phát cos ϕ Hệ số công suất U DC Điện áp tụ DC Link FC Nghịch lưu phía lưới (Front-end Convertor) GC Nghịch lưu phía máy phát (Generator-side Convertor) CB Máy cắt (Circuit Breaker) Trafo Máy biến áp (Transformer) IE Cảm biến tốc độ (Incremental Encoder) DFIM Máy phát không đồng nguồn kép (Doubly fed Induction Machine) Control Hardware Bộ điều khiển trung tâm Ký hiệu ‘d ’ viết bên phải phía : giá trị đặt Ký hiệu ‘ * ’ viết bên phải phía : giá trị tính tốn điều khiển Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 Danh mục hình ảnh Danh mục hình ảnh Hình 1.1: Động điện chiều kích thích vĩnh cửu 17 Hình 1.2: Hệ thống hai bình thơng 20 Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống máy phát khơng đồng nguồn kép 23 Hình 2.2: Chế độ hoạt động DFIM 24 Hình 2.3: Dịng lượng DFIM chế độ máy phát 25 Hình 2.4: Vector dịng stator 27 Hình 2.5: Mối quan hệ vector điện áp vector từ thơng stator 28 Hình 2.6: Hệ tọa dộ dq, tựa theo điện áp lưới 31 Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển phẳng khơng cascade cho DFIM 57 Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển phẳng cho DFIM 61 Hình 3.4: Bộ điều khiển có phản hồi cho dịng rotor 62 Hình 3.5: Khâu PI cho vịng điều khiển dịng rotor 64 Hình 3.6: Bộ điều khiển truyền thẳng cho công suất 65 Hình 3.7: Bộ điều khiển có phản hồi cho cơng suất 66 Hình 3.8: Khâu PI cho vịng điều khiển cơng suất 67 Hình 3.9: Cấu trúc điều khiển DFIM sử dụng hai PI 68 Hình 3.10: Cấu trúc điều khiển DFIM sử dụng phương tuyến tính hóa xác 69 Hình 4.1: Sơ đồ mô điều khiển tựa phẳng máy phát không đồng nguồn kép 76 Hình 4.2: Bên khối DFIG dq 76 Hình 4.3: Mơ hình DFIG xây dựng dựa khối máy điện không đồng rotor dây quấn có sẵn PLECS 77 Hình 4.4: Bên khối Avg Level Conv 78 Hình 4.5: Bên khối FPT 78 Hình 4.6: Giao diện khối C-Script PLECS 79 Hình 4.7: Khối mG, cosPhi Ref 80 Hình 4.8: Bên khối DFIG Control 81 Hình 4.9: Bên khối ir control 82 Hình 4.10: Bộ điều khiển phẳng dòng rotor 83 Hình 4.11: Bên khối mG, cosPhi control 84 Hình 4.12: Bộ điều khiển phẳng công suất 85 Hình 4.13: Mơ hai đại lượng cơng suất thay đổi điểm đặt 86 Hình 4.14: Mơ hai đại lượng dòng rotor thay đổi điểm đặt công suất 88 Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 Danh mục hình ảnh Hình 4.15: Giữ nguyên momen, thay đổi hệ số công suất 89 Hình 4.16: Giữ ngun hệ số cơng suất, thay đổi momen 90 Hình 4.17: Mơ có sai lệch thông số 92 Hình 4.18: Mơ sập lưới 25% 93 Hình 4.19: Mơ sập lưới 50% 94 Hình 4.20: Mơ sập lưới 75% 95 Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 Chương 1: Khái quát hệ phẳng Chương 1: Khái quát hệ phẳng 1.1 Định nghĩa hệ phẳng: (theo [4]) Cho hệ: x&= f ( x, u ) m n Trong biến trạng thái x ∈ R , biến điều khiển u ∈ R , gọi hệ phẳng tồn biến y = ( y1 , y2 , , ym ) thỏa mãn: (s) *Điều kiện (1): tồn hàm ψ cho y = ψ ( x, u, u&, , u ) , s ∈ N *Điều kiện (2): tồn hàm ϕ , ϕ1 cho x = ϕ ( y , y&, , y ( r ) ) Và u = ϕ1 ( y , y&, , y ( r +1) ) , r ∈ N *Điều kiện (3): y = ( y1 , y2 , , ym ) độc lập vi phân Nghĩa không (k ) tồn hàm H để : H ( y , y&, , y ) = Nếu ba điều kiện thỏa mãn hệ gọi hệ phẳng biến y = ( y1 , y2 , , ym ) gọi đầu phẳng hệ Một số kết luận ta rút từ định nghĩa hệ phẳng: Ỉ Đầu phẳng biểu diễn hàm biến trạng thái, biến điều khiển đạo hàm biến điều khiển Ỉ Biến trạng thái, biến điều khiển biểu diễn hàm đầu phẳng đạo hàm đầu phẳng Ỉ Các thành phần đầu phẳng độc lập vi phân Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 Chương 1: Khái qt hệ phẳng Ỉ Đầu phẳng hệ phẳng Bởi đơn cử giả sử y = ( y1 , y2 ) đầu phẳng hệ đầu vào z = ( z1 , z2 ) = ( y1 + y2( k ) , y2 ) với k số tự nhiên, đầu phẳng khác hệ Dễ dàng thấy điều y biểu diễn ( ) (k ) thông qua z : y = ( y1 , y2 ) = z1 − z2 , z2 1.2 Tính chất hệ phẳng: (theo [4]) Hệ phẳng có số tính chất cần lưu ý, ta liệt kê mà khơng sâu vào chứng minh tính chất này: -Số đầu phẳng số biến điều khiển độc lập (biến đầu vào) Tính chất dễ nhận thấy từ định nghĩa hệ phẳng -Một hệ tuyến tính hệ phẳng hệ điều khiển -Mọi hệ phẳng tuyến tính hóa đường phản hồi động nội sinh Và ngược lại hệ tuyến tính phản hồi động nội sinh hệ phẳng Sau ta làm rõ đường phản hồi động nội sinh: Xét hệ: x&= f ( x, u ) Ta gọi đường phản hồi động nội sinh đường phản hồi động có dạng: z&= β ( x, z , v ) u = α ( x, z , v ) làm cho hệ kín: ⎧ x&= f ( x, α ( x, z , v )) ⎨ ⎩ z&= β ( x, z , v ) hệ x&= f ( x, u ) tương đương Lie- BackLund tức tồn hàm Φ Ψ cho: Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 Chương 1: Khái quát hệ phẳng ( x, u ) = Φ ( x, z , v ) ( x, z , v ) = Ψ ( x, u ) Với u = (u, u&& , u&, ) v = ( v , v&& , v&, ) Khi hệ kín thu vi phơi đến hệ tuyến tính điều khiển có dạng: y1( r1 +1) = v1 M ym( rm +1) = vm Trong ( y1 , , ym ) đầu phẳng hệ phẳng x&= f ( x, u ) số nguyên ( r1 , , rm ) có từ quan hệ: x = ϕ ( y1 , , y1( r1 ) , , ym , , ym( rm ) ) u = ϕ1 ( y1 , , y1( r1 +1) , , ym , , ym( rm +1) ) 1.3 Ý nghĩa hệ phẳng: (theo [4]) Đối với hệ phẳng biến trạng thái, biến điều khiển biểu diễn hàm đầu phẳng đạo hàm đầu phẳng Điều cho phép ta tính trạng thái tín hiệu điều khiển cần thiết hệ phẳng cho trước quỹ đạo đầu phẳng Vấn đề thiết lập quỹ đạo đặt trước cho đầu phẳng để thỏa mãn điều kiện biên Dưới xem xét vấn đề này: Xét hệ phẳng: x&= f ( x, u ) với đầu phẳng: y = ( y1 , y2 , , ym ) Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 10 Chương 4: Kết mô Khối điều khiển công suất bao gồm điều khiển phẳng kết hợp với điều khiển PI: Hình 4.11: Bên khối mG, cosPhi control Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 84 Chương 4: Kết mô Bên khối ir Ref Hình 4.12: Bộ điều khiển phẳng cơng suất Hai khối Switch Switch1 xây dựng C-Script để mô tả khối lựa chọn đầu vào: if(Input(1)>0) { Output(0)=Input(0); } else { Output(0)=Input(2); } 4.2 Kết mô phỏng: DFIG chuyển từ điểm làm việc mG = −8 Nm , cos ϕ = −0.85 sang điểm làm việc mG = −10 Nm , cos ϕ = −1 t=1.5s khoảng thời gian 0.3s: Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 85 Chương 4: Kết mô cos ϕ : mG : Hình 4.13: Mơ hai đại lượng công suất thay đổi điểm đặt Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 86 Chương 4: Kết mơ ird : irq : Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 87 Chương 4: Kết mô Hình 4.14: Mơ hai đại lượng dịng rotor thay đổi điểm đặt cơng suất Ỉ Có thể thấy đại lượng dịng điện rotor, đại lượng cơng suất bám tốt quỹ đạo đặt với thời gian 0.3s theo u cầu Q trình q độ khơng xảy điều chỉnh *Kiểm tra tính tách kênh: Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 88 Chương 4: Kết mô Giữ nguyên momen mG = −8 Nm , thay đổi cos ϕ : −0.85 → −1 t=1.5s: Hình 4.15: Giữ nguyên momen, thay đổi hệ số công suất Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 89 Chương 4: Kết mô Giữ nguyên momen cos ϕ , thay đổi mG : −8 Nm → −10 Nm t=1.5s: Hình 4.16: Giữ ngun hệ số cơng suất, thay đổi momen Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 90 Chương 4: Kết mơ Ỉ Việc tách kênh hồn tồn, việc thay đổi momen khơng ảnh hưởng đến cos ϕ ngược lại *Mơ có sai lệch thông số: Rs 130%, Rs 110%, Lrs 90%, Lss 90%, Lm 90% Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 91 Chương 4: Kết mơ Hình 4.17: Mơ có sai lệch thơng số Ỉ Momen máy phát trì tốt thành phần cos ϕ chưa bám tốt có sai lêch thơng số *Mơ gặp tượng sụt điện áp lưới: Hiện tượng sụt điện áp lưới diễn t=1s, momen máy phát giữ -8Nm hệ số cơng suất -0.85 Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 92 Chương 4: Kết mô -Lưới sụt 25%: Hình 4.18: Mơ sập lưới 25% Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 93 Chương 4: Kết mơ -Lưới sụt 50%: Hình 4.19: Mơ sập lưới 50% Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 94 Chương 4: Kết mơ -Lưới sụt 75%: Hình 4.20: Mơ sập lưới 75% Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 95 Chương 4: Kết mô Æ Nhận xét: Khi tượng điện áp lưới xảy tồn vấn đề dao động hai thành phần momen hệ số công suất máy phát Khi điện áp sụt nhiều biên độ dao động hai thành phần công suất tăng, thời gian dao động khoảng 0.5s xấp xỉ số thời gian stator Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 96 Kết luận Kết luận Những phần trình bày tính chất phẳng máy phát khơng đồng nguồn kép (DFIM) Sau đó, đồ án xây dựng cấu trúc điều khiển dựa sở tính chất phẳng máy phát cho hai thành phần công suất, momen máy phát hệ số công suất Mô kiểm chứng Plecs cho kết so với lý thuyết Điều chứng tỏ phương án trình bày hợp lý Bên cạnh đồ án cịn hạn chế chưa phân tích tính bền vững cấu trúc điều khiển Vấn đề dao động thành phần cong suất sập lưới chưa giải triệt để Đồ án chưa xem xét cách đầy đủ vấn đề giới hạn dòng áp máy phát Những hạn chế hướng phát triển đề tài Việc giải vấn đề hứa hẹn nâng cao chất lượng hệ thống Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 97 Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich: Vector Control of Three-Phase AC Machines: System Development in the Practice Springer, 2008 [2] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich: Truyền động điện thông minh Nhà xuất KH&KT, 2004 [3] Nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động Nhà xuất KH&KT, 2003 [4] Jean Lévine: Analysis and Control of Nonlinear Systems - A Flatness-based Approach Springer Dordrecht Heidelberg London New York, 2009 [5] Nguyễn Hồng Hải: Nghiên cứu đặc tính phẳng máy phát không đồng nguồn kép đề xuất cấu trúc điều khiển sở nguyên lý hệ phẳng Đồ án đại học Bách Khoa Hà Nội, 2010 [6] Nguyễn Thị Mai Phương, Henry Guldner: Điều khiển tựa phẳng máy phát điện không đồng nguồn kép Chuyên san “Kỹ thuật điều khiển tựa động”, số 12/2006, tr.13-17, tạp chí “Tự động hóa ngày nay” [7] Nguyễn Dỗn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung: Lý thuyết điều khiển phi tuyến Nhà xuất KH&KT, tái lần có bổ sung, 2006 [8] Nguyễn Dỗn Phước: Lý thuyết điều khiển tuyến tính Nhà xuất KH&KT, 2005 [9] Nguyễn Hùng Cường, Chu Xuân Dũng: Nghiên cứu đặc tính phẳng động khơng đồng Rotor lồng sóc đề xuất cấu trúc điều khiển sở nguyên lý hệ phẳng Đồ án đại học Bách Khoa Hà Nội, 2009 Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 98 ... tính phẳng máy phát không đồng nguồn kép đề xuất cấu trúc điều khiển sở nguyên lý hệ phẳng? ?? Trong luận văn, em bước chứng minh đặc tính phẳng, xây dựng cấu trúc điều khiển máy phát, đồng thời... 2: Hệ thống phát điện dùng máy phát không đồng nguồn kép (DFIM) 2.1 Cấu trúc hệ thống máy phát không đồng nguồn kép (DFIM): (theo [1]) Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống máy phát không đồng nguồn kép. .. từ định nghĩa hệ phẳng -Một hệ tuyến tính hệ phẳng hệ điều khiển -Mọi hệ phẳng tuyến tính hóa đường phản hồi động nội sinh Và ngược lại hệ tuyến tính phản hồi động nội sinh hệ phẳng Sau ta làm