Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện của hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN ĐOÀN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG CHO MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - Năm 2020 i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN ĐOÀN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG CHO MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mà SỐ: 8.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Thị Mai Hương Thái Nguyên – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Nguyễn Văn Đồn Sinh ngày18 tháng 02 năm 1970 Học viên lớp cao học khoá 21 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng Công Nghệ Nông lâm Đông Bắc, xã Minh Sơn, huyện Hữu lũng, tỉnh Lạng Sơn Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu thiết kế điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió” giáo TS Nguyễn Thị Mai Hương hướng dẫn nghiên cứu với tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Thái Nguyên, ngày 17 tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Văn Đoàn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ cô giáo TS Nguyễn Thị Mai Hương, Luận văn với đề tài “Nghiên cứu thiết kế điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện hệ thống điều khiển máy điện phát sức gió” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Cô giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thị Mai Hương tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập để hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, nhiên điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân cịn ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, cô giáo bạn bè đồng nghiệp cho luận văn tơi hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 17 tháng năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Đoàn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .2 LỜI CẢM ƠN .3 CHƯƠNG TỔNG QUAN 11 1.1 Khái quát lượng gió 11 1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện khơng đồng nguồn kép phương pháp điều khiển 13 1.3 Mơ hình cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng Máy phát không đồng nguồn kép .15 Kết luận chương 19 2.1 Ma trận xác định dương 20 2.1.1 Bất đẳng thức ma trận tuyến tính 20 2.1.2 Chuẩn �∞ 20 2.2 Phương trình bất phương trình đại số Riccati 21 2.2.1 Bổ đề chặn biên .21 2.2.2 Bổ đề bù Schur .22 2.2.3 Biến đổi phân thức tuyến tính 22 2.3 Tính chuẩn �∞ .23 2.4 Bài toán điều khiển �∞ 26 2.5 Thiết kế điều khiển �∞ cho hệ thống tuyến tính .27 2.5.1 Bổ đề thực bị chặn 27 2.5.2 Chất lượng �∞ .28 2.5.3 Điều khiển cận tối ưu �∞ 30 2.5.4 Tổng hợp điều khiển �∞ 31 2.5.5 Phương pháp độ nhạy hỗn hợp �∞ 32 Kết luận chương 34 CHƯƠNG THİẾT KẾ BỘ ĐİỀU KHİỂN BỀN VỮNG CHO MẠCH VỊNG DỊNG ĐİỆN CỦA MÁY PHÁT ĐİỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 34 3.1 Mơ hình tốn học máy phát điện không đồng nguồn kép (MPKĐBNK) .34 3.2 Thiết kế điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện rotor .35 3.2.1 Biểu diễn LFT với tham số biến thiên ��� ��� 36 3.2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển 43 3.2.3 Lựa chọn hàm Weight .45 Kết luận chương 46 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 47 Kết luận chương 59 KẾT LUẬN VÀ KİẾN NGHỊ 60 Kết luận .60 Kiến nghị 60 CÁC THAM SỐ CỦA DFIM 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .62 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Các loại máy phát điện sử dụng hệ thống phát điện sức gió 11 Hình 1.2: Các chế độ vận hành MPKĐBNK dòng chảy lượng tương ứng………………………………………………………………………………….12 Hình 1.3: Hệ thống máy phát sức gió .13 Hình 1.4: Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK .14 Hình 1.5: Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát 18 Hình 2.1: Biểu diễn LFT (a) (b) 23 Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống tương tác 29 Hình 2.3: Hệ thống tương tác với hàm trọng lượng 30 Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển phản hồi tổng quát 32 Hình 2.5: Điều khiển �∞ độ nhạy hỗn hợp 33 Hình 2.6: Điều khiển �∞ độ nhạy hỗn hợp với hàm trọng lượng 34 Hình 3.1: Biểu diên LFT hệ 43 Hình 3.2: Cấu trúc hệ kín thiết kế �∞ 43 Hình 3.3: Cấu trúc điều khiển kín mạch vịng dịng điện 45 Hình 4.1 cho thấy đáp ứng tần số hệ thống điều khiển với điều khiển dòng �∞ 48 Hình 4.2: cho thấy đáp ứng miền thời gian điều khiển dịng �∞ 50 Hình 4.3: cho thấy đáp ứng tần số hệ thống � � = �� = 110%�� 52 Hình 4.4: Đáp ứng miền thời gian điều khiển dòng �∞ 54 Hình 4.5: Đáp ứng tần số hệ thống 56 Hình 4.6: Đáp ứng miền thời gian điều khiển dòng �∞ 58 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT K ý BB Rổ LBi Fến LB Mất LH Pệ LH Tệ DANH MỤC CÁC KÝ HİỆU K Ý ý �T �ậ �M a �M a �i , n �i , n t ậ t ậ t ậ �t ậ �t ậ �t ậ t�+ ậ �t � ậ p h t m ọ k ý �p h e x l l oo �p h MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đáp ứng tần số ứng với đốc độ góc ��� = 0.7��� Đầu ��� , ��� theo giá trị đặt Đáp ứng tần số ứng với đốc độ góc ��� = 0.7��� Đầu ��� , ��� theo giá trị đặt ��� (a); đầu � , � � �� �� � � ��� , � � ��� theo giá trị đặt � giá trị đặt ��� theo �� �� � � � � ��� (b); sai lệch điều khiển � � � (a); đầu � � , � � , � �� theo giá trị đặt �� � � �� giá trị đặt � khiển (c) sai lệch điều khiển theo (b); sai lệch điều khiển � ��� �� (c) sai lệch điều �� ��� � �� , ��� theo giá trị đặt (d) ��� �� � ��� , ��� theo giá trị đặt ��� (c) (d) (d) Hình 4.5: Đáp ứng tần số hệ thống Khi ��� = 70%��� ��� = 110%��� Đường nét liền hình 4.5a đáp �� ứng đầu ��� tương ứng với đầu vào� Trong đó, đường nét gạch hình ��� ��� 4.5a đáp ứng đầu ��� với đầu vào đặt Dải thông tương ứng với ��� kênh →� → ��� thể hình 4.5a vào khoảng �� � ��� ��� � � �� 106 rad/s nghĩa có khả đáp ứng với giá trị đặt nhanh Độ điều chỉnh kênh ��� � →�� � không đáng kể đáp ứng chất lượng yêu cầu đặt �� Hơn nữa, biên độ tương ứng với đáp ứng tần số kênh ��� ��� → ��� nhỏ ��� ��� khoảng −22dB Điều có nghĩa tương tác chéo nhỏ ��� Trong đó, đường nét liền hình 4.5b đáp ứng đầu ��� tương ��� ứng với đầu vào ��� Đường nét gạch cho thấy đáp ứng đầu ��� với đầu vào đặt � Dải thông tương ứng với kênh ��� ��� � � � →� → ��� vào �� ��� � �� khoảng ��� 107 rad/s Độ điều chỉnh kênh → ��� không đáng kể ��� đảm bảo yêu cầu chất lượng điều khiển đặt Hơn nữa, biên độ tương ứng với �� � đáp ứng tần số kênh ��� → ��� nhỏ khoảng −15dB Điều có nghĩa tương tác chéo ��� ��� ��� nhỏ Đường nét liền hình 4.5c đáp ứng sai lệch ���� tương ứng với đầu Trong đó, đường nét gạch cho thấy đáp ứng sai lệch ���� với vào ��� ��� đầu vào đặt ��� ��� Tương tự, đường nét liền hình 4.5d đáp ứng sai lệch ���� ứng với đầu vào ��� ��� �� đường nét gạch đáp ứng sai lệch ���� với đầu vào đặt � Các kết hình 4.5c 4.5d cho thấy sai lệch bám dải thông ��� làm việc nhỏ ĐĐ á p p ứ ứ n n g g t h i t h i Đáp ứng thời gian ứng với đốc độ góc Đáp ứng thời gian ứng với đốc độ góc ��� = 0.7��� Đầu ��� , ��� theo giá trị ��� = 0.7��� Đầu ��� , ��� theo giá ��� đặt ��� trị đặt ��� (a); đầu ra�� � ��� , � � (a); đầu ��� , ��� theo giá trị đặt (b); sai lệch điều khiển ��� , � ��� � ��� theo giá trị đặt ���(c) sai lệch điều ��� ��� khiển ��� , ��� theo giá trị (d) đặt ��� giá trị đặt � khiển ��� theo �� (b); sai lệch điều ��� ��� , ��� theo giá trịsai đặt �(c) �� lệch điều khiển ��� , ��� theo giá trị đặt ��� � � (d) (c) (d) Hình 4.6: Đáp ứng miền thời gian điều khiển dòng �∞ Khi ��� = ��� = 110%��� Đường nét liền hình 4.6a đáp ứng đầu �� ��� tương ứng với đầu vào� đường nét gạch đáp ứng đầu ��� ��� với đầu vào đặt ��� ��� � →�� � ��� (tương tác chéo) Đáp ứng điều khiển bám tương ứng với kênh thể hình 4.6a nhanh sai lệch xác lập nhỏ (có thể �� coi 0) Trong đó, đáp ứng tương tác chéo tương ứng với kênh ��� ��� → ��� nhỏ Trong đó, đường nét liền hình 4.6b đáp ứng miền thời gian �� đầu ��� tương ứng với đầu vào� đường nét gạch đáp ứng đầu ��� ��� ��� ��� với đầu vào đặt Đáp ứng điều khiển bám tương ứng với kênh ��� ��� → ��� thể hình 4.6b nhanh sai lệch xác lập coi Trong ��� đó, đáp ứng tương tác chéo tương ứng với kênh ��� thể bỏ qua → ��� nhỏ có Tương tự đáp ứng miền tần số, đường nét liền hình 4.6c đáp ứng miền thời gian sai lệch ���� tương ứng với đầu ��� vào ��� Trong đó, đường nét gạch cho thấy đáp ứng sai lệch ���� với đầu vào đặt ��� � � ��� Đường nét liền hình 4.6d đáp ứng sai lệch� ứng � với đầu vào �� � � � � ��� đường nét gạch đáp ứng sai lệch ���� với đầu vào đặt Các kết ��� hình 4.6c 4.6d cho thấy sai lệch bám trạng thái xác lập nhỏ Các khảo sát tương tự thực với nhiều giá trị khác ��� dải làm việc thiết kế cho thấy đáp ứng điều khiển bám tương tự hình từ 4.1 đến 4.6 Do vậy, kết khơng trình bày Thơng qua mơ ta kết luận chất lượng điều khiển dòng �∞ thiết kế đảm bảo theo yêu cầu thiết kế cho giá trị khác tốc độ góc rotor ��� tần số góc ��� Kết luận chương Trong chương này, luận văn vào giới thiệu phương pháp mô để kiểm nghiệm chất lượng điều khiển dòng �∞ thiết kế Mơ sâu vào phân tích đáp ứng tần số đáp ứng thời gian hệ thống biến thiên tham số ��� ��� dải làm việc cho phép Các kết mô đạt chất lượng điều khiển dòng �∞ đạt yêu cầu thiết kế đề KẾT LUẬN VÀ KİẾN NGHỊ Kết luận Đề tài thực thành công, nghiên cứu thiết kế điều khiển bền vững cho phép mạch vòng dòng điện máy phát điện khơng đồng nguồn kép trì chất lượng điều khiển mong muốn tồn dải biến thiên tốc độ góc máy phát tần số góc lưới Đồng thời, thông qua việc lựa chọn hàm trọng lượng phù hợp đảm bảo cho hệ thống điều khiển mạch vịng dịng điện máy phát có khả chống lại ảnh hưởng nhiễu loạn điện áp lưới Thơng qua mơ ta kết luận chất lượng điều khiển dòng �∞ thiết kế đảm bảo theo yêu cầu thiết kế cho giá trị khác tốc độ góc rotor ��� tần số góc ��� Kiến nghị Đề tài hoàn thành bước việc thiết kế điều khiển bền vững �∞ cho mạch vòng dòng điện máy phát điện nguồn kép Trong tương lai, số vấn đề sau nên tiếp tục nghiên cứu: - Đánh giá tính ổn định bền vững toàn hệ thống thay đổi tham số khác - Thiết kế hệ thống điều khiển hoàn chỉnh tổng hợp điều khiển vịng ngồi - Mơ đánh giá khả làm việc toàn hệ thống với mạch vịng điều khiển vịng ngồi mô men, điện áp DC link hệ số công suất - Nghiên cứu khả ứng dụng hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép thực tế CÁC THAM SỐ CỦA DFIM Các tham số DFIM quy đổi phía stator : C 62 Đ iệ M 15 o Đ � iệ � Đ � iệ � Đ � iệ � Đ � iệ � Đ � iệ � TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Apkarian and P Gahinet A convex characterization of gain-scheduled H∞ controllers IEEE Transactions on Automatic Control, 40:853-864, 1995 [2] G Balas, R Chiang, A Packard, and M Safonov Robust control toolbox for use with Matlab, volume [3] The MathWorks, 2005 [3] G Becker, A Packard, D Philbrick, and G Balas Control of parametrically-dependent linear systems: A single quadratic Lyapunov approach American Control Conference, 1993 [4] P Gahinet Explicit controller formulas for LMI-based H∞ synthesis Automatica, 32:1007–1014, Jul 1996 [5] P Gahinet and P Apkarian A linear matrix inequality approach to H∞ control Int J Robust and Nonlinear Contr., 4:421- 448, 1994 [6] S George and M Rita Loop-shaping H∞ control for a doubly fed induction motor 12th European Conference on Power Electronics and Applications, page CDROM, 2007 [7] M Green and D J N Limebeer Linear robust control, volume Prentice Hall, 1994 [8] N T Hung and N D Minh Performance of robust controller for DFIM when the rotor angular speed is treated as a time-varying parameter Vietnam Conference on Control and Automation, 2011 [9] P N Lan, N P Quang, and P Buechner A non-linear control algorithm for improving performance of wind generator using doubly-fed induction generator European Wind Energy Conference, Athen, page CD(122), 2006 [10] K.-Z Liu and Y Yao Robust control theory and applications Wiley and Sons, 2016 [11] A Packard Gain scheduling via linear fractional transformations Systems & Control Letters, 22:79-92, 1994 41 Chương A TÀI LIỆU THAM KHẢO [12] W J Rugh Analytical framework for gain scheduling American Control Conference, 1990 [13] W.J Rugh and J.S Shamma Research on gain scheduling Automatica, 36:1401–1425, 2000 [14] C W Scherer Mixed H2/H∞ control for time-varying and linear parametrically- varying systems International Journal of Robust and Nonlinear Control, 6:929 - 952, 1996 [15] C W Scherer Robust mixed control and LPV control with full block scalings In Advances an LMI Methods in Control, SIAM, 1999 [16] C W Scherer LPV control and full block multipliers Automatica, 37:361-375, 2001 [17] C W Scherer Theory of Robust Control DCSC course, 2001 [18] C W Scherer and S Weiland Linear matrix inequalities in control Lecture notes in DISC course, 2005 [19] C W Scherer and S Weiland Linear matrix inequalities in control Lecture notes in DISC course, 2015 [20] J S Shamma and M Athans Gain scheduling: potential hazards and possible remedies IEEE Control Systems, 12:101 - 107, 1992 [21] S Skogestad and I Postlethwaite Multivariable feedback control - Analysis and design John Wiley & Sons, 1996 [22] J S.Shamma and M Athans Guaranteed properties of gain scheduled control for linear parameter-varying plants Automatica, 27:559-564, 1991 [23] H Nguyen Tien Control of the doubly-fed induction machine for wind turbine applications PhD thesis, Delft University of Technology, 2017 [24] H K Wimmer Extensions of the bounded real lemma ofdiscrete-time systems Wurzburg University, Germany, 2006 [25] F Wu A generalized lpv system analysis and control synthesis framework International Journal of Control, 74, 2001 [26] K Zhou, J.C Doyle, and K Glover Robust and optimal control Prentice [27] Nguyễn Thị Mai Hương, Đặng Danh Hoằng, Nguyễn Phùng Quang (2010), “ Nâng cao khả khắc phục lỗi lưới không đối xứng hệ thống phát điện chạy sức gió”, CD Tuyển tập Hội nghị tồn quốc lần thứ Cơ điện tử -VCM2010 Trang 315 - 320 [28] Nguyễn Thị Mai Hương, Nguyễn Tiến Hưng (2011), “Sử dụng LFT thiết kế phân tích ổn định bền vững hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió” Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, Nxb Đại học Thái Nguyên 86(10) Trang 21 - 25 ... THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN ĐOÀN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG CHO MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mà SỐ: 8.52.02.16... cam đoan luận văn ? ?Nghiên cứu thiết kế điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió? ?? giáo TS Nguyễn Thị Mai Hương hướng dẫn nghiên cứu với tất tài liệu... lượng gió sử dụng máy điện gắn với tuốcbin làm máy phát điện thể hình 1.1 Hệ thống phát điện sức gió 12 Máy phát chiều Máy phát xoay chiều Máy phát xoay chiều pha Máy phát xoay chiều pha Máy phát