Ứng dụng điều khiển học lặp cho hệ thống AVR máy phát đồng bộ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HUỲNH THÀNH TÀI HUỲNH THÀNH TÀI C C CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA R L T ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOÁ K37 Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THÀNH TÀI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ C C Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 R L T DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS TRƢƠNG THỊ BÍCH THANH Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN - Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tơi - Ngồi thơng tin sử dụng trích dẫn tài liệu tham khảo, nghiên cứu khoa học khác nêu luận văn trung thực chƣa công bố cơng trình nghiên cứu khác Tác giả luận văn C C DU R L T Huỳnh Thành Tài TRANG TÓM TẮT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ Học viên : Huỳnh Thành Tài Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động Mã số : 8520216 Khóa : K37 Trƣờng Đại Học Bách Khoa - ĐHĐN Tóm tắt : Luận văn trình bày tổng quan hệ thống kích từ, thành lập phƣơng trình tốn học thiết kế điều khiển cho hệ thống điều chỉnh điện áp tự động AVR máy phát điện Luận văn sử dụng thuật toán điều khiển học lặp (ILC) làm điều khiển đảm bảo giữ sai số điện áp thấp tốt Ba thuật toán ILC đƣợc thảo luận: học tập kiểu P, học tập kiểu PD thiết kế tối ƣu tuyến tính bậc hai (LQ), đƣợc mô phần mềm Matlab Kết mơ đƣợc phân tích luận văn với thay đổi tham số điều khiển nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển C C R L T Từ khóa – Điều khiển học lặp, máy phát đồng bộ, điều khiển tối ƣu tuyến tính bậc hai, điều chỉnh điện áp tự động, điều khiển PID DU APPLICATION OF LEARNING CONTROL FOR SYNCHRONOUS GENERATOR ARV SYSTEM Abstract - This thesis presents an overview of the excitation system, establishes mathematical equations and designs the control of the AVR Automatic voltage regulator system of electric generators (Electric genetator) It uses iterative learning control (ILC) as the controller to regulate the voltage error as low as possible Three algorithms of ILC are discussed: P-type (proportional-type learning) PD-(proportional -derivative) and P-quadratic LQ design They will be simulated in Matlab The simulation results will be analized in changing controller parameters in order to improve system performance Keywords - Iterative learning control, synchronous generator, linear quadratic optimal control, automatic voltage regulation, PID control, MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU I Đặt vấn đề II Mục tiêu đề tài: III Các nội dung nghiên cứu: C C IV Phƣơng pháp nghiên cứu R L T CHƢƠNG 1- TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN 1.1 Tổng quan hệ thống kích từ .3 DU 1.2 Các loại hệ thống kích từ 1.2.1 Hệ thống kích từ chiều: 1.2.2 Hệ thống kích từ xoay chiều: 1.2.3 Hệ thống kích từ tĩnh 1.3 Chức điều khiển bảo vệ [3,8] 12 1.3.1 Bộ điều chỉnh AC DC .12 1.3.2 Mạch ổn định HTKT 13 1.3.3 Bộ bù phụ tải (bộ tạo đặc tuyến) 14 1.4 Các hạn chế bảo vệ [3,8] 14 1.4.1 Giới hạn khả phát công suất phản kháng 14 1.4.2 Bộ giới hạn thiếu kích từ .15 1.4.3 Bộ giới hạn kích từ 16 1.4.4 Mạch diệt từ: 17 1.4.5 Các hạn chế bảo vệ: .18 1.5 Kết luận 18 CHƢƠNG 19 MÔ HÌNH HỐ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG KÍCH TỪ 19 2.1 Mơ hình hóa máy phát điện đồng [5,8] 19 2.1.1 Giới thiệu chung máy phát điện .19 2.1.2 Các phƣơng trình điện áp viết hệ tọa độ abc 20 2.1.3 Các phƣơng trình điện áp viết hệ tọa độ dq 23 2.1.4 Mơ hình d-q hệ tƣơng đối (P.U) 28 2.1.5 Trạng thái xác lập mô hình d-q 29 2.1.6 Mơ hình mạch thay tƣơng đƣơng máy phát đồng 30 2.1.7 Các thông số vận hành máy phát điện đồng .31 2.2 Mơ hình hóa dịng kích từ [5,9,13] 33 2.3 Mơ hình hóa đo lƣờng [5,9,13] .34 2.4 Kết luận: .35 Chƣơng THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 36 C C 3.1 Phân tích tính ổn đinh hệ thống rời rạc [1, 15] 36 R L T 3.1.1 Tính ổn định 36 3.1.2 Tính điều khiển đƣợc quan sát đƣợc 36 DU 3.1.3 Phân tích chất lƣợng hệ thống trình độ 37 3.2 Bộ điều khiển PID [1,15] 38 3.2.1 Nguyên lý làm việc 38 3.2.2 Các phƣơng pháp xác định tham số PID 41 3.3 Thuật toán điều khiển học lặp .42 3.3.1 Mô tả vấn đề[10,13] 42 3.3.2 Kiểm soát học lặp LTI [10,11,12] 46 3.4 Thiết kế [10,13] 48 3.4.1 Thiết kế kiểu P-PD 48 3.4.2 Thiết kế tối ƣu LQ 50 3.5 Kết luận 51 Chƣơng KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 52 4.1 Đối tƣợng điều khiển 52 4.2 Phân tích hệ khơng liên tục [1,15] .53 4.2.1 Tính ổn định 53 4.2.2 Tính điều khiển đƣợc quan sát đƣợc 54 4.2.3 Phân tích chất lƣợng hệ thống trình độ 54 4.3 Tính chọn điều khiển 56 4.3.1 Bộ điều khiển PID 56 4.3.2 Thuật toán học lặp ILC 57 4.4 Kết mô 58 4.4.1 Mơ thuật tốn học lặp với ILC 58 4.3.2 Áp dụng thuật toán học lặp cho đối tƣợng 64 4.4 Phân tích đánh giá 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤC LỤC C C DU R L T DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HTKT HTD AVR Automatic voltage Regulator Hệ thống kích từ Hệ thống điện Tự động điều chỉnh điện áp AC DC ZOH Alternating Current Direct Current Zero order hold Xoay chiều Một chiều Lƣu giữ bậc không BGH Bộ giới hạn Sđđ Suất điện động SG PID Synchronizing generator Proportional- Integral- Derivative Máy phát đồng Tỷ lệ-tích phân-vi phân P PD LTI SISO ILC Proportional Proportional- Derivative Linear, Time-Invariant Single Input Single Output Interative learning control Tỷ lệ Tỷ lệ-vi phân tuyến tính bất biến Đầu vào-đầu đơn Điều khiển học lặp C C BIBO LQ Bounded Input Bounded Output linear quadratic Đầu vào-đầu bị chặn Tuyến tính bậc DU R L T DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Đƣờng cong qua điểm sau: 16 Bảng 2: Giới hạn V/Hz đặc trƣng cho máy phát 18 Bảng 1:Bảng ma trận điện cảm máy phát 23 Bảng 2: Bảng thông số máy phát đồng 33 Bảng 1: Đặc tính thành phần P,I,D 39 Bảng 4.1: So sánh tiêu đánh giá phƣơng pháp điều khiển 65 Bảng So sánh đáp ứng điều khiển đối tƣợng 69 C C DU R L T DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Đƣờng cong điện áp V đƣờng cong kết hợp cho máy phát điện áp phần ứng định mức Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống kích từ máy phát Hình 1.3: Hệ thống kích từ chiều với hệ thống khuếch đại quay Hình 1.4: Hệ thống kích từ chỉnh lƣu máy phát xoay chiều Hình 1.5: Hệ thống kích từ chỉnh lƣu có điều khiển đƣợc cung cấp máy phát xoay chiều Hình 1.6: Hệ thống kích từ khơng chổi than Hình 1.7: Hệ thống kích từ chỉnh lƣu có điều khiển nguồn áp 10 Hình 1.8: Hệ thống kích từ chỉnh lƣu nguồn kết hợp 10 Hình 1.9: Hệ thống kích từ tổng hợp có điều khiển 12 Hình 1.10: Mạch bảo vệ điều khiển hệ thống kích từ 12 Hình 1.11: Bộ ổn định hệ thống kích từ có bù hồi tiếp 13 Hình 1.12: Đặc tính điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát [3,8] 14 Hình 1.13: Sự phối hợp phần tử thiếu, kích từ giới hạn ổn định 15 Hình 1.14: Sự kết hợp giới hạn kích từ với khả chịu nhiệt 16 C C R L T DU Hình 1.15:Mạch diệt từ dùng dập từ trƣờng 17 Hình 1.16:Mạch diệt từ dùn g điện trở biến đổi 17 Hình 2.1: Sơ đồ bố trí cuộn dây stator rotor máy điện đồng 20 Hình 2.2: Mơ hình d-q máy phát đồng 24 Hình 2.3: Điện cảm mơ hình d-q 26 Hình 2.4: Đồ thị vector máy phát đồng 29 Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng máy phát điện đồng 31 Hình 2.6: Mơ hình chỉnh lƣu thyristor 33 Hình 2.7: Mơ hình đo lƣờng 34 Hình 3.1: Sơ đồ cấu lấy mẫu đặt trƣớc khâu so sánh 37 Hình 3.2: Sơ đồ miền Z 37 Hình 3.3: Sơ đồ điều khiển PID 39 Hình 3.4: Minh họa ảnh hƣởng khâu P, I, D 40 Hình 3.5: Hình hệ thống ILC bậc 43 Hình Hàm truyền hệ thống 52 Hình 2: Điểm gán cực vịng trịn đơn vị 53 Hình 3: Kiểm tra đáp ứng đối tƣợng 56 Hình 4 Điều khiển hồi tiếp với điều khiển PID 56 Gd=c2d(G,Ts,'zoh'); %roi rac [Ad,Bd,Cd,Dd]=c2dm(A,B,C,D,Ts,'zoh');%trang thai rr % nhieu doi luong DisturbanceType=2; if DisturbanceType == d = 0.5*(tsim / Tfinal