Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID​

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ÔN NHẬT MAI SƠN CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA TS ĐỖ TRUNG HẢI TS ĐẶNG DANH HOẰNG PHÒNG ĐÀO TẠO TS ĐẶNG DANH HOẰNG THÁI NGUYÊN 2017 MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Nghiên cứu sử dụng nguồn lượng tái tạo (năng lượng gió) việc cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió nhằm khai thác nguồn lượng gió đưa vào phục vụ sản xuất đời sống góp phần giảm tiêu hao lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Bên cạnh việc sử dụng lượng gió nguồn lượng chỗ để thay cho dạng lượng truyền thống đáp ứng nhu cầu lượng cho sản xuất sinh hoạt kế sách có ý nghĩa quan trọng mặt kinh tế, an ninh lượng phát triển văn hố giáo dục… Vì mục tiêu đề tài nghiên cứu cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió nhằm khai thác hiệu nguồn lượng tái tạo Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng mơ tả tốn học hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị nguồn kép - Thiết kế điều khiển PID - Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Mô đánh giá chất lượng điều khiển điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID so với điều khiển PID Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị nguồn kép Chương 2: Điều khiển hệ thống điều khiển PID Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết luận kiến nghị Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP 1.1 Khái quát hệ thống lượng gió đối tượng nghiên cứu Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp turbine gió việc cung cấp điện quốc gia giới, hình thành “Wind farm” gồm nhiều turbine gió nối mạng với Các “Wind farm” xây dựng đất liền hình 1.1, xây dựng vùng biển “Offshore” hình 1.2 Tổng cơng suất mà “Wind farm” tạo lên đến hàng chục MW Nhằm đáp ứng cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện khơng đồng pha nguồn kép (MĐKĐBNK), luận văn tập trung vào nội dung thiết kế cấu trúc điều khiển mờ MĐKĐBNK Hiện nhiều nước giới sử dụng hệ thống máy phát (MP) điện sức gió với kiểu turbine: Turbine trục đứng trục ngang, loại có ưu nhược điểm định chẳng hạn kiểu turbine trục đứng có mơmen xoắn lớn nên khơng phù hợp đặt cao, đặt vị trí thấp có tốc độ gió nhỏ dẫn đến thường có cơng suất vừa nhỏ Với turbine kiểu trục ngang khắc phục nhược điểm turbine trục đứng nhược điểm chi phí xây dựng lắp đặt cao Chính tuỳ vào điều kiện thực tế mà người ta lựa chọn kiểu turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp Hình 1.1: Một Wind farm đất liền gồm nhiều máy phát nối mạng với Hình 1.2: Một Wind farm biển gồm nhiều máy phát nối mạng với Cho đến thời điểm có nhiều cơng trình khoa học nghiên cứu hệ thống máy phát điện sức gió với cấu trúc đa dạng, khái quát phát triển loại máy phát điện sức gió hình 1.3 Hệ thống Phát điện sức gió Máy phát chiều Hình 1.3: Các cấu trúc hệ thống phát điện sức gió thực tiễn Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng pha kích thích vĩnh cửu khơng đồng pha rotor lồng sóc hình 1.4 ≈ Hộp số = MF ≈ = Hình 1.4: Máy phát đồng pha kích thích vĩnh cửu khơng đồng pha rotor lồng sóc Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát khơng đồng pha nguồn kép hình 1.5 Hộp số ≈ = = ≈ Hình 1.5: Máy phát không đồng pha nguồn kép Hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện khơng đồng pha nguồn kép (MĐKĐBNK) nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu có đặc điểm sau: - Từ hình 1.5 cho thấy thiết bị điều khiển đặt phía rotor nên cần thiết kế 1/3 cơng suất tồn máy điện hạ giá thành 1/3 so với loại máy điện khác [19] - Có ý nghĩa mặt khoa học khó điều khiển Ngồi MĐKĐBNK hoạt động với dải tốc độ phạm vi rộng cỡ  30% tốc độ đồng bộ, cho phép tận dụng tốt nguồn lượng gió vốn hay thay đổi phạm vi rộng Tuy nhiên cần lưu ý hệ thống làm việc không để MĐKĐBNK chạy tốc độ đồng cách điều khiển cánh turbine làm lệch tốc độ đồng (vì làm việc chế độ đồng đại lượng dòng, áp rotor lúc trở thành đại lượng chiều gây nguy hiểm phá hỏng thiết bị) Các chế độ vận hành MĐKĐBNK mơ tả sơ đồ hình 1.6 [8, 19] Với ý nghĩa mặt khoa học kinh tế, kỹ thuật trên, có nhiều nghiên cứu đưa phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK với phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến, thể sơ đồ hình 1.7 Trên đồng Chế độ máy phát 0>s>- Dưới đồng Chế độ máy phát 1>s>0 1 a) Lưới điện Dưới đồng Chế độ động 1>s>0 m Lưới điện S Rotor Rotor Stator Stator b) a) b) b) c) Phạm vi hoạt động Dòng lượng MP chế độ đồng Dòng lượng MP chế độ đồng Hình 1.6: Phạm vi hoạt động MĐKĐBNK dòng chảy lượng chế độ máy phát Các phương pháp điều khiển MĐKĐBNK Phương pháp điều khiển tuyến tính Phương pháp điều khiển phi tuyến Cuốn chiếu (Backstepping based) Hình 1.7: Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK Từ hình 1.7, cho thấy phương pháp điều khiển mờ, mục tiêu áp dụng để điều khiển MĐKĐBNK hệ thống máy phát điện sức gió Vì việc lựa chọn phương pháp điều khiển cho thấy phương pháp áp dụng cho đối tượng nghiên cứu MĐKĐBNK nhằm tăng khả áp dụng vào thực tiễn 1.2 Các thành phần điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK Cấu trúc điều khiển đầy đủ hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK, gồm có thành phần sau đây: - Điều khiển turbine - Điều khiển phía lưới phía máy phát Điều khiển cắt máy phát khỏi lưới sử dụng crowbar (hình 1.8) stator switch (hình 1.9) nhằm bảo vệ máy phát có cố lưới Tem Tt lọc Crowbar * (Điều khiển turbine) VW Hình 1.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar Tem Tt Pf, Qf lọc * Hình 1.9: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch 1.2.1 Điều khiển turbine Công suất turbine gió Cơng suất turbine gió tính theo cơng thức [16, 17, 18]: P  tb Trong đó: tb mật độ khơng khí (kg/m ), Rcg bán kính cánh gió (m), vgm tốc độ gió khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (m/s), Ctb hệ số phụ thuộc vào cấu trúc khí động học turbine gió xác định theo (1.2): Ctb  f (  p , tb ) với p góc xoay cánh gió so với mặt cắt ngang qua trung tâm cánh gió gọi góc pitch, tb hệ số phụ thuộc vào tốc độ góc quay turbine tb tốc độ gió vgm: tb Cũng lưu ý, theo tài liệu nghiên cứu [14, 18] giá trị cực đại Ctb 0,593 cịn gọi giới hạn Betz Các cơng thức (1.1), (1.2), (1.3) cho thấy công suất turbine gió phụ thuộc vào cấu trúc khí động học turbine gió, góc pitch, tốc độ gió tốc độ góc quay turbine Chính với góc pitch cố định tốc độ gió cho trước cơng suất turbine gió cịn phụ thuộc vào tốc độ quay Phương pháp điều khiển Nhiệm vụ điều khiển turbine điều khiển tốc độ turbine để trì cơng suất biến đổi từ lượng gió thành cơng suất trục turbine cực đại cần phải đảm bảo giá trị hệ số Ctb tối ưu ứng với tốc độ gió nhỏ tốc độ gió lớn cho phép Ứng với tốc độ gió mà cơng suất máy phát đạt đỉnh cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn cơng suất turbine Ở tốc độ gió nhỏ tốc độ nhỏ cho phép lớn tốc độ lớn cho phép 62 3.2.2 Nhận xét - Phương pháp thiết kế đơn giản dễ dàng thay đổi luật mờ - Dùng để nâng cao chất lượng điều khiển PID kinh điển 3.3 Đánh giá chất lượng mô Matlab/Simulink 3.3.1 Sơ đồ mô Sơ đồ mô hệ thống sử dụng điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Udc Tr 950 n_ref [n] n mL Signal Signal Builder Hình 3.20: Sơ đồ mơ tồn hệ thống với điều khiển mờ chỉnh định tham số x IF Hình 3.21: Khối điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Trong điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID có cấu trúc mơ phỏng: 63 Hình 3.22: Sơ đồ mơ cấu trúc điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 3.3.2 Kết mô so sánh điều khiển mờ chỉnh định tham số PID với điều khiển PID a) Khi máy phát làm việc tốc độ định mức (950v/ph) - Kiểm tra việc thực hoà đồng máy phát lên lưới Dap ung dong rotor qua trinh thuc hien hoa dong bo irdq (A) irdq (A) Dap ung dong rotor qua trinh thuc hien hoa dong bo 64 Sai lech giua dien ap stator may phat va luoi Sai lech Sai lech Sai lech giua diwn ap stator may phat luoi Hình 3.25a: Sai lệch điện áp pha stator máy phát lưới với điều khiển PID Hình 3.25b: Sai lệch điện áp pha stator máy phát lưới với điều khiển mờ chỉnh định PID Nhận xét: Kết mô cho thấy điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID cải thiện chất lượng điều khiển so với điều khiển PID đáp ứng dòng rotor tốt (hình 3.23ab), thời gian để điện áp pha lưới máy phát trùng ngắn (Hình 3.24ab) sai lệch lớn 1% (hình 3.25a), với điều khiển PID 1,1% (hình 3.25b) Kiểm tra chất lượng hệ thống điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió (sau hoà đồng bộ) Dap ung momen cua may phat Dap ung mo men cua may phat -1 momen (Nm) -2 -3 -4 -5 -6 0.2 0.4 máy phát với điều khiển PID Dap ung cpng suat phan khang cua may phat Q (Var) Dap ung cong suat phan khang 1400 1200 Q 800 (Var) 1000 600 400 200 Hình 3.27a: Đáp ứng cơng suất Q máy phát với điều khiển PID 65 Dap ung dong rotor may phat irdq (A) irdq (A) Dap ung dong dien rotor cua may phat Hình 3.28b: Đáp ứng dòng rotor máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID Hình 3.28a: Đáp ứng dịng rotor máy phát với điều khiển PID b) Khi máy phát làm việc (sau hòa vào lưới điện) tốc độ đồng (1050v/ph) Dong dien rotor cua may phat irq irdq (A) (A) Dap ung dong rotor may phat Hình 3.29b: Đáp ứng dịng rotor máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID Hình 3.29a: Đáp ứng dịng rotor máy phát với điều khiển PID Dap ung mo men cua may phat m* m -5 -2 -3 -4 m (Nm) m (Nm) -1 Dap ung mo men cua may phat m* m -1 -2 -3 -4 -5 66 Dap ung cong suat phan khang cua may phat Dap ung cong suat phan khang cua may phat 1600 Q Q* 1400 1200 1000 800 (Var) 600 Q 400 200 00 c) Khi máy phát làm việc (sau hòa vào lưới điện) tốc độ đồng (850v/ph) Dap ung dong rotor cua may phat (A) irdq -1 -2 -3 0.4 Hình 3.32b: Đáp ứng dịng rotor máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID Hình 3.32a: Đáp ứng dòng rotor máy phát với điều khiển PID Dap ung mo men cua may phat Dap ung momen cua may phat m (Nm) 1 m * m -1 -2 -3 -4 -5 -6 -6 -70 Hình 3.33a: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển PID -70 Hình 3.33b: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển mờ chỉnh định PID 1800 1600 1400 1200 (Var) 1000 Q 800 600 400 200 0 0.2 Nhận xét: Từ kết mơ dịng điện, mơ men (cơng suất tác dụng P) công suất phản kháng Q chế độ làm việc đồng bộ, đồng định mức từ hình 3.26ab đến hình 3.36ab cho thấy chất lượng điều khiển điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID cải thiện, điều khẳng định tính đắn thuật toán đặt 3.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: mờ Tổng quan vấn đề hệ logic mờ điều khiển Đưa phương pháp thiết kế điều khiển chỉnh định tham số điều khiển PID để thiết kế điều khiển cho đối tượng - Mô hệ thống Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID so với điều khiển PID 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng ba pha nguồn kép Nhiệm vụ cụ thể Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện dị nguồn kép điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương 1: Xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị nguồn kép Chương 2: Điều khiển hệ thống điều khiển PID Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết luận văn đạt là: Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID, tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mô Matlab-Simulink-Plecs Qua đánh giá cho thấy tính đắn thuật tốn áp dụng để điều khiển hệ thống Ngoài với phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID qua mô cho thấy chất lượng cải thiện so với điều khiển PID Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản xuất 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Lê Chi, Nguyễn Quang Tuấn, Nguyễn Phùng Quang (2005), "Cấu trúc tách kênh trực tiếp điều khiển hệ thống máy phát điện không đồng nguồn kép", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (6), tr 28 - 35 [2] Lại Khắc Lãi, Nguyễn Văn Huỳnh (2009), "Một phương pháp điều khiển tốc độ turbin gió trục đứng", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Thái Nguyên, (11) tr 45-49 [3] Nguyễn Dỗn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Doãn Phước  Phan Xuân Minh (2002), Lý thuyết điều khiển mờ in lần thứ có sửa chữa bổ sung , Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [5] Nguyễn Doãn Phước (2005), "Khảo sát mối liên quan khái niệm tên thuộc lý thuyết điều khiển tuyến tính phi tuyến", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (6), tr 56 - 60 [6] Nguyễn Doãn Phước, Nguyễn Tiến Hiếu (2005), "Tổng quan phương pháp điều khiển tựa theo thụ động số kết nghiên cứu mở rộng", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (12), tr 10 - 21 [7] Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội [8] Nguyễn Phùng Quang (1998), "Máy điện dị nguồn kép dùng làm máy phát hệ thống phát điện sức gió: Các thuật tốn điều chỉnh bảo đảm phân ly mô men hệ số công suất", Tuyển tập VICA 3, tr 413437 [9] Nguyễn Phùng Quang (1996) Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha NXB Giáo dục, Hà Nội [10] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002), Truyền động điện thông minh, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội Tiếng Anh [11] Allmeling J H., Hammer W P, Plecs - Piece - wise linear Electrical circuit simulation for simulink 70 [12] ANDREAS PETERSSON, “Analysis, Modeling and Control of DoublyFed Induction Generators for Wind Turbines”, THESIS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY, Division of Electric Power Engineering Department of Energy and Environment, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Găoteborg, Sweden 2005 [13] Bao Jie., and Lee Peter L 2008), Process Control The Passive Systems Approach [14] Bianchi F F., De Battista H., and Mantz R J (2006), Wind Turbine Control Systems: Principles, modelling and Gain Scheduling Design Springer, July 2006 [15] Boukhezzar H and Siguerdidjane H (2009), "Nonlinear control with wind estimation of a dfig variable speed wind turbine for power capture optimization", Energy Conversion and Management, 50, pp 885-892 [16] Koutroulis E., and Kalaitzakis K (2006), "Design of maximum power tracking system for wind-energy-conversion application" IEEE transactions on Industrial Electronics, 43, pp 486-494 [17] Ostolaza J X., Tapia A G., and Saenz J R (2005), "Modeling and control of a wind turbine driven double fed induction generator", IEEE Transactions on energy conversion, , June 2005, 18, pp 194–204 [18] 1999 Patel M R (1999), Wind and Solar Power Systems CRC Press, Nguyen Phung Quang, Dittrich A (2008), Vector Control of Three Phase AC Machines - System Development in the Practice, Springer Heidelberg Berlin [19] ... máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị nguồn kép Chương 2: Điều khiển hệ thống điều khiển PID Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết... học hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát điện dị nguồn kép - Thiết kế điều khiển PID - Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Mô đánh giá chất lượng điều khiển điều khiển. .. quát phát triển loại máy phát điện sức gió hình 1.3 Hệ thống Phát điện sức gió Máy phát chiều Hình 1.3: Các cấu trúc hệ thống phát điện sức gió thực tiễn Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử