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 MÃ 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 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 Tôi 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 không 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 𝑯∞ 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 𝑯∞ .23 2.4 Bài toán điều khiển 𝑯∞ 26 2.5 Thiết kế điều khiển 𝑯∞ cho hệ thống tuyến tính .27 2.5.1 Bổ đề thực bị chặn 27 2.5.2 Chất lượng 𝑯∞ .28 2.5.3 Điều khiển cận tối ưu 𝑯∞ 30 2.5.4 Tổng hợp điều khiển 𝑯∞ 31 2.5.5 Phương pháp độ nhạy hỗn hợp 𝑯∞ 32 Kết luận chương 34 CHƯƠNG THİẾT KẾ BỘ ĐİỀU KHİỂN BỀN VỮNG CHO MẠCH VÒNG DÒNG ĐİỆN CỦA MÁY PHÁT ĐİỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 34 3.1 Mơ hình tốn học máy phát điện khơng 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 𝝎𝒎 𝝎𝒔 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 𝐻∞ độ nhạy hỗn hợp 33 Hình 2.6: Điều khiển 𝐻∞ 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 𝐻∞ .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 𝐻∞ 48 Hình 4.2: cho thấy đáp ứng miền thời gian điều khiển dòng 𝐻∞ 50 Hình 4.3: cho thấy đáp ứng tần số hệ thống 𝜔𝑚 = 𝜔𝑠 = 110%𝜔𝑛 52 Hình 4.4: Đáp ứng miền thời gian điều khiển dịng 𝐻∞ 54 Hình 4.5: Đáp ứng tần số hệ thống .56 Hình 4.6: Đáp ứng miền thời gian điều khiển dòng 𝐻∞ 58 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ý nghĩa Ký hiệu BRL Bổ đề chặn biên (Bounded Real Lemma) LFT Biến đổi tách tuyến tính (Linear Fractional Transformation) LMI Bất đẳng thức ma trận tuyến tính (Linear Matrix Inequality) LPV Hệ có tham số biến đổi tuyến tính (Linear Parameter Varying) LTI Hệ tuyến tính bất biến (Linear Time-Invariant) DANH MỤC CÁC KÝ HİỆU Ký hiệu 𝑐𝑜𝑛𝑣 𝐼4 𝑍4 𝑥, 𝑦, 𝑁, 𝑘 𝐗, 𝐘 Ý nghĩa Tập lồi (convex) Ma trận đơn vị × Ma trận zero × in nghiêng, thường hoa, số vô hướng in đậm, chữ hoa, ma trận 𝐑 tập hợp số thực 𝐂 tập hợp số phức 𝐍 tập hợp số tự nhiên 𝐑𝑚 tập hợp vector thực có 𝑚 phần tử 𝐒𝑛 tập hợp ma trận vuông đối xứng bậc 𝑛 𝐑𝑚×𝑛 𝐒+𝑛 𝑛 𝐒++ ∈ tập hợp ma trận thực có 𝑚 hàng, 𝑛 cột tập hợp ma trận nửa xác định dương bậc 𝑛 tập hợp ma trận xác định dương bậc 𝑛 phần tử thuộc tập hợp ∃ tồn ≜ ký hiệu là/bởi Ví dụ 𝑎 ≜ 𝑓(𝑥) nghĩa “ký hiệu 𝑓(𝑥) 𝑎” exp(𝑥) 𝑒𝑥 ∀ 𝑥𝑖 phần tử thứ 𝑖 (tính từ 1) vector 𝕩 log(𝑥) 𝑎𝑖𝑗 logarit tự nhiên số thực dương 𝑥 phần tử hàng thứ 𝑖, cột thứ 𝑗 ma trận 𝔸 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, nguồn lượng sạch, lượng tái tạo lượng gió lựa chọn có nhiều ưu điểm ngày khai thác cách rộng rãi giới nói chung Việt Nam nói riêng Trong nhiều hệ thống máy phát điện sức gió máy điện khơng đồng nguồn kép (MPĐKĐBNK) sử dụng làm máy phát điện có ưu điểm phần điều khiển đặt phía rotor vốn có cơng suất khoảng 1/3 so với cơng suất phát Vì vậy, kích thước giá thành hệ thống điều khiển thường nhỏ so với hệ thống sử dụng loại máy phát điện khác Do mơ hình MPĐKĐBNK phi tuyến hệ có nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) nên việc điều khiển chúng phức tạp Trong số tài liệu, thành phần tương tác chéo mơ hình MPĐKĐBNK bao gồm tốc độ góc loại bỏ nhờ sử dụng bù chéo Để tuyến tính hóa mơ hình máy phát điện, tốc độ góc đo máy phát coi số chu kỳ lấy mẫu điều khiển tính tốn dựa thơng số có sẵn MPĐKĐBNK chu kỳ lấy mẫu Việc tuyến tính hóa cách coi tốc độ góc máy phát chu kỳ lấy mẫu thông số khác máy phát dẫn đến việc làm cho mơ hình máy phát trở lên nhạy cảm với thay đổi tham số hệ thống, đặc biệt thay đổi nhanh tương đối tốc độ góc so với tốc độ xử lý hệ thống có đáp ứng chậm Bên cạnh đó, nhiều cơng trình nghiên cứu, tác giả thường coi tần số góc điện áp lưới số khơng đổi Tuy nhiên, thực tế tần số góc điện áp lưới tham số thay đổi tùy theo chất lượng hệ thống cung cấp điện Vì vậy, coi tốc độ góc máy phát tần số góc lưới tham số biến đổi theo thời gian mơ hình máy phát trở thành hệ khơng dừng có bất định tham số Đề tài “Nghiên cứu thiết kế điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện hệ thống điều khiển máy điện phát sức gió” nhằm mục tiêu áp dụng thuật tốn điều khiển hệ thống đa biến tuyến tính, khơng sử dụng bù đảm bảo làm việc ổn định hệ thống tốc độ góc máy phát tần số góc điện áp lưới thay đổi Như vậy, hệ thống thiết kế đảm bảo chất lượng điều khiển ổn định toàn dải biến thiên tham số nói máy phát khơng nhạy với thay đổi nhiễu điện áp lưới đến toàn hệ thống ... 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 MÃ 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... Mục tiêu nghiên cứu đề tài * Tiếp tục nghiên cứu hồn thiện thuật tốn điều khiển cho hệ thống có tham số biến đổi * Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế điều khiển bền vững cho hệ thống có