Ứng dụgn logic mờ trong ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG VÕ THANH SANG ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số : 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. PHAN VĂN HIỀN Phản biện 1: TS. Nguyễn Đức Thành Phản biện 2: TS. Võ Như Tiến Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 7 tháng 5 năm 2011 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm H ọc liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn ñề tài Đất nước ta ñang trong thời kỳ hội nhập, việc học tập và ứng dụng các công nghệ, kỹ thuật hiện ñại là một yêu cầu cấp bách thiết nhằm nâng cao chất lượng, tăng năng suất và hiệu quả. Đó là một trong những con ñường ñể thu hẹp khoảng cách giữa các quốc gia, các vùng lãnh thổ. Năng lượng là một vấn ñề cực kỳ quan trọng trong xã hội ta. Ở bất kỳ quốc gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng ñiện nói riêng luôn luôn ñược coi là nghành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trển của nền kinh tế. Việc sản xuất và sử dụng ñiện năng một cách hiệu quả luôn ñược coi trọng một cách ñặc biệt. Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của nghành công nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao ñời sống của mỗi người dân. Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng ñược nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy ñiện mới. Tốc ñộ phát triển của nền sản xuất công nông nghiệp của một nước ñòi hỏi sự phát triển tương ứng của nghành công nghiệp ñiện lực. Máy phát ñiện ñồng bộ ñóng một vai trò quan trọng trong hệ thống ñiện, nơi mà tính ổn ñịnh luôn ñược ñòi hỏi cao. Ổn ñịnh ñược ñiện áp ñầu cực máy phát là nhờ vào các bộ ổn ñịnh ñiện áp máy phát. Các mạch ñiều khiển lô-gic, các bộ ñiều khiển kinh ñiển PID, các hệ thống ñiều khiển tích hợp và ñiều khiển hiện ñại (ñiều khiển mờ, ñiều khiển nơ-ron, ñiều khiển thích nghi, …) ñã và ñang ñược ứng dụng rộng rãi và mang lại nhiều kết quả thiết thực. Bộ ñiều khiển mờ ra ñời trên cơ sở ứng dụng lô-gic mờ là một trong những bộ ñiều khiển hi ện ñại, ñang phát triển vượt bậc và ñược ứng dụng rộng rãi, hiện ñang ñóng vai quan trọng trong các hệ thống ñiều khiển vì ñảm bảo tính khả 4 thi cao,thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật như tính bền vững và ổn ñịnh cao, dễ dàng thiết kế, dễ thay ñổi, . Với hy vọng việc ứng dụng bộ ñiều khiển mờ có ưu ñiểm là cấu trúc không quá phức tạp, có khả năng ứng dụng thực tế, ñề tài: “ Ứng dụng logic mờ trong ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ” ñược thực hiện nhằm nâng cao chất lượng ñiện năng trong hệ thống ñiện 2. Mục ñích nghiên cứu Bộ ñiều khiển mờ là một trong những bộ ñiều khiển thông minh, ñược xem là “công nghệ tính toán mềm”, ñang ñược ứng dụng nhiều trong ñiều khiển. Mục ñích nghiên cứu ñề tài là ứng dụng lô gíc mờ trong ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ nhằm nâng cao chất lượng hệ thống ñiện. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hệ thống kích từ, máy phát ñiện ñồng bộ của một nhà máy thủy ñiện Phạm vi nghiên cứu của ñề tài là thiết kế bộ ñiều khiển mờ ñể ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ. Đề tài cũng cố gắng sử dụng bộ thông số thực của một nhà máy thủy ñiện ñiển hình trong nước ñể tính toán, mô phỏng và ñánh giá kết quả nghiên cứu. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ñề tài Với kết quả nghiên cứu ñược, ñề tài này mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn về vấn ñề ứng dụng lý thuyết ñiều khiển mờ trong bộ ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ, nhằm nâng cao ñộ ổn ñịnh, chất lượng ñiện năng trong hệ thống ñiện. 5 6. Cấu trúc luận văn Luận văn ñược trình bày theo cấu trúc sau: Mở ñầu Chương 1 : Tổng quan máy phát ñiện ñồng bộ và hệ thống kích từ Chương 2: Mô hình hoá máy phát ñiện ñồng bộ và hệ thống kích từ Chương 3: Ứng dụng logic mờ trong ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ Chương 4 : Mô phỏng và nhận xét kết quả Kết luận và kiến nghị. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 1.1. Giới thiệu tổng quan 1.2. Máy phát ñiện ñồng bộ ba pha 1.2.1. Kết cấu và nguyên lý cơ bản 1.2.1.1. Phần tĩnh 1.2.1.2. Phần Quay 1.2.2. Đặc ñiểm và phân loại 1.2.2.1. Máy phát nhiệt ñiện 1.2.2.2. Máy phát thủy ñiện 1.3. Hệ thống kích từ 1.3.1. Hệ kích từ một chiều 1.3.2. Hệ tự kích từ xoay chiều 1.3.2.1. Hệ chỉnh lưu tĩnh 1.3.2.2. Hệ chỉnh lưu quay 1.3.3. H ệ tự kích từ 1.3.3.1. Hệ tự kích từ chỉnh lưu nguồn áp 1.3.3.2. Hệ tự kích từ chỉnh lưu nguồn hỗn hợp 6 1.3.3.3 Hệ tự kích từ chỉnh lưu hỗn hợp có ñiều khiển 1.3.4. Tác ñộng của hệ thống kích từ ñối với sự ổn ñịnh 1.4. Kết luận chương 1 Chương 2 : MÔ HÌNH HOÁ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 2.1. Mô hình hoá máy phát ñiện ñồng bộ 2.1.1. Mô tả toán học của máy phát ñồng bộ Các phương trình mô tả ñặc tính pha của máy phát sẽ ñược chuyển sang các hệ tọa ñộ ñảm bảo có lợi về phương diện mô tả vật lý, từ ñó dẫn ñến các lợi thế cho việc thiết kế hệ thống ñiều chỉnh. Có hai loại hệ trục tọa ñộ ñược sử dụng là hệ tọa ñộ αβ gắn cố ñịnh với stator và hệ tọa ñộ dq còn gọi là hệ tọa ñộ tựa hướng từ thông rotor. Trong ñề tài, sẽ chỉ tập trung phân tích và xây dựng mô hình máy phát dựa trên hệ tọa ñộ dq. Ở ñây trục d ñược gắn với rotor và sớm pha hơn so với trục tham chiếu (pha a) một góc θ, dòng ñiện trong các pha stator là i a , i b , i c . Nếu biểu diễn các dòng ñiện này trong hệ tọa ñộ dq ta sẽ có quan hệ sau.       ++−+=       ++−+−= ) 3 2 cos() 3 2 cos(cos ) 3 2 sin() 3 2 sin(sin π θ π θθ π θ π θθ cbadd cbaqq iiiki iiiki (2.1) Với k d = k q = 2/3. Ở ñiều kiện cân bằng dạng sin các dòng ñiện stator ñược biểu diễn như sau. Thay vào (2.1) ta viết ñược i d và i q 7 ) 3 2 sin( ) 3 2 sin( sin π ω π ω ω += −= = tIi tIi tIi smc smb sma (2.2) )sin( 2 3 ) 3 2 cos() 3 2 sin() 3 2 cos() 3 2 sin(cossin θω π θ π ω π θ π ωθω −=       +++−−+= tIk tItItIki smd smsmsmdd Tương tự cho i q và i 0 )cos( 2 3 θω −−= tIki smqq (2.3) )( 3 1 0 cba iiii ++= (2.4) Ở ñiều kiện cân bằng cba iii ++ =0 do ñó i 0 = 0 Sự chuyển ñổi các ñại lượng pha abc sang các ñại lượng dq0 có thể ñược viết dưới dạng ma trận sau:                         +−−−− +−=           c b a q d i i i i i i ) 3 2 sin() 3 2 sin(sin ) 3 2 cos() 3 2 cos(cos 2 1 2 1 2 1 3 2 0 π θ π θθ π θ π θθ (2.5) Và chuyển ñổi ngược lại                         +−+ −−− − =           0 1) 3 2 sin() 3 2 cos( 1) 3 2 sin() 3 2 cos( 1sincos i i i i i i q d c b a π θ π θ π θ π θ θθ (2.6) 8 2.1.2. Mô tả máy phát trong hệ ñơn vị tương ñối 2.1.3. Phân tích mô hình máy phát ở trạng thái ổn ñịnh 2.1.4. Phương trình chuyển ñộng quay Các phương trình chính của máy quay trong việc phân tích ổn ñịnh hệ thống hầu hết là các phương trình quán tính quay. Các phương trình này mô tả ảnh hưởng do sự không cân bằng giữa mô men ñiện và mô men cơ của từng tổ máy. Phương trình góc quay thể hiện mối quan hệ giữa mô men quay của trục rotor và mô men gia tốc của nó, trong ñó mô men gia tốc quay ñược xác ñịnh chính bằng sai lệch giữa mô men trục cơ và mô men ñiện. Tốc ñộ quay của trục cơ sẽ ổn ñịnh ở giá trị hằng khi có sự cân bằng giữa mô men trục cơ và mô men ñiện, tức là mô men gia tốc bằng 0. Khi có sự mất cân bằng giữa các thành phần mô men tác ñộng lên trục rotor máy phát thì sẽ tạo ra một mô men gia tốc là: T a = T m - T e (2.71) Trong ñó: T a : Mô men gia tốc T m : Mô men cơ T e : Mô men ñiện Trong phương trình trên T m và T e là dương. Khi ñó phương trình chuyển ñộng quay sẽ là: (2.72) Trong ñó: J: Mô men quán tính tổng hợp của máy phát và tuabin [kg.m 2 ] m ω : Vận tốc góc của rotor [rad/s] t: Th ời gian [s] Phương trình trên có thể chuẩn hóa bằng quan hệ trong hệ ñơn vị tương ñối của hằng số quán tính H, ñược ñịnh nghĩa là ñộng năng của ema m TTT dt d J −== ω 9 máy quay ở tốc ñộ ñịnh mức trên giá trị ñịnh mức VA cb của máy ñiện. Gọi m0 ω là vận tốc góc ñịnh mức, khi ñó hằng số quán tính ñược viết như sau: cb m VA J H 2 0 2 1 ω = (2.73) Từ (2.73) ta viết lại biểu thức của mô men quán tính J là cb m VA H J 2 0 2 ω = Thay (2.74) vào phương trình (2.72) ta ñược em m cb m TT dt d VA H −= ω ω 2 0 2 (2.75) Hay mcb em m m VA TT dt d H 00 / 2 ωω ω − =         (2.76) Lưu ý rằng T cb = VA cb /ω 0m . Khi ñó phương trình chuyển ñộng quay trong hệ ñơn vị tương ñối là: em r TT dt d H −= ω 2 (2.77) Trong phương trình trên: 000 / / ω ω ω ω ω ω ω r f fr m m r p p === (2.78) Ở ñây ω r là góc quay ñiện của rotor [rad/s], ω 0 là giá trị ñịnh mức và p f là số ñôi cực của máy phát. 10 Nếu δ là vị trí góc ñiện của rotor và 0 δ là giá trị của nó tại thời ñiểm t=0 thì. 00 δωωδ +−= tt r (2.79) Lấy ñạo hàm theo thời gian ta ñược rr dt d ωωω δ ∆=−= 0 (2.80) Và dt d dt d dt d rr )( 2 2 ωωδ ∆ == (2.81) dt d dt d rr )( 00 ω ω ω ω ∆ == 2 0 2 dt d dt d r ω δω =⇒ (2.82) Thay (2.82) vào (2.77) ta ñược em TT dt dH −= 2 2 0 2 δ ω (2.83) Nếu kể ñến thành phần mô men cản ñiện từ tỷ lệ với tốc ñộ quay thì cần phải thêm vào phương trình (2.83) một thành phần tỷ lệ với ñộ lệch tốc ñộ. Do ñó phương trình ñược viết lại như sau: rDem KTT dt dH ω δ ω ∆−−= 2 2 0 2 (2.84) Trong ñó: K D là hệ số cản hoặc hệ số mô men/ñộ lệch tốc ñộ trong hệ ñơn v ị tương ñối Từ phương trình (2.80) suy ra. . transducer 15 Chương 3: ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁPMÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3.1. Giới thiệu chung 3.1.1. Định nghĩa tập mờ 3.1.2. Một vài dạng. 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG VÕ THANH SANG ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Chuyên ngành : TỰ