Ứng dụng phương pháp mờ trượt để điều chỉnh công suất trong bộ biến đổi điện năng kép gió lưới điện

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN THỊ KIM THOA ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MỜ TRƯỢT ĐỂ ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TRONG BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN NĂNG KÉP GIÓ - LƯỚI ĐIỆN Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, Năm 2012 Cơng trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Phản biện 1: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Phản biện 2: PGS.TS NGUYỄN HỒNG ANH Luận văn ñược bảo vệ Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 09 tháng năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU Lý chọn ñề tài Hiện giới sử dụng chủ yếu nguồn lượng hóa thạch (khoảng 80%) như: than, dầu mỏ, sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên… nguồn lượng sản xuất cơng suất lớn lượng nguyên tử lại tiềm ẩn hiểm họa khơn lường, vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Nhật Bản năm 2011 Ở Vương Quốc Anh ước tính vào năm 2050 cắt giảm 60-80% khí thải nhà kính Trong nguồn thủy điện khai thác tối ña ñược coi rẻ lại gặp nhiều khó khăn ảnh hưởng lớn đến mơi trường, phụ thuộc nhiều vào lượng mưa năm, vị trí cao để xây đập lại ít, khơng đầu nguồn sơng lớn chảy nước ta ñã bị Trung Quốc ngăn ñập làm thủy ñiện, khiến ta thiếu nước trầm trọng Cộng với mức tiêu thụ lượng ngày tăng ta phải đối mặt với thời kỳ khó khăn việc ñáp ứng cung cầu lượng hóa thạch mà chủ yếu dầu mỏ dễ sử dụng, nguồn tài nguyên hữu hạn ñến ngày rơi vào tình trạng cạn kiệt Trong vài năm qua, lượng gió cho thấy tỷ lệ tăng trưởng nhanh, phát triển mạnh nhiều quốc gia Mỹ, Hà Lan, Đức …, nguồn lượng nhằm thay thiếu hụt lượng Nước ta nước có khí hậu nhiệt đới, vị trí địa lý đặc trưng, phía đơng bờ biển kéo dài 3000 km, phía tây dãy Trường Sơn đồi núi cao Với vị trí địa lý gây khơng khó khăn cho việc phát triển kinh tế, nhiên bên cạnh mang lại nhiều thuận lợi cho việc phát triển thủy ñiện, lượng mặt trời, lượng gió Nên việc xây dựng hệ thống lượng gió đáp án khả thi cho việc khủng hoảng lượng tương lai Do việc nghiên cứu lượng gió biện pháp cần thiết nhằm ngày hoàn thiện việc chuyển đổi lượng gió thành lượng điện Trong ñó, việc thiết kế ñiều khiển cho hệ thống gió theo phương pháp kinh điển phụ thuộc vào mơ hình tốn học hệ Tuy nhiên việc xây dựng mơ hình tốn học xác hệ thống khó khơng biết trước thay đổi cơng suất gió, thơng số hệ thống, …với thơng tin ñầu vào hệ thống ñiều khiển ñại lượng phi tuyến (khơng rõ ràng) Để đơn giản hóa cho việc điều khiển, hệ thống làm việc ổn định, tính bền vững cao, khn khổ đồ án tốt nghiệp tơi nghiên cứu: “Ứng dụng phương pháp mờ trượt để ñiều chỉnh công suất biến ñổi ñiện kép gió – lưới điện” Mục đích nghiên cứu Ứng dụng ñiều khiển mờ trượt ñể ñiều chỉnh ñược góc mở biến ñổi hệ thống hai nguồn để điều tiết cơng suất với nguồn chủ đạo lưới điện Đảm bảo tính ổn định thơng số đầu cung cấp cho tải ñiều khiển ñáp ứng nhanh tốc ñộ gió thay ñổi Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Giới thiệu tổng quan hệ thống phát ñiện gió, đặc tính gió - Các biến đổi lượng - Giới thiệu vài cấu trúc ñiều khiển phương trình chuyển đổi lượng hệ thống phát điện gió - Tìm hiểu thuật tốn điều khiển mờ, ñiều khiển trượt - Sử dụng phương pháp mờ trượt để điều chỉnh cơng suất biến đổi lượng kép gió – lưới điện 5 - Sử dụng phần mềm Matlab để mơ sơ đồ điều khiển hệ thống điều tiết cơng suất sử dụng nguồn lương kép gió – lưới điện Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu tài liệu lượng gió - So sánh với nguồn lượng khác - Tìm hiểu cấu trúc điều khiển turbine gió - Nghiên cứu biến đổi điện tử cơng suất - Xây dựng phương trình chuyển đổi lượng - Nghiên cứu phương pháp ñiều khiển mờ điều khiển trượt - Xây dựng mơ hình mơ Ý nghĩa khoa học thực tiễn ñề tài Việt Nam ñang ñầu tư xây dựng nhiều cơng trình thủy điện nhiệt điện, cơng trình thường kéo dài tiềm dần cạn kiệt Do việc nghiên cứu phát triển sử dụng lượng gió kết hợp với lưới điện cần thiết hợp lý, ñảm bảo sử dụng lượng kép gió – lưới điện thơng số đầu ổn định điều khiển ñáp ứng ñược thay ñổi tốc ñộ gió Cấu trúc luận văn Luận văn tổ chức sau: Mở ñầu: Lý chọn ñề tài, xác định mục đích nghiên cứu, nêu lên mục tiêu ñề tài Chương 1: Tổng quan lượng gió đặc tính Chương 2: Điều khiển mờ, ñiều khiển trượt Chương 3: Điều khiển mờ - trượt cho biến đổi kép Chương 4: Mơ thuật toán nhận xét Kết luận hướng phát triển ñề tài Tài liệu tham khảo phụ lục 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIĨ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA NĨ 1.1.1 Lịch sử phát triển lượng gió 1.1.2 Tình hình sử dụng lượng gió giới Việt Nam 1.1.2.1 Ở nước giới 1.1.2.2 Ở Việt Nam 1.1.3 Giá thành nguồn lượng gió 1.1.4 Năng lượng gió mơi trường 1.1.5 Năng lượng gió 1.1.6 Giới thiệu vài cấu trúc ñiều khiển hệ thống tua bin gió 1.1.6.1 Hệ số cơng suất Tua bin gió 1.1.6.2 Khái quát thành phần cấu tạo hệ máy phát dùng sức gió 1.2 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG SỨC GIĨ 1.2.1 Vấn đề điều khiển hệ thống biến đổi lượng gió Trong việc điều khiển hệ thống biến đổi lượng gió có nhiều vấn ñề ñược ñặt ra: Các vấn ñề liên quan ñến tua bin gió: - Các phương pháp ñiều khiển dịng lượng hệ thống biến đổi lượng gió - Sự biến thiên cơng suất máy phát tua bin gió nối với hệ thống điện 7 - Điều khiển Pitch, tua bin máy phát sức gió nhiều tốc ñộ - Thiết kế ñộng lực học cánh gió - Các phương pháp thiết kế cho Tua bin gió xa bờ - Khai thác hiệu vốn ñầu tư cho thiết kế Các vấn ñề liên quan đến điều khiển mơ hình hóa hệ thống gió: - Mơ hình hóa động lực máy phát điện sức gió - Điều khiển tối ưu cơng suất tác dụng phản kháng hệ máy phát sử dụng sức gió - Các phương pháp điều khiển máy phát ñiện sức gió - Hệ máy phát sức gió làm việc ñộc lập, kết hợp với hệ máy phát sử dụng nguồn khác 1.2.2 Các phương pháp ñiều khiển máy phát điện sức gió 1.2.2.1 Điều khiển cực đại hóa cơng suất 1.2.2.2 Điều khiển tốc độ 1.2.2.3 Điều khiển pitch 1.2.2.4 Điều khiển stall-control (ñiều khiển cố ñịnh) 1.2.2.5 Điều khiển active stall control 1.2.2.6 Một vài cấu trúc ñiều khiển Kết luận chương Chương ñã trình bày tính cấp thiết sử dụng nguồn lượng gió dần thay cho nguồn lượng khác mơ hình điều khiển hệ Phân tích cấu trúc điều khiển ta chọn mơ hình hệ thống tuabin gió với máy phát nguồn kép Tất kỹ thuật làm sở ñể tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật thuật tốn điều khiển chương 8 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 2.1 ĐIỀU KHIỂN MỜ Điều khiển mờ dựa sở lý thuyết mờ, ñang chiếm vị trí quan trọng điều khiển đại, đảm bảo tính khả thi hệ thống cao, ñồng thời lại thực tốt tiêu hệ tác ñộng nhanh cao, tính bền vững cao ổn định tốt, dễ dàng thiết kế thay ñổi Thế mạnh ñiều khiển mờ hệ thống ñiều khiển phi tuyến, hệ thống ñiều khiển mà thông tin ñầu vào ñầu khơng đủ khơng xác, hệ thống điều khiển khó xác định mơ hình khơng xác định mơ hình đối tượng Bộ điều khiển mờ ứng dụng cơng nghiệp như: điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thơng vận tải, điều khiển thiết bị dân dụng 2.1.1 Định nghĩa tập mờ 2.1.2 Mô hình mờ Hiện có hai quan điểm mơ hình mờ thường sử dụng Đó mơ hình mờ Mamdani mơ hình mờ Sugeno 2.1.2.1 Mơ hình mờ Mamdani 2.1.2.2 Mơ hình mờ Sugeno 2.1.3 Ngun tắc tổng hợp ñiều khiển mờ 2.1.4 Các bước thực xây dựng ñiều khiển mờ - Định nghĩa tất biến ngôn ngữ vào - Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho biến vào/ra - Xây dựng luật ñiều khiển, có nghĩa chọn hệ số ci (i=1,2,3, ,n) cho luật “NẾU … THÌ … “ ñiều khiển 9 2.2 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT Điều khiển trượt phương pháp ñiều khiển bền vững hiệu ñối với hệ thống phi tuyến bất ñịnh Tuy vậy, ñiều khiển trượt (SMC) tồn nhược ñiểm như: Xảy tượng rung (chattering) ảnh hưởng ñến thiết bị làm hư hỏng thiết bị Để giảm tượng rung SMC, người ta ñưa nhiều phương pháp sử dụng kết hợp điều khiển mờ-trượt, mờ-nơron-trượt, thích nghi trượt v v Kết luận chương Chương ñã nêu ñược vấn ñề sau: - Phương pháp ñiều khiển trượt Phương pháp áp dụng hiệu ñối với hệ thống phi tuyến bất định Đảm bảo tính ổn ñịnh nâng cao ñược chất lượng hệ thống Nhưng phương pháp tồn tượng rung ảnh hưởng ñến thiết bị làm hư hỏng thiết bị Để giải vấn ñề ta nghiên cứu tiếp phương pháp ñiều khiển mờ - Phương pháp điều khiển mờ: Đảm bảo tính khả thi hệ thống cao, ñồng thời lại thực tốt tiêu hệ tác ñộng nhanh cao, tính bền vững cao ổn định tốt, dễ dàng thiết kế thay ñổi 10 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI KÉP 3.1 MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG KÍCH TỪ KÉP (DFIG) Trong máy điện DFIG mạch điện stator DFIG kết nối với lưới, cịn mạch điện rotor kết nối với chuyển đổi thơng qua vịng trượt Hình 3.1 Mơ hình máy điện cảm ứng kích từ kép Mơ hình máy điện cảm ứng rotor dây quấn hệ tọa ñộ tham chiếu d-q vng góc Phương trình điện áp stator rotor v sd = R s i sd + v sq = R s i sq + d ψ sd − ω sψ sq dt d ψ sq dt + ω sψ sd d ψ rd − (ω s − ω )ψ rq dt d ψ rq = R r irq + − (ω s − ω )ψ rd dt v rd = R r i rd + v rq Từ thông stator rotor (3.1) 11 ψ sd = Ls isd + Lm * ird ψ sq = Ls isq + Lm * irq (3.2) ψ rd = Lr isd + Lm * isd ψ sd = Lr irq + Lm * isq Momen ñiện từ Te = pLm(ird isq − irq isd ) Te = (3.3) 3 p (ψ qre idre −ψ dre iqre ) = p (ψ dse iqse −ψ qse idse ) = p (ψ dre iqse − ψ qre idse ) 2 Và phương trình quan hệ momen dω Te − Tr = J dt Vector biểu thị trạng thái hệ thống [ X = isd isq ird irq (3.4) ] T Hệ phi tuyến có phương trình trạng thái sau • X = A X + B.U (3.5) Với: • d d X =  isd isq dt  dt U = Vsd Vsq Vrd [ d ird dt Vrq ] T d  irq dt  T (3.6) (3.8) Điều khiển máy điện cảm ứng kích từ kép cho phép ñiều khiển ñộc lập công suất tác dụng công suất phản kháng ñiện áp rotor ñược phát chuyển đổi Ở cơng suất tác dụng phản kháng điều khiển riêng lẽ Cơng suất tác dụng điều khiển dịng rotor theo hệ qui chiếu ngang, cơng suất phản kháng điều khiển dòng rotor theo hướng thẳng 12 Ps = −Vs Lm irq Ls (3.10) V Lm Qs = s i − Vs ird Ls ω s Ls Q trình tính tốn đưa iểu thức điện áp theo dịng rotor • 1 i rd = − i rd + g ω s irq + Vrd σ Tr σ Lr (3.11) • Lm 1 i rq = −( + ) i rq − g ω s i rd + Vrq Tr Ls Ts Lr σ σ L r Với: Tr = Lr ; Rr Ts = Ls ; Rs g= ωs − ω ; ωs σ = 1− Lm L s Lr (3.12) 3.2 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MỜ TRƯỢT ĐỂ ĐIỀU CHỈNH BỘ BIẾN ĐỔI Dòng rotor ( quan hệ với công suất tác dụng công suất phản kháng cơng thức 3.10) xem xét phù hợp, điều khiển mờ trượt dựa mơ hình sử dụng 3.2.1 Phương pháp mờ trượt điều chỉnh dịng rotor hệ qui chiếu q 3.2.1.1 Điều khiển trượt Sai lệch tương ứng mặt trượt dòng rotor ño ñược dòng rotor tham khảo hệ qui chiếu q sau e = i*rq - irq (3.13) Dùng mặt trượt S(irq) = e = i*rq - irq • • • (3.14) • S (irq ) = e = i *rq - i rq Thay công thức (3.11) vào (3.15) ta được: (3.15) 13 • • S (irq ) = i *rq - ( −( Lm 1 + ) irq − g ω s ird + Vrq ) σ Lr Tr Ls Ts Lr σ (3.16) Với: Vrq = Vrqeq + Vrqn (3.17) Trong thời gian trượt có: S (irq) = 0; • S (irq ) = 0; Vrqn = Thành phần liên tục • Lm Vrqeq = (i * rq + ( + ) irq + g ω s i rd )σ Lr Tr Ls Ts Lr σ (3.18) (3.19) Thành phần gián ñoạn hàm sign Vrqn = k 'Vrq sign(s(irq )) = kVrq sat ( s(irq )) (3.20) 3.2.1.2 Điều khiển mờ cho phần gián ñoạn Tổng hợp ñiều chỉnh mờ - PI Hình 3.4 Tổng hợp ñiều chỉnh mờ - PI hệ qui chiếu q Với mơ hình ta có u = Ks.S (3.24) 14 S = kVrq sat ( s (irq )) (3.25) Đầu mờ - PI y = k p u + ∫ k i u (3.26) Thay công thức (3.22) vào (3.23) y = k p ( K s kVrq sat ( s (irq )) + ∫ k i ( K s kVrq sat ( s (irq )) (3.27) Trong đó: Ks: hệ số dịng điện phẳng kp: hệ số tỉ lệ ki: hệ số tích phân kVrq: hệ số âm 3.2.2 Phương pháp mờ trượt ñiều chỉnh dòng rotor hệ qui chiếu d 3.2.2.1 Điều khiển trượt Sai lệch tương ứng mặt trượt dịng rotor đo dịng rotor tham khảo hệ qui chiếu q sau e = i*rd - ird (3.28) Dùng mặt trượt S(ird) = e = i*rd - ird • • • • S (ird ) = e = i *rd - i rd Thay công thức (3.11) vào (3.15) ta • • 1 S (ird ) = i *rd - (− ird + g ω s irq + + Vrd ) σ Tr σ Lr (3.29) (3.30) (3.31) Với Vrd = Vrdeq + Vrdn Trong thời gian trượt có: (3.32) 15 S (ird ) = 0; • S (ird ) = 0; Vrdn = (3.33) Thành phần liên tục • Vrdeq = (i *rd + ( i − g ω s irq )σ Lr σ Tr rd (3.34) Thành phần gián ñoạn Vrdn = kVrd sat ( s (ird )) (3.35) 3.2.2.2 Điều khiển mờ cho phần gián đoạn Tổng hợp điều chỉnh mờ - PI Hình 3.5 Tổng hợp ñiều chỉnh mờ - PI hệ qui chiếu d Với mơ hình ta có u = Ks.S (3.36) S = kVrd sat (σ (ird )) (3.37) Đầu mờ - PI y = k p u + ∫ k i u (3.38) Thay công thức (3.22) vào (3.23) y = k p ( K s kVrd sat (σ (ird )) + ∫ ki ( K s kVrd sat (σ (ird )) Trong đó: Ks: hệ số dịng điện phẳng (3.39) 16 kp: hệ số tỉ lệ ki: hệ số tích phân kVrq: hệ số âm 3.2.3 Đánh giá kết sai lệch tiêu chuẩn tích phân Đánh giá sai lệch tiêu chuẩn tích phân t J = ∫ e dt (3.40) Sai lệch tương ứng mặt trượt dịng rotor đo dịng rotor tham khảo e = i*rdq - irdq (3.41) Hình 3.6 Đánh giá kết sai lệch tiêu chuẩn tích phân Kết luận chương Chương ta tìm hiểu sở lý thuyết ñối tượng ñiều khiển ứng dụng ñược phương pháp ñiều khiển mờ trượt vào hệ thống, nhằm ổn ñinh nâng cao chất lượng ñiện áp hịa lưới Trên sở ta xây dựng chương trình mơ hệ thống lượng gió sử dụng phương pháp ñiều khiển mờ trượt ñiều chỉnh biến ñổi nối với rotor chương 17 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 4.1 THÔNG SỐ VÀ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 4.1.1 Mơ hình tồn hệ thống - Mơ hình simulink tổ máy phát điện turbine gió tốc độ thay đổi sử dụng máy điện cảm ứng nguồn đơi (DFIG) kết nối lưới điện Hình 4.2 Mơ hình tồn hệ thống với tốc độ gió cơng suất tải thay đổi Hình 4.3 Mơ hình máy phát chuyển ñổi Nguồn: power_wind_dfig_det demo Matlab 7.8 R2009a 18 Hình 4.4 Mơ hình điều khiển Nguồn: power_wind_dfig_det demo Matlab 7.8 R2009a 4.1.2 Thông số cài đặt Hình 4.5 Thơng số cài đặt 19 4.1.3 Mơ hình điều khiển phía rotor (RSC) Hình 4.6 Mơ hình điều khiển phía rotor sử dụng điều khiển PI Nguồn: power_wind_dfig_det demo Matlab 7.8 R2009a Hình 4.7 Mơ hình điều khiển phía rotor sử dụng phương pháp mờ trượt 4.1.4 Bộ điều khiển mờ trượt Hình 4.8 Mơ hình điều khiển mờ trượt phía rotor 20 Hình 4.9 Mơ hình điều khiển mờ - PI cho phần gián đoạn hệ qui chiếu d Hình 4.10 Mơ hình điều khiển mờ - PI cho phần gián đoạn hệ qui chiếu q Hình 4.11 Biến vào giá trị tới hạn ... ωs σ = 1− Lm L s Lr (3.12) 3.2 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MỜ TRƯỢT ĐỂ ĐIỀU CHỈNH BỘ BIẾN ĐỔI Dòng rotor ( quan hệ với công suất tác dụng công suất phản kháng công thức 3.10) xem xét phù hợp, điều khiển... cao chất lượng hệ thống Nhưng phương pháp tồn tượng rung ảnh hưởng ñến thiết bị làm hư hỏng thiết bị Để giải vấn ñề ta nghiên cứu tiếp phương pháp ñiều khiển mờ - Phương pháp điều khiển mờ: Đảm... ta ñưa nhiều phương pháp sử dụng kết hợp điều khiển mờ-trượt, mờ-nơron-trượt, thích nghi trượt v v Kết luận chương Chương ñã nêu ñược vấn ñề sau: - Phương pháp ñiều khiển trượt Phương pháp áp