4. Phương phỏp nghiờn cứu
3.7. Mụ hỡnh bộ chuyển đổi
Như đó thảo luận ở trờn, với điều khiển dũng của MPKĐBNK sử dụng kỹ thuật điều khiển vector thỡ cần phải biến đổi cỏc biến sang một hệ tọa độ quaydq. Hệ tọa độ này dựa theo vector từ thụng stator hoặc với vector điện ỏp lưới. Do MPKĐBNK làm việc song song với lưới nờn cần phải cú chức năng hũa đồng bộ. Vỡ vậy, việc chọn một hệ trục tọa độ dq với trục d trựng với vector điện ỏp lưới cú thể đem lại một số thuận lợi nhất định. Hệ trục tọa độ như vậy sẽ độc lập với cỏc tham số của mỏy điện và độ chớnh xỏc của khõu đo tốc độ quay. Chớnh vỡ cỏc lý do trờn, hệ tọa độ dqtựa theo điện ỏp lưới được lựa chọn để phỏt triển trờn mụ hỡnh cung như phỏt triển cỏc thuật toỏn điều khiển mỏy điện khụng đồng bộ nguồn kộp sau này.
Cỏc phương trỡnh điện ỏp của stator và rotor cú thể được viết lại như sau:
= + (3.60)
Trong đú, và là cỏc điện ỏp stator và rotor, và là cỏc dũng điện stator và rotor, và là cỏc điện trở stator và rotor, và là cỏc từ thụng startor và rotor. Chỉ số s phớa trờn cỏc đại lượng này mụ tả đại lượng đú trờn hệ truc tọa độ cố định với stator. Chỉ số r phớa trờn cỏc đại lượng này nhằm mụ tả đại lượng đú trờn hệ tọa độ cố định rotor.
Cỏc từ thụng stator và rotor được xỏc định bởi
= + (3.62)
= +
Với là hỗ cảm giữa hai cuộn dõy stator và rotor và Ls , Lr là cỏc điện cảm của stator và rotor.
Nếu biểu diễn điện cảm tản phớa stator và rotor và thỡ cỏc điện cảm của stator và rotor được tớnh như sau:
= + (63)
= +
Áp dụng cỏc phộp biến đổi hệ trục tọa độ (3.10) và (3.11) cho cỏc phương trỡnh (3.60) và (3.61) ta được cỏc phương trỡnh sau trong hệ tọa độdq.
= + + (3.64)
= + +
Và là tốc độ gúc của stator
= − (3.65)
Và là tốc độ mạch điện rotor là tốc độ cơ của rotor từ (3.63) và (3.65) ta cú
= − + − (3.67)
Trong đú, = 1 − là hệ số tản toàn phần stator dẫn đến. Viết lại cỏc phương
trỡnh (3.66) và (3.67) cho cỏc thành phầnd và q của cỏc dũng điện rotor và từ thụng.
= − + + ( − ) + − − + (3.68) = −( − ) − + + + − + (3.69) = − + + (3.70) = − − + (3.71) Với =
Dạng ngắn gọn của cỏc phương trỡnh (3.67), (3.68), (3.69) và (3.70) kết hợp với trỡnh đầu ra được biểu diễn như sau:
̇ = ( ) + + (3.72)
= (3.73)
Với = , = , = ( ),
( ) = ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎛ − + − − − − + 0 − 0 − − ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎞ (3.74) = ( ) = ⎝ ⎜ ⎛ − 0 0 0 − 0 1 0 0 0 0 1 0 0 ⎠ ⎟ ⎞ (3.75) = 1 0 0 0 0 1 0 0 (3.76) 3.7.1. Mụ hỡnh phớa lưới
Mạch điện rỳt gọn của lưới cú thể được biểu diễn trờn hỡnh 3.20a. Bộ biến đổi phớa lưới thường nối lưới thụng qua một bộ lọc gồm điện khỏng Lc , tụ Cf, và điện trở Rf . Điện trở của cuộn khỏngLcđược biểu thị bởiRc.
Mạch điện tương đương của lưới được biểu diễn trờn hỡnh (3.20b). Cỏc phương trỡnh cơ bản sau tương ứng với mạch điện tương đương của lưới như trờn hỡnh (3.20b).
= + + (3.77)
= + (3.78)
Trong đú, và là điện ỏp và dũng điện của bộ biến đổi phớa lưới, và là điện ỏp và dũng điện lưới, là dũng chảy qua nhỏnh // của và của bộ lọc.
(a)
(b)
Hỡnh 3.20:Mạch điện phớa lưới (a) và mụ hỡnh phớa lưới (b)
Áp dụng cỏc phộp biến đổi (3.10) và (3.11) cho cỏc phương trỡnh (3.77) và (3.78) ta được cỏc phương trỡnh sau với cỏc biến trờn hệ trục tọa độdq:[6]
= + + + (3.79)
= + (3.80)
Với tốc độ gúc của từ trường phớa lưới và = .
Thay phương trỡnh (3.70) vào (3.69) với = ta cú
= − − + − + + (3.81)
Viết lại phương trỡnh (3.70) cho cỏc thành phần d và q của cỏc dũng điện lưới ta cú:
= − + + − + − (3.82)
= − + + − + − (3.83)
Sau một số phộp biến đổi, cỏc phương trỡnh (3.71) và (3.72) trở thành:
= − + + − − (3.84)
= − + + − − (3.85)
với và là hằng số được định nghĩa như sau:
=
=
Mụ hỡnh khụng gian trạng thỏi của lưới cú thể được biểu diễn như sau:
̇ = + + (3.86)
= (3.87)
= − − , − − − , = 0 0 , = 1 0 0 1 (3.88)
3.7.2 Điều khiển phớa mỏy phỏt
3.7.2.1 Cấu trỳc điều khiển
Bộ điều khiển phớa mỏy phỏt cú nhiệm vụ điều chỉnh cụng suất tỏc dụng (cú thể thụng qua điều chỉnh mụmen điện Te) và cụng suất phản khỏng Qg (hoặc hệ số cụng suất ).
Trong cỏc hệ thống điều khiển mỏy điện, cỏc bộ điều khiển dũng đúng một vai trũ rất quan trọng vỡ chỳng cung cấp vector điện ỏp cần thiết cho mạch điện tử cụng suất. Hơn nữa, chất lượng của toàn bộ hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng cỏc bộ điều khiển dũng. Vỡ vậy, cỏc hệ thống điều khiển mỏy điện thường gồm một mạch vũng trong với một bộ điều khiển vector dũng irvà mạch vũng ngoài với cỏc biến điều khiển khỏc.
Hỡnh 3.21:Sơ đồ khối điều khiển phớa mỏy phỏt
Cấu trỳc điều khiển phớa rotor của MPKĐBNK trờn hỡnh 3.21 được thực hiện như đó trỡnh bày ở trờn. Trong đú cú hai mạch vũng. Mạch vũng trong với bộ điều khiểnKrc
dũng Krc là để đạt được tớnh năng đỏp ứng nhanh, bỏm theo tớn hiệu đặt và bảo đảm tỏch kờnh. Mạch vũng điều khiển ngoài với bộ điều khiển Krt được gọi là mạch vũng điều khiển mụmen được thiết kế để bỏm theo cỏc giỏ trị tối ưu của tớn hiệu vào rn bao
gồm mụmen điện từ ∗ và cụng suất phản khỏng ∗ , rrt = ∗ ∗ T (3.89)
Trờn hỡnh 3.21, Grlà mụ hỡnh của đối tượng, = T
là biến đầu ra điều khiển được suy ra từ = T (xem cỏc cụng thức (3.47) và (3.48) dưới đõy) bởi khốiErt.Trờn cơ sở giỏ trị đo đạc thực tế của tốc độ giú và cỏc đặc tớnh của tua bin, cỏc giỏ trị tối ưu của mụmen sẽ được tớnh toỏn và đưa ra giỏ trị đặt rrt cho phần điều khiển điện tử cụng suất.
Mụmen điện từ của MPKĐBNK trong hệ trục tọa độ dq tựa theo điện ỏp stator (nghĩa là = 0,) cú thể được tớnh bởi.
= − (3.90)
Ở đõy là số đụi cực của mỏy. Cụng suất phản khỏng là
= −3 (3.91)
Mặt khỏc, việc điều chỉnh cụng suất phản khỏng cũng cú thể được thực hiện bằng cỏch điều chỉnh hệ số cụng suất . Hệ số này cú thể được tớnh như sau:
Cỏc phương trỡnh (3.90), (3.91), và (3.92) chỉ ra rằng mụmen điện từ và cụng suất phản khỏng hay hệ số cụng suất của MPKĐBNK cú thể được điều chỉnh thụng qua, qua cỏc thành phần dũng điện rotor và .
Chi tiết hệ thống điều khiển kinh điển phớa rotor được trỡnh bày trờn hỡnh 3.22.
Hỡnh 3.22:Cấu trỳc điều khiển kinh điển phớa mỏy phỏt
3.7.3 Hũa đồng bộ với lưới
Bản thõn quỏ trỡnh hũa đồng bộ cũn chứa những vấn đề cần được quan tõm một cỏch chi tiết hơn, chẳng hạn những vấn đề hũa bộ lại sau khi lỗi lưới hay khi tốc độ giú nằm ngoài vựng làm việc của hệ thống mỏy phỏt sức giú. Tuy nhiờn, trong khuụng khổ của nghiờn cứu này, luận văn chỉ đề cập vấn đề hũa đồng bộ MPKĐBNK với lưới để khảo sỏt cỏc đỏp ứng của hệ thống khi mỏy phỏt được giữ làm việc song song với lưới.
Bộ điều khiển dũng điện thực hiện quỏ trỡnh hào đồng bộ, cần phải thỏa món cỏc điều kiện hệ thống điện ỏp phớa stator so với hệ thống điện ỏp lưới: [4, 22]
Cựng tần số.
Cựng gúc pha
Cựng biờn độ
Muốn vậy trong quỏ trỡnh điều khiển ta cần phải xỏc định cỏc giỏ trị sau để thỏa món cỏc điều kiện đặt ra ở trờn.
- Xỏc định gúc chuyển đổi đưa vào biến tần để đảm bảo điện ỏp cựng tần số
= − (3.93)
Trong đú là gúc quay của vector khụng gian điện ỏp lưới, là gúc quay của rotor (gúc điện).
Để thấy được việc xỏc định thỏa món điều kiện cựng tần số, xuất phỏt từ
= − (3.94)
Từ (3.80) rừ ràng thấy từ thụng quay do dũng điện rotor sinh ra sẽ quay với tốc độ so với rotor. Mặt khỏc, do rotor quay với tốc so với stator, do đú từ trường quay rotor sẽ cú tốc độ , với.
Thỡ từ trường rotor sẽ cảm ứng vào stator điện ỏp cú tần số gúc đỳng bằng tần số gúc lưới , nghĩa là cựng tần số với điện ỏp lưới. Như vậy với việc đưa gúc chuyển đổi vào biến tần thỡ sẽ đảm bảo điều kiện tần số điện ỏp đầu ra mỏy phỏt và điện ỏp lưới cú cựng tần số.
- Điều kiện trựng pha được đảm bảo, ta thực hiện thụng qua điều khiển cỏc thành phần dũng điện rotor = 0 ( = 0) và ≠ 0 ( ≠ 0,chỉ thay đổi gúc pha).
- Xỏc định mối quan hệ giữa trị số biờn độ điện ỏp lưới( ), điện ỏp đầu ra mỏy phỏt ( )và giỏ trị . Xuất phỏt từ phương trỡnh vector điện ỏp stator:
Ở đõy ta chuyển sang hệ trục tọa độdqtụa theo điện ỏp lưới, ta cú:
= − (3.96)
= = 0 (3.97)
Từ (3.71), dễ dàng cú = = −
Để điện ỏp mỏy phỏt và điện ỏp lưới cú cựng biờn độ ( = ), ta cú ngay:
= − (3.98)
3.7.4 Điều khiển phớa lưới
Hệ thống điều khiển phớa lưới nhằm mục đớch duy trỡ điện ỏp một chiều trung gian và cụng suất phản khỏng ở cỏc giỏ trị mong muốn. Để thực hiện nhiệm vụ này, cấu trỳc điều khiển phớa lưới được thiết kế như hỡnh 3.23.
Hỡnh 3.23: Sơ đồ khối điều khiển phớa lưới
Cấu trỳc điều khiển phớa lưới cũng tương tự như cấu trỳc điều khiển phớa stator và cũng bao gồm hai mạch vũng. Mạch vũng trong với bộ điều khiển Knc được gọi là mạch vũng điều khiển phớa lưới. Mục tiờu của bộ điều khiển vũng phớa lưới Knc là đạt
được đỏp ứng bỏm nhanh theo cỏc dũng điện lưới đặt trước. Mạch vũng ngoài với hai bộ điều khiển dũng cụng suất. Trong đú bộ điều khiển Knpđược sử dụng để điều khiển điện ỏp một chiều trung gian, bộ điều khiển Knq được sử dụng để điều khiển cụng suất phản khỏng giữa lưới và bộ biến đổi thụng qua hệ số cụng suất ∗ được ước lượng bởi khối Enp . Trờn hỡnh 3.23, Gn biểu diễn mụ hỡnh lưới, cỏc biến đầu ra điều khiển gồm cú điện ỏp một chiều trung gian udc và dũng lưới = . Trong đú và là cỏc thành phần của dũng điện lưới trờn hệ trục tọa độ tựa theo điện ỏp lưới (hay điện ỏp stator us). [4, 21, 22]
Điện ỏp một chiều trung gian cú thể được tớnh toỏn như sau:
= + ∫( − ) (3.99)
Với là điện ỏp cú giỏ trị ban đầu của , là giỏ trị điện dung của mạch một chiều, là thành phầnqcủa dũng điện rotor.
Gúc pha của hệ số cụng suất cos cú thể được tớnh như sau:
= (3.100)
Phương trỡnh (3.99) và (3.100) chỉ ra rằng điện ỏp một chiều trung gian cú thể được điều khiển thụng qua thành phần d của dũng điện lưới . Trờn một hệ thống thực tế, điện ỏp một chiều trung gian cần phải được giữ ở một giỏ trị cố định khụng phụ thuộc vào sự biến đổi của dũng điện rotor . Hệ số cụng suất cos cú thể được điều khiển thụng qua thành phầnqcủa dũng điện lưới .
Hỡnh 3.24:Cấu trỳc điều khiển phớa lưới
Chi tiết của phần điều khiển phớa lưới được vẽ trờn hỡnh 3.24. Cỏc đầu ra của bộ điều khiển = T được đưa đến khối PWM qua một khối biến đổi hệ trục tọa độ. Cỏc khối khỏc được sử dụng để biến đổi cỏc biến của dũng điện lưới ( , ) với cỏc hệ trục tọa độ tương ứng và tớnh toỏn gúc pha điện ỏp lưới cũng như giỏ trị hệ số cụng suất .
3.8. Kết luận chương 3
Chương 3 tập trung trỡnh bày về cấu tạo, nguyờn lý làm việc, sơ đồ mạch điện thay thế và cỏc phương trỡnh điện, từ của mỏy phỏt điện DFIG. Đồng thời mụ tả toỏn học hệ thống mỏy phỏt điện sức giú sử dụng mỏy phỏt điện cảm ứng DFIG trong hệ toạ độ khụng gian vộc tơ. í tưởng của việc sử dụng vộctơ khụng gian là để mụ tả mỏy điện cảm ứng chỉ bằng hai pha, thay cho việc sử dụng 3 pha. Tỏc giả đưa ra sơ đồ khối hệ thống mỏy phỏt, Điều khiển cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng mỏy phỏt DFIG. Việc mụ tả toỏn học hệ thống là tiền đề cho việc xõy dựng cỏc bộ điều khiển hoà lưới.
Chương 4: THIẾT KẾ BỘ PID MỜ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT
KHễNG ĐỒNG BỘ 4.1. Giới thiệu bộ PID kinh điển
4.1.1. Cỏc luật điều khiển
4.1.1.1. Luật điều khiển tỷ lệ (P)
Tớn hiệu điều khiển trong luật tỉ lệ xỏc định theo biểu thức:
U(t) = kp.e(t) (4.1)
Kp: Hệ số tỉ lệ, hay cũn gọi là hệ số khuếch đại
Luật điều khiển tỉ lệ theo tiờu chuẩn của khõu khuếch đại: Tớn hiệu ra luụn trựng pha và tỉ lệ với tớn hiệu vào. Điều khiển tỉ lệ cú ưu điểm là tỏc động nhanh và làm việc tốt với một số đối tượng cụng nghiệp. Quy luật này khi làm việc với cỏc đối tượng tĩnh thỡ hệ thống điều khiển luụn tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch tĩnh phải tăng kp, nhưng khi đú dẫn tới hệ thống sẽ mất ổn định do dao động của hệ thống tăng và độ quỏ điều chỉnh lớn. [9, 10]
4.1.1.2. Luật điều khiển tớch phõn (I)
Tớn hiệu điều khiển được xỏc định theo biểu thức:
( ) = ∫ ( ) + (4.2)
Ti: Hằng số thời gian tớch phõn
U0: Giỏ trị đầu ra của bộ biến đổi tại đầu thời điểm làm việc
Trong quy luật tớch phõn giỏ trị điều khiển U(t) chỉ đạt giỏ trị xỏc lập (quỏ trỡnh điều khiển đó kết thỳc) khie(t)= 0, hay cũng cú thể núi tớn hiệu ra được xỏc định bằng tớch phõn tớn hiệu vào. Quy luật này cú ưu điểm triệt tiờu được sai lệch tĩnh, nhưng tớn
hiệu ra luụn chậm pha so với tớn hiệu vào do đú hệ thống luụn tỏc động chậm. Đõy là nhược điểm của quy luật này, vỡ vậy khụng sử dụng quy luật này một mỡnh mà phải phối hợp với cỏc quy luật khỏc để việc điều khiển đối tượng đạt kết quả .
4.1.1.3. Luật điều khiển vi phõn (D)
Tớn hiệu điều khiển được xỏc định:
( ) = ( ) (4.3)
Td: Hằng số thời gian vi phõn
Tớn hiệu ra được xỏc định bằng vi phõn của tớn hiệu ra. Ưu điểm của quy luật là độ tỏc động nhanh, rỳt ngắn thời gian quỏ độ nhưng cú nhược điểm là: Lượng quỏ điều chỉnh thường vượt quỏ trị số cho phộp và phản ứng với cỏc nhiễu cao tần. Luật điều khiển vi phõn cũng khụng được sử dụng một mỡnh và phải phối hợp với cỏc quy luật điều khiển khỏc.
4.1.1.4. Luật điều khiển tỉ lệ- tớch phõn (PI)
Kết hợp luật điều khiển tỉ lệ (P) với luật điều khiển tớch phõn (I) để hỡnh thành luật điều khiển tỉ lệ - tớch phõn (PI).
Tớn hiệu điều khiển được xỏc định:
( )= ( ) + ( ) + (4.4)
Luật này vừa tỏc động nhanh (nhanh hơn quy luật tớch phõn nhưng chậm hơn quy luật tỉ lệ) vừa triệt tiờu sai lệch tĩnh. Do cú những ưu điểm trờn nờn luật điều khiển PI
được ứng dụng rộng rói trong thực tế, đỏp ứng được yờu cầu chất lượng của hầu hết quỏ trỡnh cụng nghệ. Tuy nhiờn do ảnh hưởng của thành phần tớch phõn nờn tốc độ tỏc động của quy luật PI bị chậm, do đú nếu đối tượng cú nhiễu liờn tục mà đũi hỏi độ chớnh xỏc điều chỉnh cao thỡ quy luật PIkhụng đỏp ứng được.
4.1.1.5. Luật điều khiển tỉ lệ - vi phõn (PD)
Kết hợp luật điều khiển tỉ lệ với luật điều khiển vi phõn để hỡnh thành luật điều khiển tỉ lệ - vi phõn (PD).
Tớn hiệu điều khiển được xỏc định theo biểu thức:
( )= ( )+ ( ) (4.5)
Nhờ cú thờm thành phần vi phõn làm cho tốc độ tăng nhanh (nhanh hơn quy luật tỉ lệ). Tuy nhiờn chớnh thành phần vi phõn sẽ phản ứng với cỏc nhiễu cao tần bậc nhỏ do vậy mà quy luật PDkhụng làm giảm được sai lệch tĩnh. Vỡ vậy trong cụng nghiệp quy luật này chỉ sử dụng ở những nơi đũi hỏi độ tỏc động nhanh như điều khiển tay mỏy.
4.1.1.6. Luật điều khiển tỉ lệ- tớch phõn – vi phõn (PID)
Tớn hiệu điều khiển được xỏc định theo cụng thức:
( )= ( ) + ∫ ( ) + ( ) + (4.6)
Đõy là luật điều khiển đỏp ứng được yờu cầu về chất lượng của hầu hết cỏc quỏ trỡnh cụng nghệ. Cú thể núi quy luật PID tương đối hoàn hảo, tuy nhiờn việc hiệu chỉnh tham số của nú khỏ phức tạp đũi hỏi người sử dụng phải cú trỡnh độ nhất định.