Embed Size (px)
Citation preview
24
4. Luận án đã góp phần làm sáng tỏ được bản chất của phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (passivity - based) khi áp dụng để tổng hợp bộ điều chỉnh dòng MPKĐBNK trong hệ thống máy phát điện sức gió đó là: Kiểm tra tính thụ động của đối tượng máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép từ đó áp dụng tổng hợp bộ điều chỉnh dòng máy phát bằng phương pháp tựa theo thụ động trên cơ sở hệ thụ động EL và Hamilton để cải thiện chất lượng tĩnh và động của hệ thống có kiểm chứng bằng mô phỏng offline và mô phỏng thời gian thực.
Kiến nghị: Với những kết quả đạt được, bản luận án đã giải quyết được về
mặt lý thuyết các trường hợp tải đối xứng và sự cố sập (đối xứng) một phần điện áp lưới. Từ đây tác giả đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo là nghiên cứu ảnh hưởng của tải không đối xứng tới chất lượng điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK và khả năng bám lưới của máy phát trong các trường hợp lỗi lưới không đối xứng khi sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Passivity - Based.
1
TÓM TẮT LUẬN ÁN MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay nhu cầu phát điện chạy sức gió ở Việt Nam ngày càng
trở nên có tính thực tiễn cao, bởi nguồn tài nguyên than phục vụ cho các nhà máy nhiệt điện ngày càng cạn kiệt, thuỷ điện cũng gần khai thác hết công suất của nguồn nước trên các con sông Việt Nam. Ngoài ra nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và mới chỉ dừng lại ở công suất nhỏ, trong khi đó sức gió ở Việt Nam chưa được khai thác nhiều.
Trong tương lai gần hệ thống lưới điện sẽ xuất hiện các chủ lưới (các công ty tư nhân, liên doanh trong và ngoài nước) tham gia cung cấp điện năng cho toàn hệ thống. Vì vậy, việc bám lưới khi xảy các sự cố thông thường là một đòi hỏi cấp thiết cho hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió.
Các phương pháp điều khiển tuyến tính chưa giải quyết được một cách triệt để ở chế độ vận hành phi tuyến với các yêu cầu chất lượng, bám lưới của máy phát điện chạy sức gió.
Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng làm máy phát trong các hệ thống phát điện chạy sức gió, nhờ khả năng điều khiển dòng năng lượng gián tiếp từ phía rotor thay vì trực tiếp trên stator. Khi đó thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép hạ giá thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác. Điều này rất hấp dẫn về mặt kinh tế, nhất là khi công suất các máy ngày càng tăng, mặc dù về mặt phương pháp điều khiển có phần phức tạp. Trên thế giới có khá nhiều công trình nghiên cứu song chủ yếu theo các phương pháp điều khiển kinh điển. Ở nước ta, hiện nay chỉ có ở Trung tâm Công nghệ cao - ĐHBK Hà Nội đã có những công trình nghiên cứu về hướng này từ
2
khá lâu. Vì vậy, việc thực hiện việc nghiên cứu tại đây sẽ đảm bảo cho sự thành công của luận án.
Việc tổng hợp các thuật toán điều khiển phi tuyến hứa hẹn cải thiện chất lượng điều khiển máy phát để phát triển và khai thác triệt để nguồn năng lượng sạch (sức gió) ở Việt Nam. Chính vì vậy tác giả chọn đề tài "Cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến" trong luận án, tác giả đi nghiên cứu thuật toán điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity - Based) để giải quyết các vấn đề trên. Mục đích nghiên cứu
Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép (MPKĐBNK) trong hệ thống máy phát điện sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (passivity - based), để cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống so với phương pháp điều khiển véc tơ dòng tuyến tính. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Máy điện không đồng bộ nguồn kép: Thực chất là máy điện không đồng bộ ba pha có rotor dây quấn (MĐKĐBNK). Hiện tại MĐKĐBNK ít được sử dụng với vai trò động cơ trong các hệ truyền động. Nhưng ý nghĩa của MĐKĐBNK trong vai trò máy phát chạy sức gió ngày càng tăng.
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK. Đây là loại máy điện hứa hẹn hiệu quả kinh tế cao nhất trong các hệ thống như vậy.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án hạn chế trong việc khảo sát đặc điểm thụ động của MĐKĐBNK để từ đó tổng hợp cấu trúc điều khiển tựa theo thụ động (Passivity - based Controll, PBC) điều khiển véc tơ dòng rotor, thích hợp với chế độ vận hành phi tuyến hơn so với cấu trúc điều khiển tuyến tính kinh điển.
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: 1. Luận án là công trình khoa học đầu tiên đề xuất việc áp dụng
phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity - Based) cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK ở các chế độ làm việc bình thường với tải đối xứng và chế độ xảy ra sự cố lỗi (đối xứng) lưới sập một phần điện áp, đây chính là đóng góp mới thứ nhất của luận án.
2. Khi áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Passivity - Based, ngoài việc đã giải quyết được các vấn đề mà các phương pháp tuyến tính đã đề cập như dao động điện áp lưới, dao động từ thông khi lỗi lưới, luận án còn cải thiện được chất lượng khi dao động tốc độ máy phát, dao động tần số góc mạch rotor khi lỗi lưới (đối xứng). Đây cũng chính là đóng góp mới thứ 2 của luận án so với các phương pháp điều khiển tuyến tính thông thường nhằm tăng khả năng ứng dụng phương pháp điều khiển này vào trong thực tiễn.
3. Đóng góp mới thứ 3 của luận án là với kết quả mô phỏng khi lỗi lưới sập áp từ 10% đến 50%, bộ điều khiển thực hiện giảm mô men từ về 0Nm, và giữ phát công suất phản kháng Q lên lưới thông qua giá trị dòng thành phần irq và cosϕ (được thể hiện trên các hình từ 5.22 đến 5.27 và từ hình 5.37 đến 5.39) đã chứng tỏ rằng với bộ điều chỉnh dòng sử dụng phương pháp tựa theo thụ động với thuật toán thiết kế tựa theo hệ EL và Hamilton thì chất lượng làm việc được đảm bảo như: Lúc đó các thành phần dòng điện rotor bám giá trị đặt của chúng với biên độ dao động nhỏ hơn dòng định mức rotor và ổn định. Đặc biệt với kết quả mô phỏng sập lưới 50% từ các hình 5.27, 5.28 và 5.39 với bộ điều chỉnh Passivity - Based đã chứng tỏ được chất lượng điều khiển MPKĐBNK trong hệ thống máy phát điện sức gió đã được cải thiện so với phương pháp điều khiển tuyến tính (hệ thống mất điều khiển).
22
Với sự cố sập điện áp lưới 50% (hình 5.39) thì qua kết qủa mô
phỏng thời gian thực cho thấy mặc dù có dao động lớn, song sau đó ổn định không bị mất điều khiển, điều này khẳng định một lần nữa (kết quả tương tự với mô phỏng Offline) chất lượng của bộ điều chỉnh PBC so với bộ điều chỉnh tuyến tính (mất điều khiển). 5.3. Kết luận chương 5
Chương này đã đạt được một số vấn đề quan trọng sau: - Kiểm tra chất lượng của bộ điều chỉnh PBC có kể đến khử sai
lệch tĩnh. - Đánh giá được chất lượng làm việc của bộ điều chỉnh PBC ở các
chế độ làm việc khác nhau và đặc biệt cho thấy chất lượng của bộ điều chỉnh PBC tốt hơn so với bộ điều chỉnh tuyến tính (mất điều khiển) ở chế độ sập lưới (đối xứng) 50%.
Hình 5.39: Đáp ứng mô men, cosϕ, irdq (sập lưới 50%)
3
Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển phi
tuyến passivity - based. - Kiểm chứng bằng mô phỏng Offline trên cơ sở sử dụng phần
mềm Matlab - Simulink - Plecs. - Kiểm tra kết quả bằng mô phỏng thời gian thực.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học của đề tài là chứng minh khả năng sử dụng
phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến trên cơ sở đặc điểm thụ động của đối tượng điều khiển là MĐKĐBNK. Luận án đã giải quyết thành công cả về lý thuyết lẫn mô phỏng Offline và mô phỏng thời gian thực.
- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là giúp đáp ứng yêu cầu của quản trị lưới điện là hệ thống phát điện chạy sức gió không được phép tự cắt ra khỏi lưới khi xảy ra lỗi sập (đối xứng) lưới một phần. Việc tự cắt ra khỏi lưới có thể gia tăng nguy cơ gây mất ổn định, dẫn đến rã lưới. Đây là một yêu cầu khắc nghiệt mà các cấu trúc điều khiển tuyến tính đã bộc lộ nhược điểm khó đáp ứng trọn vẹn. Đồng thời MĐKĐBNK có stator nối trực tiếp với lưới nên khó điều khiển ở các chế độ vận hành phi tuyến như vậy. Những đóng góp của luận án
- Luận án là công trình khoa học đầu tiên áp dụng phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến passivity - based cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép.
- Luận án đã chỉ ra đặc điểm thụ động của MĐKĐBNK là cơ sở để áp dụng thành công phương pháp thiết kế cấu trúc điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động cho véc tơ dòng rotor.
- Luận án đã chỉ ra ưu thế của cấu trúc điều khiển PBC so với cấu trúc điều khiển tuyến tính deadbeat trong chế độ vận hành phi tuyến
4
xảy ra khi lưới sập (đối xứng) một phần dẫn đến điện áp đầu vào của nghịch lưu phía lưới sụt giảm. Bố cục của luận án
Luận án gồm 5 chương, 114 trang (kể cả tài liệu tham khảo và phụ lục), 55 tài liệu tham khảo, 82 hình vẽ và đồ thị.
Chương 1. Tổng quan
1.1. Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu - Trình bày tổng quan về sự phát triển của năng lượng gió.
- Đối tượng nghiên cứu là hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK.
Hình 1.2 Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn
Máy phát xoay chiều 1 pha
Máy phát xoay chiều 3 pha
Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (hình 1.3)
Máy phát khôngđồng bộ
Máy phát không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc (hình 1.3)
Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép
(hình 1.4)
Hệ thống Phát điện sức gió
Máy phát xoay chiều
Máy phát một chiều
21
Các kết quả mô phỏng ở trên đồng bộ cũng cho kết quả tương tự. Qua kết quả mô phỏng thời gian thực cho các kết quả là trùng
khớp với các kết quả đã được mô phỏng Offline. - Kết quả mô phỏng thời gian thực ở tốc độ định mức (n = 950
v/ph) cho bởi hình 5.36, ta thấy chất lượng của bộ điều chỉnh PBC đã được đảm bảo, thể hiện qua các giá trị thực của mô men, cosϕ và các thành phần dòng điện rotor ird và irq luôn bám tốt giá trị đặt giống như kết quả mô phỏng Offline.
- Kết quả mô phỏng khi xảy ra sập lưới 50%, khi sập lưới đưa mô men về m = 0Nm và cosϕ = 0.436 (sinϕ = 0.9) để giữ dòng irq nhằm phát công suất phản kháng lên lưới để bám lưới.
Hình 5.36: Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (5)
20
5.2. Kết quả mô phỏng thời gian thực (Hardware - in - the - loop) - Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 850 v/ph); m = -
4Nm, cosϕ nhảy bậc từ 0.9 lên 1 sau đó nhảy về 0.7:
- Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 850 v/ph); mô
men nhảy từ m = -2Nm lên -4Nm, cosϕ = 0.7:
Hình 5.32: Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (1)
Hình 5.33: Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (2)
5
- Trình bày lý do việc lựa chọn phương pháp điều khiển cho hệ
thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK
Hình 1.6 Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK
Từ hình 1.6, cho thấy việc lựa chọn phương pháp điều khiển passivity - based hứa hẹn những kết quả mong đợi. 1.2. Nguyên lý điều khiển của hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK
Cấu trúc điều khiển đầy đủ của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK, gồm có 3 thành phần chính sau đây:
- Điều khiển turbine. - Điều khiển phía lưới và phía máy phát. - Điều khiển crowbar hoặc stator switch
Các phương pháp điều khiển MDBNK
Phương pháp điều khiển phi tính
Phương pháp điều khiển tuyến tính
[4, 11, 50, 51, 53]
Cuốn chiếu (Backstepping)[14, 15, 16, 17]
Tuyến tính hoá chính xác (Exact
linearization) [1, 32, 52]
Phẳng (Plat)
[2]
Tựa theo thụ động (Passivity
- based) (Mục tiêu của
luận án)
6
1.3. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBNK
Hình 1.10 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBMK
1.4. Tổng quan các vấn đề đã được giải quyết, các vấn đề tồn tại và giải pháp điều khiển 1.4.1. Các vấn đề đã được giải quyết bằng phương pháp điều khiển tuyến tính
- Vấn đề phân ly giữa P và Q được thực hiện thông qua điều khiển tách kênh 2 thành phần dòng điện rotor ird và irq nhờ vào việc bù các thành phần liên kết ngang ωr.ird và ωr.irq [11, 51].
- Vấn đề tốc độ máy phát và tần số góc mạch rotor thay đổi ở chế độ bình thường, các giải pháp mà phương pháp điều khiển tuyến tính đã áp dụng cho đến nay đều coi tốc độ máy phát và tần số góc mạch rotor là các đại lượng không đổi hoặc biến thiên chậm [11, 51, 53].
Bộ = =
DSP
HS
MP
MĐN
us uN
NLMP
NLPL uDC
MBA
ir
is n
iN IE
3~ 3~
19
So sánh tính bền vững của hệ thống giữa hai phương pháp điều khiển PBC và điều khiển tuyến tính:
- Kết quả phương pháp điều khiển PBC (Trường hợp sập điện áp lưới 50%)
- Kết quả phương pháp điều khiển tuyến tính Theo [15], khi sập lưới 50% với bộ điều chỉnh dòng theo phương
pháp điều khiển tuyến tính deadbeat thông thường, khi sập lưới m* nhảy từ -5Nm về 0Nm, sinϕ* = 0.9 (phát công suất Q), do biên độ dòng quá lớn, gây mất điều khiển, thể hiện trên hình 5.28.
Với kết quả mô phỏng hình 5.28 và 5.29 cho thấy tính bền vững
của bộ điều chỉnh PBC khi xảy ra lỗi lưới bộ điều chỉnh đưa dòng ird về 0 và giữ dòng irq để phát công suất vô công Q lên lưới nhằm hỗ trợ lưới về điện áp, các kết quả đã chỉ ra chất lượng của hệ thống đã được cải thiện so với phương pháp điều khiển tuyến tính [15].
0.5 1 1.5 2 2.5 30
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
t
cosp
hi
Dap ung cosphi khi xay ra sap luoi 50%
cosphi*cosphi
Hình 5.26: Đáp ứng m Hình 5.27ab: Đáp ứng cosϕ và dòng
0.5 1 1.5 2 2.5 3-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
t
m
Dap ung mo men khi xay ra sap luoi 50%
m*m
(Nm
)
0.5 1 1.5 2 2.5 3
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
t
irdq
Dap ung dong rotor khi xay ra sap luoi 50%
ird*irq*irdirq(A
)
t(s) t(s) t(s) a) b)
Hình 5.28: Đáp ứng dòng rotor
ird(A
)
t(s) t(s)
irq(A
)
18
- Qua kết quả mô phỏng thấy tính cách ly giữa 2 đại lượng m và cosϕ đảm bảo vì tại thời điểm t = 1,2s mô men có bước nhảy tương đối lớn, nhưng tại thời điểm đó cosϕ chỉ bị dao động nhẹ sau đó trở lại bám giá trị đặt. Tương tự qua kết quả mô phỏng hình 5.13 và 5.15 cũng cho biết sự phân ly giữa 2 thành phần dòng được đảm bảo.
Các kết quả mô phỏng ở trên đồng bộ (n = 1050v/ph) cho chất lượng tương tự dưới đồng bộ.
- Kiểm tra chất lượng của hệ thống khi thay đổi các giá trị mô men và cosϕ ở tốc độ định mức:
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-4
-3
-2
-1
0
1
t
irdq
Dap ung dong rotor
ird*irq*irdirq
Hình 5.21: Đáp ứng dòng ird và irq khi thay đổi giá trị
(A)
(s)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
t
m
Dap ung momen khi m* va cosphi* thay doi (ndm=950v/ph)
m*m
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
t
cosp
hi
Dap ung cosphi khi m* va cosphi* thay doi (ndm=950v/ph)
cosphi*cosphi
Hình 5.20: Đáp ứng mô men và cosϕ thay đổi theo giá trị đặt(s) (s)
(Nm
)
7
1.4.2. Các vấn đề còn tồn tại - Phương pháp điều khiển tuyến tính chưa quan tâm đến bản chất
phi tuyến của MĐKĐBNK. - Khi thiết kế bộ điều khiển thì phương pháp tuyến tính coi tần số
góc mạch rotor máy phát là biến thiên chậm, nên coi là hằng trong một chu kỳ trích mẫu, điều này không đúng khi xảy ra lỗi lưới sập (đối xứng) một phần điện áp lưới.
- Khả năng bám lưới khi xảy ra lỗi lưới của hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính chưa cao. 1.4.3. Giải pháp điều khiển
Từ những tồn tại của phương pháp điều khiển tuyến tính, đưa ra ra giải pháp điều khiển là sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK so với phương pháp điều khiển tuyến tính.
Chương 2. Phương pháp điều khiển tựa theo thụ động 2.1. Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động
Phần này đưa ra những nguyên lý cơ bản nhất về điều khiển tựa theo thụ động:
- Hệ thụ động là hệ ổn định theo nghĩa Lyapunov - Định nghĩa bài toán điều khiển tựa theo thụ động (Passivity
Based Control - PBC) [9, 23, 44, 46, 47]. - Trình bày một số nguyên tắc của bài toán điều khiển thụ động.
2.2. Hệ Euler - Lagrange - Theo tài liệu [9] hệ thụ động là hệ không tự sinh ra năng lượng
và được định nghĩa trên cơ sở bảo toàn năng lượng (giữa năng lượng tiêu thụ và năng lượng đã cung cấp).
- Hệ Euler - Lagrange thụ động là hệ mà động học của chúng được mô tả bởi các phương trình Euler - Lagrange (EL) và bản thân hệ thống không tự sinh ra năng lượng.
8
2.3. Phương trình Euler - Lagrange Xét một hệ động học có n bậc tự do, động học của hệ có thể được
mô tả bởi phương trình EL sau [5, 44, 45, 46, 47]:
( , ) ( , )d Qdt
∂ ∂⎛ ⎞ − =⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠
L Lx x x xx x
(2.1)
Trong đó x = (x1, x2,.., xn)T là véc tơ trạng thái của hệ thống (hệ tọa độ tổng quát), Q là lực tác động lên hệ thống, với Q ∈ Rn và
( , )x xL được gọi là hàm Lagrange được định nghĩa như sau: ( , ) ( , ) ( )= −x x x x xL K P (2.2) với ( , )K x x là hàm động năng và hàm này có dạng toàn phương.
1( , ) ( )2
T=x x x x xK V (2.3)
n n( ) R ×∈xV : ma trận quán tính và thoả mãn ( ) ( ) 0T= >x xV V và ( )xP là hàm thế năng với giả thiết là bị chặn
dưới, nghĩa là tồn tại c ∈ R sao cho: ( ) c≥xP với ∀x ∈ Rn (2.4) Lực tác động lên hệ thống có thể viết dưới dạng tổng quát sau:
( )∂= − + +
∂FQ Qx
xBu n (2.6)
Từ (2.1) và (2.6) suy ra được:
( , ) ( , ) ( )ddt
∂ ∂ ∂⎛ ⎞ − + =⎜ ⎟∂ ∂ ∂⎝ ⎠
x x x x x +x x x
L L F QBu n (2.7)
Như vậy hệ EL được xác định bởi (2.2), (2.3) và (2.7) và được mô tả bởi các tham số EL:
{ }( , ), ( ), ( ),K P F Qx x x x ,Bu n (2.8)
Đến đây ta có thể hiểu xuất xứ của tên gọi hệ EL, chỉ đơn giản là động học của hệ được mô tả bởi các phương trình EL. 2.4 Các đặc tính của hệ EL
- Trình bày đặc điểm thụ động của hệ EL:
17
Qua kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều chỉnh đã điều khiển được các dòng điện thành phần ird và irq đảm bảo ird = 0 và irq < 0, sau 0,09s (hình 5.9 do sau 0,03s mới tác động điều khiển) và ta thấy điện áp pha của lưới và máy phát trùng nhau sau 0,09s (hình 5.10). Như vậy sau 0,12s là có thể thực hiện hoà đồng bộ máy phát lên lưới.
- Kiểm tra chất lượng của hệ thống điều khiển khi hệ thống máy phát điện sức gió làm việc ở trên và dưới đồng bộ
Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 850v/ph)
- Kết quả mô phỏng mô men và hệ số công suất cosϕ ở hình 5.12 và 5.14 cho thấy khi có bộ điều chỉnh dòng phi tuyến PBC và các mạch điều khiển vòng ngoài mômen, ϕ (khâu PI), mô men thực và hệ số công suất cosϕ thực đã bám các giá trị môn men và cosϕ đặt. Cũng từ kết quả hình 5.13 và 5.15 cho thấy các thành phần dòng điện rotor ird và irq cũng bám tốt các giá trị đặt khi các thành phần mô men và ϕ thay đổi.
Hình 5.12ab: Đáp ứng m và cosϕ Hình 5.13: Đáp ứng dòng
1 1.5 2 2.5 3 3.5-5
-4.8
-4.6
-4.4
-4.2
-4
-3.8
-3.6
-3.4
-3.2
-3
t
m
Dap ung mo men
m*m
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t
cosp
hi
Dap ung cosphi
cosphi*cosphi
1 1.5 2 2.5 3 3.5
-4
-3
-2
-1
0
1
t
irdq
Dap ung dong rotor
ird*irq*irdirq
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
t
m
Dap ung mo men
m*m
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
t
cosp
hi
Dap ung cosphi
cosphi*cosphi
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
-4
-3
-2
-1
0
1
t
dong
irdq
Dap ung dong rotor irdq
ird*irq*irdirq
Hình 5.14ab: Đáp ứng m và cosϕ Hình 5.15: Đáp ứng dòng
(Nm
)
(A)
(s) (s)
(s) (s) (s)
t(s)
(Nm
)
(A)
a) b)
a) b)
16
Chương 5. Kết quả mô phỏng 5.1. Kết quả mô phỏng Offline
- Kiểm tra khả năng khắc phục sai lệch tĩnh của bộ điều chỉnh dòng (chưa có các bộ điều chỉnh vòng ngoài).
Kết quả mô phỏng với bộ điều chỉnh tựa theo EL hình 5.8a và bộ điều chỉnh kết hợp tựa theo EL và Hamilton hình 5.8b:
Qua kết quả mô phỏng ở hình 5.8a và 5.8b, cho ta thấy khả năng khử sai lệch tĩnh của bộ điều chỉnh PBC kết hợp hệ EL và Hamilton là rất tốt.
- Kiểm tra việc thực hiện hoà đồng bộ máy phát lên lưới
Hình 5.9: Đáp ứng dòng điện ird
và irq theo giá trị đặt Hình 5.10: Đáp ứng điện áp pha
stator máy phát và lưới
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
t
irdq
Dap ung dong rotor trong qua trinh hoa dong bo
ird*irq*irdirq
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
t
u
Dien ap luoiDien ap stator
(V)
(A)
(s) (s)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
t
irdq
Dap ung dong rotor voi bo dieu chinh tua theo EL
ird*irq*irdirq
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
t
irdq
Dap ung bo dieu chinh dong rotor co khu sai lech tinh
ird*irq*irdirq
Hình 5.8a: Đáp ứng dòng rotor với bộ điều chỉnh dòng PBC tựa
theo hệ EL
Hình 5.8b: Đáp ứng dòng rotor với bộ điều chỉnh dòng kết hợp
(A)
(A)
(s) (s)
9
Xét một hệ được ký hiệu là Σ có hàm tổng lưu giữ năng lượng ( , )x xH (với giả thiết hàm ( , )x xH xác định dương), véc tơ tín hiệu
điều khiển u, tồn tại một véc tơ tín hiệu đầu ra y thoả mãn (2.11) và tạm coi như hệ thống không chịu tác động của nhiễu. Như vậy tốc độ cung cấp năng lượng cho hệ thống sẽ là yTu. Hệ trên được gọi là thụ động nếu:
T
T
0(T) (0)∫ ≥ −y udt H H (2.11)
Điều đó có nghĩa là Σ: u → y xác định một quan hệ thụ động bằng
hàm lưu giữ tổng năng lượng ( , )x xH . Ngoài ra nếu hệ thống được nhận năng lượng từ bên ngoài với tốc
độ cung cấp là 20δ−uy yT , với δ0 > 0 thì hệ thống được gọi là thụ
động bị chặt đầu ra (ouput strictly passive - OSP) và công thức (2.11) ứng với trường hợp này sẽ có dạng:
2T T
T0
0 0δ (T) (0)∫ ∫≥ + −y u ydt dt H H (2.12)
Xét hệ phương trình EL, sau khi biến đổi suy ra:
T T
0 0
( )[T] - [0] + T Tdt dt∫ ∫∂
=∂
xx xx
BuFH H (2.18)
Và từ phương trình trên ta có một số nhận xét sau [8, 9, 46]: • Nếu u = 0 thì ≤H 0 , năng lượng của hệ không tăng, vì vậy hệ
sẽ ổn định Lyapunov, H lúc này giữ vai trò như hàm Lyapunov. • Nếu hệ là thụ động chặt thì nó sẽ ổn định tiệm cận Lyapunov tại
gốc toạ độ. • Nếu hệ là thụ động chặt thì nó sẽ là pha cực tiểu. • Nếu hệ là thụ động không chặt thì được gọi là pha cực tiểu yếu.
Năng lượng bên ngoài cung cấp
Năng lượng lưu giữ của hệ thống
Năng lượng lưu giữ
Năng lượng tiêu hao
Năng lượng cung cấp
10
• Ta thấy rằng tín hiệu suy giảm có thể được phun vào một cách dễ dàng qua các trạng thái được tác động trực tiếp bởi tín hiệu điều khiển nếu như các trạng thái đó có thể đo được.
- Khả năng phân tích hệ EL thành các hệ thụ động con - Đặc điểm bảo toàn hệ EL khi nối các hệ con với nhau - Đặc điểm thụ động của hệ kín - Một số giả thiết và định nghĩa khác của hệ EL
2.5. Đặc tính ổn định của hệ EL Trình bày tính ổn định của hệ EL thể hiện qua các khái niệm hệ
suy giảm riêng và hệ suy giảm toàn phần 2.6. Kết luận chương 2
Chương 2 đã giải quyết được các vấn đề sau: - Nghiên cứu khái quát được những nội dung cơ bản của phương
pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động. - Đánh giá khả năng có thể phân tích một hệ thụ động EL thành
các hệ thụ động con, cũng như bảo toàn tính thụ động khi nối các hệ thụ động con với nhau.
- Ngoài ra chỉ ra một số đặc tính ổn định của hệ Euler - Lagrange. Chương 3. Mô hình hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió
3.1. Mô hình toán học phía máy phát và phía lưới Phần này trình bày các vấn đề sau: - Đưa ra mô hình toán học của phía máy phát sử dụng
MĐKĐBNK và phía lưới biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq. - Xây dựng được cấu trúc điều khiển tổng quát phía máy phát và
phía lưới hệ thống PĐSG sử dụng MĐKĐBNK, thông qua các biến điều khiển mô men mG, uDC và ϕ. 3.2. Khả năng ứng dụng phương pháp passivity - based cho máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép
Phần này trình bày cơ sở lý luận để có thể ứng dụng phương pháp điều khiển PBC cho máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép:
15
4.9. Hoà đồng bộ máy phát lên lưới 4.10. Giải pháp điều khiển khi lỗi lưới 4.11. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía lưới
Sau khi tổng hợp được bộ điều chỉnh dòng rotor phía máy phát và phía lưới, kết hợp với hình 3.6, từ đó xây dựng được sơ đồ cấu trúc điều khiển toàn hệ thống theo phương pháp PBC như hình 4.10:
Hình 4.10 Hệ thống điều khiển phía lưới và phía máy phát trong hệ thống PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based
4.12. Kết luận chương 4 - Xây dựng được cấu trúc điều khiển theo phương pháp PBC có sự
kế thừa phát triển từ [11, 14, 15, 32, 51, 53]. - Tổng hợp được bộ điều chỉnh dòng PBC tựa theo hệ EL phía
máy phát với sự tồn tại của sai lệch tĩnh (giả thiết thông số của máy phát bị sai khác với thông số khi thiết kế bộ điều chỉnh).
- Tổng hợp được bộ điều chỉnh dòng PBC kết hợp tựa theo hệ EL và Hamilton phía máy phát có xét đến khử sai lệch tĩnh và các vấn đề có liên quan như tính toán các giá trị đặt, hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bộ điều chỉnh và giải pháp điều khiển khi xảy ra lỗi lưới.
14
* * * * * *
* * * *
1( ) 3 ( ) 4 ( 1) ( 2) ( ) ( ) ' ( )2
( )' ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1) ( 1) ( 1)
rd rd rq
sd
PBC rrd rd rd sd
dsq rd rd Id Id rd Id rd
a eu k i k i k i k i k i k kT c c c
Db dk u k i k i k u k K i k K i kc c c
ωψ
ωωψ
⎡ ⎤= − − + − + − −⎣ ⎦
⎡ ⎤+ + − − − − − − − −⎣ ⎦
(4.55)
* * * * * *
* * * *
1( ) 3 ( ) 4 ( 1) ( 2) ( ) ( ) ' ( )2
( )' ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1) ( 1) ( 1)
PBC rrq rq rq rq rq rd sq
qsd sq rq rq Iq Iq rq Iq rq
a eu k i k i k i k i k i k kT c c c
Db dk u k i k i k u k K i k K i kc c c
ωψ
ωωψ
⎡ ⎤= − − + − + + −⎣ ⎦
⎡ ⎤− + − − − − − − − −⎣ ⎦
(4.57)
4.4. Khắc phục ảnh hưởng vùng giới hạn điện áp và bộ xử lý tín hiệu số đến chất lượng điều khiển 4.5. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía máy phát có kể đến các yếu tố ảnh hưởng
Ở đây ta đi tổng hợp bộ điều chỉnh dòng PBC kết hợp tựa theo hệ EL và hệ Hamilon có kể đến dự báo dòng rotor và giới hạn điện áp, hiệu chỉnh ngược sai lệch điều chỉnh:
* *1
* *2
* * *1
4 1 2( 1) ( ) ( 1) T ( )3 3 3
4 1 2( 1) ( ) ( 1) T ( )3 3 3
' ( 1) ( 1) ' ( 1) ( 1) T ( 1)
rd
PBCrd rd
r rq rq
sd sq sd
cu k a i k i k T k
k i k i k T k
e k b k k du k k
ω
ψ ω ψ
⎡ ⎤+ = − − +⎢ ⎥⎣ ⎦⎡ ⎤− + − − +⎢ ⎥⎣ ⎦
− + + + + + + + +
(4.86)
* *2
* *1
* * *2
4 1 2( 1) ( ) ( 1) T ( )3 3 3
4 1 2( 1) ( ) ( 1) T ( )3 3 3
' ( 1) ( 1) ' ( 1) ( 1) T ( 1)
rq
PBCrq rq
r rd rd
sq sd sq
cu k a i k i k T k
k i k i k T k
e k b k k du k k
ω
ψ ω ψ
⎡ ⎤+ = − − +⎢ ⎥⎣ ⎦⎡ ⎤+ + − − +⎢ ⎥⎣ ⎦
− + − + + + + + +
(4.87)
4.6. So sánh cấu trúc bộ điều chỉnh dòng PBC với bộ điều chỉnh dòng tuyến tính
Phần này đánh giá so sánh về cấu trúc bộ điều chỉnh dòng của phương pháp điều khiển PBC và phương pháp điều khiển tuyến tính. 4.7. Các bộ điều chỉnh số cho các mạch vòng điều khiển ngoài 4.8. Tính toán giá trị thực và giá trị đặt
11
- Sau khi áp dụng hệ EL vào phương trình động học máy phát, ta thu được các phương trình:
e
( )( ) LL
ddt
ϑϑ ωϑ
∂+ + =
∂i i RiLL M u (3.58)
eddt
+ =Ri M uψ (3.59)
( )12
T LG
dmd
θθ
= i iL (3.66)
r
d Rdt
+ =rr r
ψ i u (3.67)
- Từ các phương trình EL của động học máy phát (3.58), (3.59), (3.66) và (3.67), chứng tỏ MĐKĐBNK có đặc điểm thụ động. Từ đây ta xây dựng được sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển dựa trên đặc điểm thụ động của MĐKĐBNK như hình 3.8.
Kết luận chương 3
- Xây dựng mô hình toán học máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép.
- Xây dựng mô hình toán học phía lưới. - Xây dựng cấu trúc điều khiển tổng quát toàn hệ thống.
PBCIR
eH
mH
-
(-)
(-)
mW
(sức gió)
mG ω
PBCru ri *
ri
PBCIR : Bộ điều chỉnh dòng rotor
theo phương pháp PBC
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển MĐKĐBNK theo phương pháp PBC
12
- Chỉ ra khả năng áp dụng phương pháp tựa theo thụ động để thiết kế bộ điều khiển cho MĐKĐBNK.
Chương 4. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió theo phương pháp passivity - based
4.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển phía máy phát theo phương pháp passivity - based
Sau khi áp dụng thuật toán tựa theo thụ động vào máy phát sử dụng MĐKĐBNK, với tín hiệu điều khiển để làm hệ kín thụ động chặt (ổn định tiệm cận Lyapunov [8, 9, 46]):
( )( - )PBC D ω= −* *r r r ru u i i (4.24)
2
21 10 0
4m
r
LD( ) D . d ; R , dω ω εε
= = + < ≤ ≥ (4.25)
Hình 4.2 Cấu trúc bộ điều chỉnh véc tơ dòng PBC bao gồm 2 khối chức năng
Từ bộ điều chỉnh dòng rotor (4.24) và sơ đồ cấu trúc hình 4.1, ta có thể cụ thể hoá bằng hình 4.2. Cấu trúc điều khiển tổng thể phía máy phát theo phương pháp PBC như hình 4.3 (theo tài liệu [11, 14, 15, 32, 51, 53]).
MĐKĐBNK
-
- eH
mH - mW
(sức gió)
mG ω
PBCru
*ri Tính ur
* trên cơ
sở hàm N.lượng
mong muốn He*
Tính hệ số suy
giảm D(ω)
us ωr ψs
-
*ru
ri
( )D ω ri
Bộ điều chỉnh PBCIR
ri
13
Hình 4.3 Hệ thống điều khiển máy phát (MĐKĐBNK) trong hệ thống PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based
4.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor tựa theo hệ thụ động EL Từ (4.24) và (3.14) suy ra bộ điều chỉnh dòng rotor theo các thành
phần dq: *
* * * * * *' ' ( )( )PBC rdrd rd r rq sd sq sd d rd rd
dicu ai i e b du D i idt
ω ψ ωψ ω= + − − + + − − (4.30)
** * * * * *' ' ( )( )rq
rq
PBCrq r rd sq sd sq q rq rq
dicu ai i e b du D i i
dtω ψ ωψ ω= + + − − + − − (4.34)
4.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp tựa theo hệ thụ động EL và Hamilton để khử sai lệch tĩnh
Phần này trình này cơ sở lý luận của phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp tựa theo hệ thụ động EL và Hamilton để khử sai lệch tĩnh:
Để tổng hợp bộ điều chỉnh ta thực hiện theo 2 bước: - Thiết kế bộ điều chỉnh dòng tựa theo hệ thụ động EL. - Kết hợp với luật điều khiển tựa theo hệ Hamilton để xây dựng bộ
điều chỉnh dòng mới trên cơ sở của bộ điều chỉnh dòng EL. Bộ điều chỉnh dòng rotor dưới dạng số:
![[DeltaViet] Cẩm nang cải thiện ngoại hình để giao tiếp tự tin](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5480b907b4af9fa5158b5dab/deltaviet-cam-nang-cai-thien-ngoai-hinh-de-giao-tiep-tu-tin.jpg)
