Mục Lục
Mục lục ……………………………………………………………….…………………………. 1
Lời giới thiệu 3
Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ, LỰA CHỌN ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU
KHIỂN.
5
1.1 Khái quát và lựa chọn đối tượng
8
1.2 Cấu trúc và điều khiển đối tượng
8
1.3 Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử
dụng MĐKĐBRTDQ nối lưới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều
khiển nghịch lưu phía máy phát như sau
10
Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 12
2.1 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ
12
2.2 Mô hình toán học phía máy phát và phía lưới
13
2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha
13
2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát
15
2.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và vô công phía máy
phát
22
2.2.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới
24
2.2.5 Mô hình gián đoạn phía lưới
28
2.2.6 Các biến điều khiển phía lưới
Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm
46
4.2.1.2. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ trên đồng bộ
48
1
10% (n=1650v/ph),Công suất vô công Q có bước nhảy từ 0 lên 700
Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm
4.2.2 Kết quả mô phỏng ở chế độ lỗi lưới ngắn mạch ba pha đỗi xứng 51
4.2.2.1. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ dưới đồng
bộ 10% (n=1350v/ph). Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về
0Nm cuối cùng về-10Nm. Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var
lên 1000 Var sau đó về 0
Var
51
4.2.2.2. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ trên đồng
bộ 10% (n=1650v/ph). Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về
0Nm cuối cùng về-10Nm. Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var
lên 1000 Var sau đó về 0
Var
54
4.3 Kết luận
56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………………….
57
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 62
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
65
LỜI GIỚI THIỆU
Xã hội loài người muốn tồn tại và phát triển thì một điều tất yếu không thể thiếu
được đó là phải duy trì nguồn năng lượng để nuôi sống xã hội đó. Trong đó điện
một khoảng thời gian trích mẫu, tuyến tính hóa mô hình hệ thống và tách kênh các
thành phần dòng. Tuy nhiên phương pháp này lại gặp phải một khó khăn lớn khi tần
số mạch rotor biến thiên do tốc độ gió thay đổi, đặc biệt là trong trường hợp lưới
điện gặp sự cố dẫn tới sập lưới, thì ngoài sự biến thiên mạnh của tần số mạch rotor,
của tốc độ máy phát, còn phải kể đến sự dao động của từ thông, điện áp lưới. Những
đặc điểm kể trên đã làm cho phương pháp điều khiển tuyến tính giảm hiệu lực.
Bản luận văn này giới thiệu một phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mà không
cần một giả thiết nào gần đúng vi phạm tới bản chất phi tuyến của MĐKĐBRTDQ,
đó là phương pháp điều khiển mô hình nội. Đây là phương pháp chưa được áp dụng
cho đối tượng MĐKĐBRTDQ. Với phương pháp này, thông qua bộ điều khiển phản
hồi trạng thái, hệ thống trở thành ổn định tiệm cận toàn cục trong toàn bộ không
gian trạng thái. Luận văn được chia thành:
Chương 1 Đặt vấn đề, lựa chọn đối tượng điều khiển
Chương 2 Mô hình toán học đối tượng điều khiển
Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án điều khiển đối tượng.
3
Chương 4 Mô phỏng và kết luận.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo trong trường Đại
học Kỹ thuật Công Nghiệp ĐH Thái Nguyên.
Đặc biệt là thầy giáo TS. Cao Xuân Tuyển đã hướng dẫn em tận tình trong quá
trình làm luận văn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng xong bản luận văn không tránh khỏi
những điểm sai xót hạn chế.Kính mong quý thầy cô cùng các bạn góp ý để luận văn
của em được hoàn thiện hơn.
Thái Nguyên, ngày 2 tháng 9 năm 2011
Người thực hiện
Đặng Thị Loan Phượng
Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ, LỰA CHỌN ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN.
1.1 Khái quát và lựa chọn đối tượng
tuốc bin gió có xu hướng sử dụng máy dị bộ nguồn kép làm máy phát trong các hệ
thống tuốc bin gió công suất lớn để giảm công suất của bộ biến đổi và do đó giảm
giá thành, vì bộ biến đổi được nối vào mạch rotor của máy phát, công suất của nó
thường chỉ bằng cỡ 1/3 tổng công suất toàn hệ thống, các thiết bị đi kèm như bộ lọc
biến đổi cũng rẻ hơn vì cũng được thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của toàn
hệ thống. Do đó đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phát điện sức gió sử
dụng máy điện không đồng bộ rô to dây quấn.
Hình 1.3 Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MĐKĐBRTDQ
Nhược điểm chính của tuốc bin gió với tốc độ thay đổi sử dụng MĐKĐBRTDQ
là vấn đề lỗi lưới. Lỗi lưới trong hệ thống năng lượng, thậm chí ở xa so với vị trí đặt
tuốc bin sẽ gây ra sụt điện áp lưới, dẫn tới từ thông quá độ dao động, làm cảm ứng
trong mạch rotor sức phản điện động có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực đại
của bộ biến đổi có thể tạo ra, sẽ gây mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn, có
thể phá hỏng bộ biến đổi.
1.2 Cấu trúc và điều khiển đối tượng.
Hiện nay, có hai cấu trúc hệ thống PĐSG dùng MĐKĐBRTDQ được sử
dụng: hệ thống sử dụng crowbar (hình 1.4) và hệ thống sử dụng stator switch (hình
1.5).
6
Hình 1.4 Hệ thống PĐSG dựa trên MĐKĐBRTDQ sử dụng crowbar
Hệ thống gồm có các điều khiển thành phần sau: điều khiển tuốc bin, điều khiển
vector, điều khiển crowbar hoặc stator switch.
a) Điều khiển tuốc bin
Nhiệm vụ của điều khiển tuốc bin là điều chỉnh tốc độ tuốc bin (sử dụng động cơ
servo để điều khiển góc cánh) và cung cấp giá trị đặt của mô men (hoặc công suất
tác dụng) cho mức điều khiển vector theo chiến lược điều khiển như sau (hình 1.6):
- Khi tốc độ gió nhỏ hơn giới hạn thấp của nó (khoảng 4 m/s), tốc độ của máy
phát được giữ ở tốc độ thấp, dưới đồng bộ 30% (1050 v/ph), công suất cực đại nhận
được từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió.
7
c) Điều khiển vector
Bao gồm hai điều khiển thành phần: Điều khiển nghịch lưu phía máy phát và
điều khiển nghịch lưu phía lưới.
• Điều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL)
9
Mục tiêu của điều khiển NLPL là duy trì trị số điện áp một chiều trung gian
không đổi theo giá trị đặt của nó phù hợp với bộ biến đổi nghịch lưu phía máy phát
(NLMP), và điều khiển hướng, trị số công suất vô công lên lưới.
• Điều khiển nghịch lưu phía máy phát(NLMP)
Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công suất tác dụng (thông qua mô men),
và công suất phản kháng lên lưới một cách độc lập với nhau, thông qua điều khiển
các thành phần dòng điện rotor, với việc áp dụng kỹ thuật điều khiển vector.
Với mục đích của luận án là nâng cao chất lượng hệ thống PĐSG sử dụng
MDKDB thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển
nghịch lưu phía máy phát, nên phần này sẽ phân tích cụ thể chi tiết nhiệm vụ, yêu
cầu của điều khiển NLMP
1.3 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với điều khiển nghịch lưu phía máy phát
Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử dụng
MĐKĐBRTDQ nối lưới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều khiển phía máy
phát như sau:
Ở chế độ làm việc bình thường, thực hiện bám lưới với tần số và điện áp lưới
không đổi; thực hiện điều chỉnh phân ly công suất tác dụng (thông qua mô men) và
công suất phản kháng lên lưới.
Ở chế độ sự cố (ngắn mạch gây sụt điện áp lưới), thực hiện bám lưới; cung cấp
công suất tác dụng lớn nhất có thể lên lưới ngay sau khi lỗi lưới để cấp dòng ngắn
mạch vào vị trí bị ngắn mạch để kích hoạt các thiết bị bảo vệ hệ thống năng lượng
tác động; điều chỉnh công suất phản kháng lên lưới để hỗ trợ lưới phục hồi điện áp,
đồng thời tạo điều kiện để hệ thống trở về chế độ bình thường ngay sau khi lỗi lưới
(vì mức điện áp lưới lúc này đã được nâng lên).
Ở chế độ sự cố, một vấn đề có thể xảy ra (nhất là khi sập lưới với mức độ lớn)
thường và lỗi lưới.
Ba yếu tố này được đề cập đếm trong bộ điều khiển phía máy phát dưới dạng
nhiễu sức phản điện động. Mục tiêu của đề tài là sử dụng phương pháp điều khiển
thích hợp, để bù sức phản điện động, giảm ảnh hưởng của nhiễu sức giảm điện động.
11
Chương 2
MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
2.1 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ
Hệ thống trên bao gồm một MĐKĐBRTDQ có cuộn dây stator được nối trực
tiếp với lưới điện ba pha [1]. Cuộn dây phía rotor được nối với hệ thống biến tần
(dùng van bán dẫn) có khả năng điều khiển dòng năng lượng đi theo hai chiều. Hệ
thống biến tần bao gồm hai cụm: cụm nghịch lưu phía lưới (NLPL) và cụm nghịch
lưu phía máy phát (NLMP). Hai cụm được nối với nhau thông qua mạch điện một
chiều trung gian. Cụm NLMP có nhiệm vụ điều chỉnh và cách ly công suất hữu
công và công suất vô công thông qua hai đại lượng
G
m
(mômen của máy phát) và
công suất vô công Q đồng thời đảm nhận việc hòa đồng bộ với lưới cũng như điều
chỉnh tách máy phát ra khỏi lưới khi cần thiết. Cụm NLPL trên thực tế không chỉ
có nhiệm vụ chỉnh lưu theo nghĩa thông thường: lấy năng lượng từ lưới về, cụm
còn có khả năng thực hiện nhiệm vụ hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung
gian trở lại lưới. Vì vậy, về cấu trúc mạch điện tử công suất, cụm NLPL hoàn toàn
giống như cụm NLMP. Cụm NLPL có nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp mạch
12
một chiều trung gian
DC
u
sao cho không phụ thuộc vào độ lớn cũng như chiều của
,
sv
i
,
sw
i
là các dòng điện hình sin, cùng biên độ, cùng tần số, lệch nhau
120
0
điện chạy trong ba pha dây quấn stator u, v, w .
Như vậy
( )
s
i t
là véc tơ không gian quay với tốc độ góc
2
s s
f
ω π
=
so với stator, với
s
f
là tần số mạch stator.
Đối với các đại lượng khác của mạch stator, như điện áp stator, từ thông stator ta
đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng tương tự như đối với dòng
điện stator kể trên.
Với MĐKĐBRTDQ, trên rotor cũng có cuộn dây ba pha r, s, t trong đó chảy ba
dòng điện
rr
r
i t
là vector không gian quay với tốc độ góc
ω
r
so với rotor, vì rotor quay
với tốc độ ω so với stator, nên
( )
r
i t
cũng quay với tốc độ
s r
ω ω ω
= +
so với stator.
Đối với các đại lượng khác của mạch rotor, như điện áp rotor, từ thông rotor ta
đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng tương tự như đối với dòng
điện rotor kể trên.
13
Hình 2.2 Biểu diễn các vector dòng stator, điện áp stator, từ thông stator trên hệ trục
toạ độ
αβ
và d,q
Bây giờ trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy điện), ta xây dựng một
hệ toạ độ cố định
αβ
có trục
α
trùng với trục cuộn dây pha u, và một hệ toạ độ quay
d,q có trục thực d trùng với véc tơ điện áp lưới u
1
( 2 )
3
s su
s su sv
i i
i i i
α
β
=
= +
(2.3)
0,5( 3 )
0,5( 3 )
su s
sv s s
sw s s
i i
i i i
i i i
α
α β
α β
=
s sd s sq s
i i i
i i i
α
β
ϑ ϑ
ϑ ϑ
= −
= +
(2.6)
Các công thức biến đổi cho vector dòng stator ở trên cũng đúng với các vector
khác như vector điện áp stator, dòng rotor, điện áp rotor, từ thông stator, từ thông
rotor.
14
2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát
Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát, thực chất là mô hình trạng thái liên
tục đối tượng MĐKĐBRTDQ. Cơ sở để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của
MĐKĐBRTDQ là các phương trình điện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây
stator, rotor.
Phương trình điện áp stator:
s
s
s
s
s
= +
(2.9a,b)
Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt cơ học nên các giá
trị điện cảm là bất biến đối với mọi hệ tọa độ quan sát. Do đó, (2.9) được dùng một
cách tổng quát, không cần có các chỉ số phía trên bên phải. Khi sử dụng trên hệ tọa
độ cụ thể ta sẽ điền thêm chỉ số.
Phương trình mômen:
( ) ( )
3 3
2 2
s r
G p s p r
m z i z i
ψ ψ
= × = − ×
(2.10)
Sau khi chuyển (2.7), (2.8), (2.9) sang biểu diễn trên hệ tọa độ dq là hệ toạ độ
quay với vận tốc góc
s
ω
so với hệ toạ độ cố định ta thu được hệ phương trình sau:
f
s
f
ψ
= + +
= + +
= +
= +
(2.11a,b,c,d)
với
s r
ω ω ω
= +
(2.12)
15
Chỉ số phía trên bên phải “f” để chỉ hệ tọa độ quay dq. Vì ta điều khiển
MĐKĐBRTDQ trên cơ sở phương pháp tựa theo điện áp lưới (tức là trên hệ tọa độ
quay dq) nên từ nay về sau, để cho thuận tiện, nếu không gây nhầm lẫn, ta quy ước
các đại lượng trên hệ tọa độ dq sẽ không cần viết chỉ số “f” ở phía trên bên phải nữa.
Do stator của MĐKĐBRTDQ được nối mạch với lưới nên tần số mạch stator
chính là tần số lưới, điện áp rơi trên điện trở
s
R
Mặt khác, thiết bị điều khiển được đặt ở phía rotor và ta có cơ hội để sử dụng
dòng rotor làm biến điều khiển trạng thái của đối tượng MĐKĐBRTDQ. Vì vậy ta
sẽ tìm cách thông qua 2 phương trình từ thông (2.11c,d) khử dòng stator
s
i
và từ
thông rotor
r
ψ
, giữ lại dòng rotor
r
i
và từ thông stator
s
ψ
rồi thay vào 2 phương
trình (2.11a,b) và biến đổi ta có:
/
/
/
1 1 1 1 1 1 1
1 1 1
r
r r
r s r s
r s s r m
s
r
s s s
s s m
/
s s m
L
ψ ψ
=
Viết (2.14) dưới dạng thành phần ta sẽ thu được mô hình điện toàn phần của
MĐKĐBRTDQ như (2.15).
16
/ /
/ /
/
/ /
/
1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
1 1 1
1
− − −
= − + + + − + −
− − −
= − − + + + + −
= − + +
=
rd
ψ
/ /
1 1
− − +
rq s sd sq sq
s m
u
T L
ω ψ ψ
(2.15)
Ở trên đã nhận xét: vector từ thông stator luôn đứng vuông góc với vector điện
áp stator. Trong tương quan cố định đó, việc hướng của vector nào được chọn làm
hướng tựa cho hệ thống điều chỉnh không có ý nghĩa quyết định nữa. Nếu tựa:
• theo hướng từ thông stator ta có:
0, 0
sd sq
u
u u u
=
là vector biến vào phía stator
•
T
r rd rq
u u u
=
là vector biến vào phía rotor
Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía stator B
s
, và ma trận vào phía rotor B
r
có
công thức như sau:
17
1 1 1 1 1
1 1 1 1 1
A
1 1
0
1 1
0
r
r s s
r
÷
=
−
−
(2.17a)
1
0
1
0
B
1
0
1
0
m
m
s
m
m
L
L
0 0
r
r
r
L
L
σ
σ
=
(2.17b,c)
Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ được thể hiện ở hình 2.3.
Hình 2.3 Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ
Các ma trận của mô hình (2.33) cũng có thể được viết dưới dạng các ma trận con
như sau:
11 12
21 22
A A
A
A A
=
1 1 1
A
1 1 1
r
r s
r
r s
T T
T T
σ
ω
σ
σ
ω
σ
−
− +
÷
=
−
− − +
÷
1
0
A
1
0
s
s
T
T
=
;
s
22
s
1
A
1
s
s
T
T
ω
ω
−
−
;
2
1
0
B
1
0
m
s
m
L
L
=
;
1
1
0
B
1
rd
r
rq
u
u
u
=
;
sd
s
sq
u
u
u
=
;
/
/
/
sd
s
sq
ψ
ψ
= − + + + − + −
− − −
= − − + + + + −
rd
rd r rq sd sq rd sd
r s s r m
rq
r rd rq sd sq rq sq
r s s r m
di
i i u u
dt T T T L L
di
i i u u
dt T T T L L
σ σ σ
ω ψ ωψ
σ σ σ σ σ
σ σ σ
ω ωψ ψ
m
L
σ
σ
−
1
; e =
s
T
σ
σ
−
1
Khi đó mô hình dòng rotor được viết dưới dạng:
/ /
/ /
= − + + − + −
= − − + + + −
rd
rd r rq sd sq rd sd
rq
r rd rq sd sq rq sq
di
;
rd
r
rq
u
u
u
=
;
sd
s
sq
u
u
u
=
;
/
/
/
sd
s
là ma trận đầu vào;
0 1
N
1 0
=
−
là ma trận tương tác phi tuyến; thành phần nhiễu
/
s
ψ
tác động vào hệ thống qua ma
trận
X
e b
b e
ω
ω
−
=
; thành phần nhiễu
s
u
tác động vào hệ thống qua ma trận
0
ϑ
. Trên hệ tọa độ dq tựa
hướng điện áp lưới, các thành phần
rd
u
,
rq
u
là hai đại lượng một chiều, không chứa
r
ω
. Như vậy đầu vào của mô hình dòng rotor, là vector điện áp rotor, ngoài hai
thành phần
rd
u
,
rq
u
thể hiện module
r
u
còn phải có
r
ω
. Do đó
r
ω
là đại lượng vào
thứ 3. Qua đó ta thấy mô hình trạng thái (2.22) có chứa tích của vector trạng thái
r
r r
G p s p r s
s
L
m z i z L i
L
ψ σ ψ
= − × = − − ×
(2.23)
Xét trên hệ trục tọa độ tựa hướng véc tơ điện áp lưới (THĐAL), khi đó ta còn có
0
sd
ψ
=
. Công thức tính mômen sẽ có dạng sau:
/
3 3
(1 )
2 2
m
G p sq rd p r sq rd
s
L
m z i z L i
L
ψ σ ψ
= − = − −
(2.24)
(2.26)
Từ (2.26), ta có:
3
sd sd
P u i=
; (2.27)
3
sd sq
Q u i= −
(2.28)
Ta đã biết rằng
s
ψ
gần như không đổi và chỉ phụ thuộc điện áp lưới. Trên tinh
thần nhận xét đó, ta viết lại hệ phương trình (2.9) như sau, trong đó các phương
trình trong hệ được viết dưới dạng thành phần trên hệ tọa độ THĐAL:
/
/ /
0
s
sd sd rd
m
s
sq sq rq s
m
L
i i
L
L
i i
= −
= −
(2.30a,b)
Thay (2.30) vào (2.27) và (2.28), ta có:
3
m
sd rd
s
L
P u i
L
= −
(2.31) ;
( )
'
3
m
sd sq rq
s
L
Q u i
L
ψ
rd
i
/
s
ψ
ϕ
r
i
Hình 2.7 Đồ thị vector dòng, áp, từ thông của MĐKĐBRTDQ
2.2.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới
Hình 2.8 mô tả sơ đồ nguyên lý phía lưới điện sau khi đã tách ra từ mô hình
tổng thể toàn hệ thống:
24
DSP
3~
BiÕn ¸p
L íi
®iÖn
3~
3~
U
DC
L
D
R
D
CL
Filter
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý phía lưới
25
Copyright: Tài liệu đại học ©