BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN ĐỨC

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT
THÍCH NGHI TRONG ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ
MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ BA PHA THUỶ ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI

Phản biện 1: TS. NGUYỄN LÊ HÒA

Phản biện 2: TS. GIÁP QUANG HUY

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 06
tháng 5 năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

4. Phƣơng pháp nghiên cứu


2
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng kiểm chứng.
5. Bố cục đề tài
Luận văn được chia thành 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống kích từ.
Chương 2: Mô hình hóa các phần tử trong hệ thống kích từ.
Chương 3: Lý thuyết điều khiển trượt thích nghi và áp dụng
trong điều khiển hệ thống kích từ.
Chương 4: Tính toán bộ điều khiển trượt thích nghi, mô phỏng
và đánh giá kết quả..
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ
1.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA CHẤT LƢỢNG ĐIỆN
NĂNG
Chất lượng điện năng là các yếu tố liên quan đến tiêu chuẩn kỹ
thuật và độ tin cậy của lưới điện. Lưới điện Việt Nam bao gồm các
yếu tố đưới đây:
1.2.1. Tần số
1.2.2. Điện áp
1.2.3. Cân bằng pha
1.2.4. Các chỉ số về độ tin cậy cung cấp điện
1.2.5. Các yếu tố khác
1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KÍCH TỪ
1.2.1. Giới thiệu chung
Hệ thống kích từ là bộ phận có chức năng tạo ra dòng điện một
chiều đưa vào cuộn dây rotor máy phát điện để tạo ra từ trường phần


Bộ tạo dòng
kích từ

Máy
phát điện

Bộ ổn định công
suất hệ thống
Hình 1.1. Sơ đồ khối chức năng hệ thống kích từ

Đến hệ
thống
điện


4
1.2.4. Các loại hệ thống kích từ:
Trải qua quá trình phát triển, có 3 loại hệ thống kích từ sau:
a. Hệ thống kích từ DC
b. Hệ thống kích từ AC
c. Hệ thống kích từ tĩnh
1.3. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ TRONG
VÀ NGOÀI NƢỚC
1.3.1. Các nghiên cứu trong nƣớc
a. Sự ảnh hưởng của hệ thống kích từ có PSS đến ổn định hệ
thống điện
b. Ứng dụng lý thuyết RH∞ để nâng cao chất lượng bộ PSS
của hệ thống kích từ
1.3.2. Các nghiên cứu ngoài nƣớc

(2.1)

60

Trị số hiệu dụng sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator:
Et

2 fNs

f

(2.3)

2.1.2. Các phƣơng trình điện áp viết trong hệ tọa độ abc
Thông thường máy phát đồng bộ được mô tả bởi 3 cuộn dây
stator gắn với cuộn dây damper đặt trên hệ tọa độ vuông góc dq
(cuộn D,Q) và cuộn kích từ (cuộn f) đặt trên trục d như Hình 2.1.

Hình 2.1. Sơ đồ bố trí các cuộn dây stator và rotor
của máy điện đồng bộ


6
Phương trình ma trận điện áp/dòng điện trong máy phát điện
đồng bộ:
I ABCfDQ

RABCfDQ

LABCfDQ


r

(2.14)

T
ABCfDQ

,
A

,
B

r

,
C

,
f

r

r

,
D

Q


I d Rs Vd
I q Rs Vq

r

q

(2.28)
r

dt

d

Hệ phương trình phần rotor:
I f Rf

d

Vf

f

dt

d D
dt
d Q




8
Quan hệ giữa từ thông và dòng điện:
d

Lsl I d

Ldm I d

ID

q

Lsl I q

Lqm I q

IQ

f

L fl I q

Ldm I d

ID

D



ID

I Dr .K D

IQ

I Qr .K Q

(2.34)

2
3K 2f

L fl

Lrfl

LDl

2 1
LrDl . . 2
3 KD

LQl

LrQl

2 1
3 KQ2


(2.36)

(2.37)


9
Kf

KD

KQ

Mf

(2.38)

Ldm

MD
Ldm
MQ

(2.39)
(2.40)

Lqm

2.1.4. Mô hình d-q trong hệ tƣơng đối (P.U)
Phương trình (2.33) được viết lại trong hệ đơn vị tương đối như

0

rs i0

1 d
b dt

f

i f rf

1 d
b dt

D

iD rD ;

1 d
b dt

Q

d

q

lsl id

ldm id


lDl iD

ldm (id

iD

iF )

lQl iQ

lqm (iq

iQ )

Q

2.1.5. Trạng thái xác lập trên mô hình d-q
V s0

rs I s 0

j

r

s0

(2.56)


lq s

1 sTd' 1 sTd"
1 sTd' 0 1 sTd"0
1 sTq"
1 sTq"0

.ld

.lq

P.U .

(2.62)

P.U .

trong đó:
Td'

1
l fl
b rf

Td"

1
lDl
b rD


,[s]

(2.63)

l fl ) [s]

Tq"

1
(lQl
b rQ

ldmlsl
) [s]
lqm lsl

Tq"0

1
(lQl
b rQ

lqm )

lDl
b rD

TD

với:


KCL
Tcl s 1

(2.70)

2.3. MÔ HÌNH BỘ ĐO LƢỜNG PHẢN HỒI
Mô hình khối đo lường phản hồi như Hình 2.7
M
i1
u1

r1

u2

L
Hình 2.7. Mô hình bộ đo lường phản hồi
Phương trình hàm truyền bộ đo lường:

G ph ( s )

U 2 ( s)
U1 ( s )

2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2

K ph
sTph 1


s(e ce ce) s(e ce) sce 0

(3.41)

Nếu độ dốc c không đổi thì chỉ tồn tại phần đầu trong vế trái của
(3.32). Như vậy để hệ ổn định tiệm cận thì :
s(e ce) 0

(3.42)

Phương pháp biến đổi mặt trượt là dùng mặt trượt s(x) có độ dốc
biến đổi theo sai lệch. Để thực hiện quá trình trượt, với cấu trúc bậc
nhất:


13

s ( x)

x cx

(3.43)

0

Thì các điều kiện ràng buộc sẽ là:
- x phải là biến trạng thái trong hệ
- c>0 trong hệ SISO hoặc phải chứa các phần tử dương trên
đường chéo trong hệ MIMO.
Nếu đặt hệ thống trong dạng mô tả tổng quát bậc không hạn chế,

u

Bộ tạo dòng
kích từ

Máy
phát

Hình 3.5. Cấu hình bộ điều khiển trượt thích nghi
3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3

V

y


14
CHƢƠNG 4
TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI,
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT
THÍCH NGHI
4.1.1. Tính toán các thông số của mô hình
a. Thông số máy phát
Theo mô hình máy phát như trình bày ở Chương 2, nếu bỏ qua
điện cảm tản giữa dây quấn và trục d, lfDl=0. Thay vào các phương
trình (2.63) và (2.64) ta có:

Td"


(4.1)

; s

(4.2)
(4.3)

Td"0

1
lDl
b rD

l fl ldm

;s

(4.4)

Tq"

1
lQl
b rQ

ldmlsl
; s
lqm lsl

(4.5)

0.909
2.161 5.456525 [s]
0.36

"
d0

ld' "
Td
ld"

0.36
0.068 0.094154 [s]
0.26

T

rf

ld

(4.21)

0.679 0.1718
0.00049 [pu ]
(5.456525 2.161) 2 50
2.161 2 50 0.00049 0.1718 0.160783 [pu ]
0.094154 0.083056 0.068 0.13
0.039 [pu ]
0.068 0.094154

K ph 1, Tph

0.001 [s ]

(4.25)

4.1.2. Tổng hợp hàm truyền hệ thống kích từ:
Để thiết kế bộ điều khiển ta sử dụng mô hình tổng hợp đã được
xây dựng ở Chương 2 như Hình 4.1.
Vref +
∑
Bộ ĐK

Vt

-

Hình 4.1. Sơ đồ hàm truyền hệ thống kích từ máy phát
Hàm truyền vòng lặp kín mô tả đối tượng khi chưa có bộ điều
khiển:
Gc (s)
Gk ( s)

K CL (TD s 1)(Tph s 1)
K CL K ph (TD s 1) (Tcl s 1)(Td' 0 s 1)(Td"0 s 1)(Tph s 1)
b1s 4

a1s 2 a2 s a3
b2 s 3 b3 s 2 b4 s b5


truyền bộ điều khiển trượt bộ hệ thống kích từ máy phát như Hình
D
Vref

+

∑

SMAC

u

-

Bộ tạo
dòng KT

Máy
phát

+

Vg
∑

4.2.
Hình 4.2. Sơ đồ hệ thống kích từ sử dụng
bộ điều khiển trượt thích nghi
4.1.3. Tính toán u điều khiển của bộ điều khiển trƣợt
Mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu điều khiển như sau:

(4.53)


18
4.1.4. Tính toán bộ điều khiển PID
Để đánh giá so sánh đáp ứng giữa bộ điều khiển trượt với bộ
điều khiển PID ta xây dựng bộ điều khiển PID cho đối tượng có hàm
truyền đạt:

0.746032s 24
y
(4.54)
2
0.51962s 6.277044s 25 u
Để tối ưu hóa thông số của bộ PID ta sử dụng chức năng Tuning
Gk (s)

của khối PID Controller trong Matlab Simulink, sau khi tunning ta có
hệ số:
KP = 0.0658, KI = 0.0218, KD = -0.0474.

(4.55)

4.2. MÔ PHỎNG
4.2.1. Khi chƣa thích nghi mặt trƣợt (SMC)
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển SMC và PID như Hình 4.3.

Hình 4.3. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển SMC và PID
Thay đổi các tham số K và λ ta có kết quả mô phỏng như Hình
4.4.

Sai số Thời
quá
Sai số gian quá
xác
gian
điều xác lập xác điều
lập
xác
chỉnh
(pu)
lập chỉnh
(pu) lập (s)
(pu)
(s)
(pu)

K

-

Giảm tải 5%

-

0

21 0.073

0.0000 4.50


1.98

0

0.0010 0.55

0

50 100 0.0035

0.36

0

0.0035 0.15

0

50 150 0.0040

0.24

0

0.0040 0.12

0


21


23
Bảng 4.3. So sánh các đáp ứng giữa bộ điều khiển PID và SMAC
Chỉ số

Khởi động

Tải -5%

Tải -10%

Tải +10%

PID SMAC PID SMAC PID SMAC PID SMAC
Sai số
XL
(pu)

0

0.001

0

0.001

0

0.001


0.003 0.007

0.003

0

0.003

Tích
phân 1.663
SLXL

0.217 1.667

0.217 1.68

0.217

1.68

0.217

Tích
phân 2.034
SLQĐ

0.043 2.164

0.044 2.553