1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ÔN NHẬT MAI SƠN

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ
THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG
MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP BẰNG BỘ ĐIỀU
KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU
KHIỂN PID
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. ĐỖ TRUNG HẢI

TS. ĐẶNG DANH HOẰNG
PHÒNG ĐÀO TẠO

TS. ĐẶNG DANH HOẰNG
THÁI NGUYÊN 2017


2



Chương 1
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC
GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP
1.1. Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu
Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các turbine gió trong việc
cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm”
gồm nhiều turbine gió nối mạng với nhau. Các “Wind farm” có thể được xây dựng
trên đất liền như hình 1.1, hoặc xây dựng trên các vùng biển “Offshore” như hình
1.2. Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên đến hàng chục MW.
Nhằm đáp ứng cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép (MĐKĐBNK), luận văn tập trung
vào nội dung thiết kế cấu trúc điều khiển mờ MĐKĐBNK.
Hiện nay nhiều nước trên thế giới sử dụng các hệ thống máy phát (MP) điện
sức gió với 2 kiểu turbine: Turbine trục đứng và trục ngang, mỗi loại đều có những
ưu nhược điểm nhất định chẳng hạn như kiểu turbine trục đứng có mômen xoắn lớn
nên không phù hợp đặt ở trên cao, vì vậy chỉ đặt ở những vị trí thấp và có tốc độ gió
nhỏ dẫn đến thường có công suất vừa và nhỏ. Với turbine kiểu trục ngang sẽ khắc
phục được nhược điểm trên của turbine trục đứng nhưng nhược điểm là chi phí xây
dựng lắp đặt cao. Chính vì vậy tuỳ vào điều kiện thực tế mà người ta lựa chọn kiểu
turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp.

Hình 1.1: Một Wind farm trên đất liền gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau


4

Hình 1.2: Một Wind farm trên biển gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau

Cho đến thời điểm hiện tại đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ

Hình 1.3: Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn


5

Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ 3 pha
kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc như hình 1.4.

≈
Hộp số

=

MF

≈

=

Hình 1.4: Máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu hoặc không đồng bộ 3 pha rotor
lồng sóc

Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ 3
pha nguồn kép như hình 1.5.

Hộp số

MF

≈

được thể hiện như sơ đồ hình 1.7.
Trên đồng bộ
Chế độ máy phát
0>s>-

-1

n

ns

Trên đồng bộ
Chế độ động cơ
0>s>-

0

Dưới đồng bộ
Chế độ máy phát
1>s>0

Dưới đồng bộ
Chế độ động cơ
1>s>0

0 1

m

a)


Cuốn chiếu
(Backstepping based)

Phương pháp điều
khiển phi tuyến

Tuyến tính hoá
chính xác (Exact
linearization)

Tựa phẳng
(Platness based)

Tựa theo
thụ động
(Passivity based)

Mờ
(Fuzzy)

Hình 1.7: Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK
Từ hình 1.7, cho thấy phương pháp điều khiển mờ, là mục tiêu áp dụng để
điều khiển MĐKĐBNK trong hệ thống máy phát điện sức gió. Vì vậy việc lựa chọn
phương pháp điều khiển này cho thấy đây là một trong những phương pháp khả dĩ
có thể áp dụng cho đối tượng nghiên cứu MĐKĐBNK nhằm tăng khả năng áp dụng
vào thực tiễn.
1.2. Các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng
MĐKĐBNK
Cấu trúc điều khiển đầy đủ của hệ thống phát điện sức gió sử dụng

lọc

Crowbar
Cấp 1

Điều khiển
Crowbar

(Phuơng pháp điều khiển
véc tơ cho NLPL và NLMP)
Tem*

Vbus*

Qf*

Qs*

Wm


*

Cấp 2
(Điều khiển turbine)

VW
Hình 1.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar

Tem


Vbus*

Qs*

Qf*

Wm
Cấp 2
(Điều khiển turbine)

VW

Hình 1.9: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch

Lưới


9

1.2.1. Điều khiển turbine
Công suất của turbine gió
Công suất của turbine gió được tính theo công thức [16, 17, 18]:
Ptb 

1
3
tb Rcg2 vgm
Ctb
2

của turbine. Chính vì vậy với một góc pitch cố định và ở một tốc độ gió cho trước
thì công suất của một turbine gió còn phụ thuộc vào tốc độ quay của nó nữa.
Phương pháp điều khiển
Nhiệm vụ của điều khiển turbine là điều khiển tốc độ turbine để duy trì công
suất được biến đổi từ năng lượng gió thành công suất cơ trên trục của turbine là cực
đại thì cần phải đảm bảo giá trị của hệ số Ctb là tối ưu ứng với từng tốc độ gió nhỏ
hơn tốc độ gió lớn nhất cho phép. Ứng với tốc độ gió mà ở đó công suất của máy phát
đã đạt đỉnh thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn công suất turbine. Ở tốc độ
gió nhỏ hơn tốc độ nhỏ nhất cho phép hoặc lớn hơn tốc độ lớn nhất cho phép của


10

turbine thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ khí để giữ cho
turbine không quay. Muốn vậy thì tốc độ trục cơ của turbine gió (được nối với trục
rotor của MĐKĐBNK thông qua một hộp số) phải được thể hiện ở công thức (1.1),
(1.2), và (1.3). Đây cũng chính là vấn đề được nhiều người quan tâm [14, 16].
Dưới đây là mối quan hệ giữa công suất của turbine với tốc độ góc quay của
nó ứng với các tốc độ gió khác nhau, thể hiện trên hình 1.10.
Vùng công suất không đổi

Công suất turbine (%)

100%
Vùng công suất tối ưu
VW = 20 m/s
VW = 18 m/s

50%


- Khi công suất của máy phát đã đạt đến giới hạn lớn nhất cho phép mà tốc
độ gió vẫn tiếp tục tăng thì có thể điều chỉnh tốc độ quay của turbine ứng với từng
tốc độ gió sao cho Ctb đạt được giá trị nhỏ hơn giá trị tối ưu hoặc điều chỉnh góc
pitch để giữ cho công suất cơ trên trục của turbine là hằng số. Vùng làm việc như
vậy còn được gọi là vùng công suất không đổi.
- Khi điều chỉnh hệ số Ctb và góc pitch đã ở mức tới hạn mà tốc độ gió vẫn
tiếp tục tăng thì bắt buộc phải cắt máy phát để bảo vệ turbine và các bộ biến đổi
công suất.


11

Cần lưu ý việc điều chỉnh tốc độ quay của turbine có thể thực hiện trực tiếp
bằng cách thay đổi góc pitch của cánh gió, thay đổi hướng nhận gió của các cánh
gió hoặc thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc điều chỉnh công suất đầu ra
của máy phát.
1.2.2. Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch
Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến đổi công suất khi xuất hiện dòng cân bằng lớn
khi xảy ra lỗi lưới (ngắn mạch lưới).
Với hệ thống sử dụng crowbar, khi xảy lỗi lưới, nếu dòng cân bằng lớn quá
mức cho phép của bộ biến đổi, lúc này điều khiển crowbar sẽ kích hoạt, làm ngắn
mạch rotor, rẽ dòng ngắn mạch qua crowbar để bảo vệ bộ biến đổi, khi đó máy phát
bị mất điều khiển. Khi biên độ dòng quá độ giảm đến mức an toàn, “crowbar”
ngừng tham gia, lúc này mới có thể phục hồi điều khiển được máy phát.
Với hệ thống sử dụng stator switch, khi lỗi lưới, nếu dòng quá độ rotor vượt
quá mức cho phép của bộ biến đổi, bộ chuyển mạch điện tử công suất thyristor phía
stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lưới, tuy nhiên vẫn duy trì điều khiển phía rotor để
điều khiển hòa đồng bộ máy phát trở lại lưới khi biên độ dòng quá độ giảm đến mức
an toàn của bộ biến đổi, và việc phát công suất tác dụng, phản kháng lên lưới được
khôi phục trở lại.

uN

NLPL
Bộ lọc

NLMP
uDC

3~

us

MĐN

=

HS

=

MP

3~

ir
iN

IE

is

thực tế cũng như ở các đề tài trước đã nghiên cứu đều khẳng định NLPL không chỉ
là chỉnh lưu thông thường: Lấy năng lượng từ lưới về, mà nó còn có khả năng thực
hiện hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại phía lưới. Vì vậy, cấu
trúc mạch điện tử công suất, phần NLPL hoàn toàn giống như phần NLMP, hơn nữa
NLPL còn có nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp mạch một chiều trung gian uDC
sao cho không phụ thuộc vào độ lớn cũng như chiều của dòng năng lượng chảy qua
rotor, đồng thời nó điều chỉnh hệ số công suất cos phía lưới và qua đó có thể giữ
vai trò bù công suất phản kháng. NLPL và NLMP được điều khiển đóng cắt dựa
trên nguyên lý điều chế véctơ không gian (ĐCVTKG) [8].
1.3.1. Mô hình điều khiển nghịch lưu phía máy phát
1.3.1.1. Biểu diễn vectơ không gian các đại lượng 3 pha
Giả thiết máy điện làm việc ở chế độ bình thường là đối xứng. Lúc này xét
trên mặt phẳng cắt ngang của máy điện, véc tơ không gian dòng điện stator của
MĐKĐBNK được định nghĩa bằng biểu thức sau [8, 9, 10, 15]:
i s (t ) 

2
j1200
j 2400 
i
(
t
)

i
(
t
)
.
e

ir (t ) 

0
0
2
irr (t )  irs (t )e j120  irt (t )e j 240   i r e jr t


3

(1.5)

Đại lượng ir(t) là véc tơ không gian quay với tốc độ góc r = s -  so với
stator.
Đối với các đại lượng khác của mạch rotor cũng được xây dựng như đối với
dòng điện rotor ở trên.
Bây giờ trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy điện), xây dựng hệ
trục toạ độ cố định ,  có trục  trùng với trục cuộn dây pha u, và hệ trục toạ độ d,
q có trục thực d trùng với véc tơ điện áp lưới us (uN), nghĩa là hệ trục toạ độ d, q này
quay với tốc độ s = 2fs so với stator (hình 1.12).
j
jq

is

is

s

d

(1.6)


isd  is cos s  is sin s


isq  is sin s  is cos s

(1.7)

isu  is

isv  0,5(is  3.is )

isw  0,5(is  3.is )

(1.8)

is  isd cos s  isq sin s



is  isd sin s  isq cos s

(1.9)

Các công thức ở trên cũng đúng với các đại lượng khác.
1.3.1.2. Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát
Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát trong hệ thống máy phát điện chạy
sức gió là mô hình trạng thái liên tục của máy phát sử dụng MĐKĐBNK. Cơ sở để


(1.12)

Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt hình học nên các
giá điện cảm là bất biến đối với mọi hệ toạ độ quan sát. Vì vậy (1.12) được dùng
một cách tổng quát không cần có các chỉ số trên. Khi sử dụng trên hệ toạ độ cụ thể
thì sẽ điền thêm chỉ số.
Phương trình mô men:

3
3
mG   z p (ψ s  i s )   z p (ψ r  i r )
2
2

(1.13)


16

Sau khi chuyển các biểu thức trên sang biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq suy ra
hệ phương trình:

dψ s
 js ψ s
us  Rs i s 
dt


dψ r

của đối tượng MĐKĐBNK. Vì vậy ta kết hợp các phương trình trên và suy ra được
biểu thức (1.16):
1 1 1
1 1
1
1
 di r
'
 dt    ( T  T )i r  jr i r   ( T  j )ψ s   L ur   L us

r
s
s
r
m
 '
 dψ s  1 i  ( 1  j )ψ '  1 u
r
s
s
s
 dt
Ts
Ts
Lm

với ψ 's 

(1.16)


)irq  r ird 
 ( 

L

L

T

T
T

dt
m
r
s
s
r

 d '
 sd  1 i  1  '    '  1 u
sd
s sq
sd
rd
 dt
Lm
Ts
Ts
 '

Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía stator Bs và ma trận vào phía rotor Br:
 1 1 1
  (T  T )
r
s


 r


A

1

T
s


0



 1
 L
 r

Br   0

 0


 


1
Ts

0



1
Ts

 s

1



. 


1 
;
 Ts 


s



1 

Lm 
0

(1.19)

;


18

Các ma trận của mô hình (1.18) cũng có thể được viết dưới dạng các ma trận
con như sau:
B
A12 
A
; Bs   s1  ; Br  Br1 
A   11

 A 21 A 22 
 Bs 2 
 Br 2 

(1.20)

Trong đó:
 1 1 1

 1

L
m
Bs2  

0


 1
  L
m
 ; Bs1  
1

 0
Ts 


 1

0
 T
 ; A 22   s

1
  s

Ts 


 1

. 


1 
 .Ts 



;
1 

 Lm 
0

0
0

(1.21)

Lúc này phương trình có dạng:
 di r
 dt   A11 A12  x  Bs1u s  B r1u r
 '
 d s   A
A 22  x  Bs2u s  B r2u r
21
 dt

(1.22)


 dird
'
 dt    ( T  T )ird  r irq   ( T  sd   sq )   L urd   L u sd

r
s
s
r
m

 dirq   1 ( 1  1   )i   i  1   ( 1  '   ' )  1 u  1   u
rq
r rd
sd
 dt
 Tr
Ts
 Ts sq
 Lr rq  Lm sq
 1 1

  Tr  Ts

Đặt a  

(1.23)


1
1

Để thấy rõ đặc điểm phi tuyến của mô hình dòng, ta chuyển hệ (1.24) dưới
dạng ma trận như sau:
di r
 Ai r  Ni r ωr  X 's  Bu r  Su s
dt

ird 

urd 

u 

(1.25)
 ' 

Trong đó: i r    ; u r    ; u s   sd  ; ψ's   sd'  ;
 sq 
urq 
irq 
u sq 
 a
A
0
 0
N
 1

c
0 
là ma trận hệ thống; B  

(tần số fr). Có thể tạm thời bỏ qua không xét tới góc pha 0. Trên hệ toạ độ dq tựa
hướng điện áp lưới, các thành phần urd, urq là hai đại lượng một chiều, không chứa

r. Như vậy đầu vào của mô hình dòng rotor là véc tơ điện áp rotor, ngoài 2 thành
phần urd, urq thể hiện module u r còn phải kể đến r. Do đó r là đại lượng vào thứ
3, qua đó ta thấy mô hình trạng thái (1.25) có chứa tích của 2 véc tơ trạng thái ir với
biến đầu vào r thông qua ma trận N. Do vậy N được gọi là ma trận tương tác phi
tuyến. Hơn nữa trong điều kiện lỗi lưới, điện áp stator thay đổi và có sự dao động


20

của từ thông stator dẫn đến bộc lộ tính phi tuyến cấu trúc của mô hình dòng rotor
MĐKĐBNK.
1.3.2. Các biến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phía máy phát
Với MĐKĐBNK độ lớn của mô men điện mG do máy sinh ra đặc trưng cho
độ lớn của công suất tác dụng (phát ra ở chế độ máy phát và lấy từ lưới vào ở chế
độ động cơ). Việc điều chỉnh công suất tác dụng phải tiến hành độc lập với công
suất phản kháng Q đã đặt trước cho thiết bị. Để giải quyết vấn đề này ta phải tìm
các đại lượng có thể điều chỉnh trực tiếp ảnh hưởng của mG và công suất phản
kháng Q để tìm cách áp đặt giá trị mong muốn.
Các công thức (1.12) và (1.13) cho phép ta tính được mô men điện của
MĐKĐBNK. Vì máy điện chịu sự tác động điều chỉnh từ phía rotor nên công thức
tính có chứa dòng rotor sẽ là hữu ích. Từ (1.12) và (1.13) ta rút ra được công thức
tính mô men:
3 L
3
mG   z p m  ψs  ir    z p (1   ) Lr ψ's  ir 
2 Ls
2

Trên hệ toạ độ tựa theo điện áp lưới, usq = 0 do đó (1.28) trở thành:

3
3
3
usis* = usdisd - j usdisq
2
2
2
3
Từ (1.29) ta dễ dàng suy ra được: P = usdisd
2
3
Q = - usdisq
2
S = P +jQ =

(1.29)
(1.30)
(1.31)


21

Ta viết lại hệ phương trình (1.12) thành:
Ls


'



Thay (1.33) vào (130) và (1.31), rút ra được:
P

3 Lm
usd ird
2 Ls

(1.34)

Q

3 Lm
usd ( 'sq  irq )
2 Ls

(1.35)

sin  

isq

(1.36)

is

Và từ (1.32) và (1.36), suy ra biểu thức (1.37):
irq   sq' 

Ls


irq

ird
ir
Hình 1.13: Đồ thị véc tơ dòng, áp, từ thông của MĐKĐBNK

Luới

u v w
Từ mạch một
MĐN
chiều trung
gian

uDC

Khâu
ĐCMM
mG
*

mG

i*rd

-

TSP i*rq
Q*


ĐCVTKG

3~
MP

NL

q

irr

ir

ird

r



irq

e-jr irβ
2

isd

is

Q

isu
isv

N

uNu

*

u sq

N

PLL

uNv

uNd =

us

Hình 1.14: Cấu trúc điều khiển nghịch lưu phía máy phát sử dụng MĐKĐBNK


23

u v w

Luới


-

ĐCVTKG



N

Khâu ĐCQ
Tính Q

MĐN

CL

tu
tv
tw

uN

iNd

iN

iNq

e-jr i
Nβ


TSP i*rq
Q*
Q

 isdq

-

Khâu ĐCQs

urq

usd

’*sd r

u*sd

q

q

q

ejr

tr
ts
tt



IE

n

q

Q
mG

ura

2

GTT

r
is

isd
i*rd
i*rq

’*sd

isq

e-jN isβ

’*sq


Hình 1.15: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát phía máy phát và phía lưới hệ thống phát
điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK


24

Từ mô hình hệ thống phía máy phát, để có thể hoà được máy phát lên lưới, ta
sử dụng cấu trúc điều khiển phía lưới theo tài liệu [8] và được cấu trúc điều khiển
hệ thống máy phát điện sức gió nối lưới như hình 1.15.
1.4. Kết luận chương 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan về hệ thống máy phát điện sức gió với việc sử dụng một số loại
máy điện thông dụng hiện nay cũng như các phương pháp điều khiển có thể áp dụng
để điều khiển.
- Xây dựng cấu trúc điều khiển dòng điện phía máy phát trong hệ thống phát
điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép làm tiền đề đi đến
nghiên cứu các bộ điều khiển dòng phía máy phát ở các chương tiếp theo.


25

Chương 2
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển PID
Như ở chương 1 ta đã xây dựng được cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát
điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép và được thể hiện trên hình 1.8.
Trong đó phạm vi nghiên cứu của luận văn tập chung vào nghiên cứu bộ điều khiển
dòng phía máy phát và trong chương này bộ điều khiển dòng phía máy phát R I được
sử dụng là bộ điều khiển PID. Ta có cấu trúc điều khiển phía máy phát như hình 2.1


Khâu ĐCQ

urd

PID
urq

ejr

usd

tr
ts
tt

urb

r

r
S

t

ĐCVTKG

3~
MP


IE

n

GTT

r
i*rd
i*rq

’*sd
’*sq
u*sd
u*sq



isq

e-jN isβ 2

GTĐ

3

isv

N
N