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

i



LỜI CAM ĐOAN



Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Ngoài các
tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng Offline, thời
gian thực được thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS. TSKH. Nguyễn Phùng
Quang là trung thực.



Tác giả



Đặng Danh Hoằng

ii



LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa
sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô
giáo, các anh chị tại Trung tâm công nghệ cao Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp
đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản
luận án của mình.
Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo GS. TSKH. Nguy
ễn
Phùng Quang - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác
giả hoàn thành bản luận án này.
Qua đây tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong ban giám
hiệu trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện và có những khích lệ,
động viên kịp thời để tác giả hoàn thành bản luận án.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS. Nguy
ễn Như
Hiển - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện
để tác giả thực hiện thành công bản luận án này.

iii

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt vii
Danh mục các bảng biểu xi
Danh mục các hình vẽ và đồ thị xii
Mở đầu 1
Chương 1. Tổng quan 5
1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu 5

1.2 Các thành phần điều khiển của hệ thố
ng phát điện sức gió sử dụng
MĐKĐBNK
9
1.2.1 Điều khiển turbine 10
1.2.2 Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch 12
1.2.3 Điều khiển véc tơ 13

1.3 Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng

MĐKĐBNK
13

1.4 Tổng quan các vấn đề đã được giải quyết, các vấn đề tồn tại và
phương pháp
điều khiển
15
1.4.1 Các vấn đề đã được giải quyết 15
1.4.2 Các vấn đề còn tồn tại 15
1.4.3 Giải pháp điều khiển 16
Chương 2. Phương pháp điều khiển tựa theo thụ động 17
2.1 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động 17
2.2 Hệ Euler - Lagrange 18

iv
2.3 Phương trình Euler-Lagrange 19
2.4 Các đặc tính của hệ EL 21
2.4.1 Đặc điểm thụ động của hệ EL 21
2.4.2 Khả năng phân tích hệ EL thành các hệ thụ động con 23
2.4.3 Đặc điểm bảo toàn hệ EL khi nối các hệ con với nhau 25
2.4.4 Đặc điểm thụ động của hệ kín 26
2.4.5 Một số giả thiết và định nghĩa khác 27
2.5 Đặc tính ổn định của hệ EL 28
2.5.1 Hệ suy giảm toàn phần 28
2.5.2 Hệ suy giảm riêng 29
2.6 Kết luận chương 2 29
Chương 3. Mô hình hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió 30
3.1 Mô hình toán học phía máy phát và phía lưới 30
3.1.1 Biểu diễn vectơ không gian các đại lượng 3 pha 30
3.1.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát 31

3.1.3 Các biến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phía
máy phát
36
3.1.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới 38
3.1.5 Mô hình gián đoạn phía lưới 41
3.1.6 Các biến điều khiển phía lưới 41

3.2 Khả nă
ng ứng dụng phương pháp passivity - based cho máy phát
không đồng bộ 3 pha nguồn kép
44
3.2.1 Phương trình EL của động học máy phát 44
3.2.2 Đặc điểm thụ động của máy phát 46
3.3 Kết luận chương 3 47

v
Chương 4. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió theo
phương pháp passivity - based
49
4.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển phía máy phát 49
4.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor tựa theo hệ thụ động EL 55
4.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
rd
55
4.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
rq
56

4.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp tựa theo hệ thụ động EL

và Hamilton để khử sai lệch tĩnh
58
4.3.1 Hệ Hamilton 58
4.3.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp 59

4.4 Khắc phục ảnh hưởng vùng giới hạn điện áp và bộ xử lý tín hiệu số
đến chất lượng điều khiển
63
4.4.1 Khắc phục vùng gi
ới hạn điện áp 63
4.4.2 Khắc phục hiện tượng trễ trong bộ xử lý tín hiệu số 66
4.5 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng có kể đến các yếu tố ảnh hưởng 66
4.6 So sánh bộ điều khiển PBC với bộ điều khiển tuyến tính 68
4.7 Các bộ điều chỉnh số cho các mạch vòng điều khiển ngoài 69
4.8 Tính toán giá trị thực và giá trị đặt 70
4.9 Hoà đồng bộ máy phát lên lưới 71
4.10 Giải pháp điều khiển khi lỗi lưới 74
4.11 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía lưới 77
4.12 Kết luận chương 4 78
Chương 5. Kết quả mô phỏng 80
5.1 Kết quả mô phỏng Offline 80
5.1.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió 80
5.1.2 Chất lượng của hệ thống điều khiển 83

5.1.3 So sánh tính bền vững của h
ệ thống giữa hai phương pháp
90

vi
điều khiển PBC và điều khiển tuyến tính

5.2 Kết quả mô phỏng thời gian thực (Hardware - in - the - loop) 93

5.2.1 Giới thiệu về Board điều khiển R&D DS1104 của hãng
dSPACE
93
5.2.2 Thiết lập mô trường làm việc mô phỏng thời gian thực 93
5.2.3 Xây dựng cấu trúc mô phỏng thời gian thực 94
5.2.4
Tổng hợp các kết quả mô phỏng 96
5.3 Kết luận chương 5 100
Kết luận và kiến nghị 101
Danh mục các công trình đã công bố của luận án 103
Tài liệu tham khảo 104

vii



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu:
STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ
1 f
s
Tần số mạch điện stator
2 f
r
Tần số mạch điện rotor
3 i
N
, i
s
,

i
r
Véctơ dòng điện phía lưới, stator, rotor máy phát
4 i
rd
, i
rq
, i
sd
, i
sq
Các thành phần dòng điện rotor, stator trong hệ toạ độ dq
5 i
Nd
, i
Nq
Các thành phần dòng lưới trong hệ toạ độ dq
6 i
s
α
, i
s
β
Các thành phần dòng stator trong hệ toạ độ αβ
7 u
N
, u
s
,

u
r
Véctơ điện áp phía lưới, stator, rotor máy phát
8
u
rd
, u
rq
, u
sd
,
u
sq
Các thành phần điện áp rotor, stator trong hệ toạ độ dq
9 u
r
PBC
Điện áp điều khiển rotor đầu ra của bộ điều chỉnh PBC
10 u
rd
PBC
, u
rq
PBC
Các thành phần điện áp rotor đầu ra của bộ điều chỉnh tựa
theo thụ động trong hệ toạ độ dq
11 u
Nd
, u

Nq
Các thành phần điện áp lưới trong hệ toạ độ dq
12 J Mô men quán tính
13 L
m
Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor
14 L
s
=L
m
+L
σ
s
Điện cảm stator
15 L
r
=L
m
+L
σ
r
Điện cảm rotor
16 L
σ
s
Điện cảm tản phía stator
17 L
σ
r
Điện cảm tản phía rotor

18 m
G
Mô men điện từ máy phát
19 m
W
Mô men máy phát (do sức gió tạo ra)

viii
20 R
s
, R
r
Điện trở stator, rotor
21
s
s
s
L
T
R
=
Hằng số thời gian stator
22
r
r
r
L
T
R
= Hằng số thời gian rotor

23
2
1
.
m
rs
L
LL
σ
=− Hệ số tản tổng
24 ψ
s
, ψ
r
Véc tơ từ thông stator, rotor
25
ψ
sd
,
ψ
sq
Các thành phần từ thông stator trong hệ toạ độ dq
26
ψ
rd
,
ψ
rq
Các thành phần từ thông rotor trong hệ toạ độ dq
27

ω
Vận tốc góc cơ học của rotor
28
ω
N
,
ω
s
,
ω
r
Vận tốc góc của mạch lưới, stator, rotor
29 z
p
Số đôi cực từ
30 u
DC
Điện áp một chiều trung gian
31
ϑ
Góc rotor
32
ϑ
N
,
ϑ
s
,
ϑ
r

Góc mạch điện lưới, stator, rotor
33 A Ma trận hệ thống
34 B Ma trận cấu trúc hệ thống
35 V Ma trận quán tính
36 L
L
Ma trận quán tính điện từ
37 C Ma trận điều kiện
38 D Ma trận suy giảm
39 R Ma trận điện trở
40 L Hàm Lagrange
41 L
e
, L
m
Hàm Lagrange phần điện, cơ
42 Q Lực tác động lên hệ thống
43 Q
e
, Q
m
Lực tác động đầu vào phần điện, cơ
44 P Hàm thế năng

ix
45 P
e
, P
m
Hàm thế năng phần điện, cơ

46 D(
ω
) Hệ số suy giảm
47 H Hàm tổng năng lượng
48 H
e
, H
m
Hàm năng lượng điện, cơ
49 K Hàm động năng
50 F Hàm tiêu thụ Rayleigh
51 F
e
, F
m
Hàm tiêu thụ phần điện, cơ
52 Q
n
Tác động do nhiễu
53 H(x) Hàm Hamilton
54 g(x) Hàm gia tốc trọng trường

Các chữ viết tắt
STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ
55 MĐKĐBNK Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép
56 DSP Digital signal processor - Xử lý tín hiệu số
57 NLPL Nghịch lưu phía lưới
58 NLMP Nghịch lưu phía máy phát
59 MĐN Máy đóng ngắt
60 HS Hộp số

61 IE Máy khắc mã vạch xung
62 MBA Máy biến áp
63 MP Máy phát
64 ĐCVTKG Điều chế véc tơ không gian
65 THĐAL Tựa hướng điện áp lưới
66 PLL Vòng khoá pha
67 PBC Passivity - Based Control

x
68 EL Euler - Lagrange
69
P
BC
I
R Bộ điều chỉnh dòng rotor theo phương pháp PBC
70 ĐCu
DC
Bộ điều chỉnh điện áp một chiều trung gian
71 ĐCϕ Bộ điều chỉnh góc ϕ (cosϕ hoặc sinϕ)
72 ĐCMM Bộ điều chỉnh mô men
73 ĐCD Bộ điều chỉnh dòng
74 ĐCDMP

Bộ điều chỉnh dòng máy phát
75 TSP Khâu tính giá trị đặt
76 GTT Khâu tính toán giá trị thực
77 ĐLĐK Đại lượng điều khiển
78 PĐSG Phát điện sức gió
79 ADC Bộ chuyển đổi tương tự số
80 GAS Ổn định toàn cục

xi



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU


Số hiệu Nội dung bảng biểu Trang
4.1 Thông số của MĐKĐBNK dùng làm máy phát điện sức gió
trong mô phỏng Offline và mô phỏng thời gian thực
80
4.2 Thông số thiết lập môi trường mô phỏng thời gian thực 93

xii



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Số hiệu Nội dung Trang
1.1
Một Wind farm trên biển gồm nhiều máy phát nối mạng với
nhau

5
1.2 Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn 6
1.3
Máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu hoặc không đồng
bộ 3 pha rotor lồng sóc
6
1.4 Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép 7
1.5
Phạm vi hoạt động của MĐKĐBNK và dòng chảy năng lượng
ở chế độ MP
8
1.6 Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK 8
1.7 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar 9
1.8 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch 10
1.9 Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều khiển turbine 11
1.10
Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng
MĐKĐBMK
14
2.1 Phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động 24
2.2 Nối theo kiểu phản hồi của hai hệ EL 26
3.1
Biểu diễn các vector dòng stator, điện áp stator, từ thông stator
trên hệ trục tạo độ α,β và d,q
31
3.2 Đồ thị véc tơ dòng, áp, từ thông của MĐKĐBNK 38
3.3 Sơ đồ nguyên lý phía lưới 38
3.4 Sơ đồ tổng quát mạch điện phía lưới 39
3.5 Sơ đồ thay thế mạch điện phía lưới 39
3.6 Sơ đồ thay thế tối giản mạch điện phía lưới 40

xiii
3.7 Biểu diễn véc tơ dòng điện phía lưới 42
3.8
Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát phía máy phát và phía
lưới hệ thống PĐSG sử dụng MĐKĐBNK
43
3.9 Phân tích MĐKĐBNK thành động học phần điện và phần cơ 44
3.10
Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển MĐKĐBNK theo
phương pháp PBC
47
4.1
Cấu trúc bộ điều chỉnh véc tơ dòng PBC bao gồm 2 khối chức
năng
53
4.2
Hệ thống điều khiển máy phát (MĐKĐBNK) trong hệ thống
PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based
54
4.3 Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần i
rd
tựa theo EL 56
4.4 Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần i
rq
tựa theo EL 57
4.5 Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần i
rd
tựa theo EL và
Hamilton

61
4.6 Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần i
rq
tựa theo EL và
Hamilton
61
4.7 Quan hệ giữa các véc tơ trong thực hiện hoà đồng bộ 72
4.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển gián đoạn phía lưới 76
4.9 Hệ thống điều khiển phía lưới và phía máy phát (MĐKĐBNK)
trong hệ thống PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based
78
5.1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 79
5.2 Các khối mô phỏng bên trong của lưới, bộ biến đổi và máy
phát
80
5.3 Khối bộ biến đổi nghịch lưu phía lưới và phía máy phát 80
5.4 Các vòng điều khiển ngoài để tính toán i
rd
*
và i
rq
*
81
5.5 Khối tính toán các giá trị dòng, áp, từ thông đặt 81
5.6 Khối bộ điều khiển dòng rotor có kể đến dự báo dòng, hiệu
chỉnh sai lệch
81

xiv
5.7 Khối điều khiển phía lưới 82

5.8 Đáp ứng dòng rotor 82
5.9 Đáp ứng dòng điện i
rd
và i
rq
theo giá trị đặt 83
5.10 Đáp ứng điện áp pha stator máy phát và lưới 83
5.11 Đáp ứng điện áp lưới và stator sau khi đã hoà đồng bộ 83
5.12 Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt 84
5.13 Đáp ứng dòng i
rd
và i
rq
theo giá trị đặt 84
5.14 Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt 84
5.15 Đáp ứng dòng i
rd
và i
rq
theo giá trị đặt 85
5.16 Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt 86
5.17 Đáp ứng dòng i
rd
và i
rq
theo giá trị đặt 86
5.18 Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt 86
5.19 Đáp ứng dòng i
rd
và i

rq
theo giá trị đặt 87
5.20 Đáp ứng mô men và cosϕ thay đổi theo giá trị đặt 87
5.21 Đáp ứng dòng i
rd
và i
rq
khi thay đổi giá trị 87
5.22 Đáp ứng tốc độ và mô men của máy phát 88
5.23 Đáp ứng cosϕ và dòng điện rotor của máy phát 88
5.24 Điện áp lưới và mômen khi sập lưới 10% 89
5.25 Đáp ứng cosϕ và dòng rotor khi xảy ra sập lưới 10% 89
5.26 Điện áp lưới và mômen khi sập lưới gây sụt áp 25% 90
5.27 Đáp ứng cosϕ và dòng rotor khi xảy ra sập lưới 25% 90
5.28 Điện áp lưới, tần số góc mạch rotor vaf mô men khi xảy ra
sập lưới 50%
90
5.29 Đáp ứng cosϕ và dòng rotor khi xảy ra sập lưới 50% 91
5.30 Đáp ứng dòng rotor khi xảy ra sập lưới 50% [15] 91
5.31 Hình ảnh của Board điều khiển R&D DS1104 và giao diện với 92

xv
ngoại vi
5.32 Thiết lập môi trường Solver và thiết lập mô phỏng thời gian
thực - Real-Time
93
5.33 Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển 94
5.34 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (1) 95
5.35 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (2) 95
5.36 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (3) 96

5.37 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (4) 96
5.38 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (5) 97
5.39 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (6) 98
5.40 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (sập
lưới 10%)
98
5.41 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (sập
lưới 25%)
99
5.42 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (sập
lưới 50%)
99


1
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 điệ
n 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 điề
u 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 phầ
n 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 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 điề
u 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 tuyế
n" trong luận án, tác giả đi nghiên cứu

2
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
khi
ển 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 tă
ng.
- 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 h
ợp 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.
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 mề
m 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 quy
ết thành công cả về lý thuyết lẫn mô phỏng
Offline và mô phỏng thời gian thực.

3
- 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 mộ
t 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 c
ủa cấu trúc điều khiển PBC so với cấu trúc điều
khiển tuyến tính deadbeat trong chế độ vận hành phi tuyến 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 được chia làm 5 chương:
Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ thống máy phát điện sức gió,
đưa ra
một cách khái quát về hệ thống năng lượng sử dụng sức gió cũng như đề cập đến
đối tượng cần nghiên cứu là MĐKĐBNK. Đưa ra các vấn đề mà các phương pháp
điều khiển tuyến tính đã giải quyết cũng như tồn đọng cần nghiên cứu giải quyết
bằng phương pháp điều khiển phi tuyến mới tựa theo thụ độ

ng (passivity - based)
nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống so với phương pháp điều khiển tuyến
tính.
Chương 2 Trình bày khái quát về phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến
trên cơ sở tựa theo đặc điểm thụ động (passivity - based) của đối tượng điều khiển.
Chương 3 Giới thiệu mô hình hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng
MĐKĐBNK, mô hình toán phía máy phát và phía lưới, cấu trúc điều khiển tổng
quát toàn hệ thống cũng như nghiên cứu bản chất phi tuyến của MĐKĐBNK. Từ

4
mô hình mô tả máy phát, đi đánh giá khả năng áp dụng phương pháp điều khiển phi
tuyến passivity - based cho MĐKĐBNK.
Chương 4 Trình bày việc xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát
điện sức gió theo phương pháp passivity - based. Ngoài ra cũng đề cập đến các vấn
đề khác nhằm nâng cao chất lượng điều khiển như vấn đề điện áp ra khỏi vùng giới
hạn, vấn đề trễ
trong bộ vi xử lý tín hiệu số, và các bộ điều khiển vòng ngoài v.v
đánh giá so sánh cấu trúc điều khiển phi tuyến passivity - based và cấu trúc điều
khiển tuyến tính.
Chương 5 Kiểm chứng chất lượng bộ điều chỉnh bằng mô phỏng Offline trên
Matlab - Simulink - Plecs cũng như mô phỏng thời gian thực trên thiết bị thực
nghiệm tại Trung tâm Công nghệ cao - Đại học Bách Khoa Hà Nội. Qua kết quả mô
phỏng Offline và mô phỏ
ng thời gian thực khẳng định tính đúng đắn của thuật toán
điều khiển mới.
Kết luận và một số vấn đề cần nghiên cứu tiếp.

5

Chương 1. Tổng quan

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, hoặc xây dựng trên các vùng biển “Offshore” như hình 1.1. Tổng công
suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên đến hàng chục MW. Nhằm đáp ứ
ng yêu
cầu " Bám và góp phần trụ lưới" khi lưới xảy ra sự cố sập một phần (đối xứng), luận
án tập trung vào nội dung thiết kế cấu trúc điều khiển phi tuyến MĐKĐBNK.

Hình 1.1: Một Wind farm trên biển gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau
Hiện nay nhiều nước trên thế giới sử dụng các hệ thống máy phát (MP) điện
sức gió vớ
i 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 nhượ
c 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.

6
Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống máy phát điện sức
gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát sự phát triển các loại máy
phát điện sức gió hiện nay như hình 1.2.

Hình 1.2: Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn
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 1.3.





Hình 1.3: Máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu hoặc không đồng bộ 3 pha
rotor lồng sóc
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 không
đồng 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
MF
≈
=
=
≈

Hộp số

7
Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ 3
pha nguồn kép như hình 1.4.

Hình 1.4: Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép
Hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha
nguồn kép (MĐKĐBNK) đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu vì có
những đặc điểm sau:
- Từ hình 1.4 cho thấy thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor nên chỉ cần thiết kế
bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện như vậy sẽ hạ
được giá thành chỉ còn 1/3 so
với các loại máy điện khác [30, 51].
- Có ý nghĩa về mặt khoa học vì nó khó điều khiển.
- Ngoài ra MĐKĐBNK có thể hoạt động với dải tốc độ trong phạm vi khá
rộng cỡ ± 30% tốc độ đồng bộ, cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng gió
vốn hay thay đổi trong phạm vi rộng. Tuy nhiên cần lưu ý khi hệ thống làm việc
không được
để MĐKĐBNK chạy ở tốc độ đồng bộ bằng cách điều khiển cánh
turbine làm lệch tốc độ đồng bộ (vì nếu làm việc ở chế độ đồng bộ các đại lượng
dòng, áp trong rotor lúc đó trở thành đại lượng một chiều sẽ gây nguy hiểm phá
hỏng thiết bị). Các chế độ vận hành của MĐKĐBNK được mô tả trên sơ đồ hình 1.5
[11, 51].
V
ới ý nghĩa về mặt khoa học và kinh tế, kỹ thuật như trên, hiện nay đã có
nhiều nghiên cứu đưa ra các phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện sức
gió sử dụng MĐKĐBNK với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến,
được thể hiện như sơ đồ hình 1.6.

MF
≈
=
=
≈

Hộp số

8














Hình 1.5: Phạm vi hoạt động MĐKĐBNK và dòng chảy năng lượng ở chế độ MP

Hình 1.6: Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK
Các phương pháp điều
khiển MĐKĐBNK
Phương pháp điều
khiển phi tuyến
Phương pháp điều
khiển tuyến tính
[4, 11, 50, 51, 53]
Cuốn chiếu
(Backstepping -
based)
[14, 15, 16, 17]

Tuyến tính hoá chính
xác (Exact
linearization)
[1, 32, 52]
Tựa phẳng
(Platness -
based)
[2]
Tựa theo thụ
động (Passivity -
based)

(chưa ai làm)
a) Phạm vi hoạt động
b) Dòng năng lượng MP ở chế độ dưới đồng bộ
b) Dòng năng lượng MP ở chế độ trên đồng bộ
Rotor
Stator
Stator
Rotor
Trên đồng bộ
Chế độ máy phát
0>s>-∞
Trên đồng bộ
Chế độ động cơ
0>s>-∞
Dưới đồng bộ
Chế độ động cơ
1>s>0
Dưới đồng bộ
Chế độ máy phát
1>s>0
S
n
n
s
0

1

0

m

a)

b)

c)

Lưới điện
Lưới điện
-1


9
Từ hình 1.6, cho thấy phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động
(passivity - based), chưa có một nghiên cứu nào áp dụng để điều khiển MĐKĐBNK
trong hệ thống máy phát điện sức gió. Vì vậy việc lựa chọn phương pháp điều khiển
này hứa hẹn những kết quả mong đợi cũng như nhằm đa dạng hoá các phương pháp
điều khiển hệ
thống, tăng khả năng lựa chọn phương pháp điều khiển 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
MĐKĐBNK, gồm có 3 thành phần chính sau đây:
- Đi
ều khiển turbine.
- Điều khiển véc tơ.
- Điều khiển cắt máy phát khỏi lưới sử dụng crowbar (hình 1.7) hoặc stator
switch (hình 1.8) nhằm bảo vệ máy phát khi có sự cố lưới.

Hình 1.7: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar
P
f
, Q
f

≈
=
=
≈


T
t
lọc
lọc

P
g
, Q
g


Crowbar


Điều khiển
Crowbar


Cấp 1
(Điều khiển véc tơ)


Cấp 2
(Điều khiển turbine)

T
em
*
V
bus
*
Q
s
*
Q

f
*
T
em
W
m
V
W
β
*

P
s
, Q
s

Máy cắt
Lưới

10

Hình 1.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch
1.2.1. Điều khiển turbine
Công suất của turbine gió
Công suất của turbine gió được tính theo công thức [25, 31, 48, 49]:

23
1
P
2
tb tb cg gm tb
Rv C
ρπ
=
(1.1)
Trong đó:

ρ
tb
là mật độ không khí (kg/m
3
),
R
cg
là bán kính của cánh gió (m),
v
gm
là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (m/s),
C

tb
là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc khí động học của turbine gió và
được xác định theo (1.2):

tb p tb
Cf(,)
θ
λ
=
(1.2)
với
θ
p
là góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của
cánh gió và được gọi là góc pitch,
λ
tb
là một hệ số phụ thuộc vào cả tốc độ góc quay
của turbine
ω
tb
và tốc độ gió v
gm
:
≈
=
=
≈

T
t
lọc
lọc
P
f
, Q
f

P
g
, Q
g

Điều khiển
Stator switch

Cấp 1
(Điều khiển véc tơ)


Cấp 2
(Điều khiển turbine)

T
em
*
V
bus
*

Q
s
*
Q
f
*
T
em
W
m

V
W

β
*

P
s
, Q
s

Lưới

Stator switch