Nâng cao chất lượng điều khiển hòa đồng bộ hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển backstepping

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




BÙI THÁI SƠN




NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HOÀ ĐỒNG BỘ HỆ
THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
BACKSTEPPING




LUẬN VĂN THẠC SỸ: Kỹthuậtđiềukhiểnvàtựđộnghóa










THÁI NGUYÊN –NĂM 2014

2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


LỜI GIỚI THIỆU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đề tài được đặt ra trên cơ sở các vấn đề thực tế hiện nay là:
- Xu hướng phát triển mạnh việc sử dụng nguồn năng lượng sạch trên thế
giới và trong nước hiện nay.
- Nhu cầu tăng cao về năng lượng điện trong nước hiện nay.
- Do yêu cầu về chất lượng điện năng của hệ thống năng lượng điện hiện
nay ngày càng cao, đòi hỏi các hệ thống máy phát điện sức gió phải bám lưới
khi lỗi lưới. Trong khi các tuốc bin gió hiện nay khi lỗi lưới với mức sụt điện
áp lớn buộc phải cắt hệ thống ra khỏi lưới để bảo vệ bộ biến đổi khỏi quá
dòng lớn.
- Các giải pháp điều khiển hiện nay đã cố gắng duy trì máy phát bám lưới
bằng cách hạn chế độ lớn sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor hoặc
các nguyên nhân sinh ra nó. Tuy nhiên đều là các giải pháp điều khiển tuyến
tính và chưa hoàn toàn phù hợp với bản chất phi tuyến của hệ thống nghịch
lưu trong hệ thống phát điện sức gió (PĐSG). Vì vậy để nâng cao chất lượng
hệ thống PĐSG trong mạng hệ thống năng lượng điện, tác giả chọn đề
tài:“Nâng cao chất lượng điều khiển hoà đồng bộ hệ thống phát điện sức gió
sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển
Backstepping”.
2. Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu.
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3. Mục đích nghiên cứu
Nâng cao chất lượng hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên cơ sở tổng hợp bộ điều khiển nghịch lưu
phía lưới theo phương pháp điều khiển Backstepping.
4. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển nghịch lưu hòa
đồng bộ phía lưới theo phương pháp điều khiển Backstepping để nâng cao
chất lượng hòa đồng bộ.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển Backstepping
- Mô phỏng Off-Line trên cơ sở sử dụng phần mềm matlab/simulink/plecs.
- Thực nghiệm trên cơ sở thiết bị thí nghiệm.
6. Ý nghĩa của đề tài
- Đã thực hiện việc điều khiển hoà đồng bộ hệ thống nghịch lưu phía lưới
vào lưới trên cơ sở bộ điều khiển phi tuyến và việc tính chọn các giá trị đặt.
- Đã thực hiện điều khiển hệ thống nghịch lưu công suất tác dụng và phản
kháng lên lưới ở chế độ bình thường.
- Đã giải quyết được vấn đề nghịch lưu bám lưới khi lỗi lưới đối xứng tới
50% điện áp lưới, và chứng minh qua thực nghiệm khả năng cấp dòng tới
điểm ngắn mạch để kích hoạt thiết bị bảo vệ hệ thống năng lượng tác động,
đồng thời điều khiển được dòng cung cấp công suất vô công lên lưới để hỗ trợ
lưới về mặt điện áp.
7. Những điểm mới trong luận văn
- Đã áp dụng thành công phương pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở kỹ
thuật Backstepping để điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới.
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- Với việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Backstepping, luận
văn ngoài giải quyết các vấn đề mà các phương pháp tuyến tính đã đề cập như
dao động điện áp và tần số lưới, đây là điểm mới và đóng góp mới của luận
văn nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống khi các thông số lưới
biến động. Kết quả nghiên cứu của luận văn đã chứng minh được chất lượng
điều khiển hệ thống nghịch lưu trong hệ thống PĐSG khi các thông số lưới
biến động tốt hơn so với phương pháp điều khiển tuyến tính thông thường.
- Đã góp phần làm sáng tỏ được bản chất của phương pháp Backstepping
trên cơ sở của lý thuyết ổn định Lyapunov khi áp dụng cho hệ thống PĐSG sử
dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đó là: bản chất của phương pháp
là kết hợp của phương pháp điều khiển Backstepping (bản chất là chuyển hệ
tọa độ trạng thái) mô hình đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng
trên cơ sở lý thuyết ổn định Lyapunov, đồng thời đưa ra biện pháp để nâng
cao chất lượng tĩnh và động của hệ thống.
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
1.1. GIÓ VÀ NĂNG LƢỢNG GIÓ
Từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ năng thay
thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồm chạy bằng sức
gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỷ 14 được dùng phổ biến từ thế kỷ 17,
thịnh vượng nhất vào thế kỷ 18 đặc biệt ở Hà Lan với hàng ngàn chiếc. Từ thế
kỷ 19 đến nửa đầu thế kỷ 20 với sự xuất hiện và phát triển của máy hơi nước
và các loại động cơ đốt trong, các cối xay gió hầu như bị lãng quên. Nhưng từ
vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn dần các nguồn nhiên liệu khai thác
được từ lòng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một

khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hóa thạch nêu trên. Việc nghiên cứu sử
dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió
lại được nhiếu nước trên thế giới kể cả các nước có nền công nghiệp năng
lượng phát triển rất mạnh như Nga, Mỹ, Pháp, CHLB Đức, Hà Lan, Anh, Đan
Mạch, Thụy Điển…đặc biệt quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới
của nhiều nghành khoa học tiên tiến như thủy khí động lực học, tự động điều
khiển, cơ học kết cấu, truyền động thủy lực, vật liệu mới…việc nghiên cứu sử
dụng năng lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các
thiết bị và quy mô ứng dụng. Từ các cối xay gió với các cánh gió đơn giản
hiệu suất sử dụng năng lượng thấp chỉ khoảng 20%, đến nay các động cơ gió
phát điện với cánh quạt có biên dạng khí động học ngày một hoàn thiện hơn
có thể đạt được hiệu suất sử dụng năng lượng cao tới 42%. Nhiều phương
pháp và hệ thống tự động điều khiển hiện đại đã được sử dụng để tự động ổn
định số vòng quay của động cơ gió. Những động cơ gió phát điện lớn còn
dùng cả hệ thống tự động điện thủy lực và máy tính điện tử điều khiển. Nhiều
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


vật liệu mới đã được sử dụng để chế tạo cánh như hợp kim nhôm, polime cốt
sợi thủy tinh với độ bền cao trong mọi điều kiện thời tiết và chịu được sức gió
của bão. Tại những nơi có gió tốt, người ta ghép nhiều động cơ gió với nhau
tạo thành “rừng máy phát điện gió”. Người ta đã có thể chế tạo những động
cơ gió phát điện rất lớn đường kính tới 80m, công suất tới 3000 kW. Tuy
nhiên đối với mỗi nước quy mô phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió
còn phụ thuộc vào vị trí địa lý, đặc điểm tiềm năng gió và trình độ công
nghiệp
Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra là do
nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và
do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất. Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào

địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự
chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích như: đi thuyền, thả diều và phát
điện. Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát
ra năng lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió
thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc
cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy
phát có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng điện.
Trong số các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng gió có thể đại
diện cho cơ hội tăng trưởng mạnh nhất tại Việt Nam. Các cuộc khảo sát cho
thấy rằng khoảng 85% đất đai Việt Nam có độ cao và tốc độ gió trung bình
phù hợp để phát ra năng lượng gió. Các chuyên gia Ngân hàng Thế giới đã kết
luận Việt Nam có khả năng tạo ra 513.360 MW hàng năm từ năng lượng gió –
gấp 10 lần tổng công suất phát điện quốc gia dự kiến cho năm 2020.
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1.1: Ưu đãi đầu tư cho các dự án năng lượng mặt trời và gió tại Việt Nam
Đặc biệt các tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận ở ven biển được xem là
có tiềm năng lớn nhất cho năng lượng gió tại những vùng đất lớn khô cằn và
không phải là đất nông nghiệp màu mỡ. Hiện nay, có hơn 20 dự án điện gió
tại Việt Nam, chủ yếu ở Bình Thuận (12 dự án trên đất liền và huyện đảo Phú
Quý), Ninh Thuận, Bình Định, Phú Yên và huyện đảo Côn Đảo của tỉnh Bà
Rịa- Vũng Tàu, nơi lượng gió cũng như tốc độ gió trung bình cao nhất so với
phần còn lại của đất nước.
* Tổng quan về năng lƣợng gió (phong điện)
Các máy phát điện sử dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước
châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước Đức đang dẫn
đầu thế giới về công nghệ điện sử dụng sức gió (phong điện).

Số thứ
tự
Quốc gia
Công suất
(MW)
01
Đức
22.247
02
Mỹ
16.818
03
Tây Ban Nha
15.145
04
Ấn Độ
8.000
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


05
Trung Quốc
6.050
06
Đan Mạch
3.125
07
Ý
2.726

08
Pháp
2.454
09
Anh
2.389
10
Bồ Đào Nha
2.150
11
Ca na đa
1.846
12
Hà Lan
1.746
13
Nhật
1.538
14
Áo
982
15
Hy Lạp
871
16
Úc
824
17
Ai Len
805

18
Thụy Điển
788
19
Na Uy
333
20
Niu Di Lân
322
21
Những nước
khác
2.953
22
Thế giới
94.112
Nguồn: World Wind Energy Association, thời điểm:
Cuối 2007 và dịch từ Wikipedia Đức
Bảng 1: Thống kê sử dụng năng lượng gió trên thế giới
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Tới nay đa số vẫn là các máy phát điện tuabin gió trục ngang, gồm một
máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ
với một tuabin 3 cánh đón gió. Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình
côn. Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ
những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại.
Các máy phát điện tuabin gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục
quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng

đứng. Loại này có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa
cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá
lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn
giản.
Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với công suất rất khác
nhau, từ 1kW tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phát điện này có thể hoạt
động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia. Các trạm độc lập
cần có một bộ nạp, bộ ắc- quy và bộ đổi điện. Khi dùng không hết, điện được
tích trữ vào ắc quy. Khi không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy. Các
trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy. Các trạm
phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và
tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió hiệu
qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện.

10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.2: Hình ảnh bên trong MPĐ sức gió
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


* Những ƣu điểm của phong điện
Ưu điểm dễ thấy nhất của phong điện là không tiêu tốn nhiên liệu,
không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm
và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây
dựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất
lớn cho hồ chứa nước.Các trạm phong điện có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện,
như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện.Trước

đây, khi công nghệ phong điện còn ít được ứng dụng, việc xây dựng một trạm
phong điện rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ
được áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết. Ngày nay phong điện đã
trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã
hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm phong điện hiện nay chỉ
bằng 1/4 so với năm 1986. Phong điện đã trở thành một trong những giải
pháp năng lượng quan trọng ở nhiều nước, và cũng rất phù hợp với điều kiện
Việt Nam.
* Các trạm phong điện có thể đặt ở đâu?
Trạm phong điện có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với
những giải pháp rất linh hoạt và phong phú. Các trạm phong điện đặt ở ven
biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh.
Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện
lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ. Giải bờ biển Việt Nam trên 3000 km
có thể tạo ra công suất hàng tỷ kW phong điện. Những mỏm núi, những đồi
hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp cũng có thể đặt
được trạm phong điện. Trường hợp này không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm
đáng kể chi phí xây dựng. Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm phong
điện, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi
không dùng hết điện. Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


bất ngờ bị mất điện.Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm phong
điện. Nếu tận dụng không gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm phong
điện thì sẽ giảm tới mức thấp nhất diện tích đất xây dựng và chi phí làm
đường dây điện.Điện khí hóa ngành đường sắt là xu hướng tất yếu của các
nước công nghiệp. Chỉ cần đặt với khoảng cách 10 km một trạm 4800kW dọc
các tuyến đường sắt đã có đủ điện năng cho tất cả các đoàn tàu ở Việt nam

hiện nay. Các vùng phong điện lớn đặt gần tuyến đường sắt cũng rất thuận
tiện trong việc vận chuyển và dựng lắp. Các đầu máy diesel và than đá tiêu
thụ lượng nhiên liệu rất lớn và gây ô nhiễm môi trường sẽ được thay thế bằng
đầu máy điện trong tương lai.Đặt một trạm phong điện bên cạnh các trạm
bơm thủy lợi ở xa lưới điện quốc gia sẽ tránh được việc xây dựng đường dây
tải điện với chi phí lớn gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm phong điện.
Việc bảo quản một trạm phong điện cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường
dây tải điện rất nhiều. Nhà máy nước ngọt đặt cạnh những trạm phong điện là
mô hình tối ưu để giải quyết việc cung cấp nước ngọt cho vùng đồng bằng
sông Cửu Long, tiết kiệm nhiên liệu và đường dây điện. Một trạm phong điện
4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong rừng sâu hoặc một ngọn
hải đăng xa đất liền. Một trạm 10 kW đủ cho một đồn biên phòng trên núi
cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa. Một trạm 40 kW có thể đủ cho một
xã vùng cao, một đoàn thăm dò địa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập,
nơi đường dây chưa thể vươn tới được. Một nông trường cà phê hay cao su
trên cao nguyên có thể xây dựng trạm phong điện hàng trăm hoặc hàng ngàn
kW, vừa phục vụ đời sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho
xưởng chế biến sản phẩm Không phải nơi nào đặt trạm phong điện cũng có
hiệu quả như nhau. Để có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều
gió. Các vùng đất nhô ra biển và các thung lũng sông thường là những nơi có
lượng gió lớn. Một vách núi cao có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể lại
tạo ra một nguồn gió mạnh thường xuyên, rất có lợi cho việc khai thác phong
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


điện. Khi chọn địa điểm đặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống kê của cơ
quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân đân địa phương, nhưng chỉ là căn
cứ sơ bộ. Lượng gió mỗi nơi còn thay đổi theo từng địa hình cụ thể và từng
thời gian. Tại nơi dự định dựng trạm phong điện cần đặt các thiết bị đo gió và

ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ đó tính ra sản lượng điện có thể khai thác,
tuơng ứng với từng thiết bị phong điện. Việc này càng quan trọng hơn khi
xây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng phong điện tập trung.Gió là
dạng năng lượng vô hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao nên khi đầu tư vào
lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy. Rào cản chủ yếu đối với
việc phát triển phong điện ở Việt nam chính là sự thiếu thông tin về năng
lượng gió. Tới nay đã có một số công ty nước ngoài đến Việt nam tìm cách
khai thác phong điện, nhưng vì chưa đủ những số liệu cần thiết nên cũng chưa
có sự đầu tư nào đáng kể vào thị trường này. Một hãng Đức đã xây dựng tại
Ấn độ hàng ngàn trạm phong điện, có cơ sở thường trực giám sát hoạt động
các trạm qua hệ thống vệ tinh viễn thông, xử lý kỹ thuật ngay khi cần thiết, và
hoàn toàn hài lòng về kết quả đã thu được ở Ấn độ. Hãng này cũng đã đến
Việt Nam tìm thị trường nhưng chưa quyết định đầu tư, vì chưa có đủ cứ liệu
để xây dựng trên quy mô lớn, còn với quy mô nhỏ thì lợi tức không đủ bù lại
chi phí cho một cơ sở kỹ thuật thường trực. Một công ty khác chuẩn bị xây
dựng 12 trạm phong điện với công suất 3000 kW trên huyện đảo Lý Sơn đã
khẳng định công nghệ phong điện rất phù hợp với Việt Nam!
* Tính kinh tế của phong điện
Chi phí để xây dựng một trạm phong điện gồm:
Chi phí cho máy phát điện và các cánh đón gió chiếm phần chủ yếu. Có
nhiều hãng sản xuất các thiết bị này, nhưng với giá bán và chất lượng kỹ
thuật rất khác nhau.
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Chi phí cho bộ ổn áp và hòa mạng, tự động đưa dòng điện về điện áp và
tần suất với mạng điện quốc gia.
Chi phí cho ắc-quy, bộ nạp và thiết bị đổi điện từ ắc-quy trở lại điện
xoay chiều. Các bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt động độc lập.

Chi phí cho phần tháp hoặc trụ đỡ tùy thuộc chiều cao trụ, trọng lượng
thiết bị và các điều kiện địa chất công trình. Phần tháp có thể sản xuất tại
Việt Nam để giảm chi phí. Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao
thì chi phí này hầu như không đáng kể.
Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và công việc lắp đặt trạm
ở Việt Nam rẻ hơn rất nhiều so với các nước khác, đặc biệt nếu xây dựng
ở vùng ven biển, ven sông hoặc dọc theo các tuyến đường sắt.
1.2. KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ
ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
1.2.1. Khái quát về các loại hệ thống năng lƣợng gió
Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc
độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi.
Loại tuốc bin gió thông thường nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed speed
wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới. Tuy
nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu
được năng lượng cực đại từ gió.

Gearbox
IG
Soft
starter
Transformer
Capacitor bank

15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.3: Tuốc bin gió với tốc độ cố định
Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục được

nhược điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ
nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió. Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc
độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất để tạo
ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ
thay đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định.
Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có
bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng máy điện dị bộ
nguồn kép (MDBNK).
Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch
stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính toán với công suất định
mức của toàn tuốc bin. Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc
hoặc là đồng bộ.

Gearbox
G
TransformerPower electronic
converter
≈
=
≈
=

Hình 1.4: Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới
Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lượng
sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió với công
suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi
nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có
công suất bằng công suất của toàn tuốc bin. Vì vậy các hãng chế tạo 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
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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 dị bộ
nguồn kép.
Gearbox
DFIG
Transformer
Power electronic
converter
≈
=
≈
=

Hình 1.5: Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK
Nhược điểm chính của tuốc bin gió với tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK 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.
1.2.2. Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn
Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ta
phải tạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từ gió. Việc kích từ đó
hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hoà lưới), hoặc nhờ

ắc quy để tạo kích từ, hoặc nhờ tụ điện với điều kiện có từ thông dư trong máy điện
không đồng bộ.
17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1.6: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh
cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu đơn giản.

Hình 1.7: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh
cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu thụ
nhờ nghịch lưu phía máy phát
Ở các hệ thống phát điện turbine gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích
nam châm vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC) có ưu thế hơn về mặt tạo từ thông kích từ nhờ
hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor của máy, vì vậy chỉ cần quay máy phát
là đầu ra máy phát đã xuất hiện điện áp, đây là một trong những ưu điểm của hệ
thống phát điện sức gió sử dụng MĐĐB – KTVC. Hệ thống phát điện sức gió sử
dụng MĐĐB-KTVC có thể sử dụng bộ chỉnh lưu đơn giản phía máy phát như hình
1.6, hoặc sử dụng bộ nghịch lưu phía máy phát (NLMF) như hình 1.7.
Ở các hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) dùng MĐĐB-KTVC với công suất
cỡ lớn (>50 kW) thường được thiết kế vận hành ở chế độ hoà lưới, đồng thời năng
lượng do tuốc bin lấy từ nguồn gió có thể điều khiển chủ động được, nhờ hệ thống
SG
~

=
=
~

CL
NLPL
Gear
Box
Grid

SG
~

=
=
~

NLMF
NLPL
Gear
Box
Grid

18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


điều khiển góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độ quay, do đó ta có thể chọn
một trong hai phương án, chọn phương án nào còn phụ thuộc vào khả năng đầu tư.
Trong phạm vi đề tài, để có thể điều khiển tối ưu hiệu suất của máy phát, ta tập
trung nghiên cứu hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB-KTVC dùng bộ nghịch lưu phía
máy phát như hình 1.7.
Sơ đồ cấu trúc điều khiển điển hình của một hệ thống phát điện sức gió sử
dụng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu như hình 1.8. trong đó sử dụng bộ

nghịch lưu có điều khiển phía máy phát (NLMF) để có thể thực hiện thuật toán điều
khiển tối ưu hiệu suất của máy phát.









Hình 1.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh
cửu(ĐB-KTVC)
Khối điều khiển góc cánh có nhiệm vụ điều chỉnh góc cánh của tuốc bin gió
thông qua điều chỉnh góc quay của động cơ đồng bộ nhằm duy trì tốc độ máy phát
ứng với công suất cực đại lấy từ gió.
Khối điều khiển phía máy phát điều khiển bộ nghịch lưu phía máy phát
(NLMF) nhằm tối ưu hiệu suất máy phát và giữ điện áp một chiều trung gian có giá
trị không đổi.
SG
~

=
=
~

Điều khiển
phía máy phát
Điều khiển
phía lưới

Điều khiển
góc cánh
MPPTL
MPPTP
ω
r

P
0

ω
r
*
θ
P
0
*
Q
0
*
U
s
*
U
DC
*
NLMF
NLPL
Gear
Box

Grid

19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Khối điều khiển phía lưới thực hiện điều khiển nghịch lưư phía lưới (NLPL)
nhằm điều khiển phát công suất phản kháng lên lưới và phát công suất tác dụng cực
đại lên lưới.
1.3. Kết luận
Chương 1 đã tìm hiểu về năng lượng gió và khảo sát được tiềm năng năng
lượng gió ở Việt Nam. Phân tích ưu nhược điểm của các hệ thống phát điện sức gió
và xác định được đối tượng nghiên cứu của Luận văn.
20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


CHƢƠNG 2
GIỚI THIỆU PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING
2.1. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KINH ĐIỂN
Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để
điều khiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn
nguyên lý làm việc. Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có
quán tính lớn như điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, và trong các hệ
điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp.
2.1.1. Bộ điều khiển PID
PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích - vi phân (Proportional-Integral-
Derivative). Bộ điều khiển PID điều khiển đối tượng SISO theo nguyên tắc
sai lệch:

Hình 2.1: Sơ đồ bộ điều khiển PID
Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn
(vai trò của khâu P).





Hình 2.2: Vai trò của khâu D
Nếu e(t) chưa bằng không thì thông qua thành phần tích phân, PID vẫn
Đối tượng
(-)
PID
e(t)
x(t)
u(t)
y(t)
21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của khâu I).
Nếu e(t) thay đổi lớn thì thông qua thành phần vi phân, phản ứng thích
hợp x(t) càng nhanh (vai trò của khâu D).
Bộ điều khiển PID được mô tả bởi hàm truyền đạt sau:
PID D
i
1
W (p)=k (1+ +T p)
Tp

m
(2.1)

K
m
là hệ số khuyếch đại
T
i
hằng số tích phân
T
D
hằng số vi phân
2.1.2. Bộ điều khiển PID số
Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp hiện nay được xây dựng trên
nền máy tính số, vì thế thuật toán PID cũng cần được biểu diễn dưới dạng phù
hợp cho việc lập trình cài đặt. Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ
ra điều khiển theo một khoảng thời gian xác định (không liên tục) - thời gian
lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống.
Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có
khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc
độ thay đổi sai số. Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn
định hơn.
Cấu trúc cơ sở của hệ thống điều khiển số:

Hình 2.3: Bộ điều khiển PID số
22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Trong đó:

- Khâu DAC: có thể không tồn tại một cách tường minh, mà ẩn dưới
dạng thiết bị có chức năng DA. Tín hiệu số được xử lý từ máy tính hoặc từ hệ
VXL cần phải chuyển sang tín hiệu tương tự để điều khiển khâu chấp hành. Vì
vậy cần có bộ biến đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự gọi tắt là DAC.
- Khâu ADC: thường sử dụng khi đo đạc giá trị thực của đại lượng ra (ví
dụ: đo dòng), biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu gián đoạn.
Việc biến đổi từ tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc gọi là quá trình cắt
mẫu, thông thường khoảng thời gian cắt mẫu là không đổi. Giữa hai lần lấy
mẫu liên tiếp nhau, bộ cắt mẫu không nhận một thông tin nào cả. Phần tử lưu
giữ sẽ chuyển đổi tín hiệu đã được lấy mẫu thành tín hiệu gần liên tục, tiệm
cận với tín hiệu trước, khi nó được lấy mẫu. Phần tử lưu giữ ở đây đơn giản
nhất là phần tử chuyển đổi tín hiệu mẫu thành tín hiệu có dạng bậc thang và
không đổi giữa hai thời điểm lấy mẫu gọi là phần tử lưu giữ bậc không.
- Bộ điều khiển: sử dụng vi xử lý (microprocessor: µP),vi điều khiển
(microcontroller: µC) hoặc vi xử lý tín hiệu (digital signal processor: DSP)
- Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là:
(2.2)
- T là chu kỳ trích mẫu tín hiệu:

Trong hệ thống điều khiển số tồn tại hai loại tín hiệu: Tín hiệu liên tục
và tín hiệu rời rạc, trong khi đó tín hiệu đưa vào đối tượng điều khiển và
tín hiệu đo lường là tín hiệu liên tục. Để đưa tín hiệu đó vào máy tính số ta
23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


phải biến đổi tín hiệu từ liên tục sang rời rạc. Trong thực tế khâu điều khiển
và đối tượng điều khiển là tương tự vì vậy tín hiệu rời rạc lại được khôi phục
lại thành liên tục. Nếu tín hiệu liên tục được giữ không đổi trong suốt thời
gian giữa hai lần lấy mẫu, gọi là quá trình lưu giữ bậc không.

Trong quá trình lấy mẫu tín hiệu ta phải quan tâm đến chu kỳ lấy mẫu T.
Việc chọn T như thế nào cho thích hợp là rất quan trọng trong hệ thống điều
khiển số. Nếu chọn T lớn quá có thể làm cho hệ thống điều khiển mất ổn định
vì thiếu thông tin. Nếu chọn T nhỏ quá thì có thể đẫn tới lượng thông tin bị
thừa và phần cứng có thể không đáp ứng được (phụ thuộc vào độ phân giải
của thiết bị ADC) và có thể làm cho hệ thống tác động chậm.
2.1.3. Một số hạn chế của bộ điều khiển PID
- Khi hệ thống bị tác động bởi nhiễu, nhiễu sẽ được đưa đến đầu
vào thông qua mạch phản hồi và tổng hợp cùng với tín hiệu mẫu do vậy
tín hiệu điều khiển cũng sẽ bao gồm nhiễu. Đây là một trong những
nguyên nhân ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống và độ chính xác điều
khiển.
- Biên độ sai lệch giữa tín hiệu mẫu và tín hiệu ra là lớn và luôn
tồn tại trong suốt quá trình điều khiển. Sai lệch này có xu hướng tăng
khi thông số của đối tượng thay đổi.
- Bộ điều khiển PID được thiết kế trên cơ sở mô hình tuyến tính hoá
với những thông số chính xác của đối tượng trong khi thực tế đối tượng là
phi tuyến và thông số là không chính xác.
Tuy nhiên, nếu hệ thống làm việc trong môi trường ít bị ảnh hưởng
của nhiễu, thông số của đối tượng chỉ thay đổi nhỏ trong quá trình làm
việc và yêu cầu về độ chính xác cũng như ổn định không cao thì PID vẫn
là một giải pháp hiệu quả.
24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



2.2. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BACKSTEPPING
Hiện nay về phương diện lý thuyết có nhiều phương pháp thiết kế phi tuyến,
như phương pháp tuyến tính hoá chính xác, phương pháp tựa phẳng, điều khiển mờ,

mạng nơ ron Trong luận văn này áp dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên
cơ sở hàm Lyapunov và phương pháp Backstepping.
2.2.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov
Trước khi đưa ra thuật toán thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển
Lyapunov, một số khái niệm sẽ được sử dụng trong phần này, đó là: điểm cân bằng
của hệ thống; ổn định Lyapunov; hàm Lyapunov; hàm điều khiển Lyapunov.
Điểm cân bằng: điểm cân bằng
e
x
của hệ thống là nghiệm của phương trình:
0
( , , ) 0
u
dx
f x u t
dt
(2.3)
nghĩa là, điểm cân bằng là điểm mà hệ thống sẽ nằm im tại đó, tức trạng thái của nó
không bị thay đổi (
0
dx
dt
) khi không có sự tác động từ bên ngoài (
0u
).
Điểm cân bằng mà trong luận văn sẽ áp dụng chính là các giá trị đặt của bộ
điều khiển mà ta sẽ thiết kế. Vì các khái niệm về ổn định Lyapunov được phát biểu
cho điểm cân bằng tại gốc toạ độ 0 , nên từ các điểm cân bằng
0
e

x
của hệ , để
chuyển về điểm cân bằng tại gốc toạ độ, ta thực hiện thế biến:


e
dx dx
x x x
dt dt
, khi đó việc xét ổn định của hệ

0
( , , ) ( , )
u
dx
f x u t f x t
dt

tạiđiểm cân bằng
0
e
x
sẽ được thay bằng việc xét tính ổn định của
hệ


 
( , ) ( , )
e
dx

f x x t h x t
dt
tại điểm gốc tọa độ

0x
.
Ổn định Lyapunov: một hệ thống với mô hình không kích thích:

0
( , , ) ( , )
u
dx
f x u t f x t
dt
(2.4)
25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


với một điểm cân bằng là gốc tọa độ 0, được gọi là :
Ổn định Lyapunov tại điểm cân bằng 0 nếu sau một tác động tức thời đánh
bật ra khỏi điểm cân bằng 0 và đưa tới một điểm trạng thái x
0
nào đó thì hệ có khả
năng tự quay về lân cận 0. Biểu diễn khái niệm này dưới dạng toán học thì: "Hệ
được gọi là ổn định Lyapunov tại điểm cân bằng 0 nếu với
0
bất kỳ bao giờ
cũng tồn tại phụ thuộc sao cho nghiệm x(t) của (3.2) với điều kiện đầu x(0)=x
0

thỏa mãn:
0
( ) , 0x x t t
".
Ổn định tiệm cận Lyapunov tại điểm cân bằng 0 nếu sau một tác động tức
thời đánh bật ra khỏi điểm cân bằng 0 và đưa tới một điểm trạng thái x
0
nào đó thì
hệ có khả năng tự quay về 0. Cũng biểu diễn khái niệm trên dưới dạng toán học thì:
"Hệ được gọi là ổn định tiệm cận tại điểm cân bằng 0 nếu với
0
bất kỳ bao giờ
cũng tồn tại phụ thuộc sao cho nghiệm x(t) của (3.2) với điều kiện đầu x(0)=x
0

thỏa mãn:
lim ( ) 0
t
xt
".
Hình 3.1 minh họa khái niệm ổn định và ổn định tiệm cận tại gốc 0 của hệ phi
tuyến. Ở hệ ổn định, nếu cho trước một lân cận của 0, tức là tập Ω các điểm x
trong không gian trạng thái thỏa mãn
()xt
với là một số thực dương tùy ý
nhưng cho trước, thì phải tồn tại một lân cận cũng của 0 sao cho mọi đường quỹ
đạo trạng thái tại thời điểm t=0 đi qua một điểm x
0
thuộc lân cận thì kể từ thời

điểm đó sẽ nằm hoàn toàn trong lân cận . Vì x
0
=x(0) nên để có được
(0)x
, lân
cận phải nằm trong lân cận . Mở rộng hơn, nếu quá trình tự do x(t) không những
về được lân cận gốc 0 mà tiến tiệm cận về 0, thì đó người ta nói hệ là ổn định tiệm
cận tại 0.
Từ các định nghĩa ở trên, để chỉ ra một dạng ổn định nào đó, ta phải xác định
được x(t) là lời giải của (3.2). Song hiện chưa có một phương pháp tổng quát nào để
cho ta tìm được nghiệm x(t) hệ phương trình vi phân phi tuyến (3.2).
A.M.Lyapunov, nhà toán học và kỹ sư người Nga, đã đưa ra một phương pháp kiểm
tra được tính ổn định (ổn định tiệm cận) của hệ (3.2) mà không cần phải tìm nghiệm
x(t) của nó. Phương pháp này sử dụng một hàm vô hướng V(x) xác định dương,