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 thích nghi

1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





NGUYỄN NGỌC QUÂN


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 THÍCH NGHI




Chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
MÃ SỐ 60520216


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



Thái Nguyên, 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 thích nghi”.
2. Đối tƣợng nghiên cứu
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu -
Bộ nghịch lưu hòa lưới.
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 thích nghi.
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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 thích nghi Backsteping để nâng cao chất
lượng hòa đồng bộ.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển thích nghi
Backsteping
- Mô phỏng Off-Line trên cơ sở sử dụng phần mềm matlab/simulink/plecs.
- Thực nghiệm trên cơ sở mô hình thí nghiệm (tự làm).
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.
7. Những điểm mới trong luận văn
- Đã áp dụng thành công phương pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật
thích nghi Backstepping để điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới.
- Với việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến thích nghi Backstepping,
luận văn ngoài giải quyết các vấn đề mà các phương pháp tuyến tính đã đề cập như
dao động điện áp lưới, đây là điểm mới và đóng góp mới của luậnvăn nhằm nâng
cao chất lượng điều khiển của hệ thống khi lỗi lưới ngắn mạch ba pha. Kết quả
nghiên cứu của luận văn đã chứng minh được chất lượng điều khiển hệ thống
nghịchlưu trong hệ thống PĐSG khi lỗi lưới ngắn mạch ba pha đối xứng tốt hơn so
với phương pháp điều khiển tuyến tính thông thường.
- Đã góp phần làm sáng tỏ được bản chất của phương pháp thích nghi
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
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

pháp là kết hợp của phương pháp điều khiển thích nghi 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 nhiều 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 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
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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.

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
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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 máy phát điện sử dụng 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).
Bảng 1.1: Thống kê sử dụng năng lượng gió trên thế giới
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
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
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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"
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
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

(90 km/h). Tốc độ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát
điện.

Hình 1. 2: Hình ảnh bên trong MPĐ sức gió
* 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.

10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

* 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 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
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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 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
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
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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.
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.
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Gearbox
IG
Soft
starter
Transformer
Capacitor bank

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 tiếpgiữa stator và lưới
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồnnăng 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 statorvà 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
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.
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
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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.

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 đơn giản phía máy phát như hình 1.6,
hoặc sử dụng bộ nghịch lưu phía máy phát (NLMF) như hình 1.7.
SG
~

=
=
~

NLMF
NLPL
Gear
Box
Grid

SG
~

=
=
~

CL
NLPL
Gear
Box
Grid

16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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
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.
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
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 .
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 1.7 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.

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

17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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.
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.

18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Chƣơng2
GIỚI THIỆU VÀ LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
BACKSTEPING
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.
2.1.1Bộ điều khiển PID
PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích - vi phân (Proportional-Integral-Derivative).
Bộ điều khiển PID điều khiển đối tƣợng 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).
Nếu e(t) chưa bằng không thì thông qua thành phần tích phân, PID vẫn
tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của khâu I).

Hình 2. 2: Vai trò của khâu D
Đối tượng
(-)
PID
e(t)
x(t)
u(t)
y(t)
19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

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.
Trong đó:
20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- 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 (vídụ: 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),viđiều 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:

Tronghệthốngđiềukhiểnsốtồntạihailoạitínhiệu:Tínhiệuliên
tụcvàtínhiệurờirạc,trongkhiđótínhiệuđưavào đốitượng điều khiểnvàtín
hiệuđolườnglàtínhiệuliêntục.Đểđưatínhiệuđóvào máy tính số ta phải biếnđổi tín
hiệu từ liên tục sangrời rạc. Trongthựctếkhâuđiềukhiểnvàđốitượng
điềukhiểnlàtương tựvìvậy tínhiệurờirạclại đượckhôiphụclạithành liêntục.
Nếutínhiệuliêntụcđượcgiữkhôngđổitrongsuốtthờigian giữa hai lầnlấy mẫu, gọi là
21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

quá trình lưu giữ bậckhông.
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.
2.2PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI.
2.2.1. Tổng quan về điều khiển thích nghi.
Một hệ thống mà bộ điều khiển có khả năng tự thay đổi thông số hay cấu trúc
của bộ điều khiển, hoặc cả về thông số lẫn cấu trúc của bộ điều khiển dựa trên chu
trình làm việc định trước hoặc cả thông số, cấu trúc của đối tượng được quan sát
22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

thực tế trong quá trình làm việc được gọi là hệ thống điều khiển thích nghi. Đó là
tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều
khiển nhằm thực hiện hay duy trì một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi

thông số của quá trình được điều khiển không biết trước hoặc thay đổi theo thời
gian.
Hệ thống điều chỉnh theo yêu cầu nào đó thì với các đại lượng vào, phải cho
được các đại lượng ra mong muốn. Nhưng do nhiều yếu tố ảnh hưởng như nhiễu,
các đại lượng vào quá lớn hay không biết trước, do đó để đạt được theo yêu cầu,
thống phải được tự động thích nghi bù sai số. Cơ cấu thích nghi tạo ra tín hiệu thích
nghi bằng tín hiệu từ khâu so sánh. Các chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu đặt trước
IP*, cho vào khâu so sánh với những giá trị đã được đo lường và tính toán theo các
thông số thực trạng của hệ thống điều chỉnh (các tín hiệu của đại lượng vào, đại
lượng ra, các nhiễu).
Hệ thống đó được mô tả trong hình dưới đây gồm 2 vòng:

Hình 2. 4: Mô tả hệ thống điều khiển thích nghi.
* Cấu trúc của hệ thống thích nghi gồm ba khâu cơ bản:
- Đo lường theo tiêu chuẩn IP nào đó.
- Khâu so sánh.
Vòng hồi tiếp thông
thường
Vòng hồi tiếp điều khiển
thích nghi
23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- Cơ cấu thích nghi.
* Các tiêu chuẩn IP có thể là: Các chỉ số tĩnh, các chỉ số động, các chỉ số của các
thông số, hàm của các biến thông số và các tín hiệu vào.
* Cơ cấu thích nghi có thể là:
- Thích nghi thông số.
- Tổng hợp một tín hiệu bổ sung.
* Chiến thuật thích nghi có thể là:

- Tiền định.
- Phỏng đoán (scholastic).
- Tự học.
Hệ thống cần điều khiển sẽ được điều khiển thích nghi ổn định theo thông số
nào đó, cho dù tín hiệu vào là không biết trước hay là quá lớn.
2.2.2Các phƣơng pháp điều khiển thích nghi
2.2.2.1. Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (MRAS)
Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (Model reference adaptive system
– MRAS) có sử dụng bộ điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi ( Model
reference adapt control - MRAC ), nguyên lý cơ bản của hệ được thể hiện bằng sơ
đồ tổng quát như sau:

24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 2. 5: Cấu trúc chung của bộ điều chỉnh thích nghi có mô hình theo dõi
Nguyên tắc làm việc của bộ ĐKTN MRAC được tóm tắt như sau: Để hệ kín,
bao gồm đối tượng điều khiển và bộ điều khiển, luôn có được chất lượng mong
muốn ứng với hàm truyền đạt mẫu mong muốn thì bộ điều khiển cần phải được
thiết kế và hiệu chỉnh thường xuyên sao cho tín hiệu đầu ra y(t) của hệ kín luôn như
đầu ra ym(t) cuả mô hình tham chiếu. Mục tiêu là:
(2.3)
Như vậy vấn đề còn lại của bài toán là thiết kế cơ cấu thay đổi tham số bộ
điều khiển để luôn có được sai số e(t) ≈ 0 và điều này phải không được phụ thuộc
vào sự thay đổi bên trong đối tượng.
Để thực hiện hiệu chỉnh tham số p cho bộ điều khiển với cấu trúc xác định,
cho trước, điển hình là mô hình điều chỉnh theo luật MIT và phương pháp hiệu
chỉnh theo hàm mục tiêu xác định dương đặt trước.
2.2.2.2. Luật hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển MIT (Masachusetts Institube
Technology)

Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu đầu tiên được đưa ra để giải quyết
vấn đề: các đặc điểm của một mô hình tham chiếu yêu cầu ngõ ra là quá trình lí
tưởng cần có đáp ứng đối với tín hiệu điều khiển như thế nào. Trong trường hợp
này, mô hình tham chiếu mang tính song song hơn là nối tiếp. Bộ điều khiển xem
như có hai vòng: vòng phía trong gọi là vòng hồi tiếp thông thường có quá trình và
bộ điều khiển. Các thông số của bộ điều khiển được chỉnh định bởi vòng ngoài sao
cho sai số e giữa ngõ ra y và ngõ ra mô hình ym là nhỏ nhất. Vì vậy vòng ngoài còn
được gọi là vòng chỉnh định. Vấn đề là xác định cơ cấu chỉnh định cho hệ thống ổn
định, nghĩa là sai số bằng không. Điều này không thể thực hiện được. Cơ cấu chỉnh
định với thông số sau được gọi là luật MIT, được sử dụng cho hệ MRAS đầu tiên:
(2.4)
0tytytetyty
mm

de
e
dt
25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Trong phương trình này e là sai số của mô hình e = y – ym . Các thành phần
của vec to ∂e/∂θ là đạo hàm của độ nhạy sai số đối với thông số chỉnh định θ.
Thông số γ xác định tốc độ thích nghi. Luật MIT có thể được giải thích như sau, giả
sử rằng các thông số θ thay đổi chậm hơn nhiều so với các biến khác trong hệ
thống. Để bình thường sai số là lớn nhất, cần thay đổi các thông số theo hướng
gradient âm của bình phương sai số e2.
Nội dung phương pháp hiệu chỉnh này là thay đổi vecto thông số p sao cho
đảm bảo mục tiêu (2.4). Tức là cần có:
(2.5)
Và để đạt được (2.5) ta chỉ cần thay đổi sao cho:

hoặc có thể viết :
Trong đó γ là hằng số dương tùy ý và được coi là hệ số khuếch đại thích
nghi, tốc độ để phụ thuộc theo độ lớn của γ.
Luật MIT sẽ đạt hiệu quả cao nếu ta chọn độ thích nghi γ nhỏ. Tuy nhiên giới
hạn này còn tùy thuộc vào biên độ tín hiệu chuẩn cũng như là độ lợi của hệ thống.
Trong một số trường hợp, luật MIT có thể làm mất tính ổn định của hệ thống. Do đó
khi sử dụng luật hiệu chỉnh ta cũng cần phải quan tâm đến tính ổn định của hệ
thống.
2.2.2.3. Hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển mờ cực tiểu hóa hàm mục tiêu hợp
thức(xác định dương).
Phương pháp hiệu chỉnh này nhờ cực tiểu hóa hàm mục tiêu xác định dương
V(e) của các vector sai lệch e.
và
0
dt
tde
e
p
T
p
e
e
dt
pd
T
p
e
e
dt
pd

sgn
0lim
0
te
t
0,0 eeV
00V