nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp điều khiển tựa theo thụ động (passivity- based) để điều khiển máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (995.54 KB, 78 trang )

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG Ƣ́ NG DỤ NG
PHƢƠNG PHP ĐIỀU KHIỂN TA THEO TH ĐNG (Passivity
- Based) ĐỂ ĐIỀU KHIỂ N MÁ Y PHÁ T ĐIỆ N
KHÔNG ĐỒ NG BỘ 3 PHA NGUỒ N KÉ P

Ngành : TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A
Học Viên: TRƢƠNG VĂN BIỂ N
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄ N NHƢ HIỂ N

THÁI NGUYÊN - 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
ĐẠI HỌC THI NGUYÊN
CNG HOÀ XÃ HI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
***
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG Ƣ́ NG DỤ NG PHƢƠNG PHÁ P ĐIỀ U KHIỂ N
TƢ̣ A THEO THỤ ĐỘ NG (Passivity - Based) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
MY PHT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG B 3 PHA NGUỒ N KÉ P

Học Viên: Trƣơng Văn Biển
Lớp: TĐH – K11
Ngành : Tự động hóa
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. Nguyễn Nhƣ Hiển
Ngày giao đề tài:
Ngày hoàn thành đề tài:

KHOA SAU ĐẠI HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình là do tôi tự làm và nghiên cứu,
trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài
liệu tham khảo.
Tác giả luận văn

Trương Văn Biển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4

MC LC
Trang
Mở đầu

5
Chƣơng 1. Tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến
v áp dụng cho máy phát điện sức gi.
7
1.1. Tổng quan về hệ thống điề u khiể n phi tuyế n.
7
1.1.1. Phƣơng pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha.
8
1.1.2. Kỹ thuật Gain scheduling.
9
1.1.3. Điều khiển tuyến tính hóa chính xác.
9
1.1.4. Phƣơng pháp điều khiển dựa trên thụ động (Passivity
Based Control).
10
1.2 Tổ ng quan và mô hì nh hệ thố ng củ a má y phá t điệ n sƣ́ c gió .
12
1.2.1 Tổng quan về máy phát điện sức gió.
12
1.2.2 Các phƣơng pháp điều khiển phía máy phát
18
Chƣơng 2. Xây dựng cấu trúc điều khiển.
20
2.1. Mô hình toán học, cấu trúc điều khiển phía máy phát và
phía lƣới của hệ thống phát điện chạy sức gió
20
2.1.1. Khái quát về hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử
dụng máy điện dị bộ nguồn kép.
20
2.2.1. Mô hình toán học phía máy phát và phía lƣới

22
2.2.1.1. Mô hình và các biến điều khiển phía máy phát
22
2.2.1.2. Mô hình và các biến điều khiển phía lƣới
25
Chƣơng 3. Thiế t kế bộ điề u khiể n cho hệ thố ng bằ ng phƣơng
pháp điều khiển phi tuyến Passivity – Based.
28
3.1. Cơ sở lý luận phƣơng pháp điều khiển Passivity – Based
28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
3.1.1 Hệ Euler – Lagrange.
28
3.1.2. Nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động (PBC)
29
3.1.3. Phƣơng trình Euler-Lagrange.
30
3.1.4. Các đặc tính của hệ EL
33
3.1.5. Đặc tính ổn định của hệ EL
41
3.2. p dụng phƣơng pháp Passivity – Bases để thiết kế hệ
thống điều khiển phía máy phát.
43
3.2.1. p dụng phƣơng pháp Passivity – Based thiết kế bộ điều
chỉnh dòng
44
3.2.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần ird trên miền liên tục

53
3.2.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
rq
trên miền liên tục
55
3.2.4. Chuyển bộ điều khiển dòng PBC phía máy phát sang dạng
số.
56
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển phía lƣới.
57
3.3.1. Mô hình trạng thái liên tục phía lƣới.
57
3.3.2. Các biến điều khiển phía lƣới
60
3.3.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía lƣới
61
Chƣơng 4: Mô phỏng v đánh giá chất lƣợng hệ thống điều
khiển
64
4.1. Sơ đồ mô phỏng
64
4.2. Kết quả mô phỏng
67
4.3. Nhận xét kết quả
71
Kết luận và kiến nghị
72
Tài liệu tham khảo
73
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
MỞ ĐẦU

Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 nguồn năng lƣợng cung cấp cho loài ngƣời
cần phải xem xét: nguồn năng lƣợng hóa thạch nhƣ than đá , dầ u mỏ đang cạn
dần, đồng thời ô nhiễm môi trƣờng do đốt nhiên liệu hóa thạch càng trở nên trầm
trọng. Năng lƣợng sạch đang đƣợc quan tâm nhiều và là sự lựa chọn cho ngành
năng lƣợng thay thế trong tƣơng lai. Nguồn năng lƣợng sạch đang đƣợc quan
tâm là năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng gió, năng lƣợng
sóng biển, năng lƣợng thủy triều…Năng lƣợng sạch góp phần rất lớn vào việc
cải tạo cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trƣờng. Với nhiều ƣu việt nhƣ sạch,
không gây ô nhiễm môi trƣờng , có tiềm năng lớn , vô tận ở quy mô toàn cầu ,
năng lƣợ ng sạ ch đã khẳng định vị trí của mình trên thị trƣờng năng lƣợng thế
giới. Trong nhƣ̃ ng năm qua, trên thế giới, đặc biệt là những quốc gia có tiềm lực
khoa học công nghệ, có nền công nghiệp phát triển , có tài nguyên năng lƣợng
thiên nhiên phong phú, có tầm nhìn chiến lƣợc đã đầu tƣ mạnh mẽ cho việc khai
thác sử dụng các nguồn sạ ch nhằm bổ sung , thay thế dần các nguồn năng lƣợng
hoá thạch và phục vụ thiết thực cho phát triển kinh tế - xã hội từng nƣớc. Là một
nƣớc nông nghiệp, có khí hậu nhiệt đới gió mùa , có bờ biển dài trên 3260km và
hàng trăm đảo lớn nhỏ ven bờ , đón gió trực tiếp từ biển Đông thổi vào đây là
nhƣ̃ ng điề u kiệ n thuậ n lợ i để khai thá c tố t cá c nguồ n năng lƣợ ng gió. Các hệ
thống biế n đổ i năng lƣợng gió này sẽ thay thế các hệ thống cung cấp năng lƣợ ng
từ lƣới điện quốc gia ở các vùng nông thôn biệt lập , nơi mà việc phát triển lƣới
điện không khả thi về mặt kinh tế . Để đá nh giá về nguồ n năng lƣợng gió nà y ta
thấ y: Năng lƣợ ng gió đƣợ c xem nhƣ nguồn năng lƣợng dễ khai thác với chi phí
đầu tƣ và vận hành tƣơng đối thấp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7

Tƣ̀ nhƣ̃ ng đá nh giá quan trọ ng trên chú ng ta cầ n phả i tiế n hà nh nghiên cƣ́ u
các phƣơng pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật hiệ n đạ i và o việ c khai thá c nguồ n
năng lƣợ ng sạ ch nà y nhằ m phá t triể n lĩ nh vƣ̣ c năng lƣợ ng gió ở nƣớ c ta mạ nh
hơn nƣ̃ a.
Trong thờ i gian qua đã có mộ t số công trì nh nghiên cƣ́ u tổ ng hợ p kỹ thuậ t,
thuậ t toá n điề u khiể n trong hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió nhằm khai
thác tốt nguồn năng lƣợng gió vô cùng quý giá này . Trong khuôn khổ đề tài này,
tôi đƣa ra các thuật toán thiết kế bộ điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động
Passivity - Based nhằm thấy đƣợc tính khả thi của việc áp dụng phƣơng pháp
này để cải thiện chất lƣợng của hệ thống điều khiển. Sau đó đƣợc kiểm tra tính
đúng đắn của các thuật toán trên hệ thống máy phát điện nguồn kép bằng mô
phỏng Matlab-Simulink Plecs.
Nội dung của đề tài đƣợc chia làm 4 chƣơng:
- Chƣơng 1. Tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến và á p
dụng cho máy phát điện sức gió.
- Chƣơng 2: Xây dƣ̣ ng cấ u trú c điề u khiể n.
- Chƣơng 3: Thiế t kế bộ điề u khiể n cho hệ thố ng bằ ng phƣơng phá p điề u
khiển phi tuyến Passivity – Based.
- Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống điều
khiển
Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù đƣợc sự hƣớng dẫn tận
tình của thầy hƣớng đẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân tác giả cũng cố
gắng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và các công trình đã nghiên cứu, công bố trên
các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi đƣợc các
thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
giá quí báu của các thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và
đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới sự sự hƣớng dẫn tận tình và chu đáo
của thầy hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển cùng các thầy, cô giáo khác đã
giúp đỡ về chuyên môn cũng nhƣ tài liệu của các thầy, các cô đã làm cho em có
đƣợc một luận văn hoàn chỉnh và sâu sắc.
Em xin chân thành cảm ơn Khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trƣờng Đại
học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về
mọi mặt để em hoàn thành khóa học.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 7 năm 2010
Ngƣời thực hiện

Trương Văn Biển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
Chữ viết tắt
ADC
Bộ chuyển đổi tƣơng tự số
CL
Chỉnh lƣu
CTĐTT
Chuyển tọa độ trạng thái
DAC
Bộ chuyển đổi tƣơng tự số
ĐC
Điều chỉnh
ĐCVTKG
Điều chế vector không gian

ĐLĐK
Đại lƣợng điều khiển
ĐKPHTT
Điều khiển phản hồi trạng thái
DSP
Digital signal processor – Vi xử lý tín hiệu
HSCS
Hệ số công suất
NLPL
Nghịch lƣu phía lƣới
NLMP
Nghịch lƣu phía máy phát
MDBNK
Máy điện dị bộ nguồn kép
MHTT
Mô hình tính toán
MIMO
Multi input – multi output
THĐAL
Tựa hƣớng vector điện áp lƣới
PĐSG
Phát điện sức gió
PLL
Phase Locked Loop
PWM
Điều chế độ rộng xung
TSP
Tính toán giá trị đặt
TTHCX
Tuyến tính hóa chính xác

VĐK
Vi điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
DANH MC CC HÌNH VẼ
Hình số
Nội dung
1.1
Kỹ thuật Gain scheduling
1.2
Turbine gió với tốc độ ổn định
1.3
Turbine gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stato
1.4
Turbine gió với tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK
1.5
Sơ đồ cấu trúc điều khiển phi tuyến
2.1
Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử
dụng máy điện dị bộ nguồn kép
2.2
Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát
2.3
Biểu diễn véc tơ dòng điện phía lƣới
2.4
Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía phía lƣới
2.5
Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lƣới
hệ thống PĐSG sử dụng MDKBNK

3.1
Phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động con
3.2
Nối theo kiểu phản hồi của hai hệ EL
3.3
Hệ thống điều khiển máy phát (MDKBNK) trong hệ thống PĐSG sử
dụng bộ điều chỉnh Passivity – Based
3.4
Phân tích MDBNK thành động học phần điện và phần cơ
3.5
Hình 3.5. Sơ đồ tổng quát mạch điện phía lƣới

3.6
Hình 3.6. Biểu diễn véc tơ dòng điện phía lƣới

3.7
Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển phía lƣới

3.8
Hình 3.8. Sơ đồ cấu trúc điều khiển gián đoạn phía lƣới

3.9
Hình 3.9. Hệ thống điều khiển phía lƣới và phía máy phát (MDKBNK)
trong hệ thống PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based

4.1
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống máy phát điện sử dụng
máy điện dị bộ nguồn kép
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11

4.2
Hình 4.2. Đáp ứng dòng rôto theo các thành phần dq

4.3
Hình 4.3. Đáp ứng mô men (công suất tác dụng)

4.4
Hình 4.4. Đáp ứng điện áp 3 pha Stato so với điện áp lƣới tính từ bắt
đầu khởi động máy phát đến 0,3 giây

4.5
Hình 4.5. a, Tần số góc mạch stato và tần số góc mạch điện lƣới; b,
Góc Theta stato và lƣới; c, Tần số góc mạch điện rôto máy phát

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
VÀ ÁP DỤNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN:
Có thể nói rằng, hiện nay lý thuyết điều khiển tuyến tính đã phát triển ở mức
gần nhƣ hoàn thiện. Do đó việc tổng hợp bộ điều khiển cho một đối tƣợng tuyến
tính đã có đủ công cụ lý thuyết để thực hiện, công việc còn lại chỉ là chọn một
phƣơng pháp điều khiển phù hợp cho từng đối tƣợng cần điều khiển cụ thể mà
thôi. Khi mà lý thuyết điều khiển phi tuyến chƣa phát triển thì việc tổng hợp một
bộ điều khiển phi tuyến là rất khó khăn. Do đó, cách giải quyết trong đa số các

trƣờng hợp đối tƣợng phi tuyến là qua các bƣớc, đầu tiên mô hình của đối tƣợng
phi tuyến sẽ đƣợc tuyến tính hoá, sau đó mô hình xấp xỉ tuyến tính đó sẽ đƣợc sử
dụng để quyết định luật điều khiển bằng lý thuyết điều khiển tuyến tính. Tuy
nhiên trong nhiều trƣờng hợp, đặc biệt khi yêu cầu về tối ƣu trong hệ thống đƣợc
đặt ra thì việc sử dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính để thiết kế một bộ điều
khiển cho đối tƣợng phi tuyến là rất khó. Bởi vì nếu sử dụng mô hình xấp xỉ
tuyến tính của đối tƣợng thì có nghĩa là ta đã phá vỡ đi cấu trúc vật lý của đối
tƣợng. Vì vậy, xuất phát từ các nhu cầu thực tế, việc phát triển một hệ thống lý
thuyết điều khiển phi tuyến là hết sức cần thiết và thiết thực. Nhiều năm trở lại
đây đã có nhiều tác giả xây dựng một cách có hệ thống các công cụ và lý thuyết
để giải quyết các bài toán điều khiển áp dụng cho các đối tƣợng phi tuyến. Tuy
nhiên, không giống nhƣ hệ tuyến tính, các hệ phi tuyến rất phức tạp và đa dạng,
nên việc xây dựng một hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cho mọi hệ phi
tuyến là không thể. Vì thế nhiều tác giả thấy rằng để lý thuyết điều khiển phi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
tuyến có thể ứng dụng một cách thiết thực trong thực tế thì cần phải phân loại ra
thành các hệ phi tuyến riêng biệt có những tính chất nhất định, đặc trƣng cơ bản
cho lớp các đối tƣợng thuộc một hệ phi tuyến cụ thể, để rồi từ đó đi xây dựng
một hệ thống lý thuyết có khả năng ứng dụng cho hệ thống phi tuyến đó. Để có
thể phát triển lý thuyết điều khiển phi tuyến một cách thực dụng, thì đầu tiên ta
phải xem xét những đối tƣợng có ý nghĩa thực tế mà cấu trúc vật lý của nó phải
đƣợc tính đến từ đầu trong quá trình thiết kế.
Các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến trong hệ thống tự động hóa đã đƣợc
hình thành, phát triển và đạt đƣợc nhiều kết quả rất quan trọng. Đặt nền móng
ban đầu phải nói đến các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến kinh điển nhƣ phân
tích mặt phẳng pha, tính ổn định tuyệt đối, cân bằng điều hòa, điều khiển trƣợt…
Sau đến là các phƣơng pháp điều khiển tuyến tính hóa xấp xỉ, phân tích hệ thống
nhờ đa tạp trung tâm, điều khiển tuyến tính hình thức, kỹ thuật Gain

scheduling… và sau này do công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển tốt,
giải quyết đƣợc bài toán về tốc độ xử lý và thời gian tính toán. Do kỹ thuật máy
tính, kỹ thuật vi xử lý phát triển vƣợt bậc, con ngƣời có khả năng tính đƣợc
nhiều các phép tính phức tạp và nhanh hơn gấp hàng triệu lần so với trƣớc kia thi
các phƣơng pháp điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh ra đời nhƣ điều
khiển cuốn chiếu (Backstepping), điều khiển thích nghi, điều khiển Mờ, điều
khiển thụ đông (Passitivy-based)… Đây là mảng lý thuyết điều khiển mới và
đƣợc ứng dụng trong những năm gần đây đƣợc áp dụng để thiết kế các bộ điều
khiển thông minh có thể kể đến là các thuyết điều khiển logic mờ (fuzzy logic
theory), lý thuyết mạng Nơron( thần kinh), thuật toán di truyền, vector không
gian… Sau đây chúng ta có thể phân tích khái quán một số phƣơng pháp điều
khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
1.1.1 Phƣơng pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha.
Phƣơng pháp này dựa trên các thông tin cần thiết của hệ thống từ mô hình
hoặc sơ đồ khối nhƣ là “điểm cân bằng hoặc điểm dừng của hệ thống”, “tính ổn
định và xác định miền ổn định tƣơng ứng của hệ” và khả năng tồn tại dao động
để phân tích hệ thống từ đó rút ra những những kết luận cơ bản về tính chất động
học của hệ thống. Bằng việc phân tích các đƣờng quỹ đạo trạng thái khép kín để
rút ra kết luận về chất lƣợng phi tuyến. Phƣơng pháp này tƣởng nhƣ đơn giản,
song việc phân tích chất lƣợng động học của hệ thống trên cơ sở phân tích dạng
các đƣờng quỹ đạo trạng thái. Do đó nó sẽ có hạn chế là chỉ áp dụng đƣợc cho
những hệ thống có tối đa là hai biên trạng thái vì chúng ta chỉ có thể xây dựng
đƣợc đồ thị đƣờng cong trong mặt phẳng một cách tƣơng đối chính xác. Cụ thể
cách phân tích, đánh giá và xây dựng phƣơng pháp điều khiển đƣơc [1] thể hiện
rất rõ.
1.1.2 Kỹ thuật Gain scheduling
Kỹ thuật gain scheduling là một dạng đặc biệt của phản hồi phi tuyến. Tuy nó

chƣa có một định nghĩa chặt chẽ nào hoàn hảo về thuật ngữ gain scheduling
nhƣng ta có thể hiểu đó là một bộ điều chỉnh tuyến tính mà các tham số của nó
đƣợc thay đổi nhƣ là một hàm của các điểm làm việc theo một cách đã đƣợc lập
trình trƣớc. Toàn bộ kỹ thuật Gain scheduling đã đƣơc [1] (Tr.390) trình bầy
trong nhiều trƣờng hợp, các động học của quá trình thay đổi theo các điều kiện
của quá trình đó, các tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi bằng cách quan
sát các điều kiện làm việc của quá trình đó. Toàn bộ kỹ thuật Gain scheduling
đƣợc thể hiện bằng sơ đồ khối sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15

Hình 1.1 Kỹ thuật Gain scheduling

1.1.3 Điều khiển tuyến tính ha chính xác.
Bộ điều khiển đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp tuyến tính hóa hứa hẹn mang
lại chất lƣợng cao trong các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến. Điều khiên hệ
phi tuyến bằng phƣơng pháp tuyến tính tuyến tính hóa là dựa trên cơ sở “hình
học vi phân”. Theo phƣơng pháp này ta phải thiết kế bổ điều khiển phản hồi
trạng thái thông qua phép đổi trục tọa độ thích hợp để đƣa đối tƣợng phi tuyến về
dạng tuyến tính trong toàn bộ không gian trạng thái mới (trong hệ tọa độ mới). Ở
phƣơng pháp này ta phải xác định đƣợc giá trị của các biến trạng thái cần phản
hồi có thể đo trực tiếp nhờ các thiết bị cảm biến hoặc có thể đo gián tiếp thông
qua bộ quan sát trạng thái, quan sát trong một khoảng thời gian đủ lớn. Phƣơng
pháp này có triển vọng rất lớn song cung không phải la không có nhƣợc điểm.
Nhƣợc điểm ở đây là phải xác định đƣợc chính xác giá trị của các biến trạng thái
của đối tƣợng (thông thƣờng đo trức tiếp bằng các sensor) để phản hồi về bộ điều
khiển, nhƣng trong thực tế không phải lúc nào các biến trạng thái có thể đo trực
tiếp đƣợc mà phải thông qua bộ quan sát trạng thái. Điều này làm khó khăn trong
quá trình thiết kề bộ điều khiển, do thông qua bộ quan sat sẽ có sai số trong quá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
trình tính toán, do vậy khi thiết kế bộ điều khiển theo phƣơng pháp này sẽ rất
khó khăn trong quá trình tính toán trong việc tính toán thiết kế bộ quan sát trạng
thái.
1.1.4 Phƣơng pháp điều khiển dựa trên thụ động (Passivity Based
Control).
Điều khiển dựa trên thụ động (Passivity Based Control) là thuật điều khiển
mà nguyên lý của nó dựa trên đặc điểm thụ động của hệ với mục tiêu làm cho hệ
kín cũng là một hệ thụ động với hàm lƣu giữ năng lƣợng mong muốn. Nguyên lý
điều khiển dựa trên thụ động đƣợc xem nhƣ là mở rộng của kỹ thuật chọn hàm
năng lƣợng (Energy shaping) và kỹ thuật phun tín hiệu suy giảm (Damping
injection). Kỹ thuật chọn hàm năng lƣợng là quá trình thay đổi thế năng của hệ
thống để sao cho hàm thế năng mới là nhỏ nhất và duy nhất tại trạng thái cân
bằng. Tiếp theo là quá trình phun tín hiệu suy giảm, đó là giai đoạn làm thay đổi
năng lƣợng tiêu thụ (dissipation energy) để đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ
thống.
Khi mở rộng kỹ thuật trên cho nguyên lý điều khiển thụ động thì có thể hiểu
một cách đơn giản nhƣ sau: Giai đoạn chọn hàm năng lƣợng là quá trình thiết lập
một quan hệ thụ động giữa đầu vào và đầu ra cần điều khiển để đạt đƣợc hàm
lƣu giữ năng lƣợng mong muốn. Hàm này bao gồm động năng ban đầu và thế
năng mong muốn của hệ thống. Còn phun tín hiệu suy giảm là quá trình củng cố
thêm đặc điểm thụ động đối với đầu ra (Output strictly pasivity). Và ngoài sự kế
thừa các kỹ thuật trên thì để xây dựng một nguyên lý điều khiển PCB hoàn chỉnh
thì cần phải bổ xung thêm những nhận thức rất quan trọng sau và có thể xem nhƣ
đó là các nguyên tắc trong quá trình xây dựng bộ điều kiển dựa trên thụ động
sau này:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
 Khi trạng thái của hệ thống không có khả năng đo thì tín hiệu suy giảm
phải đƣợc “phun” vào hệ thông qua việc mở rộng động học của hệ thống.
 Đối với hệ thống thiếu tác động điều khiển (underactuated system), trong
điều khiển robot thƣờng gọi là hệ hụt cơ cấu chấp hành, thì thế năng của
hệ thống không đƣợc bỏ qua, mà nó sẽ đóng một vai trò quyết định trong
việc xây dựng bộ điều khiển dựa trên thụ động. Và nếu nhƣ cần phải thay
đổi động năng, thì đầu tiên, bộ điều khiển đƣợc xây dựng ở dạng không
tƣờng minh (chƣa có quan hệ tƣờng minh giữa tín hiệu điều khiền và tín
hiệu ra của hệ cần điều khiển) và sau đó qua bƣớc “đảo” động học của hệ
thống để đạt đƣợc dạng tƣờng minh.
 Vì trong hầu hết các trƣờng hợp, động năng có tham gia vào việc xây
dựng bộ điều khiển, nên nó cũng phải đƣợc thay đổi (shaped). Nhƣ đã nói
ở trên, nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động là gán cho hệ kín một hàm
lƣu giữ năng lƣợng mong muốn (desired storage function). Tuy nhiên hàm
này không đơn thuần là tổng động năng và thế năng mới của hệ thống mà
ở đây hàm này sẽ đƣợc chọn từ việc phân tích động học sai số (error
dynamic) của hệ kín thông qua việc chọn hệ số phù hợp đối với lực
(workless force) của hệ thống để có đƣợc quan hệ tuyến tính đối với tín
hiệu sai lệch.
Tất nhiên nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động không chỉ gói gọn vào mấy
phát biểu trên, mà đó chỉ là những phát biểu có tính chất tổng quan. Nguyên lý
này sẽ đƣợc trình bày một cách cụ thể và có hệ thống trong các công việc sau của
luận văn, đặc biệt khi áp dụng cho một đối tƣợng cụ thể là máy phát điện sức gió
dùng động cơ dị bộ (động cơ không đồng bộ Roto dây quấn).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18
1.2 TỔNG QUAN VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG CỦA MY PHT ĐIỆN SỨC
GIÓ.

1.2.1 Tổng quan về máy phát điện sức gi.
Ngày nay nhu cầu về điện năng ở nƣớc ta nói riêng cũng nhƣ trên toàn cầu
nói chung ngày càng tăng. Do kinh tế phát triển nhanh chóng và cạnh tranh gay
gắt, trƣớc tình trạng các nguồn năng lƣợng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các
nguồn năng lƣợng mới đƣợc các nƣớc quan tâm rộng rãi. Tỷ suất tăng trƣởng
của toàn thế giới về các dạng năng lƣợng điện năm 2000-2009 là: năng lƣợng
gió: 32%; năng lƣợng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%;
năng lƣợng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1%. Nhƣ vậy tỷ suất tăng trƣởng của năng
lƣợng mới cao hơn nhiều so với năng lƣợng truyền thống. Trong đó điện gió có
tốc độ tăng trƣởng cao nhất. Do đó máy phát điện chạy sức gió ngày càng trở lên
có tính thực tiễn cao, bởi nguồn năng lƣợng sạch này rất lớn chƣa đƣợc khai thác
hết và là tự nhiện không ảnh hƣởng tới môi trƣờng của con ngƣời trong quá trình
sử dụng.
Trong nhƣ̃ ng năm gân đây các máy phát điện lợi dụng sức gió đã đƣợc sử
dụng nhiều ở các nƣớc châu Âu, Mỹ và các nƣớc công nghiệp phát triển khác.
Sau thảm họa Chernobyl (Ukraine 1986), cuộc đấu tranh đòi hủy bỏ các nhà máy
điện nguyên tử tại Đức diễn ra ngày càng mãnh liệt nên điện bằng sức gió phát
triển rất mạnh, sản lƣợng đã vƣợt xa sản lƣợng thủy điện và trở thành nguồn
năng lƣợng đáng kể trên cƣờng quốc công nghiệp này.
Ƣu điểm dễ thấy nhất của điện bằng sức gió là không tiêu tốn nhiên liệu,
không gây ô nhiễm môi trƣờng nhƣ 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
gần dòng nƣớc mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ
chứa nƣớc.
Các trạm điện bằng sức gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, nhƣ vậy sẽ
tránh đƣợc chi phí cho việc xây dựng đƣờng dây tải điện.
Trạm điện bằng sức gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau,

với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú. Các trạm điện bằng sức gió đặt ở
ven biển cho sản lƣợng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thƣờng 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. Dải bờ biển Việt Nam trên 3.620km và
hàng trăm đảo lớn nhỏ ven bờ có thể tạo ra công suất hàng tỉ kW điện bằng sức
gió.
Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng đƣợc cho công nghiệp,
nông nghiệp cũng có thể đặt đƣợc trạm điện bằng sức gió. Trƣờng 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 điện bằng sức gió 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 lớn hơn khi thành phố bất ngờ bị mất điện.
Điện khí hóa ngành đƣờng sắt là xu hƣớng tất yếu của các nƣớc công
nghiệp. Chỉ cần đặt với khoảng cách 10km một trạm 4.800kW dọc các tuyến
đƣờng sắt đã có đủ điện năng cho tất cả các đoàn tàu ở Việ t Nam hiện nay . Các
đầu máy diesel và than đá tiêu thụ lƣợng nhiên liệu rất lớn và gây ô nhiễm môi
trƣờng sẽ đƣợc thay thế bằng đầu máy điện trong tƣơng lai.
Đặt một trạm điện bằng sức gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lƣới
điện quốc gia sẽ tránh đƣợc việc xây dựng đƣờng dây tải điện với chi phí lớn gấp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20
nhiều lần chi phí xây dựng một trạm điện bằng sức gió. Việc bảo quản một trạm
điện bằng sức gió cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đƣờng dây tải điện rất nhiều.
Nhà máy nƣớc ngọt đặt dƣới chân những trạm điện bằng sức gió là mô
hình tối ƣu để giải quyết việc cung cấp nƣớc ngọt cho vùng đồng bằng sông Cửu
Long, tiết kiệm nhiên liệu và đƣờng dây.
Một trạm 40kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đoàn thăm dò địa
chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đƣờng dây chƣa thể vƣơn tới đƣợc.
Một nông trƣờng cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng trạm điện

bằng sức gió hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời sống công nhân,
vừa cung cấp nƣớc tƣới và dùng cho xƣởng chế biến sản phẩm
Tất nhiên, gió là dạng năng lƣợng vô hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao
nên khi đầu tƣ vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy. Nhƣng
chắc chắn chi phí đầu tƣ cho điện bằng sức gió thấp hơn so với thủy điện. Toàn
bộ chi phí cho một trạm điện bằng sức gió 4.800kW khoảng 3.000.000 euro.
Với 500 trạm điện bằng sức gió loại 4.800kW sẽ có công suất 2,4 triệu
kW, bằng công suất Nhà máy thủy điện Sơn La, tổng chi phí sẽ là: 500 x
3.000.000 = 1,50 tỉ euro = 1,875 tỉ USD, chi phí này nhỏ hơn 2,4 tỉ USD là dự
toán xây dựng Nhà máy thủy điện Sơn La.
Với những phân tích lợi ích trên, ta thấy việc cần phát triển về qui mô
cũng nhƣ khoa học kỹ thuật để áp dụng vào hệ thống phát điện sử dụng sức gió,
nhằm mục tiêu xây dựng một ngành khoa học tiên tiến cho chế tạo hệ thống máy
phát điện sức gió hoàn thiện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
Trong thờ i gian qua đã có mộ t số đề tà i , công trì nh nghiên cƣ́ u tổ ng hợ p
kỹ thuật, thuậ t toá n điề u khiể n trong hệ thố ng điề u khiể n má y phá t điệ n sƣ́ c gió
và đã mang lại những kết quả nhất định.
Đề tài này nghiên cứu hệ thống điều khiển máy phát điện không đồng bộ
ba pha nguồn kép và áp dụng vào hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió, đề
tài này cùng với một số công trình nghiên cứu khác về điều khiển hệ thống máy
phát điện chạy sức gió nhằm tạo ra các kỹ thuật điều khiển mới , công nghệ hiện
đại để ứng dụng rộng rãi vào quá trình chế tạo , vận hành, điều khiển và quản lý
các hệ thống thiết bị má y phá t điện sƣ́ c gió khiến cho việc phát điện bằng sức gió
có đƣợc trình độ kỹ thuật hoàn hảo, có quy mô phát triển hợp lý và có triển vọng
thƣơng mại hóa cao , có hiệu quả kinh tế thiết thực , có thể sử dụng, khái thác
đƣợc triệt nguồn năng lƣợng sạch này để mang lại lợi ích kinh tế cho xã hội.
Cho đến nay trong má y phá t điệ n sƣ́ c gió có hai loại turbine gió chính

đƣợc sử dụng, đó là: Turbine gió tốc độ cố định và turbine gió tốc dộ thay đổi.
Loại turbine gió thông thƣờng là turbine gió với tốc độ cố định (Fixed
speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ đƣợc nối trực tiếp với
lƣới. Tuy nhiên hệ thống này có nhƣợc điểm chính là do tốc độ cố định nên
không thể thu đƣợc năng lƣợng cực đại từ gió. Đƣợc thể hiện nhƣ hình vẽ:

Gearbox

IG

Capacitor bank
Transformer
Hình 1.2 Turbine gi với tốc độ ổn định
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22
Loại Turbine gió có tốc độ thay đổi có hai phƣơng pháp điều khiển để thu
đƣợc nguồn năng lƣợng lớn nhất:
- Loại thứ nhất ngƣời ta dùng phƣơng pháp thay đổi góc cánh turbine, điều
chỉnh diện tích bề mặt hứng gió của cánh turbine để ổn định tốc độ. Với máy
phát điện sức gió công suất nhỏ, việc thay đổi góc cánh thƣờng hay dùng phƣơng

pháp ly tâm của khối lƣợng quay [14],[15]. Phƣơng pháp nay ta thấy khi tốc độ
gió thay đổi sẽ làm tốc độ quay của turbine thay đổi, lực ly tâm của vật quay
cũng thay đổi. Nếu gió lớn, vận tốc gió tăng, lực ly tâm tăng lên, tác dụng lên cơ
cấu xoay cánh turbine làm giảm diện tích bề mặt hứng gió, dẫn đến hạn chế mức
độ tăng tốc độ quay của turbine. Khi gió dịu đi, vận tốc gió giảm xuống, cánh
turbine tự xoay dần về vị trí ban đầu, để duy trì tốc độ quay của turbine trong
phạm vi cho phép. Với máy phát điện sức gió công suất lớn, thƣờng dùng kết
cấu cơ khí nhƣ hệ thống cam để điều chỉnh góc cánh [15]. Kết cấu máy sử dụng
lực ly tâm và hệ thống cam để thay đổi góc cánh turbine nhƣ vậy tƣơng đối đơn
giản, nhƣng có nhƣợc điểm là điều khiển đồng thời các cánh của turbine, và do
là các kết cấu cơ khí nên đáp ứng chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, khoảng
biến thiên tốc độ quay của turbine quá lớn để giải quyết [5] đã đề xuất phƣơng
pháp dùng động cơ điện để thay đổi góc cánh nhằm điều khiển và ổn định tốc độ
của của turbine gió trục đứng.
- Phƣơng pháp thứ hai ngƣơi ta sử dung bộ biến đổi nối trực tiếp giữa Stato
và lƣới, tuốc bin gió loại này sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha roto dây
quấn hay còn gọi là máy phát điện dị bộ nguồn kép (MDKBDQ). Máy phát ở
đây cũng có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc đồng bộ nhƣ hình vẽ:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23

Nhƣng do xu hƣớng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lƣợng
sạch tái tạo từ gió là điều rất cần thiết và hiện nay trên thế giới ngƣời ta đã chế
tạo các loại tuốc bin gió với công suất trên 7MW, và nếu sử dụng loại tuốc bin

trên sẽ có giá thành rất cao, do bộ biến đổi có công suất bằng công suất toàn tuốc
bin. Vì vậy các hãng chế tạo đang có xu hƣớng sử dụng máy MDBNK làm máy
phát trong các hệ thống tuốc bin gió công suất lớn nhằm giảm giá thành, vì bộ
biến đổi đƣợc nối vào giữa mạch rotor của máy phát và lƣới nhƣ hình vẽ:

Gearb
ox

IG

Transformer

Hình 1.4 Turbine gi với tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK

≈
=

=
≈
Power electronic
converter

Gearb
ox

IG

≈
=

=
≈
Transformer
Power electronic

converter
Hình 1.3 Turbine gi với tốc độ thay đổi c bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stato
v lƣới
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24
1.2.2 Các phƣơng pháp điều khiển phía máy phát
Cho tới thời điểm này, thực tế các phƣơng pháp điều khiển tuyến tính và
backsteping đã nghiên cứu [3], [4], [15] thì đều có sơ đồ cấu trúc điều khiển
đƣợc chỉ ra nhƣ Hình 1.5:
Trong kỹ thuật điều khiển phi tuyến dùng để điều khiển máy phát điện sức
gió, ta có các phƣơng pháp thiết kế nhƣ phƣơng pháp tuyến tính, backsteping và
phƣơng pháp Passivity - Based.
Trong đề tài này đƣa ra phƣơng pháp điều khiển đó là phƣơng pháp
Passivity – Based với sơ đồ cấu trúc điều khiển giống nhƣ hai phƣơng pháp
tuyến tính và backsteping (hình 1.5) và sẽ có phát triển thêm (chƣơng 3).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

25