Tóm tắt luận án cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến

24

4. Luận án đã góp phần làm sáng tỏ được bản chất của phương
pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (passivity - based) khi áp
dụng để tổng hợp bộ điều chỉnh dòng MPKĐBNK trong hệ thống
máy phát điện sức gió đó là: Kiểm tra tính thụ động của đối tượng
máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép từ đó áp dụng tổng
hợp bộ
điều chỉnh dòng máy phát bằng phương pháp tựa theo thụ
động trên cơ sở hệ thụ động EL và Hamilton để cải thiện chất lượng
tĩnh và động của hệ thống có kiểm chứng bằng mô phỏng offline và
mô phỏng thời gian thực.

Kiến nghị:
Với những kết quả đạt được, bản luận án đã giải quyết được về
mặt lý thuyết các tr
ường hợp tải đối xứng và sự cố sập (đối xứng)
một phần điện áp lưới. Từ đây tác giả đề xuất hướng nghiên cứu tiếp
theo là nghiên cứu ảnh hưởng của tải không đối xứng tới chất lượng
điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK và khả năng
bám lưới của máy phát trong các trường hợp l
ỗi lưới không đối xứng
khi sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Passivity - Based.

1

TÓM TẮT LUẬN ÁN
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nhu cầu phát điện chạy sức gió ở Việt Nam ngày càng
trở nên có tính thực tiễn cao, bởi nguồn tài nguyên than phục vụ cho

các nhà máy nhiệt điện ngày càng cạn kiệt, thuỷ điện cũng gần khai
thác hết công suất của nguồn nước trên các con sông Việt Nam.
Ngoài ra nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang ở
giai đoạn nghiên cứu
và mới chỉ dừng lại ở công suất nhỏ, trong khi đó sức gió ở Việt Nam
chưa được khai thác nhiều.
Trong tương lai gần hệ thống lưới điện sẽ xuất hiện các chủ lưới
(các công ty tư nhân, liên doanh trong và ngoài nước) tham gia cung
cấp điện năng cho toàn hệ thống. Vì vậy, việc bám lưới khi xảy các
sự cố thông thường là một đòi hỏi c
ấp thiết cho hệ thống máy phát
điện chạy bằng sức gió.
Các phương pháp điều khiển tuyến tính chưa giải quyết được một
cách triệt để ở chế độ vận hành phi tuyến với các yêu cầu chất lượng,
bám lưới của máy phát điện chạy sức gió.
Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng làm
máy phát trong các hệ thống phát điện ch
ạy sức gió, nhờ khả năng
điều khiển dòng năng lượng gián tiếp từ phía rotor thay vì trực tiếp
trên stator. Khi đó thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế
bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép hạ giá thành chỉ còn
1/3 so với các loại máy điện khác. Điều này rất hấp dẫn về mặt kinh
tế, nhất là khi công suất các máy ngày càng tăng, mặ
c dù về mặt
phương pháp điều khiển có phần phức tạp. Trên thế giới có khá nhiều
công trình nghiên cứu song chủ yếu theo các phương pháp điều khiển
kinh điển. Ở nước ta, hiện nay chỉ có ở Trung tâm Công nghệ cao -
ĐHBK Hà Nội đã có những công trình nghiên cứu về hướng này từ
2

khá lâu. Vì vậy, việc thực hiện việc nghiên cứu tại đây sẽ đảm bảo
cho sự thành công của luận án.
Việc tổng hợp các thuật toán điều khiển phi tuyến hứa hẹn cải
thiện chất lượng điều khiển máy phát để phát triển và khai thác triệt
để nguồn năng lượng sạch (sức gió) ở Việt Nam. Chính vì vậy tác giả
chọn đề tài "Cải thiệ
n chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ
nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương
pháp điều khiển phi tuyến" trong luận án, tác giả đi nghiên cứu thuật
toán điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity - Based) để
giải quyết các vấn đề trên.
Mục đích nghiên cứu
Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor máy phát không đồ
ng bộ 3 pha
nguồn kép (MPKĐBNK) trong hệ thống máy phát điện sức gió bằng
phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (passivity -
based), để cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống so với phương
pháp điều khiển véc tơ dòng tuyến tính.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Máy điện không đồng bộ nguồn kép: Thực chất là máy điện không
đồ
ng bộ ba pha có rotor dây quấn (MĐKĐBNK). Hiện tại
MĐKĐBNK ít được sử dụng với vai trò động cơ trong các hệ truyền
động. Nhưng ý nghĩa của MĐKĐBNK trong vai trò máy phát chạy
sức gió ngày càng tăng.
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống máy phát điện
sức gió sử dụng MĐKĐBNK. Đây là loại máy điện hứa hẹn hiệu quả
kinh tế
cao nhất trong các hệ thống như vậy.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án hạn chế trong việc khảo sát

đặc điểm thụ động của MĐKĐBNK để từ đó tổng hợp cấu trúc điều
khiển tựa theo thụ động (Passivity - based Controll, PBC) điều khiển
véc tơ dòng rotor, thích hợp với chế độ vận hành phi tuyến hơn so
với cấu trúc điều khi
ển tuyến tính kinh điển.
23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận:
1. Luận án là công trình khoa học đầu tiên đề xuất việc áp dụng
phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity -
Based) cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK ở
các chế độ làm việc bình thường với tải đối xứng và chế độ xảy ra sự
cố lỗi (đối xứng) l
ưới sập một phần điện áp, đây chính là đóng góp
mới thứ nhất của luận án.
2. Khi áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Passivity -
Based, ngoài việc đã giải quyết được các vấn đề mà các phương pháp
tuyến tính đã đề cập như dao động điện áp lưới, dao động từ thông
khi lỗi lưới, luận án còn cải thiện được chất lượng khi dao động tốc
độ máy phát, dao động tần số góc mạch rotor khi lỗi lưới (đối xứng).
Đây cũng chính là đóng góp mới thứ 2 của luận án so với các phương
pháp điều khiển tuyến tính thông thường nhằm tăng khả năng ứng
dụng phương pháp điều khiển này vào trong thực tiễn.
3. Đóng góp mới thứ 3 của luận án là với kết quả mô phỏng khi lỗi
lưới sập áp từ 10% đế
n 50%, bộ điều khiển thực hiện giảm mô men
từ về 0Nm, và giữ phát công suất phản kháng Q lên lưới thông qua
giá trị dòng thành phần i
rq

và cosϕ (được thể hiện trên các hình từ
5.22 đến 5.27 và từ hình 5.37 đến 5.39) đã chứng tỏ rằng với bộ điều
chỉnh dòng sử dụng phương pháp tựa theo thụ động với thuật toán
thiết kế tựa theo hệ EL và Hamilton thì chất lượng làm việc được
đảm bảo như: Lúc đó các thành phần dòng điện rotor bám giá trị đặt
của chúng với biên độ dao động nhỏ hơn dòng
định mức rotor và ổn
định. Đặc biệt với kết quả mô phỏng sập lưới 50% từ các hình 5.27,
5.28 và 5.39 với bộ điều chỉnh Passivity - Based đã chứng tỏ được
chất lượng điều khiển MPKĐBNK trong hệ thống máy phát điện sức
gió đã được cải thiện so với phương pháp điều khiển tuyến tính (hệ
thống mất điều khiể
n).
22

Với sự cố sập điện áp lưới 50% (hình 5.39) thì qua kết qủa mô
phỏng thời gian thực cho thấy mặc dù có dao động lớn, song sau đó
ổn định không bị mất điều khiển, điều này khẳng định một lần nữa
(kết quả tương tự với mô phỏng Offline) chất lượng của bộ điều
ch
ỉnh PBC so với bộ điều chỉnh tuyến tính (mất điều khiển).
5.3. Kết luận chương 5
Chương này đã đạt được một số vấn đề quan trọng sau:
- Kiểm tra chất lượng của bộ điều chỉnh PBC có kể đến khử sai
lệch tĩnh.
- Đánh giá được chất lượng làm việc của bộ điều chỉnh PBC ở các
ch
ế độ làm việc khác nhau và đặc biệt cho thấy chất lượng của bộ
điều chỉnh PBC tốt hơn so với bộ điều chỉnh tuyến tính (mất điều
khiển) ở chế độ sập lưới (đối xứng) 50%.


Hình 5.39: Đáp ứng mô men, cosϕ, i
rdq
(sập lưới 50%)
3

Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển phi
tuyến passivity - based.
- Kiểm chứng bằng mô phỏng Offline trên cơ sở sử dụng phần
mềm Matlab - Simulink - Plecs.
- Kiểm tra kết quả bằng mô phỏng thời gian thực.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học của đề tài là chứng minh khả năng sử dụng

phương pháp thiết kế điều khiể
n phi tuyến trên cơ sở đặc điểm thụ
động của đối tượng điều khiển là MĐKĐBNK. Luận án đã giải quyết
thành công cả về lý thuyết lẫn mô phỏng Offline và mô phỏng thời
gian thực.
- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là giúp đáp ứng yêu cầu của quản trị
lưới điện là hệ thống phát điện chạy sức gió không
được phép tự cắt
ra khỏi lưới khi xảy ra lỗi sập (đối xứng) lưới một phần. Việc tự cắt
ra khỏi lưới có thể gia tăng nguy cơ gây mất ổn định, dẫn đến rã lưới.
Đây là một yêu cầu khắc nghiệt mà các cấu trúc điều khiển tuyến tính
đã bộc lộ nhược điểm khó đáp ứng trọn vẹn. Đồng thời MĐ
KĐBNK
có stator nối trực tiếp với lưới nên khó điều khiển ở các chế độ vận
hành phi tuyến như vậy.
Những đóng góp của luận án
- Luận án là công trình khoa học đầu tiên áp dụng phương pháp
thiết kế điều khiển phi tuyến passivity - based cho hệ thống máy phát
điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép.
- Luận án đã chỉ ra đặc
điểm thụ động của MĐKĐBNK là cơ sở
để áp dụng thành công phương pháp thiết kế cấu trúc điều khiển phi
tuyến tựa theo thụ động cho véc tơ dòng rotor.
- Luận án đã chỉ ra ưu thế của cấu trúc điều khiển PBC so với cấu
trúc điều khiển tuyến tính deadbeat trong chế độ vận hành phi tuyến
4

xảy ra khi lưới sập (đối xứng) một phần dẫn đến điện áp đầu vào của
nghịch lưu phía lưới sụt giảm.
Bố cục của luận án

Luận án gồm 5 chương, 114 trang (kể cả tài liệu tham khảo và phụ
lục), 55 tài liệu tham khảo, 82 hình vẽ và đồ thị.

Chương 1. Tổng quan
1.1. Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu
- Trình bày t
ổng quan về sự phát triển của năng lượng gió.
- Đối tượng nghiên cứu là hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng MĐKĐBNK.


















Hình 1.2 Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn
Máy phát xoay
chiều 1

p
ha
Máy phát xoay
chiều 3
p
ha
Máy phát đồng bộ
kích thích vĩnh
cửu
(
hình 1.3
)

Máy phát không
đồng bộ
Máy phát không
đồng bộ 3 pha rotor
lồng sóc (hình 1.3)

Máy phát không đồng
bộ 3 pha nguồn kép
(hình 1.4)

Hệ thống
Phát điện sức gió
Máy phát xoay
chiều
Máy phát một
chiều
21

Các kết quả mô phỏng ở trên đồng bộ cũng cho kết quả tương tự.
Qua kết quả mô phỏng thời gian thực cho các kết quả là trùng
khớp với các kết quả đã được mô phỏng Offline.














- Kết quả mô phỏng thời gian thực ở tốc độ định mức (n = 950
v/ph) cho bởi hình 5.36, ta thấy chất lượng của bộ điều chỉ
nh PBC đã
được đảm bảo, thể hiện qua các giá trị thực của mô men, cosϕ và các
thành phần dòng điện rotor i
rd
và i
rq
luôn bám tốt giá trị đặt giống như
kết quả mô phỏng Offline.
- Kết quả mô phỏng khi xảy ra sập lưới 50%, khi sập lưới đưa mô
men về m = 0Nm và cosϕ = 0.436 (sinϕ = 0.9) để giữ dòng i

rq
nhằm
phát công suất phản kháng lên lưới để bám lưới.





Hình 5.36: Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (5)
20

5.2. Kết quả mô phỏng thời gian thực (Hardware - in - the - loop)
- Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 850 v/ph); m = -
4Nm, cosϕ nhảy bậc từ 0.9 lên 1 sau đó nhảy về 0.7:













- Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 850 v/ph); mô
men nhảy từ m = -2Nm lên -4Nm, cosϕ = 0.7:

Hình 5.32: Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (1)
Hình 5.33: Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (2)
5

- Trình bày lý do việc lựa chọn phương pháp điều khiển cho hệ
thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK

Hình 1.6 Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK
Từ hình 1.6, cho thấy việc lựa chọn phương pháp điều khiển
passivity - based hứa hẹn những kết quả mong đợi.
1.2. Nguyên lý điều khiển của hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng MĐKĐBNK
Cấu trúc điều khiển đầy đủ của hệ thố
ng phát điện sức gió sử
dụng MĐKĐBNK, gồm có 3 thành phần chính sau đây:
- Điều khiển turbine.
- Điều khiển phía lưới và phía máy phát.
- Điều khiển crowbar hoặc stator switch


Các phương pháp
điều khiển
MDBNK
Phương pháp điều
khiển phi tính
Phương pháp điều
khiển tuyến tính
[4, 11, 50, 51, 53]
Cuốn chiếu
(Backstepping)
[14, 15, 16, 17]

Tuyến tính hoá
chính xác (Exact
linearization)

[1, 32, 52]
Phẳng
(Plat)
[2]

Tựa theo thụ
động (Passivity
- based)
(Mục tiêu của
luận án)
6

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














Hình 1.10 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện chạy sức gió sử
dụng MĐKĐBMK

1.4. Tổng quan các vấn đề đã được giải quyết, các vấn đề tồn tại
và giải pháp điều khiển
1.4.1. Các vấn đề đã được giải quyết bằng phương pháp điều
khiển tuyến tính
- Vấn đề phân ly giữa P và Q được thực hiệ
n thông qua điều khiển
tách kênh 2 thành phần dòng điện rotor i
rd
và i
rq
nhờ vào việc bù các
thành phần liên kết ngang
ω
r
.i
rd
và
ω
r
.i
rq
[11, 51].
- Vấn đề tốc độ máy phát và tần số góc mạch rotor thay đổi ở chế
độ bình thường, các giải pháp mà phương pháp điều khiển tuyến tính
đã áp dụng cho đến nay đều coi tốc độ máy phát và tần số góc mạch
rotor là các đại lượng không đổi hoặc biến thiên chậm [11, 51, 53].
Bộ
=
=

DSP
HS
MP
MĐN
u
s

u
N


NLMP

NLPL
u
DC
MBA

i
r
i
s

n

i
N

IE

3
~

3
~

19

So sánh tính bền vững của hệ thống giữa hai phương pháp điều
khiển PBC và điều khiển tuyến tính:
- Kết quả phương pháp điều khiển PBC (Trường hợp sập điện áp
lưới 50%)







- Kết quả phương pháp điều khiển tuyến tính
Theo [15], khi sập lưới 50% với bộ điều chỉnh dòng theo phương
pháp điều khiển tuyế
n tính deadbeat thông thường, khi sập lưới m*
nhảy từ -5Nm về 0Nm, sinϕ* = 0.9 (phát công suất Q), do biên độ
dòng quá lớn, gây mất điều khiển, thể hiện trên hình 5.28.

Với kết quả mô phỏng hình 5.28 và 5.29 cho thấy tính bền vững
của bộ điều chỉnh PBC khi xảy ra lỗi lưới bộ điều chỉnh đưa dòng i
rd

về 0 và giữ dòng i
rq
để phát công suất vô công Q lên lưới nhằm hỗ trợ
lưới về điện áp, các kết quả đã chỉ ra chất lượng của hệ thống đã
được cải thiện so với phương pháp điều khiển tuyến tính [15].
0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
t
cosphi
Dap ung cosphi khi xay ra sap luoi 50%
cosphi*
cosphi

Hình 5.26: Đáp ứng m
Hình 5.27ab: Đáp ứng cosϕ và dòng
0.5 1 1.5 2 2.5 3
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
t
m
Dap ung mo men khi xay ra sap luoi 50%
m*
m
(Nm)
0.5 1 1.5 2 2.5 3
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
t

irdq
Dap ung dong rotor khi xay ra sap luoi 50%
ird*
irq*
ird
irq
(A)
t(s)
t(s) t(s)
a)
b)
Hình 5.28: Đáp ứng dòng rotor
ird(A)
t(s)
t(s)
irq(A)
18

- Qua kết quả mô phỏng thấy tính cách ly giữa 2 đại lượng m và
cosϕ đảm bảo vì tại thời điểm t = 1,2s mô men có bước nhảy tương
đối lớn, nhưng tại thời điểm đó cosϕ chỉ bị dao động nhẹ sau đó trở
lại bám giá trị đặt. Tương tự qua kết quả mô phỏng hình 5.13 và 5.15
cũng cho biết sự phân ly giữa 2 thành phần dòng được đảm bảo.
Các k
ết quả mô phỏng ở trên đồng bộ (n = 1050v/ph) cho chất
lượng tương tự dưới đồng bộ.
- Kiểm tra chất lượng của hệ thống khi thay đổi các giá trị mô
men và cos
ϕ
ở tốc độ định mức:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-4
-3
-2
-1
0
1
t
irdq
Dap ung dong rotor

ird*
irq*
ird
irq
Hình 5.21: Đáp ứng dòng i
rd
và i
rq
khi thay đổi giá trị
(A)
(s)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
t
m
Dap ung momen khi m* va cosphi* thay doi (ndm=950v/ph)
m*
m
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0.5

0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
t
cosphi
Dap ung cosphi khi m* va cos phi* thay doi (ndm=950v/ph)
cosphi*
cosphi
Hình 5.20: Đáp ứng mô men và cosϕ thay đổi theo giá trị đặt
(s)
(s)
(Nm)
7

1.4.2. Các vấn đề còn tồn tại
- Phương pháp điều khiển tuyến tính chưa quan tâm đến bản chất
phi tuyến của MĐKĐBNK.
- Khi thiết kế bộ điều khiển thì phương pháp tuyến tính coi tần số
góc mạch rotor máy phát là biến thiên chậm, nên coi là hằng trong
một chu kỳ trích mẫu, điều này không đúng khi xảy ra lỗi lưới sập
(đối xứng) một phần điện áp l
ưới.
- Khả năng bám lưới khi xảy ra lỗi lưới của hệ thống máy phát
điện sức gió sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính chưa cao.
1.4.3. Giải pháp điều khiển
Từ những tồn tại của phương pháp điều khiển tuyến tính, đưa ra ra
giải pháp điều khiển là sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến

tự
a theo thụ động nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy
phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK so với phương pháp điều
khiển tuyến tính.
Chương 2. Phương pháp điều khiển tựa theo thụ động

2.1. Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động
Phần này đưa ra những nguyên lý cơ bản nhất về điều khiển tựa
theo thụ động:
- Hệ thụ động là hệ ổn định theo nghĩa Lyapunov
- Định nghĩa bài toán điều khiển tựa theo thụ động (Passivity
Based Control - PBC) [9, 23, 44, 46, 47].
- Trình bày một số nguyên tắc của bài toán điều khiển thụ động.
2.2. Hệ Euler - Lagrange
- Theo tài liệu [9] hệ
thụ động là hệ không tự sinh ra năng lượng
và được định nghĩa trên cơ sở bảo toàn năng lượng (giữa năng lượng
tiêu thụ và năng lượng đã cung cấp).
- Hệ Euler - Lagrange thụ động là hệ mà động học của chúng được
mô tả bởi các phương trình Euler - Lagrange (EL) và bản thân hệ
thống không tự sinh ra năng lượng.
8

2.3. Phương trình Euler - Lagrange
Xét một hệ động học có n bậc tự do, động học của hệ có thể được
mô tả bởi phương trình EL sau [5, 44, 45, 46, 47]:

(,) (,)d
Q
dt

∂∂
⎛⎞
−=
⎜⎟
∂∂
⎝⎠


LLxx xx
xx
(2.1)
Trong đó x = (x
1
, x
2
, , x
n
)
T
là véc tơ trạng thái của hệ thống (hệ
tọa độ tổng quát), Q là lực tác động lên hệ thống, với Q ∈ R
n
và
(,)xx

L
được gọi là hàm Lagrange được định nghĩa như sau:

(,) (,) ()
=

−xx xx x

L
KP (2.2)
với
(,)K xx

là hàm động năng và hàm này có dạng toàn phương.

1
(,) ()
2
T
=xx x xx
 
K V
(2.3)

nn
() R
×
∈
x
V
: ma trận quán tính và thoả mãn
() () 0
T
=>xx
V
V và ( )x

P
là hàm thế năng với giả thiết là bị chặn
dưới, nghĩa là tồn tại c ∈ R sao cho:
() c
≥x
P
với ∀x ∈ R
n
(2.4)
Lực tác động lên hệ thống có thể viết dưới dạng tổng quát sau:

()
∂
=− + +
∂


F
QQ
x
x
Bu
n
(2.6)
Từ (2.1) và (2.6) suy ra được:

(,) (,) ()d
dt
∂∂∂
⎛⎞

−+=
⎜⎟
∂∂∂
⎝⎠
xx xx x
+
xxx


LLF
Q
Bu
n
(2.7)
Như vậy hệ EL được xác định bởi (2.2), (2.3) và (2.7) và được mô
tả bởi các tham số EL:

{
}
( , ), ( ), ( ),

K
PF Qxx x x ,Bu
n
(2.8)
Đến đây ta có thể hiểu xuất xứ của tên gọi hệ EL, chỉ đơn giản là
động học của hệ được mô tả bởi các phương trình EL.
2.4 Các đặc tính của hệ EL
- Trình bày đặc điểm thụ động của hệ EL:
17

Qua kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều chỉnh đã điều khiển được
các dòng điện thành phần
i
rd
và i
rq
đảm bảo i
rd
= 0 và i
rq
< 0, sau
0,09s (hình 5.9 do sau 0,03s mới tác động điều khiển) và ta thấy điện
áp pha của lưới và máy phát trùng nhau sau 0,09s (hình 5.10). Như
vậy sau 0,12s là có thể thực hiện hoà đồng bộ máy phát lên lưới.
- Kiểm tra chất lượng của hệ thống điều khiển khi hệ thống máy
phát điện sức gió làm việc ở trên và dưới đồng bộ
Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 850v/ph)

- Kết quả mô phỏng mô men và hệ số công suất cos
ϕ ở hình 5.12
và 5.14 cho thấy khi có bộ điều chỉnh dòng phi tuyến PBC và các
mạch điều khiển vòng ngoài mômen,
ϕ (khâu PI), mô men thực và hệ
số công suất cos
ϕ thực đã bám các giá trị môn men và cosϕ đặt.
Cũng từ kết quả hình 5.13 và 5.15 cho thấy các thành phần dòng điện
rotor
i
rd
và i
rq
cũng bám tốt các giá trị đặt khi các thành phần mô men
và ϕ thay đổi.
Hình 5.12ab: Đáp ứng m và cosϕ
Hình 5.13: Đáp ứng dòng
1 1.5 2 2.5 3 3.5
-5
-4.8
-4.6
-4.4
-4.2
-4
-3.8
-3.6
-3.4

-3.2
-3
t
m
Dap ung mo men
m*
m
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t
cosphi
Dap ung c osphi
cosphi*
cosphi
1 1.5 2 2.5 3 3.5
-4
-3
-2
-1
0
1
t
irdq
Dap ung dong rotor
ird*

irq*
ird
irq
0.6 0.8 1 1. 2 1.4 1.6 1.8 2
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
t
m
Dap ung mo men
m*
m
0.6 0.8 1 1.2 1. 4 1.6 1.8 2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
t
cosphi

Dap ung cosphi
cosphi*
cosphi
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
-4
-3
-2
-1
0
1
t
dongirdq
Dap ung dong rotor irdq
ird*
irq*
ird
irq
Hình 5.14ab: Đáp ứng m và cosϕ
Hình 5.15: Đáp ứng dòng
(Nm)
(A)
(s)
(s)
(s)
(s)
(s)
t(s)
(Nm)
(A)
a) b)

a) b)
16

Chương 5. Kết quả mô phỏng
5.1. Kết quả mô phỏng Offline
- Kiểm tra khả năng khắc phục sai lệch tĩnh của bộ điều
chỉnh dòng (chưa có các bộ điều chỉnh vòng ngoài).

Kết quả mô phỏng với bộ điều chỉnh tựa theo EL hình
5.8a và bộ điều chỉnh kết hợp tựa theo EL và Hamilton
hình 5.8b:











Qua kết quả mô phỏng ở hình 5.8a và 5.8b, cho ta thấy khả năng
khử sai lệch tĩnh của bộ điều chỉnh PBC kết hợp hệ EL và Hamilton
là rất tốt.
- Kiểm tra việc thực hiện hoà đồng bộ máy phát lên lưới

Hình 5.9: Đáp ứng dòng điện
i
rd
và i
rq
theo giá trị đặt
Hình 5.10: Đáp ứng điện áp pha
stator máy phát và lưới
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
t
irdq
Dap ung dong rotor trong qua trinh hoa dong bo
ird*
irq*
ird

irq
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0. 16 0.18 0.2
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
t
u
Dien ap luoi
Dien ap stator
(V)
(A)
(s)
(s)
0 0.1 0. 2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
t

irdq
Dap ung dong rotor voi bo dieu chinh t ua theo EL
ird*
irq*
ird
irq
0 0.1 0. 2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
t
irdq
Dap ung bo dieu chinh dong rotor co khu sai lech tinh
ird*
irq*
ird
irq
Hình 5.8a: Đáp ứng dòng rotor
với bộ điều chỉnh dòng PBC tựa
theo hệ EL
Hình 5.8b: Đáp ứng dòng rotor
với bộ điều chỉnh dòng kết hợp
(A)
(A)

(s)
(s)
9

Xét một hệ được ký hiệu là Σ có hàm tổng lưu giữ năng lượng
(,)xx

H
(với giả thiết hàm
(,)xx

H
xác định dương), véc tơ tín hiệu
điều khiển u, tồn tại một véc tơ tín hiệu đầu ra y thoả mãn (2.11) và
tạm coi như hệ thống không chịu tác động của nhiễu. Như vậy tốc độ
cung cấp năng lượng cho hệ thống sẽ là y
T
u. Hệ trên được gọi là thụ
động nếu:

T
T
0
(T) (0)
∫
≥−yudt H H
(2.11)


Điều đó có nghĩa là Σ:

u → y xác định một quan hệ thụ động bằng
hàm lưu giữ tổng năng lượng
(,)xx

H
.
Ngoài ra nếu hệ thống được nhận năng lượng từ bên ngoài với tốc
độ cung cấp là
2
0
δ−uy y
T
, với δ
0
> 0 thì hệ thống được gọi là thụ
động bị chặt đầu ra (ouput strictly passive - OSP) và công thức (2.11)
ứng với trường hợp này sẽ có dạng:

2
TT
T
0
00
δ (T) (0)
∫∫
≥+−yu ydt dt H H (2.12)
Xét hệ phương trình EL, sau khi biến đổi suy ra:

TT
00

()
[T] - [0] +
TT
dt dt
∫∫
∂
=
∂
x
xx
x



Bu
F
HH (2.18)


Và từ phương trình trên ta có một số nhận xét sau [8, 9, 46]:
•
Nếu u = 0 thì
≤

H0
, năng lượng của hệ không tăng, vì vậy hệ
sẽ ổn định Lyapunov, H lúc này giữ vai trò như hàm Lyapunov.
•
Nếu hệ là thụ động chặt thì nó sẽ ổn định tiệm cận Lyapunov tại
gốc toạ độ.

•
Nếu hệ là thụ động chặt thì nó sẽ là pha cực tiểu.
•
Nếu hệ là thụ động không chặt thì được gọi là pha cực tiểu yếu.
Năng lượng
bên ngoài cung cấp
Năng lượng
lưu giữ của hệ thống
Năng lượng
lưu giữ
Năng lượng
tiêu hao
Năng lượng
cung cấp
10

• Ta thấy rằng tín hiệu suy giảm có thể được phun vào một cách
dễ dàng qua các trạng thái được tác động trực tiếp bởi tín hiệu điều
khiển nếu như các trạng thái đó có thể đo được.
- Khả năng phân tích hệ EL thành các hệ thụ động con
- Đặc điểm bảo toàn hệ EL khi nối các hệ con với nhau
- Đặc điểm thụ động của hệ kín
- Một s
ố giả thiết và định nghĩa khác của hệ EL
2.5. Đặc tính ổn định của hệ EL
Trình bày tính ổn định của hệ EL thể hiện qua các khái niệm hệ
suy giảm riêng và hệ suy giảm toàn phần
2.6. Kết luận chương 2
Chương 2 đã giải quyết được các vấn đề sau:
- Nghiên cứu khái quát được những nội dung cơ bản của phương

pháp điều khiển phi tuyến tự
a theo thụ động.
- Đánh giá khả năng có thể phân tích một hệ thụ động EL thành
các hệ thụ động con, cũng như bảo toàn tính thụ động khi nối các hệ
thụ động con với nhau.
- Ngoài ra chỉ ra một số đặc tính ổn định của hệ Euler - Lagrange.
Chương 3. Mô hình hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió
3.1. Mô hình toán học phía máy phát và phía lưới
Phần này trình bày các vấn đề sau:
- Đưa ra mô hình toán h
ọc của phía máy phát sử dụng
MĐKĐBNK và phía lưới biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq.
- Xây dựng được cấu trúc điều khiển tổng quát phía máy phát và
phía lưới hệ thống PĐSG sử dụng MĐKĐBNK, thông qua các biến
điều khiển mô men m
G
, u
DC
và ϕ.
3.2. Khả năng ứng dụng phương pháp passivity - based cho máy
phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép
Phần này trình bày cơ sở lý luận để có thể ứng dụng phương pháp
điều khiển PBC cho máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép:
15

4.9. Hoà đồng bộ máy phát lên lưới
4.10. Giải pháp điều khiển khi lỗi lưới
4.11. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía lưới
Sau khi tổng hợp được bộ điều chỉnh dòng rotor phía máy phát và
phía lưới, kết hợp với hình 3.6, từ đó xây dựng được sơ đồ cấu trúc

điều khiển toàn hệ thống theo phương pháp PBC như hình 4.10:











Hình 4.10 Hệ thống điều khiển phía lưới và phía máy phát trong hệ
thống PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based
4.12. Kết luận chương 4

- Xây dựng được cấu trúc điều khiển theo phương pháp PBC có sự
kế thừa phát triển từ [11, 14, 15, 32, 51, 53].
- Tổng hợp được bộ điều chỉnh dòng PBC tựa theo hệ EL phía
máy phát với sự tồn tại của sai lệch tĩnh (giả thiết thông số của máy
phát bị sai khác với thông số khi thiết kế bộ điều chỉnh).
- Tổng hợp được bộ điều chỉ
nh dòng PBC kết hợp tựa theo hệ EL
và Hamilton phía máy phát có xét đến khử sai lệch tĩnh và các vấn đề
có liên quan như tính toán các giá trị đặt, hiệu chỉnh các yếu tố ảnh
hưởng đến chất lượng bộ điều chỉnh và giải pháp điều khiển khi xảy
ra lỗi lưới.
14

** * * * *

** * *
1
() 3 () 4 ( 1) ( 2) () () ' ()
2
()
'() () () () ( 1) ( 1) ( 1)
rd rd rq
sd
PBC
r
rd rd rd sd
d
sq rd rd Id Id rd Id rd
ae
u k ik ik ik ik ik k
Tccc
D
bd
kuk ikikuk Kik Kik
ccc
ω
ψ
ω
ωψ
⎡⎤
=−−+−+−−
⎣⎦
⎡⎤
+ + − −−−−−−−
⎣⎦

(4.55)
** * * * *
** * *
1
() 3 () 4 ( 1) ( 2) () () ' ()
2
()
' ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1) ( 1) ( 1)
PBC
r
rq rq rq rq rq rd sq
q
sd sq rq rq Iq Iq rq Iq rq
ae
u k ik ik ik ik ik k
T ccc
D
bd
kuk ikikuk Kik Kik
ccc
ω
ψ
ω
ωψ
⎡⎤
=−−+−++−
⎣⎦
⎡⎤
−+− −−−−−−−
⎣⎦

(4.57)
4.4. Khắc phục ảnh hưởng vùng giới hạn điện áp và bộ xử lý tín
hiệu số đến chất lượng điều khiển
4.5. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía máy phát có kể đến các
yếu tố ảnh hưởng
Ở đây ta đi tổng hợp bộ điều chỉnh dòng PBC kết hợp tựa theo hệ
EL và hệ Hamilon có kể đến dự báo dòng rotor và giớ
i hạn điện áp,
hiệu chỉnh ngược sai lệch điều chỉnh:

**
1
**
2
***
1
41 2
(1) () (1) T()
33 3
41 2
(1) () (1) T()
33 3
' ( 1) ( 1) ' ( 1) ( 1) T ( 1)
rd
PBC
rd rd
rrqrq
sd sq sd
cu k a ik ik T k
kikik Tk

e k bk k duk k
ω
ψωψ
⎡⎤
+= − −+
⎢⎥
⎣⎦
⎡⎤
−+ − −+
⎢⎥
⎣⎦
− ++ + ++ ++ +
(4.86)

**
2
**
1
***
2
41 2
(1) () (1) T()
33 3
41 2
(1) () (1) T()
33 3
' ( 1) ( 1) ' ( 1) ( 1) T ( 1)
rq
PBC
rq rq

rrdrd
sq sd sq
cu k a i k i k T k
kikik Tk
ek bk k duk k
ω
ψωψ
⎡⎤
+= − −+
⎢⎥
⎣⎦
⎡⎤
++ − −+
⎢⎥
⎣⎦
− +− + ++ ++ +
(4.87)
4.6. So sánh cấu trúc bộ điều chỉnh dòng PBC với bộ điều chỉnh
dòng tuyến tính
Phần này đánh giá so sánh về cấu trúc bộ điều chỉnh dòng của
phương pháp điều khiển PBC và phương pháp điều khiển tuyến tính.
4.7. Các bộ điều chỉnh số cho các mạch vòng điều khiển ngoài
4.8. Tính toán giá trị thực và giá trị đặt
11

- Sau khi áp dụng hệ EL vào phương trình động học máy phát, ta
thu được các phương trình:

e
()

()
L
L
d
dt
ϑ
ϑω
ϑ
∂
++=
∂
i
iRi
L
LMu
(3.58)

e
d
dt
+=Ri
Mu
ψ
(3.59)

()
1
2
T
L

G
d
m
d
θ
θ
= ii
L
(3.66)

r
d
R
dt
+
=
r
rr
ψ
iu (3.67)
- Từ các phương trình EL của động học máy phát (3.58), (3.59),
(3.66) và
(3.67), chứng tỏ MĐKĐBNK có đặc điểm thụ động. Từ
đây ta xây dựng được sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển dựa trên
đặc điểm thụ động của MĐKĐBNK như hình 3.8.

Kết luận chương 3

- Xây dựng mô hình toán học máy phát điện sức gió sử dụng máy
phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép.
- Xây dựng mô hình toán học phía lưới.
- Xây dựng cấu trúc điều khiển tổng quát toàn hệ thống.
PBC
I
R
e
H
m
H
-
(-)
(-)
m
W

(sức gió)
m
G


ω

P
BC
r
u
r
i

*
r
i
PBC
I
R : Bộ điều chỉnh dòng rotor
theo phương pháp PBC
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển MĐKĐBNK theo
phương pháp PBC

12

- Chỉ ra khả năng áp dụng phương pháp tựa theo thụ động để thiết
kế bộ điều khiển cho MĐKĐBNK.
Chương 4. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió
theo phương pháp passivity - based
4.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển phía máy phát theo phương
pháp passivity - based
Sau khi áp dụng thuật toán tựa theo thụ động vào máy phát sử
dụng MĐKĐBNK, với tín hiệu điề
u khiển để làm hệ kín thụ động
chặt (ổn định tiệm cận Lyapunov [8, 9, 46]):

()( - )
PBC
D
ω
=−
**
rr rr
uu ii (4.24)

2
2
11
00
4
m
r
L
D( ) D . d ; R , d
ωω ε
ε
=
=+<≤≥
(4.25)

Hình 4.2 Cấu trúc bộ điều chỉnh véc tơ dòng PBC bao gồm 2 khối
chức năng
Từ bộ điều chỉnh dòng rotor (4.24) và sơ đồ cấu trúc hình 4.1, ta
có thể cụ thể hoá bằng hình 4.2. Cấu trúc điều khiển tổng thể phía
máy phát theo phương pháp PBC như hình 4.3 (theo tài liệu [11, 14,
15, 32, 51, 53]).


MĐKĐBNK
-
-
e
H
m
H
-
m
W

(sức gió)
m
G


ω

PBC
r
u

*
r
i

Tính u
r
*
trên cơ
sở hàm N.lượng
mong muốn H
e
*
Tính hệ số suy
giảm D(
ω
)
u
s
ω
r
ψ
s
-
*
r

u

r
i

()D
ω
r
i


Bộ điều chỉnh
P
BC
I
R
r
i
13

Hình 4.3 Hệ thống điều khiển máy phát (MĐKĐBNK) trong hệ
thống PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based
4.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor tựa theo hệ thụ động EL
Từ (4.24) và (3.14) suy ra bộ điều chỉnh dòng rotor theo các thành
phần dq:
*
** * ** *
'' ()()
PBC
rd
rd rd r rq sd sq sd d rd rd
di
cu ai i e b du D i i
dt
ωψωψ ω
=+− − + +− −
(4.30)
*
** * ** *
'' ()()
rq
rq
PBC
rq r rd sq sd sq q rq rq
di
cu ai i e b du D i i
dt
ωψωψ ω
=++ − − +− −
(4.34)

4.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp tựa theo hệ thụ
động EL và Hamilton để khử sai lệch tĩnh
Phần này trình này cơ sở lý luận của phương pháp thiết kế bộ điều
chỉnh dòng rotor kết hợp tựa theo hệ thụ động EL và Hamilton để
khử sai lệch tĩnh:
Để tổng hợp bộ điều chỉnh ta thực hiện theo 2 bước:
- Thiết kế bộ điều chỉnh dòng tựa theo hệ thụ động EL.
- Kết hợp với luật điều khi
ển tựa theo hệ Hamilton để xây dựng bộ
điều chỉnh dòng mới trên cơ sở của bộ điều chỉnh dòng EL.
Bộ điều chỉnh dòng rotor dưới dạng số: