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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
--------------------------X W-----------------------------

ĐẶNG DANH HOẰNG

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
--------------------------X W-----------------------------

ĐẶNG DANH HOẰNG

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
Chuyên ngành: Tự động hoá
Mã số:
62.52.60.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học

GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang

THÁI NGUYÊN 2012


i

LỜI CAM ĐOAN

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

Tác giả

Đặng Danh Hoằng


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa
sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô
giáo, các anh chị tại Trung tâm công nghệ cao Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp
đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản
luận án của mình.

Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo GS. TSKH. Nguyễn
Phùng Quang - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác
giả hoàn thành bản luận án này.
Qua đây tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong ban giám
hiệu trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện và có những khích lệ,
động viên kịp thời để tác giả hoàn thành bản luận án.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Như
Hiển - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện
để tác giả thực hiện thành công bản luận án này.


iii

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt

vii

Danh mục các bảng biểu

xi

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

xii

Mở đầu

1

Chương 1. Tổng quan

5

1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu

5

1.2 Các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng

9

MĐKĐBNK
1.2.1 Điều khiển turbine

10

1.2.2 Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch

12

1.2.3 Điều khiển phía lưới và phía máy phát

13

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

13

MĐKĐBNK
1.4 Tổng quan các vấn đề đã được giải quyết, các vấn đề tồn tại và Giải

15

pháp điều khiển
1.4.1 Các vấn đề đã được giải quyết

15

1.4.2 Các vấn đề còn tồn tại

15

1.4.3 Giải pháp điều khiển

16

Chương 2. Phương pháp điều khiển tựa theo thụ động
2.1 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động

17
17


iv

2.2 Hệ Euler - Lagrange

18

2.3 Phương trình Euler-Lagrange

19

2.4 Các đặc tính của hệ Euler-Lagrange

21

2.4.1 Đặc điểm thụ động của hệ Euler-Lagrange

21

2.4.2 Khả năng phân tích hệ Euler-Lagrange thành các hệ thụ động

23

con

2.4.3 Đặc điểm bảo toàn hệ Euler-Lagrange khi nối các hệ con với

25

nhau
2.4.4 Đặc điểm thụ động của hệ kín

26

2.4.5 Một số giả thiết và định nghĩa khác

27

2.5 Đặc tính ổn định của hệ Euler-Lagrange

28

2.5.1 Hệ suy giảm toàn phần

28

2.5.2 Hệ suy giảm riêng

29

2.6 Kết luận chương 2
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

29

30
30

3.1.1 Biểu diễn vectơ không gian các đại lượng 3 pha

30

3.1.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát

31

3.1.3 Các biến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phía

36

máy phát
3.1.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới

38

3.1.5 Mô hình gián đoạn phía lưới

40

3.1.6 Các biến điều khiển phía lưới

41

3.2 Khả năng ứng dụng phương pháp passivity - based cho máy phát

44

không đồng bộ 3 pha nguồn kép
3.2.1 Phương trình Euler-Lagrange của động học máy phát

44

3.2.2 Đặc điểm thụ động của máy phát

46


v

3.3 Kết luận chương 3
Chương 4. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió theo

47
48

phương pháp passivity - based
4.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển phía máy phát

48

4.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor tựa theo hệ thụ động Euler-

55

Lagrange

4.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần ird

55

4.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần irq

56

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

58

Euler-Lagrange và Hamilton để khử sai lệch tĩnh
4.3.1 Hệ Hamilton

58

4.3.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp

59

4.4 Khắc phục ảnh hưởng vùng giới hạn điện áp và bộ xử lý tín hiệu số

62

đến chất lượng điều khiển
4.4.1 Khắc phục vùng giới hạn điện áp

62

4.4.2 Khắc phục hiện tượng trễ trong bộ xử lý tín hiệu số

65

4.5 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng có kể đến các yếu tố ảnh hưởng

66

4.6 So sánh cấu trúc bộ điều chỉnh dòng PBC với bộ điều chỉnh dòng

68

tuyến tính
4.7 Các bộ điều chỉnh số cho các mạch vòng điều khiển ngoài

69

4.8 Tính toán giá trị thực và giá trị đặt

70

4.9 Hoà đồng bộ máy phát lên lưới

71

4.10 Giải pháp điều khiển khi lỗi lưới

73

4.11 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía lưới

77

4.12 Kết luận chương 4

78

Chương 5. Kết quả mô phỏng
5.1 Kết quả mô phỏng Offline

80
80


vi

5.1.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió

80

5.1.2 Chất lượng của hệ thống điều khiển

83

5.1.3 So sánh tính bền vững của hệ thống giữa hai phương pháp

89

điều khiển PBC và điều khiển tuyến tính
5.2 Kết quả mô phỏng thời gian thực (Hardware - in - the - loop)

5.2.1 Giới thiệu về Board điều khiển R&D DS1104 của hãng

92
92

dSPACE
5.2.2 Thiết lập mô trường làm việc mô phỏng thời gian thực

92

5.2.3 Xây dựng cấu trúc mô phỏng thời gian thực

93

5.2.4 Tổng hợp các kết quả mô phỏng

95

5.3 Kết luận chương 5

99

Kết luận và kiến nghị

101

Danh mục các công trình đã công bố của luận án

103

Tài liệu tham khảo

104

Phụ lục

110


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

fs

Tần số mạch điện stator

2

fr

Tần số mạch điện rotor

3

iN, is, ir

Véctơ dòng điện phía lưới, stator, rotor máy phát

4

ird, irq, isd, isq

Các thành phần dòng điện rotor, stator trong hệ toạ độ dq

5

iNd, iNq

Các thành phần dòng lưới trong hệ toạ độ dq

6

isα, isβ

Các thành phần dòng stator trong hệ toạ độ αβ

7

uN, us, ur

Véctơ điện áp phía lưới, stator, rotor máy phát

8

urd, urq, usd,
usq

Các thành phần điện áp rotor, stator trong hệ toạ độ dq
Véc tơ điện áp điều khiển rotor đầu ra của bộ điều chỉnh

9

urPBC

10

urdPBC, urqPBC

11

uNd, uNq

Các thành phần điện áp lưới trong hệ toạ độ dq

12

J

Mô men quán tính

13

Lm

Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor

14

Ls =Lm+Lσs

Điện cảm stator

15

Lr =Lm+Lσr

Điện cảm rotor

16

Lσs

Điện cảm tản phía stator

17

Lσr

Điện cảm tản phía rotor

18

mG

Mô men điện từ máy phát

dòng PBC
Các thành phần điện áp rotor đầu ra của bộ điều chỉnh tựa
theo thụ động trong hệ toạ độ dq


viii

19

mW

Mô men máy phát (do sức gió tạo ra)

20

Rs, Rr

Điện trở stator, rotor

21
22
23

Ls
Rs
L
Tr = r

Rr 2
L
σ = 1− m
Lr .Ls
Ts =

Hằng số thời gian stator
Hằng số thời gian rotor
Hệ số tản tổng

24

ψs, ψr

Véc tơ từ thông stator, rotor

25

ψsd, ψsq

Các thành phần từ thông stator trong hệ toạ độ dq

26

ψrd, ψrq

Các thành phần từ thông rotor trong hệ toạ độ dq

27

ω

Vận tốc góc cơ học của rotor

28

ωN, ωs, ωr

Vận tốc góc của mạch lưới, stator, rotor

29

zp

Số đôi cực từ

30

uDC

Điện áp một chiều trung gian

31

ϑ

Góc rotor

32

ϑN, ϑs, ϑr

Góc mạch điện lưới, stator, rotor

33

A

Ma trận hệ thống

34

B

Ma trận cấu trúc hệ thống

35

V

Ma trận quán tính

36

LL

Ma trận quán tính điện từ

37

C

Ma trận điều kiện

38

D

Ma trận suy giảm

39

R

Ma trận điện trở

40

L

Hàm Lagrange

41

Le, Lm

Hàm Lagrange phần điện, cơ

42

Q

Lực tác động lên hệ thống

43

Qe, Qm

Lực tác động đầu vào phần điện, cơ


ix

44

P

Hàm thế năng

45

Pe, Pm

Hàm thế năng phần điện, cơ

46

D(ω)

Hệ số suy giảm

47

H

Hàm tổng năng lượng

48

He, Hm

Hàm năng lượng điện, cơ

49

K

Hàm động năng

50

F

Hàm tiêu thụ Rayleigh

51

Fe, Fm

Hàm tiêu thụ phần điện, cơ

52

Qn

Tác động do nhiễu

53

H(x)

Hàm Hamilton

54

g(x)

Hàm gia tốc trọng trường

Các chữ viết tắt
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

55

MĐKĐBNK Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép

56

MPKĐBNK Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép

57

DSP

Digital signal processor - Xử lý tín hiệu số

58

NLPL

Nghịch lưu phía lưới

59

NLMP

Nghịch lưu phía máy phát

60

MĐN

Máy đóng ngắt

61

HS

Hộp số

62

IE

Máy khắc mã vạch xung

63

MBA

Máy biến áp

64

MP

Máy phát

65

ĐCVTKG

Điều chế véc tơ không gian

66

THĐAL

Tựa hướng điện áp lưới


x

67

PLL

Vòng khoá pha

68

PBC

Passivity - Based Control

69

EL

Euler - Lagrange

70

R IPBC

Bộ điều chỉnh dòng rotor theo phương pháp PBC

71

ĐCuDC

Bộ điều chỉnh điện áp một chiều trung gian

72

ĐCϕ

Bộ điều chỉnh góc ϕ (cosϕ hoặc sinϕ)

73

ĐCMM

Bộ điều chỉnh mô men

74

ĐCD

Bộ điều chỉnh dòng

75

ĐCDMP

Bộ điều chỉnh dòng máy phát

76

TSP

Khâu tính giá trị đặt

77

GTT

Khâu tính toán giá trị thực

78

ĐLĐK

Đại lượng điều khiển

79

PĐSG

Phát điện sức gió

80

ADC

Bộ chuyển đổi tương tự số

81

GAS

Ổn định toàn cục


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu
5.1
5.2
6.1
6.2

Nội dung bảng biểu
Thông số của MĐKĐBNK dùng làm máy phát điện sức gió
trong mô phỏng Offline và mô phỏng thời gian thực
Thông số thiết lập môi trường mô phỏng thời gian thực
Thông số của MĐKĐBNK dùng làm máy phát điện sức gió
trong mô phỏng Offline.
Tham số phía lưới

Trang
81
94
110
110

xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5

Nội dung

Trang

Một Wind farm trên biển gồm nhiều máy phát nối mạng với 5
nhau
Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn

6

Máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu hoặc không đồng 6
bộ 3 pha rotor lồng sóc
Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép

7

Phạm vi hoạt động của MĐKĐBNK và dòng chảy năng lượng 8
ở chế độ MP

1.6

Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK

8

1.7

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar

9

1.8

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch

10

1.9

Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều khiển turbine

11

1.10

Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng 14
MĐKĐBMK

2.1

Phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động

24

2.2

Nối theo kiểu phản hồi của hai hệ EL

26

3.1

Biểu diễn các vector dòng stator, điện áp stator, từ thông stator 31
trên hệ trục tạo độ α,β và d,q

3.2

Đồ thị véc tơ dòng, áp, từ thông của MĐKĐBNK

38

3.3

Sơ đồ nguyên lý rút gọn phía lưới

38

3.4

Sơ đồ thay thế mạch điện phía lưới

39

3.5

Biểu diễn véc tơ dòng điện phía lưới

41

3.6

Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát phía máy phát và phía 43


xiii

lưới hệ thống PĐSG sử dụng MĐKĐBNK
3.7
3.8
4.1
4.2
4.3

Phân tích MĐKĐBNK thành động học phần điện và phần cơ

44

Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển MĐKĐBNK theo 47
phương pháp PBC
Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển phía máy phát

48

Cấu trúc bộ điều chỉnh véc tơ dòng PBC bao gồm 2 khối chức 54
năng
Hệ thống điều khiển máy phát (MĐKĐBNK) trong hệ thống 54
PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based

4.4

Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần ird tựa theo EL

57

4.5

Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần irq tựa theo EL

57

4.6

Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần ird tựa theo EL và 61
Hamilton

4.7

Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần irq tựa theo EL và 62
Hamilton

4.8

Quan hệ giữa các véc tơ trong thực hiện hoà đồng bộ

72

4.9

Sơ đồ cấu trúc điều khiển gián đoạn phía lưới

77

4.10

Hệ thống điều khiển phía lưới và phía máy phát 79
(MĐKĐBNK) trong hệ thống PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh
Passivity - Based

5.1

Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống

80

5.2

Các khối mô phỏng bên trong của lưới, bộ biến đổi và máy 81
phát

5.3

Khối bộ biến đổi nghịch lưu phía lưới và phía máy phát

81

5.4

Các vòng điều khiển ngoài để tính toán ird* và irq*

82

5.5

Khối tính toán các giá trị dòng, áp, từ thông đặt

82

5.6

Khối bộ điều chỉnh dòng rotor có kể đến dự báo dòng, hiệu 82
chỉnh sai lệch


xiv

5.7

Khối điều khiển phía lưới

83

5.8

Đáp ứng dòng rotor

83

5.9

Đáp ứng dòng điện ird và irq theo giá trị đặt

84

5.10

Đáp ứng điện áp pha stator máy phát và lưới

84

5.11

Đáp ứng điện áp lưới và stator sau khi đã hoà đồng bộ

84

5.12

Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt

85

5.13

Đáp ứng dòng ird và irq theo giá trị đặt

85

5.14

Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt

85

5.15

Đáp ứng dòng ird và irq theo giá trị đặt

86

5.16

Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt

87

5.17

Đáp ứng dòng ird và irq theo giá trị đặt

87

5.18

Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt

87

5.19

Đáp ứng dòng ird và irq theo giá trị đặt

88

5.20

Đáp ứng mô men và cosϕ thay đổi theo giá trị đặt

88

5.21

Đáp ứng dòng ird và irq khi thay đổi giá trị

88

5.22

Điện áp lưới và mômen khi sập lưới 10%

89

5.23

Đáp ứng cosϕ và dòng rotor khi xảy ra sập lưới 10%

89

5.24

Điện áp lưới và mômen khi sập lưới gây sụt áp 25%

90

5.25

Đáp ứng cosϕ và dòng rotor khi xảy ra sập lưới 25%

90

5.26

Điện áp lưới, tần số góc mạch rotor vaf mô men khi xảy ra 90
sập lưới 50%

5.27

Đáp ứng cosϕ và dòng rotor khi xảy ra sập lưới 50%

91

5.28

Đáp ứng dòng rotor khi xảy ra sập lưới 50% [15]

91

5.29

Hình ảnh của Board điều khiển R&D DS1104 và giao diện với 92
ngoại vi

5.30

Thiết lập môi trường Solver và thiết lập mô phỏng thời gian 93


xv

thực - Real-Time
5.31

Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển

94

5.32

Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (1)

95

5.33

Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (2)

95

5.34

Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (3)

96

5.35

Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (4)

96

5.36

Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (5)

97

5.37

Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (sập 98
lưới 10%)

5.38

Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (sập 98
lưới 25%)

5.39

Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (sập 99
lưới 50%)

6.1

Đáp ứng dòng điện ird và irq theo giá trị đặt

110

6.2

a) Đáp ứng điện áp pha stator máy phát và lưới

111

b) Đáp ứng điện áp lưới và stator sau khi đã hoà đồng bộ
6.3

Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt

111

6.4

Đáp ứng dòng ird và irq theo giá trị đặt

111

6.5

Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt

112

6.6

Đáp ứng dòng ird và irq theo giá trị đặt

112

6.7

Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt

112

6.8

Đáp ứng dòng ird và irq theo giá trị đặt

113

6.9

Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt

113

6.10

Đáp ứng dòng ird và irq theo giá trị đặt

113

6.11

Đáp ứng mô men và cosϕ thay đổi theo giá trị đặt

114

6.12

Đáp ứng dòng ird và irq khi thay đổi giá trị

114


1

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

ngày càng cạn kiệt, thuỷ điện cũng gần khai thác hết công suất của nguồn nước trên
các con sông Việt Nam. Ngoài ra nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang ở giai đoạn
nghiên cứu và mới chỉ dừng lại ở công suất nhỏ, trong khi đó sức gió ở Việt Nam
chưa được khai thác nhiều.
Trong tương lai gần hệ thống lưới điện sẽ xuất hiện các chủ lưới (các công ty
tư nhân, liên doanh trong và ngoài nước) tham gia cung cấp điện năng cho toàn hệ
thống. Vì vậy, việc bám lưới khi xảy các sự cố thông thường là một đòi hỏi cấp thiết
cho hệ thống máy phát 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 chạy 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, mặc 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 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 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" trong luận án, tác giả đi nghiên cứu


2

thuật toán điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity - Based) để giải quyết
các vấn đề trên.
Mục đích nghiên cứu
Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn
kép (MPKĐBNK) trong hệ thống máy phát điện sức gió bằng phương pháp điều
khiển phi tuyến tựa theo thụ động (passivity - based), để cải thiện chất lượng điều
khiển hệ thống so với phương pháp điều khiển tuyến tính.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép: Thực chất là máy điện không
đồng bộ 3 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 khiển tuyến tính kinh điển.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển phi tuyến
passivity - based.
- Kiểm chứng bằng mô phỏng Offline trên cơ sở sử dụng phần 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 khiển 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 mặt lý thuyết lẫn mô phỏng
Offline và mô phỏng thời gian thực.

3

- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là giúp đáp ứng yêu cầu của quản trị lưới điện
là hệ thống phát điện chạy sức gió không được phép tự cắt ra khỏi lưới khi xảy ra
lỗi lưới (đối xứng) sập một phần điện áp lưới. 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 MĐKĐBNK có stator nối trực tiếp với lưới nên khó điều khiển ở các chế
độ vận hành phi tuyến như vậy.
Những đóng góp của luận án
- Luận án là công trình khoa học đầu tiên áp dụng phương pháp thiết kế điều
khiển phi tuyến passivity - based cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy
điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép.
- Luận án đã chỉ ra đặc điểm thụ động của MĐKĐBNK là cơ sở để áp dụng
thành công phương pháp thiết kế cấu trúc điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động
cho véc tơ dòng rotor.
- Luận án đã chỉ ra ưu thế của cấu trúc điều khiển PBC so với cấu trúc điều
khiển tuyến tính deadbeat trong chế độ vận hành phi tuyến xảy ra khi lỗi lưới (đối
xứng) sập một phần điện áp lưới dẫn đến điện áp đầu vào của nghịch lưu phía lưới
sụt giảm.
Bố cục của luận án
Luận án được chia làm 5 chương:
Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ thống máy phát điện sức gió, đưa ra
một cách khái quát về hệ thống năng lượng sử dụng sức gió cũng như đề cập đến
đối tượng cần nghiên cứu là MĐKĐBNK. Đưa ra các vấn đề mà các phương pháp
điều khiển tuyến tính đã giải quyết cũng như tồn tại cần nghiên cứu giải quyết
bằng phương pháp điều khiển phi tuyến mới tựa theo thụ động (passivity - based)
nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống so với phương pháp điều khiển

tuyến tính.
Chương 2 Trình bày khái quát về phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến
trên cơ sở tựa theo đặc điểm thụ động (passivity - based) của đối tượng điều khiển.
Chương 3 Giới thiệu mô hình hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng
MĐKĐBNK, mô hình toán phía máy phát và phía lưới, cấu trúc điều khiển tổng


4

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


5

Chương 1. Tổng quan
1.1. Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu

Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các turbine gió trong việc
cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm”
gồm nhiều turbine gió nối mạng với nhau. Các “Wind farm” có thể được xây dựng
trên đất liền, hoặc xây dựng trên các vùng biển “Offshore” như hình 1.1. Tổng công
suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên đến hàng chục MW. Nhằm đáp ứng yêu
cầu " Bám và góp phần trụ lưới" khi lưới xảy ra sự cố sập một phần (đối xứng), luận
án tập trung vào nội dung thiết kế cấu trúc điều khiển phi tuyến MĐKĐBNK.

Hình 1.1: Một Wind farm trên biển gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau
Hiện nay nhiều nước trên thế giới sử dụng các hệ thống máy phát (MP) điện
sức gió với 2 kiểu turbine: Turbine trục đứng và trục ngang, mỗi loại đều có những
ưu nhược điểm nhất định chẳng hạn như kiểu turbine trục đứng có mômen xoắn lớn
nên không phù hợp đặt ở trên cao, vì vậy chỉ đặt ở những vị trí thấp và có tốc độ gió
nhỏ dẫn đến thường có công suất vừa và nhỏ. Với turbine kiểu trục ngang sẽ khắc
phục được nhược điểm trên của turbine trục đứng nhưng nhược điểm là chi phí xây
dựng lắp đặt cao. Chính vì vậy tuỳ vào điều kiện thực tế mà người ta lựa chọn kiểu
turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp.


6

Cho đến thời điểm hiện tại đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ
thống máy phát điện sức gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát sự
phát triển các loại máy phát điện sức gió như hình 1.2.
Hệ thống
Phát điện sức gió

Máy phát một chiều

Máy phát xoay chiều

Máy phát xoay chiều 1
pha

Máy phát xoay chiều 3
pha

Máy phát đồng bộ
kích thích vĩnh cửu
(hình 1.3)

Máy phát không
đồng bộ

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

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

Hình 1.2: Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn
Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ 3 pha
kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc như hình 1.3.

Hộp số

MF

≈

=
=

≈

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


7

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

Hộp số

MF

=

≈
=

≈

Hình 1.4: Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép
Hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha

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


8
Trên đồng bộ
Chế độ máy phát
0>s>-∞

-1

n

ns

Trên đồng bộ
Chế độ động cơ
0>s>-∞

0

Dưới đồng bộ
Chế độ máy phát
1>s>0

Dưới đồng bộ
Chế độ động cơ
1>s>0

0 1

m

a)
S

Lưới điện

Lưới điện

Rotor

Rotor
Stator

Stator
b)

c)

a) Phạm vi hoạt động
b) Dòng năng lượng MP ở chế độ dưới đồng bộ
b) Dòng năng lượng MP ở chế độ trên đồng bộ

Hình 1.5: Phạm vi hoạt động MĐKĐBNK và dòng chảy năng lượng ở chế độ MP
Các phương pháp điều
khiển MĐKĐBNK

Phương pháp điều
khiển tuyến tính
[4, 11, 50, 51, 53]

Cuốn chiếu
(Backstepping based)
[14, 15, 16, 17]

Phương pháp điều
khiển phi tuyến

Tuyến tính hoá chính
xác (Exact
linearization)
[1, 32, 52]

Tựa phẳng
(Platness based)
[2]

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

Hình 1.6: Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK