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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG Ƣ́NG DỤNG
PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO THỤ ĐỘNG (Passivity
- Based) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN
KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA NGUỒN KÉP

Ngành : TƢ̣ ĐỘNG HÓA
Học Viên: TRƢƠNG VĂN BIỂN
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN NHƢ HIỂN

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

1




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI 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 Ƣ́NG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TƢ̣A THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA NGUỒN KÉP

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

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

NGƢỜI HƢỚNG DẪN

2




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

3




MỤC LỤC

Trang

Mở đầu

5

Chƣơng 1. Tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến

7

và áp dụng cho máy phát điện sức gió.
1.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển phi tuyến.

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

10

Based Control).
1.2 Tổng quan và mô hì nh hệ thống của máy phát điện sƣ́c 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

20

phía lƣới của hệ thống phát điện chạy sức gió
2.1.1. Khái quát về hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử

20

dụng máy điện dị bộ nguồn kép.
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. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống bằng phƣơng

28

pháp điều khiển phi tuyến Passivity – Based.
3.1. Cơ sở lý luận phƣơng pháp điều khiển Passivity – Based

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

4



28


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. Áp dụng phƣơng pháp Passivity – Bases để thiết kế hệ

43

thống điều khiển phía máy phát.
3.2.1. Áp dụng phƣơng pháp Passivity – Based thiết kế bộ điều

44

chỉnh dòng
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 irq trên miền liên tục

55

3.2.4. Chuyển bộ điều khiển dòng PBC phía máy phát sang dạng

56

số.
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 và đánh giá chất lƣợng hệ thống điều

64

khiển
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

5




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 , dầu 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 lƣợng sạch đã khẳng định vị trí của mình trên thị trƣờng năng lƣợng thế
giới. Trong nhƣ̃ng 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 sạch 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
nhƣ̃ng điều kiện thuận lợi để khai thác tốt các nguồn năng lƣợng

gió. Các hệ

thống biến đổi năng lƣợng gió này sẽ thay thế các hệ thống cung cấp năng lƣợng
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 đánh giá về nguồn năng lƣợng gió nà y ta
thấy: Năng lƣợng gió đƣợc 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

6




Tƣ̀ nhƣ̃ng đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cƣ́u
các phƣơng pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào việc khai thác nguồn
năng lƣợng sạch này nhằm phát triển lĩ nh vƣ̣c năng lƣợng gió ở nƣớc ta mạnh
hơn nƣ̃a.
Trong thời gian qua đã có một số công trì nh nghiên cƣ́u tổng hợp kỹ thuật,
thuật toán điều khiển 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 áp

dụng cho máy phát điện sức gió.
- Chƣơng 2: Xây dƣ̣ng cấu trúc điều khiển.
- Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống bằng phƣơng pháp điều
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

7




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

8




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

9




DANH MỤC CÁC 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
2.2

Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử
dụng máy điện dị bộ nguồn kép
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
3.1

Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lƣới

hệ thống PĐSG sử dụng MDKBNK
Phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động con

3.2

Nối theo kiểu phản hồi của hai hệ EL

3.3
3.4

Hệ thống điều khiển máy phát (MDKBNK) trong hệ thống PĐSG sử
dụng bộ điều chỉnh Passivity – Based
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

10




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not

read....


data error !!! can't not
read....



data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....