Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID (LV thạc sĩ)

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ÔN NHẬT MAI SƠN

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ
THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG
MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP BẰNG BỘ ĐIỀU
KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU
KHIỂN PID
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. ĐỖ TRUNG HẢI

TS. ĐẶNG DANH HOẰNG
PHÒNG ĐÀO TẠO

TS. ĐẶNG DANH HOẰNG
THÁI NGUYÊN 2017


2

MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
Nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng gió) bằng việc cải
thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió nhằm khai thác được
nguồn năng lượng gió đưa vào phục vụ sản xuất và đời sống góp phần giảm tiêu hao
năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính. Bên
cạnh đó việc sử dụng năng lượng gió như là một nguồn năng lượng tại chỗ để thay
thế cho các dạng năng lượng truyền thống đáp ứng nhu cầu năng lượng cho sản xuất
và sinh hoạt hiện nay là một kế sách có ý nghĩa quan trọng về mặt kinh tế, an ninh
năng lượng và phát triển văn hoá giáo dục… Vì vậy mục tiêu của đề tài nghiên cứu
cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió nhằm khai thác hiệu
quả nguồn năng lượng tái tạo này.
2. Mục tiêu của nghiên cứu
- Xây dựng mô tả toán học của hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát
điện dị bộ nguồn kép.
- Thiết kế bộ điều khiển PID.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID.
- Mô phỏng đánh giá chất lượng điều khiển của bộ điều khiển mờ chỉnh định
tham số bộ điều khiển PID so với bộ điều khiển PID.
3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió
sử dụng máy phát điện dị bộ nguồn kép
Chương 2: Điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển PID
Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển
mờ chỉnh định tham số PID
Kết luận và kiến nghị


3

Chương 1
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC
GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP
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 như hình 1.1, hoặc xây dựng trên các vùng biển “Offshore” như hình
1.2. Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên đến hàng chục MW.
Nhằm đáp ứng cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép (MĐKĐBNK), luận văn tập trung
vào nội dung thiết kế cấu trúc điều khiển mờ MĐKĐBNK.
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.

Hình 1.1: Một Wind farm trên đất liền gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau


4

Hình 1.2: Một Wind farm trên biển gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau

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 1.3.
Hệ thống
Phát điện sức gió

Máy phát một chiều

Máy phát xoay chiều

Máy phát xoay chiều 1
pha

Máy phát đồng bộ kích
thích vĩnh cửu (hình
1.4)

Máy phát không đồng
bộ 3 pha rotor lồng
sóc (hình 1.4)

Máy phát xoay chiều 3
pha

Máy phát không
đồng bộ

Máy phát không đồng
bộ 3 pha nguồn kép
(hình 1.5)

Hình 1.3: Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn


5

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 1.4.

≈
Hộp số

=

MF

≈

=

Hình 1.4: Máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu hoặc không đồng bộ 3 pha rotor
lồng sóc

Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ 3
pha nguồn kép như hình 1.5.

Hộp số

MF

≈

=
=

≈

Hình 1.5: 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 1.5 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 [19].
- 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


6

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 1.6
[8, 19].
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 1.7.
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)

Lưới điện

Lưới điện

S

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 1.6: Phạm vi hoạt động MĐKĐBNK và dòng chảy năng lượng ở chế độ máy phát


7

Các phương pháp điều
khiển MĐKĐBNK

Phương pháp điều
khiển tuyến tính

Cuốn chiếu
(Backstepping based)

Phương pháp điều
khiển phi tuyến

Tuyến tính hoá
chính xác (Exact
linearization)

Tựa phẳng
(Platness based)

Tựa theo
thụ động
(Passivity based)

Mờ
(Fuzzy)

Hình 1.7: Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK
Từ hình 1.7, cho thấy phương pháp điều khiển mờ, là mục tiêu áp dụng để
điều khiển MĐKĐBNK trong hệ thống máy phát điện sức gió. Vì vậy việc lựa chọn
phương pháp điều khiển này cho thấy đây là một trong những phương pháp khả dĩ
có thể áp dụng cho đối tượng nghiên cứu MĐKĐBNK nhằm tăng khả năng áp dụng
vào thực tiễn.
1.2. Các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng
MĐKĐBNK
Cấu trúc điều khiển đầy đủ của hệ thống 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 cắt máy phát khỏi lưới sử dụng crowbar (hình 1.8) hoặc stator
switch (hình 1.9) nhằm bảo vệ máy phát khi có sự cố lưới.


8

Tem

Máy cắt

Ps, Qs

Pg, Qg

Lưới

Tt
Pf, Qf
lọc

≈

=
≈

=

lọc

Crowbar
Cấp 1

Điều khiển
Crowbar

(Phuơng pháp điều khiển
véc tơ cho NLPL và NLMP)
Tem*

Vbus*

Qf*

Qs*

Wm


*

Cấp 2
(Điều khiển turbine)

VW
Hình 1.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar

Tem

Pg, Qg

Ps, Qs
Stator switch

Tt

Pf, Qf
lọc

≈

=
≈

=

Cấp 1

Điều khiển
Stator switch

(Phuơng pháp điều khiển
véc tơ cho NLPL và NLMP)
Tem*

*

lọc

Vbus*

Qs*

Qf*

Wm
Cấp 2
(Điều khiển turbine)

VW

Hình 1.9: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch

Lưới


9

1.2.1. Điều khiển turbine
Công suất của turbine gió
Công suất của turbine gió được tính theo công thức [16, 17, 18]:
Ptb 

1
3
tb Rcg2 vgm
Ctb
2

(1.1)

Trong đó:

tb là mật độ không khí (kg/m3),
Rcg là bán kính của cánh gió (m),
vgm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (m/s),
Ctb là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc khí động học của turbine gió và
được xác định theo (1.2):

Ctb  f (  p ,tb )

(1.2)

với p là góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của
cánh gió và được gọi là góc pitch, tb là một hệ số phụ thuộc vào cả tốc độ góc quay
của turbine tb và tốc độ gió vgm:

tb 

tb( t ) Rcg
vgm( t )

(1.3)

Cũng lưu ý, theo tài liệu nghiên cứu [14, 18] thì giá trị cực đại của Ctb là
0,593 và còn được gọi là giới hạn Betz.
Các công thức (1.1), (1.2), và (1.3) cho thấy công suất turbine gió phụ thuộc
vào cấu trúc khí động học của turbine gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay

của turbine. Chính vì vậy với một góc pitch cố định và ở một tốc độ gió cho trước
thì công suất của một turbine gió còn phụ thuộc vào tốc độ quay của nó nữa.
Phương pháp điều khiển
Nhiệm vụ của điều khiển turbine là điều khiển tốc độ turbine để duy trì công
suất được biến đổi từ năng lượng gió thành công suất cơ trên trục của turbine là cực
đại thì cần phải đảm bảo giá trị của hệ số Ctb là tối ưu ứng với từng tốc độ gió nhỏ
hơn tốc độ gió lớn nhất cho phép. Ứng với tốc độ gió mà ở đó công suất của máy phát
đã đạt đỉnh thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn công suất turbine. Ở tốc độ
gió nhỏ hơn tốc độ nhỏ nhất cho phép hoặc lớn hơn tốc độ lớn nhất cho phép của


10

turbine thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ khí để giữ cho
turbine không quay. Muốn vậy thì tốc độ trục cơ của turbine gió (được nối với trục
rotor của MĐKĐBNK thông qua một hộp số) phải được thể hiện ở công thức (1.1),
(1.2), và (1.3). Đây cũng chính là vấn đề được nhiều người quan tâm [14, 16].
Dưới đây là mối quan hệ giữa công suất của turbine với tốc độ góc quay của
nó ứng với các tốc độ gió khác nhau, thể hiện trên hình 1.10.
Vùng công suất không đổi

Công suất turbine (%)

100%
Vùng công suất tối ưu
VW = 20 m/s
VW = 18 m/s

50%

VW = 16 m/s
VW = 14 m/s
VW = 12 m/s
VW = 10 m/s
VW = 8 m/s

0

5

10

25
15
20
Tốc độ quay của turbine (v/ph)

30

35

Hình 1.10: Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều khiển turbine

Trên hình 1.10 với đường đặc tính công suất tối ưu của turbine được thể hiện
bằng nét đậm và được diễn giải như sau [18]:
- Khi tốc độ gió nằm trong khoảng từ tốc độ nhỏ nhất cho phép và tăng cho
đến khi công suất của máy phát đạt giá trị lớn nhất cho phép thì tốc độ quay của
turbine gió được điều chỉnh sao cho Ctb đạt được giá trị tối ưu để công suất biến đổi
từ năng lượng gió ứng với mỗi tốc độ gió là lớn nhất. Vùng làm việc như vậy gọi là
vùng công suất tối ưu.

- Khi công suất của máy phát đã đạt đến giới hạn lớn nhất cho phép mà tốc
độ gió vẫn tiếp tục tăng thì có thể điều chỉnh tốc độ quay của turbine ứng với từng
tốc độ gió sao cho Ctb đạt được giá trị nhỏ hơn giá trị tối ưu hoặc điều chỉnh góc
pitch để giữ cho công suất cơ trên trục của turbine là hằng số. Vùng làm việc như
vậy còn được gọi là vùng công suất không đổi.
- Khi điều chỉnh hệ số Ctb và góc pitch đã ở mức tới hạn mà tốc độ gió vẫn
tiếp tục tăng thì bắt buộc phải cắt máy phát để bảo vệ turbine và các bộ biến đổi
công suất.


11

Cần lưu ý việc điều chỉnh tốc độ quay của turbine có thể thực hiện trực tiếp
bằng cách thay đổi góc pitch của cánh gió, thay đổi hướng nhận gió của các cánh
gió hoặc thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc điều chỉnh công suất đầu ra
của máy phát.
1.2.2. Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch
Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến đổi công suất khi xuất hiện dòng cân bằng lớn
khi xảy ra lỗi lưới (ngắn mạch lưới).
Với hệ thống sử dụng crowbar, khi xảy lỗi lưới, nếu dòng cân bằng lớn quá
mức cho phép của bộ biến đổi, lúc này điều khiển crowbar sẽ kích hoạt, làm ngắn
mạch rotor, rẽ dòng ngắn mạch qua crowbar để bảo vệ bộ biến đổi, khi đó máy phát
bị mất điều khiển. Khi biên độ dòng quá độ giảm đến mức an toàn, “crowbar”
ngừng tham gia, lúc này mới có thể phục hồi điều khiển được máy phát.
Với hệ thống sử dụng stator switch, khi lỗi lưới, nếu dòng quá độ rotor vượt
quá mức cho phép của bộ biến đổi, bộ chuyển mạch điện tử công suất thyristor phía
stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lưới, tuy nhiên vẫn duy trì điều khiển phía rotor để
điều khiển hòa đồng bộ máy phát trở lại lưới khi biên độ dòng quá độ giảm đến mức
an toàn của bộ biến đổi, và việc phát công suất tác dụng, phản kháng lên lưới được
khôi phục trở lại.

Trong cả hai phương án Crowbar và Stator switch hệ thống điều khiển MP
đều bị vô hiệu hoá và MP được bảo vệ chống quá dòng. Bản chất của cả hai phương
án là máy phát được cắt ra khỏi lưới, nên không phải là nội dung nghiên cứu của
luận văn này.
1.2.3. Điều khiển phía lưới và phía máy phát
Bao gồm hai thành phần: Điều khiển nghịch lưu phía máy phát và điều khiển
nghịch lưu phía lưới.
 Điều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL)
Mục tiêu của điều khiển NLPL là duy trì trị số điện áp một chiều trung gian
không đổi bảo đảm cân bằng trong quá trình trao đổi điện năng giữa rotor của MP
với lưới. Đồng thời bảo đảm công suất phản kháng Q đạt giá trị cần thiết, gián tiếp
qua hệ số công suất cos.
 Điều khiển nghịch lưu phía máy phát (NLMP)


12

Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công suất tác dụng (thông qua
mômen), và công suất phản kháng (thông qua hệ số công suất cos) lên lưới một
cách độc lập với nhau, thông qua điều khiển các thành phần dòng điện rotor, với
việc áp dụng kỹ thuật điều khiển véc tơ.
Với mục đích của luận văn là cải thiện chất lượng hệ thống máy phát điện
sức gió sử dụng MĐKĐBNK thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển phù hợp
cho bộ điều khiển nghịch lưu phía máy phát, nên luận văn tập trung vào những vấn
đề liên quan đến điều khiển NLMP.
1.3. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió
Ta có sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng
máy điện không đồng bộ ba pha nguồn kép [8]:

MBA

uN

NLPL
Bộ lọc

NLMP
uDC

3~

us

MĐN

=

HS

=

MP

3~

ir
iN

IE

is

DSP

n

Hình 1.11: Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng
MĐKĐBMK
Trong đó:
NLPL - Nghịch lưu phía lưới
NLMP - Nghịch lưu phía máy phát
MĐN - Máy đóng ngắt


13

HS - Hộp số
MP - Máy phát
IE - Thiết bị đo tốc độ
MBA - Máy biến áp
DSP - Thiết bị điều khiển số
Hình vẽ 1.11 mô tả sơ đồ cấu trúc của một hệ thống máy phát điện chạy sức
gió sử dụng MĐKĐBNK, theo đó cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới điện 3
pha (lưới điện quốc gia), còn cuộn dây rotor được nối với hệ thống biến tần (biến
tần sử dụng van bán dẫn) có khả năng điều khiển dòng năng lượng đi theo 2 chiều.
Hệ thống biến tần bao gồm hai phần: Phần nghịch lưu phía lưới (NLPL) và phần
nghịch lưu phía máy phát (NLMP). Hai phần này được nối với nhau qua mạch một
chiều trung gian. Trong đó phần NLMP có nhiệm vụ điều chỉnh và cách ly công
suất tác dụng P gián tiếp qua đại lượng mG (mô men của máy phát) và công suất
phản kháng Q qua cos, đồng thời nó cũng đảm nhận cả việc hoà đồng bộ máy phát
vào lưới điện, cũng như tách máy phát ra khỏi lưới khi cần thiết. Phần NLPL trên

thực tế cũng như ở các đề tài trước đã nghiên cứu đều khẳng định NLPL không chỉ
là chỉnh lưu thông thường: Lấy năng lượng từ lưới về, mà nó còn có khả năng thực
hiện hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại phía lưới. Vì vậy, cấu
trúc mạch điện tử công suất, phần NLPL hoàn toàn giống như phần NLMP, hơn nữa
NLPL còn có nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp mạch một chiều trung gian uDC
sao cho không phụ thuộc vào độ lớn cũng như chiều của dòng năng lượng chảy qua
rotor, đồng thời nó điều chỉnh hệ số công suất cos phía lưới và qua đó có thể giữ
vai trò bù công suất phản kháng. NLPL và NLMP được điều khiển đóng cắt dựa
trên nguyên lý điều chế véctơ không gian (ĐCVTKG) [8].
1.3.1. Mô hình điều khiển nghịch lưu phía máy phát
1.3.1.1. Biểu diễn vectơ không gian các đại lượng 3 pha
Giả thiết máy điện làm việc ở chế độ bình thường là đối xứng. Lúc này xét
trên mặt phẳng cắt ngang của máy điện, véc tơ không gian dòng điện stator của
MĐKĐBNK được định nghĩa bằng biểu thức sau [8, 9, 10, 15]:
i s (t ) 

2
j1200
j 2400 
i
(
t
)

i
(
t
)
.
e


i
(
t
)
.
e
 i s .e jst
su
sv
sw



3

(1.4)


14

Trong đó isu, isv, isw là các dòng điện hình sin, cùng biên độ, cùng tần số
nhưng lệch pha nhau 1200 điện chạy trong 3 dây quấn stator u, v, w.
Từ trên ta thấy is(t) là một véc tơ không gian quay với tốc độ góc s = 2fs
trong toạ độ stator, với tần số mạch stator fs (tần số lưới).
Đối với các đại lượng khác của mạch stator như điện áp, từ thông cũng vậy
ta đều có thể xây dựng các véc tơ không gian tương ứng giống như đối với dòng
điện stator ở trên.
Với loại máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép thì véc tơ không gian
dòng điện rotor được định nghĩa:

ir (t ) 

0
0
2
irr (t )  irs (t )e j120  irt (t )e j 240   i r e jr t


3

(1.5)

Đại lượng ir(t) là véc tơ không gian quay với tốc độ góc r = s -  so với
stator.
Đối với các đại lượng khác của mạch rotor cũng được xây dựng như đối với
dòng điện rotor ở trên.
Bây giờ trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy điện), xây dựng hệ
trục toạ độ cố định ,  có trục  trùng với trục cuộn dây pha u, và hệ trục toạ độ d,
q có trục thực d trùng với véc tơ điện áp lưới us (uN), nghĩa là hệ trục toạ độ d, q này
quay với tốc độ s = 2fs so với stator (hình 1.12).
j
jq

is

is

s

d

us

isq

s
0

is

isd



s
Hình 1.12: Biểu diễn các véc tơ dòng, áp, từ thông stator trên hệ trục toạ độ ,  và d, q


15

Các thành phần của véc tơ dòng stator trên trục toạ độ ,β là is và isβ và trên
trục toạ độ d, q là isd và isq từ đó ta liên hệ giữa các thành phần của dòng điện stator
trên các hệ toạ độ và các dòng điện pha stator như sau:
is  isu

1

is  3 ( isu  2isv )


(1.6)


isd  is cos s  is sin s


isq  is sin s  is cos s

(1.7)

isu  is

isv  0,5(is  3.is )

isw  0,5(is  3.is )

(1.8)

is  isd cos s  isq sin s



is  isd sin s  isq cos s

(1.9)

Các công thức ở trên cũng đúng với các đại lượng khác.
1.3.1.2. Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát
Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát trong hệ thống máy phát điện chạy
sức gió là mô hình trạng thái liên tục của máy phát sử dụng MĐKĐBNK. Cơ sở để

xây dựng mô hình trạng thái liên tục MĐKĐBNK là các phương trình điện áp
stator, rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor [ 8, 9, 10]:
Phương trình điện áp stator:

dψss
u Ri 
dt

(1.10)

Phương trình điện áp rotor:

urr  Rr i rr 

dψ rr
dt

(1.11)

s
s

Phương trình từ thông stator và rotor:

s
s s

ψ s  Ls i s  Lm i r

ψ r  Lm i s  Lr i r

(1.12)

Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt hình học nên các
giá điện cảm là bất biến đối với mọi hệ toạ độ quan sát. Vì vậy (1.12) được dùng
một cách tổng quát không cần có các chỉ số trên. Khi sử dụng trên hệ toạ độ cụ thể
thì sẽ điền thêm chỉ số.
Phương trình mô men:

3
3
mG   z p (ψ s  i s )   z p (ψ r  i r )
2
2

(1.13)


16

Sau khi chuyển các biểu thức trên sang biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq suy ra
hệ phương trình:

dψ s
 js ψ s
us  Rs i s 
dt


dψ r

ur  Rr i r  dt  jr ψ r

ψ s  Ls i s  Lm i r

ψ r  Lm i s  Lr i r

(a )
(b)

(1.14)

(c )
(d )

Do stator của MĐKĐBNK được nối mạch với lưới nên tần số mạch stator
chính là tần số của lưới và điện áp rơi trên điện trở Rs của mạch stator có thể bỏ qua
được so với điện áp rơi trên Lm và điện cảm tản Ls. Khi đó phương trình điện áp
stator có thể được viết lại gần đúng:
uss 

dψss
hoặc uss  js ψ ss
dt

(1.15)

Phương trình (1.15) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp
stator 900, hay nói cách khác: Véc tơ từ thông luôn vuông góc với véc tơ điện áp
stator (rất thuận lợi cho việc mô hình hoá).
Mặt khác, vì ta sử dụng biến dòng điện rotor làm biến điều khiển trạng thái

của đối tượng MĐKĐBNK. Vì vậy ta kết hợp các phương trình trên và suy ra được
biểu thức (1.16):
1 1 1
1 1
1
1
 di r
'
 dt    ( T  T )i r  jr i r   ( T  j )ψ s   L ur   L us

r
s
s
r
m
 '
 dψ s  1 i  ( 1  j )ψ '  1 u
r
s
s
s
 dt
Ts
Ts
Lm

với ψ 's 

(1.16)

ψs
Lm

Triển khai (1.16) dưới dạng các thành phần trên hệ trục toạ độ dq sẽ được mô
hình toàn bộ MĐKĐBNK như sau:


17

1
1
1 1 '
1 1 1
 dird
'
 dt    ( T  T )ird  r irq   ( T  sd   sq )   L urd   L usd
m
r
s
s
r

 dirq
1
1
1 1 '
1 1 1
usq
urq 
(  sq   sd' ) 

)irq  r ird 
 ( 

L

L

T

T
T

dt
m
r
s
s
r

 d '
 sd  1 i  1  '    '  1 u
sd
s sq
sd
rd
 dt
Lm
Ts
Ts
 '

 d sq 1
1
1
usq
 irq   sq'  s sd' 

Lm
Ts
Ts
 dt

(1.17)

Vì véc tơ từ thông stator luôn đứng vuông góc với véc tơ điện áp stator nên
việc chọn hướng của véc tơ nào làm hướng tựa cho hệ thống điều chỉnh không còn
ý nghĩa quyết định nữa. Trong đề tài tác giả chọn tựa theo hướng điện áp stator thì:
usq = 0, sd = 0.
Mặt khác hệ phương trình (1.14) có thể được viết dưới dạng mô hình trạng
thái như sau:
Trong đó:

dx
 Ax  Bsus  Br ur
dt

(1.18)

 Véc tơ trạng thái xT = [ird irq ’sd ’sq ]
 uTs  usd usq  là véc tơ biến vào phía stator
 uTr  urd urq  là véc tơ biến vào phía rotor

Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía stator Bs và ma trận vào phía rotor Br:
 1 1 1
  (T  T )
r
s


 r


A

1

T
s


0



 1
 L
 r

Br   0

 0


 0

r


0
1

 Lr
0
0

1 1 1
( 
)
 Tr
Ts











1
 Ts

 


1
Ts

0



1
Ts

 s

1



. 


1 
;
 Ts 


s




1

Ts


 1
  L
m


 0
Bs  
 1

 Lm

 0





1 

 Lm 

0



1 

Lm 
0

(1.19)

;


18

Các ma trận của mô hình (1.18) cũng có thể được viết dưới dạng các ma trận
con như sau:
B
A12 
A
; Bs   s1  ; Br  Br1 
A   11

 A 21 A 22 
 Bs 2 
 Br 2 

(1.20)

Trong đó:
 1 1 1

 1

r
  (T  T )

  .T
r
s
s
 ; A12  
A11  
1 1 1 

 1
 r
 ( 
)

  .
 Tr
Ts 


 1
T
s
A 21  

0


 1

L
m
Bs2  

0


 1
  L
m
 ; Bs1  
1

 0
Ts 


 1

0
 T
 ; A 22   s

1
  s

Ts 


 1

0 

 ; B    Lr
r1
1 


 0
Lm 




s 



0
 ; Br2  
0
1 

 Lr 
0



1



. 


1 
 .Ts 



;
1 

 Lm 
0

0
0

(1.21)

Lúc này phương trình có dạng:
 di r
 dt   A11 A12  x  Bs1u s  B r1u r
 '
 d s   A
A 22  x  Bs2u s  B r2u r
21
 dt

(1.22)

'
 sd

urd 
u sd 
ird 
'
Trong đó i r    ; u r    ; u s    ; ψ s   '  ; xT= [ird irq ’sd ’sq]
 sq 
urq 
u sq 
irq 

Mô hình trạng thái sử dụng ma trận con mô tả mô hình điện liên tục của
MĐKĐBNK trong không gian trạng thái. Dựa trên mô hình (1.22) ta có thể hình
dung ra việc tách thành 2 nửa, nửa trên và nửa dưới. Nửa trên là mô hình trạng thái
dòng rotor có vai trò làm cơ sở cho việc thiết kế khâu điều chỉnh dòng, nửa dưới là
mô hình từ thông stator. Ở chế độ làm việc bình thường do MĐKĐBNK được nối
với nguồn có công suất vô cùng lớn dẫn đến điện áp stator luôn ổn định và tần số
góc  được xem như là đại lượng nhiễu biến thiên chậm [8, 11]. Như trong thiết kế
các khâu điều chỉnh tuyến tính [8, 11] thấy rõ điều này, các đại lượng nhiễu đó ở
chế độ làm việc bình thường được khử ảnh hưởng bằng khâu bù đơn giản.
Hệ phương trình mô tả mô hình dòng rotor của MĐKĐBNK như sau:


19
1 1 1
1 1 '
1
1

 dird
'
 dt    ( T  T )ird  r irq   ( T  sd   sq )   L urd   L u sd

r
s
s
r
m

 dirq   1 ( 1  1   )i   i  1   ( 1  '   ' )  1 u  1   u
rq
r rd
sd
 dt
 Tr
Ts
 Ts sq
 Lr rq  Lm sq
 1 1

  Tr  Ts

Đặt a  

(1.23)


1
1

1
1
; c
; d
; e
; b 

 Lr
 Lm
 Ts


Khi đó mô hình dòng rotor được viết dưới dạng:

 dird
'
'
 dt   aird  r irq  e sd  b sq  curd  du sd

 dirq  ai   i  e '  b '  cu  du
rq
r rd
rq
sq
sq
sd
 dt

(1.24)

Để thấy rõ đặc điểm phi tuyến của mô hình dòng, ta chuyển hệ (1.24) dưới
dạng ma trận như sau:
di r
 Ai r  Ni r ωr  X 's  Bu r  Su s
dt

ird 

urd 

u 

(1.25)
 ' 

Trong đó: i r    ; u r    ; u s   sd  ; ψ's   sd'  ;
 sq 
urq 
irq 
u sq 
 a
A
0
 0
N
 1

c
0 
là ma trận hệ thống; B  


 a
0

0
là ma trận đầu vào;
c 

1
là ma trận tương tác phi tuyến; thành phần nhiễu ’s tác động vào hệ
0

thống qua ma trận X  
b
e

 b 
d
; thành phần nhiễu us qua ma trận S  

e
0

0 
.
 d 

Mô hình trạng thái dạng (1.25) thể hiện rất rõ tính phi tuyến của
MĐKĐBNK. Như chúng ta đã biết, đối tượng MĐKĐBNK có điện áp rotor là một
đại lượng véc tơ đặc trưng bởi module u r , góc pha ban đầu 0 và tần số góc r

(tần số fr). Có thể tạm thời bỏ qua không xét tới góc pha 0. Trên hệ toạ độ dq tựa
hướng điện áp lưới, các thành phần urd, urq là hai đại lượng một chiều, không chứa

r. Như vậy đầu vào của mô hình dòng rotor là véc tơ điện áp rotor, ngoài 2 thành
phần urd, urq thể hiện module u r còn phải kể đến r. Do đó r là đại lượng vào thứ
3, qua đó ta thấy mô hình trạng thái (1.25) có chứa tích của 2 véc tơ trạng thái ir với
biến đầu vào r thông qua ma trận N. Do vậy N được gọi là ma trận tương tác phi
tuyến. Hơn nữa trong điều kiện lỗi lưới, điện áp stator thay đổi và có sự dao động


20

của từ thông stator dẫn đến bộc lộ tính phi tuyến cấu trúc của mô hình dòng rotor
MĐKĐBNK.
1.3.2. Các biến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phía máy phát
Với MĐKĐBNK độ lớn của mô men điện mG do máy sinh ra đặc trưng cho
độ lớn của công suất tác dụng (phát ra ở chế độ máy phát và lấy từ lưới vào ở chế
độ động cơ). Việc điều chỉnh công suất tác dụng phải tiến hành độc lập với công
suất phản kháng Q đã đặt trước cho thiết bị. Để giải quyết vấn đề này ta phải tìm
các đại lượng có thể điều chỉnh trực tiếp ảnh hưởng của mG và công suất phản
kháng Q để tìm cách áp đặt giá trị mong muốn.
Các công thức (1.12) và (1.13) cho phép ta tính được mô men điện của
MĐKĐBNK. Vì máy điện chịu sự tác động điều chỉnh từ phía rotor nên công thức
tính có chứa dòng rotor sẽ là hữu ích. Từ (1.12) và (1.13) ta rút ra được công thức
tính mô men:
3 L
3
mG   z p m  ψs  ir    z p (1   ) Lr ψ's  ir 
2 Ls
2

(1.26)

Xét trên hệ trục toạ độ tựa hướng véc tơ điện áp lưới (THĐAL) khi đó ta còn
có sd = 0, nên công thức tính mô men sẽ có dạng sau:
3 L
3
mG   z p m  sqird   z p (1   ) Lr sq' ird
2 Ls
2

(1.27)

Trong phương trình (1.27), ’sq là một đại lượng chỉ phụ thuộc vào điện áp
lưới như đã chỉ ra trong phương trình (1.15). Chính vì vậy, ird giữ vai trò là đại
lượng quyết định tạo ra mômen và từ phía rotor ta chỉ có thể sử dụng ird để điều
chỉnh mô men MĐKĐBNK.
Theo [8, 15], công suất biểu kiến của máy phát:
S = P +jQ =

3
3
3
usis* = (usdisd + usqisq) + j (usqisd - usdisq)
2
2
2

(1.28)

Trên hệ toạ độ tựa theo điện áp lưới, usq = 0 do đó (1.28) trở thành:

3
3
3
usis* = usdisd - j usdisq
2
2
2
3
Từ (1.29) ta dễ dàng suy ra được: P = usdisd
2
3
Q = - usdisq
2
S = P +jQ =

(1.29)
(1.30)
(1.31)


21

Ta viết lại hệ phương trình (1.12) thành:
Ls


'


isd  ird  0
sd

Lm


 '  Ls i  i  ψ'
s
 sq Lm sq rq

(1.32)

Từ (1.32) suy ra được:
Lm

i


ird
sd

Ls


i  Lm ( '  i )
sq
rq
 sq Ls

(1.33)

Thay (1.33) vào (130) và (1.31), rút ra được:
P

3 Lm
usd ird
2 Ls

(1.34)

Q

3 Lm
usd ( 'sq  irq )
2 Ls

(1.35)

sin  

isq

(1.36)

is

Và từ (1.32) và (1.36), suy ra biểu thức (1.37):
irq   sq' 

Ls

sin  i s
Lm

(1.37)

Từ (1.37) ta có kết luận: Dòng irq có quan hệ với sin và tạo ra công suất
phản kháng Q – (1.35). Như vậy nếu áp đặt nhanh và chính xác dòng irq thì đầu ra
của khâu điều chỉnh  có thể được sử dụng để cung cấp giá trị chủ đạo cho dòng irq.
Điều này được thể hiện trên đồ thị hình 1.13:
Từ việc phân tích mô hình toán học phía máy phát sử dụng MĐKĐBNK với
các biến điều khiển vòng trong là các bộ điều khiển dòng phía máy phát. Cùng với
vòng ngoài là các bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng thông
qua các biến điều khiển mômen m, , theo [8, 11], ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc
điều khiển phía máy phát như hình 1.14.


22
d
us
is

isd


isq

jq

irq
’s

irq

ird
ir
Hình 1.13: Đồ thị véc tơ dòng, áp, từ thông của MĐKĐBNK

Luới

u v w
Từ mạch một
MĐN
chiều trung
gian

uDC

Khâu
ĐCMM
mG
*

mG

i*rd

-

TSP i*rq
Q*

Q

s isdq

-

Khâu ĐCQ

urd

RI

urq

ejr

usd

tr
ts
tt

urb

r

r
S

t

ĐCVTKG

3~
MP

NL

q

irr

ir

ird

r



irq

e-jr irβ
2

isd

is

Q

mG

ura

3 irs

IE

n

GTT

r
i*rd
i*rq

’*sd
’*sq
u*sd



isq

e-jN isβ 2

GTĐ

3

isu
isv

N

uNu

*

u sq

N

PLL

uNv

uNd =

us

Hình 1.14: Cấu trúc điều khiển nghịch lưu phía máy phát sử dụng MĐKĐBNK


23

u v w

Luới

Khâu ĐC uDC
UDC

i*Nd

*

Khâu ĐCD

uN

-

UDC

d

uNq ejr uNβ

i*Nq
Q

*

N

QN

uN

-

ĐCVTKG



N

Khâu ĐCQ
Tính Q

MĐN

CL

tu
tv
tw

uN

iNd

iN

iNq

e-jr i
Nβ

iNu
iNv

3
2

uNd
u v w

UD

MĐC

C

Khâu
ĐCMM
mG
*

mG

i*rd

-

urd

RI

TSP i*rq
Q*
Q

 isdq

-

Khâu ĐCQs

urq

usd

’*sd r

u*sd

q

q

q

ejr

tr
ts
tt

urb

r

ĐCVTKG
ir

ird

r



ir

e-jr irβ

3

r
S

t

3~
MP

NL
irr
irs

IE

n

q

Q
mG

ura

2

GTT

r
is

isd
i*rd
i*rq

’*sd

isq

e-jN isβ

’*sq

u*sd

isu



3

isv

2

GTĐ

N

uNu

*

u sq

PLL

N
uNd =

uNv

us

Hình 1.15: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát phía máy phát và phía lưới hệ thống phát
điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK


24

Từ mô hình hệ thống phía máy phát, để có thể hoà được máy phát lên lưới, ta
sử dụng cấu trúc điều khiển phía lưới theo tài liệu [8] và được cấu trúc điều khiển
hệ thống máy phát điện sức gió nối lưới như hình 1.15.
1.4. Kết luận chương 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan về hệ thống máy phát điện sức gió với việc sử dụng một số loại
máy điện thông dụng hiện nay cũng như các phương pháp điều khiển có thể áp dụng
để điều khiển.
- Xây dựng cấu trúc điều khiển dòng điện phía máy phát trong hệ thống phát
điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép làm tiền đề đi đến
nghiên cứu các bộ điều khiển dòng phía máy phát ở các chương tiếp theo.


25

Chương 2
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển PID
Như ở chương 1 ta đã xây dựng được cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát
điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép và được thể hiện trên hình 1.8.
Trong đó phạm vi nghiên cứu của luận văn tập chung vào nghiên cứu bộ điều khiển
dòng phía máy phát và trong chương này bộ điều khiển dòng phía máy phát R I được
sử dụng là bộ điều khiển PID. Ta có cấu trúc điều khiển phía máy phát như hình 2.1

và toàn hệ thống như hình 2.2.
u

Luới
v w

Từ mạch một
MĐN
chiều trung
gian

uDC

Khâu
ĐCMM
mG

i*rd

*

mG

TSP i*rq
Q*
Q

s isdq

-

Khâu ĐCQ

urd

PID
urq

ejr

usd

tr
ts
tt

urb

r

r
S

t

ĐCVTKG

3~
MP

NL

q

irr

ir

ird

r



irq

e-jr irβ
2

isd

is

Q
mG

ura

3 irs

IE

n

GTT

r
i*rd
i*rq

’*sd
’*sq
u*sd
u*sq



isq

e-jN isβ 2

GTĐ

3

isv

N
N

isu

uNu

PLL

uNv

uNd =

us
Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển phía máy phát bằng bộ điều khiển PID