Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển máy phát điện nguồn kép trong hệ thống phong điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHAN THẾ VINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG
ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN NGUỒN KÉP
TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHAN THẾ VINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG
ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN NGUỒN KÉP
TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN THANH
PHƯƠNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ
ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc
sĩ)

T
T1
2
3
4
5

C
hC
P
bP

b
Ủ
v
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã
được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 18 tháng 02 năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Thế Vinh..................................................Giới tính: Nam
.............. Ngày, tháng, năm sinh: 17/12/1984.................................................Nơi sinh:
TP Cà Mau. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.......................................................MSHV:

1641830028 ..
I- Tên đề tài:
Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển máy phát điện nguồn kép trong hệ
thống phong điện
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống phong điện
- Tìm hiểu tổng quan ve máy phát điện nguồn kép
- Tìm hiểu về logic mờ, ứng dụng trong điều khiển máy phát điện nguồn kép
trong hệ thống phong điện.
- Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab

- Viết luận văn
III- Ngày giao nhiệm vụ: (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề
tài)
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15 tháng 8 năm
2018
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Thanh
Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên xin chân thành cám ơn thầy cô trong Viện Kỹ thuật HUTECH và
Viện đào tạo Sau đại học đã nhiệt tình giảng dạy và hỗ trợ để tôi hoàn thánh khóa học.
Đặc biệt PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương đã truyền cảm hứng vá hướng dẫn để tôi
hoàn thành luận văn này.
Cám ơn các bạn học viên cùng lớp đã đồng hành, động viên và giúp đỡ tôi trong
học tập để vượt qua khó khăn trong học tập và nghiên cứu tại trường.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cám ơn sự quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện về vật
chất và tinh thần của gia đình trong suốt quá trình học tập.
Phan Thế Vinh



Trang i



Trang ii


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học
Lời cam đoan ......................................................................................................
Lời cảm ơn .........................................................................................................
Mục Lục ......................................................................................................... iii

Tóm tắt luận văn ............................................................................................viii
Danh sách các hình ..........................................................................................ix
Danh sách các ký hiệu sử dụng trong luận văn .................................................xi
Phần mở đầu ................................................................................................... xv
Chương 1.Tổng quan năng lượng gió ...................................................................... 1
1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới ............................................ 1
1.1.1.Giới thiệu chung tình hình năng lượng hiện nay ................................... 1
1.1.2. Tình hình phát triển năng lượng tái tạo................................................ 1
1.2. Kết quả nghiên cứu ngoài nước và trong nước............................................ 4
1.2.1. Những nghiên cứu ngoài nước ........................................................... 4
1.2.2. Kết quả nghiên cứu trong nước .......................................................... 5
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu............................................................... 6
1.4. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 6
1.5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 6

Trang 3


Chương 2. Cơ sở lý thuyết ....................................................................................... 7
2.1. Cấu tạo turbine gió ..................................................................................... 7
2.1.1. Các loại turbine gió ............................................................................. 7
2.1.2. Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió .................................................... 8
2.1.3. Các dạng tháp ..................................................................................... 9
2.1.4. Cánh quạt và trục cánh quạt .............................................................. 10
2.1.5. Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine............... 11
2.1.6. Hệ thống hãm.................................................................................... 12
2.1.7. Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt .............. 12
2.1.8. Vỏ turbine ......................................................................................... 13
2.2. Mô hình và nguyên lý vận hành của turbine gió ....................................... 14
2.2.1. Mô hình điều khiển của turbine gió nguồn kép DFIG ........................ 14

2.2.2. Nguyên lý làm việc cơ bản của turbine gió........................................ 14
2.3. Phương pháp điều khiển và các mô hình hệ thống turbine gió…. . ........... 16
2.3.1. Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định ....................... 16
2.3.2. Phương pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ .......................... 17
2.3.3. Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)........... 19
2.3.4. Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió ...................... 20
2.4. Điều khiển mờ ......................................................................................... 20
2.4.1. Cấu trúc điều khiển logic mờ ............................................................ 20
2.4.2. Phân loại bộ điều khiển mờ ............................................................... 21
2.4.3. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ ................................................ 22

Trang 4


Chương 3. Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép ............... 25
3.1. Mô hình khối turbine gió .......................................................................... 25
3.2. Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector trong không gian........ 27
3.3. Quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh α-β và hệ trục tọa độ quay d-q ............... 29
3.4. Quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q. ............ 30
3.5. Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β...... 30
3.6. Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q ... 33
3.7. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát DFIG . 36
3.7.1. Cơ sở lý thuyết của việc điều khiển.................................................. 36
3.7.2. Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng ...... 37
3.8. Mô hình bộ chuyển đổi............................................................................. 40
3.9. Các đại lượng cơ bản................................................................................ 41
Chương 4. Thiết kế bộ PID mờ điều khiển máy phát không đồng bộ ..................... 43
4.1. Giới thiệu bộ PID kinh điển...................................................................... 43
4.2. Trình tự thiết kế bộ điều khiển PID mờ .................................................... 44
4.3. So sánh kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID mờ khối. ............................ 50

Chương 5. Mô hình và kết quả mô phỏng dùng bộ PID mờ điều khiển ................. 52
5.1. Mô hình điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG ................................ 52
5.1.1. Sơ đồ mô hình mô phỏng trong Matlab/simulink............................... 54
5.1.2. Mô hình hệ thống khối Wind turbine và Generator&Converters........ 55
5.1.3. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới ............... 55
5.1.4. Sơ đồ tổ máy phát và bộ chuyển đổi công suất .................................. 57
5.1.5. Mô hình mô phỏng khối điều khiển Wind DFIG - Grid và ................ 58

Trang 5


5.1.6. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới ............... 58
5.1.7. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor .............. 59
5.1.8. Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ............................. 59
5.1.9. Mô hình mô phỏng khối Rotor của máy phát..................................... 60
5.1.10. Khối biến đổi dòng điện và công suất phía lưới ............................... 60
5.1.11. Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG .................... 61
5.2. Trình tự mô phỏng.................................................................................... 61
5.2.1. Mô phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió ................ 61
5.2.2. Mô phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió nhiều . .... 67
5.2.3. Mô phỏng đáp ứng turbine gió khi xảy ra sự cố……………………..72
5.2.3.1. Mô phỏng lưới B25 (25kV) bị chạm đất một pha….………...72
5.2.3.2. Mô phỏng lưới B120 (25kV) khi bị sụt áp…………………...73
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển của đề tài ................................................ 76
6.1. Kết luận ................................................................................................... 76
6.1.1. Các kết quả đã đạt được trong đề tài.................................................. 76
6.1.2. Hạn chế ............................................................................................. 76
6.2. Hướng phát triển của đề tài ...................................................................... 76
Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 78

Trang 6


Tóm tắt luận văn
Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn
năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng
lượng tái tạo. Sự phát triển của khoa học và công nghệ phục vụ trong ngành công
nghiệp năng lượng tái tạo trong đó có các turbine gió nguồn kép (DFIG) thay đổi
tốc độ được sử dụng nhiều hơn so với các turbine tốc độ gió cố định. Nội dung
chính của luận văn này là nghiên cứu về việc điều khiển hệ thống phát điện của tổ
máy phát hòa lưới thông qua bộ chuyển đổi. Do stator của máy phát điện được kết
nối trực tiếp vào lưới điện và điện áp được cố định theo điện áp lưới trong khi rotor
được kết nối thông qua một công cụ chuyển đổi AC/DC/AC, nên mục tiêu điều
khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng phía stator của máy phát DFIG
được qui về điều khiển độc lập hai thành phần vector dòng điện stator trên hệ tọa độ
tham chiếu d-q ở chế độ xác lập.
Việc điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát điện DFIG và lưới
điện được thực hiện bằng cách sử dụng giải thuật điều khiển mờ để điều khiển độc
lập hai thành phần của vector dòng stator bằng cách tác động lên điện áp phía rotor
thông qua bộ chuyển đổi AC/DC/AC. Kết quả cho thấy khi sử dụng các bộ PID mờ
vào điều khiển thì đáp ứng hệ thống bám rất tốt theo sự thay đổi của tín hiệu đặt,
điện áp VDC-link luôn giữ ổn định và luôn là hằng số. Mô hình được mô phỏng để
nghiên cứu dựa trên mô hình hiện có của Matlab/Simulink.

Trang vii


Abstract
In recent years, wind energy has become one of the most important energy
source and promising for the use of renewable energy sources. The development of

science and technology for renewable energy industries including wind turbines
dual source (DFIG) change the speed to be used more than the fixed speed wind
turbines. The main content of this thesis is the study of the control system's power
generating grid through the converter. Due to the stator of the generator is
connected directly to the grid voltage and grid voltage fixed while the rotor is
connected through a converter AC/DC/AC, so independent control objectives active
and reactive power to the generator stator of DFIG is required of independent
control of two vector components stator current on d-q reference coordinate system
in the setting mode.
The control power flow exchanged between the DFIG generator stator and the
grid is made using fuzzy control algorithm to control two independent components
of the stator current vector by acting on the rotor side voltage through the converter
AC/DC/AC. The results showed that when using fuzzy PI and fuzzy PID control,
the system response very good grip on the change of the signal, VDC - link voltage
to keep stable and always constant. Model was been based simulation to study the
existing model of Matlab/Simulink.

Trang 8


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

Trang

Hình 2.1: Các dạng turbine gió......................................................................... 7
Hình 2.2: Cấu tạo turbine gió trục ngang .......................................................... 8
Hình 2.3: Cấu tạo tháp trụ ................................................................................ 9
Hình 2.4: Tháp mắc cáo ................................................................................. 10
Hình 2.5: Cánh quạt ....................................................................................... 10

Hình 2.6: Trục cánh quạt ................................................................................ 11
Hình 2.7: Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt....................................... 11
Hình 2.8: Động cơ điều chỉnh hướng turbine.................................................. 12
Hình 2.9: Hệ thống hãm turbine ..................................................................... 12
Hình 2.10: Hộp số chuyển đổi tốc độ ............................................................ 13
Hình 2.11: Vỏ turbine .................................................................................... 13
Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG .................. 14
Hình 2.13: Mô hình máy phát không đồng bộ ................................................ 16
Hình 2.14: Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện trở rotor .......... 17
Hình 2.15: Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor .... 18
Hình 2.16: Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ........................... 18
Hình 2.17: Mô hình turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát DFIG ........... 19
Hình 2.18: Mô hình kết nối trạm điện gió vào lưới điện ................................. 20
Hình 2.19: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ cơ bản......................... 21
Hình 2.20: Các bộ điều khiển mờ ................................................................... 22
Hình 2.21: Cấu trúc tổng quát một hệ mờ ....................................................... 22
Hình 3.1: Đặc tính của Cp(λ,β)....................................................................... 26
Hình 3.2: Nguyên lý vector trong không gian................................................. 27
Hình 3.3: Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh α-β và hệ trục . ...................... 29
Hình 3.4: Sơ đồ đấu dây của hai bộ dây quấn stator và rotor dạng Y-Y .......... 30
Hình 3.5: Mạch tương đương máy phát điện DFIG trong hệ tọa độ quay d-q...35

Trang 9


Hình 3.6: Mối quan hệ giữ các đại lượng trong hệ trục tọa độ α-β và d-q …...36
Hình 3.7: Giản đồ vector điện áp lưới và vector từ thông stator.......................38
Hình 3.8: Cấu trúc của bộ chuyển đổi nguồn điện áp back-to-back................. 40
Hình 3.9: Cấu trúc bộ converter AC/DC/AC .................................................. 40
Hình 4.1: Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ kinh điển ....................................... 43

Hình 4.2: Đặc tính động học của bộ điều khiển PID ....................................... 43
Hình 4.3: Bộ chỉnh định mờ tham số PID....................................................... 45
Hình 4.4: Tập mờ ngõ vào của bộ Kp mờ ....................................................... 45
Hình 4.5: Tập mờ ngõ vào của bộ KI mờ ........................................................ 46
Hình 4.6: Tập mờ ngõ vào của bộ KD mờ ....................................................... 46
Hình 4.7: Tập mờ ngõ ra của bộ Kp mờ ......................................................... 47
Hình 4.8: Tập mờ ngõ ra của bộ KI mờ .......................................................... 47
Hình 4.9: Tập mờ ngõ ra của bộ KD mờ ......................................................... 48
Hình 4.10: Quy luật thay đổi Kp ..................................................................... 48
Hình 4.11: Quy luật thay đổi KI ..................................................................... 49
Hình 4.12: Quy luật thay đổi KD ..................................................................... 49
Hình 4.13: Sơ đồ điều khiển PI thông thường khối Vdq_ctrl_grid_conv ........... 50
Hình 4.14: Sơ đồ điều khiển PID mờ khối Vdq_ctrl_grid_conv ........................ 50
Hình 4.15: Điện áp, dòng điện, công suất và điện áp Vdc-link khi .................. 51
Hình 4.16: Điện áp, dòng điện, công suất và điện áp Vdc-link khi .................. 51
Hình 5.1: Sơ đồ tổ máy phát điện turbine gió công suất 9MW........................ 54
Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió công suất 9MW. ...... 54
Hình 5.3: Mô hình khối Wind turbine và Generator&Converter. .................... 55
Hình 5.4: Mô hình mô phỏng khối Wind turbine. ........................................... 55
Hình 5.5: Đặc tính công suất theo tốc độ của turbine...................................... 56
Hình 5.6: Sơ đồ máy phát điện DFIG và bộ chuyển đổi công suất.. ................ 57
Hình 5.7: Mô hình khối điều khiển Wind DFIG-Grid và Wind DFIG-Rotor... 58
Hình 5.8: Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới. ............ 59
Hình 5.9: Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor............ 59

Trang
10


Hình 5.10: Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ.. ....................... 60

Hình 5.11: Mô hình mô phỏng khối rotor máy phát không đồng bộ DFIG....... 60
Hình 5.12: Mô hình mô phỏng khối biến đổi dòng điện .................................. 61
Hình 5.13: Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG................... 61
Hình 5.14: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch của turbine.. ................. 62
Hình 5.15: Điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng.. .... 63
Hình 5.16: Điện áp trung gian Vdc-link.. ........................................................ 64
Hình 5.17: Dạng sóng dòng điện id- rotor của máy phát điện DFIG... ............. 64
Hình 5.18: Dạng sóng dòng điện iq- rotor của máy phát điện DFIG.. .............. 64
Hình 5.19: Dạng moment điện từ của máy phát điện DFIG, ............................ 65
Hình 5.20: Điện áp trên các B120, B25, B575, công suất tác dụng .................. 65
Hình 5.21: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch của turbine,.................. 67
Hình 5.22: Điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng ...... 67
Hình 5.23: Dạng sóng dòng điện id- rotor của máy phát điện DFIG, ............... 69
Hình 5.24: Dạng sóng dòng điện iq- rotor của máy phát điện DFIG ................ 69
Hình 5.25: Dạng moment điện từ của máy phát điện DFIG, ............................ 69
Hình 5.26: Điện áp trên các bus B120, B25, B575, công suất tác dụng............ 70
Hình 5.27: Điện áp và dòng tải trên B2300, tốc độ ......................................... 71
Hình 5.28: Điện áp, dòng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xảy ra sự cố.71
Hình 5.29: Điện áp, dòng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xảy ra sự cố.72
Hình 5.30: Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động cơ, công suất lưới tại B25. . 73
Hình 5.31: Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động cơ. ..................................... 74
Hình 5.32: Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động cơ. ..................................... 75

Trang
11


DANH SÁCH KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
K C
ý h

ρ M
ậ
R B
á
v V
ậ
C H
i
p
P C
m
ô
T M
m
o
T M
o
V
ậ
V
ậ
V
ậ
k T
ỉ
g
J M
o
wt
v Đ

i
v Đ
i
v Đ
i
v Đ
i
v Đ
i
v Đ
i
v Đ
i
i D
ò
i D
ò
i D
ò


Trang xii


i

D
ò
i D
r

ò
i D
r
ò
i D
s
ò
i D
s
ò
R Đ
i
L Đ
i
L Đ
i
L Đ
i
L Đ
i
L Đ
m
i
N T
ỷ
r
G
s
ó
T

as
bs
ừ
cs
T
ar
br
ừ
cr
T
ừ
T
ừ
T
ừ
T
ừ
V Đ
DC
i
C Đ
DC
i
P C
ô
Q C
s
ô
P C
ô

f T
ầ


Trang xiii


V

Đ
i
H H
( ằ
F H
ệ
p S
ố
λ T
i
β G
ó
C
h
e H
, ệ
r G
e i
m G
e i
n

Trang xiv