Tổng hợp các thuật toán phi tuyến trên cơ sở phương pháp backstepping để điều khiển máy dị bộ nguồn kép trong hệ thống máy phát điện sức gió

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------

Cao Xuân Tuyển

TỔNG HỢP CÁC THUẬT TOÁN PHI TUYẾN TRÊN
CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING ĐỂ
ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP
TRONG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
Chuyên ngành: Tự động hoá
Mã số:
62.52.60.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang

Hà nội - 2008


2

LỜI CAM ĐOAN

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

thực.
Tác giả

Cao Xuân Tuyển


3

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo , các Cô giáo ở bộ môn Tự Động
Hố, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho
tác giả để tác giả hoàn thành bản luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy, các Cô, các Anh, các Chị ở trung tâm
sau đại học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và khích lệ để tác
giả hoàn thành bản luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang - Trung
tâm công nghệ cao - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và
khích lệ tác giả hoàn thành bản luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy trong ban Giám Hiệu trường đại học
Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, và các Thầy cô trong khoa Điện, trường đại
học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã khích lệ, tạo điều kiện để tác giả hoàn
thành bản luận án.
Tác giả cũng xin được cảm ơn các Thầy giáo, các anh chị em Phịng thí nghiệm
trọng điểm tự động hóa, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất
về cơ sở vật chất để tác giả thực hiện thành công luận án .
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS. Peter Buechner - Viện kỹ thuật điện,
trường đại học kỹ thuật Dresden, cộng hoà liên bang Đức, đã tạo điều kiện về hệ
thống thí nghiệm để tác giả thực hiện thành cơng bản luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Phùng Ngọc Lân – Trung tâm công nghệ
cao, đại học Bách khoa Hà Nội, đã tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian thực hiện

thí nghiệm tại cộng hoà liên bang Đức.


4

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN

i

LỜI CẢM ƠN

ii

MỤC LỤC

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

ix

LỜI GIỚI THIỆU

1

CHƯƠNG 1

4

ĐẶT VẤN ĐỀ

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

4

của luận án
1.2 Cấu trúc điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MDBNK

7

1.3 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với điều khiển nghịch lưu phía máy phát

10

1.4 Tổng quan các phương pháp điều khiển phía máy phát, các vấn đề đã

11

giải quyết, vấn đề còn tồn tại và cần tiếp tục nghiên cứu

CHƯƠNG 2 MƠ HÌNH TỐN HỌC, CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

15

PHÍA MÁY PHÁT VÀ PHÍA LƯỚI CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN
CHẠY SỨC GIÓ
2.1 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MDBNK

15

2.2 Mơ hình tốn học phía máy phát và phía lưới

16

2.2.1 Biểu diễn vector khơng gian các đại lượng 3 pha

16

2.2.2 Mơ hình trạng thái liên tục phía máy phát

18

2.2.3 Các biến điều khiển cơng suất hữu cơng và vơ cơng phía máy phát

25

2.2.4 Mơ hình trạng thái liên tục phía lưới

27

2.2.5 Mơ hình gián đoạn phía lưới

30

2.2.6 Các biến điều khiển phía lưới

31


5

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING VÀ ÁP DỤNG

34

TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÍA MÁY PHÁT
3.1 Phương pháp Backstepping

34

3.1.1 Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov

34

3.1.2 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở Backstepping

38

3.2 Áp dụng phương pháp Backstepping trong thiết kế điều khiển phía máy

44

phát
3.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh dịng Backstepping cơ bản phía máy phát

45

3.2.1.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần ird trên miền liên tục

45

3.2.1.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần irq trên miền liên tục

46

3.2.1.3 Tính ổn định của hệ có bộ điều chỉnh dịng Backstepping

48

3.2.1.4 Thiết kế các khâu tính tốn giá trị thực và giá trị đặt

48

3.2.1.5 Số hoá bộ điều chỉnh dịng Backstepping cơ bản phía máy phát

49

3.2.2 Khắc phục sai lệch tĩnh
3.2.2.1 Bản chất của bộ điều chỉnh dòng Backstepping trên quan điểm

51
51

tuyến tính hóa chính xác và tách kênh trực tiếp
3.2.2.2 Đưa thành phần tích phân vào thuật tốn backstepping cơ bản để

56

khử sai lệch tĩnh
3.2.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh bền vững thích nghi Backstepping phía máy

62

phát
3.2.3.1 Phương trình điện áp rotor tổng quát

63

3.2.3.2 Các hiện tượng xảy ra khi ngắn mạch ba pha ở xa (điện áp lưới bị

64

sụt một phần)
3.2.3.3 Tổng hợp bộ điều khiển ‘adaptive backstepping’ cho thành phần

68

3.2.3.4 Tổng hợp bộ điều khiển ‘adaptive backstepping’ cho thành phần

70

ird

irq
3.3 Xác định các tham số của bộ điều khiển
3.3.1 Xác định các hệ số k1, k2 của bộ điều chỉnh dòng cơ bản

73
73


6

3.3.2 Xác định các hệ số ki1, ki2 của thành phần khử sai lệch tĩnh

74

3.3.3 Xác định các hệ số của thành phần Adaptive kể tới các nhiễu dao

75

động
3.4 Vấn đề trễ khi thực hiện trên DSP và biện pháp khắc phục

75

3.5 Vấn đề xử lý điện áp đi vào vùng giới hạn

76

3.5.1 Hiệu chỉnh ngược sai lệch điều chỉnh thành phần urd

77

3.5.2 Hiệu chỉnh ngược sai lệch điều chỉnh thành phần urq

79

3.6 Kết luận về bộ điều khiển

81

3.7 Các bộ điều chỉnh số cho các mạch vòng điều chỉnh mơ men và cơng

83

suất vơ cơng
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

85

4.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía lưới

85

4.2 Điều khiển hồ đồng bộ

89

4.2.1 Xác định góc chuyển đổi để đảm bảo điều kiện cùng tần số

89

4.2.2 Đảm bảo điều kiện trùng pha

90

4.2.3 Đảm bảo điều kiện cùng trị số điện áp

91

4.3 Hệ thống mô phỏng

92

4.4 Hệ thống thí nghiệm

93

4.5 Kết quả thí nghiệm và mơ phỏng

95

4.5.1 Chất lượng của hệ thống điều chỉnh
4.5.2 Tính bền vững ngắn mạch của hệ thống với phương pháp

95
106

backstepping

4.5.3 Tính bền vững ngắn mạch của hệ thống với phương pháp tuyến

111

tính deadbeat thơng thường
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

113

DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

115

TÀI LIỆU THAM KHẢO

116

PHỤ LỤC

121


7

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

tần số mạch điện stator

ir , is , i N

vector dịng rotor, dịng stator, dịng ra phía lưới

ird , irq , isd , isq

các thành phần dòng rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq

iNd , iNq

các thành phần dòng ra phía lưới thuộc hệ tọa độ dq

J

mơmen qn tính

ur , us , uN

vector điện áp rotor, điện áp stator, điện áp lưới

urd , urq , usd , usq thành phần điện áp rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq

u Nd , u Nq

thành phần điện áp lưới thuộc hệ tọa độ dq

Lm

hỗ cảm giữa stator và rotor

L=
Lm + Lσ s
s

điện cảm stator

L=
Lm + Lσ r
r

điện cảm rotor

Lσ s

điện cảm tản phía stator

Lσ r

điện cảm tản phía rotor

mG

mơmen máy phát

Rr , Rs

điện trở rotor và stator

Tr =

Lr
Rr

hằng số thời gian rotor

Ts =

Ls
Rs

hằng số thời gian stator

L2m
σ = 1−
Lr Ls

hệ số tản tổng

ψ r ,ψ s

vector từ thông rotor, stator

ψ sd ,ψ sq

các thành phần từ thông stator thuộc hệ tọa độ dq

ω

tốc độ góc cơ học của rotor

8

ωr ,ωs ,ω N

tốc độ góc mạch điện rotor, stator, lưới điện

ϑ ,ϑr ,ϑs ,ϑN

góc rotor, góc pha mạch điện rotor, stator, lưới điện

Chữ viết tắt
CTĐTT

Chuyển tọa độ trạng thái

DSP

Digital signal processor - vi xử lý tín hiệu

ĐLĐK

Đại lượng điều khiển

HSCS

Hệ số công suất

MDBNK

Máy điện dị bộ nguồn kép

MIMO

Multi input – multi output

THĐAL

Tựa hướng vector điện áp lưới

VĐK

Vi điều khiển

NLPL

Nghịch lưu phía lưới

NLMP

Nghịch lưu phía máy phát

clf

Hàm điều khiển Lyapunov

ĐCVTKG

Điều chế vector khơng gian

TTHCX

Tuyến tính hố chính xác

ADC

Bộ chuyển đổi tương tự số

PWM

Điều chế độ rộng xung

CL

Chỉnh lưu

ĐKPHTT

Điều khiển phản hồi trạng thái

TSP

Tính tốn giá trị đặt

PĐSG

Phát điện sức gió

PLL

Phase Locked Loop

DAC

Bộ chuyển đổi số tương tự

MHTT

Mơ hình tính tốn

ĐC

Điều chỉnh


9

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Nội dung

Trang

5.1

Tham số của máy phát

121

5.2

Tham số phía lưới điện

122

5.3

Thơng số của MDBNK thí nghiệm

135

5.4

Thơng số của máy điện dị bộ ba pha

135


10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1.1

Tuốc bin gió với tốc độ cố định

5

1.2

Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa

5

stator và lưới
1.3

Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK

6

1.4

Hệ thống PĐSG dựa trên MDBNK sử dụng crowbar

7

1.5

Hệ thống PĐSG dựa trên MDBNK sử dụng stator switch

8

1.6

Các đường cong sử dụng trong chiến lược điều khiển tuốc bin

9

1.7

Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát của hệ thống

12

PĐSG sử dụng MDBNK
2.1

Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng

15

MDBNK
2.2

Biểu diễn các vector dịng stator, điện áp stator, từ thông stator

17

trên hệ trục toạ độ αβ và d,q
2.3

Mơ hình trạng thái của MDBNK

21

2.4

Mơ hình trạng thái của MDBNK thể hiện bằng ma trận con

23

2.5

Mơ hình dịng rotor

23

2.6

Đặc điểm phi tuyến của mơ hình dịng rotor của MDBNK trên

24

hệ tọa độ dq
2.7

Đồ thị vector dòng, áp, từ thơng của MDBNK

27

2.8

Sơ đồ ngun lý phía lưới

27

2.9

Sơ đồ tổng quát mạch điện phía lưới

28

2.10

Sơ đồ thay thế

28

2.11

Sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới

29

2.12

Mơ hình gián đoạn phía lưới

30

2.13

Biểu diễn véc tơ khơng gian dịng điện phía lưới trên hệ toạ độ

31

dq

11

2.14

Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lưới hệ thống

33

PĐSG sử dụng MDBNK
3.1

Minh họa khái niệm n nh Lyapunov

36

3.2

Sơ đồ khối cho hệ (3.5)

39

3.3

Thêm vào và bớt đi thành phần mong muốn của

40

3.4

Backstep qua kh©u tÝch ph©n

41

3.5

Hệ (3.5) sau khi đưa bộ điều khiển tổng hợp theo phương pháp

42

Backstepping
3.6

Cấu trúc điều chỉnh máy phát trong hệ thống phát điện chạy sức

45

gió sử dụng MDBNK có sử dụng khâu điều chỉnh Backstepping
3.7

Sơ đồ bộ điều chỉnh dòng Backstepping

47

3.8

Sơ đồ cấu trúc của đối tượng MDBNK sau khi thực hiện

52

TTHCX
3.9

Cấu trúc bộ ĐKPHTT

53

3.10

Sơ đồ SIMULINK bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo

54

phương pháp TTHCX
3.11

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển Backstepping trên cơ sở so sánh

55

với phương pháp TTHCX
3.12

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển Adaptive Backstepping

73

4.1

Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh dịng phía lưới

85

4.2

Sơ đồ cấu trúc điều khiển tuyến tính phía lưới và phi tuyến phía

88

máy phát trong hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng
MDBNK
4.3

Quan hệ giữa các vector trong hịa đồng bộ

91

4.4

Sơ đồ ngun lý hệ thống thí nghiệm

94

4.5

Đáp ứng dịng điện rotor trong q trình hồ đồng bộ

95

4.6

Điện áp máy phát và điện áp lưới trong quá trình hồ đồng bộ

95

4.7

Đáp ứng dịng rotor khi chưa khử sai lệch tĩnh (thực nghiệm)

96


12

4.8

Đáp ứng dịng rotor khi có khử sai lệch tĩnh irq = 0 → -2A, ird =

96

0A
4.9

Đáp ứng dòng rotor khi có khử sai lệch tĩnh, ird = 0→1.5A, irq

97

= 0A
4.10

Mô men máy phát

97

4.11

Công suất vô công của máy phát

98

4.12

Đáp ứng dịng rotor

99

4.13

Mơ men máy phát

99

4.14

Cơng suất vơ cơng máy phát

100

4.15

Đáp ứng dịng rotor máy phát

100

4.16

Mơ men máy phát

101

4.17

Cơng suất vơ cơng máy phát

101

4.18

Đáp ứng dịng rotor máy phát

102

4.19

Mơ men máy phát

102

4.20

Cơng suất vơ cơng máy phát

103

4.21

Đáp ứng dịng rotor máy phát

103

4.22

Kết quả thí nghiệm khi tốc độ thay đổi từ 1440 v/ph lên 1560

104

v/ph
4.23

Kết quả thí nghiệm khi tốc độ thay đổi từ 1560 v/ph xuông 1440

105

v/ph
4.24

Điện áp lưới và tần số góc mạch rotor

106

4.25

Đáp ứng dịng điện rotor của máy phát khi chưa có “adaptive

107

backstepping”
4.26

Đáp ứng dịng điện rotor của máy phát

107

4.27

Công suất hữu công, vô công và mơ men máy phát

108

4.28

Đáp ứng thành phần dịng rotor irq của máy phát

108

4.29

Đáp ứng thành phần dòng rotor ird của máy phát

109

4.30

Đáp ứng các thành phần dòng rotor của máy phát

110


13

4.31

Công suất hữu công, công suất vô công và mô men của máy phát

110

4.32

Đáp ứng thành phần dòng rotor ird của máy phát

111

4.33

Đáp ứng thành phần dòng rotor irq của máy phát

111

4.34

Các thành phần dịng rotor khi thí nghiệm sập lưới với phương

112

pháp điều khiển tuyến tính deadbeat thơng thường
5.1

Sơ đồ PLECS máy điện dị bộ nguồn kép

121

5.2

Sơ đồ Simulink mơ phỏng tồn bộ hệ thống phát điện sức gió sử

122

dụng MDBNK
5.3

Sơ đồ Simulink khối “DFIM Model”

123

5.4

Sơ đồ PLECS mô phỏng hệ thống phát điện chạy sức gió sử

124

dụng MDBNK
5.5

Sơ đồ PLECS mô phỏng hệ thống biến tần (“Back to back

124

converter”)
5.6

Sơ đồ PLECS bộ nghịch lưu nguồn áp/chỉnh lưu

125

5.7

Sơ đồ Simulink mô phỏng khâu PLL

126

5.8

Sơ đồ Simulink mô phỏng hệ thống điều chỉnh phía máy phát

126

(“Generator Side Controller”)
5.9

Sơ đồ Simulink bộ điều chỉnh dịng Backstepping

127

5.10

Sơ đồ Simulink mơ phỏng bộ điều chỉnh thành phần ird

128

Backstepping
5.11

Sơ đồ Simulink mô phỏng khâu điều chỉnh thành phần dòng irq

128

Backstepping
5.12

Sơ đồ khâu điều chỉnh vịng ngồi (khối “Momen and Q

129

Controller”)
5.13

Sơ đồ Simulink bộ điều khiển PI số điều chỉnh mômen và công

130

suất vô công
5.14a,b

Mẫu xung điều chế và sơ đồ định nghĩa thời gian đóng ngắt van

130

5.15

Sơ đồ Simulink mơ phỏng khâu ĐCVTKG (“SVPWM”)

131


14

5.16

Sơ đồ Simulink mơ phỏng hệ thống điều chỉnh phía lưới (“Grid

132

Side Controller”)
5.17

Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ điều chỉnh dịng phía lưới (Dead-

133

beat Current Controller)
5.18

Khối module cơng suất

134

5.19

Máy phát dị bộ nguồn kép và máy điện dị bộ ba pha đóng vai trị

135

là nguồn gió
5.20

Giản đồ xung của hệ thống ALPHA - COMBO

136

5.21

Card giao tiếp giữa module công suất và hệ thống dSpace

137

5.22

Hệ thống thí nghiệm

137

5.23

Giao diện trên Control Desk

138


15

LỜI GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Đề tài được đặt ra trên cơ sở các vấn đề thực tế hiện nay là:
- Xu hướng phát triển mạnh việc sử dụng nguồn năng lượng sạch trên thế giới
và trong nước hiện nay.
- Nhu cầu tăng cao về năng lượng điện trong nước hiện nay.
- Xu hướng chế tạo các tuốc bin gió sử dụng máy dị bộ nguồn kép (máy điện
không đồng bộ rotor dây quấn) để giảm đáng kể giá thành, do bộ biến đổi được nối
vào mạch rotor.
- Do yêu cầu về chất lượng điện năng của hệ thống năng lượng điện hiện nay
ngày càng cao, đòi hỏi các tuốc bin gió phải bám lưới khi lỗi lưới. Trong khi các
tuốc bin gió hiện nay khi lỗi lưới với mức sụt điện áp lớn buộc phải cắt máy phát ra
khỏi lưới hoặc phải kích hoạt crowbar nối ngắn mạch phía rotor để bảo vệ bộ biến
đổi khỏi quá dòng lớn.
- Các giải pháp điều khiển hiện nay đã cố gắng duy trì máy phát bám lưới bằng
cách hạn chế độ lớn sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor hoặc các nguyên
nhân sinh ra nó. Tuy nhiên đều là các giải pháp điều khiển tuyến tính và chưa hoàn
toàn phù hợp với bản chất phi tuyến của máy điện trong hệ thống phát điện sức gió
(PĐSG). Vì vậy để nâng cao chất lượng hệ thống PĐSG trong mạng hệ thống năng

lượng điện, tác giả chọn đề tài: “ Tổng hợp các thuật toán phi tuyến trên cơ sở
phương pháp Backstepping để điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống
máy phát điện sức gió”.
Đối tượng nghiên cứu: hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy dị bộ nguồn
kép(MDBNK).
Mục đích nghiên cứu: Nâng cao chất lượng hệ thống phát điện chạy sức gió sử
dụng máy điện dị bộ nguồn kép trên cơ sở tổng hợp bộ điều khiển phía máy phát
theo phương pháp phi tuyến Backstepping.


16

Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tổng hợp bộ điều khiển dịng điện phía máy
phát thep phương pháp phi tuyến backstepping để nâng cao chất lượng hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp Backstepping
- Mô phỏng Off-Line trên cơ sở sử dụng phần mềm matlab/simulink/plecs.
- Thực nghiệm trên cơ sở thiết bị thí nghiệm.
Ý nghĩa của đề tài
- Đã thực hiện việc điều khiển hoà đồng bộ máy phát vào lưới trên cơ sở bộ điều
khiển phi tuyến và việc tính chọn các giá trị đặt.
- Đã thực hiện điều khiển máy phát phát công suất tác dụng và phản kháng lên
lưới ở chế độ bình thường.
- Đã giải quyết được vấn đề MDBNK bám lưới khi lỗi lưới đối xứng tới 50%
điện áp lưới, và chứng minh qua thực nghiệm khả năng cấp dòng tới điểm ngắn
mạch để kích hoạt thiết bị bảo vệ hệ thống năng lượng tác động, đồng thời điều
khiển được dòng cung cấp công suất vô công lên lưới để hỗ trợ lưới về mặt điện áp.
Những điểm mới trong luận án
- Đã áp dụng thành công phương pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật

Backstepping để điều khiển bộ nghịch lưu phía máy phát.
- Với việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Backstepping, luận án
ngoài giải quyết các vấn đề mà các phương pháp tuyến tính đã đề cập như dao động
điện áp lưới, dao động từ thơng stator khi lỗi lưới, luận án cịn giải quyết thêm được
vấn đề tốc độ máy phát dao động, tần số góc mạch rotor dao động khi lỗi lưới ngắn
mạch ba pha, đây là điểm mới và đóng góp mới của luận án nhằm nâng cao chất
lượng điều khiển của hệ thống khi lỗi lưới ngắn mạch ba pha. Kết quả nghiên cứu
của luận án đã chứng minh được chất lượng điều khiển máy phát trong hệ thống
PĐSG khi lỗi lưới ngắn mạch ba pha đối xứng tốt hơn so với phương pháp điều
khiển tuyến tính thơng thường.


17

- Đã góp phần làm sáng tỏ được bản chất của phương pháp Backstepping trên cơ
sở của lý thuyết ổn định Lyapunov khi áp dụng cho hệ thống PĐSG sử dụng
MDBNK, đó là: bản chất của phương pháp là kết hợp của phương pháp tuyến tính
hố chính xác (TTHCX, bản chất là chuyển hệ tọa độ trạng thái) mơ hình đối tượng
và tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng trên cơ sở lý thuyết ổn định Lyapunov,
đồng thời đưa ra biện pháp để nâng cao chất lượng tĩnh và động của hệ thống.
Luận án được chia thành:
Chương 1 trình bày lựa chọn đối tượng nghiên cứu, nêu lên vấn đề còn tồn tại
trong lĩnh vực khai thác năng lượng gió và vấn đề mà luận án quan tâm giải quyết.
Chương 2 giới thiệu mơ hình tốn học phía máy phát và phía lưới, các biến
điều khiển phía máy phát và phía lưới trong hệ thống phát điện chạy sức gió, cũng
như các đặc điểm phi tuyến của mơ hình MDBNK.
Chương 3 giới thiệu về phương pháp Backstepping và áp dụng phương pháp đó
để thiết kế bộ điều chỉnh dịng phía máy phát, cùng các vấn đề liên quan đến việc
thực hiện cài đặt thuật toán điều khiển trên hệ thống số DSP, nhằm nâng cao chất
lượng hệ thống PĐSG sử dụng MDBNK.

Chương 4 Hệ thống điều khiển được kiểm chứng qua công cụ mô phỏng
MATLAB & Simulink/PLECS và được kiểm nghiệm trên hệ thống thí nghiệm thực
của viện kỹ thuật điện, trường đại học Dresden, cộng hoà liên bang Đức. Thông qua
các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn và khả thi trong
thực tế và những ưu việt của cấu trúc điều khiển mới.
Và cuối cùng là kết luận và một số đề xuất về hướng nghiên cứu tiếp theo của đề
tài.


18

Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Xuất phát từ thực tế về xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió ngày
càng tăng ở mỗi quốc gia trên toàn thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, vì:
- Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.
- Nhu cầu ngày càng lớn về điện năng trên tồn thế giới nói chung và ở Việt
Nam nói riêng, địi hỏi phải đa dạng hóa các nguồn năng lượng.
- Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn, có nhiều
hải đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền, hải đảo lớn, do đó tiềm năng về
năng lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu
ứng dụng nhằm phát triển lĩnh vực tái tạo năng lượng gió ở nước ta phát triển mạnh
hơn nữa.
Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các tuốc bin gió trong việc cung
cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm” gồm
nhiều tuốc bin gió nối mạng với nhau. Các “Wind farm” có thể được xây dựng trên
đất liền, hoặc được xây dựng trên các vùng biển “offshore”. Tổng cơng suất mà các
“Wind farm” tạo ra có thể lên tới hàng chục MW.
1.1 Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu của
luận án

Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc
độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi.
Loại tuốc bin gió thơng thường nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed speed
wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới. Tuy
nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu
được năng lượng cực đại từ gió.


19

Gearbox

Soft
starter

IG

Transformer

Capacitor bank
Hình 1.1 Tuốc bin gió với tốc độ cố định

Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục được
nhược điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ
nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió. Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc
độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử cơng suất để tạo
ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ
thay đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định.
Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có
bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng máy điện dị bộ

nguồn kép (MDBNK).
Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch
stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính tốn với cơng suất định
mức của tồn tuốc bin. Máy phát ở đây có thể là loại khơng đồng bộ rotor lồng sóc
hoặc là đồng bộ. Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn

Gearbox

≈
G

=

≈

=
Power electronic
converter

Transformer

Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới


20

năng lượng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió
với công suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ
biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng
phải có cơng suất bằng cơng suất của tồn tuốc bin. Vì vậy các hãng chế tạo tuốc

bin gió có xu hướng sử dụng máy dị bộ nguồn kép làm máy phát trong các hệ thống
tuốc bin gió cơng suất lớn để giảm cơng suất của bộ biến đổi và do đó giảm giá
thành, vì bộ biến đổi được nối vào mạch rotor của máy phát, cơng suất của nó
thường chỉ bằng cỡ 1/3 tổng cơng suất tồn hệ thống, các thiết bị đi kèm như bộ lọc
biến đổi cũng rẻ hơn vì cũng được thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của
tồn hệ thống. Do đó đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phát điện sức gió
sử dụng máy dị bộ nguồn kép.
Transformer

Gearbox

DFIG

≈

=

≈

=
Power electronic
converter

Hình 1.3 Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK

Nhược điểm chính của tuốc bin gió với tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK là vấn
đề lỗi lưới. Lỗi lưới trong hệ thống năng lượng, thậm chí ở xa so với vị trí đặt tuốc
bin sẽ gây ra sụt điện áp lưới, dẫn tới từ thông quá độ dao động, làm cảm ứng trong
mạch rotor sức phản điện động có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực đại của bộ
biến đổi có thể tạo ra, sẽ gây mất điều khiển dịng và gây q dịng lớn, có thể phá

hỏng bộ biến đổi.


21

1.2 Cấu trúc điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MDBNK
Hiện nay, có hai cấu trúc hệ thống PĐSG dùng MDBNK được sử dụng: hệ
thống sử dụng crowbar (hình 1.4) và hệ thống sử dụng stator switch (hình 1.5).

Tem

Stator breaker

P s, Q s

Pg, Qg

Grid

Tt
P f, Q f
Pr

~
Crowbar

dv/dt
filter

~

filter

Lever I

Crowbar
control

β*

=

=

(Vector Control)

Wm

Tem*

Vbus*

Q s*

Q f*

Lever II
(Wind turbine control strategy)

Vw

Hình 1.4 Hệ thống PĐSG dựa trên MDBNK sử dụng crowbar

Hệ thống gồm có các điều khiển thành phần sau: điều khiển tuốc bin, điều khiển
vector, điều khiển crowbar hoặc stator switch.
a) Điều khiển tuốc bin
Nhiệm vụ của điều khiển tuốc bin là điều chỉnh tốc độ tuốc bin (sử dụng động cơ
servo để điều khiển góc cánh) và cung cấp giá trị đặt của mô men (hoặc công suất
tác dụng) cho mức điều khiển vector theo chiến lược điều khiển như sau (hình 1.6):
- Khi tốc độ gió nhỏ hơn giới hạn thấp của nó (khoảng 4 m/s), tốc độ của máy
phát được giữ ở tốc độ thấp, dưới đồng bộ 30% (1050 v/ph), cơng suất cực đại nhận
được từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió.


22

Tem

Pg, Qg

P s, Q s

Grid

Stator
Switch

Tt

P f, Q f

Pr

~
dv/dt
filter

~

filter

Lever I

Stator switch
control

β*

=

=

(Vector Control)

Wm

Tem*

Vbus*

Q s*

Q f*

Lever II
(Wind turbine control strategy)

Vw

Hình 1.5 Hệ thống PĐSG dựa trên MDBNK sử dụng stator switch

- Khi tốc độ gió lớn hơn giới hạn thấp 4m/s và nhỏ hơn 8m/s, tốc độ máy phát
được duy trì trong phạm vi lớn hơn 1050 v/ph (dưới tốc độ đồng bộ 30 %) và nhỏ
hơn hoặc bằng 1950 v/ph (trên tốc độ đồng bộ 30%), công suất cực đại lấy từ gió
bằng cách điều chỉnh đồng thời tốc độ rotor tuốc bin và góc của cánh gió.
- Khi tốc độ gió lớn hơn 8m/s và nhỏ hơn tốc độ gió định mức, 12m/s, tốc độ
máy phát khi đó được duy trì ở giá trị định mức (1950 v/ph – trên tốc độ đồng bộ
30%), cơng suất cực đại lấy từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió.
- Khi tốc độ gió cao hơn tốc độ định mức (12m/s), tốc độ máy phát được giữ ở
giá trị định mức 1950 v/ph, công suất đặt của máy phát bằng công suất định mức
của nó, nghĩa là cơng suất lấy từ gió được giữ bằng công suất định mức thông qua
việc điều chỉnh góc của cánh gió.
- Khi tốc độ gió quá thấp, năng lượng quá nhỏ hoặc khi tốc độ gió quá cao (trên
25m/s), thì hệ thống bảo vệ sẽ cắt máy phát ra khỏi lưới.


23

Công suất (%)

100
I1

I2

Công suất
D giới hạn E

D

I3

C

50

E

100

Công suất (%)

Công suất cực đại

C

50

B

B

A

A
5

10 uđm 15
Tốc độ gió (m/s)

20

25

nmin

nđm

Tốc độ máy phát (v/ph)

Hình 1.6 Các đường cong sử dụng trong chiến lược điều khiển tuốc bin

b) Điều khiển crowbar hoặc stator switch
Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến đổi công suất đối với hiện tượng quá dòng lớn khi xảy
ra lỗi lưới (ngắn mạch lưới).
Với hệ thống sử dụng crowbar, khi xảy ra lỗi lưới, nếu dòng rotor lớn quá mức
cho phép của bộ biến đổi, lúc này điều khiển crowbar sẽ được kích hoạt, làm ngắn
mạch rotor, rẽ mạch dịng ngắn mạch qua crowbar để bảo vệ bộ biến đổi, khi đó
máy phát bị mất điều khiển. Khi biên độ dịng quá độ đã giảm dưới mức an toàn,
“crowbar” ngừng tham gia, lúc này mới có thể 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 tái hoà đồng bộ máy phát vào lưới khi biên độ dịng q độ giảm dưới
mức an tồn của bộ biến đổi, và việc phát công suất hữu công, vô công lên lưới
được khôi phục trở lại.
c) Điều khiển vector
Bao gồm hai điều khiển thành phần: Điều khiển nghịch lưu phía máy phát và
điều khiển nghịch lưu phía lưới.
• Điều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL)


24

Mục tiêu của điều khiển NLPL là duy trì trị số điện áp một chiều trung gian
không đổi theo giá trị đặt của nó phù hợp với bộ biến đổi nghịch lưu phía máy phát
(NLMP), và điều khiển hướng, trị số cơng suất vơ cơng lên lưới.
• Điều khiển nghịch lưu phía máy phát(NLMP)
Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công suất tác dụng (thông qua mô men),
và công suất phản kháng lên lưới một cách độc lập với nhau, thơng qua điều khiển
các thành phần dịng điện rotor, với việc áp dụng kỹ thuật điều khiển vector.
Với mục đích của luận án là nâng cao chất lượng hệ thống PĐSG sử dụng
MDBNK thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển
nghịch lưu phía máy phát, nên phần này sẽ phân tích cụ thể chi tiết nhiệm vụ, yêu
cầu của điều khiển NLMP
1.3 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với điều khiển nghịch lưu phía máy phát
Ở chế độ làm việc bình thường, thực hiện bám lưới với tần số và điện áp lưới
không đổi; thực hiện điều chỉnh phân ly công suất tác dụng (thông qua mô men) và
công suất phản kháng lên lưới.
Ở chế độ sự cố (ngắn mạch gây sụt điện áp lưới), thực hiện bám lưới; cung cấp

công suất tác dụng lớn nhất có thể lên lưới ngay sau khi lỗi lưới để cấp dịng ngắn
mạch vào vị trí bị ngắn mạch để kích hoạt các thiết bị bảo vệ hệ thống năng lượng
tác động; điều chỉnh công suất phản kháng lên lưới để hỗ trợ lưới phục hồi điện áp,
đồng thời tạo điều kiện để hệ thống trở về chế độ bình thường ngay sau khi lỗi lưới
(vì mức điện áp lưới lúc này đã được nâng lên).
Ở chế độ sự cố, một vấn đề có thể xảy ra (nhất là khi sập lưới với mức độ lớn)
với bộ điều khiển nghịch lưu phía lưới là vấn đề mất điều khiển dòng khi lỗi lưới.
Nguyên nhân là khi lỗi lưới, từ thông stator xuất hiện thành phần quá độ dao động,
làm cảm ứng trong mạch rotor điện áp quá độ có trị số lớn (sức phản điện động) ,
và nếu lớn hơn điện áp cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra được thì sẽ gây mất
điều khiển dòng và gây quá dòng lớn. Hậu quả là hệ thống phải kích hoạt hệ thống
bảo vệ bộ biến đổi thông qua việc điều khiển crowbar hoặc stator switch. Máy phát


25

bị mất điều khiển hoặc phải ngắt máy phát ra khỏi lưới,không thực hiện được nhiệm
vụ đặt ra khi lỗi lưới và có nguy cơ làm tan rã hệ thống lưới điện kiểu “wind farm”
Theo [27], các yếu tố ảnh hưởng tới sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor
bao gồm: Mức độ dao động của điện áp lưới khi lỗi lưới; Mức độ dao động của từ
thông stator quá độ, mức độ dao động này phụ thuộc vào mức độ dao động điện áp
lưới và mức độ sụt điện áp lưới khi lỗi lưới; Mức độ dao động, thay đổi của tốc độ
máy phát và tần số góc mạch rotor khi lỗi lưới
Từ các phân tích về nhiệm vụ và vấn đề mà bộ điều khiển phía máy phát gặp
phải (mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn), để nâng cao được chất lượng hệ
thống PĐSG sử dụng MDBNK, vấn đề đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát là
phải khống chế được độ lớn của sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor nhỏ
hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi ngay sau khi lỗi lưới cũng như khi lỗi lưới
được loại bỏ, để tránh hiện tượng mất điều khiển dòng và quá dòng lớn, hạn chế tới
mức tối đa sự tham gia của hệ thống crowbar hoặc stator switch.

Xuất phát từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới điện áp quá độ cảm ứng
trong mạch rotor, để nâng cao được chất lượng hệ thống, các yêu cầu cụ thể được
đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát như sau:
- Điều khiển phân ly (tách kênh) công suất hữu công (thông qua mô men) và
công suất vô công (thông qua hệ số công suất cosϕ) phát lên lưới thông qua
MDBNK
- Ổn định đối với dao động của điện áp lưới
- Ổn định đối với dao động của từ thông khi lỗi lưới.
- Ổn định đối với dao động, thay đổi của tốc độ máy phát và tần số góc mạch
rotor ở chế độ bình thường và lỗi lưới.
1.4 Tổng quan các phương pháp điều khiển phía máy phát, các vấn đề đã giải
quyết, vấn đề còn tồn tại và cần tiếp tục nghiên cứu
Cho đến nay, thực tế đều sử dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính [ 6]
[34], [35] với sơ đồ cấu trúc điều khiển được chỉ ra như hình 1.7, trong đó khâu