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 NGUN

CỢNG HỒ XÃ HỢI 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 cơng trình là do tơi 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. Mơ hình tốn 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. Mơ hình tốn học phía máy phát và phía lƣới

22

2.2.1.1. Mơ hình và các biến điều khiển phía máy phát

22

2.2.1.2. Mơ hình và các biến điều khiển phía lƣới

25

Chƣơng 3. Thiết kế bợ 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 dịng PBC phía máy phát sang dạng

56

số.
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển phía lƣới.

57

3.3.1. Mơ 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 dịng phía lƣới

61

Chƣơng 4: Mơ 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,
khơng gây ơ nhiễm mơi trƣờng , có tiềm năng lớn , vơ tận ở quy mơ tồn 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 cơng nghệ, có nền cơng 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 nơng 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 Đơng thổi vào đây là
nhƣ̃ng điều kiện thuận lợi để khai thác tốt các ng̀n năng lƣợng

gió. Các hệ

thống biến đởi 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 ng̀n 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 vơ cùng q giá này . Trong khn khổ đề tài này,
tơi đƣa ra các thuật tốn 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 tốn 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 cơng trình đã nghiên cứu, cơng bố trên
các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn khơng 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 q báu của các thầy cơ 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 hồn 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 hồn 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 cơng suất

NLPL

Nghịch lƣu phía lƣới

NLMP

Nghịch lƣu phía máy phát

MDBNK

Máy điện dị bộ nguồn kép

MHTT

Mơ hình tính tốn

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 tốn 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 dịng 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 qt mạch điện phía lƣới

3.6

Hình 3.6. Biểu diễn véc tơ dịng 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 mơ 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




4.2

Hình 4.2. Đáp ứng dịng rơto theo các thành phần dq

4.3

Hình 4.3. Đáp ứng mơ men (cơng suất tác dụng)

4.4

Hình 4.4. Đáp ứng điện áp 3 pha Stato so với điện áp lƣới tính từ bắt

đầu khởi động máy phát đến 0,3 giây

4.5

Hình 4.5. a, Tần số góc mạch stato và tần số góc mạch điện lƣới; b,
Góc Theta stato và lƣới; c, Tần số góc mạch điện rơto máy phát

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

11




CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
VÀ ÁP DỤNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN:
Có thể nói rằng, hiện nay lý thuyết điều khiển tuyến tính đã phát triển ở mức
gần nhƣ hồn thiện. Do đó việc tổng hợp bộ điều khiển cho một đối tƣợng tuyến
tính đã có đủ cơng cụ lý thuyết để thực hiện, cơng việc cịn lại chỉ là chọn một
phƣơng pháp điều khiển phù hợp cho từng đối tƣợng cần điều khiển cụ thể mà
thôi. Khi mà lý thuyết điều khiển phi tuyến chƣa phát triển thì việc tổng hợp một
bộ điều khiển phi tuyến là rất khó khăn. Do đó, cách giải quyết trong đa số các
trƣờng hợp đối tƣợng phi tuyến là qua các bƣớc, đầu tiên mơ hình của đối tƣợng
phi tuyến sẽ đƣợc tuyến tính hố, sau đó mơ hình xấp xỉ tuyến tính đó sẽ đƣợc sử
dụng để quyết định luật điều khiển bằng lý thuyết điều khiển tuyến tính. Tuy
nhiên trong nhiều trƣờng hợp, đặc biệt khi yêu cầu về tối ƣu trong hệ thống đƣợc
đặt ra thì việc sử dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính để thiết kế một bộ điều
khiển cho đối tƣợng phi tuyến là rất khó. Bởi vì nếu sử dụng mơ hình xấp xỉ

tuyến tính của đối tƣợng thì có nghĩa là ta đã phá vỡ đi cấu trúc vật lý của đối
tƣợng. Vì vậy, xuất phát từ các nhu cầu thực tế, việc phát triển một hệ thống lý
thuyết điều khiển phi tuyến là hết sức cần thiết và thiết thực. Nhiều năm trở lại
đây đã có nhiều tác giả xây dựng một cách có hệ thống các cơng cụ và lý thuyết
để giải quyết các bài toán điều khiển áp dụng cho các đối tƣợng phi tuyến. Tuy
nhiên, khơng giống nhƣ hệ tuyến tính, các hệ phi tuyến rất phức tạp và đa dạng,
nên việc xây dựng một hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cho mọi hệ phi
tuyến là khơng thể. Vì thế nhiều tác giả thấy rằng để lý thuyết điều khiển phi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12




tuyến có thể ứng dụng một cách thiết thực trong thực tế thì cần phải phân loại ra
thành các hệ phi tuyến riêng biệt có những tính chất nhất định, đặc trƣng cơ bản
cho lớp các đối tƣợng thuộc một hệ phi tuyến cụ thể, để rồi từ đó đi xây dựng
một hệ thống lý thuyết có khả năng ứng dụng cho hệ thống phi tuyến đó. Để có
thể phát triển lý thuyết điều khiển phi tuyến một cách thực dụng, thì đầu tiên ta
phải xem xét những đối tƣợng có ý nghĩa thực tế mà cấu trúc vật lý của nó phải
đƣợc tính đến từ đầu trong q trình thiết kế.
Các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến trong hệ thống tự động hóa đã đƣợc
hình thành, phát triển và đạt đƣợc nhiều kết quả rất quan trọng. Đặt nền móng
ban đầu phải nói đến các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến kinh điển nhƣ phân
tích mặt phẳng pha, tính ổn định tuyệt đối, cân bằng điều hòa, điều khiển trƣợt…
Sau đến là các phƣơng pháp điều khiển tuyến tính hóa xấp xỉ, phân tích hệ thống
nhờ đa tạp trung tâm, điều khiển tuyến tính hình thức, kỹ thuật Gain
scheduling… và sau này do công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển tốt,
giải quyết đƣợc bài toán về tốc độ xử lý và thời gian tính tốn. Do kỹ thuật máy

tính, kỹ thuật vi xử lý phát triển vƣợt bậc, con ngƣời có khả năng tính đƣợc
nhiều các phép tính phức tạp và nhanh hơn gấp hàng triệu lần so với trƣớc kia thi
các phƣơng pháp điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh ra đời nhƣ điều
khiển cuốn chiếu (Backstepping), điều khiển thích nghi, điều khiển Mờ, điều
khiển thụ đông (Passitivy-based)… Đây là mảng lý thuyết điều khiển mới và
đƣợc ứng dụng trong những năm gần đây đƣợc áp dụng để thiết kế các bộ điều
khiển thông minh có thể kể đến là các thuyết điều khiển logic mờ (fuzzy logic
theory), lý thuyết mạng Nơron( thần kinh), thuật tốn di truyền, vector khơng
gian… Sau đây chúng ta có thể phân tích khái qn một số phƣơng pháp điều
khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13




1.1.1 Phƣơng pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha.
Phƣơng pháp này dựa trên các thông tin cần thiết của hệ thống từ mơ hình
hoặc sơ đồ khối nhƣ là “điểm cân bằng hoặc điểm dừng của hệ thống”, “tính ổn
định và xác định miền ổn định tƣơng ứng của hệ” và khả năng tồn tại dao động
để phân tích hệ thống từ đó rút ra những những kết luận cơ bản về tính chất động
học của hệ thống. Bằng việc phân tích các đƣờng quỹ đạo trạng thái khép kín để
rút ra kết luận về chất lƣợng phi tuyến. Phƣơng pháp này tƣởng nhƣ đơn giản,
song việc phân tích chất lƣợng động học của hệ thống trên cơ sở phân tích dạng
các đƣờng quỹ đạo trạng thái. Do đó nó sẽ có hạn chế là chỉ áp dụng đƣợc cho
những hệ thống có tối đa là hai biên trạng thái vì chúng ta chỉ có thể xây dựng
đƣợc đồ thị đƣờng cong trong mặt phẳng một cách tƣơng đối chính xác. Cụ thể
cách phân tích, đánh giá và xây dựng phƣơng pháp điều khiển đƣơc [1] thể hiện
rất rõ.

1.1.2 Kỹ thuật Gain scheduling
Kỹ thuật gain scheduling là một dạng đặc biệt của phản hồi phi tuyến. Tuy nó
chƣa có một định nghĩa chặt chẽ nào hoàn hảo về thuật ngữ gain scheduling
nhƣng ta có thể hiểu đó là một bộ điều chỉnh tuyến tính mà các tham số của nó
đƣợc thay đổi nhƣ là một hàm của các điểm làm việc theo một cách đã đƣợc lập
trình trƣớc. Tồn bộ kỹ thuật Gain scheduling đã đƣơc [1] (Tr.390) trình bầy
trong nhiều trƣờng hợp, các động học của quá trình thay đổi theo các điều kiện
của q trình đó, các tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi bằng cách quan
sát các điều kiện làm việc của quá trình đó. Tồn bộ kỹ thuật Gain scheduling
đƣợc thể hiện bằng sơ đồ khối sau:

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

14




Hình 1.1 Kỹ thuật Gain scheduling
1.1.3 Điều khiển tuyến tính hóa chính xác.
Bộ điều khiển đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp tuyến tính hóa hứa hẹn mang
lại chất lƣợng cao trong các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến. Điều khiên hệ
phi tuyến bằng phƣơng pháp tuyến tính tuyến tính hóa là dựa trên cơ sở “hình
học vi phân”. Theo phƣơng pháp này ta phải thiết kế bổ điều khiển phản hồi
trạng thái thơng qua phép đổi trục tọa độ thích hợp để đƣa đối tƣợng phi tuyến về
dạng tuyến tính trong tồn bộ khơng gian trạng thái mới (trong hệ tọa độ mới). Ở
phƣơng pháp này ta phải xác định đƣợc giá trị của các biến trạng thái cần phản
hồi có thể đo trực tiếp nhờ các thiết bị cảm biến hoặc có thể đo gián tiếp thơng
qua bộ quan sát trạng thái, quan sát trong một khoảng thời gian đủ lớn. Phƣơng
pháp này có triển vọng rất lớn song cung khơng phải la khơng có nhƣợc điểm.

Nhƣợc điểm ở đây là phải xác định đƣợc chính xác giá trị của các biến trạng thái
của đối tƣợng (thông thƣờng đo trức tiếp bằng các sensor) để phản hồi về bộ điều
khiển, nhƣng trong thực tế không phải lúc nào các biến trạng thái có thể đo trực
tiếp đƣợc mà phải thông qua bộ quan sát trạng thái. Điều này làm khó khăn trong
q trình thiết kề bộ điều khiển, do thơng qua bộ quan sat sẽ có sai số trong quá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15




trình tính tốn, do vậy khi thiết kế bộ điều khiển theo phƣơng pháp này sẽ rất
khó khăn trong quá trình tính tốn trong việc tính tốn thiết kế bộ quan sát trạng
thái.
1.1.4 Phƣơng pháp điều khiển dựa trên thụ động (Passivity Based
Control).
Điều khiển dựa trên thụ động (Passivity Based Control) là thuật điều khiển
mà nguyên lý của nó dựa trên đặc điểm thụ động của hệ với mục tiêu làm cho hệ
kín cũng là một hệ thụ động với hàm lƣu giữ năng lƣợng mong muốn. Nguyên lý
điều khiển dựa trên thụ động đƣợc xem nhƣ là mở rộng của kỹ thuật chọn hàm
năng lƣợng (Energy shaping) và kỹ thuật phun tín hiệu suy giảm (Damping
injection). Kỹ thuật chọn hàm năng lƣợng là quá trình thay đổi thế năng của hệ
thống để sao cho hàm thế năng mới là nhỏ nhất và duy nhất tại trạng thái cân
bằng. Tiếp theo là q trình phun tín hiệu suy giảm, đó là giai đoạn làm thay đổi
năng lƣợng tiêu thụ (dissipation energy) để đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ
thống.
Khi mở rộng kỹ thuật trên cho nguyên lý điều khiển thụ động thì có thể hiểu
một cách đơn giản nhƣ sau: Giai đoạn chọn hàm năng lƣợng là quá trình thiết lập
một quan hệ thụ động giữa đầu vào và đầu ra cần điều khiển để đạt đƣợc hàm

lƣu giữ năng lƣợng mong muốn. Hàm này bao gồm động năng ban đầu và thế
năng mong muốn của hệ thống. Cịn phun tín hiệu suy giảm là q trình củng cố
thêm đặc điểm thụ động đối với đầu ra (Output strictly pasivity). Và ngoài sự kế
thừa các kỹ thuật trên thì để xây dựng một nguyên lý điều khiển PCB hồn chỉnh
thì cần phải bổ xung thêm những nhận thức rất quan trọng sau và có thể xem nhƣ
đó là các nguyên tắc trong quá trình xây dựng bộ điều kiển dựa trên thụ động
sau này:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16




 Khi trạng thái của hệ thống khơng có khả năng đo thì tín hiệu suy giảm
phải đƣợc “phun” vào hệ thông qua việc mở rộng động học của hệ thống.
 Đối với hệ thống thiếu tác động điều khiển (underactuated system), trong
điều khiển robot thƣờng gọi là hệ hụt cơ cấu chấp hành, thì thế năng của
hệ thống khơng đƣợc bỏ qua, mà nó sẽ đóng một vai trị quyết định trong
việc xây dựng bộ điều khiển dựa trên thụ động. Và nếu nhƣ cần phải thay
đổi động năng, thì đầu tiên, bộ điều khiển đƣợc xây dựng ở dạng khơng
tƣờng minh (chƣa có quan hệ tƣờng minh giữa tín hiệu điều khiền và tín
hiệu ra của hệ cần điều khiển) và sau đó qua bƣớc “đảo” động học của hệ
thống để đạt đƣợc dạng tƣờng minh.
 Vì trong hầu hết các trƣờng hợp, động năng có tham gia vào việc xây
dựng bộ điều khiển, nên nó cũng phải đƣợc thay đổi (shaped). Nhƣ đã nói
ở trên, nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động là gán cho hệ kín một hàm
lƣu giữ năng lƣợng mong muốn (desired storage function). Tuy nhiên hàm
này không đơn thuần là tổng động năng và thế năng mới của hệ thống mà
ở đây hàm này sẽ đƣợc chọn từ việc phân tích động học sai số (error

dynamic) của hệ kín thơng qua việc chọn hệ số phù hợp đối với lực
(workless force) của hệ thống để có đƣợc quan hệ tuyến tính đối với tín
hiệu sai lệch.
Tất nhiên nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động khơng chỉ gói gọn vào mấy
phát biểu trên, mà đó chỉ là những phát biểu có tính chất tổng quan. Nguyên lý
này sẽ đƣợc trình bày một cách cụ thể và có hệ thống trong các cơng việc sau của
luận văn, đặc biệt khi áp dụng cho một đối tƣợng cụ thể là máy phát điện sức gió
dùng động cơ dị bộ (động cơ khơng đồng bộ Roto dây quấn).

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

17




1.2 TỔNG QUAN VÀ MƠ HÌNH HỆ THỐNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC
GIÓ.
1.2.1 Tổng quan về máy phát điện sức gió.
Ngày nay nhu cầu về điện năng ở nƣớc ta nói riêng cũng nhƣ trên tồn cầu
nói chung ngày càng tăng. Do kinh tế phát triển nhanh chóng và cạnh tranh gay
gắt, trƣớc tình trạng các nguồn năng lƣợng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các
nguồn năng lƣợng mới đƣợc các nƣớc quan tâm rộng rãi. Tỷ suất tăng trƣởng
của toàn thế giới về các dạng năng lƣợng điện năm 2000-2009 là: năng lƣợng
gió: 32%; năng lƣợng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%;
năng lƣợng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1%. Nhƣ vậy tỷ suất tăng trƣởng của năng
lƣợng mới cao hơn nhiều so với năng lƣợng truyền thống. Trong đó điện gió có
tốc độ tăng trƣởng cao nhất. Do đó máy phát điện chạy sức gió ngày càng trở lên
có tính thực tiễn cao, bởi nguồn năng lƣợng sạch này rất lớn chƣa đƣợc khai thác
hết và là tự nhiện không ảnh hƣởng tới môi trƣờng của con ngƣời trong quá trình

sử dụng.
Trong nhƣ̃ng năm gân đây các máy phát điện lợi dụng sức gió đã đƣợc sử
dụng nhiều ở các nƣớc châu Âu, Mỹ và các nƣớc công nghiệp phát triển khác.
Sau thảm họa Chernobyl (Ukraine 1986), cuộc đấu tranh đòi hủy bỏ các nhà máy
điện nguyên tử tại Đức diễn ra ngày càng mãnh liệt nên điện bằng sức gió phát
triển rất mạnh, sản lƣợng đã vƣợt xa sản lƣợng thủy điện và trở thành nguồn
năng lƣợng đáng kể trên cƣờng quốc công nghiệp này.
Ƣu điểm dễ thấy nhất của điện bằng sức gió là không tiêu tốn nhiên liệu,
không gây ô nhiễm môi trƣờng nhƣ các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và
tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng

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

18




gần dòng nƣớc mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ
chứa nƣớc.
Các trạm điện bằng sức gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, nhƣ vậy sẽ
tránh đƣợc chi phí cho việc xây dựng đƣờng dây tải điện.
Trạm điện bằng sức gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau,
với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú. Các trạm điện bằng sức gió đặt ở
ven biển cho sản lƣợng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thƣờng có gió mạnh.
Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện
lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ. Dải bờ biển Việt Nam trên 3.620km và
hàng trăm đảo lớn nhỏ ven bờ có thể tạo ra cơng suất hàng tỉ kW điện bằng sức
gió.
Những mỏm núi, những đồi hoang khơng sử dụng đƣợc cho cơng nghiệp,

nơng nghiệp cũng có thể đặt đƣợc trạm điện bằng sức gió. Trƣờng hợp này
không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng.
Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm điện bằng sức gió dùng cho
các nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi khơng dùng hết điện.
Trạm điện này càng có ý nghĩa lớn hơn khi thành phố bất ngờ bị mất điện.
Điện khí hóa ngành đƣờng sắt là xu hƣớng tất yếu của các nƣớc công
nghiệp. Chỉ cần đặt với khoảng cách 10km một trạm 4.800kW dọc các tuyến
đƣờng sắt đã có đủ điện năng cho tất cả các đồn tàu ở Việt Nam hiện nay . Các
đầu máy diesel và than đá tiêu thụ lƣợng nhiên liệu rất lớn và gây ô nhiễm môi
trƣờng sẽ đƣợc thay thế bằng đầu máy điện trong tƣơng lai.
Đặt một trạm điện bằng sức gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lƣới
điện quốc gia sẽ tránh đƣợc việc xây dựng đƣờng dây tải điện với chi phí lớn gấp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19




nhiều lần chi phí xây dựng một trạm điện bằng sức gió. Việc bảo quản một trạm
điện bằng sức gió cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đƣờng dây tải điện rất nhiều.
Nhà máy nƣớc ngọt đặt dƣới chân những trạm điện bằng sức gió là mơ
hình tối ƣu để giải quyết việc cung cấp nƣớc ngọt cho vùng đồng bằng sông Cửu
Long, tiết kiệm nhiên liệu và đƣờng dây.
Một trạm 40kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đồn thăm dị địa
chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đƣờng dây chƣa thể vƣơn tới đƣợc.
Một nông trƣờng cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng trạm điện
bằng sức gió hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời sống công nhân,
vừa cung cấp nƣớc tƣới và dùng cho xƣởng chế biến sản phẩm...
Tất nhiên, gió là dạng năng lƣợng vơ hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao

nên khi đầu tƣ vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy. Nhƣng
chắc chắn chi phí đầu tƣ cho điện bằng sức gió thấp hơn so với thủy điện. Tồn
bộ chi phí cho một trạm điện bằng sức gió 4.800kW khoảng 3.000.000 euro.
Với 500 trạm điện bằng sức gió loại 4.800kW sẽ có cơng suất 2,4 triệu
kW, bằng công suất Nhà máy thủy điện Sơn La, tổng chi phí sẽ là: 500 x
3.000.000 = 1,50 tỉ euro = 1,875 tỉ USD, chi phí này nhỏ hơn 2,4 tỉ USD là dự
toán xây dựng Nhà máy thủy điện Sơn La.
Với những phân tích lợi ích trên, ta thấy việc cần phát triển về qui mô
cũng nhƣ khoa học kỹ thuật để áp dụng vào hệ thống phát điện sử dụng sức gió,
nhằm mục tiêu xây dựng một ngành khoa học tiên tiến cho chế tạo hệ thống máy
phát điện sức gió hồn thiện.

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

20




Trong thời gian qua đã có một số đề tài , công trì nh nghiên cƣ́u tổng hợp
kỹ thuật, thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển má y phát điện sƣ́c gió
và đã mang lại những kết quả nhất định.
Đề tài này nghiên cứu hệ thống điều khiển máy phát điện không đồng bộ
ba pha nguồn kép và áp dụng vào hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió, đề
tài này cùng với một số cơng trình nghiên cứu khác về điều khiển hệ thống máy
phát điện chạy sức gió nhằm tạo ra các kỹ thuật điều khiển mới , công nghệ hiện
đại để ứng dụng rộng rãi vào quá trình chế tạo , vận hành, điều khiển và quản lý
các hệ thống thiết bị máy phát điện sƣ́c gió khiến cho việc phát điện bằng sức gió
có đƣợc trình độ kỹ thuật hồn hảo, có quy mô phát triển hợp lý và có triển vọng
thƣơng mại hóa cao , có hiệu quả kinh tế thiết thực , có thể sử dụng, khái thác

đƣợc triệt nguồn năng lƣợng sạch này để mang lại lợi ích kinh tế cho xã hội.
Cho đến nay trong máy phát điện sƣ́c gió

có hai loại turbine gió chính

đƣợc sử dụng, đó là: Turbine gió tốc độ cố định và turbine gió tốc dộ thay đổi.
Loại turbine gió thơng thƣờng là turbine gió với tốc độ cố định (Fixed
speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ đƣợc nối trực tiếp với
lƣới. Tuy nhiên hệ thống này có nhƣợc điểm chính là do tốc độ cố định nên
không thể thu đƣợc năng lƣợng cực đại từ gió. Đƣợc thể hiện nhƣ hình vẽ:

Gearbox

IG
Transformer

Capacitor bank
Hình 1.2 Turbine gió với tốc độ ổn định
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21




Loại Turbine gió có tốc độ thay đổi có hai phƣơng pháp điều khiển để thu
đƣợc nguồn năng lƣợng lớn nhất:
- Loại thứ nhất ngƣời ta dùng phƣơng pháp thay đổi góc cánh turbine, điều
chỉnh diện tích bề mặt hứng gió của cánh turbine để ổn định tốc độ. Với máy
phát điện sức gió cơng suất nhỏ, việc thay đổi góc cánh thƣờng hay dùng phƣơng

pháp ly tâm của khối lƣợng quay [14],[15]. Phƣơng pháp nay ta thấy khi tốc độ
gió thay đổi sẽ làm tốc độ quay của turbine thay đổi, lực ly tâm của vật quay
cũng thay đổi. Nếu gió lớn, vận tốc gió tăng, lực ly tâm tăng lên, tác dụng lên cơ
cấu xoay cánh turbine làm giảm diện tích bề mặt hứng gió, dẫn đến hạn chế mức
độ tăng tốc độ quay của turbine. Khi gió dịu đi, vận tốc gió giảm xuống, cánh
turbine tự xoay dần về vị trí ban đầu, để duy trì tốc độ quay của turbine trong
phạm vi cho phép. Với máy phát điện sức gió cơng suất lớn, thƣờng dùng kết
cấu cơ khí nhƣ hệ thống cam để điều chỉnh góc cánh [15]. Kết cấu máy sử dụng
lực ly tâm và hệ thống cam để thay đổi góc cánh turbine nhƣ vậy tƣơng đối đơn
giản, nhƣng có nhƣợc điểm là điều khiển đồng thời các cánh của turbine, và do
là các kết cấu cơ khí nên đáp ứng chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, khoảng
biến thiên tốc độ quay của turbine quá lớn để giải quyết [5] đã đề xuất phƣơng
pháp dùng động cơ điện để thay đổi góc cánh nhằm điều khiển và ổn định tốc độ
của của turbine gió trục đứng.
- Phƣơng pháp thứ hai ngƣơi ta sử dung bộ biến đổi nối trực tiếp giữa Stato
và lƣới, tuốc bin gió loại này sử dụng máy điện khơng đồng bộ 3 pha roto dây
quấn hay còn gọi là máy phát điện dị bộ nguồn kép (MDKBDQ). Máy phát ở
đây cũng có thể là loại khơng đồng bộ rotor lồng sóc hoặc đồng bộ nhƣ hình vẽ:

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

22




≈

IG

Gearb
ox

=
≈

=

Transformer

Power electronic
converter

Hình 1.3 Turbine gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stato
và lƣới

Nhƣng do xu hƣớng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lƣợng
sạch tái tạo từ gió là điều rất cần thiết và hiện nay trên thế giới ngƣời ta đã chế
tạo các loại tuốc bin gió với cơng suất trên 7MW, và nếu sử dụng loại tuốc bin
trên sẽ có giá thành rất cao, do bộ biến đổi có cơng suất bằng cơng suất tồn tuốc
bin. Vì vậy các hãng chế tạo đang có xu hƣớng sử dụng máy MDBNK làm máy
phát trong các hệ thống tuốc bin gió cơng suất lớn nhằm giảm giá thành, vì bộ
biến đổi đƣợc nối vào giữa mạch rotor của máy phát và lƣới nhƣ hình vẽ:

Transformer
Gearb
ox

IG

≈

=
≈

=
Power electronic
converter

Hình 1.4 Turbine gió với tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23




1.2.2 Các phƣơng pháp điều khiển phía máy phát
Cho tới thời điểm này, thực tế các phƣơng pháp điều khiển tuyến tính và
backsteping đã nghiên cứu [3], [4], [15] thì đều có sơ đồ cấu trúc điều khiển
đƣợc chỉ ra nhƣ Hình 1.5:
Trong kỹ thuật điều khiển phi tuyến dùng để điều khiển máy phát điện sức
gió, ta có các phƣơng pháp thiết kế nhƣ phƣơng pháp tuyến tính, backsteping và
phƣơng pháp Passivity - Based.
Trong đề tài này đƣa ra phƣơng pháp điều khiển đó là phƣơng pháp
Passivity – Based với sơ đồ cấu trúc điều khiển giống nhƣ hai phƣơng pháp
tuyến tính và backsteping (hình 1.5) và sẽ có phát triển thêm (chƣơng 3).

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

24




u
Từ mạch một
chiều trung gian

Luới
w
v

MĐN

uDC
Khâu ĐCMM
mG

Khâu ĐCD

*

mG

urd

TSP

ura

urq e

jr

urb

Q*
Q

’s isd isq

-

r

Khâu ĐCQq
irq

Q

ĐCVTKG

e-jr

irb

r

S

t

3~

MP

NL
irr

ira

ird

r

tr
ts
tt

3

irs

IE

n

2

mG
’s

GTT

q

r

is

isd
isq

e-jN

isβ

3

isv

2

N

uNu

PLL

N
uNd =

isu

uNv

us

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phi tuyến

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

25