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​

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 CHUN MƠN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TRƯỞNG KHOA

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 hố 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 mơ tả tốn 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 mơ 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 MƠ 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 cơng 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 khơng 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 mơmen xoắn lớn
nên khơng 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 cơng 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 cơng 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

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 khơng 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 khơng 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

≈

=
=

≈

Hình 1.5: Máy phát khơng 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 cơng suất tồn 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.

Ngồi 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>-

Dưới đồng bộ
Chế độ máy phát

1>s>0
1
1

a)

Lưới điện

Dưới đồng bộ
Chế độ động cơ
1>s>0
m

Lưới điện

S

Rotor

Rotor
Stator

Stator
b)

a)
b)
b)

c)

Phạm vi hoạt động
Dòng năng lượng MP ở chế độ dưới đồng bộ
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

Phương pháp điều
khiển phi tuyến

Cuốn chiếu
(Backstepping based)

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
Tt

lọc

Crowbar

*

(Điều khiển turbine)

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

Tem
Tt
Pf, Qf
lọc


*

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


9

1.2.1. Điều khiển turbine
Cơng suất của turbine gió
Cơng suất của turbine gió được tính theo cơng thức [16, 17, 18]:

P



tb

Trong đó:
3

tb là mật độ khơng khí (kg/m ),

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 )
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
Cũng lưu ý, theo tài liệu nghiên cứu [14, 18] thì giá trị cực đại của Ctb là
0,593 và cịn được gọi là giới hạn Betz.
Các công thức (1.1), (1.2), và (1.3) cho thấy cơng 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 cơng suất của một turbine gió cịn 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 cơng
suất được biến đổi từ năng lượng gió thành cơng 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 cơng suất của máy phát đã đạt
đỉnh thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn cơng 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 khơng quay. Muốn vậy thì tốc độ trục cơ của turbine gió (được nối với trục
rotor của MĐKĐBNK thơng 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 cơng suất của turbine với tốc độ góc quay của

nó ứng với các tốc độ gió khác nhau, thể hiện trên hình 1.10.

turbine

(%)

100%

Cơng suất

50%

0

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

Trên hình 1.10 với đường đặc tính cơng 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 cơng suất khi xuất hiện dịng 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 tồn, “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 cơng suất thyristor phía
stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lưới, tuy nhiên vẫn duy trì điều khiển phía rotor để
điều khiển hịa 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 vơ hiệu hố 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
khơng 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 cơng 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

MĐN

us

NLPL
Bộ lọc

3~

iN

DSP

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 mơ 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 m G (mô men của máy phát) và cơng 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 cịn có khả năng thực hiện
hồn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại phía lưới. Vì vậy, cấu trúc
mạch điện tử cơng suất, phần NLPL hoàn toàn giống như phần NLMP, hơn nữa
NLPL cịn có nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp mạch một chiều trung gian u DC
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 cơng suất cos phía lưới và qua đó có thể giữ
vai trị bù cơng suất phản kháng. NLPL và NLMP được điều khiển đóng cắt dựa trên
nguyên lý điều chế véctơ khơng gian (ĐCVTKG) [8].
1.3.1. Mơ hình điều khiển nghịch lưu phía máy phát
1.3.1.1. Biểu diễn vectơ khơng 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 khơng gian dịng điện stator của
MĐKĐBNK được định nghĩa bằng biểu thức sau [8, 9, 10, 15]:
i(t)

2
3

s

i


 su


14

Trong đó isu, isv, isw là các dịng điện hình sin, cùng biên độ, cùng tần số
0

nhưng lệch pha nhau 120 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 thơng cũng vậy ta
đều có thể xây dựng các véc tơ không gian tương ứng giống như đối với dịng điện
stator ở trên.
Với loại máy điện khơng đồng bộ 3 pha nguồn kép thì véc tơ khơng gian
dòng điện rotor được định nghĩa:
(t ) 

ir

Đại lượng ir(t) là véc tơ khơng 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

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

2


i

rr

3


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:

i




is  



i

s

su

1

(i

(1.6)
su

 2isv )

3

isd  is cos s  is  sin s

(1.7)

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

(1.8)

 su



i
 sv



(1.9)

i
 sw



i
 s



i

 s


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
Mơ hình trạng thái liên tục phía máy phát trong hệ thống máy phát điện chạy
sức gió là mơ hình trạng thái liên tục của máy phát sử dụng MĐKĐBNK. Cơ sở để
xây dựng mơ 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:

Phương trình điện áp rotor:

Phương trình từ thơng stator và rotor:


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 qt khơng cần có các chỉ số trên. Khi sử dụng trên hệ toạ độ cụ thể
thì sẽ điền thêm chỉ số.
Phương trình mơ men:


16

Sau khi chuyển các biểu thức trên sang biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq suy ra
hệ phương trình:


d ψs
u s  Rs is  dt




d ψr
u r  Rr ir  dt



ψLiLi



s

s s

m r


j
s ψs

j
r ψr

(a)

(b)
(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:
dψss

s

u
s

dt

Phương trình (1.15) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp
0

stator 90 , hay nói cách khác: Véc tơ từ thơng ln vng góc với véc tơ điện áp
stator (rất thuận lợi cho việc mơ hình hố).
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):
dir




(

1
T

 j)ψ '
s

s

dt




'

dψ s

 dt

với ψ' 
s

ψ

s

Lm

Triển khai (1.16) dưới dạng các thành phần trên hệ trục toạ độ dq sẽ được mơ
hình tồn bộ MĐKĐBNK như sau:
17

di





di


rq



dt





(1.17)

'

d





sd



dt





'

d


sq



dt



Vì véc tơ từ thơng stator ln đứng vng góc với véc tơ điện áp stator nên
việc chọn hướng của véc tơ nào làm hướng tựa cho hệ thống điều chỉnh khơng cịn 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 mơ hình trạng
dx
thái như sau:
Ax  B s u s  B r ur (1.18)



dt

T

 Véc tơ trạng thái x = [ird


uT



uT

s




r

Ma trận hệ thống A,

1






1
(
T



r




r




A





1



Ts





0







Br 









1
L


18

Các ma trận của mơ hình (1.18) cũng có thể được viết dưới dạng các ma trận
con như sau:
A

Trong đó:
1




A







11



r
1
T

A




21

s

0


1
B


s2



L

m



1





0

L

Lúc này phương trình có dạng:
di

(1.22)


 dt


d s





'

irq ’sd ’sq]

Trong đó
Mơ hình trạng thái sử dụng ma trận con mơ tả mơ hình điện liên tục của
MĐKĐBNK trong khơng gian trạng thái. Dựa trên mơ hình (1.22) ta có thể hình


dung ra việc tách thành 2 nửa, nửa trên và nửa dưới. Nửa trên là mơ hình trạng thái
dịng rotor có vai trị làm cơ sở cho việc thiết kế khâu điều chỉnh dịng, nửa dưới là
mơ hình từ thơng stator. Ở chế độ làm việc bình thường do MĐKĐBNK được nối
với nguồn có cơng suất vơ cùng lớn dẫn đến điện áp stator ln 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 mơ tả mơ hình dịng rotor của MĐKĐBNK như sau:
19
dird






(1.23)

dt






di

rq




dt



Đặt a 
(1.24)
Khi đó mơ hình dịng rotor được viết dưới dạng:

di

rd




dt





di



rq




dt
Để thấy rõ đặc điểm phi tuyến của mơ hình dòng, ta chuyển hệ (1.24) dưới

dạng ma trận như sau:

 a


0

0
N




là ma trận tương tác phi tuyến; thành phần nhiễu ’s

 1

thống qua ma trận
Mơ 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 ur , góc pha ban đầu 0 và tần số góc r (tần
số fr). Có thể tạm thời bỏ qua khơng 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 mơ hình dịng rotor là véc tơ điện áp rotor, ngoài 2 thành phần urd, urq
thể hiện module ur cịn phải kể đến r. Do đó r là đại lượng vào thứ 3, qua đó ta thấy
mơ 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