Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG Ƣ́ NG DỤ NG PHƢƠNG PHP ĐIỀU KHIỂN TA THEO TH ĐNG (Passivity - Based) ĐỂ ĐIỀU KHIỂ N MÁ Y PHÁ T ĐIỆ N KHÔNG ĐỒ NG BỘ 3 PHA NGUỒ N KÉ P Ngành : TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A Học Viên: TRƢƠNG VĂN BIỂ N Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄ N NHƢ HIỂ N THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THI NGUYÊN CNG HOÀ XÃ HI 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 Ƣ́ NG DỤ NG PHƢƠNG PHÁ P ĐIỀ U KHIỂ N TƢ̣ A THEO THỤ ĐỘ NG (Passivity - Based) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MY PHT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG B 3 PHA NGUỒ N KÉ P 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 NGƢỜI HƢỚNG DẪN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình là do tôi 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 MC LC Trang Mở đầu 5 Chƣơng 1. Tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến v áp dụng cho máy phát điện sức gi. 7 1.1. Tổng quan về hệ thống điề u khiể n phi tuyế n. 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 Based Control). 10 1.2 Tổ ng quan và mô hì nh hệ thố ng củ a má y phá t điệ n sƣ́ c 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. Mô hình toán học, cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lƣới của hệ thống phát điện chạy sức gió 20 2.1.1. Khái quát về hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép. 20 2.2.1. Mô hình toán học phía máy phát và phía lƣới 22 2.2.1.1. Mô hình và các biến điều khiển phía máy phát 22 2.2.1.2. Mô hình và các biến điều khiển phía lƣới 25 Chƣơng 3. Thiế t kế bộ điề u khiể n cho hệ thố ng bằ ng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến Passivity – Based. 28 3.1. Cơ sở lý luận phƣơng pháp điều khiển Passivity – Based 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 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. p dụng phƣơng pháp Passivity – Bases để thiết kế hệ thống điều khiển phía máy phát. 43 3.2.1. p dụng phƣơng pháp Passivity – Based thiết kế bộ điều chỉnh dòng 44 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 i rq trên miền liên tục 55 3.2.4. Chuyển bộ điều khiển dòng PBC phía máy phát sang dạng số. 56 3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển phía lƣới. 57 3.3.1. Mô 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 dòng phía lƣới 61 Chƣơng 4: Mô phỏng v đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển 64 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 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 , dầ u 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, không gây ô nhiễm môi trƣờng , có tiềm năng lớn , vô tận ở quy mô toàn cầu , năng lƣợ ng sạ ch đã khẳng định vị trí của mình trên thị trƣờng năng lƣợng thế giới. Trong nhƣ̃ ng năm qua, trên thế giới, đặc biệt là những quốc gia có tiềm lực khoa học công nghệ, có nền công 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 sạ ch 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 nông 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 Đông thổi vào đây là nhƣ̃ ng điề u kiệ n thuậ n lợ i để khai thá c tố t cá c nguồ n năng lƣợ ng gió. Các hệ thống biế n đổ i năng lƣợng gió này sẽ thay thế các hệ thống cung cấp năng lƣợ ng 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 đá nh giá về nguồ n năng lƣợng gió nà y ta thấ y: Năng lƣợ ng gió đƣợ c 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Tƣ̀ nhƣ̃ ng đá nh giá quan trọ ng trên chú ng ta cầ n phả i tiế n hà nh nghiên cƣ́ u các phƣơng pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật hiệ n đạ i và o việ c khai thá c nguồ n năng lƣợ ng sạ ch nà y nhằ m phá t triể n lĩ nh vƣ̣ c năng lƣợ ng gió ở nƣớ c ta mạ nh hơn nƣ̃ a. Trong thờ i gian qua đã có mộ t số công trì nh nghiên cƣ́ u tổ ng hợ p kỹ thuậ t, thuậ t toá n điề u khiể n trong hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió nhằm khai thác tốt nguồn năng lƣợng gió vô cùng quý giá này . Trong khuôn khổ đề tài này, tôi đƣa ra các thuật toán 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 toán 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 á p dụng cho máy phát điện sức gió. - Chƣơng 2: Xây dƣ̣ ng cấ u trú c điề u khiể n. - Chƣơng 3: Thiế t kế bộ điề u khiể n cho hệ thố ng bằ ng phƣơng phá p điề u 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 công trình đã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 giá quí báu của các thầy cô 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 hoàn 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 hoàn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 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 công suất NLPL Nghịch lƣu phía lƣới NLMP Nghịch lƣu phía máy phát MDBNK Máy điện dị bộ nguồn kép MHTT Mô hình tính toán 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 toán giá trị đặt TTHCX Tuyến tính hóa chính xác VĐK Vi điều khiển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 DANH MC CC 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 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát 2.3 Biểu diễn véc tơ dòng điện phía lƣới 2.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía phía lƣới 2.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lƣới hệ thống PĐSG sử dụng MDKBNK 3.1 Phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động con 3.2 Nối theo kiểu phản hồi của hai hệ EL 3.3 Hệ thống điều khiển máy phát (MDKBNK) trong hệ thống PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity – Based 3.4 Phân tích MDBNK thành động học phần điện và phần cơ 3.5 Hình 3.5. Sơ đồ tổng quát mạch điện phía lƣới 3.6 Hình 3.6. Biểu diễn véc tơ dòng 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 mô phỏng hệ thống máy phát điện sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép [...]... HỐNG PHA T ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ 2.1.1 Khái quát về hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép Xét sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép [3] , [4]: Biến ỏp MĐC uN NLPL UD 3~ C us NLPM P = 3~ 3~ = DFIM ir iN Thiết bị điều khiển (DSP) IE is n Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện. .. 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 công 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 đê ứng dụng rộng rãi vào qua trình chế tạo , vận hành, điều khiển và quản lý ̉ ́ các... điện dị bộ nguồn kép Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 http://www.lrc-tnu.edu.vn Trong đó: NLPL - Nghịch lƣu phía lƣới NLPMP - Nghịch lƣu phía máy phát MĐC - Máy đóng cắt DFIM - Máy phát không đồng bộ nguồn kép IE - Máy khắc mã vạch (Ecorder) MBA - Máy biến áp Hình vẽ trên mô tả sơ đồ cấu trúc của một hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép (MDKBNK)... 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... khiển và ổn định tốc độ của của turbine gió trục ứng - 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 không 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 không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc đồng bộ nhƣ hình vẽ: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên... 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 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 hoàn thiện Do đó việc tổng hợp bộ điều khiển cho một đối tƣợng tuyến tính đã có đủ công cụ lý thuyết để thực hiện, công việc còn lại chỉ là chọn một phƣơng pháp điều khiển phù hợp cho từng đối tƣợng cần điều khiển. .. điều khiển, gọi là điều khiển dựa trên thụ động 3. 1.2 Nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động (PBC) 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 PBC đƣợc xem nhƣ là mở rộng của kỹ thuật chọn hàm năng lượng (Energy shaping)...4.2 Hình 4.2 Đáp ứng dòng rôto theo các thành phần dq 4 .3 Hình 4 .3 Đáp ứng mô men (công 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 rôto máy phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại... e-jr 3 t 3~ M P NL irr irs IE irβ 2 n GTT isd is isq e-jN isβ 3 isv 2 N uNu N uNd = Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên isu PLL us 34 uNv http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lƣới hệ thống PĐSG sử dụng MDKBNK CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PASSIVITY BASED 3. 1 TỔNG QUAN PHƢƠNG PHAP . hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát 2 .3 Biểu diễn véc tơ dòng điện phía lƣới 2.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía. điều khiển phía máy phát và phía lƣới hệ thống PĐSG sử dụng MDKBNK 3. 1 Phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động con 3. 2 Nối theo kiểu phản hồi của hai hệ EL 3. 3 Hệ thống điều khiển máy phát. liên tục 53 3. 2 .3. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i rq trên miền liên tục 55 3. 2.4. Chuyển bộ điều khiển dòng PBC phía máy phát sang dạng số. 56 3. 3. Thiết kế hệ thống điều khiển phía