ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN NGỌC QUÂN NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HOÀ ĐỒNG BỘ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá MÃ SỐ: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Công trình đƣợc hoàn thành tại: TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: TS. CAO XUÂN TUYỂN Phản biện 1: TS. Đỗ Trung Hải. Phản biện 2: TS. Lại Khắc Lãi. Luận văn này đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 8 giờ 30, ngày 18 tháng 08 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên -Thƣ viện trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 1 Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển LỜI GIỚI THIỆU 1. 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. Vì vậy tác giả chọn đề tài: " Nâng cao chât lượng điều khiển hòa đồng bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp Thích Nghi". 2. Đối tƣợng nghiên cứu Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu- bộ nghịch lưu hòa lưới. 3. Mục đích nghiên cứu Nâng cao chất lượng hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên cơ sở tổng hợp bộ điều khiển nghịch lưu phía lưới theo phương pháp điều khiển thích nghi. 4. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển nghịch lưu hòa đồng bộ phía lưới theo phương pháp điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hòa đồng bộ. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển thích nghi. - Mô phỏng Off Line trên cơ sở sử dụng phần mềm Matlab/simulink/plecs. - Thực nghiệm trên cơ sở mô hình thí nghiệm tự làm. 6. Ý nghĩa của đề tài 2 Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển - Đã thực hiện việc điều khiển hòa đồng bộ hệ thống nghịch lưu phía lưới vào lưới trên cơ sở bộ điều khiển phi tuyến và tính chọn các giá trị đặt. 7. Những điểm mới trong luận văn - Đã áp dụng thành công phương pháp điều khiển phi tuyến thích nghi để điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới. 3 Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển Chƣơng 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1. GIÓ VÀ NĂNG LƢỢNG GIÓ Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất. Trong số các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng gió có thể đại diện cho cơ hội tăng trưởng mạnh nhất tại Việt Nam. Các cuộc khảo sát cho thấy rằng khoảng 85% đất đai Việt Nam có độ cao và tốc độ gió trung bình phù hợp để phát ra năng lượng gió. Các chuyên gia Ngân hàng Thế giới đã kết luận Việt Nam có khả năng tạo ra 513.360 MW hàng năm từ năng lượng gió – gấp 10 lần tổng công suất phát điện quốc gia dự kiến cho năm 2020. Hình 1. 1 : Ưu đãi đầu tư cho các dự án năng lượng mặt trời và gió tại Việt Nam. 1.2. KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 1.2.1. Khái quát về các loại hệ thống năng lƣợng gió Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc 4 Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển Gearbox IG Soft starter Transformer Capacitor bank Hình 1. 2 : Tuốc bin gió với tốc độ cố định. Gearbox G TransformerPower electronic converter ≈ = ≈ = Hình 1. 3 : Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới. 1.2.2. Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ta phải tạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từ gió. Việc kích từ đó hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hoà lưới), hoặc nhờ ắc quy để tạo kích từ, hoặc nhờ tụ điện với điều kiện có từ thông dư trong máy điện không đồng bộ. Hình 1. 6 : Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu đơn giản. SG ~ = = ~ CL NLPL Gear Box Grid 5 Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển Hình 1. 7 : Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ nghịch lưu phía máy phát. SG ~ = = ~ NLMF NLPL Gear Box Grid 6 Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển Chƣơng 2 GIỚI THIỆU VÀ LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BACKSTEPING 2.1 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KINH ĐIỂN 2.1.1 Bộ điều khiển PID PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích - vi phân (Proportional-Integral- Derivative). Bộ điều khiển PID điều khiển đối tượng SISO theo nguyên tắc sai lệch: Hình 2. 1: Sơ đồ bộ điều khiển PID Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn (vai trò của khâu P). Nếu e(t) chưa bằng không thì thông qua thành phần tích phân, PID vẫn tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của khâu I). 2.1.2 Bộ điều khiển PID số Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp hiện nay được xây dựng trên nền máy tính số, vì thế thuật toán PID cũng cần được biểu diễn dưới dạng phù hợp cho việc lập trình cài đặt. Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ ra điều khiển theo một khoảng thời gian xác định (không liên tục) - thời gian lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống. Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc Đối tượng (-) PID e(t) x(t) u(t) y(t) 7 Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển độ thay đổi sai số. Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn định hơn. Bộ điều khiển: sử dụng vi xử lý (microprocessor: µP),vi điều khiển (microcontroller : µC) hoặc vi xử lý tín hiệu (digital signal processor: DSP) - Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là: (2.2) - T là chu kỳ trích mẫu tín hiệu: Trong quá trình lấy mẫu tín hiệu ta phải quan tâm đến chu kỳ lấy mẫu T. Việc chọn T như thế nào cho thích hợp là rất quan trọng trong hệ thống điều khiển số. Nếu chọn T lớn quá có thể làm cho hệ thống điều khiển mất ổn định vì thiếu thông tin. Nếu chọn T nhỏ quá thì có thể đẫn tới lượng thông tin bị thừa và phần cứng có thể không đáp ứng được (phụ thuộc vào độ phân giải của thiết bị ADC) và có thể làm cho hệ thống tác động chậm. 2.1.3. Một số hạn chế của bộ điều khiển PID. Khi hệ thống bị tác động bởi nhiễu, nhiễu sẽ được đưa đến đầu vào thông qua mạch phản hồi và tổng hợp cùng với tín hiệu mẫu do vậy tín hiệu điều khiển cũng sẽ bao gồm nhiễu. Đây là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống và độ chính xác điều khiển. 2.2 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI. 2.2.1. Tổng quan về điều khiển thích nghi. 8 Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển Hệ thống điều chỉnh theo yêu cầu nào đó thì với các đại lượng vào, phải cho được các đại lượng ra mong muốn. Nhưng do nhiều yếu tố ảnh hưởng như nhiễu, các đại lượng vào quá lớn hay không biết trước, do đó để đạt được theo yêu cầu, thống phải được tự động thích nghi bù sai số. Cơ cấu thích nghi tạo ra tín hiệu thích nghi bằng tín hiệu từ khâu so sánh. Các chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu đặt trước IP*, cho vào khâu so sánh với những giá trị đã được đo lường và tính toán theo các thông số thực trạng của hệ thống điều chỉnh (các tín hiệu của đại lượng vào, đại lượng ra, các nhiễu). Hệ thống đó được mô tả trong hình dưới đây gồm 2 vòng: Hình 2. 2: Mô tả hệ thống điều khiển thích nghi. 2.2.2 Các phƣơng pháp điều khiển thích nghi 2.2.2.1. Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (MRAS) Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (Model reference adaptive system – MRAS) có sử dụng bộ điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi ( Model reference adapt control - MRAC ), nguyên lý cơ bản của hệ được thể hiện bằng sơ đồ tổng quát như sau: Vòng hồi tiếp thông thường Vòng hồi tiếp điều khiển thích nghi [...]... hình (3.5) + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi gián tiếp Hình 2 6: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 2.2.2.6 Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch Đây là phương pháp điều khiển dựa trên cơ sở tuyến tính hóa lân cận quỹ đạo chuyển động tĩnh cho hệ phương trình vi phân mô tả động lực học Tín hiệu được tính từ khối phản hồi có luật điều khiển thích nghi có thể... của bộ điều khiển Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS .Cao Xuân Tuyển 12 thay đổi trong quá trình vận hành, nhằm giữ vững chất lượng điều khiển của hệ thống khi có sự hiện diện của các yếu tố bất định cũng như thay đổi thông số trong hệ thống Bộ điều khiển mờ thích nghi có 2 phương pháp và cấu trúc cơ bản: + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi. .. dòng điện phía lưới trên hệ toạ độ dq 3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƢỢNG 3.2.1 Điều kiện hoà đồng bộ hệ thống nghịch lƣu lên lƣới điện  Điều kiện 1: Điều kiện về tần số: Tần số của nguồn 3 pha ở đầu ra của hệ thống nghịch lưu phải bằng tần số lưới  Điều kiện 2: Điều kiện về điện áp: Điện áp của nguồn 3 pha ở đầu ra của hệ thống nghịch lưu phải bằng điện áp lưới  Điều kiện 3: Điều kiện về pha: Thứ... cách ly được quá trình điều khiển công suất hữu công và công suất vô công một cách triệt để 4.3.2 Kiến nghị và hƣớng nghi n cứu tiếp theo 1 Nghi n cứu tính ổn định của các hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán phi tuyến thích nghi Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS .Cao Xuân Tuyển 33 2 Nghi n cứu thử nghi m bộ điều khiển sử dụng thuật toán thích nghi Backstepping trên... mô hình này sử dụng cơ cấu nhận dạng tham số đối tượng kết hợp thuật toán xác định tham số điều khiển thành bộ quan sát trực tiếp tham số đối tượng đề cập cho bộ điều khiển Sơ đồ trên hình 3.3 có thể được viết lại như sau: Hình 2 5: Cấu trúc ĐKTN tự chỉnh trực tiếp 2.2.2.5 Điều khiển mờ thích nghi Kỹ thuật điều khiển mờ đã được phát triển thêm tính thích nghi để tạo nên một hệ thống điều khiển trong... học : TS .Cao Xuân Tuyển 16 Hình 3 6 : Sơ đồ điều khiển vô hướng hoà đồng bộ hệ thống nghịch lưu lên lưới 1 pha 3.2.2.2 Hệ thống 3 pha * Sơ đồ khối : Hình 3 7 : Sơ đồ điều khiển vô hướnghoà đồng bộ hệ thống nghịch lưu lên lưới 3 pha 3.2.3 Cấu trúc điều khiển vector * Sơ đồ khối: Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS .Cao Xuân Tuyển 17 Hình 3 8 : Sơ đồ điều khiển nghịch... các hệ số K11 và K12 ; K21 và K22 Theo [tài liệu luận án], ta phải chọn các hệ số Kij trên là các điểm cực Vậy ta có điều kiện: K11K12 >> 1; K21K22 >> 1 3.2.4.5 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi Backstepping Trên cơ sở bộ điều khiển Backstepping có khử sai lệch tĩnh (3.56) và (3.77), ta thực hiện tổng hợp bộ điều khiển thích nghi Backstepping - Gọi:  N , e N : Là các giá trị thực đưa vào bộ điều khiển. .. đổi cấu trúc bộ điều khiển mà chỉ xác định lại các tham số đối tượng để từ đó tự chỉnh định lại các tham số điều khiển của chính mình cho phù hợp Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS .Cao Xuân Tuyển 11 Hình 2 4: Cấu trúc chung của bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh Một hướng giải quyết bài toán khác khi sử dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh... Thứ tự pha và góc pha ở đầu ra của hệ thống nghịch lưu phải bằng trùng với thứ tự pha và góc pha của lưới điện  Điều kiện 4: Điều kiện lưới điện 3 pha đối xứng: Lưới điện 3 pha đối khi 3 pha có biên độ điện áp, tần số trùng nhau và lệch pha nhau đều bằng 120 0 giữa các pha 3.2.2 Cấu trúc điều khiển vô hƣớng hoà đồng bộ hệ thống nghịch lƣu lên lƣới điện 3.2.2.1 Hệ thống 1 pha * Sơ đồ khối: Học viên:... hiện hoà đồng bộ tại 0.05s: 4.1.4 Nhận xét kết quả Từ kết quả mô phỏng trên các (hình 4.8) đến (Hình 4.11) cho thấy bộ điều khiển tuyến tính hoá chính xác đã đảm bảo chất lượng điều khiển đặt ra đó là khi chưa hoà đồng bộ dòng điện thực bám dòng điện đặt để điều khiển điện áp đầu ra Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS .Cao Xuân Tuyển 28 nghịch lưu bám theo theo điện