Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: 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

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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐẶNG DANH HOẰNG

KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA TS. ĐỖ TRUNG HẢI

PHÒNG ĐÀO TẠO TS. ĐẶNG DANH HOẰNG

THÁI NGUYÊN 2017

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 hoá 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 mô tả toán 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 mô 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

Chương 1

XÂY DỰNG MÔ 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 công 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 không 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 mômen xoắn lớn

nên không 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 công 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

Hình 1.1: Một Wind farm trên đất liền gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau

turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp.

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 công 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

Hệ thống Phát điện sức gió

Máy phát một chiều

Máy phát xoay chiều

Máy phát xoay chiều 1 pha

Máy phát xoay chiều 3 pha

Máy phát không đồng bộ

Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (hình 1.4)

Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép (hình 1.5)

Máy phát không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc (hình 1.4)

Hình 1.3: Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn

phát triển các loại máy phát điện sức gió như hình 1.3.

Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ 3 pha

kích thích vĩnh cửu và không 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 không 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

MF

=

≈

=

Hình 1.5: Máy phát không 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 công suất toàn 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.

- Ngoài 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

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,

Trên đồng bộ Chế độ máy phát 0>s>-

Rotor

được thể hiện như sơ đồ hình 1.7.

Trên đồng bộ Chế độ động cơ 0>s>- Dưới đồng bộ Dưới đồng bộ Chế độ máy phát Chế độ động cơ 1>s>0 1>s>0 Lưới điện Lưới điện Stator Stator a) Phạm vi hoạt động b) Dòng năng lượng MP ở chế độ dưới đồng bộ b) Dòng năng lượng MP ở chế độ trên đồng bộ

-1 ns 0 1 Hình 1.6: Phạm vi hoạt động MĐKĐBNK và dòng chảy năng lượng ở chế độ máy phát

Các phương pháp điều khiển MĐKĐBNK

Phương pháp điều khiển phi tuyến

Phương pháp điều khiển tuyến tính

Tuyến tính hoá chính xác (Exact linearization)

Cuốn chiếu (Backstepping - based)

Tựa phẳng (Platness - based)

Mờ (Fuzzy)

Tựa theo thụ động (Passivity - 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.

Tem

Ps, Qs

Máy cắt

Pg, Qg

Lưới

Pf, Qf

lọc

=

≈

=

≈

lọc

Crowbar

Điều khiển Crowbar

Cấp 1 Cấp 1 (Phuơng pháp điều khiển (Phuơng pháp điều khiển véc tơ cho NLPL và NLMP) véc tơ cho NLPL và NLMP)

* Qf

* Qs

* Vbus

Tem

*

Cấp 2 (Điều khiển turbine)

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

Tem

Lưới

Pg, Qg

Ps, Qs

Stator switch

Pf, Qf

lọc

=

≈

=

≈

lọc

Điều khiển Stator switch

Cấp 1 (Phuơng pháp điều khiển véc tơ cho NLPL và NLMP)

Tem

* Vbus

* * Qs

* Qf

*

Cấp 2 (Điều khiển turbine)

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

1.2.1. Điều khiển turbine

Công suất của turbine gió

Công suất của turbine gió được tính theo công thức [16, 17, 18]:

(1.1)

Trong đó:

tb là mật độ không khí (kg/m3),

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):

(1.2)

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:

(1.3)

Cũng lưu ý, theo tài liệu nghiên cứu [14, 18] thì giá trị cực đại của Ctb là

0,593 và còn được gọi là giới hạn Betz.

Các công thức (1.1), (1.2), và (1.3) cho thấy công 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 công suất của một turbine gió còn 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 công

suất được biến đổi từ năng lượng gió thành công 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 công suất của máy phát

đã đạt đỉnh thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn công suất turbine. Ở tốc độ

gió nhỏ hơn tốc độ nhỏ nhất cho phép hoặc lớn hơn tốc độ lớn nhất cho phép của

turbine thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ khí để giữ cho

turbine không quay. Muốn vậy thì tốc độ trục cơ của turbine gió (được nối với trục

rotor của MĐKĐBNK thông 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 công suất của turbine với tốc độ góc quay của

Vùng công suất không đổi

100%

)

VW = 20 m/s

50%

Vùng công suất tối ưu

( e n i b r u t t ấ u s g n ô C

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

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

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

VW = 18 m/s VW = 16 m/s VW = 14 m/s VW = 12 m/s VW = 10 m/s VW = 8 m/s 10 25 15 20 Tốc độ quay của turbine (v/ph) Trên hình 1.10 với đường đặc tính công suất tối ưu của turbine được thể hiện

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.

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 công suất khi xuất hiện dòng 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 toàn, “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 công suất thyristor phía

stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lưới, tuy nhiên vẫn duy trì điều khiển phía rotor để

điều khiển hòa 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 vô hiệu hoá 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

không 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)

Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công 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

MBA

máy điện không đồng bộ ba pha nguồn kép [8]:

uN

MĐN us

NLPL

NLMP

uDC

Bộ lọc

ir

iN

is

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

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 mô 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 mG (mô men của máy phát) và công 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 còn có khả năng thực

hiện hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại phía lưới. Vì vậy, cấu

trúc mạch điện tử công suất, phần NLPL hoàn toàn giống như phần NLMP, hơn nữa

NLPL còn có nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp mạch một chiều trung gian uDC

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 công suất cos phía lưới và qua đó có thể giữ

vai trò bù công suất phản kháng. NLPL và NLMP được điều khiển đóng cắt dựa

trên nguyên lý điều chế véctơ không gian (ĐCVTKG) [8].

1.3.1. Mô hình điều khiển nghịch lưu phía máy phát

1.3.1.1. Biểu diễn vectơ không 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 không gian dòng điện stator của

MĐKĐBNK được định nghĩa bằng biểu thức sau [8, 9, 10, 15]:

(1.4)

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

nhưng lệch pha nhau 1200 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 thông cũng vậy

ta đều có thể xây dựng các véc tơ không gian tương ứng giống như đối với dòng

điện stator ở trên.

Với loại máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép thì véc tơ không gian

dòng điện rotor được định nghĩa:

(1.5)

Đại lượng ir(t) là véc tơ không 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

j

quay với tốc độ s = 2fs so với stator (hình 1.12).

is

is

s

us

isq

isd

s

is



s

Hình 1.12: Biểu diễn các véc tơ dòng, áp, từ thông stator trên hệ trục toạ độ ,  và d, q

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:

(1.6)

(1.7)

(1.8)

(1.9)

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

Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát trong hệ thống máy phát điện chạy

sức gió là mô hình trạng thái liên tục của máy phát sử dụng MĐKĐBNK. Cơ sở để

xây dựng mô hình trạng thái liên tục MĐKĐBNK là các phương trình điện áp

stator, rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor [ 8, 9, 10]:

(1.10) Phương trình điện áp stator:

(1.11) Phương trình điện áp rotor:

Phương trình từ thông stator và rotor: (1.12)

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 quát không cần có các chỉ số trên. Khi sử dụng trên hệ toạ độ cụ thể

thì sẽ điền thêm chỉ số.

Phương trình mô men: (1.13)

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

hệ phương trình:

(1.14)

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:

hoặc (1.15)

Phương trình (1.15) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp stator 900, hay nói cách khác: Véc tơ từ thông luôn vuông góc với véc tơ điện áp

stator (rất thuận lợi cho việc mô hình hoá).

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):

(1.16)

với

Triển khai (1.16) dưới dạng các thành phần trên hệ trục toạ độ dq sẽ được mô

hình toàn bộ MĐKĐBNK như sau:

(1.17)

Vì véc tơ từ thông stator luôn đứng vuông góc với véc tơ điện áp stator nên

việc chọn hướng của véc tơ nào làm hướng tựa cho hệ thống điều chỉnh không còn

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 mô hình trạng

(1.18) thái như sau:

Trong đó:

 Véc tơ trạng thái xT = [ird irq ’sd ’sq ]

 là véc tơ biến vào phía stator

 là véc tơ biến vào phía rotor

Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía stator Bs và ma trận vào phía rotor Br:

; ;

(1.19)

Các ma trận của mô hình (1.18) cũng có thể được viết dưới dạng các ma trận

con như sau:

; ; (1.20)

Trong đó:

;

; ; ;

; ; (1.21)

Lúc này phương trình có dạng:

(1.22)

; Trong đó ; ; ; xT= [ird irq ’sd ’sq]

Mô hình trạng thái sử dụng ma trận con mô tả mô hình điện liên tục của

MĐKĐBNK trong không gian trạng thái. Dựa trên mô hình (1.22) ta có thể hình

dung ra việc tách thành 2 nửa, nửa trên và nửa dưới. Nửa trên là mô hình trạng thái

dòng rotor có vai trò làm cơ sở cho việc thiết kế khâu điều chỉnh dòng, nửa dưới là

mô hình từ thông stator. Ở chế độ làm việc bình thường do MĐKĐBNK được nối

với nguồn có công suất vô cùng lớn dẫn đến điện áp stator luôn 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 mô tả mô hình dòng rotor của MĐKĐBNK như sau:

(1.23)

Đặt

Khi đó mô hình dòng rotor được viết dưới dạng:

(1.24)

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

dạng ma trận như sau:

(1.25)

Trong đó: ; ; ; ;

là ma trận hệ thống; là ma trận đầu vào;

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

thống qua ma trận . ; thành phần nhiễu us qua ma trận

Mô 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 , góc pha ban đầu 0 và tần số góc r

(tần số fr). Có thể tạm thời bỏ qua không 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 mô hình dòng rotor là véc tơ điện áp rotor, ngoài 2 thành

phần urd, urq thể hiện module còn phải kể đến r. Do đó r là đại lượng vào thứ

3, qua đó ta thấy mô 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

của từ thông stator dẫn đến bộc lộ tính phi tuyến cấu trúc của mô hình dòng rotor

MĐKĐBNK.

1.3.2. Các biến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phía máy phát

Với MĐKĐBNK độ lớn của mô men điện mG do máy sinh ra đặc trưng cho

độ lớn của công suất tác dụng (phát ra ở chế độ máy phát và lấy từ lưới vào ở chế

độ động cơ). Việc điều chỉnh công suất tác dụng phải tiến hành độc lập với công

suất phản kháng Q đã đặt trước cho thiết bị. Để giải quyết vấn đề này ta phải tìm

các đại lượng có thể điều chỉnh trực tiếp ảnh hưởng của mG và công suất phản

kháng Q để tìm cách áp đặt giá trị mong muốn.

Các công thức (1.12) và (1.13) cho phép ta tính được mô men điện của

MĐKĐBNK. Vì máy điện chịu sự tác động điều chỉnh từ phía rotor nên công thức

tính có chứa dòng rotor sẽ là hữu ích. Từ (1.12) và (1.13) ta rút ra được công thức

tính mô men:

(1.26)

Xét trên hệ trục toạ độ tựa hướng véc tơ điện áp lưới (THĐAL) khi đó ta còn

có sd = 0, nên công thức tính mô men sẽ có dạng sau:

(1.27)

Trong phương trình (1.27), ’sq là một đại lượng chỉ phụ thuộc vào điện áp

lưới như đã chỉ ra trong phương trình (1.15). Chính vì vậy, ird giữ vai trò là đại

lượng quyết định tạo ra mômen và từ phía rotor ta chỉ có thể sử dụng ird để điều

chỉnh mô men MĐKĐBNK.

* =

Theo [8, 15], công suất biểu kiến của máy phát:

(1.28) S = P +jQ = usis (usdisd + usqisq) + j (usqisd - usdisq)

= 0 do đó (1.28) trở thành:

Trên hệ toạ độ tựa theo điện áp lưới, usq

* = usdisd - j usdisq

(1.29) S = P +jQ = usis

(1.30) Từ (1.29) ta dễ dàng suy ra được: P = usdisd

(1.31) Q = - usdisq

Ta viết lại hệ phương trình (1.12) thành:

(1.32)

Từ (1.32) suy ra được:

(1.33)

Thay (1.33) vào (130) và (1.31), rút ra được:

(1.34)

(1.35)

(1.36)

Và từ (1.32) và (1.36), suy ra biểu thức (1.37):

(1.37)

Từ (1.37) ta có kết luận: Dòng irq có quan hệ với sin và tạo ra công suất

phản kháng Q – (1.35). Như vậy nếu áp đặt nhanh và chính xác dòng irq thì đầu ra

của khâu điều chỉnh  có thể được sử dụng để cung cấp giá trị chủ đạo cho dòng irq.

Điều này được thể hiện trên đồ thị hình 1.13:

Từ việc phân tích mô hình toán học phía máy phát sử dụng MĐKĐBNK với

các biến điều khiển vòng trong là các bộ điều khiển dòng phía máy phát. Cùng với

vòng ngoài là các bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng thông

qua các biến điều khiển mômen m, , theo [8, 11], ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc

điều khiển phía máy phát như hình 1.14.

us

is

isd



isq

irq

’s

irq

ird

ir

Hình 1.13: Đồ thị véc tơ dòng, áp, từ thông của MĐKĐBNK

Luới

u v w

MĐN

Từ mạch một chiều trung gian

uDC

Khâu ĐCMM

urd

ura

r

-

mG * mG

TSP

urq

ejr

urb

tr ts tt

S t

MP

ĐCVTKG

isdq

r

usd q

ird

r

irr irs

e-jr

irq

 irβ

- s Khâu ĐCQ

IE n

GTT

r

isd

isu

e-jN

isq

 isβ

isv

’*

i* i*

’*

GTĐ

u*

N

uNu

u*

PLL

uNv

N

uNd =

Hình 1.14: Cấu trúc điều khiển nghịch lưu phía máy phát sử dụng MĐKĐBNK

u v w

Luới

MĐN

Khâu ĐC uDC i*

UDC *

uN

UDC

Khâu ĐCD uN d uNq

uNβ

ejr

tu tv tw

ĐCVTKG

 N

- Khâu ĐCQ

iN

iNd

iNu iNv

e-jr

iNq

iNβ

Tính Q

uNd

u v w

MĐC

UD C

Khâu ĐCMM

urd

ura

r

-

mG * mG

TSP

ejr

urq

urb

tr ts tt

S t

MP

’*sd

ĐCVTKG NL

u*sd

r

isdq

r

q

usd q

ird

-  s Khâu ĐCQ

r

irr irs

e-jr

 irβ

IE n

ir q

GTT

r

isd

isu

e-jN

isq

 isβ

isv

’*

i* i*

’*

GTĐ

u*

N

uNu

u*

PLL

uNv

N

uNd =

Hình 1.15: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát phía máy phát và phía lưới hệ thống phát

điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK

Từ mô hình hệ thống phía máy phát, để có thể hoà được máy phát lên lưới, ta

sử dụng cấu trúc điều khiển phía lưới theo tài liệu [8] và được cấu trúc điều khiển

hệ thống máy phát điện sức gió nối lưới như hình 1.15.

1.4. Kết luận chương 1

Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Tổng quan về hệ thống máy phát điện sức gió với việc sử dụng một số loại

máy điện thông dụng hiện nay cũng như các phương pháp điều khiển có thể áp dụng

để điều khiển.

- Xây dựng cấu trúc điều khiển dòng điện phía máy phát trong hệ thống phát

điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép làm tiền đề đi đến

nghiên cứu các bộ điều khiển dòng phía máy phát ở các chương tiếp theo.

Chương 2

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển PID

Như ở chương 1 ta đã xây dựng được cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát

điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép và được thể hiện trên hình 1.8.

Trong đó phạm vi nghiên cứu của luận văn tập chung vào nghiên cứu bộ điều khiển

dòng phía máy phát và trong chương này bộ điều khiển dòng phía máy phát RI được sử dụng là bộ điều khiển PID. Ta có cấu trúc điều khiển phía máy phát như hình 2.1

và toàn hệ thống như hình 2.2.

Luới

u v w

MĐN

Từ mạch một chiều trung gian

uDC

Khâu ĐCMM

urd

ura

r

-

PID

TSP

urq

ejr

urb

tr ts tt

S t

MP

ĐCVTKG

isdq

mG * mG Q*

r

usd q

- s Khâu ĐCQ

ird

r

irr irs

e-jr

irq

 irβ

IE n

GTT

r

isd

isu

e-jN

isq

 isβ

isv

’*

i* i*

’*

GTĐ

u*

N

uNu

u*

PLL

uNv

N

uNd =

Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển phía máy phát bằng bộ điều khiển PID

u v w

Luới

MĐN

Khâu ĐC uDC i*

UDC *

uN

-

UDC

Khâu ĐCD uN d uNq

uNβ

ejr

tu tv tw

ĐCVTKG

 N

- Khâu ĐCQ

iN

iNd

iNu iNv

e-jr

iNq

iNβ

Tính Q

uNd

u v w

MĐC

UD C

Khâu ĐCMM

urd

ura

r

-

mG * mG

PID

TSP

ejr

urq

urb

tr ts tt

S t

MP

’*sd

ĐCVTKG NL

r

isdq

u*sd q

r

q

usd q

-  s Khâu ĐCQ

ird

r

irr irs

e-jr

 irβ

IE n

ir q

GTT

r

isd

isu

e-jN

isq

 isβ

isv

’*

i* i*

’*

GTĐ

u*

N

uNu

u*

PLL

uNv

N

uNd =

Hình 2.2: Cấu trúc điều khiển toàn hệ thống bằng bộ điều khiển PID

2.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng phía máy phát bằng bộ điều khiển PID

2.2.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển được gọi là PID do được viết tắt từ 3 thành phần cơ bản trong

bộ điều khiển : khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D).

uI e(t) u(t)

với u(t) = uP + uI + uD



Hình 2.3: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID)

e(t) u(t)

Khi sử dụng bộ điều khiển PID nó đảm bảo tính bổ sung hoàn hảo của 3

trạng thái, 3 tính cách khác nhau:

Phục tùng và làm việc chính xác (P)

Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I)

Có khả năng phản ứng nhanh nhạy và sáng tạo (D)

Bộ điều khiển PID được ứng dụng rất rộng rãi đối với các đối tượng SISO

theo nguyên lý phản hồi (feedback) như hình vẽ:

x(t)

e(t) u(t)

Plant

y(t)

PID

(-)

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được mô tả:

Việc xác định các thông số KP, TI, TD quyết định chất lượng hệ thống và ta

có các phương pháp thường gặp:

Phương pháp thực nghiệm dựa trên hàm h(t)

Phương pháp thiết kế trên miền tần số

Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng.

2.2.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)

a. Phương pháp Ziegler – Nichols

*. Phương pháp 1

Phương pháp này thích hợp với mô hình hoặc xấp xỉ với mô hình:

Bộ điều khiển PID được xác định với hàm truyền:

(2.2)

Với các thông số KP, TD, TI tìm được bằng cách tra bảng [3]

*. Phương pháp 2

Phương pháp này thích hợp với lớp đối tượng (1.1) nhưng .

Nội dung pương pháp:

- Tiến hành thực nghiệm với hệ thống điều khiển:

Cho hệ thống làm việc với bộ điều khiển PID theo luật tỷ lệ : TI   và TD

 0, tăng KP tới giá trị tới hạn KPgh  Tgh. KPgh tìm được nhờ phương pháp miền

xác định Kp. Sau khi tìm được Tgh ta tìm luật điều khiển và tham số của nó bằng tra

bảng, phương pháp này có chất lượng chưa đảm bảo, độ quá điều chỉnh lớn max >

40%. Vì vậy phương pháp này dùng để tìm tham số ban đầu cho bộ PID, sau đó

dùng các phương pháp khác để chỉnh định (phương pháp dùng hệ mờ FLC để chỉnh

định).

Ngoài ra phương pháp này có hạn chế là chỉ áp dụng được cho những đối

tượng có được chế độ biên giới ổn định khi hiệu chỉnh bằng hệ số khuếch đại trong

hệ kín.

b. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick

Phương pháp này gần giống với

h(t)

Kdt

phương pháp Ziegder – Nichols 1 song nó sử

dụng trực tiếp hàm h(t) mà không xem nó gần

đúng với khâu quán tính có trễ và thêm giả

Hình 2.5: Đồ thị quá độ

thiết đối tượng ổn định, h(t) dạng chữ s và

Hàm truyền dạng : với n 2 (2.3)

Các bước của phương pháp:

- Xây dựng đường thực nghiệm h(t)

- Xác định các tham số Ta, Tb

- Kiểm tra điều kiện

- Tra bảng để xác định các tham số cho bộ điều khiển [3].

c. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn.

Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng không có độ quá điều

chỉnh, ổn định và động học hình chữ s (đối tượng 2.3). Với:

(2.4)

và gọi A (2.5)

Vậy T có thể được tính từ biểu thức (2.4) hoặc (2.5) từ đó Kuhn đề ra

phương pháp thời gian tổng Kunh để chọn luật điều khiển PID nhờ tra bảng [5].

Đặc biệt phương pháp này rất thích hợp cho đối tượng:

(2.6)

+ Nếu sử dụng PI :

+ Nếu sử dụng PID :

2.2.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số

a. Nguyên tắc thiết kế

u(t)

Wđt(s)

y(t)

Wđk(s)

(-)

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống điều khiển

Một hệ thống điều khiển được mô tả:

Bài toán đặt ra điều khiển sao cho tín hiệu ra phải bám được tín hiệu vào u(t).

Nếu một cách lý tưởng thì hàm truyền hệ kín:

hay (2.7)

Vậy ta cần phải xác định cấu trúc và tham số bộ điều khiển với

mọi để có . Tuy nhiên ta phải lưu ý thiết kế bộ điều khiển

sao cho đáp ứng được trong 1 dải tần số thấp có độ rộng càng lớn càng tốt (nghĩa là

đạt max).

b. Phương pháp tối ưu modul

Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng (2.3)

với (2.8)

Để có nghĩa là sai lệch tĩnh của hệ kín , khi đặt tín hiệu u(t)

= 1(t); ta chọn luật điều khiển PI, theo tài liệu [3] ta có:

với các tham số Kp, TI được chọn:

(2.9)

Có trước và hàm truyền hệ hở có dạng: thể chọn Kp hoặc TI

và đối tượng có cấu trúc hệ hở (hình 3.3) thì

thoả mãn (2.9)

*. Ứng dụng phương pháp:

+ Bù hằng số thời gian lớn nhất của đối tượng:

Xét đối tượng có : ; T1 > T (2.10)

Chọn luật điều khiển sao cho: suy ra

chọn luật PI: và chọn TI = T1  KP =

+ Bù 2 hằng số thời gian lớn nhất của đối tượng:

Xét đối tượng có :

; T1, T2 > T (2.11)

Chọn luật điều khiển sao cho: suy

ra:

Với : (2.12) và chọn TA = T1 ; TB = T2

Ta có : (2.13)

c. Phương pháp tối ưu đối xứng

Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng thuộc lớp II

+ Đối tượng : (2.14)

Tương tự như ở tối ưu modul để sai lệch tĩnh  0. Khi tín hiệu đặt u(t) = 1(t)

ta chọn luật điều khiển PI (Theo lý thuyết điều khiển tự động).

Lúc này thay Wdk(s) vào ta tìm được Wh(s) = Wdk(s). Wdt(s)

(2.15) ; K0 = Kdt.KP

Tham số cần thiết kế là KP và TI : Theo tài liệu Lý thuyết điều khiển tuyến

tính thì để thoả mãn 4:  TI = aT với a

(2.16)

+ Đối tượng : (2.17)

Chọn luật điều khiển PID có :

Với:

Theo tài liệu Lý thuyết điều khiển tuyến tính ta tính được các tham số điều

khiển:

4 và ; TA = T1 ; TB = a.T với a

với (2.18)

2.2.1.3. Phương pháp thực nghiệm

Nội dung của phương pháp là dựa vào mô phỏng trên đối tượng bằng cách ban

đầu cho bộ điều khiển PID chỉ là Kp sau đó tăng Kp đến khi hàm quá độ có dạng dao

động điều hoà và dựa vào đồ thị để suy ra Kp; KI và KD [3].

2.2.1.4. Phương pháp chọn điện trở tích cực [12]

Nội dung phương pháp là dựa trên cấu trúc điều khiển như hình vẽ:

Bước 1 : Xác định hàm truyền của hệ thống với phản hồi qua hệ số điện trở

tích cực Ra (được lựa chọn theo các thông số ước lượng của đối tượng điều khiển).

Bước 2 : Xác định các tham số của bộ điều khiển PID theo điện trở Ra.

Bước3 : Tính giá trị Ra theo các tham số ước lượng của đối tượng điều khiển.

Bước4 : Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID qua mô phỏng.

2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển dòng PID

2.2.2.1. Cơ sở để áp dụng thiết kế bộ điều khiển dòng PID

Từ mô hình toán học của máy phát điện dị bộ nguồn kép và nguyên lý cấu

trúc hệ thống điều khiển hệ thống cho thấy chất lượng điều khiển của hệ thống thực

chất là tập trung vào điều khiển dòng điện phía rotor của máy phát. Vì vậy để đi đến

việc thiết kế bộ điều khiển dòng rotor bằng bộ điều khiển PID kinh điển, ta phân

tích MĐKĐBNK thành 2 thành phần động học phần điện He và động học phần cơ

Hm như hình 2.7 [13]:

ir



He

Hình 2.7: Phân tích MĐKĐBNK thành động học phần điện và phần cơ

véc tơ tín hiệu điều khiển MĐKĐBKN theo phương pháp PID.

Ở đây có thể xem động học của máy phát gồm động học phần điện và động

học phần cơ được đặc trưng bởi các hàm Lagrange tương ứng , với

các biến trạng thái .

Trong đó: q: tổng điện tích qua mỗi cuộn dây;

: vị trị góc cơ học của rotor;

(2.19)

(2.20)

với là ma trận quán tính điện từ.

Và đặt là hàm tiêu thụ của phần điện và cơ tương

ứng, R ma trận điện trở, thể hiện sự tiêu thụ năng lượng điện. Tuy nhiên trong

trường hợp này coi hệ số ma sát f của trục máy phát bằng không, nên .

Hai công thức trên được đưa ra với các giả thiết: bỏ qua ảnh hưởng điện

dung của các cuộn dây, trục của rotor là cứng và đặc tính từ kháng của máy phát là

phân bố đều. Với giả thiết này thì hàm thế năng của máy phát sẽ bằng không

 Áp dụng hệ EL [13] cho phương trình (2.19) ta có các kết quả sau:

(2.21)

suy ra: (2.22)

(2.61)

(2.23)

Tác động đầu vào: (2.24)

với là ma trận đầu vào, I2 là ma trận đơn vị 2×2.

Như vậy hệ EL đối với động học phần điện như sau:

(2.25)

hay

Từ phương trình (2.65), rút ra được công thức áp dụng cho phía rotor của

máy phát:

(2.26)

(2.27)

Tương tự, ta có phương trình phía stator:

2.2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển PID

Như đã đề cập từ trước, điều khiển dòng điện rotor của máy phát sẽ làm thay

đổi được từ trường Stato (hoặc từ trường của lưới) dẫn đến thay đổi được điện áp

của máy phát. Xuất phát từ biểu thức (2.26), (2.27) ta khử is và Ψr, biến đổi và sử

dụng các thông số ước lượng ta được:

(2.30)

Ký hiệu “~” chỉ các thông số ước lượng, kE là hệ số luật điều khiển [12]

kE = 0 Nếu điều khiển không xét đến E

kE = 1 Nếu điều khiển xét đến E

Ra : Điện trở tích cực

Từ đó đưa ra sơ đồ cấu trúc của vòng kín điều khiển dòng điện phía Roto

như hình 2.8.

Hình 2.8:. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển phía Rotor

Từ hình 2.8 ta có được:

(2.31)

Như vậy hàm truyền từ u’r đến ir sẽ là:

(2.32)

Theo [10] các hệ số của bộ điều khiển PI là:

(2.33)

αc: Giải thông vòng lặp kín của hệ động lực học dòng điện

Do vậy hàm truyền của vòng lặp kín sẽ là:

(2.34)

Tính chọn điện trở Ra:

Nếu đặt điện trở thì hàm truyền từ E đến ir trong

hình 2.8 sẽ là:

(2.35)

kR cũng là một hệ số luật điều khiển, tương tự như kE

kR = 0 Nếu điều khiển không xét đến Ra

kR = 1 Nếu điều khiển xét đến Ra

Như vậy 2.35 trở thành:

(2.36)

Khi Ra >0 thì giá trị nhỏ nhất của αc sẽ là:

(2.37)

2.2.3. Các bộ điều chỉnh số cho các mạch vòng điều khiển ngoài

Các vòng điều chỉnh ngoài được thiết kế là các khâu PI số, trong đó có vòng

điều chỉnh mô men. Thông thường ở vòng ngoài việc chọn chu kỳ trích mẫu được

lựa chọn theo Shannon T  10 lần chu kỳ trích mẫu ở vòng trong. Tuy nhiên đối với

hệ thống máy phát điện sức gió có đặc điểm là cần áp mô men nhanh thì chu kỳ

trích mẫu được chọn nhỏ hơn T  4 lần chu kỳ trích mẫu ở vòng trong (mô phỏng với T = 4*2,5.10-4s= 10-3s).

Việc thiết kế các vòng điều khiển ngoài là các bộ điều khiển PI số gồm:

Vòng điều chỉnh mô men mG và vòng điều suất phản kháng Q. Khi thiết kế theo [8,

19] có kể đến hiện tượng tín hiệu đầu ra đi vào vùng bão hoà và được xác định:

(2.38)

Gọi xe là sai lệch điều chỉnh và y là tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh số PI.

Khi đó bộ điều khiển PI sẽ được viết dưới dạng phương trình sai phân như sau:

(2.39)

Hay suy ra được từ (2.39) :

(2.40)

Như ta đã biết tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PI số luôn có giá trị giới hạn.

Vì vậy để ngăn ngừa xảy ra hiện tượng dao động của hệ thống khi ra khỏi vùng giới

hạn, ta sử dụng phương pháp hiệu chỉnh ngược trở lại đối với sai số điều chỉnh.

2.2.4. Tính toán giá trị thực và giá trị đặt

Từ các bộ điều khiển, ta thấy cần phải xác định các giá trị thực và giá trị đặt.

Để xác định chúng, như trên sơ đồ hình 2.2 ta sử dụng khối GTT có nhiệm vụ tính

toán giá trị thực để cung cấp cho các bộ điều khiển và khâu chuyển toạ độ. Cụ thể

của việc tính toán là [51]:

Tính từ thông Stato: (2.41)

Tính mômen: (2.42)

Tính mô đun dòng stator: (2.43)

Tính sin: (2.44)

Tính tần số góc trượt: (2.45) r = N - 

Tính góc trượt: (2.46) r = N - 

với

Các giá trị mômen và  được sử dụng để phản hồi điều chỉnh, và cả hai bộ

điều khiển đều là kiểu PI. Giả thiết gọi đầu ra 2 bộ điều khiển là mômen và  là yM

và y, khi đó khối tính giá trị đặt dòng điện thực hiện các phép tính sau:

- Giá trị cần của dòng sản sinh ra mômen:

(2.47)

- Giá trị dòng sản sinh ra sin:

(2.48)

Các giá trị đặt còn lại được xác định:

- Giá trị từ thông:

+ Từ (2.41), suy ra: (2.49)

+ Tương tự từ (2.41) ta có: (2.50)

- Giá trị điện áp stato:

(2.51)

2.3. Kết quả mô phỏng

Để xác định được thông số cụ thể của bộ điều khiển, ta lựa chọn máy điện dị bộ

nguồn kép có các thông số như bảng 1:

Pđm = 1,1 KW

Uđmr = 345 V

Rr = 3.7 

nđm =950 V/ph

Uđms = 220/380(/)

Ls = 0.013H

fđm = 50 Hz

Rs =4.2 

Ls = 0.0089H

zp = 3

Lm = 0,34H

Cosđm = 0.657

J= 0.096Kgm2

Mã hiệu: VM Việt Nam

Iđm = 3,5A

Bảng 1. Thông số của MĐKĐBNK dùng làm máy phát điện sức gió

Với thông số của đối tượng trên ta có bộ điều khiển PID :

- Thành phần ird : Với Kp= 5 ; KI=0,9

- Thành phần irq : Với Kp= 25 ; KI=0,05

Hình 2.9: Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống

2.3.1. Sơ đồ mô phỏng:

Hệ thống mô phỏng bằng Matlab-Simulink-Plecs gồm các khối cơ bản sau:

- Khối mô tả hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK:

Hình 2.10: Các khối mô phỏng bên trong của lưới, bộ biến đổi và máy phát

Hình 2.11: Khối bộ biến đổi nghịch lưu phía lưới và phía máy phát

- Khối tính toán giá trị đặt

Hình 2.12: Các vòng điều khiển ngoài để tính toán ird

* và irq

+ Khâu tính toán các dòng đặt rotor:

Hình 2.13: Khối tính toán các giá trị dòng, áp, từ thông đặt

+ Khâu tính giá trị dòng, áp, từ thông đặt:

Hình 2.14: Khối bộ điều khiển dòng rotor sử dụng bộ điều khiển PID

Hình 2.15: Khối điều khiển phía lưới

+ Khối điều khiển dòng rotor:

2.3.2. Kết quả mô phỏng:

a) Khi máy phát làm việc ở tốc độ định mức

Hình 2.16: Đáp ứng dòng điện ird và irq theo giá trị đặt

Hình 2.17: Đáp ứng điện áp pha stator máy phát và lưới

Hình 2.18: Đáp ứng điện áp lưới và stator máy phát trước và sau khi đã hoà đồng bộ (tại

0,35s)

- Kiểm tra việc thực hiện hoà đồng bộ máy phát lên lưới

Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển đã điều chỉnh các dòng điện

ird và irq đảm bảo ird = 0 và irq < 0, sau 0,12s điện áp pha của lưới và máy phát trùng

nhau (hình 2.17). Như vậy sau 0,12s là có thể thực hiện hoà đồng bộ máy phát lên

lưới. Ta thực hiện hòa đồng bộ tại 0,35s cho thấy chúng vẫn trùng nhau, với sai lệch

lớn nhất 1,1% (hình 5.18), trong khi dòng rotor luôn giữ ird = 0 và

thoả mãn điều kiện hoà đồng bộ đặt ra.

- Kiểm tra chất lượng của hệ thống điều khiển khi hệ thống máy phát điện

Hình 2.19: Đáp ứng momen và công suất phản kháng

Hình 2.20: Đáp ứng dòng điện rotor máy phát khi đã hòa vào lưới (phát công suất tác dụng

và phản kháng)

sức gió (sau khi hoà đồng bộ)

Nhận xét:

Kết quả mô phỏng mô men và công suất phản kháng ở hình 2.19 cho thấy

khi có bộ điều khiển dòng PID và các mạch điều khiển vòng ngoài mômen, Q (khâu

PI), mô men thực và công suất phản kháng thực đã bám các giá trị môn men và Q

đặt. Cũng từ kết quả hình 2.20 cho thấy các thành phần dòng điện rotor ird và irq

cũng bám tốt các giá trị đặt khi máy phát hòa vào lưới (phát công suất P, Q).

b) Khi máy phát làm việc (sau khi đã hòa vào lưới điện) ở tốc độ trên đồng bộ

Hình 2.21: Đáp ứng dòng điện rotor máy phát khi đã hòa vào lưới (phát công suất

tác dụng và phản kháng)

Hình 2.22: Đáp ứng momen và công suất phản kháng

(1050v/ph)

c) Khi máy phát làm việc (sau khi đã hòa vào lưới điện) ở tốc độ dưới

Hình 2.23: Đáp ứng dòng điện rotor máy phát khi đã hòa vào lưới (phát công suất

tác dụng và phản kháng)

Hình 2.24: Đáp ứng momen và công suất phản kháng

đồng bộ (850v/ph)

Nhận xét:

Từ các kết quả mô phỏng mô men và công suất phản kháng trong cả 2 trường

hợp trên và dưới tốc độ đồng bộ từ các hình 2.21 đến hình 2.24 cho thấy các thành

phần dòng điện rotor ird và irq; P và Q cũng bám tốt các giá trị đặt khi máy phát đã

hòa vào lưới điện.

2.4. Kết luận chương 2

Chương 2 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Cấu trúc điều khiển hệ thống với bộ điều khiển dòng phía máy phát bằng bộ

điều khiển PID.

- Tổng quan về bộ điều khiển PID.

- Thiết kế được bộ điều khiển dòng PID để điều khiển nghịch lưu phía máy

phát hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ba pha

nguồn kép.

- Đánh giá chất lượng của hệ thống qua mô phỏng trong các trường hợp tốc

độ định mức, trên và dưới đồng bộ.

Chương 3

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BẰNG BỘ ĐIỀU

KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID

3.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ [4]

Khi gặp các bài toán điều khiển mà đối tượng khó mô tả bởi một mô hình toán

học hoặc có thể mô tả được song mô hình của nó lại phức tạp và phi tuyến, hay có

các tham số thay đổi, đối tượng biến đổi chậm có trễ . . ., thì logic mờ tỏ ra chiếm ưu

thế rõ rệt. Ngay cả ở những bài toán điều khiển đã thành công khi sử dụng nguyên tắc

điều khiển kinh điển thì việc áp dụng điều khiển logic mờ vẫn mang lại cho hệ thống

sự cải tiến về tính đơn giản, gọn nhẹ và nhất là không phải thay bằng bộ điều khiển

khác khi tham số của đối tượng bị thay đổi trong một phạm vi khá rộng, điều này bộ

điều khiển kinh điển không đáp ứng được. Chính vì vậy trong đề tài này tôi sử dụng

thuật toán chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID kinh điển để phát huy những ưu

điểm của bộ điều khiển kể trên.

3.1.1. Hệ Logic mờ

3.1.1.1 Khái niệm về tập mờ

Tập mờ là một tập hợp mà mỗi phần tử cơ bản của nó còn được gán thêm một

giá trị thực trong khoảng [0,1] để chỉ thị “độ phụ thuộc” của phần tử đó vào tập mờ

đã cho. Khi độ phụ thuộc bằng 0 thì phần tử cơ bản đó sẽ hoàn toàn không thuộc tập

đã cho (xác suất phụ thuộc bằng 0), ngược lại với độ phụ thuộc bằng 1, phần tử cơ

bản sẽ thuộc tập hợp với xác suất 100.

Như vậy, bên cạnh phần tử x, để xác định xem x có thuộc tập mờ hay không

còn cần phải có thêm độ phụ thuộc (x). Nếu ký hiệu x là phần tử cơ bản và (x) là

độ phụ thuộc của nó thì cặp [x, (x)] sẽ là một phần tử của tập mờ. Cho x chạy khắp

trong tập hợp, ta sẽ có hàm (x) và hàm này được gọi là "hàm thuộc".

Một tập mờ được định nghĩa trên tập kinh điển A là tập các hàm liên thuộc

A(x) được biểu diễn bởi hai giá trị là 1 khi x  A và 0 khi x  A, ví dụ A={xR /

Ngoài ra tập mờ còn được biểu diễn bởi các hàm liên thuộc:

- Hàm hình thang

- Hàm Gauss

- Hàm hình chuông

A(x )

Hình 3.1: Hàm thuộc biến ngôn ngữ

- Hàm Singleton (hay Kronecker)

3.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Khối mờ hoá, khối hợp

thành, khối luật mờ và khối giải mờ (hình 3.2).

Khối mờ

Khối hợp

Khối giải

hoá

thành

mờ

Khối luật mờ

Hình 3.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

*. Luật hợp thành mờ

Bộ thông số vào/ra mờ được định nghĩa trên cơ sở là các biến ngôn ngữ vào ra

là các hàm liên thuộc được coi như là các neural (hệ thần kinh). Vì vậy hệ logic mờ

được coi như hệ làm việc có tư duy như “bộ não dưới dạng trí tuệ nhân tạo”. Nếu

khẳng định khi sử dụng hệ logic mờ trong điều khiển là có thể giải quyết được mọi

bài toán mà hệ điều khiển kinh điển PID chưa giải quyết được thì chưa hẳn đã chính

xác, vì hoạt động của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm hiểu

biết đối tượng và tổng kết những kết quả theo tư duy của người làm điều khiển, từ

đó mới xác định được tham số tối ưu cho bộ điều khiển mờ. Với các đặc điểm trên

có thể nói bộ điều khiển mờ có hai tính chất cơ bản:

- Một hệ thống trí tuệ nhân tạo (điều khiển thông minh)

- Một hệ thống điều khiển được thiết kế mà không cần biết trước mô hình của

đối tượng.

Bộ não của hệ logic mờ là luật hợp thành và luật hợp thành là tên chung gọi

mô hình R biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp

thành, nói cách khác luật hợp thành được hiểu là một tập hợp của nhiều mệnh đề

hợp thành có chung một dạng cấu trúc:

(3.1) Nếu A1 = Ak1 và . . . và An = Akn Thì B1 = Bk1 và . . . và Bm = Bkm

với k = 1,2,…

- Luật hợp thành đơn cho hai loại: cấu trúc SISO; cấu trúc MISO

Một luật hợp thành có thể có các dạng:

- Luật hợp thành có nhiều mệnh đề hợp thành

Hình 3.3: Luật hợp thành

Ta có thể mô tả các dạng luật hợp thành như hình 3.3

*. Luật hợp thành với một tín hiệu điều khiển và một đáp ứng ra của hệ logic H×nh 2.4: LuËt hîp thµnh lµ bé n·o cña bé ®iÒu khiÓn mê.

mờ được gọi là Luật hợp thành đơn. Các mệnh đề của luật hợp thành đơn có dạng:

Nếu A = A Thì B = B.

Về bản chất, mệnh đề hợp thành đơn chính là một phép toán “phép suy diễn”

(Từ A suy ra B). Những “tín hiệu” vào/ra Ak/Bk của luật hợp thành được gọi là

biến ngôn ngữ . Những giá trị Ak1 và Bk1 của biến ngôn ngữ trong hệ logic mờ được

gọi là các giá trị ngôn ngữ.

*. Như ở hình 3.3 đã minh họa thì một hệ logic mờ MIMO đều có thể đưa

được về thành mạng nối song song của nhiều hệ logic mờ MISO.

Bởi vậy để cài đặt mệnh đề hợp thành với cấu trúc:

(3.2) Nếu A1=Ak1 và  và An=Akn thì B1=Bk1 và  và Bm=Bkm

Cho hệ logic mờ MIMO ta chỉ cần cài đặt nhiều lần song song mệnh đề có một

đầu ra ứng với hệ MISO là đủ:

(3.3) Nếu A1=Ak1 và  và An=Akn thì B=Bk

*. Để cài đặt luật hợp thành có các mệnh đề dạng (3.2) ta thực hiện các bước

sau: Thực hiện việc kết hợp (mờ hóa) tất cả các giá trị đầu vào các biến ngôn ngữ

Ak(đầu vào) để có được một giá trị Hq duy nhất làm đại diện hình (3.4). Giả sử rằng

tại đầu vào có các giá trị rõ xj(của đầu vào Aj ). Vậy để tính giá trị đại diện Hq

tương ứng của mệnh đề hợp thành đó ta tiến hành hai bước sau:

- Xác định tất cả các giá trị Hqj =Aqj(xj ).

- Xác định Hq là giá trị nhỏ nhất trong số các giá trị Hqj đã tính được.

Nếu A1 = A11 và . . . và Am = A1m th ì B = B1 Nếu A1 = Ak1 và . . . và Am = Akm th ì B = Bk

Với q = 1, 2, . . ., k

Hq =

Nếu A1 = Aq1 và . . . và Am = Aqm th ì B = Bq

Nếu A = Aq th ì B = Bq

A có giá trị rõ đầu vào là xj = 1, 2, ..., m

Giá trị Hq được gọi là độ thỏa mãn đầu vào của mệnh đề hợp thành kép đã

cho và lúc này mệnh đề đó được xem như tương đương với mệnh đề đơn.

(3.4) Nếu A=Aq thì B= Bq ,

Trong đó là tập mờ nhận Hq làm độ thỏa mãn. Nói cách khác từ các giá trị rõ

xj của các đầu vào Ak ta đã thông qua những tập mờ Akj chuyển thành một giá trị rõ

x làm đại diện để với nó có được:

Hq = (x). (3.5)

Thực hiện phép suy diễn mờ để xác định giá trị mờ Bq cho mệnh đề hợp thành

(3.4).

Hình 3.4: Thực hiện phép suy diễn mờ

Kết quả phép suy diễn mờ AB sẽ là một tập mờ B' cùng nền với B và có hàm

thuộc AB(y) thỏa mãn:

(3.6) A(x)  AB(y) với mọi A(x), B(y)  0,1.

(3.7) Khi B(y) = 0 sẽ có AB(y) =0.

(3.8) Nếu có A1 (x) < A2 (x) thì cũng có A1B(y) < A2B(y)

(3.9) Nếu có B1 (y) < B2 (x) thì cũng có AB1 (y) < AB2 (y)

Hai công thức xác định AB(y) thường được dùng trong điều khiển là:

(3.10) AB(y) = minA(x0), B(y) Luật min.

(3.11) AB(y) = A(x0)B(y) Luật prod.

Thực hiện phép hợp mờ để có được giá trị mờ cho luật hợp thành từ tất cả các

giá trị mờ của từng mệnh đề hợp thành trong luật hợp thành đó.

Hình 3.5: Hợp mờ

Hình 1.23. Thực hiện phép hợp mờ

Việc thực hiện phép hợp mờ được minh họa trong hình (3.5).

Hợp AB của hai tập mờ A và B được hiểu là một tập mờ gồm tất các phần tử

của hai tập A, B đã cho, trong đó hàm thuộc AB (x) của phần tử của AB không

được mâu thuẫn với phép hợp của hai tập kinh điển. Hai công thức thường dùng

trong điều khiển là:

(3.12) AB(x) = maxA(x) , B(x) Luật MAX.

(3.13) AB(x) = min1, A(x)+B(x) Luật SUM.

Tóm lại, nếu:

Mệnh đề “Nếu A=A1 thì B =B1 “ có giá trị là C1

(3.14) Mệnh đề “Nếu A =Ak thì B =Bk “ có giá trị là Ck

thì toàn bộ luật hợp thành sẽ có giá trị là C = C1    Ck .

*. Giải mờ

Sau khi đã có kết quả của luật hợp thành là một tập mờ, trước khi đưa ra giá trị

điều khiển ta phải giải mờ tập mờ đó. Điều đó cũng dễ hiểu vì đối tượng chỉ làm

việc với những giá trị cụ thể (giá trị rõ) chứ không làm việc với những giá trị mờ

(tập mờ).

Giải mờ là quá trình xác định một giá trị rõ y0 nào đó từ tập nền của tập mờ B'

để làm đại diện cho B' (là tập mờ kết quả của luật hợp thành).

Trong điều khiển thường sử dụng ba phương pháp giải mờ chính:

Điểm trung bình: Giá trị rõ y0 là giá trị trung bình của các giá trị có độ thỏa

mãn cực đại của B’(y). Nguyên lý này thường được dùng khi miền dưới hàm B’(y)

là một miền lồi và như vậy y0 cũng sẽ là giá trị có độ phụ thuộc lớn nhất. Trong

trường hợp B' gồm các hàm liên thuộc dạng đối xứng thì giá trị rõ y0 không phụ

thuộc vào độ thỏa mãn đầu vào của luật điều khiển.

Điểm cực đại: Giá trị rõ y0 được lấy bằng cận trái/phải cực đại của B’(y).

Giá trị rõ lấy theo nguyên lý cận trái/phải này sẽ phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa

mãn đầu vào của luật điều khiển hình 3.6.

Điểm trọng tâm: Phương pháp này sẽ cho ra kết quả y0 là hoành độ của

điểm trọng tâm miền được bao bởi trục hoành và đường B’(y). Đây là nguyên lý

được dùng nhiều nhất.

Hình 3.6: Những nguyên lý giải mờ

*. Cấu trúc hệ logic mờ

Giống như một bộ điều khiển kinh điển, một hệ logic mờ cũng có thể có nhiều

tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra. Ta phân chia chúng thành các nhóm

+ Nhóm SISO có một đầu vào và một đầu ra.

+ Nhóm MIMO có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.

+ Nhóm SIMO có một đầu vào và nhiều đầu ra.

Hình 3.7: Cấu trúc một hệ logic mờ

+ Nhóm MISO có nhiều đầu vào và một đầu ra.

Do bản chất là một hệ thực hiện các luật hợp thành (kinh nghiệm điều khiển của con người) trong đó các kinh nghiệm này lại thể hiện dưới dạng ngôn ngữ có

các giá trị ngôn ngữ là tập mờ nên một hệ logic mờ phải có các khâu cơ bản như

hình 3.7.

+ Khâu Fuzzy hóa có nhiệm vụ chuyển đổi một giá trị rõ đầu vào x0 thành

một vector  gồm các độ phụ thuộc của giá trị rõ đó theo các giá trị mờ (tập mờ) đã

định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào.

+ Khâu thực hiện luật hợp thành, có tên gọi là thiết bị hợp thành, xử lý

vector  và cho ra giá trị mờ B' của biến ngôn ngữ đầu ra.

+ Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B' thành một giá trị rõ y'

chấp nhận được cho đối tượng (tín hiệu điều chỉnh).

3.1.2. Bộ điều khiển mờ

3.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động

Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ có xét tới các trạng thái động của

đối tượng. Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ

ngoài tính hiệu sai lệch e theo thời gian còn có các đạo hàm, tích phân của sai lệch

giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các thay đổi đột xuất của đối tượng.

Các bộ điều khiển mờ hay được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo luật

tỷ lệ tích phân, tỷ lệ vi phân và tỷ lệ vi tích phân(I, PI, PD và PID).

*. Bộ điều khiển PD

Bộ điều khiển mờ PD được mô tả như sơ đồ sau:

P

Đối tượng

Bộ điều khiển mờ

det

Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD

*. Bộ điều khiển PI

Bộ điều khiển mờ PI được mô tả như sơ đồ sau:

P

I

Đối tượng

Bộ điều khiển mờ

det

Hình 3.9: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1)

Ta cũng có thể sử dụng mô hình sau để giải quyết bài toán điều khiển có xét

tới trạng thái động của đối tượng.

Đối tượng

hoặc

Bộ điều khiển mờ

I

Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2)

3.1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi

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 trực tiếp được

tổng quát trên sơ đồ hình 3.11.

+ Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi gián tiếp được

tổng quát trên sơ đồ hình 3.12.

Bộ chỉnh định mờ Nhận dạng tham số

x

Bộ điều khiển

Đối tượng

-

y

Hình 3.11: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

Nhận dạng tham số

Bộ chỉnh định mờ

x

Bộ điều khiển

Đối tượng

-

y

Hình 3.12: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp

3.1.2.3. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID có cấu trúc như hình 3.13.

Bộ điều khiển mờ

x

Đối tượng

-

KI KD KP Bộ điều khiển PID

y

Hình 3.13: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

khiển PID cho thấy dễ dàng xây dựng được cấu trúc điều khiển cho hệ thống máy

phát điện sức gió tương tự như ở chương 2, ta thay bộ điều khiển PID bằng bộ điều

Từ nguyên lý điều khiển của bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều

khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. Như vậy từ hình 1.15, ta được cấu

trúc điều khiển toàn hệ thống với RI là bộ điều khiển mờ chỉnh đinh tham số bộ điều

khiển PID như hình 3.14:

u v w

Luới

MĐN

Khâu ĐC uDC i*

uN

-

UDC

UDC *

Khâu ĐCD uN d uNq

uNβ

ejr

tu tv tw

ĐCVTKG

 N

- Khâu ĐCQ

iN

iNd

iNu iNv

e-jr

iNq

iNβ

Tính Q

uNd

u v w

MĐC

UD C

Khâu ĐCMM

urd

ura

r

-

mG * mG 3~

TSP

urq

ejr

urb

Mờ cđ PID

tr ts tt

S t

Q*

MP

’*sd

ĐCVTKG NL

r

isdq

u*sd q

r

q

usd q

-  Khâu ĐCQ s

ird

r

irr irs

e-jr

 irβ

IE n

ir q

GTT

r

isd

isu

e-jN

isq

 isβ

isv

’*

i* i*

’*

GTĐ

u*

N

uNu

u*

PLL

uNv

N

uNd =

Hình 3.14: Cấu trúc điều khiển toàn hệ thống với bộ điều khiển dòng mờ chỉnh định tham số PID phía máy phát điện sức gió

3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID [4]

3.2.1. Phương pháp thiết kế

Bộ điều khiển PID kinh điển được thiết kế dựa trên các phương pháp đã biết như

phương pháp tổng hợp hệ thống Ziegler và Nichols, phương pháp của Offerein,

phương pháp của Reinisch … Bộ điều khiển này là cơ sở cho việc tổng hợp hệ thích

nghi sau này. Khác với phương pháp dùng công tắc chọn bộ điều khiển phù hợp

trong hệ lai, các thông số của bộ điều khiển thích nghi được hiệu chỉnh trơn. Một bộ

điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu ra u(t) có mô hình toán học như sau:

(2.13)

(2.14) Hoặc

trong đó: và

Bộ chỉnh

định mờ

Thiết bị chỉnh định

…

x

Đối tượng Bộ điều khiển PID

-

Hình 3.15 Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID

y

KP

Bộ chỉnh định mờ 1

e

KD

Bộ chỉnh định mờ 2



Hình 3.16 Bên trong bộ điều chỉnh mờ

Bộ chỉnh định mờ 3

Các tham số KP, TD, TI hay KP, KI, KD của bộ điều khiển PID được chỉnh định trên cơ sở phân tích tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống, chính xác hơn

là sai lệch e(t) và đạo hàm của sai lệch. Có nhiều phương pháp chỉnh định các

tham số cho bộ điều khiển PID như chỉnh định qua phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định

trực tiếp, song phương án đơn giản và dễ áp dụng hơn cả là phương pháp chỉnh định mờ của Zhao, Tomizuka và Isaka (hình 2.1). Với giả thiết các tham số KP, KD bị

chặn, tức là:

và

Zhao, Tomizuka và Isaka đã chuẩn hóa các tham số đó như sau:

và

để có 0 1. kP, kD

Như vậy bộ chỉnh định mờ sẽ có hai đầu vào là e(t), và 3 đầu ra là kP,



kD và . Trong đó:

C1 C2 C3 C4

A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6

0 emax



3

5

4

1

2

6

Hình 3.17: Tập mờ e và e’

Hình 3.18: Tập mờ 



-emax

B1

B2

0 KP; KD

1

Hình 3.19 Tập mờ Kp và KD

Ở đây ta thiết kế thành ba bộ điều khiển mờ để chỉnh định từng tham số, sau

đó được tích hợp thành bộ chỉnh định mờ có hai đầu vào là e(t), và 3 đầu ra

là KP, KD và . Với 7 tập mờ đầu vào (hình 2.7), 2 tập mờ đầu ra cho biến KP, KD

(hình 2.9) và 4 tập mờ đầu ra  (hình 2.8). Triển khai mệnh đề hợp thành theo

nguyên tắc Max-prod và giải mờ bằng phương pháp độ cao.

Các luật chỉnh định:

* Luật chỉnh định Kp:

* Luật chỉnh định KD:

* Luật chỉnh định :

3.2.2. Nhận xét

- Phương pháp thiết kế đơn giản và dễ dàng thay đổi luật mờ

- Dùng để nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID kinh điển

3.3. Đánh giá chất lượng bằng mô phỏng Matlab/Simulink

3.3.1. Sơ đồ mô phỏng

Sơ đồ mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ

Hình 3.20: Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống với bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

Hình 3.21: Khối bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

điều khiển PID

Trong đó bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID có cấu trúc

mô phỏng:

Hình 3.22: Sơ đồ mô phỏng cấu trúc bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

3.3.2. Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID

với bộ điều khiển PID

a) Khi máy phát làm việc ở tốc độ định mức (950v/ph)

Hình 3.23b: Đáp ứng dòng điện rotor của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

Hình 3.23a: Đáp ứng dòng điện rotor của máy phát với bộ điều khiển PID

Hình 3.24a: Đáp ứng điện áp một pha stator của máy phát với bộ điều khiển PID

Hình 3.24b: Đáp ứng điện áp một pha stator của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

- Kiểm tra việc thực hiện hoà đồng bộ máy phát lên lưới

Hình 3.25a: Sai lệch điện áp một pha stator của máy phát và lưới với bộ điều khiển PID

Hình 3.25b: Sai lệch điện áp một pha stator của máy phát và lưới với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ

điều khiển PID đã cải thiện được chất lượng điều khiển so với bộ điều khiển PID

như đáp ứng dòng rotor tốt hơn (hình 3.23ab), thời gian để điện áp pha của lưới và

máy phát trùng nhau ngắn hơn (Hình 3.24ab) cũng như sai lệch lớn nhất 1% (hình

3.25a), trong khi với bộ điều khiển PID là 1,1% (hình 3.25b).

- Kiểm tra chất lượng của hệ thống điều khiển khi hệ thống máy phát điện

Hình 3.26a: Đáp ứng momen của máy phát với bộ điều khiển PID

Hình 3.26b: Đáp ứng momen của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

Hình 3.27a: Đáp ứng công suất Q của máy phát với bộ điều khiển PID

Hình 3.26b: Đáp ứng công suất Q của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

sức gió (sau khi hoà đồng bộ)

Hình 3.28a: Đáp ứng dòng rotor của máy phát với bộ điều khiển PID

Hình 3.28b: Đáp ứng dòng rotor của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

b) Khi máy phát làm việc (sau khi đã hòa vào lưới điện) ở tốc độ trên đồng bộ

Hình 3.29a: Đáp ứng dòng rotor của máy phát với bộ điều khiển PID

Hình 3.29b: Đáp ứng dòng rotor của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

(1050v/ph)

Hình 3.30a: Đáp ứng momen của máy phát với bộ điều khiển PID

Hình 3.30b: Đáp ứng momen của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

Hình 3.31b: Đáp ứng Q của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

Hình 3.31a: Đáp ứng Q của máy phát với bộ điều khiển PID

c) Khi máy phát làm việc (sau khi đã hòa vào lưới điện) ở tốc độ dưới

đồng bộ (850v/ph)

Hình 3.32a: Đáp ứng dòng rotor của máy phát với bộ điều khiển PID

Hình 3.32b: Đáp ứng dòng rotor của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

Hình 3.33a: Đáp ứng momen của máy phát với bộ điều khiển PID

Hình 3.33b: Đáp ứng momen của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

Hình 3.34a: Đáp ứng Q của máy phát với bộ điều khiển PID

Hình 3.34b: Đáp ứng Q của máy phát với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID

Nhận xét:

Từ kết quả mô phỏng dòng điện, mô men (công suất tác dụng P) và công suất

phản kháng Q ở các chế độ làm việc trên đồng bộ, dưới đồng bộ và định mức từ các

hình 3.26ab đến hình 3.36ab cho thấy chất lượng điều khiển của bộ điều khiển mờ

chỉnh định tham số bộ điều khiển PID đã được cải thiện, điều này đã khẳng định

tính đúng đắn của thuật toán đặt ra.

3.4. Kết luận chương 3

Chương 3 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Tổng quan được những vấn đề cơ bản về hệ logic mờ và điều khiển mờ.

- Đưa ra được phương pháp thiết kế bộ điều khiển chỉnh định tham số bộ

điều khiển PID để thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng.

- Mô phỏng hệ thống.

- Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió bằng bộ

điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID so với bộ điều khiển PID.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận:

Nội dung cơ bản của luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng điều khiển

mờ cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ba pha

nguồn kép. Nhiệm vụ cụ thể là 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.

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn đã hoàn thành các chương sau:

Chương 1: Xây dựng mô 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 quả của luận văn đã đạt được là: Thiết kế được bộ điều khiển mờ chỉnh

định tham số bộ điều khiển PID, tiến hành đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết

bằng mô phỏng Matlab-Simulink-Plecs. Qua sự đánh giá này đã cho thấy tính đúng

đắn của thuật toán đã được áp dụng để điều khiển hệ thống. Ngoài ra với phương

pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID qua mô phỏng cho thấy

chất lượng đã được cải thiện so với bộ điều khiển PID.

2. Kiến nghị:

Với thời gian nghiên cứu còn ít, kiến thức và kinh nghiệm về thực tiễn có hạn,

cho nên nội dung luận văn còn một số hạn chế. Tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu hoàn

thiện để có thể áp dụng tốt kết quả nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này,

nhất là áp dụng các bộ điều khiển hiện đại vào các đối tượng trong thực tế sản xuất.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1]

Phạm Lê Chi, Nguyễn Quang Tuấn, Nguyễn Phùng Quang (2005), "Cấu trúc tách kênh trực tiếp điều khiển hệ thống máy phát điện không đồng bộ nguồn kép", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (6), tr. 28 - 35.

[2]

Lại Khắc Lãi, Nguyễn Văn Huỳnh (2009), "Một phương pháp điều khiển tốc độ turbin gió trục đứng", Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, (11) tr. 45-49.

[3]

Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội.

[4]

Nguyễn Doãn Phước  Phan Xuân Minh (2002), Lý thuyết điều khiển mờ in lần thứ 3 có sửa chữa bổ sung , Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

[5]

Nguyễn Doãn Phước (2005), "Khảo sát mối liên quan giữa các khái niệm cùng tên thuộc lý thuyết điều khiển tuyến tính và phi tuyến", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (6), tr. 56 - 60.

[6]

Nguyễn Doãn Phước, Nguyễn Tiến Hiếu (2005), "Tổng quan về phương pháp điều khiển tựa theo thụ động và một số kết quả nghiên cứu mở rộng", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (12), tr. 10 - 21.

[7]

Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội.

[8]

Nguyễn Phùng Quang (1998), "Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát điện sức gió: Các thuật toán điều chỉnh bảo đảm phân ly giữa mô men và hệ số công suất", Tuyển tập VICA 3, tr. 413-437.

[9]

Nguyễn Phùng Quang (1996) Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha. NXB Giáo dục, Hà Nội.

[10]

Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002), Truyền động điện thông minh, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội.

Tiếng Anh

[11] Allmeling J. H., Hammer W. P, Plecs - Piece - wise linear Electrical circuit

simulation for simulink.

Induction Generators for Wind Turbines”, THESIS FOR THE DEGREE OF

DOCTOR OF PHILOSOPHY, Division of Electric Power Engineering Department

of Energy and Environment, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, G¨oteborg, Sweden 2005

[12] ANDREAS PETERSSON, “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed

[13] Bao Jie., and Lee Peter L. 2008), Process Control The Passive Systems

Approach.

[14]

Bianchi F. F., De Battista. H., and Mantz R. J. (2006), Wind Turbine Control Systems: Principles, modelling and Gain Scheduling Design. Springer, July 2006.

[15]

Boukhezzar H. and Siguerdidjane H. (2009), "Nonlinear control with wind estimation of a dfig variable speed wind turbine for power capture optimization", Energy Conversion and Management, 50, pp. 885-892.

[16]

Koutroulis E., and Kalaitzakis K. (2006), "Design of maximum power tracking system for wind-energy-conversion application". IEEE transactions on Industrial Electronics, 43, pp. 486-494.

[17]

Ostolaza J. X., Tapia A. G., and Saenz J. R. (2005), "Modeling and control of a wind turbine driven double fed induction generator", IEEE Transactions on energy conversion, , June 2005, 18, pp. 194–204.

[18] Patel M. R. (1999), Wind and Solar Power Systems. CRC Press, 1999.

[19]

Nguyen Phung Quang, Dittrich A. (2008), Vector Control of Three - Phase AC Machines - System Development in the Practice, Springer Heidelberg Berlin.