Ổn định điện áp máy phát đồng bộ trên cơ sở sử dụng bộ điều khiển trượt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết nghiên cứu đề xuất bài toán điều khiển máy phát điện đồng bộ sử dụng kỹ thuật điều khiển trượt. Mô hình toán học của máy phát đồng bộ được xây dựng theo hướng điều khiển phi tuyến. Sau đó đi xây dựng bộ điều khiển trượt, chứng minh tính ổn định của hệ thống.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ổn định điện áp máy phát đồng bộ trên cơ sở sử dụng bộ điều khiển trượt

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ https://jst-haui.vn P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT SYNCHRONOUS GENERATOR VOLTAGE STABILITY ON THE BASIS OF USING A SLIDING MODE CONTROLLER Đặng Tiến Trung*, Nguyễn Thị Thu Hiền DOI: http://doi.org/10.57001/huih5804.2024.201 TÓM TẮT Nhiều kỹ thuật điều khiển đã được sử dụng để điều khiển máy phát đồng bộ và cải thiện độ ổn định của hệ thống điện Bài báo nghiên cứu đề xuất bài toán điều khiển máy phát điện đồng bộ sử dụng kỹ thuật điều khiển trượt. Mô hình toán học của máy phát đồng bộ được xây [1]. Một số phương pháp điều khiển phi tuyến đã được đề dựng theo hướng điều khiển phi tuyến. Sau đó đi xây dựng bộ điều khiển trượt, xuất để điều khiển máy phát đồng bộ và nâng cao tính ổn chứng minh tính ổn định của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy với bộ điều định của hệ thống điện [2]. Kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi khiển đề xuất, hệ máy phát hoạt động ổn định, cho chất lượng tốt. Hơn nữa, các đã được sử dụng, bộ điều khiển phi tuyến bền vững đã được kết quả mô phỏng chỉ ra hệ ổn định trước những thay đổi tham số hệ thống và đề xuất [3], bộ điều khiển trượt trên cơ sở bộ quan sát và điều nhiễu loạn. khiển dự báo [4, 5]. Do khả năng kháng nhiễu mạnh mẽ, bộ điều khiển chế độ trượt (SMC) đã được sử dụng rộng rãi để Từ khóa: Máy phát đồng bộ, điều khiển trượt, ổn định hệ máy phát điện. điều khiển các loại hệ thống khác nhau. Trong nghiên cứu ABSTRACT này, bộ điều khiển trượt được đề xuất để ổn định điện áp phát của máy phát điện đồng bộ, duy trì mức độ tin cậy cao The article research proposes the problem of controlling a synchronous của hệ với các thay đổi tham số và nhiễu. generator using sliding control technique. The mathematical model of the synchronous generator is built according to nonlinear control. Then build a sliding 2. MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ controller and prove the stability of the system. Simulation results show that with Nghiên cứu này xem xét một hệ thống máy phát điện the proposed controller the generator system operates stably and gives good bao gồm một máy phát đồng bộ có tải. Mô hình phi tuyến quality. Furthermore, the simulation results show that the system is stable against của máy phát đồng bộ được rút gọn thành mô hình bậc ba changes in the system parameters and against disturbances. phi tuyến một trục tổng quát. Các phương trình mô tả mô Keywords: Synchronous generator, sliding mode control, power system stability. hình bậc ba của máy phát đồng bộ có thể được viết dưới dạng: 1 Trường Đại học Điện lực  δ t  ω t   ω 0 * Email: dangtientrung@gmail.com ω D Ngày nhận bài: 20/3/2024  ω  t     ω  t   ω0   0  Pm  Pe  t   (1) 2H 2H Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 05/5/2024  1 Ngày chấp nhận đăng: 25/6/2024 ' Eq  t   Tdo E f  t   E q  t   Trong đó: 1. GIỚI THIỆU x ds ' x  x' Độ ổn định của hệ máy phát điện là duy trì hệ ở trạng thái Eq  t   E q  t   d ' d Vs  δ  t   cân bằng vận hành trong các điều kiện bình thường và lấy x 'ds x ds lại trạng thái cân bằng chấp nhận được sau khi bị nhiễu. VsE q  t  Phân loại ổn định hệ máy phát thành ba loại: ổn định góc E f  t   k e uf  t  ; Pe  t   sin  δ  t   rôto, ổn định điện áp và ổn định trung hạn/dài hạn. Ổn định x ds góc rôto là khả năng duy trì đồng bộ của các máy phát được 1 2 2 1 kết nối với nhau. Độ ổn định tức thời của hệ thống điện được Vt  t   x ds  d  x s E q  t   Vs2 x 2  2x g x d x dsPe  t  cot  δ  t   2 (2) định nghĩa là khả năng hệ thống điện duy trì tính đồng bộ khi chịu các nhiễu loạn nhất thời nghiêm trọng như sự cố 1 1 1 trên đường dây truyền tải, tổn thất phát điện, tổn thất phụ x ds  x d  x T  xL ; x 'ds  x 'd  x T  xL ; x s  x T  xL 2 2 2 tải lớn... Nghiên cứu này đề cập đến sự ổn định tức thời của hệ thống điện; ổn định các máy phát điện đồng bộ và chống δ(t): Góc công suất của máy phát (rad); mất đồng bộ giữa các máy phát điện trong hệ thống điện. ω(t): Tốc độ rotor máy phát (rad/s); 30 Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Tập 60 - Số 6 (6/2024)
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY Eq(t): Sức điện động theo trục q;   s  y  β 1y  β 2 y = z 3  β 1z 2  β 2 z 1 (8) Pe(t): Công suất điện tác dụng do máy phát điện cung Trong đó: β1, β2 là các hằng số dương. Thay (4) vào (8) có: cấp (p.u.); s  a1x 2  a2 x 3 sin x1   a3 sin  2x1  Vt(t): Điện áp ra máy phát (p.u); (9)  a4  β1x 2  β2  x1  x1d  uf(t): Điện áp điều khiển đầu vào; xds: Tổng điện kháng của máy phát; Tiến hành chọn luật điều khiển sao cho z1 → 0 khi t → ∞. Pm: Công suất cơ đưa vào máy phát; 1 u t   g z   f  z   β1z3  β2z2  σsign z3  β1z2  β2 z1   (10) Tdo: Thời gian ngắn mạch; Vs: Điện áp đường truyền tải; Với σ là đại lượng vô hướng giá trị dương. Đặt các biến trạng thái: Chứng minh: ' x   x1 x2 x 3    δ  t  ω  t   ω0 E  t    q  Đạo hàm hai vế (9) và sử dụng công thức (5) có: Điện áp điều khiển đầu vào được tính theo công thức:  s  y    β1  β2 y  f  z   g z  u  β1z 3  β2 z2 3 y  (11) kc Thay u(t) từ (10) vào (11) có: u t   uf  t  Tdo  f  z   β1z3  β2 z 2   s  f  z   β1z3  β2 z2   D ω ω  x  x  2  σsign  z  β z  β z    Đặt: a1   ; a2   0' Vs ; a3  0 d d Vs ;  3 1 2 2 1  2H 2Hx ds 4Hx ds x  ds =  σsign  z3  β1z2  β2 z1  (12) ω 1 x ds x  x a4  0 Pm ; a5   . ; a6  d d Vs . =  σsign  s  2H Tdo x ds Tdo x  ds Từ (12) rút ra: Từ phương trình (1), (2) ta có:  ss  σ.s.sign s   σ s  0  x1  t   x 2  t   x 2  t   a1x 2  t   a2 x 3  t  sin x1  t    a3 sin 2x1  t    a4 (3) Vậy hệ ổn định tiệm cận về 0 khi t → ∞.  Thay (4) vào (10) có luật điều khiển sau: x 3  t   a5 x 3  t   a6 cos  x1  t    u t  1  a x  a2 x 3 sin(x1 )  Tiến hành đổi biến: u ( (a1  β1 )  1 2  a2 sin(x1 )   a3 sin(2x1 )  a4  z1  t   x1  t   x1d 1  a2 (a5 x 3  a6 cos(x1 ))sin(x1 )  z2  t   x 2  t  (4)    (13) a2 sin(x1 )  a2 x 2 x 3 cos(x1 )  2a3 x 2 cos(2x1 )  z3  t   a1x 2  t   a2 x 3  t  sin x1  t    a3 sin 2x1  t    a4 1  ( β2 x 2  σ sign(s)) Với x1d là giá trị đặt đầu vào. a2 sin(x1 ) Từ (3) và (4) có: Với  z1  t   z 2  t  s  a1x 2  a2 x 3 sin(x1 )  a3 sin(2x1 )  a4  β1x 2  β2 (x1  x1d ) (14)  z2  t   z3  t  (5) Luật điều khiển trượt (13) còn tồn tại hiện tượng  z 3  t   f  z   g z  u chattering do hàm dấu, để giảm hiện tượng chattering ta thay hàm sign(s) bằng hàm bão hòa tanh(s), khi đó có luật y  t   z1  t  điều khiển: Trong đó: 1  a x  a2 x 3 sin(x1 )  u ( (a1  β1 )  1 2  1  f  z   a1  a5   a1a5z2   a2a6  a3a5 sin 2 z1  x1d   a2 sin(x1 )   a3 sin(2x1 )  a4   2  1  a2 (a5 x 3  a6 cos(x1 ))sin(x1 )     (15) +2a3z2 cos 2 z1  x1d   (6) a2 sin(x1 )  a2 x 2 x 3 cos(x1 )  2a3 x 2 cos(2x1 )     z2 cot z1  x1d  z3  a1z2  a3 sin 2 z1  x1d    a4  a4a5 1  ( β2 x 2  σ tanh(s)) a2 sin(x1 ) g z   a2 sin z1  x1d  (7) 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT Một trang trại gió 10MW bao gồm 5 tuabin gió 2MW, Để xây dựng bộ điều khiển trượt cho máy phát không được nối lưới qua biến tần với hệ thống phân phối 25kV. Một đồng bộ, đầu tiên chọn mặt trượt có dạng: máy phát điện gió 1,5MW được kết nối với hệ thống phân Vol. 60 - No. 6 (June 2024) HaUI Journal of Science and Technology 31
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ https://jst-haui.vn P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 phối 25kV xuất điện cho lưới 120kV thông qua một trung chuyển 30km, 25kV. Tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ được cấp nguồn kép (DFIG) bao gồm máy phát điện cảm ứng rôto dây quấn có thông số như sau: R s  0,023 ;R r  0, 016  ;L s  0,18H;L r  0,16H ; p = 3; công suất P = 1,5MW; tần số f = 50Hz và bộ chuyển đổi PWM dựa trên IGBT AC/DC/AC. Cuộn dây stato được nối trực tiếp với lưới 50Hz trong khi rôto được cấp nguồn ở tần số thay đổi thông qua bộ chuyển đổi AC/DC/AC. Trong mô phỏng, tốc độ gió được duy trì không đổi ở 15m/s, tại thời điểm 0,03 giây có hiện tượng sụt áp trên đường truyền. Hình 3. Cường độ dòng điện đầu ra máy phát Hình 1. Mô hình mô phỏng hệ thống máy phát điện đồng bộ Hình 2. Điện áp đầu ra máy phát Hình 4. Công suất đầu ra máy phát 32 Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Tập 60 - Số 6 (6/2024)
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY xảy ra sụt áp trên đường truyền, công suất và điện áp phát nhanh chóng trở về trạng thái ổn định, đảm bảo các yêu cầu khi nối lưới. So với các kết quả của các công bố trước đây [4, 5] cho thấy bộ điều khiển đã nâng cao được chất lượng của hệ phát điện sử dụng máy phát đồng bộ thông qua các tiêu chí đánh giá, đó là: tính bền vững với nhiễu loạn, đảm bảo khả năng ổn định tần số, điện áp, dòng điện khi nối lưới. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Kundur, Power System Stability and Control. McGraw-Hil, Inc, 2003. [2]. Gao L, L. Cheng, “A nonlinear control design for power systems,” Hình 5. Công suất phản kháng Automatica 28: 975-979, 2006. [3]. Guangping Zhuo, Jacob D. Hostettler, "Robust Sliding Mode Control of Permanent Magnet Synchronous Generator-Based Wind Energy Conversion Systems," Sustainability 1265, 2016. doi:10.3390/su8121265 [4]. Nada Zine Laabidine, "Afrae Errarhout, Sliding mode control design of wind power generation system based on permanent magnet synchronous generator," International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS), 2021. [5]. Jacob Hostettler, Xin Wang, "Sliding mode control of a permanent magnet synchronous generator for variable speed wind energy conversion systems," Systems Science & Control Engineering, 2015. Hình 6. Tốc độ góc trục máy phát AUTHORS INFORMATION Dang Tien Trung, Nguyen Thi Thu Hien Electric Power University, Vietnam Hình 7. Điện áp một chiều Nhận xét: Ban đầu trang trại gió DFIG sản xuất 9MW. Tốc độ tuabin tương ứng là 1,2p.u tốc độ đồng bộ của máy phát. Điện áp DC được điều chỉnh ở 1150V và công suất phản kháng được giữ ở mức 0Mvar. Tại t = 0,03s, điện áp thứ tự dương đột ngột giảm xuống 0,5p.u, gây ra dao động trên điện áp bus DC và trên công suất đầu ra máy phát đồng bộ. Trong quá trình sụt áp, bộ điều khiển nhanh chóng điều chỉnh điện áp DC và công suất phản kháng tại các điểm đặt của chúng (1150V, 0Mvar). Vì thế hệ thống phục hồi công suất phát và điện áp phát trong khoảng 4 chu kỳ. 5. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển trượt cho hệ máy phát điện đồng bộ. Qua mô phỏng cho thấy khi Vol. 60 - No. 6 (June 2024) HaUI Journal of Science and Technology 33