Sử dụng phương pháp điều khiển mô hình nội để nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới đối xứng

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong bài báo này tác giả đề cập đến vấn đề nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới bằng phương pháp điều khiển mô hình nội. Đây là một phương pháp có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có đáp ứng hoà đồng bộ với lưới và tính ổn định cao.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Sử dụng phương pháp điều khiển mô hình nội để nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới đối xứng

Đặng Thị Loan Phượng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 83 - 88 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NỘI ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP LƯỚI ĐỐI XỨNG Đặng Thị Loan Phượng*, Đỗ Thị Mai, Lê Thị Thu Huyền Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Do nhu cầu tăng cao về năng lượng điện trong nước hiện nay nên đòi hỏi phải đa dạng hoá các nguồn cung cấp năng lượng, trong đó có nguồn năng lượng tái tạo từ sức gió. Với yêu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng của lưới điện, yêu cầu máy phát điện phải làm việc với lưới có độ ổn định cao để đảm bảo không bị rã lưới, đảm bảo chất lượng điện áp, tần số. Đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề điều khiển năng lượng ổn định trong điều kiện nối lưới; tuy nhiên các nghiên cứu còn chưa hoàn chỉnh. Trong bài báo này tác giả đề cập đến vấn đề nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới bằng phương pháp điều khiển mô hình nội. Đây là một phương pháp có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có đáp ứng hoà đồng bộ với lưới và tính ổn định cao. Từ khoá: Ổn định, phương pháp IMC , máy phát điện không động bộ rô to dây quấn, điện áp lưới, lưới đối xứng. ĐẶT VẤN ĐỀ* Năng lượng sạch có thể được tái tạo từ gió. Trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió với công suất lớn tới trên 7 MW. Nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuốc bin. Vì vậy các hãng chế tạo tuốc bin gió có xu hướng sử dụng máy dị bộ nguồn kép làm máy phát trong các hệ thống tuốc bin gió công suất lớn để giảm công suất của bộ biến đổi và giảm giá thành. Do đó đối tượng nghiên cứu trong bài báo này là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ rô to dây quấn. Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió nối lưới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều khiển phía máy phát phải đảm bảo ổn định đối với dao động của điện áp lưới, thay đổi của tốc độ máy phát ở chế độ máy phát ở chế độ bình thường và lỗi lưới và dao động của từ thông khi lỗi lưới. Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu việc ứng dụng phương pháp mô hình nội để nâng cao khả năng ổn định của hệ thống máy phát * Tel: 0944899009; Email: dangthiloanphuong468@gmail.com điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới đối xứng. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NỘI Trong bài báo này áp dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên cơ sở hàm Lyapunov và phương pháp điều khiển theo mô hình nội IMC( internal model control)cho máy phát điện không đồng bộ rô to dây quấn DFIG (doubly-fed induction generator). Có rất nhiều trang trại phong năng sử dụng các tuốc bin gió dùng máy điện không đồng bộ rô to dây quấn (DFIG). Bộ biến đổi của mạch kích từ (DFIG) bao gồm một bộ biến đổi nguồn áp sử dụng các phần tử bán dẫn điều khiển hoàn toàn. Bộ biến đổi ở phía máy phát đưa dòng kích từ với tần số thay đổi được vào trong dây quấn Roto thông qua vành trượt. Điều này cho phép duy trì dòng stato bằng với tần số của lưới trong khi bộ biến đổi phía lưới được cung cấp điện áp một chiều ổn định cho bộ biến đổi. Để đạt được các mục tiêu này, người ta đã đề xuất ra một sơ đồ điều khiển tổng thể dựa trên hệ thống DFIG. Bao gồm phần điều khiển cho tuốc bin gió và phần điều khiển cho DFIG. Trong thực tế giải pháp điều khiển tỉ lệ tích phân (PI) đã được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên việc thiết lập các thông số cho bộ điều khiển PI vẫn là một vấn đề đáng quan tâm. 83 Đặng Thị Loan Phượng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Bộ điều khiển theo mô hình nội là một giải pháp điều khiển quá trình được đề xuất vào năm 1982 và đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. [1] Sử dụng IMC để chế ngự các lỗi trong DFIG. [2] Mô tả bộ điều khiển mô hình nội thích nghi mẫu - mô hình trực tiếp cho DFIG, bộ điều khiển theo mô hình nội trên cơ sở bù sức phản điện động và hạn chế ảnh hưởng của nhiễu sức phản điện động thông qua điện trở phản hồi Ra. Bộ điều khiển theo mô hình nội Cấu trúc kinh điển của IMC được trình bày trong hình. w( s) Gw ( s ) w′( s) Gc ( s) u ( s) e( s ) G p ( s) y (s ) yˆ( s ) Gm ( s) G f ( s) ε ( s) F ( s) Các hàm truyền Gp (s) , Gm ( s) , G c ( s ) , G f ( s ) và Gw ( s ) , biểu diễn cho đối tượng, mô hình, bộ biến đổi, mạch lọc và tính hiệu đặt đầu vào; w(s), y(s), e(s) lần lượt là các hàm đầu vào, đầu ra và hàm nhiễu. F(s) là hàm điều khiển của IMC. Gỉa thiết Gw ( s) = 1 khi đó theo hình 1 ta có: y (s) = Gc ( s )G p ( s ) 1 + G c ( s )G f ( s )[G p ( s ) − G m ( s )] w( s ) + G p ( s )[1 − G c ( s )G f ( s )G m ( s )] 1 + G c ( s )G f ( s )[G p ( s ) − G m ( s )] (2.1) G c ( s )G p ( s ) Gc ( s ) = G p−1 ( s ) có thể thu được dưới điều khiển là đối tượng dịch và mô hình chính xác. Do vậy điều khiển tiên quyết là mô hình chính xác. Để giữ cho bộ điều khiển Gc(s) là ổn định thì Gc(s) có thể được định nghĩa như sau. n (2.2) (2.3) 1 + G c ( s )[ G p ( s ) − G m ( s )] Nếu mô hình là chính xác, thay (2.2) vào (2.3) dẫn đến:  α  G cl ( s ) =   s+α  F (s) = n (2.4) Gc ( s ) 1 − G c ( s )G m ( s ) (2.5) Đối với hệ thống bậc 1, tức là n = 1 IMC khi đó được biến đổi sang dạng điều khiển (PI): α sG m ( s ) = k + p ki s (2.6) Do vậy, dựa trên nguyên tắc IMC ta có thể dễ dàng thu được thông số bộ điều khiển (PI): KP, KI của hệ thống bậc 1. Khi đó hàm truyền giữa nhiễu đầu vào và đầu ra được viết như sau: Ge (s) = Gp(s)[1−Gc (s)Gm(s)] = Gp(s) 1+Gc (s)[Gp (s) −Gm(s)] 1+ F(s)Gp(s) = sGp(s) s +α (2.7) Nếu tín hiệu đầu vào nhiễu là hàm bước nhảy e( s ) = 1/ s đáp ứng xác lập của nhiễu có thể được tính toán như sau: s→0 Theo như thuộc tính của IMC, BĐK lý tưởng 84 G cl ( s ) = lim sGe ( s )e( s ) = lim s e( s ) Nếu mô hình có thể biểu diễn cho đối tượng một cách chính xác thì điều đó có nghĩa là Gp (s) = Gm ( s) và hàm truyền đầu vào của vòng kín hệ thống chỉ phụ thuộc vào nhánh truyền thẳng Fo ( s ) = G c ( s ) G p ( s ) .  α  −1 Gc ( s) =   Gm ( s)  s +α  Trong đó n được chọn bởi mô hình của hàm truyền nhằm đảm bảo cho tính ổn định của Gc(s). Giả thiết rằng e(s) = 0 thì Gf(s) = 1, hàm truyền vòng kín Gcl(s) là: F (s) = Hình 1: Cấu trúc bộ điều khiển mô hình nội 112(12)/2: 83 - 88 s →0 sG p ( s ) 1 s +α s = lim s →0 sG p ( s ) s +α =0 (2.8) Phương trình (2.8) chỉ ra rằng đặc tính đáp ứng động của nhiễu đầu vào liên quan đến hàm truyền của đối tượng Gp(s). Trên thực tế đặc tính đáp ứng động của đối tượng không được tốt như hàm truyền của vòng kín [3]. Do đó đầu vào nhiễu sẽ gây ra một tác động lên đáp ứng của hệ thống. Lý do là vì phản hồi âm trạng thái được đưa vào ở đây nhằm hạn chế ảnh hưởng của nhiễu và cải thiện độ bền vững của hệ thống điều khiển. Giả thiết rằng G f ( s ) = 1 và Gw ( s ) = 1 , mô hình IMC nâng cấp được thể hiện như hình 2. Đặng Thị Loan Phượng và Đtg w (s) Gc (s) + u (s) Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ e (s) y (s) Gp (s) - + thành phần trục d [4]: y (s) + Gm (s) - - L 2m Lm 1−σ 1 = = . σLm L s L r − L 2m L m L s L r − L 2m Ra ε (s) Hình 2: Bộ điều khiển nâng cấp dựa trên nguyên tắc IMC nếu Gp(s) và Gm(s) có thể tương thích theo Gɶ p ( s ) , Gɶ m ( s ) cũng phải tương thích. n Nếu Điều . U 'rd = K ' pd .ed + K 'id ∫ ed ddt = Raird + này + Từ hình 2 hàm truyền giữa e(s) và đầu ra là: Trong đó: Ge (s) = Gp (s) s s s 1 = s + α 1 + kGp (s) s + α Gp−1 (s) + k (2.10) − Ls Lr − L2m .ωr .irq Ls (2.14) Rs Lm L L .ψ sd − m .ωψ . sq + Urd − m Usd L2s Ls Ls U s 2 m (2.13) Thiết kế bộ điều khiển thành phần dòng trục d muốn nói là bộ điều khiển nâng cấp sẽ không ảnh hưởng đến đặc tính của đáp ứng giữa hàm truyền đầu vào đặt và hệ thống. Ngoài ra k + αk α α αk F(s) = = + = kp + i (2.9) ɶ sGm (s) sGm (s) 2 s m 2 m L2m Ls Lm .ω .ψ 'sq + U rd − U sd Ls Lr − L2m Ls Lr − L2m Lr Ls − L2m − Gm (s) G p (s) , Gɶ m ( s ) = , Gɶ p ( s ) = 1 + kG m ( s ) 1 + kG p ( s) (2.12) dird R L +RL Rs L .ird + ω r irq + ψ 'sd =− r dt Ls ( Ls Lr − L ) Ls ( Ls Lr − L2m ) 2 s ⇒ Khi:  α  ɶ −1 G c (s) =   Gm (s)  s + α  Áp dụng cho thành phần trục d Phương trình mô tả mô hình dòng điện cho Ra F(s) 112(12)/2: 83 - 88 = K rd e d + K id pd Ls Lr − L Ls 2 m ∫e d ω r irq + E d Lm R L U sd − s 2 m ψ Ls Ls Ed = d t − R a ird (2.15) Lm ω .ψ Ls + sd sq (2.16) Bằng cách lựa chọn thông số K phù hợp. Đặc tính động của nhiễu có thể được loại bỏ đi đáng kể trong khi phản hồi âm không làm thay đổi thuộc tính sai lệch tĩnh của hệ thống. Nếu hệ thống là bậc một thì phương trình (2.10) của hệ thống được rút gọn như (2.11). s Ge (s) = K (2.11) ( s + α )2 Áp dụng cho thành phần trục q Phương trình mô tả mô hình dòng điện cho thành phần trục q [4]: So sánh (2.11) với (2.4) ta dễ dàng kết luận hàm truyền vòng kín của hệ thống có cùng điểm cực vòng kín với của nhiễu. Do đó lựa chọn thông số phản hồi K phù hợp có thể giữ nguyên đặc tính đáp ứng hệ thống giữa nhiễu và tín hiệu đặt. Và đảm bảo hệ thống không có sai lệch tĩnh khi có nhiễu ở đầu vào. Thay  1 1−σ  . r .ird −  = −eU +  .irq  σ lr σ ls   1 1−σ  1 1−σ + . sd '+ ψ sq '  + U rq − U  ωψ Ts σ  σ σ lm sq lr  dirq dt σ L 2m L r ..L = 1 − ψ sd ' = ψ L sd m ;T r L R = s ;ψ sq ' = ψ L r r ;T s = (2.17) L R s ; s sq m ta được: Áp dụng mô hình nội để điều khiển phía dirq máy phát Mục đích của điều khiển dòng điện bên trong là để bám theo giá trị đặt của Roto và điện áp đầu ra kích thích các phương trình. dt + = −eU . r .ird − Rr .L2s + Rs .L2m L2m .irq + ωψ . sd ' 2 Ls .Lr − L2m Ls . ( Ls .Lr − Lm ) Rs .L2m Ls Lm ψ sq '+ Urq − U sq 2 2 Ls .Lr − Lm Ls .Lr − L2m Ls . ( Ls .Lr − Lm ) (2.18) 85 Đặng Thị Loan Phượng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ xen kênh của trục q, ω 2 Lσ I rq′ trong đó đối tượng điều khiển trục q cũng bao gồm − ω 2 Lσ I rd′ của trục d. Trong khi cả 2 đối Thiết kế bộ điều chỉnh thành phần dòng trục q phía máy phát theo nguyên tắc IMC [4]: Từ: Lσ + dirq dt = − ( Rr + Rs '+ Ra ) .irq + Ra .irq − Ls .Lr − L2m ωr .ird Ls tượng này được đưa đến thành phần trục d,q là Ed , Eq. Theo nguyên tắc IMC bộ điều khiển có thể được thiết kế như trong hình 3. Để đưa ra điều khiển tách kênh, các bộ điều khiển dòng điện của trục d ,q sử dụng bộ đánh giá phản hồi ωˆ 2 Lˆσ I rq và −ωˆ Lˆ I để loại bỏ ảnh Lm R .L L . sd + s 2 m ψ sq + U rq − m U sq ωψ Ls Ls Ls (2.19) eqdt − Ra .irq + ⇒Urq = Kpq .eq + Kiq ∫ Ls .Lr − L ωr .ird Ls 2 m 2 sq − Lm ω .ψ Ls hàm truyền của đối tượng điều khiển trên trục d, q có thể được biểu diễn như hình 3. Do đặc trưng của IMC là sẽ không tạo ra sai lệch tính với đầu vào nhiều, do đó nó được dùng để loại bỏ sức phản điện động E lên chất lượng làm việc xác lập của máy điện không đồng bộ rô to dây quấn [4]. Để đạt được điều này bộ điều khiển dòng điện sử dụng phản hồi âm Kd; Kq để tạo ra hàm truyền vòng kín cho hệ thống và nhiều sẽ củng cố các điểm cực của vòng kín. (2.21) Trong đó Ed ; Eq được dùng để định nghĩa cho thành phần trục d, q của sức phản điện động phía Roto. Các phương trình trên cho thấy. Trục d và trục q của đối tượng diều khiển chịu ảnh hưởng đan xen kênh “ảnh hưởng chéo”. Đối tượng điều khiển trục d bao gồm thành phần Ed -E Mô hình dòng MĐKĐ trục d i rq (+) i rqd K pd +K (+) id /s σ ωˆ 2 và Lˆσ có thể được đánh giá chính xác thì sd ref G (-) pd (S) Ra ω r ω rid ω riq 2 l s l r -l m ls 2 l s l r -l m ls E q +E i ref rq (+) K (-) pq +K iq (+) q Mô hình dòng MĐKĐ trục q i rq (-) G /s pq (S) (-) Ra Hình 3: Bộ điều khiển dòng điện trục d và trục q dựa trên IMC 86 rd σ Với: Lm R L U sq − s 2 m ψ Ls Ls σ hưởng xen kênh. Trong đó ωˆ2 là bộ đánh giá của bộ ω2 , Lˆ là bộ đánh giá của L .Nếu L  L R .L +  m Usq − m ωψ . sd − s 2 m ψ sq  Ls Ls  Ls  2 Ls .Lr − Lm ωr .ird + Eq = Kpq .eq + Kiq ∫ eqdt − Ra .irq + Ls (2.20) Eq = 112(12)/2: 83 - 88 d Đặng Thị Loan Phượng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 83 - 88 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Kết quả mô phỏng ở chế độ bình thường Thành phần dòng điện Ird của rô to a) Ra = 0 b) Ra = 0,5 Hình 4: Dòng điện Ird Ta thấy kết quả mô phỏng được khẳng định giá trị thực của dòng rotor đã bám tốt theo giá trị đặt lưới, bộ điều khiển theo mô hình nội trên cơ sở bù sức phản điện động và hạn chế ảnh hưởng của nhiễu sức phản điện động thông qua điện trở phản hồi Ra. Tại thời trường hợp Ra = 0,5 dòng điện Ird bám lưới tốt hơn so với trường hợp Ra = 0. Kết quả mô phỏng ở chế độ lỗi lưới ngắn mạch ba pha đối xứng Thành phần dòng điện rô to Ird: a) Ra=0 b) Ra=0,5 Hình 5: Dòng điện Irq Cả hai kết quả mô phỏng ở hình 5 khẳng định giá trị thực của dòng rotor đã bám tốt theo giá trị đặt. Trong thời gian t=0,5s đến 2s trường hơp Ra=0 độ bám lưới theo giá trị đặt không tốt bằng trường hợp Ra=0,5 , điều đó đã khẳng định sự khử sai lệch tĩnh tốt trong trường hợp Ra=0,5. Nhận xét Qua kết quả mô phỏng ta thấy quá trình hòa đồng bộ và ổn định bằng phương pháp mô hình nội thỏa mãn điều kiện hòa đồng bộ theo đúng như lý thuyết đã phân tích. KẾT LUẬN Để vấn đề giải quyết được trọn vẹn và phù hợp với thực tế, việc nghiên cứu thiết kế nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới không đối xứng là rất cần thiết với các bước phát triển tiếp theo. Thiết kế bộ điều khiển để nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới là một khâu rất quan trọng khi xây dựng hệ thống phát điện sức gió. 87