Xây dựng bộ điều khiển backstepping thích nghi cho hệ tuabin điện gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép

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

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày một đóng góp mới trong lĩnh vực tối ưu hóa các kỹ thuật điều khiển hệ thống gió, đó là kết quả tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping cho hệ máy phát điện turbine gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép. Bộ điều khiển tổng hợp đã nâng cao được chất lượng điện khi nối lưới.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Xây dựng bộ điều khiển backstepping thích nghi cho hệ tuabin điện gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép

P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING THÍCH NGHI CHO HỆ TUABIN ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP BUILDING AN ADAPTIVE BACKSTEPPING CONTROLLER FOR WIND TURBINES USING DOUBLY-FED INDUCTION GENERATOR-DFIG Nguyễn Thị Thu Hiền1,*, Phùng Thị Thanh Mai1, Phạm Thị Thanh Đam1, Nguyễn Đức Duy1 DOI: http://doi.org/10.57001/huih5804.2024.122 hiện nay đang cung cấp một lượng công suất đáng kể bên TÓM TẮT cạnh các máy phát cơ bản như nhiệt điện và thủy điện... Trong Bài báo trình bày một đóng góp mới trong lĩnh vực tối ưu hóa các kỹ thuật đó, máy phát điện dị bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction điều khiển hệ thống gió, đó là kết quả tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping Generator - DFIG) được các hãng sản xuất tuabin gió sử dụng cho hệ máy phát điện turbine gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép. rộng rãi nhờ ưu thế: thiết bị điều khiển sử dụng van bán dẫn Bộ điều khiển tổng hợp đã nâng cao được chất lượng điện khi nối lưới. Các kết quả công suất lớn được đặt ở phía rotor nên chỉ cần thiết kế với được khảo sát đánh giá bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink cho thấy công suất khoảng 20 ÷ 30% công suất của máy phát, dẫn đến bộ điều khiển này đảm bảo được các yêu cầu chất lượng nguồn phát khi nối lưới, giá thành của hệ thống hạ xuống rất nhiều [1, 5]. tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng cho tuabin gió. 2. MÔ HÌNH CƠ HỆ Từ khóa: Tuabin gió, điều khiển trượt, nối lưới. Xét một mô hình hệ thống điện tổng quát như hình 1 [2]. ABSTRACT This article presents a new contribution in the field of optimization of wind system control techniques, which is the result of synthesizing a backstepping sliding controller for wind turbine generator systems using dual-source asynchronous generators. . The integrated controller has improved power quality when connected to the grid. The results evaluated by simulation on Matlab- Simulink software show that this controller ensures generation quality requirements when connected to the grid, optimizing the energy conversion process for wind turbines. Keywords: Wind turbine, sliding mode control, grid connection. 1 Trường Đại học Điện lực * Email: hienmtt@epu.edu.vn Hình 1. Mô hình máy phát điện gió Ngày nhận bài: 15/02/2024 2.1. Mô hình turbine gió Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 10/4/2024 Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2024 Khi gió đi xuyên qua vòng quét của của tuabin sẽ tạo ra các lực tác động vào tuabin. Các lực này bao gồm lực đẩy (tác động vào trụ và các cánh quạt) và mô men xoắn (làm quay 1. ĐẶT VẤN ĐỀ rotor). Lực đẩy (FT), mô men xoắn (Tr) và công suất cơ Pr [3]: Với mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng 1  3 2 lượng, những nguồn năng lượng sạch đã và đang được thế FT  2 ρπR ν CT (λ,β) giới quan tâm nhiều hơn. Trong đó, năng lượng gió được xem   1 3 2 là nguồn năng lượng sơ cấp vô hạn, với ưu điểm là dễ khai Tr  ρπR ν CQ (λ,β) 2 (1) thác, công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và chi phí vận hành  tương đối thấp; có thể cung cấp điện độc lập cho các khu vực  1 3 2 Pr  ρπR ν CP (λ,β) xa xôi như hải đảo, biên giới. Ở Việt Nam, máy phát điện gió  2 Vol. 60 - No. 4 (Apr 2024) HaUI Journal of Science and Technology 31
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ https://jst-haui.vn P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trong đó, ⍴ là mật độ không khí, R là bán kính vòng quét  e1  Psref  Ps của tuabin gió, ν là vận tốc gió, CQ(λ, β) là hệ số mô men, CP(λ,  (9) β) là hệ số công suất chuyển đổi. Cả mô men xoắn và công e2  Qsref  Qs suất cơ chuyển đổi đều là hàm của tỉ số vận tốc rìa λ và góc Đạo hàm hai vế (9) có:     chúc ngóc β. Tỉ số vận tốc rìa λ là tỉ số giữa vận tốc tại đỉnh  e1  Psref  Ps rìa cánh quạt của tuabin gió và vận tốc gió, được tính như  (10) sau [4]: e2  Qsref  s   Q ωR Với λ r (2) v .L  v  P   s m rq  I Trong đó, ωr là vận tốc góc của rotor. Ls  Công suất gió tác động vào cánh quạt:   u2 v .L  Qs  s  s m rd I ρSV 3  ω s .L s Ls (11) Pw  (3)  2    u rd  R r .I  ω .I Ird  rd s rq  L r .σ L r .σ Sinh momen xoắn làm quay turbine:  1  u rq Rr L m .u s Tr  ρπR 3 V 2 C Q (λ,β) (4) Ird  L .σ  L .σ .Irq  ω r .Ird  ω r . L .L .σ.ω 2  r r r s s Công suất cơ chuyển đổi: Thay (11) vào (10) có: ρπR 2 V 3 Cp (λ,β)  us .Lm urq R L .u Pr  ωr .Tr  (5)   e1  Psref  (  r .Irq  ωr .Ird  ωr . m s ) 2  Ls Lr .σ Lr .σ Lr .Ls .σ.ωs  (12) 2.2. Mô hình của máy phát không đồng bộ     us .Lm ( urd  Rr .I  ω .I ) e2  Qsref Phương trình điện áp stato:  Ls Lr .σ Lr .σ rq r rq    d u sd  R s .isd  sd  ω s .sq  L2m   dt Trong đó: σ  1   d sq L sL r u sq  R s .isq    ω s .sd   dt Chọn hàm Lyapunov như sau:  (6)  u  R .i  d rd  ω . 1 2 1 2  rd  r rd r rq V1  e1  e2 (13)  dt 2 2   u  R .i  d rq  ω .  rq Đạo hàm hai vế (13) kết hợp (12) có:    r rq dt r rd    V1  e1e1  e2 e2 Trong đó: us ,ur ,is ,ir , s , r lần lượt là điện áp, dòng điện và   urq  Rr .Irq  từ thông của stato trong hai mặt phẳng d, q; Rs, Rr là điện trở  us .L m   (14)  e1 Psref   L .σ.ω .I  g. us .L m   thuần của cuộn dây stato và rotor; ωs, ωr là tốc độ quay của Lr .σ.L s  r Ls  r rd    từ thông stato và rotor.  Từ thông stato:  u .L   e2  Qsref  s m (urd  R r .Ird  Lr .σ.ωr .Irq )  sd  L s .isd  Lm .ird  Lr .σ.L s     L .i  L .i  sq  Để hệ ổn đinh, thì theo tiêu chuẩn Lyapunov V1  0 , do  s sq m rq  (7) rd  Lr .ird  Lm .isd  đó chọn:    L .i  L .i  V1  k 1e1  k 2 e2  0 2 (15)  sq  r sq m sq 2 Từ (14) và (15) có: Trong đó: Lm là cuộn kháng từ hóa. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên stato  u .L  u .L   e1 Psref  s m  urq  Rr .Irq  Lr .σ.ωr .Ird  g. s m  và rotor:   Lr .σ.Ls  Ls   (16) Ps  uds .ids  uqs .iqs  us .Lm  2 2  e2 Qsref  (urd  Rr .Ird  Lr .σ.ωr .Irq )  k1e1  k2 e2 Q s  uqs .ids  uds .iqs  Lr .σ.Ls   (8) Pr  udr .idr  uqr .iqr Từ (16) đưa ra: Q  u .i  u .i  r qr dr dr qr  u .L  u .L   2 e1 Psref  s m  urq  Rr .Irq  Lr .σ.ωr .Ird  g. s m   k1e1 3. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BACKSTEPPING   Lr .σ.Ls  Ls  Bước 1: Tính dòng điện rotor (17)  us .Lm  2 Đặt e1, e2 là biến sai lệch về công suất tác dụng và công e2 Qsref  (urd  Rr .Ird  Lr .σ.ωr .Irq )  k2e2  Lr .σ.Ls  suất phản kháng: 32 Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Tập 60 - Số 4 (4/2024)
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY Biểu thức điều khiển ảo của Irq, Ird được xác định: Lr .Ls .σ  M.Vs Vrq   .Psref  Rr .Irq  Lr .σ.ωr .Ird  M.    Psref  k1e1  M.V Ls .ωs Lr .σ.Ls   (27) Irqref   u .L  u .L    1  M.Vs  Rr .us .Lm   s m  urq  Lr .σ.ωr .Ird  g. s m   L.σ k3e3  rqref  I  Rr .Irq  Lr .σ.ωr .Ird  g.  Lr .σ  Ls   Lr .σ.Ls  Ls   (18)    Lr .σ.Ls   us .Lm  4. MÔ PHỎNG Irdref   Qsref  k 2 e2  Rr .us .Lm  Lr .σ.Ls urd  Lr .σ.ωr .Irq    Đây chính là lượng đặt cho bước tiếp theo Bước 2: Tính điện áp rotor Đặt e3, e4 là sai lệch dòng điện của rotor.  e3  Irqref  Irq  (19) e 4  Irdref  Ird Đạo hàm hai vế (19) và biến đổi có: 1  us .L m  e 3  rqref   I  urq  Rr .Irq  L r .σ.ωr .Ird  g.  Hình 2. Mô hình mô phỏng hệ thống phát điện gió L r .σ  Ls  (20) Một máy phát điện gió 4kW được kết nối với hệ thống 1 e 4  rdref  I  urd  Rr .Ird  Lr .σ.ωr .Irq  phân phối 25kV xuất điện cho lưới 120kV thông qua một L r .σ trung chuyển 30km, 25kV. Turbine gió sử dụng máy phát Chọn hàm Lyapunov có: điện không đồng bộ nguồn kép. Cuộn dây stato được nối 1 2 1 2 1 2 1 trực tiếp với lưới 50Hz. Bộ điều khiển backstepping cho phép V2  e1  e2  e3  e2 4 (21) khai thác năng lượng tối đa từ gió khi tốc độ gió thấp bằng 2 2 2 2 cách tối ưu hóa tốc độ turbine, đồng thời giảm thiểu ứng Đạo hàm hai vế (21) kết hợp với (20) có: suất cơ học lên turbine khi gió giật. Thông số máy phát như     V2  V1  e 3 e 3  e 4 e 4 sau: Rs = 0,023Ω; Rr = 0,016Ω; Ls = 0,18H; Lr = 0,16H; p = 3;   urq  R r .Irq  L r .σ.ω r .Ird   công suất P = 14kW; tần số f = 50Hz. Tiến hành mô phỏng   e  1   (22) trong thời gian 2 giây cho trường hợp tốc độ gió đang từ  V1 3 Irqref  u .L  L r .σ   g. s m   20m/s giảm xuống 10m/s tại thời điểm 1 giây kết hợp với nhiễu   Ls   động gió ngẫu nhiên 0,2m/s.  1   e 4 rdref  I  urd  R r .Ird  L r .σ.ω r .Irq   L r .σ  Để hệ thống ổn định thì V  được chọn: 2  V2  k1e1  k 2 e 2  k 3 e 3  k 4 e 2  0 2 2 3 (23) 4 Kết hợp (23) và (24) có:  1 L .u  e3 rqref  I (urq  RrIrq  Lr .σ.ωr .Ird  g. m s )  k3e2 3  Lr .σ Ls  (24)  1  e4 Irdref  Lr .σ urd  Rr .Ird  Lr .σ.ωr .Irq   k4 e4 2   Từ (24) có: Hình 3. Tốc độ gió thay đổi   1   urd  Lr .σ k4 e4 rdref  I (Rr .Ird  Lr .σ.ωr .Irq )   Lr .σ   (25) u  L .σ k e  i  1 R .I  L .σ.ω .I  g. Lm .us   rq r  3 3 rqref L .σ  r rq r r rd  Ls     r   Khi đó rút ra điện áp rotor theo hai trục d-q có dạng: Lr .L s .σ  Vrd   .Qsref  Rr .Ird  Lr .σ.ωr .Irq  M.V (26)  1  Lr .σ k 4 e 4  rdref  I Rr .Ird  Lr .σ.ωr .Irq   Lr .σ  Hình 4. Tốc độ rotor máy phát Vol. 60 - No. 4 (Apr 2024) HaUI Journal of Science and Technology 33
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ https://jst-haui.vn P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 turbine thay đổi để ổn định công suất phát. Cường độ dòng điện, điện áp và công suất máy phát nhanh chóng ổn định trở lại sau khi có phản ứng với việc giảm tốc độ gió, thời gian quá độ nhỏ 0.6 giây. Với nhiễu động gió, điện áp máy phát có dao động. Tuy nhiên công suất máy phát không dao động, điện áp nối lưới có biên độ và tần số ổn định. Nhận xét: Từ các kết quả mô phỏng thấy rằng bộ điều khiển Backstepping cho chất lượng điều khiển tốt. Trong điều kiện turbine gió chịu ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến hệ thống vẫn đảm bảo được độ ổn định điện áp và dòng Hình 5. Cường độ dòng điện máy phát ia điện khi nối lưới. Khi thay đổi tốc độ gió, công suất phát giảm nhưng nhanh chóng ổn định. 5. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển Backstepping cho hệ máy phát điện turbine gió. Phần trình bày được bắt đầu từ việc xây dựng mô hình cơ hệ, tìm luật điều khiển, xây dựng mô hình mô phỏng, kiểm nghiệm bằng phần mềm Matlab-Simulink. Qua mô phỏng cho thấy khi tốc độ gió thay đổi, công suất và điện áp phát luôn giữ được ổn định, đảm bảo các yêu cầu khi nối lưới. So với các kết quả của các công bố trước đây [2, 5], cho thấy, bộ điều khiển đã nâng cao được chất lượng của hệ phát điện turbine gió thông qua các tiêu chí đánh giá, đó là: tính bền vững với Hình 6. Điện áp máy phát ua nhiễu loạn của gió, đảm bảo khả năng ổn định tần số, điện áp, dòng điện khi nối lưới. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bossouf B., et al., "DSPACE-based implementation for observer backstepping power control of DFIG wind turbine," IET Electr. Power Appl., 14(12), 2395-2403, 2020. [2]. Nada Zine Laabidine, Afrae Errarhout, Chakib El Bakkali, Karim Mohammed, Badre Bossoufi, “Sliding mode control design of wind power generation system based on permanent magnet synchronous generator,” International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS), 12, 1, Hình 7. Công suất máy phát 393~403, 2021. [3]. Pan L., Shao C., “Wind energy conversion systems analysis of PMSG on ofshore wind turbine using improved SMC and Extended State Observer,” Renew. Energy 161, 149-161, 2020. [4]. Liu J., Zhou F., Zhao C., Wang Z., Aguirre-Hernandez B., “A PI-type sliding mode controller design for PMSG-based wind turbine,” Complexity, 2019. [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, 2020. AUTHORS INFORMATION Hình 8. Điện áp nối lưới Nguyen Thi Thu Hien, Phung Thi Thanh Mai, Pham Thi Thanh Dam, Khi tốc độ gió giảm, tốc độ turbine giảm theo làm cho Nguyen Duc Duy công suất máy phát giảm 66%, lúc này góc nghiêng trục Electric Power University, Vietnam 34 Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Tập 60 - Số 4 (4/2024)