Xây dựng luật điều khiển mới cho turbine gió sử dụng DFIG

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Xây dựng luật điều khiển mới cho turbine gió sử dụng DFIG đưa ra một luật điều khiển mới cho bộ điều khiển của bộ chuyển đổi phía rotor của turbine gió sử dụng máy phát điện cảm ứng nguồn kép.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Xây dựng luật điều khiển mới cho turbine gió sử dụng DFIG

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển 1 1 XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN MỚI CHO TURBINE GIÓ SỬ DỤNG DFIG PROPOSAL OF A NEW CONTROLLER FOR DFIG-WIND TURBINES Phan Đình Chung Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; pdchung@dut.udn.vn Tóm tắt - Bài báo đưa ra một luật điều khiển mới cho bộ điều khiển Abstract - This paper aims to propose a new control law applied của bộ chuyển đổi phía rotor (RSC) của turbine gió sử dụng máy to the rotor side converter (RSC) of a DFIG wind turbine. The main phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG). Mục tiêu của luật điều khiển objective of this new control law is to determine rotor voltage, which này dựa vào tín hiệu phản hồi để xác định giá trị điện áp cần đặt is out put of RSC so that the energy function of the DFIG wind lên cuộn dây rotor của máy phát DFIG sao cho hàm năng lượng turbine can become minimum. The merit of this scheme is của hệ thống turbine gió-máy phát DFIG đạt cực tiểu. Ưu điểm của simplification in controller’s structure and flexibility in parameter. By luật điều khiển là đơn giản trong cấu trúc, thông số của bộ điều simulating a DFIG wind turbine with this control law in khiển được xác định dễ dàng. Bằng cách mô phỏng một turbine Matlab/Simulink, simulation, the results indicate that the DFIG wind gió sử dụng DFIG với luật điều khiển đã đưa ra trong turbine has stable operation and the error between control signals Matlab/Simulink, kết quả mô phỏng chỉ ra rằng hệ thống làm việc and reference values is very small, approximately at 0.5%, much ổn định; sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu tham chiếu là rất smaller compared to a PI-using controller. bé, xấp xỉ 0,5%, bé hơn nhiều so với bộ điều khiển sử dụng PI. Từ khóa - cực tiểu hóa; hàm Hamilton; luật điều khiển; turbine gió; Key words - minimization; Hamilton function; control law; wind DFIG turbine; DFIG 1. Đặt vấn đề máy phát PMSG, vì ở DFIG, chúng ta chỉ cần sử dụng bộ Công nghiệp điện gió đã và đang phát triển nhiều nơi biến tần khoảng 30% công suất định mức DFIG, nhỏ hơn trên thế giới, tại nhiều nước, điện gió chiếm một tỷ trọng nhiều so với công suất của bộ biến tần sử dụng ở turbine lớn. Theo báo cáo 2016 của Hiệp hội Năng lượng gió toàn gió loại máy phát PMSG có cùng công suất [6] - [7]; hơn cầu (GWEC) [1], đến cuối năm 2015, tổng dung lượng nữa, ở turbine máy phát DFIG cho phép điều khiển công turbine gió đã được lắp đặt ở các khu vực trên thế giới đạt suất phản kháng tốt hơn so với loại máy phát PMSG. được 432.883 MW. Cũng theo báo cáo này, trên thế giới, Mặc dù bộ điều khiển cho bộ biến tần chiếm một tỷ trọng điện gió phát triển mạnh nhất ở Trung Quốc, Mỹ và Đức nhỏ trong vốn đầu tư ban đầu của turbine gió nhưng nó giữ với tổng dung lượng đã lắp đặt tính đến cuối năm 2015 lần vai trò quan trọng trong quá trình làm việc của turbine gió. lượt là 148.000 MW, 74.347 MW và 45.192 MW. Hai quốc Vì vậy, việc thiết kế hệ thống điều khiển turbine gió là cực gia có tốc độ phát triển về năng lượng gió cao nhất vào kỳ quan trọng trong turbine gió. Nhiều tác giả đã đưa ra các 2015 là Brazil và Ba Lan với tỷ lệ gia tăng tổng dung lượng phương pháp điều khiển khác nhau như điều khiển PI [8] - lắp đặt là 46,2% và 33,1% so với năm 2014. Theo báo cáo [9], điều khiển fuzzy [10], điều khiển trượt [11] và điều của Hiệp hội Năng lượng gió châu Âu (EWEA) [2] - [3], khiển dựa vào mạng nơ-ron [12]. Việc sử dụng PI đòi hỏi đã có 13.805 MW turbine gió được lắp đặt ở châu Âu năm phải xác định thông số bộ điều khiển PI phức tạp. Sử dụng 2015, tăng 5,4% so với 2014. Theo dự báo của EWEA, đến điều khiển mờ không đòi hỏi thông số của đối tượng điều năm 2020, dung lượng lắp đặt ở châu Âu có thể đạt đến khiển nhưng yêu cầu phải mờ hoá tín hiệu đầu vào, xây dựng 217 GW, trong đó 28 GW được xây dựng ở ngoài khơi, luật mờ và giải mờ ở tín hiệu ra. Sử dụng điều khiển trượt, tổng sản lượng điện năng đạt được 500 TWh, đáp ứng 17% đáp ứng đầu ra luôn bị dao động và gây ra các dao động tần nhu cầu điện năng ở châu Âu. Như vậy, sự phát triển ngành số cao cho bộ điều khiển. Đối với turbine sử dụng bộ điều công nghiệp điện gió đóng một vai trò rất lớn trong việc khiển xây dựng dựa trên mạng nơ-ron, chúng ta cần phải xây đáp ứng nhu cầu phát triển điện năng và giúp hạn chế vấn dựng dữ liệu mẫu để huấn luyện mạng nơ-ron đó. đề ô nhiễm môi trường do các nhà máy điện truyền thống Trong bài báo này, tác giả thiết kế hệ thống điều khiển gây ra. Ở Việt Nam, điện gió đã và đang bắt đầu được khai cho bộ chuyển đồi AC/DC ở phía rotor để hàm năng lượng thác, nhiều nhà máy điện gió công suất hàng chục MW của hệ thống đạt cực tiểu. Hệ thống điều khiển này sẽ được cũng đã được đưa vào vận hành và phát điện [4]. đánh giá thông qua việc mô phỏng turbine gió loại DFIG Hiện nay, turbine gió trục ngang đang được sử dụng ở trong Matlab/Simulink. các nhà máy công suất lớn trên thế giới. Có 2 loại turbine gió trục ngang là turbine gió sử dụng tốc độ không đổi và 2. Turbine gió sử dụng DFIG turbine gió tốc độ thay đổi [5] - [7]. Để đạt được hiệu suất 2.1. Turbine gió chuyển đổi năng lượng cao nhất, các nhà máy điện gió công Khi tốc độ gió 𝑉𝑤 , turbine đang quay ở tốc độ 𝜔𝑟 thì suất lớn thường sử dụng loại turbine tốc độ thay đổi với mô-mên cơ học trên trục turbine được xác định: máy phát loại không đồng bộ DFIG [7] và máy phát đồng 𝜋𝜌𝑅 2 𝐶𝑝 (𝜆,𝛽)𝑉𝑤 3 bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu PMSG [6]. Đối với nhà 𝑇𝑚 = (1) 2𝜔𝑟 máy điện gió tốc độ thay đổi, để đồng bộ với lưới, bắt buộc phải sử dụng bộ biến tần. Với turbine có công suất lớn, với 𝑅 là chiều dài cánh turbine, 𝜌 là mật độ không khí, người ta thường sử dụng loại máy phát DFIG hơn so với 𝐶𝑝 (𝜆, 𝛽) là hiệu suất chuyển đổi năng lượng của turbine gió.
2 Phan Đình Chung 𝐶𝑝 (𝜆, 𝛽) phụ thuộc vào góc nghiêng cánh quạt 𝛽 và tỷ số 𝜓𝑠𝑞 = 0, 𝜓𝑠𝑑 = ‖𝜓𝑠𝑞 ‖2 = 𝛹𝑠 (5) (tip-speed ratio) 𝜆 giữa tốc độ dài của turbine tính từ đỉnh với 𝛹𝑠 là độ lớn của từ thông. Như vậy, cánh quạt so với tốc độ gió, tỷ số này được tính như sau: 𝑅𝜔𝑟 𝑣𝑠 = 𝜔𝑠 Ҥ𝜓𝑠 (6) 𝜆= (2) 𝑉𝑤 Từ (5) và (6), ta dễ dàng đạt được Thông thường, hiệu suất chuyển đổi năng lượng 𝑣𝑠𝑑 = 0 và 𝑣𝑠𝑞 = 𝜔𝑠 𝜓𝑠𝑑 = ‖𝑣𝑠 ‖2 = 𝑉𝑠 (7) 𝐶𝑝 (𝜆, 𝛽) phụ thuộc vào nhà sản xuất turbine. Khi tốc độ gió bé hơn giá trị định mức, góc nghiêng cánh quạt được đặt ở với 𝑉𝑠 là độ lớn của điện áp phía stator. Từ (2), (5) và (7), giá trị nhỏ nhất 𝛽; khi tốc độ gió trên giá trị định mức, bộ ta có: điều khiển góc cánh quạt sẽ điều khiển để tăng góc 𝛽 nhằm 𝐿 𝑉 1 𝑖𝑠 = − 𝑚 𝑖𝑟 + 𝑠 [ ] (8) hạn chế công suất cơ hoặc mô-men cơ trên trục turbine ở 𝐿𝑠 𝜔𝑠 𝐿𝑠 0 giá trị định mức. Hay: 2.2. Máy phát điện DFIG 𝑉𝑠 𝑇 𝜓𝑠 = [ 0] (9) 𝜔𝑠 DFIG là máy phát điện cảm ứng có cuộn dây rotor hở mạch, do đó DFIG có thể trao đổi điện năng với bên ngoài 𝐿𝑚 𝑉𝑠 1 𝜓𝑟 = 𝛿𝑖𝑟 + [ ] 10) (với lưới) bằng cả cuộn dây stator và cuộn dây rotor như 𝜔𝑠 𝐿𝑠 0 Hình 1. Để đồng bộ với lưới, cuộn dây rotor phải được kết 𝐿2𝑚 với 𝛿 = 𝐿𝑟 − . Từ (1), (4), (9) và (10), phương trình nối với lưới thông qua bộ biến tần AC/DC/AC. Bộ biến tần 𝐿𝑠 gồm bộ chuyển đổi ở phía rotor (RSC) và phía lưới (GSC), trạng thái của DFIG được mô tả như sau: mạch điện 1 chiều liên kết giữa RSC và GSC. Thông qua 𝑑 𝑅𝑟 𝑉𝑠 𝐿𝑚 0 𝑣𝑟 bộ biến tần, ta có thể điều khiển tốc độ turbine và công suất 𝑖𝑟 = − ( 𝐼2 + 𝜔𝑠 𝑠Ҥ) 𝑖𝑟 + [ ] 𝜔𝑟 + 𝑑𝑡 𝜎 𝜎𝜔𝑠 𝐿𝑠 1 𝜎 phản kháng phía stator. 𝑉𝑠 𝐿𝑚 0 − [ ] (11) 𝜎𝐿𝑠 1 1 0 ở đó 𝐼2 = [ ] 0 1 Công suất phản kháng ở phía stator được tính: 𝑉𝑠2 𝐿𝑚 𝑉𝑠 𝑄𝑠 = − 𝑖𝑟𝑑 (12) 𝐿𝑠 𝜔𝑠 𝐿𝑠 Mô-men điện từ trong DFIG được tính: 𝐿𝑚𝑉𝑠 𝑇𝑒 = − 𝑖 = −𝜒𝑖𝑟𝑞 (13) 𝜔𝑠 𝐿𝑠 𝑟𝑞 𝐿𝑚𝑉𝑠 với 𝜒 = 𝜔𝑠 𝐿𝑠 Hình 1. Turbine gió sử dụng DFIG Phương trình động học của turbine gió được mô tả như sau: 𝑑 1 Quan hệ điện từ trong DFIG được mô tả chi tiết trong [13]. 𝜔𝑟 = (𝑇𝑚 − 𝑇𝑒 − 𝑓𝜔𝑟 ) (14) 𝑑𝑡 𝐻 𝑑 𝑣𝑠 = 𝑟𝑠 𝑖𝑠 + 𝜓𝑠 + 𝜔𝑠 Ҥ𝜓𝑠 trong đó: 𝑇𝑚 , 𝑇𝑒 , 𝜔𝑟 lần lượt là mô-men cơ, mô-men điện 𝑑𝑡 { 𝑑 ; (1) và tốc độ quay của rotor; 𝐻 và 𝑓 là hệ số quán tính và hệ số 𝑣𝑟 = 𝑟𝑟 𝑖𝑟 + 𝜓𝑟 + 𝑠𝜔𝑠 Ҥ𝜓𝑟 ma sát của hệ thống turbine máy phát. 𝑑𝑡 với 𝜓𝑠 và 𝜓𝑟 là từ thông phía stator và rotor 3. Xây dựng luật điều khiển mới cho bộ RSC 𝑇 𝜓𝑠 = [𝜓𝑠𝑑 𝜓𝑠𝑞 ] = 𝐿𝑠 𝑖𝑠 + 𝐿𝑚 𝑖𝑟 (2) Trong bài báo này, tác giả xây dựng luật điều khiển cho 𝑇 RSC để tốc độ turbine 𝜔𝑟 và công suất phản kháng phía stator 𝜓𝑟 = [𝜓𝑟𝑑 𝜓𝑟𝑞 ] = 𝐿𝑟 𝑖𝑟 + 𝐿𝑚 𝑖𝑠 ; (3) 𝑄𝑠 đạt các giá trị tham chiếu tương ứng 𝜔𝑟𝑟𝑒𝑓 và 𝑄𝑠𝑟𝑒𝑓 . 0 −1 𝑇 𝑇 Ҥ=[ ] ; 𝑖𝑠 = [𝑖𝑠𝑑 𝑖𝑠𝑞 ] và 𝑖𝑟 = [𝑖𝑟𝑑 𝑖𝑟𝑞 ] là dòng Theo công thức (12), để 𝑄𝑠 = 𝑄𝑠𝑟𝑒𝑓 thì chúng ta phải 1 0 điện trong cuộn dây stator và rotor; 𝑣𝑠 = [𝑣𝑠𝑑 𝑣𝑠𝑞 ] và 𝑇 điều khiển 𝑖𝑟𝑑 sao cho 𝑖𝑟𝑑 = 𝑖𝑟𝑑𝑟𝑒𝑓 , với 𝑇 𝑉𝑠2 𝐿𝑠 𝑣𝑟 = [𝑣𝑟𝑑 𝑣𝑟𝑞 ] là điện áp đầu cực cuộn dây stator và rotor; 𝑖𝑟𝑑𝑟𝑒𝑓 = ( 𝐿𝑠 𝜔𝑠 − 𝑄𝑠𝑟𝑒𝑓 ) 𝐿𝑚𝑉𝑠 (15) 𝑅, 𝐿, 𝑠, 𝜔 và 𝑉 là điện trở, điện cảm, hệ số trượt, tốc độ Như vậy, mục tiêu của bộ điều khiển là thay đổi 𝑣𝑟 sao quay, và biên độ điện áp; các chỉ số dưới 𝑟, 𝑠, và 𝑚 lần lượt cho 𝜔𝑟 đạt được 𝜔𝑟𝑟𝑒𝑓 và 𝑖𝑟𝑑 đạt được 𝑖𝑟𝑑𝑟𝑒𝑓 như (15). là rotor, stator, và mạch từ. Hệ số trượt 𝑠 được xác định: 𝜔𝑟 Ở đây, chúng ta thiết kế bộ điều khiển sao cho điện áp 𝑠 = 1− (4) 𝜔𝑠 đầu ra của RSC thoả mãn Khi điện áp phía stator được giữ không đổi, bỏ qua điện 𝑉𝐿 0 𝑣𝑟 = 𝜎 (𝜔𝑠 𝑠Ҥ𝑖𝑟 + 𝑠 𝑚 [ ] + 𝑢) (16) trở stator 𝑟𝑠 và dao động từ thông ở phía stator, trong hệ 𝜎𝐿𝑠 1 trục dq với trục d được chọn sao cho trục d trùng với với 𝑢 là tín hiệu điều khiển mới cần phải xác định. Như véc-tơ từ thông phía stator, thì: vậy, từ (11), (14) và (16), hệ thống turbine gió DFIG được
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển 1 3 mô tả bởi: Thay (24) vào (32), ta có: 𝑥̇ = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢 + 𝐸𝑑 (17) 𝑄𝑥̃𝑎 + 𝐴𝑇𝑎 𝑃𝑡 𝑥̃𝑎 = −𝑃𝑡 𝐴𝑎 𝑥̃𝑎 − 𝑃𝑡 𝐵𝑎 𝑢̃ − 𝑃𝑡̇ 𝑥̃𝑎 (33) 𝑦 = 𝐶𝑥 (18) hoặc: 𝑓 𝜒 − [0 1] 𝐻 (𝑄 + 𝐴𝑇𝑎 𝑃𝑡 + 𝑃𝑡 𝐴𝑎 − 𝑃𝑡 𝐵𝑎 𝑅𝑎−1 𝐵𝑎𝑇 𝑃𝑡 )𝑥̃𝑎 = −𝑃𝑡̇ 𝑥̃𝑎 (34) 𝜔𝑟 𝐻 với 𝑥 = [ 𝑖 ] , 𝐴 = [ 𝑉𝑠𝐿𝑚 0 𝑅𝑟 ] Khi 𝑡 → ∞, giả sử 𝑃𝑡 → 𝑃 và 𝑃𝑡̇ → 0, như vậy, ma trận 𝑟 [ ] − 𝐼2 𝜎𝜔𝑠 𝐿𝑠 1 𝜎 𝑃 thỏa mãn điều kiện: 1 0 0 𝐴𝑇𝑎 𝑃 + 𝑃𝐴𝑎 − 𝑃𝐵𝑎 𝑅𝑎−1 𝐵𝑎𝑇 𝑃 + 𝑄 = 0 (35) 𝐻 𝐵 = 𝜎 −1 [1 0], 𝐸 = [0] , 𝑑 = 𝑇𝑚 Như vậy, từ (35) chúng ta có thể xác định được 𝑃 sao 0 1 0 cho hàm Hamilton đạt cực tiểu, khi đó hàm năng lượng của 𝜔𝑟 1 0 0 hệ thống 𝑦 = [𝑖 ] , 𝐶 = [ ] ∞ 𝑟𝑑 0 1 0 𝐽𝑎 = ∫0 (𝑥̃𝑎 𝑇 𝑄𝑥̃𝑎 + 𝑢̃𝑇 𝑅𝑎 𝑢̃)𝑑𝜏 (36) Chúng ta định nghĩa: 𝑡 sẽ đạt cực tiểu. 𝑤 = ∫0 𝑒𝑑𝜏 (19) Như vậy, (30) cho ta xác định với 𝑢̃ = −𝑅𝑎−1 𝐵𝑎𝑇 𝑃𝑥̃𝑎 𝑒 = 𝑟−𝑦 (20) 𝑃 𝑃12 𝑥̃ = −𝑅𝑎−1 [𝐵𝑇 0] [ 11 ][ ] (37) 𝑟 = [𝜔𝑟𝑟𝑒𝑓 𝑖𝑟𝑑𝑟𝑒𝑓 ]𝑇 là véc-tơ chứa các giá trị tham chiếu. 𝑃21 𝑃22 𝑤 ̃ Như vậy, từ (17), (19) và (20), chúng ta viết: Từ (37) ta viết lại 𝑥̇ 𝐴 0 𝑥 𝐵 0 𝐸 𝑢 = 𝐾𝑃𝑎 (𝑥 − 𝑥∝ ) + 𝐾𝐼𝑎 (𝑤 − 𝑤∝ ) + 𝑢∝ (38) [ ]=[ ][ ] + [ ]𝑢 + [ ]𝑟 + [ ]𝑑 (21) 𝑤̇ −𝐶 0 𝑤 0 𝐼2 0 với 𝑥 𝑦 = [𝐶 0] [ ] (22) 𝐾𝑃𝑎 = −𝑅𝑎−1 𝐵𝑇 𝑃11 , 𝐾𝐼𝑎 = −𝑅𝑎−1 𝐵𝑇 𝑃12 (39) 𝑤 Ở trạng thái cân bằng, (13) trở thành: Khi ta đặt giá trị ở trạng thái xác lập cho tích phân 𝑤∝ 𝐴 0 𝑥∞ 𝐵 0 𝐸 𝑤∝ = 𝑤(0) − 𝑃22 −1 𝑇 (𝑥(0) 𝑃12 − 𝑥∝ ) (40) [ ] [ ] + [ ] 𝑢∞ + [ ] 𝑟 + [ ] 𝑑 = 0 (23) −𝐶 0 𝑤∞ 0 𝐼2 0 thì ta có tín hiệu điều khiển Do vậy, từ (13) và (15), sai số của hệ thống được mô tả 𝑢 = 𝐾𝑃𝑎 𝑥 + 𝐾𝐼𝑎 𝑤 + 𝑢∞ − 𝐾𝑃𝑎 𝑥∞ − 𝐾𝐼𝑎 𝑤(0) 𝑥̃̇𝑎 = 𝐴𝑎 𝑥̃𝑎 + 𝐵𝑎 𝑢̃ (24) −1 𝑇 − 𝐾𝐼𝑎 𝑃22 𝑃12 (𝑥(0) − 𝑥∝ ) với 𝑥̃𝑎 = [𝑥̃̃ ]𝑇 , 𝑤 𝑥̃ = 𝑥 − 𝑥∞ , 𝑤 ̃ = 𝑤 − 𝑤∞ , −1 𝑇 = 𝐾𝑃𝑎 𝑥 + 𝐾𝐼𝑎 𝑤 − 𝐾𝐼𝑎 𝑃22 𝑃12 𝑥(0) − 𝐾𝐼𝑎 𝑤(0) 𝐴 0 𝐵 𝑥∞ 𝑢̃ = 𝑢 − 𝑢∞ , 𝐴𝑎 = [ ] ∈ 𝑅 , 𝐵𝑎 = [ ] ∈ 𝑅5×2 5×5 + [−𝐾𝑃𝑎 + 𝐾𝐼𝑎 𝑃22 −1 𝑇 𝑃12 𝐼2 ] [𝑤 ] −𝐶 0 0 ∞ Ở đây, ta xây dựng hàm Hamilton như sau: −1 𝑇 = 𝐾𝑃𝑎 𝑥 + 𝐾𝐼𝑎 𝑤 − 𝐾𝐼𝑎 𝑃22 𝑃12 𝑥(0) − 𝐾𝐼𝑎 𝑤(0) 1 1 𝐻 = 𝑥̃𝑎 𝑇 𝑄𝑥̃𝑎 + 𝑢̃𝑇 𝑅𝑎 𝑢̃ + 𝜇 𝑇 (𝐴𝑎 𝑥̃𝑎 + 𝐵𝑎 𝑢̃) (25) −1 𝑇 𝐴 0 −1 0 𝐸 2 2 + [−𝐾𝑃𝑎 + 𝐾𝐼𝑎 𝑃22 𝑃12 𝐼2 ] [ ] ([ ] 𝑟 − [ ] 𝑑) 𝐶 0 𝐼2 0 𝑄𝑎1 0 −1 𝑇 trong đó, 𝑄 = [ ], 𝑄𝑎1 = 𝑘𝐶 𝑇 𝐶, 𝑄𝑎2 > 0, = 𝑢𝐹 − 𝐾𝐼𝑎 𝑃22 𝑃12 𝑥(0) − 𝐾𝐼𝑎 𝑤(0) + 𝐻𝑟 𝑟 − 𝐻𝑑 𝑑 (41) 0 𝑄𝑎2 𝑅𝑎 > 0, 𝑘 là hằng số thiết kế. với Như vậy, ta có: 𝑢𝐹 = 𝐾𝑃𝑎 𝑥 + 𝐾𝐼𝑎 𝑤 (42) −1 0 𝜕𝐻 = 𝑄𝑥̃𝑎 + 𝐴𝑇𝑎 𝜇 −1 𝑇 𝐴 0 (26) 𝐻𝑟 = [−𝐾𝑃𝑎 + 𝐾𝐼𝑎 𝑃22 𝑃12 𝐼2 ] [ ] [ ] (43) 𝜕𝑥̃𝑎 𝐶 0 𝐼2 𝜕𝐻 = 𝑅𝑎 𝑢̃ + 𝐵𝑎𝑇 𝜇 (27) −1 𝑇 𝐴 0 −1 𝐸 ̃ 𝜕𝑢 𝐻𝑑 = [−𝐾𝑃𝑎 + 𝐾𝐼𝑎 𝑃22 𝑃12 𝐼2 ] [ ] [ ] (44) 𝐶 0 0 Để 𝐻 đạt cực tiểu thì: Tóm lại, từ (16) nếu ta xây dựng bộ điều khiển sao cho 𝜕𝐻 = 𝑅𝑎 𝑢̃ + 𝐵𝑎𝑇 𝜇 = 0 (28) 𝑉𝐿 0 ̃ 𝜕𝑢 𝑣𝑟 = 𝜎 (𝜔𝑠 𝑠Ҥ𝐺𝑥 − 𝑠 𝑚 [ ] + 𝑢) (45) 𝜎𝐿𝑠 1 Hay: 0 1 0 𝑢̃ = −𝑅𝑎−1 𝐵𝑎𝑇 𝜇 (29) với 𝐺 = [ ] và 𝑢 được xác định như (41) thì hàm 0 0 1 Ta đặt 𝜇 = 𝑃𝑡 𝑥̃𝑎 với 𝑃𝑡 là hàm của thời gian, do đó, năng lượng của hệ thống sẽ đạt cực tiểu. Sơ đồ điều khiển 𝑢̃ = −𝑅𝑎−1 𝐵𝑎 𝑇 𝜇 = −𝑅𝑎−1 𝐵𝑎𝑇 𝑃𝑡 𝑥̃𝑎 (30) như Hình 2. Ngoài ra, điều kiện tối ưu cho hàm Hamilton [14] là So sánh với bộ điều khiển sử dụng PI [15], việc xác định thông số cho bộ điều khiển trong bài báo này đơn giản 𝜕𝐻 𝜕𝑥̃𝑎 = −𝜇̇ (31) hơn. Bộ điều khiển đưa ra đảm bảo hàm mục tiêu (năng lượng) của hệ thống đạt cực tiểu, tương đương với sai số Từ (26) và (31), ta có: trong hệ điều khiển đạt cực tiểu [14]. Bộ điều khiển PI 𝑥̃𝑎 + 𝐴𝑇𝑎 𝜇 = 𝑄𝑥̃𝑎 + 𝐴𝑇𝑎 𝑃𝑡 𝑥̃𝑎 = −𝑃𝑡 𝑥̃̇𝑎 − 𝑃𝑡̇ 𝑥̃𝑎 (32) không đảm bảo được điều này.
4 Phan Đình Chung 0 −3162 0 𝐾𝑃𝑎 = [ ] −3162 0 −19,7 và 0 3162 𝐻𝑟 = [ ] 3163 0 0,0001 𝐻𝑑 = [ ] 20,5502 Giả sử chúng ta cần điều khiển RSC sao cho 𝑉𝑠2 𝜔𝑟 → 𝜔𝑟𝑟𝑒𝑓 = 0,1𝑉𝑤 và 𝑖𝑟𝑑 → 0, tức là 𝑄𝑠 → 𝑄𝑠𝑟𝑒𝑓 = 𝐿𝑠 𝜔𝑠 Để đánh giá bộ điều khiển đã đưa ra, ở đây tác giả sử Hình 2. Sơ đồ điều khiển RSC của turbine gió loại DFIG dụng Matlab/Simulink để mô phỏng 2 trường hợp khác nhau của gió và ta có được kết quả như Hình 3 và Hình 4 tương 4. Mô phỏng ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi và dạng bất kỳ. Để đánh giá bộ điều khiển đưa ra, ở đây chúng ta sử dụng turbine gió loại DFIG như Bảng 1. Bảng 1. Thông số máy phát DFIG Thông số Ký hiệu Giá trị Điện cảm bản thân cuộn dây rotor 𝐿𝑙𝑟 0,156pu (a) Điện cảm bản thân cuộn dây stator 𝐿𝑙𝑠 0,171pu Điện cảm tương hỗ 𝐿𝑚 2,9pu Điện trở cuộn dây rotor 𝑅𝑟 0,005pu Điện áp phía stator 𝑉𝑠 1pu Tần số góc phía stator 𝜔𝑠 1pu (b) Mô-men quán tính H 5,04pu Hệ số ma sát f 0,01pu Điện cảm tương đương phía stator và rotor: 𝐿𝑟 = 𝐿𝑙𝑟 + 𝐿𝑚 = 3,056𝑝𝑢 𝐿𝑠 = 𝐿𝑙𝑠 + 𝐿𝑚 = 3,071𝑝𝑢 (c) Turbine gió có phương trình hiệu suất chuyển đổi [16] Hình 3. Kết quả mô phỏng khi tốc độ gió không đổi: (a) tốc độ 116 −21 gió, (b) tốc độ rotor và dòng điện 𝑖𝑟𝑑 , (c) sai số giữa r và y 𝐶𝑝 (𝜆, 𝛽) = 0,5176 ( − 0,4𝛽 − 5) 𝑒 𝜆𝑖 + 0,0068𝜆 𝜆𝑖 1 1 0,035 = − 𝜆𝑖 𝜆 + 0,08𝛽 1 + 𝛽 3 Hàm 𝐶𝑝 (𝜆, 0) này đạt cực đại tại 𝜆𝑜𝑝𝑡 = 8,123 Với turbine gió loại DFIG như ở trên, chúng ta có ma (a) trận 𝐴 và 𝐵 như sau: −0,002 [0 1]0,1874 0 0 𝐴=[ 0 ] ; 𝐵 = 3,1498 [1 0] 2,9744 [ ] −0,0157𝐼2 1 0 1 5 Ở đây, ta thiết kế bộ điều khiển với 𝑘 = 10 và ta chọn: 5 𝑄𝑎2 = [10 0 ], 𝑅 = [0,01 0 ] (b) 0 105 0 0,01 Bằng cách giải phương trình (35), ta xác định được −3327 0 𝑃12 = [ 0 −10] −10 0 103270 0 𝑃22 = [ ] (c) 0 −1970 Từ (39), (43) và (44), ta xác định được Hình 4. Kết quả mô phỏng khi tốc độ gió dạng bất kỳ: (a) tốc độ gió, (b) tốc độ rotor và dòng điện 𝑖𝑟𝑑 , (c) sai số giữa r và y −1 3162 𝐾𝐼𝑎 = [ ] Từ kết quả mô phỏng Hình 3 và Hình 4, ta thấy rằng 3162 −1 với bộ điều khiển đưa ra, turbine gió làm việc ổn định trong
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển 1 5 suốt thời gian mô phỏng. Tốc độ rotor 𝜔𝑟 đạt đến EWEA-Annual-Statistics-2015.pdf 𝜔𝑟𝑟𝑒𝑓 = 0,1𝑉𝑤 và dòng điện 𝑖𝑟𝑑 luôn duy trì ở giá trị zero [3] http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/scenarios/ EWEA-Wind-energy-scenarios-2020.pdf như yêu cầu. Sai số giữa giá trị tham chiếu và giá trị thực [4] http://www.thewindpower.net/country_maps_en_74_vietnam.php rất bé, nhỏ hơn 0,5%. Điều này chứng tỏ, bộ điều khiển đưa [5] A.E. Leon, M.F. Farias, P.E. Battaiotto, J.A. Solsona, M.I. Valla, ra có thể áp dụng vào turbine gió sử dụng loại DFIG. “Control strategy of a DVR to improve stability in wind farms using squirrel-cage induction generators”, IEEE Transaction. Power System, Vol. 26, 2011, pp. 1609-1617. [6] S.M. Barakati, M. Kazerani, J.D. Aplevich, “Maximum power tracking control for a wind turbine system including a matrix converter”, IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 24, 2009, pp. 705-713. (a) [7] Y. Qiu, W. Zhang, M. Cao, Y. Feng, D. Infield, “An electro-thermal analysis of a variable-speed doubly-fed induction generator in a wind turbine”, Energies, Vol. 8, 2015, pp. 3386-3402. [8] Yang, L., Xu, Z., Stergaard, J., Dong, Z.Y., Wong, K.P., Ma, X., “Oscillatory stability and eigenvalue sensitivity analysis of a DFIG wind turbine system”, IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 26, 2011, pp. 328-339. (b) [9] Y. Mishra, S. Mishra, F. Li, Z. Y. Dong, R. C. Bansal., “Small signal Hình 5. Kết quả mô phỏng sai số giữa r và y khi sử dụng điều stability analysis of a DFIG-based wind power system under khiển PI trong 2 trường hợp gió: (a) tốc độ gió không đổi như different modes of operation”, IEEE Transaction on Energy Hình 3a và (b) tốc độ gió thay đổi như Hình 4a Conversion, Vol. 24, 2009, pp. 972-982. [10] H. Karimi-Davijani, A. Sheikholeslami, H. Livani and M. Karimi – So với bộ điều khiển sử dụng PI, bộ điều khiển đề xuất Davijani, “Fuzzy logic control of Doubly Fed Induction Generator trong bài báo này cho sai số (𝑒 = 𝑟 − 𝑦) nhỏ hơn nhiều. Từ wind turbine”, World Applied Sciences Journal, Vol. 6, Iss. 4, 2009, Hình 3c, 4c và Hình 5, rõ ràng với bộ điều khiển PI, kết pp. 499-508. quả sai số (𝑒 = 𝑟 − 𝑦) lớn, có thể lên đến 7% như Hình 5, [11] Brice Beltran, Mohamed Hachemi Benbouzid, Tarek Ahmed-Ali, trong khi đó, với bộ điều khiển tác giả đề xuất, sai số này “Second-order sliding mode control of a Doubly Fed Induction Generator driven wind turbine”, IEEE Transactions on Energy bé hơn 0,5%. Như vậy, đây là ưu điểm của bộ điều khiển Conversion, Vol. 27, Iss. 2, June 2012, pp. 261-269. tác giả đề xuất so với bộ điều khiển sử dụng PI. [12] Swati A. Barbade, Prabha. Kasliwal, “Neural network based control of Doubly Fed Induction Generator in wind power generation”, 5. Kết luận International Journal of Advancements in Research & Technology, Bài báo đã xây dựng luật điều khiển mới cho RSC của Vol. 1, Iss. 2, 2012, pp. 1-5. turbine gió loại DFIG dựa vào cực tiểu hàm năng lượng của [13] Gonzalo Abad, Jesus Lopez, Miguel A. Rodríguez, Luis Marroyo, Grzegorz Iwanski, Doubly Fed Induction Machine, John Wiley & hệ thống. Bộ điều khiển đưa ra có cấu trúc đơn giản, xác Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2011. định thông số bộ điều khiển đơn giản, đảm bảo điều kiện [14] Jiongmin Yong, Xun Yu Zhou, Linear Quadratic Optimal Control ổn định của turbine gió. Kết quả mô phỏng cho thấy turbine Problems, Springer, New York, NY, 1999. gió làm việc ổn định và sai số giữa giá trị tham chiếu và giá [15] Yun-Su Kim, Yop Chung, and Seung-Il Moon, “Tuning of the PI trị cần điều khiển rất bé, bé hơn nhiều so với bộ điều khiển Controller Parameters of a PMSG Wind Turbine to Improve Control sử dụng PI trong cùng tình huống về gió. Performance under Various Wind Speeds”, Energies, Vol. 8, 2015, pp. 1406-1425. [16] Mostafa Soliman, O. P. Malik, David T. Westwick, “Multiple model TÀI LIỆU THAM KHẢO predictive control for wind turbines with Doubly Fed Induction [1] http://www.wwindea.org/the-world-sets-new-wind-installations- Generators” IEEE Transactions on Sustainable Energy, Vol. 2, Iss. record-637-gw-new-capacity 3, 2011, pp. 215-225. [2] http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/statistics/ (BBT nhận bài: 08/09/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 05/10/2017)