Điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện chạy sức gió với bộ điều khiển dòng thích nghi bền vững trên cơ sở kỹ thuật Backstepping

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 ĐIỀU KHI ỂN MÁY ĐIỆN D N B Ộ NGU ỒN KÉP TRONG H Ệ TH ỐNG PHÁT ĐIỆN CH ẠY S ỨC GIÓ V ỚI B Ộ ĐIỀU KHI ỂN DÒNG THÍCH NGHI B ỀN V ỮNG TRÊN C Ơ S Ở K Ỹ THU ẬT BACKSTEPPING Cao Xuân Tuy ển (Tr ường ĐH K ỹ thu ật công nghi ệp – ĐH Thái Nguyên) - Nguy ễn Phùng Quang (Tr ường ĐH Bách khoa Hà N ội) 1.Gi ới thi ệu h ệ th ống phát điện s ức gió (P ĐSG) s ử d ụng máy d ị b ộ ngu ồn kép(DFIM) Hình 1.1. S ơ đồ nguyên lý h ệ th ốngP ĐSG s ử d ụng DFIM Hình 1.1 mô t ả khái quát c ấu trúc m ột h ệ th ống phát điện ch ạy s ức gió s ử d ụng DFIM. H ệ th ống trên bao g ồm m ột DFIM có cu ộn dây stator được n ối tr ực ti ếp v ới l ưới điện ba pha. Cu ộn dây phía rotor được n ối v ới h ệ th ống bi ến t ần (dùng van bán d ẫn) có kh ả n ăng điều khi ển dòng n ăng lượng đi theo hai chi ều. Các van bán d ẫn được điều khi ển đóng m ở theo nguyên lý điều ch ế vector không gian ( ĐCVTKG) do b ộ s ử lý tín hi ệu s ố DSP đả m nhi ệm. 2. Các hi ện t ượng x ảy ra khi l ỗi l ưới ng ắn m ạch ba pha Khi s ập l ưới đố i x ứng t ừ giá tr ị U 1 xu ống U 2, xu ất hi ện thành ph ần t ừ thông quá độ dao độ ng, thành ph ần này c ảm ứng ra điện áp rotor quá độ có biên độ t ỉ l ệ v ới hi ệu s ố (U 1-U2) và (1-s), mà hệ s ố tr ượt s nh ỏ nên biên độ điện áp rotor quá độ s ẽ có giá tr ị l ớn có th ể b ộ bi ến đổ i b ị m ất điều khi ển và xu ất hi ện quá dòng m ạch rotor l ớn. Khi s ập l ưới do dòng rotor, t ừ thông stator dao độ ng làm mô men điện c ủa máy phát dao độ ng theo. Do mô men c ơ trên tr ục máy phát thay đổ i ch ậm h ơn, nên t ốc độ rotor và do đó t ần s ố góc m ạch rotor ω r cũng dao độ ng khi s ập l ưới, d ẫn t ới h ệ s ố tr ượt s thay đổ i và điện áp c ảm ứng trong m ạch rotor dao 115 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 động theo, n ếu biên độ dao độ ng c ủa điện áp rotor quá l ớn v ượt quá kh ả n ăng c ủa b ộ bi ến đổ i, s ẽ gây nên hi ện t ượng dòng rotor b ị m ất điều khi ển trong th ời gian ng ắn và xu ất hi ện hi ện t ượng quá dòng l ớn. Trong ch ế độ s ập lưới, n ếu do ảnh h ưởng c ủa quá độ l ưới nh ư đóng c ắt t ải, mà điện áp l ưới l ại dao động n ữa thì theo phân tích ở trên, khi đó ngoài biên độ điện áp l ưới thay đổ i, t ừ thông stator c ũng dao độ ng theo làm c ảm ứng trong m ạch rotor điện áp c ũng dao độ ng có biên độ l ớn hơn bình th ường, và n ếu biên độ l ớn v ượt quá kh ả n ăng c ủa b ộ bi ến đổ i, s ẽ x ảy ra hi ện t ượng mất điều khi ển dòng rotor và hi ện t ượng quá dòng điện l ớn ở m ạch rotor. Từ các phân tích và nh ận xét ở trên, để nâng cao ch ất l ượng điều khi ển, b ộ điều khi ển cần thi ết ph ải xét t ới các y ếu t ố dao độ ng thay đổ i nh ư đã đề c ập đế n ở trên. Sự dao độ ng c ủa t ần s ố góc m ạch rotor, c ủa t ừ thông stator, c ủa điện áp stator và c ủa t ốc độ máy phát được k ể đế n thông qua các thành ph ần nhi ễu dao độ ng phi tuy ến t ươ ng ứng ω~ ω~ ψ~′ ψ~′ ~ ~ r , , sd , sq ,usd ,usq được c ộng thêm vào các giá tr ị ở chế độ xác l ập t ươ ng ứng nh ư sau: ω = ω + ω~ ω = ω + ω~ ψ ′ =ψ ′ +ψ~′ ψ ′ =ψ ′ +ψ~′ = + ~ = + ~ ˆ r r r ; ˆ ; ˆ sd sd sd ; ˆ sq sq sq ; uˆsd usd usd ; uˆsq usq usq (2.1) Trong đó : ω ω ψ ′ ψ ′ - ˆ, ˆ r , ˆ sd , ˆ sq , uˆsd , uˆ sq : Là các giá tr ị th ực đưa vào b ộ điều khi ển. ω~ ω~ ψ~′ ψ~′ ~ ~ - , r , sd , sq , usd , usq : Là các nhi ễu dao độ ng phi tuy ến. ω ω ψ ′ ψ ′ - , r , sd , sq , usd , usq : Là các giá tr ị ở ch ế độ xác l ập. Để k ể t ới các dao độ ng phi tuy ến k ể trên, ta áp d ụng ph ươ ng pháp ‘Adaptive backstepping’ trên c ơ s ở ổn đị nh Lyapunov để thi ết k ế b ộ điều khi ển b ền v ững v ới s ự c ố s ập l ưới. 3. T ổng h ợp b ộ điều khi ển ‘ adaptive backstepping’ cho thành ph ần ird Theo [2], ta có : +−ω − ψ′ + ωψ ′ + curd= wai1 rd rrq i e sd b sq du sd (3.1) Thay các giá tr ị th ực (2.1) vào, ta có: di * cu = −k z dt − k z + rd + ai − ω i − eψ ′ + bωψ ′ + du + bωψ~′ + rd i1 ∫ 1 p1 1 dt rd r rq sd sq sd sq (3.2) + ω~ψ ′ + ω~ψ~′ − ω~ − ψ~′ + ~ b sq b sq r irq e sd dusd 1 Ch ọn hàm điều khi ển Lyapunov là ν = z 2 , ta có: 12 1 νɺ = − − + ωψ~′ + ω~ψ ′ + ω~ψ~′ −ω~ − ψ~′ + ~ 1 z1[ ki1 ∫ z1dt k p1z1 b sq b sq b sq rirq e sd ud sd ] (3.3) νɺ < Rõ ràng, ta th ấy (3.3) không tho ả mãn điều ki ện 1 0 , và do đó b ộ điều khi ển không ổn đị nh. Bây gi ờ ta ch ọn hàm điều khi ển Lyapunov m ới có k ể đế n các thành ph ần dao độ ng phi tuy ến nh ư sau: ~ 2 ~ 2 ~ ~ 2 ~ 2 2 2 (ωψ ′ ) (ωψ ′ ) (ωψ ′ ) (ω i ) (ψ~′ ) (u~ ) ν * =ν + sq + sq + sq + r rq + sd + sd (3.4) 1 1 γ γ γ γ γ γ 2 01 2 11 2 21 2 31 2 41 2 51 116 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 γ γ γ γ γ γ Trong đó: 01 , 11 , 21 , 31 , 41 , 51 - là các h ằng s ố d ươ ng. Đạo hàm (3.4), ta được: (ωψ~′ ) d(ωψ~′ ) (ω~ψ ′ ) d(ω~ψ ′ ) (ω~ψ~′ ) d(ω~ψ~′ ) νɺ* =νɺ + sq sq + sq sq + sq sq + 1 1 γ γ γ 01 dt 11 dt 21 dt ~ ~ (3.5) (ω i ) d(ω i ) (ψ~′ ) d(ψ~′ ) (u~ ) d(u~ ) + r rq r rq + sd sd + sd sd γ γ γ 31 dt 41 dt 51 dt Thay (3.3) vào (3.5), ta được: 1 d 1 d νɺ* = −k z 2 dt − k z 2 + (ωψ~′ )[ (ωψ~′ )+ γ bz ] + (ω~ψ ′ )[ (ω~ψ ′ )+ 1 i1 ∫ 1 p1 1 γ sq sq 01 1 γ sq sq 01 dt 11 dt 1 d 1 d + γ bz ] + (ω~ψ~′ )[ ()ω~ψ~′ + γ bz ] + (ω~ i )[ ()ω~ i − γ z ] + (3.6) 11 1 γ sq sq 21 1 γ r rq r rq 31 1 21 dt 31 dt 1 d 1 d + (ψ~′ )[ ()ψ~′ − γ ez ] + (u~ )[ ()u~ + γ dz ] γ sd sd 41 1 γ sd sd 51 1 41 dt 51 dt d ()ωψ~′ = −γ d ()ω~ψ ′ = −γ d ()ω~ψ~′ = −γ sq 01 bz 1; sq 11 bz 1; sq 21 bz 1; * dt dt dt Để νɺ < 0 , thì: (3.7) 1 d d d ()ω~ i = γ z ; ()ψ~′ = γ ez ; ()u~ = −γ dz dt r rq 31 1 dt sd 41 1 dt sd 51 1 Từ (3.7), ta có: (ωψ~′ ) = (− γ ) (ω~ψ ′ ) = (− γ ) (ω~ψ~′ ) = (− γ ) sq ∫ 01 bz 1 dt ; sq ∫ 11 bz 1 dt ; sq ∫ 21 bz 1 dt ; (3.8) ()ω~ = ()()()γ ψ~′ = γ ~ = − γ r irq ∫ 31 z1 dt ; sd ∫ 41 ez 1 dt ; usd ∫ 51 dz 1 dt Thay (3.8) vào (3.2), ta được b ộ điều khi ển thành ph ần ird bền v ững nh ư sau: di * = − − + rd + − ω − ψ ′ + ωψ ′ + − γ 2 − cu rd ki1 ∫ z1dt k p1 z1 ai rd r irq e sd b sq du sd 01 b ∫ z1dt dt (3.9) − γ 2 − γ 2 − γ − γ 2 − γ 2 11 b ∫ z1dt 21 b ∫ z1dt 31 ∫ z1dt 41 e ∫ z1dt 51 d ∫ z1dt 4. T ổng h ợp b ộ điều khi ển ‘ adaptive backstepping’ cho thành ph ần irq Tổng h ợp tươ ng t ự nh ư bộ điều khi ển “adaptive backstepping” cho thành ph ần ird , ta được b ộ điều khi ển thành ph ần irq bền v ững v ới s ự c ố s ập l ưới nh ư sau: di * = − − + rq + + ω − ψ ′ − ωψ ′ + − γ 2 − cu rq ki2 ∫ z2 dt k p2 z2 ai rq r ird e sq b sd du sq 02 b ∫ z2 dt dt (4.1) − γ 2 − γ 2 − γ − γ 2 − γ 2 12 b ∫ z2 dt 22 b ∫ z2 dt 42 ∫ z2 dt 32 e ∫ z2 dt 52 d ∫ z2 dt 5. K ết qu ả thí nghi ệm 117 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 5.1 Thí nghi ệm riêng v ới b ộ điều khi ển dòng, s ập 50% điện áp l ưới, kéo dài 8 chu k ỳ, ird=1,5A; irq=-2,7A; n=1350 vòng/phút. Qua k ết qu¶ thí nghi ệm ở hình 5.1, rõ ràng ta th ấy r ằng khi s ập l ưới 50% thì t ần s ố góc m ạch rotor thay đổi và dao động, tuy nhiên v ới b ộ điều ch ỉnh dòng thích nghi b ền v ững đã thi ết k ế, thì các giá tr ị th ực c ủa các thành ph ần dòng rotor v ẫn bám t ốt theo giá tr ị đặ t c ủa chúng. 6 500 ird UNpha ird* 400 omegar 4 irq 300 irq* 200 2 100 0 0 -100 -2 -200 -300 -4 -400 -500 -6 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Hình 5.1 Điện áp l ưới và t ần s ố góc m ạch rotor Hình 5.2 Đáp ứng dòng rotor máy phát khi thí máy phát khi s ập 50% điện áp l ưới nghi ệm riêng v ới b ộ điều ch ỉnh dòng 5.2 S ập l ưới toàn h ệ th ống 50%, kéo dài 8 chu k ỳ, ở t ốc độ d ưới t ốc độ đồ ng b ộ 30% (n=1050 v/ph), khi s ập l ưới M* nh ảy t ừ -10Nm v ề 0 Nm, Q*=700(không thay đổ i). 2500 10 P M 2000 M* Q 5 Q* 1500 0 1000 500 -5 0 -10 -500 -15 -1000 -1500 -20 -2000 -25 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -2500 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Hình 5.3 Công su ất tác d ụng và công su ất ph ản Hình 5.4 Mô men c ủa máy phát kháng c ủa máy phát 118 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 6 2 ird irq 5 ird* irq* 1 4 0 3 2 -1 1 -2 0 -3 -1 -4 -2 -3 -5 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Hình 5.5 Đáp ứng thành ph ần dòng rotor ird Hình 5.6 Đáp ứng thành ph ần dòng rotor irq của máy phát của máy phát Khi s ập l ưới toàn h ệ th ống 50%, v ới b ộ điều khi ển dòng thích nghi b ền v ững đã thi ết k ế, máy phát đã th ực hi ện bám l ưới và th ực hi ện điều ch ỉnh gi ảm công su ất tác d ụng v ề không, duy trì phát công su ất ph ản kháng lên l ưới để h ỗ tr ợ l ưới v ề điện áp, tránh nguy c ơ tan rã h ệ th ống l ưới điện. Các k ết qu ả th ực nghi ệm cho th ấy, các giá tr ị th ực c ủa mô men, công su ất và dòng điện đã bám t ốt theo giá tr ị đặ t c ủa chúng, điều đó kh ẳng đị nh ch ất l ượng c ủa b ộ điều ch ỉnh dòng đã thi ết k ế. Các nhận xét c ũng t ươ ng t ự khi thí nghi ệm ở t ốc độ trên đồng b ộ. 6. K ết lu ận Kết qu ả thí nghi ệm đã ch ứng t ỏ với b ộ điều ch ỉnh dòng thích nghi b ền v ững được thi ết k ế t ổng hợp trên c ơ s ở k ỹ thu ật Backstepping, v ới vi ệc đề c ập t ới các hi ện t ượng dao độ ng phi tuy ến khi lỗi l ưới đã gi ải quy ết t ốt được các v ấn đề đặ t ra, đó là: Khi s ập l ưới, máy phát đã th ực hi ện được vấn đề bám l ưới, cung c ấp công su ất vô công h ỗ tr ợ l ưới tr ụ v ững qua giai đoạn s ự c ố, đồng th ời bộ điều khi ển đã làm vi ệc t ốt ở t ốc độ trên và d ưới đồ ng bộ
TÓM T ẮT Với yêu c ầu ngày càng cao v ề ch ất l ượng điện n ăng, nên qui định các máy phát điện ch ạy s ức gió k ết n ối v ới l ưới điện, nh ất là l ưới điện ki ểu “wind farm” ph ải có kh ả n ăng bám l ưới khi có sự c ố l ỗi l ưới, đồ ng th ời ph ải cung c ấp dòng công su ất vô công lên l ưới để h ỗ tr ợ l ưới v ề điện áp, tránh gây tan rã toàn h ệ th ống l ưới điện. V ới b ộ điều khi ển dòng thích nghi b ền v ững được thi ết k ế t ổng h ợp trên c ơ s ở k ỹ thu ật Backstepping đã gi ải quy ết được các yêu c ầu đặ t ra ở trên khi s ập l ưới đế n 50%. K ết qu ả đã được ki ểm nghi ệm trên h ệ th ống thí nghi ệm th ực ở Vi ện K ỹ thu ật điện, đạ i h ọc Dresden, C ộng hòa liên bang Đức. 119 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 SUMMARY THE CONTROL OF DOUBLY-FED INDUCTION GENERATOR IN WIND POWER PLANT WITH THE BACKSTEPPING TECHNIQUE BASED ROBUST ADAPTIVE CURRENT CONTROLLER With the increasing requirements of quality of electrical network, now Grid codes determine that wind turbine connected to the network, especially for wind farm, must have to be disconnect to the grid during three phase voltage dips, and must have to be able to support the voltage of the grid during and immediately following the grid fault by supplying reactive power to the network, that remains the stability of the network . The control of DFIM with Backstepping technique based robust adaptive current controller, has solved the above problem when the voltage sags to the 50% . The results have been verified on experiment system based on the dSpace Multi Processors ALPHA-COMBO system at Institute of Electrical Technique, TU Dresden, Germany. TÀI LI ỆU THAM KH ẢO [1]. Cao Xuân Tuy ển; Nguy ễn Phùng Quang (2005), Các thu ật toán phi tuy ến trên c ơ s ở k ỹ thu ật Backstepping điều khi ển máy điện d ị b ộ ngu ồn kép trong h ệ th ống phát điện ch ạy s ức gió. The 6 th Vietnam Conference on Automation (6 th VICA), Proc., pp.545 – 550. [2]. Cao Xuân Tuy ển; Nguy ễn Phùng Quang (2007), V ấn đề kh ử sai l ệch t ĩnh và các k ết qu ả th ực nghi ệm v ề áp d ụng các thu ật toán phi tuy ến trên c ơ s ở k ỹ thu ật Backstepping điều khi ển máy điện d ị bộ ngu ồn kép trong h ệ th ống phát điện ch ạy s ức gió, Tạp chí Khoa h ọc và Công ngh ệ các tr ường đạ i h ọc kỹ thu ật (s ố 59), Hà n ội. [3]. Quang, Ng.Ph.(1998), Máy điện d ị b ộ ngu ồn kép dùng làm máy phát trong h ệ th ống phát điện ch ạy s ức gió: Các thu ật toán điều ch ỉnh b ảo đả m phân ly gi ữa mômen và h ệ s ố công su ất. The 3rd Vietnam Conference on Automation (3 rd VICA), Proc., pp. 413 – 437. [4]. Krstíc, M.; Kanellakopoulos, I.; Kokotovíc, P.(1995), Nonlinear and Adaptive Control Design. John Wiley & Sons. [5]. Kokotovic, P.; Arcak, M.(2000), Constructive Nonlinear Control: A Historical Perspective. Center for Control Engineering and Computation, Universty of California. 120