Hoà đồng bộ máy phát điện lên lưới bằng phương pháp điều khiển Passivity – Based

Đặng Danh Hoằng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 70 - 74 HOÀ ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN LÊN LƯỚI BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PASSIVITY – BASED Đặng Danh Hoằng Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp TÓM TẮT Việc điều khiển hoà đồng bộ máy phát điện lên lƣới là một trong những vấn đề quan trọng của hệ thống máy phát điện sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép (MDBNK). Bài báo này đƣa ra một phƣơng pháp điều khiển mới để điều khiển máy phát và tự động quá trình hoà đồng bộ máy phát vào lƣới điện, đó là phƣơng pháp điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động (Passivity – Based). Từ khoá: Hoà đồng bộ máy phát điện *MỞ ĐẦU MP: Máy phát (sử dụng MDBNK) Hệ thống máy phát điện sử dụng máy điện dị bộ Từ sơ đồ cấu trúc hình 1, ta thấy hệ nguồn kép, đang đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ thống gồm 2 phần điều khiển cơ bản: trên toàn thế giới. Hiện nay trên thế giới cũng + Điều khiển phía lƣới nhƣ ở nƣớc ta chƣa có một công trình khoa học + Điều khiển phía máy phát nào nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động (Passivity – Based) áp Hai phần điều khiển đều điều khiển bộ biến dụng cho đối tƣợng này. Vì vậy bài báo này đƣa đổi công suất (nghịch lƣu) và hai cụm nghịch ra phƣơng pháp điều khiển Passivity – Based để lƣu này đƣợc nối với nhau bởi mạch một điều khiển máy phát điện dị bộ nguồn kép, chiều trung gian. Ở đây ta chỉ quan tâm đến trong đó tập trung vào vấn đề tự động hoà đồng cụm NLPMP, nó có 2 nhiệm vụ điều chỉnh bộ máy phát lên lƣới thay vì sử dụng phƣơng và cách ly công suất hữu công và vô công pháp đèn hoà đồng bộ trƣớc đây. gián tiếp thông qua 2 đại lƣợng mô men mG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN và Q đồng thời có nhiệm vụ thực hiện hoà đồng bộ cũng nhƣ điều chỉnh tách máy phát C MĐ ra khỏi lƣới khi cần thiết. u us N TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN DÕNG ĐIỆN RÔTO THEO PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU NLPL NLPMP KHIỂN PHI TUYẾN PASSIVITY – BASED 3 UD = Để điều khiển máy phát, cũng nhƣ thực hiện C 3~ = 3 hoà đồng bộ máy phát điện lên lƣới ta sử ~ MP ~ dụng sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát ir IE nhƣ hình 2. Ở đây tác giả sử dụng phƣơng iN i Thiết bị điều khiển s pháp Passivity – Based (dựa trên thụ động) để n (DSP) thiết kế bộ điều khiển dòng điện rotor cho Hình 1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống máy phát máy phát điện dị bộ nguồn kép. điện sử dụng MDBNK Nhƣ trong [1], [3] hệ phƣơng trình mô tả mô NLPL: Nghịch lƣu phía lƣới hình dòng rotor của MDBNK sau khi đƣợc NLPMP: Nghịch lƣu phía máy phát. tách ra trên hệ trục toạ độ dq nhƣ sau: MĐC: Máy đóng cắt. IE: Thiết bị đo tốc độ bằng khắc vạch xung. * Tel: 0974.155.446 70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đặng Danh Hoằng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 70 - 74 di 1 1 1 rd  () ii   Lưới  dt T T rd r rq  rs 1 1 1 1 u v w ().''  uu   sd sqrd sd (1)  TLLs  r  m  dirq 1 1 1   () ii    dt T T rq r rd  rs MĐN 1 1 1 1 ().''  uu  Từ mạch một  TLLsq sd rq  sq  s r m chiều trung gian u DC Khâu ĐCMM * mG * i rd urd ura - tr r mG jr ts S * e 3~ i rq urq u ĐCDMP rb tt t * TSP Q MP -  usdq ’*sd r u*sdq ĐCVTKG NL isdq r Q q Khâu ĐCQ s i ird ir rr 3 r irs IE irq -jr irβ 2 n e Q mG  r GTT i isd s isu 3  * * i rd ’ isq -jN isβ isv sd * e i rq * 2 ’ sq * u sd N uNu * u sq GTĐ N PLL uNv uNd = u s Hình 2. Hệ thống điều khiển máy phát (MDBNK) trong hệ thống phát điện sức gió sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đặng Danh Hoằng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 70 - 74 Để đặt bài toán điều chỉnh các thành phần dr dl d rl       (4) của ir, ta đặt biến ir là biến điều khiển và với dt dt dt giá trị mong muốn là i*r đƣợc lấy từ bộ điều Từ (4) rõ ràng thấy từ trƣờng quay do dòng điện rotor sinh ra sẽ quay với tốc độ r so với chỉnh mô men mG và công suất Q thông qua khâu tính toán giá trị đặt (GTĐ). rotor, mà rotor quay với tốc độ  so với stato, Bộ điều chỉnh dựa trên thụ động (viết tắt: do đó từ trƣờng quay rotor sẽ có tốc độ: PBC) đƣợc xây dựng theo nguyên tắc là cần rs = r + (5) phải tác động vào tín hiệu điều khiển một tín So sánh (4) và (5) thì từ trƣờng rotor sẽ cảm ứng vào stato điện áp có tần số góc rs đúng hiệu dạng D().ir - gọi là tín hiệu suy giảm, và D() gọi là hệ số suy giảm. bằng tần số góc lƣới l, nghĩa là cùng tần số Tín hiệu điều khiển của bộ điều chỉnh dòng với điện áp lƣới. Nhƣ vậy với việc đƣa góc máy phát đƣợc xác định: chuyển đổi r vào biến tần thì sẽ đảm bảo PBC * điều kiện tần số điện áp đầu ra máy phát và u urd D( ). i rd rd điện áp lƣới có cùng tần số. (2) PBC * - Để điều kiện trùng pha đƣợc đảm bảo, ta u urq D( ). irq rq thực hiện thông qua điều khiển các thành PBC PBC Trong đó: uu; là điện áp do bộ điều phần dòng điện rotor i và i , có giá trị thích rd rq rd rq hợp. Theo [1], [5], ta phải điều khiển sao cho khiển PBC tạo ra (theo các thành phần d và q) ird = 0 và irq < 0. u*rd; u*rq là điện áp rotor mong muốn của máy phát (theo các thành phần d và q) - Xác định mối quan hệ giữa trị số biên độ đƣợc xác định theo (1). điện áp lƣới (ulm), điện áp đầu ra máy phát * (usm) và giá trị irq. Xuất phát từ phƣơng trình ird i rd i rd véc tơ điện áp stato: * là sai lệch dòng điện rotor d u s j  irq i rq i rq sdt s s (6) giữa giá trị đặt và giá trị thực lấy từ máy phát s L. mi r (theo các thành phần d và q). Từ (6) suy ra uis j s L m . r Với D() là hệ số suy giảm đƣợc chọn sao Và ở đây ta chuyển sang hệ trục toạ độ dq tựa cho hàm trữ năng lƣợng của biến điều khiển theo điện áp lƣới, ta có: vẫn giữ đƣợc đặc điểm thụ động. u L .i Bộ điều khiển dòng điện thực hiện quá trình sd s m rq hoà đồng bộ, cần phải thoả mãn các điều kiện (7) usq s L m .i rd  0( i rd  0 ) hệ thống điện áp đầu ra máy phát so với hệ thống điện áp lƣới: Từ (7), dễ dàng có: + Cùng tần số usm = usd = - s.Lm.irq (8) + Cùng góc pha Để điện áp máy phát và điện áp lƣới có cùng + Cùng trị số trị số (usm = ulm), theo (8) ta có ngay: Muốn vậy trong quá trình điều khiển ta cần phải xác định các giá trị sau để thoả mãn các ulm irq  (9) điều kiện đặt ra ở trên: smL - Xác định góc chuyển đổi r đƣa vào biến tần * Để tự động hoà đồng bộ ta chỉ cần kiểm tra để đảm bảo điều kiện điện áp cùng tần số: tín hiệu ird và irq nếu đảm bảo ird = 0 và irq = r = l -  (3) const < 0, thì sau một vài chu kỳ (do ta đặt Với: l - góc quay của véc tơ không gian điện thiết bị đo lường và điều khiển) hệ thống sẽ tự áp lƣới,  - góc quay của rotor (góc điện) động hoà đồng bộ máy phát lên lưới điện. Để thấy đƣợc việc xác định r theo (3) là thoả SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG mãn điều kiện cùng tần số, ta xuất phát từ: MATLAB – SIMULINK – PLECS 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đặng Danh Hoằng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 70 - 74 Mô phỏng hệ thống máy phát điện 400 ulƣới uphát không đồng bộ nguồn kép với bảng số liệu: 300 Pđm = 7.5 Uđmr = 366 Rr = 0.66  KW V 200 Uđms = nđm =1950 Ls = 0.033H 100 V/p 230/400(/) f = 50 Hz R =0.5035 0 đm s Ls = 0.0049H  -100 z = 2 I = 6,7 A L = 0,0805H p đmr m J = Cosđm = Iđms = -200 0.05Kgm2 0.85 32,4/17,8A(/) -300 2 -400 1 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0 Hình 5. Đáp ứng điện áp pha máy phát và điện áp pha lƣới -1 400 -2 300 -3 200 -4 -5 100 -6 0 -7 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 -100 Hình 3. Sơ đồ mô phỏng hệ thống -200 Dang Danh Hoang -300 Thai Nguyen University of Technology * ird i rd -400 mG 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Ugrid_dq mG_ref pulses1 mG mM_ref omegaS pulses Hình 6. Đáp ứng điện áp pha máy phát và điện Q Q_ref us_dq pulses2 theta_grid cos phi Q_ref is_dq us_dq 0 sinphi_ref áp pha lƣới khi hoà đồng bộ lên lƣới ở 0,2s omegaS mG irq Sync uDC_ref P's_dq is_dq 1000 pulses i_rotor ir_dq uDC_ref Sync uDC omegaRcos phi ir_dq voltage dip i_stator thetaR iN_dq ugrid omega uDC i*r P's_dq omg_grid KẾT LUẬN Fault RSwitch u_grid iN_dq cos phi Generator Side omega Fault1 Controller theta cosphi - Kết quả mô phỏng ta thấy bộ điều chỉnh đã * mL omegaR f(u) i RSw itch uDC rq thetaR Q -> cos Grid Side điều khiển đƣợc các dòng điện thành phần i Controller rd 125.6 Omega_roto uDC OmegaR Constant DFIM Model và irq đảm bảo ird = 0 và irq < 0, sau 0,12s -K- n (hình 4) và ta thấy điện áp pha của lƣới và máy phát trùng nhau sau 0,12s (hình 5). Đồng thời đến 0,2s thì hoà đồng bộ lên lƣới (hình 6) Hình 4. Đáp ứng dòng điện ird và irq và ta thấy chúng vẫn trùng nhau. Nhƣ vậy với theo giá trị đặt kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển đã giải quyết đƣợc các vấn đề bài báo đặt ra. - Bài báo mở ra một phƣơng pháp thiết kế phi tuyến mới để điều khiển quá trình làm việc của máy phát điện dị bộ nguồn kép, trong đó có hoà đồng bộ lên lƣới. 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đặng Danh Hoằng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 70 - 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO [4] Ng.Ph.Quang, Andreas Dittrich: “Truyền động [1] Cao Xuân Tuyển (2008): “Tổng hợp các thuật điện thông minh”. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà toán phi tuyến trên cơ sở phương pháp Nội, 2002. Backstepping để điều khiển máy phát điện dị bộ [5] Ng.Ph.Quang (1996), “Điều khiển tự động nguồn kép trong hệ thống máy phát điện sức gió”, truyền động điện xoay chiều ba pha”. Nxb Giáo Luận án Tiến sỹ kỹ thuật. dục, Hà Nội, 1996. [2] Levent U.gödere, Marwan A. Simaan, Charles [6] N.D.Phƣớc, P.X.Minh, H.T.Trung (2003): Lý W. Brice (1997): “Passivity – Based Control of thuyết điều khiển phi tuyến. Nxb Khoa học và Kỹ Saturated Induction Motors”, IEEE. thuật, Hà Nội. [7] R.Ortega, A.Loria, P.J.Nicklasson, H.Sira- [3] Ng.Ph.Quang (2004): “Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”. Nxb Khoa Ramírez (1998): “Passivity-based Control of học và Kỹ thuật, Hà Nội. Euler Lagrange Systems: Mechanical, Electrical and Electromechanical Applications”. Springer- Verlay, London-Berlin-Heidelberg. SYNCHRONIZE ELECTRIC GENERATORS TO A POWER GRID BY PASSIVITY - BASED CONTROL METHODOLOGY Dang Danh Hoang2 Thai Nguyen University of Tecnology SUMMARY Synchronizing electric generators to a power grid is one of the most critical issues of the power systems using double-fed induction machines (DFIM). In this paper, a new controlling approach which control and synchronize electric generators to the grid automatically is represented. This methodology is called the passitivity-based non-linear control. Key word: Synchronize electric generators 2 Tel:0974.155.446 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên