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

Đặng Thị Loan Phượng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 83 - 88 83 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. Đặng Thị Loan Phượng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 83 - 88 84 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. ( )cG s( )w s′ ( )u s ( )e s ( )y s ( )sε ˆ( )y s ( )F s ( )mG s ( )pG s( )wG s ( )fG s ( )w s Hình 1: Cấu trúc bộ điều khiển mô hình nội Các hàm truyền ( )pG s , ( )mG s , ( )cG s , ( )fG s và ( )wG 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 ( ) 1wG s = khi đó theo hình 1 ta có: ( ) ( )( ) ( ) 1 ( ) ( )[ ( ) ( )] ( )[1 ( ) ( ) ( )] ( ) 1 ( ) ( )[ ( ) ( )] c p c f p m p c f m c f p m G s G s y s w s G s G s G s G s G s G s G s G s e s G s G s G s G s = + + − − + − (2.1) Nếu mô hình có thể biểu diễn cho đối tượng một cách chính xác thì điều đó có nghĩa là ( )pG s = ( )mG s và hàm truyền đầu vào của vòng kín hệ thống chỉ phụ thuộc vào nhánh truyền thẳng ( ) ( ) ( )o c pF s G s G s= . Theo như thuộc tính của IMC, BĐK lý tưởng 1( ) ( )c pG s G 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. 1( ) ( ) n c mG s G s s α α −   =  +  (2.2) 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: ( ) ( )( ) 1 ( )[ ( ) ( )] c p cl c p m G s G s G s G s G s G s = + − (2.3) Nếu mô hình là chính xác, thay (2.2) vào (2.3) dẫn đến: ( ) n clG s s α α   =  +  (2.4) ( )( ) 1 ( ) ( ) c c m G sF s G s G s = − (2.5) Đối với hệ thống bậc 1, tức là 1n = IMC khi đó được biến đổi sang dạng điều khiển (PI): ( ) ( ) i p m kF s k s G s s α = = + (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: ( )[1 ( ) ( )] ( ) ( )( ) 1 ( )[ ( ) ( )] 1 ( ) ( ) p c m p p e c p m p G s G s G s G s sG s G s G s G s G s F s G s s α − = = = + − + + (2.7) Nếu tín hiệu đầu vào nhiễu là hàm bước nhảy ( ) 1/e s s= đáp ứng xác lập của nhiễu có thể được tính toán như sau: (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 ( ) 1fG s = và ( ) 1wG s = , mô hình IMC nâng cấp được thể hiện như hình 2. 0 0 0 ( ) ( )1lim ( ) ( ) lim lim 0p p e s s s sG s sG s sG s e s s s s sα α→ → → = = = + + Đặng Thị Loan Phượng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 83 - 88 85 u (s)Gc (s) y (s)w (s) Gp (s) Gm (s) Ra Ra ε (s) y (s) - + - + -+ e (s) F(s) Hình 2: Bộ điều khiển nâng cấp dựa trên nguyên tắc IMC Khi: ( )( ) 1 ( ) p p p G s G s kG s = + ɶ , ( )( ) 1 ( ) m m m G sG s kG s = + ɶ , nếu Gp(s) và Gm(s) có thể tương thích theo ( )pG sɶ , ( )mG sɶ cũng phải tương thích. Nếu 1( ) ( ) n c mG s G s s α α −   =  +  ɶ . Điều này 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 ( ) ( )( ) i p mm k kkF s k sG s s ssG s αα α α + = = + = + ɶ (2.9) Từ hình 2 hàm truyền giữa e(s) và đầu ra là: 1 ( ) 1( ) 1 ( ) ( ) p e p p G ss sG s s kG s s G s kα α − = = + + + + (2.10) 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). 2( ) ( )e sG s K s α = + (2.11) 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. Áp dụng mô hình nội để điều khiển phía 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. Áp dụng cho thành phần trục d Phương trình mô tả mô hình dòng điện cho thành phần trục d [4]: 22 2 1 . 1 mrs m mmrs m m LLL L LLLL L L − = − = − σ σ (2.12) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 . '( ) ( ) . . ' rd r s s m s m rd r rq sd s s r m s s r m m s m sq rd sd s r m s r m r s m di R L R L R Li i dt L L L L L L L L L L LU U L L L L L L L L L ω ψ ωψ + ⇒ = − + + − − − + − − − − (2.13) Thiết kế bộ điều khiển thành phần dòng trục d 2 2 ' ' . ' . . . . . s r m rd pd d id d a rd r rq s s m m m sd sq rd sd s s s L L LU K e K e ddt R i i L R L L LU U L L L ω ψ ωψ − = + = + + − + − ∫ (2.14) 2 rd p d d id d a r d s r m r r q d s U K e K e d t R i L L L i E L ω = + − − − + ∫ (2.15) Trong đó: sq s m sd s ms sd s m d L L L LRU L L E ψωψ .2 +−= (2.16) Áp dụng cho thành phần trục q Phương trình mô tả mô hình dòng điện cho thành phần trục q [4]: 1 1 . . . 1 1 1 1 . ' ' rq r rd rq lr ls sd sq rq sq s lr lm di eU i i dt U U T σ σ σ σ σ ωψ ψ σ σ σ   − = − − +      − − + + + −    (2.17) Thay 2 . 1 ; ; ; . ' ; ' m sr r s r s r s s qs d s d s q m m L LLT T L L R R L L σ ψψψ ψ = − = = = = ta được: ( ) ( ) 2 2 2 22 2 2 22 . . . . . . ' .. . . ' . .. . rq r s s m m r rd rq sd s r ms s r m s m s m sq rq sq s r m s r ms s r m di R L R L L eU i i dt L L LL L L L R L L LU U L L L L L LL L L L ωψ ψ + = − − + − − + + − − − − (2.18) Đặng Thị Loan Phượng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 83 - 88 86 Thiết kế bộ điều chỉnh thành phần dòng trục q phía máy phát theo nguyên tắc IMC [4]: Từ: ( ) 2 2 . ' . . . . . rq s m r s a rq a rq r rd s m s m m sd sq rq sq s s s di L Lr LL R R R i R i i dt L L R L LU U L L L σ ω ωψ ψ − = − + + + − + + + − (2.19) 2 2 2 . . . . . . . . . . s m q a rq r rd s rq pq q iq m m s m sq sd sq s s s s m pq q iq q a rq r rd q s L Lr L e dt R i i L U K e K L L R LU L L L L Lr LK e K e dt R i i E L ω ωψ ψ ω − − + ⇒ = +   + − −    − = + − + + ∫ ∫ (2.20) Với: sd s m sq s ms sq s m q L L L LRU L LE ψωψ .2 −−= (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 xen kênh của trục q, 2 rqL Iσω ′ trong đó đối tượng điều khiển trục q cũng bao gồm 2 rdL Iσω ′− của trục d. Trong khi cả 2 đối 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 2 ˆˆ rqL Iσω và 2 ˆˆ rdL Iσω− để loại bỏ ảnh hưởng xen kênh. Trong đó 2ωˆ là bộ đánh giá của bộ 2ω , ˆLσ là bộ đánh giá của Lσ .Nếu 2ωˆ và ˆLσ có thể được đánh giá chính xác thì 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. Hình 3: Bộ điều khiển dòng điện trục d và trục q dựa trên IMC K pd + K id /s G pd (S) R a i rq l s l r -l m2 l s l s l r-l m2 l s K pq + K iq /s G pq (S) R a i rqref E q i rq E d i rqd ref -E d +E q (+) (-) (+) (+) (+) (-) ω r ω rid ω riq (-) (-) Mô hình dòng MĐKĐ trục d Mô hình dòng MĐKĐ trục q Đặng Thị Loan Phượng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 83 - 88 87 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. Đặng Thị Loan Phượng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 83 - 88 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang (1998), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha (tái bản lần thứ 1), Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội. [2] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002), Truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [3] Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [4] Cao Xuân Tuyển; Nguyễn Phùng Quang (2005), Các thuật toán phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật Backstepping điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện chạy sức gió. The 6th Vietnam Conference on Automation (6th VICA), Proc.,545 – 550. SUMMARY USE METHOD IMC FOR IMPROVING STABILITY OF THE WIND GENERATORS THAT WORKS IN THE SYMMETRIC GRID Dang Thi Loan Phuong*, Do Thi Mai, Le Thi Thu Huyen College of Information Communication and Technology - TNU The rising demands for electric energy for the country now require diversifying energy sources, including renewable energy from wind power. With the increasing requirements for the quality of electric power grids, generators are required to work in greatly stable grids to ensure the quality of voltages and frequencies. Many studies on the stability control in electric power grids have been conducted. However, they still need further studies. In this article, the author mentions improving the operation stability of wind power generators in their grids by means of internal control model. This method has many advantages compared to others. The simulation results show that the system can synchronize with its grid with great stability. Key words: Stability, IMC method, wind generators, grid voltages, symmetric grid Phản biện khoa học: TS. Nguyễn Duy Minh – Trường Đại học CNTT & TT – ĐH Thái Nguyên * Tel: 0944899009; Email: dangthiloanphuong468@gmail.com