Mô phỏng phương pháp điều khiển mô hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)

Nội dung text: Mô phỏng phương pháp điều khiển mô hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)

1. MÔ PHỎNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NỘI ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGUỒN KÉP (DFIG) Lê Duy Khánh 1, Dƣơng Hoài Nghĩa 2 1 Trường CĐN Đồng Nai, 2 Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM design the parameters of the controllers for DFIG. TÓM TẮT Detailed design processes are described and Máy phát điện gió nguồn kép (DFIG) ngày nay simulation result is given to show the validation of được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống máy phát the control strategy. điện năng lượng gió. Vì công suất của bộ chuyển đổi công suất chỉ chiếm khoảng 20-30% trong công Keywords: wind energy generation, Doubly-fed suất tổng của DFIG . Tốc độ của DFIG có thể hoạt induction generators (DFIG), internal model động ở phạm vi rộng theo tốc độ gió hoặc các yêu control (IMC) cầu hoạt động cụ thể khác. Phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC) dựa trên nguyên tắc mô hình nội bộ, được hình thành vào năm 1982 và đã đươc sử I. GIỚI THIỆU dụng rông rãi trong công nghiêp ngày nay. Trong bài báo này điều khiển mô hình nội được giới thiệu Với tiềm năng phong phú và vô tận, lợi ích với môi để thiết kế các thông số của bộ điều khiển cho trường và chi phí ngày càng có tính cạnh tranh của DFIG. Quá trình thiết kế chi tiết được mô tả và kết nguồn năng lượng gió. Năng lượng gió là một quả mô phỏng được đưa ra cho thấy tính phù hợp trong những nguồn năng lượng tốt nhất hiện nay để của phương pháp điều khiển. cung cấp bền vững cho sự phát triển của thế giới. Từ khoá: Máy phát điện gió, Máy phát điện nguồn Đến cuối năm 2003, tổng công suất lắp đặt các kép (DFIG), Điều khiển mô hình nội (IMC) tuabin gió lớn hơn 39,234 (GW), và vào cuối năm ABSTRACT 2014 đã là 369,6 (GW) [1]. Trong các hệ thống Doubly-fed induction generators (DFIG) are widely biến đổi năng lượng gió hiện nay thì hệ thống máy used in wind energy generation systems. Because, the power processed by the ower converter is only a phát điện gió nguồn kép (DFIG) được sử dụng fraction of the total power rating of the DFIG, that thông dụng nhất vì nó cho phép hệ thống hoạt động is typically 20-30%, . DFIG can operate at a wider trong phạm vi tốc độ gió thay đổi lớn và công suất range of speed depending on the wind speed or đi qua bộ nghịch lưu chỉ bằng 20-30% tổng công other specific operation requirements. The internal model control (IMC) philosophy relies on the suất phát của máy phát. Hiện nay, hệ thống DFIG internal model principlewhich was proposed in được điều khiển bởi một số phương pháp điều 1982 and has been widely used in industry. In this khiển sau: điều khiển mô hình nội điều khiển PI, paper the internal model controller is introduced to
2. điều khiển trượt, điều khiển thích nghi, điều khiển gió [m/s], Cp là hiệu suất cánh quạt tuabin (hay còn dùng mạng nơtron nhân tạo, điều khiển logic mờ gọi là hiệu suất của rotor) là một hàm theo tỉ số tốc Phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC) cho độ λ và góc pitch β, với λ (Tip - Speed - Ratio), phép ta điều khiển độc lập công suất tác dụng và được định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của công suất phản kháng trên đầu cực stator phát về đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi theo hướng lưới. Trong bài này sẽ trình bày mô phỏng phương vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt. 휔 . 푅 pháp điều khiển mô hình nội để điều khiển DFIG 휆 = 2 푣 bằng phần mềm kỹ thuật Matlab/Simulink. ωT là tốc độ quay của tuabin [rad/s] và Rb là bán kính của cánh quạt gió [m]. II. MÔ HÌNH CỦA DFIG Đường đặc tính CP(λ,β) như ở hình 2 với các giá tri Cấu trúc cơ bản của DFIG được mô tả như hình 1. khác nhau của β được minh hoạ dưới đây. Giá trị Mô hình DFIG bao gồm: mô hình khí động học, mô tối đa của Cp (Cpmax = 0.48) đạt được khi β = 0 độ hình chuyển đổi nguồn điện áp và mô hình máy và λ = 8.1. Giá trị đặc biệt của λ được định nghĩa là phát điện. giá trị danh danh định (λ_nom). Hình 1: Sơ đồ khối của DFIG Hình 2: Đường đặc tính CP(λ,β) A. Mô hình cơ học B. Mô hình điều chế độ rộng xung (PWM) Tuabin gió trích xuất nguồn năng lượng từ gió và Bộ converter phía máy phát (RSC) tạo nên giá trị sau đó chuyển đổi nó thành nguồn năng lượng cơ điện áp thực để cung cấp cho mạch rotor dựa trên học. Qua đó, nguồn năng lượng cơ học được tính 푒 thông tin là tín hiệu điều khiển từ ngõ ra của bộ như sau: điều khiển mô hình nội có thể được mô hình hóa 3 휆, 훽 𝜌 푣 theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM, 푃 = 1 2 trên cơ sở so sánh hai tín hiệu: tín hiệu sóng mang Trong đó: ρ là mật độ không khí [kg/m3], A r tam giác (carrier signal) tần số cao và tín hiệu điều diện tích quét của cánh quạt tuabin [m2], v vận tốc
3. 푒 휔 khiển để tạo giản đồ kích đóng cho bộ − 1 푠 2 4 휔 2 −휔 − −휔 = 푠 1 2 2 4 ; converter 4퐿 0 − 4 휔푠 − 휔 0 4퐿 휔 − 휔푠 − 4 C. Mô hình máy phát điện − 2 0 3 0 0 − 0 Mô hình trạng thái của DFIG trong hệ trục tọa độ = 2 ; = 3 1 0 푠 0 0 dq (trục d trùng với vector điện áp stator) như sau: 0 1 0 0 푖푒 1 0 0 0 푠 = − 푖푒 + 휔 푖푒 + 휓푒 = 푡 1 푠 푠 푞푠 2 4 0 1 0 0 푒 푒 푒 +휔 2휓푞 + 3푣 푠 − 2푣 Với: x véctơ biến trạng thái của hệ thống 푖푒 푞푠 푒 푒 푒 = −휔푠푖 푠 − 1푖푞푠 − 휔 2휓 vs véctơ biến vào của hệ thống 푡 푒 푒 푒 3 + 2 4휓푞 + 3푣푞푠 − 2푣푞 vr véctơ biến vào của hệ thống 푒 휓 A ma trận trạng thái của hệ thống = 퐿 푖푒 − 휓푒 + 휔 − 휔 휓푒 + 푣푒 푡 4 푠 4 푠 푞 푒 Bs; Br ma trận vào của hệ thống 휓푞 = 퐿 푖푒 − 휔 − 휔 휓푒 − 휓푒 + 푣푒 푡 4 푞푠 푠 4 푞 푞 C ma trận ra của hệ thống Trong đó: Từ phương trình (4) ta có thể viết gọn lại như sau 1 1 − 𝜎 1 − 𝜎 푡 = 푡 + 푣 푡 + 푣 푡 푠 푠 5 1 = + ; 2 = ; 𝜎휏푠 𝜎휏푠 𝜎퐿 푡 = 푡 1 1 = ; = 3 𝜎퐿 4 휏 푠 III. KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH Viết lại (3) dưới dạng ma trận: NỘI 푖푒 푖푒 푠 − 1 휔푠 2 4 휔 2 푠 푒 푒 Kỹ thuật điều khiển mô hình nội IMC (Internal 푖푞푠 −휔푠 − 1 −휔 2 2 4 푖푞푠 = 휓푒 퐿 0 − 4 휔푠 − 휔 휓푒 푡 4 Model Control) đã được áp dụng trong điều khiển 휓푒 0 4퐿 휔 − 휔푠 − 4 휓푒 푞 푞 hệ thống phi tuyến, điều khiển máy điện. Trên cơ 3 0 − 2 0 푒 푒 sở nguyên lý của điều khiển mô hình nội sẽ được áp 0 3 푣 푠 0 − 2 푣 + 푒 + 푒 4 0 0 푣푞푠 1 0 푣푞 dụng để thiết kế bộ điều khiển IMC cho DFIG, xem 0 0 0 1 DFIG như một đối tượng tuyến tính biến thiên theo Đặt các véctơ biến trạng thái là x, véctơ tín hiệu thời gian. vào là r, véctơ tín hiệu ra là y. Ta có các ma trận: 푒 푒 푒 푒 Mục đích điều khiển của hệ thống là điều khiển độc = 푖 푠 푖푞푠 휓 휓푞 푒 푒 푒 푒 lập hai thành phần dòng điện stator 푖 푠 ; 푖푞푠 và = 푖 푠 푖푞푠 푒 푒 푒 푒 푡 = 푖 푠 푖푞푠 bám theo tín hiệu đặt 푡 = 푣푠 = 푣 푠 푣푞푠 푒 푒 푒 푒 푖 푖 cho trước. 푣 = 푣 푣푞 푠 푞푠
4. Bộ điều khiển mô hình nội được xác định như sau: d(s) Bộ điều P P r(s) + khiển DFIG y(s) −1 11 12 ∑ ∑ P s = Gr s F(s) = (13) IMC G(s) P P + 21 22 P(s) – – Plant Model ∑ Gr(s) Với bộ lọc IMC được xác định: Hình 3: Hệ thống điều khiển dùng mô hình nội 1 0 T s + 1 F(s) = 1 (14) Trong đó: G(s) là đối tượng điều khiển DFIG, P(s) 1 0 là bộ điều khiển mô hình nội và Gr(s) là mô hình T1s + 1 của đối tượng điều khiển. Thời hằng T1 và T2 được chọn theo thời gian đáp Từ phương trình (5), lấy biến đổi Laplace hai vế ta ứng mong muốn. Nếu T và T nhỏ thì thời gian có: 1 2 đáp ứng nhanh nhưng tính bền vững thấp và ngược 푠 푠 − 0 = 푠 + 푠 + 푠 푠 푠 6 lại. 푌 푠 = 푠 푠 = 푠 − −1 0 + 푠 − −1 푠 푠 푠 IV. SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG −1 + 푠 − 푠 −1 0 −1 7 푌 푠 = ( 푠 − + 푠 − 푠 푠 푠 A. Thông số thiết kế của DFIG −1 + 푠 − 푠 ) Bộ điều khiển được thiết kế theo các thông số thiết Trường hợp x0 = 0, ta được kế của DFIG như sau: công suất định mức Y s = 푠 푠 푠(푠) + (푠) (푠) (8) Pn= 4kW, điện trở stator Rs = 3.1104Ω, điện trở Trong đó: rotor Rr = 4.7455Ω, điện cảm stator Lls = 0.0756H, −1 điện cảm rotor Llr = 0.0549H, điện cảm từ hóa 푠 푠 = 푠 − 푠 (9) Lm = 0.138H, tần số định mức fn = 50Hz, moment −1 푠 = 푠 − (10) quán tính J = 0.36kg.m2. I là ma trận đơn vị B. Kết quả mô phỏng Trong đó mô hình đối tượng điều khiển Gr(s) có tín 푒 푒 hiệu vào 푣 푡 = 푣 푣푞 và tín hiệu ra là 1. Kết quả mô phỏng danh định = 푖 푠 푖푞 푠 , được xác định như sau: Gr11 Gr12 Gr s = (11) Gr21 Gr22 Gc(s) là nghịch đảo của Gr(s) như sau: −1 Gc11 Gc12 Gc s = Gr(s) = (12) Gc21 Gc22
5. Momen co hoc Tm ref ref 5 đầu cực stator. Khi tín hiệu đặt ids và iqs có sự e e 0 thay đổi nấc như hình 5, các đáp ứng ids và iqs có -5 quá trình quá độ diễn ra nhanh chóng không có sự -10 vọt lố và bám tốt theo giá trị đặt. Tm [N.m] -15 2. Kết quả mô phỏng tính bền vững của luật -20 điều khiển khi có sai số mô hình -25 - Khi điện trở stator và rotor lần lượt tăng -30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Thoi gian [s] 20% và 30% Hình 4: Giá trị đặt cho Mômen cơ học cung cấp Thanh phan dong ids vào trục rotor DFIG 2 ids-ref 1 ids Thanh phan dong ids 0 2 ids-ref -1 1 ids -2 0 -3 -1 ids [A] -4 -2 ids -5 -3 ids [A] -6 -4 ids-ref -7 -5 -8 -6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Thoi gian [s] -7 Thanh phan dong iqs -8 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 iqs-ref Thoi gian [s] iqs Thanh phan dong iqs 4 6 iqs-ref iqs 2 4 0 2 iqs [A] -2 0 iqs [A] -4 -2 iqs -6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -4 Thoi gian [s] iqs-ref -6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 푒 푒 Thoi gian [s] Hình 6: Đáp ứng 푖 푠 và 푖푞푠 theo sự thay đổi nấc của tín hiệu đặt khi tăng điện trở 푒 푒 Hình 5: Đáp ứng 푖 푠 và 푖푞푠 theo sự thay đổi nấc của tín hiệu đặt - Khi điện trở stator và rotor lần lượt giảm 20% Kết quả mô phỏng điều khiển độc lập hai thành phần của véctơ dòng stator, tức điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía
6. Thanh phan dong iqs Thanh phan dong ids 6 2 iqs-ref ids-ref data2 1 data2 4 0 -1 2 -2 0 -3 iqs [A] ids [A] -4 -2 -5 -6 -4 -7 -6 -8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Thoi gian [s] Thoi gian [s] Thanh phan dong iqs 푒 푒 6 Hình 8: Đáp ứng 푖 푠 và 푖푞푠 theo sự thay đổi nấc iqs-ref iqs của tín hiệu đặt khi điện cảm tăng 4 2 - Khi điện cảm stator và điện cảm từ hóa lần 0 lượt giảm 20% iqs [A] Thanh phan dong ids -2 2 ids-ref 1 ids -4 0 -1 -6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -2 Thoi gian [s] -3 ids [A] 푒 푒 -4 Hình 7: Đáp ứng 푖 푠 và 푖푞푠 theo sự thay đổi nấc -5 của tín hiệu đặt khi giảm điện trở -6 -7 - Khi điện cảm rotor và điện cảm từ hóa lần -8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Thoi gian [s] lượt tăng 20% Thanh phan dong iqs 6 Thanh phan dong ids iqs-ref 2 iqs ids-ref 4 1 ids 0 2 -1 -2 0 iqs [A] -3 ids [A] -2 -4 -5 -4 -6 -7 -6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -8 Thoi gian [s] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Thoi gian [s] 푒 푒 Hình 9: Đáp ứng 푖 푠 và 푖푞푠 theo sự thay đổi nấc của tín hiệu đặt khi điện cảm giảm
7. - Khi moment quán tính tăng lên 20% V. KẾT LUẬN Thanh phan dong ids 2 Bài báo đã xây dựng giải thuật điều khiển mô hình ids-ref 1 ids nội để điều khiển độc lập công suất tác dụng và 0 -1 công suất phản kháng phía stator máy phát. Qua đó, -2 có thể điều khiển tiêu thụ hoặc phát công suất -3 ids [A] -4 kháng độc lập với mục tiêu điều khiển tối ưu công -5 suất tác dụng nhận từ gió. Đánh giá chất lượng điều -6 -7 khiển, tính ổn định và bền vững của luật điều khiển -8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 theo thiết kế thông qua các kết quả mô phỏng được Thoi gian [s] Thanh phan dong iqs thực hiện trên phần mềm kỹ thuật Matlab/Simulink. 6 iqs-ref iqs 4 2 VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] The American Wind Energy Association 0 iqs [A] (2014). “Global wind report annual market update -2 2014”. World Academy of Science, Engineering -4 and Technology -6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 [2] Youcef Bekakra, Djilani Ben attous. “Active Thoi gian [s] 푒 푒 and Reactive Power Control of a DFIG with MPPT Hình 9: Đáp ứng 푖 푠 và 푖푞푠 theo sự thay đổi nấc for Variable Speed Wind Energy Conversion using của tín hiệu đặt khi moment quán tính tăng Sliding Mode Control” Kết quả mô phỏng cho thấy khi các thông số của [3] REN Yong-feng, LI Han-shan, ZHOU Jie. DFIG có thay đổi đáng kể thì đáp ứng dòng điện “Dynamic Characteristics Analysis of DFIG Based stator của hệ thống hầu như không thay đổi so với on IMC”. chế độ danh định sau khoảng thời gian 1.6s. Vậy hệ [4] Ming Yin, Gengyin Li, Ming Zhou, Guoping thống có tính bền vững cao đối với sự thay đổi đáng Liu, Chengyong Zhao. “Study on the Control of kể của thông số DFIG hoặc các thông số của mô DFIG and Its Responses to Grid Disturbances”. hình DFIG có sự biến đổi do điều kiện làm việc, [5] Yuan Xufeng, Sun Haishun, Wen Jinyu, Li chẳng hạn như ảnh hưởng của nhiệt độ dây quấn, Naihu, Yao Meiqi, Yao Liangzhong. “ DFIG mức bão hòa của mạch từ ., bằng cách giả thiết sử Control Design Based on Internal Model dụng các giá trị điện trở và điện cảm không chính Controller”. China International Conference on xác Electricity Distribution 2010
8. [6] Dương Hoài Nghĩa. “Điều Khiển Hệ Thống Đa Biến”. NXB ĐHQG tp HCM, (2007) [7] Lương Công Quyền, Điều khiển trượt máy phát điện gió cấp nguồn từ hai phía. Luận văn cao học trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, 2008. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Lê Duy Khánh Đơn vị: Trường CĐ Nghề Đồng Nai Điện thoại: 0932289919 Email: leduykhanh1205@gmail.com Chuyên ngành nghiên cứu: Kỹ thuật điện
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.