Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp điều khiển tựa theo thụ động (Passivity- based) để điều khiển máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG Ƣ́ NG DỤ NG

PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO THỤ ĐỘNG (Passivity

- Based) ĐỂ ĐIỀU KHIỂ N MÁ Y PHÁ T ĐIỆ N

KHÔNG ĐỒ NG BỘ 3 PHA NGUỒ N KÉ P

Ngành : TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A

Học Viên: TRƢƠNG VĂN BIỂ N

Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN NHƢ HIỂ N

THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

***

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG Ƣ́ NG DỤ NG PHƢƠNG PHÁ P ĐIỀU KHIỂ N

TƢ̣ A THEO THỤ ĐỘ NG (Passivity - Based) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN

MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA NGUỒ N KÉ P

Học Viên: Trƣơng Văn Biển

Lớp: TĐH – K11

Ngành : Tự động hóa

Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. Nguyễn Nhƣ Hiển

Ngày giao đề tài:

Ngày hoàn thành đề tài:

KHOA SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình là do tôi tự làm và nghiên cứu,

trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài

liệu tham khảo.

Tác giả luận văn

Trương Văn Biển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4

MỤC LỤC Trang

Mở đầu 5

Chƣơng 1. Tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến

và áp dụng cho máy phát điện sức gió.

7

1.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển phi tuyến. 7

1.1.1. Phƣơng pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha. 8

1.1.2. Kỹ thuật Gain scheduling. 9

1.1.3. Điều khiển tuyến tính hóa chính xác. 9

1.1.4. Phƣơng pháp điều khiển dựa trên thụ động (Passivity

Based Control).

10

1.2 Tổng quan và mô hình hệ thống củ a máy phát điện sƣ́c gió. 12

1.2.1 Tổng quan về máy phát điện sức gió. 12

1.2.2 Các phƣơng pháp điều khiển phía máy phát 18

Chƣơng 2. Xây dựng cấu trúc điều khiển. 20

2.1. Mô hình toán học, cấu trúc điều khiển phía máy phát và

phía lƣới của hệ thống phát điện chạy sức gió

20

2.1.1. Khái quát về hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử

dụng máy điện dị bộ nguồn kép.

20

2.2.1. Mô hình toán học phía máy phát và phía lƣới 22

2.2.1.1. Mô hình và các biến điều khiển phía máy phát 22

2.2.1.2. Mô hình và các biến điều khiển phía lƣới 25

Chƣơng 3. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống bằng phƣơng

pháp điều khiển phi tuyến Passivity – Based.

28

3.1. Cơ sở lý luận phƣơng pháp điều khiển Passivity – Based 28

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5

3.1.1 Hệ Euler – Lagrange. 28

3.1.2. Nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động (PBC) 29

3.1.3. Phƣơng trình Euler-Lagrange. 30

3.1.4. Các đặc tính của hệ EL 33

3.1.5. Đặc tính ổn định của hệ EL 41

3.2. Áp dụng phƣơng pháp Passivity – Bases để thiết kế hệ

thống điều khiển phía máy phát.

43

3.2.1. Áp dụng phƣơng pháp Passivity – Based thiết kế bộ điều

chỉnh dòng

44

3.2.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần ird trên miền liên tục 53

3.2.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần irq trên miền liên tục 55

3.2.4. Chuyển bộ điều khiển dòng PBC phía máy phát sang dạng

số.

56

3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển phía lƣới. 57

3.3.1. Mô hình trạng thái liên tục phía lƣới. 57

3.3.2. Các biến điều khiển phía lƣới 60

3.3.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía lƣới 61

Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá chất lƣợng hệ thống điều

khiển

64

4.1. Sơ đồ mô phỏng 64

4.2. Kết quả mô phỏng 67

4.3. Nhận xét kết quả 71

Kết luận và kiến nghị 72

Tài liệu tham khảo 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6

MỞ ĐẦU

Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 nguồn năng lƣợng cung cấp cho loài ngƣời

cần phải xem xét: nguồn năng lƣợng hóa thạch nhƣ than đá , dầu mỏ đang cạn

dần, đồng thời ô nhiễm môi trƣờng do đốt nhiên liệu hóa thạch càng trở nên trầm

trọng. Năng lƣợng sạch đang đƣợc quan tâm nhiều và là sự lựa chọn cho ngành

năng lƣợng thay thế trong tƣơng lai. Nguồn năng lƣợng sạch đang đƣợc quan

tâm là năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng gió, năng lƣợng

sóng biển, năng lƣợng thủy triều…Năng lƣợng sạch góp phần rất lớn vào việc

cải tạo cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trƣờng. Với nhiều ƣu việt nhƣ sạch,

không gây ô nhiễm môi trƣờng , có tiềm năng lớn , vô tận ở quy mô toàn cầu ,

năng lƣợ ng sạch đã khẳng định vị trí của mình trên thị trƣờng năng lƣợng thế

giới. Trong nhƣ̃ng năm qua, trên thế giới, đặc biệt là những quốc gia có tiềm lực

khoa học công nghệ, có nền công nghiệp phát triển , có tài nguyên năng lƣợng

thiên nhiên phong phú, có tầm nhìn chiến lƣợc đã đầu tƣ mạnh mẽ cho việc khai

thác sử dụng các nguồn sạ ch nhằm bổ sung , thay thế dần các nguồn năng lƣợng

hoá thạch và phục vụ thiết thực cho phát triển kinh tế - xã hội từng nƣớc. Là một

nƣớc nông nghiệp, có khí hậu nhiệt đới gió mùa , có bờ biển dài trên 3260km và

hàng trăm đảo lớn nhỏ ven bờ , đón gió trực tiếp từ biển Đông thổi vào đây là

nhƣ̃ng điều kiện thuận lợ i để khai thác tốt các nguồn năng lƣợ ng gió. Các hệ

thống biến đổi năng lƣợng gió này sẽ thay thế các hệ thống cung cấp năng lƣợ ng

từ lƣới điện quốc gia ở các vùng nông thôn biệt lập , nơi mà việc phát triển lƣới

điện không khả thi về mặt kinh tế . Để đánh giá về nguồn năng lƣợng gió nà y ta

thấy: Năng lƣợ ng gió đƣợ c xem nhƣ nguồn năng lƣợng dễ khai thác với chi phí

đầu tƣ và vận hành tƣơng đối thấp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7

Tƣ̀ nhƣ̃ng đánh giá quan trọ ng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cƣ́u

các phƣơng pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào việ c khai thác nguồn

năng lƣợ ng sạch này nhằm phát triển lĩnh vƣ̣ c năng lƣợ ng gió ở nƣớc ta mạnh

hơn nƣ̃a.

Trong thời gian qua đã có mộ t số công trình nghiên cƣ́u tổng hợ p kỹ thuật,

thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió nhằm khai

thác tốt nguồn năng lƣợng gió vô cùng quý giá này . Trong khuôn khổ đề tài này,

tôi đƣa ra các thuật toán thiết kế bộ điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động

Passivity - Based nhằm thấy đƣợc tính khả thi của việc áp dụng phƣơng pháp

này để cải thiện chất lƣợng của hệ thống điều khiển. Sau đó đƣợc kiểm tra tính

đúng đắn của các thuật toán trên hệ thống máy phát điện nguồn kép bằng mô

phỏng Matlab-Simulink.- Plecs.

Nội dung của đề tài đƣợc chia làm 4 chƣơng:

- Chƣơng 1. Tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến và áp

dụng cho máy phát điện sức gió.

- Chƣơng 2: Xây dƣ̣ ng cấu trúc điều khiển.

- Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống bằng phƣơng pháp điều

khiển phi tuyến Passivity – Based.

- Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống điều

khiển

Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù đƣợc sự hƣớng dẫn tận

tình của thầy hƣớng đẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân tác giả cũng cố

gắng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và các công trình đã nghiên cứu, công bố trên

các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi đƣợc các

thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh