Điều khiển hỗn loạn DFIG hệ thống điện gió: Luận án TS Cồ Như Văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỒ NHƯ VĂN ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HỖN LOẠN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỒ NHƯ VĂN ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HỖN LOẠN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Phùng Quang 2. Nguyễn Thanh Hải Hà Nội - 2024 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Nguyễn Phùng Quang và PGS.

Nguyễn Thanh Hải. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 26 tháng 8 năm 2024 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh GS.

Nguyễn Phùng Quang PGS. Nguyễn Thanh Hải Cồ Như Văn i LỜI CẢM ƠN Trải qua một thời gian dài, với rất nhiều khó khăn và thử thách về mặt chuyên môn, về kinh nghiệm nghiên cứu và về kinh nghiệm sống, nghiên cứu sinh cũng đã hoàn thành bản luận án của mình. Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ, hỗ trợ vô cùng lớn lao của các Thầy trong tập thể hướng dẫn, của các đơn vị chuyên môn ở đơn vị đào tạo cũng như tại đơn vị công tác, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, các anh chị cùng học nghiên cứu sinh, các bạn sinh viên và của gia đình. Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn tận tình của thầy GS.

Nguyễn Phùng Quang và thầy PGS. Nguyễn Thanh Hải là những người đã có những định hướng sâu sắc, đã dìu dắt, chia sẻ, quan tâm và tạo mọi điều kiện, giúp đỡ kịp thời để tác giả không chỉ hoàn thành luận án mà còn trưởng thành lên trong tư tưởng và thái độ trước các vấn đề chuyên môn và nghiên cứu khoa học. Tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy thuộc Viện Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa và bộ môn Tự động hóa đã cho nghiên cứu sinh rất nhiều những góp ý trong các buổi báo cáo chuyên môn định kỳ của Viện. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các Viện, Phòng, Ban của Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án.

Tác giả xin cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Điện - Điện tử và Trưởng bộ môn Điều khiển học – Trường Đại học Giao thông vận tải đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh đi học. Tác giả xin trân trọng cảm ơn GS. TS Lê Hùng Lân cùng các thầy/cô thuộc bộ môn Điều khiển học đã hỗ trợ và tạo điều kiện để nghiên cứu sinh sắp xếp được thời gian, vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa nghiên cứu luận án. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bố mẹ hai bên, vợ và các con đã hết lòng ủng hộ, ở bên cạnh để nghiên cứu sinh hoàn thành nội dung nghiên cứu này.

Hà Nội, ngày 26 tháng 8 năm 2024 Tác giả luận án Cồ Như Văn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC BẢNG. ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.

Tính cấp thiết của đề tài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu.

Những đóng góp mới của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Bố cục và nội dung của luận án. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN.

Khái quát về hệ thống DFIG. Cấu trúc máy phát DFIG. Biểu diễn các đại lượng ba pha dưới dạng vector. Các vấn đề điều khiển.

Điều khiển nghịch lưu phía máy phát. Mô hình trạng thái liên tục và gián đoạn phía máy phát. Các biến điều khiển và cấu trúc điều khiển phía máy phát. Điều khiển nghịch lưu phía lưới.

Mô hình trạng thái liên tục và gián đoạn phía lưới. Các biến điều khiển và cấu trúc điều khiển phía lưới. Các phương pháp điều khiển. Kết luận chương 1.

KHÁI QUÁT VỀ HỖN LOẠN VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN. Khái quát về hiện tượng hỗn loạn. Các đặc điểm và nhận dạng hiện tượng hỗn loạn. Các đặc điểm chính của hiện tượng hỗn loạn.

Nhận dạng hệ hỗn loạn. Đáp ứng thời gian. Biểu đồ phân nhánh. Các phương pháp điều khiển hỗn loạn.

Kết luận chương 2. ĐẶC ĐIỂM HỖN LOẠN CỦA DFIG VÀ MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG DFIG CÓ XÉT ĐẾN THÀNH PHẦN HỖN LOẠN. Đặc điểm hỗn loạn của DFIG. Mô hình hoá hệ thống.

Mô hình hoá bộ điều khiển phía máy phát. Mô hình hoá bộ điều khiển phía lưới. Mô hình hoá hệ thống DFIG có xét đến thành phần hỗn loạn. Kết luận chương 3.

NHẬN DẠNG HỖN LOẠN VÀ ĐIỀU KHIỂN TRIỆT TIÊU HIỆN TƯỢNG HỖN LOẠN. Nhận dạng hiện tượng hỗn loạn. Phân tích nhiệm vụ. Xây dựng bộ quan sát dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng.

Thuật toán của bộ lọc Kalman mở rộng. Bộ lọc Kalman mở rộng – phương pháp 1 (EKF-M1):. Bộ lọc Kalman mở rộng – Phương pháp 2 (EKF-M2). Nhận dạng hiện tượng hỗn loạn.

Điều khiển triệt tiêu hiện tượng hỗn loạn. Mục tiêu và phương pháp điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển để triệt tiêu hỗn loạn. Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái.

Phương pháp điều khiển phản hồi trễ. Kết luận chương 4. 84 iv Chương 5. MÔ PHỎNG OFFLINE VÀ MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC.

Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Hệ thống hoạt động ở điều kiện bình thường. Hoạt động của hệ thống khi rơi vào trạng thái làm việc hỗn loạn 96 5. Điều khiển triệt tiêu hiện tượng hỗn loạn.

Kết quả mô phỏng thời gian thực. Mô phỏng thời gian thực và thiết bị HIL 402. Triển khai trên Typhool. Kết quả thực hiện.

Kết luận chương 5. 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

115 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Danh mục các ký hiệu STT Ký hiệu Ý nghĩa 1. s Tốc độ đồng bộ 2. r Tốc độ mạch điện rotor 3.

cosφ Hệ số công suất 5. uN Vector điện áp lưới 6. , Vectơ dòng điện stator, rotor. , , , Các thành phần dòng điện stator, rotor trong hệ tọa độ dq.

, Các thành phần dòng stator trong hệ tọa độ αβ. , Vectơ điện áp stator, rotor. , , , Các thành phần điện áp rotor, stator trong hệ tọa độ dq. , Vectơ từ thông stator, rotor.

, Các thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ dq. , Các thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ dq. J Mô men quán tính. Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor.

= + s Điện cảm stator. = + s Điện cảm rotor. s Điện cảm tản phía stator. s Điện cảm tản phía rotor.

, Điện trở stator, rotor. =1− Hệ số tản tổng. Hằng số thời gian stator. Hằng số thời gian rotor.

TL, mG Momen tải, Momen điện từ. Số đôi cực từ. ^ Đại lượng tính được, quan sát được 27. Hệ số của bộ bù.

, Vận tốc mạch của stator, rotor. Tần số mạch điện stator. Tần số mạch điện rotor. Ps, Qs Công suất tích cực và công suất phản khảng phía stator 33.

Pr, Qr Công suất tích cực và công suất phản khảng phía rotor 34. Pg, Qg Công suất tích cực và công suất phản khảng phía lưới 35. f Tần số lưới 37. np Số đôi cực 38.

TL Mô men xoắn 39. J Mô men quán tính 40. B Hệ số giảm chấn 2. Danh mục các chữ viết tắt STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng anh Ý nghĩa tiếng việt 1.

DFIG Doubly Fed Induction Máy phát không đồng bộ Generator nguồn kép 2. GWEC Global Wind Energy Hội năng lượng toàn cầu Council 3. EER Emerging Energy Nghiên cứu năng lượng mới Research 4. NREAP National Renewable Kế hoạch hành động năng Energy Action Plans lượng tái tạo quốc gia 5.

MPPT Maximum Power Point Theo dõi điểm công suất cực Tracking đại 6. WT Wind Turbine Tua bin gió vii 7. PLL Phase Locked Loop Vòng khoá pha 8. PID Proportional Integral Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ Derivative 9.

RSC Rotor Side Converter Bộ biến đổi phía rotor 10. GSC Grid Side Converter Bộ biến đổi phía lưới 11. PMSM Pemanent Magnet Động cơ đồng bộ kích từ nam Synchronous Motor châm vĩnh cửu 12. EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng 13.

HIL Hardware In the Loop Mô phỏng hệ có thiết bị phần simulation cứng 14. DFC Delay Feedback Bộ điều khiển phản hồi trễ Controller viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Giá trị riêng của hệ khi tăng tham số KPω .2: Tăng giá trị mô men xoắn cơ học đầu vào dẫn đến hỗn loạn .1: Các tham số chính của máy phát DFIG .2: Kết quả tính số mũ Lyapunov khi xảy ra hỗn loạn .1: Các tham số của hệ thống được lấy từ [74] và [118]: .2: Các tham số của bộ điều khiển .3: Thông số kĩ thuật các cổng vào ra của Typhoon 402. 104 ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tốc độ phát triển hệ thống phát điện sức gió [2] .2 Mô hình hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG [8] .3 Cấu trúc tổng quan của DFIG trong hệ thống phát điện sức gió [11].4 Dòng năng lượng ở tốc độ không đồng bộ và trên đồng bộ [7] .5 Biểu diễn các véc tơ dòng, áp, từ thông stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq [11][12] .6 a) Mô hình trạng thái theo (1.8), b) theo ma trận con ở (1.7 Mô hình trạng thái gián đoạn của DFIG: a) trong hệ quy chiếu tựa theo điện áp lưới; b) mô hình xử lý dòng điện rotor [11] .8 Đồ thị biểu diễn các véc tơ dòng, áp, từ thông stator của máy điện KĐBNK trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới .