Luận văn Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển pid

uNv uNd = su N N r mG Q r mG * mG Q* Q - - Khâu ĐCMM Khâu ĐCQ ĐCVTKG NL r S t MP n MĐC u v w RI i*rd i*rq GTĐ  s i*rd i*rq ’*sd ’*sq u*sd u*sq 24 Từ mô hình hệ thống phía máy phát, để có thể hoà được máy phát lên lưới, ta sử dụng cấu trúc điều khiển phía lưới theo tài liệu [8] và được cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió nối lưới như hình 1.15. 1.4. Kết luận chương 1 Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Tổng quan về hệ thống máy phát điện sức gió với việc sử dụng một số loại máy điện thông dụng hiện nay cũng như các phương pháp điều khiển có thể áp dụng để điều khiển. - Xây dựng cấu trúc điều khiển dòng điện phía máy phát trong hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép làm tiền đề đi đến nghiên cứu các bộ điều khiển dòng phía máy phát ở các chương tiếp theo. 25 Chương 2 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển PID Như ở chương 1 ta đã xây dựng được cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép và được thể hiện trên hình 1.8. Trong đó phạm vi nghiên cứu của luận văn tập chung vào nghiên cứu bộ điều khiển dòng phía máy phát và trong chương này bộ điều khiển dòng phía máy phát RI được sử dụng là bộ điều khiển PID. Ta có cấu trúc điều khiển phía máy phát như hình 2.1 và toàn hệ thống như hình 2.2. Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển phía máy phát bằng bộ điều khiển PID 3~ TSP ejr e-jr 3 2 e-jN 3 2 GTT PLL IE urd urq ura urb tr ts tt isdq usd q r ir  irβ ird irq irr irs isu isv is  isβ isd isq uNu uNv uNd = su N N r mG Q r mG * mG Q* Q - - Khâu ĐCMM Khâu ĐCQ ĐCVTKG NL uDC Từ mạch một chiều trung gian r S t MP n MĐN u v w Luới PID i*rd i*rq GTĐ s i*rd i*rq ’*sd ’*sq u*sd u*sq 26 Hình 2.2: Cấu trúc điều khiển toàn hệ thống bằng bộ điều khiển PID UD C u v w Luới ejr e-jr 3 2 uN d uNq uN tu tv tw Nu  N iN iNβ iNd iNq iNu iNv Tính Q UDC * Q*N QN - - Khâu ĐC uDC Khâu ĐCD Khâu ĐCQ ĐCVTKG CL uNβ UDC MĐN i*Nd i*Nq uNd 3~ TSP ejr e-jr 3 2 e-jN 3 2 GTT PLL IE urd urq ura urb tr ts tt isdq usd q ’*sd q r u*sd q r ir  irβ ird ir q irr irs isu isv is  isβ isd isq uNu uNv uNd = su N N r mG Q r mG * mG Q* Q - - Khâu ĐCMM Khâu ĐCQ ĐCVTKG NL r S t MP n MĐC u v w PID i*rd i*rq GTĐ  s i*rd i*rq ’*sd ’*sq u*sd u*sq 27 2.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng phía máy phát bằng bộ điều khiển PID 2.2.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID Bộ điều khiển được gọi là PID do được viết tắt từ 3 thành phần cơ bản trong bộ điều khiển : khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D). với u(t) = uP + uI + uD  Khi sử dụng bộ điều khiển PID nó đảm bảo tính bổ sung hoàn hảo của 3 trạng thái, 3 tính cách khác nhau: Phục tùng và làm việc chính xác (P) Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I) Có khả năng phản ứng nhanh nhạy và sáng tạo (D) Bộ điều khiển PID được ứng dụng rất rộng rãi đối với các đối tượng SISO theo nguyên lý phản hồi (feedback) như hình vẽ: Bộ điều khiển PID được mô tả: P I D u(t) uP uI uD e(t) PID y(t) x(t) e(t) u(t) (-) Plant Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID u(t) e(t) Hình 2.3: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) 28                              sT sT 1 1K sK sU sW dt tde Tdtte T 1 teKtu D I PDKD I P Việc xác định các thông số KP, TI, TD quyết định chất lượng hệ thống và ta có các phương pháp thường gặp: Phương pháp thực nghiệm dựa trên hàm h(t) Phương pháp thiết kế trên miền tần số Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng. 2.2.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) a. Phương pháp Ziegler – Nichols *. Phương pháp 1 Phương pháp này thích hợp với mô hình hoặc xấp xỉ với mô hình:         sT j n 1j i m 1i dt sT n m dt tt e sT1 sT1K e sA sB )s(W         (m<n) (2.1) Bộ điều khiển PID được xác định với hàm truyền:          sT sT 1 1KsW D I P (2.2) Với các thông số KP, TD, TI tìm được bằng cách tra bảng [3] *. Phương pháp 2 Phương pháp này thích hợp với lớp đối tượng (1.1) nhưng 2n . Nội dung pương pháp: - Tiến hành thực nghiệm với hệ thống điều khiển: Cho hệ thống làm việc với bộ điều khiển PID theo luật tỷ lệ : TI   và TD  0, tăng KP tới giá trị tới hạn KPgh  Tgh. KPgh tìm được nhờ phương pháp miền xác định Kp. Sau khi tìm được Tgh ta tìm luật điều khiển và tham số của nó bằng tra bảng, phương pháp này có chất lượng chưa đảm bảo, độ quá điều chỉnh lớn max > 29 40%. Vì vậy phương pháp này dùng để tìm tham số ban đầu cho bộ PID, sau đó dùng các phương pháp khác để chỉnh định (phương pháp dùng hệ mờ FLC để chỉnh định). Ngoài ra phương pháp này có hạn chế là chỉ áp dụng được cho những đối tượng có được chế độ biên giới ổn định khi hiệu chỉnh bằng hệ số khuếch đại trong hệ kín. b. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick Phương pháp này gần giống với phương pháp Ziegder – Nichols 1 song nó sử dụng trực tiếp hàm h(t) mà không xem nó gần đúng với khâu quán tính có trễ và thêm giả thiết đối tượng ổn định, h(t) dạng chữ s và 3 T T a b  Hàm truyền dạng :    n dt dt Ts1 K sW   với n  2 (2.3) Các bước của phương pháp: - Xây dựng đường thực nghiệm h(t) - Xác định các tham số Ta, Tb - Kiểm tra điều kiện 3 T T a b  - Tra bảng để xác định các tham số cho bộ điều khiển [3]. c. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng không có độ quá điều chỉnh, ổn định và động học hình chữ s (đối tượng 2.3). Với: 3 T T a b  t h(t) Kdt Tb Ta A 0 Hình 2.5: Đồ thị quá độ 30      n 1j m 1i ' itj 0TTTT (2.4) và gọi A        0 dtTKdtthh dtK A T   (2.5) Vậy T có thể được tính từ biểu thức (2.4) hoặc (2.5) từ đó Kuhn đề ra phương pháp thời gian tổng Kunh để chọn luật điều khiển PID nhờ tra bảng [5]. Đặc biệt phương pháp này rất thích hợp cho đối tượng:  n dt dt Ts1 K )s(W   (2.6) + Nếu sử dụng PI : 2 T T; K2 1 K I dt p  + Nếu sử dụng PID :    T167,0T; 3 T2 T; K 1 K DI dt p 2.2.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số a. Nguyên tắc thiết kế Một hệ thống điều khiển được mô tả: Bài toán đặt ra điều khiển sao cho tín hiệu ra phải bám được tín hiệu vào u(t). Nếu một cách lý tưởng thì hàm truyền hệ kín:           1 sW.sW1 sW.sW sW dtdk dtdk k    hay   1jWk  (2.7) Wđk(s) y(t) u(t) (-) Wđt(s) Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống điều khiển 31 Vậy ta cần phải xác định cấu trúc và tham số bộ điều khiển với mọi max để có   1jWk  . Tuy nhiên ta phải lưu ý thiết kế bộ điều khiển sao cho đáp ứng được trong 1 dải tần số thấp có độ rộng càng lớn càng tốt (nghĩa là đạt max). b. Phương pháp tối ưu modul Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng (2.3)   sT1 K sW dtdt   với      n 1j m 1i ' itj 0TTTT (2.8) Để   1jWk  có nghĩa là sai lệch tĩnh của hệ kín 0 , khi đặt tín hiệu u(t) = 1(t); ta chọn luật điều khiển PI, theo tài liệu [3] ta có:  dk P I 1 W s K 1 T s        với các tham số Kp, TI được chọn:   T.K2 T K dt P I (2.9) Có thể chọn Kp hoặc TI trước và hàm truyền hệ hở có dạng:     dtP0I 0 h K.KK; sT1sT K sW     và đối tượng có cấu trúc hệ hở (hình 3.3) thì thoả mãn (2.9) *. Ứng dụng phương pháp: + Bù hằng số thời gian lớn nhất của đối tượng: Xét đối tượng có :   sT1sT1 K W 1 dt dt   ; T1 > T (2.10) Chọn luật điều khiển sao cho: )sT1(sT K )s(W).s(W)s(W I 0 dtdkh   suy ra chọn luật PI:     sT sT1 KsW I I Pdk   và chọn TI = T1  KP = TK2 T dt I 32 + Bù 2 hằng số thời gian lớn nhất của đối tượng: Xét đối tượng có :    sT1sT1sT1 K W 21 dt dt   ; T1, T2 > T (2.11) Chọn luật điều khiển sao cho: )sT1(sT K )s(W).s(W)s(W I 0 dtdkh   suy ra:        sT sT1sT1K sT 1sTTsTK sT sT 1 1KsW I BAP I 2 DIIP D I Pdk           Với :      IBA DIBA TTT T.TT.T và chọn TA = T1 ; TB = T2 (2.12) Ta có :   T.K2 T K dt I p (2.13) c. Phương pháp tối ưu đối xứng Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng thuộc lớp II + Đối tượng :    sT1Ts K sW dtdt   (2.14) Tương tự như ở tối ưu modul để sai lệch tĩnh  0. Khi tín hiệu đặt u(t) = 1(t) ta chọn luật điều khiển PI (Theo lý thuyết điều khiển tự động).     sT sT1 KsW I I Pdk   Lúc này thay Wdk(s) vào ta tìm được Wh(s) = Wdk(s). Wdt(s)      sT1sT.T sT1K sW I I0 h    ; K0 = Kdt.KP (2.15) 33 Tham số cần thiết kế là KP và TI : Theo tài liệu Lý thuyết điều khiển tuyến tính thì để thoả mãn   1jWk   TI = aT với a  4: aTK T K dt p   (2.16) + Đối tượng :     sT1sT1Ts K sW 1 dt dt   (2.17) Chọn luật điều khiển PID có :      sT sT1sT1K sW I BAP dk   Với:      IBA DIBA TTT T.TT.T Theo tài liệu Lý thuyết điều khiển tuyến tính ta tính được các tham số điều khiển: TA = T1 ; TB = a.T với a  4  TTT 1I và     aTT aT.T T 1 1 D ;   aT TK T TK K I ' P B I ' P P với aTK T K dt ' P   (2.18) 2.2.1.3. Phương pháp thực nghiệm Nội dung của phương pháp là dựa vào mô phỏng trên đối tượng bằng cách ban đầu cho bộ điều khiển PID chỉ là Kp sau đó tăng Kp đến khi hàm quá độ có dạng dao động điều hoà và dựa vào đồ thị để suy ra Kp; KI và KD [3]. 2.2.1.4. Phương pháp chọn điện trở tích cực [12] Nội dung phương pháp là dựa trên cấu trúc điều khiển như hình vẽ: 34 Bước 1 : Xác định hàm truyền của hệ thống với phản hồi qua hệ số điện trở tích cực Ra (được lựa chọn theo các thông số ước lượng của đối tượng điều khiển). Bước 2 : Xác định các tham số của bộ điều khiển PID theo điện trở Ra. Bước3 : Tính giá trị Ra theo các tham số ước lượng của đối tượng điều khiển. Bước4 : Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID qua mô phỏng. 2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển dòng PID 2.2.2.1. Cơ sở để áp dụng thiết kế bộ điều khiển dòng PID Từ mô hình toán học của máy phát điện dị bộ nguồn kép và nguyên lý cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống cho thấy chất lượng điều khiển của hệ thống thực chất là tập trung vào điều khiển dòng điện phía rotor của máy phát. Vì vậy để đi đến việc thiết kế bộ điều khiển dòng rotor bằng bộ điều khiển PID kinh điển, ta phân tích MĐKĐBNK thành 2 thành phần động học phần điện He và động học phần cơ Hm như hình 2.7 [13]: Hình 2.7: Phân tích MĐKĐBNK thành động học phần điện và phần cơ PID ru véc tơ tín hiệu điều khiển MĐKĐBKN theo phương pháp PID. Ở đây có thể xem động học của máy phát gồm động học phần điện và động học phần cơ được đặc trưng bởi các hàm Lagrange tương ứng ( , )e L i , ( )m L với các biến trạng thái T T( , ),e s r mq q x x . Trong đó: q: tổng điện tích qua mỗi cuộn dây;  d dt q i He Hm ir mM mW  - - ru PID 35 : vị trị góc cơ học của rotor;  p d z . dt      1 ( , ) ( , ) ( , ) ( ) ( ) 2 T e e e L      L L K Pi q i i i iL (2.19) 2 1 ( ) ( ) ( ) 2 m m m     L K P J (2.20) với ( )L L là ma trận quán tính điện từ. Và đặt 1 ( ) , ( ) f 2 T e m   F Fi i Ri là hàm tiêu thụ của phần điện và cơ tương ứng, R ma trận điện trở, thể hiện sự tiêu thụ năng lượng điện. Tuy nhiên trong trường hợp này coi hệ số ma sát f của trục máy phát bằng không, nên ( ) 0m  F . Hai công thức trên được đưa ra với các giả thiết: bỏ qua ảnh hưởng điện dung của các cuộn dây, trục của rotor là cứng và đặc tính từ kháng của máy phát là phân bố đều. Với giả thiết này thì hàm thế năng của máy phát sẽ bằng không ( ( ) 0, ( ) 0).e m  P Pi  Áp dụng hệ EL [13] cho phương trình (2.19) ta có các kết quả sau: 1 1 ( ) ( ) ( ) 2 2 e L L L       L i + i i i L L L (2.21) suy ra: ( ) ( ) ( ) ( )e L LL L d d d dt dt dt                     L i i + i i i L LL L (2.22) 0    e q L (2.61)    e Ri i F (2.23) Tác động đầu vào: e eG M u (2.24) với 2 0        e I M là ma trận đầu vào, I2 là ma trận đơn vị 2×2. Như vậy hệ EL đối với động học phần điện như sau: e ( ) ( ) LL d dt          i i Ri LL M u (2.25) hay e d dt  Ri M u 36 Kp + Ki p G(p) Ra - jL    irefR iR EE DFIG u'R uR (-) (-) (-) Từ phương trình (2.65), rút ra được công thức áp dụng cho phía rotor của máy phát:  r d R dt r r r ψ i u (2.26) Tương tự, ta có phương trình phía stator: ss s s d u R i dt    (2.27) 2.2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển PID Như đã đề cập từ trước, điều khiển dòng điện rotor của máy phát sẽ làm thay đổi được từ trường Stato (hoặc từ trường của lưới) dẫn đến thay đổi được điện áp của máy phát. Xuất phát từ biểu thức (2.26), (2.27) ta khử is và Ψr, biến đổi và sử dụng các thông số ước lượng ta được: ~ ~ ~ 2r r a r E ~ ~ ~ 2p i a r E u u ' ( j L R )i k E (2.28) k e k edt ( j L R )i k E (2.29)              ss r s M R E u ( j ) L      (2.30) Ký hiệu “~” chỉ các thông số ước lượng, kE là hệ số luật điều khiển [12] kE = 0 Nếu điều khiển không xét đến E kE = 1 Nếu điều khiển xét đến E Ra : Điện trở tích cực Từ đó đưa ra sơ đồ cấu trúc của vòng kín điều khiển dòng điện phía Roto như hình 2.8. Hình 2.8:. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển phía Rotor Từ hình 2.8 ta có được: 37 r r r s a r di L u ' (R R R )i dt      (2.31) Như vậy hàm truyền từ u’r đến ir sẽ là: R s a 1 G(p) pL R R R     (2.32) Theo [10] các hệ số của bộ điều khiển PI là: ~ ~ ~ r sp c i c ak L k (R R R )      (2.33) αc: Giải thông vòng lặp kín của hệ động lực học dòng điện Do vậy hàm truyền của vòng lặp kín sẽ là: cl c p G (p) p   (2.34) Tính chọn điện trở Ra: Nếu đặt điện trở ~ ~ ~ r sa r cR k ( L R R )    thì hàm truyền từ E đến ir trong hình 2.8 sẽ là: cEi c R R R s p / (p ) G (p) pL L k (1 k )(R R )          (2.35) kR cũng là một hệ số luật điều khiển, tương tự như kE kR = 0 Nếu điều khiển không xét đến Ra kR = 1 Nếu điều khiển xét đến Ra Như vậy 2.35 trở thành: R c R s Ei R2 c p k 0 (p )(pL R R ) G (p) p k 1 L (p )                (2.36) Khi Ra >0 thì giá trị nhỏ nhất của αc sẽ là: c,min R s(R R ) / L   (2.37) 38 2.2.3. Các bộ điều chỉnh số cho các mạch vòng điều khiển ngoài Các vòng điều chỉnh ngoài được thiết kế là các khâu PI số, trong đó có vòng điều chỉnh mô men. Thông thường ở vòng ngoài việc chọn chu kỳ trích mẫu được lựa chọn theo Shannon T  10 lần chu kỳ trích mẫu ở vòng trong. Tuy nhiên đối với hệ thống máy phát điện sức gió có đặc điểm là cần áp mô men nhanh thì chu kỳ trích mẫu được chọn nhỏ hơn T  4 lần chu kỳ trích mẫu ở vòng trong (mô phỏng với T = 4*2,5.10-4s= 10-3s). Việc thiết kế các vòng điều khiển ngoài là các bộ điều khiển PI số gồm: Vòng điều chỉnh mô men mG và vòng điều suất phản kháng Q. Khi thiết kế theo [8, 19] có kể đến hiện tượng tín hiệu đầu ra đi vào vùng bão hoà và được xác định: -1 -1Z Z Z 1-MR( )=V 1- (2.38) Gọi xe là sai lệch điều chỉnh và y là tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh số PI. Khi đó bộ điều khiển PI sẽ được viết dưới dạng phương trình sai phân như sau: e ex Mx  k k -1 k k -1( )= ( )+V ( ) ( )y y (2.39) Hay suy ra được từ (2.39) : e ex Mx  k -1 k - 2 k -1 k - 2( )= ( )+V ( ) ( )y y (2.40) Như ta đã biết tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PI số luôn có giá trị giới hạn. Vì vậy để ngăn ngừa xảy ra hiện tượng dao động của hệ thống khi ra khỏi vùng giới hạn, ta sử dụng phương pháp hiệu chỉnh ngược trở lại đối với sai số điều chỉnh. 2.2.4. Tính toán giá trị thực và giá trị đặt Từ các bộ điều khiển, ta thấy cần phải xác định các giá trị thực và giá trị đặt. Để xác định chúng, như trên sơ đồ hình 2.2 ta sử dụng khối GTT có nhiệm vụ tính toán giá trị thực để cung cấp cho các bộ điều khiển và khâu chuyển toạ độ. Cụ thể của việc tính toán là [51]: Tính từ thông Stato: ' ' ssd sd rd m s sq sq rq m L i i L L i i L            (2.41) Tính mômen: .3 2 sd sd G p s u i m z   (2.42) 39 Tính mô đun dòng stator: 2 2 sd sqi i si (2.43) Tính sin: sin sq s i   i (2.44) Tính tần số góc trượt: r = N -  (2.45) Tính góc trượt: r = N -  (2.46) với dt   Các giá trị mômen và  được sử dụng để phản hồi điều chỉnh, và cả hai bộ điều khiển đều là kiểu PI. Giả thiết gọi đầu ra 2 bộ điều khiển là mômen và  là yM và y, khi đó khối tính giá trị đặt dòng điện thực hiện các phép tính sau: - Giá trị cần của dòng sản sinh ra mômen: 2 * 3 2 M rd s s s s m sd p sd m y L R L i L u d z u L     si (2.47) - Giá trị dòng sản sinh ra sin: * ' s s rq sq m L i y L   i (2.48) Các giá trị đặt còn lại được xác định: - Giá trị từ thông: + Từ (2.41), suy ra: * * sd s rd sd m L i i L    (2.49) + Tương tự từ (2.41) ta có: * * sq s rq sq m L i i L    (2.50) - Giá trị điện áp stato: * '* * '* sd sq sd s m sq s m u L u L          (2.51) 2.3. Kết quả mô phỏng Để xác định được thông số cụ thể của bộ điều khiển, ta lựa chọn máy điện dị bộ nguồn kép có các thông số như bảng 1: 40 Tm 3 A A Para 4 U_N 3 A A R 2 A A I_N2 Tm m ASM v u w r s t p u ls e s 1 U _ D C p u ls e s 2 Back to back Converter U_S 6 U_DC 1 pulse_Rec 1 I_R 5 A A A LdRd V V R1R2R3 R4R5R6 Pulse_Inv 4 V V1 V2 CDemux AAm7 A Am8 V Synch 5 V V V I_S 7 I_kurzschluss 8 I_Haupt 9 AC Source 6 Fehler 7 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 1450 n_ref n mL Turbine Sine Wave Signal 1 Signal Builder Tr Tm Source K5 Sy nch Ti Fehler Udc Unetz Ustator IStator Enc Inetz Irotor I_kurzschluss I_haupt Mo hinh MF [n] u_dc u_netz u_stator i_stator enc i_netz i_rotor I_phu I_chinh theta_r ird* irq* omega_n indq_ist undq_ist theta_n udc_ist irdq_ist isdq_ist usdq_ist theta_s omega_s omega_m Chuan_hoa k_5 Rec Inv Sy nchout K5 Cac tin hieu dieu kien omega_n indq_ist undq_ist theta_n udc_ist IF Tabc DC Check Bo dieu khien phia luoi Sy nch IF udc_ist theta_n undq_ist omega_n irdq_ist isdq_ist usdq_ist theta_s omega_s omega_m Tabc theta_r ird* irq*1 Bo dieu khien MF Bảng 1. Thông số của MĐKĐBNK dùng làm máy phát điện sức gió Pđm = 1,1 KW Uđmr = 345 V Rr = 3.7  Uđms = 220/380(/) nđm =950 V/ph Ls = 0.013H fđm = 50 Hz Rs =4.2  Ls = 0.0089H zp = 3 Cosđm = 0.657 Lm = 0,34H J= 0.096Kgm2 Iđm = 3,5A Mã hiệu: VM Việt Nam Với thông số của đối tượng trên ta có bộ điều khiển PID : - Thành phần ird : Với Kp= 5 ; KI=0,9 - Thành phần irq : Với Kp= 25 ; KI=0,05 2.3.1. Sơ đồ mô phỏng: Hình 2.9: Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống Hệ thống mô phỏng bằng Matlab-Simulink-Plecs gồm các khối cơ bản sau: - Khối mô tả hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK: Hình 2.10: Các khối mô phỏng bên trong của lưới, bộ biến đổi và máy phát 41 4 usq* 3 S'isd* 2 usd* 1 S'isq* Product1 Product Lm Gain4 -Lm Gain3 Ls/Lm Gain2 Ls/Lm Gain1 Demux4 is_dq 3 omegas 2 irq* 1 ird* v u w r s t pulses1 U_DC pulses2 Converter2CConverter1 V 5 Sin phi 4 IF 3 mG 2 irq* 1 ird* f(u) x^2+y^2 f(u) x^2+y^1 Sin it Sis'q ir*q sinphi m Sis'q i*rd ird setpoint calculation omegaS usd is_dq mG Torque estimation Isq_sinphi Isd_cosphi |It| Sin phi Tinh goc lech2 Synchronization In1 In2 Sis'q Subsystem Product2 Product1 Product IF x y Moment PI1 IF x y Moment PI MG xy Filter2 xy Filter1 Demux Cosphi Enable 8 irq 7 isq 6 SP sin phi* 5 usd 4 omegaS 3 is_dq 2 mG_ref 1 Synch Hình 2.11: Khối bộ biến đổi nghịch lưu phía lưới và phía máy phát - Khối tính toán giá trị đặt + Khâu tính toán các dòng đặt rotor: Hình 2.12: Các vòng điều khiển ngoài để tính toán ird* và irq* + Khâu tính giá trị dòng, áp, từ thông đặt: Hình 2.13: Khối tính toán các giá trị dòng, áp, từ thông đặt 42 2 DC Check 1 Tabc 680 udc_soll 0.01 sin_soll Switch IF ind_soll omega_n Und_ist Unq_ist ind_ist inq_ist udc_ist inq_soll und_soll unq_soll IF udc_soll udc_ist Id_soll IF sin_soll sin_ist aus Sinregler soll_ein soll_aus RateofChangeLimiter ind_ist inq_ist |Is| Sin Cos Power Factor Calculation IF d q theta udc_ist Tabc Modulation Demux Demux udc_ist K5 DC Einladung 0 Cos 6 IF 5 udc_ist 4 theta_n 3 undq_ist 2 indq_ist 1 omega_n 2 Urq 1 UrdIF x y Moment PI1 IF x y Moment PI 1/sqrt(3) d q lim dlim qlim Correct phase limitation 6 IF 5 uDC 4 Irq,ref 3 Ird,ref 2 Ird 1 Irq + Khối điều khiển dòng rotor: Hình 2.14: Khối bộ điều khiển dòng rotor sử dụng bộ điều khiển PID Hình 2.15: Khối điều khiển phía lưới 43 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 t(s) ird q (A ) Dap ung dong rotor trong qua trinh thuc hien hoa dong bo ird* irq* ird irq 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 t(s) u (V ) Dap ung dien ap pha stator may phat va luoi uL u may phat 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 t(s) u ( V ) Dap ung dien ap pha stator may phat va luoi uL u may phat 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 Sai lech giua diwn ap stator may phat và luoi t(s) S a i le c h 2.3.2. Kết quả mô phỏng: a) Khi máy phát làm việc ở tốc độ định mức - Kiểm tra việc thực hiện hoà đồng bộ máy phát lên lưới Hình 2.16: Đáp ứng dòng điện ird và irq theo giá trị đặt Hình 2.17: Đáp ứng điện áp pha stator máy phát và lưới Hình 2.18: Đáp ứng điện áp lưới và stator máy phát trước và sau khi đã hoà đồng bộ (tại 0,35s) 44 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Dap ung dong dien rotor cua may phat t (s) ir d q ( A ) ird* irq* ird irq 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 Dap ung momen cua may phat t(s) m om en (N m ) m* m 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Dap ung cong suat phan khang t (s) Q ( V ar ) Q Q* Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển đã điều chỉnh các dòng điện ird và irq đảm bảo ird = 0 và irq < 0, sau 0,12s điện áp pha của lưới và máy phát trùng nhau (hình 2.17). Như vậy sau 0,12s là có thể thực hiện hoà đồng bộ máy phát lên lưới. Ta thực hiện hòa đồng bộ tại 0,35s cho thấy chúng vẫn trùng nhau, với sai lệch lớn nhất 1,1% (hình 5.18), trong khi dòng rotor luôn giữ ird = 0 và      lmrq sm m u 306 i 3,01A L 298,5.0,34 thoả mãn điều kiện hoà đồng bộ đặt ra. - Kiểm tra chất lượng của hệ thống điều khiển khi hệ thống máy phát điện sức gió (sau khi hoà đồng bộ) Hình 2.19: Đáp ứng momen và công suất phản kháng Hình 2.20: Đáp ứng dòng điện rotor máy phát khi đã hòa vào lưới (phát công suất tác dụng và phản kháng) 45 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Dap ung cong suat phan khang cua may phat t (s) Q (V a r) Q Q* 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -3 -2 -1 0 1 2 3 t (s) ir q (A ) Dap ung dong rotor may phat ird* irq* ird irq 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 Dap ung mo men cua may phat t (s) m (N m ) m* m Nhận xét: Kết quả mô phỏng mô men và công suất phản kháng ở hình 2.19 cho thấy khi có bộ điều khiển dòng PID và các mạch điều khiển vòng ngoài mômen, Q (khâu PI), mô men thực và công suất phản kháng thực đã bám các giá trị môn men và Q đặt. Cũng từ kết quả hình 2.20 cho thấy các thành phần dòng điện rotor ird và irq cũng bám tốt các giá trị đặt khi máy phát hòa vào lưới (phát công suất P, Q). b) Khi máy phát làm việc (sau khi đã hòa vào l