Tóm tắt Luận văn Ứng dụng điều khiển trượt thích nghi trong điều khiển kích từ máy phát đồng bộ ba pha thuỷ điện
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI
Phản biện 1: TS. NGUYỄN LÊ HÒA
Phản biện 2: TS. GIÁP QUANG HUY
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 06
tháng 5 năm 2017.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Điện năng là nguồn năng lượng không thể thiếu trong phục vụ
nhu cầu sản xuất và sinh hoạt của con người. Có nhiều tiêu chí để
đánh giá chất lượng điện năng, trong đó một số chỉ tiêu quan trọng
hàng đầu như: điện áp, tần số, độ tin cậy cung cấp điện,…
Hệ thống kích từ là bộ phận không thể thiếu đối với tổ máy phát
điện đồng bộ 3 pha của nhà máy thuỷ điện. Do yêu cầu về cung cấp
điện và chất lượng điện năng ngày càng cao, nên việc nghiên cứu,
xem xét lựa chọn phương pháp điều khiển cho hệ thống kích từ là
vấn đề hết sức quan trọng.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát: Nắm bắt các phương pháp điều khiển hệ
thống kích từ tĩnh nguồn áp của NMTĐ, góp phần làm chủ được dây
chuyền thiết bị công nghệ, phục vụ tốt hơn công tác vận hành nhà
máy.
Mục tiêu cụ thể: Xây dựng bộ điều khiển trượt thích nghi cho hệ
thống kích từ tĩnh nguồn áp nhà máy thuỷ điện; đánh giá ưu điểm và
nhược điểm của bộ điều khiển xây dựng với các phương pháp điều
khiển khác đã được sử dụng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống kích từ tổ máy phát điện các
NMTĐ, có xét đến tổ máy phát điện của Nhà máy thủy điện Srêpôk
3 do Công ty Thủy điện Buôn Kuốp quản lý vận hành (công suất
2×110MW), thuộc địa bàn xã Tân Hoà, huyện Buôn Đôn, tỉnh Đắk
Lắk.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng kiểm chứng.
5. Bố cục đề tài
Luận văn được chia thành 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống kích từ.
Chương 2: Mô hình hóa các phần tử trong hệ thống kích từ.
Chương 3: Lý thuyết điều khiển trượt thích nghi và áp dụng
trong điều khiển hệ thống kích từ.
Chương 4: Tính toán bộ điều khiển trượt thích nghi, mô phỏng
và đánh giá kết quả..
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ
1.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA CHẤT LƢỢNG ĐIỆN
NĂNG
Chất lượng điện năng là các yếu tố liên quan đến tiêu chuẩn kỹ
thuật và độ tin cậy của lưới điện. Lưới điện Việt Nam bao gồm các
yếu tố đưới đây:
1.2.1. Tần số
1.2.2. Điện áp
1.2.3. Cân bằng pha
1.2.4. Các chỉ số về độ tin cậy cung cấp điện
1.2.5. Các yếu tố khác
1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KÍCH TỪ
1.2.1. Giới thiệu chung
Hệ thống kích từ là bộ phận có chức năng tạo ra dòng điện một
chiều đưa vào cuộn dây rotor máy phát điện để tạo ra từ trường phần
3
cảm, chuyển động quay và quét trên cuộn dây phần ứng của stator để
tạo ra điện năng cho máy phát điện.
1.2.2. Yêu cầu của hệ thống kích từ
Yêu cầu về tính năng của hệ thống kích từ được xem xét dựa
trên máy phát và hệ thống điện.
a. Về máy phát điện
Cung cấp và điều chỉnh tự động dòng điện kích từ để duy trì
điện áp đầu cực máy phát một cách tức thời khi có sự thay đổi của
phụ tải.
Có khả năng đáp ứng với các nhiễu loạn thoáng qua bằng cách
ấn định dòng kích từ phù hợp với khả năng tức thời hoặc ngắn hạn
của máy phát.
b. Về hệ thống điện
Đóng góp có hiệu quả trong việc điều khiển điện áp và tăng
cường ổn định hệ thống.
1.2.3. Các phần tử của hệ thống kích từ
Sơ đồ khối chức năng hệ thống kích từ như Hình 1.1.
Bộ giới hạn và
mạch bảo vệ
Tranducer điện
áp và bộ bù tải
Đến hệ
thống
điện
Giá
trị
Bộ điều
chỉnh
Bộ tạo dòng
Máy
kích từ
phát điện
Bộ ổn định công
suất hệ thống
Hình 1.1. Sơ đồ khối chức năng hệ thống kích từ
4
1.2.4. Các loại hệ thống kích từ:
Trải qua quá trình phát triển, có 3 loại hệ thống kích từ sau:
a. Hệ thống kích từ DC
b. Hệ thống kích từ AC
c. Hệ thống kích từ tĩnh
1.3. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ TRONG
VÀ NGOÀI NƢỚC
1.3.1. Các nghiên cứu trong nƣớc
a. Sự ảnh hưởng của hệ thống kích từ có PSS đến ổn định hệ
thống điện
b. Ứng dụng lý thuyết RH∞ để nâng cao chất lượng bộ PSS
của hệ thống kích từ
1.3.2. Các nghiên cứu ngoài nƣớc
a. Bộ điều khiển mờ (FLC - Fuzzy Logic Controller)
b. Bộ điều khiển PID theo mô hình nội (IMC-PID)
c. Bộ điều khiển di truyền kết hợp PID
1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
CHƢƠNG 2
MÔ HÌNH HOÁ CÁC PHẦN TỬ
TRONG HỆ THỐNG KÍCH TỪ
2.1. MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
2.1.1. Giới thiệu chung về máy phát điện
a. Cấu tạo
Máy phát điện gồm 2 phần: phần tĩnh là stator và phần quay là
rotor.
b. Đặc điểm và phân loại
5
Dựa vào cấu tạo của rotor, máy phát điện đồng bộ được phân
thành 2 loại là máy phát đồng bộ cực ẩn và máy phát đồng bộ cực
lồi.
Đối với các máy phát thủy điện, do có tốc độ chậm nên hầu hết
các rotor là loại cực lồi.
c. Nguyên lý làm việc
Khi rotor quay, từ trường rotor quét qua dây quấn phần ứng
stator và cảm ứng trong dây quấn stator suất điện động (sđđ) xoay
chiều hình sin. Nếu rotor có số đôi cực từ là p, quay với tốc độ n thì
sđđ cảm ứng trong dây quấn stator có tần số là:
pn
f
(2.1)
60
Trị số hiệu dụng sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator:
(2.3)
E
t
2.1.2. Các phƣơng trình điện áp viết trong hệ tọa độ abc
Thông thường máy phát đồng bộ được mô tả bởi 3 cuộn dây
stator gắn với cuộn dây damper đặt trên hệ tọa độ vuông góc dq
(cuộn D,Q) và cuộn kích từ (cuộn f) đặt trên trục d như Hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí các cuộn dây stator và rotor
của máy điện đồng bộ
6
Phương trình ma trận điện áp/dòng điện trong máy phát điện
đồng bộ:
dt
(2.13)
d
dt
với:
T
d
VABCfDQ
(2.14)
(2.15)
(2.16)
A
B
C
f
dt
T
T
IABCfDQ
2.1.3. Các phƣơng trình điện áp viết trong hệ tọa độ dq
Hình 2.2. Mô hình d-q của máy phát điện đồng bộ
Mục đích chính của mô hình dq là triệt tiêu ảnh hưởng của
thành phần điện cảm đối với vị trí rotor. Để làm được điều này cần
7
có hệ tọa độ gắn với trục rotor cho máy phát đồng bộ như Hình 2.2.
Phương trình điện áp phía stator được chuyển sang tọa độ d-q:
d
Id Rs d
r
q
dt
(2.28)
d
Iq Rs
dt
Hệ phương trình phần rotor:
d
I f Rf
dt
d
(2.29)
(2.30)
iD RD
iQ RQ
dt
d
dt
Thành phần phương trình (zero) được xác định như sau:
di
dt
d
I0Rs
dt
I
I0
3
Sử dụng mô hình điện cảm như Hình 2.3
Hình 2.3. Điện cảm trên mô hình d-q
8
Quan hệ giữa từ thông và dòng điện:
sl q qm q Q
(2.33)
Dl D dm d D f
l
D
trong đó các giá trị dòng điện, điện cảm, điện trở được qui
đổi từ rotor sang stator được xác định như sau:
I f f
ID DD
(2.34)
IQ QQ
2
3K2f
Lfl
2 1
(2.35)
LDl l
3 KD2
2 1
3 KQ2
LQl Ql
2 1
Rf f
RD D
RQ
3 K2f
2 1
3 KD2
2 1
(2.36)
(2.37)
3 KQ2
2 1
Vf Vfr
3 K f
với:
9
M
Ldm
M
Ldm
M
Lqm
K f
KD
KQ
(2.38)
(2.39)
(2.40)
2.1.4. Mô hình d-q trong hệ tƣơng đối (P.U)
Phương trình (2.33) được viết lại trong hệ đơn vị tương đối như
sau:
1 d
1 d
1 d
(2.49)
1 d
D
1 d
1 d
2.1.5. Trạng thái xác lập trên mô hình d-q
V s0
(2.56)
s
r
s0
2.1.6. Mô hình mạch thay thế tƣơng đƣơng máy phát đồng
bộ
2.1.7. Các thông số vận hành của máy phát điện đồng bộ
Từ mạch điện tương đương của máy phát điện, ta có thể dẫn ra
mô hình máy phát đồng bộ qua các quan hệ hàm truyền như sau:
10
d d
ex
P.U.
d
q
(2.61)
(2.62)
q q
s
với:
1
1
ld s
.ld
P.U.
1
.lq
lq s
P.U.
1
trong đó:
1
Td'
1
Td"
(2.63)
1
Td'0
Tq"
1
ll
lqm
[s]
1
Tq"0
TD
l
với:
+ T’d0,T’q0: là các hằng số thời gian hở mạch quá độ trục d,
q.
+ T”d0, T”q0: là các hằng số thời gian hở mạch siêu quá độ
trục d, q.
+ T”d, T”q: là các hằng số thời gian ngắn mạch siêu quá độ
trục d, q.
+ T’d: là hằng số thời gian ngắn mạch quá độ trục d.
11
+ TD: là hằng số thời gian tự tản dọc trục của cuộn dây
damper.
2.2. MÔ HÌNH BỘ TẠO DÒNG KÍCH TỪ
Xét bộ chỉnh lưu bao gồm khối phát xung điều khiển như Hình
2.6.
Udk
Ud
α
Chỉnh lưu
(Mạch động lực)
Phát xung
Hình 2.6 Mô hình bộ chỉnh lưu thyristor
Phương trình hàm truyền:
K
(2.70)
Gcl (s)
Tcl s
2.3. MÔ HÌNH BỘ ĐO LƢỜNG PHẢN HỒI
Mô hình khối đo lường phản hồi như Hình 2.7
M
i1
r
u
u
L
Hình 2.7. Mô hình bộ đo lường phản hồi
Phương trình hàm truyền bộ đo lường:
K
U(s)
Gph (s)
(2.75)
U1(s) sTph
2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
12
CHƢƠNG 3
LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI
VÀ ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KÍCH TỪ
3.1. ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT (SMC)
3.1.1. Khái niệm về điều khiển trƣợt
SMC là phương pháp điều khiển bền vững và hiệu quả đối với
các hệ thống phi tuyến và bất định. SMC là phương pháp điều khiển
cưỡng bức (hay áp đặt) đặc tính của hệ thống là một đặc tính quá
trình định sẵn (mặt trượt). Mọi biến đổi đặc tính quá trình hệ thống
trong không gian điều khiển đều được các bộ quan sát ghi nhận và bộ
điều khiển tính toán thông số để thực hiện đưa chuyển động đặc tính
hệ thống về lại đặc tính trượt.
3.1.2. Điều kiện trƣợt
Q(s)
3.1.3. Vấn đề xây dựng mặt trƣợt
3.1.4. Ổn định của điều khiển trƣợt
3.1. ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MẶT TRƢỢT (SMAC)
Xét một hệ mode trượt SISO dạng:
s
(3.1)
(3.39)
Thay (3.29) vào (3.1) với giả thiết mặt trượt biến đổi liên tục:
s(
Nếu độ dốc c không đổi thì chỉ tồn tại phần đầu trong vế trái của
(3.32). Như vậy để hệ ổn định tiệm cận thì :
(3.41)
(3.42)
s(e
Phương pháp biến đổi mặt trượt là dùng mặt trượt s(x) có độ dốc
biến đổi theo sai lệch. Để thực hiện quá trình trượt, với cấu trúc bậc
nhất:
13
s(x)
(3.43)
Thì các điều kiện ràng buộc sẽ là:
- x phải là biến trạng thái trong hệ
- c>0 trong hệ SISO hoặc phải chứa các phần tử dương trên
đường chéo trong hệ MIMO.
Nếu đặt hệ thống trong dạng mô tả tổng quát bậc không hạn chế,
ta có thể xây dựng mặt trượt bậc hai dạng:
(3.44)
s(x) x cx 0
Lúc này các vectơ tham số điều khiển được là và c. Nếu các
vectơ này được điều khiển sao cho biến trạng thái x ổn định tiệm cận
và hạn chế trong lớp biên thì hiện tượng rung sẽ suy giảm.
3.2. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
TRƢỢT THÍCH NGHI
Đối tượng là hệ thống kích từ trong nhà máy thuỷ điện, ở trong
luận văn này giả thuyết các nhiễu tác động vào đối tượng ta không
quan sát được. Do vậy, những ảnh hưởng của nhiễu đều thể hiện qua
sai lệch e giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đầu ra.
Cấu trúc bộ điều khiển trượt thích nghi như Hình 3.5
Thích nghi mặt trượt
y0
V
Bộ điều
khiển
SMC
V
y
u
Bộ tạo dòng
kích từ
Máy
phát
Hình 3.5. Cấu hình bộ điều khiển trượt thích nghi
3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
14
CHƢƠNG 4
TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI,
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT
THÍCH NGHI
4.1.1. Tính toán các thông số của mô hình
a. Thông số máy phát
Theo mô hình máy phát như trình bày ở Chương 2, nếu bỏ qua
điện cảm tản giữa dây quấn và trục d, lfDl=0. Thay vào các phương
trình (2.63) và (2.64) ta có:
1
Td'
(4.1)
f
1
Td"
(4.2)
(4.3)
bD
1
Td'0
fl
bf
1
Td"0
(4.4)
bD
1
Tq"
Tq"0
(4.5)
(4.6)
(4.7)
(4.8)
Q
1
m
bQ
l
TD
bD
T'
Td'0
ld' d
15
T"
Td"0
ld" d
(4.9)
Sử dụng bảng thông số tổ máy phát điện của NMTĐ Srêpôk 3.
Xét trong hệ đơn vị tương đối, ta tính toán được các thông số sau:
ld u
ld'
ld"
(4.20)
lsl l
ldm
l
ld'
l'
ld"
0.909
0.36
Td'0
Td"0
]
(4.21)
0.36
]
0.26
0.679
rf
(5.456525
lfl [pu]
0.094154
lDl
rD
0.068 4
0.039 6
0.94154
(4.22)
0.094154
(0.068
5 [s]
TD
b. Thông số bộ tạo dòng kích từ
Vì điện áp điều khiển thông thường khoảng 10V nên từ (2.78):
240
KCL
(4.23)
10
Đối với chỉnh lưu cầu 3 pha thì m=6 và f=50Hz nên từ (2.72):
16
1
T
]
(4.24)
cl
6.50
c. Thông số bộ đo lường phản hồi
Đối với các thiết bị đo lường, thông thường có đáp ứng với thời
gian trễ rất bé. Trong đơn vị tương đối, ở công thức (2.79) ta chọn:
Kph ph
(4.25)
4.1.2. Tổng hợp hàm truyền hệ thống kích từ:
Để thiết kế bộ điều khiển ta sử dụng mô hình tổng hợp đã được
xây dựng ở Chương 2 như Hình 4.1.
Vt
Vref
+
∑
Bộ ĐK
-
Hình 4.1. Sơ đồ hàm truyền hệ thống kích từ máy phát
Hàm truyền vòng lặp kín mô tả đối tượng khi chưa có bộ điều
khiển:
KCL (TDs ph
KCL Kph (TDs cl d0d0ph
(4.27)
Gc (s)
as2
Gk (s)
b s4 2345
(4.33)
1
0.000722s2
0.0000017125s4
=
Vì các hệ số a1 rất bé so với a2 và a3; b1, b2 rất bé so với b3, b4 và
b5 nên có thể bỏ qua. Do đó (4.33) có thể viết lại như sau:
as
Gk (s)
b3s2
(4.34)
0.746032s
0.51962s2
=
17
Từ sơ đồ hàm truyền hệ thống kích từ mô tả ở Hình 4.1 và bộ
điều khiển trượt mô tả ở Chương 3. Nếu xem D là nhiễu hoặc ảnh
hưởng của phụ tải đến điện áp ngõ ra máy phát, ta có sơ đồ hàm
truyền bộ điều khiển trượt bộ hệ thống kích từ máy phát như Hình
D
Vg
Vref
+
Bộ tạo
dòng KT
Máy
phát
∑
∑
SMAC
-
4.2.
Hình 4.2. Sơ đồ hệ thống kích từ sử dụng
bộ điều khiển trượt thích nghi
4.1.3. Tính toán u điều khiển của bộ điều khiển trƣợt
Mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu điều khiển như sau:
as
b3s2 4 5
y
(4.35)
Gk (s)
Chọn mặt trượt bậc 1 và căn cứ điều kiện hút mặt trượt ta có
phương trình tín hiệu điều khiển u như sau:
1
u
3
(4.43)
Xây dựng luật thích nghi mặt trượt theo sai lệch e, theo [2] ta
chọn hàm hệ số mặt trượt
, mặt trượt có dạng phi tuyến,
a3
khi sai lệch giảm thì độ dốc mặt trượt giảm theo, vì vậy biên độ rung
giảm.
Như vậy điện áp đầu ra của bộ điều khiển trượt thích nghi (độ
dốc mặt trượt thích nghi theo sai lệch e có dạng như sau:
1
u
35 0 54 3
(4.53)
a3
18
4.1.4. Tính toán bộ điều khiển PID
Để đánh giá so sánh đáp ứng giữa bộ điều khiển trượt với bộ
điều khiển PID ta xây dựng bộ điều khiển PID cho đối tượng có hàm
truyền đạt:
0.746032s
0.51962s2
y
Gk (s)
(4.54)
Để tối ưu hóa thông số của bộ PID ta sử dụng chức năng Tuning
của khối PID Controller trong Matlab Simulink, sau khi tunning ta có
hệ số:
KP = 0.0658, KI = 0.0218, KD = -0.0474.
4.2. MÔ PHỎNG
(4.55)
4.2.1. Khi chƣa thích nghi mặt trƣợt (SMC)
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển SMC và PID như Hình 4.3.
Hình 4.3. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển SMC và PID
Thay đổi các tham số K và λ ta có kết quả mô phỏng như Hình
4.4.
Tải về để xem bản đầy đủ
27 trang
26360
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận văn Ứng dụng điều khiển trượt thích nghi trong điều khiển kích từ máy phát đồng bộ ba pha thuỷ điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_van_ung_dung_dieu_khien_truot_thich_nghi_trong.pdf
