Luận văn điều khiển Dead-Beat cho bộ nguồn năng lượng tái tạo - ĐHKTCN

Tổng hợp nội dung luận văn tốt nghiệp hoàn thiện ngày 02/06/2014. Tài liệu tham khảo học thuật hữu ích dành cho sinh viên và nghiên cứu sinh.

• Tác giả: Nguyễn Thành Trung
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Đức Minh
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Ứng dụng hệ điều khiển Dead-Beat nâng cao động học cho bộ nguồn trong mạng điện nguồn năng lượng mới và tái tạo
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn hệ điều khiển Dead Beat

Luận văn hệ điều khiển Dead-Beat là nghiên cứu khoa học chuyên sâu về ứng dụng thuật toán điều khiển Dead-Beat nhằm nâng cao hiệu suất động học cho bộ nguồn trong hệ thống điện năng lượng mới và tái tạo. Hệ thống này tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng bằng cách giảm thiểu sai lệch động học giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực thông qua bộ điều khiển phản hồi nhanh. Nội dung luận văn đề cập đến cơ sở lý thuyết, mô hình hóa hệ thống, và các phương pháp thiết kế bộ điều khiển Dead-Beat phù hợp với đặc tính phi tuyến của nguồn năng lượng tái tạo. Đặc biệt, luận văn còn phân tích ưu điểm vượt trội của phương pháp Dead-Beat so với các kỹ thuật điều khiển truyền thống như PID hay điều khiển trượt.

1.1. Khái niệm hệ điều khiển Dead Beat

Hệ điều khiển Dead-Beat là thuật toán điều khiển phản hồi trạng thái, trong đó sai số điều khiển được triệt tiêu hoàn toàn sau một chu kỳ lấy mẫu duy nhất. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc dự đoán chính xác trạng thái tương lai của hệ thống thông qua mô hình toán học, sau đó tính toán trực tiếp tín hiệu điều khiển cần thiết để đưa hệ thống về trạng thái mong muốn. Điểm đặc biệt của phương pháp này là khả năng loại bỏ hoàn toàn sai lệch động học trong điều kiện hoạt động ổn định, giúp cải thiện đáng kể độ chính xác và tốc độ đáp ứng của hệ thống.

1.2. Ứng dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo

Hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió thường có đặc tính đầu ra không ổn định do phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Hệ điều khiển Dead-Beat được ứng dụng để ổn định điện áp đầu ra của bộ biến đổi công suất, đảm bảo cung cấp điện năng chất lượng cao cho lưới điện. Bằng cách điều chỉnh nhanh chóng dòng điện đầu vào bộ tích trữ năng lượng (BESS), hệ thống có thể bù đắp kịp thời sự biến động của nguồn năng lượng tái tạo, đồng thời duy trì điện áp ổn định tại điểm kết nối chung (PCC).

II. Phân tích vấn đề chất lượng điện năng trong lưới điện tái tạo

Chất lượng điện năng trong lưới điện sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thường gặp nhiều thách thức do tính biến động của nguồn cung cấp. Các vấn đề chính bao gồm dao động điện áp, méo dạng sóng hài, và sự không ổn định tần số. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ đặc tính phi tuyến của các bộ biến đổi công suất, sự thay đổi đột ngột của công suất phát từ nguồn năng lượng tái tạo, và sự thiếu hụt công suất phản kháng trong hệ thống. Đặc biệt, trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ, sự kết hợp giữa nguồn thủy điện và năng lượng tái tạo khác tạo ra những biến động phức tạp, đòi hỏi các giải pháp điều khiển tiên tiến để duy trì ổn định hệ thống.

2.1. Ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo

Nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió có đặc tính đầu ra phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, dẫn đến công suất phát không ổn định. Sự thay đổi đột ngột của công suất phát gây ra dao động điện áp trên đường dây truyền tải, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp cho người tiêu dùng. Ngoài ra, các bộ biến đổi công suất sử dụng trong hệ thống tái tạo thường tạo ra sóng hài, làm méo dạng dạng sóng điện áp và dòng điện, gây nhiễu loạn cho các thiết bị nhạy cảm.

2.2. Thách thức trong điều khiển hệ thống BESS

Bộ tích trữ năng lượng (BESS) đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định lưới điện bằng cách bù đắp sự thiếu hụt công suất tức thời. Tuy nhiên, việc điều khiển BESS gặp nhiều khó khăn do đặc tính phi tuyến của acquy, sự biến động của tải, và yêu cầu về tốc độ phản ứng nhanh. Các phương pháp điều khiển truyền thống như PI khó đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác và tốc độ đáp ứng trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt.

III. Giải pháp ứng dụng hệ điều khiển Dead Beat trong luận văn

Để giải quyết các vấn đề về chất lượng điện năng trong lưới điện tái tạo, luận văn đề xuất ứng dụng hệ điều khiển Dead-Beat nhằm nâng cao hiệu suất động học của bộ nguồn. Phương pháp này tập trung vào thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái, trong đó sai số điều khiển được triệt tiêu hoàn toàn sau mỗi chu kỳ lấy mẫu. Bằng cách kết hợp mô hình toán học chính xác của hệ thống với thuật toán điều khiển Dead-Beat, luận văn chứng minh khả năng ổn định điện áp đầu ra của bộ biến đổi công suất, giảm thiểu dao động điện áp, và cải thiện chất lượng điện năng cung cấp cho lưới điện.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển Dead Beat

Thiết kế bộ điều khiển Dead-Beat trong luận văn dựa trên mô hình toán học của hệ thống, bao gồm các phương trình trạng thái mô tả động học của bộ biến đổi công suất và bộ tích trữ năng lượng. Quá trình thiết kế bao gồm việc xác định ma trận trọng số phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển, đồng thời đảm bảo tính ổn định của hệ thống trong điều kiện hoạt động khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có khả năng đáp ứng nhanh chóng với các biến động của tải và nguồn năng lượng tái tạo.

3.2. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

Mô hình hóa hệ thống được thực hiện bằng phần mềm MATLAB/Simulink, trong đó tích hợp mô hình bộ biến đổi công suất, bộ tích trữ năng lượng, và bộ điều khiển Dead-Beat. Mô phỏng được tiến hành với các kịch bản khác nhau, bao gồm sự thay đổi đột ngột của công suất phát từ nguồn năng lượng tái tạo, sự biến động của tải, và các tình huống sự cố trên lưới điện. Kết quả mô phỏng chứng minh hiệu quả vượt trội của hệ điều khiển Dead-Beat so với các phương pháp điều khiển truyền thống.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn luận văn

Luận văn đã thành công trong việc ứng dụng hệ điều khiển Dead-Beat để nâng cao chất lượng điện năng trong lưới điện sử dụng nguồn năng lượng tái tạo. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống điều khiển đề xuất có khả năng ổn định điện áp đầu ra, giảm thiểu dao động điện áp, và cải thiện độ chính xác động học của bộ nguồn. Đặc biệt, luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế chi tiết cho các kỹ sư trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa, góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện năng lượng tái tạo.

4.1. Đánh giá hiệu quả nghiên cứu

Hiệu quả của hệ điều khiển Dead-Beat được đánh giá thông qua các tiêu chí như độ ổn định điện áp, tốc độ đáp ứng, và khả năng chống nhiễu. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống điều khiển đề xuất có thể duy trì điện áp đầu ra ổn định trong phạm vi ±5% so với giá trị định mức, ngay cả trong điều kiện tải biến động mạnh. Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng loại bỏ hoàn toàn sai lệch động học sau một chu kỳ lấy mẫu, giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của quá trình điều khiển.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng sang ứng dụng hệ điều khiển Dead-Beat trong các hệ thống điện thông minh (Smart Grid) và tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo mới như năng lượng sóng biển hay địa nhiệt. Ngoài ra, việc kết hợp hệ điều khiển Dead-Beat với trí tuệ nhân tạo (AI) cũng hứa hẹn mang lại những cải tiến vượt bậc về hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 1. Khái niệm về chất lượng điện năng. Nền kinh tế quốc dân ngày càng phát triển, do đó đòi hỏi ngày càng nhiều năng lượng điện. Điều đó đặt ra cho hệ thống cung cấp điện một nhiệm vụ khó khăn là vừa phải thoả mãn lượng điện năng tiêu thụ, vừa phải đảm bảo chất lượng của nó.

Vì vậy chất lượng điện năng ảnh hưởng rất lớn đến chế độ làm việc của các phụ tải, điều này sẽ làm ảnh hưởng tới các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật của các phụ tải đó. Các thiết bị dùng điện chỉ có thể làm việc với hiệu quả tốt trong trường hợp điện năng có chất lượng cao. Chất lượng điện năng được đánh giá dựa trên hai chỉ tiêu chính là chất lượng Tần số và chất lượng Điện áp. Như vậy chất lượng điện năng là mức độ trùng hợp của Tần số và Điện áp so với giá trị chuẩn đã quy định.

Ngoài ra, chất lượng điện năng còn được đánh giá bằng chỉ tiêu là độ tin cậy của hệ thống, tức là tính liên tục cung cấp điện. Chất lượng tần số. Được đánh giá theo 2 đại lượng: 1. Độ lệch tần số (lấy trong khoảng thời gian là 10 phút) f −f dm f=.

Độ dao động tần số (khi tốc độ biến đổi của tần số nhỏ hơn 0.2 HZ trong thời gian một giây) f max−f min f= .100 % p f dm Giữ cho độ lệch và dao động của tần số nằm trong phạm vi cho phép là nhiệm vụ của các nhà máy phát điện, các phụ tải dùng điện ít ảnh hưởng tới 4 tần số, vì vậy về sau này chúng ta sẽ không đề cập đến các biện pháp đảm bảo chất lượng tần số. Chất lượng điện áp. Được đánh giá theo 5 đại lượng. Độ lệch điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1 giây) so với giá trị định mức : U −U dm.

Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn 1% trong 1 giây) U max−U min δ U=. Độ không hình sin của dạng đường cong điện áp : √ Uγ ∞ K K. 100 % U γ∑ = ∑ U 2γ U1 trong đó γ=2 U1 - Điện áp thành phần cơ bản Khi K K. Sin ¿ 5 % thì dạng của đường cong điện áp thường chỉ cần tính đến bậc 13 là đủ.

Độ không đối xứng của điện áp : 0 0 0 U2 U A +a2 U B +a U C K 2= .100 % U phadinhmuc √ 3 U dm j 120 0 2 j 240 0 Trong đó U 2 - điện áp thứ tự nghịch a = e ; a =e Nếu điện áp có K 2 ¿ 1 % thì có thể xem thực tế như là đối xứng. Độ lệch trung tính.100 % U phadinhmuc √ 3 U dm 5 Trong đó U 0 - điện áp thứ tự không 1. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng. Chỉ tiêu tần số 1.

Độ lệch tần số Độ lệch tần số so với tần số định mức: f −f dm Δf =. 100 f dm Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép: Δf min¿ Δf ≤ Δ fmax Cũng có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép: fmin ¿ f ¿ fmax Trong đó: fmin = fđm - Δf min fmax = fđm + Δ fmax 1. Độ dao động tần số Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%. Độ dao động tần số không được lớn hơn giá trị cho phép.

* Tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30 tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối (Điều 4) thì Tần số định mức trong hệ thống điện quốc gia là 50Hz. Trong điều kiện bình thường, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,2Hz so với tần số định mức. Trường hợp hệ thống điện chưa ổn định, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,5Hz so với tần số định mức. Chỉ tiêu điện áp.

Độ lệch điện áp Độ lệch điện áp tại một điểm trong hệ thống cung cấp điện là độ chênh lệch giữa điện áp thực tế U và điện áp định mức Uđm với điều kiện là tốc độ biến thiên của điện áp nhỏ hơn 1% Uđm/giây. 6 Vậy ΔU =U −U dm (V ) U −U dm .100 % qU= ΔU % = U dm (1) Độ lệch điện áp ΔU có dấu âm khi điện áp thực tế nhỏ hơn điện áp định mức và có dấu dương trong trường hợp ngược lại. Thông thường có nhiều nguyên nhân gây ra độ lệch điện áp. Vì vậy độ lệch điện áp tại một điểm nào đó trong hệ thống cung cấp điện có thể được coi như là tổng đại số các độ lệch điện áp thành phần : n ΔU =∑ ΔU i i=1 (2) Trong đó ΔU i - độ lệch điện áp do nguyên nhân thứ i gây ra được tính theo biểu thức (1).

Chú ý khi tính ΔU i phải được tính cùng một pha và cùng một thời điểm. ΔU % cp ở mỗi nước khác nhau thì được quy Độ lệch điện áp cho phép định khác nhau. Ví dụ : * Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30 tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối (Điều 5): - Trong chế độ vận hành bình thường, điện áp vận hành cho phép được sai lệch so với điện áp danh định như sau:Tại điểm đấu nối với Khách hàng sử dụng điện là 5%; Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là +10% và -5%. - Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong quá trình khôi phục vận hành ổn định sau sự cố, cho phép mức dao động điện áp tại điểm đấu nối với Khách hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự cố trong khoảng +5% và – 10% so với điện áp danh định.

7 - Trong chế độ sự cố nghiêm trọng hệ thống điện truyền tải hoặc khôi phục sự cố, cho phép mức dao động điện áp trong khoảng  10% so với điện áp danh định. Những quy định trên cần phải được đảm bảo chặt chẽ, bởi vì độ lệch điện áp có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc bình thường của các thiết bị điện. Ví dụ khi điện áp giảm 10%, thì mômen quay của động cơ không đồng bộ giảm 19%, độ trượt tăng 27,5%, dòng trong rôto tăng 14%, trong stato tăng 10%. Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm đối với điện áp.

Khi điện áp giảm 25% thì quang thông của đèn dây tóc giảm 9%, còn khi điện áp tăng 10% thì tuổi thọ của nó giảm 30 - 35%. Chình vì vậy độ lệch điện áp cho phép đối với các thiết bị chiếu sáng được quy định nhỏ hơn so với các thiết bị điện khác. Để xác định độ lệch điện áp tại một điểm nào đó trong hệ thống cung cấp điện ta phải xác định tổn thất điện áp trên các phần tử từ nguồn đến điểm đó (chủ yêú là trên đường dây và máy biến áp), đồng thời phải kể đến việc nâng cao điện áp do chọn đầu phân áp của máy biến áp và các biện pháp điều chỉnh điện áp khác. Vậy ΔU % = ∑ δU %−∑ ΔU dd %−∑ ΔU B %; (3) 8 Hình 1.

Đồ thị phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện. Trong đó δU % - độ tăng điện áp do điều chỉnh đầu phân áp và các biện pháp điều chỉnh điện áp khác, ΔU dd % - tổn thất điện áp trên máy biến áp. Chú ý rằng các điện áp trong công thức (3) phải được quy về cấp điện áp tại điểm xét. trình bày một ví dụ về phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện và các độ lệch điện ápdo các phần tử trong hệ thống cung cấp điện gây ra.

Trong đó: δU 1 = 5% - độ lệch điện áp trên thanh cái trạm biến áp khu vực; δU B =5 % - độ lệch điện áp do đầu phân áp của máy biến áp gây ra. δU 1 = 6% - tổn thất điện áp trên đường dây điện áp cao; δU B =4 % - tổn thất điện áp trên máy biến áp; ΔU 2 =5 % - tổn thất điện áp trên đường dây điện áp thấp. Từ hình 1 ta thấy rằng để duy trì điện áp trên cực của phụ tải nằm trong phạm vi cho phép chúng ta phải áp dụng các biện pháp điều chỉnh điện áp để bù vào các tổn thất điện áp do các phần tử trong hệ thống cung cấp điện gâp ra. Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến giá thành hệ thống điện.

Độ dao động điện áp 9 Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khoảng thời gian tương đối ngắn. Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không những về biên độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó. Sự biến thiên nhanh của điện áp được tính theo công thức : U max −U min ΔU = .100 % U dm Tốc độ biến thiên từ U min đến Umax không nhỏ hơn 1%/s. Nguyên nhân chủ yếu gây ra dao động điện áp là do các phụ tải lớn làm việc đòi hỏi sự đột biến về tiêu thụ công suất tác dụng và phản kháng.

Các lò điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn v.v… là các thiết bị thường gây ra dao động điện áp. Tuỳ theo biên độ và tần số dao động, người ta quy định những giá trị cho phép sau đây : - Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giờ, δU =(3−5)%U dm - Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/phút, δU =(1−1,5)%U dm - Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giây, δU =0,5 %U dm Mức độ dao động điện áp phụ thuộc vào tỷ số giữa công suất nguồn và công suất của những phụ tải biến thiên. Nói chung khi tỷ số nói trên từ 10 trở lên thì biến thiên của phụ tải thực tế chỉ gây ra dao động điện áp cục bộ tại điểm phụ tải làm việc mà thôi. Tính toán giá trị của biên độ dao động điện áp khá phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố bất định.

Có thể sử dụng các công thức gần đúng nhằm đánh giá sơ bộ dao động điện áp lúc thiết kế cung cấp điện sau đây: Dao động điện áp khi các dao động cơ làm việc có sự biến đổi phụ tải lớn được tính theo công thức: ΔQ δU %= .