I. Tổng Quan về Điều Khiển Hệ Thống Điện Tử Giới Thiệu
Điện năng đóng vai trò quan trọng trong xã hội hiện đại. Các nguồn điện truyền thống như dầu khí, than đá đang dần cạn kiệt hoặc gây ra các vấn đề về môi trường. Năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện gió, ngày càng được chú trọng phát triển, nhất là ở những khu vực địa hình phức tạp, vùng sâu vùng xa, nơi lưới điện quốc gia chưa vươn tới hoặc còn hạn chế. Hệ thống điện tử đóng vai trò then chốt trong việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này. Máy điện không đồng bộ rôto dây quấn (MĐKĐBGTDQ) được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống máy phát điện, đặc biệt là hệ thống phát điện chạy sức gió. Ưu điểm nổi bật của MĐKĐB là khả năng điều chỉnh dễ dàng dòng năng lượng qua máy phát bằng biến tần có công suất thấp hơn nhiều so với máy phát. Tuy nhiên, để phát điện với chất lượng tốt, cần có một phương pháp điều chỉnh thích hợp. Bản luận văn này giới thiệu một phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mà không cần một giả thiết nào gần đúng vi phạm tới bản chất phi tuyến của MĐKĐBGTDQ, đó là phương pháp điều khiển mô hình nội.
1.1. Các Ứng Dụng Tiêu Biểu của Hệ Thống Điện Gió
Hiện nay có hai loại tuabin gió chính được sử dụng: tuabin gió tốc độ cố định và tuabin gió tốc độ thay đổi. Loại tuabin gió thông thường nhất là tuabin gió với tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới. Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió. Tuabin gió tốc độ thay đổi khắc phục được nhược điểm trên của tuabin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió. Bất lợi của các tuabin gió có tốc độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phí cho tuabin gió tốc độ thay đổi lớn hơn so với các tuabin tốc độ cố định.
1.2. Lợi Ích của Điều Khiển Thông Minh Hệ Thống Điện Tử
Máy điện không đồng bộ rôto dây quấn (MĐKĐBGTDQ) được ứng dụng ngày càng nhiều vào các hệ thống máy phát điện nói chung và đặc biệt trong các hệ thống máy phát điện chạy sức gió. Máy phát nằm trong dải công suất điều chỉnh từ vài chục kW đến trên 7 MW và có những ưu điểm nổi bật: Khả năng điều chỉnh dễ dàng dòng năng lượng qua máy phát bằng biến tần có công suất thấp hơn máy phát nhiều bằng tác động lên vành góp rôto, giúp hạ đáng kể giá thành toàn hệ. MDKĐB có khả năng hoạt động với hệ số trượt trong một phạm vi khá rộng (tới ±30%), cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng gió.
II. Thách Thức và Vấn Đề trong Tối Ưu Hệ Thống Điện Tử
Một trong những khó khăn cơ bản của MĐKĐBGTDQ là hai thành phần dòng ird, irq có nhiệm vụ điều khiển công suất hữu công và công suất vô công lại có mối quan hệ phi tuyến phụ thuộc lẫn nhau. Trước đây người ta giải quyết vấn đề bằng việc coi tần số mạch roto bằng hằng số trong một khoảng thời gian trích mẫu, tuyến tính hóa mô hình hệ thống và tách kênh các thành phần dòng. Tuy nhiên phương pháp này lại gặp phải một khó khăn lớn khi tần số mạch roto biến thiên do tốc độ gió thay đổi, đặc biệt là trong trường hợp lưới điện gặp sự cố dẫn tới sập lưới, thì ngoài sự biến thiên mạnh của tần số mạch roto, của tốc độ máy phát, còn phải kể đến sự dao động của từ thông, điện áp lưới.
2.1. Khó Khăn Khi Điều Khiển Tự Động Hệ Thống Điện Tử
Những đặc điểm kể trên đã làm cho phương pháp điều khiển tuyến tính giảm hiệu lực. Bản luận văn này giới thiệu một phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mà không cần một giả thiết nào gần đúng vi phạm tới bản chất phi tuyến của MĐKĐBGTDQ, đó là phương pháp điều khiển mô hình nội. Đây là phương pháp chưa được áp dụng cho đối tượng MĐKĐBGTDQ. Với phương pháp này, thông qua bộ điều khiển phản hồi trạng thái, hệ thống trở thành ổn định tiệm cận toàn cục trong toàn bộ không gian trạng thái.
2.2. Ảnh Hưởng của Sự Cố Lưới Điện
Nhược điểm chính của tuabin gió với tốc độ thay đổi sử dụng MĐKĐBGTDQ là vấn đề lỗi lưới. Lỗi lưới trong hệ thống năng lượng, thậm chí ở xa so với vị trí đặt tuabin sẽ gây ra sụt điện áp lưới, dẫn tới từ thông quá độ dao động, làm cảm ứng trong mạch roto sức phản điện động có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra, sẽ gây mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn, có thể phá hỏng bộ biến đổi.
2.3. Vấn Đề Quản Lý Năng Lượng Hệ Thống Điện Tử
Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBGTDQ nối lưới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều khiển phía máy phát như sau: Ở chế độ làm việc bình thường, thực hiện bám lưới với tần số và điện áp lưới không đổi; thực hiện điều chỉnh phân ly công suất tác dụng (thông qua mô men) và công suất phản kháng lên lưới.
III. Phương Pháp Điều Khiển Để Nâng Cao Hiệu Quả Điện Tử
Để nâng cao chất lượng hệ thống PĐSGTDQ, vấn đề đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát là phải khống chế được độ lớn của sức phản điện động cảm ứng trong mạch roto nhỏ hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi ngay sau khi lỗi lưới cũng như khi lỗi lưới được loại bỏ, để tránh hiện tượng mất điều khiển dòng và quá dòng lớn, hạn chế tới mức tối đa sự tham gia của hệ thống crowbar hoặc stator switch. Xuất phát từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới điện áp quá độ cảm ứng trong mạch roto, để nâng cao được chất lượng hệ thống, các yêu cầu cụ thể được đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát.
3.1. Kỹ Thuật Vòng Kín Điều Khiển để Tối Ưu Hóa
Điều khiển phân ly (tách kênh) công suất hữu công (thông qua mô men) và công suất vô công (thông qua hệ số công suất cos) phát lên lưới thông qua MĐKĐBGTDQ. Ổn định đối với dao động của điện áp lưới. Ổn định đối với dao động của từ thông khi lỗi lưới. Ổn định đối với dao động, thay đổi của tốc độ máy phát ở chế độ bình thường và lỗi lưới.
3.2. Ưu Điểm của Điều Khiển Mô Hình Nội
Những yếu tố này được đề cập đến trong bộ điều khiển phía máy phát dưới dạng nhiễu sức phản điện động. Mục tiêu của đề tài là sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp, để bù sức phản điện động, giảm ảnh hưởng của nhiễu sức giảm điện động.
IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu Hệ Thống Điện Tử
Chương 4 trình bày kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển trong các chế độ vận hành khác nhau, bao gồm chế độ làm việc bình thường và chế độ có sự cố lưới điện. Các kết quả này chứng minh tính hiệu quả của phương pháp điều khiển được đề xuất trong việc nâng cao khả năng ổn định và hiệu suất của hệ thống phát điện sử dụng MĐKĐBGTDQ.
4.1. Đánh Giá Hiệu Suất Hệ Thống Điện Tử ở Tốc Độ Dưới Đồng Bộ
Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ dưới đồng bộ 10% (n=1350v/ph), công suất vô công Q có bước nhảy từ 0 lên 700 Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm.
4.2. Phân Tích Hiệu Suất Hệ Thống Điện Tử ở Tốc Độ Trên Đồng Bộ
Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ trên đồng bộ 10% (n=1650v/ph), công suất vô công Q có bước nhảy từ 0 lên 700 Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm.
4.3. Kết Quả Mô Phỏng Chế Độ Lỗi Lưới Ngắn Mạch Ba Pha Đối Xứng
Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ dưới đồng bộ 10% (n=1350v/ph). Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về 0Nm cuối cùng về-10Nm. Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var lên 1000 Var sau đó về 0 Var. Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về 0Nm cuối cùng về-10Nm. Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var lên 1000 Var sau đó về 0 Var.
V. Kết Luận và Triển Vọng về Điều Khiển Điện Tử Tương Lai
Luận văn đã trình bày một phương pháp điều khiển mô hình nội cho MĐKĐBGTDQ trong hệ thống phát điện sức gió. Phương pháp này cho phép nâng cao khả năng ổn định và hiệu suất của hệ thống, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của các sự cố lưới điện. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số điều khiển và mở rộng phương pháp này cho các hệ thống phát điện khác.
5.1. Hướng Phát Triển IoT trong Hệ Thống Điện Tử
Triển khai các giải pháp IoT để giám sát và điều khiển hệ thống điện tử từ xa, thu thập dữ liệu và phân tích để tối ưu hóa hiệu suất và bảo trì dự đoán.
5.2. Ứng Dụng Điều Khiển Mờ Fuzzy Logic và Thích Nghi
Nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ (fuzzy logic) và điều khiển thích nghi (adaptive control) để xử lý các tình huống phức tạp và không chắc chắn trong hệ thống.
