MỞ ĐẦU Với tình hình tranh chấp chủ quyền trên biển đang ngày một phức tạp và căng thẳng nhƣ hiện nay, vấn đề biển đảo ngày càng đƣợc Đảng và Nhà nƣớc quan tâm. Một trong những mục tiêu quan trọng nhất là phải tạo ra điều kiện thuận lợi để các chiến sĩ và nhân dân kiên trì bám biển, bảo vệ chủ quyền thiêng liêng của Tổ quốc. Trong đó, hệ thống điện đóng vai trò cực kỳ quan trọng, vì nó giúp ta duy trì thông tin liên lạc thông suốt với đất liền cũng nhƣ vận hành những trang thiết bị khác trên đảo. Hiện nay, với hải đảo, hệ thống điện năng chủ yếu đƣợc cung cấp từ các tổ hợp máy phát diesel (D-G).
Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu này lại có chi phí cao và không cơ động. Do đó, ngƣời ta đang dần chuyển sang các dạng năng lƣợng có sẵn khác nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, năng lƣợng sóng biển. Trong đó, năng lƣợng gió nổi lên là một giải pháp tiềm năng với chi phí đầu tƣ thiết bị thấp, công suất cao, phù hợp với điều kiện gió lớn ở hải đảo. Và trong thực tế cũng đã có ứng dụng năng lƣợng gió trong hệ thống điện ở hải đảo, cụ thể là dùng năng lƣợng tổ hợp máy phát diesel làm nền, còn năng lƣợng từ máy phát sức gió để bổ sung vào.
Tuy nhiên, do năng lƣợng gió có đặc điểm là không ổn định, nên để đảm bảo chất lƣợng điện năng, ngƣời ta phải sử dụng thêm một thiết bị kho điện (Battery Energy Storage System, BESS) bao gồm 2 tầng biến đổi DC-AC và DC-DC cho phép dòng điện chảy theo hai chiều, nối phần kho điện gồm các siêu tụ (Double- Layer Capacitor, DLC) với lƣới xoay chiều ba pha. BESS phải thực hiện đƣợc các chức năng sau: trao đổi công suất với lƣới, điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối, nâng cao chất lƣợng và tính ổn định của hệ thống. Để thực hiện yêu cầu này, đã có nhiều phƣơng pháp điều khiển đƣợc đƣa ra nhƣ điều khiển tuyến tính bằng bộ PI trên cơ sở mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Phƣơng pháp này tuy đơn giản nhƣng đem lại chất lƣợng điều khiển không cao, nhất là khi ở điểm làm việc khác.
Vì thế trong luận văn này, để tăng chất lƣợng điều khiển, em quyết định sử dụng 9 download by : skknchat@gmail.com phƣơng pháp điều khiển dự báo (Model-based Predictive Control, MPC) để thiết kế cấu trúc điều khiển cho đối tƣợng BESS. Luận văn này sẽ trình bày về vấn đề “Điều khiển dự báo thiết bị kho điện sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió ở chế độ độc lập”. Luận văn đƣợc trình bày với các phần chính nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về điều khiển dự báo: nghiên cứu tổng quan về điều khiển dự báo và các phƣơng pháp điều khiển dự báo. Chƣơng 2: Mô hình hóa thiết bị kho điện: giới thiệu cấu trúc của siêu tụ và mô hình hóa bộ biến đổi DC-AC và DC-DC khi ghép với lƣới điện.
Chƣơng 3: Thiết kế cấu trúc điều khiển dự báo: cho thiết bị kho điện sử dụng turbine gió dùng máy phát DFIG. Chƣơng 4: Mô phỏng kiểm chứng bằng MATLAB, Simulink, PLECS: kết quả mô phỏng thực hiện thuật toán điều khiển bộ biến đổi. Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên luận văn này không thể tránh khỏi có những sai sót. Tôi rất mong nhận đƣợc ý kiến đánh giá, đóng góp và phản hồi từ thầy cô cũng nhƣ những ngƣời quan tâm đến lĩnh vực này.
Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 9 năm 2016 Phí Trọng Huy 10 download by : skknchat@gmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 1.1 Khái niệm, sự hình thành và phát triển của MPC u khin d báo da theo mô hình (tên tiếng Anh: Model-based Predictive Control, viết tắt: MPC, hay còn đƣợc gọi với cái tên Receding Horizon Control) là một thuật ngữ để chỉ chung mt lp rt ru khi mô hình c c tín hiu khin bng vic t hàm mc tiêu ([1]-tr. Dựa vào định nghĩa trên, một hệ thống MPC có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng sơ đồ khối nhƣ Hình 1. Theo đó, cấu trúc chung của một bộ điều khiển dự báo gồm ba khối chính: mô hình dự báo, hàm mục tiêu và thuật toán tối ƣu để tìm nghiệm của bài toán tối thiểu hóa hàm mục tiêu đó. Các phƣơng pháp MPC cũng thƣờng đƣợc phân loại theo ba thành phần cơ bản này.
1 Cấu trúc chung của một hệ thống MPC Điều khiển dự báo là một trong số các phƣơng pháp điều khiển thu đƣợc nhiều thành công trong ứng dụng vào điều khiển các quá trình công nghiệp. Ra đời vào những năm 70 của thế kỷ trƣớc, dƣới dạng ban đầu chỉ là phƣơng pháp bổ sung cho việc tự chỉnh định thích nghi tham số bộ điều khiển công nghiệp PID, song điều khiển dự báo đã nhanh chóng cho thấy tính ƣu việt của nó so với các phƣơng pháp tự chỉnh thông thƣờng khác, chẳng hạn nhƣ phƣơng pháp cực tiểu tƣơng quan 11 download by : skknchat@gmail., nhất là khi áp dụng vào những quá trình công nghiệp có tính pha không cực tiểu [16]. Chính vì ƣu điểm trên của điều khiển dự báo mà phƣơng pháp điều khiển này đã đƣợc nghiên cứu, phát triển rất nhanh trong thời gian qua. Điểm qua ta có thể thấy chỉ trong một thời gian rất ngắn, ngay sau khi xuất hiện bộ điều khiển dự báo do các kỹ sƣ công ty dầu khí Shell giới thiệu năm 1977, đã có khá nhiều phiên bản khác nhau của điều khiển dự báo đƣợc ra đời, chẳng hạn nhƣ điều khiển dự báo thích nghi khoảng rộng (long range model predictive control LRPC) của De Keyser năm 1988, bộ điều khiển dự báo bền vững của Garcia năm 1989, điều khiển dự báo khoảng trƣợt với cực tiểu hóa hàm mục tiêu toàn phƣơng (receding horizon predictive control) của Scattolini và Clarke năm 1991, điều khiển dự báo khoảng rộng toàn phƣơng LRQP (long range quadratic progamming) của Sandoz năm 2000, điều khiển dự báo có ràng buộc (constrained predictive control) của Grim năm 2003, hay điều khiển dự báo nhiều chiều có ràng buộc cho tín hiệu đầu vào của Warren và Marlin năm 2006 .2 Thuật toán MPC Bộ điều khiển dự báo là bộ điều khiển số, làm việc theo chu kỳ lặp.
Độ lớn chu kỳ làm việc của bộ điều khiển số này đúng bằng chu kỳ trích mẫu các tín hiệu vào ra của đối tƣợng điều khiển (ĐTĐK), vì vậy, mặc dù đối tƣợng có bản chất liên tục, xây dựng mô hình dự báo (xây dựng từ mô hình toán mô tả ĐTĐK) phải là mô hình gián đoạn. Tại thời điểm trích mẫu thứ , từ các giá trị đầu vào và đầu ra y( k) của ĐTĐK, bộ điều khiển sẽ dựa vào mô hình dự báo để xác định tập hợp U (u ),k (u k1), , (u k )N các giá trị điều khiển tại các thời điểm trong một khoảng thời gian tƣơng lai N , sao cho với nó thì một hàm mục tiêu J (U ) đạt giá trị nhỏ nhất. Trong số N tín hiệu điều khiển tối ƣu tìm đƣợc, bộ điều khiển sẽ chỉ sử dụng phần tử đầu tiên là u (k) làm giá trị tín hiệu điều khiển đƣa đến ĐTĐK ở hiện 12 download by : skknchat@gmail. Đến thời điểm trích mẫu tiếp theo k1 , bộ điều khiển sử dụng các biến đo đƣợc mới, thực hiện lại công việc giải bài toán tối ƣu để có đƣợc tín hiệu điều khiển tối ƣu mới u( k1).
Với đặc điểm làm việc theo chu kỳ lặp này, khoảng thời gian dự báo N sẽ đƣợc dịch dần theo trục thời gian cùng với việc trích mẫu tín hiệu, điều này dẫn đến một tên gọi khác của MPC là u khin dch min d báo (receding horizon) (Hình 1. 3 Sử dụng một mô hình toán học để dự báo đầu ra của đối tƣợng/quá trình trong tƣơng lai y( t k| )t với k1. M, M đƣợc gọi là miền giới hạn dự báo (prediction horizon ). 13 download by : skknchat@gmail.com Chuỗi tín hiệu điều khiển tối ƣu {u(t),.,u(t+N )} đƣợc tính toán thông qua việc tối thiểu hóa một phiếm hàm mục tiêu.
Phiếm hàm này thƣờng có dạng một hàm bậc hai bao gồm bình phƣơng của sai lệch giữa tín hiệu đầu ra dự báo và quỹ đạo quy chiếu mong muốn cộng với bình phƣơng chuỗi biến thiên tín hiều điều khiển : M M J = d(k)[y(t ˆ + k) - w(t + k)] + 2 l(k)[Du(t + k - 1)] 2 (1.1) k=h1 k=1 Tín hiệu điều khiển u (t ) đƣợc đƣa tới đối tƣợng/quá trình trong khi các tín hiệu điều khiển còn lại trong chuỗi bị bỏ qua, bởi vì ở thời điểm lấy mẫu tiếp theo y( t1) đã biết và bƣớc 1 đƣợc lặp lại với giá trị mới này và toàn bộ các dữ liệu đƣợc cập nhật. Tất cả các phép tính toán của giải thuật tối ƣu đều phải đƣợc thực thi trong giới hạn thời gian là một chu kỳ trích mẫu, đây chính là nguyên nhân làm cho nhiều giải thuật MPC phức tạp chƣa thể ứng dụng thực tiễn thành công cho những hệ thống động học nhanh, là đối tƣợng chỉ cho phép lấy chu kỳ trích mẫu nhỏ. Về cơ bản, việc lựa chọn chu kỳ trích mẫu trong thuật toán MPC cần phải phù hợp với các yếu tố: Phù hp v ng hc cng: thời gian trích mẫu nói chung thƣ đƣợc chọn nhỏ hơn nhiều lần hằng số thời gian bé nhất của ĐTĐK, nhƣng việc chọn chu kỳ trích mẫu quá nhỏ so với động học của ĐTĐK sẽ gây nên sự lãng phí không cần thiết, và quan trọng hơn, tác động điều khiển trong mô hình gián đoạn (tỉ lệ với tích của chu kỳ trích mẫu và tín hiệu điều khiển tối ƣu tìm đƣợc) có thể sẽ nhỏ hơn cả sai số tính toán gây ra bởi phép đo biến trạng thái, giải thuật tối ƣu sẽ không còn hiệu lực. Phù hp vi kh u khin và m thut t: một vi điều khiển giá rẻ có tốc độ tính toán trung bình nói chung sẽ không phù hợp cho MPC trong một ứng dụng điều khiển hệ thống nhanh.
Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghệ bán dẫn đang cho 14 download by : skknchat@gmail.com ra đời các dòng μC, DSP tốc độ cao với giá thành ngày càng hạ, giúp cho MPC đang thực sự trở thành một trong những kỹ thuật điều khiển nâng cao rất đƣợc ƣa chuộng.