Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa (mã số: 62.16) của tác giả Nguyễn Trọng Thắng, được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông vận tải dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Tiến Ban và PGS.TS Nguyễn Thanh Hải (Hà Nội, 2014), tập trung giải quyết bài toán nâng cao hiệu quả vận hành của trạm phát điện đồng trục trên tàu thủy thông qua việc ứng dụng máy điện dị bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generator - DFIG).
Trong hành trình trên biển dưới điều kiện thời tiết ổn định, các động cơ chính (Main Engine - ME) lai chân vịt thường không khai thác hết 100% công suất thiết kế. Nhu cầu năng lượng điện phục vụ toàn bộ con tàu trong chế độ hành trình thông thường chỉ chiếm từ 5% đến 10% công suất của máy chính. Việc lắp đặt máy phát điện đồng trục để trích xuất một phần cơ năng dư thừa từ máy chính giúp giảm thời gian hoạt động của các tổ hợp diesel - máy phát độc lập, tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí vật tư phụ tùng và kéo dài tuổi thọ của trạm phát điện. Chi phí sản xuất một đơn vị điện năng bằng máy phát điện đồng trục chỉ bằng 50% so với chi phí khi sử dụng tổ hợp diesel - máy phát riêng biệt, với hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hệ thống đạt từ 81% đến 92%.
Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất của hệ thống phát điện đồng trục là sự thay đổi liên tục của tốc độ quay máy chính theo các tình huống điều động tàu, dẫn đến việc duy trì ổn định tần số và điện áp cấp lên lưới điện tàu thủy gặp nhiều khó khăn. Giải pháp sử dụng DFIG mang lại ưu thế là cuộn dây stator nối trực tiếp với lưới điện trong khi cuộn dây rotor nối với lưới qua bộ biến đổi điện tử công suất điều khiển hai chiều. Do bộ biến đổi đặt ở phía mạch rotor nên công suất định mức của thiết bị điều khiển chỉ chiếm khoảng 30% công suất phát của máy, giúp giảm kích thước và giá thành thiết bị so với các hệ thống biến đổi toàn phần ở stator. Dù vậy, cấu trúc điều khiển rotor DFIG truyền thống rất phức tạp, đòi hỏi các khâu tính toán chuyển đổi tọa độ lớn và khó thích nghi bền vững với đặc tính dao động của lưới điện "mềm" trên tàu thủy.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
- Đề xuất một cấu trúc điều khiển mới cho DFIG dựa trên kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor nhằm đơn giản hóa cấu trúc hệ thống, cách ly độc lập hai kênh điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng, nâng cao chất lượng bám lưới điện "mềm" khi tốc độ máy chính và điện áp lưới thay đổi.
- Khảo sát mối quan hệ giữa các thành phần dòng năng lượng và công suất qua máy phát để xác định tỷ số truyền tối ưu của hộp số cơ khí, đảm bảo hiệu suất chuyển đổi từ cơ năng sang điện năng đạt mức cao nhất.
- Thiết lập hệ thống điều khiển mờ - PID (Fuzzy-PID) và thuật toán phân chia công suất chịu tải giữa máy phát đồng trục và các tổ máy phát diesel trên tàu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Máy điện dị bộ nguồn kép (máy điện không đồng bộ rotor dây quấn cấp nguồn từ hai phía) làm việc ở chế độ máy phát điện đồng trục trên tàu thủy; cấu trúc mạch lực và thuật toán điều khiển rotor DFIG.
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát và thiết kế hệ thống phát điện đồng trục làm việc trong chế độ hòa song song với lưới điện "mềm" tàu thủy; đánh giá đáp ứng động học khi tốc độ lai của máy chính biến thiên và khi xảy ra sự cố sụt áp lưới hoặc đóng cắt phụ tải động cơ không đồng bộ 3 pha.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Hệ thống phát điện đồng trục được giới thiệu lần đầu vào năm 1982 và nhanh chóng được hãng chế tạo động cơ MAN B&W nghiên cứu, chuẩn hóa và áp dụng vào thực tiễn hàng hải quốc tế. Tại Việt Nam, hệ thống này đã được trang bị trên các tàu vận tải và công vụ như tàu container Diên Hồng, tàu nạo vét Thái Bình Dương, tàu dịch vụ dầu khí Vũng Tàu 01, Mỹ Đình, cũng như trên các dòng tàu đóng mới tại Công ty đóng tàu Bến Kiền (tàu Vinashin Orient 564 TEU), Tổng công ty đóng tàu Bạch Đằng và Tổng công ty đóng tàu Hạ Long (dòng tàu Vinashin 610 TEU).
Về mặt bố trí cơ khí để trích công suất từ máy chính, tài liệu kỹ thuật ghi nhận các phương án:
- Máy phát đồng trục là một phần của trục chân vịt: Rotor đặt trực tiếp trên trục giữa máy chính và chân vịt, kết cấu không hộp số nhưng khe hở không khí lớn do rung chấn lực xoắn và dải tần số thấp (15–20 Hz) khi tàu chạy chậm.
- Máy phát đặt đối diện chân vịt qua máy chính: Kết nối qua khớp nối mềm đàn hồi, giảm khe hở không khí nhưng chiếm không gian buồng máy.
- Máy phát truyền động qua hộp số cùng phía chân vịt: Phương án được sử dụng phổ biến nhất trong thực tế nhờ giá thành hợp lý và khả năng tiếp nhận công suất cơ học không bị giới hạn.
- Máy phát truyền động qua hộp số phía đối diện chân vịt: Cho phép ngắt ly hợp để bảo dưỡng khi máy chính đang hoạt động, song bị giới hạn về mức công suất truyền tải.
Về cấu trúc phần điện, quá trình phát triển đã trải qua các mô hình: hệ 3 máy điện (G-DC / M-DC / G3~), máy phát đồng bộ kết hợp chỉnh lưu và nghịch lưu độc lập, hệ ổn định tần số thông qua điều khiển tốc độ động cơ một chiều, hệ ổn định tần số dùng động cơ xoay chiều dị bộ, hệ biến tần tĩnh và hệ thống sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép DFIG.
Các hướng nghiên cứu điều khiển DFIG được luận án tổng hợp bao gồm:
- Cấu trúc Scherbius tĩnh: Do Arthur Scherbius đề xuất đầu thế kỷ 20, phát triển qua các dạng mạch Kramer tĩnh sử dụng bộ biến đổi nguồn dòng có mạch DC trung gian, hệ biến tần trực tiếp (Cycloconverter) và biến tần nguồn áp hai chiều đấu lưng (Back-to-back PWM Inverter) hoặc biến tần ma trận (Matrix Converters).
- Kỹ thuật điều khiển vector không gian: Được áp dụng cho DFIG dựa trên hệ tọa độ tựa theo từ thông stator hoặc tựa theo điện áp lưới. Các công trình tiêu biểu gồm: công trình nghiên cứu tổng quan của tác giả nước ngoài về khả năng tự điều chỉnh điện áp tựa từ thông stator; công trình giải quyết ổn định tần số bằng tuyến tính hóa chính xác với phản hồi trạng thái (tồn tại dao động quá độ lớn); công trình áp dụng nguyên lý tựa phẳng phi tuyến để xác định biến phẳng (công suất tác dụng, hệ số cosφ) kết hợp phản hồi feedforward (vẫn còn sóng hài bậc cao ở đầu ra); các nghiên cứu trong lĩnh vực điện gió áp dụng phương pháp phi tuyến cuốn chiếu (Backstepping), thụ động hóa Euler-Lagrange và Hamilton, hoặc các giải pháp khắc phục méo điện áp khi chịu tải phi tuyến và sự cố lưới không đối xứng.
- Điều khiển trực tiếp momen (DTC) và điều khiển trực tiếp công suất (DPC): Được hãng ABB thương mại hóa, điều khiển trực tiếp từ thông và công suất phản kháng/công suất tác dụng không qua các vòng điều khiển dòng điện trung gian.
- Cấu trúc DFIG không cảm biến (Sensorless): Sử dụng hệ thống quan sát thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS), phương pháp vòng hở so sánh dòng rotor ước lượng và đo đạc, mạch khóa pha (PLL) hoặc quan sát dựa trên mô hình momen và dòng điện rotor.
- Máy phát điện dị bộ nguồn kép không chổi than (BDFIG): Tích hợp hai máy điện DFIG trên cùng một khung vỏ máy, nối cứng trục cơ và đấu nối trực tiếp mạch rotor bên trong nhằm loại bỏ cổ góp và vành trượt, tuy nhiên hệ thống có kích thước cơ học lớn và tổn hao công suất rotor cao.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định:
Hầu hết các nghiên cứu DFIG hiện đại tập trung vào lĩnh vực năng lượng gió hòa vào lưới điện quốc gia (lưới "cứng"). Trong khi đó, hệ thống trạm phát điện tàu thủy vận hành trên lưới điện "mềm" có điện áp và tần số biến động mạnh, nguồn dẫn động là máy chính công suất rất lớn nên tốc độ quay của máy phát hoàn toàn không phụ thuộc vào tải điện mà phụ thuộc vào chế độ điều động tàu. Các giải pháp điều khiển vector kinh điển đòi hỏi cấu trúc tính toán phức tạp, dễ phát sinh sóng hài và suy giảm độ ổn định khi lưới dao động. Do đó, luận án tập trung giải quyết bài toán đơn giản hóa cấu trúc điều khiển DFIG hòa lưới tàu thủy thông qua kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor và tối ưu hóa hiệu suất truyền động của hộp số cơ khí.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học
Luận án xây dựng hệ thống phương trình vi phân mô tả DFIG trên cơ sở các giả thiết: mạch 3 pha đối xứng; bỏ qua hiện tượng bão hòa mạch từ, dòng điện xoáy Foucault và từ trễ; điện áp và dòng điện có dạng hình sin; hệ thống điện tàu thủy không sử dụng dây trung tính ($i_{s0} = 0$).
Hệ phương trình vi phân mô tả DFIG trên hệ tọa độ pha tự nhiên ($A, B, C$) được biểu diễn:
$$\begin{aligned}
[U_s] &= [R_s][I_s] + \frac{d}{dt}[\Psi_s] \
[U_r] &= [R_r][I_r] + \frac{d}{dt}[\Psi_r]
\end{aligned}$$
Trong đó, từ thông stator $[\Psi_s]$ và rotor $[\Psi_r]$ phụ thuộc vào các ma trận điện trở $[R_s], [R_r]$, điện cảm riêng $[L_{ss}], [L_{rr}]$ và hỗ cảm biến thiên theo góc quay rotor $[M_{sr}], [M_{rs}]$.
Thông qua các ma trận biến đổi Park và Clarke ($[A_{pt}]$ và $[A_{ptr}]$), hệ phương trình được chuyển sang hệ tọa độ vuông góc quay $dq$ với tốc độ góc bất kỳ $\omega_k$:
$$\begin{aligned}
u_{sd} &= R_s i_{sd} + p\Psi_{sd} - \omega_k \Psi_{sq} \
u_{sq} &= R_s i_{sq} + p\Psi_{sq} + \omega_k \Psi_{sd} \
u_{rd} &= R_r i_{rd} + p\Psi_{rd} - (\omega_k - \omega)\Psi_{rq} \
u_{rq} &= R_r i_{rq} + p\Psi_{rq} + (\omega_k - \omega)\Psi_{rd}
\end{aligned}$$
Phương trình momen điện từ của DFIG:
$$M = \frac{3}{2} M_{sr} (i_{rd} i_{sq} - i_{rq} i_{sd})$$
Phương trình chuyển động cơ học của hệ trục:
$$J \frac{d\omega}{dt} = M - M_0$$
Phương pháp nghiên cứu thực tế
- Phương pháp phân tích giải tích: Biến đổi hệ phương trình vi phân nhiều chiều sang miền vector không gian trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới; thiết lập cấu trúc mạch tạo tín hiệu rotor đồng dạng để phân ly kênh công suất tác dụng ($P$) và công suất phản kháng ($Q$).
- Phương pháp điều khiển thông minh: Thiết kế bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ (Fuzzy-PID) dựa trên bảng luật hợp thành mờ 2 chiều để tối ưu hóa đáp ứng của đối tượng phi tuyến.
- Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm MATLAB / Simulink để xây dựng mô hình toàn phần của hệ thống phát điện đồng trục DFIG, bao gồm khối nghịch lưu nguồn áp, mạch điều khiển dòng rotor theo phương pháp trễ (Hysteresis Current Control), khâu dịch pha 90 độ, khối chỉnh định $G_{ss}$ và mô hình phụ tải động cơ 3 pha.
Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu
Dữ liệu nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật thực tế của hệ thống máy phát đồng trục trên tàu biển, quy chuẩn kỹ thuật của Đăng kiểm tàu thủy, hệ thống dữ liệu thông số kiểm chứng của hai máy điện DFIG1 và DFIG2 cùng các kết quả công bố trên tạp chí chuyên ngành và kỷ yếu hội nghị IEEE-ICMA.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép và các công trình nghiên cứu liên quan
Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của trạm phát điện đồng trục trong việc tối ưu hóa chi phí năng lượng hàng hải. Tác giả phân tích chi tiết 6 phương án bố trí cơ khí trích công suất từ động cơ chính và 6 cấu trúc phần điện của trạm phát. Trên cơ sở so sánh các phương án, luận án khẳng định việc sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép DFIG kết hợp với phương thức truyền động qua hộp số cùng phía chân vịt mang lại hiệu quả vượt trội về mặt kỹ thuật và kinh tế.
Chương này cũng tổng hợp toàn diện các phương pháp điều khiển DFIG trong nước và quốc tế (Scherbius, điều khiển vector, DTC, DPC, sensorless và BDFIG), chỉ rõ các nhược điểm của việc áp dụng trực tiếp các mô hình điều khiển điện gió vào môi trường tàu thủy. Từ đó, tác giả xác định mục tiêu của luận án là nghiên cứu cấu trúc điều khiển mới dựa trên kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor nhằm đáp ứng lưới điện "mềm" và xác định tỷ số truyền hộp số tối ưu.
Chương 2: Đề xuất cấu trúc phát điện đồng trục sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor
Chương 2 tập trung thiết lập cơ sở toán học và cấu trúc nguyên lý của giải pháp đề xuất. Tác giả so sánh cấu trúc BDFIG (biến đổi công suất ở stator, không chổi than) với cấu trúc điều khiển DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor (bộ biến đổi công suất đặt ở mạch rotor).
Đối với hệ thống BDFIG, các trường hợp phối hợp số cặp cực ($q_1, q_2$) và cách đấu dây rotor được tổng hợp tại Bảng 2.1:
| Đấu nối rotor |
Điều kiện cực |
Tốc độ đồng bộ ($\omega_0$) |
Công suất $P_{s1}$ (pu) |
Công suất $P_{s2}$ (pu) |
Tổng công suất phát $P_g$ |
| Trùng pha |
$q_1 = q_2 = q$ |
$\frac{\omega_g}{q}$ |
Không sản xuất |
$1.0$ |
$P_{s2}$ |
| Trùng pha |
$q_1 \neq q_2$ |
$-\frac{\omega_g}{\Delta q}$ |
$\frac{q_1 \omega}{\omega_g}$ |
$\frac{q_2 \omega}{\omega_g}$ |
$P_{s1} + P_{s2}$ |
| Đảo pha |
$q_1 \neq q_2$ |
$\frac{\omega_g}{\sum q}$ |
$-\frac{q_1 \omega}{\omega_g}$ |
$\frac{q_2 \omega}{\omega_g}$ |
$P_{s2} - P_{s1}$ |
Tiếp đó, tác giả xây dựng mô hình toán học giải tích chi tiết cho hệ ghép nối DFIG1 và DFIG2 theo kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor trong hai trạng thái:
- Khi stator DFIG2 chưa hòa lưới: Mạch điều khiển tự động tạo tín hiệu dòng điện rotor $i_{rf0}$ sao cho điện áp cảm ứng trên stator DFIG2 bám sát điện áp lưới cả về biên độ, tần số và góc pha.
- Khi stator DFIG2 đã hòa lưới: Hệ thống cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng $P$ và công suất phản kháng $Q$ phát lên lưới mà không cần các khâu giải sai chéo phức tạp.
Cũng trong chương này, tác giả phân tích các dòng năng lượng ($P_{mech}, P_{stator}, P_{rotor}$) chạy qua máy phát và thiết lập công thức xác định tỷ số truyền của hộp số cơ khí nhằm tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi cơ - điện tại tốc độ hành trình danh định của máy chính.
Chương 3: Khảo sát bằng mô phỏng kiểm chứng tính đúng đắn của hệ thống đề xuất
Chương 3 triển khai xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB / Simulink để kiểm chứng lý thuyết đã thiết lập ở Chương 2. Các khối chức năng bao gồm: mạch phát xung PWM điều khiển dòng điện trễ (Hysteresis Band), khâu dịch pha 90 độ, khối điều chỉnh hệ số khuếch đại $G_{ss}$, khối đồng bộ hóa và mô hình toán của hai máy điện.
Các thông số vận hành của hai máy điện DFIG1 và DFIG2 được thiết lập trong mô phỏng (Bảng 3.1) phục vụ quá trình khảo nghiệm. Tác giả thực hiện hai nhóm kịch bản mô phỏng:
- Chế độ chưa hòa lưới: Kiểm tra tính năng tự bám áp khi tốc độ góc rotor $\omega$ thay đổi đột ngột và khi điện áp lưới bị sụt giảm. Kết quả cho thấy điện áp đầu ra của máy phát duy trì dạng sin chuẩn và bám sát điện áp lưới.
- Chế độ sau khi hòa lưới: Khảo sát các đáp ứng khi thay đổi tín hiệu đặt công suất tác dụng $G_P$ và công suất phản kháng $G_Q$, đáp ứng khi tốc độ máy chính dao động và khi lưới điện tàu thủy xảy ra sự cố sụt áp đối xứng. Kết quả khẳng định hai kênh $P$ và $Q$ được điều khiển độc lập, không gây dao động chéo.
Chương 4: Thiết lập hệ thống điều khiển máy phát dị bộ nguồn kép làm việc ở trạm phát đồng trục tầu thủy
Chương 4 hoàn thiện hệ thống điều khiển tự động bằng việc tích hợp bộ điều khiển PID chỉnh định mờ (Fuzzy-PID) để điều khiển vòng kín công suất phát của trạm phát đồng trục. Tác giả phân tích đặc tính động học của đối tượng khi thay đổi các thông số khuếch đại tỷ lệ ($K_P$), tích phân ($K_I$) và vi phân ($K_D$) như tổng hợp tại Bảng 4.1:
| Tham số thay đổi |
Thời gian tăng ($t_r$) |
Độ quá điều chỉnh ($\sigma%$) |
Thời gian xác lập ($t_s$) |
Sai số xác lập ($e_{xl}$) |
| Tăng $K_P$ |
Giảm |
Tăng |
Thay đổi ít |
Giảm |
| Tăng $K_I$ |
Giảm |
Tăng |
Tăng |
Triệt tiêu hoàn toàn |
| Tăng $K_D$ |
Thay đổi ít |
Giảm |
Giảm |
Thay đổi không đáng kể |
Cấu trúc bộ chỉnh định mờ sử dụng 2 biến đầu vào là sai lệch $e$ và vi phân sai lệch $de$, đầu ra là các giá trị hiệu chỉnh $\Delta K_P, \Delta K_I, \Delta K_D$. Bảng luật suy diễn mờ gồm 49 luật hợp thành (Bảng 4.2) với các tập mờ ngôn ngữ: Âm Lớn (NB), Âm Vừa (NM), Âm Nhỏ (NS), Không (ZE), Dương Nhỏ (PS), Dương Vừa (PM), Dương Lớn (PB).
Kết quả mô phỏng hệ kín trên MATLAB chứng minh:
- Bộ điều khiển Fuzzy-PID giúp triệt tiêu sóng hài bậc cao, giảm độ quá điều chỉnh và rút ngắn thời gian quá độ so với bộ điều khiển PID tuyến tính thông thường.
- Thuật toán phân chia công suất giữa máy phát đồng trục và tổ máy phát diesel hoạt động chính xác theo tỷ lệ cài đặt.
- Hệ thống duy trì tính ổn định cao và bám sát giá trị đặt khi phụ tải là động cơ không đồng bộ 3 pha công suất lớn khởi động và làm việc trực tiếp trên lưới điện tàu thủy.
Kết quả và những đóng góp mới
-
Đóng góp về mặt khoa học và lý luận:
- Đề xuất cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện đồng trục DFIG trên tàu thủy sử dụng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor. Đây là giải pháp kỹ thuật mới, cho phép phân ly và điều khiển độc lập hai kênh công suất tác dụng ($P$) và công suất phản kháng ($Q$) mà không cần thuật toán bù liên kết chéo phức tạp.
- Đơn giản hóa cấu trúc toán học và cấu trúc điều khiển của DFIG, loại bỏ bớt các khâu tính toán biến đổi tọa độ phức tạp, giảm thiểu sóng hài bậc cao trong tín hiệu đầu ra ở chế độ xác lập.
- Xây dựng phương pháp luận và công thức toán học xác định tỷ số truyền tối ưu của hộp số cơ khí kết nối giữa máy chính và DFIG, giúp hệ thống đạt hiệu suất chuyển đổi cơ - điện cực đại ứng với dải tốc độ hành trình của tàu.
-
Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng:
- Nâng cao khả năng bám lưới và độ bền vững của máy phát đồng trục khi vận hành song song với lưới điện "mềm" trên tàu thủy trong điều kiện tốc độ máy chính thay đổi và điện áp lưới trồi sụt.
- Ứng dụng thành công bộ điều khiển PID chỉnh định mờ (Fuzzy-PID), cải thiện chất lượng điện năng và nâng cao hiệu quả phân chia tải giữa trạm phát đồng trục và các tổ máy phát diesel.
- Đưa ra giải pháp kỹ thuật khả thi giúp giảm tiêu hao nhiên liệu (tiết kiệm 50% chi phí sản xuất một đơn vị điện năng so với chạy máy diesel riêng biệt), giảm thời gian vận hành của động cơ phụ, giảm tiếng ồn và giảm lượng khí thải môi trường trên các tàu biển hiện đại.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, Thiết bị điện tàu thủy, Khai thác máy tàu thủy và Năng lượng tái tạo. Phần mô hình hóa toán học DFIG (Chương 2) và phương pháp thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-PID cho đối tượng phi tuyến (Chương 4) cung cấp phương pháp luận chặt chẽ.
- Kỹ sư thiết kế và chuyên gia đóng tàu: Tại các viện nghiên cứu, công ty thiết kế hàng hải và nhà máy đóng tàu (như Bạch Đằng, Hạ Long, Bến Kiền). Phần phân tích hiệu suất dòng năng lượng và xác định tỷ số truyền hộp số cơ khí (Chương 2), cùng thuật toán hòa đồng bộ và phân chia tải lưới điện "mềm" (Chương 3 và Chương 4) có giá trị ứng dụng trực tiếp vào việc thiết kế trạm phát điện đồng trục tiết kiệm năng lượng trên các tàu biển thế hệ mới.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao máy phát điện đồng trục trên tàu thủy lại giúp tiết kiệm 50% chi phí sản xuất điện năng so với tổ máy phát diesel độc lập?
Do máy phát đồng trục trích xuất cơ năng dư thừa từ động cơ chính lai chân vịt (Main Engine). Động cơ chính là loại máy thấp tốc hoặc trung tốc sử dụng nhiên liệu dầu nặng (HFO/MFO) có giá thành thấp và hiệu suất nhiệt cao hơn nhiều so với các động cơ diesel phụ lai máy phát độc lập vốn sử dụng nhiên liệu dầu nhẹ (MGO/DO) đắt tiền. Ngoài ra, việc giảm thời gian hoạt động của máy phụ giúp tiết kiệm chi phí bảo dưỡng định kỳ và phụ tùng thay thế.
2. Điểm khác biệt cơ bản giữa việc điều khiển DFIG trong hệ thống phát điện gió và hệ thống phát điện đồng trục tàu thủy là gì?
Trong điện gió, nguồn dẫn động là phong năng biến thiên ngẫu nhiên, tốc độ máy phát phụ thuộc vào sức gió và momen cản của tải, mục tiêu điều khiển là tối đa hóa công suất trích xuất (MPPT) để hòa vào lưới điện "cứng" trên bờ. Ngược lại, trên tàu thủy, nguồn dẫn động là máy chính có công suất rất lớn nên tốc độ quay máy phát chỉ phụ thuộc vào chế độ điều động tàu mà không phụ thuộc vào tải điện; đồng thời, lưới điện tàu thủy là lưới "mềm" có điện áp và tần số biến động lớn, đòi hỏi thuật toán điều khiển phải bám áp bền vững và tập trung tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi cơ - điện.
3. Kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor do tác giả đề xuất mang lại lợi ích gì so với phương pháp điều khiển vector truyền thống?
Kỹ thuật này sử dụng cấu trúc ghép nối DFIG với mạch tạo tín hiệu rotor đặc thù, giúp cách ly và điều khiển độc lập hoàn toàn kênh công suất tác dụng ($P$) và kênh công suất phản kháng ($Q$). Nhờ đó, hệ thống loại bỏ được các khâu chuyển đổi tọa độ phức tạp và thuật toán bù giải sai chéo (cross-coupling), đơn giản hóa thuật toán xử lý, giảm giá thành thiết bị điều khiển và hạn chế triệt để sóng hài bậc cao ở đầu ra máy phát.
4. Bộ điều khiển Fuzzy-PID ở Chương 4 được thiết lập dựa trên nguyên lý nào để nâng cao chất lượng điều khiển?
Bộ điều khiển Fuzzy-PID sử dụng 2 biến đầu vào là sai lệch công suất $e$ và vi phân sai lệch $de$. Thông qua hệ thống 49 luật suy diễn mờ dạng "IF... THEN..." với 7 tập mờ (NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB), hệ thống tự động chỉnh định linh hoạt ba tham số $K_P, K_I, K_D$ của bộ PID theo từng trạng thái quá độ và xác lập của hệ thống, giúp giảm thời gian tăng, triệt tiêu độ quá điều chỉnh và loại bỏ sai số xác lập khi phụ tải thay đổi đột ngột.
5. Cấu trúc máy phát DFIG không chổi than (BDFIG) có ưu điểm và nhược điểm gì khi so sánh với DFIG đơn lẻ?
Ưu điểm của BDFIG là tích hợp hai máy điện trên cùng một vỏ và đấu nối trực tiếp cuộn dây rotor bên trong, loại bỏ hoàn toàn hệ thống vành trượt và chổi than nên độ tin cậy cơ học cao, chất lượng điện phát ra và khả năng bám lưới tốt. Tuy nhiên, nhược điểm của BDFIG là kích thước và trọng lượng cơ khí rất lớn, đồng thời tổn hao công suất trong mạch rotor cao hơn so với DFIG đơn lẻ.
Kết luận
Luận án của tác giả Nguyễn Trọng Thắng đã nghiên cứu toàn diện và giải quyết thành công bài toán nâng cao hiệu quả ứng dụng máy điện dị bộ nguồn kép DFIG cho hệ thống phát điện đồng trục trên tàu thủy. Bằng việc đề xuất cấu trúc điều khiển mới dựa trên kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor kết hợp bộ điều chỉnh Fuzzy-PID và thuật toán tối ưu hóa tỷ số truyền hộp số, công trình đã giải quyết được yêu cầu hòa đồng bộ và phân chia tải bền vững trên lưới điện "mềm". Các kết quả lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm MATLAB cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật phục vụ mục tiêu tiết kiệm năng lượng trong ngành công nghiệp đóng tàu và vận tải biển.
