Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Điều Khiển Bền Vững Cho Mạch Vòng Dòng Điện Của Hệ Thống Phát Điện Sức Gió

• Tác giả: Nguyễn Văn Đoàn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Mai Hương
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Bền Vững Cho Hệ Thống Phát Điện Sức Gió
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái quát về năng lượng gió
• 1.2. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển
• 1.3. Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng Máy phát không đồng bộ nguồn kép
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG
• 2.1. Ma trận xác định dương. Bất đẳng thức ma trận tuyến tính
• 2.2. Phương trình và bất phương trình đại số Riccati. Bổ đề chặn biên
• 2.3. Bổ đề bù Schur
• 2.4. Biến đổi phân thức tuyến tính
• 2.5. Bài toán điều khiển 𝑯∞
• 2.6. Thiết kế bộ điều khiển 𝑯∞ cho các hệ thống tuyến tính
• 2.7. Bổ đề thực bị chặn
• 2.8. Điều khiển cận tối ưu 𝑯∞
• 2.9. Tổng hợp bộ điều khiển 𝑯∞
• 2.10. Phương pháp độ nhạy hỗn hợp 𝑯∞
• 2.11. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG CHO MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP
• 3.1. Mô hình toán học của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK)
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện rotor
• 3.3. Biểu diễn LFT với các tham số biến thiên 𝝎𝒎 và 𝝎𝒔
• 3.4. Cấu trúc của hệ thống điều khiển
• 3.5. Lựa chọn các hàm Weight
• 3.6. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
• 4.1. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÁC THAM SỐ CỦA DFIM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
• MỞ ĐẦU

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Bền Vững Hệ Thống Điện Gió

Năng lượng gió ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng sạch và tái tạo. Việc khai thác năng lượng gió một cách hiệu quả đòi hỏi các hệ thống điều khiển tiên tiến, đặc biệt là các hệ thống có khả năng điều khiển bền vững hệ thống điện gió. Bài viết này đi sâu vào nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển điện gió đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu suất cao trong các điều kiện khác nhau. Các số liệu thống kê cho thấy sự tăng trưởng vượt bậc của năng lượng gió, nhấn mạnh tầm quan trọng của các giải pháp điều khiển tiên tiến. Theo Hội đồng năng lượng gió toàn cầu, dung lượng của các hệ thống máy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94 GW vào năm 2008.

1.1. Lợi Ích của Điều Khiển Bền Vững Tuabin Gió Hiện Đại

Điều khiển bền vững mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho hệ thống điện gió. Nó giúp đảm bảo ổn định hệ thống điện gió, tối ưu hóa hiệu suất phát điện và kéo dài tuổi thọ của các thành phần. Hơn nữa, nó còn giúp giảm thiểu tác động của các yếu tố bên ngoài như sự thay đổi của tốc độ gió và điện áp lưới. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển thích nghi hệ thống điện gió và điều khiển dự báo hệ thống điện gió cho phép hệ thống phản ứng nhanh chóng với các biến động, đảm bảo hoạt động liên tục và tin cậy. Những lợi ích này làm cho điều khiển bền vững trở thành một yếu tố then chốt trong sự phát triển của ngành năng lượng gió.

1.2. Tại Sao Cần Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tối Ưu Điện Gió

Việc thiết kế bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống điện gió là vô cùng quan trọng để đạt được hiệu suất và độ tin cậy cao nhất. Một bộ điều khiển được thiết kế tốt sẽ giúp hệ thống hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt, giảm thiểu các tác động tiêu cực từ sự thay đổi của tốc độ gió và các nhiễu loạn khác. Các phương pháp điều khiển tối ưu hệ thống điện gió sử dụng các thuật toán tiên tiến để điều chỉnh các thông số hoạt động của tuabin gió, đảm bảo năng lượng được khai thác một cách hiệu quả nhất. Ngoài ra, một bộ điều khiển tối ưu còn giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ của hệ thống.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Bộ Điều Khiển Điện Gió Bền Vững

Thiết kế bộ điều khiển bền vững tuabin gió đối mặt với nhiều thách thức lớn. Hệ thống phát điện sức gió thường phải hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, với tốc độ gió thay đổi liên tục và các nhiễu loạn từ lưới điện. Điều này đòi hỏi bộ điều khiển phải có khả năng thích ứng cao và duy trì hiệu suất ổn định. Bên cạnh đó, mô hình toán học của tuabin gió thường phức tạp và phi tuyến, gây khó khăn cho việc thiết kế các thuật toán điều khiển. Yếu tố tin cậy hệ thống điện gió cũng là một thách thức quan trọng, đòi hỏi bộ điều khiển phải có khả năng phát hiện và khắc phục các sự cố một cách nhanh chóng và hiệu quả.

2.1. Ảnh Hưởng Của Thay Đổi Tốc Độ Gió Đến Độ Ổn Định

Sự thay đổi liên tục của tốc độ gió gây ra những ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định của hệ thống điện gió. Khi tốc độ gió tăng hoặc giảm đột ngột, tuabin gió phải nhanh chóng điều chỉnh các thông số hoạt động để duy trì sản lượng điện ổn định. Nếu bộ điều khiển không phản ứng kịp thời, hệ thống có thể bị mất ổn định, dẫn đến giảm hiệu suất hoặc thậm chí là hư hỏng. Do đó, các thuật toán điều khiển phải được thiết kế để có khả năng ổn định hệ thống điện gió trước các biến động của tốc độ gió, đồng thời tối ưu hóa việc khai thác năng lượng.

2.2. Vấn Đề Nhiễu Điện Áp Lưới và Giải Pháp Khắc Phục

Nhiễu điện áp lưới là một vấn đề phổ biến trong các hệ thống điện gió, đặc biệt là khi chúng được tích hợp vào lưới điện quốc gia. Các nhiễu này có thể gây ra sự dao động điện áp và tần số, ảnh hưởng đến hoạt động của tuabin gió và các thiết bị khác trong lưới. Để khắc phục vấn đề này, các bộ điều khiển phải được thiết kế để có khả năng lọc nhiễu và duy trì điện áp ổn định. Các giải pháp như sử dụng bộ lọc tích cực và điều khiển công suất phản kháng có thể giúp giảm thiểu tác động của nhiễu điện áp lưới, đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống.

2.3. Thách Thức Trong Mô Hình Hóa Hệ Thống Điện Gió

Mô hình hóa hệ thống điện gió là một thách thức lớn do tính phức tạp và phi tuyến của các thành phần. Để xây dựng một mô hình chính xác, cần phải xem xét nhiều yếu tố như đặc tính khí động học của cánh tuabin, động cơ điện và hệ thống truyền động. Các mô hình đơn giản thường không đủ để mô tả đầy đủ hành vi của hệ thống trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Do đó, các phương pháp mô hình hóa tiên tiến như sử dụng mạng nơ-ron và các kỹ thuật học máy đang được áp dụng để cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của mô hình.

III. Phương Pháp Điều Khiển Bền Vững H Cho Hệ Thống Điện Gió

Phương pháp điều khiển H∞ là một trong những phương pháp hiệu quả để thiết kế bộ điều khiển bền vững cho hệ thống điện gió. H∞ tập trung vào việc giảm thiểu ảnh hưởng của các nhiễu loạn và bất định tham số lên hiệu suất của hệ thống. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa mạnh mẽ, H∞ có thể tìm ra bộ điều khiển tối ưu, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu hiệu suất trong các điều kiện khác nhau. Việc áp dụng H∞ cho phép hệ thống điện gió duy trì khả năng phục hồi hệ thống điện gió và độ tin cậy cao, ngay cả khi có sự thay đổi lớn trong môi trường hoạt động.

3.1. Nguyên Lý Cơ Bản Của Điều Khiển H Trong Điện Gió

Nguyên lý cơ bản của điều khiển H∞ là tìm kiếm một bộ điều khiển sao cho chuẩn H∞ của hàm truyền đạt từ nhiễu đến đầu ra được giảm thiểu. Điều này có nghĩa là bộ điều khiển phải có khả năng giảm thiểu tác động của các nhiễu loạn và bất định tham số lên các biến đầu ra quan trọng của hệ thống. Trong hệ thống điện gió, các nhiễu loạn có thể bao gồm sự thay đổi của tốc độ gió, nhiễu điện áp lưới và các sai số trong mô hình. Mục tiêu của điều khiển H∞ là đảm bảo hệ thống vẫn hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu hiệu suất ngay cả khi có những nhiễu loạn này.

3.2. Cách Thiết Kế Bộ Điều Khiển H Cho Tuabin Gió Hiệu Quả

Việc thiết kế bộ điều khiển H∞ cho tuabin gió đòi hỏi một quy trình chặt chẽ và kỹ lưỡng. Đầu tiên, cần xây dựng một mô hình toán học chính xác của hệ thống, bao gồm cả các yếu tố phi tuyến và bất định tham số. Tiếp theo, cần xác định các hàm trọng số để chỉ định mức độ quan trọng của các tiêu chí hiệu suất và độ ổn định. Sau đó, sử dụng các công cụ tối ưu hóa để tìm ra bộ điều khiển H∞ thỏa mãn các yêu cầu đặt ra. Cuối cùng, cần kiểm tra và đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển trên các mô phỏng và thử nghiệm thực tế để đảm bảo nó hoạt động tốt trong các điều kiện khác nhau.

3.3. Ưu Điểm Của Điều Khiển H So Với PID Truyền Thống

Điều khiển H∞ có nhiều ưu điểm so với các phương pháp điều khiển PID hệ thống điện gió truyền thống. H∞ có khả năng xử lý tốt các yếu tố phi tuyến và bất định tham số, trong khi PID thường gặp khó khăn trong các điều kiện này. Hơn nữa, H∞ có thể đảm bảo độ ổn định và hiệu suất của hệ thống trong một phạm vi hoạt động rộng hơn, trong khi PID thường chỉ hoạt động tốt trong một phạm vi hẹp. Tuy nhiên, H∞ có thể phức tạp hơn và đòi hỏi nhiều kiến thức chuyên môn hơn so với PID.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Mô Phỏng và Kết Quả Nghiên Cứu Hệ Điện Gió

Để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển bền vững, các mô phỏng hệ thống điện gió và nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò quan trọng. Các mô phỏng cho phép kiểm tra hiệu suất của bộ điều khiển trong các điều kiện khác nhau và đánh giá tác động của các yếu tố như tốc độ gió và nhiễu điện áp lưới. Các nghiên cứu thực nghiệm cung cấp dữ liệu thực tế để xác nhận kết quả mô phỏng và đánh giá khả năng áp dụng của các phương pháp điều khiển trong thực tế. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các phương pháp điều khiển bền vững như H∞ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện gió.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng Điều Khiển H Trên Phần Mềm Matlab

Phần mềm Matlab là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng hệ thống điện gió và đánh giá hiệu suất của các bộ điều khiển. Các kết quả mô phỏng điều khiển H∞ trên Matlab cho thấy rằng bộ điều khiển có thể duy trì độ ổn định và hiệu suất cao trong các điều kiện khác nhau. Các biểu đồ và đồ thị cho thấy rằng bộ điều khiển có thể giảm thiểu tác động của các nhiễu loạn và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Các kết quả này cung cấp bằng chứng mạnh mẽ về tính hiệu quả của phương pháp điều khiển H∞.

4.2. So Sánh Hiệu Suất Giữa Các Thuật Toán Điều Khiển Điện Gió

Việc so sánh hiệu suất giữa các thuật toán điều khiển điện gió là rất quan trọng để lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho từng ứng dụng. Các thuật toán như PID, điều khiển mờ và điều khiển H∞ có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong các điều kiện hoạt động ổn định, PID có thể hoạt động tốt. Tuy nhiên, trong các điều kiện khắc nghiệt, điều khiển mờ và điều khiển H∞ có thể mang lại hiệu suất cao hơn. Việc so sánh hiệu suất giữa các thuật toán cho phép các nhà thiết kế lựa chọn phương pháp phù hợp nhất để đáp ứng yêu cầu hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

4.3. Phân Tích Độ Ổn Định Của Hệ Thống Điều Khiển Điện Gió

Phân tích ổn định hệ thống điện gió là một bước quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả. Các phương pháp phân tích ổn định như sử dụng tiêu chí Routh-Hurwitz và tiêu chí Nyquist có thể giúp xác định xem hệ thống có ổn định hay không. Nếu hệ thống không ổn định, cần phải điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển để cải thiện độ ổn định. Các phân tích ổn định cung cấp thông tin quan trọng để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động an toàn và hiệu quả trong các điều kiện khác nhau.

V. Triển Vọng Tương Lai Hướng Nghiên Cứu Điều Khiển Điện Gió

Tương lai của điều khiển bền vững hệ thống điện gió hứa hẹn nhiều tiềm năng phát triển. Các hướng nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, có khả năng thích ứng tốt hơn với các điều kiện hoạt động thay đổi. Các kỹ thuật học máy và trí tuệ nhân tạo đang được áp dụng để xây dựng các bộ điều khiển thông minh, có khả năng tự học và tự điều chỉnh. Ngoài ra, các nghiên cứu cũng tập trung vào việc tích hợp hệ thống điện gió vào lưới điện quốc gia một cách hiệu quả và ổn định.

5.1. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo Trong Điều Khiển Tuabin Gió

Trí tuệ nhân tạo (AI) đang mở ra những cơ hội mới trong điều khiển tuabin gió. Các thuật toán học máy như mạng nơ-ron và học sâu có thể được sử dụng để xây dựng các bộ điều khiển thông minh, có khả năng tự học và tự điều chỉnh. Các bộ điều khiển này có thể thích ứng tốt hơn với các điều kiện hoạt động thay đổi và cải thiện hiệu suất của hệ thống. AI cũng có thể được sử dụng để dự đoán các sự cố và thực hiện bảo trì phòng ngừa, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và chi phí bảo trì.

5.2. Tích Hợp Hệ Thống Lưu Trữ Năng Lượng Cho Điện Gió

Tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) cho điện gió là một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề tính không ổn định của nguồn năng lượng gió. ESS có thể lưu trữ năng lượng khi sản lượng điện gió vượt quá nhu cầu và cung cấp năng lượng khi sản lượng điện gió giảm. Điều này giúp ổn định lưới điện và cải thiện độ tin cậy của hệ thống. Các công nghệ lưu trữ năng lượng như pin lithium-ion, pin flow và hệ thống lưu trữ năng lượng thủy điện đang được nghiên cứu và phát triển để tích hợp vào hệ thống điện gió.

5.3. Phát Triển Các Phương Pháp Điều Khiển Lai Ghép

Điều khiển lai hệ thống điện gió là một hướng phát triển đầy hứa hẹn, kết hợp các ưu điểm của các phương pháp điều khiển khác nhau để đạt được hiệu suất tối ưu. Ví dụ, một hệ thống điều khiển lai có thể kết hợp PID với điều khiển mờ hoặc điều khiển H∞ để cải thiện độ ổn định và hiệu suất. Các phương pháp điều khiển lai đòi hỏi kiến thức chuyên môn sâu rộng và kỹ năng thiết kế hệ thống phức tạp, nhưng có thể mang lại những cải tiến đáng kể cho hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện gió.

VI. Kết Luận và Đề Xuất Cho Nghiên Cứu Điều Khiển Điện Gió

Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển điện gió bền vững là một lĩnh vực quan trọng, đóng góp vào sự phát triển của ngành năng lượng gió. Các phương pháp điều khiển tiên tiến như H∞, điều khiển mờ và các kỹ thuật học máy đang được áp dụng để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện gió. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn, có khả năng thích ứng tốt hơn với các điều kiện hoạt động thay đổi và tích hợp hiệu quả hệ thống điện gió vào lưới điện quốc gia.

6.1. Tóm Tắt Các Điểm Chính Trong Nghiên Cứu Điều Khiển

Nghiên cứu về điều khiển bền vững đã chỉ ra rằng các phương pháp điều khiển tiên tiến như H∞ và điều khiển mờ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện gió. Các phương pháp này có khả năng xử lý tốt các yếu tố phi tuyến và bất định tham số, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt. Việc tích hợp các kỹ thuật học máy và trí tuệ nhân tạo cũng mở ra những cơ hội mới để xây dựng các bộ điều khiển thông minh, có khả năng tự học và tự điều chỉnh.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai bao gồm việc phát triển các thuật toán điều khiển lai ghép, tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng và ứng dụng trí tuệ nhân tạo để xây dựng các bộ điều khiển thông minh. Nghiên cứu cũng nên tập trung vào việc giải quyết các thách thức liên quan đến tích hợp hệ thống điện gió vào lưới điện quốc gia, đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của lưới điện. Ngoài ra, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và nhà điều hành để thúc đẩy sự phát triển của ngành năng lượng gió.

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo được khai thác rộng rãi trên thế giới và tại Việt Nam, với dung lượng hệ thống máy phát điện sức gió toàn cầu đạt khoảng 94 GW tính đến năm 2008. Tại Liên minh châu Âu, dung lượng này tăng trưởng 18% trong năm 2007, đạt 56 GW, trong khi tại Mỹ, công suất tăng từ khoảng 1.800 MW năm 1990 lên hơn 16 GW. Trong các hệ thống phát điện sức gió hiện đại, máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK) được sử dụng phổ biến do ưu điểm về kích thước và chi phí hệ thống điều khiển nhỏ hơn so với các loại máy phát khác.

Tuy nhiên, mô hình MPKĐBNK là phi tuyến và đa biến (MIMO), gây khó khăn trong việc thiết kế bộ điều khiển ổn định và hiệu quả. Đặc biệt, tốc độ góc cơ của rotor và tần số góc của điện áp lưới biến đổi theo thời gian, làm cho mô hình trở thành hệ thống không dừng với các tham số bất định. Do đó, nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện của hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió là cần thiết nhằm đảm bảo sự ổn định và chất lượng điều khiển trong toàn bộ dải biến thiên của các tham số.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển bộ điều khiển bền vững đa biến, không sử dụng bộ bù, có khả năng kháng nhiễu và duy trì ổn định khi tham số hệ thống thay đổi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lý thuyết điều khiển bền vững trong không gian trạng thái, áp dụng cho máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, với kiểm nghiệm qua mô phỏng trên phần mềm Matlab và Simulink. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống phát điện sức gió, góp phần phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển hiện đại, bao gồm:

• Điều khiển bền vững 𝐻∞ (H-infinity control): Phương pháp thiết kế bộ điều khiển nhằm tối thiểu hóa chuẩn 𝐻∞ của hàm truyền hệ thống kín, đảm bảo ổn định và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và bất định trong hệ thống đa biến.
• Biến đổi phân thức tuyến tính (Linear Fractional Transformation - LFT): Kỹ thuật biểu diễn các tham số biến đổi và bất định trong mô hình hệ thống, giúp phân tích và thiết kế bộ điều khiển bền vững.
• Bất đẳng thức ma trận tuyến tính (Linear Matrix Inequality - LMI): Công cụ toán học để giải các bài toán tối ưu hóa trong thiết kế bộ điều khiển 𝐻∞, cho phép tìm bộ điều khiển thỏa mãn các ràng buộc ổn định và chất lượng.
• Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK): Mô hình đa biến, tuyến tính hóa với tham số biến đổi tốc độ góc rotor và tần số góc lưới, được biểu diễn trong không gian trạng thái với các ma trận phụ thuộc affine vào tham số biến đổi.

Các khái niệm chính bao gồm: chuẩn 𝐻∞, hàm truyền hệ thống, ma trận xác định dương, bổ đề thực bị chặn (bounded real lemma), và cấu trúc điều khiển phản hồi tổng quát.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng:

• Nguồn dữ liệu: Mô hình toán học của MPKĐBNK với các tham số kỹ thuật cụ thể, dữ liệu tham khảo từ các tài liệu chuyên ngành và các thông số thực tế của hệ thống máy phát điện sức gió.
• Phương pháp phân tích: Áp dụng lý thuyết điều khiển bền vững 𝐻∞, sử dụng biến đổi LFT để biểu diễn tham số biến đổi, giải bài toán thiết kế bộ điều khiển qua các bất đẳng thức ma trận tuyến tính (LMI) bằng phần mềm Matlab.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa (3 tháng), thiết kế bộ điều khiển và tối ưu hóa (4 tháng), mô phỏng và đánh giá kết quả (3 tháng), hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Quá trình nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng bộ điều khiển bền vững cho mạch vòng dòng điện rotor của MPKĐBNK, đảm bảo ổn định trong dải biến thiên ±30% tốc độ góc rotor và ±10% tần số góc lưới.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế bộ điều khiển 𝐻∞ bền vững cho MPKĐBNK: Bộ điều khiển được tổng hợp dựa trên mô hình LFT với tham số biến đổi tốc độ góc rotor và tần số góc lưới, đảm bảo chuẩn 𝐻∞ của hệ thống kín nhỏ hơn giá trị cho trước 𝛾, duy trì ổn định trong toàn bộ dải biến thiên tham số.

2. Đáp ứng tần số và thời gian của hệ thống: Mô phỏng cho thấy dải thông của các kênh điều khiển dòng điện rotor đạt khoảng 10^6 rad/s, đáp ứng nhanh với tín hiệu đặt. Độ quá điều chỉnh không vượt quá 10%, đáp ứng yêu cầu chất lượng điều khiển.

3. Tương tác chéo giữa các kênh dòng điện rotor: Biên độ tương tác chéo giữa các thành phần dòng điện d và q nhỏ hơn −15 dB, cho thấy bộ điều khiển có khả năng phân ly tốt các kênh, giảm thiểu ảnh hưởng lẫn nhau, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả điều khiển.

4. Khả năng kháng nhiễu và bất định: Bộ điều khiển duy trì hiệu suất ổn định khi tốc độ góc rotor thay đổi ±30% và tần số góc lưới thay đổi ±10%, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu điện áp lưới đến sai lệch điều khiển và đầu ra hệ thống.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng minh họa qua các biểu đồ đáp ứng tần số và đáp ứng thời gian cho thấy bộ điều khiển 𝐻∞ thiết kế có khả năng bám theo tín hiệu đặt nhanh và chính xác, đồng thời giảm thiểu tương tác chéo giữa các kênh dòng điện rotor. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về điều khiển bền vững trong hệ thống đa biến, tuy nhiên, luận văn đã mở rộng bằng cách xem xét tham số biến đổi thời gian thực của tốc độ góc rotor và tần số góc lưới, điều mà nhiều nghiên cứu trước chưa đề cập đầy đủ.

Việc sử dụng biến đổi LFT và giải bài toán LMI giúp thiết kế bộ điều khiển có tính ổn định cao và khả năng kháng nhiễu tốt, phù hợp với yêu cầu thực tế của hệ thống phát điện sức gió. Các hàm trọng số được lựa chọn kỹ càng để cân bằng giữa băng thông điều khiển và độ nhạy với nhiễu, đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Như vậy, nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp thiết kế bộ điều khiển bền vững 𝐻∞ cho MPKĐBNK, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành của hệ thống phát điện sức gió.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển 𝐻∞ trong hệ thống thực tế: Áp dụng bộ điều khiển đã thiết kế vào các hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK để kiểm nghiệm hiệu quả vận hành thực tế, với mục tiêu duy trì chuẩn 𝐻∞ dưới mức 𝛾 đã xác định trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị vận hành và bảo trì thực hiện.

2. Nâng cao khả năng thích ứng tham số: Phát triển thêm thuật toán điều khiển thích nghi kết hợp với bộ điều khiển bền vững để tự động điều chỉnh tham số khi có biến đổi lớn về tốc độ góc rotor và tần số góc lưới, nhằm cải thiện độ ổn định và hiệu suất trong dài hạn.

3. Mở rộng nghiên cứu cho các loại máy phát khác: Áp dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển bền vững 𝐻∞ cho các loại máy phát đồng bộ và không đồng bộ rotor lồng sóc, nhằm đa dạng hóa giải pháp điều khiển cho các hệ thống phát điện sức gió.

4. Phát triển phần mềm mô phỏng và công cụ hỗ trợ: Xây dựng bộ công cụ phần mềm tích hợp mô hình hóa, thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển bền vững 𝐻∞, giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu dễ dàng áp dụng và tùy chỉnh theo yêu cầu thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư điều khiển và tự động hóa trong ngành năng lượng tái tạo: Nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp điều khiển bền vững cho hệ thống máy phát điện sức gió, nâng cao hiệu quả và độ ổn định vận hành.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển: Tham khảo các lý thuyết điều khiển 𝐻∞, biến đổi LFT và LMI trong thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống đa biến có tham số biến đổi.

3. Các đơn vị vận hành và bảo trì hệ thống phát điện sức gió: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến hệ thống điều khiển, giảm thiểu sự cố và nâng cao chất lượng điện năng.

4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Học tập và phát triển các kỹ thuật điều khiển hiện đại, áp dụng vào các hệ thống thực tế có tính phức tạp cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển 𝐻∞ là gì và tại sao lại được sử dụng trong hệ thống máy phát điện sức gió?
   Bộ điều khiển 𝐻∞ là phương pháp thiết kế nhằm tối thiểu hóa chuẩn 𝐻∞ của hàm truyền hệ thống kín, giúp đảm bảo ổn định và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và bất định. Trong máy phát điện sức gió, nó giúp duy trì hiệu suất ổn định khi tham số hệ thống biến đổi.

2. Tại sao cần xem xét tham số biến đổi tốc độ góc rotor và tần số góc lưới?
   Vì trong thực tế, tốc độ góc rotor và tần số góc lưới không cố định mà thay đổi theo điều kiện vận hành và chất lượng lưới điện. Việc xem xét tham số biến đổi giúp thiết kế bộ điều khiển có khả năng thích ứng và bền vững hơn.

3. Phương pháp biến đổi phân thức tuyến tính (LFT) có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   LFT giúp biểu diễn các tham số biến đổi và bất định trong mô hình hệ thống dưới dạng ma trận, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích và thiết kế bộ điều khiển bền vững thông qua các bài toán LMI.

4. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển đã thiết kế?
   Hiệu quả được đánh giá qua các kết quả mô phỏng đáp ứng tần số và đáp ứng thời gian, chuẩn 𝐻∞ của hệ thống kín, mức độ tương tác chéo giữa các kênh dòng điện, và khả năng kháng nhiễu trong dải biến thiên tham số.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các hệ thống phát điện khác không?
   Có, phương pháp thiết kế bộ điều khiển bền vững 𝐻∞ và kỹ thuật biến đổi LFT có thể mở rộng áp dụng cho các loại máy phát điện khác và các hệ thống điều khiển đa biến có tham số biến đổi.

Kết luận

• Nghiên cứu đã phát triển thành công bộ điều khiển bền vững 𝐻∞ cho mạch vòng dòng điện rotor của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, đảm bảo ổn định trong dải biến thiên tham số tốc độ góc rotor ±30% và tần số góc lưới ±10%.
• Mô hình toán học và biểu diễn LFT cho phép xử lý hiệu quả các tham số biến đổi và bất định trong hệ thống đa biến.
• Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển đáp ứng nhanh, độ quá điều chỉnh thấp, và tương tác chéo giữa các kênh dòng điện rotor được giảm thiểu đáng kể.
• Phương pháp thiết kế sử dụng các bất đẳng thức ma trận tuyến tính (LMI) và phần mềm Matlab giúp tối ưu hóa bộ điều khiển với các ràng buộc ổn định và chất lượng.
• Đề xuất triển khai thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các hệ thống phát điện khác nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống năng lượng tái tạo.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điều khiển và năng lượng tái tạo tiếp tục phát triển và ứng dụng các phương pháp điều khiển bền vững để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất và ổn định của hệ thống phát điện sức gió.