Điều khiển máy điện DN bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện chạy sức gió với bộ điều khiển dòng thích nghi bền vững trên cơ sở kỹ thuật Backstepping

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 
 115
ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN DN BỘ NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN 
CHẠY SỨC GIÓ VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG THÍCH NGHI BỀN VỮNG 
TRÊN CƠ SỞ KỸ THUẬT BACKSTEPPING 
 Cao Xuân Tuyển (Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp – ĐH Thái Nguyên) - 
 Nguyễn Phùng Quang (Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) 
1.Giới thiệu hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) sử dụng máy dị bộ nguồn kép(DFIM) 
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thốngPĐSG sử dụng DFIM 
Hình 1.1 mô tả khái quát cấu trúc một hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng DFIM. Hệ thống 
trên bao gồm một DFIM có cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới điện ba pha. Cuộn dây 
phía rotor được nối với hệ thống biến tần (dùng van bán dẫn) có khả năng điều khiển dòng năng 
lượng đi theo hai chiều. Các van bán dẫn được điều khiển đóng mở theo nguyên lý điều chế 
vector không gian (ĐCVTKG) do bộ sử lý tín hiệu số DSP đảm nhiệm. 
2. Các hiện tượng xảy ra khi lỗi lưới ngắn mạch ba pha 
Khi sập lưới đối xứng từ giá trị U1 xuống U2, xuất hiện thành phần từ thông quá độ dao động, 
thành phần này cảm ứng ra điện áp rotor quá độ có biên độ tỉ lệ với hiệu số (U1-U2) và (1-s), mà 
hệ số trượt s nhỏ nên biên độ điện áp rotor quá độ sẽ có giá trị lớn có thể bộ biến đổi bị mất điều 
khiển và xuất hiện quá dòng mạch rotor lớn. 
Khi sập lưới do dòng rotor, từ thông stator dao động làm mô men điện của máy phát dao động theo. Do 
mô men cơ trên trục máy phát thay đổi chậm hơn, nên tốc độ rotor và do đó tần số góc mạch rotor 
rω cũng dao động khi sập lưới, dẫn tới hệ số trượt s thay đổi và điện áp cảm ứng trong mạch rotor dao 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 
 116
động theo, nếu biên độ dao động của điện áp rotor quá lớn vượt quá khả năng của bộ biến đổi, sẽ gây 
nên hiện tượng dòng rotor bị mất điều khiển trong thời gian ngắn và xuất hiện hiện tượng quá dòng lớn. 
Trong chế độ sập lưới, nếu do ảnh hưởng của quá độ lưới như đóng cắt tải, mà điện áp lưới lại 
dao động nữa thì theo phân tích ở trên, khi đó ngoài biên độ điện áp lưới thay đổi, từ thông 
stator cũng dao động theo làm cảm ứng trong mạch rotor điện áp cũng dao động có biên độ lớn 
hơn bình thường, và nếu biên độ lớn vượt quá khả năng của bộ biến đổi, sẽ xảy ra hiện tượng 
mất điều khiển dòng rotor và hiện tượng quá dòng điện lớn ở mạch rotor. 
Từ các phân tích và nhận xét ở trên, để nâng cao chất lượng điều khiển, bộ điều khiển cần thiết 
phải xét tới các yếu tố dao động thay đổi như đã đề cập đến ở trên. 
Sự dao động của tần số góc mạch rotor, của từ thông stator, của điện áp stator và của tốc độ máy 
phát được kể đến thông qua các thành phần nhiễu dao động phi tuyến tương ứng 
sqsdsqsdr uu
~
,
~
,
~
,
~
,
~
,
~ ψψωω ′′ được cộng thêm vào các giá trị ở chế độ xác lập tương ứng như sau: 
sqsqsqsdsdsdsqsqsqsdsdsdrrr uuuuuu
~
ˆ;~ˆ;~ˆ;~ˆ;~ˆ;~ˆ +=+=′+′=′′+′=′+=+= ψψψψψψωωωωωω (2.1) 
Trong đó : 
- sqsdsqsdr uu ˆ,ˆ,ˆ,ˆ,ˆ,ˆ ψψωω ′′ : Là các giá trị thực đưa vào bộ điều khiển. 
- sqsdsqsdr uu
~
,
~
,
~
,
~
,
~
,
~ ψψωω ′′ : Là các nhiễu dao động phi tuyến. 
- sqsdsqsdr uu ,,,,, ψψωω ′′ : Là các giá trị ở chế độ xác lập. 
Để kể tới các dao động phi tuyến kể trên, ta áp dụng phương pháp ‘Adaptive backstepping’ 
trên cơ sở ổn định Lyapunov để thiết kế bộ điều khiển bền vững với sự cố sập lưới. 
3. Tổng hợp bộ điều khiển ‘adaptive backstepping’ cho thành phần ird 
Theo [2], ta có : 
1=rd rd r rq sd sq sdcu w ai i e b duω ψ ωψ′ ′+ − − + + (3.1) 
Thay các giá trị thực (2.1) vào, ta có: 
sdsdrqrsqsq
sqsdsqsdrqrrd
rd
pird
udeibb
bdubeiai
dt
di
zkdtzkcu
~~~~~~
~
*
1111
+′−−′+′+
+′++′+′−−++−−= ∫
ψωψωψω
ψωψωψω
 (3.2) 
Chọn hàm điều khiển Lyapunov là 21 1
1
2
zν = , ta có: 
]~~~~~~~[ 111111 ∫ +′−−′+′+′+−−= sdsdrqrsqsqsqpi udeibbbzkdtzkz ψωψωψωψωνɺ (3.3) 
Rõ ràng, ta thấy (3.3) không thoả mãn điều kiện 1 0ν <ɺ , và do đó bộ điều khiển không ổn định. 
Bây giờ ta chọn hàm điều khiển Lyapunov mới có kể đến các thành phần dao động phi tuyến như sau: 
51
2
41
2
31
2
21
2
11
2
01
2
1
*
1 2
)~(
2
)~(
2
)~(
2
)~~(
2
)~(
2
)~(
γγ
ψ
γ
ω
γ
ψω
γ
ψω
γ
ψω
νν sdsdrqrsqsqsq
ui
+
′
++
′
+
′
+
′
+= (3.4) 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 
 117
Trong đó: 01γ , 11γ , 21γ , 31γ , 41γ , 51γ - là các hằng số dương. 
Đạo hàm (3.4), ta được: 
dt
udu
dt
d
dt
idi
dt
d
dt
d
dt
d
sdsdsdsdrqrrqr
sqsqsqsqsqsq
)~()~()~()~()~()~(
)~~()~~()~()~()~()~(
514131
211101
1
*
1
γ
ψ
γ
ψω
γ
ω
ψω
γ
ψωψω
γ
ψωψω
γ
ψω
νν
+
′′
++
+
′′
+
′′
+
′′
+= ɺɺ
 (3.5) 
Thay (3.3) vào (3.5), ta được: 
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ]~)[~(1]~)[~(1
]~)[~(1]~~)[~~(1]
~)[~(1]~)[~(1
151
51
141
41
131
31
121
21
111
11
101
01
2
11
2
11
*
1
dzu
dt
d
uez
dt
d
zi
dt
dibz
dt
dbz
dt
dbz
dt
d
zkdtzk
sdsdsdsd
rqrrqrsqsq
sqsqsqsqpi
γ
γ
γψψ
γ
γωω
γ
γψωψω
γ
γ
ψωψω
γ
γψωψω
γ
ν
++−′′+
+−++′′++
+′′++′′+−−= ∫ɺ
 (3.6) 
Để *1 0ν <ɺ , thì: 
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) 151141131
121111101
~;~;~
;~~;~;~
dzu
dt
d
ez
dt
d
zi
dt
d
bz
dt
dbz
dt
dbz
dt
d
sdsdrqr
sqsqsq
γγψγω
γψωγψωγψω
−==′=
−=′−=′−=′
 (3.7) 
Từ (3.7), ta có: 
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )∫∫∫
∫∫∫
−==′=
−=′−=′−=′
dtdzudtezdtzi
dtbzdtbzdtbz
sdsdrqr
sqsqsq
151141131
121111101
~;~;~
;~~;~;~
γγψγω
γψωγψωγψω
 (3.8) 
Thay (3.8) vào (3.2), ta được bộ điều khiển thành phần ird bền vững như sau: 
dtzddtzedtzdtzbdtzb
dtzbdubeiai
dt
di
zkdtzkcu sdsqsdrqrrdrdpird
∫∫∫∫∫
∫∫
−−−−−
−−+′+′−−++−−=
1
2
511
2
411311
2
211
2
11
1
2
01
*
1111
γγγγγ
γψωψω
 (3.9) 
4. Tổng hợp bộ điều khiển ‘adaptive backstepping’ cho thành phần irq 
 Tổng hợp tương tự như bộ điều khiển “adaptive backstepping” cho thành phần ird, ta 
được bộ điều khiển thành phần irq bền vững với sự cố sập lưới như sau: 
dtzddtzedtzdtzbdtzb
dtzbdubeiai
dt
di
zkdtzkcu sqsdsqrdrrq
rq
pirq
∫∫∫∫∫
∫∫
−−−−−
−−+′−′−+++−−=
2
2
522
2
322422
2
222
2
12
2
2
02
*
2222
γγγγγ
γψωψω
 (4.1) 
5. Kết quả thí nghiệm 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 
 118
5.1 Thí nghiệm riêng với bộ điều khiển dòng, sập 50% điện áp lưới, kéo dài 8 chu kỳ, ird=1,5A; 
irq=-2,7A; n=1350 vòng/phút. 
Qua kết qu¶ thí nghiệm ở hình 5.1, rõ ràng ta thấy rằng khi sập lưới 50% thì tần số góc mạch 
rotor thay đổi và dao động, tuy nhiên với bộ điều chỉnh dòng thích nghi bền vững đã thiết kế, thì 
các giá trị thực của các thành phần dòng rotor vẫn bám tốt theo giá trị đặt của chúng. 
5.2 Sập lưới toàn hệ thống 50%, kéo dài 8 chu kỳ, ở tốc độ dưới tốc độ đồng bộ 30% (n=1050 
v/ph), khi sập lưới M* nhảy từ -10Nm về 0 Nm, Q*=700(không thay đổi). 
-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
UNpha
omegar
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-6
-4
-2
0
2
4
6
ird
ird*
irq
irq*
Hình 5.1 Điện áp lưới và tần số góc mạch rotor 
máy phát khi sập 50% điện áp lưới 
Hình 5.2 Đáp ứng dòng rotor máy phát khi thí 
nghiệm riêng với bộ điều chỉnh dòng 
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
P
Q
Q*
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
M
M*
Hình 5.3 Công suất tác dụng và công suất phản 
kháng của máy phát 
Hình 5.4 Mô men của máy phát 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 
 119
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
ird
ird*
Khi sập lưới toàn hệ thống 50%, với bộ điều khiển dòng thích nghi bền vững đã thiết kế, máy 
phát đã thực hiện bám lưới và thực hiện điều chỉnh giảm công suất tác dụng về không, duy trì 
phát công suất phản kháng lên lưới để hỗ trợ lưới về điện áp, tránh nguy cơ tan rã hệ thống lưới 
điện. Các kết quả thực nghiệm cho thấy, các giá trị thực của mô men, công suất và dòng điện đã 
bám tốt theo giá trị đặt của chúng, điều đó khẳng định chất lượng của bộ điều chỉnh dòng đã 
thiết kế. Các nhận xét cũng tương tự khi thí nghiệm ở tốc độ trên đồng bộ. 
6. Kết luận 
Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ với bộ điều chỉnh dòng thích nghi bền vững được thiết kế tổng 
hợp trên cơ sở kỹ thuật Backstepping, với việc đề cập tới các hiện tượng dao động phi tuyến khi 
lỗi lưới đã giải quyết tốt được các vấn đề đặt ra, đó là: Khi sập lưới, máy phát đã thực hiện được 
vấn đề bám lưới, cung cấp công suất vô công hỗ trợ lưới trụ vững qua giai đoạn sự cố, đồng thời 
bộ điều khiển đã làm việc tốt ở tốc độ trên và dưới đồng bộ 
 
TÓM TẮT 
Với yêu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng, nên qui định các máy phát điện chạy sức 
gió kết nối với lưới điện, nhất là lưới điện kiểu “wind farm” phải có khả năng bám lưới khi có 
sự cố lỗi lưới, đồng thời phải cung cấp dòng công suất vô công lên lưới để hỗ trợ lưới về điện 
áp, tránh gây tan rã toàn hệ thống lưới điện. Với bộ điều khiển dòng thích nghi bền vững được 
thiết kế tổng hợp trên cơ sở kỹ thuật Backstepping đã giải quyết được các yêu cầu đặt ra ở trên 
khi sập lưới đến 50%. Kết quả đã được kiểm nghiệm trên hệ thống thí nghiệm thực ở Viện Kỹ 
thuật điện, đại học Dresden, Cộng hòa liên bang Đức. 
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
irq
irq*
Hình 5.5 Đáp ứng thành phần dòng rotor ird 
của máy phát 
Hình 5.6 Đáp ứng thành phần dòng rotor irq 
của máy phát 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 
 120
 SUMMARY 
THE CONTROL OF DOUBLY-FED INDUCTION GENERATOR IN WIND POWER PLANT 
WITH THE BACKSTEPPING TECHNIQUE BASED ROBUST ADAPTIVE CURRENT 
CONTROLLER 
With the increasing requirements of quality of electrical network, now Grid codes determine that 
wind turbine connected to the network, especially for wind farm, must have to be disconnect to the 
grid during three phase voltage dips, and must have to be able to support the voltage of the grid 
during and immediately following the grid fault by supplying reactive power to the network, that 
remains the stability of the network . The control of DFIM with Backstepping technique based 
robust adaptive current controller, has solved the above problem when the voltage sags to the 50% 
. The results have been verified on experiment system based on the dSpace Multi Processors 
ALPHA-COMBO system at Institute of Electrical Technique, TU Dresden, Germany. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Cao Xuân Tuyển; Nguyễn Phùng Quang (2005), Các thuật toán phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật 
Backstepping điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện chạy sức gió. The 6th 
Vietnam Conference on Automation (6th VICA), Proc., pp.545 – 550. 
[2]. Cao Xuân Tuyển; Nguyễn Phùng Quang (2007), Vấn đề khử sai lệch tĩnh và các kết quả 
thực nghiệm về áp dụng các thuật toán phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật Backstepping điều khiển máy điện dị 
bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện chạy sức gió, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học 
kỹ thuật (số 59), Hà nội. 
[3]. Quang, Ng.Ph.(1998), Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát 
điện chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh bảo đảm phân ly giữa mômen và hệ số công suất. The 
3rdVietnam Conference on Automation (3rd VICA), Proc., pp. 413 – 437. 
[4]. Krstíc, M.; Kanellakopoulos, I.; Kokotovíc, P.(1995), Nonlinear and Adaptive Control 
Design. John Wiley & Sons. 
[5]. Kokotovic, P.; Arcak, M.(2000), Constructive Nonlinear Control: A Historical Perspective. 
Center for Control Engineering and Computation, Universty of California.