Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam

BGDĐT PTNTĐH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Phịng thí nghiệm Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội Nghiên cứu, thiết kế chế tạo phát điện sức gió có cơng suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang Hà Nội, tháng 3/2007 Bản quyền thuộc PTNTĐH Đơn xin chép toàn phần tài liệu phải gửi đến Giám đốc PTNTĐH trừ trường hợp sử dụng với mc ớch nghiờn cu Bộ giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp nhà nớc Nghiên cứu thiết kế chế tạo phát điện sức gió có công suất 1030KW phù hợp với điều kiện việt nam M số KC 06.20CN Chủ nhiệm đề tài: gs, tskh ngun phïng quang 6700 24/12/2007 hµ néi - 2007 PTNTĐH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Phịng thí nghiệm Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội Nghiên cứu, thiết kế chế tạo phát điện sức gió có cơng suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang Hà Nội, tháng 3/2007 Bản thảo viết xong tháng 3/2007 Tài liệu chuẩn bị sở kết thực đề tài cấp Nhà nước, mã số KC.06.20CN Danh sách người thực Số TT Họ tên Cơ quan công tác PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang ThS Lê Anh Tuấn KS Phí Kim Phúc ThS Trương Xuân Hùng KS Chu Đình Đức KS Phạm Vũ Dương ThS Triệu Đức Long ThS Phạm Trung Kiên PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Bộ môn Điều khiển tự động, ĐHBK Hà Nội TS Đỗ Quốc Quang Viện Công nghệ, Bộ CN 10 TS Nguyễn Đình Kiên Viện Cơ học Việt Nam 11 ThS Đỗ Xuân Ngôi Học viện Kỹ thuật quân 12 KS Trần Xuân Thành Viện Công nghệ, Bộ CN 13 TS Bùi Đức Hùng 14 TS Phạm Anh Tuấn Bộ môn Thiết bị điện, ĐHBK Hà Nội Viện Cơ học Việt Nam Nội dung tham gia Chủ nhiệm Đề tài Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN Hệ thống cột tháp (chương 2) Thành viên nhóm TS Đỗ Quốc Quang Thành viên nhóm TS Đỗ Quốc Quang Thành viên nhóm TS Đỗ Quốc Quang Mục 1.2.2 1.2.3 Mục 1.3.2 Ngoài danh sách người thực phần chuyên môn kể trên, Đề tài cịn có đóng góp cơng sức nhiều thành viên PTN Tự động hóa PGS TS Bùi Quốc Khánh (Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu - Triển khai công nghệ cao, ĐHBK Hà Nội), ThS Nguyễn Thúy Hồng (Thư ký Đề tài) số người khác Danh sách ký hiệu chữ viết tắt Các ký hiệu Ký hiệu A Br, Bs CAh, CPh EB FWt, FWc Hs, Hr ir, ird, irq is, isd, isq J K, V l usu , usv , usw ,U Ý nghĩa Ma trận hệ thống Ma trận vào phía Rotor, Stator Dung lượng dịng, dung lượng cơng suất ắc-quy Điện áp ắc-quy Sức cản gió Turbine, cột gây nên Ma trận đầu vào phía Stator, phía Rotor Vector dịng Rotor, hai thành phần trục d, q Vector dòng Stator, hai thành phần trục d, q Mơmen qn tính Ma trận phản hồi trạng thái, ma trận lọc đầu vào (ma trận tiền xử lý) Điện cảm Stator, Rotor, hỗ cảm cuộn dây, điện cảm tản phía Rotor Stator Điện cảm dọc trục, ngang trục Mômen máy phát, động Tốc độ quay, hay hệ số phẳng địa hình Cơng suất hữu cơng, vơ cơng Ma trận điều chỉnh dòng Thời gian thực u+, u-, chu kỳ băm xung Hằng số thời gian phía Rotor, Stator Hằng số thời gian phía Stator đo dọc, ngang trục Hai vector điện áp chuẩn, vector quay tròn, vector điện áp đặt lên đầu vào biến Ba điện áp pha, module điện áp máy phát UDC ur, urd, urq us, usd, usq v, vz x y zp λ Điện áp mạch chiều (DC) trung gian Vector điện áp Rotor, hai thành phần trục d, q Vector điện áp Stator, hai thành phần trục d, q Vận tốc gió, vận tốc gió độ cao z Vector biến trạng thái Vector biến khâu điều chỉnh dòng Số đôi cực máy điện Hệ số điều chế ψs, ψr Vector từ thông Stator, vector từ thông Rotor ψsq, ψsq Hai thành phần vector từ thông Stator ψs ψp Vector từ thơng cực ϕ Góc pha Ls, Lr, Lm, Lσr, Lσs Lsd, Lsq mG, mM n P, Q RI T+, T-, Tpulse Tr, Ts Tsd, Tsq u+, u-, uT, uTα σ Vận tốc góc mạch điện phía Rotor, Stator, vận tốc góc học Rotor Hệ số tản Φ Ma trận độ trạng thái Ψ Độ nghiêng quỹ đạo vector dòng điện ωr, ωs, ω Các chữ viết tắt Chữ viết tắt ALASKA ASVS BĐKHT, BĐKCT BK-Wind CL DFIG DSP ĐB-KTVC ĐC, ĐK ĐCD HSCS IGBT KĐB-RDQ, KĐB-RLS, KĐB-NK MASVS MĐN MP NDCCM NL, NLMP, NLPL NSOTD PĐCSG, PĐCSG-ĐL PLECS PWM S7-200 SAP2000 SCIG SG SSOTD Ý nghĩa Phần mềm Alaska AC Current Space Vector Trajectory Slope Method Bộ điều khiển cấp trường, cấp hệ thống Nhãn mác đăng ký thiết bị phát điện sức gió Chỉnh lưu Doubly-Fed Induction Generator Digital Signal Processor, vi xử lý tín hiệu Đồng kích thích vĩnh cửu Điều chỉnh, điều khiển Điều chỉnh dịng Hệ số công suất Insulated Gate Bipolartransistor, van bán dẫn Không đồng Rotor dây quấn, không đồng Rotor lồng sóc, khơng đồng nguồn kép Modified AC Current Space Vector Trajectory Slope Method Máy đóng ngắt Máy phát Normalized DC Current Method Nghịch lưu, nghịch lưu phía máy phát, nghịch lưu phía lưới Normalized direct current method for Short of Open Transitor Detection Phát điện chạy sức gió, phát điện chạy sức gió độc lập Chương trình mơ mạch điện tử công suất Pulse Width Modulation, điều chế bề rộng xung PLC loại Simatic S7-200 Siemens Phần mềm SAP2000 Squirel-Cage Induction Generator Synchronous Generator, máy phát đồng Simple direct current method for Short of Open Transitor Detection T4R TĐĐ THĐAL TKTT TMS320F2812 TTHCX VAC, VDC Tựa theo từ thông Rotor Truyền động điện Tựa hướng điện áp lưới Tách kênh trực tiếp Vi xử lý tín hiệu TMS320F2812 Tuyến tính hóa xác, Exact Linearization Volt xoay chiều, volt chiều Mục lục Trang Lời nói đầu Danh sách ký hiệu chữ viết tắt 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.2.1 1.2.2.2 1.2.2.3 1.2.2.4 1.2.2.5 1.2.2.6 1.2.2.7 1.2.3 1.2.3.1 1.2.3.2 1.2.3.3 1.2.3.4 1.2.3.5 1.2.3.6 1.2.3.7 1.2.3.8 1.3 1.3.1 1.3.1.1 1.3.1.2 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.4 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện Turbine gió có cơng suất 10-30kW Đặt vấn đề Máy phát điện Máy phát điện sử dụng đề tài KC.06.20CN Thiết kế máy phát đồng kích thích vĩnh cửu phục vụ tự chế tạo sau Việt Nam Xác định kích thước Tính tốn mạch từ Tổn hao chế độ làm việc định mức Các đặc tính làm việc máy phát điện Tính tốn độ tăng nhiệt Chỉ tiêu tiêu hao vật tư Tổng kết số liệu thiết kế Thiết kế máy phát khơng đồng Rotor lồng sóc phục vụ tự chế tạo sau Việt Nam Xác định kích thước chủ yếu Tính tốn mạch từ Các tham số máy tần số 50Hz Tổn hao hiệu suất máy chế độ động điện Động điện làm việc chế độ máy phát Tính tốn độ tăng nhiệt Chỉ tiêu tiêu hao vật tư Tổng kết số liệu thiết kế Turbine gió (Wind Turbine) Turbine gió sử dụng đề tài KC.06.20CN Mô tả Turbine Vận hành Turbine Nghiên cứu thiết kế Turbine chuẩn bị cho việc chế tạo Việt Nam Mơ hình hóa mơ hệ thống Turbine gió Mơ hình hóa mơ hệ thống điều khiển góc cánh gió Tài liệu tham khảo chương 1 1 3 10 12 17 18 19 20 20 26 27 30 34 40 42 43 44 44 46 47 49 50 62 67 I 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.2.3 2.1.2.4 2.1.3 2.1.4 2.1.4.1 2.1.4.2 2.1.5 2.1.6 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.4 3.1 3.1.1 3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.1.3 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.3 3.1.3.1 3.1.3.2 3.1.3.3 3.1.4 3.1.4.1 II Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module Phân tích, tính tốn kết cấu cột dây văng Mơ tả kết cấu Hệ tải trọng tác dụng lên kết cấu Tải trọng gió Tải trọng gió sức cản cánh quạt Turbine Fwt Tải trọng gió cản cột Fwc Tải trọng Turbine Phân tích, tính tốn kết cấu theo lý thuyết Timoshenco Phân tích, tính tốn kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm SAP2000 Lựa chọn phần tử Phân tích 3D Kiểm tra ổn định cột phụ lắp dựng Độ bền kết cấu cụm quay chân cột Thiết kế kết cấu cột tháp Mô tả thiết kế Mô tả hoạt động hệ thống Các vẽ thiết kế chi tiết Kết luận Tài liệu tham khảo chương 69 69 69 70 70 71 72 72 73 Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất Các thiết bị điều khiển Tổng quan hệ thống thiết bị điều khiển (gồm sản phẩm số 10) Tổng quan hệ thống Cấp điều khiển trường Cấp điều khiển hệ thống Hardware điều khiển trường sử dụng TMS 320F2812 (sản phẩm số 8) Khái quát vi xử lý tín hiệu TMS 320F2812 Thiết kế Hardware đề tài KC.06.20CN Điều khiển hệ thống sử dụng PLC loại Simatic S7-200 Khái quát tốn điều khiển truyền thơng hệ thống Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng S7-200 Truyền thông PC (ở xa), PLC S7-200 DSP F2812 Module nghịch lưu sử dụng van điện tử công suất (sản phẩm số 9) Khái quát thiết bị nghịch lưu 93 94 94 76 76 78 78 80 82 82 87 91 92 92 94 96 100 101 101 114 129 129 131 147 148 148 3.1.4.2 159 3.2 3.3 Thiết kế - chế tạo nghịch lưu cho thiết bị phát điện chạy sức gió Trạm (nhà) che an tồn khí hậu cho thiết bị Tài liệu tham khảo chương 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.4 Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện Khái quát hệ thống lưu điện Thiết kế hệ thống lưu điện Tính tốn dàn ắc-quy lưu điện Tính tốn thiết kế mạch lực Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp Tài liệu tham khảo chương 169 169 175 175 176 180 186 5.1 5.2 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng Khái quát máy phát không đồng Phương pháp điều khiển máy phát không đồng Rotor dây quấn Cấu trúc hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RDQ Mơ hình tốn biến điều khiển máy phát KĐB-RDQ Mơ hình tốn máy phát KĐB-RDQ Mơ hình trạng thái gián đoạn máy phát KĐB-RDQ Các biến điều khiển cách ly công suất hữu công P vô công Q Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát Mơ hình dịng Rotor Điều khiển cách ly P Q điều chỉnh dòng chiều Cấu trúc điều khiển phi tuyến phía máy phát Khái quát phương pháp tuyến tính hóa xác (TTHCX, Exact Linearization) Đặc điểm phi tuyến mơ hình máy phát KĐB-RDQ Điều khiển cách ly P Q cấu trúc thiết kế theo phương pháp TTHCX Điều khiển cách ly P Q cấu trúc thiết kế theo phương pháp chiếu (Backstepping) Cấu trúc điều khiển phía lưới Mơ hình tốn mạch điện phía lưới Cấu trúc điều khiển Kết luận cấu trúc ĐK phía lưới Phương pháp điều khiển máy phát khơng đồng Rotor lồng sóc Cấu trúc hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RLS 187 187 189 5.2.1 5.2.2 5.2.2.1 5.2.2.2 5.2.2.3 5.2.3 5.2.3.1 5.2.3.2 5.2.4 5.2.4.1 5.2.4.2 5.2.4.3 5.2.4.4 5.2.5 5.2.5.1 5.2.5.2 5.2.5.3 5.3 5.3.1 162 166 189 190 190 193 194 197 197 197 198 199 200 200 202 203 203 204 206 206 206 III 5.3.2 5.3.2.1 5.3.2.2 5.3.3 5.3.3.1 5.3.3.2 5.4 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.1.1 6.3.1.2 6.3.2 6.3.3 6.4 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.3.1 7.1.3.2 7.1.3.3 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.3 7.3.1 IV Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát Mơ hình trạng thái gián đoạn Điều khiển cách ly P Q điều khiển dịng chiều Cấu trúc điều khiển phi tuyến phía máy phát Đặc điểm phi tuyến mơ hình Điều khiển cách ly P Q cấu trúc thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa xác (Exact Linearization) Tài liệu tham khảo chương 208 208 210 212 213 213 214 Phương pháp điều khiển máy phát đồng kích thích vĩnh cửu Khái quát máy phát đồng kích thích vĩnh cửu Điều khiển máy phát ĐB-KTVC công suất nhỏ, vận hành chế độ ốc đảo Điều khiển máy phát ĐB-KTVC công suất lớn, vận hành chế độ hịa lưới Mơ hình tốn máy phát ĐB-KTVC Mơ hình trạng thái liên tục Mơ hình trạng thái gián đoạn Cấu trúc điều khiển tuyến tính Cấu trúc điều khiển phi tuyến Tài liệu tham khảo chương 217 Chẩn đoán – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống thiết bị điều khiển Chẩn đốn lỗi phía nghịch lưu Đáp ứng dòng điện hở mạch điều khiển van IGBT Đáp ứng dòng điện ngắn mạch van IGBT Xác định vị trí van IGBT bị lỗi Phương pháp ASVS Phương pháp NDCCM Phương pháp chẩn đoán lỗi hở mạch điều khiển, ngắn mạch van IGBT đề xuất Chẩn đốn lỗi phía chỉnh lưu Lỗi ngắn mạch diode chỉnh lưu Lỗi hở mạch diode chỉnh lưu Lỗi pha máy phát hở mạch hai diode pha Mơ kiểm chứng thuật tốn Mơ lỗi phía nghịch lưu 227 217 218 220 220 221 222 223 224 225 228 228 231 233 233 234 235 237 237 240 241 242 242 7.3.1.1 7.3.1.2 7.3.2 7.3.2.1 7.3.2.2 7.3.2.3 7.4 7.4.1 242 246 249 249 250 251 251 253 7.4.2 7.4.2.1 7.4.2.2 7.4.3 7.4.3.1 7.4.3.2 7.5 Lỗi hở mạch điều khiển van IGBT Ngắn mạch IGBT Mơ lỗi phía chỉnh lưu Xác định lỗi pha máy phát Xác định lỗi ngắn mạch Diode Xác định lỗi hở mạch Diode Thực hệ thống giám sát - chẩn đoán lỗi từ xa Module phần mềm thu thập liệu DSP TMS320F2812 Module phần mềm PLC S7-200 Giao thức truyền thông PLC DSP Các lưu đồ thuật toán Module phần mềm máy tính Chế độ giám sát thực trạng vận hành Chế độ nạp firmware Tài liệu tham khảo chương 8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.3 8.3.1 8.3.2 8.4 Cấu trúc bù cosϕ cho tải chế độ ốc đảo Mơ hình phụ tải Phương pháp bù cosϕ Ý tưởng phương pháp Sử dụng điều khiển PI kinh điển Sử dụng điều khiển PI mờ Cấu trúc hệ thống điều chỉnh hệ số công suất Mô kiểm chứng Cấu trúc Simulink PLECS Kết mô Tài liệu tham khảo chương 269 269 270 270 272 273 275 275 276 279 286 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.2 287 287 287 288 288 288 9.2.1 9.2.2 Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ Các sản phẩm đào tạo Danh sách đồ án tốt nghiệp Kỹ sư Danh sách luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Luận văn tốt nghiệp Tiến sĩ Các báo cáo hội nghị, hội thảo hay tạp chí nước Trong nước Ngoài nước 10 10.1 10.2 Kết luận kiến nghị Kết luận Kiến nghị 291 291 291 254 254 255 262 262 265 267 288 289 V Báo cáo tóm tắt Bản báo cáo giới thiệu cách chi tiết nội dung nghiên cứu khoa học thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN: „Nghiên cứu, thiết kế chế tạo phát điện sức gió có cơng suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam“ Hoàn thành sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực Tiếp theo lời nói đầu danh mục ký hiệu sử dụng, báo cáo bao gồm phần sau: • • Chương „Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện Turbine gió có cơng suất 10-30kW“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự mục 17 thuyết minh đề tài Chương chiếm 67 trang, giới thiệu vấn đề xung quanh hai mảng chính: + Giới thiệu thiết bị sử dụng: Máy phát Turbine nhập ngoại vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng trước mắt Đề tài, vừa giữ vai trò mẫu để học tập trình thiết kế + Giới thiệu thiết kế, chuẩn bị cho việc tự chế tạo máy phát Turbine nước Nội dung thiết kế máy phát điện 20kW (không đồng Rotor lồng sóc, đồng kích thích vĩnh cửu) thực cách nghiêm túc chi tiết Nội dung thiết kế lại mô kiểm chứng Turbine TS Phạm Anh Tuấn thực với nhiều khiếm khuyết Chủ nhiệm đề tài KC.06.20CN phải hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polymer (Phó GĐ Trung tâm, PGS TS Bùi Chương) thực bổ sung phần thiết kế - chế tạo khuôn mẫu cánh Turbine (bằng vật liệu Polymer) phục vụ chế tạo sau Chương „Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự mục 17 thuyết minh đề tài Chương chiếm 24 trang Sản phẩm phận quan trọng tổng thể hệ thống phát điện chạy sức gió 20kW đề tài KC.06.20CN Sản phẩm hoàn toàn tự lực thiết kế, chế tạo lắp đặt Việt Nam Đề tài KC.06.20CN hợp tác với nhóm chuyên gia TS Đỗ Quốc Quang (Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp) đứng đầu để hoàn thành phần nhiệm vụ Kết thu hệ thống cột tháp đáp ứng tốt công yêu cầu, đồng thời cho phép lắp ráp - nâng hạ cách dễ dàng không phụ thuộc vào nguồn điện lưới Chương giới thiệu nội dung: + Phân tích, tính tốn kết cấu cột dây văng + Thiết kế cụ thể kết cấu cột tháp • • • Chương „Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự mục 17 thuyết minh đề tài Chương chiếm 75 trang chương phong phú toàn báo cáo Trạm điều khiển mặt đất bao gồm: + không hạng mục xây dựng trạm (nhà) che an toàn khí hậu cho thiết bị nơi làm việc nhân viên vận hành Trạm giới thiệu chi tiết + thiết bị điều khiển chứa tủ như: điều khiển trường (dùng TMS320F2812), điều khiển hệ thống (dùng Simatic S7-200), nghịch lưu xoay chiều pha Chương „Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự mục 17 thuyết minh đề tài Trong chương này, sản phẩm „Phương pháp điều khiển hệ thống lưu điện“ có số thứ tự 1.3 mục 16 thuyết minh đề tài kết hợp giới thiệu Chưong gồm 18 trang chứa hai nội dung: + Thiết kế hệ thống lưu điện sử dụng ắc-quy + Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp ắc-quy Chương „Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự 1.1 mục 16 thuyết minh đề tài Chương chiếm 30 trang với phương pháp điều khiển tuyến tính phi tuyến cho: + Máy phát khơng đồng rotor dây quấn (KĐB-RDQ), gọi không đồng nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generator: DFIG) Máy phát KĐB-RDQ có Stator ghép trực tiếp với lưới, cịn phía Rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất + Máy phát không đồng rotor lồng sóc (KĐB-RLS, Squirel-Cage Induction Generator: SCIG) Khác với máy phát KĐB-RDQ, máy phát KĐB-RLS có Stator nối với lưới qua thiết bị điện tử cơng suất • Chương „Phương pháp điều khiển máy phát đồng kích thích vĩnh cửu“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự 1.2 mục 16 thuyết minh đề tài Chương có trang giới thiệu phương pháp điều khiển tuyến tính phi tuyến cho máy phát đồng kích thích vĩnh cửu (ĐBKTVC, Permanentmagnet Excited Synchronous Generator: PMSG) • Chương „Chẩn đốn – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống thiết bị điều khiển“ Chương chiếm 42 trang, giới thiệu nội dung xuất trình thực đề tài sản phẩm phương pháp thuyết minh đăng ký Ngồi chức thực thuật toán điều khiển, để phục vụ mục đích chẩn đốn tình trạng vận hành hệ thống, DSP TMS320F2812 liên tục thu thập lưu trữ liệu đo đạc toàn hệ thống Khi có nhu cầu phân tích giám sát tình trạng vận hành, liệu PLC S7-200 chuyển tới PC qua môi trường truyền thông đường điện thoại Khả cho phép ta kiểm tra thực trạng vận hành thiết bị từ xa, ưu đặc biệt lợi hại lắp đặt thiết bị vùng sâu, vùng xa • Chương „Cấu trúc bù cosϕ cho tải chế độ ốc đảo“ Giới thiệu sản phẩm phương pháp khơng có thuyết minh đề tài Chương gồm 18 trang giới thiệu phương pháp điều khiển bù hệ số công suất cosϕ cho lưới phụ tải thông qua thay đổi tần số cung cấp phạm vi cho phép, từ thiết kế điều khiển Mục tiêu nhiệm vụ góp phần nâng cao hiệu truyền tải, giảm tổn thất biến đổi lượng, giảm điện áp rơi mạng phân phối • Chương „Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự mục 16 thuyết minh đề tài Qua ta thấy rõ đóng góp Đề tài KC.06.20CN cơng tác đào tạo chuyên gia: Kỹ sư, Thạc sĩ Tiến sĩ (sẽ bảo vệ năm 2007) Ngồi ra, với nội dung khoa học mình, Đề tài thực viết cho tạp chí hội nghị khoa học nước, viết cho tạp chí, hội nghị khoa học Workshop nước ngồi Ngồi ra, báo cáo cịn có phần phụ lục tổ chức thành quyển: • Phụ lục 1: Bao gồm loại vẽ thuộc hạng mục sản phẩm „Sơ đồ“ có số thứ tự mục 16 „Thuyết minh đề tài“ Đó sơ đồ tủ điện chính, sơ đồ Hardware (mạch Layouts), sơ đồ phần điện tử công suất Các vẽ khí (hệ thống cột tháp) xây dựng (hệ thống móng nhà điều khiển) tập hợp phụ lục Quyển phụ lục giữ vai trò „Thuyết minh kỹ thuật“ cụ thể, hỗ trợ cho thuyết minh khoa học báo cáo • Phụ lục 2: Gồm có hai nội dung „Hướng dẫn sử dụng“ sau: • + Hướng dẫn nâng hạ hệ thống cột tháp + Hướng dẫn vận hành tủ điện điều khiển Phụ lục 3: Bao gồm loại mã nguồn (Listings of Source Codes) chương trình: + chạy PLC Simatic S7-200, + chạy DSP TMS320F2812 + PC (truyền thơng chẩn đốn lỗi) Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang Lời nói đầu Bản báo cáo giới thiệu cách chi tiết nội dung nghiên cứu khoa học thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN: „Nghiên cứu, thiết kế chế tạo phát điện sức gió có cơng suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam“ Hoàn thành sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực Tiếp theo lời nói đầu danh mục ký hiệu sử dụng, báo cáo bao gồm phần sau: • Chương „Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện Turbine gió có cơng suất 10-30kW“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự mục 17 thuyết minh đề tài • Chương „Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự mục 17 thuyết minh đề tài • Chương „Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự mục 17 thuyết minh đề tài • Chương „Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự mục 17 thuyết minh đề tài Trong chương này, sản phẩm „Phương pháp điều khiển hệ thống lưu điện“ có số thứ tự 1.3 mục 16 thuyết minh đề tài kết hợp giới thiệu • Chương „Phương pháp điều khiển máy phát khơng đồng bộ“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự 1.1 mục 16 thuyết minh đề tài • Chương „Phương pháp điều khiển máy phát đồng kích thích vĩnh cửu“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự 1.2 mục 16 thuyết minh đề tài • Chương „Chẩn đốn – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống thiết bị điều khiển“ Giới thiệu sản phẩm phương pháp khơng có thuyết minh đề tài • Chương „Cấu trúc bù cosϕ cho tải chế độ ốc đảo“ Giới thiệu sản phẩm phương pháp khơng có thuyết minh đề tài • Chương „Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ“ Giới thiệu sản phẩm có số thứ tự mục 16 thuyết minh đề tài Các hạng mục sản phẩm dạng „Sơ đồ“ có số thứ tự mục 16 tập hợp phụ lục báo cáo Với nội dung trên, báo cáo giới thiệu cách chi tiết đầy đủ sản phẩm đăng ký (sản phẩm vật thể máy móc - thiết bị, hay phi vật thể phương pháp điều khiển), khối lượng nhiều không sa đà vào liệt kê mà bảo đảm tính chất báo cáo khoa học Đề tài KC.06.20CN hoàn thành với hỗ trợ tích cực có hiệu Bộ Khoa học – Cơng nghệ, Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06, Ban Giám hiệu phòng ban liên quan trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Chủ nhiệm Đề tài xin chân thành cảm ơn quan nói Xin cảm ơn Viện Công nghệ – Bộ Công nghiệp – tham gia Đề tài cách có hiệu quả, góp phần sáng tạo nên hệ thống cột tháp không bền vững kết cấu, đáp ứng tốt cơng năng, mà cịn hợp lý kiểu dáng thẩm mỹ Trong trình thực Đề tài KC.06.20CN nhận hỗ trợ lớn vật chất từ Công ty cổ phần Cung ứng Đầu tư Xây lắp (tên viết tắt: SIC) diện tích lắp đặt (≈ 4000m2), chi phí xây dựng (hệ thống móng cột, móng tời, móng giằng, nhà điều khiển), điều kiện ăn miễn phí cho đội ngũ Kỹ sư thi cơng, với khơng khí cởi mở hợp tác cán nhân viên hai đơn vị Xin chân thành cảm ơn Công ty SIC Không thể hồn thành Đề tài khơng có nỗ lực tối đa nhóm thực thuộc Phịng thí nghiệm Tự động hóa (trường ĐHBK Hà Nội): Các Kỹ sư nhóm phát huy lực sáng tạo để đưa Đề tài tới đích, khơng quản thời gian, nắng mưa, phải xa nhà nhiều tháng thi công, khắc phục hậu thiên tai Một lời cảm ơn gửi tới nhóm chưa đầy đủ: Chủ nhiệm Đề tài biết ơn hợp tác Cuối cùng, báo cáo Chủ nhiệm Đề tài tự tay chấp bút, sử dụng tài liệu Đề tài, đồ án luận văn tốt nghiệp (nêu mục tài liệu tham khảo cuối chương) Tuy viết với cẩn trọng cao nhất, báo cáo khó tránh khỏi cịn sai sót, người viết chân thành xin lỗi sơ suất cảm ơn đóng góp sửa sai Các nội dung khoa học báo cáo sở hữu trí tuệ Đề tài KC.06.20CN, việc chép sử dụng báo cáo cần phải phép Bộ Khoa học – Công nghệ Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện Turbine gió có cơng suất 10-30kW 1.1 Đặt vấn đề Đây nhóm sản phẩm bao gồm hai thành phần quan trọng hệ thống phát điện chạy sức gió (PĐCSG): ■ máy phát điện ■ turbine gió Với mục tiêu nghiên cứu - thiết kế - chế tạo (NC-TK-CT) phục vụ nội địa hóa hai thành phần trên, thuyết minh đăng ký đề tài ban đầu (cuối năm 2003) đưa dự toán 3,1 tỷ VNĐ Đây dự tốn có sở khảo sát kỹ lưỡng khả nước Ví dụ, báo giá đơn vị nhận gia công theo đơn đặt hàng (đầu năm 2004, thương thảo kinh phí với Bộ KH&CN) là: ■ ≈800,00 triệu VNĐ / cánh turbine Trong giá có bao gồm khn mẫu phục vụ chế tạo cánh chế tạo đơn ■ ≈80,00 triệu VNĐ / máy phát đồng kích thích vĩnh cửu Đây giá chế tạo máy phát mẫu, chưa phải giá sản xuất hàng loạt Tuy nhiên, Bộ KH&CN (sau lần thay đổi) duyệt mức kinh phí 2,2 tỷ VNĐ đồng ý cho phép mua máy phát turbine chế tạo sẵn nước Điều thể rõ trang 19 phiên chung kết „Thuyết minh Đề tài KC.06.20CN“, phận Hợp đồng NCKH & PTCN số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06 Vì lý trên, sản phẩm kết ngừng lại kết nghiên cứu - thiết kế (viết tắt: NC-TK), chưa có chế tạo thử Máy phát turbine mua về, mặt sử dụng hệ thống PĐCSG đề tài, mặt khác, chúng vật mẫu hỗ trợ tích cực cho trình NC-TK phục vụ chế tạo sau 1.2 Máy phát điện Như đặt vấn đề trên, mục giới thiệu khái quát thông số loại máy phát sử dụng hệ thống PĐCSG, máy phát nhập từ nước Một nội dung quan trọng khác kết NC-TK để phục vụ tự chế tạo sau Việt Nam 2 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện Turbine gió có cơng suất 10-30kW 1.2.1 Máy phát điện sử dụng đề tài KC.06.20CN Máy phát lắp tháp phát điện (được mua Cơng ty WESTWIND Windturbines, Úc) loại đồng kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) với tham số sau: Bảng 1.1 Tham số máy phát sử dụng Công suất danh định Điện áp danh định (pha-pha) Điện áp hở mạch quay tốc độ danh định (pha-pha) Dòng danh định Tần số Điện trở Stator Rs (pha, Stator mắc hình sao) Điện cảm Stator Ls (pha, Stator mắc hình sao, Ls = Lsd = Lsq) Kích từ Số đơi cực Tốc độ quay danh định Mơmen qn tính tồn phần Mơmen khơng tải (gồm ma sát sức hút nam châm vĩnh cửu kích từ) 20 kW 220 V (AC 50 Hz) 360 V (AC 50 Hz) 55 A (AC 50 Hz) – 50 Hz (thay đổi theo sức gió) 0,41 Ω (nhiệt độ: 180oC) 0,25 Ω (nhiệt độ: 20oC) 6,8 mH (thu qua phép đo điện áp hở mạch đo dịng ngắn mạch với tần số 50 Hz, lớn vận hành) 36 cực Nd-Fe-B (nam châm vĩnh cửu) 18 (36 cực với cuộn dây có 12 vịng) 166,7 vịng / phút (ứng với f = 50 Hz) 412 kgm2 (trong 396 kgm2 thuộc cánh turbine) 50 Nm Tất tham số máy phát sử dụng để khảo sát mơ q trình NC-TK hệ thống PĐCSG Đặc biệt, hệ thống chạy chế độ ốc đảo (chế độ độc lập, không hòa lưới quốc gia), biên độ điện áp pha tỷ lệ thuận trực tiếp với tốc độ quay (tức với tần số) máy phát Đối với máy phát 20kW, loại ĐB-KTVC trên, hệ số tỷ lệ (do nhà sản xuất cung cấp) minh họa rõ công thức đây: ⎧ l sin (2π ft ) ⎪ usu = U ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ l sin (2π ft + 2π 3) với U l = 5,88 f (1.1) ⎨usv = U ⎪ ⎪ ⎪ l sin (2π ft − 2π 3) u =U ⎪ ⎪ ⎩ sw f = tần số công tác [Hz], t = thời gian [s] Đây đặc điểm cần phải đặc biệt ý q trình mơ nghiên cứu thiết kế cụ thể Thêm vào đó, đặc điểm tần số máy phát (tốc độ quay) biến thiên dải rộng – 50Hz, khiến cho điện kháng phức nội máy phát thay đổi phụ thuộc tỷ lệ thuận với tốc độ quay Nói 1.2 Máy phát điện cách khác, điện áp rơi điện cảm máy phát có biên độ phụ thuộc tốc độ quay 1.2.2 Thiết kế máy phát đồng kích thích vĩnh cửu phục vụ tự chế tạo sau Việt Nam Máy phát ĐB-KTVC thiết kế sẵn sàng để phục vụ cho trình tự chế tạo sau Việt Nam Tuy nhiên, cần phải nói rõ ràng: Bản thiết kế đủ để sử dụng cho việc chế tạo thủ công đơn Để đưa vào sản xuất hàng loạt cịn phải thực thiết kế quy trình công nghệ phù hợp với quy mô sản xuất lớn, điều chưa thể đặt khuôn khổ đề tài Các tham số mục tiêu cần đạt thiết kế tham số bảng 1.2.2.1 Xác định kích thước Trong mục này, tính tốn đưa kích thuớc mặt điện từ để cấu thành nên máy phát điện với công suất định a) Các kích thước mạch từ ■ Điện áp pha: Để quấn lồng dây thuận lợi, chọn sơ đồ nối dây hình tam giác U f = U d = 220V (1.2) ■ Dòng điện: Với cosϕ = 0.95 chọn sơ theo kiểu máy Id = P 20 ⋅ 103 = = 55 A U cos ϕ ⋅ 220 ⋅ 0,95 I 55 If = d = = 31,75 A 3 (1.3) ■ Công suất tính tốn P ' = ke Pdm = 1,07 ⋅ 20 = 21,4kW (1.4) ■ Chọn sơ bước Stator t = 1,4cm ■ Bước cực máy: Ở chọn số rãnh pha cực q =1 τ = t m q = 1,4 ⋅ ⋅ = 4,2cm (1.5) ■ Đường kính Stator: Ds = τ p 4,2 ⋅ 36 = = 48,15cm π 3,14 (1.6) ■ Chiều dài lõi thép: 6,1 ⋅10−7 p ' lδ = αδ ks kd A Bδ Ds2 n (1.7)