Máy phát điện tuabin gió hiện đang được sản xuất và triển khai ở nhiều quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, tại Việt Nam hiện chưa có nhiều nghiên cứu về loại máy phát điện này, đặc biệt là máy phát điện tua bin gió không hộp số sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu (PMSG). Do đó, Nghiên cứu này sẽ mô phỏng lại hoạt động của hệ thống máy phát điện tuabin gió PMSG nối lưới nhằm hỗ trợ các nhà nghiên cứu tìm hiểu thêm về loại máy phát điện này. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phát điện tuabin gió PMSG sẽ được trình bày đầu tiên trong bài báo. Sau đó, việc thiết kế bộ điều khiển sẽ được hoàn thành. Hiệu suất của máy phát tuabin gió PMSG cũng như hiệu quả của bộ điều khiển thiết kế sẽ được ghi nhận bằng cách sử dụng kết quả mô phỏng từ chương trình Matlab. Giới thiệu chung về các mô hình turbine gió : Máy phát điện turbine gió thường dùng 2 loại chính là máy phát điện không đồng bộ 2 nguồn cấp (DFIG Doubly Fed Induction Generator ) và máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu (PSMGPermanent Magnetic Synchronous Generator). máy phát điện không đồng bộ 2 nguồn cấp (DFIG) được sử dụng do nhiều ưu điểm phù hợp với việc phát điện gió như khả năng thay đổi tốc độ quay, tăng lượng điện năng thu được, đáp ứng chất lượng điện năng và độ ồn .Máy phát DFIG trở thành máy phát điện thông dụng nhất trong các tuabin gió hiện nay. Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu (PMSG) là một xu hướng mới trong công nghiệp điện gió do có nhiều ưu điểm vượt trội như có thể chế tạo với số cực từ lớn nên không cần hộp số, khoảng tốc độ quay rộng, hiệu suất và độ bền cao, không cần dòng kích từ và ít yêu cầu bảo trì thường xuyên . Tương tự với các loại máy phát điện gió khác, việc thiết kế bộ điều khiển là không thể thiếu trong hệ thống máy phát điện tuabin gió PMSG không sử dụng hộp số. Bộ điều khiển và bộ chuyển đổi điện phải được tối ưu để nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống. Bên cạnh đó, bộ tìm điểm công suất cực đại cũng được kết hợp với bộ điều khiển để điều chỉnh công suất và giữ tốc độ quay tuabin ở giá trị tối ưu. Ngày nay, các nhà sản xuất quan tâm hơn đến PMSG do khả năng cấu tạo không hộp số, điều này làm cho nó trở nên phổ biến hơn cho hoạt động của WECS ngay cả trong chế độ kết nối mạng điện
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA …………………… BÁO CÁO BÀI TIỂU LUẬN CUỐI KÌ Đề tài: Mơ hệ thống Turbine gió hịa lưới sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu Matlab Giảng viên hướng dẫn : Sinh viên thực : Lớp : TP.HCM, ngày … tháng … năm … LỜI CẢM ƠN Đề tài xây dựng mô tổng quan hệ thống tuabin gió Giúp biết cơng nghệ xây dựng lên hệ thống tuabin gió, tìm hiểu cách thức hoạt động bảo vệ hệ thống Turbine diễn Dù cố gắng hoàn thành đồ án có hướng dẫn cụ thể thầy Nguyễn Thanh Thuận hiểu biết hạn chế chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắn đồ án cịn có nhiều hạn chế, thiếu sót bắt cặp Vì vậy, em mong sửa chữa đóng góp ý kiến q thầy bạn để em rút kinh nghiệm bổ sung thêm kiến thức Em xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt báo cáo Máy phát điện tuabin gió sản xuất triển khai nhiều quốc gia giới Tuy nhiên, Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu loại máy phát điện này, đặc biệt máy phát điện tua bin gió khơng hộp số sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu (PMSG) Do đó, Nghiên cứu mơ lại hoạt động hệ thống máy phát điện tuabin gió PMSG nối lưới nhằm hỗ trợ nhà nghiên cứu tìm hiểu thêm loại máy phát điện Cấu trúc nguyên lý hoạt động máy phát điện tuabin gió PMSG trình bày báo Sau đó, việc thiết kế điều khiển hoàn thành Hiệu suất máy phát tuabin gió PMSG hiệu điều khiển thiết kế ghi nhận cách sử dụng kết mơ từ chương trình Matlab Giới thiệu chung mơ hình turbine gió : Máy phát điện turbine gió thường dùng loại máy phát điện không đồng nguồn cấp (DFIG -Doubly Fed Induction Generator ) máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu (PSMG-Permanent Magnetic Synchronous Generator) máy phát điện không đồng nguồn cấp (DFIG) sử dụng nhiều ưu điểm phù hợp với việc phát điện gió khả thay đổi tốc độ quay, tăng lượng điện thu được, đáp ứng chất lượng điện độ ồn Máy phát DFIG trở thành máy phát điện thơng dụng tuabin gió Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu (PMSG) xu hướng công nghiệp điện gió có nhiều ưu điểm vượt trội chế tạo với số cực từ lớn nên không cần hộp số, khoảng tốc độ quay rộng, hiệu suất độ bền cao, khơng cần dịng kích từ yêu cầu bảo trì thường xuyên Tương tự với loại máy phát điện gió khác, việc thiết kế điều khiển thiếu hệ thống máy phát điện tuabin gió PMSG khơng sử dụng hộp số Bộ điều khiển chuyển đổi điện phải tối ưu để nâng cao hiệu suất độ bền hệ thống Bên cạnh đó, tìm điểm công suất cực đại kết hợp với điều khiển để điều chỉnh công suất giữ tốc độ quay tuabin giá trị tối ưu Ngày nay, nhà sản xuất quan tâm đến PMSG khả cấu tạo không hộp số, điều làm cho trở nên phổ biến cho hoạt động WECS chế độ kết nối mạng điện Mục lục Một hệ thống Turbine gió máy phát điện PMSG hòa lưới gồm phận I chính: .6 Mơ hình Turbine máy phát điện đồng • Máy phát điện đồng (synchronous machine) Hệ thống điều khiển Turbine – Turbine control 10 Mạch điện tử công suất - chỉnh lưu diode, mạch tăng, giảm áp Chopper DC Buck - Boost converter bảo vệ FRT 13 3.1 Mạch hạ áp – Buck converter 13 3.2 Mạch tăng áp - Boost converter 14 3.3 Điều khiển bảo vệ FRT (Fault Ride Through – vượt qua cố tạm thời) 17 • Điều khiển bảo vệ FRT 17 • Hai chế độ kiểm sốt FRT mơ mơ hình 19 • Bảo vệ q áp mạch Chopper 23 Bộ chuyển đổi nguồn điện – VSC (Voltage Source Converters) 26 Bộ lọc LCL đầu nối lưới 29 Kết mô 29 • Chế độ FRT 30 • Chế độ FRT 31 Kết luận 32 Tài liệu tham khảo 33 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TURBINE GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NỐI LƯỚI I Một hệ thống Turbine gió máy phát điện PMSG hịa lưới gồm phận chính: - Turbine - Máy phát điện đồng sử dụng nam châm vĩnh cửu - Hệ thống điện tử công suất chuyển đổi giai đoạn ▪ Bộ chỉnh lưu Diode xung biến đổi điện áp AC – DC ▪ Bộ chuyển đổi DC – DC tăng áp – Boost Conveter ▪ Bộ chuyển đổi điện áp DC – AC cấp dùng IGBT - Hệ thống điều khiển ▪ Bộ điều khiển biến tần nối lưới ▪ Bộ điều khiển Turbine ▪ Bộ xử lý tín hiệu cảm biến - Hệ thống hịa lưới ▪ Đường dây ▪ Máy biến áp ▪ Các lọc RLC – LCL Mơ hình hóa hệ thống Turbine gió (VSC – Voltage Source Converters: chuyển đổi nguồn điện) (Chopper – Phanh chopper bảo vệ mạch) Mô hình Turbine máy phát điện đồng Cấu trúc chung hệ thống máy phát điện tử công suất đóng gói gói khối Generic với hai thơng số đầu vào tốc độ gió Vwind, giá trị công suất phản kháng tham chiếu đặt vào Qref ngõ nguồn điện pha 690V Đặc tuyến công suất Turbine tốc độ quay Turbine Vì cơng suất học cực đại Turbine đạt tốc độ gió 12 m/s nên ta đặt tốc độ gió đầu vào Vwind Turbine 12 m/s Giá trị công suất phản kháng tham chiếu Qref giả định cơng suất ln hướng phía lưới điện Tốc độ gió qua chặn để đảm bảo tốc độ đầu vào ln có (4 m/s – 12 m/s) cho hệ thống mô Tương tự áp dụng cho giá trị công suất phản kháng đặt vào, thêm khối hệ số K Kết tính điểm đặt cho điều khiển • Máy phát điện đồng (synchronous machine) Gồm hai thông số đầu vào: Công suất trục (Pm), điện áp kích hay điện áp trường (vf - pu) để kích cho máy phát Cả hai giá trị tính tốn từ hệ thống điều khiển Turbine (Turbine control) Ngõ gồm cảm biến đo lường với 24 vector thông số đo từ máy phát (m) pha điện áp (A, B, C) Ở chỉ lấy giá trị cảm biến để đưa vào điều khiển tính tốn giá trị khác - Dịng điện trường (Field current) tốc độ rotor (Rotor speed – rad/s) THAM SỐ TÊN GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ PGEN_NOM Công suất định mức MVA VGEN_NOM Điện áp pha định mức stator 830 V FGEN_NOM Tần số stator định mức 10.8 Hz IFNGEN_NOM Dịng điện kích từ định mức 31.7 A RS_GEN Điện trở stator pha 0.0726 Pu L1_GNE Stator rò rỉ điện cảm 1.3790 Pu L1MD_GEN Điện cảm từ hóa trục trực tiếp 1.9701 pu L1MQ_GEN Điện cảm từ hóa trục vng góc 1.9701 Pu RF_GEN Điện trở trường 0.0102 Pu L1FD_GEN Điện cảm rò rỉ trường 0.0167 Pu HGEN_GEN Hệ số quán tính 6.7 s P_GEN Cặp cực 36 - Các thơng số Turbine gió SG Hệ thống điều khiển Turbine – Turbine control Bộ điều khiển gồm thống số đầu vào tốc độ gió – Vwind, điểm đặt cơng suất phản kháng yêu cầu – Setpoints cảm biến tốc độ Rotor máy phát – SM_meas (lấy từ giá trị cảm biến máy phát tín hiệu điện DC tạo từ cầu chỉnh lưu pha) Đầu gồm công suất – Pm, tín hiệu điều khiển đóng ngắt cho mạch Buck – buck_gate mạch Boost – boost_gate Chi tiết điều khiển: Ta đặt góc nghiêng Beta = cho Turbine để công suất đạt giá trị cao đặc tuyến cơng suất Tốc độ gió giá trị cảm biến tốc độ Rotor đặt vào khối Wind turbine, tính tốn hai giá trị Cơng suất – Pm giá trị tham chiếu – w_ref cho điều khiển PI 10 Giá trị đo VDC2 VDC sau lọc Giá trị điện áp FRT đưa vào để tìm tín hiệu OVRT, UVRT, FRT_flag • Hai chế độ kiểm sốt FRT mơ mơ hình ([4], [5], [6]) 19 FRT mode sử dụng lưới điện cần hỗ trợ dạng phát dòng điện phản kháng bổ sung gặp cố điện áp cao qua (OVRT – over voltage ridethrough) điện áp thấp qua (UVRT - under voltage ride-through) Trong trường hợp này, điểm đặt công suất phản kháng bổ sung tỉ lệ với độ lệch điện áp gửi đến điều khiển Grid-Side Inverter Control Dòng điện bổ sung tính phép nhân độ lệch điện áp với hệ số tỉ lệ kuvrt - kovrt khai báo trước Tùy vào mức độ nghiêm trọng lỗi hệ số tỉ lệ đặt vào, thành phần dịng điện bị giới hạn chí giảm, cho phép dịng điện phản kháng phát khơng vượt q dịng điện tối đa Imax cung cấp cho hệ thống VSC FRT mode 2, có cố phát hiện, turbine gió ngừng cung cấp công suất phản kháng công suất tác dụng, hệ thống kết nối với lưới điện Điều thực cách đặt dòng điện tác dụng dòng điện phản kháng Sau hệ thống phục hồi hai giá trị trở lại giá trị tham chiếu ban đầu Khả cho phép ổn định điện áp sau giải phóng cố thơng qua việc bơm dịng điện phản kháng trước phóng dịng điện tác dụng vào lưới điện 20 Bộ điều khiển PI (2 bộ) với giới hạn động lức tránh gió giật sử dụng Sai số giá trị đo điện áp VDC2 – Vdc_filt giá trị tham chiếu Vdc_ref đưa vào tham số khác để tìm giá trị dịng điện tham chiếu i_d miền dq 21 Bộ điều khiển thứ sử dụng tham số đầu vào sai số giá trị tham chiếu Qref giá trị công suất phản kháng đo đầu cuối turbine – Qmeas để tìm giá trị dịng điện tham chiếu i_q miền dq Giá trị tham chiếu đặt giả định dịng cơng suất tác dụng ln hướng lưới Dòng điện tối đa cho phép imax đưa vào để tìm giá trị giới hạn trên, dòng điện cho điều khiển 22 Sau cùng, giới hạn giá trị i_d, i_q miền dq nhân với tín hiệu bảo vệ protection Chuyển sang miền abc (tọa độ xoay) cho tín hiệu dịng điện tham chiếu i_ref [7] • Bảo vệ áp mạch Chopper Hệ thống phanh Chopper mắc song song với mạch DC sau mạch Boost để tránh áp nhắc đến trên, nhằm giảm tải cho thành phần phần cứng từ bảo vệ thiết bị xảy cố 23 Khi điện áp VDC2 tăng lên lớn, tín hiệu hồi tiếp so sánh với giá trị tham chiếu qua điều khiển, đưa tín hiệu cắt, tín hiệu nhân với giá trị dịng điện tính phép chia điện áp VDC2 cho tổng trở mạch Boost, dòng điện Ichopper tăng lên tránh áp giúp bảo vệ phần tử mạch Điện áp Vpos tần số fgrid theo dõi hệ thống điều khiển turbine gió, điều kiện bảo vệ điện áp tần số đáp ứng, tín hiệu bảo vệ protection_u_f gửi đến điều khiển Grid-Side Inverter Control, thời gian FRT tối đa thiết lập để tính đến hạn chế phần cứng, vượt thời gian này, tín hiệu gửi đến CB pha đầu cực turbine, tách Turbine khỏi lưới điện 24 Tên Giá trị Đơn vị Diode điện trở IGBT 0.1 MΩ Diode điện trở dẫn IGBT 0.1 mΩ Điện dung Vdc1 50 mF Rboost Điện trở biến đổi Boost 10 mΩ Lboost Điện kháng biến đổi Boost 100 mH Điện trở Chopper 0.15 Ω Điện dung Vdc2 300 mF L1_filter Điện cảm lọc đầu L1 150 µH Rd_filter Điện trở lọc đầu 0.025 Ω Ld_filter Điện cảm lọc đầu 15 mΩ L2_filter Điện cảm lọc đầu L2 µΩ Tham số RS Ron C1 Rchopper C2 25 Các thông số đầy đủ chuyển đổi Tham số Tên Giá trị Đơn vị Tau_wref Hằng số thời gian lọc tham chiếu 10 s Vdc1_kp Hệ số Kp Vdc1 0.75 - Vdc1_ki Hệ số Ki Vdc1 0.075 s-1 f_cut Tần suất cắt lọc đo lường 10 KHz Zeta Hệ số giảm chấn lọc đo lường 0.7071 - Kp_pll Hệ số Kp PLL 0.1775 - Ki_pll Hệ số Ki tích hợp PLL 21.3 s-1 Tau_Vdc2 Hằng số thời gian Vdc2 33.334 Ms Vdc2_kp Hệ số Kp điều khiển Vdc2 10 - Vdc2_ki Hệ số Ki điều khiển Vdc2 75 s-1 Tau_Qref Hằng số thời gian lọc Qref 33.334 Ms Tau_Qmeas Hằng số thời gian lọc Qmeas 33.334 Ms Q-kp Tăng tỉ lệ Q-control 0.001 - Q-ki Độ lợi tích hợp Q-control 0.035 s-1 I_band Dải dung sai điều khiển 0.017 Pu Các thông số điều khiển Turbine gió Bộ chuyển đổi nguồn điện – VSC (Voltage Source Converters) Do đặc điểm điều khiển hỗn hợp, hệ thống VSC đưa vào nguồn dòng phụ thuộc kết nối đưa dòng điện tham chiếu vào pha A B, nguồn dòng 26 thứ khơng cần thiết hệ thống VSC biểu diễn mạch không nối đất kết nối hình chỉ cần đưa vào hai dòng tham chiếu đủ Hai nguồn dòng điều khiển để hệ thống tránh cố lưới điện đề cập qua chế độ bảo FRT Hệ thống nghịch lưu Diode mơ hình hóa nối với nguồn áp phụ thuộc, nguồn nhận giá trị điện áp VDC2 Thiết kế đảm bảo hệ thống tránh áp nguồn dòng phụ thuộc mạch DC kiểm soát kết nối nguồn với phần tử cảm biến lọc đầu ra, tạo thành đường dẫn cho dòng điện trở lại tụ điện mạch DC trường hợp áp lưới Trong mơ phỏng, cơng suất bảo tồn, công suất pha mạch lọc công suất DC cân nên giá trị nguồn dòng tính cách lấy tín hiệu dịng điện, điện áp pha sau qua lọc, tính cơng suất pha sau chia cho giá trị điện áp VDC2 27 Nguồn dịng kiểm sốt mạch DC-link 28 Bộ lọc LCL đầu nối lưới Kết mô Các trường hợp mô thử nghiệm để kiểm tra khả bảo vệ FRT hiệu suất nhà máy có cố xảy với hệ thống Nhà máy điện thể mơ hình gồm 50 turbine gió với cơng suất gió MW Hệ thống điện nguồn mơ hình mạch tương đương Thevenin với lưới điện 230 kV, 60Hz 29 • Chế độ FRT Các tín hiệu đo nhân với hệ số, đưa giá trị để dễ quan sát Kết cho thấy so sánh điện áp thứ tự thuận (pu), công suất hoạt động phản kháng (pu) cho Bus-690V cho thơng số k_UVRT 30 • Chế độ FRT Kết cho thấy so sánh điện áp thứ tự thuận (pu), công suất hoạt động phản kháng (pu) cho Bus-690V cho thông số k_UVRT 31 Kết luận Năng lượng gió nguồn lượng xanh, với nhiều ưu điểm việc bảo vệ môi trường, nhu vầu điện người ngày tăng cao Do việc phát triển khai thác nguồn lượng xanh điều cấp thiết quan trọng cho phát triển bền vững, đặc biệt thời điểm nguồn lượng khác dần cạn kiệt Cần đầu tư phát triển mạnh mẽ điện gió vùng cao, vùng xa để giảm phụ thuộc tránh lãng phí cho lưới điện quốc gia Khuyến khích doanh nghiệp, người dân chuyển đổi sử dụng nguồn lượng khác, tránh phụ thuộc vào hệ thống điện lưới giảm tải cho lưới điện Bài báo cáo hoàn thành mục tiêu ban đầu đặt mong tài liệu tham khảo có ích cho trình nghiên cứu bạn sinh viên nhà nghiên cứu lĩnh vực điện gió nói chung lượng nói riêng 32 Tài liệu tham khảo Mơ hình sử dụng báo cáo: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/71235-type-iv-wind-turbine [1] R W Erickson and D Maksimovic,´ Fundamentals of Power Electronics Boston, MA, USA: Springer, 2001 [2] P Giroux, “Simscape power systems: Power converter modeling techniques,” MathWorks Matlab2016a, 2016 [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Low_voltage_ride_through [4] Hydro-Quebec Trans´ Energie, “Transmission provider technical require-´ ments for the connection of power plants to the Hydro-Quebec´ transmission system,” Hydro-Quebec Trans´ Energie, Feb 2009 [On-´ line] Available: http://www.hydroquebec.com/transenergie/fr/commerce/pdf/exigence_raccorde ment_fev_09_en.pdf [5] Establishing a Network Code on Requirements for Grid Connection of Generators, Official Journal of the European Union—Legislation: Commission Regulation (EU) 2016/631, Apr.14, 2016 [6] ONS - Operador Nacional Sistema Eletrica (Brazil), http://www.ons.org.br/% 2FProcedimentosDeRede%2FM%C3%B3dulo%203%2FSubm%C3% B3dulo%203.6%2FSubm%C3%B3dulo%203.6_Rev_1.1.pdf [22] T.Ackermann, Ed., WindPowerin PowerSystems Chichester,UK:Wiley, 2012 [7] U Karaagac, J Mahseredjian, H Saad, J Peralta, and L D Bellomo, “Simulation models for wind parks with variable speed wind turbines in EMTP-RV,” Apr 2015, Polytechnique Montreal ´ , Research Report 33 ... MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TURBINE GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NỐI LƯỚI I Một hệ thống Turbine gió máy phát điện PMSG hịa lưới gồm phận chính: - Turbine - Máy phát điện đồng sử dụng nam châm vĩnh cửu. .. mạng điện Mục lục Một hệ thống Turbine gió máy phát điện PMSG hịa lưới gồm phận I chính: .6 Mô hình Turbine máy phát điện đồng • Máy phát điện đồng (synchronous machine) Hệ thống. .. Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu loại máy phát điện này, đặc biệt máy phát điện tua bin gió không hộp số sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu (PMSG) Do đó, Nghiên cứu mơ lại hoạt động hệ thống