Điều khiển gián tiếp từ thông hệ thống tuabin gió máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc nối lưới

Bài viết Điều khiển gián tiếp từ thông hệ thống tuabin gió máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc nối lưới trình bày một hệ thống điều khiển điện gió kết nối lưới điện với máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG). Hệ thống điều khiển dựa trên bộ chuyển đổi máy phát và bộ chuyển đổi lưới điện. Mô hình điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát và phía lưới được thực hiện trên phần mềm PSIM.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ĐIỀU KHIỂN GIÁN TIẾP TỪ THƠNG HỆ THỐNG TUABIN GIĨ MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG ROTOR LỒNG SÓC NỐI LƯỚI INDIRECT FIELD CONTROL OF THE GRID CONNECTED WIND TURBINE SQUIRREL CAGE GENERATOR SYSTEM Phạm Thị Thùy Linh Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 08/08/2021, Ngày chấp nhận đăng: 14/09/2021, Phản biện: TS Nguyễn Ngọc Tuấn Tóm tắt: Bài báo trình bày hệ thống điều khiển điện gió kết nối lưới điện với máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG) Hệ thống điều khiển dựa chuyển đổi máy phát chuyển đổi lưới điện Mô hình điều khiển chuyển đổi phía máy phát phía lưới thực phần mềm PSIM Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất phương pháp điều khiển từ thơng gián tiếp, sử dụng mơ hình điều khiển, để thu điện áp đầu cuối, làm giảm số lượng cảm biến cần thiết tiết kiệm chi phí tổng thể Hiệu phương pháp điều khiển đề xuất kiểm chứng thông qua kết mơ Từ khố: Máy phát điện cảm ứng, điều khiển gián tiếp từ thơng, tuabin gió Abstract: This paper presents a wind power control system connected to the grid with a squirrel cage induction generator (SCIG) The control system is based on generator converter and grid converter The vector control of generator side and grid side converters is done on PSIM software In this study, the author proposes an indirect field control method, using a control model, to obtain the terminal voltage, reducing the number of required sensors and saving the overall cost The effectiveness of the proposed control method is verified through simulation results Keywords: SCIG, indirect field control, wind turbine I MỞ ĐẦU Năng lượng gió nguồn lượng tái tạo có triển vọng tiến đạt thập kỷ qua Các hệ thống điện gió bao gồm máy phát tốc độ cố định tốc độ thay đổi, kiểu cảm ứng (cảm ứng nguồn kép lồng sóc cảm ứng lồng sóc) máy đồng (nam châm vĩnh cửu rôto dây quấn) Máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG) sử dụng làm máy phát cho hệ thống tốc độ cố định, cho hệ thống công suất nhỏ [1] Tuy nhiên, chúng áp dụng cho máy phát tốc độ thay đổi, trao đổi tồn cơng suất máy phát lưới điện qua hệ thống chuyển đổi [2] Ưu điểm việc sử dụng hệ thống chi phí thấp, độ tin cậy tốt hoạt động mạnh mẽ Nhược điểm so với máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) khó chế tạo máy phát điện cảm ứng lồng sóc đa cực Điều khiển SCIG thực cách tiếp cận khác nhau: điều khiển vô hướng vectơ, điều khiển tựa từ thông trực tiếp gián tiếp, định hướng trường Số 28 rôto stato [3-5] Điều khiển vô hướng [6] đơn giản dễ thực hiện, không ổn định Điều khiển vectơ trực tiếp có hiệu suất tốt yêu cầu giá trị thông lượng để xác định kiểm soát hướng từ trường tham chiếu Tuy nhiên, điều có nghĩa cần phải sử dụng cảm biến hiệu ứng trường, thực tế điều tốn [7] Phương pháp định hướng trường gián tiếp nhạy với thông số máy không cần đến cảm biến thông lượng trực tiếp [8] Bài báo đề xuất chiến lược điều khiển véc tơ gián tiếp nhạy thơng số máy phát so với sơ đồ thơng thường [9] Dịng điện quy trục đồng dq, đồng hướng với vectơ từ thông rôto, biến đổi phía máy phát Mơ hình hóa hệ thống điện gió mơ thực PSIM, máy phát điện sử dụng máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG) 2kW 79 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình 1: Hệ thống điện gió II PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI MÁY PHÁT Hệ thống phân tích nhìn thấy Hình Máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG) gắn vào tuabin gió nhờ hộp giảm tốc Các cuộn dây stato SCIG kết nối với chuyển đổi tồn cơng suất Tua bin gió có nhiệm vụ biến đổi sức gió thành động Cơng suất tuabin gió xác định cách sử dụng phương trình sau [10]: (1) điện cảm ứng không đồng dễ dàng Hầu hết hệ thống điều khiển sử dụng hai kỹ thuật sau: • Kiểm sốt thơng lượng khơng đổi • Điều khiển vector Phương pháp định hướng trường phương pháp điều khiển cho hệ truyền động hiệu suất cao Đặc biệt, máy điện cảm ứng sử dụng nhà máy điện gió thị Điều khiển hướng từ thơng gián tiếp sơ đồ đơn giản có độ tin cậy cao trở thành tiêu chuẩn công nghiệp Loại điều khiển ổn định tiệm cận với điều kiện biết xác điện trở rơto động Nguyên tắc điều khiển mômen điện từ theo phương pháp định hướng từ thông dựa kiến ​thức mơ hình động lực học máy điện a Mơ hình máy phát điện Mơ hình điện máy phát điện cảm ứng SCIG mô tả sau: • Đối với stato: Trong hệ số cơng suất Cp phụ thuộc vào góc cánh quạt β tỷ số tốc độ λ (2) Với: Các thông số C1, C2, C3, C4, C5 C6 phụ thuộc vào đặc tính khí động học tuabin Phương trình động lực học hệ thống thể phương trình sau: (4) • Đối với roto: (5) Với isd, isq dòng điện stato trục d trục q; ird, irq dịng điện rơto trục d trục q; (3) trục q; Trong đó: J tổng mơ men qn tính Sự phát triển chiến lược điều khiển việc sử dụng máy tính thời gian thực cho phép vài năm trở lại đây, việc sử dụng máy phát 80 trục d trục q; từ trường stato trục d và từ trường roto áp stato trục d trục q ; từ điện từ điện áp roto trục d trục q Ngồi ra, Số 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) , điện trở pha stato thành phần thông lượng trục q φrq = Do đó, có: rơto; tốc độ quay rơto tốc độ điện stato Phương trình (5) cho thấy liên hệ Vsd ϕsd Vsq ϕsd • Đối với từ thơng: (9) Lúc đó: (10) (6) Sự điều chỉnh từ thơng trực tiếp gián tiếp: • Điều khiển trực tiếp: thơng lượng điều khiển mạch vịng kín Do đó, phải đo lường ước tính • Điều khiển gián tiếp: thơng lượng khơng đo lường ước tính Nó thiết lập mạch vịng hở Vậy phương trình (5) trở thành: (7) Trong đó: Lm hỗ cảm Ls; Lr độ tự cảm stato roto Mô men điện từ máy phát cảm ứng biểu diễn công thức sau: c Ước lượng biến điều khiển Ta phải tìm tham số ước lượng từ biến đo c.1 Ước lượng φrd Sử dụng phương trình từ thơng rơto ta có: (11) (8) Trong đó: p số đơi cực máy phát Trong số thời gian rơto: b Điều khiển hướng dịng điện Có thể quan sát thấy kết hợp dòng điện stato thành phần từ thông rôto Tuy nhiên, ứng dụng yêu cầu biểu diễn động lực học, cần phải điều khiển giá trị tức thời mômen Nguyên tắc điều khiển hướng dòng bao gồm tách mơmen dịng điện cách triệt tiêu c.2 Ước lượng , θr, θs Sử dụng phương trình trước, ta tốc độ trượt: (12) Góc θs stato: Số 28 81 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bảng 1: Các thơng số mạch điều khiển biến đổi phía máy phát (13) c.3 Ước lượng mô men điện từ Biểu thức ước lượng Mđ từ phương trình sau: (14) Rõ ràng nhược điểm ước lượng liên quan đến biến đổi thông số theo nhiệt độ, tần số (điện trở rôto) tượng bão hòa từ Với nguyên lý điều khiển gián tiếp đề xuất dịng rơto đặt vịng lặp hở biến điều khiển mơ tả hình 2: Hình Mạch điều khiển biến đổi phía máy phát Điều khiển có cách kiểm sốt dịng điện stato kiểm sốt dịng điện isd isq Sử dụng giá trị mong muốn Mđ (mômen điện từ) giá trị danh định từ thơng, mơ hình máy phát sử dụng để tái tạo lại dịng isd isq (tương ứng Isd_ref Isq_ref) Các giá trị so sánh với giá trị đo để tạo tín hiệu điều khiển nghịch lưu nguồn áp (thông qua nghịch đảo biến đổi Park) Tần số góc rơto tái tạo để đảm bảo tính tự điều khiển máy tham chiếu góc (ωs = pΩ + ω r) Cần lưu ý thực tế, ta thường sử dụng cảm biến vị trí (encoder) cho phép hiệu chỉnh góc rơto so với θs Giả sử việc điều khiển vectơ có hiệu quả: • Isd_ref sử dụng để thiết lập thơng lượng • Isq_ref sử dụng để đặt mô-men 82 Các tham số mạch điều chỉnh Kp Ki Điều khiển tốc độ 100 Sau khối điều khiển gián tiếp từ thông, ta xác định tham chiếu dịng điện ba pha phía máy phát Sai lệch hai tín hiệu dịng ba pha tham chiếu ia,b,c_ref dòng điện ia,b,c đo kết nối với khâu điều khiển dịng trễ có dải điều chỉnh cố định, điều tạo tín hiệu điều khiển cho biến đổi phía máy phát III ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA LƯỚI Điều khiển hệ thống điện lưới cấu hình để điều khiển điện áp bus chiều công suất phản kháng biến đổi phía lưới tiêu thụ cung cấp Tham chiếu điện áp bus DC mức điện áp lưới sử dụng để xác định tham chiếu dòng điện, xác định điện áp đặt lên phía lưới Hình mơ tả sơ đồ khối điều khiển phía lưới Bộ chuyển đổi phía lưới nghịch lưu ba pha DC/AC, điều khiển điện áp bus DC khơng đổi dịng điện đưa vào lưới Trong bao gồm mạch vịng điều khiển dịng điện mạch vòng điều khiển điện áp PLL (vòng khóa pha) chịu trách nhiệm trì đồng điện áp lưới điện áp nghịch lưu tạo ra, tạo thành góc θ pha với điện áp lưới, UA, UB UC điện áp lưới Số 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Mạch điều khiển biến đổi phía lưới Mạch vịng điều khiển dịng điện Id (dòng điện trục d) hiển thị Id_ref (dòng điện tham chiếu trục d) tham chiếu từ vòng điều khiển điện áp bus DC Trong vòng điều khiển dòng điện Iq (dòng điện trục q), giả định Iq_ref (dịng điện tham chiếu trục q) khơng, làm cho chuyển đổi hoạt động với hệ số công suất Bảng 2: Các thông số mạch điều khiển biến đổi phía lưới Các tham số mạch điều chỉnh Kp Điều khiển dòng Id 10 0,0625 Điều khiển dòng Iq 10 0,0625 Điều khiển điện áp bus DC Tốc độ góc định mức wđm Tỷ lệ truyền 10 m/s 50 Điện trở stato Rs 0,09 Ω Điện cảm stato Ls 0,9 mH Điện trở roto Rr 0,23 Ω Điện cảm roto Lr 0,9 mH Hỗ cảm Lm 35 mH Ki 0,25 IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hệ thống điện gió Hình thực phần mềm PSIM Các tham số hệ thống sử dụng mô thể Bảng Tần số chuyển mạch chuyển đổi phía lưới 2,5 kHz Điều khiển phía lưới bao gồm thành phần: điều khiển điện áp bus DC điều khiển dịng điện Hình 4, cho thấy kết thu điều khiển điện áp bus DC điều khiển dòng điện Hình cho thấy điện áp tham chiếu bus DC điện áp đo bus DC Kết cho thấy điều khiển điện áp bus DC ổn định điều chỉnh điện áp tham chiếu 1050V Thời gian đạt giá trị xác lập tương đối ngắn có giá trị nhỏ 1s độ vọt điện áp có giá trị nhỏ xấp xỉ 1,9% Bảng 3: Các thông số mô Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Hình Điện áp tham chiếu điện áp đo bus chiều Công suất danh định Số 28 Pđm 20000 W 83 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Dịng điện tham chiếu đo trục d lưới điện Hình Dịng điện tham chiếu đo trục q lưới điện THD dòng điện cho kết tích cực 1,4% đảm bảo tiêu chuẩn nối lưới Hình minh họa dịng điện từ hóa đo máy phát điện tham chiếu nó, mơmen đo máy phát tham chiếu (Hình 10) Như thấy, dịng điện từ hóa mơ-men bám theo tham chiếu tương ứng, điều chứng tỏ hoạt động phù hợp điều khiển Ta quan sát thấy mômen quay thay đổi theo biến thiên tốc độ máy phát Hình Dịng điện stato tham chiếu đo trục d máy phát điện Hình Dịng điện stato tham chiếu đo trục q máy phát điện a) Hình 10 Mô men tham chiếu đo máy phát điện b) Hình a) Dịng ba pha phía lưới b) THD dịng điện phía lưới Hình cho thấy phản hồi điều khiển dịng phía lưới, id iq, bám theo giá trị tham chiếu chúng, id_grid_ref iq_grid_ref; cho thấy hoạt động tốt điều khiển Dòng điện iq trì 0A, giữ cho cơng suất phản kháng đưa lên lưới 0, công suất phản kháng iq điều khiển Kết dịng điện ba pha phía lưới Isa, Isb, Isc trình bày hình 7a, tính tốn 84 Hình 11 Tốc độ tham chiếu đo máy phát điện Số 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình 12 Cơng suất phát lên lưới máy phát điện Hình 12 quan sát khác giá trị cơng suất q trình vận hành hệ thống Công suất tăng tốc độ tăng kết cho thấy cho thấy tốc độ vận hành máy phát cao cơng suất phát vào lưới cao (Hình 11 Hình 12) VI KẾT LUẬN Nghiên cứu tập trung vào hoạt động hệ thống điện gió với SCIG Các điều khiển hệ thống điện gió tính tốn phương pháp luận trình bày xác minh hoạt động phù hợp điều khiển, thông qua kết thu từ điều khiển điện áp bus DC, điều khiển dòng điện, điện áp biến đổi phía lưới điều khiển dịng điện biến đổi phía máy phát Phương pháp điều khiển từ thơng gián tiếp giữ từ thông rôto không đổi thay đổi mômen tải Điều cho thấy điều khiển tách rời từ thông mô-men Từ kết quan sát công suất tác dụng phát lên lưới, lưu ý việc tăng tốc độ máy phát làm tăng công suất phát lên lưới TÀI LIỆU THAM KHẢO A Sikorski, A Kuzma, Cooperation of induction squirrel-cage generator with grid connected ac/dc/ac converter, Bulletin of the Polish Academy of Sciences; Technical Sciences 57 (2009) 317–322 N Caliao, Dynamic modeling and control of fully rated converter wind turbines, Renewable Energy 36 (8) (2011) 2287–2297 Rosmin, N., & Watson, S J (2012) Performance analysis of indirect vector control algorithms for small-sized wind turbine induction generators Energy Procedia, 14, 964–970 Ismael A de Azevedo, Luciano S Barros, Caio D Cunha, Model Reference Adaptive Control for Squirrel-Cage Induction Generator-Based Wind Energy Conversion Systems, International Conference on Power Systems Transients (IPST2019) in Perpignan, France June 17-20, 2019 Nicholas Hawkins, Bhagyashri Bhagwat and Michael L McIntyre, Nonlinear Current-Mode Control of SCIG Wind Turbines, Energies 2021, 14, 55 V Vongmanee, Emulator of wind turbine generator using dual inverter controlled squirrel-cage induction motor, in: The Eighth International Conference on Power Electronics and Drive Systems, Taipei, Taiwan, 2009 R Leidhold, G Garca, M.I Valla, Field-oriented controlled induction generator with loss minimization, IEEE Transactions on Industrial Electronics 49 (2002) 147–156 P.C Krause, O Wasynczuk, S.D Sudhoff, Analysis of Electric Machinery and Drive Systems, second ed., IEEE Press, 2002 N Caliao, Dynamic modelling and control of fully rated converter wind turbines, Renewable Energy 36 (8) (2011) 2287–2297 Granza, M H., Voltolini, H., Ivanqui, J., & Miranda, P L K (2014) Wind power generation control system with squirrel cage induction generator 2014 11th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications Pham Thi Thuy Linh received the Master degree from Ecole Nationale Supérieure d’Electrotechnique, d’Electronique, d’Hydraulique de Toulouse, Toulouse, France in 2008 and PhD degree from Institut National Polytechnique de Toulouse, France in 2011 She works at Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie, Toulouse proposed a solution of new converter more reliable and performance for the electrical system in the new version of Airbus After then, she worked at Strasbourg, France in the company It link System which cooperates with the company Socomec Here, she worked in the team of developers of the new versions of Uninterruptible Power Supply She is actually Lecturer and Researcher at Electric Power University, Hanoi, Vietnam working in the area of multilevel converters for high power and high performance applications Her fields of interest are power electronics, series multicell converters for high power and high performance application, digital control signal, and diagnostic of converter Số 28 85 ... NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình 1: Hệ thống điện gió II PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI MÁY PHÁT Hệ thống phân tích nhìn thấy Hình Máy phát điện cảm ứng lồng. .. dòng điện ia,b,c đo kết nối với khâu điều khiển dòng trễ có dải điều chỉnh cố định, điều tạo tín hiệu điều khiển cho biến đổi phía máy phát III ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA LƯỚI Điều khiển hệ thống. .. điện gió với SCIG Các điều khiển hệ thống điện gió tính tốn phương pháp luận trình bày xác minh hoạt động phù hợp điều khiển, thông qua kết thu từ điều khiển điện áp bus DC, điều khiển dòng điện,