4_le_kim_anh_24_32_4341

24 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 58, Kỳ (2017) 24-32 Ứng dụng biến đổi điện tử công suất điều khiển nối lưới cho Tuabin gió Lê Kim Anh * Khoa Điện - Điện tử, Trường Cao Đẳng Công nghiệp Tuy Hịa, Phú n, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Nhận 06/9/2016 Chấp nhận 01/12/2016 Đăng online 28/02/2017 Nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu nguồn lượng gió để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cạn kiệt, gây nhiễm mơi trường Nối lưới tuabin gió sử dụng biến đổi điện tử cơng suất có ưu điểm như: khả truyền lượng theo hướng, kết hợp với mạch lọc giảm sóng hài qua lưới loại trừ sóng hài bậc cao, điều có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện Bài báo đưa kết mơ điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng biến đổi điện tử công suất Ở sử dụng giải thuật hệ bám điểm công suất cực đại nhằm đảm bảo tuabin gió luôn làm việc điểm cực đại tải thay đổi Từ khóa: Năng lượng tái tạo VOC DPC VFVOC VFDPC © 2017 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Ngày nay, với phát mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng lượng người ngày tăng Nguồn lượng tái tạo nói chung, nguồn lượng gió nói riêng dạng nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng gió nước ta lớn Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn lượng gió cho hiệu quả, giảm phát thải chất gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt khí (CO2) mục tiêu nghiên cứu nhiều quốc gia Bộ chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện dùng điều chỉnh hòa đồng cho máy phát điện tách máy phát điện khỏi lưới _ *Tác giả liên hệ E-mail: tdhlekimanh@gmail.com cần thiết Bộ nghịch lưu (DC/AC) phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp mạch chiều trung gian, đồng thời đưa điện áp (AC) nối lưới Các biến đổi điện tử cơng suất giữ vai trị quan trọng hệ thống điều khiển lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES) Hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng biến đổi điện tử công suất, nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển linh hoạt nguồn lượng tái tạo Các biến đổi điện tử công suất Hệ thống điều khiển nối lưới nguồn điện phân tán (Distributed Energy Resources - DER) nói chung tuabin gió với pin nhiên liệu nói riêng Theo (Onar, Uzunoglu, Alam, 2006) tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent magnetic synchronous Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 generator - PMSG) bao gồm thành phần bản, Hình Các biến đổi điện tử công suất thực nhiệm vụ sau: Tuabin gió qua máy phát điện cho điện áp (AC), qua chỉnh lưu (AC/DC) đưa điện áp chiều (DC) Tất điện áp chiều (DC) qua nghịch lưu (DC/AC) đưa điện áp (AC) nối lưới 2.1 Bộ chỉnh lưu nghịch lưu 25 khiển thành phần cơng suất phát vào lưới từ tuabin gió có nhiều phương pháp để điều khiển cho chỉnh lưu PWM phương pháp: VOC, DPC, VFVOC, VFDPC Dựa vào sơ đồ Hình 2, ta xây dựng biểu thức điện áp chỉnh lưu PWM sau: dia  Ri a dt di L b  Ri b dt dic L  Ri c dt du dc C  id dt L  ea  ( S a u dc  u N )  eb  ( S b u dc  u N ) (1)  ec  ( S c u dc  u N ) i L Biểu thức (1) chuyển sang hệ tọa độ dq viết lại sau: did  ed  Ri d  S d udc  Liq dt di L q  eq  Ri q  S q udc  Lid dt 3S q dudc 3S d C  id  iq  iL dt 2 L Hình Sơ đồ điều khiển tuabin gió nối lưới Việc nghiên cứu chỉnh lưu (AC/DC) nghịch lưu (DC/AC) điều chế theo phương pháp độ rộng xung (Pulse Width Modulation PWM) điều chế theo vectơ không gian (Space Vector Modulation) nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu năm gần với ưu điểm vượt trội như: khả truyền lượng theo hướng, với góc điều khiển thay đổi (góc điện), dung lượng sóng hài thấp v.v 2.1.2 Mơ hình tốn học cho nghịch lưu Theo (Nguyễn Văn Nhờ, 2015) nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp chiều thành điện áp xoay chiều ba pha thay đổi tần số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt van, Hình 2.1.1 Mơ hình tốn học cho chỉnh lưu Sơ đồ chỉnh lưu điều chế theo phương pháp độ rộng xung (PWM), Hình Theo (Bai, Wang, Xing, 2007) để đạt mục tiêu điều Hình Sơ đồ dòng điện điện áp chỉnh lưu (2) Hình Sơ đồ nghịch lưu 26 Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 2.2 Cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu nghịch lưu Theo (Yang, et al, 1999) giá trị đầu điện áp qua chỉnh lưu nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa độ dq tính sau: Từ biểu thức (2) mơ hình tốn học chỉnh lưu phân tích Ở Vd = Sdudc, Vq = Squdc, Sd, Sq điện áp vào chỉnh lưu, biểu thức (2) viết lại sau: did  ed  Ri d  Vd  Liq dt diq L  eq  Ri q  Vq  Lid dt du dc u C   dc  ( S d id  S q iq ) dt RL L  Hình Giản đồ xung đóng ngắt nghịch lưu Ta giả thiết tải pha đối xứng nên điện áp: u t  u t  ut  (3) Gọi N điểm nút tải pha dạng hình (Y) Dựa vào sơ đồ hình 3, điện áp pha tải tính sau: ut1  u10  u N  ut  u 20  u N u  u  u 30 N0  t3  K   Vd*   K dp  di  id*  id  ed  Liq S   K qi  *  iq  iq   eq  Lid Vq*   K qp  S   (8) (9) (10) (4) u10  u 20  u30 (5) Thay biểu thức (5) vào biểu thức (4) ta có phương trình điện áp pha tải sau: Với: u N  2u10  u 20  u 30 2u 20  u 30  u10  2u 30  u10  u 20  u t1  ut ut (6) Hình Sơ đồ điều khiển cho mạch vòng điện áp Điện áp dây tải tính sau: ut12  u10  u 20  ut 23  u 20  u30 u  t 31  u30  u10 (7) Thành phần điện áp thứ tự khơng bỏ qua giả thiết tải đối xứng, nên điện áp thứ tự khơng khơng tạo dịng điện Tuy nhiên trường hợp có hai nghịch lưu nối song song với điểm nối trực tiếp phía xoay chiều chiều gây dịng điện thứ tự khơng chạy vịng, xuất đường dẫn nó, ta khơng thể bỏ qua dịng điện thứ tự khơng Hình Điều khiển mạch vòng dòng điện Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 27 Mặt khác theo (Kazmierkowski, Krishnan, Blaabjerg, 2002) hàm truyền mạch lọc tính sau: i( s)  u ( s) R  SL G f ( s)  (11) Hàm truyền PWM Gd ( s)  1  1.5Ts S (12) Từ biểu thức (8), (9), (10), (11) (12) cấu trúc điều khiển mạch vòng điện áp mạch vòng dòng điện cho chỉnh lưu nghịch lưu mơ tả, Hình Hình Hình Đường cong biểu diễn mối quan hệ Cp λ Mơ hình tuabin gió 3.1 Mơ hình tuabin gió Theo (Lê Kim Anh, 2013) cơng suất tuabin gió tính theo biểu thức: Pm  C p ( ,  ) A (13) v3 Trong đó: Pm: Cơng suất đầu tuabin (W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi lượng (là tỷ số tốc độ đầu cánh λ góc cánh β); A: Tiết diện vòng quay cánh quạt (m2); ρ: Mật độ khơng khí, ρ = 1.255 (kg/m3) Từ biểu thức (13) ta thấy vận tốc gió yếu tố quan trọng công suất; công suất đầu tăng theo lũy thừa vận tốc Hệ số biến đổi lượng Cp(λ, β) biểu thức (13) tính sau: Hình Đường cong biểu diễn mối quan hệ Pm tốc độ gió tốc độ máy phát điện thông số đầu mơmen, Hình 21 116 C p ( ,  )  0.5176(  0.4  5)e i  0.0068 (14) i với i    0.08  (15) 0.035 1  Như ta biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió tốc độ là:   R ω tốc độ quay v tuabin, R bán kính tuabin, v vận tốc gió Do mơmen tuabin gió tính sau: Tm  Pm    R C p  (16) Mặt khác tuabin gió vận hành theo quy tắc điều khiển khác tùy thuộc vào tốc độ gió Đường cong biểu diễn mối quan hệ Pm tốc độ gió, Hình Từ biểu thức (13), (14), (15), (16) phân tích trên, mơ hình tuabin gió xây dựng Matlab/Simulink với thơng số đầu vào tốc độ gió, 3.2 Mơ hình máy phát điện (PMSG) Mơ hình máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) có hai loại hệ trục tọa độ sử dụng: hệ tọa độ  gắn cố định với Stator hệ tọa độ dq gọi hệ tọa độ tựa hướng từ thơng rotor, Hình 10 Theo (Nguyễn Phùng Quang, 2006) phương trình dịng điện điện áp PMSG biểu diễn hệ tọa độ dq sau: L disd 1  isd  s sq isq  u sd dt Tsd Lsd Lsd di sq p L 1   s sd i sd  i sq  u sq   s dt Lsq Tsq Lsq Lsq (17) (18) Trong đó: Lsd điện cảm Stator đo vị trí đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo vị trí ngang cực;  p từ thông cực (vĩnh cửu); Tsd, Tsq số thời gian Stator vị trí đỉnh cực Phương trình mơmen tính sau: 28 Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 Hình Mơ hình tuabin gió UA Tọa độ α θ Tọa độ d ω Tọa độ β Tọa độ q UB UC Hình 10 Hệ trục tọa độ αβ dq Hình 11 Mơ hình máy phát điện PMSG Lê Kim Anh /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(1), 24-32 mM    sau: kỹ thuật tìm kiếm kỹ thuật tìm kiếm dựa mơ hình Ở kỹ thuật tìm kiếm dễ thực đòi hỏi số bước lớn hội tụ điểm cực đại (Maximum Point Power, MPP) hội tụ nhanh điểm MPP với kỹ thuật tìm kiếm dựa mơ hình Hình 13, lưu đồ thuật toán P&O điều khiển trực phương pháp MPPT Trong Hình 13, Bộ điều khiển MPPT đo giá trị dòng điện I điện áp V, sau tính tốn độ sai lệch ∆P = P1-P2 , ∆V = Vdc1 -Vdc2 Pc  pisq  isd isq ( Lsd  Lsq ) (19) Để xây dựng mơ hình PMSG matlab/simulink dựa vào biểu thức (17), (18), (19), Hình 11 3.3 Phương pháp điều khiển bám điểm công suất cực đại Tuabin gió Thuật tốn MPPT Tải Xây dựng mơ hình Matlab-Simulink 4.1 Xây dựng mơ hình Matlab-Simuink Hình 12 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực phương pháp MPPT Mơ hình xây dựng dựa sơ đồ cấu trúc điều khiển nối lưới cho tuabin gió ứng dụng biến đổi điện tử cơng suất phân tích Hình 1, mục Sơ đồ mô Matlab - Simulink Hình 14 Hiện có nhiều kỹ thuật để điều khiển tuabin gió theo phương pháp bám điểm công suất cực đại (Maximum Point Power Tracking, MPPT) Ở kỹ thuật điều khiển có ưu nhược điểm khác Hình 12 sơ đồ nguyên lý điều khiển trực phương pháp MPPT Các kỹ thuật phân thành nhóm 4.2 Kết mô Matlab - Simuink Start P1 = Idc1 Vdc1 Vdc1, Idc1, Vdc2, Idc2 P1 - P = P1 - P2 >0 Vdc1-Vdc2 >0 V = V+ΔV 29 Vdc1-Vdc2 < V = V -ΔV V = V -ΔV V = V+ΔV Return Hình 13 Lưu đồ thuật toán P& O điều khiển trực phương pháp MPPT