(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện

(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 02 năm 2013 (Ký tên ghi rõ họ tên) NGUYỄN VĂN HẰNG HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu trường, tơi hồn thành đề tài tốt nghiệp cao học Có thành này, nhận nhiều hỗ trợ giúp đỡ tận tình thầy cơ, gia đình, quan bạn bè thời gian học tập vừa qua Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến Thầy TS Nguyễn Thanh Phương Trường Đại học Kỹ thuật Cơng Nghệ TP.HCM, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt kinh nghiệm để hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn đến tất q Thầy Cơ trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM trang bị cho lượng kiến thức bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ Khoa Điện – Điện Tử tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ cho tơi q trình học tập thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè giúp đỡ cho tơi nhiều để vượt qua khó khăn, tạo cho tơi niềm tin nỗ lực phấn đấu để hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn ! Tp Hồ Chí Minh, tháng 02/2013 Học viên thực NGUYỄN VĂN HẰNG HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương ii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục Lục iii Tóm tắt luận văn viii Danh sách hình ix Danh sách ký hiệu sử dụng luận văn xi Phần mở đầu .xv Chương 1.Tổng quan lượng gió 1.1 Hiện trạng phát triển Điện gió giới 1.1.1.Giới thiệu chung tình hình lượng 1.1.2 Tình hình phát triển lượng tái tạo 1.2 Kết nghiên cứu nước nước .4 1.2.1 Những nghiên cứu nước 1.2.2 Kết nghiên cứu nước .5 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu .6 1.5 Phương pháp nghiên cứu .6 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương iii Chương Cơ sở lý thuyết 2.1 Cấu tạo turbine gió 2.1.1 Các loại turbine gió 2.1.2 Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió .8 2.1.3 Các dạng tháp 2.1.4 Cánh quạt trục cánh quạt 10 2.1.5 Động điều chỉnh cánh quạt điều khiển hướng turbine .11 2.1.6 Hệ thống hãm .12 2.1.7 Hộp số chuyển đổi tốc độ hệ thống điều khiển cánh quạt .12 2.1.8 Vỏ turbine 13 2.2 Mơ hình ngun lý vận hành turbine gió 14 2.2.1 Mơ hình điều khiển turbine gió nguồn kép DFIG 14 2.2.2 Nguyên lý làm việc turbine gió 14 2.3 Phương pháp điều khiển mơ hình hệ thống turbine gió… 16 2.3.1 Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định 16 2.3.2 Phương pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ 17 2.3.3 Turbine gió máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) 19 2.3.4 Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió .20 2.4 Điều khiển mờ .20 2.4.1 Cấu trúc điều khiển logic mờ .20 2.4.2 Phân loại điều khiển mờ 21 2.4.3 Các bước tổng hợp điều khiển mờ 22 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương iv Chương Xây dựng mơ hình tốn máy phát khơng đồng nguồn kép 25 3.1 Mơ hình khối turbine gió .25 3.2 Biểu diễn đại lượng pha sang đại lượng vector không gian 27 3.3 Quan hệ hệ trục tọa độ tĩnh α-β hệ trục tọa độ quay d-q 29 3.4 Quan hệ hệ trục tọa độ quay abc hệ trục tọa độ quay d-q 30 3.5 Mơ hình toán máy phát điện (DFIG) hệ trục tọa độ tĩnh α-β 30 3.6 Mơ hình tốn máy phát điện (DFIG) hệ trục tọa độ quay d-q 33 3.7 Điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng máy phát DFIG 36 3.7.1 Cơ sở lý thuyết việc điều khiển 36 3.7.2 Điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản kháng 37 3.8 Mô hình chuyển đổi 40 3.8.1 Hệ thống điều khiển biến đổi phía lưới (GSC) 40 3.8.2 Hệ thống điều khiển biến đổi phía rotor (RSC) 43 3.9 Các đại lượng 47 Chương Thiết kế PID mờ điều khiển máy phát không đồng 49 4.1 Giới thiệu PID kinh điển 49 4.2 Trình tự thiết kế điều khiển PID mờ .50 4.3 So sánh kết mô điều khiển PID mờ khối 56 Chương Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển 58 5.1 Mơ hình điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG 58 5.1.1 Sơ đồ mơ hình mơ Matlab/simulink 60 5.1.2 Mơ hình hệ thống khối Wind turbine Generator&Converters 61 5.1.3 Mơ hình mơ khối điều khiển converter phía lưới 61 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương v 5.1.4 Mơ hình tổng thể khối điều khiển hệ thống máy phát DFIG 63 5.1.5 Sơ đồ tổ máy phát chuyển đổi công suất 64 5.1.6 Mơ hình mơ khối điều khiển Wind DFIG - Grid 65 5.1.7 Mơ hình mơ khối điều khiển converter phía lưới 65 5.1.8 Mơ hình mơ khối điều khiển converter phía rotor .66 5.1.9 Mơ hình mơ khối máy phát khơng đồng 66 5.1.10 Mơ hình mơ khối Rotor máy phát 67 5.1.11 Khối biến đổi dịng điện cơng suất phía lưới 67 5.1.12 Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG .68 5.2 Trình tự mơ .68 5.2.1 Mơ turbine gió đáp ứng với thay đổi vận tốc gió 68 5.2.2 Mơ turbine gió đáp ứng với thay đổi vận tốc gió nhiều .73 5.2.3 Mơ đáp ứng turbine gió xảy cố…………………… 78 5.2.3.1 Mô lưới B25 (25kV) bị chạm đất pha….……… 78 5.2.3.2 Mô lưới B120 (25kV) bị sụt áp………………… 80 Chương Kết luận hướng phát triển đề tài 82 6.1 Kết luận .82 6.1.1 Các kết đạt đề tài 82 6.1.2 Hạn chế 82 6.2 Hướng phát triển đề tài 82 Tài liệu tham khảo 84 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương vi Tóm tắt luận văn Trong năm gần đây, lượng gió trở thành nguồn lượng quan trọng đầy triển vọng việc sử dụng nguồn lượng tái tạo Sự phát triển khoa học công nghệ phục vụ ngành công nghiệp lượng tái tạo có turbine gió nguồn kép (DFIG) thay đổi tốc độ sử dụng nhiều so với turbine tốc độ gió cố định Nội dung luận văn nghiên cứu việc điều khiển hệ thống phát điện tổ máy phát hịa lưới thơng qua chuyển đổi Do stator máy phát điện kết nối trực tiếp vào lưới điện điện áp cố định theo điện áp lưới rotor kết nối thông qua công cụ chuyển đổi AC/DC/AC, nên mục tiêu điều khiển độc lập công suất tác dụng phản kháng phía stator máy phát DFIG qui điều khiển độc lập hai thành phần vector dòng điện stator hệ tọa độ tham chiếu d-q chế độ xác lập Việc điều khiển dịng cơng suất trao đổi stator máy phát điện DFIG lưới điện thực cách sử dụng giải thuật điều khiển mờ để điều khiển độc lập hai thành phần vector dòng stator cách tác động lên điện áp phía rotor thơng qua chuyển đổi AC/DC/AC Kết cho thấy sử dụng PID mờ vào điều khiển đáp ứng hệ thống bám tốt theo thay đổi tín hiệu đặt, điện áp VDC-link giữ ổn định số Mơ hình mơ để nghiên cứu dựa mơ hình có Matlab/Simulink phiên 2010a HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương vii Abstract In recent years, wind energy has become one of the most important energy source and promising for the use of renewable energy sources The development of science and technology for renewable energy industries including wind turbines dual source (DFIG) change the speed to be used more than the fixed speed wind turbines The main content of this thesis is the study of the control system's power generating grid through the converter Due to the stator of the generator is connected directly to the grid voltage and grid voltage fixed while the rotor is connected through a converter AC/DC/AC, so independent control objectives active and reactive power to the generator stator of DFIG is required of independent control of two vector components stator current on d-q reference coordinate system in the setting mode The control power flow exchanged between the DFIG generator stator and the grid is made using fuzzy control algorithm to control two independent components of the stator current vector by acting on the rotor side voltage through the converter AC/DC/AC The results showed that when using fuzzy PI and fuzzy PID control, the system response very good grip on the change of the signal, VDC - link voltage to keep stable and always constant Model was been based simulation to study the existing model of Matlab/Simulink version 2010a HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương viii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 2.1: Các dạng turbine gió Hình 2.2: Cấu tạo turbine gió trục ngang Hình 2.3: Cấu tạo tháp trụ Hình 2.4: Tháp mắc cáo 10 Hình 2.5: Cánh quạt 10 Hình 2.6: Trục cánh quạt 11 Hình 2.7: Động điều chỉnh góc nghiên cánh quạt 11 Hình 2.8: Động điều chỉnh hướng turbine 12 Hình 2.9: Hệ thống hãm turbine 12 Hình 2.10: Hộp số chuyển đổi tốc độ 13 Hình 2.11: Vỏ turbine 13 Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG 14 Hình 2.13: Mơ hình máy phát khơng đồng 16 Hình 2.14: Mơ hình máy phát khơng đồng điều khiển điện trở rotor 17 Hình 2.15: Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor 18 Hình 2.16: Mơ hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ 18 Hình 2.17: Mơ hình turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát DFIG 19 Hình 2.18: Mơ hình kết nối trạm điện gió vào lưới điện 20 Hình 2.19: Các khối chức điều khiển mờ 21 Hình 2.20: Các điều khiển mờ 22 Hình 2.21: Cấu trúc tổng quát hệ mờ 22 Hình 3.1: Đặc tính Cp(λ,β) 26 Hình 3.2: Nguyên lý vector không gian 27 Hình 3.3: Mối quan hệ hệ trục tọa độ tĩnh α-β hệ trục 29 Hình 3.4: Sơ đồ đấu dây hai dây quấn stator rotor dạng Y-Y 30 Hình 3.5: Mạch tương đương máy phát điện DFIG hệ tọa độ quay d-q 35 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương ix Hình 3.6: Mối quan hệ giữ đại lượng hệ trục tọa độ α-β d-q … 36 Hình 3.7: Giản đồ vector điện áp lưới vector từ thông stator .38 Hình 3.8: Cấu trúc chuyển đổi nguồn điện áp back-to-back 40 Hình 3.9: Sơ đồ mạch lọc tương đương lọc RL 41 Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển GSC 42 Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiể GSC dùng PID mờ 42 Hình 3.12: Đường đặc tính V-I turbine 44 Hình 3.13: Bộ điều khiển dòng điện 45 Hình 3.14: Sơ đồ khối điều khiển RSC 46 Hình 4.1: Cấ u trúc bơ ̣ điề u khiể n PID mờ kinh điển 49 Hình 4.2: Đặc tính động học điều khiển PID 49 Hình 4.3: Bộ chỉnh định mờ tham số PID 51 Hình 4.4: Tập mờ ngõ vào Kp mờ 51 Hình 4.5: Tập mờ ngõ vào KI mờ 52 Hình 4.6: Tập mờ ngõ vào KD mờ 52 Hình 4.7: Tập mờ ngõ Kp mờ 53 Hình 4.8: Tập mờ ngõ KI mờ 53 Hình 4.9: Tập mờ ngõ KD mờ 54 Hình 4.10: Quy luật thay đổi Kp 54 Hình 4.11: Quy luật thay đổi KI 55 Hình 4.12: Quy luật thay đổi KD 55 Hình 4.13: Sơ đồ điều khiển PI thơng thường khối Vdq_ctrl_grid_conv 56 Hình 4.14: Sơ đồ điều khiển PID mờ khối Vdq_ctrl_grid_conv 56 Hình 4.15: Điện áp, dịng điện, cơng suất điện áp Vdc-link 57 Hình 4.16: Điện áp, dịng điện, cơng suất điện áp Vdc-link 57 Hình 5.1: Sơ đồ tổ máy phát điện turbine gió cơng suất 9MW 60 Hình 5.2: Sơ đồ mơ tổ máy phát điện turbine gió cơng suất 9MW 60 Hình 5.3: Mơ hình khối Wind turbine Generator&Converter 61 Hình 5.4: Mơ hình mơ khối Wind turbine 61 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương x Mơ hình kết mơ dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Motor Speed (pu) 0.994 0.9935 0.993 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 5.21 Điện áp B120, B25, B575, công suất tác dụng, công suất phản kháng B25, điện áp dòng tải B2300, tốc độ Mag (% of Fundamental) 20 động có cơng suất 1,68MW 15 5.2.2 Mơ turbine gió đáp ứng với thay đổi vận tốc gió theo nhiều cấp Tốc độ gió ban đầu thiết lập 8(m/s) sau t=5s, tốc độ gió tăng 10 dần lên 9(m/s),10(m/s),11(m/s),12(m/s),13(m/s),16(m/s), ổn định 14(m/s) Thời 0gian mô dài T=100 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 Xem xét đáp ứng công suất turbine gió, thay đổi góc pitch lúc vận tốc gió thay đổi với việc sử dụng PID mờ Kết mô phỏng: Tốc độ máy phát, vận tốc gió, góc pitch turbine Speed (pu) 1.2 1.1 0.9 0.8 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 70 80 90 100 700 800 900 1000 70 80 90 100 Wind speed (m/s) 18 Mag (% of Fundamental) Mag (% of Fundamental) 16 14 20 12 10 15 10 20 30 40 50 Time (s) 60 Pitch angle (deg) 20 15 0 100 10 200 20 300 30 10 400 500 600 Frequency (Hz) 40 50 Time (s) 60 Hình 5.22 Tốc độ máy phát, vận tốc gió góc pitch turbine máy phát DFIG 20 ag (% of Fundamental) 10 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 15 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 10 73 Mơ hình kết mơ dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Nhận xét Tại t = 10s, công suất tạo bắt đầu tăng nhẹ (cùng với tốc độ turbine) đạt tới giá trị công suất 8MW khoảng 52s Tại t=61,1s tốc độ gió tốc độ định mức 14(m/s) nên góc pitch thay đổi từ 00 đến 2,890 để lượt bớt cơng suất gió Tại t=70s tốc độ gió thiết lập 14(m/s) lúc góc pitch cánh turbine 2,890 điều khiển giảm đến 0,760 để lượt bớt lượng thu vào tốc độ máy phát trì 1,21(pu) Cơng suất phản kháng điều khiển để trì điện áp (1pu) Tại cơng suất định mức, turbine gió hấp thụ 0,68 MVAR (tạo Q = -0,68 MVAR) để điều khiển trì điện áp (1pu) Điện áp, dịng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp Vdc trung gian Pos.seq.V1-B575 (pu) 1.5 0.5 0 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 70 80 90 100 700 800 900 1000 70 80 90 100 700 800 900 1000 70 80 90 100 800 900 Pos.seq I1-B575 (pu) Mag (% of Fundamental) 20 15 20 30 40 50 Time (s) 60 10 Generator P(MW) 10 20 Mag (% of Fundamental) 10 15 0 100 10 200 20 300 30 400 500 600 Frequency (Hz) 40 10 50 Time (s) 60 Generator Q (Mvar) -0.2 Mag (% of Fundamental) 20 -0.4 100 200 300 -0.6 15 -0.8 10 20 30 40 50 Time (s) 60 20 (% of Fundamental) 10 400 500 600 Frequency (Hz) 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 15 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 10 1000 74 Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Vdc(V) 1204 1203 1202 1201 1200 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.23 Điện áp, dịng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp trung gian Vdc-link 20 Mag (% of Fundamental) Nhận xét: 15 Ban đầu điện áp B575 trì điện áp lưới Tại t=10s, tốc độ gió tăng 10 dần lên từ 8(m/s) đến 13(m/s) dịng điện tăng dần đạt giá trị 0,8pu Điện áp 5phát lên từ máy phát điện áp lưới Điện áp Vdc-link trung gian converter giữ ổn định gần điện áp 1200(V) sau 44(s) Tại t= 54s tốc độ gió thiết lập 0 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 16(m/s) vượt tốc độ định mức nên điện áp Vdc-link trung gian có dao động nhẹ ổn định tốc độ gió thiết lập tốc độ định mức 14(m/s), công suất tác dụng công suất phản kháng phát lên lưới gần giá trị định mức tổ máy phát giữ ổn định Dòng điện id-rotor Id-rotor (pu) 0.3 0.2 0.1 -0.1 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.24 Dạng sóng dịng điện id- rotor máy phát điện DFIG Dòng điện iq-rotor Mag (% of Fundamental) 20 Iq-rotor (pu) 15 -0.4 10 -0.6 -0.8 0 10 20 100 30 200 300 40 50 Time (s) 400 500 60 600 70 700 80 800 90 100 900 1000 (Hz) máy phát điện DFIG Hình 5.25 Dạng sóng dịng Frequency điện iq- rotor Mag (% of Fundamental) 20 15 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 10 75 Mơ hình kết mơ dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Moment điện từ máy phát điện DFIG Te (pu) -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.26 Dạng moment điện từ máy phát điện DFIG Nhận xét: Mag (% of Fundamental) 20 Khi vận tốc gió tăng, cơng suất tác dụng ngõ turbine gió gia 15 tăng tương ứng, nhiên turbine gió kết nối lưới thơng qua chuyển đổi cơng 10 suất nên cơng suất ngõ biến động Khi tốc độ gió thay đổi, góc pitch cánh thay đổi, nhiên nhờ kết nối lưới thơng qua chuyển đổi nên góc pitch quạt biến động Chỉ tốc độ gió thay đổi giới hạn chuyển đổi, góc 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Frequency (Hz) pitch cánh quạt tác động để giảm bớt công suất ngõ vào Moment điện từ máy phát thay đổi theo tốc turbine nhận tốc gió định mức Điện áp bus B120, B25, B575, công suất tác dụng, công suất phản kháng B25, điện áp dòng tải B2300, tốc độ động có cơng suất 1,68MW Vabc-B120 (pu) 0.9998 0.9996 0.9994 0.9992 0.999 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 60 70 80 90 100 900 1000 Vabc-B25 (pu) 0.998 20 Mag (% of Fundamental) 0.996 15 0.994 100 10 20 30 40 0 100 200 300 20 Mag (% of Fundamental) 50 Time (s) 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 15 10 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 0 100 200 300 400 500 600 700 76 800 900 1000 Mơ hình kết mơ dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Vabc-B575 (pu) 1.0014 1.0012 1.001 1.0008 1.0006 1.0004 1.0002 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 60 70 80 90 100 P-B25 (MW) Mag (% of Fundamental) -2 20 -4 -6 15 -8 10 20 30 40 50 Time (s) 10 Q-B25 (Mvar) 1.5 Mag (% of Fundamental) 20 0 100 200 300 0.5 15 700 800 900 1000 10 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 700 800 900 70 80 90 100 V-Plant 2.3kV pos.seq.(pu) 0.999 100 200 300 0.998 20 Mag (% of Fundamental) 400 500 600 Frequency (Hz) 400 500 600 Frequency (Hz) 1000 0.997 15 0.996 10 20 30 40 50 Time (s) 60 100 10 Mag (% of Fundamental) Hình 5.27 Điện áp bus B120, B25, B575, công suất tác dụng, công suất phản kháng B25 20 0 100 200 I Plant pos.seq.(pu/2MVA) 300 15 0.968 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 70 80 90 700 800 900 80 90 1000 0.966 10 0.964 0.962 0 10 20 100 200 30 300 0.994 40 50 Time (s) 60 Motor Speed 400 500 (pu) 600 Frequency (Hz) 100 1000 Mag (% of Fundamental) 20 0.9935 15 0.993 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 100 10 Mag (% of Fundamental) Hình 5.28 Điện áp dịng tải B2300, tốc độ động công suất 1,68MW 20 0 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 15 10 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 77 Mơ hình kết mơ dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) 5.2.3 Mơ đáp ứng turbine gió xảy cố 5.2.3.1 Mô lƣới B25 (25kV) bị chạm đất pha Khi turbine gió bị cố chạm đất pha B25 thời điểm t=5s, thời gian chạm đất chu kỳ Lúc hệ thống turbine gió DFIG vận hành mơ hình điều chỉnh điện áp “Voltage regulator” ta thấy điện áp B25 thời điểm t=5s, thời gian chạm đất chu kỳ Điện áp B575 sụt xuống 0,8pu nên thời gian ngắn hệ thống cung cấp từ máy phát lượng công suất 5MVar để bù điện áp cho lưới sau ổn định 1pu hệ thống bảo vệ khơng tác động, hệ thống turbine gió hoạt động để phát cơng suất vào lưới Pos.seq.V1-B575 (pu) 0.8 4.5 5.5 Time (s) Pos.seq.I1-B575 (pu) 0.8 0.6 Mag (% of Fundamental) 0.4 20 0.2 15 4.5 5.5 Time (s) 10 Generator Q(Mvar) Mag (% of Fundamental) 20 0 15 100 200 300 4.5 400 500 600 Frequency (Hz) 5.5 Time (s) 10 700 800 900 6.5 1000 Speed (pu) 1.2 Mag (% of Fundamental) 20 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 35 40 45 800 900 1000 15 0.8 10 10 15 20 25 Time (s) 30 50 20 Mag (% of Fundamental) 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 1000 15 10 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 0 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 78 800 900 1000 Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Pitch angle (deg) 0.5 0 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 5.29 Điện áp, dịng điện, tốc độ, cơng suất phản kháng góc pitch B575 xảy cố Mag (% of Fundamental) 20 Khi turbine gió bị cố chạm đất pha B25 thời điểm t=5s, 15 thời 10 gian chạm đất chu kỳ Lúc hệ thống turbine gió DFIG vận hành mơ5 hình điều chỉnh cơng suất phản kháng “var regulator” với Qref=0MVar, điện áp B575 sụt xuống 0,7pu nên thời điềm t=5,115s hệ thống bảo vệ 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 điện áp cực tiều tác động ngắt hệ thống turbine gió khỏi lưới điện Khi tốc độ quay rotor máy phát DFIG tăng cao lên đến 1,55pu, đồng thời góc pitch β điều chỉnh tăng lên 330 t=28s để hạn chế tốc độ Pos.seq.V1-B575 (pu) 1.2 0.8 0.6 4.5 5.5 5.5 Time (s) Pos.seq.I1-B575 (pu) 0.4 0.3 Mag (% of Fundamental) 20 0.2 0.1 15 4.5 Time (s) 10 Sped (pu) 1.6 1.4 Mag (% of Fundamental) 20 1.2 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 40 45 1000 15 0.8 10 15 20 25 Time (s) 30 35 50 10 Mag (% of Fundamental) 20 0 100 200 300 15 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 10 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 0 100 200 300 400 500 600 700 79 800 900 1000 Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Pitch angle (deg) 30 20 10 0 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 5.30 Điện áp, dịng điện, tốc độ góc pitch B575 xảy cố 5.2.3.2 Mô lƣới B120 bị sụt áp Mag (% of Fundamental) 20 Quan sát tác động lưới sụt điện áp từ cố xảy từ xa hệ 15 thống B120 (120kV) Trong mô này, phương thức hoạt động ban đầu 10 thiết lập Var quy định với Qref = tốc độ gió không đổi mức 8m/s Tại 0,155 pu điện áp sụt giảm lâu dài 0,5s cài đặt, khối nguồn điện áp 120kV xảy0ra tại0 thời 100 điểm t 200 = 5s Các kết 400 mô500 phỏng600 minh họa sụt áp900 1000 hệ 300 700 800 Frequency (Hz) thống 120kV (hệ thống thiết lập điều khiển Q-Var ) Quan sát điện áp tốc độ động V-Plant 2.3kV pos seq (pu) 0.8 0.6 4.5 5.5 Time (s) 6.5 6.5 I Plant pos.seq.(2pu/MVA) Mag (% of Fundamental) 20 15 4.5 10 5.5 Time (s) Motor speed (pu) Mag (% of Fundamental) 20 15 100 200 4.5 300 10 400 500 600 Frequency (Hz) 5.5 Time (s) 700 800 900 6.5 1000 20 Mag (% of Fundamental) 0.5 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 15 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 10 80 Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) P-B25(MW) 4.5 5.5 Time (s) 6.5 Hình 5.31 Điện áp tải, dịng điện tải, tốc độ động cơ, công suất lưới B25 Ở chế độ điều khiển turbine gió thay đổi thiết lập điện áp tiến hành mô 20 Mag (% of Fundamental) Kết hỗ trợ điện áp cung cấp từ công suất phản kháng 15 MVAR tạo từ turbine gió nên giữ điện áp ngưỡng bảo vệ 0,9pu V-Plant s.3kV pos.seq.(pu) 10 1.2 0.8 0.6 100 200 4.5 300 400 500 600 Frequency (Hz) 5.5 Time (s) 700 800 900 6.5 1000 I Plant pos.seq.(pu/2MVA) Mag (% of Fundamental) 202 15 4.5 10 5.5 Time (s) 6.5 Motor speed (pu) 1.02 1.01 Mag (% of Fundamental) 201 0 100 200 300 0.99 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 15 0.98 4.5 5.5 Time (s) 10 6.5 Hình 5.32 Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động Nhận xét: Mag (% of Fundamental) 20 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Trong thời gian xảy cố t=0,5s điện áp cấp cho tải V-Plant 2,3kV bị Frequency (Hz) sụt15áp ổn định, tương tự tốc độ động ổn định hệ thống 10 phát bù lượng công suất phản kháng từ máy phát DFIG người vận hành thiết lập hệ thống ổn định 0 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 800 900 1000 81 Kết luận hướng phát triển đề tài Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận Sau tìm hiểu nguồn lượng gió Việt Nam cho thấy tiềm để phát triển khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia, thay nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt Tuy nhiên ta giai đoạn nghiên cứu ứng dụng nhỏ Do việc nghiên cứu điều khiển vấn đề liên quan đến máy phát điện gió cần thiết tương lai 6.1 Nội dung thực - Tổng quan nhu cầu lượng điện tình hình lượng giới - Tiềm nhu cầu, thuận lợi khó khăn sử dụng lượng gió Việt Nam - Tìm hiểu hệ thống phát điện gió: Cấu tạo loại turbine gió - Nguyên lý vận hành turbine gió, phương pháp điều khiển, mơ hình phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió - Q trình biến đổi lượng gió, sử dụng PID mờ điều khiển công suất ngõ 6.1.2 Hạn chế - Việc nghiên cứu thực mơ hình có Matlab/Simulink nên chưa có thời gian nghiên cứu sâu thêm để cải thiện vấn đề mở rộng giới hạn tốc độ gió thực tế - Chưa nghiên cứu lãnh vực hòa lưới tác động turbine gió gây ảnh hưởng đến ổn định hệ thống 6.2 Hƣớng phát triển đề tài Ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật điều khiển đại vào lĩnh vực lượng tái tạo cần thiết mang tính cấp bách tương lai khơng xa Do cần phải quan tâm nghiên cứu thêm vấn đề sau HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 82 Kết luận hướng phát triển đề tài - Khảo sát ảnh hưởng hệ thống nhiều máy phát điện gió cơng suất lớn (cánh đồng gió) kết nối với lưới điện - Các kỹ thuật điều khiển chuyển đổi công suất cho turbine gió xem xét tác động chúng đến lưới điện turbine gió - Nghiên cứu lãnh vực hòa lưới tác động turbine gió gây ảnh hưởng đến ổn định hệ thống - Nghiên cứu trường hợp xảy cố turbine tác động ảnh hưởng đến toàn hệ thống - Các kỹ thuật điều khiển turbine gió đại kết hợp mạng neuron logic mờ… HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Bách Phúc, Ks Nguyễn Hữu Bính, “Tổng quan phát triển điện gió giới”, Viện Điện-Điện tử Tin học TP.HCM [2] Nguyễn Hoàng Dũng&Nguyễn Quốc Khánh, “Hướng dẫn quy hoạch phát triển điện gió Việt Nam” GIZ/MoIT [3] TS Nguyễn Như Hiền &TS Lại Khắc Lãi, “Hệ mờ nơron kỹ thuật điều khiển”-2007 [4] PGS.TS Nguyễn Thị Phương Hà, “Cơng nghệ tính toán mềm” [5] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động” NXBKH&KT-2006 [6] PGS.TS Lê Minh Phương, TS Phan Quốc Dũng, “Simulink-power system blockset phòng thí nghiệm truyền động điện” [7] LVTh.S Nguyễn Trọng Thắng, “Điều khiển máy phát điện cảm ứng cấp nguồn từ phía”.ĐHSPKT-2010 [8] LVTh.S Bùi Văn Vĩ, “Nghiên cứu hệ thống điều khiển máy phát điện cảm ứng kích từ kép”.ĐHĐN-2012 [9] LVTh.S Tống Thị Hiếu “ Nghiên cứu hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát khơng đồng nguồn kép DFIG” ĐHSPKT-2010 [10] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước “ Lý thuyết điều khiển mờ” NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2002 [11] Phần mềm Matlab/simulink version 2010a [12] Ana I Estanqueiro, R Aguiar, J A Gil Saraiva, Rui M G Castro and J M Ferreira de Jesus, “Development and Application of a model for power output fluctuations in a wind farm” In proceedings of the European Wind Energy Conference, Lübeck-Travemund, Germany, March, 1993 [13] System dynamic performance subcommittee of the Power system engineering committee of the Power Engineering Society, “Eigenanalysis and Frequency Domain Methods for Power Systems: Dynamic Performance” IEEE 90TH0292-3PWR IEEE, Piscataway, NJ, USA, 1989 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 84 [14] Carson W Taylor, “Power System Voltage Stability” EPRI Power Engineering Series, McGraw Hill, 1994 [15] System dynamic performance subcommittee of the Power system engineering committee of the Power Engineering Society, “Voltage Stability of Power Systems: Concepts, Analytical tools, and industry experience” IEEE 90TH0358-2-PWR, Piscataway, NJ, USA, 1990 [16] N Jenkins, Z Saad-Saoud, “A simplied model for large wind turbines” European Union Wind Energy Conference, GAoteborg, Sweden (1996) [17] W.E Leithead, M.C.M Rogers, “Drive-train Characteristics of Constant Speed”.HAWT's: Part I - Representation by Simple Dynamics Models, Wind Engineering Vol 20 No (1996) [18] Muljadi, E., Butterfield, C., Chacon, J., and Romanowitz, H (2006), “Power quality aspects in a wind power plant” Technical Report NREL/CP-500-39183, National Renewable Energy Laboratory, Golden,USA [19] J.Wilkie, W.E Leithead, C Anderson, “ Modelling of Wind turbines by Simple Models” Wind Engineering Vol 13 No (1990) [20] Gilbert M Masters, “Renewable and Efficient Electric Power Systems”Stanford University.2004 [21] Branislav Dosijanoski, M.Sc Student, “Simulation of Doubly-Fed Induction Generator in a Wind Turbine”, XI International PhD Workshop OWD 2009, 17–20 October 2009 [22] Janaka B Ekanayake, Lee Holdsworth, XueGuang Wu, and Nicholas Jenkins “Dynamic Modeling of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines” IEEE Transactions on power systems, vol 18, no 2, may 2003 [23] S Masoud Barakati, “Modeling and Controller Design of a Wind Energy Conversion System Including a Matrix Converter”.Ph.D thesis, University of Waterloo, Ontario, Canada, 2008 [24] Krause, P.C, “Analysis of Electric Machinery and Drive System” McGrawHill Book Company, 2nd Ed., Dec 2001 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 85 [25] A Larsson, “The Power Quality of Wind Turbines” Ph.D thesis, Chalmers University of Technology 2000, ISBN 91-7197-970-0 [26] M C Chang, M C Hsu and M J Chen,“Simulating Dynamic Behavior of a Multimachine Wind Power System”.Journal of Engineering Technology and Education Vol 1, No 2, November 2004, pp 151-161 [27] Seman, S., Niiranen, J., Kanerva, S., Arkkio, A., Saitz, J 2005 “Performance Study of Doubly Fed Wind-Power Generator under Network Disturbances” IEEE Transaction on Energy Conversion, Accepted for future publication, p [28] Clemens Jauch, “Stability and Control of Wind Farms in Power Systems” Ph.D thesis, Aalborg University, Denmark October 2006 [29] Aleksandar Radovan Katancevic, “Transient and Dynamic Stability on Wind Farms” Master’s thesis submitted for approval for the degree of Master of Science, Helsinki university of technology, March, 3rd 2003 [30] http://www.Vinamain.com [31] http://www.baomoi.com [32] http://www.vietnamnet.vn [33] http://www.vietbao.vn [34] http://www.vst.vista.gov.vn [35] http://www.epu.edu.vn [36] http://www.erico.com [37] http://www.plexim.com [38] http://www.en.wikipedia.org [39] http://www.emerging - energy.com HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 86 ... khơng đồng nguồn kép hệ thống phong điện - Xây dựng mô hình tốn học phần tử điều khiển máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) - Xây dựng mơ hình mơ điều khiển máy phát khơng đồng nguồn kép (DFIG)... hình điều khiển turbine gió nguồn kép DFIG Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG 2.2.2 Ngun lý làm việc turbine gió Hình 2.12 trình bày sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn. .. 13 Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG 14 Hình 2.13: Mơ hình máy phát không đồng 16 Hình 2.14: Mơ hình máy phát khơng đồng điều khiển điện trở rotor 17 Hình