(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (dfig)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG THỊ HIẾU NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TUABIN GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) S K C 0 9 NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 9 Tp Hồ Chí Minh, 2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ TỐNG THỊ HIẾU NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG THỊ HIẾU NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2012 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: TỐNG THỊ HIẾU Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 04/05/1984 Nơi sinh: Hải Dƣơng Quê quán: Cộng hòa, Nam Sách, Hải Dƣơng Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: P805 - CC Hồng Long - Dĩ An - Bình Dƣơng E-mail:tonghieu8@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Đại học quy Thời gian đào tạo từ 08/2003 đến 06/ 2008 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Bách Khoa Hà Nội Ngành học: Tự động hóa – XNCN Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 05/06/2008, Đại Học Bách Khoa Hà Nội Ngƣời hƣớng dẫn: ThS Phan Cung Thạc sĩ: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo từ 10/2011 đến 11/ 2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ phạm kỹ thuật TP HCM Ngành học: Thiết bị, mạng Nhà máy điện Tên luận văn: Nghiên cứu hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) Ngƣời hƣớng dẫn: PGS TS Quyền Huy Ánh i Luan van III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2008 - 2010 Công ty CEVT Nhân viên thiết kế 2010 - 2012 Trƣờng ĐH Kinh tế - Kỹ thuật Giảng viên Bình Dƣơng ii Luan van LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 11 năm 2012 Tống Thị Hiếu iii Luan van CẢM TẠ Tôi thực muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS TS Quyền Huy Ánh Trƣởng Khoa Điện – Điện tử trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Thầy tận tình hƣớng dẫn tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Khoa Điện – Điện tử trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh truyền đạt, trang bị kiến thức phƣơng pháp nghiên cứu cho tơi q trình học tập trƣờng Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, quan, đồng nghiệp bạn bè động viên, giúp đỡ tạo cho niềm tin nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! iv Luan van TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TUABIN GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) Đại học Sư phạm kỹ thuật TP HCM – 11/2012 Năng lƣợng gió nguồn lƣợng tái tạo đáng tin cậy phát triển Sự đóng góp nhà máy điện gió tổng nhà máy điện đƣợc lắp đặc ngày tăng tồn giới Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) với tốc độ góc bƣớc thay đổi đƣợc hệ thống tuabin gió phổ biến ngành cơng nghiệp điện gió Hệ thống có khả vận hành độc lập nối với lƣới Nghiên cứu hệ thống tuabin gió - DFIG thực cần thiết để tối ƣu hóa q trình sản xuất điện từ gió dự đốn xác kết q trình Luận văn thực nghiên cứu hệ thống tuabin gió – DFIG nối với lƣới môi trƣờng Matlab/Simulink với khả điều chỉnh độc lập công suất tác dụng, công suất phản kháng khả điều chỉnh điện áp hệ thống nhờ khả phát tiêu thụ công suất phản kháng v Luan van AN ABSTRACT OF A THESIS STUDY OF A DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR (DFIG) BASED WIND TURBINE SYSTEM University of Technical Education Ho Chi Minh City – 11/2012 Wind power is the most reliable and developed renewable energy source The share of wind power with respect to total installed power capacity is increasing worldwide The Doubly Fed Induction Generator (DFIG) based wind turbine with variable-speed variable-pitch control scheme is the most popular wind power generator in the wind power industry This machine can be operated either in grid connected or standalone mode A thorough understanding of the modeling, control, and dynamic as well as the steady state analysis of this machine in both operation modes is necessary to optimally extract the power from the wind and accurately predict its performance In this thesis, a detailed electromechanical model of a DFIG-based wind turbine connected to power grid is developed in the Matlab/Simulink environment It has ability to control reactive power and decouple control of active and reactive power by independently controlling the rotor excitation current It has the capability for generating or absorbing reactive power and could be use to control the reactive power or the voltage at the grid terminals vi Luan van MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao để tài Xác nhận GVHD Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Cảm tạ iv Tóm tắt luận văn v Mục lục vii Danh sách từ viết tắt xi Danh sách hình vẽ x Phần mở đầu Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung hệ thống tuabin gió .3 1.1.1 Tuabin gió 1.1.2 Cấu tạo tuabin gió 1.1.3 Phạm vi hoạt động tuabin gió 1.1.4 Các loại máy phát điện tuabin gió 1.2 Các kết nghiên cứu nƣớc cơng bố 1.3 Mục đích nghiên cứu 11 1.4 Đối tƣợng nghiên cứu 11 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .11 1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu 12 1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu .12 1.8 Đề cƣơng luận văn .12 Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Chuyển đổi hệ trục tọa độ abc↔𝛂𝛃↔dq 13 2.1.1 Mơ hình MĐKĐB hệ tọa độ 𝛂𝛃 14 2.1.2 Hệ qui chiếu quay đồng dq .15 vii Luan van Chương Mơ hệ thống tuabin gió - DFIG Hình 5.16 Điện áp lưới nhà máy có sụt áp lưới 120kV với mơ hình điều chỉnh điện áp Khi hệ thống tuabin gió phát cơng suất MW cấp cho lƣới Tại thời điểm t = s, tuabin gió – DFIG phát cơng suất phản kháng tăng lên Mvar để bù sụt áp lƣới, đảm bảo trì điện áp lƣới dao động khoảng từ 0,9 - pu (hình 5.17) 69 Luan van Chương Mô hệ thống tuabin gió - DFIG Hình 5.17 Đáp ứng hệ thống tuabin gió - DFIG có sụt áp lưới 120kV với mơ hình điều chỉnh điện áp 5.3.3 Khi lƣới 120 kV bị vọt áp Xét cố vọt áp lƣới 120 kV thời điểm t = s, độ vọt áp 0,15 pu thời gian kéo dài 0,5 s Khi hệ thống tuabin gió – DFIG vận hành với mơ hình điều khiển công suất phản kháng “Var regulation” với Qref = Mvar, ta thu đƣợc kết mô nhƣ hình 5.18 70 Luan van Chương Mơ hệ thống tuabin gió - DFIG Hình 5.18 Điện áp lưới nhà máy có vọt áp lưới 120kV với mơ hình điều chỉnh cơng suất phản kháng Tại thời điểm t = s, giá trị điện áp tăng lên 1,15 pu t = 5,233 s, hệ thống bảo vệ tác động cắt nguồn nhà máy điện áp vƣợt ngƣỡng cho phép (1,1 pu) Dịng điện nhà máy giảm khơng tốc độ động giảm dần không Khi đáp ứng tuabin gió – DFIG nhƣ hình 5.19, điện áp B575 tăng lên 1,15 pu, tăng giá trị cho phép (1,1 pu) nên thời điểm t = 5,115 s, hệ thống bảo vệ tuabin gió tác động cắt hệ thống khỏi lƣới Khi đó, tốc độ quay rotor máy phát tăng cao lên tới 1,55 pu, góc bƣớc β đƣợc điều chỉnh tăng lên 330 t = 28 s để hạn chế tốc độ 71 Luan van Chương Mơ hệ thống tuabin gió - DFIG Hình 5.19 Đáp ứng hệ thống tuabin gió - DFIG có vọt áp lưới 120kV với mơ hình điều chỉnh cơng suất phản kháng Xét tƣơng tự hệ thống tuabin gió - DFIG vận hành với mơ hình điều chỉnh điện áp “Voltage regulation”, kết mơ nhƣ hình 5.20 Tại thời điểm t = s, giá trị điện áp 120 kV vọt lên 1,15 pu nhƣng có điều chỉnh điện áp nên điện áp 25 kV tăng lên 1,05 pu điện áp B575 tăng lên 1,01 pu Đó giá trị điện áp nằm ngƣỡng cho phép (1,1 pu) nên hệ thống bảo vệ không tác động cắt nguồn nhà máy Dòng điện nhà máy tốc độ động đƣợc trì pu 72 Luan van Chương Mô hệ thống tuabin gió - DFIG Hình 5.20 Điện áp lưới nhà máy có vọt áp lưới 120kV với mơ hình điều chỉnh điện áp Khi hệ thống tuabin gió phát cơng suất MW cấp cho lƣới Tại thời điểm t = s, tuabin gió – DFIG tiêu thụ cơng suất phản kháng Mvar để giảm độ vọt áp lƣới, đảm bảo trì điện áp lƣới pu (hình 5.21) 73 Luan van Chương Mô hệ thống tuabin gió - DFIG Hình 5.21 Đáp ứng hệ thống tuabin gió - DFIG có vọt áp lưới 120kV với mơ hình điều chỉnh điện áp 5.3.4 Khi lƣới 25 kV bị cố chạm đất pha Xét cố chạm đất pha A lƣới 25 kV (thanh B25) thời điểm t = s, thời gian chạm đất chu kỳ Khi hệ thống tuabin gió – DFIG vận hành với mơ hình điều chỉnh cơng suất phản kháng “Var regulation” với Qref = Mvar, kết mô nhƣ hình 5.22 Tại thời điểm có tƣợng chạm đất, điện áp B575 sụt xuống 0,6 pu nên thời điểm t = 5,115 s hệ thống bảo vệ điện áp cực tiểu tác động ngắt hệ thống tuabin gió khỏi lƣới điện Khi đó, tốc độ quay rotor máy phát 74 Luan van Chương Mơ hệ thống tuabin gió - DFIG tăng cao lên tới 1,55 pu, đồng thời góc bƣớc β đƣợc điều chỉnh tăng lên 330 t = 28 s để hạn chế tốc độ Hình 5.22 Đáp ứng hệ thống tuabin gió – DFIG có cố chạm đất pha lưới 25kV với mơ hình điều chỉnh cơng suất phản kháng Xét tƣơng tự hệ thống tuabin gió - DFIG vận hành với mơ hình điều chỉnh điện áp “Voltage regulation”, ta thu đƣợc kết mô nhƣ hình 5.23 Tại thời điểm có tƣợng chạm đất, có tƣợng sụt áp nên hệ thống tuabin gió phát MVar để bù điện áp, điện áp B575 sụt xuống 0,8 pu thời gian ngắn sau ổn định pu nên hệ thống bảo vệ không tác động, hệ thống tuabin gió hoạt động để phát cơng suất vào lƣới 75 Luan van Chương Mô hệ thống tuabin gió - DFIG Hình 5.23 Đáp ứng hệ thống tuabin gió – DFIG có cố chạm đất pha lưới 25kV với mơ hình điều chỉnh điện áp Qua phân tích ta nhận thấy nhờ khả điều chỉnh điện áp hệ thống tuabin gió – DFIG khắc phục đƣợc tƣợng vọt áp, sụt áp lƣới nhƣ sụt áp chạm đất pha 76 Luan van Chương Kết luận Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận Trong luận văn thực đƣợc vấn đề cụ thể nhƣ sau: - Phân tích cấu tạo nguyên lý hoạt động DFIG - Thực mơ hình hóa đƣợc hệ thống tuabin gió – DFIG với thành phần hệ thống nguyên tắc hoạt động thành phần chi tiết đƣợc giải thích rõ ràng Hệ thống tuabin gió - DFIG thực điều chỉnh công suất tác dụng công suất phản kháng máy phát, hiệu suất phát điện cao, cải thiện đƣợc chất lƣợng điện cải thiện đƣợc trình động học hệ thống nhờ biến đổi hai chiều AC/DC/AC rotor máy phát - Thực phân tích phạm vi hoạt động mơ hình vận hành hệ thống tuabin gió – DFIG Khi tốc độ gió dƣới tốc độ đóng hệ thống tuabin gió – DFIG khơng phát cơng suất cho lƣới Khi tốc độ gió khoảng tốc độ đóng tốc độ định mức cơng suất phát hệ thống tuabin tăng tỷ lệ với tốc độ gió góc bƣớc lúc 00 Khi tốc độ gió cao tốc độ định mức hệ thống tuabin gió ln phát cơng suất cơng suất định mức vào lƣới góc bƣớc tăng tỷ lệ với tốc độ gió để giảm hiệu suất biến đổi lƣợng hệ thống tuabin Từ đƣa ba mơ hình vận hành hệ thống tuabin gió - DFIG dịch chuyển cơng suất cực đại, điều khiển bƣớc điều chỉnh công suất - Phân tích hệ thống điều khiển RSC, GSC điều khiển bƣớc cho hệ thống tuabin gió – DFIG - Thực mơ hệ thống tuabin gió – DFIG gồm tuabin với công suất tổng MW nối với lƣới trƣờng hợp cụ thể tốc độ gió thay đổi lƣới có cố sụt áp, vọt áp cố chạm đất pha để 77 Luan van Chương Kết luận thấy rõ hệ thống tuabin gió – DFIG có khả điều khiển độc lập cơng suất phả kháng công suất tác dụng đồng thời điều chỉnh đƣợc điện áp đầu có cố lƣới 6.2 Hƣớng phát triển đề tài tƣơng lai Luận văn mở hƣớng nghiên cứu tƣơng lai với hệ thống tuabin gió - DFIG khả điều chỉnh điện áp đầu Cụ thể: - Trong luận văn đƣa khả phát thu công suất phản kháng hệ thống tuabin gió – DFIG nhƣng chƣa sâu phân tích giới hạn dung lƣợng cơng suất phản kháng hệ thống Để hồn chỉnh hệ thống tuabin gió – DFIG cần nghiên cứu giới hạn cơng suất phản kháng hệ thống tuabin gió – DFIG từ tính tốn hệ thống bù cơng suất phản kháng đặc biệt nguồn công suất phản kháng động với ứng dụng linh kiện điện tử công suất để thực bù công suất phản kháng nhằm điều chỉnh điện áp đầu hệ thống tuabin gió nhƣ bù công suất phản kháng tĩnh (SVC – Static VAR Compensators), bô bù đồng tĩnh (STATCOM – Static Synchronous Compensators), … - Luận văn nghiên cứu hệ thống tuabin gió – DFIG nối với lƣới chƣa nghiên cứu hệ thống tuabin gió – DFIG phát điện độc lập Do hƣớng nghiên cứu tiếp hệ thống tuabin gió – DFIG phát điện độc lập để cung cấp nguồn cho khu vực xa khơng có lƣới điện quốc gia 78 Luan van Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT: [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện , NXB Khoa học kỹ thuật, 2007, 349 trang [2] Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình Điện tử cơng suất 1, Nhà xuất ĐHQG, 2002, 289 trang TIẾNG NƢỚC NGOÀI: [3] Yu Zou, Malik Elbuluk, Yilmaz Sozer, A Complete Modeling and Simulation of Induction Generator Wind Power Systems, IEEE, 2010 [4] Endusa Billy Muhando, Tomonobu Senjyu, Aki Uehara, Toshihisa Funabashi, and Chul-Hwan Kim, LQG Design for Megawatt-Class WECS With DFIG Based on Functional Models’ Fidelity Prerequisites, IEEE Transactions on energy conversion, vol 24, no 4, December 2009 [5] S Muller, M Deicke, RIK W De Doncker, Doubly fed induction generator systems for wind turbines, IEEE, 2002 [6] E Tremblay, A Chandra, and P.J Lagacé, Grid-Side Converter Control of DFIG Wind Turbines to Enhance Power Quality of Distribution Network, IEEE, 2006 [7] R Pena, J.C.Clare, G M Asher, Doubly fed induction generator uising backto-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation, IEE Puoc.-Electr Power Appl., Vol 143, No 3, May 1996 [8] Kenneth E Okedu, Effects of Drive Train Model Parameters on a Variable Speed Wind Turbine, International journal of renewable energy research Kenneth E Okedu, Vol.2, No.1, 2012 [9] Hyong Sik Kim, Dylan Dah-Chuan Lu, Wind Energy Conversion System from Electrical Perspective, Smart Grid and Renewable Energy, 2010, page 119131 79 Luan van Tài liệu tham khảo [10] Jianzhong Zhang, Ming Cheng, Zhe Chen, Xiaofan Fu, Pitch angle control for variable speed wind turbines, Nanjing China, 2008 [11] Anca D Hansen, Gabriele Michalke, Voltage grid support of DFIG wind turbines during grid faults, Proc European Wind Enery Conference and Exhibition, May 2007 [12] E Tremblay, A Chandra and P.J Lagacé, Grid-Side Converter Control of DFIG Wind Turbines to Enhance Power Quality of Distribution Network, Proc IEEE Power Engineering Society General Meeting, Jun 2006 [13] The MathWorks, "SimPowerSystems For Use with Simulink", User’s Guide Version [14] http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine [15] http://en.wikipedia.org/wiki/Doubly_fed_electric_machine#Double_fed_induc tion_generator [16] http://www.wind-power-program.com/turbine_characteristics.htm 80 Luan van Phụ lục PHỤ LỤC Phụ lục Bảng tham số hệ thống tuabin gió - DFIG lƣới Các tham số hệ thống tuabin gió - DFIG lƣới Giá trị Tốc độ gió định mức, Vw - đm 12 m/s Công suất tác dụng định mức DFIG 1,5 MW Hệ số công suất, cosφ 0,9 Điện áp lƣới, Vg 120 kV Tần số lƣới, f 50 Hz Điện áp lƣới phân phối, Vdis 25 kV Điện áp tuabin gió, Vwt 575 V Số cực máy phát DFIG, np Điện trở stator, Rs 0,0071 pu Điện kháng rò stator, Ls 0,171 pu Điện trở rotor, Rr 0,005 pu Điện kháng rò rotor, Lr 0,156 pu Điện cảm hỗ cảm, Lm 2,9 pu Điện trở stator nối với lƣới, Rc 0,003 pu Điện kháng rò stator nối với lƣới, Lc 0,3 pu Điện áp nhánh DC, Vdc 1200 V Điện dung C, 10 mF Tần số đóng cắt IGBT, fsw kHz Hằng số quán tính, H 5,04 (s) Hệ số ma sát, F 0,01 pu 81 Luan van Phụ lục Phụ lục Bảng tham số hệ thống tuabin gió - DFIG lƣới Các tham số hệ thống điều khiển hệ thống tuabin gió - DFIG Giá trị Hệ số khuếch đại điều khiển điện áp, Kp; KI 1,25; 300 Độ dốc Xs 0,02 pu Hệ số khuếch đại điều khiển công suất P, Kp KI 1; 100 Hệ số khuếch đại điều khiển điện áp DC, Kp; KI 0,002; 0,05 Hệ số khuếch đại điều khiển dòng điện RSC, Kp; KI 0,3; Hệ số khuếch đại điều khiển dòng điện GSC, Kp; KI 1; 100 Hệ số khuếch đại điều khiển công suất Q, Kp; KI 0,05; Hệ số khuếch đại điều khiển bƣớc răng, Kp 500 82 Luan van Luan van ... nhà máy điện gió tổng nhà máy điện đƣợc lắp đặc ngày tăng toàn giới Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện khơng đồng nguồn kép (DFIG) với tốc độ góc bƣớc thay đổi đƣợc hệ thống tuabin gió. .. TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) Đại học Sư phạm kỹ thuật TP HCM – 11/2012 Năng lƣợng gió nguồn lƣợng tái tạo đáng tin cậy phát triển... đề nghiên cứu hệ thống điện gió đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm đặc biệt hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) sử dụng biến đổi