Nghiên cứu phương pháp hòa đồng bộ bằng điện trở ảo cho hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 29 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP HÒA ĐỒNG BỘ BẰNG ĐIỆN TRỞ ẢO CHO HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN[.]

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 29 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP HÒA ĐỒNG BỘ BẰNG ĐIỆN TRỞ ẢO CHO HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP STUDY ON SYNCHRONIZATION METHOD USING VIRTUAL RESISTANCE FOR DOUBLY-FED INDUCTION GENERATOR BASED WIND POWER SYSTEM Vũ Hoàng Giang* Trường Đại học Điện lực1 *Tác giả liên hệ: giangvh@epu.edu.vn (Nhận bài: 15/6/2022; Chấp nhận đăng: 12/9/2022) Tóm tắt - Hịa đồng bước vận hành quan trọng cần thực máy phát điện hệ thống điện gió nối lưới u cầu q trình khơng gây dịng điện q độ có giá trị lớn làm ảnh hưởng tới máy phát điện chế độ vận hành bình thường lưới điện Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu sơ đồ điều khiển hệ thống điện gió phân tích hịa đồng máy phát điện gió nguồn kép vào lưới điện với mạch điều khiển sử dụng điện trở ảo phía rơ to Mạch điều khiển thiết kế tạo điện áp rô to phù hợp kích thích cho máy phát điện để hạn chế dịng điện q độ phía stato q trình hịa đồng Sau đó, máy phát điện đưa vào làm việc chế độ điều khiển tốc độ quay Kết mô cho thấy phương pháp đơn giản với dòng điện độ quan sát có biên độ nhỏ điều chỉnh theo giá trị điện trở Abstract - Synchronization is an important operation step that is required for the grid-connected wind power generators The requirement of this process is not to cause a large transient current that affects the generator as well as the normal operation of the power grid This paper presents the research on control diagram of a wind power system and analysis of the synchronization method of the doubly-fed induction generator into the power grid with a control circuit using rotor virtual resistors The diagram is designed to generate an appropriate rotor voltage to excite the generator to restrain the stator transient current during the synchronization operation After that, the generator is put to operate in the speed control mode Simulation results show that this is a simple method with observed transient currents having small amplitude and can be adjusted according to the value of the resistance Từ khóa - Điện trở ảo; Hịa đồng bộ; Máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG); Tua bin gió Key words - Virtual resistance; Synchronization; Doubly-fed induction generator (DFIG); Wind turbine Đặt vấn đề Cùng với lượng mặt trời, lượng gió xem nguồn lượng tái tạo có tiềm phát triển mạnh với tổng công suất lắp đặt lớn nhiều quốc gia giới có Việt Nam Theo thống kê hiệp hội lượng gió quốc tế (GWEC) năm 2021, tính đến năm 2020 tổng cơng suất lắp đặt tồn cầu điện gió đạt 743 GW [1] dự báo tiếp tục tăng nhanh năm tới Hiện nay, hai cấu hình hệ thống điện gió phổ biến sử dụng máy phát điện khơng đồng nguồn kép (DFIG), chiếm 50% thị phần điện gió [2], máy phát điện đồng kích thích nam châm vĩnh cửu (PMSG) Cấu trúc hệ thống điện gió sử dụng DFIG thể Hình 1, máy phát điện nối tới lưới điện từ hai phía stato rơ to Ưu điểm cấu trúc trì tần số điện áp phát đồng với tần số lưới điện điều kiện biến động tốc độ gió Hơn nữa, biến đổi back-to-back lọc thụ động nối tới mạch rô to có chi phí thấp thiết kế với cơng suất định mức nhỏ, vào khoảng 25% công suất định mức hệ thống [3] Giống nhiều loại máy phát điện đồng truyền thống nhà máy thủy điện nhiệt điện, máy phát điện gió cần trải qua bước vận hành hòa đồng để làm việc song song với lưới điện Yêu cầu q trình đảm bảo khơng gây xung dịng lớn máy khơng gây tác động xấu tới chế độ làm việc bình thường lưới điện kết nối Electric Power University (Vu Hoang Giang) Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện gió với DFIG [4] Nhiều nghiên cứu đề xuất phương pháp hòa đồng khác cho nguồn điện phân tán nói chung [5], máy phát điện gió nói riêng [6], [7] Mạch biến đổi back-to-back phía rơ to sử dụng để điều chỉnh từ thông rô to tạo điện áp cảm ứng phía stato đồng với điện áp lưới điện [7] Để bù góc lệch pha hai điện áp kể trên, thành phần bù độ lệch pha cộng vào góc trượt Thành phần xác định thông qua điều khiển thành phần dọc trục điện áp stato không thành phần dọc trục điện áp lưới điện Bài báo giới thiệu kết xây dựng hệ thống điện gió sử dụng DFIG, cơng suất nhỏ cỡ kW, làm việc với hai chế độ: Hòa đồng điện trở ảo chế độ điều khiển tốc độ thông qua biến đổi phía rơ to (RSC) Hệ thống xây dựng cho phép khảo sát hoạt động hệ thống điện gió với hai chế độ động máy phát điện vùng tốc độ đồng Vũ Hoàng Giang 30 Giới thiệu hệ thống Mục trước hết, giới thiệu mơ hình phần tử hệ thống điện gió gồm mơ hình máy phát điện tua bin gió Sau đó, hai chế độ vận hành hệ thống chế độ chiều chỉnh tốc độ chế độ hịa đồng mơ tả với sơ điều khiển tương ứng 2.1 Mơ hình DFIG Phương trình điện áp từ thơng rị DFIG hệ trục tọa độ đồng quay với tốc độ e , biểu diễn theo phương trình sau [8]: d ds (1) v ds = R si ds + − e  qs dt vqs = R siqs + vdr = R ridr + vqr = R r i qr + d qs + e ds (2) d dr − (e − r ) qr dt (3) dt d qr dt + (e − r ) dr (4)  ds = Lsids + Lmidr (5) qs = Lsiqs + Lmiqr (6)  dr = L mids + L ridr (7) qr = Lmiqs + Lriqr (8) Phương trình chuyển động máy phát điện cho dạng: d rm = (Te − Fv rm − Tm ) (9) dt J Trong đó, mơ men điện từ tính theo cơng thức: ( Te = p  dsiqs −  qsids ) 2.3 Chế độ vận hành điều khiển tốc độ quay Hệ thống điện gió sử dụng DFIG điển hình thể Hình Các thông số trạng thái hệ thống điều khiển thông qua biến đổi thành phần biến đổi back-to-back sau: - Điện áp DC-link điều khiển theo dòng điện xoay chiều đầu qua lọc thụ động Tín hiệu đầu điều khiển tương ứng gửi tới biến đổi phía lưới điện (GSC); - Bộ biến đổi thành phần phía rơ to (RSC) sử dụng để điều khiển thông số trạng thái máy phát điện tốc độ, công suất tác dụng, công suất phản kháng điện áp stato; Trong nhiều hệ thống thực tế, điều khiển thường sử dụng để điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản kháng thơng qua dịng điện rơ to [2], [3], [6], [7] Tuy nhiên, với mục tiêu xây dựng hệ thống để khảo sát hệ thống điện gió q trình hịa đồng số chế độ làm việc bình thường nối lưới, mục biến đổi RSC sử dụng để điều khiển tốc độ quay máy phát điện [8] Thực tế điều khiển tốc độ sử dụng nối chuỗi với điều khiển mô men điều khiển thành phần dọc trục dịng điện rơ to [10] Hình Sơ đồ hệ thống điện gió với DFIG với điều khiển (10) 2.2 Mơ hình tua bin gió Cơng suất tua bin gió ứng với tốc độ gió v wind xác định theo cơng thức: A (11) Pwind = c p (,  ) v wind Trong đó, c p (,  ) : Hệ số công suất phục thuộc vào tỷ số  tốc độ cánh rô to tốc độ gió, góc pitch ; : Mật độ khơng khí; A: Diện tích quét tua bin Hệ số cơng suất tính sau [9]: c5 c  − c p (,  ) = c1  − c 3 − c e  i + c   i  Trong đó: 1 0,035 = −  i  + 0,08  + (12) (13) c1 , c2 , c3 , c4 , c5 , c6 : số đặc tính tua bin Cuối mơ men trục máy phát xác định theo biểu thức: P Tm = wind  (14) Hình Sơ đồ hệ thống điện gió với DFIG với điều khiển Sơ đồ điều khiển biến đổi GSC thiết kế theo đề xuất [4] Trong đó, điều khiển PI sử dụng cấu trúc có khâu khắc phục tượng bão hịa tích phân thực theo phương pháp điều khiển véc tơ định hướng điện áp lưới điện Cấu trúc sử dụng sơ đồ điều khiển biến đổi RSC Sơ đồ điều khiển thu biến đổi back-to-back thể Hình với hai vịng điều khiển: Vịng cho dịng điện rơ to vịng ngồi cho tốc độ máy phát điện Giá trị đặt thành phần ngang trục dòng điện rơ to tính điều khiển PI cho tốc độ quay, thành phần dọc trục chưa sử dụng đến đặt ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 Vòng điều khiển PI cho thành phần dòng điện rơ to kết hợp với phản hồi tín hiệu feed-forward [8] 2.4 Chế độ hòa đồng Phần sơ đồ khối đơn giản nằm hình chữ nhật nét đứt Hình sử dụng để điều khiển RSC q trình hịa đồng 31 3.1 Chế độ máy phát điện Trình tự vận hành hệ thống sau, Hình 2: - Đóng CB1; - Kích hoạt điều khiển GSC; Điện áp dc-link điều khiển tới giá trị định mức; - Kích hoạt RSC, sơ đồ điều khiển Hình làm việc chế độ hòa đồng ( vdqr* nối tới vị trí 1) Khi tốc độ máy điện tốc độ gió lớn giá trị định CB2 đóng vào để nối DFIG với lưới điện; - DFIG chuyển sang làm việc chế độ điều khiển tốc độ ( vdqr* nối tới vị trí 2) Hình Mạch điện tương đương chế độ xác lập DFIG Thơng thường, dịng điện mở máy theo phương pháp trực tiếp có giá trị khoảng từ đến lần dòng điện định mức [11] Bên cạnh tác động lên thân máy điện, dòng điện lớn dẫn đến ảnh hưởng điện áp lưới điện kết nối Ở chế độ máy phát, hệ thống xét có cơng suất nhỏ lưới điện coi lý tưởng stato điều khiển với vòng điều khiển dòng điện để đồng nối lưới Trong trường hợp thực tế với hệ thống điện gió có cơng suất lớn hơn, máy cắt đầu cực đóng vào ứng với trạng thái điện áp, tần số, thứ tự pha thiết lập, nên giá trị dòng điện hòa đồng tùy thuộc vào độ lệch trạng thái máy phát lưới điện Khi thường địi hỏi thiết kế thêm vòng điều khiển điện áp stato để đảm bảo điều kiện hòa đồng tránh dòng điện độ lớn Từ sơ đồ tương đương DFIG Hình thấy, điều khiển biến đổi RSC để tạo điện áp V r = − R.I r tạo mạch điện tương đương với điện trở phụ có giá trị R mạch rơ to Phương pháp sử dụng điện trở phụ để mở máy điều chỉnh tốc độ quay động điện không đồng phổ biến [11] Nhờ có điện trở phụ mà dịng điện mở máy hạn chế đáng kể trình khởi động Giá trị điện trở phụ lựa chọn tùy theo mức độ mong muốn giảm giá trị dòng điện mở máy stato Ở chế độ động điện, điện trở có giá trị lớn dịng điện mở máy hạn chế tốc độ tăng lên mơ men máy bị giảm Ở chế độ máy phát điện, giá trị điện trở lựa chọn để điện áp stato phù hợp với điện áp lưới điện tính theo cơng thức [6], [10]: v gridq R= (15) gridL m Giả thiết tốc độ gió biến thiên Hình 5a, tốc độ gió trì m/s khoảng (0-2,1)s, sau 1s tăng lên 10 m/s, giảm xuống m/s tăng trở lại 11 m/s Kết mô men tạo tua bin gió biến thiên tương ứng, Hình 5b Chú ý, chế độ máy phát, mô men có có giá trị âm Hình Tốc độ gió mơ men tạo trục DFIG Trong đó, v gridq thành phần ngang trục điện áp lưới điện, vgridq = vgrid ; grid tần số góc lưới điện L m thơng số hỗ cảm máy điện Kết mô bàn luận Mô thực ứng với cấu trúc Hình 2, đó: - DFIG mơ theo phương trình (1) – (10), thơng số máy cho Phụ lục; - Tua bin gió mơ tạo mơ men theo phương trình (11) – (14) Hình Tốc độ rơ to dịng điện stato pha A DFIG Trong mơ phỏng, DFIG bắt đầu hịa đồng tốc độ gió vượt m/s Lưu ý giá trị lựa chọn mô theo yêu cầu vùng tốc độ gió bắt đầu hoạt động Như khoảng (0-2,1) s đầu tiên, máy phát tăng tốc đồng thời kích thích từ mạch rơ to ứng với chế độ hịa đồng theo trình từ Tại thời điểm t = 2,1 s, CB2 đóng vào để hòa đồng bộ, tốc độ máy tiếp tục tăng trì s, sau chuyển sang chế độ điều chỉnh tốc độ Sự biến thiên Vũ Hồng Giang 32 tốc độ rơ to dịng điện stato thể Hình Tại thời điểm đóng CB2, dịng điện tăng cao sau giảm dần ổn định giá trị xác lập Tuy nhiên, điện áp ghi nhận khơng có thay đổi đột biến thể Hình Kết thu điện áp lý giải phần cơng suất hệ thống điện gió nhỏ nên khơng gây biến động lớn tới điện áp lưới điện 3.2 Chế độ động điện Trình tự vận hành hệ thống sau, Hình 2: - Đóng CB1; - Kích hoạt điều khiển GSC; Điện áp dc-link điều khiển tới giá trị định mức; - Kích hoạt RSC, sơ đồ điều khiển Hình làm việc chế độ hịa đồng Đóng CB2 để nối DFIG với lưới điện Khi vdqr* nối tới vị trí Hình 3, mạch điều khiển đồng - DFIG chuyển sang làm việc chế độ điều khiển tốc độ ( vdqr* nối tới vị trí 2) Hình Điện áp lưới điện pha A điện áp stato q trình hịa đồng Khác với chế độ máy phát điện, DFIG kích thích theo mạch rơ to máy trạng thái đứng yên Khi đóng CB2 thời điểm t = 0,5 s tốc độ bắt đầu tăng lên giống trình khởi động động không đồng rô to dây quấn với điện trở phụ mắc mạch rơ to Q trình ổn định thiết lập khoảng s, sau hệ thống chuyển sang chế độ chiều chỉnh tốc độ Sự biến thiên tốc độ rơ to dịng điện stato ứng với giá trị điện trở ảo R thể Hình Hình Tín hiệu tốc độ rơ to dịng điện stato pha A q trình khởi động Hình So sánh dịng điện stato pha A hòa đồng với giá trị điện trở ảo khác nhau: R/2; R 2R (chế độ máy phát điện) Như thấy, vấn đề chủ yếu máy phát điện gió cơng suất bé xung dịng điện chạy stato Để đánh giá ảnh hưởng giá trị điện ảo tính theo cơng thức (15), mơ lặp lại cho trường hợp với giá trị tương ứng R/2, R 2R Kết thu thể Hình Có thể thấy điện trở có giá trị lớn biên độ dịng điện đóng CB2 vào hạn chế thời gian độ để tiến tới giá trị xác lập dài Thống kê so sánh ba trường hợp mơ giá trị đỉnh dịng điện q độ thời gian độ thể Bảng Bảng So sánh giá trị đỉnh thời gian độ dòng điện độ Giá trị điện trở ảo R/2 R 2R Giá trị đỉnh dòng Thời gian độ (s) điện độ (A) 12,51 0,11 8,77 0,13 6,18 0,15 Từ kết Bảng thấy giá trị điện trở ảo R dung hịa hai yếu tố nên khuyến nghị lựa chọn thông số cho nhánh điều khiển dùng điện trở ảo để hịa đồng Tiến hành mơ cho trường hợp với giá trị tương ứng R/2, R 2R, giống chế độ máy phát điện Nhận xét tương tự thu ứng với kết dịng điện stato, pha A Hình 10 Hình 10 So sánh dòng điện stato pha A hòa đồng với giá trị điện trở ảo khác nhau: R/2; R 2R (chế độ động điện) Sau máy phát điện nối lưới, tốc độ máy điều khiển theo giá trị đặt lớn nhỏ tốc độ đồng Kết mô minh họa đáp ứng dòng điện tốc độ ứng với giá trị đặt tốc độ 1560 (vòng/phút) khoảng (5-6) s 1440 (vòng/phút) khoảng (6-7) s thể Hình 11 Tóm lại, phương pháp hịa đồng máy phát điện gió nguồn kép sử dụng điện trở ảo phân tích chi tiết hai chế độ máy phát điện động điện Thực chất, máy ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 phát điện kích thích ban đầu theo mạch rơ to để điện áp cảm ứng phía stato phù hợp trước đóng mạch nối lưới Điện áp rơ to tạo tỷ lệ với dòng điện phía tương đương với trường hợp sử dụng điện trở phụ để mở máy động điện không đồng rô to dây quấn 33 p: Số đôi cực máy; e , r , rm : Tần số góc lưới điện, tần số góc điện rơ to tần số góc rơ to; Te : Mơ men điện từ; Tm : Mô men cơ; J : Hằng số quán tính; Fv : Hệ số ma sát Chỉ số dưới: d, q: Đại lượng ứng với trục d, q hệ tọa độ đồng bộ; s, r: Đại lượng phía stato, rơ to TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 11 Đáp ứng dòng điện stato tốc độ quay ứng với hai chế độ đồng đồng Kết luận Sơ đồ điều khiển hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện nguồn kép mô tả chi tiết Ở chế độ xác lập, máy phát điện làm việc chế độ điều chỉnh tốc độ quay với giá trị đặt khác nhau: Trên đồng đồng Hơn phân tích, tính tốn ứng với bốn góc phần tư mặt phẳng cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng hai phía stato rơ to thực hệ thống xây dựng Kết mô phân tích cho thấy, phương pháp hịa đồng điện trở ảo đơn giản áp dụng hiệu với máy phát điện gió, đặc biệt hệ thống có cơng suất thấp Biên độ dịng điện q độ stato máy hạn chế theo giá trị điện trở ảo tương ứng Trên sở hệ thống này, hướng nghiên cứu triển vọng tính tốn phân tích chế độ làm việc hệ thống tua bin gió đề xuất phương pháp điều khiển nâng cao, xây dựng hệ thống giám sát tình trạng phần tử hệ thống điện gió CÁC KÝ HIỆU vds , vqs , vdr , vqr : Các thành phần điện áp hệ tọa độ đồng dq; i ds , i qs , i dr , i qr : Các thành phần dòng điện hệ tọa độ đồng dq; ds , qs , dr , qr : Các thành phần từ thơng rị hệ tọa độ đồng dq; Ls , L r , L m : Điện cảm stato, rơ to từ hóa; R s , R r : Điện trở stato rô to; [1] GWEC, Global Wind Report, Global Wind Energy Council, 2021 [2] A Abo-Khalil, A Alghamdi, A Eltamaly, M Al-Saud, P R P., K Sayed, G Bindu and I Tlili, “Design of State Feedback Current Controller for Fast Synchronization of DFIG in Wind Power Generation Systems”, Energies, 12(12), 2019, 2427 [3] S Muller, M Deicke and R W D Doncker, “Doubly fed induction generator systems for wind turbines”, IEEE Industrial applications magazines, 8(3), 2002, 26-33 [4] H.-G Vu, “DC-link voltage control of voltage source converter by using PI controller with anti-windup”, Journal of Science and Technology, the University of Da Nang, 11(1), 2018, 18-21 [5] A V Timbus, M Liserre, R Teodorescu and F Blaabjerg, “Synchronization Methods for Three Phase Distributed Power Generation Systems An Overview and Evaluation”, in IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, Dresden, Germany, 2005, 109-116 [6] G Tapia, G Santamaria, M Telleria and A Susperregui, “Methodology for Smooth Connection of Doubly Fed Induction Generators to the Grid”, IEEE transactions on energy conversion, 24(4), 2009, 959-971 [7] A G Abo-Khalil, “Synchronization of DFIG output voltage to utility grid in wind power system”, Renewable Energy, 44, 2012, 193-198 [8] R Pena, J Clare and G Asher, "Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variablespeed wind-energy generation”, IEE Proceedings-Electric power applications, 143(3), 1996, 231-241 [9] Y.-M Saint-Drenan, R Besseau, M Jansen, I Staffell, A Troccoli, L Dubus, J Schmidt, K Gruber, S G Simoes and S Heier, “A parametric model for wind turbine power curves incorporating environmental conditions”, Renewable Energy, 157, 2020, 754-768 [10] J L Da Silva, R G De Oliveira, S R Silva, B Rabelo and W Hofmann, “A discussion about a start-up procedure of a doubly-fed induction generator system”, in Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics (NORPIE/2008), Espoo, Finland Helsinki University of Technology, 2008, 1-6 [11] V G Hanh, T K Hà, P T Thụ and N V Sáu, Máy điện, tập 1, Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 PHỤ LỤC Thông số định mức DFIG: Công suất định mức Điện áp định mức stato (Y/) Dòng điện định mức stato (Y/) Điện áp định mức rơ to (Y) Dịng điện định mức rô to (Y) Số đôi cực Hệ số công suất Thơng số mơ hình: Điện trở stato Điện trở rơ to Điện cảm rị stato Điện cảm rị rơ to Điện cảm từ hóa Hằng số qn tính 1500 W 400 V / 230 V 4,4 A / 7,5 A 140 V 6,5 A p=2 0,75 4,7  5,1  0,023 H 0,023 H 0,329 H 0,0111 N.m/rad/s2 ... thực hệ thống xây dựng Kết mơ phân tích cho thấy, phương pháp hòa đồng điện trở ảo đơn giản áp dụng hiệu với máy phát điện gió, đặc biệt hệ thống có cơng suất thấp Biên độ dịng điện q độ stato máy. .. KHẢO Hình 11 Đáp ứng dòng điện stato tốc độ quay ứng với hai chế độ đồng đồng Kết luận Sơ đồ điều khiển hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện nguồn kép mô tả chi tiết Ở chế độ xác lập, máy phát. .. điện tốc độ ứng với giá trị đặt tốc độ 1560 (vòng/phút) khoảng (5-6) s 1440 (vòng/phút) khoảng (6-7) s thể Hình 11 Tóm lại, phương pháp hịa đồng máy phát điện gió nguồn kép sử dụng điện trở ảo