Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép (dfig) khi điện áp mất đối xứng với bộ ổn định mô men

30 Nguyễn Thanh Hải ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) KHI ĐIỆN ÁP MẤT ĐỐI XỨNG VỚI BỘ ỔN ĐỊNH MÔ MEN CONTROL OF WIND TURBINE DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR (DFIG) UNDER UNBALANCED[.]

Nguyễn Thanh Hải 30 ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) KHI ĐIỆN ÁP MẤT ĐỐI XỨNG VỚI BỘ ỔN ĐỊNH MÔ-MEN CONTROL OF WIND-TURBINE DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR (DFIG) UNDER UNBALANCED VOLTAGE DIP WITH TORQUE STABILITY CONTROLLER Nguyễn Thanh Hải THPT Chuyên Lê Hồng Phong Tp.HCM; hai_nguyenthanh2012@yahoo.com.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày cải tiến phương án điều khiển máy điện gió không đồng nguồn kép (DFIG) tảng phương pháp định hướng từ thông (SFOC) với mục tiêu giảm tác động mô-men điện áp đối xứng Phương án cải tiến ứng dụng điều chỉnh PI với antiwindup để điều chỉnh dòng điện rotor Bộ lọc Notch ổn định mơ-men có nhiệm vụ loại bỏ thành phần sóng hài bậc dịng điện thứ tự nghịch rotor cơng suất Những cải tiến thực phía rotor (RSC) Mơ phần mềm Matlab/Simulink cho ta thấy nâng cao tính ổn định mơ-men giảm độ biến dạng thành sóng hài bậc cao dịng điện So sánh kết phương án SFOC cải tiến phương án SFOC truyền thống điện áp xứng cho ta thấy cải tiến phương án đề xuất báo Abstract - This paper presents a modified Stator Fed Oriented Control (SFOC) for Doubly Fed Induction Generator (DFIG) in wind turbines to reduce torque pulsation during unbalanced voltage dips The proposed schemes apply multiple PI controllers with antiwindup to obtain commanded rotor currents and also introduce extra commanded values for rotor currents Notch filters are also used to eliminate the second order harmonic components The modifications are applied to the rotor side converter (RSC) Simulations in Matlab/ Simulink illustrate the enhanced stability of torque response and improvement of current waveform Comparisons of the simulation results with a traditional SFOC and a modified SFOC for operation under unbalanced voltage dip are provided to evaluate the newly proposed methods in the DFIGs Từ khóa - DFIG; Điện áp bất đối xứng; Bộ điều khiển PI; Antiwindup; SFOC; Bộ lọc Notch Key words - DFIG; Unbalanced Voltage Dip; PI controller; Antiwindup; SFOC; Notch Filters Đặt vấn đề Hiện nay, máy phát điện gió khơng đồng nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator–DFIG) sử dụng rộng rãi trang trại gió ưu điểm sau: (i) Chi phí đầu tư thấp cho chuyển đổi linh kiện điện tử công suất [1, 2]; (ii) Điều khiển công suất độc lập dễ dàng tốc độ gió thay đổi liên tục [1, 2]; (iii) Trang trại gió DFIG kết nối thuận lợi DFIG điều khiển độc lập [4].Vì vậy, sử dụng DFIG trang trại gió giải pháp kinh tế tối ưu [3] Tuy nhiên, 50% trang trại gió bị ảnh hưởng từ thay đổi điện áp đột ngột kết nối lưới [4] Khi điện áp đối xứng làm dòng điện đối xứng, dẫn đến rung động mô-men xoắn, độ rung tăng lên áp lực khí làm tăng nhiệt độ cuộn dây máy điện, áp lực khơng khí máy phát tăng, tác động làm ổn định mô-men xoắn, cơng suất, dao động lớn dịng điện rotor stator, làm tăng va đập lên thiết bị khí hộp số [5, 6] Hạn chế tác động nội dung phương án cải tiền Khi nguồn đối xứng, công suất phản kháng tăng mức độ từ hóa tăng từ thơng tản tăng Khe hở khơng khí rotor stator làm tăng lượng từ thông tản, công suất phản kháng tăng DFIG, tăng nhanh nguồn đối xứng Sự tăng nhanh công suất phản kháng làm cân nguồn điện nghiêm trọng Hệ thống bảo vệ tách máy cố khỏi trang trại gió [4] Để trì kết nối lưới điện áp đối xứng, máy phát điện cần cung cấp lượng công suất đủ lớn để bù vào Có bốn phương án giải vấn đề này: (i) ổn định mô-men (ii) cân cơng suất nguồn; (iii) ổn định dịng stator; (iv) loại bỏ dòng thứ tự nghịch rotor [7] Bài báo trình bày cải tiến tính ổn định mơ-men điều khiển máy điện gió DFIG điện áp lưới đối xứng Điều khiển DFIG lưới đối xứng Trong điều khiển DFIG, nhiệm vụ RSC (Rotor Side Converter) điều khiển công suất tác dụng (Ps) phản kháng (Qs) stator Trong GSC (Grid Side Converter) điều khiển điện áp DC (dc-link voltage) Mơ hình chi tiết điều khiển RSC, GSC trình bày [6],[7] [8] Do viết trình bày ngắn gọn Mơ hình điều khiển DFIG dựa phương pháp SFOC Hình cho ta thấy mối quan hệ hệ qui chiếu (α,β)s, (α,β)r hệ qui chiếu quay dq+ dq− theo cơng thức (1), (2), (3) Đại lượng “I” thay thành điện áp hay từ thông + − I dq = I ( ) s e− j st I dq = I ( ) s e j s t I + dqs I + dqr − j 2s t − − dqs dqs =I e j 2s t − j 2slip t − − dqr dqr + = I dqr e j 2slip t =I e I =I e I βr q+ + dqs βs (1) (2) (3) F q _ + ωs d + Vsd+ αr θs = ωst θr = ωrt αs θs = -ωst -ωs d _ Hình Sơ đồ Biểu diễn mối quan hệ quy chiếu (α,β)s, (α,β)r với hệ quy chiếu quay dq+; dq−[6] Khi lưới đối xứng, dòng điện, điện áp từ thông biểu diễn thành thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch (4) biểu diễn theo thành phần thứ tự thuận nghịch dòng điện rotor [6] I (+dq ) r = I (+dq ) r + + I (+dq ) r − = I (+dq ) r + + I (−dq ) r − e − j 2 stip t (4) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 Trong hệ quy chiếu SFOC, từ thơng stator tính tốn sau:  ds =  s = Lm ims  qs = , (5) Điện áp stator hệ quy chiếu quay tính công thức (6) (7) vds = Rs ids − s  qs + d ds dt (6.1) 31 men tỉ lệ thuận với Pe, giảm độ biến dạng Pe đồng nghĩa với việc ổn định mơ-men Trong Hình 4, lọc Notch làm nhiệm vụ lọc thành phần sóng hài 2ωs bổ sung thêm dòng điện rotor thứ tự nghịch lệnh (12.1), (12.2) để cải thiện tính ổn định dịng rotor [6] Với điều chỉnh PI+A (Proportional Integral and Anti-windup controller) tương tự mơ hình DFIG truyền thống (Hình 3) Hình sơ đồ cấu trúc PI+A thực vqs = Rs iqs + s  ds + d qs dt (6.2) Từ (1); (2); (3); (5); (6.1) (6.2), điện áp, dòng điện stator thứ tự thuận nguồn đối xứng là: + + + + − Vdqs = j s dqs + j dqs = j s ( dqs − dqs e − j 2 s t ) + − + I dqs = (7.1) + + ( dqs − Lm I dqr ) Ls Hình Mơ hình điều chỉnh PI+A (7.2) Cơng thức (8.1); (8.2) dùng để tính tốn cơng suất tác dụng phản kháng hệ quy chiếu SFOC L 3 Ps = (vds ids + vqs iqs ) = vqs iqs = − Vs m iqr 2 Ls (8.1) ( Qs = vqs ids − vds iqs ) Psref PI - Vdr e + jθsl * Vβr  − sq +  sd + − sq −    − sd −  − sq − − + sd +   − − sq −  − sd − − + sq +  + + − I +   sd −   rd +   I +  rq + − + sq +     I −  rd − +  sd +   −   I rd −  Pe0 + Pe _ sin + Pe _ cos2 r + DFIG I αβ abc Vαβs Vα,b,cs Unbalanced Grid Hình Sơ đồ RSC điều khiểu DFIG truyền thống - + (10) - + ωsl σLriqr + +* ωsl (imsLm/Ls + σLridr ) idr+* idr+ + PI+A +* idr + + PI+A + Qsref + +* iqr- + + +* Vdr + PI+A - + + Notch e jθsl d dt RSC * abc Vcr θsl TSC VDC Var* PWM Vbr* * Vβr iαβr -jθsl e filter ωsl αβ +* Vqr idr+ + iqr+ Vαr* - PI+A - +* iqr +* iqr+ Qs − θr + αβ abc ωr  dt θs iar ibr Iα,b,cs PLL (11) (12.2) idr-+* e -j2θs idr * Công thức (4) +* iqr- iqr * Áp dụng công thức (12) + Vdqs + Vdqs+ Notch Ψsdq++ filter Ψsdq filter + idqr+ αβ -jθs Ψsdq+ e Vdqs VdqsNotch Vαβs jθs abc e Vα,b,cs ΨsdqUnbalanced θs Grid Hình Mơ hình RSC điều khiểu DFIG ổn định mơ-men Kết mô Xây dựng mô máy điện gió DFIG 2.3 MW phần mềm Matlab/Simulink Thơng số máy thông số đầu vào thể Bảng 1, Kết mô hai phương án điều khiển: DFIG sử dụng PI truyền thống (Hình 3) DFIG cải tiến ổn định mơmen (Hình 4) thể Hình đến Hình 14 Đối với cơng suất tác dụng, Hình 7-9 Đối với cơng suất phản kháng Hình 9-12 Hình 13-14 thể mơ-men hai phương án Bảng Thơng số máy phát gió DFIG 2.3MW Pe r DFIG Iαβs Lúc mô-men là: Te = ωr  dt θs PLL Psref Trong hệ qui chiếu SFOC  sq+ + = với mục tiêu ổn định mô-men nên Pe _sin2 = Pe _ cos2 = Thế Pe _ sin2, Pe _ cos2 vào (11), ta có phương trình tính tốn dịng điện thứ tự nghịch rotor sau:  sq− − − (12.1) I rd−*− = sd+ − I rd+ + + + I rq+ +  sd +  sd +  sq− − +  sd− − + I − I  sd+ + rd +  sd+ + rq + θr - θsl iar ibr αβ abc iαβr -jθsl e d dt RSC * abc Vcr Vqr idr VDC Var* PWM αβ Vbr* αβs (9) Với Pe0 giá trị trung bình DC cơng suất cơ; Pe_sin2 Pe_cos2 giá trị công suất trục sin cos tần số 2ωs [6]; [7] Mơ-men tính sau: I rq−*− = PI - ωsl + = + + iqr Ps r + Qsref Trong đó: Te = PI - Vαr* -  3 L  Vs = vqs ids = Vs m  − idr  2 L s   s Lm  (8.2) Pe = Pe0 + Pe _ sin2 + Pe _ co s2 Pe + iqr + Khi lưới đối xứng, công suất (Pe) tính tốn thời điểm tức thời [5]; [6]; [7]  P   e0  3Lm r  Pe _ sin2  = Ls    Pe _ cos2  idr PI Qs ωsl σLriqr ωsl (imsLm/Ls + σLridr) +* - Ps + (13) Mơ hình ổn định mơ-men điều khiển DFIG Mơ hình nâng cao tính ổn định mơ-men điều khiển máy điện gió DFIG trình bày Hình Theo (9), thành phần 2ωs tác nhân làm (Pe) biến dạng Mô- Thông số Ký hiệu Giá trị Điện cảm cuộn stator LS 159,2 (μH) Điện cảm cuộn rotor Lr 159,2 (μH) Điện cảm từ hóa Lm 5,096 (mH) Điện trở cuộn Stator RS (mΩ) Nguyễn Thanh Hải 32 (mΩ) Rr Số đội cực P Tần số góc ωS 100π (rad/s) J 93,22 (kg.m2) Jrot 4,17.106(kg.m2) Lực quán tính Lực quán tính rotor Bảng Thông số điều khiển đầu vào Ký hiệu – đơn vị Trước sư cố Sự cố Sau cố (phục hồi) t (s) – 30 31 – 70 71 – 100 Psref (MW) Công suất tác dụng lệnh Công sụất phản kháng lệnh Qsref (MVAR) Điện áp stator Vận tốc gió Vận tốc rotor Us (V) (m/s) nr (rpm) 960 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 1 0.8 49 0.8 49 49.5 50 50.5 51 49.5 50.5 51 1.1 0.9 51 61 71 81 91 100 71 81 91 100 SFOC CAI TIEN MO-MEN 1.2 1.1 0.9 51 13.5 61 THOI GIAN [S] 13 Hình Công suất tác dụng stator điện áp đối xứng (51-70s) phục hồi xứng (71-100s) 12.5 12 11.5 11 SFOC TRUYEN THONG SFOC CAI TIEN MO-MEN 2.2 10.5 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Qs [MVAR] THOI GIAN [S] Hình Vận tốc gió đưa vào tua-bin gió DIEN AP MAT DOI XUNG 10% 1000 2.2 2 1.8 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 0.8 20 40 60 80 100 20 THOI GIAN [S] -1000 29.9 29.92 29.94 29.96 29.98 30 30.02 30.04 30.06 30.08 30.1 60 80 100 THOI GIAN [S] SFOC TRUYEN THONG DIEN AP PHUC HOI SFOC CAI TIEN MO-MEN 2.2 1000 2.2 2 1.8 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 -1000 69.9 69.92 69.94 69.96 69.98 70 0.8 49 70.02 70.04 70.06 70.08 70.1 49.5 SFOC TRUYEN THONG 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 1 0.8 30 40 50 60 70 THOI GIAN [S] 80 90 100 0.8 30 Qs [MVAR] 50 60 70 80 49 90 THOI GIAN [S] Hình Công suất tác dụng stator giá trị thực lệnh Psref (đường nét đứt khúc) 100 49.5 50 50.5 51 THOI GIAN [S] SFOC CAI TIEN MO-MEN 2.1 2.1 2.05 2.05 2 1.95 1.95 1.9 40 51 SFOC TRUYEN THONG SFOC CAI TIEN MO-MEN 2.2 1.8 50.5 Hình 11 Công suất phản kháng stator thời điểm thay đổi giá trị lệnh & điện áp đối xứng Hình Điện áp stator thời điểm đối xứng 31 giây phục hồi 71 giây 2.2 50 THOI GIAN [S] THOI GIAN [S] Ps [MW] 40 Hình 10 Công suất phản kháng stator giá trị thực lệnh Qsref (đường nét đứt khúc ) Qs [MVAR] DIEN AP STATOR [V] 50 THOI GIAN [S] 1.2 14 VAN TOC GIO [m/s] 1.8 SFOC TRUYEN THONG Thay đổi từ đến (t=50s thay đổi lệnh) Thay đổi từ đến (t=50s thay đổi lệnh) 864 (-10%) 960 Thay đổi từ 10-14 1400 1.8 Hình Cơng suất tác dụng stator thời điểm thay đổi giá trị lệnh điện áp đối xứng Ps [MW] Thời gian 2.2 THOI GIAN [S] Ps [MW] Thông số điều khiển SFOC CAI TIEN MO-MEN 2.2 Ps [MW] Điện trở cuộn Rotor SFOC TRUYEN THONG 60 70 80 THOI GIAN [S] 90 100 1.9 60 70 80 90 THOI GIAN [S] Hình 12 Cơng suất phản kháng stator điện áp đối xứng (51-70s) phục hồi (71-100s) 100 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 Te [KN.m] SFOC TRUYEN THONG -6 -6 -6 -7 -7 -8 -8 -9 -9 -10 -10 -11 -11 -12 -12 -13 -13 -14 49 49.5 50 50.5 Kết nhận xét SFOC CAI TIEN MO-MEN -5 51 -14 49 Hai mơ hình điều khỉển DFIG đề xuất mục (Hình 3, 4) tiến hành mô Từ kết thu từ mô trình bày mục 4, ta có nhận xét sau: 49.5 THOI GIAN [S] 50 50.5 51 THOI GIAN [S] Hình 13 Mơ-men thời điểm giá trị lệnh Psref; Qsref điện áp đối xứng Te [KN.m] SFOC TRUYEN THONG SFOC CAI TIEN MO-MEN -5 -6 -6 -6 -7 -7 -8 -8 -9 -9 -10 -10 -11 -11 -12 -12 -13 -13 -14 20 40 60 80 100 -14 33 40 THOI GIAN [S] 60 80 100 THOI GIAN [S] Hình 14 Mơ-men Hình 15 THD Ir đối xứng có cải tiến Về mặt tổng thể (Hình 7-15), hai phương pháp đáp ứng yêu cầu điều khiển công suất độc lập máy điện gió DFIG Giá trị thực điều khiển theo giá trị lệnh Mức độ sai số giá trị thực lệnh thấp Khi điện áp lưới đối xứng, thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch xuất hiện, làm đại lượng điều khiển Ps bị ảnh hưởng làm ảnh hưởng trực tiếp đến mơ-men (Te) (Hình 9, 15) Với phương án cải tiến mô-men, ảnh hưởng đại lượng Ps, Qs hạn chế Vì vậy, mơmen bị tác động Do tác động nhóm lọc Notch, nên giá trị Qs bị tác động điện áp lưới đối xứng (Hình 12) Đây điểm cần nghiên cứu sâu thời gian tới Hình 8, 11, 14 hình biểu diển thời điểm giá trị lệnh thay đổi điện áp lưới đối xứng Đây thời điểm độ Tuy nhiên, phương án cải tiến đáp ứng tốt ổn định so với phương án truyền thống Tổng độ biến dạng sóng hài (Total Harmonic Distortion- THD), Hình 15-18 Bảng 3, cho ta thấy cải thiện dòng điện phương án cải tiến mơ-men Tần số dịng điện rotor 10/3 ≈ 3.33Hz tốc độ quay rotor 1400 vòng/phút THD phương pháp cải tiến giảm đáng kể điện áp lưới đối xứng, -7.15% dòng rotor -6.22% dòng stator Điều khẳng định thêm tính hiệu phương án cải tiến điều khiển máy điện gió DFIG điện áp lưới đối xứng Bảng So sánh THD dòng rotor stator điện áp lưới đối xứng THD Dòng rotor (f = 10/3Hz) Truyền thống 36,80 0%(*) 4,18 0% (*) Dịng stator (f = 50Hz) Hình 16 THD Ir đối xứng phương pháp truyền thống (*) = THD − THDTRUYEN _ THONG THDTRUYEN _ THONG Cải tiến 34,17 -7,15%(*) 3,92 -6,22%(*) 100% Kết Luận Hình 17 THD Is đối xứng có cải tiến Trong phương pháp điều khiển công suất độc lập máy điện gió DFIG truyền thống cải tiến ổn định mômen nguồn đối xứng, hai phương pháp đáp ứng tốt với yêu cầu đặt điều khiển Tuy nhiên, nguồn đối xứng làm mơ-men dao động lớn, dao động tác động trực tiếp đến máy phát tua-bin gió Sự tác động dẫn đến nhiều hậu nghiêm trọng trình bày mục Qua lý thuyết mục 2, ta chứng cải tiến mô- men hiệu Tuy nhiên, thông qua kết mơ mục 4, ta khẳng định thêm tính hiệu phương án vừa cải tiến TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 18 THD Is đối xứng phương pháp truyền thống [1] Ackermann, T.; Wind power in power systems; John Wiley and Sons, USA, 2003 [2] Leonhard, W.; Control of electric drives; Springer-Verlag, 3rd Nguyễn Thanh Hải 34 [3] [4] [5] [6] edition, USA, 2001 Wenske, J.; “Special report direct drives and drive-train development trends”; Wind Energy Report Germany 2011, Siemens Press Picture, 2011 Alegría, M I., Andreu, J., Martín, L J., Ibanez, P., Villate, L J., Camblong, H.; “Connection requirement for wind farms: A survey on technical requirements and regulation”; Renewable and Sustainable Energy Review, Vol 11, Issue 8, pp 1858-1872, 2007 Muljadi, E., Yildirim, D., Batan, T., and Butterfield, C.P.; “Understand the unbalanced-voltage problem in wind turbine generation”; Proceeding of IEEE Industry Application Conference, Phoenix, USA, pp 1359-1365, 1999 Xu, L., Wang, Y.; “Dynamic modeling and control of DFIG based wind turbines under unbalanced network conditions”; IEEE Transactions of Power Systems, Vol 22, No 1, pp 314–323, 2007 [7] Jiabing, H., Yikang, H., Lie, X., Williams, W B.; “Improve control of DFIG systems during network unbalance using PI-R current regulators”; IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 56, No 2, pp 439-451, 2009 [8] Pham-Dinh, T., Nguyen, A N., Nguyen-Thanh, H.; “Improving stability for independent power control of wind turbine doubly fed induction generator with SFOC and DPC during grid unbalance”; Proceeding of IPEC 2012, pp 155-160, Ho Chi Minh City, Vietnam [9] Pham-Dinh, T., Nguyen-Thanh, H., Uchida, K., Nguyen, G M T.; “Comparison between modifications of SFOC and PDC in control of grid-connected doubly fed induction generator under unbalanced voltage dip”; Proceeding of SICE 2013, pp 2581-2588, Nagoya Japan [10] Yikang, H., Jiabing, H., Rende, Z.; “Modelling and control of windturbine used DFIG under network fault conditions”; Proceeding of ICEMS 2005, Vol 2, pp 986-991, Nanjing, China (BBT nhận bài: 12/11/2014, phản biện xong: 07/02/2015) ... điều khi? ??n công suất độc lập máy điện gió DFIG truyền thống cải tiến ổn định m? ?men nguồn đối xứng, hai phương pháp ? ?áp ứng tốt với yêu cầu đặt điều khi? ??n Tuy nhiên, nguồn đối xứng làm mô- men dao... -6.22% dòng stator Điều khẳng định thêm tính hiệu phương án cải tiến điều khi? ??n máy điện gió DFIG điện áp lưới đối xứng Bảng So sánh THD dòng rotor stator điện áp lưới đối xứng THD Dòng rotor... (13) Mơ hình ổn định mơ -men điều khi? ??n DFIG Mơ hình nâng cao tính ổn định mơ -men điều khi? ??n máy điện gió DFIG trình bày Hình Theo (9), thành phần 2ωs tác nhân làm (Pe) biến dạng Mô- Thông số