Ứng dụng matlab simulink mô phỏng converter điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép dfig

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG CONVERTER ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP DFIG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Ths Hoàng Đăng Khoa SINH VIÊN THỰC HIỆN Tô Minh Nguyện MSSV: 1111021 Ngành: Kỹ Thuật Điện – Khóa: 37 Tháng 5/2015 Tóm tắt đề tài TĨM TẮT ĐỀ TÀI Đặt vấn đề cho đề tài Khi mức sống ngƣời dân cao, kinh tế ngày đại nhu cầu lƣợng ngày lớn việc phát triển điện thực thách thức nhiều quốc gia Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày tăng lƣợng đồng thời bảo vệ môi trƣờng, phát triển bền vững, nguồn lƣợng đƣợc giới quan tâm nhiều Những nguồn lƣợng vơ tận từ thiên nhiên bao gồm lƣợng gió, lƣợng mặt trời, lƣợng địa nhiệt, lƣợng sóng biển, lƣợng thủy triều…Tất loại lƣợng góp phần lớn vào việc thay đổi sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trƣờng Trong phát triển lƣợng gió đƣợc ƣu tiên hàng đầu Ƣu điểm lƣợng gió dễ khai thác, thời gian xây dựng ngắn chi phí vận hành tƣơng đối thấp Tuy nhiên, muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn lƣợng tƣơng lai cơng nghệ phải đƣợc cải tiến, chi phí xây dựng phải thấp giá mua điện phải cao mức giá Giới thiệu đề tài Năng lƣợng gió biến đổi thành điện thơng qua turbine gió máy phát Nhƣng thực tế, vận tốc gió ln biến đổi nên hệ thống biến đổi lƣợng gió tốc độ thay đổi đƣợc sử dụng rộng rãi Bộ converter điều khiển tối ƣu công suất nhận đƣợc từ gió, giảm lực tác động lên kết cấu khí có khả điều khiển cơng suất tác dụng công suất phản kháng cách độc lập Hệ thống biến đổi lƣợng gió làm việc tốc độ thay đổi sử dụng máy điện không đồng nguồn kép DFIG phù hợp thời điểm Bộ converter thiết bị điện tử công suất biến đổi khoảng 1/3 tổng công suất máy phát, nghĩa giảm đƣợc tổn hao linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi tồn cơng suất phát nhƣ hệ thống biến đổi lƣợng gió sử dụng máy phát đồng từ giảm đƣợc chi phí đầu tƣ SVTH: Tơ Minh Nguyện i Tóm tắt đề tài Hệ thống DFIG kết nối trực tiếp với lƣới điện phải có khả điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản kháng để trì hệ số cơng suất nhƣ ổn định điện áp lƣới giới hạn cho phép, góp phần nâng cao chất lƣợng điện độ tin cậy hệ thống điện Bộ converter phận thực vai trị Do đó, đề tài: “Ứng dụng Matlab Simulink mô converter điều khiển máy phát phát điện gió DFIG ” nhằm tìm hiểu xây dựng mơ hình điều khiển converter Điểm nhấn luận văn - Xây dựng mơ hình tốn học converter điều khiển máy phát điện gió khơng đồng nguồn kép DFIG - Tìm hiểu hệ thống máy phát DFIG chuyển đổi công suất Converter - Dùng phần mềm Matlab Simulink để mô converter điều khiển máy phát điện không đồng nguồn kép DFIG Kết cấu đề tài Nội dung đề tài gồm chƣơng: CHƢƠNG 1: Tổng quan lƣợng điện gió CHƢƠNG 2: Hệ thống chuyển đổi lƣợng gió CHƢƠNG 3: Mơ hình tốn học máy phát điện không đồng nguồn kép DFIG CHƢƠNG 4: Xây dựng mơ hình điều khiển converter CHƢƠNG 5: Mơ hình điều khiển converter matlab simulink CHƢƠNG 6: Kết luận kiến nghị SVTH: Tô Minh Nguyện ii Mục lục MỤC LỤC CHƢƠNG: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG ĐIỆN GIÓ 1.1 Lịch sử phát triển lƣợng gió 1.1.1 Quá trình hình thành lƣợng gió 1.1.2 Quá trình sử dụng lƣợng gió 1.2 Những thuận lợi hạn chế sử dụng gió để sản xuất điện 1.3 Tình hình phát triển điện gió 10 1.3.1 Tình hình chung 10 1.3.2 Cơng nghệ điện gió 14 1.3.3 Các cƣờng quốc điện gió giới 16 1.3.3.1 Cơng suất điện gió tính theo mật độ dân số 16 1.3.3.2 Cơng suất điện gió tính theo cơng suất lắp đặt 17 1.3.3.3 Triển vọng tƣơng lai điện gió 20 1.4 Tình hình phát triển điện gió Việt Nam 21 1.4.1 Tiềm lƣợng điện gió 21 1.4.2 Các dự án điện gió Việt Nam 24 1.4.3 Thuận lợi khó khăn phát triển điện gió 26 CHƢƠNG II: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ 28 2.1 Năng lƣợng gió 28 2.2 Cấu tạo hệ thống gió 30 2.2.1 Tháp đỡ 30 2.2.2 Cánh quạt tuabin 31 2.2.3 Bộ phận điều khiển hƣớng gió (hệ thống yaw) 32 SVTH: Tô Minh Nguyện iii Mục lục 2.2.4 Hộp số 32 2.2.5 Máy phát điện tuabin gió 33 2.2.6 Bộ phận đo tốc độ gió 34 2.3 Thành phần máy phát điện gió 35 2.3.1 Phân loại cánh quạt turbine gió 35 2.3.1.1 Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục đứng 35 2.3.1.2 Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục ngang 36 2.3.1.3 So sánh cánh quạt turbine bố trí theo trục đứng cánh quạt turbine bố trí theo trục ngang 37 2.3.2 Các loại máy phát điện hệ thống lƣợng gió 37 2.3.3 Các loại hệ thống turbine gió 38 2.3.3.1 Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ cố định 38 2.3.3.2 Hệ thống turbine gió hoạt động với tốc độ thay đổi 39 2.3.4 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát nguồn kép 41 2.4.1 Rotor 45 2.4.2 Trụ tháp 46 2.4.3 Hộp số 47 2.4.4 Máy phát 48 2.4.5 Hệ thống góc pitch 48 2.4.6 Hệ thống yaw 49 CHƢƠNG III: MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN NGUỒN KÉP DFIG 50 3.1 Tổng quan turbine gió máy phát điện nguồn kép DFIG 50 3.2 Mơ hình turbine gió với máy phát điện nguồn kép DFIG 52 3.2.1 Mô hình turbine gió 52 3.2.2 Phƣơng trình chuyển đổi hệ qui chiếu 55 SVTH: Tô Minh Nguyện iv Mục lục 3.2.2.1 Phƣơng trình chuyển đổi từ hệ abc sang hệ αβ 55 3.2.2.2 Phƣơng trình chuyển đổi từ hệ abc sang hệ dq 56 3.2.3 Mơ hình tốn học DFIG 57 3.2.3.1 Mơ hình tốn học DFIG hệ trục toạ độ tĩnh αβ 58 3.2.3.2 Mô hình tốn học DFIG hệ trục toạ độ đồng dq 60 CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CONVERTER 63 4.1 Hệ thống máy phát điện không đồng nguồn kép DFIG 63 4.1.1 Đặt vấn đề 63 4.1.2 Cấu tạo máy phát DFIG 64 4.1.3 Nguyên lý hoạt động máy phát điện DFIG 65 4.2 Xây dựng mơ hình converter điều khiển máy phát điện khơng đồng nguồn kép (DFIG) 67 4.2.1 Điều khiển converter phía lƣới (GSC) 67 4.2.2 Điều khiển converter phía rotor (RSC) 69 CHƢƠNG V: MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CONVERTER TRONG MATLAB SIMULINK 71 5.1 Mơ hình converter điều khiển máy phát điện DFIG 1.5 MW 72 5.1.1 Khối tính Ps Qs 76 5.1.1.1 Khối “abc2dq” 76 5.1.2 Mơ hình điều khiển converter phía rotor 78 5.1.2.1 Khối “Tính ims” 79 5.1.2.2 Khối “Tính voltage” 80 5.1.2.3 Mơ hình khối PWM 80 5.1.2.4 Bộ điều chỉnh PID Setpiont weighting Anti-Windup 82 5.1.3 Mơ hình điền khiển convertor phía lƣới 82 5.1.3.1 Khối “calculate Pr” 83 SVTH: Tô Minh Nguyện v Mục lục 5.1.3.2 Khối DC link điều khiển điện áp DC 85 5.1.3.3 Khối tính góc deta 85 5.1.3.4 Khối abc sang dq 86 5.1.3.5 Khối Vdq sang idq 87 5.1.3.6 Khối tính id iq 87 5.1.3.7 Khối “Calculate P&Q” 88 5.1.4 Mơ hình nghịch lƣu cấp nguồn cho rotor máy phát 88 5.2 Kết mô nhận xét 89 5.2.1 Kết mô 89 5.2.1.1 Kết mơ với tốc độ gió cố định 89 5.2.1.2 Kết mô với tốc độ gió thay đổi 93 5.2.2 Nhận xét 96 CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 6.1 Kết luận 98 6.2 Kiến nghị 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 SVTH: Tô Minh Nguyện vi Mục lục hình MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Tốc độ gió nguồn từ vệ tinh NASA's Quick Scatterometer (QuikSCAT) Hình 1.2: Những cối xay gió đƣợc dựng lên Ba Tƣ vào khoảng kỉ thứ V Hình 1.3: Mơ hình cối xay gió xuất sau TK 13 Hình 1.4 : Chiếc máy bơm nƣớc chạy sức gió phía Tây nƣớc Mỹ năm 1800………………………………………………………………………4 Hình 1.5: Máy phát điện sức gió Charles F.Brush chế tạo Hình 1.6: Máy phát Gedser cơng suất 200kW Hình 1.7: Một số loại turbine gió đƣợc sử dụng phổ biến điện 11 Hình 1.8: Tình hình phát triển lƣợng điện gió tồn cầu theo số liệu thống kê hội đồng lƣợng gió tồn cầu (GWEC) năm 2014[3] .13 Hình 1.9: Cơng suất điện gió lắp đặt hàng năm từ 1997-2014 (theo GWEC)[4] .14 Hình 1.10: Cột turbine điện gió lớn giới Vestas V164-8.0 MW Đan Mạch 15 Hình 1.11: Đồ thị mơ tả thứ tự nƣớc phát triển điện gió với số liệu thời điểm 2012 (theo QWEC)[4] .16 Hình 1.12: Đồ thị mơ tả thứ tự 15 nƣớc phát triển điện gió với số liệu thời điểm năm 2012 (theo GWEC)[4] 17 Hinh 1.13: Cơng suất điện gió lắp đặt quốc gia dẫn đầu từ năm 1980-2013 (theo GEWC)[4] 18 Hình 1.14: Cơng suất lƣợng điện gió tồn cầu từ năm 1997-2014 (theo GWEC)[4] .19 Hình 1.15: Mƣời nƣớc có lƣợng điện gió lắp đặt lớn năm 2013 (theo GWEC)[4] .19 Hình 1.16: Các turbine điện gió đƣợc lắp đặt Việt Nam .22 Hình 1.17: Bản đồ phân bố tốc độ gióViệt Nam độ cao 80 mét (2010) 23 Hình 2.1: Tháp đỡ hình trụ 30 Hình 2.2 Cánh quạt turbine 31 Hình 2.2: Cánh turbine gió 31 Hình 2.3: Bộ phận điều khiển hƣớng gió 32 SVTH: Tơ Minh Nguyện vii Mục lục hình Hình 2.4: Hộp số máy phát điện 33 Hình 2.5: Bộ phận đo tốc độ gió .34 Hình 2.7: Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục ngang 36 Hình 2.6: Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục đứng 35 Hình 2.8: Máy phát DFIG 38 Hình 2.9: Hệ thống turbine gió hoạt động với tốc độ cố định 39 Hình 2.10: Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ thay đổi với máy phát đồng 40 Hình 2.11: Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ thay đổi với máy phát không đồng nguồn kép 41 Hình 2.12: Cấu trúc hệ thống làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng DFIG .41 Hình 2.13: Tuabin điện gió GE 1.6 Mỹ 43 Hình 2.14: Cấu tạo turbine GE 44 Hình 2.16: Trụ tuabin GE 1.6 MW 46 Hình 2.17: Móng turbine xây dựng biển Bạc Liêu 47 Hình 2.18: Hộp số turbine gió 47 Hình 2.19: Hệ thống điều khiển góc pitch 48 Hình 2.20: Hệ thống yaw 49 Hình 3.1: Tuabin gió với máy phát điện nguồn kép DFIG .50 Hình 3.3: Mối quan hệ công suất tốc độ cánh quạt nhiều cấp tốc độ gió khác 52 Hình 3.4: Quan hệ Cp λ .53 Hình 3.5: Mơ hình turbine gió[8],[9] 54 Hình 3.6: Mối liên hệ trục toạ độ abc αβ[2] 55 Hình 3.7: Mối liên hệ trục abc dq[2] 56 Hình 3.8: Sơ đồ tƣơng đƣơng RL stator rotor .57 Hình 3.9: Mạch tƣơng đƣơng máyđiện DFIG hệ trục  .59 Hình 4.10 Mạch tƣơng đƣơng máyđiện DFIG hệ toạ độ đồng dq .60 Hình 4.1: Nguyên lý hoạt động máy phát điện……………………………… 65 Hình 4.2: Mơ hình converter cầu pha phía lƣới 68 Hình 5.1: Mơ hình tổng thể điều khiển converter máy phát điện DFIG (1.5MW) 72 Hình 5.2: Sơ đồ tổng quát khối CONVERTER 74 Hình 5.3: Sơ đồ chi tiết khối CONVERTER 75 SVTH: Tơ Minh Nguyện viii Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink Khối chuyển tọa độ abc sang αβ (hình 5.25) dựa vào phƣơng trình (5.3) Hình 5.25: Khối abc2anphabe 5.1.3.4 Khối abc sang dq Khối abc sang dq (hình 5.26) dựa phƣơng trình (5.4) Hình 5.26: Khối chuyển tọa độ abc sang dq SVTH: Tơ Minh Nguyện 86 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink 5.1.3.5 Khối Vdq sang idq Khối Vdqs sang idq thể hình 5.27 Hình 5.27: Khối Vdq-idq 5.1.3.6 Khối tính id iq Khối tính id iq (hình 5.28) dựa vào phƣơng trình: v d  R f id  L f v q  R f iq  L f v d  R f id did  id   dt Lf diq dt  iq   v q  R f iq Lf Hình 5.28: Khối tính id iq SVTH: Tô Minh Nguyện 87 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink 5.1.3.7 Khối “Calculate P&Q” Khối “Calculate P&Q” (hình 5.29) dựa phƣơng trình (5.1) Hình 5.29: Khối Calculate PQ 5.1.4 Mơ hình nghịch lƣu cấp nguồn cho rotor máy phát Mơ hình nghịch lƣu cấp nguồn cho rotor máy phát (hình 5.30) dựa phƣơng trình: 2u1  u  u 3 2u  u  u vb  3 2u  u  u vc  3 va  Hình 5.30: Mơ hình nghịch lưu cấp nguồn cho rotor máy phát SVTH: Tô Minh Nguyện 88 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink 5.2 Kết mô nhận xét 5.2.1 Kết mô 5.2.1.1 Kết mô với tốc độ gió cố định (a) (b) SVTH: Tơ Minh Nguyện 89 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink (c) (d) SVTH: Tô Minh Nguyện 90 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink (e) (f) (f) SVTH: Tô Minh Nguyện 91 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink (g) Hình 5.31: Kết điều khiển converter động DFIG 1.5MW với tốc độ gió cố định (a) Tốc độ gió, (b) Tốc độ máy phát, (c) Dịng điện idr, (d) Dịng điện iqr, (e) Cơng suất phản kháng stator, (f) Công suất tác dụng stator (g) Công suất phát lên lƣới SVTH: Tô Minh Nguyện 92 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink 5.2.1.2 Kết mô với tốc độ gió thay đổi (a) (b) SVTH: Tơ Minh Nguyện 93 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink (c) (d) SVTH: Tô Minh Nguyện 94 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink (e) (f) SVTH: Tô Minh Nguyện 95 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink (g) Hình 5.32: Kết điều khiển converter động DFIG 1.5MW với tốc độ gió thay đổi (a) Tốc độ gió, (b) Tốc độ máy phát, (c) Dịng điện idr, (d) Dịng điện iqr, (e) Cơng suất phản kháng stator, (f) Công suất tác dụng stator (g) Công suất phát lên lƣới 5.2.2 Nhận xét Trong phần mô trên, converter điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản kháng phát lên lƣới điện Hình 5.31 hình 5.32 lần lƣợt kết q trình mơ với tốc độ gió cố định tốc độ gió thay đổi: - Mơ hình điều khiển vận hành ổn định, kết điều khiển công suất phát lên lƣới đạt với giá trị đặt máy phát vận hành chế độ xác lập - Tốc độ gió ln thay đổi: Trƣờng hợp tốc độ gió lớn định mức, góc pitch thay đổi theo hƣớng tăng lên để giữ cho công suất phát với công suất định mức Trong trƣờng hợp tốc độ gió nhỏ định mức giây 40 41 (hình 5.32.a), cơng suất phát giảm xuống, góc pitch điều khiển khơng (β=0) để turbine gió phát cơng suất cực đại - Giá trị tốc độ máy phát đƣợc điều khiển theo giá trị đặt với n * = 1450 rpm, tốc độ máy phát dao động quanh giá trị đặt SVTH: Tô Minh Nguyện 96 Chương V: Mơ hình mơ điều khiển converter matlab simulink -Kết mô công suất tác dụng phụ thuộc vào kết mô thành phần dịng điện iqr nên việc điều khển cơng suất tác dụng thông qua điều khiển iqr - Kết mô công suất phản kháng phụ thuộc vào kết mơ thành phần dịng điện idr nên việc điều khiển công suất phản kháng thông qua điều khiển idr - Máy phát DFIG ban đầu hoạt động chế độ động khoảng thời gian định đạt đƣợc tốc độ 1450rmp DFIG hoạt động chế độ máy phát SVTH: Tô Minh Nguyện 97 Chương VI: Kết luận kiến nghị CHƢƠNG VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Năng lƣợng gió nguồn lƣợng sạch, nhu cầu lƣợng điện ngày tăng Do đó, việc phát triển điện gió có tính cấp thiết quan trọng cho phát triển bền vững, đặc biệt giai đoạn nguồn lƣợng từ nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt Bài luận văn đƣợc bố cục thành chƣơng tìm hiểu vấn đề sau đây: - Chƣơng I: Lịch sử phát triển điện gió,tình hình phát triển lƣợng gió giới Việt Nam, tiềm năng, triển vọng dự án lƣợng gió Việt Nam - Chƣơng II: Tìm hiểu cấu tạo hệ thống chuyển đổi lƣợng gió, loại máy phát điện turbine đƣợc sử dụng phổ biến - Chƣơng III: Tìm hiểu máy phát điện không đồng nguồn kép DFIG - Chƣơng IV: Xây dựng mơ hình converter điều khiển máy phát điện không đồng DFIG - Chƣơng V: Mô converter matlab simulink 6.2 Kiến nghị Sau hoàn thành luận văn, em đề xuất số vấn đề sau đây: - Tiếp tục nghiên cứu phát triển đề tài mơ hình thiết bị thực tế sau so với kết mơ - Cần đầu tƣ phát triển rộng rãi lƣợng điện gió thực tế nhƣ vùng khó khăn, vùng núi, hải đảo, góp phần bảo vệ mơi trƣờng giảm phụ thuộc vào lƣới điện quốc gia SVTH: Tô Minh Nguyện 98 Chương VI: Kết luận kiến nghị Bài luận văn hoàn thành nhƣ yêu cầu đặt mong tài liệu tham khảo có ích cho q trình nghiên cứu bạn sinh viên yêu thích lĩnh cực lƣợng SVTH: Tô Minh Nguyện 99 Chương VI: Kết luận kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hồ Sĩ Thoảng Trần Mạnh Trí; “Năng lƣợng táo tạo”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2010 [2] Phan Quốc Dũng; “Truyền động điện”; Nhà xuất Đại học Quốc Gia Tp.HCM 2006 Tiếng Anh [3] http://www.gwec.net/global-figures/interactive-map/ [4] http://www.gwec.net/global-figures/graphs/ [5] M.G Molina, P.E Mercado, An efficient control strategy of variable speed wind turbine generator for three-phase grid-connected applications, University Nacional de San Juan – UNSJ Argentina, 2009 [6] K Raiambal and C Chellamuthu, Modeling and simulation of grid connected wind electric generating system, in Proc IEEE TENCON, India, pp.1847 – 1852, 2002 [7] S.Heier, Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems, Chapter 1, JohnWiley & SonsLtd, 1998 [8] S Masoud Barakati, Modeling and Controller Design of a Wind Energy Conversion System Including a Matrix Converter, A thesis presented to the University of Waterloo, Canada, 2008 [9] S Masoud Barakati, Wind Turbine Systems: History, Structure and Dynamic Model, Faculty of Electrical and Computer Engineering, University of Sistan and Baluchestan Zahedan, Iran, chapter 2, 2010 SVTH: Tô Minh Nguyện 100