Với bộ điều khiển bộ biến đổi phía rotor RSC và sự tácđộng tự thời của bộ nghịch lưu, điện áp đầu cực của máy phát ổn định ở giá trị 1.075pu sau 0.6s.. Tuy nhiên bộ Back-to-Back trong mô
Nguyên lý điều khiển
Vai trò của bộ PLL: Để có thể hòa đồng bộ các nhà máy năng lượng tái tạo vào lưới điện, các nhà máy này cần phải biết được tần số và góc pha hiện tại của lưới là bao nhiêu Do đó, người ta sử dụng bộ PLL để dò tần số và góc của lưới nhờ sử dụng một bộ giám sát tần số bên trong Hệ thống điều khiển của PLL sẽ thay đổi tần số dao động bên trong để giữ cho sự lệch pha giữa góc pha đầu ra của PLL và góc pha của lưới bằng 0.
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bộ PLL
Tín hiệu sin đầu vào được kết hợp với bộ phản hồi qua bộ cos: sin(a)∗cos(b)=1
Tín hiệu kết hợp được tính trung bình trong khoảng thời gian T=1/Freq.
Do ban đầu chưa có tín hiệu tần số Freq, do đó bộ PLL lấy bằng tần số khởi tạo ban đầu Freq0 trong 1 chu kì đầu.
Bộ PID với bộ điều khiển tùy chọn AGC điều khiển sao cho giá trị trung bình này về 0 bằng cách tác động lên bộ dao động được điều khiển (Voltage Controlled Oscillator - VCO) Khi giá trị trung bình bằng 0, tức bộ PLL đã bắt được tần số và góc pha mong muốn.
Giá trị trung bình có giá trị bằng không khi a = b.
Thay đổi thông số điều khiển và đánh giá đáp ứng của bộ PLL
Với các thông số mặc định
Thông số của sóng sin:
Biên độ điện áp 35 kV
Thông số của khối PLL:
Tần số tối thiểu (Hz) 45
Góc pha, tần số ban đầu [30 50]
Các hệ số điều chỉnh [Kp Ki Kd] [180 3200 1]
Thời gian chạy mô phỏng 0.25s.
Ta thu được đáp ứng của bộ PLL như sau:
Hình 1 2 Đáp ứng của bộ PLL với thông số mặc định
Với các thông số mặc định, đáp ứng của bộ PLL có các đặc điểm sau:
Tần số: quá trình quá độ diễn ra trong 0.22s, dao động với f max xấp xỉ 50.2Hz.
Góc pha: tại thời điểm t=0, góc pha là 30°, dao động với giá trị từ 0-2π, với tần số khi ổn định là 50Hz.
Thay đổi góc pha và tần số ban đầu của khối PLL
Các thông số như sau:
Thông số của sóng sin: không đổi.
Thay đổi góc pha của bộ PLL:
Góc pha, tần số ban đầu [0 50]
Ta thu được đáp ứng của bộ PLL như sau:
Hình 1 3 Đáp ứng của bộ PLL khi thay đổi góc pha ban đầu của PLL
Với việc thay đổi góc pha ban đầu của bộ PLL, ta thu được đáp ứng như sau:
Tần số: thời gian quá độ là 0.05s.
Góc pha: tại thời điểm t=0, góc pha là 0°, dao động với giá trị thay đổi 0-2π, với tần số 50Hz trong suốt thời gian dao động.
Qua mục 1.2.1 và 1.2.2 ta rút ra một số nhận xét như sau:
Trong một chu kỳ đầu tiên, bộ PLL luôn giữ tần số bằng tần số ban đầu của chính nó, do tại khoảng thời gian đó, bộ PLL chưa dò được tần số của nguồn sin.
Sự lệch pha giữa góc pha ban đầu của PLL và của nguồn sin càng nhỏ thì biên độ dao động của quá trình quá độ càng nhỏ.
Khi độ lệch giữa góc pha ban đầu của PLL và của nguồn sin khác 0, tần số đầu ra của PLL trong quá trình quá độ đều > 50Hz.
Thay đổi thông số điều khiển Kp
Thời gian mô phỏng 0.5s, đáp ứng của bộ PLL như sau:
Hình 1 4 Đáp ứng của PLL khi Kp 0 Đáp ứng tần số: thời gian quá độ là 0.3s.
Thời gian mô phỏng 0.5s, đáp ứng của PLL là:
Hình 1 5 Đáp ứng của PLL khi Kp%0 Đáp ứng tần số: thời gian quá độ là 0.325s
Thời gian mô phỏng t=1s, đáp ứng của PLL là:
Hình 1 6 Đáp ứng của PLL khi KpP0 Đáp ứng tần số: thời gian quá độ 0.85s
Thay đổi thông số như trên trong nhiều trường hợp, ta thu được bảng tổng kết như sau:
Bảng 1 1 Bảng tổng hợp kết quả đáp ứng tần số của bộ PLL khi thay đổi Kp
Kp Thời gian quá độ (s) fmax (Hz) fmin (Hz)
Từ bảng trên có thể thấy: giá trị Kp có thể lựa chọn 1 trọng 2 giá trị 155 và
160 vì trong 2 trường hợp này quá trình quá độ của PLL diễn ra nhanh nhất.
Thay đổi thông số điều khiển Ki
Bảng 1.2 Thay đổi thông số Ki của bộ PLL
Ki Thời gian quá độ
Từ bảng trên ta thấy, với thông số Ki@00, thì thời gian quá độ là nhỏ nhất, đồng thời biên độ dao động max nhỏ nhất với các trường hợp thời gian quá độ 0.16s.
Vì vậy, Ki = 4000 là tối ưu.
Thay đổi thông số điều khiển Kd
Khi thay đổi thông số Kd càng xa khỏi giá trị mặc định thì dao động của đáp ứng tần số trong quá trình quá độ càng mạnh Vì vậy, để tối ưu giữ giá trị mặc định là Kd=1.
Tổng kết bộ số điều khiển tối ưu
Từ các phần c, d, e, bộ số tối ưu cho bộ điều khiển PID là [ Kp Ki Kd] [ 155 4000 1].
Đánh giá đáp ứng của PLL khi tần số thay đổi
Khi sóng sin có tần số 51 Hz
Hình 1.7 Đáp ứng tần số của bộ PLL khi tần số sóng sin = 51 Hz Đáp ứng tần số của bộ PLL có các đặc điểm sau:
Quá trình quá độ diễn ra trong 0.278s, dao động với f max xấp xỉ 51.032 Hz.
Khi sóng sin có tần số 52 Hz
Hình 1 8 Đáp ứng tần số của bộ PLL khi tần số sóng sin = 52 Hz Đáp ứng tần số của bộ PLL có các đặc điểm sau:
Quá trình quá độ diễn ra trong 0.248s, dao động với f max xấp xỉ 52.055 Hz.
Khi sóng sin có tần số 55 Hz
Hình 1 9 Đáp ứng tần số của bộ PLL khi tần số sóng sin = 55 Hz
Thời gian chạy mô phỏng 2.5s Đáp ứng tần số của bộ PLL có các đặc điểm sau:
Quá trình quá độ diễn ra trong 0.25s, dao động với f max xấp xỉ 55.002 Hz.
Khi sóng sin có tần số 49 Hz
Hình 1 10 Đáp ứng tần số của bộ PLL khi tần số sóng sin = 49 Hz Đáp ứng tần số của bộ PLL có các đặc điểm sau:
Quá trình quá độ diễn ra trong 0.2s, dao động với f min bằng 49 Hz.
Bảng 1.3 Bảng tổng kết các giá trị của đáp ứng tần số PLL khi tần số thay đổi
Tần số sóng sin Thời gian quá độ (s) fmax (Hz) fmin (Hz)
Từ bảng 1.3 ta thấy, bộ PLL có thể bắt với tần số yêu cầu trong thời gian ngắn, ∆t max = 0.278s, và có độ sai lệch về biên độ so với tần số yêu cầu rất nhỏ,
Câu 2 Nguyên lý bộ biến đổ abc-dq0
Cơ sở lý thuyết
Cho đại lượng ba pha của máy điện xoay chiều: n a , n b , n c
n c (t)= ¿ n|.cos(ωt+α 0+120 o ) Máy điện xoay chiều 3 pha có thành phần các dòng điện:
Trong mặt phẳng của hệ tọa độ, xét hệ tọa độ thứ hai có trục hoành d, trục tung q:
Quan hệ giữa i d , i q ,i o với các dòng điện pha khi thực hiện biến đổi hệ phương trình bằng toán học người ta sử dụng phép biến đổi sai khác với phép biến đổi trên một hệ số là 2/3:
3¿ Khi 3 pha không cân bằng: i o =1
Với ɣ ¿ ωt + ɣ o thực hiện phép biến đổi, có:
Giả thiết và tính toán theo lý thuyết
Thành phần dòng điện xoay chiều 3 pha:
Chuyển sang hệ tọa độ dqo với ɣ ¿ ωt + ɣ o trong đó:
ɣ o =0 (trục quay trùng với pha A)
Mô phỏng bộ biến đổi abc-dq0
Hình 2.1 Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi abc-dq0
Hình 2.2 Thông số sóng sin
Kết quả mô phỏng
Từ dòng điện 3 pha A, B, C ở trên ta thu được dòng Id, Iq như hình dưới đây
Hình 2.4 Dòng điện Id và Iq
Từ đồ thị, ta thấy Id0, Iq=0 => Kết quả trùng khớp với lý thuyết
Câu 3 Đáp ứng tăng điện áp/công suất đối với nhà máy điện gió/mặt trời.
Đáp ứng của DFIG trong chế độ xác lập
Tăng điện áp set point từ 1 lên 1.075 pu
Với tốc độ gió là 13 m/s, nhà máy duy trì công suất phát đầu cực là 9 MW tại góc mở cánh quạt của các máy phát là 2.3°, trong đó điện áp đầu cực máy phát được giữ bằng 1 pu, công suất phản kháng của nhà máy lấy của lưới là -0,75 MVA
Hình 3.1 Điện áp khi tăng từ 1pu lên 1.075pu
Hình 3.1 thể hiện đáp ứng của nhà máy điện gió DFIG khi thay đổi điện áp đầu cực từ 1 pu lên 1.075 pu Với bộ điều khiển bộ biến đổi phía rotor RSC và sự tác động tự thời của bộ nghịch lưu, điện áp đầu cực của máy phát ổn định ở giá trị 1.075 pu sau 0.6s Như vậy, so với mô hình tua-bin gió loại 1 và 2 thì mô hình loại 3 có khả năng điều chỉnh điện áp cũng như công suất phản kháng vượt trội hơn hẳn khi mà mô hình loại 1 và loại 2 cần các bộ tụ để cung cấp công suất phản kháng cho máy phát SFIG để tạo ra từ thông trên stator Tuy nhiên bộ Back-to-Back trong mô hình DFIG có giới hạn cũng rất hạn chế, trong chế độ hoàn động bình thường tổng công suất bộ Back-to-Back vận chuyển được là 30% so với công suất định mức máy phát nên phạm vi điều chỉnh công suất phản kháng của bộ biến đổi GSC chỉ khoảng-3 MVAr đến +3 MVAr trong chế độ làm việc bình thường.
Hình 3 2 Công suất tác dụng và công suất phản kháng khi thay đổi điện áp đặt
Hình 3.2 biểu diễn công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát trong quá trình thay đổi điện áp đặt trên Để thay đổi điện áp đặt từ 1 pu lên 1.075 pu, bộ biến đổi thay đổi công suất phản kháng ban đầu nhận công suất từ lưới về, sau khi tang điện áp lên 1.075 công suất phát kháng phát lên lưới là 2 MVAr Khi điện áp đầu cực máy phát thay đổi, công suất tác dụng của máy phát gần như không bị ảnh hưởng.
Tốc độ rotor và góc pitch dao động nhẹ và ngay sau đó quay về giá trị ban đầu.
Tăng tốc độ gió từ 10m/s lên 13m/s tại thời điểm 20s
Hình 3 5 Công suất tác dụng và công suất phản kháng khi tăng tốc độ gió
Hình 3.8 biểu diễn công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát trong quá trình thay đổi tốc độ gió từ 10m/s lên 13m/s Trước khi thay đổi công suất tác dụng của nhà máy là 5MW và công suất phản kháng là -0,75MVAr Khi tăng tốc độ gió lên 13m/s tại thời điểm 20s, công suất tác dụng của nhà máy bắt đầu tăng và xác lập ở giá trị 9MW sau thời gian khoảng 7s Công suất phản kháng của nhà máy giảm nhẹ từ -0.75MVAr còn -0,8MVAr Như vậy so với tua bin gió loại 1 và 2 khả năng điều chỉnh công suất tác dụng của loại 3 nhanh hơn.
Hình 3.6 Tốc độ tuabin DFIG
Hình 3.16 thể hiện tốc độ tua-bin máy phát DFIG trong kịch bản tăng tốc độ gió từ 10m/s lên 13m/s Trước sự cố, tốc độ tua-bin được giữ bằng 1.05 pu Khi tốc độ gió tăng lên, tốc độ tua-bin bắt đầu tăng nhanh lên đến giá trị 1,2pu.
Hình 3.7 Góc pitch khi tăng tốc độ gió
Hình 3.17 thể hiện đáp ứng của bộ điều khiển góc mở cánh quạt trong khi tốc độ gió tăng lên Trước khi tăng, với tốc độ gió 10 m/s, bộ điều khiển giữ góc pitch 0° để duy trì công suất phát của máy phát bằng 5 MW Khi tốc độ gió tăng lên, tốc độ tua-bin tăng so với tốc độ tham chiếu nên bộ điều khiển sẽ tăng góc mở cánh quạt lên để hạn chế việc tăng công suất cơ đột ngột cho máy phát, sau đó mới trở về giá trị phù hợp với tốc độ gió.
Hình 3 8 Điện áp khi tăng tốc độ gió Điện áp gần như không thay đổi khi tốc độ gió thay đổi, vẫn giữ ở giá trị định mức 1pu Điều này chon thấy khả năng giữ điện áp rất tốt của tua bin loại 3, khi tốc độ gió thay đổi điện áp vẫn giữ được giá trị định mức mà không bị dao động.
Câu 4 Mô phỏng đáp ứng ngắn mạch của nhà máy điện gió/mặt trời.
Các đại lượng được xét đến là dòng ngắn mạch DFIG đo được tại đầu cực máy phát, dòng sự cố rotor, công suất tác dụng và phản kháng, điện áp đầu cực máy phát, điện áp trên tụ DC, tốc độ tua-bin và góc mở cánh quạt.
Ngắn mạch 3 pha đầu cực máy phát
Hình 4 1 Dòng điện ngắn mạch DFIG khi ngắn mạch 3 pha đầu cực máy phát
Hình 4.1 thể hiện dòng sự cố của DFIG khi ngắn mạch ba pha đầu cực Có thể thấy dòng ngắn mạch của DFIG khác biệt hoàn toàn so với máy phát đồng bộ thông thường Dòng ngắn mạch của DFIG cũng bao gồm hai thành phần: thành phần tự do (một chiều) và thành phần chu kỳ, trong đó thành phần một chiều có giá trị khá lớn, tuy nhiên thành phần xoay chiều tắt rất nhanh, biên độ dao động từ 0.95pu đến 0.97pu chỉ sau 0,1s So với giá trị dòng điện ban đầu, dòng sau sự cố chỉ lớn hơn dòng định mức khoảng 0,18pu Dòng ngắn mạch DFIG phụ thuộc hoàn toàn vào đáp ứng của bộ biến đổi.
Hình 4 2 Dòng ngắn mạch của rotor khi ngắn mạch 3 pha đầu cực
Hình 2 thể hiện dòng sự cố rotor của DFIG khi ngắn mạch ba pha đầu cực. Cũng như dòng ngắn mạch DFIG, dòng rotor tăng vọt khi ngắn mạch xảy ra nhưng ổn định trong khoảng 0,98 pu đến 1 pu chỉ sau 0.1s So với giá trị dòng điện ban đầu, dòng điện ngắn mạch sau sự cố chỉ lớn hơn dòng ban đầu khoảng 0,1pu.
Hình 4.3 và hình 4.4 thể hiện công suất tác dụng và phản kháng máy phát DFIG trong sự cố ngắn mạch ba pha đầu cực Trong chù kỳ đầu xảy ra sự cố, dòng ngắn mạch lớn nên công suất tác dụng của máy phát giảm xuống 1,24 MW và sau đó tiếp tục giảm xuống 0,8MW MW khi dòng ngắn mạch DFIG tắt dần Tương tư, công suất phản kháng của máy phát giảm xuống -2 MVAr và sau đó tăng giá trị lên
1 MVAr và cuối cùng xác lập ở 0,4 MVAr.
Hình 4 3 Công suất tác dụng Hình 4 4 Công suất phản kháng
Hình 4.5 Điện áp đầu cực máy phát
Hình 4.5 thể hiện điện áp đầu cực máy phát DFIG trong sự cố ngắn mạch ba pha đầu cực Trước sự cố, điện áp đầu cực máy phát được giữ bằng 1.075 pu Điện áp này giảm xuống còn 0.13 pu khi ngắn mạch xảy ra Do điện áp giảm thấp nên công suất phản kháng bơm lên từ bộ biến đổi RSC không nhiều (0,4MVAr) do đó điện áp đầu cực máy phát không được cải thiện trong trường hợp này.
Hình 4.6 Điện áp trên tụ điện DC
Hình 4.6 thể hiện điện áp trên tụ điện DC của bộ biến đổi AC-DC-AC trong sự cố ngắn mạch ba pha đầu cực Trước sự cố, điện áp trên tụ được giữ tại giá trị định mức là 1150V Khi sự cố xảy ra điện áp đầu cực máy phát giảm gần về 0 nên việc chuyển công suất từ rotor qua Back-to-Back converter lên lưới bị hạn chế Do đó, năng lượng bị tích trữ trong tụ điện khiến điện áp trên tụ tăng nhanh đến 1730(V) khi sự cố xảy ra và hoàn toàn có thể đánh thủng cách điện của tụ.
Hình 4.7 Góc mở tuabin cánh quạt khi sự cố
Hình 4.7 thể hiện đáp ứng của bộ điều khiển góc mở cánh quạt trong sự cố. Trước sự cố, với tốc độ gió 13 m/s, bộ điều khiển giữ góc pitch = 2.3o để duy trì công suất phát của máy phát bằng 9 MW Khi sự cố xảy ra, tốc độ tua-bin tăng vọt so với tốc độ tham chiếu nên bộ điều khiển sẽ tăng góc mở cánh quạt lên để hạn chế công nhận công suất cơ cho tua-bin, giảm các tác hại do sự cố.
Hình 4 8 Tốc độ tuabin khi xảy ra sự cố
Hình 8 thể hiện tốc độ tua-bin máy phát DFIG trong sự cố ngắn mạch ba pha đầu cực Trước sự cố, tốc độ tua-bin được giữ bằng 1.2 pu Khi ngắn mạch xảy ra, tốc độ tua-bin giảm xuống 1.195 pu và sau đó tăng nhanh lên đến 1.25 pu do khi ngắn mạch công suất không được phát ra lưới tích tụ trong tuabin.
4.2 Ngắn mạch 1 pha chạm đất đầu cực máy phát
Hình 4 9 Dòng điện ngắn mạch 1 pha đầu cực máy phát
Hình 9 thể hiện dòng sự cố DFIG khi ngắn mạch một pha đầu cực So với dòng điện trước sự cố, dòng ngắn mạch pha A (pha sự cố) tăng lên nhiều, dao động trong khoảng 1,3 pu đến 1,4 pu Tuy nhiên do ảnh hưởng bởi nhiễu điều khiển nên dòng pha B và pha C cũng bị ảnh hưởng Dòng diện pha B tang nhẹ trong khoảng từ0,8 đến 0,9pu Ngược lại dòng điện pha C lại giảm so với dòng trước sự cố Dòng điện các pha tăng lên do bộ biến đổi RSC bơm công suất phản kháng lên lưới để nâng điện áp đầu cực máy phát.
Hình 4.10 Dòng điện ngắn mạch tại rotor
Dòng điện ngắn mạch 1pha tăng nhiều hơn so với ngắn mạch 3 pha (tăng lên1,5pu) Và dòng điện sau ngắn mạch dao động rất phức tạp, không còn là sóng hình sin, một phần là do nhiễu điều khiển.
Hình 4 11 Điện áp trên tụ DC khi ngắn mạch 1 pha
Hình 4.11 thể hiện điện áp trên tụ DC sau sự cố tăng nhẹ từ 1150V lên 1200V nhưng về sau lại dao động quanh giá trị 1120V đến 1190 V Điều này không tốt cho bộ biến đổi Back-to-Back Vì điện áp DC phải ổn định thì việc trao đổi công suất mới ổn định
Hình 4 12 Điện áp đầu cự máy phát khi ngắn mạch 1 pha
Hình 4.12 thể hiện điện áp đầu cực máy phát khi ngắn mạch 1 pha Ban đầu khi sự cố xảy ra điện áp giảm xuống nhanh chóng còn 0,98pu Ngay sau đó bộ biến đổi RSC bơm công suất phản kháng lên lưới lên điện áp được cải thiên và xác lập tại giá trị 1,04pu Điện áp trong trường hợp ngắn mạch 1 pha không bị giảm về 0.
Công suất tác dụng trong trường hợp ngăn mạch 1 pha chỉ dao động trong khoảng 0,02s sau đó lại trở về giá trị ban đầu Công suất phản kháng tăng từ
2MVAr lên 3,5MVAr do công suất phản kháng bơm từ rotor qua bộ biến đổi RSC và công suất máy phát bơm lên lưới để duy trì điện áp là 1,04pu.
4.3 Ngắn mạch 2 pha đầu cực máy phát
Hình 4.14 Công suất tác dụng Hình 4 13 Công suất phản kháng
Hình 4 15 Dòng điện ngắn mạch 2 pha đầu cực máy phát
Hình 4.15 thể hiện dòng sự cố DFIG khi ngắn mạch hai pha đầu cực Dòng điện hai pha sự cố (pha A và pha B) tăng vọt khi ngắn mạch xảy ra, nhưng do đáp ứng tức thời của bộ biến đổi nên thành phần chu kỳ dòng ngắn mạch tại pha B tắt dần về khoảng 1 pu đến 1.1 pu chỉ sau 0.1s, còn pha A vẫn lớn và tắt dần về khoảng2pu đến 2,1 pu Trong trường hợp này, dòng điện pha C cũng bị ảnh hưởng do nhiễu điều khiển Với sự cố hai pha chạm đất, dạng dòng ngắn mạch cũng cho kết quả tương tự.
