Luận văn: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam pot

BGDĐT PTNTĐH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Phòng thí nghiệm Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang Hà Nội, tháng 3/2007 Bản quyền thuộc PTNTĐH Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Giám đốc PTNTĐH trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu Bộ giáo dục và đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp nhà nớc Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10- 30KW phù hợp với điều kiện việt nam M số KC 06.20CN Chủ nhiệm đề tài: gs, tskh. nguyễn phùng quang 6700 24/12/2007 hà nội - 2007 PTNTĐH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Phòng thí nghiệm Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang Hà Nội, tháng 3/2007 Bản thảo viết xong tháng 3/2007 Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài cấp Nhà nước, mã số KC.06.20CN Danh sách những người thực hiện Số TT Họ tên Cơ quan công tác Nội dung tham gia 1 PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Chủ nhiệm Đề tài 2 ThS. Lê Anh Tuấn PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN 3 KS. Phí Kim Phúc PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN 4 ThS. Trương Xuân Hùng PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN 5 KS. Chu Đình Đức PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN 6 KS. Phạm Vũ Dương PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN 7 ThS. Triệu Đức Long PTN Tự động hóa, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN 8 ThS. Phạm Trung Kiên Bộ môn Điều khiển tự động, ĐHBK Hà Nội Thành viên nhóm Đề tài KC.06.20CN 9 TS. Đỗ Quốc Quang Viện Công nghệ, Bộ CN Hệ thống cột tháp (chương 2) 10 TS. Nguyễn Đình Kiên Viện Cơ học Việt Nam Thành viên nhóm TS. Đỗ Quốc Quang 11 ThS. Đỗ Xuân Ngôi Học viện Kỹ thuật quân sự Thành viên nhóm TS. Đỗ Quốc Quang 12 KS. Trần Xuân Thành Viện Công nghệ, Bộ CN Thành viên nhóm TS. Đỗ Quốc Quang 13 TS. Bùi Đức Hùng Bộ môn Thiết bị điện, ĐHBK Hà Nội Mục 1.2.2 và 1.2.3 14 TS. Phạm Anh Tuấn Viện Cơ học Việt Nam Mục 1.3.2 Ngoài danh sách những người thực hiện phần chuyên môn kể trên, Đề tài còn có sự đóng góp công sức của nhiều thành viên PTN Tự động hóa như PGS. TS. Bùi Quốc Khánh (Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu - Triển khai công nghệ cao, ĐHBK Hà Nội), ThS. Nguyễn Thúy Hồng (Thư ký Đề tài) và một số người khác. Danh sách các ký hiệu và chữ viết tắt Các ký hiệu Ký hiệu Ý nghĩa A Ma trận hệ thống B r , B s Ma trận vào phía Rotor, Stator C Ah , C Ph Dung lượng dòng, dung lượng công suất của ắc-quy E B Điện áp ắc-quy F Wt , F Wc Sức cản của gió do Turbine, do cột gây nên H s , H r Ma trận đầu vào phía Stator, phía Rotor i r , i rd , i rq Vector dòng Rotor, hai thành phần trục d, q i s , i sd , i sq Vector dòng Stator, hai thành phần trục d, q J Mômen quán tính K, V Ma trận phản hồi trạng thái, ma trận lọc đầu vào (ma trận tiền xử lý) L s , L r , L m , L σ r , L σ s Điện cảm Stator, Rotor, hỗ cảm giữa 2 cuộn dây, điện cảm tản phía Rotor và Stator L sd , L sq Điện cảm dọc trục, ngang trục m G , m M Mômen của máy phát, của động cơ n Tốc độ quay, hay hệ số bằng phẳng của địa hình P, Q Công suất hữu công, vô công R I Ma trận điều chỉnh dòng T + , T - , T pulse Thời gian thực hiện u + , u - , chu kỳ băm xung T r , T s Hằng số thời gian phía Rotor, Stator T sd , T sq Hằng số thời gian phía Stator đo dọc, ngang trục u + , u - , u T , u Tα Hai vector điện áp chuẩn, vector quay tròn, vector điện áp đặt lên đầu vào biến thế l ,, , su sv sw uuuU Ba điện áp pha, module điện áp máy phát U DC Điện áp mạch một chiều (DC) trung gian u r , u rd , u rq Vector điện áp Rotor, hai thành phần trục d, q u s , u sd , u sq Vector điện áp Stator, hai thành phần trục d, q v, v z Vận tốc gió, vận tốc gió ở độ cao z x Vector biến trạng thái y Vector biến ra của khâu điều chỉnh dòng z p Số đôi cực của máy điện λ Hệ số điều chế ψ s , ψ r Vector từ thông Stator, vector từ thông Rotor ψ sq , ψ sq Hai thành phần của vector từ thông Stator ψ s ψ p Vector từ thông cực ϕ Góc pha ω r , ω s , ω Vận tốc góc mạch điện phía Rotor, Stator, vận tốc góc cơ học của Rotor σ Hệ số tản Φ Ma trận quá độ trạng thái Ψ Độ nghiêng của quỹ đạo vector dòng điện Các chữ viết tắt Chữ viết tắt Ý nghĩa ALASKA Phần mềm Alaska ASVS AC Current Space Vector Trajectory Slope Method BĐKHT, BĐKCT Bộ điều khiển cấp hiện trường, cấp hệ thống BK-Wind Nhãn mác đã đăng ký của thiết bị phát điện sức gió CL Chỉnh lưu DFIG Doubly-Fed Induction Generator DSP Digital Signal Processor, vi xử lý tín hiệu ĐB-KTVC Đồng bộ kích thích vĩnh cửu ĐC, ĐK Điều chỉnh, điều khiển ĐCD Điều chỉnh dòng HSCS Hệ số công suất IGBT Insulated Gate Bipolartransistor, van bán dẫn KĐB-RDQ, KĐB-RLS, KĐB-NK Không đồng bộ Rotor dây quấn, không đồng bộ Rotor lồng sóc, không đồng bộ nguồn kép MASVS Modified AC Current Space Vector Trajectory Slope Method MĐN Máy đóng ngắt MP Máy phát NDCCM Normalized DC Current Method NL, NLMP, NLPL Nghịch lưu, nghịch lưu phía máy phát, nghịch lưu phía lưới NSOTD Normalized direct current method for Short of Open Transitor Detection PĐCSG, PĐCSG-ĐL Phát điện chạy sức gió, phát điện chạy sức gió độc lập PLECS Chương trình mô phỏng mạch điện tử công suất PWM Pulse Width Modulation, điều chế bề rộng xung S7-200 PLC loại Simatic S7-200 của Siemens SAP2000 Phần mề m SAP2000 SCIG Squirel-Cage Induction Generator SG Synchronous Generator, máy phát đồng bộ SSOTD Simple direct current method for Short of Open Transitor Detection T 4 R Tựa theo từ thông Rotor TĐĐ Truyền động điện THĐAL Tựa hướng điện áp lưới TKTT Tách kênh trực tiếp TMS320F2812 Vi xử lý tín hiệu TMS320F2812 TTHCX Tuyến tính hóa chính xác, Exact Linearization VAC, VDC Volt xoay chiều, volt một chiều I Mục lục Trang Lời nói đầu Danh sách các ký hiệu và chữ viết tắt 1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW 1 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.2.1 1.2.2.2 1.2.2.3 1.2.2.4 1.2.2.5 1.2.2.6 1.2.2.7 1.2.3 1.2.3.1 1.2.3.2 1.2.3.3 1.2.3.4 1.2.3.5 1.2.3.6 1.2.3.7 1.2.3.8 1.3 1.3.1 1.3.1.1 1.3.1.2 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.4 Đặt vấn đề Máy phát điện Máy phát điện đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN Thiết kế máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu phục vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam Xác định các kích thước cơ bản Tính toán mạch từ Tổn hao ở chế độ làm việc định mức Các đặc tính làm việc của máy phát điện Tính toán độ tăng nhiệt Chỉ tiêu tiêu hao vật tư Tổng kết các số liệu thiết kế Thiết kế máy phát không đồng bộ Rotor lồng sóc phục vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam Xác định các kích thước chủ yếu Tính toán mạch từ Các tham số của máy ở tần số 50Hz Tổn hao và hiệu suất của máy ở chế độ động cơ điện Động cơ điện làm việc ở chế độ máy phát Tính toán độ tăng nhiệt Chỉ tiêu tiêu hao vật tư Tổng kết các số liệu thiết kế Turbine gió (Wind Turbine) Turbine gió đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN Mô tả Turbine Vận hành Turbine Nghiên cứu thiết kế Turbine chuẩn bị cho việc chế tạo tại Việt Nam Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống Turbine gió Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển góc cánh gió Tài liệu tham khảo của chương 1 1 1 2 3 3 6 10 12 17 18 19 20 20 26 27 30 34 40 42 43 44 44 46 47 49 50 62 67 II 2 Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module 69 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.2.3 2.1.2.4 2.1.3 2.1.4 2.1.4.1 2.1.4.2 2.1.5 2.1.6 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.4 Phân tích, tính toán kết cấu cột dây văng Mô tả kết cấu Hệ tải trọng tác dụng lên kết cấu Tải trọng gió Tải trọng gió do sức cản của cánh quạt Turbine F wt Tải trọng gió do cản của cột chính F wc Tải trọng của Turbine Phân tích, tính toán kết cấu theo lý thuyết của Timoshenco Phân tích, tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm SAP2000 Lựa chọn phần tử Phân tích 3D Kiểm tra ổn định của cột phụ khi lắp dựng Độ bền kết cấu cụm quay tại chân cột Thiết kế kết cấu cột tháp Mô tả thiết kế Mô tả hoạt động của hệ thống Các bản vẽ thiết kế chi tiết Kết luận Tài liệu tham khảo của chương 2 69 69 70 70 71 72 72 73 76 76 78 78 80 82 82 87 91 92 92 3 Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất 93 3.1 3.1.1 3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.1.3 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.3 3.1.3.1 3.1.3.2 3.1.3.3 3.1.4 3.1.4.1 Các thiết bị điều khiển Tổng quan về hệ thống các thiết bị điều khiển (gồm cả sản phẩm số 10) Tổng quan về hệ thống Cấp điều khiển hiện trường Cấp điều khiển hệ thống Hardware điều khiển hiện trường sử dụng TMS 320F2812 (sản phẩm số 8) Khái quát về vi xử lý tín hiệu TMS 320F2812 Thiết kế Hardware của đề tài KC.06.20CN Điều khiển hệ thống sử dụng PLC loại Simatic S7-200 Khái quát về bài toán điều khiển và truyền thông trong hệ thống Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng S7-200 Truyền thông giữa PC (ở xa), PLC S7-200 và DSP F2812 Module nghịch lưu sử dụng van điện tử công suất (sản phẩm số 9) Khái quát về thiết bị nghịch lưu 94 94 94 96 100 101 101 114 129 129 131 147 148 148 III 3.1.4.2 3.2 3.3 Thiết kế - chế tạo nghịch lưu cho thiết bị phát điện chạy sức gió Trạm (nhà) che an toàn khí hậu cho các thiết bị Tài liệu tham khảo của chương 3 159 162 166 4 Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện 169 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.4 Khái quát về hệ thống lưu điện Thiết kế hệ thống lưu điện Tính toán dàn ắc-quy lưu điện Tính toán thiết kế mạch lực Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp Tài liệu tham khảo của chương 4 169 175 175 176 180 186 5 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ 187 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.2.1 5.2.2.2 5.2.2.3 5.2.3 5.2.3.1 5.2.3.2 5.2.4 5.2.4.1 5.2.4.2 5.2.4.3 5.2.4.4 5.2.5 5.2.5.1 5.2.5.2 5.2.5.3 5.3 5.3.1 Khái quát về máy phát không đồng bộ Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor dây quấn Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RDQ Mô hình toán và các biến điều khiển máy phát KĐB-RDQ Mô hình toán của máy phát KĐB-RDQ Mô hình trạng thái gián đoạn của máy phát KĐB-RDQ Các biến điều khiển cách ly công suất hữu công P và vô công Q Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát Mô hình dòng Rotor Điều khiển cách ly P và Q bằng bộ điều chỉnh dòng 2 chiều Cấu trúc đ iều khiển phi tuyến phía máy phát Khái quát về phương pháp tuyến tính hóa chính xác (TTHCX, Exact Linearization) Đặc điểm phi tuyến của mô hình máy phát KĐB-RDQ Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo phương pháp TTHCX Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo phương pháp cuốn chiếu (Backstepping) Cấu trúc điều khiển phía lưới Mô hình toán mạch điện phía lưới Cấu trúc điều khiển Kết luận về c ấu trúc ĐK phía lưới Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor lồng sóc Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RLS 187 189 189 190 190 193 194 197 197 197 198 199 200 200 202 203 203 204 206 206 206 [...]... học và thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam Hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký giữa Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì là Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực hiện Tiếp theo lời nói đầu và danh mục... thuộc đề tài KC.06.20CN: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam Hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký giữa Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì là Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực hiện Tiếp theo lời nói đầu và danh mục các ký hiệu được sử dụng,... Nói 1.2 Máy phát điện 3 cách khác, điện áp rơi trên điện cảm của máy phát cũng có biên độ phụ thuộc tốc độ quay 1.2.2 Thiết kế máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu phục vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam Máy phát ĐB-KTVC được thiết kế sẵn sàng để phục vụ cho quá trình tự chế tạo sau này tại Việt Nam Tuy nhiên, cần phải nói rõ ràng: Bản thiết kế này mới chỉ đủ để sử dụng cho việc chế tạo thủ công đơn chiếc... đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generator: DFIG) Máy phát KĐB-RDQ có Stator ghép trực tiếp với lưới, còn phía Rotor được nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất + Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS, Squirel-Cage Induction Generator: SCIG) Khác với máy phát KĐB-RDQ, máy phát KĐB-RLS có Stator nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất • Chương 6 „Phương pháp điều khiển máy phát. .. NC-TK phục vụ chế tạo sau này 1.2 Máy phát điện Như đã đặt vấn đề ở trên, mục này giới thiệu khái quát các thông số của loại máy phát đang sử dụng trong hệ thống PĐCSG, là máy phát nhập về từ nước ngoài Một nội dung quan trọng khác là các kết quả NC-TK để phục vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam 2 1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW 1.2.1 Máy phát điện đang sử dụng... chuẩn bị cho việc tự chế tạo máy phát và Turbine trong nước Nội dung thiết kế máy phát điện 20kW (không đồng bộ Rotor lồng sóc, đồng bộ kích thích vĩnh cửu) đã được thực hiện một cách rất nghiêm túc và chi tiết Nội dung thiết kế lại và mô phỏng kiểm chứng Turbine đã được TS Phạm Anh Tuấn thực hiện với nhiều khiếm khuyết Chủ nhiệm đề tài KC.06.20CN đã phải hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polymer... trực tiếp với hệ thống turbine gió Các kích thước tính toán dưới đây đảm bảo cho phần điện từ của máy phát điện ■ Bề rộng mặt cực từ: Với αm = 0,96 ta có 6 1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW bm = αm τ = 0,96 ⋅ 4,2 = 4,035cm (1.17) ■ Đường kính trong của Rotor: Dtr = Ds + 2 δ = 481,3 + 2 ⋅ 1,6 = 484,5mm (1.18) ■ Đường kính gắn nam châm sơ bộ: Ở đây ta sơ bộ chọn bề... được kết hợp giới thiệu Chưong này gồm 18 trang chứa hai nội dung: + + • Thiết kế hệ thống lưu điện sử dụng ắc-quy Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp ắc-quy Chương 5 „Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.1 trong mục 16 của thuyết minh đề tài Chương này chiếm 30 trang với các phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến cho: + Máy phát không đồng bộ rotor... trọng của hệ thống phát điện chạy bằng sức gió (PĐCSG): ■ máy phát điện và ■ turbine gió Với mục tiêu nghiên cứu - thiết kế - chế tạo (NC-TK-CT) phục vụ nội địa hóa cả hai thành phần trên, bản thuyết minh đăng ký đề tài ban đầu (cuối năm 2003) đã đưa ra một dự toán là 3,1 tỷ VNĐ Đây là một dự toán có cơ sở khảo sát kỹ lưỡng khả năng trong nước Ví dụ, báo giá của các đơn vị nhận gia công theo đơn đặt... đồng ý cho phép mua máy phát và turbine chế tạo sẵn của nước ngoài Điều này thể hiện rất rõ tại trang 19 của phiên bản chung kết của „Thuyết minh Đề tài KC.06.20CN“, bộ phận của Hợp đồng NCKH & PTCN số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06 Vì lý do trên, đối với sản phẩm này kết quả sẽ ngừng lại ở các kết quả nghiên cứu - thiết kế (viết tắt: NC-TK), chưa có chế tạo thử Máy phát và turbine mua về, một mặt được sử dụng . học và thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam Hoàn thành trên cơ sở Hợp. thuộc đề tài KC.06.20CN: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam Hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06,. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Phòng thí nghiệm Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có