nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ỨNG DỤNG CHO TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ HOÀNG THANH NAM THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ỨNG DỤNG CHO TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ Học viên : Hoàng Thanh Nam Ngƣời HD Khoa Học: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn THÁI NGUYÊN 2011 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tƣ Do - Hạnh Phúc o0o THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ỨNG DỤNG CHO TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ Học viên : Hoàng Thanh Nam Lớp : CH-K12 Chuyên ngành : Tự động hoá Ngƣời hƣớng dẫn : PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Ngày giao đề tài : Ngày hoàn thành đề tài : GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN PGS.TS Nguyễn Văn Liễn HỌC VIÊN Hoàng Thanh Nam BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 28 tháng 11 năm 2011 Tác giả luận văn Hoàng Thanh Nam Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Nội dung Trang MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TĂT 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 4 LỜI NÓI ĐẦU 6 I. Tính cấp thiết của đề tài. 7 II. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. 7 1. Ý nghĩa khoa học. 7 2. Ý nghĩa thực tiễn. 7 III. Phƣơng pháp thực hiện nghiên cứu. 8 IV. Nội dung nghiên cứu. 8 CHƢƠNG I NĂNG LƢỢNG MỚI, TÁI TẠO VÀ TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN NHỎ 9 1.1. Tổng quan về năng lƣợng mới và tái tạo 9 1.1.1. Năng lƣợng mới và tái tạo. 9 1.1.2. Các nguồn năng lƣợng mới và tái tạo. 9 1.1.3. Tiềm năng và ứng dụng năng lƣợng mới, tái tạo tại Việt Nam 13 1.2. Trạm phát thủy điện công suất nhỏ. 14 1.2.1. Cấu trúc chung của nhà máy thủy điện. 14 1.2.2. Các công trình thiết bị chính trong nhà máy thủy điện. 19 1.2.3. Hệ thống thủy điện công suất cực nhỏ (MHP). 19 CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG ÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI ĐIỆN CHO TRẠM THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU. 25 2.1. Các phƣơng án xây dựng cấu trúc hệ thống MHP. 25 2.1.1. Tua bin thủy điện với tốc độ cố định máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIR). 25 2.1.2. Tua bin thủy điện với máy phát điện đồng bộ nam châm điện (DFIG). 26 Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1.3. Tua bin thủy điện với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). 27 2.2. Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. 29 2.2.1. Khái niệm . 29 2.2.2. Cấu tạo của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. 29 2.2.3. Nguyên lý hoạt động. 30 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT CHO TRẠM THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG NỐI LƢỚI. 32 3.1. Cấu trúc chung của hệ thống biến đổi điện MHP. 32 3.2. Chọn máy phát. 32 3.3. Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện. 32 3.3.1. Bộ chỉnh lƣu AC-DC . 33 3.3.2. Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter) 34 3.3.3. Bộ biến đổi DC-DC giảm áp (Buck converter) 43 3.3.4. Bộ biến đổi DC-DC tăng/giảm áp, liên kết DC-bus và ắc-quy 44 3.3.5. Bộ biến đổi DC-AC. 46 CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRÊN MATLAB & SIMULINK 50 4.1. Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp 50 4.2 Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC hạ áp 52 4.3 Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC. 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 1. Kết luận. 59 2. Kiến nghị. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT NLTT Năng lƣợng tái tạo MHP Trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ (Micro Hydro Power) NMTĐ Nhà máy thủy điện PMSG Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet Magnet Synchhronous Generator) SCIR Máy phát điện cảm ứng lồng sóc (Squirel Cage Induction Gennerator) DFIG Máy phát điện đồng bộ nam châm điện (Doubly- Fed Induction Gennerator) AC-DC Bộ chỉnh lƣu xoay chiều sang một chiều DC-DC Bộ biến đổi một chiều-một chiều DC-AC Bộ nghịch lƣu biến đổi một chiều thành xoay chiều. Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Nội dung Trang 1.1 Sơ đồ thí nghiệm công nghệ nhà kính. 10 1.2 Pin mặt trời 10 1.3 Sơ đồ một đoạn dòng chảy thủy năng. 14 1.4 Mô hình máy thủy điện kiểu đập. 16 1.5 Mô hình máy thủy điện kiểu kênh dẫn. 17 1.6 Mô hình máy thủy điện kiểu hỗn hợp. 18 1.7 Trạm MHP kênh dẫn 20 1.8 Trạm MHP hỗn hợp 20 1.9 Cấu tạo bể tràn. 21 1.10 Tuabin kiểu Pentol. 22 1.11 Tuabin propeller 23 1.12 Hệ thống MHP sử dụng máy phát cảm ứng lồng sóc 25 1.13 Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm điện nối lƣới qua bộ biến đổi. 26 1.14 Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm điện trực tiếp với lƣới. 27 1.15 Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lƣới qua bộ biến đổi. 27 1.16 Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu không nối lƣới. 28 2.1 Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu . 29 2.2 Sơ đồ nguyên lý của PMSG 29 2.3 Cấu tạo rôto PMSG 30 2.4 Các phƣơng pháp gắn nam châm vĩnh cửu vào rôto 30 2.5 Nguyên lý hoạt động PMSG 31 3.1 Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu không nối lƣới có nguồn dự phòng. 32 Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2 Sơ đồ bộ chỉnh lƣu AC - DC không điều khiển 33 3. 3 Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC tăng áp 34 3. 4 Mạch tƣơng đƣơng khi T1 dẫn, D2 tự khóa 35 3. 5 Mạch tƣơng đƣơng khi T1 khóa, D2 dẫn 35 3. 6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phƣơng pháp tuyến tính hóa chính xác 41 3. 7 Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC giảm áp 43 3. 8 Mạch tƣơng đƣơng của bộ buck: (a) khi van Q dẫn, (b) khi van Q khóa 44 3. 9 Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC tăng/giảm áp 45 3.10 Sơ đồ nghịch lƣu 3 pha 46 3.11 Sơ đồ ghép 3 nghịch lƣu 1 pha . 47 3.12 Phƣơng pháp điều chế lƣỡng cực: sơ cấp biến áp luôn nhận + U DC hoặc - U DC . 48 3.13 Phƣơng pháp điều chế đơn cực: tùy theo nửa chu kỳ, sơ cấp MBA chỉ nhận 1 trong 2 giá trị  U DC hoặc 0. 49 4. 1 Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp 50 4. 2 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp 51 4. 3 Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi DC-DC giảm áp, nạp điện cho ăc-quy 53 4. 4 Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC giảm áp, nạp điện cho ăc-quy 54 4. 5 Mô phỏng khối DC-AC, gồm 3 nghịch lƣu một pha ghép lại 56 4.6 Dòng điện tải 57 4.7 Mô phỏng điện áp 58 [...]... DC chun, n nh np c quy v cung cp cho b nghch lu in ỏp c d tr c quy khi ti tng hoc tc tuabin gim quỏ mc cho phộp thỡ in ỏp DC t c quy c b nghch lu chuyn t DC tr thnh AC cú in ỏp cht lng vi tn s 50Hz phự hp vi cỏc thit b dựng in H thng ny cú s c th nh sau: chỉnh l-u Cầu 3 pha turbine PMSG Bộ bbđ dc- dc Bộ bbđ dc- ac ắc quy dC A DC MBA /y DC Bộ điều khiển AC B C N Bộ điều khiển Hỡnh 1.16 H thng MHP... dng gn nhau v in nng sn xut ra c hũa vo mng in chung sau ú bin i cú c ngun in phự hp Vic s dng c quy lu gi ngun in phỏt ra ch s dng cho mỏy phỏt in n l v cung cp cho h tiờu th nh (gia ỡnh) Vic lu in vo c quy v sau ú chuyn i li thng cho hiu sut thp hn v chi phớ cao cho b lu in tuy nhiờn cú u im l n nh u ra c Ngun nng lng thy in nh Thut ng thy in nh c dựng vi cỏc cụng trỡnh thy in cú cụng sut n 10... vi cỏc h thng nng lng mt tri chỳng h tr cho nhau trong vic cung cp nng lng in cho i sng xó hi Vo mựa hố khi m nhu cu nng lng tng lờn t bin, nhng lu lng nc v cụng sut phỏt in khụng tng thỡ h thng pin mt tri li b sung thờm ngun nng lng in cho h thng MHP, nhng ngc li vo mựa ụng khi ỏnh nng mt tri mc ti thiu, dũng chy vn c m bo thỡ h thng MHP li b sung nng lng in cho h thng pin mt tri d Ngun nng lng sinh... khỏc so vi cỏc nh mỏy in cụng sut ln u c to ra bng vic chờnh lc mc nc H0 bin thy nng thnh ng nng lm cho quay tuabin mỏy phỏt in Tuy nhiờn vic xõy dng, tớnh toỏn thit k n gin, d thc hin, giỏ thnh h, phự hp cho vic cung cp in cho cỏc h cỏ th sinh hot cỏc vựng nỳi Hin nay tựy tng iu kin a hỡnh, kinh t cho phộp m h thng MHP ca chỳng ta cú th xõy dng lp t theo kiu kờnh dn hoc kiu hn hp gia p v kờnh dn... nhiờn ó ban tng cho chỳng ta Nng lng mt tri thu c trờn trỏi t l nng lng ca dũn bc x t mt tri xung trỏi t Chỳng ta s tip tc nhn c dũng nng lng ny cho n khi phn ng ht nhõn trờn mt tri ht nhiờn liu, vo khon 5 t nm na S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Nghiờn cu thit k cỏc b bin i in ng dng cho trm phỏt thy in cụng sut cc nh bin ngun nng lng mt tri thnh dng nng lng cú ớch cho chỳng ta,hin... cht lng iờn ap trong tram phat thy iờn cụng sut cc nh, khai thỏc vn hnh v ci tin cỏc thit b hin cú nhm cung cp in ỏp cú cht lng cho nhu cu s dng in cho cỏc h dựng in S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Nghiờn cu thit k cỏc b bin i in ng dng cho trm phỏt thy in cụng sut cc nh III Phng phỏp thc hin nghiờn cu gii quyt c nhng vn t ra, tỏc gi s dng cỏc phng phỏp nghiờn cu sau... Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Nghiờn cu thit k cỏc b bin i in ng dng cho trm phỏt thy in cụng sut cc nh Hin nay Vit nam NMT kiu hn hp ó c xõy dng in hỡnh nh thy in YALI D thy rng NMT kiu hn hp l thc hin t nguyờn tc tp trung lu lng v tp trung dc, nú ó lm nõng cao rt ln cụng sut cho nh mỏy H cha cho phộp tp trung lng nc cũn p v kờnh dn tp trung ct nc Ngoi 3 loi NMT c bn trờn cũn cú... ng dng cho trm phỏt thy in cụng sut cc nh LI NểI U Ngy nay i cựng vi s phỏt trin mnh m ca th gii thỡ nhu cu s dng nng lng ca con ngi cho sn xut v i sng ngy cng tng cao Bc sang th k 21 con ngi ang phi i mt vi rt nhiu ni lo v nng lng c bit ú l: s gim sỳt v cn kit nhanh chúng ca cỏc ngun nng lng húa thch, ng thi cng chng kin nhiu s c ca cỏc cụng trỡnh nng lng ht nhõn gõy nờn cỏc thm ha kinh hong cho mụi... khụng nhiu m rt hiu qu cho cỏc nh mỏy in ,ú l s kt hp c mụ hỡnh nh mỏy phỏt in kiu p v nh mỏy phỏt in kiu kờnh dn Khụng nhng tn dng s chờnh lch cao phớa di p cú th nõng cao cụng sut mỏy lờn ỏng k bng vic lp t thờm dn t trờn cao xung ng dn kớn ny vn bo ton ct ỏp nờn ct nc vn c tớnh t mt thoỏng ca h cho n h lu phớa sau nh mỏy Hỡnh 1.8.Trm MHP hn hp Tuy nhiờn phng phỏp ny ch ỏp dng cho cỏc nh mỏy in ln... cho trm phỏt thy in cụng sut cc nh B chnh lu cú nhim v : AC bin i thnh DC np in cho c quy tớch ly nng lng v cung cp ngun in DC cú cht lng n bin tn chuyn i DC thnh AC + c quy: Bng cỏch s dng cỏc phn ng húa hc hi phc, mt ngõn hng pin c trang b lu tr nng lng d tha khi in c sn xut ra cú cụng sut ln hn so vi tiờu th Trong quỏ trỡnh hot ng c quy thng xuyờn c np y, khi nhu cu s dng tng lờn quỏ gii hn cho . nhằm cung cấp điện áp có chất lƣợng cho nhu cầu sử dụng điện cho các hộ dùng điện. Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ Số hóa bởi. máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIR). 25 2.1.2. Tua bin thủy điện với máy phát điện đồng bộ nam châm điện (DFIG). 26 Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện. Bộ biến đổi một chiều-một chiều DC-AC Bộ nghịch lƣu biến đổi một chiều thành xoay chiều. Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ Số