điều khiển để nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới đối xứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP LƯỚI ĐỐI XỨNG Học viên : Đặng Thị Loan Phượng Người HD Khoa Học: TS Cao Xuân Tuyển THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tư Do - Hạnh Phúc o0o THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP LƯỚI ĐỐI XỨNG Học viên : Đặng Thị Loan Phượng Lớp : CH-K12 Chuyên ngành : Tự động hoá Người hướng dẫn : TS. Cao Xuân Tuyển Ngày giao đề tài : 2/2011 Ngày hoàn thành đề tài : 10/2011 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN TS. Cao Xuân Tuyển BAN GIÁM HIỆU HỌC VIÊN Đặng Thị Loan Phượng 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 chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2011 Tác giả luận văn Đặng Thị Loan Phượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS Cao Xuân Tuyển, Người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này, đến Khoa Sau Đại học - Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Phòng Hành chính Tài vụ, Trung tâm thí nghiệm đã tạo những điều kiện để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Bộ môn Tự động hóa - khoa Điện, Bộ môn Đo lường & điều khiển tự động – khoa Điện tử, Các thầy cô phòng thí nghiệm Điện – Điện tử, đã giúp đỡ và tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. Tác giả luận văn Đặng Thị Loan Phượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 Mục Lục Mục lục ……………………………………………………………….…………………………. 1 Lời giới thiệu 3 Chƣơng 1 ĐẶT VẤN ĐỀ, LỰA CHỌN ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN. 5 1.1 Khái quát và lựa chọn đối tƣợng 8 1.2 Cấu trúc và điều khiển đối tƣợng 8 1.3 Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ nối lƣới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều khiển nghịch lƣu phía máy phát nhƣ sau 10 Chƣơng 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN 12 2.1 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ 12 2.2 Mô hình toán học phía máy phát và phía lƣới 13 2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha 13 2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát 15 2.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và vô công phía máy phát 22 2.2.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới 24 2.2.5 Mô hình gián đoạn phía lưới 28 2.2.6 Các biến điều khiển phía lưới 29 Chƣơng 3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƢỢNG 32 3.1. Khái quát các phƣơng pháp đã áp dụng và lựa chọn phƣơng pháp điều khiển 32 3.2 Phƣơng pháp điều khiển nội DFIG 32 3.3 Bộ điều khiển theo mô hình nội 33 3.4 Áp dụng mô hình nội để điều khiển phía máy phát 37 3.4.1. Phương thức điều khiển cho MVFC 37 3.4.1.1. Mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 3.4.1.2. Điều khiển vòng ngoài 41 3.5 Tổng hợp khâu điều chỉnh dòng phía lƣới 42 Chƣơng 4 MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 46 4.1 Hệ thống mô phỏng 46 4.2 Kết quả mô phỏng 46 4.2.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ bình thƣờng 46 4.2.1.1. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ dưới đồng bộ 10% (n=1350v/ph),Công suất vô công Q có bước nhảy từ 0 lên 700 Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm 46 4.2.1.2. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ trên đồng bộ 10% (n=1650v/ph),Công suất vô công Q có bước nhảy từ 0 lên 700 Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm 48 4.2.2 Kết quả mô phỏng ở chế độ lỗi lƣới ngắn mạch ba pha đỗi xứng 51 4.2.2.1. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ dưới đồng bộ 10% (n=1350v/ph). Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về 0Nm cuối cùng về-10Nm. Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var lên 1000 Var sau đó về 0 Var 51 4.2.2.2. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ trên đồng bộ 10% (n=1650v/ph). Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về 0Nm cuối cùng về-10Nm. Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var lên 1000 Var sau đó về 0 Var 54 4.3 Kết luận 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………. 57 KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 62 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 LỜI GIỚI THIỆU Xã hội loài ngƣời muốn tồn tại và phát triển thì một điều tất yếu không thể thiếu đƣợc đó là phải duy trì nguồn năng lƣợng để nuôi sống xã hội đó. Trong đó điện năng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Hiện nay các nguồn điện năng chính là dầu khí, than đá hoặc đang có nguy cơ cạn kiệt hoặc đã đến giới hạn khai thác. Trong khi đó điện hạt nhân tuy đã phát triển mạnh nhƣng vẫn chứa mối nguy hiểm to lớn tiềm tàng không an toàn. Vì vậy các nguồn năng lƣợng sạch khác nhƣ gió, mặt trời, thủy triều đang đƣợc nghiên cứu và phát triển, hứa hẹn một tƣơng lai tƣơi sáng hơn, đƣợc áp dụng rộng rãi hơn. Với những nƣớc nhƣ Việt Nam, có nhiều địa hình phức tạp, nhiều nơi vùng sâu vùng xa điện lƣới quốc gia chƣa thể vƣơn tới hoặc có nhƣng rất hạn chế. Đây lại chính là những nơi có tiềm năng lớn về năng lƣợng gió. Vì vậy các hệ thống phát điện chạy sức gió cần đƣợc chúng ta quan tâm phát triển. Máy điện không đồng bộ rô to dây quấn (MĐKĐBRTDQ) đƣợc ứng dụng ngày càng nhiều vào các hệ thống máy phát điện nói chung và đặc biệt trong các hệ thống máy phát điện chạy sức gió. Máy phát nằm trong dải công suất điều chỉnh từ vài chục kW đến trên 7 MW và có những ƣu điểm nổi bật:  Khả năng điều chỉnh dễ dàng dòng năng lƣợng qua máy phát bằng biến tần có công suất thấp hơn máy phát nhiều bằng tác động lên vành góp rotor, giúp hạ đáng kể giá thành toàn hệ.  MDKDB có khả năng hoạt động với hệ số trƣợt trong một phạm vi khá rộng (tới ±30%), cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lƣợng gió. Tuy vậy để phát đƣợc chất lƣợng tốt, cần phải có một phƣơng pháp điều chỉnh thích hợp trong hệ thống máy phát nhằm nâng cao hiệu suất, chất lƣợng điện. Điều này trở nên khá phức tạp bởi vì ngoài các ƣu điểm kể trên MĐKĐBRTDQ có những khó khăn cơ bản là hai thành phần dòng i rd , i rq có nhiệm vụ điều khiển công suất hữu công và công suất vô công lại có mối quan hệ phi tuyến phụ thuộc lẫn nhau. Trƣớc đây ngƣời ta giải quyết vấn đề bằng việc coi tần số mạch rotor bằng hằng số trong một khoảng thời gian trích mẫu, tuyến tính hóa mô hình hệ thống và tách kênh các thành phần dòng. Tuy nhiên phƣơng pháp này lại gặp phải một khó khăn lớn khi tần số mạch rotor biến thiên do tốc độ gió thay đổi, đặc biệt là trong trƣờng hợp lƣới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 điện gặp sự cố dẫn tới sập lƣới, thì ngoài sự biến thiên mạnh của tần số mạch rotor, của tốc độ máy phát, còn phải kể đến sự dao động của từ thông, điện áp lƣới. Những đặc điểm kể trên đã làm cho phƣơng pháp điều khiển tuyến tính giảm hiệu lực. Bản luận văn này giới thiệu một phƣơng pháp tổng hợp bộ điều khiển mà không cần một giả thiết nào gần đúng vi phạm tới bản chất phi tuyến của MĐKĐBRTDQ, đó là phƣơng pháp điều khiển mô hình nội. Đây là phƣơng pháp chƣa đƣợc áp dụng cho đối tƣợng MĐKĐBRTDQ. Với phƣơng pháp này, thông qua bộ điều khiển phản hồi trạng thái, hệ thống trở thành ổn định tiệm cận toàn cục trong toàn bộ không gian trạng thái. Luận văn đƣợc chia thành: Chƣơng 1 Đặt vấn đề, lựa chọn đối tƣợng điều khiển Chƣơng 2 Mô hình toán học đối tƣợng điều khiển Chƣơng 3 Phân tích lựa chọn phƣơng án điều khiển đối tƣợng. Chƣơng 4 Mô phỏng và kết luận. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo trong trƣờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp ĐH Thái Nguyên. Đặc biệt là thầy giáo TS. Cao Xuân Tuyển đã hƣớng dẫn em tận tình trong quá trình làm luận văn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng xong bản luận văn không tránh khỏi những điểm sai xót hạn chế.Kính mong quý thầy cô cùng các bạn góp ý để luận văn của em đƣợc hoàn thiện hơn. Thái Nguyên, ngày 2 tháng 9 năm 2011 Ngƣời thực hiện Đặng Thị Loan Phƣợng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Chƣơng 1 ĐẶT VẤN ĐỀ, LỰA CHỌN ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN. 1.1 Khái quát và lựa chọn đối tƣợng Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính đƣợc sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi. Loại tuốc bin gió thông thƣờng nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ đƣợc nối trực tiếp với lƣới. Tuy nhiên hệ thống này có nhƣợc điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu đƣợc năng lƣợng cực đại từ gió. Gearbox IG Soft starter Transformer Capacitor bank Hình 1.1 Tuốc bin gió với tốc độ cố định Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục đƣợc nhƣợc điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi đƣợc tốc độ nên có thể thu đƣợc năng lƣợng cực đại từ gió. Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ thay đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định. Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lƣới và tuốc bin gió sử dụng máy điện không đồng bộ rô to dây quấn (MĐKĐBRTDQ). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lƣới, do dó bộ biến đổi đƣợc tính toán với công suất định mức của toàn tuốc bin. Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc là đồng bộ. Ngày nay với xu hƣớng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn Gearbox G TransformerPower electronic converter ≈ = ≈ = Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lƣới Năng lƣợng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới ngƣời ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió với công suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lƣới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuốc bin. Vì vậy các hãng chế tạo tuốc bin gió có xu hƣớng sử dụng máy dị bộ nguồn kép làm máy phát trong các hệ thống tuốc bin gió công suất lớn để giảm công suất của bộ biến đổi và do đó giảm giá thành, vì bộ biến đổi đƣợc nối vào mạch rotor của máy phát, công suất của nó thƣờng chỉ bằng cỡ 1/3 tổng công suất toàn hệ thống, các thiết bị đi kèm nhƣ bộ lọc biến đổi cũng rẻ hơn vì cũng đƣợc thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của toàn hệ thống. Do đó đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ rô to dây quấn. Gearbox DFIG Transformer Power electronic converter ≈ = ≈ = [...]... Khỏi quỏt v h thng phỏt in chy sc giú s dng MKBRTDQ Biến thế uN MĐN us NLPL Lọc 3~ NLMP HS UDC 3~ 3~ MP ir iN DSP NLPL NLMP MĐN HS MP IE is IE n Nghch l-u phía l-ới Nghịch l-u phía máy phát Máy đóng ngắt Hộp số Máy phát Máy khắc vạch xung Hỡnh 2.1 S cu trỳc h thng phỏt in chy sc giú s dng MKBRTDQ H thng trờn bao gm mt MKBRTDQ cú cun dõy stator c ni trc tip vi li in ba pha 1 Cun dõy phớa rotor c ni... khin phớa mỏy phỏt l phi khng ch c ln ca sc phn in ng cm ng trong mch rotor nh hn kh nng cc i ca b bin i ngay sau khi li li cng nh khi li li c loi b, trỏnh hin tng mt iu khin dũng v quỏ dũng ln, hn ch ti mc ti a s tham gia ca h thng crowbar hoc stator switch Xut phỏt t vic phõn tớch cỏc yu t nh hng ti in ỏp quỏ cm ng trong mch rotor, nõng cao c cht lng h thng, cỏc yờu cu c th c t ra vi b iu khin phớa... http://www.lrc-tnu.edu.vn Trong mụ hỡnh ny, eN l i lng nhiu u vo gõy ra bi in ỏp li Tuy nhiờn ta cú th nhn thy rng, i lng nhiu ny l nhiu c nh Vỡ vy nú cú th c trit tiờu nh hng nh khõu bự nhiu tớch hp trong khõu iu chnh dũng 2.2.5 Mụ hỡnh giỏn on phớa li T mụ hỡnh trng thỏi liờn tc thu c mc trờn ta cú nhn xột: B l ma trn hng, tn s gúc ca li N hu nh l c nh nờn ma trn A s tha món gi thit l hng trong mt chu k trớch... hng hin nay l s dng cỏc phng phỏp iu khin phi tuyn gii quyt cỏc vn t ra i vi h thng phỏt in sc giú s dng MKBRTDQ ch bỡnh thng (khụng li li), ng thi nõng cao cht lng iu khin ch li li nhm nõng cao tớnh n nh ca h thng vi li Vi mc tiờu nõng cao tớnh n nh ca h thng phỏt in sc giú s dng MKBRTDQ khi lm vic vi li, bn lun vn ny cp ti phng phỏp iu khin theo mụ hỡnh ni IMC tng hp b iu khin dũng cho NLMP...Hỡnh 1.3 Tuc bin giú tc thay i s dng MKBRTDQ Nhc im chớnh ca tuc bin giú vi tc thay i s dng MKBRTDQ l vn li li Li li trong h thng nng lng, thm chớ xa so vi v trớ t tuc bin s gõy ra st in ỏp li, dn ti t thụng quỏ dao ng, lm cm ng trong mch rotor sc phn in ng cú tr s ln v nu ln hn kh nng cc i ca b bin i cú th to ra, s gõy mt iu khin dũng v gõy quỏ dũng ln, cú th phỏ hng b... phỏt c duy trỡ trong phm vi ln hn 1050 v/ph (di tc ng b 30 %) v nh hn hoc bng 1950 v/ph (trờn tc ng b 30%), cụng sut cc i ly t giú bng cỏch iu chnh ng thi tc rotor tuc bin v gúc ca cỏnh giú - Khi tc giú ln hn 8m/s v nh hn tc giú nh mc, 12m/s, tc mỏy phỏt khi ú c duy trỡ giỏ tr nh mc (1950 v/ph trờn tc ng b 30%), cụng sut cc i ly t giú bng cỏch iu chnh gúc ca cỏnh giú - Khi tc giú cao hn tc nh... ) ca mỏy in, vector khụng gian dũng in stator ca MKBRTDQ c nh ngha nh sau: i s (t ) o o 2 isu (t ) isv (t )e j120 isw (t )e j 240 i s e jst 3 (2.1) Trong ú isu , isv , isw l cỏc dũng in hỡnh sin, cựng biờn , cựng tn s, lch nhau 1200 in chy trong ba pha dõy qun stator u, v, w Nh vy i s (t ) l vộc t khụng gian quay vi tc gúc s 2 f s so vi stator, vi f s l tn s mch stator i vi cỏc i lng khỏc... stator luụn ng vuụng gúc vi vector in ỏp stator Trong tng quan c nh ú, vic hng ca vector no c chn lm hng ta cho h thng iu chnh khụng cú ý ngha quyt nh na Nu ta: theo hng t thụng stator ta cú: usd 0, sq 0 theo hng in ỏp stator ta cú: usq 0, sd 0 H phng trỡnh (2.15) cng cú th c vit li di dng mụ hỡnh trng thỏi nh sau: dx A x Bs us Br ur dt (2.16) Trong ú: vector trng thỏi xT ird / / irq sd... (2.19a,b,c,d,e,f,g) Khi ny, mụ hỡnh trng thỏi ca MKBRTDQ cú th c biu din di dng cỏc ma trn con nh hỡnh 2.4 / i u u Trong ú i r rd ; ur rd ; us sd ; s/ sd / sq irq urq usq Mụ hỡnh trng thỏi s dng ma trn con hỡnh 2.4 mụ t mụ hỡnh in liờn tc ca MKBRTDQ trong khụng gian trng thỏi Da trờn mụ hỡnh th hin hỡnh 2.4, ta hỡnh dung ra cú th tỏch nú thnh 2 na, na trờn v na di Na trờn... trc ta ta hng vộc t in ỏp li (THAL), khi ú ta cũn cú sd 0 Cụng thc tớnh mụmen s cú dng sau: 3 L 3 / mG z p m sq ird z p (1 ) Lr sq ird 2 Ls 2 (2.24) / Trong phng trỡnh (2.24), sq l mt i lng ch ph thuc vo in ỏp li nh ó c ch ra trong phng trỡnh (2.13) Chớnh vỡ vy, ird gi vai trũ l i lng quyt nh to ra mụmen v t phớa rotor ta cú th dựng ird iu chnh mụmen MKBRTDQ mt cỏch rt thun li Theo [29], . TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG. phía máy phát Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ nối lƣới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều khiển phía máy phát nhƣ sau: Ở chế độ làm việc. ĐỀ, LỰA CHỌN ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN. 5 1.1 Khái quát và lựa chọn đối tƣợng 8 1.2 Cấu trúc và điều khiển đối tƣợng 8 1.3 Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử dụng