Mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép khi xảy ra lỗi lưới không đỗi xứng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN THẢO MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP KHI XẢY RA LỖI LƯỚI KHÔNG ĐỖI XỨNG 2012 i MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CAM ĐOAN iv LỜI CẢM ƠN v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH BẢNG vii DANH SÁCH HÌNH VẼ viii LỜI MỞ ĐẦU x 1.Tính cấp thiết của đề tài x 2. Mục đích của đề tài x 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu xi 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiện. xi 5. Cấu trúc luận văn. xi CHƢƠNG 1 1 MÔ HÌNH HÓA LỖI LƢỚI ĐỐI XỨNG VÀ KHÔNG ĐỐI XỨNG. 1 1.1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc không bình thƣờng của lƣới điện 1 1.2 Mô hình hóa lỗi lƣới không đối xứng. 2 1.2.1 Phép biến đổi hệ tọa độ 2 1.2.2 Phép biến đổi Park của hệ thống ba pha không đối xứng. 4 1.3 Mô hình hóa lỗi lƣới đối xứng. 10 CHƢƠNG 2 12 MÔ HÌNH MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 12 2.1. Đặt vấn đề. 12 2.1.1.Cấu tạo của máy phát không đồng bộ nguồn kép: 13 2.1.2. Nguyên lý hoạt động MPKĐBNK 15 2.1.3. Phạm vi hoạt động MPKĐBNK 16 2.2 Mô hình toán của máy phát không đồng bộ nguồn kép. 17 ii CHƢƠNG 3 24 NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 24 3.1 Tổng quan về các cấu trúc điều khiển MPĐKĐBNK 24 3.2 Cấu trúc điều khiển tuyến tính 25 3.2.1 Mô hình dòng rotor 25 3.2.2 Điều khiển cách ly công suất tác dụng P và công suất kháng Q bằng bộ điều chỉnh dòng hai chiều. 26 3.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và công suất phản kháng phía máy phát 28 3.3 Cấu trúc điều khiển phi tuyến 30 3.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển 31 3.3.2 Bộ điều khiển tựa thụ động 33 3.3.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng i rd 34 3.3.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng i rq 35 3.4 Các khâu tính toán giá trị thực và đặt. 37 3.5 Hòa đồng bộ máy phát lên lƣới. 39 3.5.1 Điều kiện cùng tần số. 39 3.5.2 Điều kiện trùng pha 41 3.5.3 Điều kiện trùng biên độ điện áp. 42 3.6 Mô hình và cấu trúc điều khiển phía lƣới 42 3.6.1 Mô hình phía lƣới 42 3.6.2 cấu trúc điều khiển phía lƣới 45 CHƢƠNG 4 48 MÔ PHỎNG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LỖI LƢỚI 48 4.1 Kết quả mô phỏng 48 4.1.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió 49 4.1.2 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lƣới. 55 4.1.2.1 Các kết quả mô phỏng trong chế độ làm việc bình thƣờng 56 4.1.2.2 Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi lƣới đối xứng 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii 4.1.2.3 Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi lƣới không đối xứng 60 4.2 Kết luận và kiến nghị: 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Ngoài các tài liệu tham khảo đã đƣợc trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng, thực nghiệm đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang là trung thực. Thái nguyên, ngày 15 tháng 11 năm 2012 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Thảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v LỜI CẢM ƠN Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã đƣợc giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung: “Mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép khi xảy ra lỗi lƣới không đỗi xứng”. Với sự giúp đỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp, gia đình cũng nhƣ sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành bản luận văn với đầy đủ nội dung của đề tài. Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng nhƣ đây là một lĩnh vực còn tƣơng đối mới mẻ nên bản luận văn của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn đƣợc hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn. Tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hƣớng dẫn GS.TSKH.Nguyễn Phùng Quang đã trang bị kiến thức, dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tác giả hoàn thành luận văn này. Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy thuộc Khoa Điện Trƣờng Đại học KTCN Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ nghiên cứu thực hiện luận văn. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Tác giả luận văn Nguyễn Văn Thảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT BBĐ Bộ biến đổi BĐK Bộ điều khiển. CL Chỉnh lƣu DFIG Double fed induction generator ĐC Điều chỉnh ĐK Điều khiển J Mômen quán tính MP Máy phát MPKĐBNK Máy phát không đồng bộ nguồn kép NL Nghịch lƣu PBC Passivity – Based Control TTGTĐ Tính toán giá trị đặt THD Total harmonic distortion z p Số cực đôi của máy phát rd rq sd sq i ,i ,i ,i Các thành phần dòng điện rotor, stator trong hệ tọa độ dq rr i ,i  Các thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ  rd PBC PBC rq u ,u Các thành phần điện áp rotor đầu ra của bộ điều chỉnh tựa theo thụ động trong hệ tọa độ dq rd rq sd sq u ,u ,u ,u Các thành phần điện áp rotor, stator trong hệ tọa độ dq m L Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor r m r L L L   Điện cảm rotor s m s L L L   Điện cảm stator s L  Điện cảm tản rotor s L  Điện cảm tản stator r R Điện trở rotor s R Điện trở stator G m Mômen máy phát N s r u ,u ,u Vector điện áp phia lƣới, stator, rotor Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 4.1.1: Các thông số của MPKĐBNK……………………………………… 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn viii DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1.1 Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCDB ba pha 3 1.1.2 Hình 1.2:a, Biểu diễn các đại lƣợng ba pha trên hệ trục tọa độ cố định b, sự biến đổi giữa các hệ trục  và dq . 5 2.1 Hình 2.1:Máy phát không đồng bộ nguồn kép 13 2.1.1 Hình 2.2: Đặc tính mômen, tốc độ làm việc của MPKĐBNK 14 2.1.2 Hình 2.3: Chiều của dòng năng lƣợng qua MPKĐBNK ở 2 chế độ. a. Chế độ dƣới đồng bộ ; b. Chế độ trên đồng bộ 16 2.1.3 Hình 2.4:Phạm vi hoạt động của MPKĐBNK 17 2.2 Hình 2.5: Mô hình trạng thái liên tục của ĐCDB 20 2.2 Hình 2.6: Mô hình trạng thái liên tục của ĐCDB dƣới dạng ma trận con 22 3.1 Hình 3.1: Các phƣơng pháp điều khiển MPKĐBNK 23 3.2.2 Hình 3.2: Đặc tính vector, áp, từ thông của 26 3.2.3 Hình 3.3: Cấu trúc điều khiển phía máy phát 28 3.2.3 Hình 3.4: Hệ thống điều khiển phía MP sử dụng BĐK tuyến tính 29 3.3.1 Hình 3.5: Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát 30 3.3.1 Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển phía máy phát 32 3.3.2.2 Hình 3.7 Sơ đồ điều chỉnh thông số dòng thành phần i rq tựa theo EL 36 3.3.2.2 Hình 3.8: Sơ đồ điều chỉnh thông số dòng thành phần i rq tựa theo EL 36 3.5.2 Hình 3.9: Quan hệ giữa các vector trong thực hiện hòa đồng bộ 40 3.6 Hình 3.10 : (a) Mạch điện phía lƣới và (b) sơ đồ tƣơng đƣơng 42 3.6 Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía lƣới 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ix 4.1.1 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 48 4.1.1 Hình 4.2: Khối lƣới, bộ biến đổi và máy phát không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn 49 4.1.1 Hình 4.3: Các khối mô phỏng bên trong của lƣới, máy phát và bộ biến đổi 50 4.1.1 Hình 4.4: Bộ biến đổi nghịch lƣu phía lƣới và phía máy phát (back to back converter) 50 4.1.1 Hình 4.5: Vòng điều khiển ngoài để tính toán giá trị mong muốn * rd i và * rq i 51 4.1.1 Hình 4.6: Khối tính toán các giá trị dòng, áp, từ thông 52 4.1.1 Hình 4.7: Khối bộ điều khiển dòng rotor có kể đến dự báo dòng, hiệu chỉnh sai lệch 52 4.1.1 Hình 4.8: Khối tổng hợp bộ điều khiển dòng và giá trị 53 4.1.1 Hình 4.9: Khối hòa đồng bộ 53 4.1.1 Hình 4.10: Khối điều khiển phía lƣới 54 4.1.2.1 Hình 4.11: Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc bình thƣờng 56 4.1.2.2 Hình 4.12: Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi lƣới đỗi xứng 58 4.1.2.3 Hình 4.13: Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi lƣới không xứng 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... không đối xứng Chƣơng 2: Mô hình máy phát không đồng bộ nguồn kép Chƣơng 3: Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc điều khi n máy phát không đồng bộ nguồn kép Chƣơng 4: Mô phỏng một số chế độ lỗi lƣới xi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 1 MÔ HÌNH HÓA LỖI LƢỚI ĐỐI XỨNG VÀ KHÔNG ĐỐI XỨNG 1.1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc không bình thƣờng của lƣới... chiều, máy phát điện xoay chiều đồng bộ, máy phát điện xoay chiều không đồng bộ Trong những năm gần đây ngƣời ta đã phát triển và sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép Lý do sử dụng của máy phát không đồng bộ nguồn kép: * Máy điện loại này không cần các cơ cấu chuyển mạch cơ khí và dòng điện một chiều để kích thích máy phát Vì vậy nó có thể làm việc một cách tin cậy hơn với giá thành và chi phí... suất phát ra (ở chế độ máy phát) hoặc công suất lấy vào (ở chế độ động cơ) của MPKĐBNK và việc điều khi n, điều chỉnh công suất đó (ví dụ: thông qua mômen) không đƣợc phép ảnh hƣởng đến hệ số công suất (HSCS) cos  đã đặt cho thiết bị Hình 2.4: Phạm vi hoạt động của MPKĐBNK 2.2 Mô hình toán của máy phát không đồng bộ nguồn kép Nhƣ ta đã biết để điều khi n dòng của MPKĐBNK ta sử dụng kỹ thuật điều khi n. .. các máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể đƣợc điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở của rotor hoặc đƣa thêm hay thu hồi công suất, đƣợc gọi là công suất trƣợt ở rotor Các máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn nhƣ vậy đƣợc gọi là máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG (doubly-fed induction generator) Hiện nay ngƣời ta đã chế tạo và sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. .. HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHI N MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 3.1 Tổng quan về các cấu trúc điều khi n MPĐKĐBNK Nhƣ đã trình bày ở các chƣơng trƣớc MPKĐBNK rất có ý nghĩa về mặt khoa học cũng nhƣ kinh tế, kỹ thuật, hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu đƣa ra các phƣơng pháp điều khi n hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK với các phƣơng pháp điều khi n tuyến tính, phi tuyến đƣợc thể hiên nhƣ hình. .. là với lỗi lƣới không đối xứng x Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu là máy phát không đồng bộ nguồn kép - Phạm vi nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK trên phần mềm Matlab – Simulink – Plecs khi xảy ra lỗi lƣới không đối xứng và đối xứng 4... mô hình hóa lỗi lƣới không đối xứng và đối xứng 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 2.1 Đặt vấn đề Máy phát là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống cung cấp điện, nó có nhiệm vụ chuyển đổi năng lƣợng cơ năng thành điện năng Các loại máy phát có thể sử dụng nhƣ: Máy phát điện một chiều, máy. .. khoa học và ý nghĩa thực tiện - Nghiên cứu, khảo sát đặc tính của lƣới khi xẩy ra các lỗi lƣới không đối xứng - Nghiên cứu, khảo sát các tƣơng tác qua lại giữa hệ thống PĐCSG với lƣới khi xẩy ra lỗi lƣới không đối xứng và đối xứng - Từ đó đƣa ra các quyết định khi đầu tƣ vào hệ thống PĐCSG 5 Cấu trúc luận văn Luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Mô hình hóa lỗi lƣới đối xứng và không đối xứng Chƣơng... tử công suất IGBT Khi đã hòa đồng bộ với lƣới điện dòng năng lƣợng qua máy phát có thể đƣợc mô phỏng xảy ra hai trƣờng hợp: + Khi mômen quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, đó là tốc độ vận hành dƣới đồng bộ Trƣờng hợp này máy phát lấy năng lƣợng từ lƣới qua rotor + Khi mômen quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, đó là tốc độ vận hành trên đồng bộ Trƣờng hợp này máy phát hoàn năng lƣợng... tốc độ đồng bộ) Bởi vì bộ biến đổi công suất đặt bên phía rotor nên làm giảm tổn hao, chi phí thấp hơn 1/3 so với loại máy điện khác[8, 14] Vấn đề duy nhất là khó điều khi n, cũng chính vì lý do này mà việc xây dựng đƣợc mô hình toán của MPKĐBNK là rất cần thiết để từ đó ta có thể nghiên cứu tìm hiểu cũng nhƣ xây dựng bộ điều khi n cho MPKĐBNK 2.1.1 .Cấu tạo của máy phát không đồng bộ nguồn kép: MPKĐBNK . lƣới đối xứng và không đối xứng Chƣơng 2: Mô hình máy phát không đồng bộ nguồn kép Chƣơng 3: Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc điều khi n máy phát không đồng bộ nguồn kép Chƣơng 4: Mô phỏng một. 2.2 Mô hình toán của máy phát không đồng bộ nguồn kép. 17 ii CHƢƠNG 3 24 NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHI N MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 24 3.1 Tổng quan về các cấu trúc điều khi n. nội dung: Mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc điều khi n máy phát không đồng bộ nguồn kép khi xảy ra lỗi lƣới không đỗi xứng . Với sự giúp đỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp,