ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN  BK TP.HCM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP: ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng MSSV: 40400160 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2010 Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn Nhận Xét Của Giáo Viên Phản Biện i LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng gửi lời cám ơn chân thành và tốt đẹp nhất đến: Thầy Dương Hoài Nghĩa, người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp các tài liệu cần thiết em trong suốt thời gian làm luận văn. Các thầy, cô trong khoa Điện – Điện tử đã tận tình chỉ bảo và truyền thụ những kiến thức vô giá cho em trong suốt thời gian học đại học. Cuối cùng, em rất biết ơn bố mẹ và anh chị đã chăm lo, cám ơn bạn bè đã ủng hộ em hoàn thành luận văn này. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010. ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii Mục lục hình iv Ký hiệu dùng trong luận văn vi Tóm tắt luận văn viii Chương 1: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ. 1 1.1 Năng luợng gió. 1 1.1.1 Giới thiệu về phát điện bằng sức gió, những thuận lợi và khó khăn. 1 1.1.2 Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam. 2 1.2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. 2 1.2.1 Các thành phần của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. 2 1.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. 3 1.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định. 4 1.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất. 5 1.2.2.3 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi một phần công suất. 5 1.3 Tốc độ gió và công suất của turbine. 6 1.3.1 Mật độ gió. 6 1.3.2 Hiệu suất turbine gió. 8 1.3.3 Đường cong công suất turbine gió. 10 Chương 2: HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG. 14 2.1 Máy điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG. 14 2.2 Sơ đồ DFIG ở chế độ xác lập. 16 2.3 Sự phân bố công suất trong DFIG 18 2.4 Điều khiển máy phát DFIG. 20 2.5 .Điều khiển tối ưu công suất turbine gió. 22 2.5.1 Điều khiển tối ưu TSR (Tip – Speed – Ratio). 22 2.5.2 Điều khiển bám công suất đỉnh. 24 Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG DFIG. 26 3.1 Vectơ không gian và các phép biến đổi. 26 iii 3.1.1 Vectơ không gian. 26 3.1.2 Công suất trong vectơ không gian. 27 3.1.3 Các phép chuyển hệ tọa độ 29 3.1.3.1 Chuyển đổi abc và αβ. 29 3.1.3.2 Chuyển đổi αβ và dq. 30 3.2 Mô hình toán học của DFIG. 31 3.2.1 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ αβ. 31 3.2.2 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ dq. 35 3.3 Mô hình mô phỏng DFIG trên Matlab/Simulink. 37 Chương 4: ĐIỀU KHIỂN DFIG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT. 41 4.1 Điều khiển trượt. 41 4.1.1 Luật điều khiển. 41 4.1.2 Hiện tượng dao động tần số cao. 43 4.2 Điều khiển hai thành phần công suất của DFIG bằng phương pháp trượt. 45 4.2.1 Hai thành phần công suất DFIG trong hệ dq định hướng áp. 45 4.2.2 Điều khiển trượt công suất thông qua điều khiển dòng rotor. 49 4.2.2.1 Phương trình trạng thái của hệ thống DFIG. 49 4.2.2.2 Luật điều khiển. 52 Chương 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ. 57 5.1 Sơ đồ mô phỏng. 57 5.2 Kết quả mô phỏng. 61 5.2.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ danh định. 61 5.2.2 Kết quả khảo sát tính bền vững của luật điều khiển. 67 Chương 6: KẾT LUẬN. 72 6.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn. 72 6.2 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn. 72 Tài Liệu Tham Khảo 73 Phụ Lục 75 iv Mục lục hình Hình 1.1: Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với lưới điện. 2 Hình 1.2: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định 4 Hình 1.3: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất phát 5 Hình 1.4: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi công suất phía rotor 6 Hình 1.5: Đồ thị mật độ xác suất của các vận tốc gió trung bình 5.4 m/s (nét liền), 6.8 m/s (nét đứt), 8.2 m/s (nét chấm). 7 Hình 1.6: Góc pitch của cánh quạt gió. 8 Hình 1.7: Giới hạn của hiệu suất rotor 10 Hình 1.8: Đường cong hiệu suất rotor C p (ࣅ,β) 11 Hình 1.9: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ turbine 12 Hình 1.10: Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió. 13 Hình 2.1: Cấu trúc máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía. 14 Hình 2.2: Chiều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG ở 2 chế độ. 15 Hình 2.3: Đặc tính moment – tốc độ của máy phát DFIG 16 Hình 2.4: Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập 16 Hình 2.5: Sự phân bố công suất (bỏ qua tổn thất) của DFIG 19 Hình 2.6: Sơ đồ điều khiển tổng thể turbine gió tốc độ thay đổi DFIG 21 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tối ưu λ (TSR) 23 Hình 2.8: Đường cong công suất turbine 24 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh 25 Hình 3.1: Nguyên lý vector không gian 26 Hình 3.2: Mối quan hệ giữa đại lượng abc và αβ 29 Hình 3.3: Mối liên hệ giữa đại lượng trong hệ trục tọa độ αβ và dq 30 Hình 3.4: Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y 31 Hình 3.5: Sơ đồ tương đương RL trong hệ trục tọa độ tự nhiên của stator và rotor 32 Hình 3.6: Mô hình lý tưởng của máy phát điện không đồng bộ ba pha 33 Hình 3.7: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục αβ 35 Hình 3.8: Trục pha dây quấn stator và rotor trong hệ tọa độ dq 36 Hình 3.9: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ 37 Hình 3.10: Mô hình mô phỏng DFIG trên hệ tọa độ αβ 38 Hình 3.11: Các khối chuyển hệ tọa độ điện áp từ abc sang αβ 38 Hình 3.12: Các khối tính dòng và từ thông. 39 Hình 3.13: Khối tính momen và ω r 39 Hình 3.14: Các khối chuyển hệ tọa độ αβ sang abc. 40 Hình 4.1: Quỹ đạo trạng thái ở chế độ trượt (n=2) 42 Hình 4.2: Hàm Signum 43 Hình 4.3: Hiện tượng dao động tần số cao. 44 v Hình 4.4: Hàm Saturation. 45 Hình 4.5:Định hướng hệ trục tọa độ dq theo vectơ điện áp lưới. 46 Hình 4.6:Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát và lưới điện. 47 Hình 4.7:Giản đồ vectơ điện áp lưới và vectơ từ thông stator ở xác lập khi bỏ qua điện trở stator. 48 Hình 4.8:Sơ đồ biểu diễn trạng thái của hệ thống điều khiển DFIG. 52 Hình 4.9: Tín hiệu từ ngõ ra bộ điều khiển được trang bị với khâu Saturation. 56 Hình 4.10: a) Thêm cực vào trước khâu tính đạo hàm tạo ra hàm truyền hợp thức b)Tín hiệu nấc được lọc trước khâu tính đạo hàm 56 Hình 5.1: Sơ đồ điều khiển DFIG bằng phương pháp trượt 57 Hình 5.2: Nguồn 3 pha đối xứng cung cấp cho mạch stator 58 Hình 5.3: Chuyển đổi abc - dq 58 Hình 5.4: ABC-TO-DQ 59 Hình 5.5: Tính toán từ thông, công suất và momen 59 Hình 5.6: Luật điều khiển trượt 60 Hình 5.7: DQ-TO-ABC 60 Hình 5.8: Tính toán F1,F2 61 Hình 5.9: Giá trị đặt cho hai thành phần dòng rotor 63 Hình 5.10: Đáp ứng của e dr i và e qr i theo tín hiệu đặt. 63 Hình 5.11: Các mặt trượt S 1 và S 2 . 64 Hình 5.12: Công suất P s , Q s và Mômen T e . 65 Hình 5.13: Dòng và áp stator 66 Hình 5.14: Dòng và áp rotor 66 Hình 5.15: Đáp ứng hệ thống khi tăng điện trở stator và rotor lên 20% 69 Hình 5.16: Đáp ứng hệ thống khi giảm điện trở stator và rotor xuống 20% 70 Hình 5.17: Đáp ứng hệ thống khi tăng điện cảm và hỗ cảm 71 vi Ký hiệu dùng trong luận văn as v , bs v , cs v Điện áp 3 pha a,b,c của stator ar v , br v , cr v Điện áp 3 pha a,b,c của rotor s v α , s v β Hai thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ αβ ds v , qs v Hai thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ dq r v α , r v β Hai thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ αβ dr v , qr v Hai thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ dq as i , bs i , cs i Dòng điện 3 pha a,b,c của stator s i α , s i β Hai thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ αβ ds i , qs i Hai thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ dq ar i , br i , cr i Dòng điện 3 pha a,b,c của rotor r i α , r i β Hai thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ αβ dr i , qr i Hai thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ dq as ψ , bs ψ , cs ψ Từ thông ba pha a,b,c của stator s α ψ , s β ψ Hai thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ αβ ds ψ , qs ψ Hai thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ dq r α ψ , r β ψ Hai thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ αβ dr ψ , qr ψ Hai thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ dq s P , s Q , s S Công suất tác dụng, phản kháng, biểu kiến phía stator m T , e T Momen cơ và momen điện β Góc picth λ Tip – Speed – Ratio σ Hệ số từ thông tản s ω , r ω Tốc độ đồng bộ và tốc độ rotor p Số cặp cực ρ Mật độ không khí p C Hiệu suất rotor r θ , e θ Góc vị trí stator và rotor J,s Momen quán tính, hệ số trượt vii Chỉ số đi kèm ref,* Viết ở trên, bên phải: giá trị đặt s,e Viết ở trên, bên phải: đại lượng thuộc hệ tọa độ αβ ,dq d,q Viết ở dưới, bên phải: thành phần trục d,q α,β Viết ở dưới, bên phải: thành phần trục α, β s,r Viết ở dưới, bên phải: đại lượng stator, rotor [...]... thích hai c p t c này Máy phát i n: H u h t các h th ng k t n i v i lư i i n i u s d ng máy phát ng b ho c máy phát c m ng M t s h th ng làm vi c c l p s d ng máy phát i n nam châm vĩnh c u Máy phát c m ng c p ngu n t hai phía (DFIG) v i nhi u ưu i m trong h th ng chuy n i năng lư ng gió ang là máy phát ư c s d ng ph bi n nh t B bi n i công su t: ư c s d ng kh i ng, hòa ng b , i u khi n, và b o v máy phát. .. hi n theo hai cách; s d ng h p s ho c thay i s c p c c t c a máy phát S c p c c t thi t l p v n t c c a máy phát theo t n s lư i i n và h p s i u ch nh t c quay c a turbine theo v n t c máy phát Trong ph n này, các c u hình h th ng chuy n c p: i năng lư ng gió sau ây ư c • Turbine gió t c c nh v i máy phát không ng b • Turbine gió t c thay i v i máy phát không ng b rotor l ng sóc ho c máy phát ng b... i máy phát không 1.2.2.1 H th ng turbine gió t c c ng b c p ngu n t hai phía nh i v i turbine gió t c c nh, máy phát không ng b rotor l ng sóc ư c k t n i tr c ti p v i lư i i n, i n áp và t n s máy phát ư c quy t nh b i lư i i n như hình 1.2 Hình 1.2: H th ng turbine gió t c c nh H th ng chuy n i năng lư ng gió t c c nh thư ng làm vi c hai t c c nh, i u này ư c th c hi n b ng cách s d ng hai máy phát. .. th ng máy phát DFIG GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Chương 2: H TH NG MÁY PHÁT DFIG Máy phát DFIG ư c xem là gi i pháp t t nh t cho các h th ng chuy n i năng lư ng gió t c thay i B i vì b bi n i công su t ư c t bên phía rotor nên ch bi n i 20 – 30% t ng công su t phát, làm gi m t n hao, chi phí th p hơn V n duy nh t là khó i u khi n hơn 2.1 Máy i n c m ng c p ngu n t hai phía DFIG DFIG th c ch t máy i... 2 ch m b o DFIG v n hành như máy phát hai ch trên, b bi n i công su t c hai phía, máy phát RSC và phía lư i GSC (hình 2.1) u ph i là ngh ch lưu có kh năng i u khi n dòng công su t theo hai chi u (bi-directional) B converter cho phép DFIG làm vi c trong c 4 góc ph n tư c a m t ph ng ph c PQ, nghĩa là DFIG có kh năng phát công su t ph n kháng v lư i ( i u này ngư c v i máy i n không ng b thông thư ng)... ng máy phát DFIG 2.4 GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa i u khi n máy phát DFIG M c tiêu c a i u khi n máy phát DFIG bao g m: i u khi n công su t tác d ng bám các i m v n hành t i ưu c a turbine nh m t i ưu công su t th c nh n ư c t gió ho c h n ch công su t u vào, tránh quá t i cho máy phát khi t c gió l n và i u khi n công su t ph n kháng trao i gi a máy phát DIFG và lư i i n nh m nâng cao ch t lư ng phát. .. năng lư ng gió t c thay i trang b máy phát không ng b c p ngu n t hai phía DFIG, trong ó có th phân bi t hai kênh i u khi n như sau: i u khi n máy phát DFIG ( i u khi n ph n kháng) • i u khi n tuabin gió • c l p công su t tác d ng và công su t Kênh i u khi n máy phát DFIG bao g m i u khi n b bi n rotor RSC và i u khi n b bi n i công su t phía lư i GSC i công su t phía Kênh i u khi n tuabin gió v i... a stator máy phát và lư i i n, máy phát có th là máy phát không ng b (IG) ho c máy phát ng b (SG) V i c u hình này, có th i u khi n t i ưu công su t nh n ư c t gió, nhưng do ph i bi n i toàn b công su t phát ra nên t n hao l n cũng như chi phí u tư cho b bi n i công su t tăng lên Hình 1.3: H th ng turbine gió t c 1.2.2.3 H th ng turbine gió t c thay thay i, bi n i bi n i toàn b công su t phát i m t... cũng như i u khi n mômen, t c máy phát ho c i u khi n h s công su t u c c stator Trong khi ó, m c ích chính c a b converter phía lư i GSC là DC-link không i Máy phát DFIG có th làm vi c v i t c ±∆ωrmax so v i t c rotor thay ng b ω1 Hình 2.3 th hi n i trong gi cho i n áp i kho ng c tính moment – t c c a máy phát DFIG : Hình 2.3: 2.2 Sơ DFIG ch c tính moment – t c c a máy phát DFIG xác l p Sơ tương ương... theo thi t k c a máy phát) Khi ó, t c rotor ư c i u ch nh làm vi c v i λ sao cho Cp nh hơn giá tr t i ưu và tuabin gió ư c v n hành công su t danh nh tránh quá t i cho máy phát Vùng làm vi c này ư c g i là mi n công su t không i Khi t c gió u vào tăng l n hơn VF , tuabin gió ư c ng t ra phát và các b ph n cơ khí khác SVTH: Nguy n Lê Huy B ng b o v máy Trang 23 Chương 2:H th ng máy phát DFIG GVHD: PGS.TS . THỐNG MÁY PHÁT DFIG. 14 2.1 Máy điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG. 14 2.2 Sơ đồ DFIG ở chế độ xác lập. 16 2.3 Sự phân bố công suất trong DFIG 18 2.4 Điều khiển máy phát DFIG. 20 2.5 .Điều. thích hai cấp tốc độ này. - Máy phát điện: Hầu hết các hệ thống kết nối với lưới điện điều sử dụng máy phát đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng. Một số hệ thống làm việc độc lập sử dụng máy phát điện. ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN  BK TP.HCM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP: ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA GVHD: PGS.TS