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

Đối với tuabin gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó khô

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN

BKTP.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

Trang 2

Nh ận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn

Trang 3

Nh ận Xét Của Giáo Viên Phản Biện

Trang 4

i

L ỜI CẢM ƠN

Em xin trân tr ọng gửi lời cám ơn chân thành và tốt đẹp nhất đến:

Th ầy Dương Hoài Nghĩa, người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp

các tài li ệu cần thiết em trong suốt thời gian làm luận văn

Các th ầy, cô trong khoa Điện – Điện tử đã tận tình chỉ bảo và truyền thụ những

ki ến thức vô giá cho em trong suốt thời gian học đại học

Cu ối cùng, em rất biết ơn bố mẹ và anh chị đã chăm lo, cám ơn bạn bè đã ủng hộ

em hoàn thành lu ận văn này

Tp H ồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010

Trang 5

ii

M ỤC LỤC

L ỜI CẢM ƠN i

M ỤC LỤC ii

M ục lục hình iv

Ký hi ệu dùng trong luận văn vi

Tóm t ắt 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

Trang 6

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 Li ệu Tham Khảo 73

Phụ Lục 75

Trang 7

iv

M ục 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 Cp(,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 ωr 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

Trang 8

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 idr e và e q r i theo tín hiệu đặt 63

Hình 5.11: Các mặt trượt S1 và S2 64

Hình 5.12: Công suất Ps, Qs và Mômen Te 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

Trang 10

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

Trang 11

viii

Tóm t ắt luận văn

Luận văn tìm hiểu tổng quan về các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Đi sâu tìm hiểu về mô hình toán, mô phỏng và điều khiển máy phát điện cảm ứng cấp nguồn

từ hai phía (DFIG) ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Mô hình mô phỏng của DFIG được xây dựng trong hệ tọa độ αβ

Các phương trình toán của DFIG sử dụng trong hệ thống điều khiển được tính trên

hệ tọa độ dq định hướng theo vectơ điện áp lưới Mục tiêu điều khiển là điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator Việc điều khiển độc lập hai thành phần công suất này có ý nghĩa là điều khiển độc lập công suất tác dụng để tối

ưu công suất nhận được từ gió, điều khiển độc lập công suất phản kháng để ổn định hệ thống điện Trên hệ tọa độ dq đinh hướng theo vectơ điện áp lưới mục tiêu điều khiển độc lập hai thành phần công suất tương đương với điều khiển hai thành phần dòng điện

dr

i , iqr phía rotor

Hệ thống điều khiển DFIG được thiết kế dùng phương pháp điều khiển trượt, với những ưu điểm sau: đáp ứng nhanh, không vọt lố, bền vững trong các điều kiện làm việc khác nhau

Trang 12

Ch ương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang 1

Chương 1: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Năng luợng gió

1.1.1 Giới thiệu về phát điện bằng sức gió, những thuận lợi và khó khăn

Gió là một dạng của năng lượng mặt trời Gió được sinh ra do mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và xoay quanh trục của nó, do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất Từ xa xưa, con người đã biết lợi dụng sức gió để phục vụ cho nhu cầu cuộc sống của mình Thuyền buồm chạy bằng sức gió, cối xay gió, hệ thống đưa nước lên đồng ruộng bằng sức gió… là những máy biến đổi năng lượng gió sơ khai nhất

Với mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng sạch, bảo vệ môi trường Lĩnh vực sử dụng năng lượng gió để phát điện năng đang được quan tâm rất nhiều trên thế giới như một nguồn năng lượng sơ cấp vô hạn Là một nguồn năng lượng năng lượng tái tạo thích hợp để thay thế cho năng lượng khoáng sản ( than đá, dầu mỏ, khí đốt …) đang dần cạn kiệt, nằm trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió trên thế giới

Quá trình biến đổi năng lượng gió thành điện năng được thực hiện bằng một hệ thống bao gồm 3 thành phần: khí động học, cơ và điện Cánh quạt và turbine nhận năng lượng từ gió, biến đổi thành năng lượng cơ, đưa vào máy phát Máy phát sẽ biến đổi năng lượng cơ này thành điện năng Điện năng này có thể được sử dụng trực tiếp, lưu trữ hay hòa vào mạng điện

Những thuận lợi:

• Đầu tiên, phát điện từ gió không gây ô nhiễm môi trường Mặc dù, có một số ảnh hưởng về tiếng ồn và quang cảnh, phát điện từ gió giúp giảm ô nhiễm không khí so với sử dụng các nguồn năng lượng khác, không gây hiệu ứng nhà kính

• Năng lượng gió là nguồn năng lượng vô tận, chỉ tốn chi phí đầu tư ban đầu, bảo trì và vận hành, không tốn chi phí nhiên liệu

• Vị trí lắp đặt đa dạng hơn thủy điện, có thể lắp đặt ở những đảo, vùng núi, nơi lưới điện quốc gia không đến được Đáp ứng nhu cầu năng lượng cho những nơi này

• Giá thành thấp Với sự phát triển của kỹ thuật phát điện bằng sức gió, giá thành không còn là vấn đề như những thập niên trước Giờ đây, giá điện từ gió rẻ hơn giá điện từ những nguồn khác như than, dầu hay biomas…

Những khó khăn:

Trang 13

• Công suất phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ gió Nên chỉ lắpđặt được ở những vùng

có sức gió tương đối cao, nhằm tăng hiệu quả đầu tư Và do tốc độ gió không

ổn định nên công suất phát ra cũng không ổn định

• Các turbine gió gây tiếng ồn và làm đảo lộn các luồng sóng trong không khí có thể làm xáo trộn hệ sinh thái của một số loài chim hoang dã, làm nhiễu xạ sóng truyền thanh và truyền hình

• Chịu đựng kém trong các điều kiện gió bão, việc bảo vệ an toàn cho các turbine gió khá phức tạp

Nhưng với sự phát triển của kỹ thuật phát điện bằng năng lượng gió những năm gần đây, những khó khăn đã được tháo gỡ phần lớn Mức sử dụng năng lượng gió trên thế giới ngày càng nhiều Số liệu thống kê vào 04/2005 cho thấy mức sử dụng năng lượng gió của một số quốc gia trên thế giới: Đức 16.628 MW, Tây Ban Nha 8.263

MW, Mỹ 6.752 MW, Đan Mạch 3.118 MW, Ấn Độ 2.983 MW, Pháp 390 MW

1.1.2 Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam

Việt Nam có một bờ biển dài với sức gió hàng năm lớn, vô cùng thuận lợi cho việc phát triển năng lượng gió Theo các kết quả khảo sát, Việt Nam là quốc gia có tiềm năng năng lượng gió cao nhất Đông Nam Á với 513.360 MW Hai vùng giàu tiềm năng nhất là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình

Thuận) Gió ở hai nơi này có vận tốc trung bình lớn (6 m/s) và ổn định có thể xây dựng

các turbine gió công suất lên đến 5MW

Hiện nay, nhà máy điện gió đầu tiên của Việt Nam tại xã Bình Thạnh, huyện Tuy

Phong, Bình Thuận sắp phát điện Nhà máy gồm 5 turbine, cao 92m, 3 cánh quạt, mỗi cánh dài 37.2m, đạt công suất 1.5 MW/turbine Và các công ty của Đức đã được nhà

nước cấp phép đầu tư lĩnh vực phát điện sức gió, và ở Hải Phòng nhà máy chế tạo turbine gió đầu tiên của Việt Nam đã được thành lập Lĩnh vực phát điện sức gió ở Việt Nam đang ở giai đoạn phát triển mạnh mẽ

1.2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

1.2.1 Các thành phần của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Hình 1.1: Thành ph ần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với

l ưới điện

Trang 14

Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hiện đại bao gồm:

- Turbine gió: có hai loại trục dọc và trục ngang Turbine dạng trục ngang với ưu

điểm hiệu suất cao, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống chuyển đổi có công suất lớn

- Tháp đỡ: để có được nguồn gió lớn và ổn định người ta thường lấy gió trên

cao Tháp đỡ dùng để nâng đỡ hệ thống turbine, máy phát, các bộ phận cơ khí…Cấu trúc tháp bằng bêtông hoặc thép, có tính toán tần số cộng hưởng khi đưa hệ thống vào hoạt động

- Hộp truyền động (Gear box): Máy phát thường có tốc độ định mức khoảng

1000 – 1500 rpm trong khi tốc độ của turbine gió chỉ khoảng 30 – 50 rpm Vì

vậy hộp truyền động được sử dụng để tương 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 nam châm vĩnh cữu Máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía (DFIG) với nhiều ưu điểm trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đang

là máy phát được sử dụng phổ biến nhất

- Bộ biến đổi công suất: được sử dụng để khởi động, hòa đồng bộ, điều khiển,

và bảo vệ máy phát kết nối lưới điện Bộ biến đổi công suất là linh hồn của hệ

thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với lưới điện

- Thiết bị truyền tải, kết nối lưới điện: Các máy biến áp được sử dụng để kết nối với lưới điện

- Hệ thống điều khiển, giám sát và bảo vệ: Hệ thống chuyển đổi năng lượng

gió hiện đại sẽ được trang bị các hệ thống điều khiển, và giám sát máy phát Nhằm tối ưu công suất nhận được từ gió, bảo vệ toàn hệ thống khỏi sự cố Hệ thống này bao gồm các cảm biến đo hướng gió, tốc độ gió…Được thiết kế làm

việc với mức an toàn và tin cậy cao để đảm bảo hệ thống làm việc an toàn 1.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Turbine gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi Đối với tuabin gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió Vì vậy, đối với hệ thống turbine gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh

hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thốnglàm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy

Trang 15

phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công

suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm

việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi

turbine gió có thể được cải thiện hơn so với turbine gió tốc độ cố định

Vì tốc độ quay của tuabin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực

từ của máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của turbine theo vận tốc máy phát

Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây được đề cập:

• Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ

• Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc

máy phát đồng bộ

• Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía

1.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được

kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới

điện như hình 1.2

Hình 1.2: H ệ thống turbine gió tốc độ cố định

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai tốc độ

cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và có

số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định mức

Trang 16

và số cặp cực khác nhau Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công suất thu được từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn

Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này có 3 nhược điểm chính:

• Không thể điều khiển công suất tối ưu

• Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc

độ thay đổi đột ngột

• Không có khả năng điều khiển tích cực (Active control)

1.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất

Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc máy phát

đồng bộ (SG) Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu công suất nhận được từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng như chi phí đầu

tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên

Hình 1.3: H ệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất phát

1.2.2.3 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi một phần công suất

Hệ thống bao gồm turbine gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG

có stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor dây quấn được nối thông qua một bộ biến đổi công suất dạng back to back như hình 1.9 Ngày nay, cấu hình này trở nên rất thông dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của toàn bộ công suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể so với cấu hình

Trang 17

biến đổi toàn bộ công suất phát, thêm vào đó chi phí đầu tư cho thiết bị biến đổi công suất cũng thấp hơn

Hình 1.4: H ệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi công suất phía rotor

1.3 Tốc độ gió và công suất của turbine

1.3.1 Mật độ gió

Do vận tốc gió luôn thay đổi theo điều kiện thời tiết và địa hình Nên để đánh giá tiềm năng gió người ta thường tính vận tốc gió trung bình, từ đó người ta có thể tính năng lượng kỳ vọng nhận được ở một vùng cụ thể Do vận tốc gió thường thay đổi

theo mùa và có xu hường lặp lại với chu kỳ một năm sau đó, nên vận tốc gió trung

bình được xác định cho khoảng thời gian một năm

Sự thay đổi vận tốc gió được mô tả bởi hàm mật độ xác suất Hàm mật độ xác suất được sử dụng phổ biến để miêu tả vận tốc gió là hàm Weibull Phân bố Weibull được miêu tả:

Trong đó, k: hệ số hình dạng, c: hệ số tỷ lệ, : là tốc độ gió Từ đó, vận tốc gió

trung bình ( hay vận tốc gió kỳ vọng) được tính như sau:

Trang 19

Ch ương 1: Hệ thống chuyể

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng

1.3.2 Hiệu suất turbine gió.

Trước khi khảo sát hiệ

sau :

- R b: Chiều dài của cánh gió

- r b: Bán kính của cánh gió, kho

động năng của gió ở phía tr

ển đổi năng lượng gió GVHD: PGS.TS D

ng

t turbine gió

ệu suất của turbine gió, một số định nghĩa đ

a cánh gió

a cánh gió, khoảng cách từ mặt cắt ngang củ

t, tốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn phía trướưng, tốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn sau khi ra kh

n tích quét của cánh gió

: góc pitch góc giữa đường cung và mặt phẳng xoay

Hình 1.6: Góc pitch c ủa cánh quạt gió

(hay công suất cơ) P mech lấy được từ gió bởi cánh quăng của tích trữ trong gió ở phía trước cánh quphía trước cánh quạt có vận tốc ω0

GVHD: PGS.TS D ương Hoài Nghĩa

Trang 20

Công suất cơ này phụ thuộc vào diện tích quét của cánh gió, và tỷ lệ với lập phương vận tốc gió

1 3

( , ) ( ) 2

Với: Cp: Hệ số công suất của turbine gió

ρ : mật độ không khí kg/m3

λ : Tỉ số tốc độ gió mặt và gió lưng

Với một vận tốc gió cho trước, giá trị của Cp phụ thuộc vào λ Được tính như sau:

Nhận xét: Nếu rotor quay quá chậm thì gió dễ dàng thổi xuyên qua khe hở giữa các

cánh gió, khi đó > Ngược lại khi rotor quay quá nhanh thì sẽ tạo thành một tường chắn gió Ta thấy, tốc độ của rotor ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ gió mặt và gió

lưng Nói cách khác nó ảnh hưởng đến giá trị của C p Do đó, C p là mối quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ rotor Mối quan hệ này chính là tỷ số giữa tốc độ tiếp tuyến của rìa cánh quạt với tốc độ gió mặt – TSR ( Tip Speed Ratio)

Với trường hợp turbine gió tốc độ thay đổi,công suất đầu ra của máy phát có thể được giới hạn bằng cách thay đổi góc pitch (β) của cánh gió Để có thể lấy được công suất tối ưu từ gió, tốc độ rotor được điều khiển theo tốc độ của gió Nhưng khi tốc độ gió

Trang 21

quá cao ( giông, bão…), áp lực ly tâm cơ khí lên cánh quạt tăng lên đến giới hạn của

vật liệu phải chịu đựng, ta phải cho ngừng rotor để bảo vệ cho hệ thống

Hình 1.7: Gi ới hạn của hiệu suất rotor

1.3.3 Đường cong công suất turbine gió

Trên thực tế, hiệu suất của rotor không những phụ thuộc vào λ mà còn phụ thuộc vào góc pitch của cánh quạt gió β [rad] xoay quanh trục của chính nó Nên hầu hết các turbine gió điều trang bị thiết bị điều khiển pitch Điều này, càng làm cho việc xác

định hàm Cp trở nên phức tạp Nhà chế tạo thường cho giá trị của C p là một hàm theo

λ, β với mỗi loại turbine Một công thức xấp xỉ thường được sử dụng của đường công hiệu suất rotor được cho bởi công thức (1.12) và có dạng đồ thị như hình 1.8

Giá trị λi được cho bởi quan hệ:

Trang 22

Bây giờ ta khảo sát sự

gió thay đổi Với một turbine

turbine gió chỉ phụ thuộc vào t

ự phụ thuộc của công suất đầu ra của turbine v

t turbine ở điều kiện không khí không đổi thì công su

c vào tốc độ gió mặt và hệ số công suất C p

( , ) 2

P = ρ A C λ β ω = mC ω

ng số

c độ gió cho trước tốc độ của turbine sẽ quy

n công suất đầu ra với các vận tốc gió và tố

Trang 23

Hình 1.9: Công su ất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ turbine

Nhận xét: Muốn đạt được công suất lớn nhất với tốc độ gió đã cho thì tốc độ rotor

phải được điều khiển phù hợp với tốc độ gió để duy trì giá trị tối ưu của C p (hình 1.8) Hơn nữa, khi tốc độ gió quá chậm hay quá nhanh rotor cần các chế độ không làm việc hoặc ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các thiết bị khác tránh trường hợp quá tải Sẽ dẫn tới gãy turbine hay hư hỏng các thiết bị công suất

Việc điều khiển tốc độ rotor có thể thực hiện bằng hệ thống cơ ( điều chỉnh góc

pitch của cánh gió) hoặc bằng các phương pháp điều khiển tốc độ bằng điện

Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại turbine gió là đường công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra Thường

được gọi là đường cong công suất lý tưởng Thể hiện ở hình 1.10 Các thông số trong đó:

• Vận tốc gió Cut-in (V c): là vận tốc gió tối thiểu cần để thắng ma sát và tạo công suất

• Vận tốc gió định mức (V R): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi vận tốc gió đạt đến

giá trị V R , công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế Khi lớn hơn

V R thì cần phải điều chỉnh để hệ thống turbine lượt bớt công suất nhằm tránh

quá tải cho máy phát

Trang 24

Đa số các turbine gió tốc đ

tốc độ nhỏ hơn định mức, turbine gió

nhất Khi tốc độ gió trên đ

hợp với phương pháp điề

rộng hơn

ển đổi năng lượng gió GVHD: PGS.TS D

ng

out (V F): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đ

ần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các c

hí khác, trong trường hợp này công suất phát ra bằng không

: Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió

c độ thay đổi điều được trang bị bộ điều khi

c, turbine gió điều khiển góc pitch để tạo ra công sugió trên định mức cần điều khiển góc pitch để bảo v

ều khiển tốc độ turbine gió bằng điện để có dãi

Trang 13

t đến ngưỡng V F thì máy phát và các cấu

ng không

a turbine gió

u khiển góc pitch Khi

o ra công suất tối ưu

o vể turbine gió Kết

có dãi điều chỉnh

Trang 25

Ch ương 2:Hệ thống máy phát DFIG GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

Chương 2: HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG

Máy phát DFIG được xem là giải pháp tốt nhất cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi Bời vì bộ biến đổi công suất được đặt bên phía rotor nên chỉ biến đổi 20 – 30% tổng công suất phát, làm giảm tổn hao, chi phí thấp hơn Vấn đề duy nhất là khó điều khiển hơn

2.1 Máy điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG

DFIG thực chất máy điện không đồng bộ rotor dây quấn Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sử dụng DFIG thì stator của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất (back-to-back inveter )thông qua vành trượt như hình 2.1 Một tụ điện DC-link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lượng

Hình 2.1: C ấu trúc máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía

Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu cực rotor để bảo vệ quá dòng và tránh quá điện áp trong mạch DC-link Khi xảy ra tình trạng quá dòng, thiết bị crowbar sẽ ngắn mạch đầu cực rotor thông qua điện trở crowbar, ngưng hoạt động điều khiển của bộ converter và cho phép DFIG làm việc như một máy điện không đồng bộ thông thường, lúc này tiêu thụ năng lượng từ lưới

Trong thực tế, điện áp định mức của mạch rotor thường nhỏ hơn điện áp định mức bên phía mạch stator nên máy biến áp nối giữa DFIG và lưới điện sẽ có ba cuộn dây

Trang 26

Mạch rotor được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu nguồn áp VSC (Voltage Source Converter) có biên độ và tần số thay đổi, thường sử dụng linh kiện điện tử công suất IGBT Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát có thể được

mô phỏng như hình 2.2, có thể xảy ra hai trường hợp:

• Gió thổi cánh quạt turbine quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, đó là

chế độ vận hành dưới đồng bộ (hệ số trượt dương, s > 0 ), máy phát lấy năng

lượng từ lưới qua rotor (hình 2.2a)

• Gió thổi cánh quạt quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, đó là chế độ

vận hành trên đồng bộ (hệ số trượt âm, s < 0 ) và máy phát hoàn năng lượng về

lưới qua rotor (hình 2.2b)

Hình 2.2: Chi ều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG ở 2 chế độ

Để đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở hai chế độ trên, bộ biến đổi công suất

ở cả hai phía, máy phát RSC và phía lưới GSC (hình 2.1) đều phải là nghịch lưu có khả năng điều khiển dòng công suất theo hai chiều (bi-directional)

Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳng phức

PQ, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng về lưới (điều này ngược với máy điện không đồng bộ thông thường) Trên hết, công suất phản kháng trao đổi giữa DFIG và lưới điện có thể được điều khiển độc lập với công suất thực

Bộ converter phía máy phát RSC cho ta các thuận lợi sau:

• Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lưới, chẳng hạn điều chỉnh điện áp (trong trường hợp lưới yếu)

• Có thể hoàn toàn kích từ DFIG thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp lưới

Trang 27

Ch ương 2:Hệ thống máy phát DFIG

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằn

• Khả năng điều khi

như điều khiển mômen, t

Sơ đồ tương đương của DFIG có tính

này được xét ở trạng thái xác l

qui đổi về mô hình tương đươ

Hình 2.4

Nếu điện áp rotor V r được n

mạch điện tương đương nguyên th

ng máy phát DFIG GVHD: PGS.TS D

ng

u khiển độc lập công suất tác dụng và công suấ

n mômen, tốc độ máy phát hoặc điều khiển hệ

đích chính của bộ converter phía lưới GSC là

ể làm việc với tốc độ rotor thay đổi trong đđồng bộ ω1 Hình 2.3 thể hiện đặc tính moment

: Đặc tính moment – tốc độ của máy phát DFIG

độ xác lập

a DFIG có tính đến tổn hao mạch từ được cho

ng thái xác lập, dây quấn nối Y Trong trường hợương đương Y, phương pháp jω được sử dụng cho các tính toán

4: S ơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác l

c nối ngắn mạch thì mạch điện tương đương DFIG trđương nguyên thủy của máy điện không đồng b

Trang 16

ất phản kháng, cũng

ệ số công suất đầu

i GSC là để giữ cho điện áp

i trong đổi khoảng

Trang 28

Áp dụng các định luật Kirchoff cho mạch điện tương đương hình 2.4 ta được

V s : Ảnh phức điện áp stator R s : Điện trở stator

V r : Ảnh phức điện áp rotor R r : Điện trở rotor

I s : Ảnh phức dòng điện stator R m : Điện trở từ hóa

I r : Ảnh phức dòng điện rotor L ls : Điện cảm rò stator

I Rm : Ảnh phức điện áp stator L lr : Điện cảm rò rotor

M#N 3BE|FE|,) BA|FA|,) B6|FJ6|, (2.5)

PQ 3RF6SL6FATU 3RF6SLAFATU (2.6)

Trang 29

2.3 Sự phân bố công suất trong DFIG

Để nghiên cứu phân bố công suất của hệ thống DFIG, công suất biểu kiến cấp cho DFIG thông qua mạch stator và rotor được xác định như sau:

Công suất biểu kiến cuộn stator Ss và rotor Sr được tính như sau:

VE 3DEFET 3BE|FE|,) G3EHIE|FE|,) G3EL6FET (2.7)

VA 3DAFET 3BA|FA|,) G3KEHIA|FA|,) G3EL6FAT (2.8) Kết hợp với các phương trình ở trên ta có thể viết lại như sau:

ME 1 + K M1 6QN , MA +1 + K MK 6QN (2.14)

Từ đây ta rút ra nhận xét, sự phân bố công suất tác dụng giữa các cuộn dây stator

và rotor của máy phát DFIG phụ thuộc vào hệ số trượt Công suất qua mạch rotor (qua

bộ biến đổi công suất) ngược dấu và xấp xỉ bằng công suất cuộn stator nhân với hệ số trượt, còn được gọi là công suất trượt

Pr = − sPs (2.15)

Trang 30

Ta có sơ đồ phân bố công suất như hình 2.5

Hình 2.5: S ự phân bố công suất (bỏ qua tổn thất) của DFIG

Tùy thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống, công suất qua mạch rotor có thể đi

theo hai chiều: từ lưới qua bộ biến đổi công suất đến rotor, P r < 0, ở chế độ dưới đồng

bộ và ngược lại từ mạch rotor qua bộ biến đổi công suất đến lưới, P r > 0, ở chế độ trên đồng bộ Trong cả hai trường hợp trên, mạch stator đều phát công suất về lưới, Ps > 0 Như vậy, khi hệ thống biến đổi năng lượng gió cho phép vận hành trong phạm vi

thay đổi tốc độ ∆ω = ±30% quanh tốc độ đồng bộ, ứng với hệ số trượt thay đổi trong phạm vi s = ± 0.3, thì công suất định mức của bộ biến đổi công suất chỉ cần được thiết

kế bằng 20% - 30% so công suất định mức của máy phát Định mức của bộ biến đổi

công suất có quan hệ với phạm vi thay đổi tốc độ được chọn, chi phí cho bộ biến đổi công suất vì thế tăng hay giảm phụ thuộc vào phạm vi tốc độ cho phép tăng hay giảm

Thí dụ về sự phụ thuộc của công suất mạch stator và rotor vào hệ số trượt cho trong

Trang 31

2.4 Điều khiển máy phát DFIG

Mục tiêu của điều khiển máy phát DFIG bao gồm: điều khiển công suất tác dụng bám các điểm vận hành tối ưu của turbine nhằm tối ưu công suất thực nhận được từ gió hoặc để hạn chế công suất đầu vào, tránh quá tải cho máy phát khi tốc độ gió lớn

và điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát DIFG và lưới điện nhắm nâng cao chất lượng phát điện, góp phần ổn định hệ thống điện Mỗi một hệ thống turbine gió điều có chứa những hệ thống phụ (điện, cơ khí, và khí động học ) với các hằng số thời gian đáp ứng khác nhau, thời hằng của hệ thống điện thường nhỏ hơn rất nhiều so với thời hằng của các hệ thống cơ Sự khác nhau về thời hằng càng rõ ràng khi điều chỉnh tốc độ do đó hệ thống điện càng phức tạp thì yêu cầu của hệ thống điều khiển cũng phức tạp theo Hình 2.6 trình bày sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi trang bị máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG, trong đó có thể phân biệt hai kênh điều khiển như sau:

• Điều khiển máy phát DFIG (điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng)

• Điều khiển tuabin gió

Kênh điều khiển máy phát DFIG bao gồm điều khiển bộ biến đổi công suất phía rotor RSC và điều khiển bộ biến đổi công suất phía lưới GSC

Kênh điều khiển tuabin gió với đáp ứng động chậm hơn, bao gồm điều khiển tốc

độ và điều khiển công suất đầu vào, giám sát luôn cả bộ phận chấp hành góc pitch (pitch angle actuator) của tuabin gió và giá trị setpoint cho công suất tác dụng của kênh điều khiển DFIG Vì thế, nó cung cấp tín hiệu điều khiển βref

trực tiếp cho bộ chấp hành góc pitch và tín hiệu điều khiển công suất tác dụng MEAQY cho kênh điều khiển DFIG

Trang 32

Hình 2.6: S ơ đồ điều khiển tổng thể turbine gió tốc độ thay đổi DFIG

Hệ thống điều khiển tổng thể như hình 2.6 đòi hỏi thông tin các tín hiệu đo lường: công suất tác dụng ME6Q7 và công suất phản kháng ZE6Q7 (tại điểm M đầu cực stator hoặc trên lưới điện), điện áp [06Q7 trên DC-link, dòng điện qua bộ lọc \Y6Q7 (tại

điểm N), tốc độ máy phát A6Q7 và dòng điện rotor \A6Q7

Kênh điều khiển máy phát có ba tín hiệu vào điều khiển như sau:

• Giá trị điều khiển công suất tác dụng, ME6Q7 thông tin này được cung cấp bởi kênh điều khiển tuabin gió

• Giá trị điều khiển công suất phản kháng ZE6Q7 giá trị này có thể được gán bởi người vận hành Chẳng hạn, trong trường hợp lưới yếu có thể yêu cầu DFIG

phát công suất kháng để hỗ trợ điện áp lưới

• Giá trị điều khiển điện áp DC-link [0AQY được quyết định bởi kích cỡ của bộ converter, tỷ số điện áp stator - rotor và chỉ số điều chế của bộ biến đổi công

suất

Kênh điều khiển turbine tạo ra hai tín hiệu điều khiển:

• Giá trị điều khiển công suất tác dụng MEAQY là tín hiệu đặt (setpoint) cho kênh điều khiển DFIG, được tạo ra dựa trên thông tin là vận tốc đo lường của máy

Trang 33

phát A6Q7 và công suất đo lường ME6Q7 tại điểm M Ví dụ, khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ gió định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển bằng cách hiệu chỉnh vận tốc máy phát để tuabin nhận được công suất tối đa từ gió

• Giá trị điều khiển βref

được đưa trực tiếp đến cánh quạt tuabin, bộ chấp hành góc pitch sẽ thực thi như một phần của bộ điều khiển công suất Giá trị này được tạo ra dựa trên thông tin công suất đo lường ME6Q7 và công suất định mức mong muốn M]AQY (thường là giá trị danh định của tuabin được cho bởi nhà chế tạo)

Khi tốc độ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giới hạn

M]AQY ,kênh điều khiển tuabin sẽ giữ góc pitch trị số tối ưu và tạo ra giá trị điều khiển

MEAQY cho kênh điều khiển DFIG nhằm đạt công suất tối đa, sau đó kênh điều khiển DFIG sẽ điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để giữ cho công suất đầu ra theo giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiển tuabin

Trong trường hợp tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ ra lệnh cho khâu chấp hành góc pitch hiệu chỉnh giá trị β để lượt bớt công suất và ra lệnh cho kênh điều khiển DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển MEAQY bằng giá trị định mức M]AQY ,kênh điều khiển DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy phát về một phạm vi được định trước

2.5 .Điều khiển tối ưu công suất turbine gió

Hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ cụ thể phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin Do đó, tốc độ quay của máy phát cần phải được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió nhằm duy trì λ tối ưu

2.5.1 Điều khiển tối ưu TSR (Tip – Speed – Ratio)

Theo cách này, tốc độ gió được đo lường liên tục Trên cơ sở dữ liệu gió đo được, tốc độ máy phát sẽ được điều chỉnh để tối ưu λ theo từng giá trị tốc độ gió và do đó có thể đạt công suất đầu ra tối ưu, sơ đồ nguyên lý được cho ở hình 2.7 Quá trình điều khiển được dựa vào đường cong công suất tuabin hình 2.8

Trang 34

Hình 2.7: S ơ đồ nguyên lý điều khiển tối ưu λ (TSR) Khi tốc độ gió đầu vào nhỏ hơn giá trị V c , tuabin gió không làm việc vì công suất đầu ra không đáng kể để thắng được ma sát của hệ thống truyền động và cũng để tránh quá dòng cho máy phát

Khi tốc độ gió đầu vào lớn V c và công suất phát ra nhỏ hơn công suất danh định, tốc độ rotor được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió để giữ cho λ

bằng hằng số tương ứng với giá trị cực đại của C p Vùng làm việc này được gọi là

Khi tốc độ gió đầu vào tăng lớn hơn V F , tuabin gió được ngắt ra để bảo vệ máy

phát và các bộ phận cơ khí khác

Trang 35

Hình 2.8: Đường cong công suất turbine

2.5.2 Điều khiển bám công suất đỉnh

Nguyên lý của phương pháp này là tìm cực trị của công suất P theo ω , tức là:

$M

$ 0

(2.16)

Thuận lợi của phương pháp này là không yêu cầu xác định tốc độ gió Theo nguyên

lý này, tốc độ rotor được tăng hoặc giảm với các số gia nhỏ, công suất đầu ra được đo

lường liên tục, trên cơ sở đó tính toán tỷ số ∆P/∆ω Nếu tỷ số này dương, nghĩa là có

thể nhận thêm công suất từ gió bằng cách tăng tốc độ của rotor Mặt khác, nếu tỷ số

này âm, công suất phát sẽ giảm nếu ta thay đổi tốc độ Tốc độ của rotor được duy trì

sao cho ∆P/∆ω gần giá trị 0, sơ đồ nguyên lý như hình 2.9

Tóm lại, để tối ưu công suất nhận được từ gió thì tốc độ của rotor phải được điều chỉnh phù hợp với mỗi tốc độ gió đầu vào Cả hai chiến lược này đều nhằm mục đích đạt được tương quan P – Cp tối ưu

Trang 36

Hình 2.9: S ơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh

Trang 37

Ch ương 3: Mô hình toán và mô phỏng DFIG GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG DFIG

3.1 Vectơ không gian và các phép biến đổi

3.1.1 Vectơ không gian

Cho đại lượng ba pha cân bằng n a , n b và n c, tức thõa mãn hệ thức sau:

Việc sử dụng vector không gian là để mô phỏng máy điện theo hai pha thay vì ba pha

để đạt sự phân lập tương đối giữa các biến và giảm tính phức tạp của hệ phương trình

mô tả Đại lượng ba pha n a,b,c có thể là dòng điện, điện áp hoặc từ thông của máy điện xoay chiều

\E \7 ) _`\C) _`,\

Trang 38

LE L7 ) _`LC ) _`,L

k được gọi là hệ số tỷ lệ của véctơ không gian, có thể chọn với những trị số khác

nhau:

- ,5, ta có phép biến đổi giữ nguyên biên độ

- k = 1 , phép biến đổi có biên độ lớn hơn 1.5 lần

- e,5, phép biến đổi bảo toàn công suất, tức là khi áp dụng cùng một phép biến đổi cho cả hai đại lượng áp và dòng thì ta được quan hệ M7C Mfg

Như vậy, nếu đại lượng xoay chiều ba pha cân bằng và có dạng sin thì véctơ không gian có biên độ không đổi và quay với vận tốc góc tương ứng với tần số của nguồn cung cấp Trong các trường hợp khác, véctơ không gian có biên độ và vận tốc quay thay đổi phụ thuộc vào giá trị tức thời của đại lượng pha

Một cách tổng quát, véctơ không gian có thể được biểu diễn theo hệ thức:

^E ^f) G^g h6a#ij (3.5)

Trong đó, θ [rad ] là góc dịch pha và ω [rad /s ] là vận tốc góc của véctơ quay

Cũng có thể qui đổi véctơ không gian về hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ (hệ trục dq

) theo biểu thức:

Các chỉ số trên “s ” và “e ” lần lượt biểu thị cho véctơ không gian được qui về hệ trục

tọa độ tham chiếu tĩnh αβ gắn với stator của máy điện không đồng bộ và hệ trục tọa

độ tham chiếu dq đang quay với tốc độ đồng bộ

Hệ trục tọa độ đồng bộ dq phải được định hướng theo một véctơ nào đó, thường là

véctơ từ thông rotor hoặc stator của máy điện không đồng bộ Tuy nhiên, cũng có thể định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới Trong hệ trục dq , hai thành phần của véctơ không gian sẽ là đại lượng DC ở trạng thái xác lập

3.1.2 Công suất trong vectơ không gian

Công suất tác dụng tức thời của hệ thống ba pha được cho bởi hệ thức:

Trang 39

M7C d7\7 ) dC\C) d\ 32,BSdE\ETU (3.7a)

Công suất tác dụng bằng phần thực của véctơ điện áp nhân cho liên hợp phức của

véctơ dòng điện Tương tự, công suất phản kháng được tính bởi hệ thức:

Ta có thể chứng minh các hệ thức này, sử dụng phương trình (3.5) ta có:

dE\ET ldf\f ) dg\gm ) Gldg\f+ df\gm (3.8) Suy ra:

Hay M7C 5 ,pMfg , ta được điều cần chứng minh (3.9a), do đó ta được (3.7a)

Chứng minh (3.7b) hoàn toàn tương tự

Trang 40

Ch ương 3: Mô hình toán và mô ph

n khai các véctơ không gian theo các thành phần theo tr

ừ đại lượng ba pha abc sang đại lượng αβ

đó, trục α trùng với trục dây quấn pha a , còn tr như hình 3.2

3.2: M ối quan hệ giữa đại lượng abc và αβ

i từ đại lượng ba pha abc sang αβ :

n =   Cαβ   −  nαβ  

Trang 29

n theo trục thực và trục gắn với hệ trục tọa , còn trục β vuông góc

Chứng minh (3.7b) hồn tồn tương tự

Trang... 3: Mơ hình tốn mơ ph

n khai véctơ không gian theo thành phần theo tr

ừ đại lượng ba pha abc sang đại lượng αβ

đó,... dây quấn pha a , cịn tr hình 3.2

3.2: M ối quan hệ đại lượng abc αβ

i từ đại lượng ba pha abc sang αβ :

n =   Cαβ   −

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	3,69 MB