Tóm tắt: Bài báo đề xuất một phương pháp kỹ thuật mới cho hệ thống điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép làm máy phát đồng trục trong trạm phát điện Tàu thủy. Trong bài báo, các tác giả sử dụng một máy điện dị bộ rotor dây quấn có cấu tạo tương tự như máy phát dị bộ nguồn kép nhưng công suất nhỏ để tạo ra tín hiệu đồng dạng trong rotor. Các tín hiệu đồng dạng cảm ứng được tạo ra làm cơ sở để xây dựng phương thức điều khiển với các dòng điều khiển trong rotor máy phát hoàn toàn đồng dạng với tín hiệu điều khiển. Với đề xuất này, nhóm tác giả đã xây dựng được một mô hình đối tượng có kết cấu đơn giản, dễ thực hiện điều khiển do các thành phần công suất tác dụng P và phản kháng Q của máy phát cung cấp cho lưới điện sẽ phụ thuộc riêng rẽ thông qua hai hệ số K p và K q. Ngoài ra, do vector từ thông của máy phát được tạo ra bởi các dòng điện liên tục nên dạng điện áp ra của máy phát là tín hiệu liên tục và sin chuẩn. Abstract: This paper proposes a novel technique for the control system of the shaft generator using doublyfed induction machine on powerstation on shipboards. Another doublyfed machine which is similar to the machine working in the generator but has a smaller capacity is used to create the similarizing sinewaves in the rotor of the generator, which are similar to the control signals. Based on this method, a simple buteffective controller is designed, which ensures to decouple the active and reactive power supplied to the grid by using two separate parameters Kp and K q. Moreover, since the magnetic flux vector of the generator is generated by continuous currents, the output voltages are in continuous sinewave form.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 67 Mã bài: 16 Đề xuất phương pháp kích từ cho máy phát đồng trục sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép trong trạm phát điện tàu thủy A novel excitation method for shaft generators using doubly- fed induction machines on power –station on shipboards Th.S Nguyễn Trọng Thắng Đại học Dân lập Hải Phòng, e-Mail:nguyentrongthanghpu@yahoo.com PGS,TS. Nguyễn Tiến Ban Đại học Hải Phòng, e-Mail:bannguyentien@gmail.com Tóm tắt: Bài báo đề xuất một phương pháp kỹ thuật mới cho hệ thống điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép làm máy phát đồng trục trong trạm phát điện Tàu thủy. Trong bài báo, các tác giả sử dụng một máy điện dị bộ rotor dây quấn có cấu tạo tương tự như máy phát dị bộ nguồn kép nhưng công suất nhỏ để tạo ra tín hiệu đồng dạng trong rotor. Các tín hiệu đồng dạng cảm ứng được tạo ra làm cơ sở để xây dựng phương thức điều khiển với các dòng điều khiển trong rotor máy phát hoàn toàn đồng dạng với tín hiệu điều khiển. Với đề xuất này, nhóm tác giả đã xây dựng được một mô hình đối tượng có kết cấu đơn giản, dễ thực hiện điều khiển do các thành phần công suất tác dụng P và phản kháng Q của máy phát cung cấp cho lưới điện sẽ phụ thuộc riêng rẽ thông qua hai hệ số K p và K q . Ngoài ra, do vector từ thông của máy phát được tạo ra bởi các dòng điện liên tục nên dạng điện áp ra của máy phát là tín hiệu liên tục và sin chuẩn. Abstract: This paper proposes a novel technique for the control system of the shaft generator using doubly-fed induction machine on power-station on shipboards. Another doubly-fed machine which is similar to the machine working in the generator but has a smaller capacity is used to create the similarizing sine-waves in the rotor of the generator, which are similar to the control signals. Based on this method, a simple but effective controller is designed, which ensures to decouple the active and reactive power supplied to the grid by using two separate parameters K p and K q . Moreover, since the magnetic flux vector of the generator is generated by continuous currents, the output voltages are in continuous sine-wave form. Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa f r f s uu , V Véc tơ điện áp stato, điện áp rotor thuộc hệ tọa độ dq f r f s ii , A Véc tơ dòng điện stato, dòng điện rotor thuộc hệ tọa độ dq f r f s , Wb Véc tơ từ thông stator, rotor thuộc hệ tọa độ dq r s r r ii , V Véc tơ dòng điện rotor, stato thuộc hệ tọa độ rotor s s u V Véc tơ điện áp stato thuộc hệ tọa độ stato s s Wb Véc tơ từ thông stato thuộc hệ tọa độ stato r r u V Véc tơ điện áp rotor thuộc hệ tọa độ rotor , s r R R Ω Điện trở stato, điện trở rotor , s r L L H Điện cảm stator, rotor m L H Hỗ cảm giữa statovà rotor , s r rad/s Tốc độ góc mạch điện stator, rotor rad/s Tốc độ góc quay của rotor P W Công suất tác dụng Q VAR Công suất phản kháng sqsd ii , A Các thành phần của vector dòng stator trên hệ toạ độ dq rqrd ii , A Các thành phần của vector dòng rotor trên hệ toạ độ dq Chữ viết tắt DFIG Máy điện dị bộ rotor dây quấn làm việc trong chế độ máy phát cấp nguồn từ hai phía Mở đầu 68 Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban VCM2012 Ngày nay, trên tầu thủy trạm phát điện luôn hướng tới khả năng khai thác tối ưu trong hành trình trên biển để giảm tiêu hao năng lượng, giảm thời gian khai thác vận hành và giảm thiểu tiếng ồn, giảm ô nhiễm môi trường, tránh tác động xấu tới con người cũng như thiên nhiên. Vì vậy, với các tàu trọng tải lớn, trạm phát thường được thiết kế có các máy phát đồng trục cùng làm việc với các cụm diesel – generator (DG). Hệ thống máy phát đồng trục (SG – Shaft Generator) đã có rất nhiều phương án kĩ thuật thoả mãn các yêu cầu vận hành, khai thác [1]. Tuy nhiên khi tốc độ máy chính (ME) thay đổi theo tình huống trên biển thì khả năng mất đồng bộ giữa máy phát đồng trục và lưới điện là rất lớn, để giải quyết vấn đề này ta sử dụng máy điện dị bộ rotor dây quấn làm việc trong chế độ máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG: Doubly – Fed Induction Generator). DFIG làm máy phát đồng trục có những ưu điểm rất nổi bật là stator của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được. Chính vì thiết bị điều khiển cho DFIG nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển chỉ xấp xỉ bằng 1/3 công suất máy phát và dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới. Tuy nhiên, kỹ thuật khiển roto của DFIG rất khó khăn, một số các công trình trong nước [4][5] và trên thế giới đã giải quyết được vấn đề này thông qua phương pháp kỹ thuật điều chế véc tơ không gian cho mạch rotor [3]. Sau đây nhóm tác giả xin đề xuất một phương pháp kỹ thuật mới là phương pháp dựa trên kỹ thuật đồng dạng tín hiệu mạch cảm ứng rotor, sơ đồ cấu trúc như sau: H.1 Cấu trúc hệ thống phát điện dị bộ nguồn kép bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu mạch cảm ứng rotor Hệ thống gồm: Máy chính ME có trục được nối đồng trục với máy điện 1 (MĐ1) và máy điện 2 (MĐ2) Máy điện 1: là máy điện dị bộ nguồn kép công suất nhỏ có tác dụng tạo tín hiệu suất điện động cảm ứng đồng dạng ở rotor Khâu đồng dạng và cách ly sức điện động rotor của máy điện 1: là mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng khuếch đại thuật toán với trở kháng đầu vào vô cùng lớn Khâu điều chế điện áp (dòng điện) rotor cho máy điện 2 Máy điện 2: là máy phát dị bộ nguồn kép có tác dụng phát ra điện áp hòa với lưới điện tầu thủy. Máy điện 1 và máy điện 2 được nối cứng trục với nhau sao cho các tọa độ góc của các cuộn dây rotor và stator trùng với nhau. 1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống Máy điện 1 có stato được nối trực tiếp với lưới điện tàu thủy, các cuộn dây stato của máy điện 1 kín mạch nên sẽ có dòng điện chạy qua, các dòng điện sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ ω s bằng với tốc độ góc của điện lưới. Rotor của máy điện 1 có trục được nối cứng với trục của máy chính đang quay với tốc độ ω, cuộn dây rotor của máy 1 hở mạch nên không có dòng điện chạy qua, sức điện động của rotor được sinh ra hoàn toàn bởi từ thông của stator cảm ứng sang. Từ trường stator quay với tốc độ góc ω s , rotor quay với tốc độ góc ω nên từ trường stator quay so với các cuộn dây rotor vận tốc góc là ω r =ω s -ω, do vậy suất điện động cảm ứng ở các cuộn dây rotor máy điện 1 có tần số góc là ω r . Tín hiệu sức điện động sinh ra ở rotor của máy điện 1 được đưa tới khâu đồng dạng, khâu này có tác dụng tạo tín hiệu đầu ra đồng dạng với tín hiệu đầu vào nhưng cách ly với tín hiệu đầu vào đó, tức là dòng tải của tín hiệu đầu ra sẽ không gây ảnh hưởng méo hay nhiễu cho tín hiệu đầu vào. Đầu ra của khâu đồng dạng đưa tới khâu điều chế dòng điện để cấp điện cho các cuộn dây rotor của máy điện 2, các thành phần dòng rotor này được tính toán và xây dựng trên cơ sở tín hiệu đồng dạng ở đầu ra của khâu cách ly nhưng pha và biên độ sẽ được thay đổi và điều chỉnh để phù hợp với các yêu cầu của hệ thống phát điện. Vậy các thành phần dòng điện rotor của máy điện 2 cũng có tần số là ω r = ω s - ω, các dòng điện này sinh ra từ trường quay so với rotor vận tốc góc ω r =ω s -ω. Vì trục của rotor máy điện 2 cũng được nối với trục của máy chính và cùng quay với vận tốc góc ω, nên từ trường của rotor máy điện 2 quay so với các cuộn dây stator vận tốc góc là (ω s -ω)+ω=ω s . Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 69 Mã bài: 16 Từ trường này sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng ở phía stator của máy điện 2 với tốc độ góc ω s trùng với tốc độ góc ω s của lưới điện. Vấn đề còn lại là biên độ và pha điện áp đầu ra của máy điện 2 như thế nào? có trùng với lưới điện không? nhóm tác giả sẽ làm rõ vấn đề này khi phân tích và triển khai cụ thể mô hình toán các khâu trong hệ thống. 2. Xây dựng mô hình toán hệ thống Vì trong hệ thống có 2 máy điện dị bộ nguồn kép nên các đại lượng và thông số của các máy điện được ký hiệu để phân biệt như sau: Y x , trong đó Y là đại lượng, thông số, còn x là chỉ số máy điện. Ví dụ: R 1 là điện trở của máy điện 1, L 2 là điện cảm của máy điện 2. Theo [3], phương trình mô tả máy điện dị bộ nguồn kép trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới, ứng dụng cho máy điện 1 có hệ phương trình sau: ),,,.1( )( . )( . 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 dcba LiLi LiLi j dt d iRu j dt d iRu r f rm f s f r m f rs f s f s f r r f r f r r f r f s s f s f ss f s Vì rotor của máy điện 1 hở mạch nên f r i 1 = 0 thay vào phương trình (1c) và (1d) ta có từ thông của stator và rotor như sau: ),.2( . . 1 11 1 11 ba Li Li m f s f r s f s f s Thay 0 1 f r i và các phương trình từ thông vào phương trình (1a) và (1b), ta có phương trình điện áp ở stator và rotor máy điện 1 như sau: ),.3( )( )( 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ba iLj dt id Lu iLj dt id LiRu f s mr f s m f r f sss f s s f ss f s Tương tự tập hợp hệ phương trình mô tả máy điện dị bộ nguồn kép trên hệ tọa độ quay tựa theo điện áp lưới cho máy điện 2, có hệ phương trình sau: ),,,.4( )( . )( . 2 2 2 22 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 dcba LiLi LiLi j dt d iRu j dt d iRu r f rm f s f r m f rs f s f s f r r f r f r r f r f s s f s f ss f s Để có kết quả mô hình toán thuận lợi cho quá trình điều khiển sau này, cần phải xét hệ thống ở chế độ không tải và chế độ có tải của máy phát. 2.1 Chế độ không tải của máy phát Trường hợp máy điện 2 chưa có tải, tức là chưa có dòng điện bơm ra ở sator của máy phát hay 0 2 f s i và dòng điện rôto lúc này là f r f r ii 0 22 , thay 0 2 f s i và f r f r ii 0 22 vào phương trình (4c) và (4d) nhận được từ thông stator và rotor như sau: ),.5( . . 2 0 22 2 0 22 ba Li Li r f r f r m f r f s Thay các giá trị từ thông này vào phương trình (4a) và (4b) ta có phương trình điện áp của stator và rotor của máy điện 2 như sau: ),.6( )( )( . 0 2 2 0 2 2 0 2 2 2 0 2 2 0 2 2 2 ba iLj dt id LiRu iLj dt id Lu f r rr f r r f r r f r f rms f r m f s Điện áp ra rotor của máy điện 1 (ở phương trình 3b), qua khâu đồng dạng và cách ly tạo điện áp là f cl u như sau: )7() )( (. 1 1 1 1 1 f smr f s mcl f rcl f cl iLj dt id LKuKu Ở khâu điều chế điện áp rotor cho máy điện 2, bù thêm thành phần f rr iR 0 2 2 . , vậy điện áp đưa vào rotor của máy điện 2 lúc này sẽ là: )8() )( (. . 1 1 1 1 0 2 2 0 2 2 11 f smr f s mcl f rr f rr f cl f r iLj dt id LKiR iRuu So sánh với phương trình điện áp rotor của máy điện 2 ở phương trình (6b) ta có: f rrr f r r f rr f smr f s mcl f rr iLj dt id LiR iLj dt id LKiR 0 2 2 0 2 2 0 2 2 1 1 1 1 0 2 2 )( ) )( .(. => f s f r iKi 1 120 2 . (với rmcl LLKK 21 12 /. ) (9) Thay f s f r iKi 1 120 2 . vào phương trình điện áp stator của máy phát (6a) nhận được: 70 Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban VCM2012 )10() )( .( 1 2 1 2 12 2 f sms f s m f s iLj dt id LKu Nghiên cứu lại phương trình (3a) là phương trình điện áp stator của máy điện 1: )3( )( 1 1 1 1 1 1 1 aiLj dt id LiRu f sss f s s f ss f s Ta có nhận xét như sau: f s u 1 chính điện áp của lưới điện Máy điện 1 có rotor hở mạch nên không có từ trường phần ứng, không có phản ứng phần ứng và tất cả các đại lượng và thông số trong phương trình (3a) đều là cố định nên độ lệch pha của thành phần điện áp: f sss f s s f sl iLj dt id Lu 1 1 1 1 1 )( . so với điện áp: f sss f s s f ss f s iLj dt id LiRu 1 1 1 1 1 1 1 )( của lưới là cố định So sánh thành phần điện áp f sss f s s f sl iLj dt id Lu 1 1 1 1 1 )( . với điện áp đầu ra của của máy điện 2: ) )( .( 1 2 1 2 12 2 f sms f s m f s iLj dt id LKu Ta thấy constLLKuu sm f sl f s 12 12 12 /./ , vậy f s u 2 trùng pha với thành phần f sl u 1 Tới đây ta có các kết quả quan trọng ở chế độ không tải của máy phát như sau: Điện áp đầu ra của máy phát luôn lệch pha so với điện áp lưới một góc α=const và hoàn toàn không phụ thuộc vào tốc độ lai của máy chính. Vì độ lệch pha với góc α là cố định nên để giải quyết việc triệt tiêu góc lệch pha này ta chỉ cần xoay lệch trục máy điện 1 và máy điện 2 một góc α để bù lại sự lệch pha hoặc thậm chí thành phần f ss iR 1 1 . quá nhỏ so với điện áp lưới nên ta có thể bỏ qua không cần hiệu chỉnh. Biên độ điện áp đầu ra của máy phát có thể điều chỉnh hoàn toàn tuyến tính thông qua K cl . Giả thiết để biên độ đầu ra của máy phát trùng với biên độ điện áp lưới ta phải chỉnh giá trị K cl = K 0 , cụ thể có thể tìm K 0 từ hệ phương trình ),.11( /. 1/./ 21 12 12 12 12 ba LLKK LLKuu rmcl sm f sl f s => )12()./().(/. 212112 120 mmrsmr LLLLLLKK Như vậy có thể kết luận: trong trường hợp máy phát chưa có tải, để điện áp đầu ra của máy phát trùng pha, trùng biên độ, trùng tần số với lưới ta thực hiện các khâu hiệu chỉnh và điều chỉnh sau: Giải quyết vấn đề trùng tần số giữa điện áp ra của máy phát với điện áp của lưới điện: ta thấy luôn được thỏa mãn (theo phần 1). Giải quyết vấn đề về trùng pha giữa điện áp máy phát và điện áp lưới: ta xoay lệch trục không gian giữa máy điện 1 và máy điện 2 một góc α để bù lại phần lệch pha. Giải quyết vấn đề về trùng biên độ giữa điện áp máy phát với điện áp lưới ta thực hiện 2 khâu hiệu chỉnh: Bù thành phần điện áp f rr iR 0 2 2 . của rotor máy điện 2 để có mối quan hệ điện áp stato giữa máy điện 1 và máy điện 2 là tuyến tính. Chỉnh hệ số khuếch đại ở khâu đồng dạng và cách ly với hệ số khuếch đại )./().( 2121 0 mmrscl LLLLKK để biên độ điện áp đầu ra của máy phát bằng biên độ của điện áp lưới. Thấy rằng, ba khâu hiệu chỉnh và điều chỉnh trên đều là cố định. Sau khi thiết kế các mạch hiệu chỉnh và điều chỉnh ở chế độ không tải, sẽ giữ nguyên cấu trúc các khâu đó trong các chế độ có tải sau này, gọi là các khâu hiệu chỉnh không tải. Như vậy mô hình hệ thống ở chế độ không tải như hình 2: H.2 Sơ đồ khối mô hình hệ thống khi không có tải với mạch công suất nguồn áp Từ mô hình trên thấy rằng có khâu tạo dòng f r i 0 2 , cần phân tích cấu tạo của khâu tạo dòng f r i 0 2 này. Vì rotor máy điện 1 hở mạch nên không có dòng chạy qua (hay r r i 1 =0)=> Phương trình điện áp roto của máy điện 1 trên tọa độ cuộn dây roto như sau [3]: )13( )( . )( . 1 1 1 1 1 1 dt id L dt d iRu r s m r r r rr r r Từ phương trình (9) 120 21 / Kii r r r s , thay 120 21 / Kii r r r s vào phương trình (13) => Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 71 Mã bài: 16 )14()( 1 1 12 0 2 dtu L K i r r m r r Từ phương trình (11.b) => rmcl LLKK 21 12 /. thay vào phương trình (14) => )15()( 1 ).( 1 2 1 2 0 2 dtu L dtuK L i r cl r r rcl r r r Vậy có được khâu tạo dòng f r i 0 2 như sau: H.3 Sơ đồ khối khâu tạo f r i 0 2 Với khâu tích phân được thực hiện trên tọa độ rotor, hay khâu tích phân được thực hiện trực tiếp trên mạch điện rotor. Trên đây là mô hình hệ thống trên cơ sở mạch công suất là nguồn áp. Tuy nhiên, hệ thống với mạch công suất nguồn áp sẽ gây một số khó khăn trong quá trình tính toán điều khiển hệ thống sau này, vì vậy dựa vào mô hình hệ thống với mạch công suất nguồn áp, xây dựng mô hình trên cở sở mạch công suất nguồn dòng như hình 4: H.4 Sơ đồ khối mô hình hệ thống khi không có tải với mạch công suất nguồn dòng Vấn đề về công suất: Phương trình điện áp stator của máy phát trên tọa độ cuộn dây stato (bỏ qua thành phần điện áp rơi trên điện trở) như sau [3]: dt d u s s s s )( 2 2 hoặc )16( 22 s s s s s ju Phương trình (16) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp stator một góc khoảng 90 0 , và thành phần dòng f r i 0 2 là thành phần tạo ra từ thông chính sinh ra điện áp ở lưới ở stator nên f r i 0 2 trùng pha với từ thông chính hay f r i 0 2 chậm pha so với điện áp stator một góc 90 0 , vậy pha của )( 0 2 f r i chính là pha của dòng điện rotor ngang trục theo tọa độ điện áp lưới của máy điện 2 là rq i 2 , và pha của dòng điện rotor dọc trục theo tọa độ điện áp lưới rd i 2 sẽ chính là pha của )( 0 2 f r i trừ đi góc π/2, hay là pha của f r i 0 2 cộng góc π/2. 2.2 Chế độ có tải của máy phát Giả sử yêu cầu của máy phát là phải bơm ra lưới điện dòng điện tải là f s i 2 , ta phải điều chỉnh dòng rotor có giá trị như sau: f rt f r f r iii 2 0 22 , với f r i 0 2 là thành phần dòng điện rotor ở chế độ không tải đã được điều chế cố định ở phần 2.1 và luôn tồn tại sẵn ở rotor. Như vậy ta phải điều chế thành phần dòng rotor bổ sung f rt i 2 để stator của máy phát bơm ra lưới điện dòng f s i 2 mà vẫn đảm bảo điện áp ra các cực stator của máy phát trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ với lưới điện. Thay f rt f r f r iii 2 0 22 và f s i 2 vào phương trình (4c), nhận được từ thông stator của máy điện 2 như sau: )17().(. 2 2 0 2 2 22 m f rt f rs f s f s LiiLi Thay từ thông stator f s 2 vào phương trình (4a), điện áp đầu ra stator của máy phát như sau: )18( )( . )( . )( 2 2 2 0 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 m f rt sm f r ss f s s f rt m f r m f s s f ss f s LijLijLij dt id L dt id L dt id LiRu Vì điện áp rơi trên điện trở rotor 2 s R có thể bỏ qua được so với tổng điện áp rơi trên các thành phần còn lại nên: )19( )( . )( . )( . 2 2 2 0 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 m f rtsm f rss f ss f rt m f r m f s s f s LijLijLij dt id L dt id L dt id Lu Vì điện áp ra của máy phát luôn phải đảm bảo bám điện áp lưới nên không đổi => so sánh phương trình (19) với phương trình (6b) có được: m f rt sm f r ss f s s f rt m f r m f s sm f rs f r m f s LijLijLij dt id L dt id L dt id LLij dt id Lu 2 2 2 0 2 2 2 2 2 0 2 2 2 22 0 2 0 2 2 2 )( . )( . )( )( . => )20()./( 2 22 2 f sms f rt iLLi => ),.21( )/( )/( 2222 2222 ba iLLi iLLi rtqmmsq rtdsmsd Vấn đề về công suất: Công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát là: ),.22( sin 3 cos 3 22 22 ba IUQ IUP ss ss Với 2 U s , 2 I s là điện áp và cường độ dòng điện hiệu dụng một pha của máy phát, φ là độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện trên một pha của máy phát. 72 Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban VCM2012 Biểu diễn véc tơ điện áp và dòng điện stato của máy phát trên tọa độ tựa theo điện áp lưới dq quay với vận tốc góc s là f s u 2 và f s i 2 thì góc lệch pha giữa f s u 2 và f s i 2 vẫn là φ (hình 5) , theo [3] độ dài của véc tơ f s u 2 và f s i 2 (ký hiệu là || 2 f s u và || 2 f s i ) chính là biên độ của điện áp và dòng điện tức thời )23(2.||;2.|| 2 2 2 2 s f ss f s IiUu Từ hình 5 => ),,.24( sin.|| cos.|| || 2 2 2 2 2 2 cba ii ii uu f s sq f s sd f s sd T hay các phương trình (24.a,b,c) và các phương trình (23) vào các phương trình (22.a,b) có: ),25( .).2/3( .).2/3( 22 22 ba iuQ iuP sqsd sdsd H.5 Véc tơ dòng điện và điện áp stato máy điện 2 trên tọa độ tựa theo điện áp lưới Thay 2 sd i ở phương trình (21a) và 2 sq i ở phương trình (21b) vào các phương trình (25.a,b) có: ),.26( )/.(.).2/3( )/.(.).2/3( 2222 2222 ba LLiuQ LLiuP smrtqsd smrtdsd T heo phần 2.1 ta có: ),.27( . . 0 22 0 22 ba iKi iKi rqqrtq rdprtd (Với tín hiệu đồng dạng 0 2 rq i = f r i 0 2 và 0 2 rd i là véc tơ f r i 0 2 cộng thêm góc pha π/2 đã tạo được ở mục 2.1) Thay 2 rtd i và 2 rtq i để tính P và Q ta có: ),.28( .)/.( ).2/3( .)/.( ).2/3( 22 0 22 22 0 22 ba YKLLiuKQ XKLLiuKP qsmrqsdq psmrdsdp Với X, Y là các thành phần cố định vì trong tọa độ quay theo điện áp lưới thì các thành phần 2 2 2 0 0 , , sd rd rq u i i đều cố định. Vậy để điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát bơm ra lưới điện ta chỉ cần điều chỉnh hệ số khuếch đại K p , điều chỉnh công suất phản kháng Q của máy phát bơm ra lưới điện ta chỉ cần điều chỉnh hệ số khuếch đại K q . Sau đây là sơ đồ khối mô hình của hệ thống với mạch công suất là nguồn dòng: H.6 Mô hình hệ thống khi có tải với mạch công suất rotor là nguồn dòng Thấy rằng các thành phần công suất P, và Q hoàn toàn tỉ lệ với các hệ số khuếch đại K p , và K q , như vậy có thể điều chỉnh dễ dàng các thành phần công suất của máy phát bơm ra tải bằng cách thay đổi các hệ số K p , và K q . 3. Kết quả mô phỏng Nhóm tác giả thực hiện chạy mô phỏng các tín hiệu ở mạch stato trên hệ tọa độ stator và các tín hiệu ở mạch rotor trên hệ tọa độ rotor, tức là các tín hiệu điện áp và dòng điện thu được là tín hiệu trực tiếp trên các cuộn dây stator và rotor. 3.1 Chế độ không tải Khi không tải, stato của máy phát hở mạch, kết quả mô phỏng chế độ không tải được thể hiện ở hình 7. Khi tốc độ quay r của rotor (đường 1) thay đổi từ 20 vòng/s, sang 30 vòng/s thì tín hiệu điện áp đồng dạng rotor cl u của máy điện 1 (đường 2) thay đổi tần số từ 30 hz về 20 hz, đồng thời biên độ cũng giảm theo. Dòng điện điều khiển không tải của rotor pha a là ar i 0 2 (đường 3) có biên độ không thay đổi, nhưng tần số thay đổi từ 30hz về 20hz và theo [2] thì f r i 0 2 sẽ không thay đổi. Điện áp pha a của máy phát sa u (đường 5) luôn đáp ứng trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ với điện áp pha a của lưới La u (đường 4). 3.2 Chế độ có tải Ở chế độ có tải, điện áp ra của máy phát được hòa với lưới điện, kết quả mô phỏng được thể hiện ở hình 8. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 73 Mã bài: 16 Ta cho hệ số điều khiển công suất tác dụng K p (đường 1) thay đổi từ giá trị 0.5 sang 1 tại thời điểm t = 0.4s và cho về 0 tại thời điểm t = 0.5s. Hệ số điều khiển công suất phản kháng K q (đường 2) cho thay đổi từ 0 lên 2 tại thời điểm t = 0.6s và lên 4 tại thời điểm t = 0.7s. Điện áp pha a của lưới La u (đường 3) có tần số f = 50hz, biên độ 220V. Ta có kết quả dòng điện pha a của máy phát cung cấp ra lưới sa i (đường 4) như sau: Trong thời gian t < 0.5s : dòng điện pha a của máy phát cung cấp ra lưới đồng pha với điện áp lưới (tức là phát công suất tác dụng ra lưới) và dòng tăng biên độ gấp đôi khi K p tăng giá trị lên gấp đôi (tại t=0.4s). Trong khoảng thời gian 0.5s < t < 0.6s: dòng điện pha a của máy phát cung cấp ra lưới xấp xỉ bằng 0 do các hệ số điều khiển công suất K p và K q đều bằng 0. Trong thời gian t > 0.6s: Dòng điện pha a của máy phát cung cấp ra lưới nhanh pha hơn điện áp lưới 90 0 (tức là phát ra công suất phản khảng ra lưới) và dòng tăng biên độ gấp đôi khi K q tăng giá trị lên gấp đôi (tại t=0.7s). H.7 Kết quả mô phỏng không tải H.8 Kết quả mô phỏng có tải Kết luận Phương pháp kích từ mà nhóm tác giả đề xuất đã đáp ứng được rất tốt các vấn đề trùng pha, trùng biên độ, trùng tần số giữa điện áp ra của máy phát với điện áp lưới. 74 Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban VCM2012 Trong quá trình khảo sát cho thấy tín hiệu điện áp đồng dạng sẽ phản ứng tức thời khi điện áp lưới hoặc tốc độ rotor thay đổi. Vì vậy, phương pháp điều khiển dựa trên tín hiệu đồng dạng sẽ cho kết quả điện áp đầu ra luôn bám theo điện áp lưới ngay cả khi điện áp lưới hay tốc độ rotor của DFIG thay đổi. Do đó, mô hình này rất phù hợp ứng dụng trong máy phát đồng trục để hòa với lưới điện trên tầu thủy vì lưới điện tầu thủy là lưới “mềm”, điện áp thường xuyên bị đổi và tốc độ máy chính ME cũng thường xuyên thay đổi theo các tính huống trên biển. Mô hình có các khâu điều khiển các thành phần công suất cung cấp ra lưới điện rất đơn giản và hiệu quả: thành phần công suất tác dụng P tỷ lệ với hệ số K p , thành phần công suất phản kháng Q tỷ lệ thuận với hằng số K q , vì vậy việc thiết kế bộ khiển các thành phần công suất sau này sẽ rất đơn giản. Bộ điều khiển trong mô hình không phải tính toán nhiều nên không cần chọn chip điều khiển cấu hình cao, dẫn đến hạ giá thành bộ điều khiển của hệ thống. Các mạch trong hệ thống đều là các mạch liên tục nên kết quả điện áp ra của máy phát hoàn toàn liên tục và sẽ có dạng sin chuẩn. Tài liệu tham khảo [1] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn; TS. Nguyễn Tiến Ban, Trạm phát và lưới điện tàu thủy, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2008. [2] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn, Mô phỏng hệ thống điện tử công suất và truyền động điện, Nhà xuất bản xây dựng, 2002. [3] GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản Giáo dục, 1998. [4] Cao Xuân Tuyển, Tổng hợp các thuật toán phi tuyến trên cơ sở phương pháp Backstepping để điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống máy phát điện sức gió, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, 2008. [5] Đặng Danh Hoằng, Cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến, Luận án tiến sỹ kỹ thuật 2012. PGS.TS. Nguyễn Tiến Ban: Nhận bằng kỹ sư Điện Tàu thủy tại trường Đại Học Hàng Hải Việt nam 1981, Tiến sĩ Kỹ thuật tại Đại học Bách khoa Hà Nội 2005. Hiện là Chủ nhiệm khoa Khoa học Tự Nhiên Đại học Hải Phòng. Lĩnh vực nghiên cứu chính là Tự động hóa và Điều khiển, lĩnh vực chuyên sâu: Tàu thủy. Nguyễn Trọng Thắng sinh năm 1982, nhận bằng Kỹ sư Điện chuyên ngành Điều khiển tự động tại Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2005, nhận bằng Thạc sỹ Kỹ thuật ngành Tự động hóa tại Trường Đại Học Hàng hải Việt Nam năm 2009, bắt đầu làm Nghiên cứu sinh ngành Tự động hóa tại trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội từ năm 2011. Hiện đang là giảng viên khoa Điện- Điện tử trường Đại học Dân lập Hải Phòng, lĩnh vực nghiên cứu chính là Điều khiển tự động và các trạm phát điện trên tầu thủy. . chế độ máy phát cấp nguồn từ hai phía Mở đầu 68 Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban VCM2 012 Ngày nay, trên tầu thủy trạm phát điện luôn hướng tới khả năng khai thác tối ưu trong hành. áp lưới, ứng dụng cho máy điện 1 có hệ phương trình sau: ),,,.1( )( . )( . 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 dcba LiLi LiLi j dt d iRu j dt d iRu r f rm f s f r m f rs f s f s f r r f r f r r f r f s s f s f ss f s Vì. thay vào phương trình (1c) và (1d) ta có từ thông của stator và rotor như sau: ),.2( . . 1 11 1 11 ba Li Li m f s f r s f s f s Thay 0 1 f r i và các phương trình từ thông