tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

1 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan -4Lời cảm ơn -5Danh mục ký hiệu chữ viết tắt -6Danh mục hình vẽ đồ thị -8MỞ ĐẦU -91 Tính cấp thiết đề tài -92 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn -93 Đối tượng mục đích nghiên cứu -104 Kết cấu luận văn -10CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC -111.1 Tổng quan -111.1.1 Đặt vấn đề -111.1.2 Năng lượng gió -111.1.3 Vài nét trạm phong điện -111.2 Máy phát điện sức gió (Phong điện) -111.2.1 Hệ thống nối lưới nguồn lượng gió -111.2.2 Cấu tạo tuabin phong điện .-121.2.3 Nguyên lý làm việc phong điện .-121.3 Khái quát hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) -121.3.1 Một số hệ thống máy phát điện sức gió thơng dụng -121.3.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện DFIG -12CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP .-13Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi 2.1 Máy điện cảm ứng nguồn kép -132.1.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc máy phát điện .-132.1.2 Sơ đồ mạch điện tương đương DFIG .-132.1.3 Công suất DFIG -132.1.4 Véctơ không gian -132.1.5 Công suất tác dụng công suất phản kháng véctơ không gian -132.2 Mô tả toán học hệ thống DFIG -132.2.1 Mơ tả tốn học máy điện DFIG -142.2.2 Mơ tả tốn học lọc phía lưới -142.2.3 Mơ tả tốn học DC – Link -142.2.4 Mơ tả tốn học Grid Side Converter (GSC) 142.2.5 Mơ tả tốn học Machine Side Converter (MSC) -142.3 Từ trường hệ thống DFIG .-142.3.1 Từ trường stato -142.3.2 Từ trường lưới .-142.4 Kết luận chương .-14CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -153.1 Tìm hiểu số phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió -443.1.1 Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng kích thích vĩnh cửu -153.1.2 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng -153.2 Lý thuyết điều khiển PID .-153.2.1 Đặt vấn đề -153.2.2 Lý thuyết điều khiển PID -15- Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi 3.2.3 Các phương pháp tổng hợp điều khiển PID 153.2.4 Các hạn chế điều khiển PID -153.2.5 Ký hiệu thay dạng PID -153.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng DFIG -153.3.1 Thiết kế điều khiển phía máy phát (MSC) -163.3.2 Thiết kế điều khiển phía lưới (GSC) .-183.4 Kết luận chương .-20CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB – SIMULINK – PLECS VÀ KẾT LUẬN -214.1 Giới thiệu công cụ Matlab – Simulink – Plecs -214.2 Mơ hệ thống máy phát điện sức gió DFIG sử dụng công cụ Matlab – Simulink – Plecs .-214.2.1 Các tham số dùng cho mô -214.2.2 Xây dựng sơ đồ mô toàn hệ thống .-214.2.3 Xây dựng khối PLECS Circuit (DFIG) -234.2.4 Xây dựng khối điều khiển phía máy phát (MSC) -234.2.5 Xây dựng khối điều khiển phía lưới (GSC) 234.3 Kết mô -234.3.1 Khởi tạo q trình mơ .-234.3.2 Kết mô -254.4 Kết luận kiến nghị -28TÀI LIỆU THAM KHẢO -29- Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi LỜI CAM ĐOAN Tên là: Dương Quốc Hưng Sinh ngày 30 tháng năm 1983 Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hố - Trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế điều khiển hịa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Các số liệu, kết luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố cơng trình khác Nếu sai tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2011 Tác giả luận văn Dương Quốc Hưng Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi LỜI CẢM ƠN Sau thời nghiên cứu, làm việc khẩn trương, động viên, giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Thiết kế điều khiển hịa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Khoa đào tạo Sau đại học, thầy giáo, cô giáo Khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập q trình nghiên cứu thực luận văn Tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình người thân quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tác giả luận văn Dương Quốc Hưng Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: Us (stator voltage): Điện áp Stato Rs (stator resistance): Điện trở Stato Ur (rotor voltage): Điện áp Roto Rr ( rotor resistance): Điện trở Roto Is (stator current): Dòng điện Stato Rm (magnetizing resistance): Điện trở từ hố Ir (rotor current): Dịng điện Roto Lsλ (stator leakage inductance): Điện cảm Stato IRm (magnetizing resistance current): Dịng điện từ hố Lrλ (rotor leakage inductance): Điện cảm Roto Ψs (stator flux): Từ trường Stato ΨR (rotor flux): Từ trường Roto ω1 (stator frequency): Tần số dịng điện Stato Lm (magnetizing inductance): Điện cảm từ hố s (slip): Độ trượt LM: Điện cảm từ hoá Lσ ≈ Lsλ + Lrλ : Điện cảm khe hở np: Số đôi cực từ máy phát J: Mômen quán tính Ts: Mơmen trục máy phát ωr tần số góc Roto ω2 tần số trượt Tm: Mơmen khí Te: Mơmen điện từ Ps: Cơng suất tác dụng Stato Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Pr: Công suất tác dụng Roto Qs: Công suất phản kháng Stato Qr: Công suất phản kháng Roto Ploss: Tổn thất công suất Pmech: Công suất từ hoá urd , urq , usd , usq Các thành phần điện áp rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq ird , irq , isd , isq Các thành phần dòng rotor, stator thuộc ψ r ,ψ s Các thành phần véctor từ thông rotor, ψ sd ,ψ sq Các thành phần từ thông stator thuộc hệ hệ tọa độ dq stator tọa độ dq Chữ viết tắt NLG CL NL ĐCĐB - KTVC MĐKĐBNK MĐĐB - KTVC NLPL - NLDI NLMF - NLFDI PĐSG DFIG AVR GSC MSC ĐKCTĐ KĐB-RLS KĐB-RDQ ĐK MP G Năng lượng gió Chỉnh lưu Nghịch lưu Động đồng kích thích vĩnh cửu Máy điện không đồng nguồn kép Máy điện đồng kích thích vĩnh cửu Nghịch lưu phía lưới Nghịch lưu phía máy phát Phát điện sức gió Doubly-Fed Induction Generator Automatic Voltage Regulator Grid Side Converter Machine Side Converter điều khiển chuyển toạ độ trạng thái Không đồng Roto lồng sóc Khơng đồng Roto dây quấn Điều khiển Máy phát Grid Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Hình 1.1 Tên hình Hệ thống nối lưới nguồn lượng Trang 11 Mơ hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG 12 Sơ đồ mạch điện tương đương DFIG 25 Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG 14 Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển phía Roto 16 Hình 3.13 Bộ điều khiển cơng suất tác dụng 17 Hình 3.14 Hình 3.15 Bộ điều khiển cơng suất phản kháng Bộ điều khiển tốc độ 17 18 Hình 3.16 Mạch vịng điều khiển dịng điện phía lưới 18 Hình 3.17 Mạch vịng điều khiển điện áp DC – Link Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG Mơ hình mơ hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG Tốc độ máy phát, cơng suất phía Stato (Ps, Qs), phía Roto (Pr, Qr) cơng suất phát hệ thống (P,Q) Dịng điện Roto (Ir), dòng Stato (Is), điện áp Rotor (Ur) Vwind =12m→10.5m/s Dòng điện Idc, điện áp chiều Udc công suất chiều Pdc DC – Link Vwind =12m→10.5m/s 19 Hình 1.11 Hình 2.5 Hình 2.8 Hình 3.11 Hình 4.11 Hình 4.12 Hình 4.33 Hình 4.34 Hình 4.35 16 22 22 26 27 28 Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nguồn lượng dồi dào, có khả thay nguồn lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường Việc khai thác lượng có ý nghĩa quan trọng kinh tế, xã hội, an ninh lượng phát triển bền vững Trong năm gần có nhiều nghiên cứu nhằm sản xuất nguồn lượng sạch, chủ yếu dựa lượng mặt trời lượng gió [4], [10], [11], [12] Hệ thống máy phát điện sức gió lợi dụng gió để làm quay tuabin máy phát tạo điện ứng dụng nhiều thực tế Với tuabin gió tốc độ thay đổi có biến đổi nối trực tiếp stator lưới hệ thống cồng kềnh, tốn kém, biến đổi phải có cơng suất cơng suất tuabin Loại tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator), với Roto dây quấn Roto nối với lưới điện thông qua back-to-back converter Còn Stato DFIG nối trực tiếp với lưới điện, điều khiển DFIG thông qua điều khiển back-to-back converter phía Roto Vì điều khiển nằm phía Roto nên cơng suất thiết kế 1/3 công suất Stato, dẫn đến giá thành rẻ nhiều Việc nghiên cứu, xây dựng điều khiển để điều khiển dòng Rotor cho máy phát điện nguồn kép ý [10], [11] Đề tài đưa phương án: “Thiết kế điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn a Ý nghĩa khoa học Kết nghiên cứu đề tài góp phần bổ sung phương pháp điều khiển hòa lưới điện cho máy phát điện sức gió DFIG, sở hai vấn đề: Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 10 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi + Thiết kế điều khiển cho biến đổi phía Rotor (Rotor side converter) + Thiết kế điều khiển cho biến đổi phía lưới (Grid side converter) b Ý nghĩa thực tiễn Đề tài hoàn thành tài liệu quan trọng để thiết kế hồn chỉnh hệ thống lưới điện thơng minh (Smart Grid System) Đem lại hiệu to lớn việc khai thác sử dụng hiệu nguồn lượng Ứng dụng nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn lượng Đối tượng mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu nguồn lượng nói chung lượng gió nói riêng: Phương pháp sản xuất, sử dụng hòa lưới - Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG, phương trình thay mơ tả máy điện DFIG - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID - Nghiên cứu thiết điều khiển: Tổng hợp dịng, áp Đo cơng suất (P, Q) lưới, máy phát để đưa phương pháp điều khiển dịng kích từ Rotor máy phát DFIG, nhằm ổn định điện áp, tần số, công suất máy phát phát lượng lên lưới - Xây dựng mơ hình mơ hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG phần mềm MATLAB – SIMULINK – PLECS Kết cấu luận văn Luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu nước Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 14 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi 2.1.5 Công suất tác dụng công suất phản kháng véctơ khơng gian 2.2 MƠ TẢ TỐN HỌC HỆ THỐNG DFIG Hình 2.8 trình bày sơ đồ mạch điện thay hệ thống DFIG Như đề cập trước đó, hệ thống điều khiển gồm biến đổi điện áp Back – to – Back Converter nguồn chiều DC link Bộ Back – to – Back Converter gồm biến đổi phía lưới (gridside converter – GSC) biến đổi phía máy phát (machine-side converter - MSC) Hơn GSC lưới (Grid – G) có đặt lọc nhằm lọc bớt sóng hài bậc cao gây GSC DFIG isg iss Esg uss isf Rs Lσ RR usR LM Rf MSC isR ≈ = Lf usf ≈ = GSC Cdc Udc DC - Link Hình 2.8 Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG 2.2.1 Mơ tả tốn học máy điện DFIG 2.2.2 Mơ tả tốn học lọc phía lưới 2.2.3 Mơ tả tốn học DC – Link 2.2.4 Mơ tả tốn học Grid Side Converter (GSC) 2.2.5 Mơ tả toán học Machine Side Converter (MSC) 2.3 TỪ TRƯỜNG TRONG HỆ THỐNG DFIG 2.3.1 Từ trường Stato 2.3.2 Từ trường lưới Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 15 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương tập trung trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, sơ đồ mạch điện thay phương trình điện, từ máy phát điện DFIG Đồng thời mơ tả tốn học hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện cảm ứng DFIG hệ toạ độ không gian véc tơ Ý tưởng việc sử dụng véctơ không gian để mô tả máy điện cảm ứng hai pha, thay cho việc sử dụng pha Tác giả đưa sơ đồ khối hệ thống máy phát, sau mơ tả tốn học cho khối: Khối máy điện DFIG Bộ lọc phía lưới Bộ lưu điện áp chiều DC – Link Bộ biến đổi điện áp phía lưới Bộ biến đổi điện áp phía máy phát Trong chương tìm hiểu hình thành từ trường máy phát viết phương trình mơ tả từ trường phía Stato từ trường lưới Việc mơ tả tốn học hệ thống tiền đề cho việc xây dựng điều khiển hoà lưới điện sau Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG 3.1 TÌM HIỂU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 16 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi 3.1.1 Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng kích thích vĩnh cửu 3.1.2 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng 3.2 LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN PID 3.2.1 Đặt vấn đề 3.2.2 Lý thuyết điều khiển PID 3.2.3 Các phương pháp tổng hợp điều khiển PID 3.2.5 Ký hiệu thay dạng PID 3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG DFIG Sơ đồ Cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG trình bày hình 3.11 MSC Hộp bánh Udc GSC LƯớI ĐIệN Rf Lf Tua bin gió Máy phát DFIG ĐK dòng MF idq* ĐK dòng điện ĐK C.suất MF ĐK điện áp - + + v TÝnh to¸n C.suÊt MAX ng* TÝnh to¸n C.suÊt P,Q iq* Udc* P, Q* ĐK tốc độ Hỡnh 3.11 Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG 3.3.1 Thiết kế điều khiển phía máy phát (MSC) a Mạch vòng điều khiển dòng điện Sơ đồ cấu trúc vịng kín điều khiển dịng điện phía Roto hình 3.12 Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 17 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi DFIG E iref R Σ Kp + (-) u'R Ki p Σ E uR (-) Σ G(p) iR (-) Ra - jω2Lσ Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển phía Roto Hàm truyền từ u’R đến iR là: G(p) = pLσ + R R + R s + R a Các hệ số điều khiển PI là: ^ ^ ^ k p = α c L σ ; k i = α c (R R + R s + R a ) αc: Giải thơng vịng lặp kín hệ động lực học dòng điện; Ký hiệu “^” thông số ước lượng ^ ^ ^ R a = k R (α c L σ − R R − R s ) b Mạch vịng điều khiển cơng suất suất biểu diễn theo từ trường Stato sau: Ps = 3R s is + 3ω1 (ψsdisq − ψ sqi sd ) Qs = 3ω1 (ψ sdisd + ψ sq i sq ) Trong Ps Qs công suất tác dụng công suất phản kháng Stato P*ref Q*ref công suất tác dụng công suất phản kháng đặt (P*ref lấy từ đầu mạch vòng điều khiển tốc độ, Q*ref đặt 0) Tín hiệu mạch vịng điều khiển công suất i*rd i*rq trở thành tín hiệu đặt cho mạch vịng dịng điện Cấu trúc mạch vịng điều khiển cơng suất có dạng hình 3.13 3.14 Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 18 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Ps P*ref Qs (-) i*rd Kp Ki (-) Q*ref=0 i*rq Kp Ki 1/p 1/p Hình 3.13 – 3.14 Bộ điều khiển công suất tác dụng phản kháng c Mạch vòng điều khiển tốc độ (Speed Controller) Cấu trúc mạch vịng điều khiển tốc độ có dạng hình 3.15 Trong nMF tốc độ quay máy phát (đo trục Roto máy phát); n*ref tốc độ đặt mạch vòng điều khiển tốc độ (n* ref lấy từ đầu theo dõi công suất cực đại – “MPT” (Maximum Power Tracking) n*ref tính theo cơng thức: n*ref = 60λ opt n 2πR v Trong đó: λopt mơmen trục hộp bánh nối tuabin gió máy phát; v tốc độ gió; n tỉ số truyền bánh (Gearbox) nMF n*ref (-) P*ref Kp Ki 1/p Hình 3.15 Bộ điều khiển tốc độ 3.3.2 Thiết kế điều khiển phía lưới (GSC) a Mạch vòng điều khiển dòng điện Cấu trúc mạch vòng điều khiển dịng điện phía lưới cho hình 3.16 Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 19 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi E(p) i ref u'f F(p) Σ uf Σ G(p) Σ i (-) (-) R Hình 316 Mạch vịng điều khiển dịng điện phía lưới Hàm truyền mạch vịng trở thành: i (p) G1 (p) = f = u 'f (p) L f p + R f + R af ^ ^ Chọn: R = α Lf − R f hàm truyền hệ thống là: af f G Egif (p) = p Lf (p + αf )2 Cuối luật điều khiển cho mạch vịng điều khiển dịng điện phía lưới viết sau: ^  k  u f =  k pf + if ÷(i ref f − i f ) − (R af − jω1 Lf )i f p   Trong đó: ^ ^ ^ k pf = α f Lf ; k if = α f (R f + R af ) = α 2f L f ; ^ ^ R af = α f L f − R f b Mạch vòng điều khiển điện áp DC – Link Mạch vòng điều khiển điện áp DC – Link trình bày hình 3.17 Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 20 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Pr Wref F(p) Σ i'fq Σ ifq (-) 3Egq G'(p) (-) Σ (-) PCdc W Ga Hình 3.17 Mạch vịng điều khiển điện áp DC – Link truyền G’(p) có dạng: G ' (p) = −6E g W(p) = i fq (p) pCdc + 6E g G a 'ref (3.39) Chọn điều khiển PI ^ a a Cdc a ωG a F(p) = ω G −1 (p) = − ω − p 6E g,nom p Nếu chọn G PW (p) = ^ G a = a ω Cdc / (6E g,mom ) thì: −2p Cdc (p + 2a ωζp + a ωζ ) ^ Trong đó: ζ = E gq / E g,mom ; C dc = Cdc Với: E gq = E g,mom ; ζ = G PW (p) = −2a ωp Cdc (p + a ω ) 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung chương tập trung thiết kế điều khiển hoà lưới cho máy phát DFIG, bao gồm điều khiển dịng điện, điện áp, cơng suất, phía máy phát phía lưới Tuy nhiên trước tác giả có giới thiệu số sơ đồ cấu trúc điều khiển máy phát điện sức gió, tiêu biểu máy phát điện sức gió cơng suất nhỏ, sử dụng máy điện kích Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 21 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi thích vĩnh cửu Tác giả giới thiệu lý thuyết điều khiển kinh điển PID (đây lý thuyết điều khiển mà tác giả sử dụng để xây dựng điều khiển cho máy phát DFIG), phương diện: vai trò, cách thức chỉnh định thông số Kp, Ki, Kd phương pháp biểu diễn tốn học chúng, từ đưa nhận xét ưu, nhược điểm điều khiển kinh kiển Xuất phát từ sơ đồ khối hệ thống, nội dung chương tập trung thiết kế vòng điều khiển từ sử dụng lý thuyết kinh điển PI Bộ biến đổi phía máy phát: Điều khiển tốc độ máy phát để đạt công suất tối đa Hệ thống điều khiển phía máy phát dựa số mạch vịng điều khiển tốc độ, điều khiển cơng suất điều khiển dịng điện Bộ biến đổi phía lưới: Điều khiển điện áp chiều DC bus (Udc) Để làm điều cần thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp để dòng điện trục d (I *d) Dòng điện (I*d) trở thành đầu vào điều khiển dòng điện để điều khiển công suất tác dụng P Bộ biến đổi GSC sử dụng để điều khiển cơng suất phản kháng Q, cách sử dụng mạch vòng điều khiển dịng điện trục q (Id) Chương MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB – SIMULINK – PLECS VÀ KẾT LUẬN 4.1 GIỚI THIỆU CÔNG CỤ MATLAB – SIMULINK - PLECS 4.2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ DFIG SỬ DỤNG CƠNG CỤ MATLAB – SIMULINK – PLECS 4.2.1 Các tham số dùng cho mô Tham số máy phát: Công suất thiết kế: Pm = 1,5 MW Điện áp stator (pha-pha, hiệu dụng): Ul = 575V, 50Hz Số đôi cực: Zp = Điện trở stator: Rs = 0,0014 Ω Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp 22 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Điện trở rotor: Rr = 0,992 mΩ Điện cảm stator: Lsλ = 89,98 μH Điện cảm rotor: Lrλ = 82,09 μH Hỗ cảm stator rotor : Lm = 1,53 mH Mô men quán tính: J =5 kg.m2 Các tham số khác: Tỉ số truyền bánh Gearbox: n = 1:75,71 Mômen trục tuabin: λopt = kg.m2 Bán kính tuabin: R = 8m Điện cảm cuộn lọc: Lf = 0,0006H Điện trở cuộn lọc: Rf = 0,01 Ω Điện dung tụ điện mạch chiều trung gian: Cdc = 38 mF 4.2.2 Xây dựng sơ đồ mơ tồn hệ thống xuất phát từ sơ đồ Cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG trình bày hình 4.11 Ta xây dựng sơ đồ mơ cho hệ thống hình 4.12 MSC Hộp bánh Udc GSC LƯớI ĐIệN Rf Lf Tua bin gió Máy phát DFIG ĐK dòng MF idq* ĐK C.suất MF ĐK dòng điện iq* ĐK điện áp - + + v TÝnh to¸n C.suÊt MAX ng* TÝnh to¸n C.suất P,Q Udc* P, Q* ĐK tốc độ Hỡnh 4.11 Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 23 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HE THONG MAY PHAT DIEN SUC GIO SU DUNG MAY DIEN CAM UNG DFIG PGS.TS LAI KHAC LAI DUONG QUOC HUNG Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi DIEU KHIEN DIEN AP DIEU KHIEN DONG DIEN Vdc* 1200 Vdc Id* Udc dat Id* Iq*=0 Vdq* Iq ref Ir1 theta Vdq* PLL1 m1 theta Vdc 3phase m odul ati on Speed CAC BO DIEU KHIEN PHIA LUOI Stator PQ Rotor PQ LPF m1 Vdc T oc gio (m /s) Vw Vw' Sy s PQ CS HE T HONG Ir1 Vwind PLECS Circuit LPF CONG SUAT Irabc n(v /ph) Isabc P,Q Vrabc Ir2 DONG - AP M F m2 DONG - AP th r RRF->3ph DFIG Idc in Vdc LPF th r Pdc in th Ir th 50Hz LPF DONG-AP-CS CHIEU M OT CHIEU GOC CANH KHOI HIEN THI KET QUA PLL theta Ir2 Vr dq* Irq* Irq* S Ird* Ird* P* n(v /ph) P* n*(v /ph) di eu khien dong dien M F di eu khien cong suat M F dieu khien toc f(u) M PT CAC BO DIEU KHIEN PHIA MAY PHAT Hình 4.12 Mơ hình mơ hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG 4.2.3 Xây dựng khối PLECS Circuit (DFIG) 4.2.4 Xây dựng khối điều khiển phía máy phát (Machine Side Converter – MSC) 4.2.5 Xây dựng khối điều khiển phía lưới (Grid Slide Converter – GSC) 4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.3.1 Khởi tạo trình mơ Để bắt đầu q trình mơ Matlab – Simulink – Plecs Ta viết M-file khai báo thơng số cần thiết cho q trình đặt tên file “luanvanhung.m” M-file viết sau (chương trình áp dụng cho tốc độ gió 12m/s, áp dụng cho 10.5m/s ta sửa lại chương trình cách: Bỏ ký tự % dịng lệnh tốc độ gió 10.5m/s thêm ký tự % vào dịng lệnh tốc độ gió 12m/s): Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 24 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi clear all %Xoa bien Workspace load('Wind_turbine_model.mat'); %Lay bang du lieu cho khoi chuyen doi toc gio momen %Nhung dieu khien ban dau voi toc gio = 12 m/s load('Wind_speed_12'); %Bang vector cho toc gio 12m/s Vw1 = 12; %toc gio 12m/s Vw2 = 8; %toc gio 8m/s %Nhung dieu khien ban dau voi toc gio = 10.5 m/s %load('Wind_speed_10.5'); %Bang vector cho toc gio 10.5m/s %Vw1 = 10.5; %toc gio 10.5m/s %Vw2 = 8; %toc gio 8m/s %Cac thong so cho thoi gian mo phong Tstop = 1; %Thoi gian ket thuc mo phong Tswitch = 0.2; %Thoi gian toc gio chuyen doi tu 12m/s – 10.5m/s (hoac 10.5m/s-8m/s) %Cac thong so cho khoi banh rang (khoi MPT) TSR_opt = 8; %Momnen tren truc may phat R = 35; %Ban kinh tua bin gearbox = 75.7098; %He so truyen banh rang %Thong so luoi dien Vpp = 470; %Bien dien ap pha Ufmax =470=>Ud=(Ufmax/sqrt(2))*sqrt(3)=575V f=50; %Tan so luoi dien Vspk = 183; %Bien dien ap Rotor L = 0.6e-3; %Dien cam cuon loc phia luoi %Dien ap mot chieu dat Udc=1200;%Von %Cac thong so cua DFIG Rs=0.0014; %ohm Ls=8.998e-5; %H Rr=9.9187e-4; %ohm Lr=8.2088e-5; %H Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 25 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Lm=1.526e-3; %H J=5; %or 50 %kgm2 zp=2; N1=1; N2=1; u=1; %Thong so cua bo dieu khien dong dien Rotor kp_i = 0.00003; ki_i = 0.003; 4.3.2 Kết mô a Kết mô Các kết mô thực trường hợp tốc độ gió thay đổi nhảy bậc từ 12m/s xuống 10.5m/s từ 10.5m/s xuống 8m/s Với tốc độ gió 12m/s cơng suất phát cực đại máy phát đạt xấp xỉ 1,5MW (giá trị âm thể máy phát lượng lên lưới) Lúc tốc độ máy phát gần 2000v/ph Dòng điện điện áp Stato, Roto trình bày hình 4.34 Qs Dịng điện Stator phát lên lưới có dạng hình sin chuẩn, có biên độ tần số biến đổi tốc độ gió giảm đột ngột từ 12m/s xuống 10.5m/s Ps Biên độ cực đại điện áp Roto 183V (bằng giá trị đặt) Qs Ps Hình 4.33 Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH KỹStato (Ps, Qs), Phía Học viên: Tốc độ máy phát, cơng suất phía Thuật Cơng Nghiệp Roto (Pr, Qr) công suất phát hệ thống (P,Q) tốc độ gió chuyển từ 12m/s→10.5m/s 26 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Hình 4.34 Dịng điện Roto (Ir), dịng Stato (Is), điện áp Rotor (Ur) Vwind=12m→10.5m/s với thời gian mô 1s Điện áp chiều DC – Link có dạng hình 4.35 Điện áp chiều thực tế tụ C giá trị đặt (1200V) Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 27 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Hình 4.35 Dịng điện Idc, điện áp chiều Udc cơng suất chiều Pdc DC – Link Vwind =12m→10.5m/s 4.3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn nghiên cứu giải nội dung sau: Tìm hiểu hệ thống máy phát điện sức gió, bao gồm: Vai trị, tiềm năng lượng gió Cấu tạo nguyên lý làm việc tuabin phong điện Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Cơng Nghiệp 28 Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Tìm hiểu máy phát điện cảm ứng nguồn kép (Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phương trình sơ đồ thay máy điện) Tìm hiểu hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG, từ xây dụng mơ hình tốn học hệ thống Tìm hiểu điều khiển kinh điển PID Đây điều khiển mà tác giả sử dụng để thiết kế cho hệ thống Xây dựng điều khiển (bộ điều khiển từ thông máy phát, điều khiển phía lưới, điều khiển góc cánh) để lấy cơng suất cực đại từ gió hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát DFIG Tiến hành mô hệ thống phần mềm Matlab – Simulink - Plecs đưa kết mô Các kết mô thể cách trung thực, khẳng định tính đắn việc xây dựng điều khiển Cần nghiên cứu để tìm cách khắc phục sai lệch mơ hình cho kết nghiên cứu mơ hình tốn học mơ hình thực tế khác nhaukhơng nhiều để kết nghiên cứu với mơ hình tốn học áp dụng trực tiếp cho mơ hình thực tế Với kết nghiên cứu luận văn phát triển áp dụng cho hệ thống phát điện sức gió với tua bin kiểu trục ngang TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước (2002) Lý thuyết điều khiển tuyến tính Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Phùng Quang (1998) Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha (tái lần thứ 1) Nhà xuất Giáo dục [3] Nguyễn Thị Thắm, “Điều khiển tối ưu hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng với tuabin kiểu trục ngang”, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Tự động hoá, Trường ĐHKTCN, năm 2010 [4] ANDREAS PETERSSON, “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines”, THESIS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY, Division of Electric Power Engineering Department of Energy and Environment , CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Găoteborg, Sweden 2005 Hc viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp ... điều khiển để điều khiển dòng Rotor cho máy phát điện nguồn kép ý [10], [11] Đề tài đưa phương án: ? ?Thiết kế điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG? ??... đề cho việc xây dựng điều khiển hoà lưới điện sau Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG 3.1 TÌM HIỂU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT... hợp điều khiển PID 3.2.5 Ký hiệu thay dạng PID 3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG DFIG Sơ đồ Cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG