Điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật điện

GVHD: TS. Nguyn Thanh Phương v HVTH: Đặng Ngọc Toàn MC LC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận ca cán bộ hướng dẫn LỦ lịch khoa học Li cam đoan i Li cm ơn ii Tóm tắt luận văn iii Mc lc v Danh sách kỦ hiu sử dng trong luận văn viii Danh sách các hình x Phần m đầu xiii Chngă1:ăTngăquan 1 1.1 Tổng quan chung về năng lưng gió hin nay 1 1.1.1 Tình hình phát triển năng lưng gió  một số nước 2 1.1.2 Nhu cầu sử dng năng lưng ca Vit Nam 5 1.1.3 Sự cần thiết phi phát triển đin gió  Vit Nam 6 1.1.4 Những kết qu nghiên cu trong nước 8 1.1.5 Những kết qu nghiên cu ngoài nước 8 1.2 Mc tiêu ca đề tài 9 1.3 Nhim v và giới hn ca đề tài 9 1.3.1 Nhim v ca đề tài 9 1.3.2 Giới hn đề tài 10 1.4 Phương pháp nghiên cu 10 Chngă2:ăCăSăLụăTHUYT 11 2.1. Cu to turbine gió 11 2.1.1. Các loi turbine gió 11 2.1.2. Cu to h thống máy phát đin gió 12 2.1.3. Các dng cột tháp turbine gió. 13 GVHD: TS. Nguyn Thanh Phương vi HVTH: Đặng Ngọc Toàn 2.1.4. Cánh qut và trc cánh qut 16 2.1.5. Động cơ điều chỉnh cánh qut và điều khiển hướng turbine 17 2.1.6. H thống hãm. 18 2.1.7. Hộp số chuyển đổi tốc độ và h thống điều khiển cánh qut 18 2.1.8. Võ turbine 19 2.2. Các thông số liên quan đến máy phát đin dùng trong turbine gió 19 2.2.1. Các thông số cơ bn máy đin không đồng bộ 19 2.2.2. Đặc tính cơ ca máy đin không đồng bộ 19 2.2.3. Các công thc cơ bn ca máy phát đin gió không đồng bộ 20 2.3. Mô hình và nguyên lỦ vận hành ca turbine gió 20 2.3.1. Mô hình ca turbine gió nguồn kép DFIG 20 2.3.2. Nguyên lỦ làm vic ca turbine gió 21 2.4. Phương pháp điều khiển và các mô hình h thống turbine gió 21 2.4.1. Phương pháp điều khiển h thống turbine gió cố định 21 2.4.2. Phương pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ 22 2.4.3 Phương pháp nối lưới cho h thống máy phát đin gió 24 Chngă3:ă XÂYăDNGăMỌăHÌNHăTOÁNăMÁYăPHÁTăKHỌNGăĐNGăBă NGUNăKÉPă(DFIG) 25 3.1 Mô hình khối turbine gió 25 3.2. Biểu din các đi lưng pha sang đi lưng vector trong không gian 27 3.3. Mô hình toán ca máy phát đin ( DFIG ) trong h trc tọa độ tĩnh α-β 29 3.4 Mô hình toán ca máy phát đin ( DFIG ) trong h trc tọa độ quay d-q 31 3.5. Điều khiển công sut DFIG 34 Chngă4:ăTHITăKăMỌăHÌNHăNIăVÀăBăLCăIMC 40 4.1 Thiết kế h thống điều khiển máy phát đin gió dùng mô hình nội 40 4.1.1 H thống điều khiển tuabin gió dùng DFIG 40 4.1.2 Thiết kế gii thuật điều khiển mô hình nội 42 4.1.3 Bng thông số ca máy phát 47 4.2 Sơ đồ mô phỏng 53 GVHD: TS. Nguyn Thanh Phương vii HVTH: Đặng Ngọc Toàn 4.3 Thiết kế bộ lọc IMC 54 4.4 Kho sát tính bền vững ca h thống 55 4.5 Kho sát nh hưng ca bộ lọc IMC 55 Chngă5:ăKTăQUăMỌăPHNG 56 5.1 Kết qu mô phỏng mô hình nội 56 5.2 Kho sát tính bền vững ca h thống 61 5.2.1 Tính bền vững ca h thống khi đin tr stato R s và đin tr rotor R r thay đổi 61 5.2.2 Tính bền vững ca h thống khi đin cm thay đổi 66 5.2.3 Tính bền vững ca h thống khi mômen thay đổi 73 5.2.4 nh hưng ca bộ lọc IMC 79 Chngă6:ăKTăLUN 85 6.1. Kết luận 85 6.1.1. Nội dung cơ bn đã thực hin 85 6.1.2. Hn chế 85 6.2. Hướng phát triển đề tài trong tương lai 85 TÀI LIU THAM KHO 87 PH LC 89 GVHD: TS. Nguyn Thanh Phương viii HVTH: Đặng Ngọc Toàn DANHăSÁCHăKụăHIUăSăDNGăTRONGăLUNăVĔN Kýăhiu Chúăgii Ρ Mật độ không khí (kg/m 3 ) R Bán kính cánh qut (m) V Vận tốc gió (m/s) C p (α,β) Hiu sut cánh qut turbine m P Công sut turbine (w) m T Moment cơ trc turbine (N.m) e T Moment đin từ máy phát (N.m) r  Vận tốc góc đin ca rotor (rad/s) s  Vận tốc góc đồng bộ (elec.rad/s) J Moment quán tính turbine.(Kg/m 2 ) a v Đin áp pha a (v) b v Đin áp pha b (v) c v Đin áp pha c (v) v  Đin áp trc α h quy chiếu αβ v  Đin áp trc β h quy chiếu αβ d v Đin áp trc d h quy chiếu quay dq q v Đin áp trc q h quy chiếu quay dq dr i Dòng đin rotor trc d h quy chiếu quay dq qr i Dòng đin rotor trc q h quy chiếu quay dq ds i Dòng đin stator trc d h quy chiếu quay dq qs i Dòng đin stotor trc q h quy chiếu quay dq r i  Dòng đin rotor trc α h quy chiếu αβ GVHD: TS. Nguyn Thanh Phương ix HVTH: Đặng Ngọc Toàn r i  Dòng đin rotor trc β h quy chiếu αβ s i  Dòng đin stator trc α h quy chiếu αβ s i  Dòng đin stator trc β h quy chiếu αβ s R Đin tr stator (Ω) r L Đin cm dây qun rotor qui về phía stator (H) s L Đin cm dây qun stator (H) ls L Đin cm rò dây qun stator (H) lr L Đin cm rò dây qun rotor (H) m L Đin cm từ hóa (H) / rs NN Tỷ số vòng dây qun dr  Từ thông rotor trc d h quy chiếu dq (Wb) ds  Từ thông stator trc d h quy chiếu dq (Wb) qr  Từ thông rotor trc q h quy chiếu dq (Wb) qs  Từ thông stator trc q h quy chiếu dq (Wb) s P Công sut tác dng đầu cực stator (W) s Q Công sut phn kháng đầu cực stator (Var) n P Công sut định mc (W) n f Tần số định mc (Hz) n V Đin áp định mc (V) P Số đôi cực từ Λ Tip-speed-ratio Β Góc pitch (deg) Chỉăsătrên e, s H trc tọa độ quay đồng bộ dq và h trc αβ ref, * Giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt GVHD: TS. Nguyn Thanh Phương x HVTH: Đặng Ngọc Toàn DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Sự tăng trưng ca thị trưng năng lưng gió toàn cầu .1 Hình 2.1 Các dng turbine gió 11 Hình 2.2 Cu to turbine gió trc ngang 12 Hình 2.3 Cột thép hình ống 14 Hình 2.4 Cột tháp khung giàn 14 Hình 2.5 Cột tháp dng dây nối đt 15 Hình 2.6 Cu to tháp tr 15 Hình 2.7 Cánh qut 16 Hình 2.8 Trc cánh qut 16 Hình 2.9 Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh qut 17 Hình 2.10 Động cơ điều chỉnh hướng turbine 17 Hình 2.11 H thống hãm turbine 18 Hình 2.12 Hộp số chuyển đổi tốc độ 18 Hình 2.13 Võ turbine 19 Hình 2.14 Đặt tính moment quay ca máy đin không đồng bộ 20 Hình 2.15 Sơ đồ kết nối h thống máy phát điều khiển nguồn kép DFIG 20 Hình 2.16 Mô hình máy phát không đồng bộ 21 Hình 2.17 Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển đin tr rotor 22 Hình 2.18 Đưng đặc tính moment theo độ trưt s, thay đổi đin tr rotor .22 Hình 2.19 Mô hình máy phát đin gió có điều khiển tốc độ 23 Hình 2.20 Mô hình máy phát đin gió có điều khiển tốc độ 23 Hình 2.21 Mô hình kết nối trm đin gió vào lưới đin. 24 Hình 3.1: Đặc tính ca Cp(λ,β) 26 Hình 3.2 Nguyên lý vector trong không gian 27 Hình 3.3 Sơ đồ đu dây ca hai bộ dây qun stator và rotor dng Y-Y 29 Hình 3.4 Trc ca dây qun stator và rotor trong h trc dq 32 Hình3.5 Mch đin tương đương mô hình động cơ DFIG trong h trc tọa độ tham chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ 33 GVHD: TS. Nguyn Thanh Phương xi HVTH: Đặng Ngọc Toàn Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển dòng công sut trao đổi giữa stator DFIG và lưới đin . 35 Hình 3.7 Định hướng h trc tọa độ dq theo véctơ đin áp lưới 35 Hình 3.8 Gin đồ véctơ đin áp lưới và véctơ từ thông stator  xác lập khi bỏ qua đin tr stator 36 Hình 3.9 Gin đồ véctơ dòng, áp và từ thông ca DFIG 37 Hình 3.10 Giá trị tham chiếu điều khiển i stator đưc tính từ công sut đặt 39 Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển tổng thể tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG 40 Hình 4.2: H thống điều khiển dùng mô hình nội 43 Hình 4.3: H thống điều khiển mô hình nội áp dng cho máy phát đin DFIG 43 Hình 4.4: Khối mô hình máy phát đin DFIG 48 Hình 4.5: Khối tính công sut P s và Q s 48 Hình 4.6: Sơ đồ simulink ca mô hình thuận 49 Hình 4.7: Sơ đồ simulink ca mô hình ngưc 51 Hình 4.8: Sơ đồ simulink ca bộ lọc IMC 52 Hình 4.9: H thống điều khiển dùng mô hình nội 53 Hình 4.10: Khối tín hiu đặt idqs_ref 53 Hình 4.11: Khối bộ điều khiển IMC 54 Hình 4.12: Khối so sánh idqs_ref và idqs 54 Hình 4.13: Sơ đồ simulink ca bộ lọc IMC cổ điển 55 Hình 5.1: H thống điều khiển dùng mô hình nội 56 Hình 5.2: Khối bộ điều khiển IMC 56 Hình 5.3 : Tín hiu đặt i dqs-ref 57 Hình 5.4 a Đáp ng dòng i sd-ref và i ds _ 58 Hình 5.4b Đáp ng dòng i qs-ref và i qs 58 Hình 5.4c: Công sut P s và Q s ca h thống 59 Hình 5.4d: Từ thông rotor Ψ dr và Ψ qr 60 Hình 5.5a Đáp ng dòng i ds-ref và i ds 61 Hình 5.5b Đáp ng dòng i qs-ref và i qs 62 Hình 5.5c: Công sut P s và Q s ca h thống 62 Hình 5.5d: Từ thông rotor Ψ dr và Ψ qr 63 GVHD: TS. Nguyn Thanh Phương xii HVTH: Đặng Ngọc Toàn Hình 5.6a Đáp ng dòng i ds-ref và i ds 64 Hình 5.6b Đáp ng dòng i qs-ref và i qs 64 Hình 5.6c: Công sut P s và Q s ca h thống 65 Hình 5.6d: Từ thông rotor Ψ dr và Ψ qr 66 Hình 5.7a Đáp ng dòng i ds-ref và i ds 67 Hình 5.7b Đáp ng dòng i qs-ref và i qs 67 Hình 5.7c: Công sut P s và Q s ca h thống 68 Hình 5.7d: Từ thông rotor Ψ dr và Ψ qr 69 Hình 5.8a Đáp ng dòng i ds-ref và i ds 70 Hình 5.8b Đáp ng dòng i qs-ref và i qs 70 Hình 5.8c: Công sut P s và Q s ca h thống 71 Hình 5.8d: Từ thông rotor Ψ dr và Ψ qr 72 Hình 5.9a Đáp ng dòng i ds-ref và i ds 73 Hình 5.9b Đáp ng dòng i qs-ref và i qs 73 Hình 5.9c: Công sut P s và Q s ca h thống 74 Hình 5.9d: Từ thông rotor Ψ dr và Ψ qr 75 Hình 5.10a Đáp ng dòng i ds-ref và i ds 76 Hình 5.10b Đáp ng dòng i qs-ref và i qs 76 Hình 5.10c: Công sut P s và Q s ca h thống 77 Hình 5.10d: Từ thông rotor Ψ dr và Ψ qr 78 Hình 5.11a Đáp ng dòng i ds-ref và i ds 79 Hình 5.11b Đáp ng dòng i qs-ref và i qs 79 Hình 5.11c: Công sut P s và Q s ca h thống 80 Hình 5.11d: Từ thông rotor Ψ dr và Ψ qr 81 Hình 5.12a Đáp ng dòng i ds-ref và i ds 81 Hình 5.12b Đáp ng dòng i qs-ref và i qs 82 Hình 5.12c: Công sut P s và Q s ca h thống 83 Hình 5.12d: Từ thông rotor Ψ dr và Ψ qr 84 GVHD: TS. Nguyn Thanh Phương xiii HVTH: Đặng Ngọc Toàn PHNăMăĐU Trong những năm gần đây, năng lưng gió đã tr thành một trong những nguồn năng lưng quan trọng và đầy triển vọng đối với vic sử dng các nguồn năng lưng tái to. Trong nhiều sự lựa chọn để sn xut đin, nhiều nước đang hướng đến sử dng nguồn năng lưng tái to và hn chế ph thuộc vào nguồn năng lưng truyền thống đang dần cn kit và nh hưng môi trưng. Trong các loi hình năng lưng tái to, năng lưng gió đưc chú trọng đặc bit bi các đặc điểm ưu vit sau: - Đin gió có giá thành thp, thp nht trong các nguồn năng lưng tái to. Nếu xem xét c chi phí môi trưng, xã hội và sc khỏe con ngưi vào giá thành thì đin gió có thể cnh trnh với đin đưc sn xut từ nguồn nhiên liu hoá thch. - Đin gió tiết kim tài nguyên đt, do phần lớn din tích đt trong nhà máy phong đin vẫn có thể đưc sử dng cho các mc đích khác. - Tài nguyên năng lưng gió tương đối phong phú, đặc bit  các vùng ven biển và các vùng đt trống, do vậy có thể phát triển  qui mô lớn. - Thi gian xây dựng dự án đin gió ngắn hơn nhiều so với thi gian xây dựng các dự án đin truyền thống như đin ht nhân hay nhit đin.  Vit Nam, dù đưc đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lưng gió vẫn còn là một ngành mới mẻ. Mọi th thuộc ngành này đều  bước khi đầu. Các văn bn pháp lỦ cho phát triển đin gió, các thông tin, kiến thc về ngành cũng còn  mc rt hn chế. Tuy nhiên, đng trước nhu cầu sử dng đin ngày càng cao, cũng như phi đối mặt với vn đề an ninh năng lưng và môi trưng thì vic phát triển và sử dng nguồn năng lưng sch, trong đó có đin gió là hết sc cần thiết . Từ các ưu vit trên, tác gi đã lựa chọn đề tài “Điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG’’làm đề tài nghiên cu với mong muốn hiểu biết thêm về các phương pháp vận hành và điều khiển. Vic thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng các phương pháp điều khiển thông minh hin nay như dùng mô hình nội, fuzzy logic Tổng quan GVHD: TS. Nguyn Thanh Phương 1 HVTH: Đặng Ngọc Toàn Chngă1: TNGăQUAN 1.1ăăTngăquanăchungăvề nĕngălngăgió hinănay Năng lưng là một trong các điều kin thiết yếu trong đi sống con ngưi và là một yếu tố đầu vào không thể thiếu đưc ca mọi hot động kinh tế, xã hội. Do nhu cầu sử dng năng lưng ngày càng cao, trong khi các nguồn năng lưng truyền thống như than, dầu, khí đang dần ngày càng cn kit. Mặt khác, khi dùng chúng để phát đin sẽ phát thi khí nhiều vào khí quyển gây ra hiu ng nhà kính, gây biến đổi khí hậu toàn cầu. Xy ra thiên tai trên toàn thể giới ngày càng trầm trọng [1]. Do vậy các nguồn năng lưng tái to hin đang đưc các nước quan tâm rộng rãi. Tổng công sut phong năng toàn cầu trong năm 2012 tăng 19%. Như vậy, các công ngh năng lưng gió cho thy tốc độ tăng trưng chưa từng có và có thể tr thành nguồn cung cp đin năng ch yếu. Theo một nghiên cu ca Hội đồng Năng lưng gió toàn cầu (Global Wind Energy Council, viết tắt GWEC) sự tăng trưng nhanh chóng ca năng lưng gió đưc thy hầu như  khắp nơi trên thế giới. Thống kê cho thy thị trưng đang tiếp tc m rộng vào năm 2012, tổng công sut ca tt c các tuabin gió đã tăng 19% lên 282.000 MW [17]. Hình 1.1 Sự tăng trưởng của thị trường năng lượng gió toàn cầu. [...]... các phần tử điều khiển máy phát đi n gió dùng DFIG - Thiết kế h thống điều khiển công su t máy phát đi n gió dùng mô hình nội bằng phần mềm matlab và thiết kế bộ lọc imc - Dùng Matlab Simulink để mô phỏng, phân tích kết qu h thống điều khiển máy phát đi n gió dùng DFIG 1.3ăNhi măv ăvƠăgi iăh năcủaăđềătƠi 1.3.1ăNhi măv ăcủaăđềătƠi - Tìm hiểu các d ng mô hình c a máy phát đi n gió kết nối với lưới đi... - Nhà máy đi n gió t i B c Liêu giai đo n 1 có 10 tổ máy với công su t 19MW đã kết nối vào lưới đi n quốc gia tháng 5/2012 - Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát đi n gió sử d ng máy phát đi n c m ng nguồn kép DFIG – PGS.TS Lại Khắc Lãi – Tạp chí khoa học công nghệ - Đại học thái nguyên số 10 - Điều khiển máy đi n dị bộ nguồn kép trong h thống phát đi n ch y bằng s c gió với bộ điều khiển dòng... trong mô hình điều khiển máy phát đi n gió DFIG - Xây dựng mô hình nội, bộ lọc imc điều khiển máy phát đi n gió DFIG bằng Matlab/Simulink - Tổng h p, nhận xét, đánh giá kết qu mô phỏng và đưa ra hướng nghiên c u trong tương lai GVHD: TS Nguy n Thanh Phương 9 HVTH: Đặng Ngọc Toàn Tổng quan 1.3.2ăăGi iăh năđềătƠi - Nội dung nghiên c u xoay quanh v n đề điều khiển độc lập công su t P,Q để máy phát đ t hi... nội điều khiển máy phát đi n gió dùng DFIG bám các điểm vận hành tối ưu c a tuabin nhằm đ t công su t thực cực đ i, qua đó nhận xét, đánh giá các kết qu mô phỏng khi sử d ng mô hình nội để điều khiển h thống máy phát đi n gió DFIG bằng phần mềm Matlab /Simulink 1.4ăăPh ngăphápănghiênăcứu: - Sử d ng phương pháp mô hình nội, và bộ lọc imc phân tích, nhận xét các kết qu cần nghiên c u c a h thống điều khiển. .. qua máy phát ho t động hai chế độ Khi turbine gió quay với tần số th p hơn tần số c a lưới đi n Đây là chế độ làm vi c dưới đồng bộ máy đi n l y năng lư ng từ lưới qua stator Khi turbine gió quay ng với tần số cao hơn tần số c a lưới đi n Đây là chế độ làm vi c trên đồng bộ máy đi n đưa năng lư ng đến lưới qua rotor Hình 2.19 Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ Hình 2.20 Mô hình máy phát điện. .. synchronous) máy đi n l y năng lư ng từ lưới qua stator - Khi gió thổi vào cánh turbine quay ng với tần số cao hơn tần số c a lưới đi n Đây là chế độ làm vi c quá đồng bộ (super – synchronous) máy đi n đưa năng lư ng đến lưới qua rotor 2.4.ăPh ngăpháp điều khiển vƠăcácămôăhìnhăh ăth ngăturbine gió 2.4.1.ăPh ngăpháp điều khiển h ăth ngăturbine gió c ăđ nh Mô hình máy phát đi n gió dùng máy đi n không... moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor GVHD: TS Nguy n Thanh Phương 22 HVTH: Đặng Ngọc Toàn Cơ sở lý thuyết Mô hình máy phát đi n gió đồng bộ với DC – link converter H thống có thể vận hành máy phát đi n một tần số độc lập với tần số nguồn đi n Thay đổi tần số máy phát đi n làm thay đổi tốc độ máy phát đi n[12][13] Mô hình máy phát đi n gió không đồng bộ nguồn kép DFIG Khi h thống đã hoà đồng... năhƠnhăcủaăturbine gió 2.3.1.ăMôăhìnhăcủaăturbine gió ngu năkép DFIG Hình 2.15 Sơ đồ kết nối hệ thống máy phát điều khiển nguồn kép DFIG GVHD: TS Nguy n Thanh Phương 20 HVTH: Đặng Ngọc Toàn Cơ sở lý thuyết 2.3.2.ăNguyênălýălƠmăvi căcủaăturbine gió Năng lư ng gió thổi vào cánh turbine làm quay turbine Tr c turbine đư c nối với hộp số để tăng tỉ số truyền để ổn định cho rotor máy phát H thống điều khiển nhận... khiển nhận tín hi u tốc độ gió để thay đổi góc quay c a cánh qu t, sao cho nhận đư c năng lư ng gió qua cánh turbine là lớn nh t Vận tốc góc truyền từ hộp số vào máy phát đi n, vào h thống điều khiển để h thống điều khiển máy phát đưa công su t ngõ ra đ t giá trị danh định Khi h thống đã hoà đồng bộ với lưới đi n, dòng năng lư ng qua máy phát ho t động hai chế độ: - Khi gió thổi vào cánh turbine quay... lo i tuabin gió tr c ngang là lo i phổ biến có 2 hay 3 cánh qu t Tuabin gió 3 cánh qu t ho t động theo chiều gió với bề mặt cánh qu t hướng về chiều gió đang thổi Ngày nay, tuabin gió 3 cánh qu t đư c sử d ng rộng rãi [22] Hình 2.1 Các dạng turbine gió GVHD: TS Nguy n Thanh Phương 11 HVTH: Đặng Ngọc Toàn Cơ sở lý thuyết 2.1.2.ăC uăt oăh th ng máy phát đi n gió C u t o một máy phát turbine gió tr c ngang . thống điều khiển máy phát đin gió dùng mô hình nội 40 4.1.1 H thống điều khiển tuabin gió dùng DFIG 40 4.1.2 Thiết kế gii thuật điều khiển mô hình nội 42 4.1.3 Bng thông số ca máy phát. các phần tử điều khiển máy phát đin gió dùng DFIG. - Thiết kế h thống điều khiển công sut máy phát đin gió dùng mô hình nội bằng phần mềm matlab và thiết kế bộ lọc imc. - Dùng Matlab. máy đin không đồng bộ 20 Hình 2.15 Sơ đồ kết nối h thống máy phát điều khiển nguồn kép DFIG 20 Hình 2.16 Mô hình máy phát không đồng bộ 21 Hình 2.17 Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển