Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng iii MC LC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học Li cam đoan i Li cm ơn ii Mc Lc iii Tóm tắt luận văn viii Danh sách các hình ix Danh sách các ký hiệu sử dng trong luận văn xi Phần m đầu xv Chơng 1.Tổng quan năng lợng gió 1 1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới 1 1.1.1.Giới thiệu chung tình hình năng lợng hiện nay 1 1.1.2. Tình hình phát triển năng lợng tái tạo 1 1.2. Kết qu nghiên cu ngoài nớc và trong nớc 4 1.2.1. Những nghiên cu ngoài nớc 4 1.2.2. Kết qu nghiên cu trong nớc 5 1.3. Mc tiêu và nhiệm v nghiên cu 6 1.4. Phạm vi nghiên cu 6 1.5. Phơng pháp nghiên cu 6 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng iv Chơng 2. Cơ s lý thuyết 7 2.1. Cu tạo turbine gió 7 2.1.1. Các loại turbine gió 7 2.1.2. Cu tạo hệ thống máy phát điện gió 8 2.1.3. Các dạng tháp 9 2.1.4. Cánh quạt và trc cánh quạt 10 2.1.5. Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hớng turbine 11 2.1.6. Hệ thống hãm 12 2.1.7. Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt 12 2.1.8. Vỏ turbine 13 2.2. Mô hình và nguyên lý vận hành ca turbine gió 14 2.2.1. Mô hình điều khiển ca turbine gió nguồn kép DFIG 14 2.2.2. Nguyên lý làm việc cơ bn ca turbine gió 14 2.3. Phơng pháp điều khiển và các mô hình hệ thống turbine gió…. . 16 2.3.1. Phơng pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định 16 2.3.2. Phơng pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ 17 2.3.3. Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 19 2.3.4. Phơng pháp nối lới cho hệ thống máy phát điện gió 20 2.4. Điều khiển m 20 2.4.1. Cu trúc điều khiển logic m 20 2.4.2. Phân loại bộ điều khiển m 21 2.4.3. Các bớc tổng hợp bộ điều khiển m 22 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng v Chơng 3. Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép 25 3.1. Mô hình khối turbine gió 25 3.2. Biểu diễn các đại lợng pha sang đại lợng vector trong không gian 27 3.3. Quan hệ giữa hệ trc tọa độ tĩnh α-β và hệ trc tọa độ quay d-q 29 3.4. Quan hệ giữa hệ trc tọa độ quay abc và hệ trc tọa độ quay d-q. 30 3.5. Mô hình toán ca máy phát điện (DFIG) trong hệ trc tọa độ tĩnh α-β 30 3.6. Mô hình toán ca máy phát điện (DFIG) trong hệ trc tọa độ quay d-q 33 3.7. Điều khiển công sut tác dng và công sut phn kháng máy phát DFIG 36 3.7.1. Cơ s lý thuyết ca việc điều khiển 36 3.7.2. Điều khiển độc lập công sut tác dng và công sut phn kháng 37 3.8. Mô hình bộ chuyển đổi 40 3.8.1. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía lới (GSC). 40 3.8.2. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía rotor (RSC). 43 3.9. Các đại lợng cơ bn 47 Chơng 4. Thiết kế bộ PID m điều khiển máy phát không đồng bộ 49 4.1. Giới thiệu bộ PID kinh điển 49 4.2. Trình tự thiết kế bộ điều khiển PID m 50 4.3. So sánh kết qu mô phỏng bộ điều khiển PID m khối. 56 Chơng 5. Mô hình và kết qu mô phỏng dùng bộ PID m điều khiển 58 5.1. Mô hình điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG 58 5.1.1. Sơ đồ mô hình mô phỏng trong Matlab/simulink 60 5.1.2. Mô hình hệ thống khối Wind turbine và Generator&Converters 61 5.1.3. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lới 61 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng vi 5.1.4. Mô hình tổng thể các khối điều khiển hệ thống máy phát DFIG 63 5.1.5. Sơ đồ tổ máy phát và bộ chuyển đổi công sut 64 5.1.6. Mô hình mô phỏng khối điều khiển Wind DFIG - Grid và 65 5.1.7. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lới 65 5.1.8. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor 66 5.1.9. Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ 66 5.1.10. Mô hình mô phỏng khối Rotor ca máy phát 67 5.1.11. Khối biến đổi dòng điện và công sut phía lới 67 5.1.12. Khối bo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG 68 5.2. Trình tự mô phỏng 68 5.2.1. Mô phỏng turbine gió đáp ng với sự thay đổi vận tốc gió 68 5.2.2. Mô phỏng turbine gió đáp ng với sự thay đổi vận tốc gió nhiều . 73 5.2.3. Mô phỏng đáp ng turbine gió khi xy ra sự cố…………………… 78 5.2.3.1. Mô phỏng lới B25 (25kV) bị chạm đt một pha….……… 78 5.2.3.2. Mô phỏng lới B120 (25kV) khi bị st áp………………… 80 Chơng 6. Kết luận và hớng phát triển ca đề tài 82 6.1. Kết luận 82 6.1.1. Các kết qu đư đạt đợc trong đề tài 82 6.1.2. Hạn chế 82 6.2. Hớng phát triển ca đề tài 82 Tài liệu tham kho 84 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng vii Tóm tắt luận văn Trong những năm gần đây, năng lợng gió đư tr thành một trong những nguồn năng lợng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dng các nguồn năng lợng tái tạo. Sự phát triển ca khoa học và công nghệ phc v trong ngành công nghiệp năng lợng tái tạo trong đó có các turbine gió nguồn kép (DFIGΨ thay đổi tốc độ đợc sử dng nhiều hơn so với các turbine tốc độ gió cố định. Nội dung chính ca luận văn này là nghiên cu về việc điều khiển hệ thống phát điện ca tổ máy phát hòa lới thông qua bộ chuyển đổi. Do stator ca máy phát điện đợc kết nối trực tiếp vào lới điện và điện áp đợc cố định theo điện áp lới trong khi rotor đợc kết nối thông qua một công c chuyển đổi AC/DC/AC, nên mc tiêu điều khiển độc lập công sut tác dng và phn kháng phía stator ca máy phát DFIG đợc qui về điều khiển độc lập hai thành phần vector dòng điện stator trên hệ tọa độ tham chiếu d-q  chế độ xác lập. Việc điều khiển dòng công sut trao đổi giữa stator máy phát điện DFIG và lới điện đợc thực hiện bằng cách sử dng gii thuật điều khiển m để điều khiển độc lập hai thành phần ca vector dòng stator bằng cách tác động lên điện áp phía rotor thông qua bộ chuyển đổi AC/DC/AC. Kết qu cho thy khi sử dng các bộ PID m vào điều khiển thì đáp ng hệ thống bám rt tốt theo sự thay đổi ca tín hiệu đặt, điện áp V DC -link luôn giữ ổn định và luôn là hằng số. Mô hình đợc mô phỏng để nghiên cu dựa trên mô hình hiện có ca Matlab/Simulink phiên bn 2010a. HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng viii Abstract In recent years, wind energy has become one of the most important energy source and promising for the use of renewable energy sources. The development of science and technology for renewable energy industries including wind turbines dual source (DFIG) change the speed to be used more than the fixed speed wind turbines. The main content of this thesis is the study of the control system's power generating grid through the converter. Due to the stator of the generator is connected directly to the grid voltage and grid voltage fixed while the rotor is connected through a converter AC/DC/AC, so independent control objectives active and reactive power to the generator stator of DFIG is required of independent control of two vector components stator current on d-q reference coordinate system in the setting mode. The control power flow exchanged between the DFIG generator stator and the grid is made using fuzzy control algorithm to control two independent components of the stator current vector by acting on the rotor side voltage through the converter AC/DC/AC. The results showed that when using fuzzy PI and fuzzy PID control, the system response very good grip on the change of the signal, V DC - link voltage to keep stable and always constant. Model was been based simulation to study the existing model of Matlab/Simulink version 2010a. HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng ix DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 2.1: Các dạng turbine gió 7 Hình 2.2: Cu tạo turbine gió trc ngang 8 Hình 2.3: Cu tạo tháp tr 9 Hình 2.4: Tháp mắc cáo 10 Hình 2.5: Cánh quạt 10 Hình 2.6: Trc cánh quạt 11 Hình 2.7: Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt 11 Hình 2.8: Động cơ điều chỉnh hớng turbine 12 Hình 2.9: Hệ thống hãm turbine 12 Hình 2.10: Hộp số chuyển đổi tốc độ 13 Hình 2.11: Vỏ turbine 13 Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG 14 Hình 2.13: Mô hình máy phát không đồng bộ 16 Hình 2.14: Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện tr rotor 17 Hình 2.15: Đng đặc tính moment theo độ trợt s, thay đổi điện tr rotor 18 Hình 2.16: Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ 18 Hình 2.17: Mô hình turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát DFIG 19 Hình 2.18: Mô hình kết nối trạm điện gió vào lới điện 20 Hình 2.19: Các khối chc năng ca bộ điều khiển m cơ bn 21 Hình 2.20: Các bộ điều khiển m 22 Hình 2.21: Cu trúc tổng quát một hệ m 22 Hình 3.1: Đặc tính ca Cp(λ,βΨ 26 Hình 3.2: Nguyên lý vector trong không gian 27 Hình 3.3: Mối quan hệ giữa hệ trc tọa độ tĩnh α-β và hệ trc . 29 Hình 3.4: Sơ đồ đu dây ca hai bộ dây qun stator và rotor dạng Y-Y 30 Hình 3.5: Mạch tơng đơng máy phát điện DFIG trong hệ tọa độ quay d-q 35 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng x Hình 3.6: Mối quan hệ giữ các đại lợng trong hệ trc tọa độ α-β và d-q … 36 Hình 3.7: Gin đồ vector điện áp lới và vector từ thông stator 38 Hình 3.8: Cu trúc ca bộ chuyển đổi nguồn điện áp back-to-back 40 Hình 3.9: Sơ đồ mạch lọc tơng đơng ca bộ lọc RL 41 Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển GSC 42 Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiể GSC dùng PID m 42 Hình 3.12: Đng đặc tính V-I ca turbine 44 Hình 3.13: Bộ điều khiển dòng điện 45 Hình 3.14: Sơ đồ khối bộ điều khiển RSC 46 Hình 4.1: Câu tru  c bô ̣ điêu khiê ̉ n PID m kinh điển 49 Hình 4.2: Đặc tính động học ca bộ điều khiển PID 49 Hình 4.3: Bộ chỉnh định m tham số PID 51 Hình 4.4: Tập m ngõ vào ca bộ Kp m 51 Hình 4.5: Tập m ngõ vào ca bộ K I m 52 Hình 4.6: Tập m ngõ vào ca bộ K D m 52 Hình 4.7: Tập m ngõ ra ca bộ Kp m 53 Hình 4.8: Tập m ngõ ra ca bộ K I m 53 Hình 4.9: Tập m ngõ ra ca bộ K D m 54 Hình 4.10: Quy luật thay đổi K p 54 Hình 4.11: Quy luật thay đổi K I 55 Hình 4.12: Quy luật thay đổi K D 55 Hình 4.13: Sơ đồ điều khiển PI thông thng khối V dq _ctrl_grid_conv 56 Hình 4.14: Sơ đồ điều khiển PID m khối V dq _ctrl_grid_conv 56 Hình 4.15: Điện áp, dòng điện, công sut và điện áp Vdc-link khi 57 Hình 4.16: Điện áp, dòng điện, công sut và điện áp Vdc-link khi 57 Hình 5.1: Sơ đồ tổ máy phát điện turbine gió công sut 9MW. 60 Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió công sut 9MW 60 Hình 5.3: Mô hình khối Wind turbine và Generator&Converter. 61 Hình 5.4: Mô hình mô phỏng khối Wind turbine. 61 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng xi Hình 5.5: Đặc tính công sut theo tốc độ ca turbine. 62 Hình 5.6: Sơ đồ máy phát điện DFIG và bộ chuyển đổi công sut 63 Hình 5.7: Mô hình khối điều khiển Wind DFIG-Grid và Wind DFIG-Rotor. 64 Hình 5.8: Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lới. 65 Hình 5.9: Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor 65 Hình 5.10: Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ 66 Hình 5.11: Mô hình mô phỏng khối rotor máy phát không đồng bộ DFIG 66 Hình 5.12: Mô hình mô phỏng khối biến đổi dòng điện . 67 Hình 5.13: Khối bo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG 67 Hình 5.14: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch ca turbine 68 Hình 5.15: Điện áp, dòng điện, công sut tác dng, công sut phn kháng 69 Hình 5.16: Điện áp trung gian Vdc-link 70 Hình 5.17: Dạng sóng dòng điện id- rotor ca máy phát điện DFIG 70 Hình 5.18: Dạng sóng dòng điện iq- rotor ca máy phát điện DFIG 70 Hình 5.19: Dạng moment điện từ ca máy phát điện DFIG, 71 Hình 5.20: Điện áp trên các B120, B25, B575, công sut tác dng 71 Hình 5.21: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch ca turbine, 73 Hình 5.22: Điện áp, dòng điện, công sut tác dng, công sut phn kháng 73 Hình 5.23: Dạng sóng dòng điện id- rotor ca máy phát điện DFIG, 75 Hình 5.24: Dạng sóng dòng điện iq- rotor ca máy phát điện DFIG 75 Hình 5.25: Dạng moment điện từ ca máy phát điện DFIG, 75 Hình 5.26: Điện áp trên các bus B120, B25, B575, công sut tác dng 76 Hình 5.27: Điện áp và dòng ti trên B2300, tốc độ 77 Hình 5.28: Điện áp, dòng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xy ra sự cố.77 Hình 5.29: Điện áp, dòng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xy ra sự cố.79 Hình 5.30: Điện áp ti, dòng điện ti, tốc độ động cơ, công sut lới tại B25. . 80 Hình 5.31: Điện áp ti, dòng điện ti, tốc độ động cơ. 81 Hình 5.32: Điện áp ti, dòng điện ti, tốc độ động cơ. 81 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng xii DANH SÁCH KÝ HIU S DNG TRONG LUNăVĔN Ký hiu Chú gii ρ Mật độ không khí (kg/m 3 ) R Bán kính cánh quạt (m) v Vận tốc gió (m/s) C p (α,β) Hiệu sut cánh quạt turbine m P Công sut turbine (w) m T Moment cơ trc turbine (N.m) e T Moment điện từ máy phát (N.m) r  Vận tốc góc điện ca rotor (rad/s) rm  Vận tốc góc cơ máy phát [mach.rad/s] s  Vận tốc góc đồng bộ (elec.rad/s) k gear Tỉ số truyền J wtr Moment quán tính turbine.(Kg/m 2 ) a v Điện áp pha a (v) b v Điện áp pha b (v) c v Điện áp pha c (v) v  Điện áp trc α hệ quy chiếu αβ v  Điện áp trc β hệ quy chiếu αβ d v Điện áp trc d hệ quy chiếu quay dq q v Điện áp trc q hệ quy chiếu quay dq dr i Dòng điện rotor trc d hệ quy chiếu quay dq qr i Dòng điện rotor trc q hệ quy chiếu quay dq ds i Dòng điện stator trc d hệ quy chiếu quay dq [...]... gió kết nối với l ới điện - Trình bày các ph ơng trình chuyển đổi năng l ợng trong mô hình điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện - Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) - Xây dựng mô hình và mô phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống phong điện bằng các bộ PID m trong Matlab/Simulink... điện gió đồng bộ với DC – link converter Hệ thống có thể vận hành máy phát điện một tần số độc lập với tần số nguồn điện Thay đổi tần số máy phát điện làm thay đổi tốc độ máy phát điện Mô hình máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG Khi hệ thống đư hoà đồng bộ với l ới điện, dòng năng l ợng qua máy phát hoạt động hai chế độ - Khi turbine gió quay với tần số th p hơn tần số c a l ới điện Đây là... Hình 2.20 Các bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển m MIMO r t khó cài đặt thiết bị hợp thành Mặt khác, một bộ điều khiển m có m đầu ra dễ dàng cài đặt thành m bộ điều khiển m chỉ có một đầu ra vì vậy bộ điều khiển m MIMO chỉ có Ủ nghĩa về mặt lý thuyết, trong thực tế không dùng Theo b n ch t c a tín hiệu đ a vào bộ điều khiển ta phân ra bộ điều khiển m tĩnh và bộ điều khiển m động Bộ điều khiển m tĩnh chỉ... Phạm vi nghiên c u xoay quanh v n đề điều khiển cân bằng công su t P, Q và tần số để máy phát đạt hiệu su t tối đa đồng th i gi m sự m t ổn định khi hòa vào l ới - Xây dựng mô hình điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép kết nối với l ới điện, qua đó nhận xét, đánh giá các kết qu mô phỏng khi sử d ng hệ m để điều khiển hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) bằng phần mềm Matlab/Simulink... thì việc phát triển và sử d ng nguồn năng l ợng sạch, trong đó có điện gió là hết s c cần thiết Từ các u việt trên, tác gi đư lựa chọn đề tài Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện ’làm đề tài nghiên c u với mong muốn hiểu biết thêm về các ph ơng pháp vận hành và điều khiển truyền thống đến việc thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng các ph ơng pháp điều khiển thông... mea hoặc trên l ới điện , điện áp Vdc trên DC-link, dòng điện qua bộ lọc i mea , tốc độ f máy phát rmea và dòng điện rotor i rmea  Kênhăđi u khi n máy phát đi n ngu n kép DFIG Kênh điều khiển máy phát điện DFIG bao gồm điều khiển bộ biến đổi công su t phía rotor và điều khiển bộ biến đổi công su t phía l ới Điều khiển phía rotor: M c tiêu chính c a điều khiển phía rotor là điều khiển độc lập công... a turbine gió ngu n kép DFIG Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG 2.2.2 Nguyên lý làm vi căc ăb n c a turbine gió Hình 2.12 trình bày sơ đồ hệ thống điều khiển c a máy phát nguồn kép DFIG bao gồm các kênh sau:  Kênhăđi u khi n turbine Kênh điều khiển turbine gió với đáp ng động chậm hơn, điều khiển tốc độ và điều khiển công su t ngõ vào bao gồm c bộ phận điều chỉnh góc pitch... kênh điều khiển máy phát DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển bằng giá trị định m c Pnref , kênh điều khiển máy phát DFIG do đó ph i hiệu chỉnh tốc độ máy phát về một phạm vi định tr ớc.[6] 2.3 Ph ngăphápăđi u khi n và các mô hình h th ng turbine gió 2.3.1 Ph ngăphápăđi u khi n h th ng turbine gió c định Mô hình máy phát điện gió dùng máy điện không đồng bộ Hình 2.13 Mô hình máy phát không đồng bộ HVTH:... công su t ph n kháng c a máy phát DFIG với l ới chỉ thông qua stator Điện áp mối nối DC và công su t tác d ng đ ợc điều khiển gián tiếp bằng cách điều khiển dòng điện bộ chuyển đổi phía l ới.[6] Kênh điều khiển máy phát có ba tín hiệu vào điều khiển nh sau: - Giá trị điều khiển công su t tác d ng Psref , thông tin này đ ợc cung c p b i kênh điều khiển turbine gió - Giá trị điều khiển công su t ph n kháng... giới hạn Pnref , kênh điều khiển turbine sẽ giữ góc pitch trị số tối u và tạo ra giá trị điều khiển Psref cho kênh điều khiển máy phát DFIG nhằm đạt công su t tối đa, sau đó kênh điều khiển DFIG sẽ điều chỉnh tốc độ quay c a máy phát để giữ công su t đầu ra theo giá trị điều khiển đ ợc cung c p b i kênh điều khiển turbine Trong tr ng hợp tốc độ gió lớn hơn giá trị định m c, kênh điều khiển turbine sẽ ra . năng lợng trong mô hình điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện. - Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 13 Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG 14 Hình 2.13: Mô hình máy phát không đồng bộ 16 Hình 2.14: Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện tr rotor 17 Hình. 2.3.3. Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 19 2.3.4. Phơng pháp nối lới cho hệ thống máy phát điện gió 20 2.4. Điều khiển m 20 2.4.1. Cu trúc điều khiển logic m 20