Nghiên cứu hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

v TÓM TT LUNăVĔN NGHIÊN CU H THNG TUABIN GIÓ SỬ DNGăMÁYăPHÁTăĐIN KHỌNGăĐNG B NGUN KÉP (DFIG) Đại học S phạm kỹ thuật TP. HCM – 11/2012 Năng lng gió là ngun năng lng tái to đáng tin cy và phát trin nhất. Sự đóng góp ca các nhƠ máy đin gió trong tng các nhƠ máy đin đc lắp đặc ngƠy cƠng tăng trên toƠn th gii. H thng tuabin gió sử dng máy phát đin không đng b ngun kép (DFIG) vi tc đ vƠ góc bc răng có th thay đi đc là h thng tuabin gió ph bin nhất trong ngành công nghip đin gió. H thng có kh năng vn hƠnh đc lp hoặc ni vi li. Nghiên cứu v h thng tuabin gió - DFIG thực sự cần thit đ ti u hóa quá trình sn xuất đin năng từ gió và dự đoán chính xác kt qu ca quá trình đó. Lun văn thực hin nghiên cứu v h thng tuabin gió ậ DFIG ni vi li trong môi trng Matlab/Simulink vi kh năng điu chnh đc lp công suất tác dng, công suất phn kháng và kh năng điu chnh đin áp ca h thng nh kh năng phát hoặc tiêu th công suất phn kháng. vi AN ABSTRACT OF A THESIS STUDY OF A DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR (DFIG) BASED WIND TURBINE SYSTEM University of Technical Education Ho Chi Minh City – 11/2012 Wind power is the most reliable and developed renewable energy source. The share of wind power with respect to total installed power capacity is increasing worldwide. The Doubly Fed Induction Generator (DFIG) based wind turbine with variable-speed variable-pitch control scheme is the most popular wind power generator in the wind power industry. This machine can be operated either in grid connected or standalone mode. A thorough understanding of the modeling, control, and dynamic as well as the steady state analysis of this machine in both operation modes is necessary to optimally extract the power from the wind and accurately predict its performance. In this thesis, a detailed electromechanical model of a DFIG-based wind turbine connected to power grid is developed in the Matlab/Simulink environment. It has ability to control reactive power and decouple control of active and reactive power by independently controlling the rotor excitation current. It has the capability for generating or absorbing reactive power and could be use to control the reactive power or the voltage at the grid terminals. vii MC LC Trang tựa Trang Quyt đnh giao đ tài Xác nhn ca GVHD Lý lch khoa hc i Li cam đoan iii Cm t iv Tóm tắt lun văn v Mc lc vii Danh sách các từ vit tắt xi Danh sách các hình v x Phần m đầu 1 Chng 1. TNG QUAN 3 1.1. Tng quan chung v h thng tuabin gió 3 1.1.1. Tuabin gió 3 1.1.2. Cấu to tuabin gió 4 1.1.3. Phm vi hot đng ca tuabin gió 6 1.1.4. Các loi máy phát đin tuabin gió 7 1.2. Các kt qu nghiên cứu trong vƠ ngoƠi nc đƣ công b 9 1.3. Mc đích nghiên cứu 11 1.4. Đi tng nghiên cứu 11 1.5. ụ nghĩa khoa hc vƠ thực tin ca đ tƠi 11 1.6. Nhim v nghiên cứu 12 1.7. Phng pháp nghiên cứu 12 1.8. Đ cng lun văn 12 Chng 2. C S LÝ THUYT 13 2.1. Chuyn đi giữa các h trc ta đ abc↔↔dq 13 2.1.1. Mô hình MĐKĐB trong h ta đ  14 2.1.2. H qui chiu quay đng b dq 15 viii 2.1.3. Mi quan h ca các đi lng trong h ta đ abc và h ta đ dq 16 2.2. Kỹ thut điu ch đ rng xung (PWM - Pulse Width Modulation) 16 2.2.1. B nghch lu 1 pha 17 2.2.2. B nghch lu 3 pha 18 2.3. B điu khin PI (Proportional Integral Controller) 19 Chng 3. H THNG TUABIN GIÓ ậ DFIG 22 3.1. Gii thiu chung 22 3.2. Các thƠnh phần chính ca h thng tuabin gió - DFIG 22 3.2.1. Máy phát đin không đng b ngun kép (DFIG) 23 3.2.1.1. Cấu to DFIG 23 3.2.1.2. Nguyên lý hot đng ca DFIG 23 3.2.1.3. Dòng công suất ca DFIG 26 3.2.1.4. Mô hình DFIG 28 3.2.2. B bin đi AC/DC/AC 31 3.2.2.1. B bin đi phía rotor (RSC) 32 3.2.2.2. B bin di phía li (GSC) 32 3.2.3. H truyn đng 32 3.2.4. Tuabin gió 35 3.2.5. H thng điu khin 36 3.2.6. H thng bo v 37 3.3. Phm vi hot đng 37 3.4. Các mô hình vn hƠnh h thng 38 3.4.1. Mô hình 1 - Dch chuyn đim công suất cực đi 38 3.4.2. Mô hình 2 - Điu khin góc bc răng 40 3.4.3. Mô hình 3 - Điu chnh công suất. 41 Chng 4. H THNG ĐIU KHIN TUABIN GIÓ - DFIG 42 4.1. Gii thiu chung 42 4.2. H thng điu khin b bin đi phía rotor (RSC) 42 4.3. H thng điu khin b bin đi phía phía li (GSC) 48 ix 4.4. B điu khin góc bc răng 50 Chng 5. MÔ PHNG H THNG TUABIN GIÓ ậ DFIG 52 5.1. Gii thiu chung 52 5.2. S đ mô phng h thng tuabin gió - DFIG ni vi li 52 5.2.1. S đ mô phng h thng tuabin gió - DFIG 54 5.2.2. S đ mô phng tuabin gió 55 5.2.3. S đ mô phng h thng điu khin tuabin gió - DFIG 56 5.2.4. S đ mô phng h thng điu khin RSC 57 5.2.5. S đ mô phng h thng điu khin GSC 58 5.2.6. H thng bo v tuabin gió - DFIG 59 5.2.7. S đ bin đi dữ liu phía tuabin gió 60 5.2.8. S đ bin đi dữ liu phía li 61 5.3. Kt qu mô phng 61 5.3.1. Đáp ứng ca h thng tuabin gió - DFIG khi tc đ gió thay đi 61 5.3.2. Khi li 120 kV b st áp 66 5.3.3. Khi li 120 kV b vt áp 70 5.3.4. Khi li 25 kV b sự c chm đất mt pha 74 Chng 6. KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN CA Đ TÀI 77 6.1. Kt lun 77 6.2. Hng phát trin ca đ tƠi trong tng lai 78 TÀI LIU THAM KHO 79 PH LC 81 x DANH SÁCH CÁC T VIT TT o DFIG (Doubly Fed Induction Generator) - Máy phát đin không đng b ngun kép. o AC ậ Dòng đin xoay chiu. o DC ậ Dòng đin xoay chiu. o BBĐ ậ B bin đi. o BĐK ậ B điu khin o MĐ KĐB - Máy đin không đng b. o PWM (Pulse Width Modulation) - Kỹ thut điu ch đ rng xung. o PI (Proportional Integral Controller) - B điu khin t l tích phân o RSC (Rotor Side Converter) - B bin đi phía rotor. o GSC (Grid Side Converter) - B bin đi phía li. o MPPT(Maximum Power Point Tracking) - Đng di chuyn đim công suất cực đi. xi DANH SÁCH CÁC HÌNH V Hình v Trang Hình 1.1. S đ khi ca các thành phần trong h thng tuabin gió ni vi li …1 Hình 1.2. Tuabin gió trc ngang (a) và tuabin gió trc đứng (b) ……………….…3 Hình 1.3. Các b phn chính ca h thng tuabin gió trc ngang…………….……5 Hình 1.4. Biu đ công suất ca tuabin gió có tc đ thay đi đc………….… 7 Hình 1.5. Tuabin gió có tc đ c đnh ……………………………………………7 Hình 1.6. Tuabin gió có tc đ thay đi có b bin đi ni trực tip vi li …….8 Hình 1.7. Tuabin gió có tc đ thay đi sử dng DFIG………………………… 9 Hình 2.1. S đ đấu dơy vƠ đin áp stator ca MĐKĐB ba pha………………….13 Hình 2.2. Vector không gian đin áp stator u s       trong h ta đ αβ…………….…14 Hình 2.3. H trc ta đ dq………………….……….……….……………… …15 Hình 2.4. Điu ch đ rng xung b nghch lu 1 pha…….…………………… 17 Hình 2.5. Điu ch đ rng xung b nghch lu 3 pha…….…………………… 18 Hình 2.6. B điu khin PI……………….……….……….………………….….20 Hình 3.1. Các thành phần chính ca h thng tuabin gió ậ DFIG……….…….…23 Hình 3.2. Sự tng tác giữa tc đ quay ca rotor vi tần s từ trng quay to bi dòng đin trong dây quấn rotor ca DFIG …………………………….25 Hình 3.3. Dòng công suất trong h thng tuabin gió - DFIG……………………26 Hình 3.4. Hng dòng công suất tác dng ca stator và rotor DFIG  các tc đ rotor khác nhau ….…………………………………………………… 28 Hình 3.5. S đ mch đin tng đng ca DFIG………………………… …29 Hình 3.6. B bin đi AC/DC/AC trong DFIG………………………………… 31 Hình 3.7. Mô hình h truyn đng hai khi (a) và mt khi (b)………………….33 Hình 3.8. Đng cong đặc tính tuabin gió C p = f(λ, β)………………………… 36 Hình 3.9. S đ khi điu khin h thng tuabin gió ậ DFIG……………………37 Hình 3.10. Công suất c đầu ra ca tuabin gió theo tc đ quay ca rotor……… 39 Hình 3.11. Góc bc răng thay đi theo tc đ gió……………………………….40 Hình 4.1. Đng đặc tính công suất ca tuabin gió ậ DFIG…………………… 43 xii Hình 4.2. Đặc tính V ậ I ca tuabin……………………………………………….45 Hình 4.3. B điu khin dòng đin … ……………………………….………… 47 Hình 4.4. S đ khi b điu khin RSC…………………………………………48 Hình 4.5. S đ mch đin tng đng ca b lc RL………………………….49 Hình 4.6. S đ khi b điu khin GSC………………………………….… …50 Hình 4.7. S đ khi b điu khin bc răng…………………………….… …51 Hình 5.1. S đ mô phng h thng tuabin gió ậ DFIG ni vi li……….… 53 Hình 5.2. S đ mô phng h thng tuabin gió ậ DFIG……………………….…54 Hình 5.3. S đ mô phng tuabin gió ………………………………………… 55 Hình 5.4. S đ mô phng h thng điu khin tuabin gió ậ DFIG…………… 56 Hình 5.5. S đ mô phng h thng điu khin RSC………………………….…57 Hình 5.6. S đ mô phng h thng điu khin GSC………………………….…58 Hình 5.7. H thng bo v h thng tuabin gió ậ DFIG………………………….59 Hình 5.8. S đ bin đi dữ liu phía tuabin gió……………………………… 60 Hình 5.9. S đ bin đi dữ liu phía li……………………………………….61 Hình 5.10. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi tc đ gió thay đi ứng vi mô hình điu chnh công suất phn kháng………………….…… … 62 Hình 5.11. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi tc đ gió thay đi ứng vi mô hình điu chnh đin áp………………………………………… 63 Hình 5.12. Đin áp li và ca nhà máy khi tc đ gió thay đi ứng vi mô hình điu chnh công suất phn kháng………………………………………65 Hình 5.13. Đin áp li và ca nhà máy khi tc đ gió thay đi ứng vi mô hình điu chnh đin áp………………………………………………………66 Hình 5.14. Đin áp li và nhà máy khi có st áp trên li 120kV vi mô hình điu chnh công suất phn kháng……………………………………… … 67 Hình 5.15. Đáp ứng ca h thng tuabin gió - DFIG khi có st áp trên li 120kV vi mô hình điu chnh công suất phn kháng……………………… 68 Hình 5.16. Đin áp li và nhà máy khi có st áp trên li 120kV vi mô hình điu chnh đin áp………………………………………………………… 69 xiii Hình 5.17. Đáp ứng ca h thng tuabin gió - DFIG khi có st áp trên li 120kV vi mô hình điu chnh đin áp……………………………………… 70 Hình 5.18. Đin áp li và nhà máy khi có vt áp trên li 120kV vi mô hình điu chnh công suất phn kháng……………………………………… ….71 Hình 5.19. Đáp ứng ca h thng tuabin gió - DFIG khi có vt áp trên li 120kV vi mô hình điu chnh công suất phn kháng…………………….… 72 Hình 5.20. Đin áp li và nhà máy khi có vt áp trên li 120kV vi mô hình điu chnh đin áp………………………………………………………… 73 Hình 5.21. Đáp ứng ca h thng tuabin gió - DFIG khi có vt áp trên li 120kV vi mô hình điu chnh đin áp……………………………………… 74 Hình 5.22. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi có sự c chm đất mt pha trên li 25kV vi mô hình điu chnh công suất phn kháng…….….75 Hình 5.23. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi có sự c chm đất mt pha trên li 25kV vi mô hình điu chnh đin áp……………………….76 Phần mở đầu 1 PHN M ĐU Ngành công nghip đin trên th gii ch yu dựa trên công ngh nhit đin và thy đin, đƣ mang đn cho nhân loi nn văn minh đin, nhng cũng đƣ bc l mặt trái ca nó đi vi môi trng trái đất. Năng lng hóa thch ngày càng cn kit và vic đt cháy nhiên liu gc hóa thch (than đá, dầu khí), đƣ tr thành ngun phát thi khí nhà kính ln nhất gây ra bin đi khí hu trên toàn cầu. Còn công ngh đin ht nhân li không an toàn và gây ra những him ha phóng x nh sự c n nhà máy đin ht nhân  Checnobn (1986), Fukishima (2010) vƠ đ li hu qu lâu dài cho môi trng. Vì vy, Th kỷ 21 vi chin lc phát trin bn vững trên toàn cầu, đặc bit là thi kỳ phát trin “kinh t xanh”, “năng lng xanh” đƣ bắt đầu chứng kin những công ngh sn xuất đin từ các ngun năng lng tái to vô tn trong tự nhiên hay luôn phát sinh cùng đi sng con ngi nh các ngun năng lng: mặt tri, gió, sinh khi, sóng bin, thy triu, đa nhit và nhit bin. Sử dng năng lng tái to s mang li nhiu li ích v sinh thái cũng nh lƠ li ích gián tip cho kinh t. So sánh vi các ngun năng lng khác, năng lng tái to có nhiu u đim hn vì tránh đc các hu qu có hi đn môi trng. Theo thng kê ca T chức Năng lng Quc t (IEA) thì năm 2004, tng công suất ca các ngun năng lng tái to trên toàn th gii là 160 GW (không k thy đin ln), chim 4% tng công suất các nhƠ máy đin trên toàn cầu, tng đng 1/5 tng công suất các nhƠ máy đin ht nhân trên th gii, trong đó các nc đang phát trin chim 44%, tức là 70 GW. Ph bin và có hiu qu nhất hin nay trên th gii là sử dng năng lng gió đ phát đin. Tuy nhiên, nó cũng đòi hi vn đầu t khá cao vƠ l thuc vào tự nhiên. Hin nhiu quc gia nh Đức, Trung Quc, Hà Lan, Tơy Ban Nha, Đan Mch, đang đi đầu trong lĩnh vực này. Theo thng kê, tng công suất đin gió đc lắp đặt trên toàn cầu năm 2007 lƠ 94.100 MW, đn tháng 3/2008 đt con s kỷ lc là 100.000MW. [...]... T c đ đ nh mức T c đ gi i h n cắt T c đ gió [m/s] Hình 1.4 Biểu đồ công suất của tuabin gió có tốc độ thay đổi đ ợc 1.1.4 Các lo i máy phát đi n tuabin gió Xét v t c đ quay c a tuabin gió thì ta có hai lo i: - Tuabin gió có t c đ c đ nh - Tuabin gió có t c đ thay đ i Tuabin gió có t c đ c đ nh (Fixed speed wind turbine) sử d ng máy phát không đ ng b hoặc máy phát đ ng b đ c n i trực ti p v i l i (xem... trong hệ thống tuabin gió nối với l ới 1.1.1 Tuabin gió Theo hình d ng và cấu t o bên ngoài, tuabin gió g m hai lo i là tuabin tr c ngang và tuabin tr c đứng (xem hình 1.2(a) và 1.2(b)) b) a) Hình 1.2 Tuabin gió trục ngang (a) và tuabin gió trục đứng (b) 3 Ch ơng 1 Tổng quan + Tuabin gió ki u tr c đứng có các cánh quay quanh m t tr c thẳng đứng Nó có u đi m là nh n gió từ m i h các thi t b máy phát. .. đ ng c a tuabin gió B đi u khi n sử d ng trong h th ng tuabin gió rất đa d ng nh đi u khi n b c răng, đi u khi n h đ ng máy phát ng gió hay đi u khi n dừng B đi u khi n s kh i t c đ gió kho ng 12 km/h đ n 22 km/h và dừng máy phát khi t c đ gió đ t 104 km/h b i vì các máy phát này có th phát nóng 5 Ch ơng 1 Tổng quan - Thi t b đo t c đ gió (Anemometer), đo t c đ gió và truy n dữ li u t c đ gió t i b... đó chi phi cho tuabin gió t c đ thay đ i l n h n so v i các tuabin có t c đ c đ nh Tuabin gió v i t c đ thay đ i có hai lo i: tuabin gió v i t c đ thay đ i có b bi n đ i n i trực ti p giữa stator vƠ l i và tuabin gió sử d ng máy phát đi n không đ ng b ngu n kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) Lo i tuabin gió v i t c đ thay đ i có b bi n đ i n i trực ti p giữa m ch stator c a máy phát vƠ l i (xem... a toàn tuabin Máy phát c tính toán v i công suất đơy có th lƠ máy phát không đ ng b rotor l ng sóc hoặc máy phát đ ng b Hình 1.6 Tuabin gió có tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp với l ới Ngày nay v i xu h ng ngày càng phát tri n vi c sử d ng ngu n năng l s ch tái t o từ gió, trên th gi i ng ng i ta đƣ ch t o các lo i tuabin gió v i công suất l n đ n trên 7 MW, n u dùng lo i tuabin gió t c... rotor máy phát, kéo rotor c a máy phát quay đ phát ra đi n đầu ra stator c a máy phát 1.1.3 Ph m vi ho tăđ ng c a tuabin gió Ph m vi ho t đ ng c a tuabin gió có t c đ vƠ b h a b i bi u đ công suất t c răng thay đ i đ c minh ng ứng v i t c đ gió (xem hình 1.4) Trong đó: + Tốc độ giới hạn đóng: là t c đ gió nh nhất mà tuabin gió bắt đầu phát đi n Giá tr nƠy th ng kho ng từ 3m/s đ n 5m/s tùy từng lo i tuabin. .. - Nghiên cứu v mô hình h th ng tuabin gió - DFIG n i v i l i và các mô hình v n hành khác nhau c a h th ng tuabin gió - DFIG - Nghiên cứu v các b đi u khi n trong h th ng tuabin gió - DFIG - Thực hi n mô ph ng trên Matlab/Simulink - Tóm tắt l i vấn đ đƣ nghiên cứu vƠ đ a ra h ng nghiên cứu trong t ng lai 1.7 Ph ngăpháp nghiên c u - Thực hi n mô hình hóa, phân tích và t ng h p các vấn đ cần nghiên cứu. .. b đo t c đ gió B đi u khi n Máy phát đi n H ng gió B hãm (phanh) B đi u ch nh h ng gió Đ ng c đi u ch nh h ng gió Cánh qu t Tr c quay t c đ cao Tr đỡ V Thi t b đo h ng gió Hình 1.3 Các bộ phận chính của hệ thống tuabin gió trục ngang - H p s (Gear box) có bánh răng, đ c n i giữa tr c t c đ thấp v i tr c t c đ cao vƠ tăng t c đ quay từ 30 đ n 60 vòng/phút lên 1200 đ n 1500 vòng/phút - Máy phát đi n (Generator),... đ gió c v n hành v i mô hình đi u khi n góc b mức cao thì c răng 3.2 CácăthƠnhăph năchínhăc aăh ăth ng tuabin gió - DFIG H th ng tuabin gió - DFIG c b n bao g m: DFIG, tuabin gió v i h truy n đ ng, b bi n đ i phía rotor (RSC - Rotor Side Converter), b bi n đ i phía l i (GSC ậ Grid Side Converter), h th ng đi u khi n và b o v và máy bi n áp ba pha nh hình 3.1 22 Ch ơng 3 Hệ thống tuabin gió - DFIG Tuabin. .. gió - DFIG Tuabin Công suất Stator MBA H p s Gió L RSC C GSC i B l c Công suất Rotor B đi u khi n và b o v h th ng Hình 3.1 Các thành phần chính của hệ thống tuabin gió - DFIG 3.2.1 Máy phát đi n không đ ng b ngu n kép (DFIG) 3.2.1.1 C u t o DFIG DFIG có cấu t o gi ng máy đi n không đ ng b rotor dây quấn v i các cu n dơy stator đ đ cn iv il i thông qua máy bi n áp ba pha và các cu n dây rotor c n i . h thng tuabin gió 3 1.1.1. Tuabin gió 3 1.1.2. Cấu to tuabin gió 4 1.1.3. Phm vi hot đng ca tuabin gió 6 1.1.4. Các loi máy phát đin tuabin gió 7 1.2. Các kt qu nghiên cứu trong. 1.1.4. Các loi máy phát đin tuabin gió Xét v tc đ quay ca tuabin gió thì ta có hai loi: - Tuabin gió có tc đ c đnh - Tuabin gió có tc đ thay đi. Tuabin gió có tc đ c đnh. đ cao ca rotor máy phát, kéo rotor ca máy phát quay đ phát ra đin  đầu ra stator ca máy phát. 1.1.3. Phm vi hotăđng ca tuabin gió Phm vi hot đng ca tuabin gió có tc đ vƠ bc