TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn này trình bày các vấn đề liên quan đến việc mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát điện gió nguồn kép sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép D
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ DUY KHÁNH
MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH
NỘI ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGUỒN KÉP (DFIG)
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
S K C0 0 4 6 9 9
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tp Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2015
LÊ DUY KHÁNH
MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
MÔ HÌNH NỘI ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
NGUỒN KÉP (DFIG)
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Hướng dẫn khoa học : PGS.TS D ƯƠNG HOÀI NGHĨA
Trang 3LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Ngày, tháng, năm sinh: 12-05-1986 Nơi sinh: Đồng Nai
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khu Phố 4, Phường An Bình, Biên Hòa –
Đồng Nai
Điện thoại riêng: 0932.289.919
E-mail: leduykhanh1205@gmail.com
II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1 Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Nghề bậc 3/7 Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 07/2006
Nơi học (trường, thành phố): Trường Công Nhân Kỹ Thuật Đồng Nai
Ngành học: Điện Công Nghiệp
2 Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 07/ 2011
Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học: Điện Công Nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Khảo Sát & Tính Toán Kiểm Tra Hệ Thống Cung Cấp Điện, Và Hướng
Tiết Kiệm Năng Lượng Của Công Ty CoCa – Cola Việt Nam
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Người hướng dẫn: Th.S Trần Tùng Giang
III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Trang 4Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm
9/2011 - 2012
Trường Cao Đẳng Nghề Việt Nam – Singapore, Thuận An – Bình Dương
Giáo viên hợp đồng
9/2012 đến nay Trường Cao Đẳng Nghề Đồng
Nai, Biên Hoà – Đồng Nai Giáo viên hợp đồng
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Trang 6LỜI CẢM TẠ
Điều trước tiên, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS
Dương Hoài Nghĩa, người Thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp
những tài liệu vô cùng quí giá và dìu dắt tôi thực hiện hoàn thành luận văn tốt nghiệp này
Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quí Thầy, Cô đã giảng dạy, trang
bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích và quí báu trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu sau này
Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện để tôi yên tâm học tập tốt trong suốt thời gian vừa qua
Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân thuộc đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, công tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn
TP.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
Người thực hiện
Lê Duy Khánh
Trang 7TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày các vấn đề liên quan đến việc mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát điện gió nguồn kép sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
tốc độ thay đổi Máy phát điện gió nguồn kép được xem như một đối tượng phi tuyến và điều khiển đối tượng này bằng phương pháp điều khiển mô hình nội
Mô hình toán học máy phát điện gió nguồn kép được xây dựng trong một hệ trục tọa độ tham chiếu dq thích hợp, định hướng theo véctơ điện áp lưới để cho sự phân
lập giữa điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng bên phía stator máy phát
Với kỹ thuật định hướng hệ trục tọa độ tham chiếu này, cho thấy có thể điều khiển tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng hoàn toàn độc lập với điều khiển các
chế độ vận hành công suất thực Do stator DFIG được nối trực tiếp với lưới điện và điện áp stator được cố định theo điện áp lưới, nên mục tiêu điều khiển độc lập công
suất tác dụng và công suất phản kháng bên phía stator DFIG máy phát được qui về
mục tiêu điều khiển độc lập hai thành phần trục d và q của véctơ dòng điện stator trong chế độ vận hành bình thường
Để điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát và lưới điện, một giải thuật điều khiển mô hình nội được thiết lập để điều khiển độc lập hai thành phần của véctơ dòng stator bằng cách tác động lên điện áp rotor Sau cùng, mô phỏng được tiến hành, kết quả cho thấy giải thuật điều khiển mô hình nội cho chất lượng tốt ở các khía cạnh được quan tâm như đáp ứng ngõ ra bám rất tốt theo sự thay đổi
nấc của tín hiệu đặt, luật điều khiển có tính bền vững cao trong điều kiện có sai số
mô hình
Trang 8MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN 1
1.1 T ổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài n ước đã công bố 1
1.1.1 T ổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1
1.1.2 Các công trình liên quan 8
1.2 Tính c ần thiết của đề tài 12
1.3 M ục tiêu nghiên cứu 12
1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài 12
1.5 Bố cục của luận văn 13
Chương 2: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG DFIG 14
2.1 T ổng quan về các phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép 14 2.1.1 Điều khiển mô hình nội IMC (Internal Model Control) 15
2.1.2 Các ph ương pháp điều khiển khác 16
2.2 H ệ thống điều khiển tuabin gió trang bị DFIG 17
2.3 Vận hành công suất tuabin gió 20
2.3.1 V ận hành công suất cực đại 21
2.3.2 Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng 23
2.4 Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập 23
Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGUỒN KÉP (DFIG) 26
3.1 Mô hình Tuabin gió 26
3.1.1 S ự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor 26
3.1.2 Điều khiển tuabin gió 29
3.2 Mô hình toán học của máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 30
3.2.1 Mô hình toán h ọc của DFIG biểu diễn trong hệ toạ độ αβ 31
3.2.2 Mô hình toán h ọc của DFIG biểu diễn trong hệ toạ độ đồng bộ dq 37
3.3 Biểu diễn trạng thái của hệ thống DFIG 41
3.4 Điều khiển công suất DFIG 43
3.4.1 Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator 43
Trang 93.4.2 Giá tri điều khiển cho dòng điện stator (Reference value) 47
3.5 S ơ đồ mô phỏng DFIG trên Matlab/Simulink 47
Chương 4: ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG 53
4.1 Giới thiệu 53
4.2 Nguyên lý điều khiển mô hình nội 53
4.2.1 Nguyên lý điều khiển mô hình nội 53
4.2.2 Mối liên hệ giũa điều khiển mô hình nội và điều khiển truyền thống 56
4.2.3 Ổn định nội 57
4.2.4 Ch ất lượng điều khiển danh định 58
4.3 Thiết kê hệ thống điều khiển DFIG bằng phương pháp mô hình nội 60
Chương 5: SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 65
5.1 S ơ đồ mô phỏng 65
5.2 K ết quả mô phỏng 69
5.2.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ danh định 70
5.2.2 Tính b ền vững của luật điều khiển khi có sai số mô hình 80
5.2.2.1 Tr ường hợp 1: Điện trở stator và rotor được giả thiết tăng lần lượt 20% và 30% so v ới giá trị danh định 80
5.2.2.2 Trường hợp 2: Điện trở stator và rotor được giả thiết giảm lần lượt 20% so v ới giá trị danh định 82
5.2.2.3 Trường hợp 3: Điện cảm tản rotor và điện cảm từ hoá giả thiết tăng lần lượt 20% so v ới giá trị danh định 83
5.2.2.4 Trường hợp 4: Điện cảm tản stator và điện cảm từ hoá giả thiết giảm lần lượt 20% so v ới giá trị danh định 84
5.2.2.5 Tr ường hợp 5: Moment quán tính của rotor được giả thiết tăng 20% so với giá trị danh định 85
5.2.3 Ảnh hưởng của các thông số bộ lọc IMC 86
5.2.3.1 Tr ường hợp 1: T 1 = T 2 = 0.3 86
5.2.3.2 Tr ường hợp 2: T 1 = T 2 = 0.05 87
5.2.3.3 Trường hợp 2: T 1 = 0.3 và T 2 = 0.05 88
5.2.4 So sánh k ết quả đạt được với phương pháp thiết kế khác 89
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 92
6.1 Kết luận 92
6.1.1 Các v ấn đề đã giải quyết trong luận văn 92
Trang 106.1.2 Các kết luận về giải thuật điều khiển 92
6.2 H ướng phát triển đề tài 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1
PHỤ LỤC 6
Trang 11CÁC TỪ VIẾT TẮT
Các từ viết tắt
Chỉ số trên
s, e Hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục đồng bộ dq
Trang 12T chuyển vị của ma trận, véctơ
Chỉ số dưới
Ký hiệu
; ; ; ; ; điện áp pha stator và rotor
; ; ; ; ; dòng điện stator và rotor
; ; ; ; ; từ thông stator và rotor
; ; ; điện áp stator và rotor theo trục α,β
; ; ; dòng stator và rotor theo trục α,β
; ; ; từ thông stator và rotor theo trục α,β
; ; ; điện áp stator và rotor theo trục d,q
; ; ; dòng stator và rotor theo trục d,q
; ; ; từ thông stator và rotor theo trục d,q
điện cảm từ hóa
; tốc độ đồng bộ và rotor [elec.rad/s ]
Trang 13vận tốc góc cơ học của rotor [mach.rad/s ]
; góc vị trí stator và rotor [elec.rad ]
; công suất tác dụng, phản kháng phía stator
J; H mômen quán tính và hệ số quán tính rotor
; bán kính và diện tích quét cánh quạt tuabin
Trang 14DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định 2
Hình 1.2: Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi 3
Hình 1.3: Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 4
Hình 1.4: Cấu trúc máy phát không đồng bộ nguồn kép 5
Hình 1.5: Mô hình bộ điều khiển phía lưới 6
Hình 1.6: Chiều dòng năng lượng chạy qua DFIG 7
Hình 1.7: Phạm vi hoạt động của DFIG 8
Hình 2.1: Sơ đồ điều khiển tổng thể tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG 18
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tối ưu λ 21
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh 22
Hình 3.1: Góc pitch của cánh quạt gió 27
Hình 3.2: Đường đặc tính CP(λ,β) 28
Hình 3.3: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ Tuabin 28
Hình 3.4: Đường cong công suất lý tưởng của tubin gió (khi β = 0 độ ) 29
Hình 3.5: Sơ đồ mối liên hệ giữa đại lượng abc và αβ 31
Hình 3.6: Sơ đồ nối dây của cuộn dây stator và rotor hình Y-Y 33
Hình 3.7: Sơ đồ tương đương R và L trong hệ trục toạ độ tự nhiên của stator và rotor 34
Hình 3.8: Mô hình lý tưởng của máy điện không đồng bộ ba pha 35
Hình 3.9: Sơ đồ tương đương mô hình động của DFIG trong hệ toạ độ tĩnh 36
Hình 3.10: Mối liên hệ giữa các đại lượng trong hệ trục toạ độ αβ và dq 37
Hình 3.11: Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq 38
Hình 3.12: Sơ đồ tương đương mô hình động của DFIG trong hệ toạ độ đồng bộ dq 40
Hình 3.13 Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator DFIG và lưới điện 44
Trang 15Hình 3.14 Giản đồ véctơ điện áp lưới và véctơ từ thông stator ở xác lập khi bỏ qua
điện trở stator 45
Hình 3.15: Sơ đồ mô phỏng DFIG 49
Hình 3.16:Các khối chức năng trong sơ đồ mô phỏng DFIG 52
Hình 4.1: Cấu trúc điều khiển mô hình nội 54
Hình 4.2:Hệ thống điêu khiển dùng mô hình nội 56
Hình 4.3: Hệ thống điều khiển truyền thống tương đương 56
Hình 4.4: Hệ thống điều khiển mô hình nội tương đương 57
Hình 4.5: Sơ đồ khối để khảo sát ổn định nội 57
Hình 4.6: Cấu trúc điều khiển mô hình nội 58
Hình 4.7: Cấu trúc điều khiển mô hình nội cho DFIG 60
Hình 4.8: Khối điều khiển IMC 62
Hình 5.1: Sơ đồ điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng đầu cực stator DFIG bằng phương pháp mô hình nội 65
Hình 5.2: Các khối chức năng trong sơ đồ điều khiển DFIG 68
Hình 5.3: Giá trị đặt cho Mômen cơ học cung cấp vào trục rotor DFIG 71
Hình 5.4: Giá trị đặt cho hai thành phần dòng stator " và " 72
Hình 5.5: Công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu bên phía stator 73
Hình 5.6: Hệ số công suất cosφ 73
Hình 5.7: Đáp ứng và theo sự thay đổi nấc của tín hiệu đặt 74
Hình 5.8: Công suất tác dụng và phản kháng đầu cực stator DFIG 75
Hình 5.9: Thành phần từ thông và của rotor 76
Hình 5.10: Điện áp stator và rotor 77
Hình 5.11: Dòng điện stator và rotor 78
Hình 5.12: Hai thành phần trục d và q của véctơ điện áp rotor từ ngõ ra của bộ điều khiển 79
Hình 5.13: Kết quả mô phỏng khi điện trở stator và rotor tăng lần lượt 20% và 30% so với giá trị danh định 81
Hình 5.14 :Kết quả mô phỏng khi điện trở stator và rotor giảm lần lượt 20% so với giá trị danh định 82
Trang 16Hình 5.15: Kết quả mô phỏng khi điện cảm tản rotor và điện cảm từ hoá tăng lần
lượt 20% so với giá trị danh định 83
Hình 5.16: Kết quả mô phỏng khi điện cảm tản stator và điện cảm từ hoá giảm lần
lượt 20% so với giá trị danh định 84
Hình 5.17: Kết quả mô phỏng khi Moment quán tính của rotor tăng 20% so với giá
trị danh định 85
Hình 5.18: Kết quả mô phỏng khi thay đổi thời hằng bộ lọc IMC T1 = T2 = 0.3 87
Hình 5.19: Kết quả mô phỏng khi thay đổi thời hằng bộ lọc IMC T1 = T2 = 0.05 88
Hình 5.20: Kết quả mô phỏng khi thay đổi thời hằng bộ lọc IMC T1 = 0.3;T2 = 0.05 89
Hình 5.21: Đáp ứng và theo sự thay đổi nấc của tín hiệu đặt của phương pháp điều khiển mô hình nội 90
Hình 5.22: Đáp ứng và theo sự thay đổi nấc của tín hiệu đặt của phương pháp điều khiển trượt [1] 90
Trang 17Luận Văn Thạc Sĩ Ch ương 1: Tổng Quan
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong
và ngoài nước đã công bố
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có xu hướng sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuabin làm máy phát điện để giảm giá thành do các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor chỉ làm việc với khoảng 1/3 công
suất tổng của hệ thống máy phát Đồng thời, do khả năng có thể làm việc trong một khoảng thay đổi tốc độ rộng, các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép có hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn so với việc sử dụng các máy phát đồng bộ kích từ vĩnh cửu với bộ biến đổi đặt ở phía stator
Các hệ thống cung cấp và truyền tải điện ngày càng có yêu cầu khắt khe hơn về
chất lượng nguồn điện Vì vậy, các thiết bị phát điện đấu nối với lưới, trong đó có các hệ thống máy phát điện sức gió cũng phải đảm bảo các yêu cầu chất lượng đề
ra Đăc biệt, khi hệ thống phân phối bị sự cố sập lưới thì các hệ thống máy phát này không được phép cắt khỏi lưới một cách không có kiểm soát vì có thể làm cho sự cố trên lưới càng trầm trọng thêm và việc khôi phục lưới sau sự cố cũng sẽ trở nên khó
khăn hơn Không những vậy, hệ thống điều khiển phía lưới trong hệ thống máy phát điện gió hiện đại còn yêu cầu phải có khả năng hỗ trợ lưới trong suốt quá trình sự
cố, kể cả sự cố lưới đối xứng và lưới không đối xứng
1.1.1.1 Các mô hình hệ thống biến đổi năng lượng gió
Tuabin gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi Đối với tuabin gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được
Trang 18Luận Văn Thạc Sĩ Ch ương 1: Tổng Quan
cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió Vì vậy, đối với hệ thống tuabin gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện Đối với tuabin gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên
bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế Như vậy, chất
lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi tuabin gió có thể được cải thiện hơn so với tuabin gió tốc độ cố định
Vì tốc độ quay của tuabin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc máy phát
a Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định
Đối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được
kết nối trực tiếp với lưới điện như hình 1.1
Hình 1.1: H ệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định