Nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió DFIG dùng kỹ thuật trượt

8 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1 HỆ THỐNG BIẾN ÐỔI NĂNG LUỢNG GIÓ 2.1.1 Năng lượng gió Xuất phát điểm từ công thức quen thuộc để tính năng lượng t

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG:

Ngày nay, kinh tế thế giới ngày càng phát triển, kéo theo sự mở rộng của các vùng công nghiệp sản xuất, dẫn đến nhu cầu năng lượng ngày càng cao, chất lượng cung cấp điện càng phải ổn định Trong khi đó, dù ngành điện cũng có những bước tiến vượt bậc,không ngừng thay đổi các phương thức vận hành sao cho việc sản xuất, cung cấp điện năng ngày càng hiệu quả Tuy nhiên ngành điện đang vấp phải khó khăn đó là các nguồn nhiên liệu chính để phát điện - năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt; khí thải CO2 từ nền công nghiệp, từ hệ thống nhiệt điện là nguyên nhân chính tạo hiệu ứng nhà kính gây hiện tượng nóng lên toàn cầu.Chính vì thế nhu cầu cấp thiết hiện nay là phải có mô hình lưới điện được tối ưu cả về tính tin cậy cung cấp điện và kích thích nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường.Trong đó năng lượng gió là một nguồn năng lượng đáng được xem xét

Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, năng luợng từ mặt trời dến trái đất vào khoảng 173.000 tỉ KW, còn năng luợng gió vào khoảng 3.500 tỉ KW Chỉ có đến 1-2% năng luợng đuợc chuyển thành gió (gấp 50 đến 100 lần của toàn bộ năng lượng được chuyển hoá từ mặt trời của toàn bộ cây cối trên toàn trái đất) Trong khi

đó, tiềm năng dể khai thác sản sinh ra điện theo phương pháp truyền thống như thủy điện, nhiệt điện dã dần cạn kiệt

Riêng tại Việt Nam một phần nguồn năng luợng điện rất lớn được khai thác

từ thủy điện, tuy nhiên theo báo cáo từ các Hội thảo Khoa Học gần đây cho thấy, tiềm năng này sẽ không còn trong vòng vài mươi năm nữa Bên cạnh đó, trong những năm gần đây bài toán về môi truờng toàn cầu đuợc đưa vào trong tất cả các ngành công nghiệp, chúng ta phải tìm mọi cách dể hạn chế đến mức thấp nhất những yếu tố có ảnh huởng xấu tới môi truờng nhu cacbon oxít, oxít nitơ, oxít lưu huỳnh,…Ðứng truớc tình thế này thì năng lượng gió là nguồn năng lượng đáng được xem xét

2

Khi tính đầy đủ cả các chi phí ngoài – là những chi phí phát sinh bên cạnh những chi phí sản xuất truyền thống, thì lợi ích của việc sử dụng năng lượng gió càng trở nên rõ rệt So với các nguồn năng lượng gây ô nhiễm (ví dụ như ở nhà máy nhiệt điện Ninh Bình) hay phải di dời quy mô lớn (các nhà máy thủy điện lớn), khi

sử dụng năng lượng gió, người dân không phải chịu thiệt hại do thất thu hoa màu hay tái định cư, và họ cũng không phải chịu thêm chi phí y tế và chăm sóc sức khỏe doônhiễm Ngoài ra với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư, năng lượng gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải

1.1.1 Tình hình năng lượng gió trên thế giới và nhu cầu phát triển:

Nhận thức giá trị của nguồn năng lượng này từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX một

số nước đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo turbine gió phát điện Đầu thập kỷ 90 năng lượng gió đã bắt đầu phát triển mạnh, thị trường thế giới về lắp đặt các turbine gió phát triển nhanh chóng Năm 2010 công suất lắp đặt turbine gió trên toàn thế giới đạt 21 GW Với tốc độ tăng trưởng như vậy tới năm 2020 năng lượng từ sức gió sẽ đáp ứng 12% nhu cầu năng lượng điện trên toàn thế giới và đến những năm 2030-

2040 tổng công suất năng lượng gió sẽ đạt đến con số 3 triệu MW cung cấp 20% nhu cầu năng lượng điện trên toàn thế giới.Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ ngày nay các trạm phát điện năng lượng gió rất đa dạng từ công suất nhỏ (vài trăm W) phục vụ nạp ắc quy đến công suất lớn (hàng MW) Hiện nay công suất của các trạm phát điện năng lượng gió đã đạt đến con số 5MW, đây là một bước tiến vượt bậc của khoa học và công nghệ Các trạm phát điện năng lượng gió không chỉ được xây dựng trên đất liền mà đã được xây dựng trên biển, điều này cho thấy rằng năng lượng gió rất được các nước quan tâm nghiên cứu và ứng dụng

Trong sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo turbine gió phát điện phải kể đến sự đóng góp quan trọng của các công ty chế tạo, sản xuất turbine gió hàng đầu thế giới Negmicon A/S, Vestas A/S(Đan Mạch), Nordex, Enercon (CHLB Đức), Gamesa (Tây Ban Nha), Zond systems Inc (Hoa Kỳ)

Châu Mỹ:

 Mỹ: cho đến năm 2002 đã lắp đặt được 4685 MW

3

 Canada: phần lớn sử dụng thủy điện, nhưng với nhu cầu sử dụng điện ngày càng gia tăng mà nguồn thủy điện lại có hạn nên việc sử dụng năng lượng gió là giải pháp khả thi để bổ sung cho sự thiếu hụt này

 Các nước Mỹ Latinh: đây là các nước có tiềm năng to lớn về năng lượng gió, nhiều nhất là ở Brazil và Argentina Nhưng trở ngại là thiếu cơ sở hạ tầng về lưới điện cao áp để phát triển nguồn năng lượng dồi dào này

Châu Âu:

 Đan Mạch: năm 1999 Đan Mạch là quốc gia có ngành công nghiệp năng lượng gió phát triển nhất thế giới Trong những năm qua Chính Phủ đã tài trợ khai thác nguồn năng lượng xanh và hiện nay năng lượng gió chiếm 11% lượng điện tiêu thụ ở nước này

 Đức: là quốc gia có số lượng máy phát điện gió dẫn đầu thế giới Hiện chính phủ Đức đang áp dụng giá mua năng lượng mới cho các nguồn năng lượng

có thể tái tạo Đạo luật này nhằm tăng thành phần các nguồn năng lượng có thể tái tạo trong tổng thể các nguồn năng lượng tại Đức

 Tây Ban Nha : ở Tây Ban Nha có nang luợng sức gió rất khả quan, trong những nam qua tốc dộ phát triển nang luợng sức gió ở dây rất cao và hứa hẹn

sẽ còn tang trong tuong lai Với tiềm năng lớn về tài nguyên gió trên một diện tích rộng của đất nuớc, ngành công nghiệp khai thác năng luợng sức gióở Tây Ban Nha dã và dang có những dóng góp tích cực và ổn dịnh cho ngành diện quốc gia Cho dến năm 2002 dã lắp đặt được 4.830MW Có thể

dự báo rằng Tây Ban Nha sẽ lên vị trí dẫn dầu về ngành công nghiệp nang luợng gió trong vòng vài năm nữa

Châu Á:

 Ấn Độ là một trong những nước đứng đầu thế giới về phát triển năng lượng gió Năm 2004 Ấn Độ đứng thứ 3 thế giới chỉ sau CHLB Đức và Tây Ban Nha Nếu lấy năm 2000 làm mốc khi đó chỉ có 1220 MW thì đến tháng 03/2005 công suất lắp đặt đạt mức 3595 MW, công suất điện gió đã tăng lên gấp 3 lần

Ở nuớc ta chỉ có một số nơi đuợc đề xuất xây dựng nhà máyđiện gió như là Quảng Ninh, Quảng Bình, Quảng Trị, các vùng cao nguyên TâyNguyên, các tỉnh ven biển đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là 2 tỉnh Bình Thuậnvà Ninh Thuận Theonghiên cứu của Ngân hàng Thế Giới, có 2 vùng là tiềm năngnhất dể phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát 60-100mphía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) Gió ở vùng này không những có tốc độ gió trung bình lớn từ 7-9m/s, gió có xu thế ổn định và có ít bão Ðây là diều kiệnrất thuận lợi

dể phát triển năng lượng gió Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ giónam và đông nam lên đến 98% với tốc độ gió trung bình lên dến 6-7m/s ứng với tốcđộ gió này có thể xây dựng các trạm điện có công suất từ 3-3,5MW Thực tế thìnguời dân ở khu vực này cũng chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng

6

Bảng 1.2 Tiềm năng về năng luợng gió của Ðông Nam Á (Ngân hàng Thế giới)

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:

Nuớc ta không phải là nuớc giàu tài nguyên năng luợng Trong vòng 20 năm tới, nếu không tìm kiếm duợc những nguồn tài nguyên mới, đặc biệt có trữ lượng lớn thì Việt Nam sẽ đứng truớc nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên năng lượng Chính vì vậy, những giải pháp để đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia đã và đang được Chính phủ đặc biệt quan tâm Hiện nay, đã có một số giải pháp được tính đến như: nhập khẩu điện, nhiên liệu (than, khí đốt…), phát triển những nguồn năng luợng sẵn có như: gió, thuỷđiện, nhiệt điện và cả điện nguyên tử… Việc phát triển phổ biến năng lượng gió ở nuớc ta là một yêu cầu hết sức cần thiết nhằm giải quyết nhu cầu cung cấp điện cho đồng bào các vùng xa, vùng sâu, hẻo lánh.Do đó, việc phát triển các nguồn năng luợng mới và tái tạo, trong đó có năng luợng gió để phục

vụ nhu cầu tại chỗ là hết sức cần thiết

7

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ÐỀ TÀI

1.3.1 Ðối tượng nghiên cứu

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DIFG (Doubly Fed Induction Generator)

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung vào các vấn đề chính sau đây:

 Mô hình hóa máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG

 Xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng,công suất phản kháng trao đổi giữa stator DFIG và luới điện bằng phương pháp điều khiển trượt

 Ðánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có sự thay đổi tham số mô hình

 So sánh kết quả đạt được với các phương pháp thiết kế khác

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu tổng quan về năng lượng gió, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đang được áp dụng trên thế giới Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống DFIG

Trình bày mô hình toán học DFIG trong các hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh aßvà hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ dq Trình bày tóm tắt cơ sở toán học của phương pháp điều khiển truợt (Sliding mode control)

Xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator DFIG bằng phương pháp truợt.Trình bày sơ đồ và kết quả mô phỏng, nhận xét kết quả và kết luận Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng trong luận văn này để mô hình hóa DFIG, xây dựng giải thuật điều khiển và mô phỏng kết quả

8

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 HỆ THỐNG BIẾN ÐỔI NĂNG LUỢNG GIÓ

2.1.1 Năng lượng gió

Xuất phát điểm từ công thức quen thuộc để tính năng lượng tích trữ trong gió:

Vận tốc gió trung bình phải được xác định để ước tính năng lượng kỳ vọng nhận được từ một vùng cụ thể, do vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và có khuynh huớng lặp lại với chu kỳ một năm sau đó

Vì vậy, vận tốc gió trung bình có thể được xác định cho khoảng thời gian một năm.Sự thay đổi vận tốc gió thường được mô tả bởi hàm mật độ xác suất Một trong những hàm mật độ xác suất duợc sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió

là hàm Weibull Phân bố Weibull duợc biểu diễn bởi hàm số:

f(v) = (2.3)

10

2.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor

Năng luợng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió PR bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng (năng lượng kinetic) tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc vd

Ðể tìm hiệu suất rotor cực đại ta lấy đạo hàm (2.9) theo và tính được Cp,max

=0.593, ứng với giá trị Giá trị lý thuyết Cp,max chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59.3% năng lượng từ gió, đây còn được biết đến như là giới hạn Betz (Albert Betz’s Law) Ðường cong hiệu suất rotor được cho ở hình 2.2 Một thuận lợi của công thức lý thuyết (2.9) là chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận được từ gió Tuy nhiên, công thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng như mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát

13

chế tạo thuờng cho giá trị Cp đối với mỗi loại tuabin như là hàm của λ và góc ß Một công thức xấp xỉ thuờng được sử dụng của đường cong hiệu suất rotor được cho bởi công thức (2.12) và có dạng đồ thị như hình 2.5

Cp (λ, β) = 0.22 (

– 0.4 β – 5) (2.12)

Giá trị λi duợc cho bởi quan hệ:

= -

Hình 2.5 Ðuờng cong hiệu suất rotor Cp= (λ,ß)

2.1.4 Ðuờng cong công suất tuabin gió

Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại tuabin gió chính là đường cong công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra, thuờng được gọi là đường cong công suất lý tuởng có dạng như hình 2.6

Trong đó, cần phân biệt các thông số:

 Vận tốc gió Cut-in ( VC ): Là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát và tạo ra công suất (net power)

 Vận tốc gió định mức ( VR ): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi vận tốc gió đạt dến giá trị VR , công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết

14

kế.Khi lớn hơn VR thì cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin luợt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát

 Vận tốc gió Cut-out ( VF ): Khi tốc dộ gió tiếp tục tăng và đạt đến nguỡng

VF thì hệ thống tuabin cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát

và các cấu trúc cơ khí khác, trong truờng hợp này công suất phát ra bằng không

Hình 2.6 Ðuờng cong công suất lý tuởng của tubin gió

Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế công suất đưa vào tuabin - điều khiển cơ(aerodynamic power control) Trong đó, điều khiển pitch là phương pháp phổ biến nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi tuabin bằng cách thay đổi góc quay của cánh quạt quanh trục của nó Hầu hết các tuabin gió tốc độ thay đổi được trang

bị bộ điều khiển pitch Khi dưới tốc độ gió định mức, tuabin cần sản sinh ra công suất lớn nhất có thể bằng cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa năng lượng nhận được Trên tốc độ gió định mức, góc pitch cần được điều chỉnh một cách tương tự

để giới hạn công suất cơ bằng công suất định mức

Ðối với tuabin gió có trang bị hệ thống điều khiển pitch, bộ điều khiển sẽ liên tục kiểm tra công suất đầu ra của tuabin Khi công suất đầu ra quá lớn, bộ điều

15

khiển pitch sẽ phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay (pitch) cánh quạt nhằm luợt bớt công suất và xoay cánh quạt theo chiều nguợc lại khi tốc độ gió giảm

2.1.5 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát

Như đã trình bày ở Mục 2.1.3, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ

cụ thể, phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin Vì lý do kinh tế, thiết

kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió cần đạt được sản lượng điện năng hàng năm tối đa, để làm được như vậy thì trong vận hành cần phải liên tục thay đổi tốc độ rotor theo từng tốc độ gió để cho λ luôn bằng với giá trị yêu cầu tạo ra Cp cực đại

Theo lý thuyết cung như vận hành trong thực tế cho thấy khi làm việc với tốc

độ rotor được điều chỉnh theo sự thay đổi của tốc độ gió để bám những điểm công suất cực đại sẽ đạt nhiều hơn 20 – 30% sản luợng điện năng so với vận hành ở tốc

độ cố định [2]

2.2 CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ÐỔI NANG LUỢNG GIÓ

Tuabin gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thuờng trong phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi Ðối với tuabin gió tốc độ

cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo tần số luới điện nên hầu như không thể điều khiển và do dó 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 huởng đến chất lượng điện năng của lưới diện

Ðối 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 luợng điện năng do bị ảnh huởng 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

16

cặp cực từ của máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số luới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc máy phát Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng luợng gió sau đây được đề cập:

 Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ

 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ

 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía

2.2.1 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định

Ðối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi luới điện như hình 2.7

Hình 2.7 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thuờng làm việc ở hai tốc độ cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định mức và số cặp cực khác nhau Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công suất thu được từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ thuờng cho phép làm việc trong phạm vi độ truợt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hon Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này có 3 nhược điểm chính:

 Không thể điều khiển công suất tối ưu

 Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột

Hình 2.8 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi

toàn bộ công suất phát

2.2.3 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc dộ thay đổi sử dụng DFIG

Hệ thống bao gồm tuabin gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG có stator được nối trực tiếp với lưới diện, trong khi đó rotor được nối thông qua một bộ biến dổi công suất như hình 2.9 Ngày nay, cấu hình này trở nên rất thông dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của toàn bộ công suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể so với cấu hình biến đổi toàn bộcông suất phát, thêm vào đó chi phí dầu tư cho thiết bị biến đổi công suất cũng thấphơn

18

Hình 2.9 Hệ thống biến đổi năng lượng gió được trang bị với DFIG

2.3 MÁY PHÁT ÐIỆN GIÓ CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA DFIG

Ðối với hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, DFIG được xem như giải pháp tốt nhất và đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm Như dã đề cập ở phần truớc, lý do bộ biến dổi công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 – 30% tổng công suất phát, điều này có nghĩa tổn hao trong thiết bị điện tử công suất nhỏ hơn so với cấu hình mà bộ converter phải biến đổi toàn bộ công suất phát Thêm vào dó, chi phí đầu tư cho thiết bị điện tử công suất cũng thấp hơn

2.3.1 Máy phát không dồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG

DFIG là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có mạch stator được kết nối trực tiếp với lưới diện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất thông qua vành trượt như hình 2.10 Bộ biến đổi công suất gồm hai converter; converter phía máy phát RSC (Rotor Side Converter) và converter phía luới GSC (Grid Side Converter), duợc kết nối theo kiểu “back-to-back” Một tụ diện dc-link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng luợng

20

Ðể đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở hai chế độ trên, bộ biến dổi công suất ở cả hai phía máy phát RSC và phía luới GSC (hình 2.7) đều phải là nghịch lưu

có khả năng diều khiển dòng công suất theo hai chiều (bi-directional)

Hình 2.11 Chiều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG

Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳng phức PQ, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng về lưới (điều này ngược với máy điện không đồng bộ thông thuờng) Trên hết, công suất phản kháng trao đổi giữa DFIG và lưới điện có thể được điều khiển độc lập với công suất thực

Bộ converter phía máy phát RSC cho ta các thuận lợi sau:

 Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về luới, chẳng hạn điều chỉnh điện áp (trong truờng hợp luới yếu)

 Có thể hoàn toàn kích từ DFIG thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp

luới

 Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản

kháng,cũng như điều khiển mômen, tốc độ máy phát hoặc diều khiển hệ số

công suất đầu cực stator

Trong khi đó, mục đích chính của bộ converter phía lưới GSC là để giữ cho

điện áp dc-link không đổi

2.3.2 Sơ dồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập:

Sơ đồ tương đương của DFIG có tính đến tổn hao mạch từ được cho ở hình

2.12 Sơ đồ này chỉ thích hợp cho các phân tích và tính toán ở trạng thái xác lập,

21

dây quấn nối Y Trong truờng hợp dây quấn Δ có thể qui đổi về mô hình tương

đương Y, phương pháp jω được sử dụng cho các tính toán

Hình 2.12 Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập

Ðể ý rằng nếu điện áp rotor Vr được nối ngắn mạch thì mạch điện tương

đương DFIG trở về mạch điện tương đương nguyên thủy của máy điện không đồng

Vs điện áp stator Rs điện trở stator

Vr điện áp rotor Rr điện trở rotor

Is dòng stator Rm điện trở từ hóa

Ir dòng rotor Lls điện cảm tản stator

IRmdòng điện từ hóa Llr điện cảm tản rotor

2.3.3 Sự phân bố công suất giữa các cuộn dây DFIG

Ðể khảo sát sự phân bố công suất giữa các cuộn dây của DFIG, công suất biểu kiến cấp cho DFIG thông qua mạch stator và rotor phải được xác dịnh Công suất biểu kiến cuộn stator Ss và rotor Sr có thể được tính theo:

23

công suất như hình 2.13 Tùy thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống, công suất qua mạch rotor có thể đi theo hai chiều:

 Từ lưới qua bộ biến đổi công suất đến rotor Pr < 0 ở chế dộ duới đồng bộ

 Và ngược lại từ mạch rotor qua bộ biến đổi công suất đến luới Pr > 0 ở chế

dộ trên đồng bộ

Trong cả hai truờng hợp trên, mạch stator đều phát công suất về luới Ps >0 Như vậy, khi hệ thống biến đổi năng luợng gió cho phép vận hành trong phạm vi thay đổi tốc độ Δω=± %30 quanh tốc độ đồng bộ, ứng với hệ số trượt thay đổi trong phạm vi s =± 0.3, thì công suất định mức của bộ biến đổi công suất chỉ cần được thiết kế bằng % 20-30 công suất định mức của máy phát Ðịnh mức của bộ biến đổi công suất có quan hệ với phạm vi thay đổi tốc độ được chọn, chi phí cho bộ biến đổi công suất vì thế tăng hay giảm phụ thuộc vào phạm vi tốc độ cho phép tăng hay giảm

Hình 2.13 Sự phân bố công suất giữa các cuộn dây DFIG không tổn hao 2.4 HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ TRANG BỊ DFIG

Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc thay dổi DFIG bao gồm các mục tiêu: điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát và luới điện, diều khiển bám các điểm vận hành tối ưu của tuabin nhằm cực đại công suất thực nhận từ gió hoặc để hạn chế công suất đầu vào nhằm tránh quá tải cho máy phát khi tốc dộ gió

25

khiển DFIG Vì thế, nó cung cấp tín hiệu điều khiển ßref trực tiếp cho bộ chấp hành góc pitch và tín hiệu điều khiển công suất tác dụng Pref

cho kênh điều khiển DFIG

Hệ thống điều khiển tổng thể như hình 2.14 đòi hỏi thông tin các tín hiệu đo lường: công suất tác dụng Ps ref và công suất phản kháng Qs mea (tại điểm M đầu cực stator hoặc trên luới điện), điện áp Udc mea

trên dc-link, dòng diện qua bộ lọc if mea(tại điểm N), tốc độ máy phát ωr mea và dòng diện rotor irmea

Kênh điều khiển máy phát có ba tín hiệu vào điều khiển như sau:

 Giá trị điều khiển công suất tác dụng Ps ref thông tin này được cung cấp bởi kênh điều khiển tuabin gió

 Giá trị điều khiển công suất phản kháng Qs ref , giá này có thể được gán bởi nguời vận hành Chẳng hạn, trong truờng hợp lưới yếu có thể yêu cầu DFIG phát công suất kháng dể hỗ trợ điện áp luới

 Giá trị diều khiển diện áp dc-link Udc ref được quyết dịnh bởi kích cỡ của bộ converter, tỷ số điện áp stator - rotor và chỉ số điều chế của bộ biến đổi công suất

Kênh điều khiển tuabin tạo ra hai tín hiệu điều khiển:

 Giá trị điều khiển công suất tác dụng Ps ref

là tín hiệu đặt (setpoint) cho kênh điều khiển DFIG, được tạo ra dựa trên thông tin là vận tốc đo lường của máy phát ω r mea và công suất đo lường Ps mea tại điểm M Ví dụ, khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ gió định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển bằng cách hiệu chỉnh vận tốc máy phát dể tuabin nhận được công suất tối đa từ gió

 Giá trị điều khiển ß ref được đưa trực tiếp đến cánh quạt tuabin, bộ chấp hành góc pitch sẽ thực thi như một phần của bộ điều khiển công suất Giá trị này được tạo ra dựa trên thông tin công suất đo luờng Psmea và công suất định mức Pn ref (thuờng là giá trị danh định của tuabin được cho bởi nhà chế tạo) Khi tốc dộ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giới hạn Pn ref , kênh điều khiển tuabin sẽ giữ góc pitch trị số tối ưu và tạo ra giá trị điều khiển Ps ref cho kênh điều khiển DFIG nhằm đạt công suất tối đa, sau

26

đó kênh điều khiển DFIG sẽ điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để giữ cho công suất đầu ra theo giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiển tuabin

Trong truờng hợp tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, kênh điều khiển tuabin

sẽ ra lệnh cho khâu chấp hành góc pitch hiệu chỉnh giá trị ß để lượt bớt công suất và

ra lệnh cho kênh điều khiển DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển Ps ref bằng giá trị định mức Pn ref , kênh điều khiển DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy phát về một phạm vi được định truớc

2.5 VẬN HÀNH CÔNG SUẤT TUABIN GIÓ

Ở khía cạnh kinh tế, thiết kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió cần phải tính đến khả năng khai thác tối đa năng lượng từ gió, vì công suất phát ra

tỷ lệ thuận trực tiếp với hiệu suất rotor, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số

λ cụ thể phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin Do dó, tốc độ quay của máy phát cần phải được diều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió nhằm duy trì λ tối ưu

2.5.1 Vận hành công suất cực đại

Trong thực tế, các hệ thống biến đổi năng lượng gió thường được vận hành theo hai chế độ, chế độ thứ nhất là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số và chế dộ vận hành thứ hai là giữ cho công suất đầu ra lớn nhất Thuận lợi của chế dộ vận hành thứ nhất là luới điện duợc cấp một luợng công suất không đổi, tuy nhiên năng luợng từ gió không được sử dụng hiệu quả Ở chế dộ vận hành thứ hai, tối ưu hóa năng luợng nhận được từ gió trong một phạm vị thay đổi tốc độ làm việc cho phép, chế độ vận hành này thường được áp dụng cho các tuabin công suất lớn, tuy nhiên dòng công suất đưa lên lưới thay dổi

Có hai cách thực hiện diều khiển tối uu công suất đầu ra của máy phát điện gió

2.5.1.1 Ðiều khiển tối ưu Tip - Speed - Ratio

Theo cách này, tốc dộ gió được đo lường liên tục Trên cơ sở dữ liệu gió đo được, tốc độ máy phát sẽ được điều chỉnh để tối ưu λ theo từng giá trị tốc độ gió và

28

Khi tốc độ gió tiếp tục tăng, công suất đầu ra đạt dến giá trị danh định (công định mức theo thiết kế của máy phát) Khi đó, tốc độ rotor được điều chỉnh để việc với λ sao cho Cp nhỏ hơn giá trị tối ưu và tuabin gió được vận hành ở công suất danh định tránh quá tải cho máy phát Vùng làm việc này được gọi là miền công suất không đổi Khi tốc độ gió đầu vào tăng lớn hơn VF , tuabin gió được ngắt ra để bảo vệ máy và các bộ phận cơ khí khác

2.5.1.2 Ðiều khiển bám công suất dỉnh

Nguyên lý của phương pháp này là tìm cực trị của công suất P theo ω, tức là:

(2.23) Thuận lợi của phương pháp này là không yêu cầu xác định tốc độ gió Theo nguyên lý này, tốc độ rotor được tăng hoặc giảm với các số gia nhỏ, công suất đầu

ra được đo lường liên tục, trên cơ sở đó tính toán tỷ số ΔP/Δω Nếu tỷ số này dương, nghĩa là có thể nhận thêm công suất từ gió bằng cách tăng tốc độ của rotor Mặt khác, nếu tỷ số này âm, công suất phát sẽ giảm nếu ta thay đổi tốc độ Tốc độ của rotor được duy trì sao cho ΔP/ Δω gần giá trị 0, sơ đồ nguyên lý như hình 2.17

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh

Tóm lại, để tối ưu công suất nhận được từ gió thì tốc độ của rotor phải được điều chỉnh phù hợp với mỗi tốc độ gió đầu vào Cả hai chiến luợc này đều nhằm mục đích đạt được tương quan P-Cp tối ưu

29

2.5.2 Ðiều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng:

Máy phát diện gió cấp nguồn từ hai phía được diều khiển trong hệ trục tham chiếu dq định huớng theo vécto điện áp lưới, với trục d trùng với vị trị của vécto điện áp Theo cách này, ta có thể điều khiển độc lập giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng Việc lựa chọn vécto điện áp luới us làm huớng tựa xuất phát

30

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG

Chương này trình bày mô hình động của đối tượng DFIG, thích hợp cho việc phân tích các đặc tính của máy điện xoay chiều ba pha ở chế độ xác lập lẫn quá độ dựa trên khái niệm véctơ không gian và các phép biến đổi toán học

Mô hình toán học DFIG được xây dựng trong cả hai hệ trục tọa độ tham chiếu; hệ trục tọa độ tĩnh stator (hệ trục αβ ) và hệ trục tham chiếu quay với tốc độ đồng bộ (hệ trục dq ) Ta sẽ sử dụng lần lượt cả hai hệ trục tọa độ tham chiếu này, trong đó

hệ phương trình mô tả DFIG trong hệ trục αβ được dùng để xây dựng sơ đồ mô phỏng, còn hệ phương trình mô tả DFIG trong hệ trục dq làm xuất phát điểm để tìm

và xây dựng giải thuật điều khiển Qui ước dấu động cơ được sử dụng trong luận văn này, vì đây là qui ước phổ biến nhất cho sự thiết lập các phương trình mô tả máy điện Theo qui ước này, dòng điện có giá trị dương khi nhận công suất từ lưới

và ngược lại có giá trị âm trong trường hợp phát công suất lên lưới

3.1 VÉCTƠ KHÔNG GIAN VÀ CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI

3.1.1 Véctơ không gian:

Cho đại lượng 3 pha na , nb, nc, phép biến đổi từ đại lượng pha sang đại lượng

vec-tơ không gian được định nghĩa: ns= k(na+ ̅nb+ ̅2nc) (3.1)

Hình 3.1 Nguyên lý của vec-tơ không gian

Với: ̅ = =

√

Ý tưởng đằng sau véctơ không gian là mô phỏng máy điện theo hai pha thay vì ba pha để đạt sự phân lập tương đối giữa các biến và giảm tính phức tạp của hệ phương

k=2/3, phép biến đổi giữ nguyên biên độ

k =1, phép biến đổi có biên độlớn hơn 1.5 lần

k = 2/3 phép biến đổi bảo toàn công suất, tức là khi áp dụng cùng một phép biến

đổi cho cả hai đại lượng áp và dòng thì ta được quan hệ Pabc= Pαβ

Như vậy, nếu đại lượng xoay chiều ba pha cân bằng và có dạng sin thì véctơ không gian có biên độ không đổi và quay với vận tốc góc tương ứng với tần số của nguồn cung cấp Trong các trường hợp khác, véctơ không gian có biên độ và vận tốc quay thay đổi phụ thuộc vào giá trị tức thời của đại lượng pha

Một cách tổng quát, véctơ không gian có thể được biểu diễn theo hệ thức:

n s = n α s + jn s β = N me j(ωt+θ) (3.3)

Trong đó, θ [ rad ] là góc dịch pha và ω [rad/s ] là vận tốc góc của véctơ quay

Cũng có thể qui đổi véctơ không gian về hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ (hệ trục

dq) theo biểu thức:

ne= ned + j neq = ns (3.4)

Các chỉ số trên “s ” và “e ” lần lượt biểu thị cho véctơ không gian được qui về hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh αβ gắn với stator của máy điện không đồng bộ và hệ trục tọa độ tham chiếu dq đang quay với tốc độ đồng bộ

Hệ trục tọa độ đồng bộ dq phải được định hướng theo một véctơ nào đó, thường là

véctơ từ thông rotor hoặc stator của máy điện không đồng bộ Tuy nhiên, cũng có

thể định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới Trong hệ trục dq , hai

thành phần của véctơ không gian sẽ là đại lượng dc ở trạng thái xác lập

3.1.2 Biểu diễn công suất theo véctơ không gian

Công suất tác dụng tức thời của hệ thống ba pha được cho bởi hệ thức:

Pabc= vaia+vbib+vcic =

(3.5a)

Suy ra: Pαβ = vα iα +vβ iβ =3/2k2 (va ia+vb ib+vc ic) =3/2 k2Pabc

Hay Pabc =(2/3k2) Pαβ , ta được điều cần chứng minh (3.6a) và do đó (3.5a) Chứng minh tương tự cho (3.5b)

Nếu thay k =2/3, ta thu được phép biến đổi bảo toàn công suất như Mục 3.1.1,

Pabc=Pαβ

Ghi chú: k =2/3 được chọn và sử dụng trong luận văn này khi đó Pabc =(3/2) Pαβ

3.1.3 Phép biến biến đổi giữa đại lượng ba phaabc và αβ

Bằng cách triển khai các véctơ không gian theo các thành phần theo trục thực và

trục ảo, ta có phép biến đổi từ đại lượng ba pha abc sang đại lượng αβ gắn với hệ trục tọa độ tĩnh stator Trong đó, trục α trùng với trục dây quấn pha a , còn trục β vuông góc và sớm pha so với trục α như hình 3.2

33

Hình 3.2: Mối liên hệ giữa đại lượng abc và αβ

Ta được phép chuyển đổi từ đại lượng 3 phaabc sang αβ

3.1.4 Phép biến biến đổi giữa đại lượng αβ và dq

Mối liên hệ giữa véctơ trong hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục tọa độ dq đang quay với tốc độ đồng bộ ω sđược cho bởi hệ thức:

ns= ne e jθs (3.9a) ne = ns e -jθs (3.9b) Trong đó: θs =ωst

Triển khai các vec-tơ trong (3.9a) và (3.9b) theo 2 thành phần trục thực và trục ảo:

ns=nsα + jnsβ , ne =ned + jneq, ejθs =cosθs+j sinθs

35

Hình 3.4 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y

Xuất phát từ phương trình điện áp pha stator và rotor của máy điện không đồng bộ rotor dây quấn:

hệ trục tọa độ tự nhiên của chính nó: = Rs +

(3.15)

Hình 3.5 Sơ đồ tương đương RL trong hệ trục tọa độ tự nhiên của stator và rotor

] (3.21)

Môment điện từ:

Te = p ( = p ( = pLm( (3.22) Trong đó p là số cặp cực từ

Hình 3.7: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu

dq quay với tốc độ đồng bộ

3.2.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa dộ dồng bộ dq

Mối liên hệ giữa véctơ điện áp, dòng điện, từ thông trong hệ tọa dộ aßvà dq bằng cách áp dụng công thức (3.9):

= ; = ; =

Thay vào (3.14) và rút gọn, ta được phương trình điện áp stator:

] (3.28)

Môment điện từ:

Te = p ( = p ( = pLm( (3.29)

3.3 ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN

Trong mô phỏng máy điện, các đại lượng cơ bản với giá trị đỉnh thường được sử dụng hơn thay vì giá trị hiệu dụng Máy điện không đồng bộ ba pha có số cặp cực

từ p , tần số định mứcf n, giá trị điện áp dâyV n và công suất định mức P n Cácđạilượng cơ bản được định nghĩa như sau

3.4 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG DFIG TRÊN MATLAB/SIMULINK:

Đối với sơ đồ mô phỏng hệ phương trình mô tả DFIG được xây dựng trong hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh αβ Với trục α được định nghĩa trùng với trục dây quấn stator pha a như hình 3.10 Các ngõ vào là điện áp stator va rotor được chuyển về cùng một hệ trục tọa độ tĩnh αβ theo công thức (3.7):

{

√ √ (3.36)