Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HÕA LƯỚI CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: Học viên: DƯƠNG QUỐC HƯNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI DUYỆT BAN KHOA ĐT GIÁM HIỆU SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG HỌC VIÊN DẪN PGS.TS Lại Khắc Lãi THÁI NGUYÊN - 2011 Dương Quốc Hưng Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật -1- Chuyên ngành Tự động hoá MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan -4Lời cảm ơn -5Danh mục ký hiệu chữ viết tắt -6Danh mục bảng -8Danh mục hình vẽ đồ thị -9MỞ ĐẦU -141 Tính cấp thiết đề tài -142 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn -143 Đối tƣợng mục đích nghiên cứu -154 Kết cấu luận văn -15CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC -161.1 Tổng quan -161.1.1 Đặt vấn đề -161.1.2 Năng lượng gió -161.1.3 Vài nét trạm phong điện -181.2 Máy phát điện sức gió (Phong điện) -191.2.1 Hệ thống nối lưới nguồn lượng gió -191.2.2 Cấu tạo tuabin phong điện -211.2.3 Nguyên lý làm việc phong điện -231.3 Khái quát hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) -261.3.1 Một số hệ thống máy phát điện sức gió thơng dụng -261.3.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện DFIG -281.4 Kết luận chƣơng -29CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -30- Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật -2- Chuyên ngành Tự động hoá 2.1 Máy điện cảm ứng nguồn kép -302.1.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc máy phát điện -302.1.2 Sơ đồ mạch điện tương đương DFIG -322.1.3 Công suất DFIG -352.1.4 Véctơ không gian -362.1.5 Công suất tác dụng công suất phản kháng véctơ không gian -37- 2.2 Mô tả toán học hệ thống DFIG -372.2.1 Mơ tả tốn học máy điện DFIG -382.2.2 Mô tả tốn học lọc phía lưới -392.2.3 Mơ tả tốn học DC – Link -402.2.4 Mô tả toán học Grid Side Converter (GSC) -412.2.5 Mơ tả tốn học Machine Side Converter (MSC) -412.3 Từ trƣờng hệ thống DFIG -422.3.1 Từ trường stato -422.3.2 Từ trường lưới -422.4 Kết luận chƣơng -43CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -443.1 Tìm hiểu số phƣơng pháp điều khiển máy phát điện sức gió -443.1.1 Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng kích thích vĩnh cửu -443.1.2 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng -493.2 Lý thuyết điều khiển PID -503.2.1 Đặt vấn đề -503.2.2 Lý thuyết điều khiển PID -513.2.3 Các phương pháp tổng hợp điều khiển PID -553.2.4 Các hạn chế điều khiển PID -573.2.5 Ký hiệu thay dạng PID -58- Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật -3- Chuyên ngành Tự động hoá 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng DFIG -603.3.1 Thiết kế điều khiển phía máy phát (MSC) -613.3.2 Thiết kế điều khiển phía lưới (GSC) -643.4 Kết luận chƣơng -67CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB – SIMULINK – PLECS VÀ KẾT LUẬN -694.1 Giới thiệu công cụ Matlab – Simulink – Plecs -694.2 Mô hệ thống máy phát điện sức gió DFIG sử dụng cơng cụ Matlab – Simulink – Plecs -754.2.1 Các tham số dùng cho mô -754.2.2 Xây dựng sơ đồ mơ tồn hệ thống -754.2.3 Xây dựng khối PLECS Circuit (DFIG) -774.2.4 Xây dựng khối điều khiển phía máy phát (MSC) -814.2.5 Xây dựng khối điều khiển phía lưới (GSC) -844.3 Kết mô -864.3.1 Khởi tạo trình mô -864.3.2 Kết mô -894.4 Kết luận kiến nghị -96TÀI LIỆU THAM KHẢO -97- Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hoá -4- LỜI CAM ĐOAN Tên là: Dƣơng Quốc Hƣng Sinh ngày 30 tháng năm 1983 Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hố - Trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế điều khiển hịa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Các số liệu, kết luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố cơng trình khác Nếu sai tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2011 Tác giả luận văn Dƣơng Quốc Hƣng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật -5- Chuyên ngành Tự động hoá LỜI CẢM ƠN Sau thời nghiên cứu, làm việc khẩn trương, động viên, giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Thiết kế điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Khoa đào tạo Sau đại học, thầy giáo, cô giáo Khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập trình nghiên cứu thực luận văn Tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình người thân quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tác giả luận văn Dƣơng Quốc Hƣng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật -6- Chuyên ngành Tự động hoá KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: Us (stator voltage): Điện áp Stato Rs (stator resistance): Điện trở Stato Ur (rotor voltage): Điện áp Roto Rr ( rotor resistance): Điện trở Roto Is (stator current): Dòng điện Stato Rm (magnetizing resistance): Điện trở từ hoá Ir (rotor current): Dòng điện Roto Lsλ (stator leakage inductance): Điện cảm Stato IRm (magnetizing resistance current): Dịng điện từ hố Lrλ (rotor leakage inductance): Điện cảm Roto Ψs (stator flux): Từ trường Stato ΨR (rotor flux): Từ trường Roto ω1 (stator frequency): Tần số dòng điện Stato Lm (magnetizing inductance): Điện cảm từ hoá s (slip): Độ trượt LM: Điện cảm từ hoá Lσ ≈ Lsλ + Lrλ : Điện cảm khe hở np: Số đôi cực từ máy phát J: Mơmen qn tính Ts: Mơmen trục máy phát r tần số góc Roto 2 tần số trượt Tm: Mơmen khí Te: Mơmen điện từ Ps: Công suất tác dụng Stato Pr: Công suất tác dụng Roto Qs: Công suất phản kháng Stato Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật -7- Chuyên ngành Tự động hố Qr: Cơng suất phản kháng Roto Ploss: Tổn thất cơng suất Pmech: Cơng suất từ hố urd , urq , usd , usq Các thành phần điện áp rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq ird , irq , isd , isq Các thành phần dòng rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq  r , s Các thành phần véctor từ thông rotor, stator  sd , sq Các thành phần từ thông stator thuộc hệ tọa độ dq Chữ viết tắt NLG Năng lượng gió CL Chỉnh lưu NL Nghịch lưu ĐCĐB - KTVC Động đồng kích thích vĩnh cửu MĐKĐBNK Máy điện khơng đồng nguồn kép MĐĐB - KTVC Máy điện đồng kích thích vĩnh cửu NLPL - NLDI Nghịch lưu phía lưới NLMF - NLFDI Nghịch lưu phía máy phát PĐSG Phát điện sức gió DFIG Doubly-Fed Induction Generator AVR Automatic Voltage Regulator GSC Grid Side Converter MSC Machine Side Converter ĐKCTĐ điều khiển chuyển toạ độ trạng thái KĐB-RLS Khơng đồng Roto lồng sóc KĐB-RDQ Khơng đồng Roto dây quấn ĐK Điều khiển MP Máy phát G Grid Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật -8- Chuyên ngành Tự động hoá DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang Bảng 2.1 Một số tham số tiêu biểu số máy phát DFIG 34 Bảng 3.1 Lựa chọn phương pháp điều chỉnh 55 Bảng 3.2 Tác động việc tăng thông số độc lập 56 Bảng 3.3 Phương pháp Ziegler–Nichols 56 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật -9- Chun ngành Tự động hố DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Tên hì nh Trang Hình 1.1 Hệ thống nối lưới nguồn lượng 20 Hình 1.2 Bộ nghịch lưu 20 Hình 1.3 Bộ đóng cắt mềm 20 Hình 1.4 Cấu tạo phong điện tua bin gió trục ngang 21 Hình 1.5 Cấu tạo bên số tuabin gió thực tế 22 Hình 1.6 Một trạm phong điện thực tế 22 Hình 1.7 Hệ thống kích thích xoay chiều 23 Hình 1.8 Tuabin gió với tốc độ cố định 26 Tuabin gió với tốc độ thay đổi có biến đổi nối trực Hình 1.9 tiếp stator lưới 27 Hình 1.10 Tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép 27 Hình 1.11 Mơ hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG 28 Hình 1.12 Sơ đồ điều khiển dòng rotor biến đổi 29 Hệ thống máy phát Hình 1.13 DFIG với Back-to-Back Converter 29 Hình 2.1 Cấu tạo phát điện khơng đồng 30 Hình 2.2 Stato phát điện khơng đồng 30 Hình 2.3 Đấu hình đấu hình tam giác Stato máy phát 31 Hình 2.4 Máy phát điện 32 Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện tương đương DFIG 33 Hình 2.6 Năng lượng hệ DFIG bỏ qua tổn thất 35 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... thống điều khiển cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng DFIG -603.3.1 Thiết kế điều khiển phía máy phát (MSC) -613.3.2 Thiết kế điều khiển phía lưới (GSC) -643.4 Kết... thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) -261.3.1 Một số hệ thống máy phát điện sức gió thơng dụng -261.3.2 Hệ thống phát điện sức. .. GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -443.1 Tìm hiểu số phƣơng pháp điều khiển máy phát điện sức gió -443.1.1 Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng kích thích