Nghiên cứu, ứng dụng biến tần mức trong hệ thống máy phát điện sức gió nam châm vĩnh cửu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG TRỌNG KHẢI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2017 Công trình hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Phản biện 1: TS Lê Tiến Dũng Phản biện 2: TS Giáp Quang Huy Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, họp Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng vào ngày 25 tháng 03 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng trường Đại học Bách khoa - Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Tổng quan nghiên cứu máy phát điện gió Cấu trúc luận văn Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Năng lượng chuyển đổi lượng gió turbin gió 1.2 Máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu Chương 2: CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2.1 Cấu trúc biến tần đa mức 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Phân loại nghịch lưu áp đa mức 2.2 Bộ nghịch lưu áp đa mức đi-ốt kẹp 2.2.1 Cấu trúc 2.2.2 Trạng thái khóa chuyển mạch 2.2.3 Quá trình chuyển mạch 2.3 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức Chương 3: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC 11 3.1 Tổng quan hệ thống 11 3.2 Mô hình hệ thống chưa qua điều khiển 12 3.3 Kết mô 13 Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC 14 4.1 Mô hình hệ thống 14 4.2 Kết mô hệ thống qua điều khiển 16 4.3 Hệ thống làm việc với tải 17 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 19 Kết luận 19 Hướng phát triển đề tài 19 TÀI KIỆU THAM KHẢO 20 Trang MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Để giảm bớt tình trạng phụ thuộc vào lượng hóa thạch, người tiến hành khai thác thêm nguồn lượng như: lượng hạt nhân nguồn lượng tái tạo Hiện nguồn lượng tái tạo gió, mặt trời đầu tư nhiên cứu nguồn lượng gần không gây ô nhiễm đến môi trường có trữ lượng vô hạn Đây vấn đề để giải nguồn lượng cạn kiệt tương lai Tuy nhiên nguồn lượng tái tạo thường không tập trung, phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật Do giá thành sản xuất 1KW cao Theo xu hướng phát triển giới, ngành kỹ thuật cao phát triển ứng dụng ngày nhiều giá thành để sản xuất 1KW giảm đến lúc giá thành để sản xuất lượng tái tạo giảm ngang với lượng hóa thạch có xu hướng thấp trong tương lai Gần đây, biến tần đa mức nghiên cứu xem lựa chọn tốt cho ứng dụng truyền động trung áp Ưu điểm biến tần đa mức điện áp đặt lên linh kiện giảm xuống nên công suất nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao trình đóng cắt linh kiện giảm theo Với tần số đóng cắt, thành phần sóng hài bậc cao điện áp nhỏ so với trường hợp biến tần hai mức nên chất lượng điện áp tốt Do việc kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió nghiên cứu mang nhiều ý nghĩa thực tiễn đáp ứng nhu cầu lượng kết hợp với suất lợi ích kinh tế cao Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài nghiên cứu biến tần đa mức dùng để ổn định tần số đầu máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu Từ tạo nguồn cung cấp lượng sạch, dồi có tính ổn định hiệu kinh tế cao Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu, khảo sát: - Turbin gió - Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu - Biến tần đa mức sử dụng nghịch lưu áp đa mức diode kẹp - Sử dụng kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu  Phạm vi nghiên cứu: - Do hạn chế mặt thời gian nên luận văn tập trung vào việc nghiên cứu ổn định tần số đầu máy phát điện gió gắn trực tiếp biến tần đa mức - Đồng thời tập trung vào phân tích nghịch lưu áp đa mức, trình chuyển mạnh phương pháp điều chế Trang Phương pháp nghiên cứu  Khảo sát, phân tích tổng hợp  Mô máy tính  Đánh giá kết dưa mô Ý nghĩa khoa học thực tiễn  Ý nghĩa khoa học:  Việc dùng biến tần đa mức giúp khắc phục nhược điểm tồn biến tần sủ dụng nghịch lưu áp hai mức là: - Sự chuyển mạch tần số cao làm giảm định mức, tuổi thọ thiết bị đóng ngắt tổn thất công suất lớn - Tần số đóng ngắt nằm khoảng băng thông 10-30KHz tạo nhiễu điện từ trường lên thiết bị truyền thông thiết bị điện tử khác  Thông qua việc dùng biến tần đa mức kết hợp với máy phát điện gió tạo ổn định tần số điện áp đầu cho máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu  Ý nghĩa thực tiễn:  Sử dụng kỹ thuật máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu mạng lại lợi ích kinh tế lớn, dễ bảo dưỡng lắp đặt (thông qua việc loại bỏ hộp số)  Ứng dụng quan trọng máy phát điện gió điện cung cấp điện cho vùng hải đảo, vùng xa mà lưới điện quốc gia cung cấp Tổng quan nghiên cứu máy phát điện gió Trước có nhiều nghiên cứu máy phát điện gió biến tần đa mức nghiên cứu độc lập với Chưa có nghiên cứu kết hợp giữ máy phát điện gió biến tần đa mức Các nghiên cứu điển hình như:  Năm 2002, T Nakamura, S Morimoto, M Sanada, Y Takeda [2.6], giới thiệu chiến lược điều khiển tối ưu cho máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu nội hệ thống phát điện gió  Năm 2003, S Morimoto, H Nakayama, M Sanada and Y Takeda [2.7], đề xuất để sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu nội cho hệ thống phát điện gió tốc độ biến đổi  Năm 2006, S Morimoto, H Kato, M Sanada and Y Takeda [2.7], tiếp tục đề xuất chiến lược điều khiển cực đại công suất phát hệ thống phát điện gió với máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu nội Năm 2007, I Kawabe, S Morimoto and M Sanada [2.9], nghiên cứu máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu bên với chiến lược điều khiển cực đại công suất phát hệ thống phát điện gió  Năm 2007, W Qiao, L Qu R G Harley [2.10], thực nghiên cứu cho máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu bên để cực đại công suất phát cực tiểu tổn thất Trang Cấu trúc luận văn  Mở đầu  Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU  Chương 2: CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN  Chương 3: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC  Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC  Kết luận kiến nghị  Tài liệu tham khảo Trang Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Năng lượng chuyển đổi lượng gió turbin gió Công suất gió xuyên qua khu vực diện tích A với tốc độ gió trung bình v là: = rA (1.5) Năng lượng gió tính khoảng thời gian Tp thường năm: = rA ∫ (1.6) Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy từ gió Pr cánh quạt tuabin khác động tích trữ gió phía trước cánh quạt có vận tốc  động gió đằng sau cánh quạt có vận tốc d: = rA [ ] (1.7) Trong - A: Diện tích cánh quạt gió (m2) - Cp gọi hiệu suất cánh quạt tuabin (hay gọi ngắn gọn hiệu suất rotor), tính: ( , )= + (1.8) Mà Các giá trị hệ số C1 đến C6 là: C1 = 0.5176, C2 =116, C3 = 0.4, C4 = 5, C5 = 21, C6 = 0.0068 Và = (1.9) = (1.10) : Vận tốc rotor (v/p) R: Bán kính cánh quạt (m) v: Vận tốc gió (m/s) : Góc quay cánh (độ) Hệ số công suất cực đại Cp max = 16/27 = 59,3% Với vận tốc gió cho trước hiệu suất rotor phụ thuộc vào tốc độ máy phát Momen turbin gió tính theo công thức sau: = = rA (N/m) (1.11) Trang 1.2 Máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu Máy điện nam châm vĩnh cửu (PMSM) máy điện có Stator pha cổ điển giống động không đồng bộ, Rotor có nam châm vĩnh cửu lắp đặt bề mặt Đặc biệt, PMSM tương đương với động không đồng bộ, có từ trường khe hở không khí tạo nam châm vĩnh cửu, từ trường Rotor không đổi Các động đồng PM đưa số thuận lợi thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động đại Sử dụng nam châm vĩnh cửu để phát đường từ thông khe hở không khí thực chất làm cho có khả thiết kế động PM hiệu cao Các phương trình máy phát đồng nam châm vĩnh cửu: = + + (1.58) = + = = - U (1.59) (1.60) ( ) Trong đó: thành phần trục d điện áp stator thành phần trục d điện áp stator thành phần trục d dòng điện stator thành phần trục d dòng điện stator điện cảm stator dọc trục d điện cảm stator dọc trục q điện trở stator = / số thời gian trục d = / số thời gian trục q momen tải J momen quán tính số cực đôi tốc độ động (1.61) Trang Chương 2: CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2.1 Cấu trúc biến tần đa mức 2.1.1 Khái niệm Biến tần thiết bị dung để chuyển đổi điện áp dòng điện xoay chiều đầu vào từ tần số thành điện áp dòng điện có tần số khác đầu Một biến tần gồm khâu sau:  Mạch chỉnh lưu: chuyển đổi AC thành DC Sử dụng phận bán dẫn biết đến với tên gọi ốt  Tụ điện nắn phẳng: Hoạt động đẻ nắn phẳng điện áp DC chuyển đổi qua mạch chỉnh lưu  Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi lượng từ nguồn điện chiều sang dạng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Bộ nghịch lưu áp nghịch lưu có nguồn chiều cung cấp nguồn áp đối tượng điều khiển ngõ điện áp Linh kiện nghịch lưu áp có vai trò khóa dùng để đóng, ngắt dòng điện qua Trong ứng dụng với công suất vừa nhỏ, sử dụng transitor BJT, MOSFET, IGBT làm khóa Biến tần đa mức biến tần sử dụng nghịch lưu đa mức     2.1.2 Phân loại nghịch lưu áp đa mức Bộ nghịch lưu áp dựa theo tiêu chí khác phân loại sau: Theo số pha điện áp đầu ra: pha, ba pha Theo số bậc điện áp đầu pha tải điểm điện chuẩn mạch (phase to pole voltage): hai mức (two level), đa mức (multilevel) Theo cấu trúc nghịch lưu: dạng nối tầng (cascade inverter), dạng điôt kẹp (diode clamped inverter), dạng flying capacitor … Theo phương pháp điều chế: + Phương pháp điều rộng + Phương pháp điều biên + Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CBPWM) + Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO-PWM) + Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM) Trang 2.2 Bộ nghịch lưu áp đa mức đi-ốt kẹp 2.2.1 Cấu trúc Bộ nghịch lưu đi-ôt kẹp sử dụng đi-ôt kẹp tụ điện chiều mắc nối tầng để tạo điện áp có nhiều mức Bộ nghịch lưu có cấu trúc: 3, hay mức, thường sử dụng nhiều truyền động công suất lớn, điện áp trung bình (medium voltage drives) nghịch lưu mức (three level neutral point clamped: 3L-NPC) Hình 2-1 Bộ nghịch lưu điôt kẹp mức Pha A nghịch lưu gồm có khóa bán dẫn S1 đến S4 điôt mắc song song ngược D1 đến D4 Điện áp vào chiều nghịch lưu thường chia tụ điện nối tầng Cd1 Cd2, để tạo điểm trung tính ảo (neutral point) Z Điện áp đặt lên tụ điện E, thường nửa điện áp nguồn chiều đưa vào Vd Các điôt Dz1, Dz2 nối với điểm trung tính ảo Z gọi điôt chốt điểm trung tính Khi khóa S2 S3 đóng, đầu pha A nghịch lưu nối với điểm trung tính ảo thông qua hai điôt chốt 2.2.2 Trạng thái khóa chuyển mạch Trạng thái P (positive) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S1, S2 đóng lúc điện áp UAZ có giá trị E Ngược lại trạng thái N (negative) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S3, S4 đóng điện áp UAZ có giá trị -E Trạng thái O (zero) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S2, S3 đóng lúc điện áp UAZ có giá trị điôt chốt Phụ thuộc theo chiều dòng điện tải mà hai điôt chốt dẫn dòng Ví dụ, với dòng điện tải dương (iA > 0) làm DZ1 đóng, đầu pha A nối với điểm trung tính Z thông qua dẫn dòng DZ1 S2 Trạng Trạng thái khóa chuyển mạch Điện thái S1 S2 S3 S4 áp đầu UAZ P Đóng Đóng Ngắt Ngắt E O Ngắt Đóng Đóng Ngắt N Ngắt Ngắt Đóng Đóng -E Trang Bảng 2-1 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) nghịch lưu 3L-NPC Các khóa chuyển mạch S1, S3 S2, S4 hoạt động theo nguyên tắc đối nghịch, có nghĩa khóa đóng khóa lại ngắt Hình 2.2 biểu diễn ví dụ trạng thái khóa chuyển mạch, tín hiệu điều khiển chuyển mạch điện áp UAZ có mức E, -E 2.2.3 Quá trình chuyển mạch Để nghiên cứu chuyển mạch khóa nghịch lưu 3L-NPC, coi có chuyển đổi trạng thái từ trạng thái O sang trạng thái P cách ngắt S3 đóng S1 với thời gian chết bỏ qua Với giả thiết dòng điện pha iA không đổi chiều trình chuyển mạch tải có tính cảm, giá trị hai tụ điện Cd1 Cd2 đủ lớn để điện áp đặt lên tụ điện giữ giá trị E khóa chuyển mạch coi lý tưởng  Trường hợp 1: dòng điện tải iA > Bộ nghịch lưu trạng thái O tương ứng với khóa chuyển mạch S1, S4 ngắt, S2 S3 đóng Điôt chốt DZ1 dẫn dòng điện iA > Điện áp đặt hai khóa chuyển mạch S2, S3: US2 = US3 = 0, điện áp đặt lên hai khóa S1, S4: US1 = US4 = E Sau S3 ngắt hoàn toàn, S1 đóng lại (trạng thái P) tương ứng với điện áp rơi US1 = 0, điôt chốt DZ1 bị phân cực ngược nên khóa lại, dòng điện chuyển từ DZ1 sang S1 Do hai khóa chuyển mạch S3 S4 ngắt nên điện áp rơi chúng: US3 = US4 = E  Trường hợp 2: dòng điện tải iA < Bộ nghịch lưu trạng thái O, S2 S3 đóng, điôt chốt DZ2 dẫn dòng điện chạy qua (iA < 0) Điện áp đặt hai khóa chuyển mạch S1, S4: US1 = US4 = E Do tải có tính cảm nên dòng điện không đổi chiều mà làm điôt D1 D2 mở, dẫn đến US1 = US2 = Lúc dòng điện tải iA chuyển mạch từ S3 qua D1, D2 (trạng thái P) Tương tự ta khảo sát trình chuyển mạch từ trạng thái P sang trạng thái O, từ trạng thái O sang trạng thái N hay ngược lại dạng bảng sau: Trạng S1 D1 S2 D2 S3 D3 S4 D4 DZ1 DZ2 thái Dòng điện tải iA > P x x O x x N x x Dòng điện tải iA < P x x O x N x x x Bảng 2-2 Quá trình dẫn dòng khóa pha A nghịch lưu 3L-NPC Trang 2.3 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu đa mức Ý tưởng phương pháp điều chế vectơ không gian tạo nên dịch chuyển liên tục vectơ không gian tham chiếu quỹ đạo đường tròn vectơ điện áp nghịch lưu tương tự trường hợp vectơ không gian đại lượng sin ba pha tạo Vectơ tham chiếu vectơ trung bình thời gian chu kỳ điều chế Tpulse trình điều khiển nghịch lưu áp Các bước thực giải thuật điều chế vectơ không gian:  Xác định vị trí vectơ trung bình  Xác định vectơ để tạo vectơ trung bình  Xác định trình tự thực thời gian tác dụng vectơ Hình 2-15 Vectơ điện áp vùng I (sector I) Tam giác Tổ hợp vectơ , , , , , , , , Bảng 2-7 Vị trí tam giác tương ứng với tổ hợp vectơ Tổng quát, vectơ điện áp trung bình nằm tam giác tổ hợp từ vectơ , , ta thực tổng hợp vectơ trung bình cách điều khiển để tác dụng thời gian T1, tác dụng thời gian T2 tác dụng thời gian T3 theo công thức: = + + (2.3) = + + chu kỳ điều chế Trang 10 Vấn đề lại xác định thời gian tác dụng T1, T2, T3 vectơ Nếu ta biết vectơ dạng thành phần vuông góc Vα Vβ hệ tọa độ cố định (stationary frame) αβ, quan hệ thành phần vectơ Vα , Vβ với thời gian trì trạng thái vectơ , , biểu diễn dạng ma trận: = (0.1) 1 1 Thời gian tính cụ thể bảng 2-8 Bảng 0-1 Thời gian tác dụng vectơ Trong ma số điều chế (modulation index): = √3 ; 0≤ ≤1 vùng I (2.6) Nếu vectơ trung bình nằm góc phần sáu thứ i so với góc phần sáu thứ hình lục giác tính từ vị trí trục thực α , ta quy đổi góc phần sáu thứ (vùng I) để xác định thời gian tác động vectơ Trang 11 Chương 3: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC 3.1 Tổng quan hệ thống Nhược điểm máy phát điện sử dụng lượng gió tốc độ gió thay đổi tốc độ turbin thay đổi, tần số đầu máy phát thay đổi Có nhiều cách để ổn định tốc độ quay turbin như:  Thứ thay đổi bề mặt hứng gió cánh quạt, phương pháp đặt cho trục turbin gió với giới hạn tốc độ cho phép, tốc độ gió lớn tốc độ gió qui định, trục turbin gió quay nhanh hơn, cảm biến nhận tín hiệu, chuyển đến phận điều khiển, phận điều khiển so sánh với tốc độ quay qui định Cơ cấu chấp hành xoay cánh quạt để thay đổi bề mặt hứng gió Bằng cách này, tốc độ turbin thay đổi kịp thời, để ổn định tần số máy phát Ưu điểm phương pháp dễ điều khiển cần sử dụng động điều khiển cánh quạt tốc độ gió thay đổi Nhược điểm phương pháp cấu khiều khiển làm việc liện tục, dẫn đến tổn hao lượng lớn, thiết bị mau hỏng  Thứ hai, tốc độ gió thay đổi tốc độ turbin thay đổi, nhờ phận hộp số mà tốc độ máy phát tăng giảm cho gần với tốc độ đồng Nhược điểm phương pháp việc chế tạo hộp số mà đáp ứng hầu hết thay đổi tốc độ gió phức tạp, khó có khả thực được, ngược lại hộp số đơn giản tốc độ turbin thay đổi dạng bậc thang Việc sử dụng biến tần đa mức hạn chế nhược điểm phương pháp Khi gió thổi vào cánh quạt turbin gió biến động thành năng, Cơ biến đổi thành điện turbin nối vào máy phát điện Điện áp ngõ máy phát biến thành điện áp chiều, sau qua nghịch lưu áp để điện áp tần số đạt yêu cầu cao Trang 12 3.2 Mô hình hệ thống chưa qua điều khiển Qua phân tích ta tiến hành xây dựng hệ thống máy phát điện gió kết hợp với biến tần đa mức để ổn định tần số đầu sau: Hình 0-1 Tổng quan mô hình hệ thống chưa qua điều khiển Hệ thống bao gồm khối sau:  Khối turbin gió: có nhiệm vụ nhận vào tốc độ gió, góc cánh quạt tốc độ phản hồi rotor động tính toán monmen quán tính turbin gió  Khối máy phát nam châm vĩnh cửu: nhận vào monmen turbin gió đưa điện áp pha tốc độ quay động  Khối chỉnh lưu: biến đổi điện áp pha máy phát thành điện áp chiều nhằm cung cấp cho nghịch lưu  Khối nghịch lưu: sử dụng nghịch lưu áp pha mức đi-ốt kẹp thuật toán điều chế vector không gian để xuất điện áp pha có tần số mong đợi Trang 13 3.3 Kết mô Với hệ thống chưa qua điều khiển, phân tích trên, với tốc độ gió biến thiên liên tục biên độ điện áp đầu máy phát không ổn định biến thiên theo Do điện áp chiều sau chỉnh lưu không ổn định Hình 3-2 Điện áp sau chỉnh lưu vận tốc gió biến thiên từ 5m/s đến 10m/s (chưa có điều khiển) Hình 0-2 Điện áp pha chưa có điều khiển Ta dễ dàng nhận thấy mặt dù đáp ứng yêu cầu ổn định mặt tần số điện áp đầu biên độ điện áp đầu vào bất ổn định nên biên độ điện áp đầu chưa ổn định Điện áp đầu có mức E, 0, -E biên đọ chưa ổn địn nên cần phải điều chỉnh biên độ đầu vào U-dc ổn định để đạt ổn định biên độ điện áp đầu Trang 14 Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC 4.1 Mô hình hệ thống Cơ giống hệ thống chưa điều khiển thêm vào khối điều khiển điện áp đầu chỉnh lưu Mô hình tổng quan hệ thống sau: Hình 4-1 Mô hình tổng quan hệ thống qua điều khiển Hình 4-2 Mô hình điều khiển PID Trang 15 Để tính chọn thông số PID ta dùng phương pháp Ziegler – Nichols với bước tính chọn sau:  Đặt hệ số KI KD tiến hành tăng dần KP hệ thống giao động tuần hoàn  Lấy giá trị KP lúc KU đo chu kì giao động TU thời điểm  Các thông số PID xác định bảng 4-1: Loại điều khiển KP KI KD P KU/2 PI KU/2.2 1.2*KP/TU PID 0.6*KU 2*KP/TU KP*TU/8 Bảng 4-1 Bảng thông số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols Trong đề tài sử dụng điều khiển PID nên ta thông số PID sau: Hình 4-3 Thông số điều khiển PID Trang 16 4.2 Kết mô hệ thống qua điều khiển Đầu tiên ta quan sát điện áp điều khiển điện áp đầu chỉnh lưu Hình 4-4 Điện áp đầu chỉnh lưu sau điều khiển Ta nhận thấy điện áp điều khiển ổn định gần với giá trị đặt 190V mà không phụ thuộc vào vận tốc gió biến thiên Điện áp pha đầu có biên độ ổn định mà không bị biến thiên theo tốc độ gió Hình 4-5 Điện áp pha đầu nghịch lưu Trang 17 4.3 Hệ thống làm việc với tải Để khảo sát khả làm việc tốt với tải ta tiến hành mô hệ thống với tải RL Mô hình hệ thống làm việc với tải hình 4-7 Hình 4-7 Mô hình hệ thống làm việc với tải RL Kết mô với giá trị biến thiên tải:  Với tải R = 500Ω; L = 0,001H Hình 4-8 Dòng điện làm việc với tải R = 500Ω; L = 0,001H Trang 18  Với tải R = 1000Ω; L = 0,001H Hình 4-9 Dòng điện làm việc với tải R = 500Ω; L = 0,001H  Với tải R = 1000Ω; L = 1H Hình 4-10 Dòng điện làm việc với tải R = 500Ω; L = 0,001H Dòng điện hoạt động với tải đạt ổn định tần số thay đổi theo giá trị tải Trang 19 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với yêu cầu đặt ra, phạm vi luận văn thực mô thành công máy phát điện nam châm vĩnh cửu làm việc với turbin gió dùng biến tần đa mức để điều khiển tần số đầu máy phát điện Những điểm chưa làm luận văn sau:  Những điểm làm được:  Với PID ta ổn định biên độ điện áp đầu máy phát điện nhằm tập trung vào nhiệm vụ đề tài ổn định tần số đầu dựa vào biến tần đa mức  Kết thu mong đợi thu điện áp dây pha có tần số 50Hz với giá trị biến thiên tốc độ gió làm sở cho hướng phát triển hòa lưới điện sau  Điện áp pha có mức xác định E, 0, -E điện áp dây thu có mức 2E, E, 0, -E, -2E kết mong đợi phân tích lý thuyết  Những điểm chưa làm được:  Chưa so sánh biến tần đa mức dùng diode kẹp loại khác cầu H flying capactor với biến tần nhiều mức (5 mức, mức …)  Chưa giải vấn đề nối lưới điện cho hệ thống Hướng phát triển đề tài Đề tài phát triển sau:  Tiếp tục nghiên cứu vấn đề hòa lưới điện vấn đề liên quan đến hòa lưới điện  Tiếp tục nghiên cứu phần thiết kế cánh quạt gió để đêm lại hiệu suất tối đa  Tiến hành tương tự với nghịch lưu áp đa mức khác (bộ nghịch lưu áp cầu H, …) để so sánh tùy theo điều kiện mục đích mong muốn mà dùng nghịch lưu áp phù hợp Trang 20 TÀI KIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Văn Nhờ (2005), “Giáo trình điện tử công suất” Nhà xuất đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Tiếng Anh: [2] D Grahame Holmes, Thomas A Lipo “Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice”, IEEE Series on Power Engineering, Series Editor [3] Heinz Willi Van Der Broeck, Hans-ChristophSkudelny, and Georg Viktor Stanke (January/February 1988), “Analysis and Realization of a Pulsewidth Modulator Based on Voltage Space Vectors”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.24, No.1 [4] Jae Hyeong Seo, Chang Ho Choi and Dong Seok Hyun (July 2001), “A New Simplified Space Vector PWM Method for Three-Level Inverters”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.16, No.4, pp 545-550 [5] Jose Rodriguez, Jin-Sheng Lai and Fang Zheng (August 2002), “Multilevel Inverters: A survey of topologies, Control applications,” IEEE transactions on Industrial Electronics, Vol.49, No 4, pp 724-738 [6] K Corzine and Y Familiant (2002), “A New Cascaded Multilevel H-Bridge Drive”, IEEE Transactions Power Electron., Vol 17, No.1, pp 125-131 [7] M Tolbert and T.G Habetler (1999), “Novel Multilevel Inverter Carrier-Based PWM Methods”, IEEE Trans Ind Appl., Vol 35, pp 1098-1107  ... TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU  Chương 2: CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN  Chương 3: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC... 3: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC 3.1 Tổng quan hệ thống Nhược điểm máy phát điện sử dụng lượng gió tốc độ gió thay đổi tốc độ turbin thay đổi, tần. .. phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu, khảo sát: - Turbin gió - Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu - Biến tần đa mức sử dụng nghịch lưu áp đa mức diode kẹp - Sử dụng kết hợp biến tần đa mức