Điều khiển hệ máy phát điện sức gió kiểu DFIG trong điều kiện lưới mất cân bằng

iv 19 f s Tần số mạch điện stator 20 P Q s, s Công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu ra của stator 21 P Q r, r Công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu ra của rotor 22 P Q

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

NGUYỄN THỊ THÀNH

ĐIỀU KHIỂN HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU DFIG

TRONG ĐIỀU KIỆN LƯỚI MẤT CÂN BẰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

NGUYỄN THỊ THÀNH

ĐIỀU KHIỂN HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU DFIG

TRONG ĐIỀU KIỆN LƯỚI MẤT CÂN BẰNG

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS ĐÀO PHƯƠNG NAM

Hà Nội – Năm 2016

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Thành

Sinh ngày 28 tháng 06 năm 1990

Học viên lớp cao học khóa 13 – Ngành Điều khiển và tự động hoa – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Hiện đang công tác tại khoa Điện – Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật công nghiệp

Xin cam đoan: Đề tài: “ Điều khiển hệ máy phát điện sức gió kiểu DFIG

trong điều kiện lưới mất cân bằng” do thầy giáo TS Đào Phương Nam hướng dẫn

là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả

Nguyễn Thị Thành

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên và

giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS Đào Phương Nam, luận văn với đề

tài: “Điều khiển hệ máy phát điện sức gió kiểu DFIG trong điều kiện lưới mất cân bằng” đã hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS Đào Phương Nam đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Khoa đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn

Tác giả

Nguyễn Thị Thành

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu:

STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

1 i rd,i rq Các thành phần dòng rotor trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới

2 i sd,i sq Các thành phần dòng stator trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới

3 i i ir, ,s N Vector dòng điện phía rotor, stator và lưới

4 i Nd,i Nq Các thành phần dòng phía lưới thuộc hệ tọa độ dq

5 T T s, r Các hằng số thời gian mạch stator và rotor

6 L m Hỗ cảm giữa stator và rotor

7 L L s, r Điện cảm stator và rotor

8 Ls,Lr Điện cảm tản phía stator và rotor

9 R R s, r Điện trở stator và rotor

10

r r

r s s

Hằng số thời gian rotor và stator

11 u rd,u rq Các thành phần điện áp rotor trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới

12 u sd,u sq Các thành phần điện áp stator trên hệ tọa độ tựa theo điện áp

lưới

13 u u ur, s, N Vector điện áp phía rotor, stator và lưới

14  r, Vận tốc góc mạch điện rotor, vận tốc góc cơ học của rotor

   m

r s L

L L Hệ số tản tổng

iv

19 f s Tần số mạch điện stator

20 P Q s, s Công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu ra của stator

21 P Q r, r Công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu ra của rotor

22 P Q g, g Công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu ra của PGSC

23 P s ieser ,Q s ieser Công suất tác dụng và công suất phản kháng của SGSC

24 P total,Q total Công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống DFIG

với SGSC

25 udc Điện áp một chiều

Chữ viết tắt

STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

1 DFIG Doubly-Fed Induction Generator ( Máy phát điện nguồn kép)

2 MĐKĐBNK Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép

5 RSC Rotor side converter (bộ biến đổi phía rotor)

6 GSC Grid side converter (bộ biến đổi phía lưới)

7 SGSC Series Grid-Side Converter (Bộ biến đổi nối tiếp phía lưới)

8 PGSC Parallel Grid-Side Converter (Bộ biến đổi song song phía lưới)

9 ĐCVTKG Điều chế vector không gian

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1.3 Turbine gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp

1.4 Turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép [10] 8 1.5

Các chế độ vận hành và dòng chảy năng lượng tương ứng (a)

các chế độ vận hành, (b) dòng năng lượng chảy ở chế độ dưới

đồng bộ, (c) dòng năng lượng chảy ở chế độ trên đồng bộ [5]

9

2.2 Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều khiển turbine [3] 14

2.4 Dòng chảy năng lượng của DFIG khi bỏ qua tổn thất [10] 17

2.7 Sơ đồ thay thế và quy đổi của DFIG trong hệ toạ độ không gian

2.8 Mô hình bộ lọc phía lưới trong hệ toạ độ không gian vector 21

2.12 Các phương pháp điều khiển máy phát sử dụng DFIG [1] 26

3.1

Hình dạng các hệ thống điện áp ba pha [11] (a) Điện áp cân

bằng, (b) Điện áp mất cân bằng, (c) Điện áp mất cân bằng và bị

biến dạng

31 3.2 Mối quan hệ giữa hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ dq+ và dq- 43 3.3 Mạch điện tương đương của DFIG trong tọa độ dq+ 45 3.4 Mạch điện tương đương của DFIG trong tọa độ dq- 45

vi

3.5 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía rotor (RSC) khi hệ thống

3.6 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống DFIG với RSC bằng phương

3.7 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới (GSC) khi hệ thống

3.8 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống DFIG với GSC bằng phương

4.6 Các khối mô phỏng bên trong của khối điều khiển phía lưới 60 4.7 Các khối mô phỏng bên trong của khối điều khiển phía rotor 61 4.8 Đáp ứng điện áp và dòng điện đầu ra của rotor khi điện áp lưới

4.9

Đáp ứng công suất tác dụng, công suất phản kháng, tốc độ rotor

và điện áp một chiều (udc) của máy phát khi điện áp lưới sập

50%

63

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu Nội dung bảng biểu Trang

vii

MỤC LỤC

Lời cam đoan……… i

Lời cảm ơn……… ii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt……….iii

Danh mục các hình vẽ và đồ thị……… v

Danh mục các bảng biểu……… vi

Mục lục……… .vii

MỞ ĐẦU……….…1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió 4

1.1.1 Năng lượng gió 4

1.1.2 Trạm phong điện 5

1.2 Khái quát về hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) 6

1.2.1 Một số hệ thống phát điện sức gió thông dụng 6

1.2.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép 8

1.3 Chế độ làm việc của hệ thống máy phát DFIG với lưới mất cân bằng 9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU DFIG TRONG ĐIỀU KIỆN LƯỚI CÂN BẰNG 2.1 Các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG 11 2.1.1 Điều khiển turbine 12

2.1.2 Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép (DFIG) 14

2.2 Máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG 15

2.2.1 Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG 15

viii

2.2.2 Công suất của DFIG 17

2.2.3 Vector không gian 18

2.2.4 Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong vector không gian 19

2.3 Mô hình hóa hệ thống DFIG 19

2.3.1 Mô hình hóa máy điện DFIG 20

2.3.2 Mô tả hình hóa bộ lọc phía lưới 21

2.3.3 Mô hình hóa bộ DC-Link 22

2.3.4 Tổng kết 22

2.4 Điều khiển phía máy phát 23

2.4.1 Cấu trúc điều khiển 23

2.4.2 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển phía mát phát 26

2.5 Điều khiển phía lưới 27

2.5.1 Cấu trúc điều khiển 27

2.5.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 28

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU DFIG TRONG ĐIỀU KIỆN LƯỚI MẤT CÂN BẰNG CÂN BẰNG 3.1 Khái niệm về hệ thống lưới điện mất cân bằng 30

3.2 Lý thuyết công suất tức thời 31

3.2.1 Nền tảng của lý thuyết công suất tức thời 31

3.2.2 Phép biến đổi Clarke 31

3.2.3 Lý thuyết công suất tức thời theo thành phần Clarke 33

3.2.4 Lý thuyết công suất tức thời theo nguyên lý p-q 34

3.3 Trụ lưới không đối xứng sử dụng bộ điều khiển với thành phần đối xứng 34 3.3.1 Biến đổi Park của hệ thống ba pha không đối xứng 35

ix

3.3.2 Xác định các thành phần đối xứng theo phương pháp công suất tức

thời 39

3.4 Mô hình hóa hệ thống DFIG 42

3.4.1 Phép biến đổi hệ tọa độ 42

3.4.2 Mô hình hóa máy phát DFIG 43

3.5 Điều khiển hệ máy phát điện DFIG 46

3.5.1 Khái quát các phương pháp điều khiển hệ máy phát điện DFIG làm việc trong điều kiện lưới mất cân bằng 46

3.5.2 Phương pháp điều khiển hệ máy phát điện DFIG làm việc trong điều kiện lưới mất cân bằng với SGSC 48

3.5.3 Đáp ứng của hệ thống máy phát DFIG trong điều kiện lưới mất cân bằng 49

3.5.4 Điều khiển phối hợp SGSC, PGSC và RSC 52

3.5.5 Điều chế vector không gian cho khối SGSC và PGSC 57

3.6 Phân biệt hệ thống máy phát kiểu DFIG làm việc với lưới điện cân bằng và với lưới điện không cân bằng 58

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DFIG SỬ DỤNG CÔNG CỤ MATLAB - SIMULINK 4.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió DFIG làm việc với lưới mất cân bằng sử dụng cấu trúc truyền thống 61

Thông số máy phát: 61

4.2 Chất lượng của hệ thống điều khiển 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành ĐK-TĐH 2013B 1

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay nguồn năng lượng sạch khá dồi dào, có khả năng bổ sung cùng nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường Nguồn năng lượng mặt trời cũng đang trong giai đoạn phát triển và mới chỉ được thực hiện với công suất nhỏ Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió đang ngày càng được quan tâm và phát triển ở nhiều quốc gia trên toàn cầu

Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) với rotor dây quấn và rotor được nối với lưới điện thông qua một bộ back-to-back converter, còn stator được nối trực tiếp với lưới điện, điều khiển DFIG thông qua điều khiển bộ back-to-back converter phía rotor Vì thiết bị điện tử công suất đặt ở phía rotor nên công suất thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép giảm giá thành chỉ còn 1/3 so với các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện khác Điều này rất hấp dẫn về mặt kinh tế, nhất là khi công suất các máy ngày càng tăng, mặc dù về phương pháp điều khiển có phần phức tạp

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 với lưới, trong đó có các

hệ thống máy phát điện sức gió vốn ngày càng chiếm tỷ trọng đáng kể trong tổng dung lượng điện năng của nhiều quốc gia cũng phải đảm bảo các yêu cầu về chất lượng đề ra Một trong những yêu cầu của nhà quản trị hệ thống điện là khả năng đối phó với trạng thái bất thường của lưới như: mất đối xứng, lồi/lõm điện áp, ngắn mạch… Đối với hệ thống phát điện sức gió, khi xảy ra hiện tượng lưới mất cân bằng, theo [1] máy phát phải cắt ra khỏi lưới hoặc chuyển sang chế độ vận hành sự

cố Ở chế độ đó, yêu cầu về trụ lưới của máy phát phải được duy trì Để thực hiện được điều này, gần đây đã có một số công trình nghiên cứu Tuy nhiên việc điều

Điều khiển & Tự động hóa

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG

Phạm vi nghiên cứu chính của luận văn là cấu trúc điều khiển phối hợp giữa các bộ biến đổi điện tử công suất trong trường hợp lưới mất cân bằng

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp mô tả hệ thống lưới xoay chiều ba pha khi mất đối xứng

Tổng hợp các công trình nghiên cứu hỗ trợ hệ phát điện sức gió khi lưới mất cân bằng Xây dựng cấu trúc điều khiển phối hợp các bộ biến đổi điện tử công suất phía rotor (RSC), phía lưới (PGSC) và nối tiếp phía lưới (SGSC)

Mô phỏng Offline trên Matlab – Simulink

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học của luận văn là đề xuất một giải pháp điều khiển phối hợp giữa các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG

Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành ĐK-TĐH 2013B 3

Ý nghĩa thực tiễn của luận văn là tiền đề để ứng dụng trong đào tạo và triển khai trong hệ thống điện lưới mềm

Những đóng góp của luận văn

Hệ thống hóa các vấn đề lý thuyết điều khiển hệ thống phát điện sức gió trong trường hợp lưới mất cân bằng trên cơ sở phối hợp điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất

Mô phỏng kiểm chứng hệ thống sử dụng Matlab – Simulink một số trạng thái làm việc của hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG

Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan hệ thống phát điện sức gió Giới thiệu tổng quan hệ

thống PĐSG hiện nay và hệ thống PĐSG sử dụng DFIG

Chương 2: Tổng quan các phương pháp điều khiển hệ máy phát sức gió kiểu DFIG trong điều kiện lưới cân bằng Trình bày các thành phần điều khiển hệ thống

máy phát điện sức gió, mô hình toán học và các biến điều khiển phía máy phát, phía lưới của hệ thống máy phát DFIG Từ đó đưa ra cấu trúc và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống khi làm việc với lưới cân bằng

Chương 3: Phương pháp điều khiển hệ máy phát sức gió kiểu DFIG trong điều kiện lưới mất cân bằng Trình bày khái niệm lưới mất cân bằng, lý thuyết công

suất tức thời để làm cơ sở thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống máy phát làm việc khi lưới lỗi bằng cách điều khiển phối hợp giữa các bộ biến đổi điện tử công suất để loại

bỏ ảnh hưởng của các thành phần dao động trong mô men và các công suất đầu ra

Chương 4: Mô phỏng hệ thống DFIG sử dụng Matlab – Simulink Mô phỏng

kiểm chứng các trạng thái làm việc của hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng DFIG

Phần cuối cùng là các kết luận và kiến nghị

Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành ĐK-TĐH 2013B 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió

1.1.1 Năng lượng gió

Hiện nay nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu nhằm sản xuất ra các nguồn năng lượng sạch, chủ yếu dựa trên năng lượng mặt trời và năng lượng gió

Hệ thống máy phát điện điện sức gió lợi dụng gió để làm quay turbine máy phát tạo ra điện đang được ứng dụng nhiều trong thực tế Hiện nay đã hình thành các “wind farm” gồm nhiều turbine gió nối mạng với nhau, các “wind farm” này có thể xây dựng trên biển hoặc trên đất liền như hình 1.1 Tổng công suất mà các

“wind farm” tạo ra có thể đến hàng chục MW

Hình 1.1: Một wind farm trên đất liền gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau

Ưu điểm dễ thấy nhất của hệ thống phát điện sức gió là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước Các trạm phong điện có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ

Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành ĐK-TĐH 2013B 5

tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện Trước đây, khi công nghệ phong điện còn ít được ứng dụng, việc xây dựng một trạm phong điện rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ được áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết Ngày nay phong điện đã trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm phong điện hiện nay chỉ bằng 1/4 so với năm 1986 Phong điện

đã trở thành một trong những giải pháp năng lượng quan trọng ở nhiều nước, và cũng rất phù hợp với điều kiện nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn, có nhiều hải đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền, hải đảo lớn, do đó tiềm năng về năng lượng gió ở nước ta rất lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng tái tạo từ gió

1.1.2 Trạm phong điện

Các máy phát điện lợi dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước Châu

Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác Nước Đức đang dẫn đầu thế giới

về công nghệ phong điện

Tới nay hầu hết là các trạm phong điện trục ngang, gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một turbine 3 cánh đón gió Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại

Các trạm phong điện trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng Trạm phong điện trục đứng có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu quả cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản Loại này mới xuất hiện từ vài năm gần đây nhưng đã được nhiều nơi sử dụng

Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành ĐK-TĐH 2013B 6

Hiện có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ 1 kW tới hàng chục ngàn kW Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc-quy và

bộ đổi điện Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắc-quy Khi không có gió

sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy

Các trạm phong điện có thể phát điện khi tốc độ gió từ 6 m/s (22 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h) Tốc độ gió hiệu qủa từ

10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện [3]

1.2 Khái quát về hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator)

1.2.1 Một số hệ thống phát điện sức gió thông dụng

Hiện nay, có hai loại turbine gió chính được sử dụng trong hệ thống máy phát điện sức gió đó là: turbine gió tốc độ cố định và turbine gió với tốc độ thay đổi [10] Loại turbine gió với tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió

Hình 1.2: Turbine gió với tốc độ cố định [10]

Loại turbine gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục được nhược điểm trên của turbine gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ

Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành ĐK-TĐH 2013B 7

nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió Bất lợi của các turbine loại này là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, do đó chi phi cho turbine gió tốc độ thay đổi lớn hơn so với các turbine tốc độ cố định

Turbine gió với tốc độ thay đổi có hai loại: Turbine gió với tốc độ thay đổi có

bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép (DFIG)

+ Loại turbine gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính toán với công suất định mức của toàn turbine Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc là đồng bộ

~

~

Máy phát Các bộ biến đổi công suất Máy biến áp

Hình 1.3 Turbine gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp

giữa stator và lưới [10]

Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lượng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta đã chế tạo các loại turbine gió với công suất

lớn đến trên 7MW, nếu dùng loại turbine gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì hệ thống sẽ cồng kềnh, tốn kém, do bộ biến đổi cũng phải

có công suất bằng công suất của toàn turbine

+ Loại turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed

Induction Generator), với rotor dây quấn và rotor được nối với lưới điện thông

Điều khiển & Tự động hóa

Hình 1.3: Turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép [10]

Với sự phát triển của hệ thống năng lượng điện gió ở tất cả các nơi trên thế giới, các turbine gió dựa trên máy phát điện kiểu DFIG đã và đang được sử dụng rộng rãi cho hệ thống thế hệ điện gió Bởi vì, không giống như các máy phát điện khác thiết bị điều khiển của DFIG đặt ở phía rotor nên chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy phát Dẫn đến giá thành rẻ hơn nhiều so với máy phát đồng

bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc là loại cần thiết

bị điều khiển nằm giữa stator và lưới nên có công suất bằng chính công suất của hệ thống máy phát [3]

1.2.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép

Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ta phải tạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từ gió Việc kích từ đó hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hoà lưới), hoặc nhờ

ắc quy để tạo kích từ, hoặc nhờ tụ điện với điều kiện có từ thông dư trong máy điện không đồng bộ Ở các hệ thống phát điện sức gió dùng máy điện cảm ứng nguồn kép (còn được gọi là máy điện không đồng bộ nguồn kép) với công suất cỡ lớn thường được5 thiết kế vận hành ở chế độ hoà lưới, đồng thời năng lượng do turbine

Điều khiển & Tự động hóa

Dưới đồng bộ Chế độ động cơ 0< s <1

1.3 Chế độ làm việc của hệ thống máy phát DFIG với lưới mất cân bằng

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG có 2 chế độ làm việc: một là hệ thống làm việc với lưới cân bằng và hai là với lưới mất cân bằng

Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành ĐK-TĐH 2013B 10

Trạng thái làm việc với hệ thống lưới cân bằng đã trình bày trong [1][3][6], các tác giả đã đưa ra các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến hệ thống máy phát DFIG khi lưới cân bằng

Trạng thái làm việc với hệ thống lưới mất cân bằng cũng đã được nghiên cứu bởi một số tác giả trong nước và ngoài nước [13][14][17] Các phương pháp điều khiển chủ yếu theo 2 hướng chính đó là: dựa trên cấu trúc truyền thống của hệ thống

và thay đổi các thuật toán điều khiển khi lưới mất cân bằng [7][8][9][13][14] hoặc thêm bộ biến đổi điện tử công suất vào phía lưới và điều khiển phối hợp các bộ biến đổi điện tử công suất này [12][15][16] và đây chính là hướng nghiên cứu của luận văn Khi lưới điện mất cân bằng, dòng stator cũng mất cân bằng Do liên hệ từ trường giữa stator và rotor nên dòng rotor cũng mất cân bằng theo, dẫn đến mạch rotor và bộ biến đổi có thể bị phá hỏng nếu không có các biện pháp bảo vệ bộ biến đổi Hơn nữa, điện áp không cân bằng cũng sẽ dẫn đến sự dao động tần số và trong công suất của máy phát làm suy giảm chất lượng điện áp đầu ra và giảm tuổi thọ của các thành phần cơ khí

Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày một số vấn đề sau:

 Tổng quan về các hệ thống biến đổi năng lượng gió

 Đưa ra đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy

điện không đồng bộ nguồn kép – DFIG (Doubly Fed Induction

Generator) và những ưu thế của việc sử dụng máy phát DFIG trong thực

tiễn

 Những trạng thái làm việc của DFIG và ảnh hưởng đến máy phát DFIG khi làm việc với lưới điện không cân bằng

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 11 ĐK-TĐH 2013B

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ KIỂU DFIG TRONG ĐIỀU KIỆN LƯỚI CÂN BẰNG

2.1 Các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG

Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng gió được vẽ trên hình 2.1 Trong đó các cuộn dây stator của DFIG được nối trực tiếp với lưới Các cuộn dây rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phía rotor được gọi là bộ biến đổi phía rotor, một ở phía lưới được gọi là bộ biến đổi phía lưới Hai bộ biến đổi liên hệ với nhau thông qua mạch một chiều trung gian

Hình 2.1: Hệ thống máy phát điện sức gió

Hệ thống điều khiển gồm có hai phần chính:

 Điều khiển turbine

 Điều khiển máy phát nguồn kép (DFIG)

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 12 ĐK-TĐH 2013B

2.1.1 Điều khiển turbine

Phần điều khiển turbine cung cấp các giá trị cần của công suất tác dụng hay

mô men điện từ Techo phần điều khiển máy phát nguồn kép Giá trị cần này được tính toán dựa trên tốc độ gió đo được và một bảng tra nhằm tối ưu công suất đầu ra

và tốc độ quay tương ứng của turbine Một tín hiệu đặt khác là góc điều chỉnh pitch

p

 được đưa trực tiếp tới bộ phận điều chỉnh góc pitch của các cánh gió để điều

khiển tốc độ turbine

 Công suất của turbine gió

Theo [1] công suất của turbine gió được tính theo công thức sau:

gm

tb(t) cg tb

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 13 ĐK-TĐH 2013B

Các công thức (2.1), (2.2) và (2.3) cho thấy công suất turbine gió phụ thuộc vào cấu trúc của turbine gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay của turbine Chính vì vậy với một góc pitch cố định và ở một tốc độ gió cho trước thì công suất của một turbine gió còn phụ thuộc vào tốc độ quay của nó nữa

 Phương pháp điều khiển

Nhiệm vụ của điều khiển turbine là điều khiển tốc độ turbine để duy trì công suất được biến đổi từ năng lượng gió thành công suất cơ trên trục của turbine là cực đại thì cần đảm bảo giá trị của hệ số Ctb là tối ưu với từng tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió lớn nhất cho phép Ứng với tốc độ gió mà ở đó công suất của máy phát đã đạt đỉnh thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn công suất turbine Ở tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ nhỏ nhất cho phép hoặc lớn hơn tốc độ lớn nhất cho phép của turbine thì cần phải cắt máy ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ khí để giữ cho turbine không quay Muốn vậy thì tốc độ trục cơ của turbine gió (được nối với trục rotor của MĐKĐBNK thông qua một hộp số) phải được thể hiện ở công thức (2.1), (2.2)

và (2.3) Đây cũng chính là vấn đề được nhiều người quan tâm

Dưới đây là mối quan hệ giữa công suất của turbine với tốc độ góc quay của

nó ứng với các tốc độ gió khác nhau, thể hiện trên hình 2.1 Các đường đặc tính công suất tối ưu của turbine được thể hiện bằng nét đậm và được diễn giải như sau:

- Khi tốc độ gió nằm trong khoảng từ tốc độ nhỏ nhất cho phép và tăng cho đến khi công suất của máy phát đạt giá trị lớn nhất cho phép thì tốc độ quay của turbine gió được điều chỉnh sao cho Ctb đạt giá trị tối ưu để công suất biến đổi từ năng lượng gió ứng với mỗi tốc độ gió là lớn nhất Vùng làm việc như vậy được gọi là vùng công suất tối ưu

- Khi công suất của máy phát đã đạt đến giới hạn lớn nhất cho phép mà tốc độ gió vẫn tiếp tục tăng thì có thể điều chỉnh tốc độ quay của turbine ứng với từng tốc

độ gió sao cho Ctb đạt được giá trị nhỏ hơn giá trị tối ưu hoặc điều chỉnh góc pitch

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 14 ĐK-TĐH 2013B

để giữ cho công suất cơ trên trục của turbine là hằng số Vùng làm việc như vậy gọi

là vùng công suất không đổi

- Khi điều chỉnh hệ số Ctb và góc pitch đã ở mức tới hạn mà tốc độ gió vẫn tiếp tục tăng thì bắt buộc phải cắt máy phát để bảo vệ turbine và các bộ biến đổi công suất

Vùng công suất tối ưu Vùng công suất không đổi

2.1.2 Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép (DFIG)

Mục tiêu của phần điều khiển máy phát nguồn kép là giữ cho các công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát ở các giá trị mong muốn Bao gồm hai thành phần: Bộ biến đổi phía máy phát và bộ biến đổi phía lưới

Chức năng của bộ biến đổi phía rotor (rotor side converter - RSC) là điều khiển tốc độ của rotor để đạt công suất tối đa Hệ thống điều khiển RSC dựa trên một số mạch vòng điều khiển tốc độ, điều khiển công suất và điều khiển dòng điện Tín hiệu vào của bộ điều khiển tốc độ được lấy từ điểm công suất cực đại được tính

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 15 ĐK-TĐH 2013B

toán từ vận tốc của cơn gió Đầu ra của bộ điều khiển tốc độ trở thành tín hiệu đặt cho mạch vòng điều khiển công suất Mạch vòng dòng điện sẽ theo dõi công suất bằng bộ điều khiển dòng điện Bộ điều khiển dòng điện gắn trên hệ trục tọa độ dq trùng với trục của rotor máy phát

Nhiệm vụ của bộ biến đổi phía lưới (grid side converter - GSC) là điều khiển điện áp một chiều DC (uDC) sao cho không phụ thuộc vào độ lớn cũng như chiều dòng năng lượng chảy qua rotor, đồng thời nó điều chỉnh hệ số công suất cosφ phía lưới và qua đó có thể giữ vai trò bù công suất phản kháng Q

Các van bán dẫn của bộ biến đổi phía máy phát và bộ biến đổi phía lưới được điều khiển đóng cắt dựa trên nguyên lý điều chế vector không gian (ĐCVTKG)

2.2 Máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

2.2.1 Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG

Sơ đồ thay thế tương đương cho máy điện DFIG được trình bày như hình 2.3 Hình vẽ trên trình bày cho trường hợp mạch điện đấu hình Y, tuy nhiên nếu đấu hình chúng ta cũng có thể chuyển về hình Y tương đương và tính toán tương tự [10]

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG [10]

Áp dụng định luật định luật Kirhoff 2 cho 3 vòng ta được:

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

L (magnetizing inductance): Điện cảm từ hoá

Độ trƣợt s đƣợc tính theo công thức sau:

Tổn thất công suất xác định bằng biểu thức sau:

(2.8) (2.9) (2.10)

(2.11)

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

2.2.2 Công suất của DFIG

Công suất biểu kiến của stator (Ss) và của rotor (Sr) đƣợc xác định bằng cách tính cho 1 pha sau đó nhân 3 (tính chất đối xứng):

P    I s  I   I

Từ các biểu thức trên thấy rằng Ps Pmech/(1-s) và Pr -sPmech/(1-s)

Hình 2.4: Dòng chảy năng lƣợng của DFIG khi bỏ qua tổn thất [10]

(2.12)

(2.13) (2.14)

(2.15) (2.16)

(2.17)

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 18 ĐK-TĐH 2013B

Hình 2.4 trình bày quá trình truyền năng lượng trong DFIG khi bỏ qua tổn thất Chúng ta dễ dàng thấy rằng năng lượng stator và rotor có liên hệ chặt chẽ với nhau thông qua độ trượt s: Pr − sPs

2.2.3 Vector không gian

Ý tưởng của việc sử dụng vector không gian là để mô tả máy điện cảm ứng chỉ bằng hai pha, thay cho việc sử dụng 3 pha Cuộn dây 3 pha của stator được cung cấp một dòng điện 3 pha sẽ sinh ra từ trường quay Từ trường quay này có thể được hình thành chỉ với 2 pha (hình 2.5) Đây chính là nguyên lý của phương pháp vector

không gian, ss chỉ số lượng của 3 pha, lần lượt là sa, sb, sc Áp dụng phép biến đổi [10]:

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

2.2.4 Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong vector không gian

Công suất tác dụng P được tính bởi công thức:

Q u i 

2.3 Mô hình hóa hệ thống DFIG

Hình 2.6 trình bày sơ đồ mạch điện thay thế hệ thống DFIG Như đã đề cập trước đó, hệ thống điều khiển gồm một bộ biến đổi điện áp Back-to-Back cùng bộ nguồn một chiều DC-link ở giữa

s s

s f

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 20 ĐK-TĐH 2013B

Bộ Back-to-Back converter gồm bộ biến đổi phía lưới (grid-side converter - GSC) và bộ biến đổi phía máy phát (machine-side converter - MSC) Hơn nữa, giữa GSC và lưới (grid - G) có đặt một bộ lọc nhằm lọc bớt những sóng hài bậc cao gây

ra bởi GSC

2.3.1 Mô hình hóa máy điện DFIG

Hình 2.7 trình bày sơ đồ thay thế tương đương dạng gần đúng của DFIG được mô tả trong hệ toạ độ không gian vector của stator

s s

ψ

s r

Theo [10] Viết phương trình Kirhoff cho 2 mạch vòng:

dt d

us (stator voltage): Điện áp stator

Ψs (stator flux): Từ thông của stator

ur (rotor voltage): Điện áp rotor

is (stator current): Dòng điện stator

Rs (stator resistance): Điện trở stator

iR(rotor current): Dòng điện rotor

(2.24) (2.25)

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 21 ĐK-TĐH 2013B

Ψr (rotor flux): Từ thông rotor Rr (rotor resistance): Điện trở rotor

Từ thông stator và rotor được xác định như sau:

Phương trình mô men điện từ: T e 3n pIms Ri

Trong đó: Lm: Điện cảm từ hoá, Lσ: Điện cảm quy đổi, np: Số đôi cực từ của máy phát

T : Mô men trên trục rotor

2.3.2 Mô tả hình hóa bộ lọc phía lưới

s R

us fu

Hình 2.8: Mô hình bộ lọc phía lưới trong hệ toạ độ không gian vector

Từ sơ đồ thay thế, viết phương trình Kirhoff 2 trong hệ toạ độ dq, ta được:

(2.29)

(2.30)

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 22 ĐK-TĐH 2013B

Trong đó:

Eg : Điện áp phía lưới

if : Dòng điện chạy qua bộ lọc

uf : Điện áp đặt lên bộ lọc (điện áp ra của bộ GSC)

2.3.3 Mô hình hóa bộ DC-Link

Năng lượng Wdc được lấy trên tụ C và được tính bằng biểu thức sau:

2

1 W 2

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

2.4 Điều khiển phía máy phát

2.4.1 Cấu trúc điều khiển

Bộ điều khiển phía máy phát có nhiệm vụ điều chỉnh công suất tác dụng P (có thể thông qua điều chỉnh moomen điện Te) và công suất phản kháng Qg (hoặc hệ số công suất cosφ) [3]

Trong các hệ thống điều khiển máy điện, các bộ điều khiển dòng đóng vai trò rất quan trọng vì chúng cung cấp vector điện áp cần thiết cho mạch điện tử công suất Hơn nữa, chất lƣợng của toàn bộ hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào

(2.36)

(2.34) (2.35)

(2.38) (2.37)

(2.39) (2.40) (2.41) (2.42) (2.43) (2.44)

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 24 ĐK-TĐH 2013B

chất lượng của các bộ điều khiển dòng Vì vậy, các hệ thống điều khiển máy điện thường bao gồm một mạch vòng trong với một bộ điều khiển dòng và mạch vòng ngoài với các biến điều khiển khác

Cấu trúc điều khiển phía rotor của DFIG trên hình 2.10 được thực hiện như đã trình bày ở trên Trong đó có hai mạch vòng Mạch vòng trong với bộ điều khiển Krc được gọi là mạch vòng điều khiển dòng điện Mục tiêu của việc thiết kế

bộ điều khiển dòng Krc là để đạt được tính năng đáp ứng nhanh và bám theo tín

hiệu đặt Mạch vòng điều khiển ngoài với bộ điều khiển K rt được gọi là mạch vòng điều khiển mômen được thiết kế để bám theo các giá trị tối ưu của tín hiệu và rrt bao gồm mô men điện từ Tevà công suất phản kháng Q g

Hình 2.10: Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát Trên hình 2.10, Grlà mô hình đối tượng, y g (T e Q g)Tlà biến đầu ra điều khiển được suy ra từ i r (i rd i rq)Tbởi khối Ert Trên cơ sở các giá trị đo đạc thực tế của tốc độ gió và các đặc tính của turbine, các giá trị tối ưu của mômen sẽ được tính toán và đưa ra giá trị đặt rrt cho phần điều khiển điện tử công suất

Mômen điện từ của DFIG trong hệ trục tọa độ dq tựa theo điện áp stator

(nghĩa là Ψsd = 0), có thể được tính bởi:

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 25 ĐK-TĐH 2013B

32

Mặt khác, việc điều chỉnh công suất phản kháng Q g cũng có thể đƣợc thực hiện

bằng cách điều chỉnh hệ số công suất g Hệ số này có thể đƣợc tính nhƣ sau:

qua các thành phần dòng điện rotor i rd và i rq

Chi tiết của hệ thống điều khiển phía rotor đƣợc trình bày trên hình 2.11

DFIG RSC

Hình 2.11: Cấu trúc điều khiển phía máy phát [3]

(2.45)

(2.46)

(2.47)

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 26 ĐK-TĐH 2013B

2.4.2 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển phía mát phát

Về mặt bản chất thì mô hình toán của DFIG là phi tuyến [3], trong đó các biến được điều khiển bao gồm dòng điện rotor, từ thông stator và tốc độ góc của rotor Hơn nữa, khi áp dụng nguyên lý điều khiển vector thì các thành phần dòng điện rotor lại có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau Vì vậy, để đảm bảo chất lượng điều khiển tốt thì bộ biến đổi phía máy phát cần phải được áp dụng một phương pháp điều khiển thích hợp Đây cũng chính là một trong những vấn đề được nghiên cứu rộng rãi trong những năm vừa qua Hầu hết các nghiên cứu này đều dựa trên cơ sở tuyến tính hóa (kể cả tuyến tính hóa chính xác) mô hình của DFIG và phân

ly các thành phần dòng bằng cách sử dụng các khâu bù chéo [3] Gần đây đã có một

số công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến đã góp phần nâng cao hơn chất lượng điều khiển

Các phương pháp điều khiển MĐKĐBNK

Phương pháp điều khiển tuyến tính

Tuyến tính hóa chính xác [Exact Linearization]

[3]

Tựa theo thụ động [Passivity-Based]

[1]

Cuốn chiếu [Backstepping] [6]

Tựa phẳng [Flatness based]

[3]

Hình 2.12: Các phương pháp điều khiển máy phát sử dụng DFIG [1] Trong khuôn khổ của đề tài, việc thiết kế bộ điều khiển phía máy phát tác giả chỉ giới thiệu các phương pháp điều khiển ở hình 2.12 Chi tiết các phương pháp này đã được trình bày rất kỹ trong các tài liệu tham khảo kèm theo

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 27 ĐK-TĐH 2013B

2.5 Điều khiển phía lưới

2.5.1 Cấu trúc điều khiển

Hệ thống điều khiển phía lưới nhằm duy trì điện áp một chiều trung gian và công suất phản kháng ở các giá trị mong muốn Để thực hiện được nhiệm vụ này, cấu trúc điều khiển phía lưới được thiết kế như hình 2.13

Cấu trúc điều khiển phía lưới cũng tương tự như cấu trúc điều khiển phía

stator và cũng bao gồm hai mạch vòng Mạch vòng trong với bộ điều khiển K nc được

gọi là mạch vòng điều khiển dòng lưới Mục tiêu của bộ điều khiển dòng lưới K nc là đạt được đáp ứng bám nhanh theo các dòng điện lưới đặt trước Mạch vòng ngoài

với bộ điều khiển K np được gọi là mạch vòng điều khiển dòng công suất được sử dụng để điều khiển điện áp một chiều trung gian và công suất phản kháng giữa lưới và bộ biến đổi thông qua hệ số công suất n được ước lượng bởi khối E np

Hình 2.13: Sơ đồ khối điều khiển phía lưới

Trên hình 2.13, G n biểu diễn mô hình lưới, các biến đầu ra điều khiển gồm có điện áp một chiều trung gian uDC và dòng lưới in  ( ind inq) Trong đó i nd và i nq là các thành phần của dòng điện lưới trên hệ trục tọa độ tựa theo điện áp lưới (hay điện

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

được điều khiển thông qua thành phần d của dòng điện lưới i nd Trên một hệ thống thực tế, điện áp một chiều trung gian cần phải được giữ ở một giá trị cố định không

phụ thuộc vào sự biến đổi của dòng điện rotor i rd Hệ số công suất cosn có thể

được điều khiển thông qua thành phần q của dòng điện lưới i nq

Chi tiết của phần điều khiển phía lưới được vẽ trên hình 2.14

2.5.2 Thiết kế hệ thống điều khiển

Qua mô hình trạng thái hệ thống lưới ta nhận thấy đại lượng điều khiển là điện

áp ra của khâu nghịch lưu phía lưới và vector trạng thái là hai thành phần dòng

điện i Nd và i Nq [3] Vì vậy khâu điều chỉnh vòng trong sẽ là khâu điều chỉnh dòng

phía lưới Hơn nữa ta nhận thấy trong mô hình này có eN đại lượng nhiễu đầu vào gây ra bởi điện áp lưới Tuy nhiên lượng nhiễu này là nhiễu cố định nên ta có thể khử nó bằng khâu bù nhiễu thích hợp trong khâu điều chỉnh dòng

Như trên đã chỉ ra rằng, điện áp một chiều trung gian có thể được điều khiển thông qua thành phần d của dòng điện lưới iNd Trên hệ thống thực tế, điện áp một chiều trung gian phải được giữ ở một giá trị cố định, không phụ thuộc vào giá trị biến thiên của dòng điện rotor ird Hệ số công suất cos Nđược điều khiển thông qua thành phần q của dòng điện lưới iNq

(2.49)

Ngành Điều khiển & Tự động hóa

Nguyễn Thị Thành 29 ĐK-TĐH 2013B

Hình 2.14: Cấu trúc điều khiển phía lưới [3]

Kết luận chương 2

Chương 2 đã trình bày các vấn đề sau:

 Đưa ra các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng DFIG

 Đưa ra mô hình toán học máy phát DFIG, mô hình toán học phía lưới và các biến điều khiển phía máy phát và phía lưới

 Đưa ra cấu trúc và thiết kế hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía lưới và bộ biến đổi phía máy phát

Bộ biến đổi phía máy phát: Điều khiển tốc độ của máy phát để đạt được công suất tối đa Hệ thống điều khiển phía máy phát dựa trên một số mạch vòng điều khiển tốc độ, điều khiển công suất và điều khiển dòng điện

Bộ biến đổi phía lưới: Điều khiển điện áp một chiều DC (uDC) Để làm được điều này chúng ta cần thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp để được dòng điện trục d (id) Dòng điện (id ) trở thành đầu vào của bộ điều khiển dòng điện để điều khiển công suất tác dụng P Bộ biến đổi GSC cũng có thể được sử dụng để điều khiển công suất phản kháng Q, bằng cách sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện trên trục q (i q)