Nghiên cứu đặc tính phẳng của máy phát không đồng bộ nguồn kép và đề xuất cấu trúc điều khiển trên cơ sở nguyên lý hệ phẳng

Trong thời gian qua, em đã tiến hành thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu đặc tính phẳng của máy phát không đồng bộ nguồn kép và đề xuất cấu trúc điều khiển trên cơ sở n

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 2

Lời nói đầu

Ngày nay, máy điện không đồng bộ nguồn kép ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng máy phát điện sử dụng năng lượng gió Ưu điểm chính của máy phát không đồng bộ nguồn kép trong các ứng dụng này chính là công suất của bộ chỉnh lưu cho mạch rotor là nhỏ khi so với công suất của máy phát Thêm nữa, máy phát không đồng bộ nguồn kép có thể vận hành ở dải tốc độ tương đối rộng, thích hợp với các ứng dụng máy phát điện sử dụng sức gió Hiện tại, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, nhiều cấu trúc điều khiển tuyến tính cho máy phát đã được đưa ra và đã đạt đến mức gần như hoàn hảo về tính năng và chất lượng Mặc dù vậy việc nghiên cứu một cấu trúc điều khiển mới phù hợp với bản chất phi tuyến của máy phát có thể hứa hẹn sẽ đem lại những phẩm chất mới cho hệ thống, góp phần chế ngự tốt hơn các trạng thái vận hành phi tuyến Bên cạnh đó, do bản chất phi tuyến của mình, máy phát không đồng bộ nguồn kép là một đối tượng lý thú để học viên áp dụng, thử nghiệm các lý thuyết đã được học

Trong thời gian qua, em đã tiến hành thực hiện luận văn tốt nghiệp với

đề tài: “Nghiên cứu đặc tính phẳng của máy phát không đồng bộ nguồn kép

và đề xuất cấu trúc điều khiển trên cơ sở nguyên lý hệ phẳng” Trong luận văn, em đã từng bước chứng minh đặc tính phẳng, xây dựng cấu trúc điều khiển máy phát, đồng thời việc mô phỏng kiểm chứng cũng được thực hiện trên Plecs

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo GS TSKH Nguyễn Phùng Quang

đã hướng dẫn, động viên em hoàn thành luận văn này Em xin cảm ơn các thầy cô ở bộ môn ĐKTĐ đã giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn

Hà Nội, 3/2011 Học viên: Cao Chính Hiệp

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 3

MỤC LỤC

Các ký hiệu, chữ viết tắt 4

Danh mục hình ảnh 6

Chương 1: Khái quát về hệ phẳng 8

1.1 Định nghĩa hệ phẳng: 8

1.2 Tính chất hệ phẳng: 9

1.3 Ý nghĩa hệ phẳng: 10

1.4 Một vài ví dụ hệ phẳng: 14

Chương 2: Hệ thống phát điện dùng máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIM) 22

2.1 Cấu trúc hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIM): 23

2.2 Biểu diễn các đại lượng ba pha dưới dạng vector: 25

2.3 Hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới: 27

2.4 Mô hình liên tục của DFIM trên hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới : 31

Chương 3: Tính chất phẳng của DFIM và đề xuất cấu trúc điều khiển tựa phẳng cho DFIM 43

3.1 Tính chất phẳng của DFIM: 43

3.1.1 Mô hình trạng thái đầy đủ: 43

3.1.2 Mô hình dòng điện: 50

3.2 Cấu trúc điều khiển tựa phẳng cho đối tượng DFIM: 54

3.2.1 Xây dựng quỹ đạo phẳng cho đầu ra phẳng: 54

3.2.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển: 56

3.2.2.1 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện rotor: 61

3.2.2.2 Mạch vòng điều chỉnh công suất: 65

3.2.3 Phân tích tính chất tách kênh của cấu trúc điêu khiển tựa phẳng với đối tượng DFIM: 67

3.3 Hiện tượng sụt điện áp lưới 70

Chương 4: Kết quả mô phỏng 75

4.1 Sơ đồ mô phỏng: 76

4.2 Kết quả mô phỏng: 85

Kết luận 97

Tài liệu tham khảo 98

m Momen điện của máy phát

cos ϕ Hệ số công suất

DC

U Điện áp trên tụ DC Link

FC Nghịch lưu phía lưới (Front-end Convertor)

GC Nghịch lưu phía máy phát (Generator-side Convertor)

CB Máy cắt (Circuit Breaker)

Trafo Máy biến áp (Transformer)

IE Cảm biến tốc độ (Incremental Encoder)

DFIM Máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly fed Induction Machine)

Control Hardware Bộ điều khiển trung tâm

Ký hiệu ‘d ’ viết bên phải phía trên : giá trị đặt

Ký hiệu ‘ * ’ viết bên phải phía trên : giá trị tính toán bởi bộ điều khiển

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 6

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1: Động cơ điện một chiều kích thích vĩnh cửu 17

Hình 1.2: Hệ thống hai bình thông nhau 20

Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép 23

Hình 2.2: Chế độ hoạt động của DFIM 24

Hình 2.3: Dòng năng lượng khi DFIM ở chế độ máy phát 25

Hình 2.4: Vector dòng stator 27

Hình 2.5: Mối quan hệ giữa vector điện áp và vector từ thông stator 28

Hình 2.6: Hệ tọa dộ dq, tựa theo điện áp lưới 31

Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển phẳng không cascade cho DFIM 57

Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển phẳng cho DFIM 61

Hình 3.4: Bộ điều khiển có phản hồi cho dòng rotor 62

Hình 3.5: Khâu PI cho vòng điều khiển dòng rotor 64

Hình 3.6: Bộ điều khiển truyền thẳng cho công suất 65

Hình 3.7: Bộ điều khiển có phản hồi cho công suất 66

Hình 3.8: Khâu PI cho vòng điều khiển công suất 67

Hình 3.9: Cấu trúc điều khiển DFIM sử dụng hai bộ PI 68

Hình 3.10: Cấu trúc điều khiển DFIM sử dụng phương tuyến tính hóa chính xác 69

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng điều khiển tựa phẳng máy phát không đồng bộ nguồn kép 76

Hình 4.2: Bên trong khối DFIG dq 76

Hình 4.3: Mô hình của DFIG được xây dựng dựa trên khối máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có sẵn của PLECS 77

Hình 4.4: Bên trong khối Avg 2 Level Conv 78

Hình 4.5: Bên trong khối FPT 78

Hình 4.6: Giao diện một khối C-Script của PLECS 79

Hình 4.7: Khối mG, cosPhi Ref 80

Hình 4.8: Bên trong khối DFIG Control 81

Hình 4.9: Bên trong khối ir control 82

Hình 4.10: Bộ điều khiển phẳng dòng rotor 83

Hình 4.11: Bên trong khối mG, cosPhi control 84

Hình 4.12: Bộ điều khiển phẳng công suất 85

Hình 4.13: Mô phỏng hai đại lượng công suất khi thay đổi điểm đặt 86

Hình 4.14: Mô phỏng hai đại lượng dòng rotor khi thay đổi điểm đặt công suất 88

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 7

Hình 4.15: Giữ nguyên momen, thay đổi hệ số công suất 89

Hình 4.16: Giữ nguyên hệ số công suất, thay đổi momen 90

Hình 4.17: Mô phỏng khi có sai lệch thông số 92

Hình 4.18: Mô phỏng khi sập lưới 25% 93

Hình 4.19: Mô phỏng khi sập lưới 50% 94

Hình 4.20: Mô phỏng khi sập lưới 75% 95

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 8

Chương 1: Khái quát về hệ phẳng

1.1 Định nghĩa hệ phẳng: (theo [4])

Cho hệ: x f x u & = ( , )

Trong đó biến trạng thái x ∈ Rn , biến điều khiển u ∈ Rm, được gọi là

hệ phẳng nếu tồn tại biến y = ( y y1, , ,2 ym) thỏa mãn:

*Điều kiện (1): tồn tại hàm ψ sao cho y = ψ ( , , , , x u u & u( )s ) , s N ∈

*Điều kiện (2): tồn tại hàm ϕ ϕ0, 1 sao cho

tồn tại hàm H nào để : H ( , , , y y & y( )k ) 0 =

Nếu ba điều kiện trên được thỏa mãn thì hệ được gọi là hệ phẳng và biến

y = ( y y1, , ,2 ym) được gọi là đầu ra phẳng của hệ

Một số kết luận ta có thể rút ra từ định nghĩa hệ phẳng:

Æ Đầu ra phẳng biểu diễn được là hàm của biến trạng thái, biến điều khiển

và các đạo hàm của biến điều khiển

Æ Biến trạng thái, biến điều khiển biểu diễn được là hàm của đầu ra phẳng

và các đạo hàm của đầu ra phẳng

Æ Các thành phần của đầu ra phẳng là độc lập vi phân

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 9

Æ Đầu ra phẳng của một hệ phẳng không phải là duy nhất Bởi đơn cử giả

sử y = ( y y1, 2) là đầu ra phẳng của một hệ 2 đầu vào thì

z với k là một số tự nhiên, cũng là một đầu ra

phẳng khác của hệ Dễ dàng thấy được điều này bởi y có thể biểu diễn

-Một hệ tuyến tính là hệ phẳng khi và chỉ khi hệ đó là điều khiển được

-Mọi hệ phẳng đều có thể tuyến tính hóa được bằng đường phản hồi

động nội sinh Và ngược lại mọi hệ tuyến tính phản hồi động nội sinh

đều là hệ phẳng

Sau đây ta làm rõ thế nào là đường phản hồi động nội sinh:

Xét hệ: x f x u & = ( , ) Ta gọi đường phản hồi động nội sinh là đường

phản hồi động có dạng: z & = β ( , , ) x z v u = α ( , , ) x z v và làm cho

hệ kín:

( , ( , , )) ( , , )

α β

& và hệ x f x u & = ( , ) là tương đương

Lie-BackLund tức là tồn tại hàm Φ và Ψsao cho:

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 10

( , ) x u = Φ ( , , ) x z v và ( , , ) x z v = Ψ ( , ) x u Với u = ( , , , ) u u u &&& ( , , , )

Trong đó ( , , y1 ym) là đầu ra phẳng của hệ phẳng x f x u & = ( , ) và các

số nguyên ( , , ) r1 rm có được từ quan hệ:

Đối với hệ phẳng thì các biến trạng thái, biến điều khiển được biểu diễn

là hàm của đầu ra phẳng và các đạo hàm của đầu ra phẳng Điều đó cho phép ta có thể tính được trạng thái cũng như tín hiệu điều khiển cần thiết của hệ phẳng khi cho trước quỹ đạo của đầu ra phẳng Vấn đề ở đây là làm sao thiết lập được quỹ đạo đặt trước cho đầu ra phẳng để có thể thỏa mãn các điều kiện biên Dưới đây chúng ta sẽ xem xét vấn đề này:

Xét hệ phẳng: x f x u & = ( , ) với đầu ra phẳng: y = ( y y1, , ,2 ym)

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 11

Mục đích của ta là xây dựng quỹ đạo cho biến đầu ra phẳng y, từ đó

tính ra biến trạng thái, biến điều khiển Dựa vào định nghĩa của hệ phẳng ta có quan hệ:

Æ Có 2(r+2) điều kiện biên cho mỗi thành phần của y

Việc tạo giá trị đặt cho y rõ ràng là có nhiều lời giải nhưng để đơn giản

chúng ta chọn quỹ đạo của y là các đa thức Mỗi thành phần của ycó 2(r+2) điều kiện biên nên nó là một đa thức có bậc ít nhất là 2r+3 với 2(r+2) hệ số

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 12

( )

,

! ( )

Æ Ta có hệ phương trình tuyến tính 2r+4 ẩn aj,0, , aj r,2 +3 ứng với

mỗi thành phần của đầu ra phẳng y

Với r+2 hệ số đầu aj,0, , aj r, 1+ ta dễ dàng giải được từ hệ thức trên:

( )

!

k k

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 13

1

( ) 0

l

l

l k r

*Trường hợp quỹ đạo đặt “rest to rest”:

Đây là trường hợp đặc biệt khi mà điểm đầu và điểm cuối là hai điểm cân bằng của hệ, tức là ta có các đạo hàm của đầu ra phẳng tại điểm đầu

và cuối là bằng 0: y t & ( ) 0 , ( ) 0 i = y t & f =

Khi đó ta thay vào trường hợp tổng quát thì được quỹ đạo của đầu ra phẳng:

2 1 , 0

a a s s

=+ + +

z thỏa mãn điều kiện (1) do z=x 1 là một biến trạng thái của hệ

Hiển nhiên z thỏa mãn điều kiện (3) do z là biến đơn

z thỏa mãn điều kiện (2) do các biến trạng thái và đầu vào của hệ được tính

theo z và các đạo hàm của nó như sau:

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 17

Ví dụ 2: (theo [4])

Hình 1.1: Động cơ điện một chiều kích thích vĩnh cửu

Xét động cơ một chiều kích thích vĩnh cửu:

Với các thông số: điện trở stator: R, điện cảm stator: L, momen quán tính

J , hệ số ma sát nhớt: Kv, momen cản Cr

Dòng điện stator: I , vận tốc góc ω , điện áp stator U

Phương trình điện áp stator: dI

Ta sẽ chứng minh vận tốc góc ω là đầu ra phẳng của hệ: y = ω

-ω thỏa mãn điều kiện 1 là một biến trạng thái của hệ

- Hiển nhiên thỏa mãn điều kiện 3 bởi ω là một biến đơn

- Xét điều kiện 2:

Các biến trạng thái ω , Iđều là hàm của yvà đạo hàm bậc 1 của y

Còn biến điều khiển U là hàm của y y y , , & &&

Æ Vậy hệ là phẳng với đầu ra phẳng y = ω

Ví dụ 3 (theo [4]): Điều khiển robot công nghiệp

Ta xét một cánh tay robot với n bậc tự do và n cơ cấu chấp hành

Phương trình động lực học của robot có dạng:

0( ) q q ( , ) q q Q q q u ( , )

Γ & + Γ & = &

Trong đó qi là lượng tịnh tiến đối với khớp tịnh tiến và góc quay đối

với khớp quay, dim q=dim u = n, rank(Q) = n

Q q q& là ma trận đặc trưng cho cơ cấu chấp hành và khả đảo

Các biến trạng thái của hệ thống ta đặt:

x = q x = & q Khi đó ta có:

Một ví dụ về hệ phi tuyến phẳng như sau:

Hệ 2 bình thông nhau như hình vẽ.Bình thứ nhất có lưu lượng vào

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 20

Hình 1.2: Hệ thống hai bình thông nhau

Mô hình đối tượng được xây dựng dựa trên các phương trình:

( ) ( )( ) 2 ( )( ) 2 ( )( ) ( )

dV t

q t q t dt

dV t

q t q t dt

trong đó V1= A x t V1 ( );1 2 = A x t q t2 ( ); ( )2 1 =u t g( ); là gia tốc trọng trường

Từ các phương trình trên ta rút ra được mô hình của đối tượng :

z thỏa mãn điều kiện (1) do z=x 2 là một biến trạng thái của hệ

Hiển nhiên z thỏa mãn điều kiện (3) do z là biến đơn

z thỏa mãn điều kiện (2) do các biến trạng thái và đầu vào của hệ được tính

theo z và các đạo hàm của z như sau:

Thay x ở trên vào công thức sau ta tính được u theo z và các đạo hàm của 1z:

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 22

Chương 2: Hệ thống phát điện dùng máy phát

không đồng bộ nguồn kép (DFIM)

Ngày nay, vì kết cấu cổ góp nên máy điện không đồng bộ rotor dây quấn hiếm khi được sử dụng trong chế độ động cơ Tuy nhiên máy điện đó lại đạt được nhiều ưu điểm khi vận hành ở chế độ máy phát và đặc biệt được ứng dụng nhiều trong các ứng dụng máy phát điện sức gió, sức nước Một ưu điểm chính của máy phát không đồng bộ nguồn kép chính là công suất của

bộ nghịch lưu điều khiển máy phát (cũng chính là điều khiển phía rotor) bé hơn khi so sánh với công suất của toàn bộ máy phát điện (khoảng 30% công suất máy phát), điều đó làm giảm giá thành hệ thống nghịch lưu máy phát điện sức gió sử dụng DFIM so với các hệ thống nghịch lưu điều khiển trực tiếp stator của máy phát được sử dụng trong nhiều hệ thống phong điện khác Một ưu điểm khác của hệ thống điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép là tốc độ của rotor có thể vận hành trong một dải rộng (dưới đồng bộ và trên đồng bộ) rất thích hợp với ứng dụng máy phát điện sức gió vì tốc độ gió thay đổi liên tục

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 23

2.1 Cấu trúc hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIM): (theo [1])

Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (theo [1])

Trung tâm của hệ thống máy phát chính là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn Stator của máy điện không được điều khiển trực tiếp (nối với nghịch lưu) mà được nối thẳng với lưới, vì vậy mà hệ thống điện dây quấn stator quay đồng bộ với lưới Hệ thống dây quấn rotor được nối ra ngoài thông qua cổ góp và được điều khiển thông qua hai bộ nghịch lưu “back-to-back”: nghịch lưu phía lưới và nghịch lưu phía máy phát Nghịch lưu phía máy phát có nhiệm vụ điều khiển điện áp rotor từ đó điều khiển công suất hữu công và công suất vô công phía stator Nghịch lưu phía lưới có nhiệm

vụ điều khiển dòng năng lượng chảy giữa lưới và tụ DC Link ( chảy từ lưới đến tụ DC Link trong chế độ duới đồng bộ và ngược lại ở chế độ trên đồng

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 24

bộ), điều này được thực hiện qua việc điều khiển cho điện áp DC Link là không đổi Ngoài ra, kết hợp với nghịch lưu phía máy phát, nghịch lưu phía lưới cũng đóng góp vào nhiệm vụ điều khiển công suất vô công chung của toàn hệ thống máy phát Toàn bộ hệ thống sẽ được điều khiển bằng bộ điều khiển trung tâm Các đại lượng cần thiết sẽ được các cảm biến đưa về bộ điều khiển trung tâm Trong khuôn khổ của luận văn, ta sẽ không xem xét bộ nghịch lưu phía lưới Điều khiển bộ nghịch lưu phía máy phát là trọng tâm nghiên cứu của luận văn và sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo

Các chế độ hoạt động của DFIM:

Hình 2.2: Chế độ hoạt động của DFIM (theo [1])

Có bốn chế độ hoạt động của máy điện không đồng bộ nguồn kép tương ứng với 4 vùng: I, II, III, IV trên hình vẽ Tốc độ của rotor DFIM sẽ quyết định máy điện đang vận hành ở vùng tốc độ trên đồng bộ (II, IV) hay dưới đồng

bộ (I, III), điều này thực hiện được là nhờ bộ biến đổi công suất nghịch lưu

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 25

có thể cho dòng năng lượng đi theo hai chiều Dấu của momen điện DFIM

sẽ quyết định máy điện đang vận hành ở chế độ máy phát (III, IV) hay động

cơ (I, II) Độ lớn của momen điện DFIM cũng tương đương với công suất hữu công của máy điện (nhận từ lưới hay phát lên lưới) Do đó momen điện DFIM là đại lượng cần được điều khiển trong quá trình vận hành ở chế độ máy phát Hệ số công suất cos ϕ cũng là đại lượng cần được điều khiển, do

đó máy phát có thể hoạt động như một máy bù công suất phản kháng, hay một máy phát công suất phản kháng

Hình 2.3: Dòng năng lượng khi DFIM ở chế độ máy phát (theo [1])

Khi vận hành ở chế độ máy phát, DFIM sẽ luôn nhận năng lượng từ nguồn năng lượng sơ cấp bên ngoài như từ gió, nước và bên phía stator sẽ phát năng lượng lên lưới, còn rotor sẽ tùy vào chế độ hoạt động mà sẽ lấy năng lượng từ lưới trong vùng tốc độ dưới đồng bộ và phát năng lượng lên lưới trong vùng tốc độ trên đồng bộ

2.2 Biểu diễn các đại lượng ba pha dưới dạng vector: (theo [1])

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 26

Từ nguyên lý máy điện, ta biết rằng các đại lượng ba pha có thể biểu

diễn dưới dạng một vector quay trên mặt phẳng vector

Ta xét một đại lượng ba pha tiêu biểu: Ba dòng điện pha hình sin phía

stator phải thỏa mãn phương trình (đối với máy điện không có điểm trung

Lúc này , ba dòng pha sẽ là hình chiếu của vector is xuống trục của các

cuộn dây tương ứng

3i t su

0

120

2 ( )3

j sv

i t e

0

240

2 ( )3

j sw

i t e

Hình 2.4: Vector dòng stator (theo [1])

Vector isquay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc ωs Tương tự đối với các

đại lượng ba pha khác như u ψ i ,u ,ψs, s, r r r cũng là các vector quay trong

không gian với tốc dộ góc nhất định mà ta sẽ làm rõ ở phần sau

2.3 Hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới: (theo [1])

Trong cấu trúc hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép, stator máy phát được nối thẳng với lưới, điện áp stator bằng điện áp lưới, tần số stator luôn bằng tần số lưới Với giả thiết tần số lưới là ổn định tại 50Hz và điện trở stator Rs là nhỏ, thì điện áp rơi trên điện trở stator có thể bỏ qua khi so

với điện áp trên hỗ cảm và trên điện cảm tản stator Lm và Lσs

Xét phương trình điện áp stator trên hệ tọa độ cố định với stator:

d dt

Ψ

≈

u , ta có thể kết luận rằng vector từ thông stator

gần đúng là một vector hằng và chậm sau so với vector điện áp stator một góc là 90° Æ us s ≈ j ωsΨs s

Hình 2.5: Mối quan hệ giữa vector điện áp và vector từ thông stator

Mục tiêu điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép chính là điều khiển tách kênh hai thành phần momen điện của máy phát (đại diện cho thành phần công suất hữu công) và hệ số công suất cos ϕ (đại diện cho thành phần

công suất vô công) Khi sử dụng hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới, ta sẽ nhận các quan hệ vật lí rất có lợi cho ta trong thiết kế bộ điều khiển cho máy phát không đồng bộ nguồn kép

Mối quan hệ giữa thành phần dòng stator và dòng rotor được thể hiện qua phương trình từ thông:

L

i i L

L

i i L

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 31

Hình 2.6: Hệ tọa dộ dq, tựa theo điện áp lưới (theo [1])

Æ Như vậy thành phần dòng stator được biểu diễn qua thành phần dòng rotor bằng một quan hệ đơn giản Nhờ quan hệ này ta có thể sử dụng các biến ird và irq như là các biến điều khiển cho momen điện và hệ số công

suất của máy phát mà ta sẽ trình bày ở phần sau

2.4 Mô hình liên tục của DFIM trên hệ tọa độ dq tựa theo điện áp

lưới : (theo [1])

Mô hình máy phát được xây dựng dựa trên các phương trình sau:

d R

Cao Chính Hiệp – CHĐKTĐ 0810 33

Ls,Lr: Điện cảm phía stator và rotor

Lσs,Lσr : Điện cảm tản phía stator và rotor

Các phương trình trên được xây dựng trên các hệ tọa độ khác nhau , để thu được mô hình liên tục của máy phát, ta sẽ chuyển các phương trình trên về

hệ tọa độ mới là hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới

Khi chuyển một vector i từ hệ tọa độ nào đó αβ sang hệ tọa độ dq với góc

giữa hệ tọa độ dq và hệ tọa độ αβ là θk:

Trong đó ωk là tốc độ quay của hệ tọa độ dq so với hệ tọa độ cố định với

stator Do dq tựa theo điện áp lưới, vector điện áp lưới quay với tần số góc

s

ω so với hệ tọa độ cố định với stator cho nên ta có: ωk = ωs

Thay vào (2.1) ta được: s s s s s s

Trong đó ωk là tốc độ quay của hệ tọa độ dq so với hệ tọa độ cố định với

rotor Do dq tựa theo điện áp lưới, vector điện áp lưới quay với tần số góc

Nếu xét các biến là các vector thì đây là một hệ bốn phương trình với bốn ẩn

là các vector: is, ir , Ψs, Ψr Với hai phương trình cuối (phương trình

từ thông) ta có thể dễ dàng loại bỏ hai ẩn không mang nhiều ý nghĩa trong mục tiêu thiết kề điều khiển của ta Thành phần dòng rotor ir, là biến điều

khiển cho momen điện và hệ số công suất của máy phát (phần sau) , đồng thời chúng ta điều khiển cũng là điều khiển trên mạch rotor nên dòng rotor

sẽ được giữ lại Từ thông stator Ψs cũng được giữ lại vì nó được coi gần đúng là hằng và giúp cho thiết kế điều khiển trở nên dễ dàng hơn Loại trừ

• Biến điều khiển cho công suất hữu công:

Công suất hữu công của máy phát được điều khiển thông qua việc điều khiển momen điện của máy phát Momen điện của máy phát không đồng bộ nguồn kép có thể được tính theo công thức:

Bằng việc lựa chọn sử dụng hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới, thành phần trục

q của từ thông stator được coi gần đúng là hằng, như vậy momen điện của máy phát giờ đây được đơn giản hóa chỉ phụ thuộc vào thành phần trục d của dòng rotor ird

Æ Vì vậy thành phần trục d của dòng rotor ird là biến điều khiển cho momen điện của máy phát hay chính là công suất hữu công của máy phát

Nhưng ta cũng có một cách tốt hơn để tính momen điện máy phát mà không cần biết bất kì tham số nào, hay ít nhất là không cần biết tham số phụ thuộc vào điểm làm việc như LM

Với điện trở stator là nhỏ thì thành phần R is s2 có thể bỏ qua ta được công

thức đơn giản hơn:

• Biến điều khiển cho công suất vô công:

Tương ứng với giá trị đặt của công suất hữu công thì việc điều khiển thành phần công suất vô công được thể hiện qua việc điều khiển hệ số công suất của máy phát

Đối với hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới, điện áp stator cũng chính là điện áp của lưới, thành phần usd luôn dương, còn usq = 0 Máy điện không đồng bộ

nguồn kép có thể hoạt động ở chế độ động cơ, hoặc máy phát tùy vào dấu của momen điện của máy điện Trong khuôn khổ luận văn, ta chỉ xét trường hợp máy điện vận hành ở chế độ máy phát với dấu của momen điện của máy điện là âm Từ công thức (2.9) ta thấy rằng với usd luôn dương thì thành

phần trục d dòng stator isd luôn âm khi DFIM vận hành ở chế độ máy phát

Khi tính hệ số công suất cos ϕ của máy phát thì góc ϕ lúc này được quy định là góc giữa hướng âm của trục d và vector dòng stator is Do đó cos ϕ

được tính bởi công thức: