BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM
65161
NGUYÊN TRƯỜNG GIANG
ĐIÊU KHIỂN CÔNG SUÁT MÁY PHÁT
Trang 2Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA met Z(É vba
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM ngày 28 tháng 9 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT Họ và Tên Chức danh hội đồng Cơ quan công tác
1 | TS Ngô Cao Cường Chủ tịch Hội đồng
2 | TS Nguyén Thanh Phuong Phan bién 1
3 | TS Huynh Quang Minh Phản biện 2
4 | TS Huỳnh Châu Duy Ủy viên
Trang 3TRUONG DAI HOC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
PHONG QLKH - ĐTSĐH mm
TP HCM, ngày L5 tháng năm 2018,
NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYÊN TRƯỜNG GIANG Giới tính: nam
Ngày, tháng, năm sinh:25/8/1981 Nơi sinh: Bảo Lộc
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1181031010
I- Tên đề tài:
Điều khiển công suất máy phát điện gió dùng mô hình nội
1Ị- Nhiệm vụ và nội dung:
¥ Tim hiểu về Hệ thống biến đổi năng lượng gió
v Xây dựng mô hình toán học máy phát điện gió
v Thiết kế hệ thống điều khiển máy phát điện gió dùng mô hình nội và mô phóng bằng phần mềm Matlab
Y Thiét ké bé lọc IMC bằng bộ điều khiển mờ và mô phỏng bằng phần mềm Matlab
H- Ngày giao nhiệm vụ: 15-6-2012 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
CÁN BO HUONG DAN KHOA QUAN LY CHUYEN NGANH
Trang 4Tôi tên là Nguyễn Trường Giang, học viên lớp cao học Thiết bị, mạng và nhà máy điên niên khoá 2011-2013 sau ha: năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biêt là PGS.TS Dương Hoài Nghĩa, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của Tôi, Tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khoá học thạc sĩ
Tôi đã quyết đỉnh chọn đề tài tốt nghiệp là: "Điều khiến công suất máy phát điện gió dùng mô hình nội" Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi 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 có tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiên Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trịch dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguôn gôc xuất xứ
Học viên thực hiện Luận văn
A
Trang 5il
LOI CAM ON
Trong quá trình thực hiện đẻ tài luận văn, Tôi đã gặp rất nhiều khó khăn, và phải cố găng nỗ lực rất nhiều để hoàn thành được luận văn Thạc sĩ này Tuy nhiên, Tôi đã khơng thể hồn thành được luận văn này nếu không có sự quan tâm, giúp đỡ của Gia đình, Thầy Cô, Bạn bè đồng nghiệp
Đạt được kết quả như ngày hôm nay, Tôi xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa, đã hướng dẫn Tôi thực hiện đề tài luận văn này; Quý Thầy Cô Khoa Điện các trường Đại học ( trường Đại hoc Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh, trường Đại học Bách khoa TP.Hồ Chí Minh, trường Đại học Công Nghiệp TP.Hà Chí Minh , trường Đai học Sư phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh , trường Đại học Tôn Đức Thắng), mọi người trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ Tôi trong quá trình làm Luận văn
Trang 6Luận văn trình bày các vấn đề liên quan đến việc mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát điện không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DEFIG được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi DFIG được xem như một đối tượng phi tuyến và điều khiển đốt tượng này bằng phương pháp mơ hình nội
Mơ hình tốn hoc DFIG được xây dựng trong môt hề trục tọa đô tham chiếu dq thích hợp, định hướng theo véctơ điện áp lưới để có sự phân lập giữa điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng bên phía stator máy phát,
Với kỹ thuật đình hướng hệ trục tọa độ tham chiếu dq, cho thấy có thể điều khiển tiêu thụ hoặc phát cơng suất phản kháng hồn toàn độc lập với điều khiển các chế độ vận hành công suất thực Do stator DFIG được nối trực tiếp với lưới điện và điện áp stator được có định theo điện áp lưới, nên mục tiêu điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng bên phia stator DFIG may phat duoc qui về mục tiêu điều khiển độc lập hai thành phan trục d va q của véctơ dong dién stator trong chế độ vận hành bình thường
Trang 7IV ABSTRACT
The thesis is presented with the concerning issues of modeling and building the technical solution for controlling the dynamo which does not synchronize and it provides the source from the two sides of DFIG applied in the system of wind power with changed speed DFIG is considered to be a non-linear objective and it is controlled by the method of internal model The thesis is presented with “Control power of wind generator using internal method”
The mathematical model of DFIG is built in the suitable reference axis called dq, and it is used for orientation of power vector that can tell the difference between the effective power and reactive power of stator generator
The onentation of technology with the reference axis “dq”, 1t 1s shown that controlling the electricicty consumption or reactive power which are independent on controlling of effective power Stator DFIG 1s connected directly with electricitynetwork and stator voltage, so the goal of controlling of independent effective power and reactive power of DFIG stator are the independent goals of controlling and they have two elements of axis “d” and “q” of electricity current vectors of stator in the normal power operarion system
Trang 8Trang phy bia
lu Ns 0 0n n i LOG CAM ON ii
Tóm thts oie cccccccecccsssssssssssssvsssecesccsseece th HH tre Han Ha Hee di
[1 28h -a ¬— IV
Mục lục .Đ a OV
Danh mục các chữ viết tắt, lọ vil
Danh mục các bảng c2 cee TH" 2h ke at 1X
P1 i6o0 s2 i07 ~.adda a ă - x
CÁC HÌNH TRONG ĐỀ CƯƠNG ten aaneene 9
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Lo eniiirree 1
1.1 Tổng quan về năng lượng Bi6 oo ccccccss cesses sseccssssesesssseccessseescecnssesseeesieeeenunsecesunsees ] 1.2 Phạm vi nghiên cứu của 07077 3 3 1.2.1 Đối tương nghiên cứu sà cà cà
1.2 2 Phạm vi nghiên CỨU 2à nền HH HH HH HH HH Hư Hư 3
1.3 Phác thảo nội dung của luận văn oe cà HH in He 3
CHUONG 2: TONG QUAN VE HE THONG BIEN BOI NANG LUONG GIO 4
2.1 Mô hình cầu tạo tuabin giồ ì yên eee 4
22 Hệ thống biến đổi năng lượng gió cằne c Bà nannieiree 5
2.2.1 Năng lương BIÓ LH nh HH nà TU HH TH ng HH tre 5
2.2.2 Sur phn BG t6c dO BiG cccccssssee veseseesee sessecssssssesseccsssssesssssessssvessesesnes sevsnesees 5
2 2.3 Sự chuyển đôi năng lượng gió va hiéu swat rotor eee on eee 7
2 2.4 Đường cong công suất tuabin gió - cette eee eee ee 10
Trang 9vi
2.4.2 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đơi tồn bộ cơng
TA CS caseees 15
2.4.3 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi sử dụng DFIG 16
2.5 Máy phát điện gió cấp nguồn 2 phía DEIG ‹- : coserreeriirireeerrerriee 16
2.5.1 Máy phát đồng bộ cấp nguồn từ 2 phía DFlG 17 2.5 2 Sơ đề tương đương DFIG ở chế độ xác lập hen Ỉenhee 19 CHƯƠNG 3: THIET KE HE THONG DIEU KHIEN CONG SUAT MAY
PHAT ĐIỆN GIÓ VÀ MÔ PHỎNG BẰNG PHẢN MÈM MATLAB 21 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển công suất máy phát điện gió .- 21 3 1 1 Hệ thống điều khiển tuabin gió trang bị DFIG 21
3.1.2 Mơ hình tốn học DFTG - - cà vtcc22ttretrt2e HHrrrrrrerrreriiei 23
3.1.3 Điều khiển công suất DFIG à che Hhrrrreererre 25 3.1.4 Thiết kế giải thuật điều khiển mô hình nội - site 30 3.2 Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab -.ccnsnierrrrrriee 39 3.3 Khảo sát tính bền vững của hệ thống ƒenheee ehrerrimrise 41
3.4 Khảo sát ảnh hưởng của bộ lọc ÏMC ằcee HH nhe 41
3 5 Thiết kế bộ lọc IMC với bộ điều khiển mờ - - -ccc-sn sàn 41 CHƯƠNG 4: KẾT QUÁ MÔ PHỎNG neeneeee 50 4.1 Kết quả mô phỏng mô hình nội s2 chỉ 50 4.2 Khảo sát tính bền vững của hệ thống cu Hee settee 54 4.3 Bồ lọc IMC với bộ điều khiển mờ cniiretrrrrrrrrre 73
co Số hố 6 Ốằ u
4.5 Đề xuất những nghiên cứu tiếp theo c Íàê nỉ eee 78
Trang 10r 8 iw rr me “ Gg 98 4
Doubly Fed Induction Generator Field Oriented Control
Grid Side Converter Rotor Side Converter Pulse Width Modulation Synchronuos Generator Stator Current
Hỗ cảm giữa rotor và stator
Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
Điện cảm tiêu tán phía cuộn đây rotor (đã quy déi vé stator) = Lặ + Lạ, : điện cảm stator = Lạ + Lự„ : điện cảm 10tor =: hang số thời gian stator a [> a ~« =—~ hằng số thời gian rotor r a L ^ A tits ton th =l TT : hệ sô tiêu tấn tông er
(Power) công suất của động cơ (Pole couple): số đôi cực Điện trở stator Điện tro rotor Momen quán tính Moment tai(Load Torque) Từ thông Tốc độ
Moment điện từ(Torque electromagnetic) Dòng điện, điện áp, tân số
Trang 11a, B
Trang 13x
DANH MUC CAC HINH VE
Hinh 2.1 Cau tao tuabin gi6 cc cccccccssscsesssssee se 4 Hình 2.2 Sơ đề khối làm việc của máy phát điện gió cecee nenniren 5 Hình 2.3 Hàm mật độ xác suất của phan bé Rayleigh thé hién vận tốc gió trung bình
5.4m/s (nét liền), 6.8m/s (nét đứU và 8.2m/s (nét chắm)_ 6
Hình 2.4 Đường cong hiệu suất rotor lý THUY Ste ` e 7
Hình 2.5 Công suất đầu ra phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ tuabin 8
Hình 2.6 Các trạng thái hoạt động cánh tuabin gió c cỉherhrerreerrrrre 8
Hình 2.7 Goéc pitch cla cdmh quat 216 oo scceccceseeseestenetseeee HH re 9
Hinh 2.8 Cac thanh phan vận tốc và lực tại cánh tuabin giÓ -.-.cccceccieirerrrre 9
Hình 2.9 Đường cong hiệu suất rotor Cÿ (AB) cà cnhihhihhhhrhieitidirireeae 10
Hình 2.10 Đường cong công suất lý tưởng của tuabm gió - 11
Hình 2.11 Điều chỉnh độ nghiêng cánh tuabin gió - 12
Hình 2.12 Sơ để nguyên lý điều khiển tối ưu 1 - - e -eeeeeeerre ceree 13 Hình 2.13 Đường cong công suất tuabin ceereeereeerrrr se 13 Hình 2.14 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ có định càccccccnee nhớ 15 Hình 2.15 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biển đổi toàn bộ công
180 8 16
Hình 2.16 Hệ thống biến đổi năng lượng gió được trang bị với DEIG 16 Hình 2.17 Máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía ° 17
Hình 2.18 Chiều của đồng năng lượng qua máy phát DF]G ‹ - >: cnc: 18
Hình 2.19 Sơ để tương đương DFIG ở chế độ xác lập „ „ à - ID
Hình 3.1 So dé điều khiến tống thể tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG 21
Hình 3.2 Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ truc dq 23 Hình3.3 Mach điện tương đương mô hình động cơ DEIG trong hệ truc tọa độ tham
Trang 14Hình 3.5 Định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới -c sec 26 Hình 3.6 Giản đồ véctơ điện áp lưới và véctơ từ thong stator ở xác lập khi bỏ qua
bi28303c19 0101001007087 a 27
Hình 3.7 Giản đồ véctơ dòng, áp và từ thông của DEIG - -.scsrrreecee 28
Hình 3 8 Giá trị tham chiếu điều khiển cho dòng điện stafor được tính từ công suất GA A.A.AA 29 Hình 3.9: Hệ thống điều khiển dùng mô hình nội -.55:5 e2 HH n nhe s 30 Hình 3 10: Hệ thống điều khiển mô hình nội áp dung cho máy phát điên DFIG 31 Hình 3.11: Khối mô hình máy phát điện DFIG - - - 35 Hình 3.12 Khôi tính công suất Ps và Qs 0 2n nh HH2 ke 35
Hình 3.13: Sơ đề simulink của mô hình thuận à 05 2C Sưu 36
Hình 3.14: Sơ đỗ simulink của mô hình ngược đúng -5 55c ctertctrrrrries 37
Hình 3.15: Sơ đỗ simulink của bộ lọc [MC 22tr 38 Hinh 3.16 Hé théng diéu khién dùng mô hình nội re cớ, 40
Hình 3.17 Khối tín hiệu đặt lục „ẹ - - sằeằằằằeeeeeeeerrie or HH Hee 40
Hình 3.18: Khối bộ điều khiển IMC - sò.-Ặ canh HH He re 40
Hình 3.19' Khối so sánh tạạ, „; và iạ - ii 4I
Hình 3.20: Sơ đỗ simulink của bộ lọc IMC cổ điễn cc22vverrriiirriierie 42
Hình 3 21: Sơ đỗ simulink của bộ lọc IMC mờ 5c co 2t 2t St etrrrrrrrkee 43
Trang 15CHUONG 1: MO DAU
1.1 TONG QUAN VE NANG LUQNG GIO
Năng lượng hóa thạch (than, dầu mỏ, khí thiên nhiên) là nguồn năng lượng quan trọng, cung cấp nhu cầu điện năng, nhiệt năng, nhiên liệu động cơ cho các hoạt động của con người từ nhiều thế kỷ qua Tuy vậy, nguồn năng lượng này là có hạn, là loại năng lượng chỉ có mất đi mà không thé tái tạo lại được, vì vậy ngày một cạn dần Hơn nữa, khi sử dụng năng lượng hóa thạch, sự phát thải khí CO, một loại khí nhà kính đã làm nhiệt độ của bề mặt trái đất nóng dần lên làm khí hậu hành tỉnh biến đổi theo chiều hướng ảnh hưởng xấu đến môi trường sống của con người
Trong khi các nguồn năng lượng khác như Thủy Điện hay Điện Hạt Nhân cũng có các vấn để như: hủy hoại sinh thái gây biến đổi khí hậu hay vấn để an toàn Vì vậy, vấn để tìm nguồn năng lương mới an tồn, khơng gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính là cần thiết Ở các nước phát triển, năng lượng gió cùng với các nguồn năng lượng tái tạo khác là sự lựa chọn thích hợp nhất
Để khắc phục tình trạng thiếu năng lượng trong tương lai gần đồng thời góp phần bảo vệ môi trường, từ lâu con người đã tăng cường khai thác các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường như: Năng lượng mặt trời (Solar Ennergy); Năng lượng gió (Wind Power); Năng lượng địa nhiệt (Geothermal), Năng lượng sinh khối (Bio mass); Năng lượng sóng biến (Motion of Ocean) Trong số các nguồn năng lượng này thì năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng được đầu tư nghiên cửu và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới do hiệu suất tương đổi cao so với các nguồn năng lượng tái tạo khác
Việt nam với lợi thế nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, với chiều dài bờ biển trên 3000 km Việt Nam là nước có tiềm năng gió rất lớn, với tổng tiềm năng đạt 513.360MW gấp 200 lần công suất Nhà Máy thủy điện Sơn La va hon 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam vào năm 2020 Đó là kết quả khảo
sát chương trình đánh giá về năng lượng cho Châu Á của ngân hang thế giới
Những tiến bộ kỹ thuật và công nghệ ngày nay đã giúp ích rất nhiều trong việc nghiên cứu cải tiến các phương pháp điều khiến để nâng cao hiệu suất của máy phát điện gió như: có thể điều khiển thay đổi về cấp điện áp, thay đổi hay lựa chọn
Trang 16kể giá thành trên mỗi đơn vị điện năng được tao ra
Theo các phương pháp điều chỉnh đốc cánh tuabin gió truyền thống như: phương pháp điều chỉnh được thực hiện bởi các bộ điều khiển PI độ lợi cố định, quá trình thiết kế và chất lượng điều khiển phụ thuộc vào tính chính xác của mơ hình Ngồi ra cịn có các phương pháp điều chỉnh độ đốc cánh tuabin gió khác như: phương pháp PID và điều khiển bằng logic mờ Tuy nhiên, các bộ điều khiển PI độ lợi cố định thường rất nhạy đối với nhiễu và sự thay đổi thông số của mô hình do điều kiện làm việc (ảnh hưởng nhiệt độ của dây quấn, sự bão hòa mạch từ, v.v), vì
thế không thể đảm bảo chất lượng điều khiển tốt Khó khăn này có thể được khắc phục bằng các kỹ thuật điều khiển thích nghỉ như điều khiển tham chiếu mô hình
(Model reference adaptive control), điều khiển trượt (Sliding mode control), điều khiển mô hình nội, sử dụng mạng neural, Fuzzy logic, v.V
Các phương pháp điều khiến máy phat DFIG:
Điều khiển tuyến tính: các thiết kế điều khiển DFIG kinh điển với các bộ
điều khiển PI, đặc điểm chung của các phương pháp này là có thêm một thành phần bù kiểu feed-forward ở đầu ra của các bộ điều khiển nhằm loại bỏ các ảnh hưởng của lực phân điện động của máy Tuy nhiên, tính năng của các bộ bù feed-forward
phụ thuộc vào độ chính xác của các tham số DFIG nên thường không có đặc tính
làm việc lý tưởng trong thực tế do tham số DFIG có thể bị biến đổi trong quá trình làm việc Một phương pháp điều khiển DFIG kinh điền khác là điều khiển dead- beat Tuy nhiên, phương pháp này đựa trên việc giả thiết tần số rotor là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu T, dẫn đến mô hình gián đoạn của DFIG là mô hình tuyến tính hệ số hàm cho phép thiết kế bộ điều khiển tuyến tính
Điều khiển phi tuyến: để tránh việc sử dụng các bộ bù feed-forward va dé
dam bảo chất lượng của hệ thống điều khiển trong một dải làm việc rộng của tốc độ
Trang 173
Để có một cái nhìn khái quát và trực quan hơn về ứng dụng của điều khiển mô hình nội, nội dung của luận văn sau đây sẽ trình bày điều khiển máy phát điện
gió đùng mô hình nội và mô phỏng hệ thống này trên phần mềm Matlab 1.2 PHAM VI NGHIEN CUU CUA DE TAI
1.2.1 Đối tượng nghiên cứu:
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển công suất máy phát điện gió đùng mô hình nội
1.2.2 Phạm vỉ nghiên cứu:
Luận văn tập trung vào các vấn đề chính sau đây:
1 Mô hình hóa máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG
2 Thiết kế mô hình nội điều khiến máy phát điện gió và xây dựng giải thuật điều khiển, mô phỏng bằng phần mém Matlab
3 Thiết kế bộ lọc IMC bằng bộ điều khiển mờ, mô phỏng bằng phần mềm Matlab
1.3 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN
Nội dung của luận văn có thê được phác thảo vẫn tắt bao gồm các chương như sau:
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tìm hiểu tổng quan về năng lượng gió, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đang được áp dụng trên thể giới Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển máy phát điện gió dùng mô hình nội
và Mô phóng hệ thống dùng phần mềm Matlab; Thiết kế bộ lọc
IMC với bộ điều khiển mờ
Trang 18LƯỢNG GIÓ
Chương này trình bày khái quát về sự chuyển đổi năng lượng gió, các khái niệm và thuật ngữ liên quan đến vấn đề điều khiển máy phát điện gió
2.1 MƠ HÌNH CÁU TẠO TUABIN GIÓ 1 Cánh quạt 2 Rotor 3 Góc hứng gió (độ dốc cánh) 4 Bộ hãm (phanh) 5 Trục quay tốc độ thấp 6 Hộp số 7 Máy phát điện 8 Bộ điều khiến 9 Bộ đo lường tốc độ gió 10.Van gió 11.Võ 12.Trục truyền động tốc độ cao 13.Bộ điều chỉnh hướng tua bin
Hình 2.1 Câu tạo tuabin gió
Trang 19Sơ đo khỏi lắm việc
v
¬ mm
( —— ni =0 _—m Rotor Hoptco Nas Phat điện tử công suất May bien ap
M: ep `ông a wane
ượng luợng lượng điện
' ze « Như cầu Lưới
Hư 2.2 Sơ đỏ khỏi làm việc của may phát điện gió 2.2 HỆ THONG BIEN BOI NANG LUQNG GIO
2.2.1 Năng lượng gió:
Xuất phát điểm từ công thức quen thuộc để tính năng lượng tích trữ trong gió:
P, = = pA,v? IWI (2.1)
Trong đó:
p ~ mật độ không khí [kg/m” ], ở điều kiện chuẩn p có giá trị 1.293 kg/m’ A, — diện tích quét của cánh quạt tuabin [m” ]
v — vận tốc gió [m/s ]
Năng lượng trong gió tính được bằng cách nhân biểu thức (2.1) với khoảng thời gian Tp (thường là một năm)
Năng lượng trung bình == Ø4„#3đt (2.2)
2.2.2 Sự phân bố vận tốc gió:
Từ (2.1) hoặc (2.2), ta thấy rằng mỗi quan hệ giữa công suất và vận tốc gid theo lũy thừa bậc ba, vận tốc gió là dữ liệu then chốt để đánh giá năng lượng gió tiềm năng thu được ở một vùng nào đó Tuy nhiên, vận tốc gió luôn thay đỗi theo
điều kiện thời tiết và điều kiện địa hình
Trang 20biểu diễn bởi: k-1 k ƒ)=š() (@)€Ì,0<u<œ ¢ (2.3) Trong đó, k >0, c >0 lần lượt là hệ số dạng và hệ số tỷ lệ Vì thế, vận tốc gió trung bình (hoặc vận tốc gió kỳ vọng) có thể được tính từ k—1 * =f, vf@w)dv = [= (*) el) av (2.4) x + f k r r Bằng phép đổi biến x = () _ van téc gió trung bình được viết lại 8 LÍ xte*dx = iT (7) yp Xe *de = 70 (2.5) T 1a ham gamma:
iy) = i e~*+xY^1dđ+x, mới y = 1 + (2.6)
Nếu hệ số dạng bằng 2, thì phân bố Weibull còn được biết đến với tên gọi là phan bé Rayleigh k=2,I() =vm Mối quan hệ giữa hệ số tỷ lệ c và vận tốc gió trung bình v theo phân bố Rayleigh: c==P (2.7) ss
Trang 217
2.2.3 Sự chuyển đãi năng lượng gió và hiệu suat rotor:
Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió Pạ 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 đăng sau cánh quạt có vận tốc Va
1
Py = 2pAr°c; [W] (2.8)
Trong d6, C, duge goi 14 hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn được gọi ngắn gọn hơn là hiệu suất rotor), được tính:
1
Œœ =;q+y)+y?) (2.9)
y là tỷ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt và tốc độ gió đi vào cánh quạt
yr=Š (2.10)
Để tìm hiệu suất rotor cực đại ta lay đạo hàm (2.9) theo y và tính được
Cymax = 0.593,ứng tới giá trịy =<
Gid tj 1¥ thuyét Cymax chi ra ring tuabin khéng thé lay nhiều hơn 59.3% năng lượng từ gió, đây còn được biết dén nhu 1a gidi han Betz (Albert Betz’s Law) Đường cong hiệu suất rotor được cho ở hình 2.4
Trang 22qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt bằng
không, hệ quả là hiệu suất rotor bằng không Như vậy, với một vận tốc gió cho trước
thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát, như được minh họa ở hình
2.3
Hiệu suất rotor thường được biểu diễn theo tỷ số À (Tip - Speed - Ratio), được định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi theo hướng vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt R A=e“”¬ v (2.11) Wr là téc d6 quay cita tuabin [rad/s ] va R, 1a bdn kinh cua cánh quạt gió [m] 14 T T T T 13 ' 08 096] Công suất đầu ra tuabm [p.u] Tốc độ tuabin [p u]
Hình 2.5 Công suất đầu ra phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ tuabin
Các hưng pót ; Tac do dicu chinh goc hứng
~- gio cua cạnh từ & + 10
Get bewng pre as”
Trang 23Mặt căt cua canh quạt Mặt phăng quay Hình 2.7 Góc pitch của cánh quạt gió +.* = “Fy; 9 S Chord hne = F,* ` oF, M1 4+a') Rotor plane « a “4 if , fh nn a ó ˆ + tu( lea) tụ Hình 2.8 Các thành phần vận tốc tuabin gió
Trong thực tế, hiệu suất rotor không những phụ thuộc vào À mà còn phụ thuộc vào góc pitch của cánh quạt gió {rad ] xoay quanh trục của chính nó, bởi vì hau hết các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có trang bị thiết bị điều khiển pitch như minh họa ở hình 2.5 & hình 2.6 C; nói chung là một hàm phi tuyến và khá phức tạp, nhà chế tạo thường cho giá trị Cạ đối với mỗi loại tuabin như là hàm của À và góc Một công thức xấp xi thường được sử dụng của đường cong hiệu suất rotor được cho bởi công thức (2.12) và có dạng để thị như hình 2.5
Œœ(,8) = 0.22 Cn — 0.48 - 5) et (2.12)
ar vẽ MãA
Trang 24= 0 , 0.6 _ ng Cy ont — 4 " ree ca Sư G' ° 1=" ` & ‡ Š 0+ : : = wooo Js 5 ` 0.3 pee ee bee & z J=# = (02 -— ra + + 4 3m 12 0.1 ca.“ ‡ eo 0 J=25 0 2 4 6 8 À¿ 10 12 À
Hình 2.9 Đường cong hiệu suat rotor C, (A.B)
2.2.4 Đường 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, thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng có dạng như hình 2.8 Trong đó, cần phân biệt các thông số:
« Vận tốc gió Cut-in ( Vẹ ): Là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát
và tạo ra công suất (net ower)
» 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 đến giá trị VR , công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết
kế Khi lớn hơn VR thi cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin lượt bớt công
suất nhằm tránh quá tải cho máy phát
Trang 25Cut-in Định mực Cut-out tý 1) yy ld c x + Lượt bởt 1.2F cơng suất —¬ IF i 3 e sŨ &r
5 M Không — Miễn hiệu suất Miễn phát công |_ Ngưng
5 °Ƒ làm rotor cye dat suất định mức hoạt
so L việc vả giam hiệu động 6 04 A 3 suat rotor & 0.27 ọ 4 L L L 0 5 10 15 20 25 30 Van téc gto [m/s}
Hình 2.10 Đường cong công suất lý tưởng của tubin gió 2.3 ĐÓI TƯỢNG BIÊU CHỈNH
Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế công suất đưa vào tuabin - điều khiển co (aerodynamic power control) Trong đó, điều khiển pitch la phương pháp phổ biến nhất đẻ 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 Đối với tuabin gió có trang bị
hệ thống điều khiển pitch, bộ điều khiến sẽ liên tục kiểm tra công suất đầu ra của
tuabin Khi công suất đầu ra quá lớn, bộ điều khiển pitch sẽ phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay (pitch) cánh quạt nhằm lượt bớt công suất và xoay cánh quạt theo chiều ngược lại khi tốc độ gió giảm
Trang 26
Hình 2.11 Điều chỉnh độ nghiêng cánh tuabin gió
+ Vân 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 À cụ thể phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin Do đó, tốc độ quay của máy phát cần phải được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió nhằm duy trì À tối ưu
Trang 27Có thể thực hiện điều khiển tối ưu công suất đầu ra của máy phát điện gió:
13
bằng cách Điều khiển tối ưu Tip - Speed — Ratio
Theo cach nay, tốc độ gió được đo lường liên tục Trên cơ sở đữ liệu gió đo được tốc độ máy phát sẽ được điều chinh để tối ưu 2 theo từng giá trị tốc độ gió và do đó có thê đạt công suất đầu ra tối ưu, sơ đồ nguyên lý được cho ở hình 2.12 Quá trình điều khiển được dựa vào đường cong công suất tuabin hình 2.13
Khi tốc độ gió đầu vào nhỏ hơn giá trị Vc, tuabin gió không làm việc vì công suất đầu ra không đáng kể để thắng được ma sát của hệ thống truyền động và cũng để tránh quá đòng cho máy phát
Khi tốc độ gió đầu vào lớn Vc và công suất phát ra nhỏ hơn công suất danh
Trang 28suất định mức theo thiết kế của máy phát) Khi đó, tốc độ rotor được điều chỉnh để
làm việc với ^ 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 miễn công suất không đối
Khi tốc độ gió đầu vào tăng lớn hơn Vz, tuabin gió được ngất ra để bảo vệ máy phát và các bộ phận cơ khí khác
2.4 CAC CAU HINH HE THONG BIẾN ĐỎI NĂNG LƯỢNG GIÓ
Tuabin gié cé thé van hanh & tốc độ có định (thông thường trong phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi Đối 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 tằn số lưới điện nên hầu như không thé điều khiển và do đó 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 có định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công
suất và làm ảnh hưởng đến chất hượng điện năng của lưới điện Đối 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 đo sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu
bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự đao động công sudt gay nén
bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi tuabin gió có thể được cải thiện hơn so với
tuabin gió tốc độ có 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 cặp cực từ của máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc máy phát Trong phan nay, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây được đề cập:
« Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát khơng đồng bộ
« Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ
Trang 2915
2.4.1 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định:
Đối với tuabin gió tốc độ có 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
lưới điện như hình 2.14 Soft stater 7 \ điện Lưới | TL MBA Capacitor bank
Hình 2.14 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ có định
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ có định thường 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 đây 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 tốn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vì độ trượt từ 1 - 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tốn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn Mặc dù có cầu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cau hình này có 3 nhược điểm chính:
« Khơng thể điều khiển công suất tối tru
« Do tốc độ rotor được giữ có định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột
* Do tan sé va điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên không có khả năng điều khiển tích cực (Active control)
2.4.2 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đỗi, biến đỗi tồn bộ cơng suất:
Trang 30như chỉ phí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên Na ⁄‡ + 7z ( Hộp số Converter a a ữ MBA Hình 2.15 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suat phat
2.4.3 Hệ thống biến đỗi năng lượng gió tốc độ thay đôi sử dụng DEFIG:
Hệ thống bao gồm tuabin gió được trang bị máy phát cấp nguôn từ hai phía DFIG cé stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor được nối thông qua một bộ biến đổi công suất như hình 2.16 Ngày nay, cấu hình này trở nên rẤt
thông dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 ~ 30% của tồn bộ cơng suất phát nên
tổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kẻ so với cầu hình biến đổi
toàn bộ công suất phát, thêm vào đó chỉ phí đầu tư cho thiết bị biến đổi công suất cũng thấp hơn = hon -+L | Tuabin Crowbar |->4—+
Hình 2.16 Hệ thống biến đổi năng lượng gió được trang bi véi DFIG 2.5 MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CÁP NGUÒN TỪ HAI PHÍA DEIG
Đối 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 đã đề cập ở
Trang 3117
suất phát, điều này có nghĩa tốn 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 đó, chỉ phí đầu tư cho thiết bị điện tử công suất cũng thấp hơn Vì vậy, luận văn sẽ dùng mô
hình máy phát điện gió cấp nguồn từ 2 phía DFIG
2.5.1 Máy phát không đồng bộ cấp nguẫn từ hai phía DFIG:
DFIG là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có mạch stator được kết nối trực tiếp với lưới điện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất thông qua vành trượt như hình 2.17 Bộ biến đổi công suất gồm hai converter: converter phía máy phat RSC (Rotor Side Converter) va converter phia ludi GSC (Grid Side Converter), dugc kết nỗi theo kiểu “back-to-back” Một tụ điện dc-link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lượng ~⁄ f= Back-to-back converter + Crowbar
Hình 2.17 Máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía
Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu cực rotor để bảo vệ quá dong và tránh quá điện áp trong mạch dc-link Khi xảy ra tình trạng quá đòng, thiết bị crowbar sẽ ngăn mạch đầu cực rotor thông qua điện trở crowbar, ngưng hoạt động điều khiển của bộ converter va cho phép DFIG làm việc như một máy điện không đồng bộ thông thường, lúc này tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới
Trong thực tế, điện áp định mức của mạch rotor thường nhỏ hơn điện áp định mức bên phía mạch stator nén máy biến áp nói giữa DEIG và lưới điện vì thế sẽ có ba cuộn dây thay vì máy biến áp hai cuộn như minh họa ở hình 2.17, một cuộn sơ cấp nỗi tới mạch stator và cuộn sơ cấp còn lại nỗi với mạch rofor
Trang 32được mô phỏng như hình 2.18, có thê xảy ra hai trường hợp:
e_ Gió thổi cánh quạt tuabin quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, đó là chế độ vận hành dưới đồng bộ (hệ số trượt đương, 0 > s ), máy phát lấy năng
lượng từ lưới qua rotor
© _ Gió thổi cánh quạt quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, đó là chế độ vận hành trên đồng bộ (hệ số trượt âm, 0 < s ) và máy phát hoàn năng lượng về ludi qua rotor
Để đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở hai chế độ trên, bộ biến đổi công suất ở cả hai phía máy phát RSC và phía lưới GSC (hình 2.18) đều phải là
nghịch lưu có khả năng điều khiển dòng công suất theo hai chiéu (bi-directional)
Năng lượng từ gió Năng lượng từ gió
a) Chế độ dưới đồng bộ by) Chế độ trên đồng bộ
Hình 2.18 Chiều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG
B6 converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phân 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 thường) Trên hết, công suất phản kháng trao đổi giữa DEIG và lưới điện có thế 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: DEIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phan kháng về lưới, chắng hạn điều chỉnh điện áp (trong trường hợp lưới yếu)
« Có thể hoàn toàn kích từ DEIG thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp lưới
« 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 điều khiển hệ số công
Trang 3319
Trong khi đó, mục đích chính của bộ converter phía lưới GSC là để giữ cho
điện áp dc-link không đổi
2.5.2 Sơ đồ tương đương DEIG ở chế độ xác lập:
Sơ đồ tương đương của DFIG có tính đến tốn hao mạch từ được cho ở hình 2.19 Sơ đồ này chỉ thích hợp cho các phân tích và tính toán ở trạng thái xác lập, day quấn nối Y Trong trường hợp dây quấn A có thể qui đôi về mô hình tương đương Y, phương pháp jœ được sử dụng cho các tính toán Roop f jake jvda 7 R./s + + - i“ N 1 - 1; ì — 2 8 BỘ
Hình 2.19 Sơ đồ tương duong DFIG 6 chế độ xác lập
Dé ý rằng nếu điện áp rotor V, được nối ngắn mạch thì mạch điện tương đương DEIG trở về mạch điện tương đương nguyên thủy của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc Các phương trình điện áp: V,= Rạl, + jabul, + j@sLm(1, + E + lạ„ ) Yr =I, + jo, Lypl, + jorglem (Ty + + Tam) (2.13) £ 0 = Ralg„+ /ðsL„(l, + Ï„ + Tram) Trong đó:
V, điện áp stator (pha, RMS) R, điện trở stator
V, điện áp rotor R, điện trở rotor
I, dong stator R,, dién tré tir héa
I, dòng rotor L¿, điện cam tan stator
Try, dòng dién tir héa L, điện cảm tan rotor œ„, tốc độ đồng bộ Lạ điện cảm từ hóa @, tốc độ rotor We van tốc trượt s hệ số trượt =2: - ® (2.14) @s @s
Từ thông khe hở không khi, stator va rotor lan luot:
Wen = Lin (Te + Te + Teg)
Trang 3521
CHUONG 3: - - - - - „
THIET KE HE THONG DIEU KHIEN CONG SUAT MAY PHAT DIEN GIO DUNG MO HINH NOI VA MO PHONG BANG PHAN MEM MATLAB; THIET KE BQ LOC IMC VOI
BO DIEU KHIEN MO
3.1 THIET KE HE THONG DIEU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ DÙNG
MƠ HÌNH NỘI
3.1.1 Hệ thông điều khiển tuabin gié trang bi DFIG:
Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc thay đổi DFIG bao gỗm các mục tiêu: điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát và lưới điện, điều khiển bám các điểm vận hành tối tru 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 độ gió lớn Các hệ thông phụ (khí động học, cơ học, điện, v.v) của tuabin có phạm vi thời hằng khác nhau và thời hằng điện thường nhỏ hơn nhiều so với thời hằng cơ hay nói
cách khác quá trình điện động thường diễn ra nhanh hơn rất nhiễu so với quá trình
động học cơ khí Hình 3.1 trình bày sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ thống biến đối năng lượng gió tốc độ thay đổi trang bị máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG, trong đó có thé phân biệt hai kênh điều khiển như sau:
® Điều khiển máy phát DFIG (điều khiển độc lập công suất tác dụng và cơng suất phản kháng) ® Điều khiển tuabin gió M N †- RSC GSC *~ T]=[{— =| T ~ LH mm connotier || compte [LP anes mea Kênh điều khidn DRUG : nea TP af 1 wer : p> ur Power Controlier Speed Controller pt Vin hanh
Kuk dibs chide Tushia : hệ thông
Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển tổng thế-tuabirr gió tốc độ thay đôi DEIG HUTECH LIBRARY
Trang 36
phia rotor RSC và điều khiến bộ biến đổi công suất phía lưới GSC Kênh điều khiển tuabin gió với đáp ứng động chậm hơn, bao gồm điều khiến tốc độ và điều khiển công suất đầu vào, giám sát luôn cả bộ phận chấp hành góc pitch (pitch angle actuator) của tuabin gió và giá trị setpoint cho công suất tác dụng của kênh điều khiển DFIG Vì thế, nó cung cấp tín hiệu điều khiển B“ trực tiếp cho bộ chấp hành
góc pitch và tín hiệu điều khiển công suất tác dụng PZ */ cho kênh điều khiển DFIG
Hệ thống điều khiển tổng thé như hình 3.1 đồi hỏi thông tỉn các tín hiệu đo lường: công suất tác dụng P7“*# và công suất phản kháng Q?*““ (tại điểm M đầu cực stator hoặc trên lưới điện), điện áp 7“Z trên dc-link, dòng điện qua bộ lọc
ÙƑ*” (tại điểm N), tốc độ máy phát (075% và dòng điện rotor Í726 Kênh điều khiển máy phát có ba tín hiệu vào điều khiển như sau:
© Giá trị điều khiển công suất tác dụng, thông tin này được cung cấp bởi
ref Lok
Í- _ kênh điều khiển tuabin gió
l ‘ ref x
® Giá trị điều khién céng suat phan kháng Q, ; giá này có thê được gán bởi
người vận hành Chẳng hạn, trong trường hợp lưới yếu có thé yéu cau DFIG
phát công suất kháng đề hỗ trợ điện áp lưới
© Giá trị điều khiến điện áp U/ dc-link được quyết định 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:
e Giá trị điều khiển công suất tác dụng P”°Ÿ là tín hiệu đặt (setpoint) cho kênh
điều khiển DFIG, được tạo ra dựa trên thông tin là vận tốc đo hường của máy phat w™* và cơng suất đo lường P**® 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 chinh vận tốc máy phát để tuabin nhận được công suất tơi đa từ gió
® Giá trị điều khiển #7*® được đưa trực tiếp đến cánh quạt tuabin, bộ chấp hành góc pitch sẽ thực thi như một phần của bộ điều khiến công suất Giá trị
này được tạo ra dựa trên thông tin công suất đo lường P“*“# và công suất
định mức P“°Ÿ (thường là giá trị danh định của tuabin được cho bởi nhà chế tạo)
Khi tốc độ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giới
Trang 3723
khién P’*! cho kénh digu khién DFIG nhằm đạt công suất tối đa, sau 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 trường 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 ÿ để lượt bớt công suất và ra lệnh cho kênh điều khiển DEIG hiệu chỉnh giá tri điều khiển P7 *Í bằng giá trị
định mức P °F, kênh điều khiển DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy phát về một phạm vi được định trước 3.1.2 Mô hình toán học DFIG: Luận văn sẽ xây dựng mô hình toán học DFIG trong hệ trục đq Ta có, trục của dây quần stator va rotor trong hệ trục dq như sau:
Trang 38và trục q cùng với phương trình mômen, ta được hệ phương trình đầy đủ mô tả DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu dq đang quay với tốc độ đồng bộ
Phương trình điện áp stator : dụ? Vag = Reif, — WWas + đệ Đặc = Ri, 7 a5 + va (3.4) Phương trình điện áp rotor: 4 War vg, = R, ig, — (@, — (ấy ae đ vf, = Rif, — (w, — 0,9, +22 G4) Từ thông móc vòng: Lig + Lạ 0 Lan 0 e
Vas @ 0 Ligthm 0 Lin las Lal
Yas _ Lin 0 Li;tLy, 9 lgs G6)
Yar 0 Lm 0 Lis + Ln lar
Per lor
Mômen điện từ:
T, = 5P( Wiig, — 04,14.) =3P(04.i4 — 04,14.)
3 sự, “e:
= =PL,,, (if, if, — if, ? dr‘aqs 4 is) 1% (3.7)
Và mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ như sau:
im R, wil ge Ly L,
Truc q
Trang 3925
3.1.3 Điều khiến céng sudt DFIG:
Trong hé truc tham chiéu dq , phuong trinh dién 4p Stator va Rotor (3.1) & (3.2): @_ pita] + „ đứt Dy = Í + j¿zj; te e ‘e4; ayy Ve = Rif + j(@y — Wy) py th Tw théng Stator va Rotor: Pe = Lett + batt (3.8) pr = Lif + Bis (3.9) Công suất biểu kiến tức thời đầu cực stator $, = P, + 7Q, được cho bởi: S, =2[vfif"] (3.10)
Từ biểu thức (4.10), ta có công suất tác đựng và công suất phản kháng tức
thời như sau:
3 3 * `
P= „ Retr,iz"] = 5 (visite + vf, i8.)
3 tes 3
Q; = Im[vzi‡"] = 2 (tạđâ; — 0i) — G.11)
Khi DFIG đã được hòa đồng bộ và kết nối với lưới điện (giả thiết đã thực hiện trước đó), mục tiêu tiếp theo là điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu cực stator DFIG, theo hình 3.3 như sau: MBA Lưới Converter ~ Giai thuật |e” « điều khiên |”
Hình 3.4 Sơ đỗ điều khiển dòng công suất trao đổi
giữa stator DEFIG và lưới điện
Trang 40dq theo véctơ điện áp lưới được định nghĩa bằng hệ thức:
vas = jusl, vgs =0 (3.12)
Hình 3.5 Dinh hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới
Ta thấy, sự định hướng hệ trục tọa độ tham chiếu như trên hoàn toàn độc lập với các thông số của DFIG Theo sự định hướng này, điện áp rotor phải được qui đổi về cùng chưng một hệ trục Quá trình điều khiến được thực hiện bằng cách điều khiển điện 4p rotor théng qua bộ converter phía máy phát Vì stator được nối trực tiếp với lưới điện, nên điện áp stator là điện áp lưới và được xem như tác động nhiễu Trong điều kiện lưới ổn định, điện áp lưới được xem như không đổi, với hệ trục tham chiếu đã chọn tác động nhiễu có giá trị bằng không theo trục q và là đại lượng dc theo trục d
do w#, = 0 nên công suất tác dụng và công suất phản kháng có thể được viết
lại một cách đơn giản như sau:
P,=294,14, = 21614,
Q, =— 04,14, = — 2 tự lá, (3.13)
Từ (3.13), ta thấy công suất tác dụng P; và công suất phản kháng Qs đầu cực
stator DFIG có thể được điều khiển độc lập thông qua i$, va igs:
Nếu điện áp lưới được xem như không đổi, từ (3.11) ta thấy rằng mục tiêu điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng hoàn toàn tương đương với mục tiêu điều khiển độc lập hai thành phần (dòng điện tác dụng và dòng điện phản kháng) của véctơ dòng điện stator
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator (thường có giá trị bé với các máy phát công suất lớn) Khi ở trạng thái xác lập, thành phần đạo hàm trong biểu thức (3.1)