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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG TRỌNG KHẢI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG TRỌNG KHẢI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Đà Nẵng – Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Đà Nẵng, ngày 25 tháng 12 năm 2017 Tác giả luận án LƯƠNG TRỌNG KHẢI ii TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU Học viên: Lương Trọng Khải Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 Khóa:33.TĐH(PFIEV) Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Hiện việc sử dụng nguồn lượng đầu tư phát triển nghiên cứu sử dụng hợp lý để đạt lợi ích kinh tế tốt Bên cạnh biến tần đa mức với nhiều ưu điểm so với biến tần hai mức nghiên cứu xem lựa chọn tốt cho ứng dụng truyền động trung áp Do việc kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió nghiên cứu mang nhiều ý nghĩa thực tiễn đáp ứng nhu cầu lượng kết hợp với suất lợi ích kinh tế cao Luận văn khái quát nguyên lý hoạt động tuabin gió kết hợp nam châm vĩnh cửu điều khiển biến tần đa mức dùng phương pháp điều chế vector không gian Tác giả đưa kết đạt trình nghiên cứu đưa hướng nghiên cứu đề tài Từ khóa – biến tần đa mức, máy phát điện nam châm vĩnh cửu, PMSM, SVPWM, turbin gió RESEARCH AND APPLICATION OF MULTI-LEVEL INVERTER IN WIND GENERATOR SYSTEM COMBINED PERMANENT MAGNET Abstract – Currently the use of clean energy sources are being developed and research use rationality to achieve best economic interests Besides the multi-level inverter with more advantages than two inverters have been studied and seen as the best choice for highvoltage transmission applications So the multi-level inverter combined with the wind generator is a study carried many meanings and practices of clean energy needs combined with productivity and economic benefits The essay the essential principle of operation of wind turbines combined permanent magnet and is controlled by a multi level inverter using space vector modulation method The author has given the results achieved in the process of researching and giving direction to the next study of the subject Key words – multi-level inverter, generators permanent magnet, PMSM, SVPWM, wind generator iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I TÓM TẮT LUẬN VĂN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VII MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Tổng quan nghiên cứu máy phát điện gió Cấu trúc luận văn CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH TURBIN GIĨ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU .6 1.1 Năng lượng chuyển đổi lượng gió turbin gió 1.2 Máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu 1.4 Mô máy điện nam châm vĩnh cửu làm việc với turnbin gió 19 CHƯƠNG – CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 23 1.3 Cấu trúc biến tần đa mức 23 1.4 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu áp đa mức 38 CHƯƠNG – HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC 62 1.5 Tổng quan hệ thống 62 1.6 Mơ hình hệ thống 63 1.7 Kết mô 64 iv CHƯƠNG – ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC .66 1.8 Mơ hình hệ thống 66 1.9 Kết mô hệ thống qua điều khiển 69 1.10 Hệ thống làm việc với tải 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 Kết luận .73 Hướng phát triển đề tài .74 DANH MỤC TÀI KIỆU THAM KHẢO 75 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 76 PHỤ LỤC 77 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PMSM Permanent Magnet Synchronous Machine (Máy điện đồng nam châm vĩnh cửu) PID Proportional Integral Derivative (Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ) BJT Bipolar junction transistor (Tranzito lưỡng cực nối) IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor có cực điều khiển cách ly) CBPWM Carrier Based Pulse Width Modulation (Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang) SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation (Phương pháp điều chế vectơ không gian) NPC Neutral Point Clamped FLC Flying Capacitor CHB Cascade H-Bridge vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1 Giá trị điển hình Z0 theo loại địa hình Bảng 2-1 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) nghịch lưu 3L-NPC 26 Bảng 2-2 Q trình dẫn dịng khóa pha A nghịch lưu 3L-NPC 28 Bảng 2-3 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) 3L-FLC 30 Bảng 2-4 Q trình dẫn dịng khóa pha A nghịch lưu 3L-NPC 32 Bảng 2-5 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) 5L-CHB 34 Bảng 2-6 Các vectơ tương ứng với trạng thái khóa bán dẫn 41 Bảng 2-7 Vị trí tam giác tương ứng với tổ hợp vectơ 42 Bảng 2-8 Thời gian tác dụng vectơ 43 Bảng 2-9 Trình tự thời gian tác động vùng I thuộc tam giác I-3a 49 Bảng 2-10 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng I 50 Bảng 2-11 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng II 50 Bảng 2-12 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng III 51 Bảng 2-13 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng IV 51 Bảng 2-14 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng V 52 Bảng 2-15 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng VI 52 Bảng 2-16 Bảng tính tốn thời gian tác động 57 Bảng 2-17 Bảng trạng thái đóng-ngắt van bán dẫn 59 Bảng 4-1 Bảng thông số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols 67 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Mặt cắt động đồng PM Hình 1-2 Mơ hình đơn giản máy điện đồng ba pha rotor cực ẩn 10 Hình 1-3 Mơ hình máy điện đồng có dây quấn đệm 11 Hình 1-4 Hệ toạ độ đồng dq đứng yên 17 Hình 1-5 Sơ đồ khối turbin gió 19 Hình 1-6 Các thơng số khối turbin gió 19 Hình 1-7 Sơ đồ khối máy phát điện nam châm vĩnh cửu 20 Hình 1-8 Các thơng số máy phát điện nam châm vĩnh cửu 20 Hình 1-9 Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =10 m/s 21 Hình 1-10 Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =5 m/s 21 Hình 1-11 Điện áp đâu với vận tốc gió biến thiên từ 5m/s đến 10m/s 22 Hình 2-1 Bộ nghịch lưu điơt kẹp mức 25 Hình 2-2 Trạng thái, điện áp điều khiển chuyển mạch điện áp 26 Hình 2-3 Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor mức 29 Hình 2-4 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải iA > 30 Hình 2-5 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải iA < 31 Hình 2-6 Bộ nghịch lưu mức kiểu cầu H nối tầng 33 Hình 2-7 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1→4→7→14→16 với dịng điện tải iA > 35 viii Hình 2-8 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1→4→7→14→16 với dòng điện tải iA < 36 Hình 2-9 Bộ nghịch lưu áp mức NPC 39 Hình 2-10 Vectơ khơng gian điện áp nghịch lưu mức NPC 41 Hình 2-11 Vectơ điện áp vùng I (sector I) 42 Hình 2-12 Ảnh hưởng đến Vz tương ứng với trạng thái vectơ [PPP] 44 Hình 2-13 Ảnh hưởng Vz tương ứng với trạng thái vectơ 45 Hình 2-14 Ảnh hưởng Vz tương ứng với trạng thái vectơ 45 Hình 2-15 Ảnh hưởng Vz tương ứng với trạng thái vectơ 46 Hình 2-16 Trường hợp 47 thuộc tam giác thứ tư vùng I (I-4) Hình 2-17 Mẫu xung vectơ điện áp trung bình Hình 2-18 Trường hợp thuộc vùng I-4 thuộc tam giác thứ 3a vùng I (I-3a) 48 49 Hình 2-19 Khối thuật tốn Space Vector Modulation 53 Hình 2-20 Sơ đồ khối tạo điện áp pha 54 Hình 2-21 Số thứ tự tam giác 56 Hình 2-22 Tính tốn thời điểm chuyên mạch 57 Hình 2-23 Xung điều khiển pha A 59 Hình 2-24 Xung điều khiển pha B 59 Hình 2-25 Xung điều khiển pha C 60 Hình 2-26 Điện áp pha sau nghịch lưu 60 Hình 2-27 Điện áp dây sau nghịch lưu 61 ... ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU Giới thiệu tổng quan turbin gió máy phát điện nam châm vĩnh cửu  Chương 2: CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐA MỨC Giới thiệu cấu trúc biến tần đa. .. quan nghiên cứu máy phát điện gió Trước có nhiều nghiên cứu máy phát điện gió biến tần đa mức nghiên cứu độc lập với Chưa có nghiên cứu kết hợp giữ máy phát điện gió biến tần đa mức Các nghiên. .. phát điện gió nam châm vĩnh cửu - Biến tần đa mức sử dụng nghịch lưu áp đa mức diode kẹp - Sử dụng kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu • Phạm vi nghiên cứu: - Do hạn