Nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió DFIG dùng kỹ thuật trượt

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾTHỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1 HỆ THỐNG BIẾN ÐỔI NĂNG LUỢNG GIÓ 2.1.1 Năng lượng gió Xuất phát điểm từ công thức quen thuộc để tính năng lượng tích trữ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG:

Ngày nay, kinh tế thế giới ngày càng phát triển, kéo theo sự mở rộng của cácvùng công nghiệp sản xuất, dẫn đến nhu cầu năng lượng ngày càng cao, chất lượngcung cấp điện càng phải ổn định Trong khi đó, dù ngành điện cũng có những bướctiến vượt bậc,không ngừng thay đổi các phương thức vận hành sao cho việc sảnxuất, cung cấp điện năng ngày càng hiệu quả Tuy nhiên ngành điện đang vấp phảikhó khăn đó là các nguồn nhiên liệu chính để phát điện - năng lượng hóa thạch ngàycàng cạn kiệt; khí thải CO2 từ nền công nghiệp, từ hệ thống nhiệt điện là nguyênnhân chính tạo hiệu ứng nhà kính gây hiện tượng nóng lên toàn cầu.Chính vì thếnhu cầu cấp thiết hiện nay là phải có mô hình lưới điện được tối ưu cả về tính tincậy cung cấp điện và kích thích nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thânthiện với môi trường.Trong đó năng lượng gió là một nguồn năng lượng đáng đượcxem xét

Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, năng luợng từ mặt trời dến trái đấtvào khoảng 173.000 tỉ KW, còn năng luợng gió vào khoảng 3.500 tỉ KW Chỉ cóđến 1-2% năng luợng đuợc chuyển thành gió (gấp 50 đến 100 lần của toàn bộ nănglượng được chuyển hoá từ mặt trời của toàn bộ cây cối trên toàn trái đất) Trong khi

đó, tiềm năng dể khai thác sản sinh ra điện theo phương pháp truyền thống như thủyđiện, nhiệt điện dã dần cạn kiệt

Riêng tại Việt Nam một phần nguồn năng luợng điện rất lớn được khai thác

từ thủy điện, tuy nhiên theo báo cáo từ các Hội thảo Khoa Học gần đây cho thấy,tiềm năng này sẽ không còn trong vòng vài mươi năm nữa Bên cạnh đó, trongnhững năm gần đây bài toán về môi truờng toàn cầu đuợc đưa vào trong tất cả cácngành công nghiệp, chúng ta phải tìm mọi cách dể hạn chế đến mức thấp nhấtnhững yếu tố có ảnh huởng xấu tới môi truờng nhu cacbon oxít, oxít nitơ, oxít lưuhuỳnh,…Ðứng truớc tình thế này thì năng lượng gió là nguồn năng lượng đángđược xem xét

2Khi tính đầy đủ cả các chi phí ngoài – là những chi phí phát sinh bên cạnhnhững chi phí sản xuất truyền thống, thì lợi ích của việc sử dụng năng lượng giócàng trở nên rõ rệt So với các nguồn năng lượng gây ô nhiễm (ví dụ như ở nhà máynhiệt điện Ninh Bình) hay phải di dời quy mô lớn (các nhà máy thủy điện lớn), khi

sử dụng năng lượng gió, người dân không phải chịu thiệt hại do thất thu hoa màuhay tái định cư, và họ cũng không phải chịu thêm chi phí y tế và chăm sóc sức khỏedoônhiễm Ngoài ra với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư, năng lượng giógiúp tiết kiệm chi phí truyền tải

Nhận thức giá trị của nguồn năng lượng này từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX một

số nước đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo turbine gió phát điện Đầu thập kỷ 90 năng lượng gió đã bắt đầu phát triển mạnh, thị trường thế giới về lắp đặt các turbine gió phát triển nhanh chóng Năm 2010 công suất lắp đặt turbine gió trên toàn thế giới đạt 21 GW Với tốc độ tăng trưởng như vậy tới năm 2020 năng lượng từ sức gió sẽ đáp ứng 12% nhu cầu năng lượng điện trên toàn thế giới và đến những năm 2030-

2040 tổng công suất năng lượng gió sẽ đạt đến con số 3 triệu MW cung cấp 20%nhu cầu năng lượng điện trên toàn thế giới.Cùng với sự phát triển của khoa học vàcông nghệ ngày nay các trạm phát điện năng lượng gió rất đa dạng từ công suất nhỏ(vài trăm W) phục vụ nạp ắc quy đến công suất lớn (hàng MW) Hiện nay công suấtcủa các trạm phát điện năng lượng gió đã đạt đến con số 5MW, đây là một bướctiến vượt bậc của khoa học và công nghệ Các trạm phát điện năng lượng gió khôngchỉ được xây dựng trên đất liền mà đã được xây dựng trên biển, điều này cho thấyrằng năng lượng gió rất được các nước quan tâm nghiên cứu và ứng dụng

Trong sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo turbine gió phát điệnphải kể đến sự đóng góp quan trọng của các công ty chế tạo, sản xuất turbine gióhàng đầu thế giới Negmicon A/S, Vestas A/S(Đan Mạch), Nordex, Enercon (CHLBĐức), Gamesa (Tây Ban Nha), Zond systems Inc (Hoa Kỳ)

Châu Mỹ :

 Mỹ: cho đến năm 2002 đã lắp đặt được 4685 MW

 Canada: phần lớn sử dụng thủy điện, nhưng với nhu cầu sử dụng điện ngày

càng gia tăng mà nguồn thủy điện lại có hạn nên việc sử dụng năng lượng gió là giải pháp khả thi để bổ sung cho sự thiếu hụt này

 Các nước Mỹ Latinh: đây là các nước có tiềm năng to lớn về năng lượng gió,

nhiều nhất là ở Brazil và Argentina Nhưng trở ngại là thiếu cơ sở hạ tầng về lưới điện cao áp để phát triển nguồn năng lượng dồi dào này

Châu  u:

 Đan Mạch: năm 1999 Đan Mạch là quốc gia có ngành công nghiệpnăng lượng gió phát triển nhất thế giới Trong những năm qua Chính Phủ đãtài trợ

khai thác nguồn năng lượng xanh và hiện nay năng lượng gió chiếm 11%lượng điện tiêu thụ ở nước này

 Đức: là quốc gia có số lượng máy phát điện gió dẫn đầu thế giới Hiệnchính phủ Đức đang áp dụng giá mua năng lượng mới cho các nguồn nănglượng

có thể tái tạo Đạo luật này nhằm tăng thành phần các nguồn năng lượng có thể tái tạo trong tổng thể các nguồn năng lượng tại Đức

 Tây Ban Nha : ở Tây Ban Nha có nang luợng sức gió rất khả quan, trongnhững nam qua tốc dộ phát triển nang luợng sức gió ở dây rất cao và hứa hẹn

sẽ còn tang trong tuong lai Với tiềm năng lớn về tài nguyên gió trên mộtdiện tích rộng của đất nuớc, ngành công nghiệp khai thác năng luợng sứcgióở Tây Ban Nha dã và dang có những dóng góp tích cực và ổn dịnh chongành diện quốc gia Cho dến năm 2002 dã lắp đặt được 4.830MW Có thể

dự báo rằng Tây Ban Nha sẽ lên vị trí dẫn dầu về ngành công nghiệp nangluợng gió trong vòng vài năm nữa

Châu Á:

 Ấn Độ là một trong những nước đứng đầu thế giới về phát triển nănglượng gió Năm 2004 Ấn Độ đứng thứ 3 thế giới chỉ sau CHLB Đức và TâyBan Nha Nếu lấy năm 2000 làm mốc khi đó chỉ có 1220 MW thì đếntháng

03/2005 công suất lắp đặt đạt mức 3595 MW, công suất điện gió đã tăng lêngấp 3 lần

gió ở Việt Nam:

Nuớc ta nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa, với bờ biển dài nênrấtthuận lợi cho việc phát triển năng lượng gió So sánh tốc độ gió trung bình trongvùng biển Ðông Việt Nam và các vùng biển lân cận, cho thấy gió ở biển Ðông khámạnh và thay đổi theo mùa Trong chương trình đánh giá về năng lượng Châu Á,Ngân hàng Châu Á đã có khảo sát chi tiết về năng luợng gió khu vực Ðông NamÁ,trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất ước đạt 513.360MW xấp xỉ 200lầncông suất nhà máy thủy điện Sơn La

Ở nuớc ta chỉ có một số nơi đuợc đề xuất xây dựng nhà máyđiện gió như làQuảng Ninh, Quảng Bình, Quảng Trị, các vùng cao nguyên TâyNguyên, các tỉnhven biển đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là 2 tỉnh Bình Thuậnvà Ninh Thuận.Theonghiên cứu của Ngân hàng Thế Giới, có 2 vùng là tiềm năngnhất dể phát triểnnăng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát 60-100mphía tây HàmTiến đến Mũi Né (Bình Thuận) Gió ở vùng này không những có tốc độ gió trungbình lớn từ 7-9m/s, gió có xu thế ổn định và có ít bão Ðây là diều kiệnrất thuận lợi

dể phát triển năng lượng gió Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ giónam và đôngnam lên đến 98% với tốc độ gió trung bình lên dến 6-7m/s ứng với tốcđộ gió này cóthể xây dựng các trạm điện có công suất từ 3-3,5MW Thực tế thìnguời dân ở khuvực này cũng chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng

Bảng 1.2 Tiềm năng về năng luợng gió của Ðông Nam Á (Ngân hàng Thế giới)

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:

Nuớc ta không phải là nuớc giàu tài nguyên năng luợng Trong vòng 20 nămtới, nếu không tìm kiếm duợc những nguồn tài nguyên mới, đặc biệt có trữ lượnglớn thì Việt Nam sẽ đứng truớc nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên năng lượng.Chính vì vậy, những giải pháp để đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia đã và đangđược Chính phủ đặc biệt quan tâm Hiện nay, đã có một số giải pháp được tính đếnnhư: nhập khẩu điện, nhiên liệu (than, khí đốt…), phát triển những nguồn năngluợng sẵn có như: gió, thuỷđiện, nhiệt điện và cả điện nguyên tử… Việc phát triểnphổ biến năng lượng gió ở nuớc ta là một yêu cầu hết sức cần thiết nhằm giải quyếtnhu cầu cung cấp điện cho đồng bào các vùng xa, vùng sâu, hẻo lánh.Do đó, việcphát triển các nguồn năng luợng mới và tái tạo, trong đó có năng luợng gió để phục

vụ nhu cầu tại chỗ là hết sức cần thiết

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ÐỀ TÀI

1.3.1 Ðối tượng nghiên cứu

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điềukhiển máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DIFG (Doubly Fed InductionGenerator)

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung vào các vấn đề chính sau đây:

Mô hình hóa máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG

Xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng,công suất phảnkháng trao đổi giữa stator DFIG và luới điện bằng phương pháp điều khiển trượt

Ðánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có sựthay đổi tham số mô hình

So sánh kết quả đạt được với các phương pháp thiết kế khác

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu tổng quan về năng lượng gió, các cấu hình hệ thống chuyển đổi nănglượng gió đang được áp dụng trên thế giới Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệthống DFIG

Trình bày mô hình toán học DFIG trong các hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh aßvà hệtrục tọa độ tham chiếu đồng bộ dq Trình bày tóm tắt cơ sở toán học của phươngpháp điều khiển truợt (Sliding mode control)

Xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản khángphía stator DFIG bằng phương pháp truợt.Trình bày sơ đồ và kết quả mô phỏng,nhận xét kết quả và kết luận Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng trong luậnvăn này để mô hình hóa DFIG, xây dựng giải thuật điều khiển và mô phỏng kết quả

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 HỆ THỐNG BIẾN ÐỔI NĂNG LUỢNG GIÓ

2.1.1 Năng lượng gió

Xuất phát điểm từ công thức quen thuộc để tính năng lượng tích trữ trong gió:

Pw = rv3 (2.1)Trong đó: ρ– mật độ không khí [ kg/ m3 ], ở điều kiện chuẩn ρ có giá trị 1.293kg/m3

Ar – diện tích quét của cánh quạt tuabin [m2 ]

Vận tốc gió trung bình phải được xác định để ước tính năng lượng kỳ vọngnhận được từ một vùng cụ thể, do vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và cókhuynh huớng lặp lại với chu kỳ một năm sau đó

Vì vậy, vận tốc gió trung bình có thể được xác định cho khoảng thời gianmột năm.Sự thay đổi vận tốc gió thường được mô tả bởi hàm mật độ xác suất Mộttrong những hàm mật độ xác suất duợc sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió

là hàm Weibull Phân bố Weibull duợc biểu diễn bởi hàm số:

f(v) = (2.3)

2.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor

Năng luợng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió PR bởi cánh quạttuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng (năng lượng kinetic) tích trữ tronggió ở phía trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió đằng sau cánh quạt cóvận tốc vd

Ðể tìm hiệu suất rotor cực đại ta lấy đạo hàm (2.9) theo và tính được Cp,max

=0.593, ứng với giá trị Giá trị lý thuyết Cp,max chỉ ra rằng tuabin không thểlấy nhiều hơn 59.3% năng lượng từ gió, đây còn được biết đến như là giới hạn Betz(Albert Betz’s Law) Ðường cong hiệu suất rotor được cho ở hình 2.2 Một thuậnlợi của công thức lý thuyết (2.9) là chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận được từgió Tuy nhiên, công thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa hiệu suất rotorvới cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng như mối quan hệ giữahiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát

chế tạo thuờng cho giá trị Cp đối với mỗi loại tuabin như là hàm của λ và góc ß.Một công thức xấp xỉ thuờng được sử dụng của đường cong hiệu suất rotor đượccho bởi công thức (2.12) và có dạng đồ thị như hình 2.5.

Cp (λ, β) = 0.22 ( – 0.4 β – 5) (2.12)Giá trị λi duợc cho bởi quan hệ: = -

2.1.4 Ðuờng cong công suất tuabin gió

Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại tuabingió chính là đường cong công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và côngsuất đầu ra, thuờng được gọi là đường cong công suất lý tuởng có dạng như hình2.6

Trong đó, cần phân biệt các thông số:

 Vận tốc gió Cut-in ( VC ): Là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát vàtạo ra công suất (net power)

 Vận tốc gió định mức ( VR ): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũngtăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi vận tốc gióđạt dến giá trị VR , công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết

kế.Khi lớn hơn VR thì cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin luợt bớt côngsuất nhằm tránh quá tải cho máy phát

Vận tốc gió Cut-out ( VF ): Khi tốc dộ gió tiếp tục tăng và đạt đến nguỡng

VF thì hệ thống tuabin cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát

và các cấu trúc cơ khí khác, trong truờng hợp này công suất phát ra bằngkhông

Hình 2.6 Ðuờng cong công suất lý tuởng của tubin gió

Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế công suất đưa vào tuabin - điều khiểncơ(aerodynamic power control) Trong đó, điều khiển pitch là phương pháp phổbiến nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi tuabin bằng cách thay đổi góc quaycủa 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 côngsuất lớn nhất có thể bằng cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa năng lượng nhậnđược 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

Ðối với tuabin gió có trang bị hệ thống điều khiển pitch, bộ điều khiển sẽliên 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 luợt bớt công suất và xoay cánh quạt theo chiều nguợc lại khi tốc độ gió giảm.

2.1.5 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát

Như đã trình bày ở Mục 2.1.3, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ

cụ thể, phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin Vì lý do kinh tế, thiết

kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió cần đạt được sản lượng điện nănghàng năm tối đa, để làm được như vậy thì trong vận hành cần phải liên tục thay đổitốc độ rotor theo từng tốc độ gió để cho λ luôn bằng với giá trị yêu cầu tạo ra Cp cựcđại

Theo lý thuyết cung như vận hành trong thực tế cho thấy khi làm việc với tốc

độ rotor được điều chỉnh theo sự thay đổi của tốc độ gió để bám những điểm côngsuất cực đại sẽ đạt nhiều hơn 20 – 30% sản luợng điện năng so với vận hành ở tốc

độ cố định [2]

2.2 CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ÐỔI NANG LUỢNG GIÓ

Tuabin gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thuờng trong phạm vithay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi Ðối với tuabin gió tốc độ

cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việcđược cố định theo tần số luới điện nên hầu như không thể điều khiển và do dókhông 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 cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự daođộng công suất và làm ảnh huởng đến chất lượng điện năng của lưới diện

Ðối với tuabin gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởithiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độgió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự daođộng công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể đượchạn chế Như vậy, chất luợng điện năng do bị ảnh huởng bởi tuabin gió có thể đượccải thiện hơn so với tuabin gió tốc độ cố định

Vì tốc độ quay của tuabin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần sốđiện, điều này có thể được thực hiện theo hai cách: sử dụng hộp số hoặc thay đổi số

16cặp cực từ của máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần sốluới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc máy phát Trongphần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng luợng gió sau đây được đề cập:

Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ

Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặcmáy phát đồng bộ

Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ haiphía

2.2.1 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định

Ðối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sócđược kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởiluới điện như hình 2.7

Hình 2.7 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thuờng làm việc ở haitốc độ cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có địnhmức và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dâyvới định mức và số cặp cực khác nhau Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng côngsuất thu được từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phátkhông đồng bộ thuờng cho phép làm việc trong phạm vi độ truợt từ 1 – 2%, vì độtrượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hon Mặc dù có cấutạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này có 3 nhược điểmchính:

Không thể điều khiển công suất tối ưu

Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khitốc độ thay đổi đột ngột

Do tần số và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên không cókhả năng điều khiển tích cực (Active control).

2.2.2 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất

Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữastator máy phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặcmáy phát đồng bộ (SG) Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu công suất nhậnđược từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũngnhư chiphí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên

Hình 2.8 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi

toàn bộ công suất phát

2.2.3 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc dộ thay đổi sử dụng DFIG

Hệ thống bao gồm tuabin gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phíaDFIG có stator được nối trực tiếp với lưới diện, trong khi đó rotor được nối thôngqua một bộ biến dổi công suất như hình 2.9 Ngày nay, cấu hình này trở nên rấtthông dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của toàn bộ công suất phát nêntổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể so với cấu hình biến đổitoàn bộcông suất phát, thêm vào đó chi phí dầu tư cho thiết bị biến đổi công suấtcũng thấphơn

Hình 2.9 Hệ thống biến đổi năng lượng gió được trang bị với DFIG

2.3 MÁY PHÁT ÐIỆN GIÓ CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA DFIG

Ðối với hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, DFIG đượcxem như giải pháp tốt nhất và đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm Như dã đềcập ở phần truớc, lý do bộ biến dổi công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 – 30% tổngcông suất phát, điều này có nghĩa tổn hao trong thiết bị điện tử công suất nhỏ hơn sovới cấu hình mà bộ converter phải biến đổi toàn bộ công suất phát Thêm vào dó,chi phí đầu tư cho thiết bị điện tử công suất cũng thấp hơn

2.3.1 Máy phát không dồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG

DFIG là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có mạch stator được kết nốitrực tiếp với lưới diện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất thôngqua vành trượt như hình 2.10 Bộ biến đổi công suất gồm hai converter; converterphía máy phát RSC (Rotor Side Converter) và converter phía luới GSC (Grid SideConverter), duợc kết nối theo kiểu “back-to-back” Một tụ diện dc-link được đặt ởgiữa đóng vai trò tích trữ năng luợng

Ðể đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở hai chế độ trên, bộ biến dổi côngsuất ở cả hai phía máy phát RSC và phía luới GSC (hình 2.7) đều phải là nghịch lưu

có khả năng diều khiển dòng công suất theo hai chiều (bi-directional)

Hình 2.11 Chiều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG

Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳngphức PQ, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng về lưới (điều nàyngược với máy điện không đồng bộ thông thuờng) Trên hết, công suất phản khángtrao đổi giữa DFIG và lưới điện có thể 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: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặcphát công suất phản kháng về luới, chẳng hạn điều chỉnh điện áp (trong truờng hợp luới yếu)

Có thể hoàn toàn kích từ DFIG thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp

luới

 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 diều khiển hệ sốcông suất đầu cực stator

Trong khi đó, mục đích chính của bộ converter phía lưới GSC là để giữ chođiện áp dc-link không đổi

2.3.2 Sơ dồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập:

Sơ đồ tương đương của DFIG có tính đến tổn hao mạch từ được cho ở hình2.12 Sơ đồ này chỉ thích hợp cho các phân tích và tính toán ở trạng thái xác lập,

21dây quấn nối Y Trong truờng hợp dây quấn Δ có thể qui đổi về mô hình tươngđương Y, phương pháp jω được sử dụng cho các tính toán.

Hình 2.12 Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập

Ðể ý rằng nếu điện áp rotor Vr được nối ngắn mạch thì mạch điện tương đương DFIG trở về mạch điện tương đương nguyên thủy của máy điện không đồng

Vs điện áp stator Rs điện trở stator

Vr điện áp rotor Rr điện trở rotor

Is dòng stator Rm điện trở từ hóa

Ir dòng rotor Lls điện cảm tản stator

IRmdòng điện từ hóa Llr điện cảm tản rotor

Ψr = LlrIr + Lm (Is + Ir +IRm) = LlrIr + ΨmThông qua một số phép biến đổi, ta được:

Vs =Rs Is + jωsψs

Vr /s = Ir +jωsψr (2.16) 0= RmIRm + jωsψm

Tổn hao và mômen điện từ được tính theo các biểu thức:

2 2 2

Pth = 3 (Rs |Is | +Rr |Ir | +Rm |IRm | (2.17)

Te = 3p Im [ψm Ir*] (2.18)

2.3.3 Sự phân bố công suất giữa các cuộn dây DFIG

Ðể khảo sát sự phân bố công suất giữa các cuộn dây của DFIG, công suất biểu kiến cấp cho DFIG thông qua mạch stator và rotor phải được xác dịnh Công suấtbiểu kiến cuộn stator Ss và rotor Sr có thể được tính theo:

công suất như hình 2.13 Tùy thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống, công suấtqua mạch rotor có thể đi theo hai chiều:

 Từ lưới qua bộ biến đổi công suất đến rotor Pr < 0 ở chế dộ duới đồng bộ

 Và ngược lại từ mạch rotor qua bộ biến đổi công suất đến luới Pr > 0 ở chế

dộ trên đồng bộ

Trong cả hai truờng hợp trên, mạch stator đều phát công suất về luới Ps >0 Nhưvậy, khi hệ thống biến đổi năng luợng gió cho phép vận hành trong phạm vi thayđổi tốc độ Δω=± %30 quanh tốc độ đồng bộ, ứng với hệ số trượt thay đổi trongphạm vi s =± 0.3, thì công suất định mức của bộ biến đổi công suất chỉ cần đượcthiết kế bằng % 20-30 công suất định mức của máy phát Ðịnh mức của bộ biến đổicông suất có quan hệ với phạm vi thay đổi tốc độ được chọn, chi phí cho bộ biếnđổi công suất vì thế tăng hay giảm phụ thuộc vào phạm vi tốc độ cho phép tăng haygiảm

Hình 2.13 Sự phân bố công suất giữa các cuộn dây DFIG không tổn hao 2.4 HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ TRANG BỊ DFIG

Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc thay dổi DFIG bao gồm các mục tiêu:điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát và luới điện, diều khiểnbám các điểm vận hành tối ưu của tuabin nhằm cực đại công suất thực nhận từ gióhoặc để hạn chế công suất đầu vào nhằm tránh quá tải cho máy phát khi tốc dộ gió

khiển DFIG Vì thế, nó cung cấp tín hiệu điều khiển ßref trực tiếp cho bộ chấp hành góc pitch và tín hiệu điều khiển công suất tác dụng Pref cho kênh điều khiển DFIG.

Hệ thống điều khiển tổng thể như hình 2.14 đòi hỏi thông tin các tín hiệu đolường: công suất tác dụng Ps ref và công suất phản kháng Qs mea (tại điểm M đầu cựcstator hoặc trên luới điện), điện áp Udc mea trên dc-link, dòng diện qua bộ lọc if mea(tại điểm N), tốc độ máy phát ωr mea và dòng diện rotor irmea

Kênh điều khiển máy phát có ba tín hiệu vào điều khiển như sau:

 Giá trị điều khiển công suất tác dụng Ps ref thông tin này được cung cấp bởikênh điều khiển tuabin gió

 Giá trị điều khiển công suất phản kháng Qs ref , giá này có thể được gán bởinguời vận hành Chẳng hạn, trong truờng hợp lưới yếu có thể yêu cầu DFIGphát công suất kháng dể hỗ trợ điện áp luới

 Giá trị diều khiển diện áp dc-link Udc ref được quyết dịnh bởi kích cỡ của bộconverter, tỷ số điện áp stator - rotor và chỉ số điều chế của bộ biến đổi côngsuất

Kênh điều khiển tuabin tạo ra hai tín hiệu điều khiển:

 Giá trị điều khiển công suất tác dụng Ps ref là tín hiệu đặt (setpoint) cho kênhđiều khiển DFIG, được tạo ra dựa trên thông tin là vận tốc đo lường của máyphát ω r mea và công suất đo lường Ps mea tại điểm M Ví dụ, khi tốc độ gióthấp hơn tốc độ gió định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ tạo ra tín hiệu điềukhiển bằng cách hiệu chỉnh vận tốc máy phát dể tuabin nhận được công suấttối đa từ gió

Giá trị điều khiển ß ref được đưa trực tiếp đến cánh quạt tuabin, bộ chấp hànhgóc pitch sẽ thực thi như một phần của bộ điều khiển công suất Giá trị nàyđược tạo ra dựa trên thông tin công suất đo luờng Psmea và công suất địnhmức Pn ref (thuờng là giá trị danh định của tuabin được cho bởi nhà chế tạo).Khi tốc dộ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giớihạn Pn ref , kênh điều khiển tuabin sẽ giữ góc pitch trị số tối ưu và tạo ra giátrị điều khiển Ps ref cho kênh điều khiển DFIG nhằm đạt công suất tối đa, sau

đó kênh điều khiển DFIG sẽ điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để giữ chocông suất đầu ra theo giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiểntuabin

Trong truờng 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 ß để lượt bớt công suất và

ra lệnh cho kênh điều khiển DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển Ps ref bằng giá trịđịnh mức Pn ref , kênh điều khiển DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy phát vềmột phạm vi được định truớc

2.5 VẬN HÀNH CÔNG SUẤT TUABIN GIÓ

Ở khía cạnh kinh tế, thiết kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng giócần 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

λ cụ thể phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin Do dó, tốc độ quaycủa máy phát cần phải được diều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc giónhằm duy trì λ tối ưu

2.5.1 Vận hành công suất cực đại

Trong thực tế, các hệ thống biến đổi năng lượng gió thường được vận hànhtheo hai chế độ, chế độ thứ nhất là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số và chế dộvận hành thứ hai là giữ cho công suất đầu ra lớn nhất Thuận lợi của chế dộ vậnhành thứ nhất là luới điện duợc cấp một luợng công suất không đổi, tuy nhiên năngluợng từ gió không được sử dụng hiệu quả Ở chế dộ vận hành thứ hai, tối ưu hóanăng luợng nhận được từ gió trong một phạm vị thay đổi tốc độ làm việc cho phép,chế độ vận hành này thường được áp dụng cho các tuabin công suất lớn, tuy nhiêndòng công suất đưa lên lưới thay dổi

Có hai cách thực hiện diều khiển tối uu công suất đầu ra của máy phát điệngió

2.5.1.1 Ðiều khiển tối ưu Tip - Speed - Ratio

Theo cách này, tốc dộ gió được đo lường liên tục Trên cơ sở dữ liệu gió đođược, tốc độ máy phát sẽ được điều chỉnh để tối ưu λ theo từng giá trị tốc độ gió và

Khi tốc độ gió tiếp tục tăng, công suất đầu ra đạt dến giá trị danh định (côngđịnh mức theo thiết kế của máy phát) Khi đó, tốc độ rotor được điều chỉnh để việcvới λ sao cho Cp nhỏ hơn giá trị tối ưu và tuabin gió được vận hành ở công suấtdanh định tránh quá tải cho máy phát Vùng làm việc này được gọi là miền côngsuất không đổi Khi tốc độ gió đầu vào tăng lớn hơn VF , tuabin gió được ngắt ra đểbảo vệ máy và các bộ phận cơ khí khác.

2.5.1.2 Ðiều khiển bám công suất dỉnh

Nguyên lý của phương pháp này là tìm cực trị của công suất P theo ω, tức là:

(2.23)Thuận lợi của phương pháp này là không yêu cầu xác định tốc độ gió Theonguyên lý này, tốc độ rotor được tăng hoặc giảm với các số gia nhỏ, công suất đầu

ra được đo lường liên tục, trên cơ sở đó tính toán tỷ số ΔP/Δω Nếu tỷ số nàydương, nghĩa là có thể nhận thêm công suất từ gió bằng cách tăng tốc độ của rotor.Mặt khác, nếu tỷ số này âm, công suất phát sẽ giảm nếu ta thay đổi tốc độ Tốc độcủa rotor được duy trì sao cho ΔP/ Δω gần giá trị 0, sơ đồ nguyên lý như hình 2.17

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh

Tóm lại, để tối ưu công suất nhận được từ gió thì tốc độ của rotor phải đượcđiều chỉnh phù hợp với mỗi tốc độ gió đầu vào Cả hai chiến luợc này đều nhằmmục đích đạt được tương quan P-Cp tối ưu

2.5.2 Ðiều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng:

Máy phát diện gió cấp nguồn từ hai phía được diều khiển trong hệ trục thamchiếu dq định huớng theo vécto điện áp lưới, với trục d trùng với vị trị của véctođiện áp Theo cách này, ta có thể điều khiển độc lập giữa công suất tác dụng vàcông suất phản kháng Việc lựa chọn vécto điện áp luới us làm huớng tựa xuất phát

từ hai lý do chính:

 Hệ thống máy phát truớc khi phát điện lên lưới cần phải được hòa đồng bộ

với điện áp lưới, tức là với us

 Sau khi hòa đồng bộ, stator máy phát được nối với luới, vì vậy vs = us

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG

Chương này trình bày mô hình động của đối tượng DFIG, thích hợp cho việc phântích các đặc tính của máy điện xoay chiều ba pha ở chế độ xác lập lẫn quá độ dựatrên khái niệm véctơ không gian và các phép biến đổi toán học

Mô hình toán học DFIG được xây dựng trong cả hai hệ trục tọa độ tham chiếu; hệtrục tọa độ tĩnh stator (hệ trục αβ ) và hệ trục tham chiếu quay với tốc độ đồng bộ(hệ trục dq ) Ta sẽ sử dụng lần lượt cả hai hệ trục tọa độ tham chiếu này, trong đó

hệ phương trình mô tả DFIG trong hệ trục αβ được dùng để xây dựng sơ đồ môphỏng, còn hệ phương trình mô tả DFIG trong hệ trục dq làm xuất phát điểm để tìm

và xây dựng giải thuật điều khiển Qui ước dấu động cơ được sử dụng trong luậnvăn này, vì đây là qui ước phổ biến nhất cho sự thiết lập các phương trình mô tảmáy điện Theo qui ước này, dòng điện có giá trị dương khi nhận công suất từ lưới

và ngược lại có giá trị âm trong trường hợp phát công suất lên lưới

3.1 VÉCTƠ KHÔNG GIAN VÀ CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI

3.1.1 Véctơ không gian:

Cho đại lượng 3 pha na , nb, nc, phép biến đổi từ đại lượng pha sang đại lượng

vec-tơ không gian được định nghĩa: ns= k(na+ ̅nb+ ̅2nc) (3.1)

Hình 3.1 Nguyên lý của vec-tơ không gian

Với: ̅ = = √

Ý tưởng đằng sau véctơ không gian là mô phỏng máy điện theo hai pha thay vì ba pha để đạt sự phân lập tương đối giữa các biến và giảm tính phức tạp của hệ phương

k=2/3, phép biến đổi giữ nguyên biên độ

k =1, phép biến đổi có biên độlớn hơn 1.5

Một cách tổng quát, véctơ không gian có thể được biểu diễn theo hệ thức:

n s = n α s + jn s β = N me j(ωt+θ) (3.3)

Trong đó, θ [ rad ] là góc dịch pha và ω [rad/s ] là vận tốc góc của véctơ quay

Cũng có thể qui đổi véctơ không gian về hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ (hệ trục

Hệ trục tọa độ đồng bộ dq phải được định hướng theo một véctơ nào đó, thường là

véctơ từ thông rotor hoặc stator của máy điện không đồng bộ Tuy nhiên, cũng có

thể định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới Trong hệ trục dq , hai

thành phần của véctơ không gian sẽ là đại lượng dc ở trạng thái xác lập

3.1.2 Biểu diễn công suất theo véctơ không gian

Công suất tác dụng tức thời của hệ thống ba pha được cho bởi hệ thức:

Pabc= vaia+vbib+vcic = (3.5a)

véctơ dòng điện Tương tự, công suất phản kháng được tính bởi hệ thức:

Suy ra: Pαβ = vα iα +vβ iβ =3/2k2 (va ia+vb ib+vc ic) =3/2 k2Pabc

Hay Pabc =(2/3k2) Pαβ , ta được điều cần chứng minh (3.6a) và do đó (3.5a) Chứng minh tương tự cho (3.5b)

Nếu thay k =2/3, ta thu được phép biến đổi bảo toàn công suất như Mục 3.1.1,

Pabc=Pαβ.

Ghi chú: k =2/3 được chọn và sử dụng trong luận văn này khi đó Pabc =(3/2) Pαβ

3.1.3 Phép biến biến đổi giữa đại lượng ba phaabc và αβ

Bằng cách triển khai các véctơ không gian theo các thành phần theo trục thực và

trục ảo, ta có phép biến đổi từ đại lượng ba pha abc sang đại lượng αβ gắn với hệ trục tọa độ tĩnh stator Trong đó, trục α trùng với trục dây quấn pha a , còn trục β vuông góc và sớm pha so với trục α như hình 3.2

Hình 3.2: Mối liên hệ giữa đại lượng abc và αβ

Ta được phép chuyển đổi từ đại lượng 3 phaabc sang αβ.

[nsαβ0]= [Tαβ0][nabc]

Với ma trận chuyển đổi: [Tαβ0] = [ √ √ ]

Phép biến đổi ngược từ αβ sang abc: [nabc]= [Tαβ0]-1 [nsαβ0]

[Tαβ0]-1 = [ √ √ ]

Các phép biến đổi (3.7) và (3.8) còn được biết với tên gọi khác là phép biến đổiClark (Clark’s transformation)

3.1.4 Phép biến biến đổi giữa đại lượng αβ và dq

Mối liên hệ giữa véctơ trong hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục tọa độ dq đang quay với tốc độ đồng bộ ω sđược cho bởi hệ thức:

ns= ne e jθs (3.9a) ne = ns e -jθs (3.9b)Trong đó: θs =ωst

Triển khai các vec-tơ trong (3.9a) và (3.9b) theo 2 thành phần trục thực và trục ảo:

ns=nsα + jnsβ , ne =ned + jne q s s, ejθs =cosθ +j sinθ

Hình 3.4 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y

Xuất phát từ phương trình điện áp pha stator và rotor của máy điện không đồng bộrotor dây quấn:

vas=Rsias+ , vbs=Rsibs+ , vcs=Rsics+ (3.12)

var=Rriar+ , vbr=Rribr+ , vcr=Rricr+ (3.13)

Sử dụng công thức (3.2) ta có phương trình điện áp stator theo ký hiệu véc-tơ khônggian: = Rs + (3.14)

Tương tự, phương trình điện áp rotor theo ký hiệu véctơ không gian được viết trong

hệ trục tọa độ tự nhiên của chính nó: = Rs + (3.15)

37phương trình đầy đủ mô tả DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh αβ , có mạch điện tương đương như hình 3.7.

PT điện áp stator: = Rs + d /dt ; = Rs + d /dt (3.19)

PT điện áp rotor: = Rs + ωr + d /dt; = Rs -ωr +d /dt(3.20)

Từ thông móc vòng:

21[

(3Tro

ng

Hình 3.7: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu

dq quay với tốc độ đồng bộ

3.2.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa dộ dồng bộ dq

Mối liên hệ giữa véctơ điện áp, dòng điện, từ thông trong hệ tọa dộ aßvà dq bằngcách áp dụng công thức (3.9):

= ; = ; =

Thay vào (3.14) và rút gọn, ta được phương trình điện áp stator:

= Rr + (ωs

Từ thông móc vòng:

= [][ ][ ]

(3.28)

Môment điện từ:

Te = p ( = p ( = pLm( (3.29)

3.3 ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN

Trong mô phỏng máy điện, các đại lượng cơ bản với giá trị đỉnh thường được sửdụng hơn thay vì giá trị hiệu dụng Máy điện không đồng bộ ba pha có số cặp cực

từ p , tần số định mứcf n, giá trị điện áp dâyV n và công suất định mức P n.Cácđạilượng cơ bản được định nghĩa như sau

3.4 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG DFIG TRÊN MATLAB/SIMULINK:

Đối với sơ đồ mô phỏng hệ phương trình mô tả DFIG được xây dựng trong hệ trụctọa độ tham chiếu tĩnh αβ Với trục α được định nghĩa trùng với trục dây quấn statorpha a như hình 3.10 Các ngõ vào là điện áp stator va rotor được chuyển về cùngmột hệ trục tọa độ tĩnh αβ theo công thức (3.7):

40{ √ √

(3.36)

thực hiện theo 2 bước:

 Bước 1: thực hiện phép quy đổi điện áp rotor abc về hệ trục toạ độ tĩnh gắn

với chính rotor sử dụng công thức quy đổi tương tự với stator

∫Trong đó:

Hình 3.9: Trục của dây quấn stator 3 pha abc và hệ trục tọa độ αβ