Điều khiển giảm điện áp common mode cho bộ biến đổi phía rotor của máy phát không đồng bộ nguồn kép

thị trường [1],Đi kèm với sự phát triển về công suất và kích cỡ của các turbine gió, các bộ biến đổiđiện tử công suất được sử dụng trong turbine gió cũng có những bước phát triển vượt bậ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ NGUYÊN HỒNG PHONG

ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE

CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR

CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện

Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HÔ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BẤCH KHOA - ĐHQG-HCM

Cán bộ huớng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN VÀN NHỜ

HCMngàyl4 tháng 7 năm 2018.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 Chủ tich: TS HOÀNG MINH TRÍ

2 Thư ký: TS HUỲNH QUỐC VIỆT

3 Phản biện 1: PGS TS HỒ PHẠM HUY ÁNH

4 Phản biện 2: TS ĐINH HOÀNG BÁCH

5 ủy viên: PGS TS NGUYÊN THANH PHƯƠNG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuỵên ngành sau khỉ luận văn đã được sửa chữa (nếu cố).

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ NGUYỄN HỒNG PHONG

Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1990

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện

ĐIỀU KHIÊN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP

1 Khảo sát tổng quan: hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) và ảnhhưởng của điện áp common-mode

2 Phân tích mô hình động của DFIG và giải thuật điều khiển DFIG

3 Phân tích điện áp common-mode và đề xuất giải thuật điều khiển giảm điện ápcommon-mode cho mạch nghịch lưu

4 Xây dựng mô hình mô phỏng trong MATLAB/Simulink cho hệ thống DFIG với bộbiến đổi phía rotor (RSC) hoạt động ở chế độ nghịch lưu, áp dụng kỹ thuật điềukhiển giảm điện áp common-mode cho RSC

5 Thu thập số liệu mô phỏng, phân tích, đánh giá, kết luận và công bố khoa học

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (ghi theo trong QĐ giao đề tài): 15/01/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (ghi theo trong QĐ giao đề tài): 02/12/2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MSHV: 1770573

Nơi sinh: Khánh Hòa

Mã số: 60520202

LỜI CÁM ƠN

Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, trước tiên tôi xin gửi lời cám ơn đến

PGS TS NGUYỄN VĂN NHỜ (Trưởng phòng TN Hệ thống Năng lượng, Khoa Điện- Điện

tử), người đã hướng dẫn hết sức tận tình để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tiếp theo, tôi xin gửi lời cám ơn đến Cha tôi, là người đã luôn hỗ trợ động viên tôi cả

về vật chất lẫn tinh thần trong quá trình tôi học tập tại trường ĐH Bách khoa Tp Hồ ChíMinh

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy, các bạn tại Phòng TN Hệ thống Năng lượng

đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2018

Học viên

Lê Nguyễn Hồng Phong

ổ bi trong máy điện Luận văn này trình bày một giải thuật điều khiển mới nhằm làm giảmđiện áp common-mode của bộ biến đổi phía rotor hoạt động ở chế độ nghịch lưu trong hệthống máy phát không đồng bộ nguồn kép Giải thuật được xây dựng dựa trên kỹ thuật sóngmang sử dụng hàm offset và được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB/Simulink R2016b.Kết quả mô phỏng đã thể hiện được hiệu quả của giải thuật đề xuất.

English:

Pulse width modulation technique is used widely to control inverters in AC drivesystems, including doubly-fed induction generator system When applying switchingtechniques for inverter, common-mode voltage is generated This voltage is known as anmajor factor which causes many problems in AC drive systems, such as: increasing leakagecurrent of AC machines, increasing bearing currents which can damage bearing surfaces, etc.This thesis presents a novel strategy for reducing common-mode voltage for 2 level inverterbased rotor side converter in a DFIG system The proposed technique is developed from thecarrier-based PWM technique with offset function and verified by a simulation model built inMATLAB/Simulink R2016b The simulation results show the effectiveness of the proposedtechnique

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam kết rằng tất cả các kết quả đo được trình bày trong luận văn này đều do chínhbản thân tôi thực hiện và lấy kết quả Nội dung luận văn do chính bản thân tôi biên soạn và cótrích dẫn các tài liệu tham khảo

Tôi sẽ chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật nếu nội dung, số liệu và kết quảtrong luận văn này là ngụy tạo hoặc đạo văn của người khác

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2018

Học viên

Lê Nguyễn Hồng Phong

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN 4

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ 5

LỜI CAM ĐOAN 6

MỤC LỤC 7

DANH SÁCH KÝ HIỆU 10

DANH SÁCH TÊN VIẾT TẮT 13

DANH SÁCH HÌNH ẢNH 14

DANH SÁCH BẢNG BIÊU 17

CHUƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 18

1.1 Điện tử công suất trong hệ thống điện gió 18

1.2 Hệ thống turbine gió DFIG 20

1.3 Một số nghiền cứu liền quan 24

1.4 Ý nghĩa đề tài nghiền cứu 25

1.5 Đối tượng nghiên cứu 25

1.6 Nội dung nghiên cứu 26

1.7 Phương pháp nghiên cứu 26

1.8 Bố cục luận văn 27

CHUƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DFIG 28

2.1 Các phép biến đổi hệ tọa độ 28

2.1.1 Phép biến đổi abc/dq 28

2.1.2 Phép biến đổi abc/ap 32

2.2 Mô hình toán học DFIG 32

2.2.1 Mô hình vector không gian 33

2.2.2 Mô hình trong hệ tọa độ dq 35

2.3 Điều khiển định hướng điện áp stator cho DFIG 38

2.4 Sơ đồ điều khiển 40

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIÊN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO Bộ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR 43

3.1 Phân tích điện áp common-mode 43

3.2 Điều khiển giảm CMV bằng kỹ thuật RCMV 4S SVM 46

3.2 Điều khiển giảm CMV bằng kỹ thuật RCMV CBPWM 48

3.3.1 Xác định hàm offset và áp điều khiển 49

3.3.2 Thực hiện kỹ thuật PWM sử dụng sóng mang 50

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG 52

4.1 Sơ đồ mô phông 52

4.2 Thông số mô phỗng 53

4.2.1 Các khối ở phần công suất 53

4.2.1.1 Khối mô phỏng lưới điện 53

4.2.1.2 Kh ối mô phỏng DFIG 54

4.2.1.3 Khối mô phỏng RSC 55

4.2.1.4 Khối mô phỏng mạch DC-link 56

4.2.2 Các khối ở phần đo lường và điều khiển 57

4.2.2.1

Khối chuyển đổi hệ tọa độ 57

4.2.2.2 Khối điều khiển RSC 59

4.3 Kết quả mô phỗng 60

4.3.1 Mô phỏng 1: DFIG 15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz 60

4.3.2 Mô phỏng 2: DFIG 15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz 67

4.3.3 Mô phỏng 3: DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz 73

4.3.4 Mô phỏng 4: DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz 79

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

5.1 Những kết quả đạt được 85

5.2 Những hạn chế 85

5.3 Hướng phát triển trong tưong lai 85

CÔNG BỐ KHOA HỌC 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

PHỤ LỤC 105

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 108

DANH SÁCH KÝ HIỆU

j Đon vị ảo (j 2 = -l)

p Toán tử đạo hàm (p = d/dt)

Rr Điện trở rotor quy về stator n

trong kỹ thuật điều chế vector không gian s

VaO, VbO, VcO Điện áp pha nghịch lưu của các pha a, b, c quy về điểm

trung tỉnh của mạch DC-link

Van, Vim, Ven Điện áp 3 pha a, b, c của tải 3 pha nổi với mạch nghịch lưu

V

Vas, Vbs, Vcs Điên áp 3 pha a, b, c của stator quy về điểm trung tỉnh của

Vdref, Vqref Điện áp theo trục d và trục q của điên áp tham chiếu dùng

Xa, Xb, Xc Các biên trong hệ tọa độ abc

Xd, Xq Các biến trong hệ tọa độ dq

Xa, xp Các biến trong hệ tọa độ ap

DANH SÁCH TÊN VIẾT TẲT

Modulation Điều chê độ rộng xung dựa trên sổng mang

FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh

GSC Grid Side Converter Bộ biến đồi phía lưới

Synchronous Generator Mảy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

PWM Pulse-width Modulation Diều chế độ rộng xung

RSC Rotor Side Converter Bộ biến đổi phía rotor

SCIG Squirrel Cage Induction

Generator Mảy phát không đồng bộ rotor lồng sỗc

Stator Voltage Oriented Control Diều khiển định hướng điện áp stator

SVM Space Vector Modulation Diều chế vector không gian

THD Total Harmonic Distortion Độ méo dạng sống hài tổng

vsc Voltage Source Converter Bộ biến đôi nguồn áp

WRSG Wound Rotor Synchronous

Generator Mảy phát đồng bộ rotor dây quấn

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Công suất lẳp đặt của hệ thống năng lượng giỏ trên phạm vi toàn cầu từ năm

2001 đến năm 2020 18

Hình 1-2 Sự phát triển của turbine giỏ và vai trò của điện tử công suất trong turbine gió, tính từ năm 1980 đến 2020 19

Hình 1-3 Sơ đồ hệ thống turbine gió DFIG 21

Hình 1-4 Sơ đồ bộ biến đổi back-to-back 2 bậc 21

Hình 1-5 Dòng câng suất trong hệ thống DFIG 23

Hình 2-1 Biểu diễn vector X dưới dạng các biến Xa, Xb, Xc trong hệ tọa độ abc 29

Hình 2-2 Phép biến đổi các biến từ hệ tọa độ abc đứng yên sang hệ tọa độ dq 29

Hình 2-3 Phân tích vector X trong hệ tọa độ dq 31

Hình 2-4 Mạch điện tương đương cho mô hình vector không gian của máy điện không đồng bộ 34

Hình 2-5 Mô hình vector không gian của máy điện không đồng bộ trong hệ quy chiếu đồng bộ 34

Hình 2-6 Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ tọa độ dq đồng bộ 37

Hình 2-7 Sơ đồ kỹ thuật svoc dùng để điều khiển công suất DFIG 42

Hình 3-1 Mạch nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc với tảỉRL 43

Hình 3-2 Đồ thị các vector thực hiện trong kỹ thuật SVM 44

Hình 3-3 Kỹ thuật SVM sử dụng 3 vector gần nhất 45

Hình 3-4 Kỹ thuật RCMV4S SVM 47

Hình 3-5 Mô hình áp trung bình cho pha a 49

Hình 3-6 Giản đồ đóng ngắt linh kiện và đồ thị CMVtrong kỹ thuật RCMV CBPWM 51

Hình 4-1 Sơ đồ mô phỏng MATLAB/Simulink 53

Hình 4-2 Khối mô phỏng lưới điện 54

Hình 4-3 Khối mô phỏng DFIG 54

Hình 4-4 Khối mô phỏng RSC 56

Hình 4-5: Khối mô phỏng mạch DC-link 57

Hình 4-6 Khối chuyển đổi hệ tọa độ 58

Hình 4-7 Cẩu trúc bên trong của khối biến đổi abc/dq 58

Hình 4-8 Cẩu trúc bên trong của khối biến đổi dq/abc 58

Hình 4-9: Khối điều khiển RSC 59

Hình 4-10 Dạng sóng Vcar, Vrefabc và trạng thái Sl, S3, S5 (DFIG 15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) 61

Hình 4-11: Dạng sóng CMV (DFIG15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) 62

Hình 4-12: Dạng sóng iabcr(DFIG 15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) 63

Hình 4-13: Phân tích FFT iar (DFIG15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) 64

Hình 4-14: Dạng sóng Vabc, và iabc, (DFIG15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) 65

Hình 4-15: Phân tích FFT ia, (DFIG15 kw, Vdc = 400 V, far = 2,5 kHz) 66

Hình 4-16: Dạng sóng p„ Q s (DFIG 15 kw, Vdc = 400 v,fcr = 2,5 kHz) 67

Hình 4-17: Dạng sóng CMV (DFIG 15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz) 68

Hình 4-18: Dạng sóng iabcr(DFIG 15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz) 69

Hình 4-19: Phân tích FFT ỉar (DFIG15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz) 70

Hình 4-20: Dạng sóng Vabcs và iabcs (DFIG15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz) 71

Hình 4-21: Phân tích FFT ỉa, (DFIG15 kw, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz)71 Hình 4-22: Dạng sóng Vcar, Vrefabc và trạng thái Sl, S3, S3 (DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) 74

Hình 4-23: Dạng sóng CMV (DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) 75

Hình 4-24: Dạng sóng iabcr(DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) 76

Hình 4-25: Phân tích FFT iar (DFIG 250 kw, Vdc = 800 v,fcr = 2,5 kHz) 76

Hình 4-26: Dạng sóng Vabcs và iabcs (DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) 77

Hình 4-27: Phân tích FFT ỉ as (DFIG 250 kw, Vdc = 800 v,fcr = 2,5 kHz) 78

Hình 4-28: Dạng sóng p s , Q s (DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) 79

Hình 4-29: Dạng sóng CMV (DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz) 80

Hình 4-30: Dạng sóng iabcr(DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz) 81

Hình 4-31: Phân tích FFT iar (DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz) 81

Hình 4-32: Dạng sóng iabcs (DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz) 82

Hình 4-33: Phân tích FFT i as (DFIG 250 kw, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz) 83

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3-1 Giá trị điện áp pha nghịch lưu và CMV 46 Bảng 4-1 Kết quả tổng hợp các phân tích THD (DFIG 15 kw, Vdc = 400 V) 72 Bảng 4-2 Kết quả tổng hợp các phân tích THD (DFIG 250 kw, Vdc = 800 V) 83

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1. Điện tử công suất trong hệ thống điện gió

Trong xu hướng tìm kiếm nguồn năng lượng mới thay cho nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống, các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng được quan tâm [1] Hiện nay năng lượng gió là một lĩnh vực phát triền nhanh chống và đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống năng lượng tái tạo [2] Sụ phảt triển của năng lượng giỏ được phản ánh qua sự gia tăng nhanh chóng của công suất lắp đặt các hệ thống turbine gió trên phạm vi toàn cầu Hình 1-1 cho tháy nếu như vào năm 2001 tỏng cồng suất lắp đặt turbine giỗ trên toàn thế giới chỉ đạt 24 MW thì đến năm 2005, công suất này

đã tăng hơn 2 lần và đạt 59 MW, đến năm 2011 đạt gần 240 MW và dự báo đến năm

thị trường [1],

Đi kèm với sự phát triển về công suất và kích cỡ của các turbine gió, các bộ biến đổiđiện tử công suất được sử dụng trong turbine gió cũng có những bước phát triển vượt bậc cả

về kiểu sơ đồ mạch cũng như công suất định mức [1], [2],

Hình 1-2 thể hiện sự phát triển về công suất và kích thước của hệ thống turbine gió,cùng với sự phát triển của điện tử công suất trong hệ thống turbine gió [2]

rotor rotor Hình 1-2 Sự phát triển của turbine gió và vai trỏ của điện tử công suất trong turbine gió từ năm 1980

đến 2020 (dự báo) [2]

Các turbine gió được sản xuất trong thập niên 1980 sử dụng máy phát không đồng bộrotor lồng sóc (SCIG), do vậy mạch điện tử công suất được dùng chỉ là các mạch khởi độngmềm thyristor công suất nhỏ [1], [2], Đến thập niên 1990, máy phát không đồng bộ rotor dâyquấn (WRIG) bắt đầu được sử dụng trong turbine gió, các bộ biến đổi được sử dụng là cácmạch cầu diode và mạch băm (chopper) với công suất là 10% công suất định mức máy phát[1], [2] Từ năm 2000 trở đi, các mạch biến đổi back-to-back với khả năng dẫn dòng công suấttheo cả 2 chiều đã được giới thiệu và được ứng dụng trong các hệ thống turbine gió sử dụngmáy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) và máy phát đồng bộ nam chân vĩnh cửu (PMSG)

[1], [2] Trong hệ thống DFIG, công suất định mức của bộ biến đổi chiếm 30% công suất máyphát còn trong hệ thống PMSG, tỷ lệ này lên đến 100% [1], [2], Sự phát triển của các bộ biếnđổi điện tử công suất không chỉ giúp hạn chế được các tác động của hiện tượng stress cơ họctrên trục turbine gió mà còn mang đến khả năng điều khiển linh hoạt công suất của máy phát,làm cho hệ thống turbine gió có thể dễ dàng kết nối lưới [2],

1.2 Hệ thống turbine gió DFIG

Có nhiều loại máy phát khác nhau được sử dụng trong turbine gió Ở giai đoạn bắt đầuphát triển của lĩnh vực điện gió, máy phát SCIG được sử dụng trong các turbine gió và đượcbiết đến với tên gọi “kiểu thiết kế Đan Mạch” (Danish concept), hiện nay phần lớn các turbinegió đều sử dụng máy phát DFIG hoặc PMSG [2], [3],

Hệ thống turbine gió sử dụng DFIG đã được nghiên cứu từ thập niên 1990 và bắt đầuđược sử dụng rộng rãi từ thập niên 2000 [l]-[4] Tại thời điểm 2013, hệ thống turbine gió sửdụng DFIG chiếm gần 50% thị trường turbine gió [5] DFIG dùng ttong turbine gió được sảnxuất với nhiều phạm vi công suất khác nhau, ttong đó phổ biến nhất từ 1,5 MW đến 3 MW.Một số nhà sản xuất còn giới thiệu các mẫu DFIG với công suất lớn, trong đó có hãngRepower (Đức) với 2 mẫu DFIG là 6M, công suất 6150 kw và 5M, công suất 5 MW [5],

Trong hệ thống DFIG, cuộn dây stator của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện,trong một số trường hợp được kết nối thông qua một máy biến áp Cuộn dây rotor được kếtnối với bộ biến đổi công suất back-to-back trước khi nối trực tiếp vào lưới điện, hoặc nối vớilưới thông qua máy biến áp Trục rotor của DFIG được

truyền động bởi trục turbine gió, thông qua hộp số

tăng tốc Hình 1-3 là sơ đồ của một hệ thống DFIG điển hình.

Bộ biến đổi công suất được sử dụng trong hệ thống DFIG là bộ bỉến đổi to-back dựa trên linh kiện IGBT, bộ biến đổi này có khả năng dẫn dòng công suất chạy theo cả hai chiều và hoạt động được trong cả 4 gốc phần tư Độ biến đổi back-to-back được ghép nối từ 2 mạch biến đổi nguồn áp (VSC), hai mạch vsc có thể là mạch 2 bậc truyền thống hoặc mạch đa bậc Hai mạch vsc này được liên kết với nhau bởi tụ điện

back-DC, thường gọi là tụ DC-link Hình 1-4 là sơ đồ mạch của bộ biến đổi back-to-back 2 bậc.

Trong bộ biến đổi back-to-back, bộ biến đổi được nối với cuộn dây rotor của

Lướiđiện

Hình 1-3 Sơ đồ hệ thống turbine gió DFIG [2]

DFIG được gọi là bộ biến đổi phía rotor (RSC) và bộ biến đồi còn lại được nối với lướiđiện được gọi là bộ biến đổi phía lưới (GSC) RSC có chức năng điều khiển moment, côngsuất tác dụng phía stator và công suất phản kháng phía stator của DFIG Trong khi đó, GSC cóchức năng điều khiển giữ điện áp DC-link cố định và điều khiển công suất phản kháng đi vàophía rotor của DFIG.

Hệ thống DFIG có các ưu điểm như sau:

• DFIG có thể hoạt động với tốc độ trên tốc độ đồng bộ, dưới tốc độ đồng bộ hoặctại tốc độ đồng bộ [4], Phạm vi tốc độ hoạt động của DFIG dao động quanh giá trị

±33% so với tốc độ đồng bộ [3], [6], và tốc độ hoạt động của DFIG chỉ bị giới hạnbởi điện áp định mức của dây quấn rotor [4], [5], Tại tốc độ đồng bộ, dòng điện

DC được đưa vào cuộn dây rotor thông qua bộ RSC làm việc ở chế độ băm(chopper) [4], [5],

• Công suất của bộ biến đổi back-to-back yêu cầu chỉ khoảng 25% đến 33% côngsuất của DFIG, do đó giảm được chi phí chế tạo nếu so với các bộ biến đổi 100%công suất máy phát như đối với PMSG [2], [3],

• Moment và dòng điện kích từ của DFIG có thể được điều khiển độc lập với nhau[4], [5],

• Độ méo dạng sóng hài ở dòng điện rotor, stator và dòng điện lưới trong hệ thốngDFIG có giá trị thấp [4], [5] Do vậy yêu cầu các bộ lọc ở bộ biến đổi back-to-back và bộ lọc EMI trong hệ thống DFIG thường khá nhỏ, với định mức vàokhoảng 0,25 pu so với tổng công suất của hệ thống [3], [6],

• Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp ở GSC có thể được điều khiển dễ dàng [3]

- [5], qua đó điều khiển được hệ số công suất của hệ thống DFIG

Bên cạnh đó, hệ thống DFIG cũng có nhược điểm như sau: Đe trao đổi năng lượnggiữa cuộn dây rotor với bộ biến đổi back-to-back cần sử dụng hệ thống vành trượt Trong cácđiều kiện mất cân bằng ở lưới điện hay ở DFIG thì điều này có thể ảnh hưởng đến sự cân bằnggiữa độ tin cậy và tính ổn định trong việc điều khiển công suất [2],

Tùy thuộc vào tốc độ hoạt động của DFIG, dòng công suất đi qua bộ biến đổi back-to-back có chiều khác nhau, và do đó vai trò của RSC và GSC trong bộ biến đổi back-to-back cũng khác nhau:

• Khi DFIG hoạt động ở chế độ trên đồng bộ, bộ biến đổi back-to-back dẫn công suất tác dụng chạy từ phía rotor đến lưới RSC đỏng vai trò là bộ chỉnh lưu còn GSC đóng vai trò là bộ nghịch lưu [7].

• Khi DFIG hoạt động ờ chế độ dưới đồng bộ, bộ biến đổi back-to-back dẫn công suất tác dụng chạy từ lưới vào rotor Lúc này GSC đóng vai trò là bộ chỉnh lưu còn RSC đỏng vai trò là bộ nghịch lưu [7].

Hình 1-5 thể hiện chiều di chuyển của công suất tác dụng trong hệ thống DFIG ứng với hai chế độ hoạt động trên.

Trong chế độ hoạt động dưới đồng bộ của DFIG, RSC đóng vai trò là mạch nghịch

lưu Quá trình điều khiển các khóa đóng ngắt trong RSC làm phát sinh điện áp common-mode(CMV) CMV ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng trên trục máy điện và dòng điện ổ bi trong máyđiện Theo nghiên cứu tại [8] và [9], trong hệ thống truyền động điện PWM có thể gặp 3 kiểudòng điện ổ bi: dòng điện ổ bi gây bởi sự xả điện tích trong điện dung ký sinh giữa trục rotorvới khung stator khi lớp cách điện ổ bi bị lão hóa, dòng điện ổ bi gây bởi ứng suất điện ápdv/dt của CMV trong đó ổ bi đóng vai trò là một đường dẫn với trở kháng thấp, và dòng điện

ổ bi tuần hoàn do từ thông gây bởi dòng điện common-mode tạo ra Ảnh hưởng của dv/dttrong CMV đến dòng điện ổ bi cũng đã được tác giả Adabi trình bày tại [10], Nghiên cứu củatác giả A M Garcia và các đồng nghiệp ở [11] chỉ ra rằng, dòng điện ổ bi được xem là mộttrong những nguyên nhân chính gây nên các sự cố hỏng hóc đối với hệ truyền động điệnPWM, đặc biệt đối với các hệ thống có công suất lớn Các phân tích sâu hơn về điên áp đầutrục, dòng điện ổ bi và mối quan hệ giữa dòng điện ổ bi với bộ biến đổi PWM cũng được công

bố tại [12], [13], [14],

Do vậy, vấn đề điều khiển giảm CMV trong hệ thống truyền động điện PWM nóichung, và trong hệ thống DFIG nói riêng đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao tuổithọ của máy điện và làm giảm chi phí bảo trì máy điện

1.3 Một số nghiên cứu liên quan

Vấn điều khiển giảm CMV trong mạch nghịch lưu đã được nhiều tác giả nghiên cứu

và công bố, như phương pháp điều khiển dự báo mô hình ở [15], phương pháp điều chế vectorkhông gian ảo ở [16] Một số kỹ thuật điều khiển nhằm giảm CMV trong hệ thống truyền độngđiện đã được nhiều tác giả công bố tại [17], [20] Tại [20], s K Hoseini và các đồng nghiệptrình bày một giải thuật mới sử dụng phương pháp điều khiển dòng điện dự báo có khả nănglàm giảm biên độ CMV xuống ±Vdc/6

Đối với vấn đề điều khiển giảm CMV trong hệ thống DFIG có thể kể đến một sốnghiên cứu tiêu biểu như sau:

• Năm 2005, J Zitzelsberger và các đồng nghiệp [19] đã xây dựng mô hình mạchđiện tương đương để phân tích CMV và ảnh hưởng CMV trong RSC của DFIG,điện áp đầu trục DFIG Nghiên cứu được khảo sát trên DFIG công suất 1,5 MW,điện áp DC-link là 1000 V

• Năm 2006 A M Garcia và các đồng nghiệp [11] đã đề xuất một kỹ thuật điềukhiển vector không gian mới cho cả GSC và RSC trong hệ thống DFIG với mụctiêu giảm CMV và dòng điện O bi Giải thuật được kiểm chứng bằng chương trình

mô phỏng trên MATLAB cho DFIG công suất 800 hp, điện áp định mức 480 V vàđiện áp DC-link 750 V

• Năm 2011, M E Adabi và các đồng nghiệp [15] giới thiệu một giải thuật mới làmgiảm CMV cho DFIG sử dụng bộ biến đổi back-to-back sử dụng mạch NPC 3bậc Giải thuật được mô phỏng trên phần mềm MATLAB với một tổ hợp gồm 6turbine DFIG, mỗi máy có công suất 1,5 MW, điện áp DC-link 1200 V Giải thuậtđược đề xuất có khả năng làm giảm biên độ CMV xuống còn ±Vdc/ố

Đề tài góp phần giải quyết một vấn đề quan trọng trong điều khiển mạch nghịch lưu làlàm giảm CMV Kết quả của đề tài có thể ứng dụng trong hệ thống máy phát điện gió DFIGnói riêng và trong hệ thống điều khiển máy điện không đồng bộ nói chung để qua đó làm giảmCMV do mạch nghịch lưu sinh ra, làm tăng tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì cho hệ thống cơkhí trong máy điện không đồng bộ (trục máy, ổ bi, )

1.5 Đối tượng nghiên cứu

Các đối tượng mà đề tài khảo sát bao gồm:

• Máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

• Bộ biến đổi phía rotor (RSC) của DFIG, RSC được cấp nguồn từ mạch DC-link.Quá trình khảo sát được thực hiện dựa trên các giả định:

• Tốc độ DFIG được giữ cố định ở một giá trị dưới tốc độ đồng bộ

• Điện áp DC-link không thay đổi

Nội dung nghiên cứu gồm có các vấn đề sau đây:

• Khảo sát chung về ứng dụng của điện tử công suất trong hệ thống điện gió, ảnh

hường của CMV đối với hệ thống DFIG.

• Khảo sát mô hình động của DFIG và xây dựng sơ đồ điều khiển cho DFIG

• Phân tích điện áp common-mode trong mạch nghịch lưu áp 3 pha, đề xuất giảithuật điều khiển làm giảm CMV cho mạch nghịch lưu

• Sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng giải thuật đề xuất, so sánhvới giải thuật điều khiển truyền thống (SPWM) để thể hiện ưu và nhược điểm củagiải thuật đề xuất

• Tổng hợp kết quả, viết nhận xét, kết luận

Có nhiều phần mềm khác nhau được sử dụng để khảo sát hệ thống DFIG, tùy thuộcvào đặc tính và thông số cần khảo sát Có thể kể đến một số phần mềm thường được sử dụngnhư: toolbox SimPowerSystem® ttong MATLAB/Simulink®, phần mềm DIgSILENT®Power Factory, phần mềm PSCAD®, phần mềm BLADED® và phần mềm PSS/E® [6],SimPowerSystem® được dùng để mô hình hóa và kiểm nghiệm giải thuật PSCAD® được sửdụng trong phân tích quá độ các turbine gió kết nối lưới hoạt động trong tình trạng sự cố.DlgSILENT® được sử dụng để xây dựng mô hình động cho giải thuật điều khiển góc pitchcủa DFIG hoạt động với tốc độ thay đổi BLADED® được sử dụng trong mô phỏng khí độnghọc và động học cấu trúc của turbine gió PSS/E® được sử dụng trong mô phỏng turbine hoạtđộng với hệ thống điện [6]

Phần mềm MATLAB/Simulink® được sử dụng phổ biến trong mô phỏng hệ thốngturbine gió nói chung và trong mô phỏng điều khiển mạch biến đổi công suất của hệ thốngDFIG nói riêng Do đó luận văn này sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềmMATLAB, phiên bản R2016b

Luận văn có bố cục gồm 5 chương:

• Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG

• Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

DFIG

• Chương 3: ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO Bộ

BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR

• Chương 4: MÔ PHỎNG

• Chương 5: KẾT LUẬN

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG VÀ GIẢI THUẬT

ĐIỀU KHIỂN DFIG

2.1 Các phép biến đổi hệ tọa độ

Nhằm giúp đơn giản hóa quá trình phân tích, cũng như giúp cho việc mô phỏng vàtriển khai các giải thuật điều khiển số cho các loại máy điện, lý thuyết về hệ tọa độ quy chiếuđược sử dụng Có nhiều loại hệ tọa độ quy chiếu khác nhau, trong đó phổ biến nhất là hệ tọa

độ đứng yên 3 pha (hay còn gọi là hệ abc), hệ tọa độ đứng yên 2 pha (hệ tọa độ a/ĩ) và hệ tọa

độ quay đồng bộ (hệ tọa độ quay dq) [7], Sau đây là các công thức toán học được sử dụng đểchuyển đổi qua lại giữa các hệ tọa độ trên

2.1.1 Phép biến đổi abc/dq:

Xét một tổ hợp các đại lượng 3 pha tổng quát, ký hiệu lần lượt là Xa, Xb và Xc, trong

đó đại lượng X có thể là điện áp, dòng điện hoặc từ thông móc vòng Các đại lượng 3 pha này

có thể được biểu diễn dưới dạng vector không gian X ưong một hệ tọa độ abc đứng yên nhưHình 2-1 Các trục a, b, c của hệ abc lệch pha nhau 120°

(hay — rad) Vector X quay với tôc độ góc (O bât kỳ so với hệ tọa độ abc. Các đại lượng Xa,

Xb và Xc lần lượt là hình chiếu của X lên 3 trục tọa độ a, b, c.

Vì các trục abc đứng yền ttong không gian nên khi vector X hoàn thành 1 vòng quaythì các biến Xa, Xb và Xc sẽ hoàn thành 1 chu kỳ biến thiên Neu vector X có biên độ khôngthay đổi thì các biến Xa, Xb và Xc biến thiên theo quy luật hình sin và lệch pha nhau ^7"

ỉ ỉ

c

Hình 2-1 Biểu diễn vector X dưới dạng các biến Xa, Xb, Xc trong hệ tọa độ abc.

Các đại lượng 3 pha Xa, Xb và Xc có thể được chuyển đổi thành các đại lượng 2 pha ửong hệ tọa độ dq. Hệ dq gồm 2 trục vuông góc nhau: trục dọc được ký hiệu là d và trục ngang

được ký hiệu là q, như Hình 2-2

ỉ

ỉ

ĩ ỉ

Hình 2-2 Phép biến đổi các biến từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq

Trong Hình 2-2, trục d của hệ dq lệch pha so với trục a của hệ abc một góc bằng ỡ. Hệ

dq quay với tốc độ góc là co, mối quan hệ giữa co với 0 được thể hiện bằng công thức:

(2-1)

Công thức biến đổi các biến trong hệ

abc về hệ dq như sau:

2 CO5 & CDS (đ - 2 j/.ij tins (á - 4ĩĩ/3) 5

của đại lượng trong hệ tọa độ

dq sẽ bằng với biên độ của đại

lượng trong hệ tọa độ

-ãn(0-2?r/3)EXK(đ —+irp) —sinffl —4TT/3)

Hình 2-3 thê hiện cách phân tích vector X trong hệ tọa độ dq.

hoặc J " Việc sử dụng giá trị có ưu diêm là biên độ

(2-4)

Hình 2-3 Phân tích vector X trong hệ tọa độ dq.

Giả sử X quay với tốc độ bằng với tốc độ của hệ dq, khi đó góc iỉ> giữa X và trục d cógiá trị không thay đổi Kết quả là các thành phần Xd và Xq đều là các đại luợng DC (mộtchiều) Đây là một trong những uu điểm của phép biến đổi abc/dq, trong đó các đại luợng xoaychiều 3 pha đuợc biểu diễn duới dạng 2 đại luợng một chiều Giá trị góc IU đuợc xác định theocông thức:

(2-5)

Trong các ứng dụng điều khiển máy phát điện dùng trong turbine điện gió, hệ dq đượcchọn là hệ quay với tốc độ đồng bộ Trong trường hợp này, tốc độ co của hệ dq chính là tốc độgóc đồng bộ Cũs của máy phát đồng bộ hoặc máy phát không đồng bộ, trong đó:

(2-6)Giá trị fs chính là tần số của điện áp, dòng điện ở stator máy phát Góc ỡ được xác địnhtheo công thức:

X

a

2.1.2 Phép biến đổi abc/a0:

Phép biến đổi các đại lượng 3 pha trong hệ quy chiếu đứng yên về đại lượng

2 pha trong hệ quy chiếu đứng yên được gọi là phép biến đổi abc/ofi. Công thức biến đổi như sau:

2.2 Mô hình toán học DFIG

Đe phân tích mô hình động cho các loại máy điện không đồng bộ nói chung và DFIGnói riêng, có 2 mô hình thường được sử dụng: mô hình vector không gian và mô hình trong hệtọa độ dq [20], Mô hình trong hệ tọa độ dq được xây dựng dựa trên mô hình vector không gian

Mô hình vector không gian có ưu điểm là có các biểu thức toán học ngắn gọn và chỉ cần 1mạch điện tương đương, tuy nhiên nhược điểm của mô hình này là các biến được sử dụng làcác biến số phức (gồm phần thực và phần ảo) Ngược lại, mô hình trong hệ tọa độ dq tuy cần

sử dụng 2 sơ đồ tương đương (1 cho trục d và 1 cho trục q), nhưng các biến trong mô hình đều

2.2.1 Mô hình vector không gian

Mô hình vector không gian của DFIG được xây dựng dựa trên các giả thiết sau đây[20]:

• Máy điện có cấu trúc đối xứng và cân bằng 3 pha

• Lõi sắt của stator và rotor của máy điện xem như tuyến tính và các tổn hao lõi sắtđược bỏ qua

Mô hình vector không gian gồm 3 hệ phương trình diễn tả mối quan hệ giữa các đạilượng trong máy điện: hệ phương trình điện áp, hệ phương trình từ thông và hệ phương trìnhchuyển động

Hệ phương trình điện áp cho stator và rotor trong một hệ quy chiếu bất kỳ được thểhiện bằng công thức:

<2-11)

quay, sinh ra bời chuyển động quay của trục quy chiếu bất kỳ (với tốc độ góc là co)

Hệ phương trình từ thông móc vòng của stator và rotor được cho bởi công thức sau[20]:

ip 1 ip 1

r.=^-Re(AiT )=-^-ReựV, ]Mạch điện tương đương cho các hệ phương trình từ (2-11) đến (2-13) được thể hiện trên Hình 2-4

Mạch điện ở Hình 2-4 là mô hình tổng quát cho máy điện không đồng bộ nói chung vàđược sử dụng cho cả động cơ không đồng bộ và máy phát không đồng bộ Mạch điện này cóthể được chuyển đổi sang các hệ quy chiếu khác Một trong những hệ quy chiếu được sử dụngrộng rãi trong việc mô phỏng và điều khiển số cho các máy điện ưong hệ thống năng lượnggió chính là hệ quy chiếu đồng bộ [20], Thay giá trị a> ttong hệ phương trình (2-11) và ttongHình 2-4 bằng giá trị tần số góc đồng bộ Oìs ta được mô hình ttong hệ quy chiếu đồng bộ nhưHình 2-5

Trong đó đại lượng ' ■Ẩ 'rượt Các giá trị a>s và (Osi được xác

định như sau:

(2-4)

2.2.2 Mô hình trong hệ tọa độ dq

Khi tách mô hình vector không gian của máy điện ra làm 2 thành phần ứng với haitrục tọa độ dq vuông góc, ta nhận được mô hình ưong hệ tọa độ dq. Trong trường hợp tổngquát, hệ tọa độ dq có thể quay với tốc độ góc bất kỳ Tuy nhiên để thuận lợi trong việc khảosát, luận văn chọn hệ tọa độ dq quay đồng bộ với tần số góc a>s.

Thực hiện việc tách các đại lượng điện áp, dòng điện, từ thông của cả stator và rotortrong mô hình ở Hình 2-5 ra làm 2 thành phần ta lần lượt thu được kết quả:

4-+■

qs qr

Thay các kết quả ở các phưomg trình từ (2-15) đến (2-17) vào hệ phưomg trình (2-11)

và nhóm các số hạng theo phần thực và phần ảo ta được hệ phưomg trình điện áp ttong hệ tọa

Tương tự như vây, thay các phương trình từ (2-15) đến (2-17) vào hệ phương trình (2-12) ta được hệ phương trình xác định các thành phần từ thông mốc vòng trong

qua các đại lượng từ thông móc vòng và dòng điện trong hệ tọa độ dq, Thực hiện các

phép biến đổi toán học ta thu được 3 công thức thường được sử dụng phổ biến nhất trong việc tính toán moment điện từ:

3P í

(ợ)

2 (tr

-ọ-(b) Sơ đồ theo trục q Hình 2-6 Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ tọa độ dq đồng bộ

2.3 Điều khiển định hướng điện áp stator cho DFIG

Trong hệ thống năng lượng gió sử dụng DFIG, stator của DFIG được kết nối trực tiếpvới lưới điện, và do đó trong các điều kiện vận hành bình thường, tần số điện áp stator và điện

áp stator được xem như không đổi Điều này giúp cho việc áp dụng kỹ thuật điều khiển địnhhướng điện áp stator (SVOC) được thực hiện một cách dễ dàng ửong việc điều khiển DFIG[20], Trong kỹ thuật svoc, trục d của hệ quy chiếu quay dq được nằm trùng với vector điện ápstator v s Kết quả là các thành phần điện áp stator hong hệ tọa độ dq có giá trị như sau:

(2-21)

Trong đó Ví là biên độ của điện áp vs, cũng là giá trị đỉnh của điện áp 3 pha stator Tốc

độ quay của hệ quy chiếu dq được chọn là tốc độ quay đồng bộ và được xác định như ở côngthức (2-14)

Trong hệ thống DFIG, moment điện từ Te, công suất tác dụng phía stator p s và côngsuất phản kháng stator Qs được điều khiển bằng bộ biến đổi phía rotor (RSC) [20], Các đạilượng ttên sẽ được phân tích theo dòng điện và điện áp ở rotor

Nhắc lại công thức (2-20), moment điện từ của DFIG có thể được xác định theo cácđại lượng dòng điện và từ thông phía stator như sau:

(2-22)

= v

= 0

I J J J ' A

áp stator sẽ được thiết lập.

Trong hạng thái vận hành xác lập của DFIG, vector điện áp stator được xác định theocông thức [20]:

Với giá trị v q = ° -A -svoc, công thức (2-28) ttở

Các thành phần dòng điện ids và iqs được xác định như ở công thức (2-23)

Thay (2-23) vào (2-32) được kết quả:

p s = v ds

(2-33)

Qs = - V ds

L.