Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho tuabin gió

Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng ứng dụng mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện loại PMSG. Ưu điểm của mô hình điều khiển phân tầng là tần số, biên độ và độ lệch điện áp luôn đạt giá trị ổn định.

TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 MƠ HÌNH PHÂN TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO TUABIN GIÓ Lê Kim Anh1 TĨM TẮT Nghiên cứu nguồn lượng gió để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Để tuabin gió vận hành tối ưu với vận tốc gió định hệ thống rotor phải có chức tự điều chỉnh theo thay đổi vận tốc hướng gió Loại máy phát điện PMSG hồn tồn đáp ứng thay đổi Bài báo đưa kết mô ứng dụng mô hình phân tầng điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện loại PMSG Ưu điểm mơ hình điều khiển phân tầng tần số, biên độ độ lệch điện áp đạt giá trị ổn định Bên cạnh đó, phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method) sử dụng nhằm trì cơng suất phát tối đa bất chấp tải nối với hệ thống Hơn nữa, việc giảm sóng hài bậc cao có ý nghĩa lớn việc nâng cao chất lượng điện Từ khóa: Năng lượng tái tạo, tuabin gió, tuabin gió nối lưới, mơ hình phân tầng, phương pháp điều khiển theo độ trượt Đặt vấn đề hình điều khiển phân tầng, bao gồm Ngày nay, với phát triển tầng điều khiển: Tầng điều khiển thứ 1, mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng dùng để điều khiển tải với lượng người ngày nghịch lưu, sử dụng phương pháp điều tăng Nguồn lượng tái tạo nói khiển theo độ trượt (độ dốc) Tầng điều chung, nguồn lượng gió nói riêng khiển thứ 2, dùng để đồng với lưới dạng nguồn lượng sạch, khơng đưa tín hiệu độ lệch tần số, độ lệch gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm điện áp đến tầng điều khiển thứ Tầng trữ lượng gió nước ta điều khiển thứ 3, dùng để trao đổi lớn Theo số liệu Ngân hàng công suất tuabin gió sử dụng máy giới, tiềm gió Việt Nam (ở độ phát điện đồng nam châm vĩnh cửu cao 65m) khả quan, ước đạt (Permanent magnetic synchronous 513.360MW, lớn 200 lần công suất generator, PMSG) với công suất nhà máy thủy điện Sơn La 10 lưới, đồng thời đưa tín hiệu biên độ tần lần tổng cơng suất dự báo ngành số biên độ điện áp đến tầng điều điện đến năm 2020 Tuy nhiên, để khai khiển thứ Ứng dụng mơ hình phân thác, sử dụng nguồn lượng gió tầng điều khiển nối lưới cho cho hiệu quả, thay dần nguồn tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nhiên liệu hóa thạch, nhằm giảm phát nam châm vĩnh cửu, nhằm hướng thải chất gây ô nhiễm môi trường, đến phát triển lưới điện thông minh đặc biệt khí (CO2) mục tiêu điều khiển nối lưới linh hoạt nghiên cứu nhà quản lý Mô Trường Cao đẳng Công Thương Miền Trung Email: tdhlekimanh@gmail.com 105 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 cánh quạt (m2); ρ: Mật độ khơng khí, ρ = 1.255 (kg/m3); Từ biểu thức (1) ta thấy vận tốc gió yếu tố quan trọng công suất; công suất đầu tăng theo lũy thừa vận tốc Mơ hình tuabin gió máy phát điện PMSG 2.1 Mơ hình tuabin gió Theo [1], cơng suất tuabin gió tính theo biểu thức: A Pm  C p ( ,  ) v ISSN 2354-1482 Hệ số biến đổi lượng Cp(λ, β) biểu thức (1) tính sau: (1) Trong đó: Pm: Công suất đầu tuabin (W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi lượng (là tỷ số tốc độ đầu cánh λ góc cánh β); A: Tiết diện vòng quay 116 C p ( ,  )  0.5176(  0.4  5)e i 21 i  0.0068 1 0.035   i   0.08   với (2) (3) Hình 1: Đường cong biểu diễn mối quan hệ Cp λ Như ta biết tỷ số tốc độ đầu cánh R tuabin gió tốc độ là:   v ω tốc độ quay tuabin, R bán kính tuabin, v vận tốc gió Do mơmen tuabin gió tính sau: Tm  Pm   3  R 5C p  (4) Mặt khác, tubin gió vận hành theo quy tắc điều khiển khác tùy thuộc vào tốc độ gió Đường cong biểu diễn mối quan hệ Pm tốc độ gió hình Hình 2: Đường cong biểu diễn mối quan hệ Pm tốc độ gió 106 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 2.2 Mơ hình máy phát điện PMSG Ứng dụng mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới Xây dựng mơ hình điều khiển phân tầng bao gồm tầng điều khiển sau: Tầng điều khiển thứ (Primary Control), dùng để điều khiển dòng điện, điện áp công suất tải với nghịch lưu Tầng điều khiển thứ (Secondary Control), dùng để đồng với lưới Tầng điều khiển thứ (Tertiary Control), dùng để trao đổi cơng suất tuabin gió sử dụng máy phát điện loại PMSG (gọi chung nguồn điện gió) với lưới Hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện loại PMSG theo mơ hình phân tầng, hình Theo [2], phương trình dòng điện điện áp PMSG biểu diễn hệ tọa độ dq sau: L disd 1  isd  s sq isq  usd (5) dt Tsd Lsd Lsd disq dt   s p Lsd 1 (6) isd  isq  u sq   s Lsq Tsq Lsq Lsq Trong đó: Lsd điện cảm Stator đo vị trí đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo vị trí ngang cực;  p từ thông cực (vĩnh cửu); Tsd, Tsq số thời gian Stator vị trí đỉnh cực Phương trình mơmen tính sau:  ISSN 2354-1482  mM  Pc  pisq  isd isq ( Lsd  Lsq ) (7) Hình 3: Sơ đồ điều khiển nối lưới nguồn điện gió theo mơ hình phân tầng 107 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 Hình 4: Sơ đồ điều khiển tầng thứ khiển theo độ trượt tần số công suất phản kháng điều khiển theo độ trượt biên độ điện áp Ưu điểm phương pháp DCM giảm sóng hài bậc cao, điều có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện Theo [3], sơ đồ mạch điện tương đương nghịch lưu, hình Ở đây: i E : dòng điện điện áp nghịch lưu, V0 : điện áp lưới Z : trở kháng đường dây nghịch lưu 3.1 Điều khiển tầng thứ 3.1.1 Điều khiển P,Q theo phương pháp độ trượt (độ dốc) Phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method, DCM) thường sử dụng điều khiển nguồn phân tán nói chung nguồn điện gió nói riêng như: điều khiển tải với biến đổi thông qua nghịch lưu (biến tần), sử dụng nghịch lưu nguồn áp (Voltage source inverter, VSI) Trong phương pháp điều khiển công suất tác dụng điều Điện áp lưới Hình 5: Sơ đồ mạch điện tương đương nghịch lưu 108 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 Từ sơ đồ hình 5, phương trình cho cơng suất tính sau: S  V I *  ISSN 2354-1482 biểu thức (10) viết lại là: V E  P    Z  Q  V E  V  Z  V E   V   (8) Z Z Từ biểu thức (8) công suất tác dụng công suất phản kháng tính sau: c   P  s   (vod iod  voqioq )  c (12)   c Q  (voqiod  vod ioq )  s  c  Giả sử trở kháng đường dây Z cảm   90 , biểu thức (9) viết lại sau: (11) Từ biểu thức (11) chuyển sang hệ tọa độ dq tính tốn cho cơng suất tác dụng, công suất phản kháng kết hợp với mạch lọc thơng thấp tính sau:  V E V2 P  cos(    )  cos   Z Z (9)  V E V Q  sin(   )  sin   Z Z V E  P sin    Z  Q  V E cos   V  Z  Trong đó: ωc: tần số cắt lọc thông thấp; vod, voq: điện áp vodq hệ trục tọa độ dp; iod, ioq: dòng điện iodq hệ trục tọa độ dp (10) Hình mơ hình tính tốn cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng kết hợp với mạch lọc thông thấp Nếu khác biệt điện áp nghịch lưu với điện áp lưới khơng đủ lớn sin    cos   , vod p voq I od q ioq Hình 6: Mơ hình tính tốn cơng suất P,Q Tần số điện áp theo [4], điều khiển sử dụng phương pháp DCM tính sau: *      m.P  *   E  E  n.Q (13) Trong đó:  , E * giá trị số tần số điện áp từ hệ thống đo tần số điện áp (RMS); m   / Pmax , * n  E / 2Qmax : hệ số tần số biên độ điện áp điều khiển theo phương pháp điều khiển DCM, hình 109 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 -Qmax +Qma +Pma Hình 7: ISSN 2354-1482 x Điềux khiển P,Q theo độ trượt tần số điện áp Từ biểu thức (12) (13) xây dựng sơ đồ mơ hình điều khiển công suất P, Q theo phương pháp DCM, hình Mơ hình Tính P, Q Hình vref Hình 8: Mơ hình điều khiển cơng suất P,Q theo phương pháp DCM khiển; s: toán tử Laplace; C: điện dung mạch lọc 3.1.2 Điều khiển điện áp dòng điện Theo [5], phương trình điện áp dòng điện điều khiển theo mạch vòng chuyển sang hệ tọa độ dq tính sau: * Phương trình điều khiển mạch vòng dòng điện sử dụng điều khiển PI: * Phương trình điều khiển mạch vòng ngồi điện áp sử dụng điều khiển PI: vid*  vod  LiLq  (iLd*  i Ld )(k ip  k ii / s) (15) * * viq  voq  LiLd  (iLq  iLq )(k ip  k ii / s) iLd*  iod  Cvoq  (vod*  vod )(k vp  k vi / s) (14) * * iLq  ioq  Cvod  (voq  voq )(k vp  k vi / s) * Trong đó: vid* , viq* : điện áp vidq hệ trục tọa độ dp; iLd , iLq : dòng điện i Ldq hệ trục tọa độ dp * * Trong đó: i Ld , i Lq : dòng điện kip, kii: thông số điều khiển; L: điện cảm mạch lọc Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp dòng điện, hình * * * i Ldq hệ trục tọa độ dp; v od , v oq : điện * áp vodq hệ trục tọa độ dp; ω: tần số góc; kvp, kvi: thơng số điều 110 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 iod + + + vod vod + + + - - - iLd voq + - + + ioq + iLq + + + voq + Hình 9: Điều khiển mạch vòng điện áp dòng điện 3.1.3 Điều khiển điện áp mạch trở kháng ZD(s) Trong mơ hình điều khiển tầng thứ 1, sử dụng phương pháp điều khiển DCM Hình 10: Sơ đồ điện áp đầu mạch trở kháng nguồn phát điện phân tán có cơng suất lớn, theo [6], trở kháng đầu 3.2 Điều khiển tầng thứ nguồn phát điện phân tán Theo [7], điều khiển tầng thứ dùng để điều khiển tần số biên độ, độ lệch điện áp tải nối với lưới thay đổi Đồng thời thực đồng với lưới, hình Phương trình giới hạn độ lệch tần số điện áp tính sau: trở kháng đường dây chủ yếu cảm kháng Tuy nhiên sử dụng biến đổi điện tử cơng suất như: AC/DC DC/AC trở kháng đầu phụ thuộc vào điều khiển dòng điện, điện áp Đối với điều khiển điện   k p ( ref   * )  k i ( ref   * )dt   s   (17)  * * E  k pE ( E ref  E )  k iE  (E ref  E )dt Trong đó: kpω, kiω, kpE kiE: thông số điều khiển tầng thứ 2; Δωs: hệ số đồng lưới theo tần số lấy từ tín hiệu PLL; δω δE: tín hiệu điều khiển tầng áp thấp nguồn điện gió trở kháng đường dây xem trở, điện áp đầu mạch trở kháng tính sau: vo*  vref  Z D (s).io (16) 111 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 Hình 11: Giới hạn khả phục hồi tần số PG QG: công suất tác dụng công suất phản kháng lưới; Pref Qref: công suất đặt; ωref Eref: tín hiệu điều khiển tầng thứ 3.3 Điều khiển tầng thứ Điều khiển tầng thứ dùng để điều khiển công suất nguồn điện gió với cơng suất lưới theo [7], cách ta điều chỉnh tần số (hoặc độ lệch pha) biên độ điện áp, hình Phương trình tần số biên độ điện áp tính sau:  ref  k pP ( Pref  PG )  k iP ( Pref  P )dt   G  E ref  k pQ (Qref  QG )  k iQ  (Qref  QG )dt Xây dựng mơ hình mơ matlab/simulink 4.1 Xây dựng matlab/simulink mơ hình Mơ hình xây dựng dựa sơ đồ mơ hình điều khiển nối lưới hình 3, mục Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn điện gió ứng dụng mơ hình phân tầng xây dựng matlab/simulink, hình 12 (18) Trong đó: kpP, kiP, kpQ kiQ: thông số điều khiển tầng thứ 3; Bảng 1: Các thông số PMSG Hình 12: Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn điện gió ứng dụng mơ hình phân tầng 112 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 4.2 Kết mô matlab/simulink 50 14000 12000 Đóng tải nối lưới 10000 8000 6000 4000 2000 Selected signal: cycles FFT window (in red): cycles 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 -50 0.1 0.01 200 0.02 0.04 0.05 0.01 0.02 0.03 Mag (% of Fundamental) 600 400 200 -200 -400 -600 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 14: Dòng điện ngõ Iabc(A) -200 Hình 13: Cơng suất tuabin gió(W) 0.03 0.04 0.05 Time (s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 16 18 20 Fundamental (50Hz) = 324.1 , THD= 0.36% 0.15 0.1 0.05 0.1 10 Harmonic order 12 14 Hình 16: Đặc tính sóng hài điện áp Hình 15: Điện áp ngõ Uabc (V) 4 50.5 x 10 P(W) 50 49.5 48.5 Q(Var ) 49 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -1 0.8 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 Hình 18: Cơng suất nối lưới Hình 17: Đáp ứng tần số x 10 -1 -2 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 19: Điện áp nối lưới Uabc (V) Kết luận Ứng dụng mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện loại PMSG phát huy đối đa công suất phát hệ thống Tại thời điểm t = 0.02s đóng tải thực nối lưới, dòng điện điện áp công suất đầu giá trị đặt Biên độ độ lệch tần số thời điểm dao động nằm phạm vi cho phép Đặc tính sóng hài điện áp (THD < 5%), t > 0.02s hệ thống nối lưới trạng thái làm việc ổn định Điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện loại PMSG theo mơ hình phân tầng nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn lượng tái tạo 113 0.1 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 14 - 2019 ISSN 2354-1482 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Ngọc Huy, Lê Kim Anh (2012), “Nghiên cứu mô hình tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu”, Tạp san Khoa học công nghệ, Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Xiaochun Mou, Xue Zhao, Xin Zhao (2012), “Study on the Control Strategies of Low Voltage Microgrid”, International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems Yasser Abdel-Rady I Mohamed, Amr A Radwan (2011), Hierarchical Control System for Robust Microgrid Operation and Seamless Mode Transfer in Active Distribution Systems, IEEE K De Brabandere, B Bolsens, J Van den Keybus, A Woyte, J Driesen and R Belmans (2004), A Voltage and Frequency Droop Control Method for Parallel Inverters, IEEE Junping He, Ning Wu, Liang Liang (2013), Dynamic Virtual Resistance Droop Control Scheme for Distributed Generation System, TELKOMNIKA, Vol.11, No.3, March Josep M Guerrero, Juan C Vásquez, Remus Teodorescu (2009), Hierarchical Control of Droop-Controlled DC and AC Microgrids – A General Approach Towards Standardization, IEEE HIERARCHIAL MODEL IN CONTROLLING OF GIRD-CONNECTED WIND TURBINES ABSTRACT The research of using effectively wind energy sources to generate electricity is meaningful to reduce the dependance on fossil energy sources The rotor system of wind turbine must have a function of self-adjustment to the change of wind speed and direction so that the wind turbine could operate efficiently at a certain wind velocity The Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) is really suitable for these requirements The article gives simulation results of applying hierarchical model in controlling grid-connected PSMG wind turbines This control model has advantages of stable operating frequency, voltage magnitude and voltage deviation Besides, the droop control method has also been used to maintain maximum generating capacity of the system, irrespective of connected power loads Furthermore, the elimination of high order harmonics will also have a significant effect on power quality improvement Keywords: Renewable energy, wind turbines, grid connected wind turbines, hierarchical, droop control method (Received: 16/8/2018, Revised: 18/11/2018, Accepted for publication: 11/9/2019) 114 ... 2.2 Mô hình máy phát điện PMSG Ứng dụng mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới Xây dựng mô hình điều khiển phân tầng bao gồm tầng điều khiển sau: Tầng điều khiển thứ (Primary Control), dùng để điều. .. mơ hình mơ matlab/simulink 4.1 Xây dựng matlab/simulink mơ hình Mơ hình xây dựng dựa sơ đồ mơ hình điều khiển nối lưới hình 3, mục Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn điện gió ứng dụng mơ hình. .. suất nối lưới Hình 17: Đáp ứng tần số x 10 -1 -2 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 19: Điện áp nối lưới Uabc (V) Kết luận Ứng dụng mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới cho tuabin