Bài báo đã xây dựng được mô hình và đưa ra kết quả mô phỏng điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG, nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống.
Khoa học Công nghệ 13 MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO MICROTURBINE SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU Grid connection control model for microturbine with permanent magnet synchronous generator Lê Kim Anh1 Tóm tắt Nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu nguồn lượng có cơng suất nhỏ phát điện phân tán (Distributed generation – DG) có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cạn kiệt, gây nhiễm mơi trường Mơ hình điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) với ưu điểm như: Microturbine sử dụng turbine khí kết hợp máy phát điện PMSG làm việc đạt tốc độ định mức, khả truyền lượng theo hai hướng nhờ sử dụng biến đổi chỉnh lưu (AC/ DC) nghịch lưu (DC/AC) Kết hợp với mạch lọc nhằm loại trừ sóng hài bậc cao, điều có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện Bài báo xây dựng mơ hình đưa kết mơ điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG, nhằm trì cơng suất phát tối đa hệ thống Từ khóa: chỉnh lưu; nghịch lưu; PMSG; microturbine nối lưới; nguồn phân tán Abstract The research on effectively using and exploiting small and scattered energy sources is meaningful to reduce the climate change and the energy dependence on fossil energy sources which are at risk of both exhausting and causing environmental pollution Grid connection control model for micro-turbine with Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) has some advantages such as combination of microturbine using fuel gas and PMSG always operating at maximum velocity The system also has capability of power transferring in both directions thanks to using rectifier (AC/DC) and inverter (DC/ AC) The combination of harmonic filter circuits to filter out high order harmonics on the grid will also have a significant effect on power quality improvement The article builds the grid connection control model for microturbine with PMSG and shows simulation results in order to maintain the maximum capacity of the systems Key words: rectifier; inverter; PMSG; grid connected microturbine; distributed generation Đặt vấn đề1 Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng lượng người ngày tăng Nguồn lượng tái tạo (Renewable Energy sources – RES) nói chung, nguồn điện phân tán (Distributed generation – DG) nói riêng như: nguồn lượng gió, nguồn microturbine sử dụng turbine khí, pin mặt trời, pin nhiên liệu v.v dạng nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng nguồn điện phân tán nước ta lớn Theo (Lê Kim Anh 2012), để khai thác sử dụng DG cho hiệu quả, giảm phát thải chất gây ô nhiễm môi trường, nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), đặc biệt carbon dioxit (CO2) mục tiêu nghiên cứu nhiều quốc gia Hệ thống điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnetic Trường Cao đẳng Cơng nghiệp Tuy Hòa Synchronous Generator – PMSG), biến đổi điện tử cơng suất giữ vai trò quan trọng hệ thống điều khiển như: chỉnh lưu (AC/ DC) phía máy phát điện PMSG dùng điều chỉnh hòa đồng cho máy phát điện tách máy phát điện khỏi lưới cần thiết Bộ nghịch lưu (DC/AC) phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp mạch chiều trung gian, đồng thời đưa điện áp (AC) nối lưới Mơ hình điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG, nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển linh hoạt nguồn lượng tái tạo Mơ hình điều khiển nối lưới cho microturbine Hệ thống điều khiển nối lưới cho microturbine theo (A Bertani, C Bossi, F Fornari 2004), bao gồm thành phần hình Mơ hình microturbine sử dụng turbine khí kết hợp với máy phát điện PMSG, tạo điện áp xoay chiều (AC) Điện áp AC qua chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện PMSG dùng để hòa đồng với Số 14, tháng 6/2014 13 14 Khoa hoïc Công nghệ lưới tách máy phát điện khỏi lưới cần thiết, nghịch lưu phía lưới (DC/AC) nhằm giữ ổn định điện áp mạch chiều trung gian (Udc) Rt, Lt: điện trở điện cảm đường dây; θL: góc điện áp lưới; Pmt, Qmt: Công suất tác dụng công suất phản kháng microturbine; αđk: góc điều khiển, ω: tốc độ quay máy phát điện v.v Hình Sơ đồ điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG 2.1 Mơ hình microturbine (MT) Mơ hình MT sử dụng turbine khí theo (Zhou Yunhai, Jürgen Stenzel 2009) bao gồm khối điều khiển hình Các ngõ điều khiển tốc độ, điều khiển gia tốc, điều khiển nhiệt độ ngõ vào khối chọn giá trị thấp (Low Value Select – LVS), ngõ khối LVS ngõ vào hệ thống nhiên liệu Hình Mơ hình điều khiển microturbine 2.1.1 Điều khiển tốc độ gia tốc Khối điều khiển tốc độ gia tốc theo (Noroozian R, Abedi M, Gharehpetian G B, et al 2009) có hàm truyền điều khiển hình Ở điều khiển tốc độ hàm có cấu trúc biến đổi (Lead/Lag) với Z: số; X(Y): biến đổi (Lead/Lag) theo số thời gian; W: giá trị điều khiển mong muốn Điều khiển gia tốc sử dụng trình khởi động turbine, nhằm hạn chế tốc độ gia tốc rotor Nếu tốc độ hoạt động hệ thống gần với tốc độ đánh giá nó, hệ thống điều khiển gia tốc loại bỏ 2.1.2 Hệ thống nhiên liệu Hệ thống nhiên liệu theo (S.Selvakumar, S.Manoharan, Dr.K.Ganambal 2012) có sơ đồ cấu trúc hàm truyền điều khiển hình Hình Sơ đồ điều khiển hệ thống nhiên liệu Từ sơ đồ hình 4, ta có: Ngõ định vị van là: (1) Tín hiệu nhiên liệu đơn vị là: (2) Wf = E1 Tf s +1 Trong đó: a: định vị van đạt được; b Tf : định vị van số thời gian hệ thống nhiên liệu; c : số; fd : ngõ vào định vị van Hình Sơ đồ điều khiển tốc độ gia tốc Trong đó: a: định vị van đạt được; b Tf : định vị van số thời gian hệ thống nhiên liệu; c : số; fd : ngõ vào định vị van Số 14, tháng 6/2014 14 Khoa học Công nghệ 2.1.3 Máy nén – Turbine Tín hiệu ngõ vào turbine khí Wf, tín hiệu nhận từ hệ thống nhiên liệu độ so lệch tốc độ ΔN Tín hiệu ngõ mơmen turbine khí Theo (Ashwani Kumar, S P Jain, K S Sandhu, et al 2008) máy mén – turbine có hàm truyền điều khiển hình 15 Wang 2005) điều khiển nhiệt độ có hàm truyền điều khiển hình Nhiên liệu đốt cháy buồng đốt tạo mômen turbine nhiệt độ khí thải Phương trình nhiệt độ khí thải microturbine ngõ vào nhiên liệu thấp (Wf) tốc độ turbine xác định sau: f = T − a ( − W ) + b f ∆N R f1 f1 (5) Hình Sơ đồ điều khiển máy nén –turbine Phương trình động học turbine khí tính sau : (3) Với TCD : số thời gian động học turbine khí Đặc tính mơmen microturbine ngõ vào nhiên liệu thấp (Wf) tốc độ turbine xác định sau : (4) f = a f + b f W f + c f ∆N 2.1.4 Điều khiển nhiệt độ Tín hiệu ngõ vào điều khiển nhiệt độ nhiên liệu thấp (Wf) tốc độ turbine, tín hiệu ngõ đưa đến khối (LVS) Theo (Sreedhar R Guda, C Hình Sơ đồ điều khiển nhiệt độ Ngõ cặp nhiệt kế so sánh với giá trị đặt, K4, K5: số hàm bảo vệ xạ; T3, T4: số thời gian hàm bảo vệ xạ cặp nhiệt kế; T5, Tt: số thời gian hàm điều khiển nhiệt độ Khi tín hiệu ngõ điều khiển nhiệt độ thấp ngõ tốc độ điều khiển khối (LVS) hạn chế ngõ turbine, lúc turbine hoạt động chế độ điều khiển nhiệt độ Từ công thức (1), (2), (3), (4) (5) mơ hình microturbine xây dựng matlab/simulink với ngõ vào tốc độ ngõ mơmen, hình Hình Mơ hình microturbine xây dựng matlab/simulink Mơ hình máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) có hai loại hệ trục tọa độ sử dụng: hệ trục tọa độ αβ gắn cố định với stator hệ trục tọa độ dq gọi hệ tọa độ tựa theo hướng từ thơng rotor, hình Hình Hệ trục tọa độ αβ dq Số 14, tháng 6/2014 15 16 Khoa học Công nghệ Theo (Ashwani Kumar, K S Sandhu, S P Jain, et al 2009) phương trình điện áp PMSG biểu diễn hệ trục tọa độ dq sau: (6) (7) Biểu thức (9) từ hệ tọa độ tĩnh (a-b-c) chuyển sang hệ tọa độ quay d-q (trong d theo trục hoành, q theo trục tung) viết lại sau: (10) Phương trình mơmen tính sau: p λiq + (Ld − Lq )id iq Te = [ ] (8) Trong đó: Ld, Lq: điện cảm hệ tọa độ dq; Rs: điện trở stator; id, iq: dòng điện tọa độ dq; ud, uq: điện áp tọa độ dq; p: số đôi cực từ; Te : mômen điện từ; λ: từ thông liên kết Mạch chiều trung gian (DC) theo (Sanjeev K nayak, D N Gaonkar 2012) phương trình điện áp Udc tính biểu thức: (11) Các biến đổi 3.1 Bộ chỉnh lưu mạch chiều trung gian Sơ đồ chỉnh lưu (AC/DC) điều chế theo phương pháp độ rộng xung PWM, hình Theo (Haoran Bai, Fengxiang Wang, Junqiang Xing 2007) để đạt mục tiêu điều khiển thành phần công suất phát vào lưới từ microturbine sử dụng turbine khí, có nhiều phương pháp để điều khiển cho chỉnh lưu điều chế theo phương pháp độ rộng xung PWM Dựa vào sơ đồ hình 9, ta xây dựng biểu thức điện áp chỉnh lưu PWM sau: Trong đó: UAC: điện áp dây chỉnh lưu; Xc: điện kháng chỉnh lưu; Idc: dòng điện chiều; αđk: góc điều khiển 3.2 Bộ nghịch lưu đồng nối lưới Theo (M Z C Wanik, I Erlich 2009) để đồng nối lưới thông qua nghịch lưu (DC/AC) sơ đồ cấu trúc hình 1, mục Đồng nối lưới sử dụng nghịch lưu để điều khiển công suất tác dụng (Pmt) công suất phản kháng (Qmt) microturbine vào lưới Ở nghịch lưu điều khiển theo V/F, phương trình đồng nối lưới tính sau: (12) với k = a,b,c thứ tự pha Phương trình (12) chuyển sang hệ tọa độ dq viết lại sau: Hình Sơ đồ dòng điện điện áp chỉnh lưu (13) (9) Trong đó: ωn: tần số góc danh định hệ thống Trong hệ tọa độ quy chiếu đồng với điện áp lưới thì: uLq = Pmt = uLdiLd; Qmt = - uLdiLq Như từ giá trị điện áp lưới đo ta tính tốn giá trị đặt dòng điện sau: Số 14, tháng 6/2014 16 Khoa học Công nghệ 17 (17) (14) Từ đó, ta tính đại lượng: (15) Hệ thống điều khiển mô tả theo biểu thức sau: (16) * Tổng hợp cấu trúc điều khiển P,Q: Để điều khiển đồng nối lưới cho công suất (Pmt,ref ,Qmt,ref) thông qua nghịch lưu, sử dụng điều khiển PI tổng hợp theo mạch vòng dòng điện, với ngõ hệ thống điều khiển tín hiệu điều khiển cho PWM, phương trình tổng hợp uLd_ref, uLq_ref tính sau: Hình 10 Tổng hợp điều khiển P,Q nghịch lưu Xây dựng mơ hình mơ mathlab/ simulink 4.1 Xây dựng mơ hình Từ sở biểu thức phân tích trên, kết hợp với sơ đồ cấu trúc điều khiển nối lưới hình 1, mục Ta xây dựng mơ hình điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng turbine khí máy phát điện PMSG, hình 11 Hình 11 Sơ đồ hệ thống điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG 4.2 Kết mô Hình 12 Điện áp điều khiển Udc (V) Hình 16 Điện áp nghịch lưu (V) Số 14, tháng 6/2014 17 18 Khoa học Công nghệ Hình 13 Tốc độ máy phát điện (rad/s) Hình 17 Cơng suất tác dụng (W) Hình 14 Điện áp chỉnh lưu (V) Hình 18 Cơng suất phản kháng (Var) Hình 15 Dòng điện nối lưới Iabc (A) Hình 19 Điện áp nối lưới Uabc (V) Nhận xét: Qua kết mô ta thấy, thời điểm t < 0.02s, mơ hình hệ thống điều khiển nối lưới cho microturbine làm việc trạng thái không tải Tại thời điểm t ≥ 0.02s, giá trị dòng điện, điện áp cơng suất đạt giá trị đặt hệ thống điều khiển bắt đầu làm việc trạng thái ổn định, lúc đồng nối lưới hệ thống, bất chấp tải nối với hệ thống Mơ hình điều khiển nối lưới thông qua biến đổi AC/DC DC/AC với ưu điểm khả truyền lượng theo hướng với góc điều khiển thay đổi được, mặc khác dung lượng sóng hài thấp, điều có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện Mô hình điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn phát điện phân tán Kết luận Mơ hình điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) phát huy tối đa công suất phát Tài liệu tham khảo Lê, Kim Anh 2012 “Xây dựng mơ hình điều khiển nối lưới sử dụng nguồn pin nhiên liệu” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại Học Công nghiệp Hà Nội, số (12) Bertani,A., Bossi, C & Fornari, F 2004 A Microturbine Generation System for Grid Connected and Islanding Opertion.Accepted for presentation at IEEE PSCE New York October 10 -13 Zhou Yunhai & Jürgen Stenzel 2009 Simulation of a Microturbine Generation System for Grid Connected and Islanding Operations.IEEE Noroozian R, Abedi M & Gharehpetian G B, et al.2009 Modelling and Simulation of Microturbine Generation System for on-grid and off - grid Operation Modes.Valencia (Spain).15th to 17th April Selvakumar, S & Manoharan,S & Ganambal, K 2012 “Modelling and simulation of micro turbine based smart grid system” International Journal of Communications and Engineering,Volume 05 – No.5 Kumar, A., Jain, S.P & Sandhu, K.S., et al 2008 “New Converter Controller Model for Modeling of Microturbine Based Distributed Generation System” International Conference on renewable energy sources Sreedhar R Guda & Wang.C 2005 ASimulink-Based Microturbine Model for Distributed Generation Studies IEEE Kumar, A., Sandhu, K.S & Jain, S.P., et al 2009 “Modeling and Control of Micro-Turbine Based Distributed Generation System” International journal of circuits, systems and signal processing, Issue 2.Volume Haoran Bai, Fengxiang Wang & Junqiang Xing 2007 Control Strategy of Combined PWM Rectifier/ Inverter for a High Speed Generator Power System.IEEE Sanjeev K Nayak & Gaonkar.DN 2012 “Modeling and Performance Analysis of Microturbine Generation System in Grid Connected/Islanding Operation” International journal of renewable energy research, Sanjeev K Nayak et al, Vol.2 No.4 Wanik, M Z C & Erlich, I 2009 Simulation of Microturbine Generation System Performance during Grid Faults under new Grid Code Requirements IEEE Số 14, tháng 6/2014 18 ... việc phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn phát điện phân tán Kết luận Mơ hình điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu. .. suất tác dụng công suất phản kháng microturbine; αđk: góc điều khiển, ω: tốc độ quay máy phát điện v.v Hình Sơ đồ điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG 2.1 Mơ hình microturbine. .. máy phát điện PMSG, hình 11 Hình 11 Sơ đồ hệ thống điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG 4.2 Kết mơ Hình 12 Điện áp điều khiển Udc (V) Hình 16 Điện áp nghịch lưu (V)