Mô hình hóa và điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép cho một hệ thống phát điện gió​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - TƠ THÀNH LẬP MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - TƠ THÀNH LẬP MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 19 tháng 11 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên Chức danh Hội đồng PGS TS NGÔ CAO CƯỜNG Chủ tịch TS ĐINH HOÀNG BÁCH Phản biện TS NGUYỄN HÙNG Phản biện PGS TS VÕ NGỌC ĐIỀU PGS TS LÊ CHÍ KIÊN Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV PGS TS NGÔ CAO CƯỜNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày tháng 04 năm 2017 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Tô Thành Lập Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/ 10/ 1990 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 15418300008 I- Tên đề tài: MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ II- Nhiệm vụ nội dung:  TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIĨ  MƠ HÌNH HĨA CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ  CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIĨ  MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG SIMULINK MATLAB III- Ngày giao nhiệm vụ: Tháng 10 năm 2016 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Tháng 04 năm 2017 V- Cán hướng dẫn: PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn TÔ THÀNH LẬP ii LỜI CẢM ƠN Việc nghiên cứu vấn đề cực đại công suất hệ thống điện gió mẻ than nước ta Qua trình nghiên cứu thực đề tài, thân thu nhận nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu Tuy chưa thể nói luận văn cơng trình nghiên cứu đầy đủ hồn thiện hệ thống điện gió, thân tơi nhận thấy luận văn đạt số kết đáng ghi nhận Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho tơi ý kiến, đóng góp q báu để tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô trường Đại Học Công Nghệ Tp Hồ Chí Minh trang bị cho tơi khối lượng kiến thức bổ ích quí báu trình học tập nghiên cứu Những kiến thức tạo tảng vững giúp tơi hồn thành tốt luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân ln động viên, giúp đỡ, chỗ dựa tinh thần vững để vượt qua khó khăn thời gian học làm luận văn Sau cảm ơn anh chị khóa học trước, người bạn giúp đỡ chia kinh nghiệm học tập, nghiên cứu suốt q trình làm luận văn Tuy tơi cố gắng, chắn luận văn nhiều thiếu sót cần điều chỉnh bổ sung Rất mong nhận ý kiến đóng góp từ q thầy để luận văn ngày hồn thiện Học viên thực Luận văn TÔ THÀNH LẬP iii TÓM TẮT Hiện nhu cầu phát điện chạy sức gió Việt Nam ngày cảng trở nên có tính thực tiễn cao Nhu cầu điện tăng trưởng cách mạnh mẽ cung với phát triển kinh tế tăng dân số Nhưng bùng nổ nhu cầu điện lại diễn vào lúc nguồn lượng từ dầu, than khí – vốn cung cấp nửa lượng Thủy điện gần khai thác hết công suất nguồn nước sông Việt Nam Nguồn lượng mặt trời giai đoạn nghiên cứu dừng lại cơng suất nhỏ, lượng sóng biển thủy triều giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm Trong sức gió Việt Nam chưa khai thác nhiều Máy phát điện không đồng pha nguồn kép ứng dụng làm máy phát điện chạy sức gió, nhờ khả điều khiển dòng lượng gián tiếp từ phíá rotor thay trực tiếp stator Khi thiết bị điều khiển đặt phía rotor cần thiết kế 1/3 cơng suất tồn máy điện, cho phép hạ giá thành 1/3 so với loại máy điện khác Điều hấp dẫn mặt kinh tế, công suất máy ngày tăng, phương pháp điều khiển có phần phức tạp Trên giới có nhiều cơng trình nghiên cứu song chủ yếu theo phương pháp điều khiển kinh điểm Trong luận văn này, đề tài “Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ hệ thống điều khiển động không đồng nguồn kép” Máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG: Doubly – Fed Induction Generator) Có thể làm việc với vùng tốc độ khác nhau: tốc độ đồng tốc độ sở chí tốc độ máy lai giảm đến 65% tốc độ định mức Khi đặt vấn đề sử dụng DFIG làm máy phát đồng trục thay sử dụng máy đồng kinh điển kết hợp với biến đổi điện tử cơng suất thấy DFIG có ưu điểm bật stator DFIG nối trực tiếp với lưới điện, rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử cơng suất điều khiển Chính thiết bị điều khiển cho DFIG nằm rotor nên công suất thiết bị điều khiển xấp xỉ 1/3 cơng suất máy phát dòng lượng thu chảy trực tiếp từ stator sang lưới Như trình bày trên, ưu điểm vượt trội DFIG so với thiết bị máy phát khác có điều khiển nằm stator lưới Tuy nhiên, cấu trúc iv lại khiến cho DFIG khó điều khiển nhiều, đặc biệt tình cố xảy lưới Khi có cố lưới điện, điện áp bị sụt giảm đột ngột làm cho từ thông máy phát dao động mạnh Từ thông gây sức điện động cảm ứng đặt lên rotor trị số sức điện động lớn gây dòng lớn Trong luận văn này, tác giả xây dựng mơ hình mô điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) hệ thống phong điện Matlab/Simulink v ABSTRACT Nowadays the need for generating electricity by wind force in Viet Nam is becoming highly realistic The significantly growing need for electricity is combined with economic development and population growth However, the explosion of electricity need is happening as soon as the oil, coal and gas sources provides over a half energy Hydroelectric power is exploited and nearly hydraulic source in rivers of Vietnam is exhaustible Solar power source is being studied and just provided with low power The wave power and tide power are searching and commissioning Meanwhile, wind power has not been exploited significantly The Doubly – Fed Induction Generators have been used as electric generators run by wind power because they have controlling capacity of power indirectly by rotor instead of directly stator The controller in rotor is designed one third as much as power of the whole generator, so its cost reduces one third down compared with other electric machines Although it is controlled more complexibly, this gives an economical price especially when power expense is growing There are a lot of study works for this in the world but they used classical controlling methods In this thesis, the theme “Study and design a model stimulating control system of Doubly – Fed Induction Generator” Doubly – Fed Induction Generator (DFIG) is able to run with different speed areas: over synchronous speed and below basic speed even its speed can be down to 65% norm speed When considering using DFIG as a coaxial generator instead of using classical synchronous generators with power electronic converters, it sees that DFIG has very remarkable strengths because its stator directly connected with network and its rotor connected with the network through a controllable power electronic component The controller for DFIG is in rotor so its power is approximately one third of the power of the generator and power current flows from stator to the network As mentioned above, this is more significant strength of DFIG than other generators with controller in stator and rotor However, this structure makes DFIG more difficult to control especially in some problems happening in network vi At that time, voltage in bus bar dropped suddenly makes flux magnet in generator oscillate, that causes induce electromotive force (IMF) in rotor resulting in over current In this thesis, we design a model stimulating control system of Doubly – Fed Induction Generator in the discharge by of Matlab/Simulink 101 Khi nhận tốc độ gió cánh quạt quay làm tuabin gió hoạt động qua máy điện nguồn kép, sau đưa điều khiển PWM vào máy điện DFIG để điều chế xung đưa vào chuyển đổi AC/DC/AC để hòa vào lưới điện cung cấp dòng điện điện áp định mức để tìm công suất định mức phù hợp với tải tiêu thụ Hình 19b – Bộ điều khiển DFIG 102 Hình 20 – Khối điều khiển PWM Hình 21 - Khối điều khiển tín hiệu PWM 103 Hình 22 - Khối tải Hình 4.23 - Khối nghịch lưu PWM bậc 104 Hình 4.24 - Khối nghịch lưu PWM bậc Hình 4.25 - Dòng ngõ pha 105 Dòng điện pha ngõ ra: A B C theo thứ tự từ xuống Màu vàng: dòng điện pha A, màu tím: dòng điện pha B, màu xanh: dòng điện pha C Hình 4.26 – Điện áp ngõ pha 106 Điện áp ngõ pha: A B C theo thứ tự từ xuống Nhận xét kết mô phỏng: Từ kết mơ hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép hình 25 26 ta nhận thấy: Điện áp, dòng điện sau qua chỉnh lưu nghịch lưu có dạng sóng hình sin ổn định, điện áp dòng điện có dạng sóng hình sin ổn định Cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng máy phát hồn tồn ổn định hòa lưới Máy phát điện khơng đồng nguồn kép sử dụng cho hệ thống điện lượng gió cơng suất lớn cấu tạo phức tạp, chi phí đầu tư cho hệ thống sử dụng máy phát tương đối cao nên việc lựa chọn loại máy phát cần xem xét Trên hình 25 dòng điện ngõ pha lệch có 0.02 cho độ phân giải từ -0.04 – 0.04, điều chứng tỏ dòng điện ổn định cho pha Dòng điện pha nhờ PWM mà có hình cưa dầy giúp hệ thống lưới điện ổn định Trên hình 26 điện áp ngõ pha A B C theo thứ tự từ xuống đáp ứng ngõ dòng điện hình 25 Nhờ PWM mà ta thu điện áp pha ba bậc với mức điện áp 0V, 130V, 250V 107 qws Hình 4.27 - Tín hiệu xung PWM điều khiển Nhận xét: Khi mà dòng điện ngõ điện áp ngõ ổn định lúc tín hiệu xung điều khiển ổn định theo, công suất tuabin gió ổn định giúp cho hệ thống điện gió với DFIG điều khiển tốt khơng bị lệch pha Cho dù tốc độ gió có nhỏ cho cơng suất Nhìn hình 27 ta thấy biên độ xung -1 đến độ phân giải nhỏ từ 0.29 – 0.31 tốt cho hệ thống 108 CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Kết đạt Thơng qua đề tài: " MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ " Luận văn gồm nội dung nhiên cứu sau: Luận văn tìm hiểu tình hình phát triển lượng gió giới Việt Nam Kết cho thấy tiềm triển vọng phát triển nguồn lượng có ưu điểm thiết thực so với dạng lượng khác Tìm hiểu tổng quan lượng gió tiềm gió để khai thác để sản xuất lượng gió Việt Nam Xây dựng mơ hình tốn máy phát khơng đồng nguồn kép Xây dụng mơ hình hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG Xây dựng điều khiển phía máy phát Xây dựng điều khiển phía lưới Kết cho thấy hệ thống làm việc tin cậy, đảm bảo xác có thay đổi lượng đầu vào đảm bảo được: + Điện áp lưới điện áp máy phát có tần số + Điện áp lưới điện áp máy phát trùng pha + Điện áp lưới điện áp máy phát có trị số (biên độ) 5.2 Những mặt hạn chế Mặc dù có nhiều cố gắng, song điều kiện thời gian không cho phép nên nội dung đề tài nghiên cứu nhiều thiếu sót hạn chế 109 Vì đề tài thân, khả nhận thức hạn chế nên luận văn số khâu chưa hồn chỉnh, nhiều vấn đề chưa đề cập đến Luận văn mô rời rạc thành phần hệ thống, chưa thể mơ tồn hệ thống lượng gió để có nhìn tổng quan hoạt động hệ thống Vì thực mơ hình thực tế chắn có nhiều vấn đề phát sinh Tuy nhiên, luận văn tảng sở để xây dựng lượng gió nước ta tương lai Mặc dù có nhiều cố ngắng thân, giúp đỡ quý Thầy Cô, bạn học viên đồng nghiệp, song điều kiện thời gian không cho phép nên đề tài nghiên cứu số hạn chế: + Chưa mô điều khiển từ thông FOC + Chưa xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng kết mơ 5.3 Hướng phát triển đề tài Trong tương lai, đề tài phát triển theo hướng sau: - Triển khai thực nghiệm làm mơ hình thực tế - Chế độ làm việc máy phát có sụt áp lưới điện máy phát phát công suất phản kháng để bù thiếu hụt lưới, trường hợp ngắn mạch đầu cực máy phát tác động hệ thống bảo vệ Nghiên cứu ảnh hưởng dòng điện điện áp lên thiết bị hồ lưới Và từ phát triển hệ thống lượng gió cơng suất lớn, hồ lưới điện gió vào lưới điện quốc gia, giải vấn đề thiếu điện trầm trọng Nghiên cứu kết hợp nguồn lượng điện với nhau, ví dụ: lượng gió lượng mặt trời… 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Website Wikipedia Tiếng Việt Địa chỉ: http://vi.wikipedia.org/wiki/Năng_lượng_gió [2] Lê Hồi Chí, Nghiên cứu tổng quan lượng gió nhà máy điện gió Phương Mai - Việt Nam Trường Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP Hồ Chí Minh, 2008 [3] Q Huynh, F Nollet, N Essounbouli, and A Hamzaoui, “Fuzzy control of variable speed wind turbine using permanent magnet synchronous machine for stand-alone system”, in Sustainability in Energy and Buildings: Proceedings of the 3rd International Conference in Sustainability in Energy and Buildings (SEB 11), vol 12 Springer Verlag, 2012, p 31 [4] Hồ Phạm Hữu Phúc, Nguyễn Hữu Phúc, Nguyễn Văn Tài, Phạm Đình Trực, Nguyễn uang Nam, Trần Cơng Binh, Phan uang Ấn, Kỹ thuật hệ thống lượng tái tạo, 2013 [5] Vipin Kumar Singh, Tiju T Thomas, Vilas Warudkar Structural Design of a Wind Turbine Blade, ICGSEE-2013[14th – 16th March 2013] International Conference on Global Scenario in Environment and Energy [6] Website of Howstuffwork How wind power works Available: http://science.howstuffworks.com/environmental/green-science/wind-power3.htm [7] Website of Howstuffwork How wind power works Available: http://science.howstuffworks.com/environmental/green-science/wind-power3.htm [8] Website of The Guardian Available: http://www.theguardian.com/theguardian/2011/sep/06/why-wind-turbinesthreeblades [9] N S Cetin, M A Yurdusev, R Ata and A Ozdemir, Assessment of Optimal tip speed ratio of wind turbine, Mathematical and Computational Application, vol 10 No.1, pp.147-154, 2005 111 [10] Website of Machine Design Available: http://machinedesign.com/energy/green-technology-inside-advanced-wind-turbine [11] Henk Polinder, Frank F A van der Pijl, Gert-Jan de Vilder, and Peter J Tavner, Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines, IEEE transactions on energy conversion Vol 21 no 3, September 2006 [12] Jason R Cotrell, National Wind Technology Center, National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Blvd, Golden, CO 80401, A preliminary evaluation of a multiplegenerator drive train configuration for wind turbines [13] Website of Wikipedia Available: http://en.wikipedia.org/wiki/wind_turbine_design_Gearless_windturbine [14] Abdullah Asuhaimi B Mohd Zin, Mahmoud Pesaran H.A., Azhar B Khairuddin, Leila Jahanshaloo, Omid Shariati, An overview on doubly fed induction generators controls and contributions to wind based electricity generation, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013 [15] Zhang J, Dysko A, O’Reilly J, Leithead WE, Modeling and performance of fixed-speed induction generators in power system oscillation stability studies, Electric Power Systems Research 2008; 78:1416–24 [16] Devang B Parmar, Dr Chirag K Vibhakar, Overview of Different Wind power technology Connected to Grid & Modelling of wind Turbine, INTERNATIONAL JOURNAL OF ENGINEERING DEVELOPMENT AND RESEARCH | IJEDR (www.ijedr.org) (Two Day National Conference (RTEECE-2014) -17th,18th January 2014) [17] H Li, Z Chen, Overview of different wind generator systems and their comparisons, Published in IET Renewable Power Generation Received on 24th January 2007, Revised on 23rd August 2007.doi: 10.1049/iet-rpg: 20070044 [18] Guoliang Y, Huiguang L, Design and analysis of a newly brushless DC wind generator, World Automation Congress, (WAC);2008.p.1–5 112 [19] TS Nguyễn uang Nam, Các biến đổi DC - DC, Phòng thí nghiệm GPL (300A, nhà B1), Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh [20] Nguyễn Hồng uân, Nghiên cứu thiết kế hệ thống lượng gió cơng suất nhỏ dùng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu, 2013 [21] Q Huynh, F Nollet, N Essounbouli, and A Hamzaoui, Fuzzy control of variable speed wind turbine using permanent magnet synchronous machine for stand-alone system, in Sustainability in Energy and Buildings: Proceedings of the 3rd International Conference in Sustainability in Energy and Buildings (SEB 11), vol 12 Springer Verlag, 2012, p 31 [22] Hồng Văn Bình, Thiết kế nghịch lưu cho máy phát điện đồng lượng gió cơng suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia, Đại học sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2013 [23] Trishan Esram, Student Member, IEEE, and Patrick L Chapman, Senior Member, IEEE, Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL 22, NO 2, JUNE 2007 [24] B Amrouche, M Belhame and A Guessoum, Artificial intelligence based P&O MPPT method for photovoltaic systems, Revue des Energies Renouvelables ICRESD 07 Tlemcen (2007) 11 – 16 PHỤ LỤC %% Mo hinh tuabin gio %% P=1/2(piro*pi*R^3*v^2*C(landa,B) clear all; close all; clc %% while(1) % xoa du lieu clear all; close all; clc % thong so quat gio piro= 1225 ;%% mat khong dieu kien 150oC R = input ('nhap ban kinh quat gio tuabin : '); v = input ('nhap toc gio : '); w = input ('van toc goc tuabin : '); B = input ('nhap goc pitch : '); % cong thuc tinh Cong Suat quat gio P=0.5*piro*pi*R*R*v*v*C; if length(w)==1 for (n=1:length(v)) landa(1,n) = R*w/(v(1,n));% Tim landa a=landa(1,n) + 0.089*B; b=0.035*(landa(1,n)+0.089*B); landai(1,n)= ( (a*(B^3 + 1)) / ((B^3 + 1) - b )); C(1,n) = 0.5*(98/(landai(1,n)) - 0.4*B - 5)*exp(-16.5/(landai(1,n))); P(1,n)=0.5*piro*pi*R*R*(v(1,n))*(v(1,n))*(C(1,n)); end else if length(v)==1 for (n=1:length(w)) landa(1,n) = R*w(1,n)/(v); a=landa(1,n) + 0.089*B; b=0.035*(landa(1,n)+0.089*B); landai(1,n)= ( (a*(B^3 + 1)) / ((B^3 + 1) - b )); C(1,n) = 0.5*(98/(landai(1,n)) - 0.4*B - 5)*exp(-16.5/(landai(1,n))); P(1,n)=0.5*piro*pi*R*R*v*v*(C(1,n)); end else if length(v)==length(w) for (n=1:length(w)) landa(1,n) = R*w(1,n)/(v(1,n)); a=landa(1,n) + 0.089*B; b=0.035*(landa(1,n)+0.089*B); landai(1,n)= ( (a*(B^3 + 1)) / ((B^3 + 1) - b )); C(1,n) = 0.5*(98/(landai(1,n)) - 0.4*B - 5)*exp(-16.5/(landai(1,n))); P(1,n)=0.5*piro*pi*R*R*v(1,n)*v(1,n)*(C(1,n)); end end end end t=zeros(1,length(C)); for(i=1:length(C)) if P(1,i)