Trong bài viết, một mô hình giả lập của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) trong hệ thống turbine gió được thiết kế và xây dựng theo các yêu cầu khác nhau từ sự phát triển. Hệ thống giả lập bao gồm phần nghịch lưu phía máy (NLPM), nghịch lưu phía lưới (NLPL), động cơ không đồng bộ 5,5 kW và biến tần.
Trang 1XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢ LẬP TURBINE GIÓ SỬ DỤNG PMSG
BUILDING THE EMULATOR MODEL OF WIND
TURBINE USING PMSG
Ngô Quang Vĩ 1 , Chai Yi 2 , Tao Songbin 2 , Nguyễn Tiến Phúc 3
Email: vinq@hpu.edu.vn
1 Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam
2 Trường Đại học Trùng Khánh, Trung Quốc
3 Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 02/1/2018 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 21/3/2018
Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2018
Tóm tắt
Trong bài báo, một mô hình giả lập của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) trong hệ thống turbine gió được thiết kế và xây dựng theo các yêu cầu khác nhau từ sự phát triển Hệ thống giả lập bao gồm phần nghịch lưu phía máy (NLPM), nghịch lưu phía lưới (NLPL), động cơ không đồng bộ 5,5 kW và biến tần Giao diện trên máy tính được viết trên nền LabVIEW để cung cấp cho người sử dụng một giao diện thân thiện và có thể điều khiển thời gian thực cho các thực nghiệm Hệ thống có thể
mô phỏng đặc tính của turbine gió trong thực tế Hệ thống được thử nghiệm với tần số điện áp cố định, tốc độ thay đổi Kết quả phân tích lý thuyết và các kết quả thực nghiệm của mô hình cho thấy hệ thống hoàn toàn khả thi và hiệu quả
Từ khóa: Năng lượng gió; PMSG - máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu; bộ điều khiển PI; bộ chuyển đổi PWM back-to-back; máy phát điện điều khiển gió; turbine gió biến tốc.
Abstract
In this paper, a wind turbine emulator is designed and implemented considering different requirements from the development The wind turbine emulator includes Machine-side and Network-side converter, Induction motor 5,5 kW, and Inverter The PC interface is also developed by the LabVIEW language
to provide friendly to the user an interface and a real-time control of the experiments The wind turbine emulator can accurately reproduce the characteristics of the actual wind turbine The wind turbine emulator is tested with variable speed, constant voltage frequency The theoretical analyses and the experimental results show that the scheme is available and effective
Keywords: Wind power; PMSG - Permanent Magnet Synchronous Generator; PI controller;
back-to-back PWM converter; control wind generator; variable - speed wind turbine.
Ký hiệu
Ký
hiệu
Pm kW Công suất đầu ra của turbine gió (W)
Hệ số biến đổi năng lượng là tỷ số giữa tốc độ đầu cánh và góc cánh
A m3 Tiết diện vòng quay của cánh quạt
Chữ viết tắt
PMSG Generator (máy phát đồng bộ nam châm Permanent Magnet Synchronous
vĩnh cửu) PWM Pulse Width Modulation (điều chế bề rộng xung) DSP Digital Signal Processor (vi xử lý tín hiệu)
ĐK_DC Điều khiển nguồn một chiều DC
Trang 21 ĐẶT VẤN ĐỀ
Việc nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả
nguồn năng lượng gió luôn là một đề tài có tính
cấp thiết trong cuộc sống, bởi vì nhu cầu sử dụng
điện ngày càng cao, mà nguồn nhiên liệu hóa
thạch đang cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường
Từ những cấp bách trên cho thấy sự cần thiết của
việc nghiên cứu ứng dụng để đưa nguồn điện gió
vào cuộc sống Hệ thống năng lượng gió hiện tại
ở Việt Nam có công suất đưa vào lưới không cao
so với tiềm năng gió ở Việt Nam [2] Theo quy
hoạch phát triển điện lực quốc gia đến năm 2020,
công suất điện gió Việt Nam đạt 800 MW, đến năm
2030 đạt 6.000 MW [10] Đây là mục tiêu để chúng
ta vươn tới, nhưng hiện tại thì nguồn năng lượng
gió chỉ đạt 160 MW [1], vậy chúng ta phải cố gắng
rất nhiều để đạt được con số 800 MW Hệ thống
turbine gió vừa và nhỏ ở Việt Nam ít được đưa
vào khai thác, đây là một sự lãng phí rất lớn Do
vậy, nghiên cứu và thực nghiệm hệ thống turbine
gió loại này là rất cần thiết Kết quả thực nghiệm
sẽ là nền tảng quan trọng cho việc phát triển vững chắc hệ thống phát điện sức gió của Việt Nam
Đi đôi với việc khai thác tiềm năng gió thì việc đào tạo đội ngũ kỹ thuật viên có chất lượng cao trong lĩnh vực năng lượng gió cũng là đòi hỏi cấp thiết
Để tạo điều kiện thí nghiệm tốt cho viên sinh và học viên cần một hệ thống thực nghiệm turbine gió Hệ thống này đáp ứng đầy đủ tính chất và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống thực Với những turbine gió thì luôn có kích thước lớn, giá thành cao, chi phí vận hành và lắp đặt tốn kém và đòi hỏi một diện tích lớn để lắp đặt Do vậy, cần đưa
ra một giải pháp cho các vấn đề trên, đó là xây dựng hệ thống giả lập turbine gió Với hệ thống này thì phương pháp thực nghiệm, đánh giá hệ thống được đơn giản hóa với mô hình giả lập Đây
là hệ thống mà nhóm tác giả đề xuất và đã xây dựng thành công Với hệ thống giả lập turbine gió này, sẽ tạo điều kiện rất tốt cho sinh viên, học viên thực nghiệm Mô hình được trình bầy ở hình 1
Hình 1 Mô hình thực nghiệm hệ thống turbine gió giả lập
2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢ LẬP TURBINE GIÓ
Cấu trúc cơ bản của turbine gió giả lập được đề xuất
cho ở hình 1, nó bao gồm hai phần chính sau:
Phần mềm:
- Mô phỏng trên Matlab
- Giao diện quan sát và điều khiển trên LabVIEW
Phần cứng:
- Biến tần (thông số ở bảng 5)
- Động cơ không đồng bộ (thông số ở bảng 2)
- Hộp số (thông số ở bảng 4)
- Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG -
thông số ở bảng 3)
- IGBT bao gồm nghịch lưu phía máy (NLPM), nghịch lưu phía lưới (NLPL)
- Khối điều khiển máy phát (ĐKMP), điều khiển nguồn một chiều (ĐK DC)
- Bộ lọc (LC)
- Máy biến áp (MBA - 220/380 V)
2.1 Xây dựng mối quan hệ giữa tần số và tốc
độ máy phát PMSG
Với giá trị tần số được thiết lập trên máy tính, thông qua giao diện LabVIEW sẽ đặt tần số cho biến tần thông qua chuẩn RS485, để điều khiển ĐCKĐB (hình 1)
Trang 3Tốc độ của động cơ không đồng bộ theo được
tính theo công thức [4]:
(1)
Thông qua hộp số (gearbox), tốc độ của turbine
gió sẽ như sau [6]:
(2) : tốc độ của turbine gió
: tốc độ của máy phát PMSG
G: tỉ lệ gear box
Từ công thức (1) và (2) ta rút ra:
(3) Với tần số khác nhau sẽ cho ra tốc độ khác nhau
Ở đây ta lưu ý: vì tốc độ của gió là giả lập, do vậy
theo như công thức (2) thì tỷ số này khác với thực
tế của hệ thống turbine gió Còn trong thực tế, tốc
độ của turbine gió sẽ nhỏ hơn tốc độ máy phát,
nhưng ở mô hình giả lập thì điều này là ngược
lại Nghĩa là tốc độ của ĐCKĐB cao hơn so với
PMSG theo bảng 2, 3 Do đó, trong quá trình thiết
kế nhóm tác giả đã đề xuất thêm gearbox nhằm
mục đích giảm tốc độ của ĐCKĐB sao cho phù
hợp với tốc độ định mức của PMSG theo bảng
4 Do đó, có sự khác biệt cơ bản giữa hệ thống
turbine gió và hệ thống turbine gió giả lập, do tốc
độ ở thực tế luôn nhỏ hơn Ví dụ cứ 1000 vòng
quay của ĐCKĐB ta có 378 vòng máy phát PMSG
Hình 2 Đường đặc tính quan hệ giữa tần số
và tốc độ
PMSG phát ra điện, là nguồn đầu vào cho NLPM
Nguồn đầu ra của NLPM là điện áp DC, chính là
đầu vào cho NLPL Sau đó thông qua bộ lọc (LC)
và MBA, điện sẽ được đưa lên lưới Chức năng
hai bộ điều khiển ĐKMP, ĐK_DC được điều khiển
theo thuật toán PI, các tham số sẽ được cài đặt
trên mô hình giả lập turbine gió theo hình 18
Giao tiếp RS485 được thiết lập để giao tiếp giữa
máy tính, biến tần và counter theo hình 10 Thông
qua giao tiếp này, tốc độ được cài đặt trên giao
diện LabVIEW, cũng như tốc độ hiển thị sẽ được counter gửi về máy tính, giúp người thực nghiệm quan sát được tốc độ máy phát (PMSG) khi hoạt động theo hình 14
2.2 Mô hình nguồn gió và turbine gió
Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với vận tốc v theo [6, 7]:
(4) Công suất P thu được lệ thuộc vào khối lượng không khí chuyển động, vận tốc gió, mật độ không khí và tiết diện A của vòng quay cánh quạt
(5) Công thức (5) cho thấy vận tốc gió tăng 1 lần thì công suất tăng theo lũy thừa 3
Công suất của turbine được tính theo công thức sau:
(6)
Hệ số biến đổi năng lượng của công thức (6) theo [5] có công thức như sau:
(7)
Hình 3 Đường cong mối quan hệ giữa C p
và của turbine gió
Với (8)
Tỷ số giữa tốc độ đầu cánh turbine và tốc độ gió là:
= (9) Với công suất đầu ra của turbine:
(10) Mômen của turbine gió được tính theo [6] như sau:
(11)
Mặt khác, turbine gió có thể vận hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào tốc độ gió Theo hình 4 là biểu diễn mối quan hệ giữa Pm
và tốc độ gió
Trang 4Hình 4 Đường cong biểu diễn mối quan hệ
giữa P m và tốc độ gió
Hình 5 Mô hình nguồn gió và turbine gió
mô phỏng trên Matlab
Mô hình máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
Phương trình dòng và áp trên hệ tọa độ dq theo [3, 9]:
(12) (13) trong đó:
Lsd : điện cảm stator đo ở vị trí đỉnh cực;
Lsq: điện cảm stator đo ở vị trí ngang cực;
p: từ thông cực (vĩnh cửu);
Tsd, Tsq: hằng số thời gian stator tại vị trí đỉnh cực Phương trình mômen:
(14)
Để điều khiển máy phát điện nối lưới, ta dùng hai
bộ NLPM và NLPL NLPL dùng để hòa đồng bộ cho máy phát điện cũng như tách máy phát ra khỏi lưới khi cần thiết NLPL nhằm ổn định mạch một chiều trung gian
Hình 6 Mô hình mô phỏng PMSG trên Matlab
Hình 7 Mô hình giả lập turbine gió sử dụng PMSG
Trang 52.3 Thiết kế các bộ điều khiển PI
Hình 8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho NLPM và NLPL
Các bộ điều của hệ thống được sử dụng là bộ điều
khiển PI, vì bộ điều khiển này có các ưu điểm như:
dễ chế tạo, giá thành rẻ Bộ điều khiển PI được sử
dụng ở cả hai phía NLPM và NLPL và được xây
dựng trên họ vi xử lý TMS320F28335 theo hình 9
Hình 9 Tủ điều khiển hệ thống turbine gió giả lập
2.4 Giao tiếp qua cổng truyền thông RS485
RS485 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối
xứng giữa hai dây dẫn A và B, nhờ vậy giảm
được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn một cách đáng kể RS485 cho phép khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1.200 m, không phụ thuộc số trạm tham gia [8] Hệ thống này sử dụng mạng truyền thông RS485 để giao tiếp với hệ thống được thiết lập để máy tính làm master, các thiết bị khác bao gồm biến tần, counter là các slaver Mỗi slaver sẽ được cài đặt các IP khác nhau để master tiện quản lý các slaver này Địa chỉ IP để cài đặt cho hệ thống là: counter có địa chỉ 01, biến tần có địa chỉ 02
Hình 10 Cổng giao tiếp truyền thông RS485
Trang 62.6 Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink
Hình 11 Mô hình mô phỏng hệ thống turbine gió Matlab
Mô hình mô phỏng hệ thống turbine gió trên
Matlab được thể hiện ở hình 11 Ta đặt tốc độ gió
ban đầu cho hệ thống là 11,5 m/s, điện áp đầu
ra của PMSG (thông số PMSG bảng 1) sẽ được
cấp cho NLPM Bộ NLPM sẽ chuyển đổi điện áp
xoay chiều AC thành DC Nguồn DC thông qua
bộ NLPL tạo ra điện áp AC sẽ phát công suất ra
lưới điện
Hình 12 Mô phỏng tốc độ gió
Hình 13 Công suất đầu ra của turbine gió
3 XÂY DỰNG GIAO DIỆN HỆ THỐNG TURBINE
GIÓ GIẢ LẬP TRÊN LABVIEW
Tác giả xây dựng giao diện hệ thống giả lập
turbine gió để quan sát đối tượng Qua giao diện
này ta có thể quan sát được tốc độ PMSG, công
suất máy phát, mômen và tốc độ gió Ở giao diện
cũng đưa ra đồ thị phản ánh quan hệ giữa tốc độ
và tần số theo như hình 2 Phương thức giao tiếp
truyền thông được thông qua chuẩn RS485 theo
như hình 10 Tác giả có sử dụng mạch chuẩn đổi
USB - RS485 (UT-890J) để tạo ra chuẩn giao tiếp
truyền thông RS485, nhằm mục đích kết nối giữa
máy tính với biến tần và counter
Hình 14 Giao diện hệ thống turbine gió
(thực nghiệm)
Các tham số lamda và Cp cũng được đưa ra tính toán trên giao diện dựa theo công thức (7, 8, 9)
Hệ thống sẽ được điều khiển thông qua việc thiết lập tần số cho biến tần theo hình 14 Giá trị của tần số của biến tần cũng được hiển thị trên giao diện nhằm tạo điều kiện quan sát tốt nhất khi điều khiển hệ thống từ xa Ngoài chức năng điều khiển, giao diện còn có thêm giao diện quan sát lỗi ở NLPM, NLPL và HELP, nhằm mục đích giám sát
và tương tác với người sử dụng hệ thống giả lập turbine gió.Với giá trị khai báo trên hình 14, ta có tốc độ gió 11 m/s, tốc độ máy phát là 316 vg/ph và công suất đầu ra của turbine gió là 2532 W Qua kết quả thực nghiệm trên LabVIEW, ta thấy giá trị đạt được gần với giá trị mô phỏng theo mục 6 đã trình bày
4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Hình 15 Dòng điện đầu ra của hệ thống khi mô
phỏng trên Matlab
Trang 7Hình 15 hiển thị dòng điện khi mô phỏng trên
Matlab Khi ta đặt tốc độ gió là 11,5 m/s thì hệ
thống dao động trong khoảng thời gian là 0,6 s, ổn định ở thời điểm 0,8 s
Hình 16 Điện áp đầu ra của hệ thống khi mô phỏng trên Matlab Hình 16 hiển thị điện áp mô phỏng trên Matlab cho
ba pha Ở đầu ra NLPL, khi đưa vào lưới điện,
điện áp này còn cần phải xử lý qua bộ lọc LC và
cũng đảm bảo điện áp trùng pha, trùng biên độ và
trùng tần số với lưới điện
Hình 17 Hòa nối lưới cho PMSG
(thực nghiệm khi đo hai pha)
Hình 17 hiển thị điện áp đo trên hai pha của đầu
ra NLPL, sau khi chỉnh định để đạt được biên độ,
pha và tần số thỏa mãn các điều kiện trước khi
hòa lưới điện
Hình 18 Thông số cài đặt PI (thực nghiệm)
Hình 18 thể hiện giá trị các hệ số PI đã cài đặt cho
hệ thống, bao gồm cài đặt hệ số Ki cho điện áp,
dòng điện, hệ số Kp cho điện áp, dòng điện Trên
giao diện cũng thể hiện điện áp một chiều, điện áp
các pha A,B,C
4 KẾT LUẬN
Công trình nghiên cứu đã thu được một số kết quả mô phỏng cũng như thực nghiệm về hệ thống turbine gió giả lập Kết quả mô phỏng trong trường hợp tốc độ gió cố định là 11,5 m/s và bằng 8,1 thì tại thời điểm 0,8 s, tần số, điện áp, góc pha được xác lập, đáp ứng hoàn toàn các điều kiện hòa nối với lưới (hình 15 - 17) Các tác giả cũng đã thực nghiệm trên mô hình turbine gió giả lập, kết quả thực nghiệm (hình 7, 9, 14, 18) đã chứng minh tính đúng đắn và chính xác của hệ thống đề xuất
Bảng 1 Thông số của turbine gió
Công suất định mức 2,5 kW Tốc độ gió định mức 11 m/s Bán kính turbine gió 1,35 m
Hệ số công suất
Bảng 2 Thông số ĐCKĐB
Công suất định mức 5,5 kW Dòng điện định mức 11,7 A Tốc độ định mức 1445 vg/ph
Bảng 3 Thông số máy phát PMSG
Công suất định mức 2,5 kW Điện áp pha định mức 110 V Tốc độ định mức 335 vg/ph
Điện trở stator Rs 0,3667 Điện cảm stator Ls 3,29 mH
Trang 8Bảng 4 Thông số hộp số
Công suất đầu vào 5,5 kW
Bảng 5 Thông số của biến tần MV300 A
Công suất định mức 7,5 kW
Dòng điện định mức 17 A
Dải tần số hoạt động 1-400 Hz
Kiểu loại MV300 A - 7R5G - 4
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Vũ Thành Tự Anh (2013) Năng lượng gió
của Việt Nam tiềm năng và triển vọng
Nhietdien.vn
[2] CPC IT - KHVT (2013) Tiềm năng điện gió
của Việt Nam Tạp chí Tia sáng.
[3] Celso R Schmidlin Jr, F Kleber de A Lima,
C Gustavo C Branco, and Tobias R
Fernandes Neto (2016) Modelling and control
of PMSG based WECS: Evaluating the Test
Bench Result IEEE International Conference
on Industry Applications
[4] Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Trọng Thắng
(2016) Nguyên lý hoạt động của máy điện
Nhà xuất bản Xây dựng
[5] Johanna Salazar, Fernando Tadeo, Kritchai Witheephanich, Martin Hayes and Cesar de
Prada (2012) Control for a Variable Speed Wind Turbine Equipped with a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG).
Springer Berlin Heidelberg
[6] Springer (2014) Wind Power Electric Systems.
[7] Springer (2006) Wind Turbine Control SystemsPower.
[8] Hoàng Minh Sơn (2006) Mạng truyền thông công nghiệp Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật
[9] Ms Srinidhi Varadarajan, Dr Sasi.K.Kottayil
(2016) Active Power Control in Grid Connected Wind driven PMSG Biennial
International Conference on Power and Energy Systems
[10].Ngọc Tuấn (2016) Việt Nam phấn đấu đạt 6.000 MW điện gió vào năm 2030.