Xây dựng mô hình giả lập turbine gió sử dụng PMSG

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.

LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIẢ LẬP TURBINE GIĨ SỬ DỤNG PMSG BUILDING THE EMULATOR MODEL OF WIND TURBINE USING PMSG Ngô Quang Vĩ1, Chai Yi2, Tao Songbin2, Nguyễn Tiến Phúc3 Email: vinq@hpu.edu.vn Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam Trường Đại học Trùng Khánh, Trung Quốc Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 02/1/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 21/3/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2018 Tóm tắt Trong báo, mơ hình giả lập máy phát đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) hệ thống turbine gió thiết kế xây dựng theo yêu cầu khác từ phát triển Hệ thống giả lập bao gồm phần nghịch lưu phía máy (NLPM), nghịch lưu phía lưới (NLPL), động không đồng 5,5 kW biến tần Giao diện máy tính viết LabVIEW để cung cấp cho người sử dụng giao diện thân thiện điều khiển thời gian thực cho thực nghiệm Hệ thống mơ đặc tính turbine gió thực tế Hệ thống thử nghiệm với tần số điện áp cố định, tốc độ thay đổi Kết phân tích lý thuyết kết thực nghiệm mơ hình cho thấy hệ thống hoàn toàn khả thi hiệu Từ khóa: Năng lượng gió; PMSG - máy phát đồng nam châm vĩnh cửu; điều khiển PI; 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-toback PWM converter; control wind generator; variable - speed wind turbine Ký hiệu Ký Chữ viết tắt Đơn vị Ý nghĩa hiệu Pm kW Công suất đầu turbine gió (W) Hệ số biến đổi lượng tỷ số tốc độ đầu cánh góc cánh A m3 P kg/m ω rad/s Tốc độ quay turbine v m/s Vận tốc gió R m Bán kính turbine Tiết diện vòng quay cánh quạt Mật độ khơng khí PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator (máy phát đồng nam châm vĩnh cửu) PWM Pulse Width Modulation (điều chế bề rộng xung) DSP Digital Signal Processor (vi xử lý tín hiệu) MBA Máy biến áp ĐCKĐB Động không đồng NLPM Nghịch lưu phía máy NLPL Nghịch lưu phía lưới ĐKMP Điều khiển máy phát ĐK_DC Điều khiển nguồn chiều DC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐẶT VẤN ĐỀ Việc nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu nguồn lượng gió ln đề tài có tính cấp thiết sống, nhu cầu sử dụng điện ngày cao, mà nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt gây ô nhiễm môi trường Từ cấp bách cho thấy cần thiết việc nghiên cứu ứng dụng để đưa nguồn điện gió vào sống Hệ thống lượng gió Việt Nam có cơng suất đưa vào lưới không cao so với tiềm gió 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 mục tiêu để vươn tới, nguồn lượng gió đạt 160 MW [1], phải cố gắng nhiều để đạt số 800 MW Hệ thống turbine gió vừa nhỏ Việt Nam đưa vào khai thác, lãng phí lớn Do vậy, nghiên cứu thực nghiệm hệ thống turbine gió loại cần thiết Kết thực nghiệm tảng quan trọng cho việc phát triển vững hệ thống phát điện sức gió Việt Nam Đi đơi với việc khai thác tiềm gió việc đào tạo đội ngũ kỹ thuật viên có chất lượng cao lĩnh vực lượng gió đòi hỏi cấp thiết Để tạo điều kiện thí nghiệm tốt cho viên sinh học viên cần hệ thống thực nghiệm turbine gió Hệ thống đáp ứng đầy đủ tính chất yêu cầu kỹ thuật hệ thống thực Với turbine gió ln có kích thước lớn, giá thành cao, chi phí vận hành lắp đặt tốn đòi hỏi diện tích lớn để lắp đặt Do vậy, cần đưa giải pháp cho vấn đề trên, xây dựng hệ thống giả lập turbine gió Với hệ thống phương pháp thực nghiệm, đánh giá hệ thống đơn giản hóa với mơ hình giả lập Đây hệ thống mà nhóm tác giả đề xuất xây dựng thành cơng Với hệ thống giả lập turbine gió này, tạo điều kiện tốt cho sinh viên, học viên thực nghiệm Mơ hình trình bầy hình Hình Mơ hình thực nghiệm hệ thống turbine gió giả lập XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIẢ LẬP TURBINE GIĨ Cấu trúc turbine gió giả lập đề xuất cho hình 1, bao gồm hai phần sau: - IGBT bao gồm nghịch lưu phía máy (NLPM), nghịch lưu phía lưới (NLPL) Phần mềm: - Khối điều khiển máy phát (ĐKMP), điều khiển nguồn chiều (ĐK DC) - Mô Matlab - Bộ lọc (LC) - Giao diện quan sát điều khiển LabVIEW - Máy biến áp (MBA - 220/380 V) Phần cứng: - Biến tần (thông số bảng 5) 2.1 Xây dựng mối quan hệ tần số tốc độ máy phát PMSG - Động không đồng (thông số bảng 2) Với giá trị tần số thiết lập máy tính, - Hộp số (thông số bảng 4) thông qua giao diện LabVIEW đặt tần số cho - Máy phát đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG thông số bảng 3) biến tần thông qua chuẩn RS485, để điều khiển ĐCKĐB (hình 1) Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Tốc độ động không đồng theo tính theo cơng thức [4]: (1) diện LabVIEW, tốc độ hiển thị counter gửi máy tính, giúp người thực nghiệm quan sát tốc độ máy phát (PMSG) hoạt động theo hình 14 2.2 Mơ hình nguồn gió turbine gió Thơng qua hộp số (gearbox), tốc độ turbine gió sau [6]: Cơ E khối lượng khơng khí m chuyển động với vận tốc v theo [6, 7]: (2) Công suất P thu lệ thuộc vào khối lượng khơng khí chuyển động, vận tốc gió, mật độ khơng khí tiết diện A vòng quay cánh quạt : tốc độ turbine gió : tốc độ máy phát PMSG G: tỉ lệ gear box Từ công thức (1) (2) ta rút ra: (4) (3) Với tần số khác cho tốc độ khác Ở ta lưu ý: tốc độ gió giả lập, theo cơng thức (2) tỷ số khác với thực tế hệ thống turbine gió Còn thực tế, tốc độ turbine gió nhỏ tốc độ máy phát, mơ hình giả lập điều ngược lại Nghĩa tốc độ ĐCKĐB cao so với PMSG theo bảng 2, Do đó, q trình thiết kế nhóm tác giả đề xuất thêm gearbox nhằm mục đích giảm tốc độ ĐCKĐB cho phù hợp với tốc độ định mức PMSG theo bảng Do đó, có khác biệt hệ thống turbine gió hệ thống turbine gió giả lập, tốc độ thực tế nhỏ Ví dụ 1000 vòng quay ĐCKĐB ta có 378 vòng máy phát PMSG (5) Cơng thức (5) cho thấy vận tốc gió tăng lần cơng suất tăng theo lũy thừa Công suất turbine tính theo cơng thức sau: (6) Hệ số biến đổi lượng cơng thức (6) theo [5] có cơng thức sau: (7) Hình Đường cong mối quan hệ Cp turbine gió Với Hình Đường đặc tính quan hệ tần số tốc độ PMSG phát điện, nguồn đầu vào cho NLPM Nguồn đầu NLPM điện áp DC, đầu vào cho NLPL Sau thơng qua lọc (LC) MBA, điện đưa lên lưới Chức hai điều khiển ĐKMP, ĐK_DC điều khiển theo thuật toán PI, tham số cài đặt mơ hình giả lập turbine gió theo hình 18 Giao tiếp RS485 thiết lập để giao tiếp máy tính, biến tần counter theo hình 10 Thơng qua giao tiếp này, tốc độ cài đặt giao (8) Tỷ số tốc độ đầu cánh turbine tốc độ gió là: = (9) Với công suất đầu turbine: (10) Mơmen turbine gió tính theo [6] sau: (11) Mặt khác, turbine gió vận hành theo quy tắc điều khiển khác tùy thuộc vào tốc độ gió Theo hình biểu diễn mối quan hệ Pm tốc độ gió Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Mơ hình máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) Phương trình dòng áp hệ tọa độ dq theo [3, 9]: (12) (13) đó: Hình Đường cong biểu diễn mối quan hệ Pm tốc độ gió Lsd : điện cảm stator đo vị trí đỉnh cực; Lsq: điện cảm stator đo vị trí ngang cực; p: từ thơng cực (vĩnh cửu); Tsd, Tsq: số thời gian stator vị trí đỉnh cực Phương trình mơmen: (14) Để điều khiển máy phát điện nối lưới, ta dùng hai NLPM NLPL NLPL dùng để hòa đồng Hình Mơ hình nguồn gió turbine gió mơ Matlab cho máy phát điện tách máy phát khỏi lưới cần thiết NLPL nhằm ổn định mạch chiều trung gian Hình Mơ hình mơ PMSG Matlab Hình Mơ hình giả lập turbine gió sử dụng PMSG Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA 2.3 Thiết kế điều khiển PI Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho NLPM NLPL Các điều hệ thống sử dụng điều nhiễu cho phép tăng chiều dài dây dẫn khiển PI, điều khiển có ưu điểm như: cách đáng kể RS485 cho phép khoảng cách dễ chế tạo, giá thành rẻ Bộ điều khiển PI sử tối đa trạm đầu trạm cuối đoạn dụng hai phía NLPM NLPL xây mạng 1.200 m, không phụ thuộc số trạm tham dựng họ vi xử lý TMS320F28335 theo hình gia [8] Hệ thống sử dụng mạng truyền thông RS485 để giao tiếp với hệ thống thiết lập để máy tính làm master, thiết bị khác bao gồm biến tần, counter slaver Mỗi slaver cài đặt IP khác để master tiện quản lý slaver Địa IP để cài đặt cho hệ thống là: counter có địa 01, biến tần có địa 02 Hình Tủ điều khiển hệ thống turbine gió giả lập 2.4 Giao tiếp qua cổng truyền thơng RS485 RS485 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng hai dây dẫn A B, nhờ giảm Hình 10 Cổng giao tiếp truyền thơng RS485 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2.6 Xây dựng mơ hình mơ Matlab/Simulink Hình 11 Mơ hình mơ hệ thống turbine gió Matlab Mơ hình mơ hệ thống turbine gió Matlab thể hình 11 Ta đặt tốc độ gió ban đầu cho hệ thống 11,5 m/s, điện áp đầu PMSG (thông số PMSG bảng 1) cấp cho NLPM Bộ NLPM chuyển đổi điện áp xoay chiều AC thành DC Nguồn DC thông qua NLPL tạo điện áp AC phát cơng suất lưới điện Hình 14 Giao diện hệ thống turbine gió (thực nghiệm) Hình 12 Mơ tốc độ gió Hình 13 Cơng suất đầu turbine gió 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 ta quan sát tốc độ PMSG, công suất máy phát, mômen tốc độ gió Ở giao diện đưa đồ thị phản ánh quan hệ tốc độ tần số theo hình Phương thức giao tiếp truyền thơng thơng qua chuẩn RS485 theo hình 10 Tác giả có sử dụng mạch chuẩn đổi USB - RS485 (UT-890J) để tạo chuẩn giao tiếp truyền thơng RS485, nhằm mục đích kết nối máy tính với biến tần counter Các tham số lamda Cp đưa tính tốn giao diện dựa theo công thức (7, 8, 9) Hệ thống điều khiển thông qua việc thiết lập tần số cho biến tần theo hình 14 Giá trị tần số biến tần hiển thị giao diện nhằm tạo điều kiện quan sát tốt điều khiển hệ thống từ xa Ngoài chức điều khiển, giao diện có thêm giao diện quan sát lỗi NLPM, NLPL HELP, nhằm mục đích giám sát tương tác với người sử dụng hệ thống giả lập turbine gió.Với giá trị khai báo hình 14, ta có tốc độ gió 11 m/s, tốc độ máy phát 316 vg/ph công suất đầu turbine gió 2532 W Qua kết thực nghiệm LabVIEW, ta thấy giá trị đạt gần với giá trị mơ theo mục trình bày KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Hình 15 Dòng điện đầu hệ thống mô Matlab 10 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA Hình 15 hiển thị dòng điện mơ Matlab Khi ta đặt tốc độ gió 11,5 m/s hệ thống dao động khoảng thời gian 0,6 s, ổn định thời điểm 0,8 s Hình 16 Điện áp đầu hệ thống mơ Matlab Hình 16 hiển thị điện áp mô Matlab cho ba pha Ở đầu NLPL, đưa vào lưới điện, điện áp cần phải xử lý qua lọc LC đảm bảo điện áp trùng pha, trùng biên độ trùng tần số với lưới điện KẾT LUẬN Cơng trình nghiên cứu thu số kết mô thực nghiệm hệ thống turbine gió giả lập Kết mơ trường hợp tốc độ gió cố định 11,5 m/s 8,1 thời điểm 0,8 s, tần số, điện áp, góc pha xác lập, đáp ứng hồn tồn điều kiện hòa nối với lưới (hình 15 - 17) Các tác giả thực nghiệm mơ hình turbine gió giả lập, kết thực nghiệm (hình 7, 9, 14, 18) chứng minh tính đắn xác hệ thống đề xuất Bảng Thơng số turbine gió Hình 17 Hòa nối lưới cho PMSG (thực nghiệm đo hai pha) Hình 17 hiển thị điện áp đo hai pha đầu NLPL, sau chỉnh định để đạt biên độ, pha tần số thỏa mãn điều kiện trước hòa lưới điện Cơng suất định mức 2,5 kW Tốc độ gió định mức 11 m/s Bán kính turbine gió 1,35 m Số cánh Hệ số công suất Bảng Thông số ĐCKĐB Cơng suất định mức 5,5 kW Dòng điện định mức 11,7 A Tốc độ định mức 1445 vg/ph Mômen định mức 35 N·m Số cực Bảng Thông số máy phát PMSG Hình 18 Thơng số cài đặt PI (thực nghiệm) Hình 18 thể giá trị hệ số PI 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 thể điện áp chiều, điện áp pha A,B,C Công suất định mức 2,5 kW Điện áp pha định mức 110 V Tốc độ định mức 335 vg/ph Tần số định mức 35 Hz Điện trở stator Rs 0,3667 Điện cảm stator Ls 3,29 mH Số cặp cực 14 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 11 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Bảng Thông số hộp số Công suất đầu vào Tỷ số 5,5 kW 3,78 Bảng Thông số biến tần MV300 A Công suất định mức 7,5 kW Điện áp định mức 380 V Dòng điện định mức 17 A Dải tần số hoạt động 1-400 Hz [4] Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Trọng Thắng (2016) Nguyên lý hoạt động máy điện Nhà xuất 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) Systems Wind Power Electric [7] Springer (2006) SystemsPower Wind Turbine Control TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Thành Tự Anh (2013) Năng lượng gió Việt Nam tiềm triển vọng Nhietdien.vn [8] Hoàng Minh Sơn (2006) Mạng truyền thông công nghiệp Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] CPC IT - KHVT (2013) Tiềm điện gió Việt Nam Tạp chí Tia sáng [9] Ms Srinidhi Varadarajan, (2016) Active Power Connected Wind driven International Conference Energy Systems Kiểu loại MV300 A - 7R5G - [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 Dr Sasi.K.Kottayil Control in Grid PMSG Biennial on Power and [10].Ngọc Tuấn (2016) Việt Nam phấn đấu đạt 6.000 MW điện gió vào năm 2030 12 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 ... thực nghiệm Mơ hình trình bầy hình Hình Mơ hình thực nghiệm hệ thống turbine gió giả lập XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIẢ LẬP TURBINE GIĨ Cấu trúc turbine gió giả lập đề xuất cho hình 1, bao gồm hai phần sau:... (thực nghiệm) Hình 12 Mơ tốc độ gió Hình 13 Cơng suất đầu turbine gió 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... đồng Hình Mơ hình nguồn gió turbine gió mô Matlab cho máy phát điện tách máy phát khỏi lưới cần thiết NLPL nhằm ổn định mạch chiều trung gian Hình Mơ hình mơ PMSG Matlab Hình Mơ hình giả lập turbine