Các phương pháp điều khiển thiết bị đo điện sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió hoạt động ở chế độ ốc đảo

TR B GIÁO D C VÀ ÀO T O NG I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ph m Tu n Anh CÁC PH NG PHÁP I U KHI N THI T B KHO I N S D NG TRONG H TH NG PHÁT I N S C GIÓ HO T NG CH C O LU N ÁN TI N S I U KHI N VÀ T Hà N i ậ 2015 NG HÓA TR B GIÁO D C VÀ ÀO T O NG I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ph m Tu n Anh CÁC PH NG PHÁP I U KHI N THI T B KHO I N S D NG TRONG H TH NG PHÁT I N S C GIÓ HO T NG CH C O Chuyên ngành: K thu t u n t đ ng hóa Mã s : 62520216 LU N ÁN TI N S NG IH I U KHI N VÀ T NG HÓA NG D N KHOA H C: GS TSKH NGUY N PHÙNG QUANG Hà N i ậ 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Tác giả luận án Phạm Tuấn Anh LỜI CẢM ƠN Trước hết, học trò xin bày tỏ biết ơn sâu sắc GS TSKH Nguyễn Phùng Quang – người Thầy hướng dẫn khoa học luận án bảo tận tình, tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ động viên kịp thời suốt trình thực luận án Cảm ơn Ban Lãnh đạo toàn thể cán Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Trường ĐHBK Hà Nội có trao đổi thiết thực nội dung chuyên môn hỗ trợ quý báu sở vật chất để hồn thành luận án Cám ơn Ban chủ nhiệm đề tài KC.03.01/11-15 TS Vũ Hoàng Phương (BM Tự động hóa cơng nghiệp – ĐHBK Hà Nội, thành viên thực đề tài KC.03.01/11-15) hỗ trợ q trình thí nghiệm Cảm ơn Ban Chủ nhiệm bạn đồng nghiệp Bộ môn Điện tự động công nghiệp – Trường ĐH Hàng hải Việt Nam với hỗ trợ công việc quan cơng tác q trình tơi thực luận án Tôi dành lời biết ơn chân thành gửi đến gia đình Sự động viên, chia sẻ giúp đỡ gia đình động lực mạnh mẽ giúp tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG 11 DANH MỤC HÌNH VẼ 12 MỞ ĐẦU 17 TỔNG QUAN 22 1.1 Khái niệm hệ thống điện ốc đảo 22 1.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện 24 1.3 Phân cấp điều khiển hệ thống điện ốc đảo 25 1.3.1 Điều khiển cấp hệ thống 25 1.3.1.1 Điều khiển tập trung 25 1.3.1.2 Điều khiển phân tán 26 1.3.2 Điều khiển cấp thiết bị 26 1.3.2.1 Điều khiển thiết lập lưới sở 27 1.3.2.2 Điều khiển cấp lượng lên lưới 28 1.3.2.3 Điều khiển hỗ trợ lưới 28 1.4 Tình hình nghiên cứu thiết bị kho điện giới 29 1.4.1 Khái quát số loại kho lượng 29 1.4.1.1 Hệ thống có khả đáp ứng dài hạn, tốc độ chậm 31 1.4.1.2 Hệ thống có khả đáp ứng ngắn hạn, tốc độ cao 32 1.4.2 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện 34 1.5 Lựa chọn hướng nghiên cứu 38 1.6 Các nhiệm vụ cần giải luận án 42 1.7 Kết luận chương 43 CÁC NGUỒN PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ỐC ĐẢO 44 2.1 Hệ thống phát điện sức gió 44 2.1.1 Nguyên tắc làm việc 44 2.1.2 Các cấu trúc PĐSG 46 2.1.3 Chế độ điều khiển hệ thống PĐSG 47 2.1.4 Các vấn đề điều khiển hệ thống PĐSG 48 2.1.5 Các vấn đề điều khiển cấp thiết bị 49 2.1.6 Sự khác biệt ĐK DFIG PMSG 51 2.1.7 Điều khiển xảy lỗi lưới 53 2.1.8 Cấu trúc điều khiển hệ PĐSG sử dụng PMG với BBĐ CLKĐK 54 2.2 Hệ thống phát điện diesel 57 2.2.1 Nguyên tắc làm việc 57 2.2.2 Mơ hình động diesel 57 2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động diesel 58 2.2.4 Điều chỉnh điện áp 59 2.3 Kết luận chương 60 MƠ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ 61 3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện 61 3.2 Thiết kế kho điện 62 3.2.1 Tính chọn dải điện áp làm việc siêu tụ 63 3.2.2 Tính chọn điện dung siêu tụ 66 3.2.3 Tính chọn dung lượng tụ DC-link 71 3.2.4 Tính chọn giá trị cuộn cảm 71 3.3 Mơ hình hóa thiết bị kho điện 72 3.3.1 Mơ hình động học siêu tụ 72 3.3.1.1 Sơ lược cấu tạo 72 3.3.1.2 Mơ hình siêu tụ dùng thiết bị kho điện 73 3.3.2 Mơ hình biến đổi DC-DC dùng thiết bị kho điện 75 3.3.2.1 Mơ hình xác 76 3.3.2.2 Mơ hình trung bình ngắn hạn 79 3.3.2.3 Kiểm chứng mơ hình 80 3.3.3 Mơ hình biến đổi DC-AC dùng thiết bị kho điện 83 3.3.3.1 Mô hình biến đổi DC-AC 83 3.3.3.2 Mơ hình BBĐ DC-AC ghép với lưới điện 87 3.4 Kết luận chương 90 CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN 91 4.1 Cấu trúc điều khiển tổng thể 91 4.2 Điều khiển biến đổi DC-AC 93 4.2.1 Khâu điều chỉnh dòng điện 93 4.2.2 Điều khiển điện áp DC-link 95 4.3 Điều khiển biến đổi DC-DC 96 4.3.1 Điều khiển tuyến tính 96 4.3.2 Điều khiển phi tuyến 99 4.3.2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp 99 4.3.2.2 Các bước thiết kế 99 4.4 Kết luận chương 104 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 105 5.1 Mô Offline 105 5.1.1 Chương trình mơ Offline 105 5.1.1.1 Hệ phát điện sức gió 107 5.1.1.2 Hệ phát điện diesel 107 5.1.1.3 Thiết bị kho điện 108 5.1.2 Tham số mô 112 5.1.3 Khảo sát ảnh hưởng hệ phát điện sức gió đến hệ thống điện ốc đảo 114 5.1.3.1 Kịch mô 114 5.1.3.2 Kết trình động học hệ thống điện ốc đảo 115 5.1.4 Mô động học hệ thống điện ốc đảo tích hợp với cấu trúc điều khiển tuyến tính thiết bị kho điện 117 5.1.5 Mô động học hệ thống điện ốc đảo tích hợp với cấu trúc điều khiển phi tuyến thiết bị kho điện 122 5.1.6 Nhận xét kết mô 127 5.2 Mô thời gian thực 128 5.3 Hệ thống thí nghiệm 130 5.3.1 Xây dựng mơ hình thí nghiệm thiết bị kho điện 130 5.3.2 Chuẩn hóa cấu trúc điều khiển 132 5.3.3 Kết thí nghiệm 134 5.4 Kết luận chương 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 150 PHỤ LỤC A 151 PHỤ LỤC B 160 PHỤ LỤC C 163 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt Chữ viết tắt BBĐ ĐC/ĐK CLKĐK DC-AC ĐCCS DC-DC ĐCVTKG SVM DFIG Ý nghĩa Bộ biến đổi Điều chỉnh/Điều khiển Chỉnh lưu không điều khiển Nghịch lưu nguồn áp ba pha Điều chỉnh công suất Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly Điều chế vector không gian Space Vector Modulation Máy phát không đồng nguồn kép Doubly Fed Induction Generator DGs Tổ hợp Diesl – Generator DPC Điều khiển trực tiếp công suất (Direct Power Control) DSP Bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) ESS Thiết bị kho điện (Energy Storage System) FC Bộ biến đổi phía lưới (Frontend converter) GC Bộ biến đổi phía máy phát (Generator-side converter) GCs Tiêu chuẩn lưới điện (Grid-Codes) HPS Hệ thống điện lai (Hybrid Power System) HSCS Hệ số công suất IG Máy phát không đồng rotor lồng sóc Squirrel Cage Induction Generator IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor MPPT Thuật tốn xác định điểm làm việc có công suất lớn (Maximum power point tracking) NLNA Nghịch lưu nguồn áp NLPL Nghịch lưu phía lưới PĐSG Phát điện sức gió PLL Vịng khóa pha (Phase Locked Loop) PMSG/PMG Máy phát đồng nam châm vĩnh cửu Permanent Magnet Synchronous Generator PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) RAPS Hệ thống điện ốc đảo(Remote Area Power Systems) SCESS Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ SuperCapacitor Energy Storage System SG Máy phát đồng (Synchronous Generator) VFOC Điều khiển tựa từ thông ảo (Virtual Flux Oriented Control) VOC WDHPS WECS WPS WT Điều khiển tựa điện áp lưới (Voltage Oriented Control) Hệ thống điện lai sức gió – diesl (Win – Diesel HPS) Hệ thống biến đổi lượng từ gió (Wind Energy Conversion System) Hệ thống điện gió (Wind Power System) Tua-bin gió (Wind Turbine) Các ký hiệu Ký hiệu iL u DC ˆL , ˆC ∆tmax A C Cp CSC d D d1, d2 da, db, dc dS1÷dS6 Emax eN ESR igd, igq iinv iL isd, isq JD Jdg Jge k1, k2 kψ L Lg mGD mGD,mMD mMD Ns, Np Pmax-req Ý nghĩa Giá trị trung bình ngắn hạn dòng điện qua cuộn cảm BBĐ DC-DC Giá trị trung bình ngắn hạn điện áp tụ BBĐ DC-DC Các giá trị ước lượng điện cảm, điện dung BBĐ DC-DC Thời gian huy động công suất tối đa dàn siêu tụ Diện tích đón gió cánh turbine PĐSG Giá trị tụ điện mạch DC-Link SCESS Hệ số khai thác cơng suất từ gió turbine PĐSG Giá trị điện dung dàn siêu tụ SCESS Hệ số điều chế BBĐ DC-DC Giá trị xác lập hệ số điều chế BBĐ DC-DC Hệ số điều chế hai vector chuẩn sector Hệ số điều chế pha nghịch lưu nguồn áp Hệ số điều chế cho van bán dẫn BBĐ DC-AC Năng lượng huy động tối da từ dàn siêu tụ Vector điện áp lưới Điện trở nối tiếp mạch điện tương đương mơ hình siêu tụ Thành phần dịng điện phía lưới theo trục d, q hệ tọa độ tựa điện áp lưới VOC Dòng điện phía DC-AC trao đổi với lưới quy đổi phía chiều Giá trị tức thời dịng điện chảy qua cuộn cảm BBĐ DC-DC Thành phần dòng điện đầu DC-AC theo trục d, q hệ tọa độ tựa điện áp lưới VOC Mơ men qn tính động diesel tổ hợp phát điện diesel Mơ men qn tính rotor máy phát PMG Mơ men quán tính máy phát tổ hợp phát điện diesel Các số dương tham số điều khiển phi tuyến BBĐ DC-DC Hằng số điện áp máy phát PMG Giá trị điện cảm mạch DC-DC Điện cảm phía mạch nghịch lưu Mơ men điện từ sinh tải máy phát tổ hợp phát điện diesel Mô men máy phát, động diesel Mô men sinh động diesel Số lượng siêu tụ mắc nối tiếp, song song Công suất huy động tối đa từ dàn siêu tụ PHỤ LỤC 152 Hình A.2 Cấu trúc điều khiển biến đổi DC-AC Hình A.3 Bộ điều khiển dịng điện DC-AC kiểu Dead-beat Hình A.4 Cấu trúc điều khiển tuyến tính dịng điện siêu tụ PHỤ LỤC 153 Hình A.5 Cấu trúc điều khiển phi tuyến dịng điện siêu tụ PHỤ LỤC 154 PHỤ LỤC 155 Hình A.6 Cấu trúc điều khiển phi tuyến thích nghi tham số L&C DC-DC HÌNH ẢNH MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM SCESS Hình A.7 Hình ảnh thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ BMOD0058 E016 B02 ấơ C 156 Hình A.8 Hình nh h th ng thí nghi m SCESS t i Vi n ICEA – HBK Hà σ i DS1104 CONNECTOR Osiloscope Power supply 3PVSC Measurements Supercaps NBDC 3PVSC Line Filter DSP C2000 NBDC Measurements Hình A.9 Chú thích v mơ hình SCESS phịng thí nghi m PHỤ LỤC CODE 157 CHO Tên file Main.c pll.c DSP (MỘT SỐ MODULE CHÍNH) Mã nguồn void main(void) { InitSysCtrl(); InitAdc(); DINT; InitPieCtrl(); IER = 0x0000; IFR = 0x0000; InitPieVectTable(); // default ISR's in PIE Timer0_Init(200,Ngat_Timer0); // timer ngat 200us, ham phuc vu ngat la Ngat_Timer0 SCIA_Init(625000,TRUE,4); SCIA_RX_Handler(Ngat_SCIA_RX); // cai dat ham phuc vu ngat nhan cho SCIA ADC_Init(); my_APF_InitePWM1(); my_APF_InitePWM2(); my_APF_InitePWM3(); IER |= M_INT1 | M_INT9; // cho phep ngat timer ( ngat 1) va ngat nhan sci a (0 ngat 9) EINT; ERTM; TIMER0_RUN(); // bat dau chay timer ADC_START(); // bat dau ADC EALLOW; GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO12= 0; GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO12 = 1; GpioCtrlRegs.GPBMUX1.bit.GPIO32= 0; GpioCtrlRegs.GPBDIR.bit.GPIO32 = 1; EDIS; Gpio_Pwm(DISPWM); Gpio_Relay(); while(1) { if(Ucap>=_IQ(0.2)) { SHORT_CIR_RELAY_OFF; Gpio_Pwm(DISPWM); } He_So_PR_h(1.0) ; A0_1=A0; A1_1=A1; A2_1=A2; } } void Pll(void) { UalphaPll = _IQmpy(_IQ(0.6667),Uab) + _IQmpy(_IQ(0.3333),Ubc) ; UbetaPll = _IQmpy(_IQ(0.57735),Ubc) ; UdPll = _IQmpy(UalphaPll,_IQcosPU(PhasePll_k)) + _IQmpy(UbetaPll,_IQsinPU(PhasePll_k)) ; UqPll_k = _IQmpy(UbetaPll,_IQcosPU(PhasePll_k)) - _IQmpy(UalphaPll,_IQsinPU(PhasePll_k)) ; WpPll = _IQmpy(_IQ(3.0),UqPll_k) ;// WiPll_k = _IQmpy(_IQ(0.01),UqPll_k) + WiPll_k ;// WPll = WpPll + WiPll_k + _IQ(0.9069) ; PhasePll_k = _IQmpy(_IQ(0.011),WPll) + PhasePll_k ; if(PhasePll_k > _IQ(1.0)) PhasePll_k = PhasePll_k - _IQ(1.0) ; if(PhasePll_k < _IQ(0.0)) PhasePll_k = PhasePll_k + _IQ(1.0) ; } void CUR_Pll(void) { IalphaPll = _IQmpy(_IQ(0.6667),Ia_af-Ib_af) + _IQmpy(_IQ(0.3333),Ib_af-Ic_af) ; IbetaPll = _IQmpy(_IQ(0.57735),Ib_af - Ic_af) ; IdPll = _IQmpy(IalphaPll,_IQcosPU(IPhasePll_k)) + _IQmpy(IbetaPll,_IQsinPU(IPhasePll_k)) ; IqPll_k = _IQmpy(IbetaPll,_IQcosPU(IPhasePll_k)) - _IQmpy(IalphaPll,_IQsinPU(IPhasePll_k)) ; IWpPll = _IQmpy(_IQ(50.0),IqPll_k) ;// PHỤ LỤC svm.c 158 IWiPll_k = _IQmpy(_IQ(0.01),IqPll_k) + IWiPll_k ;// IWPll = IWpPll + IWiPll_k + _IQ(0.9069) ; IPhasePll_k = _IQmpy(_IQ(0.011),IWPll) + IPhasePll_k ; if(IPhasePll_k > _IQ(1.0)) IPhasePll_k = IPhasePll_k - _IQ(1.0) ; if(IPhasePll_k < _IQ(0.0)) IPhasePll_k = IPhasePll_k + _IQ(1.0) ; } void Space_Vector_Modul(_iq V_alpha_inv,_iq V_beta_inv,_iq Uc_k) { Usa = V_alpha_inv ; Usb = _IQmpy(_IQ(0.866025),V_beta_inv) - _IQmpy(_IQ(0.50),V_alpha_inv) ; Usc = _IQmpy(_IQ(-0.866025),V_beta_inv) + _IQmpy(_IQ(-0.5),V_alpha_inv) ; if(Usa >= Usb) { if(Usb>=Usc) SecTor = Sector1 ; else { if(Usc>=Usa) SecTor = Sector5 ; else SecTor = Sector6 ; } } else { if(Usb