Điều khiển công suất của hệ thống điện gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - PHAN VĂN LƯU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60 52 02 02 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - PHAN VĂN LƯU ĐIỀU KHIỂN KHIỂN CƠNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIĨ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60 52 02 02 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HUỲNH CHÂU DUY CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS HUỲNH CHÂU DUY Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM ngày 10 tháng 05 năm 2013 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) TS Ngô Cao Cường TS Nguyễn Thanh Phương TS Nguyễn Thanh Phương PGS.TS.Trần Thu Hà TS Nguyễn Hùng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ TP HCM PHỊNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày … tháng … năm …… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHAN VĂN LƯU Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/12/1972 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1181031037 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu điều khiển công suất phản kháng tác dụng máy phát điện không đồng nguồn kép Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan toán điều khiển cơng suất điện gió Chương 3: Hệ thống điện gió Chương 4: Thuận tốn điều khiển cơng suất điện gió Chương 5: Kết mơ Chương 6: Kết luận kiến nghị đề tài III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/6/2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/03/2013 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi 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 Phan Văn Lưu ii LỜI CẢM ƠN Sau thời học tập nghiên cứu, làm việc khẩn trương, động viên, giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo hướng dẫn TS Huỳnh Châu Duy, luận văn với đề tài “ Điều khiển cơng suất cua3 hệ thống điện gió ” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS Huỳnh Châu Duy tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Khoa đào tạo Sau đại học, thầy giáo, cô giáo Khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Cơng Nghệ TP Hồ Chí Minh giúp đỡ tác giả suốt trình học tập q trình nghiên cứu thực luận văn Tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình người thân quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tác giả luận văn Phan Văn Lưu iii TĨM TẮT Năng lượng gió ngày quan tâm nguồn lượng tái tạo quan trọng xuất phát từ thiên nhiên, vô tận Tuy nhiên, bất lợi lớn nằm tạo gió thay đổi tốc độ gió viết đưa nghiên cứu điều khiển cơng suất hệ thống điện gió thơng qua máy phát điện cảm ứng không đồng nguồn kép (ADFIG) Tốc độ tốc độ đồng thu cách sử dụng chuyển đổi nguồn điện hai chiều Bằng cách điều khiển công suất tác dụng phản kháng, hệ số cơng suất tổng thể hệ thống lưu giữ điều kiện tải trọng khác Bài viết trình bày kết mơ ADFIG kết nối lưới Một đại diện thông qua chuyển đổi PWM dựa điều chế PWM cho hai công cụ chuyển đổi rotor stator, đề xuất phương pháp (VOC) điều khiển công suất cho hai phía chuyển đổi stator rotor để cung cấp điều khiển công suất tác dụng phản kháng Một máy phát điện 1.5 MW thiết kế hiệu điều khiển xác nhận điều kiện vận hành khác tốc độ đồng tốc độ đồng Luận văn thực bao gồm chương Chương 1: Giới thiệu Chương giới thiệu vấn nhu cầu điện giới việt nam, từ đưa lộ trình điện Việt Nam đến năm 2020 Nhìn nhận cạn kiệt tài nguyên, thiếu hụt điện giới nói chung Việt Nam nói riêng Từ cần thiết nguồn lượng lượng tái tạo đóng vai trị quang trong việc bảo vệ an ninh quốc gia Chương 2: Tổng quan tốn điều khiển cơng suất điện gió Chương đưa giải pháp điều phối công suất phản kháng tác dụng trang trại gió nghiên cứu điều khiển kết hợp cấu trúc biến với hệ iv tối ưu hóa sử dụng để điều khiển công suất phản kháng tác dụng stato máy phát điện cảm ứng nguồn kép - Nghiên cứu giải pháp khiển kết hợp cấu trúc biến với hệ tối ưu hóa sử dụng để điều khiển công suất phản kháng tác dụng stato máy phát điện cảm ứng nguồn kép - Nghiên cứu mơ hình trạng thái ổn định tốc độ cố định máy phát điện tuabin gió tốc độ biến đổi giới hạn ổn định điện áp dự đốn sụp đổ điện áp xảy Chương 3: Hệ thống điện gió Chương trình tóm tắc lịch sử hệ thống điện gió qua thời kỳ đưa ưu điểm, nhược điểm loại máy phát điện gió thơng dụng sử dụng hệ thống điện gió nay, từ chọn mơ hình máy phát điện gió (DFIG) cho điểu khiển cơng suất hệ thống điện gió, đồng thời nghiên cứu xây dưng mơ hình tốn học hệ thống chuyển đổi lượng gió Chương 4: Thuật tốn điều khiển cơng suất điện gió dựa mơ hình máy phát điện khơng đồng nguồn kép Trong chương này, sơ đồ điều khiển công suất tác dụng phản kháng máy phát điện cảm ứng nguồn kép Thuật toán điều khiển đề xuất làm giảm gợn sóng cơng suất tác dụng phản kháng cách độc lập Kết mô cho thấy điều khiển công suất hiệu Các thuật toán đề xuất cho thấy hiệu tốt Chương 5: Kết mô Trong chương đưa xây dựng sơ đồ mô môi trường Matlab-Simulink Đưa kết mô điều khiển công suất tác dụng phản kháng theo thời gian vận tốc gió Chương 6: Kết luận kiến nghị v Chương đưa tìm hiểu sau: Tìm hiểu lĩnh vực phát điện sức gió, thuận lợi khó khăn việc phát triển lượng gió, tiềm lượng gió Việt Nam Tìm hiểu hệ thống chuyển đổi lượng gió: phân bố gió, hiệu suất tua bin gió, vận hành hệ thống lượng gió tốc độ cố định thay đổi Tìm hiểu loại máy phát điện sử dụng hệ thống chuyển đổi lượng gió Tìm hiểu mơ hình tốn học máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG), mô mô hình DFIG MATLAB/SIMULINK Tìm hiểu phương pháp điều khiển VOC, ứng dụng vào điều khiển vi ABSTRACT Wind Energy is gaining interest now -a– days as one of the most important renewable sources of energy due to its ecofriendly nature But the major disadvantage lies in variable speed wind generation and this paper gives a study on control of Wind driven Asynchronous doubly fed Induction Generator (ADFIG) The speeds above and below Synchronous speeds are obtained using a bidirectional power flow converter By using this reactive power is controlled and hence the overall Power factor of system can be kept at unity under varying load conditions This paper presents simulation results of a Grid-connected ADFIG A switch-by-switch representation of the PWM converters with a carrier-based Sinusoidal PWM modulation for both rotor- and stator-side converter has been proposed Stator-Flux Oriented vector control approach is deployed for both stator- and rotor-side converters to provide independent control of active and reactive power and keep the DC-link voltage constant A 1.5 MW generator is designed and its effectiveness in controlling is verified in different operating conditions above and below synchronous speeds The dissertation consists of chapters Chapter 1: Introduction Chapter has introduced the issue of energy demand in the world and Vietnam, from which energy roadmap to 2020 in Vietnam Recognizing the depletion of natural resources, lack of power of the world in general and Vietnam in particular From that point out the need for new energy sources such as renewable energy in the optical role in protecting national security Chapter 2: Overview of the control problems of wind power capacity This chapter gives solutions to the reactive power distribution and effects of a wind farm controlled study of variables associated with structural optimization system is used to control reactive power and effect of stator of an induction generator dual power 87 Hình 4.11 Điều khiển cơng suất DFIG 4.3.2 Điều khiển chuyển đổi bên rotor (RSC) Nguyên tắc điều khiển chuyển đổi bên rotor (RSC) cho phép điều khiển công suất tác dụng phản kháng, lượng gió khai thác tối đa biểu diễn hình 4.12 Hình 4.12 cấu trúc bô điều khiển bên rotor 4.3.3 Bộ điều khiển phía lưới (GSC) Bộ Chuyển đổi phía lưới điện (GSC) đảm bảo quy định điện áp DC điều chỉnh yếu tố điện phía bên lưới GSC chuyển đổi chiều hoạt động chỉnh lưu chuyển động (S) dương mơ hình đồng thấp biến đổi điện chuyển đổi âm mơ hình đồng cao, hình 4.13 biểu diễn sơ đồ điều khiển điều khiển phía lưới 88 Hình 4.13 cấu trúc biến đổi điều khiển phía lưới 4.4 Kết Luận Trong chương này, sơ đồ điều khiển công suất máy phát điện cảm ứng nguồn kép để phát điện gió điều kiện điện áp lưới điện cân đề xuất mô Thuật tốn điều khiển đề xuất làm giảm gợn sóng cơng suất tác dụng phản kháng cách độc lập Kết mô cho thấy điều khiển công suất hiệu Các thuật toán đề xuất cho thấy hiệu động lực tốt khả giảm tác động biến đổi tốc độ gió vào mơ men và tốc độ máy phát điện Nó giúp máy phát điện cảm ứng nguồn kép hệ thống điện hoạt động ổn định điều kiện hoạt độn với tốc độ gió Nó giảm độ bền mỏi phận quay hệ thống bao gồm máy phát điện cảm ứng nguồn kép turbine 89 Chương KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Máy phát điện không đồng cảm ứng nguồn kép chọn làm mơ hình máy phát điện hệ thống điều khiển cơng suất điện gió, xem giải pháp tốt Bời biến đổi cơng suất đặt bên phía rotor nên làm giảm tổn hao có chi phí thấp 5.1 Cấu trúc mô hình điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép phần mềm matlab/ simulink Trong mô sử dụng máy phát điện không đồng rotor dây quấn có thơng số cho sau: Cơng suất 1,5 MW, tần số f=50Hz, V=480v, Phía stator Rs=0.023 Ω, Lls =0.18H; phía rotor Rr' =0.016 Ω, Llr' =0.16H; Lm= 2.9H, p=3, Vwind= 10m/s Hình 5.1 Cấu trúc mơ hình điều khiển cơng suất tác dụng phản kháng của máy phát điện gió khơng đồng nguồn kép 90 Hình 5.2 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng phản kháng của máy phát điện khơng đồng nguồn kép (P, Q CONTROLLER) Hình 5.3 Cấu trúc thành phần hệ thống điện phía lưới kết nối với máy phát điện khơng đồng nguồn kép (POWER SYSTEMS) 91 Hình 5.4 Cấu trúc thành phần khối biến đổi điện áp phía lưới (INVERTER) Hình 5.5 Cấu trúc khối chuyển đổi (RECTIFIER) phía rotor máy phát Khối cầu Universal thực công cụ chuyển đổi điện ba pha, bao gồm đến sáu thiết bị chuyển mạch điện kết nối cấu hình cầu Các loại cơng tắc nguồn cấu hình chuyển đổi lựa chọn từ hộp thoại Hình 5.6 Cấu trúc khối đo lường V-I 92 Khối đo lường VI sử dụng để đo dòng điện điện áp ba pha mạch Khi kết nối yếu tố ba pha, trả ba pha đối đất điện áp đỉnh pha-đến-pha dòng Khối sản xuất điện áp dòng điện đơn vị (pu) volt ampe Hình 5.6 Cấu trúc máy phát điện khơng đồng nguồn kép 5.2 Kết quả mô phỏng 5.2.1 Trường hợp 1: Thông số điều khiển Pset =150.000 (W) và Qset = 100.000(W), tốc độ gió 10m/s 3.5 x 10 P Cong suat tac dung P 2.5 1.5 0.5 0 1000 2000 3000 Tims (s) 4000 5000 Hình 5.7 Kết mơ cơng suất tác dụng P 6000 93 x 10 q Cong suat phan khang q 0 1000 2000 3000 Time(s) 4000 5000 6000 Hình 5.8 Kết mô công suất phản kháng q  Nhận xét: Công suất tác dụng P công suất phản kháng Q của máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pset =150.000 (W) và Qset = 100.000(W) Đáp ứng công suất tác dụng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 800s tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1800s 5.2.2 Trường hợp 2: Thông số điều khiển Pset =200.000 (W) và Qset = 150.000(W), tốc độ gió 10m/s 3.5 x 10 P Cong suat tac dung P 2.5 1.5 0.5 0 1000 2000 3000 Time (s) 4000 5000 Hình 5.9 Kết mơ cơng suất tác dụng P 6000 94 x 10 q Cong suat phan khang q 0 1000 2000 3000 Time (s) 4000 5000 6000 Hình 5.10 kết mơ cơng suất phản kháng q  Nhận xét: Công suất tác dụng P công suất phản kháng Q của máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pset =200.000 (W) và Qset = 150.000(W) Đáp ứng công suất tác dụng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 2000s tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1800s 5.2.3 Trường hợp thông số điều khiển Pset =250.000 (W) và Qset = 200.000(W), tốc độ gió 10m/s 3.5 x 10 p Cong suat tac dung p 2.5 1.5 0.5 0 1000 2000 3000 Time (s) 4000 5000 Hình 5.11 Kết mơ cơng suất tác dụng P 6000 95 x 10 q Cong suat phan khang q 0 1000 2000 3000 Time (s) 4000 5000 6000 Hình 5.12 Kết mơ cơng suất phản kháng q  Nhận xét: Công suất tác dụng P công suất phản kháng Q của máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pset =250.000 (W) và Qset = 200.000(W) Đáp ứng công suất tác dụng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1800s tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1900s 5.2.4 Trường hợp thông số điều khiển Pset =300.000 (W) và Qset = 250.000(W), tốc độ gió 10m/s x 10 P 3.5 Cong suat tac dung P 2.5 1.5 0.5 0 1000 2000 3000 Time (s) 4000 5000 Hình 5.13 Kết mơ công suất tác dụng P 6000 96 x 10 q Cong suat phan khang q 0 1000 2000 3000 Time(s) 4000 5000 6000 Hình 5.14 Kết mơ cơng suất phản kháng q  Nhận xét: Công suất tác dụng P công suất phản kháng Q của máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pset =300.000 (W) và Qset = 250.000(W) Đáp ứng công suất tác dụng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1800s tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 800s 5.2.5 Trường hợp 5: Thông số điều khiển Pset =150.000 (W) và Qset = 100.000(W), tốc độ gió 6m/s 3.5 x 10 P(W) 2.5 1.5 0.5 0 1000 2000 3000 4000 5000 Time(s) Hình 5.15 Kết mô công suất tác dụng P 6000 97 x 10 P 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Time (s) Hình 5.16 Kết mơ cơng suất phản kháng q  Nhận xét: Công suất tác dụng P công suất phản kháng Q của máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pset =150.000 (W) và Qset = 100.000(W) Đáp ứng công suất tác dụng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1800s tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1800s 5.2.6 Trường hợp 6: Thông số điều khiển Pset =200.000 (W) và Qset = 150.000(W), tốc độ gió 6m/s 3.5 x 10 P(w) 2.5 1.5 0.5 0 1000 2000 3000 4000 5000 Time (s) Hình 5.17 Kết mô công suất tác dụng P 6000 98 x 10 P(w) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Time (s) Hình 5.18 Kết mơ cơng suất phản kháng q  Nhận xét: Công suất tác dụng P công suất phản kháng Q của máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pset =200.000 (W) và Qset = 150.000(W) Đáp ứng công suất tác dụng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1800s tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1800s 5.2.7 Trường hợp thông số điều khiển Pset =250.000 (W) và Qset = 200.000(W), tốc độ gió 10m/s 3.5 x 10 P(W) 2.5 1.5 0.5 0 1000 2000 3000 4000 5000 Time (s) Hình 5.19 Kết mô công suất tác dụng P 6000 99 x 10 q(w) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Tim(s) Hình 5.20 Kết mơ cơng suất phản kháng q  Nhận xét: Công suất tác dụng P công suất phản kháng Q của máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pset =250.000 (W) và Qset = 200.000(W) Đáp ứng công suất tác dụng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1800s tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát ổn định sau khoảng thời gian độ, tqđ = 1800s 5.3 Kết luận Trong chương đưa  Xây dựng sơ đồ mô môi trường MatlabSimulink  Đưa kết mô điều khiển công suất tác dụng phản kháng theo thời gian vận tốc gió 100 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Nội dung trình bày luận văn chủ yếu điều khiển công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện gió Thơng qua việc điều khiển cơng suất hệ thống điện gió luận văn rút kết luận sau:  Tìm hiểu lĩnh vực phát điện sức gió, thuận lợi khó khăn việc phát triển lượng gió, tiềm lượng gió Việt Nam  Tìm hiểu hệ thống chuyển đổi lượng gió: phân bố gió, hiệu suất tua bin gió, vận hành hệ thống lượng gió tốc độ cố định thay đổi  Tìm hiểu loại máy phát điện sử dụng hệ thống chuyển đổi lượng gió  Tìm hiểu mơ hình tốn học máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG), mô mơ hình DFIG MATLAB/SIMULINK  Tìm hiểu phương pháp điều khiển VOC, ứng dụng vào điều khiển  Công suất tác dụng công suất phản kháng phía stator máy phát khơng đồng nguồn kép DFIG  Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển MATLAB/SIMULINK, kết mơ cho thấy điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản kháng phía stator thơng qua việc điều khiển hai thành phần dịng rotor Từ ta điều khiển độc lập công suất tác dụng để tối ưu cơng suất nhận từ gió, đồng thời điều khiển thu hay phát công suất phản kháng góp phần điều chỉnh hệ thống điện, ưu điểm lớn máy phát không đồng nguồn kép DFIG so với máy phát điện gió khác 101 6.2 Kiến nghị Đề xuất số vấn đề nhầm nân cao chất lượng điều khiển công suất hệ thống điện gió:  Điều khiển cơng suất tác dụng phản kháng trường hợp hệ thống phân phối điện sụt áp  Điều khiển máy phát điện không đồng nguồn kép lưới điện không cân  Tiếp tục xây dựng mơ hình mơ hệ thống điều khiển từ lúc khởi động, hòa đồng bộ, đến xác lập Chi tiết hóa mơ hình mơ phỏng: mơ thêm biến đổi cơng suất tác dụng phản kháng phía lưới áp dụng hệ thống điều khiển thông qua điều khiển biến đổi công suất  Sử dụng hệ thống điều khiển VOC nhằm nâng cao chất lượng điều khiển 6.3 Tài liệu tham khảo [5.1] T Ackermann, “Wind Power in Power Systems”, John Wiley & Sons Ltd, 2005 pp 64-69 [5.2] T Burton, D Sharpe, N Jenkins, E Bossanyi, “Wind Energy Hand Book”, John Wiley & Sons, 2001, pp 6-45 [5.3] Dadhania, Amitkumar, "Modeling of Doubly Fed Induction Generators for Distribution System Power Flow Analysis" (2010) ... kháng hệ thống điện gió nước ngồi nước ứng dụng đề tài nghiên cưu nước ngồi nước 1.2.3 Chương 3: Điều khiển cơng suất hệ thống điện gió Điều khiển cơng suất tác dụng phản kháng hệ thống điện gió. .. 4: Hệ thống điện gió Chương trình bày nguồn gốc lượng gió, turbine gió làm việc nào, cấu tạo hệ thống điện gió 1.2.5 Chương 5: Mô kết Chương giới thiệu mô kết thực điều khiển công suất hệ thống. .. tài nghiên cứu liên quan đến điều khiển công suất hệ thống điện gió 2.1 Các đề tài nghiên cứu liên quan đến điều khiển công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện gió nước nước 2.1.1 Trong nước