Nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện turbin gió

Mẫu: BÌA LUẬN VĂN CĨ IN CHỮ NHŨ (Khổ 210 x 297 mm) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM DƯƠNG VĂN KHUÔN DƯƠNG VĂN KHUÔN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2012 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - DƯƠNG VĂN KHN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - DƯƠNG VĂN KHUÔN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HÙNG TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Hùng Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 18 tháng 01 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ tên Chức danh Hội đồng PGS TS Trần Thu Hà Chủ tịch TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện TS Nguyễn Minh Tâm Phản biện TS Đinh Hoàng Bách Ủy viên TS Võ Hoàng Duy 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 TRƯỜNG ĐH 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 20… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên: Dương Văn Khn Giới tính: Nam Sinh ngày: 19/05/1982 Nơi sinh: Kiên Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830014 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TUABIN GIÓ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Xây dựng điều khiển hệ thống kích từ nhằm mục đích xác định mơ hình tốn học định chiến lược điều khiển dựa mơ hình cho tần số đáp ứng ngõ hệ thống điều khiển tốt - Mô Matlab-Simulink để kiểm nghiệm đắn thuật toán nêu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/01/2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Hùng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác, theo tơi biết Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Học viên thực Dương Văn Khuôn ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin chân thành cám ơn thầy TS NGUYỄN HÙNG, người tận tình giúp đỡ em hồn thành luận văn Xin cám ơn Thầy Cô cho em tản kiến thức – tri thức quí báu Xin cám ơn anh Lê Hồng Hải nhà máy điện gió Bạc Liêu cung cấp tài liệu điện gió hữu ích để em tham khảo thông số kỹ thuật Xin cám ơn trường Đại Học Công Nghệ Tp HCM, Khoa Cơ – Điện – Điện Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, Tập thể lớp 12SMĐ11, tạo hội cho em thực Luận văn Xin cám ơn quan đồng nghiệp giúp đỡ cho em cao trình độ chuyên môn Cuối cùng, Xin cám ơn Ba Mẹ, Người nuôi khôn lớn, cho đủ nghị lực trí khơn Học viên thực Dương Văn Khn iii TĨM TẮT Nghiên cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió, vấn đề nóng nghiên cứu nhà máy điện gió Các cơng trình nghiên cứu ngịai nước thực nhiều Tuy nhiên, nguồn gió khơng ổn định để tuabin gió phát cơng suất ổn định tốn khó thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió Xây dựng thuật tốn mơ mạch kích từ chế độ xác lập trọng tâm luận văn Trên sở lý thuyết, thiết kế điều khiển kích từ Từ kết qủa mơ phỏng, có nhìn tổng thể mơ hình thiết kế kích từ cho turbbine gió Nội dung Luận văn thực gồm chương, tóm tắt sau: Nội dung chương 0, giới thiệu công nghệ sản xuất điện gió loại máy phát điện hệ thống lượng gió Nội dung chương xây dựng mơ hình tốn học cho máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn hệ thống lượng gió Nội dung chương ứng dụng matlab/simulink mơ cho máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn Cuối chương kết luận hướng phát triển đề tài iv ABSTRACT Researching and designing for excitation system of wind turbine genenrator, that still is hot for studing of Wind plant.This project are studuing very much in the world However, when wind source are unstable in order to wind turbine emit stable power, that is going difficult problems for design a excitation system of wind turbine genenrator The proposed algorithm and sumulink for exciter at steady state, this is focal point of this thesis Based on theoretics and designs of exciter control From result of sumulink will have a overview of the model of the proposed and designed a excitation system of genenrator This thesis content include chapter, as follows: Chapter 0, 1: Introduce to wind power energy product technology and wind generator styles of wind energy systems Chapter 2: Building mathematical models for coil-rotor inductive genenrator of wind energy systems Chapter 3: Apply Matlab/Sumulink for coil-rotor inductive genenrator Chapter 4: Conclusion and expansion of thesis v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC v DANH SÁCH KÝ HIỆU – VIẾT TẮT xii DANH MỤC CÁC BẢNG xiii DANH MỤC CÁC HÌNH ix CHƯƠNG 0: MỞ ĐẦU 0.1 Đặt vấn đề 0.2 Giới thiệu đề tài 0.3 Phạm vi nghiên cứu 0.3.1 Đối tượng nghiên cứu 0.3.2 Phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Tổng quát 1.1.1 Gió 1.1.2 Tốc độ hướng gió 1.1.3 Sự phát triển cơng nghệ tuabin điện gió 1.1.4 Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hộp số 12 1.2 Các loại máy phát điện hệ thống lượng gió 12 1.2.1 Máy phát điện đồng 12 1.2.2 Máy phát điện cảm ứng 13 1.2.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc 15 1.2.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 16 1.2.5 Máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) 16 1.3 Các loại hệ thống chuyển đổi lượng gió 17 1.3.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định 18 44 Ở hình 3.7 điện áp ngõ pha hinh sin, pha lệch góc 1200 có điện áp pha 690V - Đồ thị điện áp chiều: Hình 3.8: Đồ thị điện áp chiều tốc gió 5m/s Ở hình 3.8 khởi động nên điện áp 0, sau tăng vọt lên (gọi tượng bọc lố) ổn định thời điểm từ 0,01s đến 0,1s - Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ khơng tải Hình 3.9: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ khơng tải tốc gió 5m/s 45 Ở hình 3.9 dạng điện áp ngõ pha lý tưởng, thể biên độ tăng giảm thời gian đóng mở IGBT - Đồ thị điện áp điều khiển sóng mang: Hình 3.10: Đồ thị điện áp điều khiển sóng mang tốc gió 5m/s Ở hình 3.10 sóng màu vàng sóng mang điện áp điều khiển sóng hình sin - Đồ thị dạng sóng dịng: Hình 3.11: Đồ thị dạng sóng dịng tốc gió 5m/s 46 Ở hình 3.11 dịng pha khơng cân Bởi bị ảnh hưởng tải pha 3.2.4.2 Trường hợp tốc gió 6m/s - Đồ thị điện áp ngõ máy phát Hình 3.12: Đồ thị điện áp ngõ máy phát tốc gió 6m/s Ở hình 3.12 điện áp ngõ pha hinh sin, pha lệch góc 1200 có điện áp pha 690V 47 - Đồ thị điện áp chiều: Hình 3.13: Đồ thị điện áp chiều tốc gió 6m/s Ở hình 3.13 khởi động nên điện áp 0, sau tăng vọt lên (gọi tượng bọc lố) ổn định thời điểm từ 0,01s đến 0,1s - Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ khơng tải Hình 3.14: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ khơng tải tốc gió 6m/s Ở hình 3.14 dạng điện áp ngõ pha lý tưởng, thể biên độ tăng giảm thời gian đóng mở IGBT 48 - Đồ thị điện áp điều khiển sóng mang: Hình 3.15: Đồ thị điện áp điều khiển sóng mang tốc gió 6m/s Ở hình 3.15 sóng màu vàng sóng mang điện áp điều khiển sóng hình sin - Đồ thị dạng sóng dịng: Hình 3.16: Đồ thị dạng sóng dịng tốc gió 6m/s 49 Ở hình 3.16 dịng pha khơng cân Bởi bị ảnh hưởng tải pha 3.2.4.3 Trường hợp tốc gió 7m/s - Đồ thị điện áp ngõ máy phát Hình 3.17: Đồ thị điện áp ngõ máy phát tốc gió 7m/s Ở hình 3.17 điện áp ngõ pha hinh sin, pha lệch góc 1200 có điện áp pha 690V 50 - Đồ thị điện áp chiều: Hình 3.18: Đồ thị điện áp chiều tốc gió 7m/s Ở hình 3.18 khởi động nên điện áp 0, sau tăng vọt lên (gọi tượng bọc lố) ổn định thời điểm từ 0,01s đến 0,1s - Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ khơng tải Hình 3.19: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ khơng tải tốc gió 7m/s Ở hình 3.19 dạng điện áp ngõ pha lý tưởng, thể biên độ tăng giảm thời gian đóng mở IGBT 51 - Đồ thị điện áp điều khiển sóng mang: Hình 3.20: Đồ thị điện áp điều khiển sóng mang tốc gió 7m/s Ở hình 3.20 sóng màu vàng sóng mang điện áp điều khiển sóng hình sin - Đồ thị dạng sóng dịng: Hình 3.21: Đồ thị dạng sóng dịng tốc gió 7m/s Ở hình 3.21 dịng pha khơng cân Bởi bị ảnh hưởng tải pha 52 3.2.4.4 Trường hợp tốc gió 8m/s - Đồ thị điện áp ngõ máy phát Hình 3.22: Đồ thị điện áp ngõ máy phát tốc gió 8m/s Ở hình 3.22 điện áp ngõ pha hinh sin, pha lệch góc 1200 có điện áp pha 690V - Đồ thị điện áp chiều: Hình 3.23: Đồ thị điện áp chiều tốc gió 8m/s 53 Ở hình 3.23 khởi động nên điện áp 0, sau tăng vọt lên (gọi tượng bọc lố) ổn định thời điểm từ 0,01s đến 0,1s - Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ khơng tải Hình 3.24: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ khơng tải tốc gió 8m/s Ở hình 3.24 dạng điện áp ngõ pha lý tưởng, thể biên độ tăng giảm thời gian đóng mở IGBT - Đồ thị điện áp điều khiển sóng mang: Hình 3.25: Đồ thị điện áp điều khiển sóng mang tốc gió 8m/s 54 Ở hình 3.25 sóng màu vàng sóng mang điện áp điều khiển sóng sin - Đồ thị dạng sóng dịng: Hình 3.26: Đồ thị dạng sóng dịng tốc gió 8m/s Ở hình 3.26 dịng pha khơng cân Bởi bị ảnh hưởng tải pha 3.3 Thống kê kết quả: Bảng 3.1: Thống kê kết mô turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn hoạt động chế độ xác lập Tốc độ gió (m/s) Từ thơng 1,45 1,45 1,4 1,4 Điện áp ngõ (V) 690 690 690 690 Điện áp chiều (V) 498 498 498 498 Tần số (Hz) 50 50 50 50 Nhận xét: Từ bảng 3.1 ta thấy tốc độ gió thay đổi từ 5m/s đến 8m/s thơng số điện áp ngõ ra, điện áp chiều, tần số Nhưng từ thơng thay đổi, tốc độ gió lớn từ thơng giảm để điều chỉnh tần số điện áp ngõ máy phát ổn định 55 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 4.1 Kết luận 4.2 Hướng phát triển đề tài 56 4.1 Kết luận Luận văn thực số nội dung sau: - Thiết lập mơ hình tốn học máy phát điện tuabin gió - Tính tốn thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió - Giải việc ổn định điện áp tần số đầu cho máy phát điện rotor dây quấn hệ thống lượng gió 4.2 Hướng phát triển đề tài - Đề tài nghiên cứu kích từ chế độ xác lập để điều chỉnh điện áp ngõ máy phát tần số Chưa khảo sát mạch kích từ chế độ độ ngắn mạch, hướng phát triển đề tài nghiên cứu mơ mạch kích từ chế độ độ ngắn mạch lưới điện 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Tân; công nghiệp điện gió 2012 [2] Nguyễn Anh Hùng (2012); mơ hình điều khiển linh hoạt turbine gió nhỏ hoạt động độc lập kết nối lưới, luận văn cao học trường Đại học SPKT Tp.HCM [3] GE Turbines 1.6 MW [4] Võ Xuân Hải (2009); Điều khiển định hướng từ thơng máy phát điện gió khơng đồng nguồn kép, luận văn Thạc sĩ, ĐHBK TPHCM [5] Hồ Viển Phương, mơ hình máy phát điện gió hoạt động độc lập sử dụng máy điện cảm ứng, luận văn cao học trường Đại học SPKT Tp.HCM [6] Trần Đình Long (2004); “tự động hóa hệ thống điện”, nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 [7] Nguyễn Thương Ngô (2007); lý thuyết điều khiển tự động (thông thường đại), nhà xuất khoa học kỹ thuật [8] Nguyễn Văn Nhờ (2005); Giáo trình điện tử cơng suất, nhà xuất đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [9] Andrea Stefani, Amine Yazidi, Claudio Rossi, Fiorenzo Filippetti, Domenico Cassadei, Gerard-Andre Capolino, 2009; “Doubly Fed Industry machines diagnosis based on signature analysis of rotor modulating signals,” IEEE transactions on industry applications, vol.45, no.1, January/February 2009 [10] Modeling and control of Squirrel Cage Induction Generator with Full Power Converter applied to windmills , University of Oulu, 2009 58 [11] Simulation and laboratory implementation of a wind tuabincontrol system with short-term grid faults management, Technical University of Denmark, October 2008 [12] Che-Mun Ong (1997), Dynamic Simulation of Electric Machnery [13] Modeling and control of Squirrel Cage Induction Generator with Full Power Converter applied to windmills , University of Oulu, 2009 [14] Wind Turbine Blockset in Matlab/Simulink, Aalborg University March 2004 [15] Johnson, 2004, Wind Energy Systems Electronic Edition [16] Tarek Ahmed, Katsumi Nishida**, Mutsuo Nakaoka* and Toshihiko Tanaka (2007), Advanced Control of a PWM Converter with a Variable-Speed Induction Generator [17] Arthur W Matteson (2008), Design and control of a multilevel inverter for electric vehicles [18] R Meliceo, V M F Mendes, J P S Catala (2009), Computer Simulation of wind power systems power electronic and trabsient stability analysis [19] Tomas Petru (2003), Modeling of Wind Turbine for power system studies [20] Dr Zainal Salam (2002), power electronics and Drivers [21] Bimal K.Bose Pentice Hall (2002), Model power electronics and AC Drivers [22] Sharad W Mohod1; Mohan V Aware2 (2009), Simulation of wind power with front-end converter into interconnected grid system ... áp máy phát quan trọng điều khiển kích từ vào máy phát Vì thế, đề tài em ? ?nghiên cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió? ??’ sâu vào tính tốn, thiết kế kích từ cho nhà máy phát. .. đồng 1.2.2 Máy phát điện cảm ứng Hầu hết máy phát điện dùng hệ thống tuabin gió máy phát cảm ứng Có hai ứng dụng máy điện cảm ứng hệ thống điện: sử dụng làm máy phát điện hệ thống tuabin gió, động... hướng gió Tuy nhiên hệ thống máy phát điện cơng suất lớn việc điều chỉnh khó khăn Vì hệ thống máy phát điện gió cơng suất lớn, người ta thường thay đổi từ thông hệ thống kích từ máy phát điện