Điều khiển độc lập công suất p, q và công suất cực đại của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  ĐINH VŨ TRIỀU ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP CÔNG SUẤT P, Q VÀ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP Chuyên ngành: Thiết bị, mạng nhà máy điện Mã số: 60 52 50 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS PHẠM ĐÌNH TRỰC (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… tháng 07 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày … tháng … năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đinh Vũ Triều Phái: Ngày, tháng, năm sinh: 20/01/1987 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: I- Thiết bị, mạng Nhà máy điện MSHV: Nam 11180123 TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP CÔNG SUẤT P, Q VÀ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGUỒN KÉP II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mơ hình hóa xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản kháng máy phát điện gió nguồn kép phương pháp DPC kết hợp với phương pháp dò tìm cơng suất cực đại máy phát điện gió điều kiện tốc độ gió thay đổi III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 20 tháng 06 năm 2014 V- Ngày 10 tháng 02 năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHẠM ĐÌNH TRỰC Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng Chuyên ngành thông qua CN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS PHẠM ĐÌNH TRỰC CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QL CHUN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy trực tiếp hướng dẫn, TS Phạm Đình Trực tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn Những ý kiến đóng góp quý báu, khích lệ tinh thần thầy giúp tơi khắc phục thiếu sót để hồn thành luận văn Luận văn thực theo chương trình đào tạo thạc sĩ trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Phịng Quản lý Đào tạo Sau đại học, môn Hệ thống Điện Tôi xin cảm ơn đến quý thầy cô tạo điều kiện để em hồn thành chương trình đào tạo Tơi cảm kích với cộng tác anh chị học viên lớp Thiết bị, mạng nhà máy điện khóa 2011 có cộng tác, đóng góp ý kiến suốt thời gian học tập thực luận văn Xin cám ơn đến gia đình người thân ủng hộ động viên suốt thời gian theo học thực luận văn Kính chào Tóm tắt luận văn Năng lượng gió lượng tái tạo phát triển nhanh hứa hẹn đứng đầu nguồn lượng tương lai gần Trong số máy phát điện khác dùng để chuyển đổi lượng gió, máy phát điện gió nguồn kép (DFIG) thu hút ýnhiều hoạt động tốc độ gió thay đổi, hiệu chuyển đổi lượng cao cải thiện chất lượng điện Hệ thống DFIG có chuyển đổi back – to – back, bên phía rotor bên phía stator Hai chuyển đổi hoạt động giao diện theo dõi hoạt động tối ưu máy phát điện lưới điện tải khác Để đạt công suất đầu mong muốn, phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) dùng để điều khiển công suất đầu máy phát điện gió Trong phương pháp này, vector điện áp stator dùng để điều khiển từ thông rotor thông qua biến tần bậc, qua đó, điều khiển công suất thực công suất phản kháng stator Để đạt hiệu cao hệ thống lượng gió, phương pháp dị tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) điều kiện vận hành tốc độ gió thay đổi áp dụng máy phát điện gió nguồn kép Hầu hết phương pháp MPPT dựa vào đo lường tốc độ gió dựa vào ước tính phức tạp tính toán trực tiếp Tuy nhiên, phương pháp thường tốn cần cảm biến tốc độ gió thiếu xác thay đổi mơ hình hệ thống turbine gió Luận văn đề xuất phương pháp tự điều chỉnh MPPT dựa đường đặc tính cơng suất tính tốn cơng suất tối ưu cho máy phát điện gió Đường đặc tính cơng suất hàm số diễn tả mối quan hệ vận tốc gió cơng suất đầu wind turbine Công suất đưa vào giá trị tham chiếu điều khiển DPC để điều khiển công suất thực phản kháng máy phát điện gió để cung cấp cho lưới điện i DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Thống kê việc sử dụng lượng tái tạo năm 2010 IRENA Hình 1.2: Tiềm ngành lượng tái tạo (IRENA) Hình 1.3: Thống kê sản lượng lượng gió lắp đặt hàng năm (1996 - 2013) Hình 1.4: Thống kê sản lượng năm tồn cầu (1996 – 2013) Hình 1.5: Bản đồ lượng gió nước Đức dự tính tương lai Hình 1.6: Bản đồ phân bố gió Việt Nam độ cao 60m 80 Hình 1.7: Máy phát điện gió trục ngang máy phát điện gió trục dọc Hình 2.1: Mơ hình hồn lưu khí Hình 2.2: Sự phát triển kích thướccủa Turbine gió Hình 2.3: Đường đặc tính cơng suất Hình 2.4: Hệ số tốc độ gió đầu cánh  Hình 2.5: Một số loại turbine gió Hình 2.6: Phân bố lực cánh quạt hình 2.7: Điều chỉnh góc pitch Hình 2.8 : Nguyên tắc hộp số kết hợp bánh xếp đặt vòng bánh trụ Hình 2.9: Turbine tốc độ gió cố định với SCIG Hình 2.10: Cấu hình Turbine gió với DFIG Hình 2.11: Dịng chảy cơng suất máy phát điện gió DFIG Hình 2.12: Turbine gió khơng đồng nguồn kép khơng chổi than (BDFIG) Hình 2.13: Turbine gió có chuyển đổi cơng suất tồn phần Hình 3.1: Hệ trục tọa độ  Hình 3.2 : Sơ đồ đấu dây cuộn dây stator rotor, Y- Y Hình 3.3 : Mối quan hệ đại lượng hệ trục  dq Hình 3.4: Sơ đồ mạch điện tương đương DFIG Hình 3.5: Mơ hình máy phát điện gióDFIG Hình 3.6 : Mơ hình turbine gió DFIG Hình 3.7: Mơ hình máy phát DFIG Hình 3.8: Mơ hình chuyển đổi hệ trục tọa độ abc sang dq Hình 3.9: Khối chuyển hệ trục tọa độ dq sang abc Hình 3.10: Khối máy phát điện Hình 3.11: Khối ước lượng từ thông Hình 4.1: Sơ đồ tương đương DFIG hệ quy chiếu rotor Hình 4.2: Mối quan hệ vector từ thơng stator rotor hệ quy chiếu rotor ii Hình 4.3: Bộ biến tần bậc Hình 4.4: Vector không gian điện áp điều khiển từ thông dùng vector điện áp Hình 4.5: Điều khiển trễ công suất thực công suất phản kháng Hình 4.6: Sơ đồ đề xuất điều khiển DPC DFIG Hình 5.1: Sơ đồ khối điều khiển tối ưu tỷ số đầu cánh Hình 5.2: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển công suất tối ưu tín hiệu hồi tiếp cơng suất Hình 5.3: Đường cơng suất turbine gió Vestas 80 – 2.0MW Hình 5.4: Cơng suất đầu vào tương ứng với tốc độ gió danh nghĩa (12m/s) giá trị danh nghĩa Hình 5.5: Mơ hình mơ phương pháp DPC kết hợp với phương pháp MPPT Hình 5.6: Khối tính tốn turb_opt Hình 6.1: Đồ thị vận tốc gió thay đổi theo thời gian Hình 6.2: Cơng suất thực stator Hình 6.3: Cơng suất phản kháng turbine Hình 6.4: Vận tốc turbine Hình 6.5: Dòng điện stator Hình 6.6: Dịng điện rotor Hình 6.7: Moment điện từ máy phát điện Hình 6.8: Biểu đồ vận tốc gió giả định Hình 6.9: Cơng suất stator công suất đặt Hình 6.10: Tốc độ turbine Hình 6.11: Cơng suất điện từ turbine Hình 6.12: Dịng điện stator Hình 6.13: Dịng điện rotor Hình 6.14: Điện áp chiều DC link Hình 6.15: Cơng suất chuyển đổi cơng suất phía rotor Hình 6.16: Giá trị tham chiếu Ps opt Hình 6.17: Cơng suất stator theo thời gian Hình 6.18: Điện áp dc giá trị tham chiếu Hình 6.19: Công suất turbine Hình 6.20: Điện áp Rotor Hình 6.21: Dịng điện stator Hình 6.22: Tốc độ turbine Hình 6.23: Moment điện từ turbine Hình 6.24: Biểu đồ cơng suất đặt dựa vào giá trị tính tốn tối ưu cơng suất turbine iii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Kết khảo sát tốc độ gió số địa phương Bảng 4.1:Tác động vector điện áp lên công suất thực công suất phản kháng (: công suất tăng, : công suất giảm) Bảng 4.2: Bảng đóng cắt tối ưu iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CÁC TỪ VIẾT TẮT DFIG Double Fed Induction Generator DFIM Double Fed Induction Machine DPC Direct Power Control GSC Grid Side Converter RSC Rotor Side Converter PI Proportional Intergral PWM Pulse Width Modulation RMS Root Mean Square SCIG Squirrel Cage Induction Generator BDFIG Brushless Double Fed Induction Generator PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator WRIG Wound Rotor Induction Generator DC Direct Current IG Induction Generator MPPT Maximum Power Point Tracking IRENA International Renewable Energy Agency TSR Tip Speed Ratio KÝ HIỆU v Vận tốc gió vas, vbs, vcs, var, vbr, vcr điện áp stator rotor ias, ibs, ics, iar, ibr, icr dòng điện stator rotor as ,bs,cs, ar, br, cr Từ thông stator rotor vs ,vs , vr,vr điện áp stator rotor theo trục,  v is ,is , ir,ir dòng điện stator rotor theo trục,  s ,s , r,r từ thông stator rotor theo trục,  vds ,vqs , vdr,vqr điện áp stator rotor theo trục d, q ids ,iqs , idr,iqr dòng điện stator rotor theo trục d, q ds ,qs , dr,qr từ thông stator rotor theo trục d, q us ,Udc điện áp lưới điện áp dc – link Rs ,Rr điện trở dây quấn stator rotor Ls ,Lr điện cảm stator rotor Lls ,Llr điện cảm tản stator rotor s ,r tốc độ đồng rotor (rad/s) Te ,Tm moment điện từ moment Ps ,Qs công suất tác dụng phản kháng stator , Cp mật độ khơng khí hiệu suất rotor vi Chương 6: Kết mơ b) Hình 6.6: Dịng điện rotor Hình 6.7: Moment điện từ máy phát điện 65 Chương 6: Kết mô Nhận xét:  Turbin e gió có cơng suất lớn thường có moment quán tính lớn nên từ thời điểm khởi động đến thời điểm xác lập cần có thời gian đáng kể để hệ thống ổn định  Khi máy phát hoạt động chế độ xác lập, công suất ngõ bám theo giá trị đặt tốt ổn định 6.3 Kết mô phương pháp DPC sử dụng đường cong công suất Trong phương pháp điều khiển sử dụng đường cong công suất, vận tốc gio thay đổi hình 6.8, vận tốc gió thay đổi dải 0m/s – 25m/s; thời gian mơ 100s Hình 6.8: Biểu đồ vận tốc gió Cơng suất đầu stator Ps Đường màu xanh thể công suất stator đường màu đỏ thể công suất đặt 66 Chương 6: Kết mô a) b) Hình 6.9: Cơng suất stator cơng suất đặt a) 67 Chương 6: Kết mơ b) Hình 6.10: Tốc độ turbine Hình 6.11: Moment điện từ turbine Hình 6.12: Dịng điện stator 68 Chương 6: Kết mơ a) b) Hình 6.13: Dịng điện rotor a) b) 69 Chương 6: Kết mơ Hình 6.14: Điện áp chiều DC link a) b) Hình 6.15: Cơng suất chuyển đổi cơng suất phía rotor Nhận xét:  Khi tốc độ gió thay đổi, giá trị đặt công suất thay đổi theo Tuy nhiên, công suất ngõ bám tốt giá trị đặt, đồng thời, tốc độ turbine giữ ổn định  Điện áp DC chuyển đổi công suất giữ ổn định  Trong thời gian độ, khoảng thời gian từ – 10s, công suất ngõ chưa theo sát giá trị tham chiếu 70 Chương 6: Kết mô 6.4 Kết mô phương pháp DPC kết hợp với MPPT phương pháp tính tốn cơng suất tối ưu turbine Để so sánh kết hai phương pháp, ta sử dụng liệu vận tốc gió hình 6.1 để mô cho phương pháp Kết mô đạt sau: Hình 6.16: Giá trị tham chiếu Ps opt a) b) 71 Chương 6: Kết mơ Hình 6.17: Cơng suất stator theo thời gian Hình 6.18: Điện áp dc giá trị tham chiếu Hình 6.19: Cơng suất turbine a) 72 Chương 6: Kết mô b) Hình 6.20: Điện áp Rotor a) b) Hình 6.21: Dịng điện stator 73 Chương 6: Kết mô a) b) Hình 6.22: Tốc độ turbine a) b) 74 Chương 6: Kết mơ Hình 6.23: Moment điện từ turbine a) b) Hình 6.23: Biểu đồ cơng suất đặt dựa vào giá trị tính tốn tối ưu công suất turbine Nhận xét  Khi hệ thống hoạt chế độ xác lập, giá trị công suất ngõ đáp ứng tốt giá trị đặt mong muốn  Giá trị công suất ổn định kết mục 6.3,tuy nhiên, giá trị, công suất ngõ dao động nhiều hơn; vận tốc turbine thay đổi xung quanh giá trị đặt trước vị trí tốc độ gió thay đổi nhiều, tốc độ rotor dao động mạnh hơn, nhiên, nhanh chóng lấy lại vị trí ổn định 75 Chương 7: Kết luận định hướng đề tài Chương 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI 7.1 KẾT LUẬN  Luận văn thực nhiệm vụ đề tài nêu Trong đó, chương luận văn trình bày tình hình chung định hướng ngành lượng tái tạo giới, đặc biệt lượng gió Chương luận văn trình bày ứng dụng nguyên lý hoạt động loại máy phát điện gió Chương xây dựng mơ hình máy phát điện gió nguồn kép  Chương đề xuất phương pháp điều khiển trực tiếp công suất tác dụng công suất phản kháng cho máy phát điện gió DFIG Phương pháp có nguyên lý lựa chọn vector điện áp phù hợp dựa vị trí từ thơng stator sai lệch cơng suất thực công suất phản kháng để đưa tín hiệu đóng cắt thiết bị điện tử cơng suất Do đó, phương pháp khắc phục nhược điểm liên quan đến việc ước lượng từ thông rotor Các sai số công suất đưa vào bảng đóng cắt tối ưu sau qua hai so sánh trễn cấp Những kết mô giúp xác nhận phương pháp DPC áp dụng điều kiện hoạt động khác nhau, thông số máy khác chuyển đổi công suất khác  Chương đề xuât phương pháp điều khiển tối ưu cơng suất cho máy phát điện gió nguồn kép kết hợp với phương pháp DPC để đưa giải pháp tối ưu cho việc điều khiển máy phát điện gió Những ảnh hưởng hệ thống DFIG chưa xét luận văn là:  Do DFIG hoạt động điều kiện tốc độ gió thay đổi liên tục Khi tốc độ gió thay đổi làm cho điện áp DC chuyển đổi cơng suất giảm, làm tăng dịng điện tụ DC-link 76 Chương 7: Kết luận định hướng đề tài  Mơ hình chưa xét đến tổn hao chuyển đổi công suất, hộp số, trục truyền động 7.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI  Khảo sát khả vận hành DFIG kết nối lưới trường hợp lưới không cân bằng, lưới yếu; khảo sát khả lướt qua cố nhỏ lưới điện tác động lên DFIG tăng áp, sụt áp…  Dự đoán điều khiển trực tiếp công suất DFIG 77 Chương 7: Kết luận định hướng đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IRENA (International Renewable Energy Agency) Jan 2014, “Remap 2030” [2] GWEC (Global Wind Energy Concil), “Global wind report Annual Market update2013”, [3] B Hamane, M Benghanem, A M Bouzid, “Control for Variable Speed Wind Turbine Driving a Doubly Fed Induction Generator using Fuzzy-PI Control”, LDDE laboratory member, University Mohamed Boudiaf USTO 1505Bp El Mnaouer, Oran 31000, Algeria [4] X Zheng, L Li, D Xu , J Platts, Sliding mode MPPT control of variable speed wind power system, Power and Energy Engineering Conference, pp.1-4, APPEEC 2009 [5] E S Abdin, W Xu, Control design and dynamic performance analysis of wind turbine-induction generator unit, IEEE Trans On Energy Convers., Vol 15, No 1, pp 91-96, 2000 [6] Gonzalo Abad, Jesus Lopez, Miguel A Rodriguez, Modeling and Control for Wind Energy Generation, IEEE PRESS, A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION [7] M Machmoum, F Poitiers, Sliding mode control of a variable speed wind energy conversion system with DFIG , International Conference and Exhibition on Ecologic Vehicles and Renewable Energies, MONACO, March 26-29 (2009) [8] A M Eltamaly, A I Alolah, M H Abdel-Rahman, Modified DFIG control strategy for wind energy applications, SPEEDAM 2010, Interna-tional Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automationand Motion, 2010 IEEE, pp 659-653, 2010 [9] Nguyễn Anh Nam, “Điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản kháng máy phát điện gió DFIG (Double Fed Induction Generator)”, Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ năm 2012 [10] D Aouzellag, K Ghedamsi, E.M.Berkouk, “Power Control of a variable speed wind turbine driving an DFIG”, Electrical engineering Department, A.Mira University, Bejaïa, Algeria 78 Chương 7: Kết luận định hướng đề tài [11] Youcef Bekakra, Djilani Ben, “Active and Reactive Power Control of a DFIG with MPPT for Variable Speed Wind Energy Conversion using Sliding Mode Control”, World Academy of Science, Engineering and Technology 60 2011 [12] K P Gokhale, D W Karraker, and S J Heikkila, “Controller for a wound rotor slip ring induction machine,” U.S Patent, 6448735B1, Jul 22, 2002 [13] Anca D Hansen, Florin Iov, Poul Sørensen, NicolaosCutululis, Clemens Jauch, Frede Blaabjerg, “Dynamic wind turbine models in power system simulation tool DIgSILENT”Riso-R-1400(ed.2)(EN), August 2007 [14] Jogendra Singh Thongam, Mohand Ouhrouche, “MPPT Control Methods in Wind Energy Conversion Systems” University of Quebec at Chicoutimi Quebec Canada [15] Sung-Tak Jou, Sol-Bin Lee, Yong-Bae Park, and Kyo-Beum Lee, “Direct Power Control of a DFIG in Wind Turbines to Improve Dynamic Responses” , JPE-9-5-12 [16] Youcef Bekakra, Djilani Ben, “Active and Reactive Power Control of a DFIG withMPPT for Variable Speed Wind Energy Conversionusing Sliding Mode Control”, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol:5 2011-12-21 [17] Abram Perdana, “Dynamic Models of Wind Turbines”, Thesis for the degree of Doctor of Philosophy, Sweden 2008 [18] E G Shehata, “Active and Reactive Power Controlof Doubly Fed Induction Generatorsfor Wind Energy Generation under Unbalanced Grid Voltage Conditions”, Electric Engineering Department, Faculty of Engineering , Minia University , Egypt [19] Kishor Thakre, “Dynamic Performance of DFIG wind turbine under unbalance grid fault condition”, Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology Rourkela 2009 [20] Jianzhong Zhang, Ming Cheng, Zhe Chen, Xiaofan Fu, “Pitch Angle Control for Variable Speed Wind Turbines”,6-9 April 2008 Nanjing China [21] Lie Xu , Senior Member, IEEE , and Phillip Cartwright, “Direct Active and Reactive Power Control of DFIG for Wind Energy Generation”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol.21, no.3, September 2006 79 ... Nhà máy điện MSHV: Nam 11180123 TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP CÔNG SUẤT P, Q VÀ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGUỒN KÉP II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mơ hình hóa xây dựng giải thuật điều. .. tìm cơng suất cực đại điều khiển trực tiếp công suất để điều khiển P, Q 57 5.2.1 Điều khiển P, Q dựa vào đường cong công suất 57 5.2.2 Điều khiển P, Q dựa vào tính tốn cơng suất tối ưu... điều khiển độc lập công suất tác dụng cơng suất phản kháng máy phát điện gió nguồn kép phương pháp DPC kết hợp với phương pháp dị tìm cơng suất cực đại máy phát điện gió điều kiện tốc độ gió thay