Nghiên cứu ứng dụng biến tần đa mức trong hệ thống máy phát điện sức gió nam châm vĩnh cửu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG TRỌNG KHẢI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG TRỌNG KHẢI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Đà Nẵng – Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Đà Nẵng, ngày 25 tháng 12 năm 2017 Tác giả luận án LƯƠNG TRỌNG KHẢI ii TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU Học viên: Lương Trọng Khải Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 Khóa:33.TĐH(PFIEV) Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Hiện việc sử dụng nguồn lượng đầu tư phát triển nghiên cứu sử dụng hợp lý để đạt lợi ích kinh tế tốt Bên cạnh biến tần đa mức với nhiều ưu điểm so với biến tần hai mức nghiên cứu xem lựa chọn tốt cho ứng dụng truyền động trung áp Do việc kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió nghiên cứu mang nhiều ý nghĩa thực tiễn đáp ứng nhu cầu lượng kết hợp với suất lợi ích kinh tế cao Luận văn khái quát nguyên lý hoạt động tuabin gió kết hợp nam châm vĩnh cửu điều khiển biến tần đa mức dùng phương pháp điều chế vector không gian Tác giả đưa kết đạt trình nghiên cứu đưa hướng nghiên cứu đề tài Từ khóa – biến tần đa mức, máy phát điện nam châm vĩnh cửu, PMSM, SVPWM, turbin gió RESEARCH AND APPLICATION OF MULTI-LEVEL INVERTER IN WIND GENERATOR SYSTEM COMBINED PERMANENT MAGNET Abstract – Currently the use of clean energy sources are being developed and research use rationality to achieve best economic interests Besides the multi-level inverter with more advantages than two inverters have been studied and seen as the best choice for highvoltage transmission applications So the multi-level inverter combined with the wind generator is a study carried many meanings and practices of clean energy needs combined with productivity and economic benefits The essay the essential principle of operation of wind turbines combined permanent magnet and is controlled by a multi level inverter using space vector modulation method The author has given the results achieved in the process of researching and giving direction to the next study of the subject Key words – multi-level inverter, generators permanent magnet, PMSM, SVPWM, wind generator iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I TÓM TẮT LUẬN VĂN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VII MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Tổng quan nghiên cứu máy phát điện gió Cấu trúc luận văn CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH TURBIN GIĨ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU .6 1.1 Năng lượng chuyển đổi lượng gió turbin gió 1.2 Máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu 1.4 Mô máy điện nam châm vĩnh cửu làm việc với turnbin gió 19 CHƯƠNG – CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 23 1.3 Cấu trúc biến tần đa mức 23 1.4 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu áp đa mức 38 CHƯƠNG – HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC 62 1.5 Tổng quan hệ thống 62 1.6 Mơ hình hệ thống 63 1.7 Kết mô 64 iv CHƯƠNG – ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC .66 1.8 Mơ hình hệ thống 66 1.9 Kết mô hệ thống qua điều khiển 69 1.10 Hệ thống làm việc với tải 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 Kết luận .73 Hướng phát triển đề tài .74 DANH MỤC TÀI KIỆU THAM KHẢO 75 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 76 PHỤ LỤC 77 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PMSM Permanent Magnet Synchronous Machine (Máy điện đồng nam châm vĩnh cửu) PID Proportional Integral Derivative (Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ) BJT Bipolar junction transistor (Tranzito lưỡng cực nối) IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor có cực điều khiển cách ly) CBPWM Carrier Based Pulse Width Modulation (Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang) SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation (Phương pháp điều chế vectơ không gian) NPC Neutral Point Clamped FLC Flying Capacitor CHB Cascade H-Bridge vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1 Giá trị điển hình Z0 theo loại địa hình Bảng 2-1 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) nghịch lưu 3L-NPC 26 Bảng 2-2 Q trình dẫn dịng khóa pha A nghịch lưu 3L-NPC 28 Bảng 2-3 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) 3L-FLC 30 Bảng 2-4 Q trình dẫn dịng khóa pha A nghịch lưu 3L-NPC 32 Bảng 2-5 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) 5L-CHB 34 Bảng 2-6 Các vectơ tương ứng với trạng thái khóa bán dẫn 41 Bảng 2-7 Vị trí tam giác tương ứng với tổ hợp vectơ 42 Bảng 2-8 Thời gian tác dụng vectơ 43 Bảng 2-9 Trình tự thời gian tác động vùng I thuộc tam giác I-3a 49 Bảng 2-10 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng I 50 Bảng 2-11 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng II 50 Bảng 2-12 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng III 51 Bảng 2-13 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng IV 51 Bảng 2-14 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng V 52 Bảng 2-15 Trình tự chuyển mạch khóa bán dẫn vùng VI 52 Bảng 2-16 Bảng tính tốn thời gian tác động 57 Bảng 2-17 Bảng trạng thái đóng-ngắt van bán dẫn 59 Bảng 4-1 Bảng thông số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols 67 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Mặt cắt động đồng PM Hình 1-2 Mơ hình đơn giản máy điện đồng ba pha rotor cực ẩn 10 Hình 1-3 Mơ hình máy điện đồng có dây quấn đệm 11 Hình 1-4 Hệ toạ độ đồng dq đứng yên 17 Hình 1-5 Sơ đồ khối turbin gió 19 Hình 1-6 Các thơng số khối turbin gió 19 Hình 1-7 Sơ đồ khối máy phát điện nam châm vĩnh cửu 20 Hình 1-8 Các thơng số máy phát điện nam châm vĩnh cửu 20 Hình 1-9 Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =10 m/s 21 Hình 1-10 Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =5 m/s 21 Hình 1-11 Điện áp đâu với vận tốc gió biến thiên từ 5m/s đến 10m/s 22 Hình 2-1 Bộ nghịch lưu điơt kẹp mức 25 Hình 2-2 Trạng thái, điện áp điều khiển chuyển mạch điện áp 26 Hình 2-3 Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor mức 29 Hình 2-4 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải iA > 30 Hình 2-5 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải iA < 31 Hình 2-6 Bộ nghịch lưu mức kiểu cầu H nối tầng 33 Hình 2-7 Q trình chuyển mạch từ trạng thái 1→4→7→14→16 với dịng điện tải iA > 35 viii Hình 2-8 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1→4→7→14→16 với dịng điện tải iA < 36 Hình 2-9 Bộ nghịch lưu áp mức NPC 39 Hình 2-10 Vectơ khơng gian điện áp nghịch lưu mức NPC 41 Hình 2-11 Vectơ điện áp vùng I (sector I) 42 Hình 2-12 Ảnh hưởng đến Vz tương ứng với trạng thái vectơ [PPP] 44 Hình 2-13 Ảnh hưởng Vz tương ứng với trạng thái vectơ 45 Hình 2-14 Ảnh hưởng Vz tương ứng với trạng thái vectơ 45 Hình 2-15 Ảnh hưởng Vz tương ứng với trạng thái vectơ 46 Hình 2-16 Trường hợp 47 thuộc tam giác thứ tư vùng I (I-4) Hình 2-17 Mẫu xung vectơ điện áp trung bình Hình 2-18 Trường hợp thuộc vùng I-4 thuộc tam giác thứ 3a vùng I (I-3a) 48 49 Hình 2-19 Khối thuật tốn Space Vector Modulation 53 Hình 2-20 Sơ đồ khối tạo điện áp pha 54 Hình 2-21 Số thứ tự tam giác 56 Hình 2-22 Tính tốn thời điểm chuyên mạch 57 Hình 2-23 Xung điều khiển pha A 59 Hình 2-24 Xung điều khiển pha B 59 Hình 2-25 Xung điều khiển pha C 60 Hình 2-26 Điện áp pha sau nghịch lưu 60 Hình 2-27 Điện áp dây sau nghịch lưu 61 70 Hình 0-6 Điện áp dây đầu nghịch lưu Dễ dàng nhận thấy so với hệ thống chưa điều khiển điện áp pha điện áp dây đầu có biên độ ổn định mà khơng bị biến thiên theo tốc độ gió 71 1.10 Hệ thống làm việc với tải Để khảo sát khả làm việc tốt với tải ta tiến hành mô hệ thống với tải RL Mô hình hệ thống làm việc với tải hình 4-7 Hình 0-7 Mơ hình hệ thống làm việc với tải RL Kết mô với giá trị biến thiên tải:  Với tải R = 500Ω; L = 0,001H Hình 0-8 Dịng điện làm việc với tải R = 500Ω; L = 0,001H 72  Với tải R = 1000Ω; L = 0,001H Hình 0-9 Dịng điện làm việc với tải R = 1000Ω; L = 0,001H  Với tải R = 1000Ω; L = 1H Hình 0-10 Dịng điện làm việc với tải R = 1000Ω; L = 1H Dòng điện hoạt động với tải đạt ổn định tần số thay đổi theo giá trị tải 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với yêu cầu đặt ra, phạm vi luận văn thực mô thành công máy phát điện nam châm vĩnh cửu làm việc với turbin gió dùng biến tần đa mức để điều khiển tần số đầu máy phát điện Những điểm chưa làm luận văn sau  Những điểm làm được:  Với PID ta ổn định biên độ điện áp đầu máy phát điện nhằm tập trung vào nhiệm vụ đề tài ổn định tần số đầu dựa vào biến tần đa mức  Kết thu mong đợi thu điện áp dây pha có tần số 50Hz với giá trị biến thiên tốc độ gió làm sở cho hướng phát triển hòa lưới điện sau  Điện áp pha có mức xác định E, 0, -E điện áp dây thu có mức 2E, E, 0, -E, -2E kết mong đợi phân tích lý thuyết  Những điểm chưa làm được:  Chưa so sánh biến tần đa mức dùng diode kẹp loại khác cầu H flying capactor với biến tần nhiều mức (5 mức, mức …)  Chưa giải vấn đề nối lưới điện cho hệ thống 74 Hướng phát triển đề tài Đề tài phát triển sau:  Tiếp tục nghiên cứu vấn đề hòa lưới điện vấn đề liên quan đến hòa lưới điện  Tiếp tục nghiên cứu phần thiết kế cánh quạt gió để đêm lại hiệu suất tối đa  Tiến hành tương tự với nghịch lưu áp đa mức khác (bộ nghịch lưu áp cầu H, …) để so sánh tùy theo điều kiện mục đích mong muốn mà dùng nghịch lưu áp phù hợp 75 DANH MỤC TÀI KIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Văn Nhờ (2005), “Giáo trình điện tử công suất” Nhà xuất đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Tiếng Anh: [2] D Grahame Holmes, Thomas A Lipo “Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice”, IEEE Series on Power Engineering, Series Editor [3] Heinz Willi Van Der Broeck, Hans-ChristophSkudelny, and Georg Viktor Stanke (January/February 1988), “Analysis and Realization of a Pulsewidth Modulator Based on Voltage Space Vectors”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.24, No.1 [4] Jae Hyeong Seo, Chang Ho Choi and Dong Seok Hyun (July 2001), “A New Simplified Space Vector PWM Method for Three-Level Inverters”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.16, No.4, pp 545-550 [5] Jose Rodriguez, Jin-Sheng Lai and Fang Zheng (August 2002), “Multilevel Inverters: A survey of topologies, Control applications,” IEEE transactions on Industrial Electronics, Vol.49, No 4, pp 724-738 [6] K Corzine and Y Familiant (2002), “A New Cascaded Multilevel H-Bridge Drive”, IEEE Transactions Power Electron., Vol 17, No.1, pp 125-131 [7] M Tolbert and T.G Habetler (1999), “Novel Multilevel Inverter Carrier- Based PWM Methods”, IEEE Trans Ind Appl., Vol 35, pp 1098-1107 76 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 77 PHỤ LỤC Các khối Matlap-funtion matlap lập trình sau:  Khối chuyển hệ tọa độ function [u_anpha, u_beta] = u_anpha_beta(u_a, u_b, u_c) %# Tính u_anpha u_anpha = 2/3*((u_a)-(1/2*u_b)-(1/2*u_c)); %# Tính u_beta u_beta = 2/3*((sqrt(3)/2*u_b)-(sqrt(3)/2*u_c));  Khối xác định vùng chứa vector tham chiếu function [delta, sector] = Find_sector(u_anpha, u_beta) %# Init sector = 1; %# Tính delta if (u_anpha == 0) if (u_beta == 0) delta = 0; elseif (u_beta > 0) delta = pi/2; else delta = 3*pi/2; end elseif (u_anpha > 0) if (u_beta >= 0) delta = atan(u_beta/u_anpha); else (u_beta < 0) delta = atan(u_beta/u_anpha) + 2*pi; end else (u_anpha < 0) delta = atan(u_beta/u_anpha) + pi; end %# Tính sector if ((delta >= 0)&&(delta