Nâng cao chất lượng điều khiển hòa đồng bộ hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển backstepping

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI THÁI SƠN NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỒ ĐỒNG BỘ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING LUẬN VĂN THẠC SỸ: Kỹthuậtđiềukhiểnvàtựđộnghóa THÁI NGUYÊN –NĂM 2014 LỜI GIỚI THIỆU Tính cấp thiết đề tài Đề tài đặt sở vấn đề thực tế là: - Xu hướng phát triển mạnh việc sử dụng nguồn lượng giới nước - Nhu cầu tăng cao lượng điện nước - Do yêu cầu chất lượng điện hệ thống lượng điện ngày cao, đòi hỏi hệ thống máy phát điện sức gió phải bám lưới lỗi lưới Trong tuốc bin gió lỗi lưới với mức sụt điện áp lớn buộc phải cắt hệ thống khỏi lưới để bảo vệ biến đổi khỏi dòng lớn - Các giải pháp điều khiển cố gắng trì máy phát bám lưới cách hạn chế độ lớn sức phản điện động cảm ứng mạch rotor nguyên nhân sinh Tuy nhiên giải pháp điều khiển tuyến tính chưa hồn tồn phù hợp với chất phi tuyến hệ thống nghịch lưu hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) Vì để nâng cao chất lượng hệ thống PĐSG mạng hệ thống lượng điện, tác giả chọn đề tài:“Nâng cao chất lượng điều khiển hoà đồng hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng nam châm vĩnh cửu phương pháp điều khiển Backstepping” Đối tượng nghiên cứu Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng nam châm vĩnh cửu Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 Mục đích nghiên cứu Nâng cao chất lượng hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện đồng nam châm vĩnh cửu sở tổng hợp điều khiển nghịch lưu phía lưới theo phương pháp điều khiển Backstepping Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài thiết kế điều khiển nghịch lưu hịa đồng phía lưới theo phương pháp điều khiển Backstepping để nâng cao chất lượng hòa đồng Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu lý luận phương pháp điều khiển Backstepping - Mô Off-Line sở sử dụng phần mềm matlab/simulink/plecs - Thực nghiệm sở thiết bị thí nghiệm Ý nghĩa đề tài - Đã thực việc điều khiển hoà đồng hệ thống nghịch lưu phía lưới vào lưới sở điều khiển phi tuyến việc tính chọn giá trị đặt - Đã thực điều khiển hệ thống nghịch lưu công suất tác dụng phản kháng lên lưới chế độ bình thường - Đã giải vấn đề nghịch lưu bám lưới lỗi lưới đối xứng tới 50% điện áp lưới, chứng minh qua thực nghiệm khả cấp dịng tới điểm ngắn mạch để kích hoạt thiết bị bảo vệ hệ thống lượng tác động, đồng thời điều khiển dịng cung cấp cơng suất vơ cơng lên lưới để hỗ trợ lưới mặt điện áp Những điểm luận văn - Đã áp dụng thành công phương pháp điều khiển phi tuyến sở kỹ thuật Backstepping để điều khiển nghịch lưu phía lưới Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Với việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Backstepping, luận văn giải vấn đề mà phương pháp tuyến tính đề cập dao động điện áp tần số lưới, điểm đóng góp luận văn nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống thông số lưới biến động Kết nghiên cứu luận văn chứng minh chất lượng điều khiển hệ thống nghịch lưu hệ thống PĐSG thông số lưới biến động tốt so với phương pháp điều khiển tuyến tính thơng thường - Đã góp phần làm sáng tỏ chất phương pháp Backstepping sở lý thuyết ổn định Lyapunov áp dụng cho hệ thống PĐSG sử dụng máy điện đồng nam châm vĩnh cửu, là: chất phương pháp kết hợp phương pháp điều khiển Backstepping (bản chất chuyển hệ tọa độ trạng thái) mơ hình đối tượng tổng hợp điều khiển cho đối tượng sở lý thuyết ổn định Lyapunov, đồng thời đưa biện pháp để nâng cao chất lượng tĩnh động hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 GIÓ VÀ NĂNG LƢỢNG GIÓ Từ lâu người biết sử dụng lượng gió để tạo thay cho sức lao động nặng nhọc, điển hình thuyền buồm chạy sức gió, cối xay gió xuất từ kỷ 14 dùng phổ biến từ kỷ 17, thịnh vượng vào kỷ 18 đặc biệt Hà Lan với hàng ngàn Từ kỷ 19 đến nửa đầu kỷ 20 với xuất phát triển máy nước loại động đốt trong, cối xay gió bị lãng quên Nhưng từ vài chục năm gần với nguy cạn dần nguồn nhiên liệu khai thác từ lịng đất vấn đề nhiễm môi trường việc đốt hàng ngày khối lượng lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch nêu Việc nghiên cứu sử dụng dạng lượng tái tạo thiên nhiên có lượng gió lại nhiếu nước giới kể nước có cơng nghiệp lượng phát triển mạnh Nga, Mỹ, Pháp, CHLB Đức, Hà Lan, Anh, Đan Mạch, Thụy Điển…đặc biệt quan tâm Trên sở áp dụng thành tựu nhiều nghành khoa học tiên tiến thủy khí động lực học, tự động điều khiển, học kết cấu, truyền động thủy lực, vật liệu mới…việc nghiên cứu sử dụng lượng gió đạt tiến lớn chất lượng thiết bị quy mô ứng dụng Từ cối xay gió với cánh gió đơn giản hiệu suất sử dụng lượng thấp khoảng 20%, đến động gió phát điện với cánh quạt có biên dạng khí động học ngày hồn thiện đạt hiệu suất sử dụng lượng cao tới 42% Nhiều phương pháp hệ thống tự động điều khiển đại sử dụng để tự động ổn định số vòng quay động gió Những động gió phát điện lớn dùng hệ thống tự động điện thủy lực máy tính điện tử điều khiển Nhiều Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vật liệu sử dụng để chế tạo cánh hợp kim nhôm, polime cốt sợi thủy tinh với độ bền cao điều kiện thời tiết chịu sức gió bão Tại nơi có gió tốt, người ta ghép nhiều động gió với tạo thành “rừng máy phát điện gió” Người ta chế tạo động gió phát điện lớn đường kính tới 80m, cơng suất tới 3000 kW Tuy nhiên nước quy mô phát triển việc ứng dụng lượng gió cịn phụ thuộc vào vị trí địa lý, đặc điểm tiềm gió trình độ cơng nghiệp Gió dạng lượng mặt trời Gió sinh ngun nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, trái đất xoay quanh mặt trời khơng đồng bề mặt trái đất Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cối, người sử dụng luồng gió chuyển động lượng cho nhiều mục đích như: thuyền, thả diều phát điện Năng lượng gió mơ tả q trình, sử dụng để phát lượng điện Tuabin gió chuyển đổi từ động lực gió thành lượng Năng lượng sử dụng cho công việc cụ thể bơm nước máy nghiền lương thực cho máy phát chuyển đổi từ lượng thành lượng điện Trong số nguồn lượng thay thế, lượng gió đại diện cho hội tăng trưởng mạnh Việt Nam Các khảo sát cho thấy khoảng 85% đất đai Việt Nam có độ cao tốc độ gió trung bình phù hợp để phát lượng gió Các chuyên gia Ngân hàng Thế giới kết luận Việt Nam có khả tạo 513.360 MW hàng năm từ lượng gió – gấp 10 lần tổng cơng suất phát điện quốc gia dự kiến cho năm 2020 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1.1: Ưu đãi đầu tư cho dự án lượng mặt trời gió Việt Nam Đặc biệt tỉnh Bình Thuận Ninh Thuận ven biển xem có tiềm lớn cho lượng gió vùng đất lớn khơ cằn đất nông nghiệp màu mỡ Hiện nay, có 20 dự án điện gió Việt Nam, chủ yếu Bình Thuận (12 dự án đất liền huyện đảo Phú Quý), Ninh Thuận, Bình Định, Phú Yên huyện đảo Côn Đảo tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu, nơi lượng gió tốc độ gió trung bình cao so với phần cịn lại đất nước * Tổng quan lƣợng gió (phong điện) Các máy phát điện sử dụng sức gió sử dụng nhiều nước châu Âu, Mỹ nước công nghiệp phát triển khác Nước Đức dẫn đầu giới công nghệ điện sử dụng sức gió (phong điện) Số thứ tự Quốc gia Công suất (MW) 01 Đức 22.247 02 Mỹ 16.818 03 Tây Ban Nha 15.145 04 Ấn Độ 8.000 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 05 Trung Quốc 6.050 06 Đan Mạch 3.125 07 Ý 2.726 08 Pháp 2.454 09 Anh 2.389 10 Bồ Đào Nha 2.150 11 Ca na đa 1.846 12 Hà Lan 1.746 13 Nhật 1.538 14 Áo 982 15 Hy Lạp 871 16 Úc 824 17 Ai Len 805 18 Thụy Điển 788 19 Na Uy 333 20 Niu Di Lân 322 21 22 Những nước khác Thế giới 2.953 94.112 Nguồn: World Wind Energy Association, thời điểm: Cuối 2007 dịch từ Wikipedia Đức Bảng 1: Thống kê sử dụng lượng gió giới Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Tới đa số máy phát điện tuabin gió trục ngang, gồm máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) giữa, liên hệ với tuabin cánh đón gió Máy phát điện đặt tháp cao hình Trạm phát điện kiểu mang dáng dấp cối xay gió châu Âu từ kỷ trước, nhã đại Các máy phát điện tuabin gió trục đứng gồm máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngồi nối với cánh đón gió đặt thẳng đứng Loại hoạt động bình đẳng với hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, phận có kích thước không lớn nên vận chuyển lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, tu bảo dưỡng đơn giản Hiện có loại máy phát điện dùng sức gió với cơng suất khác nhau, từ 1kW tới hàng chục ngàn kW Các trạm phát điện hoạt động độc lập nối với mạng điện quốc gia Các trạm độc lập cần có nạp, ắc- quy đổi điện Khi dùng khơng hết, điện tích trữ vào ắc quy Khi khơng có gió sử dụng điện phát từ ắc-quy Các trạm nối với mạng điện quốc gia khơng cần nạp ắc-quy Các trạm phát điện dùng sức gió phát điện tốc độ gió từ m/s (11 km/h), tự ngừng phát điện tốc độ gió vượt 25 m/s (90 km/h) Tốc độ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo loại máy phát điện Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Hình 1.2: Hình ảnh bên MPĐ sức gió Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... tài:? ?Nâng cao chất lượng điều khiển hoà đồng hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng nam châm vĩnh cửu phương pháp điều khiển Backstepping? ?? Đối tượng nghiên cứu Hệ thống phát điện sức gió. .. gió sử dụng máy điện đồng nam châm vĩnh cửu Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 Mục đích nghiên cứu Nâng cao chất lượng hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện đồng nam. .. sáng tỏ chất phương pháp Backstepping sở lý thuyết ổn định Lyapunov áp dụng cho hệ thống PĐSG sử dụng máy điện đồng nam châm vĩnh cửu, là: chất phương pháp kết hợp phương pháp điều khiển Backstepping