Trong bài báo này, phương pháp điều khiển cho 4 vùng hoạt động I, II, III, IV đề nghị cho DFIG được trình bày và một thuật toán MPPT đơn giản được đề xuất và sau đó, mô hình DFIG được [r]
(1)NHÀ MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ
VỚI KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Nguyễn Hữu Phúc, Châu Minh Đạo
Đại học Bách khoa TPHCM, TT Ứng dụng Tiến KH&CN Đồng Nai
Tóm tắt: Trong báo sau, vùng làm việc khác máy phát không đồng cấp nguồn hai phía (DFIG) turbine gió khảo sát quan điểm tốc độ rotor, công suất phát, hệ sốđầu cánh λ (tip speed ratio- TSR) góc nghiêng β cánh quạt Thuật tốn điều khiển dựa khác biệt tốc độ quay tối ưu tốc độ quay thực tế trục turbine đề xuất thực PSCAD nhằm tận thu cơng suất cực đại có từ lượng gió Các kết phương pháp đề xuất áp dụng mơ hình nhà máy gió lưới điện Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVN-SPC) để tính tốn phân bố cơng suất, khả phục hồi điện áp điểm nút LVRT khi có cố ngắn mạch Các kết nhận cho thấy tính đắn ưu điểm phương pháp đề xuất
1 GIỚI THIỆU
Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngày tăng với mối quan tâm ngày cao ô nhiễm môi trường dẫn đến thúc đẩy mạnh mẽ cho kỉ nguyên phát triển đến hệ thống phát điện từ lượng tái tạo, có lượng
gió Các nhà máy phát điện gió (PĐG) bắt đầu phần thiết yếu mạng
lưới điện nước Việt Nam [9-15] Cùng với chủng loại khác máy phát điện gió, máy phát khơng đồng cấp nguồn hai phía DFIG (Doubly- Fed Induction Generator) sử dụng rộng rãi nhà máy gió ưu điểm hoạt động dãi tốc tốc gió rộng, chi phí sản xuất thấp hơn, so với PĐG sử dụng máy phát đồng [1-8] Đối với DFIG theo sơ đồ đối song (back-to-back) với biến đổi công suất nằm lưới điện mạch điện rotor trình bày Hình sử dụng kỹ thuật điều khiển vector, công suất tác dụng phản
kháng máy phát điều khiển độc lập Nhiều báo sử dụng
phương pháp khác cho thuật tốn tìm kiếm điểm cơng suất cực đại MPPT
(Maximum Power Point Tracking), số sử dụng phương pháp điều khiển phức tạp phương pháp trượt [6, 7] điều khiển thích nghi [8]
(2)dụng đầy đủ tất vùng làm việc turbine gió (TG) [1] đề nghị giải thuật điều khiển, áp dụng cho vùng làm việc I, II, III, khu vực
vùng I chưa tận dụng nguồn gió có tốc độ tương đối khá, mà khu vực
vẫn tận dụng phát lượng Trong báo này, phương pháp điều khiển cho vùng hoạt động I, II, III, IV đề nghị cho DFIG trình bày thuật tốn MPPT đơn giản đề xuất sau đó, mơ hình DFIG áp dụng tính tốn chế độ làm việc khác sơ đồ nhà máy gió lưới điện Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVN-SPC) quản lý
Hình 1: Cấu hình điển hình DFIG Hình 2: Hiệu suất Cp (λ, β)
2 CÁC VÙNG LÀM VIỆC KHÁC NHAU CỦA DFIG
Công suất học PM rotor DFIG phụ thuộc tốc độ gió Vw, góc nghiêng β
của cánh TG:
P = ρ π R C (β, λ)V (1)
Trong PM cơng suất học có từ gió (W), ρair mật độ khơng khí
(1,225 kg/m3), Vw tốc độ gió (m/s) R bán kính cánh quạt (m) Cp hiệu suất
của TG với biểu thức (2) phụ thuộc vào cấu tạo cánh quạt, góc nghiêng cánh quạt β tỉ số tốc độ đầu cánh λ Cp cho biểu thức [5]:
C (λ , β) = c − c β − c exp + c λ (2)
Trong đó:
= , − , (3)
Với λ = (4)
Các hệ số c1 đến c6: c1 = 0.5176, c2 = 116, c3 = 0.4, c4 = 5, c5 = 12,5
c6 = 0,0068, với ωr tốc độ quay cánh quạt Đặc tính Cp-λ giá trị khác
(3)Trong Hình công suất chảy qua biến đổi nằm khoảng từ 0,1 đến 0,4 công suất định mức máy phát giá trị định hệ số trượt lớn máy phát Vì tốc độ quay ωg máy phát nằm biên theo biểu thức (5) [1]
ω (1 − |S |) ≤ ω ≤ ω (1 + |S |) (5)
Trong ωg rated tốc độ đồng máy phát, ωg tốc độ làm việc
máy phát 2.1 Vùng I
Đây vùng có tốc độ gió nằm Vcut in Vr (Hình 3) Khi tốc độ gió nhỏ Vcut in, TG không phát công suất, Vcut in phụ thuộc vào loại TG, thường nằm khoảng 2,5 m/s đến m/s, lượng gió chưa đủ khả làm cho cánh quạt đạt tốc độ nhỏ ωr Trong vùng tốc độ cánh quạt giữ không đổi ωr Quan hệ tỉ số hộp số Kgearbox ωr sau:
K ω = (1 − |S |) ω (6)
Hình 3: Các vùng làm việc DFIG Hình 4: Đặc tính cơng suất TG Trong tồn vùng này, λ có giá trị khác với giá trị tối ưu, điều làm cho
giá trị Cp chưa đạt giá trị lớn góc nghiêng β giữ 0o Trong vùng
này cần giữ cho vận tốc quay cánh quạt không nhỏ giá trị nhỏ ωr Tốc độ tham chiếu giới hạn tốc độ (6):
ω = ω (7)
2.2 Vùng II
(4)lớn phát lưới Góc nghiêng β giữ 0o, chưa đạt cơng suất lớn Tốc độ rotor máy phát nằm giới hạn sau:
K ω ≤ ω ≤ K ω (8)
Trong đó: K ω = (1 − |S |) ω
Và K ω = (1 + |S |) ω
Trong vùng này, cần thiết làm cho λ tối ưu theo (4) vận tốc quay cánh quạt thay đổi tuyến tính với thay đổi tốc độ gió
Đối với n = 3, cánh quạt có cánh, cơng suất lớn gió Cpmax xuất [6]:
λ ≈ = ≈ 4.19 (9)
Trong báo này, thông số chọn Cpopt = 0,438, tương ứng với
λopt = 6,4
Tốc độ tham chiếu tính sau:
ω = = , (10)
2.3 Vùng III
Vùng nằm Vr max Vrated Trong vùng này, tốc độ rotor máy phát đạt đến giá trị lớn giữ khơng đổi giá trị Vì thuật tốn điều khiển làm việc cho việc tăng tốc độ gió khơng dẫn đến tăng tốc độ quay cánh quạt TG Tại tốc độ gió Vrated, cơng suất máy phát đạt định mức Trong vùng này, λ khơng cịn giữ giá trị tối ưu giảm đó, tốc độ gió tăng tốc độ cánh
quạt số giá trị β 0o Trong vùng tốc độ tham chiếu giới hạn tốc
độ thuật toán điều khiển
ωr ref = ωr max (11)
Khi công suất phát P đạt đến định mức, thuật toán chuyển sang vùng IV 2.4 Vùng IV
Đây vùng mà TG làm việc, khoảng giới hạn tốc độ gió Vrated giới hạn Vcut out Nếu tốc độ gió vượt giới hạn này, TG dừng hoạt động hệ thống hãm kích hoạt Trong vùng này, tốc độ TG giữ số giá trị lớn λ Cp khơng có giá trị tối ưu, góc nghiêng β
thay đổi phạm vi từ 0o đến 45o để thải bỏ lượng gió dư thừa TG giữ
công suất phát giá trị định mức thuật toán MPPT yêu cầu gia tăng góc
(5)Từ giả thiết vùng làm việc Hình 3, đặc tính cơng suất TG theo tốc độ máy
phát tốc độ gió với β = 0o minh họa Hình Đường công suất TG yêu cầu
là đường nối điểm ABCD AB đoạn thẳng đứng tốc độ nhỏ máy phát tương ứng với vùng I BC quỹ tích cơng suất max TG điểm nằm đường có hệ số đầu cánh đạt tối ưu λ = 6,4 Tốc độ gió điểm B C xác định theo biểu thức (4) đoạn BC tương ứng với vùng II CD đoạn thẳng đứng tương tự AB tốc độ lớn máy phát tương ứng với vùng III Vùng IV hoạt động điểm D, lúc góc nghiêng β tăng làm cho đặc tính cơng suất theo tốc độ máy phát thay đổi
Từ biểu thức (7), (8), (10), (11), mơ hình cho thuật tốn điều khiển đề xuất xây dựng hệ qui chiếu quay rotor dq Các dòng rotor (ira, irb, irc) DFIG chuyển vào thành phần trục dq idr iqr
Từ thông stator rotor biểu diễn sau:
φ = L i + L i (12)
φ = L i + L i (13)
φ = L i + L i (14)
φ = L i + L i (15)
Trong Ls, Lr, theo thứ tự điện cảm stator rotor Lm hỗ cảm stator rotor
Các công suất tác dụng phản kháng phía stator sau:
P = v i + v i (16)
Q = v i − v i (17)
Các cơng suất tác dụng phản kháng phía rotor định nghĩa sau:
P = v i + v i (18)
Q = v i − v i (19)
Momen điện từ:
T = p φ i − φ i (20)
Với p số đôi cực
Để triệt tiêu thành phần từ thông stator trục q, chọn φ = φ φ = Momen điện từ đơn giản thành:
(6)Do đó, có thành phần iqr góp phần vào momen cơng suất Nếu idr iqr điều khiển cách xác, điều khiển riêng biệt công suất tác dụng phản kháng phía stator
P = −V i (22)
Q = − i (23)
Giá trị xác idr iqr rotor có cách tạo dòng tham chiếu pha ira_ref, irb_ref irc_ref, sau biến đổi cơng suất đưa dòng điện
vào rotor, dòng tham chiếu (ira_ref, irb_ref irc_ref) dựa vào độ sai lệch tốc độ
(ωpu - ωref_pu)
Mơ hình turbine gió máy phát DFIG thành lập mô thực PSCAD 4.2 dựa thông số TG Nordex N80
Máy phát: Công suất 2500 KW, điện áp 660 V, tốc độ 740 - 1310 vòng/phút Turbine: Tỷ số hộp số 1:68, tốc độ gió cut-in m/s, tốc độ gió cut-out: 25 m/s, bán kính cánh quạt turbine: 40 m
Hình 5: Tốc độ gió (m/s) Hình 6: Đáp ứng tốc độ rotor máy phát (ωref_pu tốc độ tham chiếu,
ωpu tốc độ thực rotor)
(7)
Các kết trình bày từ Hình đến Hình Tốc độ gió thay đổi từ tốc độ Vcutin m/s đến tốc độ Vcutout 25 m/s, lần thay đổi tăng thêm m/s Hình
5 Tốc độ rotor máy phát ổn định thời khoảng 10s với sai số khoảng 0,003 pu
như Hình Đường cong Cp đạt giá trị lớn khoảng vận tốc gió từ m/s đến
12 m/s Hình góc nghiêng β kích hoạt vận tốc 13 m/s
Hình Hình cho thấy đường cong công suất phát PG hiệu suất Cp theo tốc độ gió
có từ kết tính tốn phù hợp với đường cong tương ứng máy phát gió thực tế Nordex N80/2500
Hình 9: So sánh kết với số liệu TG Nordex N80/2500 KW
3 TÁC ĐỘNG CỦA CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ LÊN LƯỚI ĐIỆN
Mơ hình đề xuất cho turbine gió máy phát DFIG xây dựng PSCAD 4.2 đưa vào sơ đồ tính tốn lưới điện EVN- SPC, với kịch nhà máy điện gió tỉnh Bình Thuận, Ninh Thuận, Bạc Liêu dự kiến đấu nối vào lưới điện theo qui hoạch điện gió đến 2020 Do khn khổ giới hạn báo, trình bày số điểm tiêu biểu tác động nhà máy gió địa bàn tỉnh Ninh Thuận, với kịch qui hoạch điện gió sau [16]
Dự án PDV1-1: Công suất lắp đặt 30 MW, dự kiến bố trí trạm 110/22 kV - 40 MVA
PĐV1-1 đấu nối chuyển tiếp vào đường dây 110 kV Ninh Hải - Cam Ranh
hiện hữu
Dự án PDV1-2: Công suất lắp đặt 30 MW, dự kiến bố trí trạm 110/22 kV – 40 MVA
PĐV1-2 đấu nối chuyển tiếp vào đường dây 110 kV Phan Rang - Cam Ranh
hiện hữu
Dự án PDV3-1: Công suất lắp đặt 40 MW, dự kiến bố trí trạm 110/22 kV – 40 MVA
PĐV3-1 đấu nối chuyển tiếp vào đường dây 110 kV Ninh Phước - Tháp Chàm
hữu
Dự án PDV3-2: Công suất lắp đặt 30 MW, dự kiến bố trí trạm 110/22 kV – 40 MVA